CN1502783A - 水平螺旋钻机钻头控向技术装置 - Google Patents

Abstract

一种水平螺旋钻机用钻头控向***。它主要包括能实时控制钻头方向的液压伺服***，完成测量、反馈、计算、显示和控制任务的传感器***以及转动灵活、调向方便、结构紧凑、适用多种土质的全封闭式可控向钻头。该***能够自动调节水平螺旋钻机在钻进过程中发生的偏斜，按照预定的方向完成钻进任务。此发明有效地解决了水平螺旋钻机控向的难题。

Description

水平螺旋钻机钻头控向技术装置

技术领域

本发明涉及一种水平穿越钻机在钻进过程中的方向控制技术套管螺旋钻机。

背景技术

水平螺旋钻机钻头控向技术装置管线建设工程中最常用的设备之一，当管线通过高速公路、铁路及建筑物时，需要用它来进行带套管穿越，套管螺旋钻不同于其它的油田钻机依靠高压泥浆带走钻屑，它是在钻进的同时利用搅龙向外输送钻屑。在钻进过程中，由于受不同的地质条件、钻头重力和不平衡力矩的影响，使用钻机在钻进过程中经常发生偏斜，超出管道敷设的标准要求，有时甚致在穿越中间发生严重的偏斜，使整个穿越工程报废，这就要求必须能有效地控制钻头的钻进方向。

徐州华东石油机械厂在任沧线穿越约80米的铁路时，使用国产无控向的钻机，当钻至约33米和约65米处发生两次卡钻现象，用高压泥浆冲洗套管中的搅龙和钻头后，方可正常工作，当钻头出土时，发生严重偏斜，水平方向偏离设定位置约2米，垂直方向偏离设定位置约1.5米，严重超出了规定范围(按规定水平方向偏斜小于全长1％，垂直方向偏斜小于全长0.5％为合格)，使整个管线报废。另外，我厂在燕京线穿越约60米的高速工路时，使用进口无控向的钻机，当钻头出土时，于原设定方向相比，水平方向偏斜约0.5米，虽在规定的范围内，但垂直方向偏离设定位置约0.8米，超出了规定。

然而，国内所有的在役套管螺旋钻机均无控向装置，其原因在于在钻头处采用机械连接安装测控装置进行实时控制，在结构上存在很大的难度。

发明内容

本发明的主要技术特征为：利用水平和垂直方向的铰接形成连轴器，以确保钻头的自由转动和偏移，采用水平和垂直传感器，将钻头相对于实始值所发生的偏移量转换成电位量，传至操作面，由转换器将电信号通过液压伺服阀传至液压缸，对钻头进行实时监控，采用电气滑环和液压滑环，使电缆和液压管从旋转的搅龙中间穿过，避免从套管外焊接线路保护管通过，采用分段式焊接套管和销连接搅龙，采用工艺套管，使2米行程的液压缸能一次钻进4米的工作行程，采用可在钻进过程中调整直径的钻头，能在钻进过程中卡钻或发生其它意外情况时，将搅龙和钻头抽回，采用小齿轮、齿条结构支持位移传感器，并可实现数据的累加。

所述的钻头包括：初级搅龙、防护罩、关节铰链、、回转环、钻头、副钻头、外套管、中间套管、伺服液压缸、传感变送器。

所述传感器控制装置包括：精密垂直倾角传感变送器一套，精密水平角度)传感变送器一套，位移测量传感器及可调式精密齿轮齿条传动装置一套，智能显示仪三台，内置角度反馈调节控制***四路，计算机彩色液晶数据记录分析仪及控制软件一套、精密齿轮齿条装置。

