公用事业管线，如水、电、煤气、电话、有线电视、数字通讯和计算机联网 通常与多种类型的实体管线或缆线一样埋设在地下。一般来说，要求将这些管线 埋设在地下是出于安全和美观的原因。在许多情况下，地下的公用事业管线可埋 在开挖的管沟中，其后再回填。尽管其在新铺设区域内实用有效，但在管沟中埋 设公用事业管线具有某些缺点。在支承现有建筑物的区域内，开挖的管沟可对结 构或道路造成严重的破坏。此外，开挖的管沟很有可能损坏先前埋设的管线，被 开挖的管沟破坏的结构或道路很有可能恢复不到原来的状况。而且，开挖管沟有 伤害工人和行人的危险。
为克服上述的缺点，以及应用传统管沟技术中未述及的其它缺点，已研制出 了钻挖水平地下孔的通用技术。根据这种通用的水平钻孔技术(也称作为微型开 隧或无管沟地下钻孔)，一钻孔系统设置在地表面上。安排该钻孔系统以与地表面 倾斜的角度对地面钻孔。为了移走钻屑和污物，流体流动通过钻具组，流过钻头， 返回到钻孔。当钻头到达要求的深度后，钻头然后朝向沿基本水平的路径以形成 一水平的钻孔。在达到所要求的钻孔长度后，钻头然后朝上钻透地面。然后将钻 具组通过钻孔拉回，装上一扩孔钻，从而将钻孔铰大到一较大直径。通常在扩孔 工具上附连上公用事业管线或管道，这样，它连同扩孔器被曳拉通过钻孔。
所要求钻孔的长度可以相当长。为了形成一足够长度的钻具组以产生所要求 的钻孔，许多固定长度的钻杆可头对头地连接。具体来说，第一钻杆放置在机架 上并压入地面。一其后长度的钻杆放置在机器上并与第一长度连接，一般通过各 钻杆上的螺纹来连接。然后组合的长度又进一步压入地面。为了形成一完全的钻 孔，在钻孔操作中，以这种方式添加无数的钻杆。随着杆的添加，钻具组的长度 和所得到的钻孔长度不断增加。
使用传统地下钻孔工具的操作者通常修正钻头前进的速度。操作者根据许多 参数，手工改变推力，这些参数包括钻具组推进的要求的速度和土壤条件。然而， 在力图加大钻孔速度时，操作者在不使钻杆破坏或毁坏的情况下，可能在一个或 多个钻杆上施加超过安全性施加的推力。操作者常常不清楚可施加多少推力才不 造成这样的损坏。因此，操作者可能施加太小的推力，致使钻孔效率低下，或可 能代之以施加太大的力而造成钻具组损坏。
为钻相当长的孔，通常使用具有许多互连长度的钻管的钻具组。各个管段通 常螺纹地连接在一起而形成钻具组。当两个钻管螺纹地连接在一起时，它们拧紧 到一预定的扭矩(即装配扭矩)以提供一牢固的连接。在钻孔操作中，钻具组通 常沿向前方向(例如，顺时针方向)旋转。因此，假定管具有右旋螺纹的话，则 钻具组的向前旋转促使两管保持螺纹地连接。
然而，有时要求反方向(例如逆时针方向)转动钻具组。在这种反向转动中， 会促使钻管解开。如果钻具组的钻头楔入硬土或岩石时，则尤为这种情形。如果 两个钻管变得松开，则两管之间的螺纹连接处形成一间隙，它使异物进入该接头。 异物可阻止接头不能充分地拧转，直到异物取走为止。该松动的接头不能承载任 何反向的转动扭矩载荷，除非它再次拧紧。如果这种松开发生在地下，可能难于 识别出接头已经松动，且水平向钻机的操作和/或驾驭可受到负面的影响。
地下钻孔业界有一种需求来尽可能减少这种问题，并有助于钻孔操作者实施 钻孔作业。另外，还有一种对改进的地下钻孔机械的需求，它保证对于变化的地 面条件具有高的钻孔效率，在不依赖人力干预的情况下，最大程度地减少与钻具 组损坏相关的耽误和耗资。本发明实现了上述的和其它的要求，并较之现有技术 提供了更多的优点。

为克服上述的现有技术的局限性，并克服在阅读和理解本说明书之后，变得 显而易见的其它诸多局限性，本发明一般地公开了在地下钻孔过程中，用来自动 限制施加在一钻具组上推力的系统、装置和方法。
概括地说，为了防止施加到钻具组上的推力载荷超过推力载荷极限，须限制 施加在钻具组上的推力，上述推力载荷极限至少部分建立在至少一个钻具组部分 的屈服(yield)点上，和/或在钻具组反向转动中足以造成细长杆松开的推力载荷。 举例来说，为了防止由于达到杆的“屈服”点而发生的钻杆的变形或塌陷，可建 立该推力载荷极限。通常推力载荷小于最大推力载荷，最大推力载荷可由推力机 构采用其它方法产生。
钻具组包括多个以头对头的关系螺纹地连接在一起的细长件。按照本发明的 一个实施例，钻机包括一机架和一转动驱动器，它用来围绕钻具组的纵轴线沿向 前和反向方向转动钻具组。钻具组沿向前方向转动以将细长件螺纹地连接在一起。 钻具组沿反向转动使细长件互相解开。
钻机还包括一沿机架推进转动驱动器的推力机构，以及一防止转动驱动器对 钻具组施加一超过反向扭矩限值的反向扭矩的反向扭矩限制器。反向扭矩限值小 于由转动驱动器产生的最大反向扭矩，且较佳地小于解开细长件所要求的临界扭 矩。在某些实施例中，一向前扭矩限制器可与反向扭矩限制器组合使用。
本发明的另一方面涉及一种水平钻孔机械，它具有由钻机的操作者根据操作 者所遇到的钻孔情况实施致动和不致动的推力限制器。
本发明的还有一方面涉及一种定向地将钻具组钻入地面的方法。钻具组包括 多个细长件。该方法包括通过对细长件施加向前扭矩以螺纹地连接两细长件，且 将钻具组推入地面。该方法还包括通过交替方式对钻具组施加向前和反向扭矩， 以便沿向前和反向方向转动钻具组，而同时对钻具组施加推力。该方法还包括自 动将施加到钻具组的反向扭矩限制到一值，该值小于松开细长件所需要的临界扭 矩。
本发明还有另一方面涉及另一种定向地将钻具组钻入地面的方法。该方法包 括致动一反向转动扭矩限制器，且将钻具组推入地面。该方法还包括通过交替方 式对钻具组施加向前和反向扭矩，以便沿向前和反向方向转动地下钻具组，而同 时致动反向转动扭矩限制器。反向转动扭矩限制器将施加到钻具组的反向扭矩限 制到一值，该值小于松开细长件所需要的临界扭矩。
按照本发明的另一实施例，提供一种控制钻具组地下转接的方法。确定影响 钻具组或部分钻具组的屈服点的一个或多个钻具组的特征点。计算钻具组或部分 钻具组的屈服点，其中，屈服点作为钻具组特征点的函数而进行计算。赋予钻具 组的推力根据计算的屈服点进行调整。
按照本发明的又一实施例，提供一种控制组成一钻具组的一个或多个钻杆的 地下推进的方法。测量钻具组未支承(或相当小支承的)的长度。例如，可测量 组成具有未支承部分的钻具组的一个或多个钻杆。钻具组部分的屈服点作为钻具 组未支承长度的函数而进行计算。赋予钻具组的推力被限制到一最大允许推力， 这样，不会达到屈服点。
按照本发明的还有一个实施例，提供一控制钻具组运动的方法，其中，钻具 组沿一地下路径移动。为沿地下路径的钻具组至少一部分确定一弯曲半径。钻具 组部分的屈服点作为弯曲半径的函数而进行计算。赋予钻具组的推力根据计算的 屈服点进行调整。
按照本发明的另一实施例，提供一控制钻具组地下转接的系统。该系统包括 产生推进钻具组的推力的推力引擎。设置至少一个钻具组传感器，以检测影响钻 具组或钻具组部分的屈服点的钻具组的特征点。一控制器连接到钻具组传感器和 推力引擎。控制器计算作为钻具组特征点的函数的钻具组部分的屈服点，并产生 基于计算的屈服点的推力调整信号。推力的幅值取决于推力调整信号。
在另一实施例中，提供一定向将钻具组钻入地面的水平钻机。钻具组包括以 头对头方式螺纹地连接在一起的多个细长杆。该钻机包括一机架，一用来围绕钻 具组的纵向轴线转动钻具组的转动驱动器，以及一用来沿机架推进转动驱动器的 推力机构。还包括一推力限制器，它防止推力机构对钻具组施加超过至少部分由 钻具组部分的失稳点确定的推力载荷限值的推力载荷。推力载荷限值小于最大推 力载荷，最大推力载荷可由推力机构采用其它方法产生。
表征本发明的新颖性的上述的和其它的优点和特征将在附后的作为本说明书 一部分的权利要求书中一一给出。然而，为了更好地理解本发明，以及通过其使 用所达到的优点和目的，应参照组成本说明书另一部分的附图和伴随的描述内容， 其中，图示和说明了根据本发明的装置的诸多特殊实例。
附图的简要说明
纳入并组成本说明书一部分的附图连同说明，示出了本发明的若干方面，这 些附图用来解释本发明的原理。以下是各附图的简要说明：
图1示出根据本发明的原理构造的一水平定向钻机；
图2示出组成图1所示钻具组的两个细长件之间形成的螺纹连接；
图3a是根据本发明的原理构造的一扭矩限制装置的示意图，向前扭矩限制 器示为未致动，反向扭矩限制器示为已致动；
图3b是图3a的扭矩限制结构，其向前扭矩限制器已致动，反向扭矩限制器 未致动；
图4a是根据本发明的原理构造的另一扭矩限制结构，向前扭矩限制器示为 未致动，反向扭矩限制器示为已致动；
图4b是图4a的扭矩限制结构，其向前扭矩限制器已致动，反向扭矩限制器 未致动；
图5a是根据本发明的原理构造的一推力限制结构，该推力限制器示为未致 动；
图5b示出图5a的推力限制结构，其中，压力施加在液压缸上，推力限制器 未致动；
图5c示出图5a的推力限制结构，其中，压力施加在液压缸上，推力限制器 已致动；
图6是包含图3a和3b，图5a和5b诸系统的一系统的液压曲线图；
图7是表示根据本发明的原理的可控限制推力的流程图；
图8是表示根据本发明的推力限制系统的方框图；
图9是本发明的一代表性实施例的方框图，它进一步便于理解一由本发明解 决的特殊问题；
图10是示出根据本发明的可控限制推力的一方法的流程图；
图11是示出根据本发明的一实施例的推力限制原理的图解表示图；
图12是表示根据本发明的可控限制推力的另一方法的流程图；
图13是表示根据本发明的一推力限制系统的实施例的方框图；
图14A和14B表示驱动钻具组的示范性机架和小齿轮钻孔装置，还表示为确 定钻具组的未支承杆长度Lu而开发该机架和小齿轮机构的一种方式；
图15表示根据本发明的推力限制结构的另一实施例；
图16是根据本发明用来限制作为弯曲半径的函数的推力的一示范性系统的 方框图；
图17是根据本发明的原理可控地限制推力的方法的流程图；且
图18是表示一供地下钻孔机的操作者使用的控制屏的实例图。

在下面对示范性实施例的描述中，参照组成本说明书一部分的附图，其中示 出了实践本发明的特殊的实施例。应予以理解的是，也可应用其它的实施例，因 为在不脱离本发明范围的前提下，可在结构上和操作上作出改变。