所述的液压伺服机构包括：液压电器滑环二个、内置式伺服液压缸四个，伺服流量控制阀二个，比例控制阀一个，专用快换接头十六个。

附图说明

图1表示钻头结构示意图

图2表示液压***原理图

图3表示传感器原理方框图

参照附图，详细叙述本发明的具体实施方案。钻头、液压、传感器作如下详述：

一种水平螺旋钻机用钻头控向装置，其特征在于其包括可控向钻头(见附图1)、液压伺服***(见附图2)和传感器***(见附图3)，其中可控向钻头包括初级搅龙(1)、调整钻头垂直方向的两个内置式伺服液压缸(2)、使钻头成为全封闭结构的三个防护罩(3)、连接液压缸与套管的两对关节铰链(4)、测定垂直方向偏移的传感变送器(5)、连接钻头与内套管回转环(6)、钻头(7)、与初级套管(17)连接的外套管(10)、中间套管(11)、与回转环(6)连接的内套管(12)、连接三层套管的销轴(13)、轴套(14)、测定水平方向偏移的传感变送器(15)、调整钻头水平方向的两个内置式伺服液压缸(16)、初级套管(17)；液压伺服装置包括垂直调整内置式液压伺服液压缸(2)、水平调整内置式液压伺服液压缸(16)、伺服流量控制阀(18)、液压回转滑环(19)、比例溢流阀(20)、夹紧离合器(21)；传感器装置包括调正角度液压校正装置(23)、水平角传感变送器(15)、垂直角传感变送器(5)、显示仪表(水平角、垂直角、位移)(24)、计算机控制装置及采色液晶显示屏(25)、反馈控制器(26)、位移传感器(27)、精密齿轮齿条装置(28)。

上述的水平螺旋钻机用钻头控向装置，其特征在于：所述的可控向钻头(7)通过回转环(6)与内套管(12)连接，钻头(7)的转动由主设备通过初级搅龙(1)传递，钻头方向的调整是由液压缸(2)和液压缸(16)通过关节铰链(4)拉动垂直、水平交错连接的中间套管(11)和内套管(12)带动钻头(7)实现水平、垂直的方向调整。

所述的水平螺旋钻机用钻头控向装置，其特征在于：所述的可控向钻头(7)外形为塔形，由三角型主钻头(9)和镶硬质合金的副钻头(8)完成切削，钻头体上的副钻头是由多个小钻头组成，小钻头采用错齿式排列；钻头亦可采用活动铰链式，两侧设有活动的切削翼，使钻头能在钻进时快速打开，钻头抽回时，两翼收回。

所述的水平螺旋钻机用钻头控向装置，其特征在于：所述可控向钻头的内套管(12)与中间套管(11)之间，中间套管(11)与外套管(10)之间分别用转动轴水平和垂直铰接在一起，可使钻头(7)随内套管(12)相对于中间套管(1)和外套管(10)垂直方向转动；钻头(7)随内套管(12)和中间套管(11)相对于外套管(10)水平方向转动，从而实现钻头水平与垂直方向控制。

所述的水平螺旋钻机用钻头控向装置，其特征在于：所述的可控向钻头的动力部分来源于安装在垂直、水平方向的四个调整伺服液压缸(2)和伺服液压缸(16)，两个垂直调整液压缸(2)安装在初级套管(17)内壁水平方向上，液压缸(2)的活塞杆通过关节铰链(4)与中间套管(11)连接在一起，利用活塞杆的前后移动，推动中间套管绕水平转轴(13)垂直方向转动，由中间套管(11)带动内套管(12)和钻头(7)完成垂直方向摆动，实现垂直方向控向。同理通过液压缸(16)的动作可实现钻头水平方向的控制。

所述的水平螺旋钻机用钻头控向装置，其特征在于：所述可控向钻头的连接在伺服液压缸(2)或伺服液压缸(16)与中间套管(11)或内套管(12)之间的关节铰链(4)采用自润滑式球型轴套，消除了钻头上下、左右摆动时相互之间的约束。

所述的水平螺旋钻机用钻头控向装置，其特征在于：所述可控向钻头的初级搅龙(1)连接内六方和钻头轴之间除六方和定位销连接外，还设有钢球(18)，可使钻头转动灵活并可自动调心。

所述的水平螺旋钻机用钻头控向装置，其特征在于：传感器装置和液压伺服装置，能够在钻机钻进的全过程，对钻头偏斜进行实时测量、实时反馈、实时调整、实时控制、实时显示，并能根据土质的不同，自动对钻头进行动态调整和闭锁性强制性调整。

如图1所示，该定向装置由初级搅龙、外套管、中间套管、内套管、钻头、转动轴、垂直和水平液压缸等零件构成。钻头与内套管之间通过回转支承连接在一起，钻头即可回转，又可随内套管摆动。内套管与中间套管之间，中间套管与外套管之间分别用转动轴水平和垂直铰接在一起，这种铰接结构使得内套管相对于中间套管和外套管只能垂直方向转动，内套管和中间套管相对于外套管只能水平方向转动，这样就可实现钻头水平与垂直方向控制。控向的动力部分来源于安装在水平、垂直方向的四个调整伺服液压缸，两个水平调整伺服液压缸安装在外套管内壁水平方向上，活塞杆和中间套管通过关节铰链铰接在一起，利用活塞杆的前后移动，推动中间套管绕垂直铰接头水平转动，由中间套管带动内套管和钻头水平方向摆动，以实现水平控向。两个垂直调整伺服液压缸安装在外套管垂直方向上，活塞杆和内套管通过关节铰链铰接在一起，同理利用此液压缸可实现钻头垂直方向的控制，由于水平和垂直调整伺服液压缸是通过关节铰链连接在不同的套管上，所以液压缸即可单独对两个方向进行控制，也可同时控制，互不影响。