一般来说，本发明提供在地下钻探/钻孔过程中用来自动限制或扼制施加在 钻具组上的推力。限制施加到钻具组上的推力，其目的是在反向转动钻具组时确 保钻杆的各节不松开。其目的还在于确保钻杆的各节不变形、不塌陷或不由于达 到杆的“屈服”点(也称为“失稳”点)而形成其它形式的损坏。
杆的失稳/屈服点是应力极限，在该点上材料发生永久变形。通过监控可能 影响所考察钻具组部分的屈服点的钻具组(或其部分)的特征点，可自动实现推 力限制。从这些特征点，可确定钻具组部分的屈服点。尽管施加在钻具组上的推 力为优化钻孔效率而可能向上调整，但推力在任何情况下受到限制，这样，不会 达到钻具组的屈服点。因此，推力源(例如马达)被阻止产生能使钻具组的一个 或多个杆达到屈服点的推力，它可能使杆变形，塌陷或其它形式的损坏。
本发明适用于地下钻孔系统和方法，因此提供了对一代表性的钻机的描述。 通过阅读这里所提供的描述，对于本技术领域的熟练人士来说，显而易见的是， 其它形式的地下钻孔系统明显地也在本发明的范围内，且本发明不限于这里所提 供的示范性钻机实施例。
图1示出一地下钻孔或开隧装置的示范性实施例，上述装置也称为水平定向 钻孔装置(HDD)，本发明的原理可应用于上述装置。一般来说，这样的装置可用 于钻具组的组装，转动，推进，撤回和拆卸。一钻具组通常指的是头尾排列且可 释放地、螺纹地连接在一起的多个相配的杆或管段。为了通过地面形成一孔，以 使缆线、管道或诸如此类的线通过其间，可将钻具组压入地面。由于这样的活动 导致了地下孔道，所以常称之为“无管沟钻挖”。
更具体来说，图1示出一示范性地下钻机10，它包括新型的装置和用来限制 施加在钻具组上推力的方法。上述装置和限制钻具组上推力的方法在此一般参照 一液压动力的钻机来进行描述。然而，应该认识到，本发明可有利地实施在各种 各样的地下钻机，这些钻机具有的部件和结构不同于在此为说明的目的而显示的 部件和结构。
图1示出根据本发明的原理而构造的一定向钻机10。钻机10适合用来将钻 具组14推入地面16，并从地面16拉出钻具组14。钻具组14包括多个细长件14a 和14b(例如，杆，管等)，它们以头对头的相互关系连接在一起。钻头28最好 安装在钻具组14的末端，以便于驱动钻具组14进入地面。钻头28包括，例如， 一切削刀头组件，一起动杆，一流体锤，一探头夹具，以及其它部件。较佳地， 每个细长件14a和14b包括位于相对于阴螺纹端20(示于图2)的一阳螺纹端18 (示于图2)。为将细长件14a和14b连接在一起，细长件14a的阳螺纹端18旋 入细长件14b的阴螺纹端20，从而提供一螺纹地连接或接头。
再回头参照图1，定向钻机10包括一细长的导向装置或导轨22，它可由操 作者以相对于地面16不同倾斜的角度来设置。转动驱动头24安装在导轨22上。 转动驱动头24适合于用来围绕钻具组14的纵向轴线26沿向前和反向方向转动钻 具组14。这里所用的术语“向前方向”或“向前扭矩”意指钻具组沿一方向的转 动，这种转动促使细长件14a和14b螺纹地连接在一起。例如，如果细长件14a 和14b具有右旋螺纹，则转动或扭矩的前进方向是顺时针方向。相反，术语“反 向”或“反向扭矩”意指钻具组沿一方向转动，这种转动促使细长件14a和14b 互相松开。例如，如果细长件14a和14b具有右旋螺纹，则反向或反向扭矩定向 为逆时针方向。
如图1所示，转动驱动头24包括一具有一输出轴32(即，驱动夹盘或驱动 轴)的齿轮箱30。齿轮箱30由一个或多个液压马达34供给动力。如图1所示， 设置了两个液压马达34。然而，应该认识到，能与齿轮箱30偶联的马达34的多 寡取决于要求由转动驱动头24产生的扭矩量。尽管已知的是一液压系统，但应该 认识到，已知产生扭矩的任何多种不同类型的装置均可使用。例如，在另一实施 例中，可使用诸如内燃机的引擎，以对钻具组14提供扭矩。
转动驱动头24适合在导轨22上沿纵向上下滑动。例如，转动驱动头24可 装在一跨在导轨22的轨道(未示出)上的可滑动托架(未示出)上。设置一推力 机构40来沿导轨22推进转动驱动头24。例如，推力机构40沿向下方向(箭头42 所示)移动转动驱动头24，将钻具组14推入地面16。相反，推力机构沿向上方 向(箭头44所示)推进转动驱动头24，将钻具组14从地面16移出。应该认识 到，推力机构40可以是任何种已知结构。
如图1所示，推力机构40包括一沿导轨22延伸的液压缸46。液压缸46通 过一链式驱动组件(未示出)与转动驱动头24连接。较佳地，链式驱动组件包括 一链，该链夹带在滑轮组中的滑轮或齿轮周围，这样，液压缸46的每一递增的行 程导致转动驱动头24位移的递增。例如，在一特定的实施例中，链式驱动组件将 转动驱动头24移动一距离，该距离约为液压缸46行程长度的两倍。如上所述的 具有一链式驱动结构的定向钻机在本技术领域内是众所周知的。例如，这种链式 驱动结构用于由Pella，lowa的Vermeer制造公司生产的多种定向钻机。
尽管前面描述了用来移动转动驱动头24的一个特殊的推力结构，但本发明 考虑可使用任何种不同的结构。例如，一个或多个液压缸可直接与转动驱动头24 连接。或者，一机架和小齿轮结构也可用来移动转动驱动头24。此外，一内燃机 或单一链或带的驱动结构(其不用液压缸)也可被采用。
仍参照图1，钻机10还包括用来连接和脱开钻具组14的细长件14a和14b 的上和下夹紧单元50和52。上夹紧单元50包括一驱动机构54(例如，一液压缸)， 该驱动机构用来围绕钻具组14的纵向轴线26转动上夹紧单元50。夹紧单元50 和52可包括任何种适合用来有选择地阻止细长件14a和14b中被夹紧件的转动的 结构。例如，夹紧单元50和52可构造成虎钳夹，当关闭时，虎钳夹夹紧钻具组 14，以充足的力来阻止钻具组14被转动驱动头24转动。或者，夹紧单元50和52 可包括有选择地啮合设置在细长件14a和14b的平面部分的扳手，以阻止细长件 的转动。
为将钻具组14推入地面16，转动驱动头24设置在最上的位置处(图1所示)， 且钻头28被夹持在下夹紧单元52内。然后放置细长件14a与转动驱动头24和钻 头28的输出轴32轴向对齐。一旦实现了对齐，转动驱动头24则沿向前方向转动 输出轴32。这使轴32旋入细长件14a的阴螺纹端20，且细长件14a的阳螺纹端 同时旋入钻头28的阴螺纹端。通过夹紧单元52，钻头28被阻止转动。
在旋入螺纹的过程中，转动驱动件24向下前进，以确保细长件14a的下端 接触钻头28，且细长件14a的上端接触输出轴32。较佳地，由转动驱动头24提 供的向前扭矩由扭矩限制器限制，以确保驱动轴32超过一预定扭矩。用来在驱动 轴32和细长件14a之间提供螺纹连接的向前扭矩被称为“闭合扭矩”。该闭合扭 矩最好在扭矩限制器致动时，大约是转动驱动头24所能提供的最大向前扭矩的67 ％。应该认识到，闭合扭矩的幅值取决于所用细长件的直径或大小。例如，对于 直径为2.375英寸的管，较佳地采用约为2400ft-lb的闭合扭矩。对于较大直径 管，闭合扭矩较大，对较小直径的管，闭合扭矩也较小。例如，对于3.5英寸直 径的管，闭合扭矩最好大约为6000ft-lb，对于1.9英寸直径的管，闭合扭矩最 好大约为1200ft-lb。
在第一细长件14a连接到驱动轴32和钻头28之后，下夹紧单元52释放细 长件14a，且转动驱动头24沿导轨22以向下方向推进，这样，细长件14a被压 入地面16。随着细长件14a被推入地面，转动驱动头24较佳地转动细长件14a， 这样，钻头28提供了一钻孔或钻探的行动。在细长件14a完全被推入地面16之 后，细长件14a的尾端由下夹紧单元52夹紧，以阻止细长件14a的转动。
一旦细长件14a的尾端被下夹紧单元52夹紧，转动驱动头24对驱动轴32 施加一反向扭矩，以断开形成于驱动轴32和细长件14a之间的接头。举例来说， 断开该接头所需要的反向扭矩可在闭合扭矩的50至70％的范围内。用来断开一接 头的扭矩称之为“断开扭矩”。因此，当要求断开一接头时，可由转动驱动头34 提供的反向扭矩最好不受限制，这样，可提供足够的扭矩来断开接头。
一旦接头断开，驱动轴32完全从细长件14a中松开，且转动驱动头24沿着 导轨22向上移动到最上面位置(例如，图1所示的位置)。接下来，放置细长件 14b，与细长件14a和驱动轴3对齐，并且重复上述的顺序。此后，根据所要钻的 孔的长度，可以与上述同样的方式对钻具组添加另外的细长件。
随着钻具组14推入地面16，最好控制钻具组14大致遵循由操作者预先确定 的路径。通常，钻头包括一激活的探头(例如，一能产生磁场的装置)，它能被设 置在地表面上的定位器跟踪，以确定地下钻具组14的位置。
本发明的一个方面涉及包含前后摇动或摆动钻头28的控制技术(例如，钻 具组14和附连的钻头28沿前进和反向方向前后转动)。钻头最好沿一限定的弧(例 如，一小于360°的弧，比如180°弧或90°弧)前后摆动，而钻具组14通过推力机 构40同时推入地面。这就形成了一种控制技术，它在钻头28的向前转动和钻头 28的反向转动过程中，提供了一种切割动作。在控制动作中，可使用一推力限制 器来控制由推力机构40提供的推力输出，这样，提供给钻具组14的推力不超过 一预置的推压力限值。
当钻头28沿向前方向(例如，如细长件14a和14b的螺距相同的方向)转 动时，由于螺纹接头通过向前的转动而拧紧，所以不会遇到问题。然而，当钻具 组14沿反向方向转动而将向前推力施加在钻具组14时，可超过螺纹接头的断开 扭矩，由此，造成一个或多个螺纹接头变得松动或解开。
为了克服上述指出的问题，本发明自动将由转动驱动头24提供的反向转动 扭矩限制在一个小于断开扭矩值的值上。换言之，在控制的过程中，扭矩限制装 置将转动驱动头24所能提供的反向转动扭矩量限制在一个值上，该值小于当扭矩 限制器未致动时转动驱动头24所能提供的最大反向转动扭矩。在某些实施例中， 反向转动扭矩可限制在不超过闭合扭矩的50％。反向转动扭矩最好限制在不超过 闭合扭矩的60％。在另一个实施例中，反向转动扭矩在钻孔时限制在闭合扭矩的 10至60％。
为从地面16撤回钻具组14，转动驱动头24沿着导轨22从最低处位置向上 移动到最上处位置。当转动驱动头24向上移动时，细长件14b从地面16上拉。 当转动驱动头24到达最上处位置时，下夹紧单元52夹紧细长件14a，且上夹紧 单元52夹紧细长件14b。此后，上夹紧单元50通过驱动器54围绕纵向轴线26 转动，从而断开介于两细长件14a和14b之间的螺纹接头。一旦接头已断开，上 夹紧单元50释放，且转动驱动头24将反向扭矩施加到细长件14b上，以从细长 件14a中完全松开细长件14b。
在松开的过程中，转动驱动头24向上移动。在两个细长件14a和14b松开 之后，转动驱动头24进一步向上移动，以分离细长件14a和14b。其后，上夹紧 单元50再次夹紧细长件14b，以阻止细长件14b的转动。由于上夹紧单元50夹 持住细长件14b，所以转动驱动头24将全部的反向扭矩施加在细长件14b上，这 样，介于驱动轴32和细长件14b之间的螺纹接头断开并完全松脱。在此松开过程 中，转动驱动头24进一步向上移动。在轴32和细长件14b松开之后，转动驱动 头24仍然继续向上移动，以分离轴32和细长件14b。一旦形成分离，细长件14b 从钻机10上移去，且转动驱动头24返回到最低处位置。
在最低处位置，驱动轴32旋入细长件14a，以在其间提供一螺纹连接。在旋 入过程中，下夹紧单元52阻止细长件14a转动。较佳地，在提供这种连接时，由 转动驱动头24提供的扭矩等于闭合扭矩。在连接形成之后，下夹紧单元52释放， 且转动驱动头24沿导轨22从最低处位置移向最上处位置，这样，细长件14a从 地面16撤回。上夹紧单元50然后致动，以啮合细长件14a，且下夹紧单元52致 动，以夹紧钻头28。接下来，转动上夹紧单元50，以断开介于钻头28和细长件 14a之间的连接。其后，以上述对于细长件14b同样的方式将细长件14a与钻头28 和输出轴32脱开，。
图3a和3b示出根据本发明的原理构造的一扭矩限制装置51。该系统示出许 多先前在图1中所述的相同部件。例如，系统示出用于给转动驱动头24提供动力 的马达34。系统还示出下夹紧单元52，上夹紧单元50和用于扭转上夹紧单元50 的驱动机构54。
如图3a和3b所示，系统包括用来向马达34提供动力的一标准泵60。实践 本发明的合适的泵是一种可逆的、容量可变的液压泵，例如，由Ames.Lowa的Saner Sunstrand公司以型号90系列销售的泵。
由反向转动扭矩压力线62和前进转动扭矩压力线64提供了泵60和马达34 之间的流体连通。为了沿反向方向转动驱动轴32，来自泵60的液压流体通过反 向转动扭矩压力线62输出到马达34，并通过前进转动扭矩压力线64从马达34 返回到泵60。为了沿前进方向转动驱动轴32，来自泵60的液压流体通过前进转 动扭矩压力线64输出到马达34，并通过反向转动扭矩压力线62从马达返回到泵。
泵60装备有对应于向前转动扭矩压力线64的第一反行程孔口66，以及对应 于反向转动扭矩压力线62的第二反行程孔口68。当压力施加在反行程孔口66和 68上时，反行程孔口66，68限制泵的输出。例如，如果压力施加在反行程孔口66 上，泵构造成降低其流向向前转动扭矩压力线64的输出。同样地，如果压力施加 在反行程孔口68上，泵将降低其流向反向转动扭矩压力线62的输出。当压力不 施加在孔口66和68上时，或者当施加在孔口66和68上的压力低于预定水平时， 泵60将逐步增加其压力输出，直到：(1)达到泵60的最大压力输出；或(2)一 限定压力施加在反行程孔口66和68中的任何一个。
图3a和3b的系统还包括一向前扭矩限制器70和一反向扭矩限制器72。向 前扭矩限制器70沿从向前转动扭矩压力线64延伸到反行程孔口66的一压力线74 设置。反向扭矩限制器72沿从反向转动扭矩压力线62延伸到反行程孔口68的一 压力线76设置。向前扭矩限制器70包括一位于卸压阀80上游的常闭的电磁阀78。 反向扭矩限制器72包括一位于卸压阀84上游的常开的电磁阀82。
电磁阀78和82是枢转致动的。例如，阀由液压致动，液压从用于夹紧单元 50和52的液压回路传递而来。例如，压力线86从用于夹紧单元50和52的回路 延伸到电磁阀78和82。当夹紧单元50，52都不致动夹紧细长件时，电磁阀78 和82仍保持其常态位置(例如，如图3a所示，阀78为关闭，阀82为打开)。相 反，当夹紧单元50，52中的任何一个或两个致动而夹紧细长件时(如图3b所示)， 来自夹紧单元回路的压力通过压力线86来致动电磁阀78和82。如图3b所示， 当阀78和82致动时，阀78打开，而阀82关闭。
卸压阀80和84允许操作者设置泵60输出的压力限值。通过限制泵输出的 压力，由转动驱动头24提供的扭矩也受到限制。在采用2-3/8英寸直径的细长件 的非限制性实施例中，卸压阀80可设为约4000磅/平方英寸，卸压阀84可设为 约1500磅/平方英寸。应该认识到，阀80和84的压力值可通过调整弹簧张力用 机械方法调整，或者用脉宽解调技术电子方式地进行调整。
如图3b所示，当向前扭矩限制器70致动时，向前扭矩限制器将泵60可输 出到向前转动扭矩压力线64的压力限制到由卸压阀80所设定的一个值。例如， 如卸压阀80设定值为4000磅/平方英寸，则泵60可将向前转动扭矩压力线64加 压到4000磅/平方英寸。当达到该限值时，卸压阀80打开，由此允许通过压力线 74将峰值水平的压力施加到反行程孔口66上。如果限定压力施加在反行程孔口 66，则泵被阻止超过该压力限值。
应该认识到，向前扭矩限制器70通常是关闭的。这样，在正常钻孔操作过 程中，转动驱动头24提供的向前扭矩仅受到泵60的最大容量的限制。然而，当 夹紧单元50，52的其中一个或两个都致动时，向前扭矩限制器70同时致动。因 此，当夹紧一细长件在两管间提供一螺纹连接时，向前扭矩限制器70自动地致动， 这样，施加到细长件上的闭合扭矩受到卸压阀80设置的压力上限的限制。
反向扭矩限制器72与反向转动扭矩压力线62流体连通。当反向扭矩限制器 72打开时，扭矩限制器72限制由泵60提供的施加在压力线62上的压力。通过 调整卸压阀84设置压力限值。在一适当采用2-3/4英寸直径的细长件的非限制性 实施例中，卸压阀84可设置到1500磅/平方英寸的压力。在反向扭矩限制器致动 的情况下，反向扭矩限制器72阻止泵对反向转动扭矩压力线62提供一超过由阀 84设置的压力值的压力。如果由泵60提供给压力线62的压力达到预设的压力限 值，则卸压阀84打开，这样，压力线62的压力施加到反行程孔口68。通过施加 该压力到反行程孔口68，由泵60输出到压力线62的压力受到卸压阀84设置的 限值的限制。
在正常钻孔操作过程中，反向扭矩限制器72致动，这样由转动驱动头24提 供的反向扭矩受到卸压阀84设置的限值的限制。较佳地，卸压阀84设置的压力 对应反向扭矩的限值，该反向扭矩值小于脱开两螺纹连接的细长件所需的断开扭 矩值。这样，当钻具组前后摆动来实现一所要的控制作用时，转动驱动头24被自 动地阻止将一足以松开任何钻具组的接头的反向扭矩施加到钻具组。即使钻头28 在一反向顺序中中止操作，情形也是如此。
当下夹紧单元52夹紧一细长件(如图3b所示)，反向扭矩限制器72自动地 未致动。这样，当一操作者为断开接头的目的夹紧一管时，泵60对马达34提供 足够的压力以产生一等于或超过断开接头所需的断开扭矩的扭矩。
图4a和4b示出另一个扭矩限制结构51’，其具有与图3a和3b所示的结构 51相同的部件，除了当夹紧单元52用来夹紧一细长件时，电磁阀78和82电动 地致动。图4a示出在一非夹紧取向的夹紧单元52。由此，向前扭矩限制器70的 电磁阀78未致动，而反向扭矩限制器72的电磁阀82致动。图4b示出了下夹紧 单元52被液压加压，这样，下夹紧单元52移动到一能夹紧一细长件的取向。下 夹紧单元52这样致动的同时，向前扭矩限制器70是电子地致动且反向扭矩限制 器72是电子地不致动。
图5a-5c示出一根据本发明的原理构造的推力限制结构100。推力限制结构 100包括一泵120，其提供液压压力给夹紧单元50和52，还提供液压压力给图1 所示的推力机构的液压缸46。应该认识到，泵100可以是任何类型的传统的泵。 一种可采用的非限制类型的泵是液压泵。一种已确定为合适的泵是由明尼苏达州 Eden Prairie的Eaton制造公司以型号No.70423RDH销售的泵。
图5a-5c中的泵102有一压力输出线104，压力输出线有两条支路，一支路 106提供压力给夹紧单元50和52，而一支路108提供压力给液压缸46。一个三 位的卸压阀110通过压力线108控制提供给液压缸46的压力。如图5a所示，电 磁阀110处于中间位置，在该位置电磁阀110阻止压力到达液压缸46。在图5b 和5c中，示出电磁阀110移动到一右位置，在该位置，阀使压力朝向液压缸46 的一第一孔口，使液压缸活塞伸出。电磁阀110也可以在一左位置(未示出)，在 该位置，电磁阀将压力从泵102引导到第二孔口105，以撤回液压缸46的活塞。 当活塞撤回或伸出时，阀110打开在液压缸46和油箱114之间的流体连通。
泵102包括一用于限制泵102输出压力的孔口116。当没有压力施加在孔口 116时，泵输出一等于备用压力的压力(例如，400磅/平方英寸)，该备用压力是 由偏压在电磁阀118上的一弹簧提供。当压力施加在孔口116上时，泵输出一等 于备用压力和施加到孔口116上压力之和的一压力。因此，如果一1400磅/平方 英寸的压力施加到孔口116上，则泵将输出一1800磅/平方英寸的压力。
推力限制结构100还包括一位于沿压力线122设置的推力限制器120，该压 力线从阀110延伸到泵102的孔口116。压力线122包括一位于推力限制器120 和孔口106之间的第一部分122a，且位于推力限制器120和阀110之间的第二部 分122b。当阀110在左或右位置中任一位置时，压力线122与提供压力给液压缸 46的压力线108流体连通。
压力限制器120包括一与减压阀126平行放置的电磁阀124。电磁阀124在 一打开位置(图5a和5b所示)和一关闭位置(图5c所示)之间可移动。当阀124 打开时，阀124允许由泵102施加到液压缸46的压力旁路减压阀126并直接施加 到孔口116。因此，在阀124打开的情形下，提供给液压缸46的压力可以逐步增 加直到泵120达到其最大压力量(例如，3000磅/平方英寸)。