图2右边为水平螺旋钻机的主运动部分，它主要完成钻机的快进、快退、工进和工退，其工作原理，这里不再介绍。左边点画线框着的部分，即为控向液压伺服装置，装置中采用了两个电液伺服流量控制阀，分别控制水平和垂直液压缸。该阀无电流时，阀芯处于中位，压力油和回油与液压缸两腔都不通，活塞杆不动；当向伺服阀通以一定电流时，阀芯偏离中位，油液进入液压缸，活塞杆以一定速度运动。电流的极性决定液流方向，亦即活塞杆运动方向，而电流的绝对值大小则决定阀芯偏离中位的距离，亦即通过阀的流量和活塞杆的运动速度。我们以垂直控向为例说明***的工作原理：开始钻削时，首先我们通过电位器或拨码器给该装置设定一个控制信号μg，然后调整垂直传感器反馈信号μz，使μg＝μz，这样通过桥式调节电路可获得该偏差值的电模似量Δμ＝μg-μz＝0，由于Δμ为0伺服阀处于关闭状态，垂直调整伺服液压缸不工作。工作过程中，如钻头垂直方向与初始位置发生了偏差，电模拟量偏差值Δμ不为0，假设钻头是向上偏斜，这时偏差电压Δμ为正，Δμ送入放大器，放大器便输出一正向电流给电液伺服阀，伺服阀给伺服液压缸一正向流量，活塞杆推动连接套管绕回转轴转动，以减小其偏差值，直至其回到原始的位置上，即偏差变为零，伺服阀输入电流和输出电量皆为零，调整伺服液压缸停止工作。同理，当Δμ为负值时，伺服液压缸活塞杆反向移动，直至消除偏差为止。

图3本装置以单片机为控制核心，对水平螺旋钻机钻进的全过程实施水平角度、垂直角度、钻进长度的实时精确测量，显示和自动测控。对钻头钻进过程中水平和垂直方向的偏斜，连续给出纠正控制信号，由液压伺服***完成纠偏。最终控制精度在水平偏差1％，垂直偏差0.5％以内。整个控制过程，用户可以在彩色显示屏上，直观地观察到钻进的水平距离和钻头水平和垂直方向任意时刻偏离原始设定值的距离。为了进一步提高控制的精确度，保证钻进全过程液压伺服装置都能安全、稳定的工作，装置还设置有手动、自动转换装置，自动装置中又设有自动、机动自动转换装置，自动与机动转换完全由计算机根据钻进过程中遇到土质情况自动完成。

通电后，仪表和显示屏会显示当前开始状态的水平角度值θ和垂直角度值β。(如开钻前，确定需打孔的方向，设角度值为θ0，β0，作为基准。)作业开始后，位移传感器会记录下行进的位移量，即钻进的长度，在显示屏上会动态的显示出以位移X为横座标，θ，β为纵座标的二组图形，每4米为一个单位，以显示当前的进展状态，开给出报警角度界线。具体报警角度值可以设定(按照水平角偏差1％，垂直角0.5％的要求，应该设定∧θ≤0.56°，∧β≤0.28°)，当角度偏差值超出设定范围，反馈控制***自动输出一组信号，控制开启液压伺服校正***。其校正前后的角度会随时在显示仪表和显示屏上显示出来。

实施例

实施例1、水平螺旋钻机钻头控向技术装置在仪南管线4-4号标段52米穿越，施工单位，中石化管首储运公司工程四处，水平与垂直方向与设定位置偏离0.4米、0.3米，符合规定要求。穿越时间6天，标的价57万元。

实施例2、水平螺旋钻机钻头控向技术装置甬沪宁管线上海西段庞庄37米铁路穿越，水平与垂直方向与设定位置偏离0.25米、0.10米，符合规定要求。施工单位，中原油建公司，工程时间5天，标的价38万元。

实施例3、水平螺旋钻机钻头控向技术装置东黄复线昌邑西城区段42米公路穿越，水平与垂直方向与设定位置偏离0.30米、0.10米，符合规定要求。施工单位，管道储运公司工程四处，工程时间8天，标的价44万，