推力限制器120通过关闭阀124致动(如图5c所示)。在阀124关闭的情形 下，在线122的压力行程通过减压阀126。减压阀126可以设置到一所要求的压 力限值。压力将继续行程通过减压阀直到压力达到预设的压力限值。当达到预设 的压力限值时，在线122a内的压力使减压阀126关闭，以阻止线122a内的压力 进一步增长。这样，泵102的压力输出被限制到一值，它等于阀118的备用压力 加由减压阀126设置的压力限值。只要线122b内的压力超过由减压阀126设置的 压力限值，减压阀126将仍然关闭。然而，如果线122b内的压力下降到低于减压 阀126设置的压力限值，线122a内的压力行进通过阀124以平衡压力。因此，线 122a内的压力将下降到低于减压阀预设的值，使减压阀移动到打开位置。阀126 的压力设置可以通过阀的机械调整或电子地由脉宽调制阀来完成。
上述的结构100允许一操作者根据钻孔环境有选择地致动和不致动推力限制 器120。例如，在笔直钻孔时，它可以按要求不致动压力限制器120，以使泵的最 大压力可提供给液压缸46。相比之下，在诸如驾驭活动中，操作者可以致动推力 限制器120，以使可提供给液压缸46的最大压力被限制到一值，它小于泵的最大 容量。应该认识到，致动/未致动过程可以通过一电子控制器自动地完成。在所示 实施例中，被限制的压力等于泵120的备用压力和减压阀126设置的压力限值之 和。
应该认识到，除了在钻头被绊住的情况下，推力通常与扭矩成正比的关系。 因此，在某些实施例中，可通过控制或限制施加到钻具组的推力来限制或控制提 供给钻具组的扭矩。例如，在一钻孔顺序中，为有助于阻止接头的非故意的断开， 当钻具组沿反向方向转动时，可限制推力(例如，通过致动一推力限制器)，而当 钻具组沿向前方向转动时，可不限制推力(例如，通过不致动一推力限制器)。推 力限制器的致动和未致动可手动地控制或通过诸如一电子控制器的装置自动地控 制。
图6示出适合使用于图1的钻机10的一整体的液压系统的示意图。如图所 示，泵66提供压力给转动驱动头24的马达34。可致动和不致动扭矩限制器70 和72来限制由泵66提供给马达34的向前和反向扭矩。示图还示出泵120用来给 钻机10的左和右导轨驱动器152和154、钻机的一杆装载器156、左和右标杆下 或固定设备158和160，以及推力缸46加压。推力限制器120可手动地或自动地 致动和不致动，以有选择地控制或限制由泵102施加到液压缸46的压力。示图还 示出一水泵送系统162，它包括一用来提供钻孔操作中所用的水压的水泵164。
当地下钻孔过程进行时，上述的结构100还允许推力限制器120的致动或不 致动，以构成对钻杆的未支承杆长度。例如，当未支承杆长度足够短以至于推力 马达不能产生一到达变短的杆的屈服点的力时，就有需要未致动推力限制器120， 将泵的最大压力提供给液压缸46。相对而言，当未支承杆长度足够长，推力马达 能够产生一能达到屈服点的力时，推力限制系统可致动，这样，限制提供给液压 缸46的最大压力到一值，该值小于泵的最大容量。如同前面提到的，致动/未致 动过程可手动地执行，或可利用一电子控制器自动地执行。
关于前面的描述，应该予以理解的是，可在细节上作出改变，特别是在不背 离本发明范围的前提下，可改变所使用的结构材料和尺寸、形状和部件的排列。 例如，尽管公开了限制扭矩的卸压阀，其它类似减压阀的结构也可以使用。同样 地，卸压阀结构可用来限制推力。此外，压力设置的机械调整可由电子控制器和 脉宽调制技术完成。此外，合适的阀设置可自动化，且可响应于不同类型的钻孔/ 土壤条件。
在使用过程中，钻机将钻具组推入地面，由于推力和地下的反力可能使钻具 组承受极大的应变。如果施加了过大的推力，钻具组上的应变可能导致至少钻具 组的一部分遭受弯曲或屈曲。如果弯曲或屈曲的程度超过钻具组的延展性的限制， 就发生钻杆一部分的永久的变形或塌陷。如果施加到钻具组的推力过小，地下钻 挖操作可能不能有效地运作。因而需要优化在地下钻挖操作中施加的推力，且保 护钻具组免受耗资和费时的损坏或塌陷。
现参照图7，一流程图示出一根据本发明原理提供的可控地限制推力的方法。 在图7示出的一实施例中，测量可能影响钻具组所有或一部分的屈服点的钻具组 特征点(在1060处)。被测量的钻具组或其部分(即，钻具组的一个或多个钻杆) 依赖于所要求的特殊的钻具组特征点。例如，在一下面会更详细描述的实施例中， 所要寻求的钻具组特征点包括推入地面的杆的未支承杆长度。
更具体地说，具有未支承部分的杆可以是同时连接到齿轮箱的杆，该杆至少 一部分还没有被推入地面，因而留下“未支承”部分。在下面要更充分地讨论的 另一实施例中，关注的钻具组特征点包括钻具组或其部分的弯曲半径。前面提及 的钻具组特征点涉及探究：钻具组或钻具组部分是否可能到达一屈服或失稳点， 致使关注的部分的损坏或塌陷。影响屈服点的钻具组特征点，除了那些特别鉴定 的，也可以按本发明原理测量(在1060处)。
一旦被测量后，收集的钻具组特征点用来计算在该点钻具组部分将失稳的屈 服/失稳点(即，屈服力或失稳力)(在1061处)。通过1062调整也影响屈服点的 推力。该推力调整是计算屈服点的一函数，如此推力将不能到达屈服点。在“调 整”推力时可以上下调整。万一实际需求施加的推力相对地远离屈服点，推力可 以向上调整来增加推力，试图增加速度并高效执行钻孔进程。反过来，如果推力 越过预定的阈值或落入离屈服点的一预定的范围内，推力可以向下调整。为了在 地下形成所需的钻孔，以调整后的推力值，驱动钻具组1063。由于测量的钻具组 特征点有可能改变，所以调整后的推力也承受变化，由此对施加的推力作相应的 调整。
直到按决策框1064所确定的完成驱动钻具组，用返回到框1060的返回线来 说明继续调整推力的过程。反复的钻具组特征点测量会引起持续的调整，持续的 调整可在周期性时间基础上完成，或按监控电路系统允许的速度执行。应该要注 意的是，尽管从决策框1064到框1060的反馈路径用来说明多钻具组特征点测量 的使用，但测量不需要如图7所示的实例所述的一系列特征来完成。相反，这些 钻具组特征点读数可以任何需要的周期(不管是同步地或是非同步地)读取，而 实际的限制的变化的速率，可以如保持所需推力水平所必要的频度。例如，实际 的施加的推力可以每三秒更新一次，或可以每十分之一秒更新一次。在两个例子 中都利用本发明的推力限制特征。然而，钻具组特征点测量越频繁，最终施加的 推力结果就越精确和均匀。
图8是表示根据本发明的推力限制系统的一个实例的方框图。图8中的地下 钻机1066包括一推力马达1067，在形成钻孔其间，推力马达沿向前的轴向施加 一轴向力至钻具组1068。当将钻具组1068推入地下钻挖一钻孔，以及在回扩操 作中当从钻孔拔出钻具组1068而拉回钻具组时，推力马达1067提供变化量级的 控制力。在钻孔操作过程中当钻具组1068被推入地面，齿轮箱1069可作为旋转 泵驱动一旋转马达并提供变化量级的控制力给钻具组1068，且在回扩操作中可旋 转钻具组1068将其钻孔拔出。一引擎或马达(未示出)可以提供通常地压力形式 的动力给推力马达1067和齿轮箱1069，尽管它们各自可以分开由引擎或马达提 供动力。
如上所述，当将钻具组1068推入地面钻孔时，推力马达1067可提供变化量 级的控制力。由推力马达1067产生的力传给连接到钻具组1068的齿轮箱1069。 这样，齿轮箱1068传递一推力FT至推入地面的杆1064。
测量与钻具组相关的某些特征点。参照图8的钻具组的特征点涉及趋于影响 安全加载的力量的特征点，该力可安全地施加而不到达分析的钻具组部分的屈服 点。钻具组特征点YP因此涉及那些与屈服点相关的特征点，例如，钻具组的弯曲 半径或承受施加的推力的未支承杆长度。
测量的钻具组特征点YP可以是任何型式，包括数字信号或模拟传感器值。对 钻具组特征值YP实施从一种形式到另一种的适当的转换，或其它信号处理，取决 于控制器1070的输入要求。在一实施例中，控制器1070包括一具有以下能力的 处理系统：接受表示钻杆特征点YP的信号，计算屈服点，发送信号至推力马达1067 并指令从推力马达1067输出的推力的量。控制器1070这样处理测量信息，使推 力马达1067相应地调整实际推力。用该方法，钻具组1068受到保护免遭屈曲造 成的损害。下面提供更多有关计算屈服点方法的信息。
一实施例的变形，为了计算合适的屈服点，并据此扼制推力，有多种实施例 可监控和测量钻具组特征点。下面提供具有代表性的实例来帮助理解本发明。
一般地，本发明的下述的实施例，提供一系统和方法来自动地限制或扼制在 地下钻孔过程中施加到钻具组的推力，以确保钻杆杆段到达杆的失稳或屈服点时 不变形、塌陷或其它的损坏。有极大的变形或失稳的风险的钻具组的一部分是， 钻杆前进而还未完全进入地面钻杆，至少钻杆的一部分被地下的结构“未支承”。 杆的未支承部分一般地指不受推力机构或地面支承的杆的部分。然而，即使杆至 少部分地在地上，地下结构可能不足以支承杆至防止失稳的点。
例如，杆进入地面的区域可以包括提供少量抵抗失稳的松散的沙或烂泥。或 者，给予钻杆一些小程度的结构支承的一加宽的孔可能不足以来阻止失稳。因此， 钻杆的“未支承”部分不需要完全地离开任何程度的支承。相反，不充分支承的 杆部分有一不充分的类似杆的圆周的物理结构抵抗在杆上的潜在地毁坏偏角。由 此，涉及在此提供的未支承杆长度不需要暗示沿“未支承”杆的部分那儿没有结 构性的支承。
通过确定的钻杆的未支承(或不充分支承)部分的长度，可计算屈服或“失 稳”点。由推力引擎或推力源(例如，推力马达，位移泵等)产生的推力受到限 制，如此将不产生一能使杆到达屈服点的推力。在限制推力值下钻杆前进，然而 许用的推力值随杆的不充分支承的部分的长度减少而变化。
现参照图9，提供一方框图帮助理解由本发明解决的一特殊问题。图9示出 的地下钻机1072包括一推力马达1073，其沿向前和反向轴向方向轴向力至一节 钻杆/管1074的杆长。当将杆1074推入地面形成钻孔以及当回扩操作中从钻孔拔 出钻杆1074而拉回钻具组时，推力马达1073提供变化量级的控制力。齿轮箱1075 用作旋转泵驱动一旋转马达并对杆段1074提供变化量级的受控转动，如当钻机 1072处于钻孔模式运行时将其推入钻孔，且当回扩过程中从钻孔将其拔出时，则 旋转杆1074。一引擎或马达(未示出)可以提供通常为压力形式的动力至推力马 达1073和齿轮箱1075，尽管它们各自可以分开由引擎或马达提供动力。用来便 于齿轮箱1075轴向移动的机构，比如一导轨1076，由座架1077支承。
可安装一控制屏1078在地下钻机1072上，其包括一些手动地致动的开关、 旋钮和用来手动地控制推力马达1073的杠杆，齿轮箱1075，引擎和其它部件， 它们结合起来作为地下钻机1072的一部分。控制屏1078可以包括一显示器1079， 其向钻机1072的操作者显示许多结构和操作参数给。在下文中将较详细地描述， 显示器1079较佳地传达给操作者各种类型与钻机1072运作相关的信息。
如上所述，当将杆1074推入地面形成钻孔时，推力马达1073提供变化量级 的控制力。由推力马达1073产生的力通过杆1074传给连接到钻具组的齿轮箱 1075。这样，齿轮箱1075传递一推力FT至推入地面的杆1074。杆1074在地面上 部分的长度对在地下部分的长度的变化取决于齿轮箱1075沿轨道1076的轴向位 置。例如，当齿轮箱1075位于其在轨道1076的顶部的初始位置，一新的杆1074 放入并螺纹地连接在齿轮箱1075和钻具组之间，大体上杆1074的全部“未支承” 在地面之上。换言之，当将杆钻入地面时，杆的地下部分由钻孔的壁的地表下土 壤支承。另一方面，地上部分，由任何结构(即，空气围绕)未支承。图9所示 杆1074的未支承部分有一长度Lu，该长度随着杆1074推入地面而变化。力FT和 未支承长度LU之间的关系在下文中更详尽地描述。
如果一圆柱(例如，钻杆)相对地较短，当承受轴向压缩载荷时，它将仍旧 大致地笔直。然而，对于较长的圆柱，压缩载荷可以达到某个临界的值，其时， 圆柱经受一种弯曲行为，即载荷增加很小而使侧向挠度变得很大。这种响应被称 作失稳，并可能导致圆柱的永久变形或塌陷。
在本发明中，每根钻杆段代表一圆柱，杆的未支承部分的长度随杆推入地面 而变化。因此，当未支承杆长度相对地较短时(即，当杆大部分在地下)，杆可显 出小失稳特性，当一杆的大部分长度仍然在杆装载器上时，则未支承杆长相当长， 就可能有失稳的危险。如果推力总是完全地沿杆不偏离轴线，则失稳不是主要要 考虑的问题。然而，杆轴线一般地不是完全地笔直的，且施加的力可能不是总是 完全地轴向地对准杆轴线。
临界的屈服或失稳点取决于多种因素，包括推力FT，杆的材料和尺寸，以及 杆的未支承长度。在地下钻孔过程中，通常泵入流体通过钻具组，因此需要一中 空导管通过每根杆，并作内部和外部直径的失稳分析。根据本发明，控制推力以 使作用在杆上的轴向力不超过杆的失稳点。
在确定失稳点时，要确定系统是否被扰乱，致使圆柱或杆从它的支承点转过 某个角度。例如，如果杆旋转过一在力的作用线和杆与地面或杆与齿轮箱之间的 接触点之间转过一角度θ，如果力足够大，则系统可能发生失稳。此外，杆自身缺 陷，同样影响失稳点，；例如它对于力的作用线不完全笔直，或者力不完全与杆的 轴线对齐。这些缺陷可视为缺陷角θO。考虑到这些概念的一实例公式列出在下面 的方程式1中：
                    FTLU sin(θ+θO)＝kθ
                          方程式1
其中，FT是施加的力，LU是钻杆的未支承长度，而k是力在支承点抵抗杆的 有角度偏差的力的幅值。图9示出一转动偏差角度θ和一缺陷角θO的例子。在本发 明中，对于可能的转动偏差θ和缺陷角θO作假设。基于这些假设，可以计算杆的材 料和尺寸，和在任何给定瞬间通过监控得到的钻杆的未支承长度以及失稳力。通 过继续监控失稳点，施加的推力可以保持低于临界推力。
应该认识到，可以考虑其它因素来确定失稳力，可应用方程式1内的公式的 多种变体来确定失稳力。不管何种特定的方式，数学方程式，估计，假设等，本 发明都是适合用来，识别一限制推力的可能的力阈值。因此，为说明起见提供方 程式1，然而本发明显然并不限于这样一公式，那些本发明技术领域的熟练人士 自会认识到。
也应该认识到，尽管此中提供的描述一般地涉及钻杆的“未支承的”长度， 但本发明也适用带有一些支承，还不足以阻止杆失稳的杆部分。因此，尽管本发 明一般地指出钻杆的一“未支承的”部分是地上部分，应该认识到，本发明可以 应用到带有“较少支承的”部分的钻杆。
在一更为特殊的实例中，钻杆首先进入的地面部分是柔软的或者低支承的物 质，本发明可以应用到任何支承得不足以来阻止其失稳的杆的部分。一低支承物 质可以包括，例如，对杆提供少量支承，非常轻或不结实的泥土或沙结构。其它 例子可包括具有提供少量结构上支承区域的气囊岩石构造。
那些地下钻孔技术领域的熟练人士自会认识到多种泥土条件缺乏一钻杆所需 的结构支承量，特别在靠近地面的进入点。尽管本发明采用杆的“未支承”长度 来进行描述，但由此应该认识到本发明同样地适用于承受一些支承，但小于使钻 杆不失稳的钻杆的部分。因此，涉及钻杆的未支承部分包括杆的部分遭遇某些结 构支承，但不足以阻止杆失稳的支承量。
图10是示出根据本发明的原理可控地限制推力的一方法的流程图。在图10 所示的实施例中，在给定时间，确定推入地面的杆的未支承长度LU(在1080处)。 未支承杆长度LU是指仍在地面上的杆的部分，因此其不受钻孔壁或其它地下结构 支承。未支承杆长度LU因此取决于一特定的杆钻入地面多远。长度LU可以在此描 述的方式确定，或其它多种的在本技术领域中已知的方式确定，以自动地确定杆 的长度。
在图10实施例中，作为LU的一函数计算杆的屈服或“失稳”点(在1082处)。 如上所述，在某些情形，例如杆承受一非轴向的矢量力，一杆的长度可能易遭受 失稳。在此情形下，非轴向的矢量力是一具有偏离杆的轴向方向，且会导致杆的 失稳的力。杆的长度越长，达到杆的屈服点所需用的力越小。根据给定瞬间的杆 的长度LU，可计算相应的屈服点(在1082处)。
确定作为杆的支承部分长度的函数的杆的屈服点，限制推力到(在1084处) 以阻止达到杆的屈服点。例如，如果发现屈服点近似于FY，那么限制传递到齿轮 箱，杆和钻具组的实际施加的推力FA，使FA＜FY。使用该限制的施加的力推动杆 1086进入地面。然而，随着杆前进入地面，施加的力FA将会改变，这是因为当杆 以这种方法前进，未支承长度LU减小。
直到杆如决策框1088确定地完全地进入地面(即，齿轮箱到达末端位置)， 继续未支承杆长度LU的监控。这连续的监控可在周期性的时间基础上完成，或按 监控电路系统所允许的频度完成。或者，传感器可用来检测未支承杆长度LU的变 化并记录自动更新到当前长度的读数。可结合本发明，使用多种多样的其它方法， 来实现对未支承杆长度的连续的，周期性的，随机的，间歇驱动的或其它的反复 监控。
根据本发明的一实施例，按监控电路指令的速率反复地测量未支承杆长度， 最后，更新的长度测量储存在一储存装置内为其后屈服点计算所用。因此，尽管 从决策框1088至框1080的反馈路径意欲说明结合到本发明的多长度读数使用， 但长度读数不需要由图10的实例所代表的一系列特性的方式来完成。相反地，长 度读数可以任何要求的周期性(不管是同步的还是非同步的)获取，而实际的、 限制的推力的变化速率可如保持所需推力水平和杆移位速率所必要的频度。例如， 实际的施加的推力可每三秒更新一次，或每十分之一秒更新一次。在两个例子中 都可利用本发明的推力限制特征。然而，杆长度LU更新越频繁，最后施加的推力 就越精确和均匀。
当齿轮箱杆如决策框1088所确定的完全驱动，如果更多的杆添加到钻具组， 可以为其后的杆重复该过程。如果如决策框1090所确定的更多的杆添加到钻具 组，应用如上所述的过程添加每一根这些后续杆1092至钻具组。
图11是示出根据本发明的一实施例的推力限制原理的图解表示图。图11的 例图示出一所需的或“规定的”推力对实际的或“施加的”推力的比照。规定的 推力1094代表施加所需的推力到钻杆和相应的钻具组。如根据本发明所限制的， 施加的推力1096代表实际的施加到杆和相应的钻具组的推力。
图11的实例示出在ti(在t＝0和t＝1时刻之间)时间期间施加的推力大 致地与规定的推力相等。在时间期间ti，从t＝0，具有固有的机械惯性的推力马 达需要一段时间来达到一特定的推力。在某些点，例如t＝1，由于足够长的未支 承杆长度LU，推力可以达到一点，在该点可达到杆的屈服点。这导致起始对在t ＝1规定的推力1094的推力限制，其目的是为了确保杆不会弯曲或其它方式的损 坏。换言之，为了防止杆的损坏，在时刻t＝1和t＝3之间不允许所要求的推力 (即，规定的推力)。
施加的推力1096用一直线代表，该直线接近随时间推移而规定的推力1094。 这是由于在整个时间内，随着钻杆推进入地面，钻杆的未支承长度LU减小。由于 杆的未支承长度在整个时间内受到监控，所以作为杆长的函数的失稳力在整个时 间内改变，且施加的推力因此受到调整。例如，在时刻t＝2，未支承杆长LU小于 时刻t＝1时的未支承杆长，因此在t＝2时许用的施加力可以大于t＝1时的力。
由于随着杆钻入地面未支承杆长继续减小。所以施加的力最终在时刻t＝3 时到达等于要求的或规定的力的点。对于受力杆来说，从这点开始，施加的推力 等于规定的推力，这就是说规定的推力不再需要限制。这可从在t＝3和t＝4之 间的相等的推力值看出。
图12是示出根据本发明的、可控地限制推力的另一方法的流程图。齿轮箱 拉回到后方位置以便于向导轨上添加钻杆的长度，如方框1100所示。在导轨上添 加杆方面，杆连接到齿轮上并连接到现有的钻具组上(除非该杆是钻具组的第一 根杆)。如上所述，与一特殊实施例有关，杆是通过在齿轮箱上和在钻具组的杆上 的螺纹部分来与齿轮箱和钻具组连接。
一旦杆连接上钻具组，杆的未支承长度LU可由1102确定。确定了未支承杆 长LU就为其后的失稳(即屈服)点计算作好了准备。如下文要进一步说明的，随 着杆驱入地面，确定屈服点是一连续的、或至少是反复的过程。这是因为随着杆 通过地下钻孔前进，杆的未支承长度LU不断变化的缘故。