上述三个实施例都有效地按预设的精度控制钻进方向和钻深累加。

Claims (8)

1、一种水平螺旋钻机用钻头控向装置，其特征在于其包括可控向钻头(见附图1)、液压伺服***(见附图2)和传感器***(见附图3)，其中可控向钻头包括初级搅龙(1)、调整钻头垂直方向的两个内置式伺服液压缸(2)、使钻头成为全封闭结构的三个防护罩(3)、连接液压缸与套管的两对关节铰链(4)、测定垂直方向偏移的传感变送器(5)、连接钻头与内套管的回转环(6)、钻头(7)、与初级套管(17)连接的外套管(10)、中间套管(11)、与回转环(6)连接的内套管(12)、连接三层套管的销轴(13)、轴套(14)、测定水平方向偏移的传感变送器(15)、调整钻头水平方向的两个内置式伺服液压缸(16)、初级套管(17)；液压伺服装置包括垂直调整内置式液压伺服液压缸(2)、水平调整内置式液压伺服液压缸(16)、伺服流量控制阀(18)、液压回转滑环(19)、比例溢流阀(20)、夹紧离合器(21)：传感器装置包括调正角度液压校正装置(23)、水平角传感变送器(15)、垂直角传感变送器(5)、显示仪表(水平角、垂直角、位移)(24)、计算机控制装置及采色液晶显示屏(25)、反馈控制器(26)、位移传感器(27)、精密齿轮齿条装置(28)。

2、根据权利要求1所述的水平螺旋钻机用钻头控向装置，其特征在于：所述的可控向钻头(7)通过回转环(6)与内套管(12)连接，钻头(7)的转动由主设备通过初级搅龙(1)传递，钻头方向的调整是由伺服液压缸(2)和伺服液压缸(16)通过关节铰链(4)拉动垂直、水平交错连接的中间套管(11)和内套管(12)带动钻头(7)实现水平、垂直的方向调整。

3、根据权利要求1或2所述的水平螺旋钻机用钻头控向装置其特征在于：所述的可控向钻头(7)外形为塔形，由三角型主钻头(9)和镶硬质合金的副钻头(8)完成切削，钻头体上的副钻头是由多个小钻头组成，小钻头采用错齿式排列：钻头亦可采用活动液压铰链式，两侧设有活动的切削翼，使钻头能在钻进时快速打开，钻头抽回时，两翼收回。

4、根据权利要求1或2所述的水平螺旋钻机用钻头控向装置，其特征在于：所述可控向钻头的内套管(12)与中间套管(11)之间，中间套管(11)与外套管(10)之间分别用转动轴水平和垂直铰接在一起，可使钻头(7)随内套管(12)相对于中间套管(1)和外套管(10)垂直方向转动；钻头(7)随内套管(12)和中间套管(11)相对于外套管(10)水平方向转动，从而实现钻头水平与垂直方向控制。

5、根据权利要求1或2所述的水平螺旋钻机用钻头控向装置，其特征在于：所述的可控向钻头的动力部分来源于安装在垂直、水平方向的四个调整伺服液压缸(2)和伺服液压缸(16)，两个垂直调整液压缸(2)安装在初级套管(17)内壁水平方向上，伺服液压缸(2)的活塞杆通过关节铰链(4)与中间套管(11)连接在一起，利用活塞杆的前后移动，推动中间套管绕水平转轴(13)垂直方向转动，由中间套管(11)带动内套管(12)和钻头(7)完成垂直方向摆动，实现垂直方向控向。同理通过液压缸(16)的动作可实现钻头水平方向的控制。

6、根据权利要求1、2或5所述的水平螺旋钻机用钻头控向装置，其特征在于：所述可控向钻头的连接在伺服液压缸(2)或伺服液压缸(16)与中间套管(11)或内套管(12)之间的关节铰链(4)采用自润滑式球型轴套，消除了钻头上下、左右摆动时相互之间的约束。

7、根据权利要求1或2所述的水平螺旋钻机用钻头控向装置，其特征在于：所述可控向钻头的初级搅龙(1)连接内六方和钻头轴之间除六方和定位销连接外，还设有钢球(18)，可使钻头转动灵活并可自动调心。

8、根据权利要求1所述的水平螺旋钻机用钻头控向装置，其特征在于：传感器装置和液压伺服装置，能够在钻机钻进的全过程，对钻头偏斜进行实时测量、实时反馈、实时调整、实时控制、实时显示，并能根据土质的不同，自动对钻头进行动态调整和闭锁性强制性调整。

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