当未支承杆长LU被确定后，本发明的一实施例包括：考虑到可由推力马达或 其它推力源产生的最大推力，确定长度LU是否低于杆可发生失稳的点(在1104 处)。换句话说，在杆的特征点和可由推力马达产生的最大力已知的情况下，可以 确定杆的未支承长度LU是否能均匀达到屈服点。然后，计算杆的屈服点(在1106 处)。这种计算立足于杆的某些物理特征值和未支承杆长LU。杆的物理特征值可 包括杆的材料性质，比如，杆是否是钢的，钢的类型，制杆过程中所用的加工方 法，以及对于用于钻孔过程中的每个杆来说，相对固定的其它物理特征值。
考虑计算的杆的屈服点，最大的许用推力可在1108处确定。预定的差异因 素可用来确定考虑到计算的失稳力的许用推力。例如，一旦失稳力已知，则施加 到那杆的实际许用推力将设定为比失稳力小一预定的量，例如，减小推力的5％。
在方框1108处确定的许用推力因此是最大许用推力，它可提供给特定的未 支承杆长的杆。然而，由一操作者或控制系统所要求的推力实际上可小于该时的 许用推力。如果要求的推力不大于在决定方框1110处所确定的计算许用推力，则 推力的设定值根本不需限制，而是设定为与如方框1112所示的所要求的推力相 等。然而按照推力的设定值(在1114处)驱动杆，该设定值在本实施例中是所要 求的推力。
如果所要求的推力大于在决定方框1110中确定的计算的许用推力，则推力 设定值将限制到如方框1116所示的计算的许用推力，且以该限制的推力设定值驱 动该杆(在1114处)。换句话说，尽管考虑一特定未支承杆长LU的杆的屈服点可 以在推力源可供推力范围内，但操作者或其它控制机构实际上可不要求超过临界 阈值的推力。因此，如果所要求的推力落入一能在特定的未支承杆长上使该杆失 稳的范围内，才需要限制推力。
如果齿轮箱已达到导轨的端头，然而特定杆已经推进到地下钻机的机械结构 将允许的程度。如果齿轮箱还未达到如在决定方框1118处确定的导轨的端头，则 该杆仍旧推进，且杆的未支承长度继续要被确定(在1102处)。这个监控循环将 继续下去，直到杆不再被推进，齿轮箱已经到达其驱动路径，或其它动作的端头。
在一特定的实施例中，在某些情况下，对一特定的杆可终止屈服点计算，由 此，允许清除任何的推力限值。例如，如果未支承杆长LU被确定为(在1104处) 低于一点，在该点，考虑到可由推力马达/源产生的最大推力而发生失稳，则连一 点屈服点计算也不必要。在这种情况下，推力限值可被清除(在1122处)，推力 设定值只需设定到要求的推力(在1112处)，在该推力设定值下驱动杆(在1114 处)。
作为一实例，考虑一具有一组已知物理性质的十英尺钻杆。除了这些已知性 质，能由推力源(例如一推力马达或泵)产生的最大推力是一可确定的数量。从 这些已知数量和杆的性质，可以确定：例如，采用与钻机相连的特定推力马达、 具有已知性质的三英尺长的未支承杆长决不会失稳。
一旦未支承杆长LU达到这个距离，只要清除推力限值(在1122处)，杆并可 在该要求的推力下前进。未支承杆长将继续减小，直到齿轮箱到达如决定方框1118 所确定的导轨的端头。然而，在齿轮箱到达导轨的端头之前，杆可继续在要求的 推力下被驱动，时间之长延续到推力限值被清除(方框1120所确定)。换句话说， 考虑到推力源的最大推力能力，只要由于足够短的未支承杆长而清除推力限值， 对于那特定杆的未支承杆长和屈服点的计算则是不必要的。当杆已被齿轮箱完全 地推进时，如果钻具组要求进一步的长度增加，则可为其后的诸杆继续该过程。
应该认识到，图11的实例代表了本发明的一实施例，但本发明不局限于此。 因此，实际过程可以不监控是否清除推力限值(例如，监控推力限值的特征位或 指示器)，但代之以可继续监控未支承杆长度，以及屈服点和计算的许可推力，而 不管未支承杆长度是否显示一长度不再经受失稳状态。
图13是表示本发明一推力限制系统的实施例的方框图。输入推力控制1140 允许所要求的推力值进入。例如，推力可由操作者根据多个参数进行改变，这些 参数包括所要求的行进速度和土壤条件。操作者通过输入推力控制1140输入所要 求的推力。在另一实施例中，所要求的推力可程序化，而不必由操作者手工输入， 这样，由输入推力控制1140提供的所要求的推力值可预先构成，或由一计算机系 统确定。例如，在具有地下地图的情况下，一个预先确定的钻孔计划可以建立并 程序化编入输入推力控制1140内。或者，在钻孔过程中，实时反馈可送入处理系 统，以自动地确定所要求的推力设置应为何种设置。计算的所要求的推力设置由 输入推力控制模块1140提供。应该认识到，其它的建立和提供所要求的推力方式 均在本发明的范围内。
所要求的推力值被提供给一推力限制模块1142。推力限制模块1142可用硬 件实现，或可实现为程序处理模块的部分。图13所示的处理模块1144执行多种 功能，且必要的话，推力限制模块1142可实现为处理器1144的部分，由包围推 力限制模块1142的虚线所代表。或者，推力限制模块1142可实现为推力马达1150 的部分。
推力限制模块1142的类型很大程度上取决于所用推力马达的类型，具体来 说，即取决于由推力马达1150所要求的推力控制输入的类型。在一实施例中，推 力马达1150可由表示推力输出的模拟信号控制。在另一实施例中，一数字输入信 号输送给推力马达1150。如果马达1150是构造成数字信号控制的话，则由推力 限制器1142或处理器1144(视具体情况而定)导出并提供数字信号。例如，推 力马达1150可由介于OOh和FFh之间的在十六进位制范围内的数字信号来控制， 这样，信号OOh导致推力，信号FFh导致产生最大推力。对于施加的推力信号来 说，这将允许256种不同的设置。根据最后推力所要求的连续性，可使用较大数 量或小数量的设置。如果推力马达1150由一模拟信号控制，在推力马达1150的 输入处的数-模转换器(DAC)将把数字信号转换为必要的模拟信号。如果推力马 达1150具有一模拟输入，则数-模转换必须发生在送入模拟控制信号之前。
处理模块1144将一许用最大推力值提供给推力限制模块1142。处理器1144 确定最大许用推力，最大许用推力是各个杆参数1146和在地面上(即未支承杆长 度LU)钻杆的未支承部分长度的函数。如前所述，杆参数包括钻杆的材料性质， 杆的尺寸等。根据程序编入处理器1144的失稳公式，限制推力使其不会达到或超 过在机架上未支承钻杆的失稳力(屈服点)。
在图13的实施例中，提供一杆长检测模块1148来确定钻杆的未支承长度。 未支承杆长LU可由这里所述的方式并根据其它的长度测量装置来确定。例如，未 支承杆长检测模块1148可包括一测量从地表面到齿轮箱附件之间杆的实际长度的 机构。或者，钻杆可包括诸长度标志符，随着钻杆推进入地面，它们可由位于钻 杆附近的传感器监控。这些标志符可包括视觉记号，化学的、磁性的或其它能被 检测的特征。任何用来测量细长件未支承杆长的已知的或后来开发的技术均可结 合本发明而被采用。许多这样的代表性技术将在下文中更详细地说明。
根据未支承杆长和杆参数，处理模块1144产生一对应于最大许用推力的指 示器。推力限制模块1142确定是否可使用所要求的推力，或确定是否须限制到最 大许用推力值。该结果提供给推力马达1150，它对此响应而产生施加的推力。该 推力施加到齿轮箱1152，并最后施加到受支配的钻杆1154上。
在本发明的一实施例中，电气控制推力并能从零变化到预设的最大值。以这 种方式控制系统允许限制所施加的推力，这样，它不会达到杆的失稳力。如果需 要的话，推力限制装置可完全脱开，例如，致动一手动的超驰开关，以按照操作 者或钻孔计划大纲所要求的允许施加全推力。
按照本发明的另一实施例，当地下钻孔系统承受推力限制时，操作者会被告 知。实际的或施加的推力，以及指示操作者推力正在限制的信息可显示在靠近操 作者的装置上，例如，如图9所示的控制屏显示器1079。推力限制模块1142可 产生在线1156上所示的推力限制通知信号，以使这样的信息呈现给操作者。以这 样的方式，操作者知道实际的推力是否小于所要求的推力，且知道何时实际的推 力小于所要求的推力。通知操作者对于操作者来说是重要的，特别由于存在各种 情况，其中有可施加推力限制或不施加推力限制。例如，如果操作者不要求推力 大到达到钻杆的未支承部分的失稳力，则推力不必限制。此外，未支承杆长可能 达到一小的长度，其小到没有能由特定的推力马达产生的推力能使杆失稳。当推 力正在限制时，操作者经通知后，还让操作者在地下钻孔过程中，对于施加合适 的推力方面，变得更为熟练和有效。
如上所述，根据本发明，可采用多种确定钻杆未支承部分长度的测量技术。 下面将提供几个实例。
当钻杆推进入地面时，测量钻杆的未支承杆长的一种方式是采用机架定位传 感器。定位传感器在机架上排成一列，用来确定齿轮箱沿着机架移动时的位置， 知道了齿轮箱的位置后，就可确定杆相对于机架的位置。从此齿轮箱位置的信息， 即可确定未支承杆的长度。或者，位置传感器可这样定位：它们监控杆本身的位 置。例如，光传感器可探测位于光源和光接收器之间的杆的存在，或者用来区辨 杆离齿轮箱的位置。位置传感器可以是电接触开关，或机械定位传感器。根据本 发明，可采用多种不同类型的位置传感器。在多位置传感器沿钻孔机架的长度应 用于开关模式的情形中，由于每次一个新位置传感器技术未支承杆长的一个变化， 推力就发生变化，所以其结果将是步进的推力变化。
位置传感器还可用来确定杆相对于机架的位置。位置传感器将机械运动转换 为可以计量，记录或传送的电信号。在一种类型的位置传感器中，一段延伸的电 缆卷绕在一有螺纹的鼓上，该鼓连接于精密转动传感器，例如，增量编码器，绝 对值编码器，混合式或传导式塑料旋转电位计，同步器或解析器。从操作上来说， 位置传感器沿机架安装在固定位置上，延伸的电缆连接于齿轮箱，或直接连接于 杆(一旦其连接于齿轮箱)。延伸电缆的直线运动和杆/齿轮箱的坐标轴互相对齐。 当运动发生时，由于一内部弹簧在电缆上保持张力，所以电缆抽出和收缩。有螺 纹的鼓传动一精密旋转传感器，它产生一正比于电缆行程的电输出。测量该输出 以反射杆/齿轮箱的位置、方向或运动的速度。
传感器产生一信号，其指示齿轮箱，或杆(视具体情况而定)是否处在机架 的特定位置上。例如，如果在一给定距离上，未支承杆长呈现为5英尺，则在机 架相应位置上的位置传感器将指出杆的存在，而在机架上5英尺点上方的位置传 感器将指出杆的不存在。以这种方式，可确定杆的位置，由于钻杆长度和齿轮箱 到地面的距离均为已知参数，所以据此可确定未支承的杆长。
确定未支承杆长的另一种方式包括由操作者手工输入。例如，操作者可输入 变化的未支承的杆长，或者，每次未支承杆长减少一预定量，可反复致动一输入 (例如，通过一控制屏或遥控单元)。通过将储存值减少一对应于已确定的钻杆的 减少的预定量，致动该输入将更新所储存的未支承杆长的值。例如，每个杆可装 备有视觉的标记，比如隔开预定距离的视觉记号或印痕。当每个视觉记号到达地 面标高时，操作者可指出这种通过用户的输入，由此更新未支承杆长LU的储存值。
在一地下钻孔装置的实施例中，还有另一种确定未支承杆长LU的技术可被采 用。在这种钻机装置中，利用一机架和小齿轮驱动系统来驱动齿轮箱，因而驱动 钻杆进入地面而形成钻孔。图9A和9B示出这样的机架和小齿轮钻孔装置，并示 出利用机架和小齿轮机构来确定未支承杆长LU的一种方式。
如图14A所示的地下钻孔机1200包括一推力马达1202，以沿向前和反向轴 向将轴向力施加到钻杆/管1204的长度上。在将杆1204推入地面而钻孔时和在拉 回钻具组时，当回扩孔操作过程中从钻孔中抽回钻杆1204时，推力马达1202提 供变化量级的控制力。推力马达1202施加力于齿轮箱1206，齿轮箱连接于该推 力马达，从而在钻孔过程中推进杆1204。
杆1204的未支承部分具有一长度LU，它随着杆1204推进入地面而减小。齿 轮箱1206在杆推进时将一推力FT赋予杆1204。在图14A的实例中，推力马达1202 包括机架和小齿轮驱动系统。机架和小齿轮驱动系统是一齿轮装置，它包括与小 齿轮1212相啮合的齿条1210。小齿轮接受动力而转动，从而使齿条1210沿机架 移动。齿轮箱1206连接在齿条1210上，当小齿轮1212转动时，致使杆推入地面。
为了确定图14A中的机架和小齿轮驱动系统中的未支承杆长，可以监控小齿 轮1212的运动。具体来说，随着小齿轮转动而移动齿条1210，小齿轮1212的齿 可计数。由于小齿轮1212的齿设计成与齿条1210的齿啮合，可以确定对小齿轮 齿的每次转动，齿条1210能行走多远。例如，对小齿轮齿的每“次”可等于1英 寸，或其它长度(取决于尺寸和小齿轮1212对齿条1212的齿比)。知道了齿轮箱 1206的初始位置，以及小齿轮齿的每一转动计数一英寸，就可确定齿轮箱在机架 上移动多远。因此，小齿轮1212的每一计数对应了未支承杆长LU的相应的减少 (例如1英寸)。
在这样的机架和小齿轮驱动系统中确定未支承杆长的方式可结合图9A和9B 进行描述。转动小齿轮1212的每一齿由计数模块1214计数。计数器1214可以是 一独立的模块，或者可与图14A所示的一处理器或控制器1216相连。控制器1216 是一可编程控制器，其经编程后接收涉及小齿轮1212转动的信号，并储存和更新 对应的计数值。该计数由距离转换器1218转换成距离，以用来确定钻杆的失稳或 屈服点。再者，转换器1218可以实现为一独立的模块，或实现为控制器1216的 部分。转换器1218利用计数器1214的计数值来确定齿条1210已行走了多远，且 因此确定未支承杆长度LU的长度。
由计数器1214接收的信号可通过一传感器或其它机构来传送，以提供一涉 及小齿轮1212转动的信号。例如，传感器可以是一转动传感器，其设计成小齿轮 1212每转动一齿就提供一脉冲。在一具有20齿小齿轮1212的实施例中，小齿轮 1212大约每转动18°就产生一信号。另一实施例包括使用压敏传感器，或导体来 检测小齿轮齿的出现(或不出现)。每次一齿接触这样的传感器，可提供一信号给 计数器1214。根据本发明，可使用这些和其它的检测机构。
如图14B所示，齿轮箱1206已行走行程远于图14A所示。由图14B的控制 器1216保持的计数器值因此大于由图14A的控制器1216保持的计数器值，这是 因为小齿轮1212必须转得更远，以驱动齿轮箱1206到其图14B中的远处位置。 图14B的距离转换器1218因此揭示这样一个事实：由于杆1204被远远地驱入地 面，所以未支承杆长LU是比图14A中的实例小的值。
一个由控制器1216执行来提供LU值的实例公式示于下面方程式2中： 方程式2
在方程式2中，LUO是初始未支承杆长，比如10英尺。“计数”指保持在计数 器1214中的计数值，且“齿条齿”指小齿轮每转一齿的齿条线性移动，比如1英 寸。除数12仅为了以英寸(其中“齿条齿”是以英寸提供)提供最后的未支承杆 长LU。
参照图14A，如果初始未支承杆长LU是10英尺，计数已达40，且小齿轮每 转一齿的齿条移动为1英寸，则最后未支承杆长是： $10-\left[\frac{\left(40\right)\left(1\right)}{12}\right]=6.67$ 英尺
该最后值(例如6.67英尺)然后可用来确定杆1204的屈服点。在图14B的 实例中，齿轮箱1206已移动更远，这样“计数”例如可以是值80。这将得出来 未支承杆长LU等于3.33英尺。
应该认识到，根据本发明，可以使用计算未支承杆长的长度的多种其它实施 例。此外，本发明还考虑在此所述的实施例的变体。
现参照图15，提供了按照本发明的推力限制构造的另一实施例。一机架位置 传感器1300跨接在以电压源1302表示的一电压上。机架位置传感器先前已作描 述。机架位置传感器1300连接在可变压力控制器1304。可变压力控制器1403可 取多种形式，主要取决于用于该系统上电气控制的可变卸压阀1306的类型。例如， 如果卸压阀1306接收一数字信号作为其输入，然后，可变压力控制器1304可包 括一模一数转换器(ADC)，以将传感器1300的信号转换为卸压阀1306所要接收 的数字控制信号。一泵1308和马达1310相对于油箱1312以通常的方式布置， 以用于液压操作。
有了这样的系统，根据钻杆相对于机架的位置，推力电控地变化。该位置通 过机架位置传感器1300进行监控；且在一实施例中，由位置传感器1300产生的 信号由可变压力转换器1304转换成一脉宽调整(PWM)信号。然后，PWM信号用 来改变电控变化的卸压阀1306的设置。
如前所述，有各种实施例，其中，钻具组特征点可被监控和测量，以便计算 合适的屈服点，并据此调节推力。上面给出了一代表性实例，其中，在钻孔操作 过程中，随着钻杆推入地面，至少有些相关的钻具组特征点对应一钻杆的未支承 的(或相当低支承)部分。下面提供另一代表性实例。
本发明的下列实施例针对的是在地下钻孔过程中自动限制钻具组推力，以确 保钻杆的各杆段不发生变形、塌陷或因达到杆的失稳或屈服点引起的其它的破坏。 处于变形或失稳风险的钻具组另外部分包括钻具组的这样的部分，它们在钻孔过 程中弯曲，从而使钻具组，或钻具组的一部分的弯曲半径可能达到屈服点。本发 明考虑沿钻具组监控弯曲半径，且知道了对于一给定钻杆和/或钻具组的杆段的最 大弯曲半径，即可计算失稳点。然后限制由一推力源或马达产生的推力，这样， 它不会产生能造成所讨论的钻杆或钻杆段达到屈服点的推力。在钻孔操作过程中， 钻具组以限定的推力值推进，但随着测量的弯曲半径沿着钻具组在选择的点上变 化，许用的推力值也发生变化。在另一实施例中，由于施加的扭矩力也会影响钻 具组上的应用，所以也限制扭矩力，以防止杆或钻杆段过早的失效。
图16是根据本发明限制作为弯曲半径函数的推力的一示范系统的方框图。 地下钻机1350包括一推力马达1352，它在钻孔过程中，沿向前的轴向方向将一 轴向力施加到钻具组1354。当将钻具组1354推入地面进行钻孔时，推力马达1354 可控制地提供变化的控制力。齿轮箱1356用作为驱动一转动马达的旋转泵，且在 钻具组推入地面进行钻孔操作时，对钻具组1354可控地提供变化量级的可控的转 动。一引擎或马达(未示出)可对推力马达1352和齿轮箱1356提供动力(尽可 能每个可能由独立的引擎或马达提供动力)，该动力通常表现为压力形式。
如上所述，在边推进钻具组1354边形成钻孔的过程中，推力马达1352提供 变化量级的控制力。由推力马达1352产生的轴向推力赋予与钻具组1354相连的 齿轮箱1356。随着钻具组推进地面，齿轮箱1356因而将一推力FT赋予钻具组1354。 此外，齿轮箱响应于一旋转泵而转动钻具组1354，上述旋转泵如图1所示的转动 驱动器或泵24。
在图16所示的实施例中，受监控的钻具组特征点包括所有钻具组1354或钻 具组一部分的弯曲半径。钻具组的弯曲半径BR1360(即轴距的变化)指明在有意 或无意地驾驭钻孔工具的情况下，钻具组急剧地弯曲的程度。弯曲半径1360代表 了一近似弧或圆的半径，例如在钻具组1354一给定的杆段上的圆1362。钻具组 杆段1364与钻具组1354的其它部分相比，显示相对短的弯曲半径，且该弯曲半 径可由弯曲半径检测模块1366来检测。弯曲半径的缩短可有多种原因，包括由于 地下结构(例如岩石)而偏离所要求的钻孔计划，或出于为避开一障碍物1368而 故意偏离目前的钻孔路径的必要性。根据本发明，监控钻具组弯曲半径可提供这 样的信息：在一特定点，钻具组正在作如何急剧的转弯。当钻孔路径的弯曲半径 以使杆段1364的一个或多个杆显示一合适的弯度时，沿钻具组路径的该杆段可更 易于超过钻具组诸杆的弹性极限。根据钻杆受到的弯曲程度，通过确定钻具组杆 段1364的弯曲半径确定上述的弯曲程度，可调整推力来减小达到钻具组杆段1364 的失稳的的可能性。例如，如果钻具组1354的杆段1364显示的弯曲半径为75英 尺，该信息可反馈到控制器1370。控制器1370鉴于该弯曲半径确定应减小多少 推力，并向推力马达1352提供控制信号，从而减小推力FT。因此，推力限制过 程是自动的，不要求操作者的输入。或者，如果操作者或控制程序不满意由控制 器1370所提供的推力量，则操作者或程序化的钻孔计划可决定将钻具组拉回一足 够的距离，以绕过障碍物1368重新钻一具有较大弯曲半径的新钻孔路径。
由于钻孔路径受钻具组1354的末端1372相对于钻机所取的方向支配，所以 沿钻孔路径的弯曲半径可通过监控由钻具组的前缘1372所取的路径而绘出。下面 将讨论沿钻孔路径检测钻具组的弯曲半径的各种方式。
图17是根据本发明的原理有控制地限制推力的一种方法的流程图。在图17 所示的实施例中，正在被驱动进入地面的钻具组的弯曲半径，或沿钻具组的至少 一个杆段的弯曲半径，在给定的时间予以确定(在1400处)。如上所述，弯曲半 径是一种识别钻具组弯曲急剧度的尺寸。因此，弯曲半径取决于钻具组推进通过 孔时所取的特定路径。弯曲半径可按这里所述的方式确定，或者以本技术领域内 任何其它已知的方式来确定与地下钻机相连接的钻具组的弯曲半径。
钻具组或杆段的屈服点，其作为在方框1400确定的弯曲半径信息的函数， 在方框1402进行计算。如前所述，例如，在钻孔路径要求有一相对急剧转弯，或 者在钻孔过程中发生急转弯的情形中，钻具组可能易于失稳。在这种情形中，非 轴向矢量的力是一种偏离钻具组轴向的力，并且如果超过任何一根钻杆的弹性极 限，可造成钻具组的失稳。根据所确定的弯曲半径信息，可以在1402处计算相对 的屈服点。
确定了作为弯曲半径的函数的钻具组的屈服点之后，考虑到现已知的钻具组 杆段的屈服点，在1404处调整推力。在弯曲半径数据揭示相对直的钻孔路径的地 方，推力在1404处可向上调整，即，增加推力以优化钻孔效率。在弯曲半径数据 揭示一个或多个钻具组杆段具有相对短的弯曲半径的地方，推力在1404处可向下 调整，即，减小推力。推力是否实际上增加或减小取决于阈值的设置，以及当前 的推力值。
如果需要的话，也可考虑计算的屈服点在1406处调整扭矩力。钻杆的组合 载荷通常是弯曲半径，推力载荷和扭矩载荷的函数。为避免钻杆的损坏，该组合 载荷应限制在一最大屈服点。可研制一控制系统，以自动限制推力载荷或扭矩载 荷。例如，如果确定的弯曲半径数据指示其可能接近一个或多个钻具组杆段的计 算屈服点，则可减小推力，或者推力和扭矩力以减小杆损坏的风险。在任一情形 中，在调整的推力下，如有需要的话，在调整的扭矩力下，钻具组在1408处被驱 动。
直到钻孔过程完成之前(如在决定操作1410处所确定)，弯曲半径的监控和 推力控制一直在连续。这种持续的监控可在定时的基础上，定时的钻孔推进距离， 或其它预定的准则基础上执行。实现连续的、定期的、随机的、连续驱动、或其 它反复监控弯曲半径的种种其它的方式可结合本发明而采用。根据本发明的一实 施例，以由检测钻具组位置的电路指令的速率反复测量弯曲半径。该最终的、已 更新的弯曲半径的测量值储存在存储装置内，以为其后的屈服点计算之用。因此， 尽管从决定方框1410到方框1400的反馈，意在表示多读数与本发明实施例的结 合使用，但弯曲半径的读数不需要以图17的实例所代表的连续特性那样执行。相 反，弯曲半径读数可以任何希望的周期性(不管是同步的还是非同步的)来读取， 且实际的、限定的推力的变化速率可与维持所要求的推力水平所要求的那样频繁。 例如，施加于钻具组的实际推力可以每隔三秒钟更新一次，或者每隔1/10秒更新 一次。在任何一种情形中，可使用本发明的推力限制装置。然而，弯曲半径更新 得越频繁，最终施加的推力就越精确和均匀。
这里所述的推力限制系统适用于基于钻具组弯曲半径的推力限制实施例。例 如，结合图13所述的推力限制系统可用来根据弯曲半径信息调整推力。大略地参 照图13，所示推力限制系统可作修改，这样，处理器1144从一弯曲半径检测模 块而不是从杆长检测模块1148接收弯曲半径信息。此外，杆参数1146包括与组 成钻具组的杆的已知屈服点或弹性极限有关的信息。通常这样的信息由钻杆制造 商提供，或相反，通过实验性测试来确定。
当用来限制基于钻具组弯曲半径的推力时，图13的处理模块1144对推力限 制模块1142提供最大许用推力值。处理器1144确定最大许用推力，它是各个杆 参数1146和由弯曲半径检测模块检测的弯曲半径的函数，下面将描述其中的某些 实施。如前所述，其它的杆参数可包括钻杆的材料性质，杆尺寸等。根据程序编 入处理器1144的一失稳公式，可限制推力使其不达到或超过钻具组的失稳力(屈 服点)。
在图13的实施例中，可反复一种长检测模块1148，或者补充以弯曲半径检 测模块(未示出)。钻具组或钻具组部分的弯曲半径可用这里所述的方式以及根据 其它弯曲半径测量装置来确定。例如，一弯曲半径检测模块可包括一定位器或跟 踪单元。可应用一跟踪单元来接收从附连在钻具组(例如图16的钻具组1354的 末端1372)上的一钻孔工具传送的信息信号。钻孔工具通常包括一通常地下结构 的切削结构，并可包括诸如控制机构的其它机构。钻孔工具还包括一将一信息信 号传送给跟踪单元的传感器，以提供其在地下位置的指示。跟踪单元又将对应于 钻孔工具(即，钻具组的一端)在何处的位置信号传送给位于钻孔机上的一接收 器。因此，可使用移动式跟踪器来跟踪和定位钻孔工具的前进，上述钻孔工具装 备有产生探头信号的发送器。例如，每次为延伸钻具组而将一新的钻杆装载上钻 孔装置上时，位于钻具组端头的探头可被检测/定位。或者，可以任意希望的时间 间隔或所行走的距离来读取读数。通过跟踪位于钻具组端头上的钻孔工具，可以 绘出钻孔路径以及跟随该钻孔路径的钻具组，并可计算弯曲半径。应用一定位器 或跟踪单元的定位和/或标绘可按这里所述和按照其它已知定位器技术来确定。
按照本发明确定弯曲半径的其它方式是建立一具有已知弯曲半径的钻孔计 划，并根据钻孔计划所期望的弯曲半径调整推力。该实施例本质上便于实施钻孔 操作，并根据本发明自动限制推力，而不必直接监控钻具组的实际弯曲半径。相 反，所用的弯曲半径基于这样的假设：实际弯曲半径将类似于预先制订的钻孔计 划的弯曲半径。建立一钻孔计划可按这里所述的方式，以及按照其它已知钻孔计 划技术来确定。
在另一实施例中，可在某些或全部钻杆上使用应变测试片。反映作用在杆上 的应变的信号从应变测量片中导出，并可用多种方式提供给控制器。例如，应变 信号可通过钻具组本身传送到位于钻具组前端的探头上，从那里它可传送到在地 表面上的一定位器单元。在另一实施例中，应变信号可传送回到钻机，它在那里 被接收并提供给控制器。信号通过钻具组的传送可按这里所述的方式，以及根据 其它已知技术来确定。
此外，操作者可通过估计钻具组所要求的路径来手工计算一估计的弯曲半 径。例如，由于已知地下障碍物，操作者可以确定在钻孔路径上需要一急剧的弯 曲，以避免一特定的障碍物。可实施弯曲半径的手工计算(包括借助于计算设备)， 将得到的弯曲半径输入供控制器使用，已确定要采用的推力限制量。
定位钻具组并从而确定所取的实际钻孔路径的其它方法包括探测地下钻具组 本身的方法。例如，可使用地面穿透雷达(GPR)技术来定位钻具组并据此确定弯 曲半径。应该认识到，本发明适用于应用任何类型技术来检测地下钻具组的位置， 从而检测弯曲半径的一系统。
如前所述，可提供一控制屏作为操作者和钻孔装置之间的界面。图18是表 示供地下钻机操作者使用的一控制屏1500实例的图。控制屏1500可与地下钻机 联运，该屏如同图9控制屏1078所示。控制屏1500最好安装在地下钻机上，其 包括多个手工致动的开关，旋钮，手柄，键盘输入，小型键盘，触摸屏或其它用 户输入装置。这些操作者输入通常被识别为操作者控制1502，并用来对操作者提 供一界面，以便手工控制推力限制系统。输入界面1504代表其它进入系统的输入， 例如，到地下钻孔装置的控制信号或其它信号。
输出界面1506可包括一显示器1508，指示器灯1510和其它可视的指示器， 声输出1512，和其它输出。输出界面1506连同许多与钻机操作相连系的其它类 型的信息一起，向操作者或系统提供一指示：由于达到一杆的屈服点，是否要限 制推力和何时限制推力，就如图13所示的推力限制通知1156。
通知操作者：系统正经受自动推力限制，这就使操作者在操作时可作调整， 并变得更为熟练的操作者。可能存在施加推力限制或不施加限制的各种情况。例 如，如果操作者不要求一推力大到达到钻杆的未支承部分的失稳力，则推力不需 要被限制。此外，未支承杆长可达到一短的长度，短到没有能由特定的推力马达 产生的推力能使该杆失稳。通过通知操作者何时在限制推力，这也就使操作者在 地下钻孔过程中，就应用合适的推力来说，变得更加娴熟和有效。
如图18中一输出界面1506的实例所示，这样的通知可以一个或多个各种各 样的输出机构提供给操作者。例如，指示器灯1510可以发光和/或由声输出1512 提供一声信号或声音，还可在显示器1508上提供文字和/图像，连同其它东西一 起来识别所要求的推力，强加推力限制之后所施加的实际推力。以及推力限制的 百分比值或绝对值。
由于很容易由本技术领域的熟练人士认识到，所以根据本发明可使用其它方 式来通知操作者。此外，这种通知和信息可被储存在存储器中以备将来参考，消 除故障以及诸如此类之用。信息可从控制屏1500传动到操作者使用的便携式接收 单元(未示出)中，或传送到一远处。这种信号传送到一远处可通过已知的数据 传送法来实现，其包括通过调制-解调器(Modem)或通过英特网(internet)的 传送。通过收集，储存和/或传送信息，信息可被用来作统计分析，遥控排除故障， 程序调整，培训等等。
为了图示和叙述的目的，已经给出了以上的本发明示范性实施例的描述。 这种描述并不要表明其是详尽无遗漏的或将本发明局限于所公开的精确的形 式。根据上述的启迪可以作出许多修改和改型。例如，尽管这里提供的描述 通常指“推”力，但应该认识到，且会被本技术领域的熟练人士认识到，当 推力是正值时，推力可推进钻具组，当推力是负值时，拉回钻具组。换句话 说，正的推力将驱动或推进钻具组进入地面，而负的或“反向”推力(即， 拉回来)将通过地下钻孔拉回钻具组。在拉回过程中，钻具组将承受张力， 而不是向前推进情形中的压力。在某些例子中，被检测的钻具组的特征点可 指明一弯曲半径或其它的特征点，它要求利用这里所述的原理调整拉回力。 因此，这里要说明的是，本发明的范围不局限于在此详细说明书中所列的具 体的代表性的实施例，相反地，而是由附后的权利要求书来限定。