装载水平方向钻的杆箱的设备和方法 本申请于2008年6月26日作为PCT国际专利申请递交，对于除了美国外的所有国家，该申请的申请人以美国公司维米尔制造公司(VremeerManufacturing Company)的名义递交，仅在美国，申请人以美国公民LouisC.Hartke的名义递交，并且要求于2007年7月12日递交的美国临时专利申请第11/827,539号的优先权。该临时申请这里以引用的方式并入本文。
【技术领域】
本发明大致涉及一种用于水平地下钻孔的设备；具体地，涉及一种操纵水平方向钻孔中所使用的钻杆的方法和设备；更具体地，涉及一种将钻杆装载到安装于水平方向钻上的钻杆储存库中的设备和方法。
背景技术
水平方向钻孔，通常称之为HDD，是本申请中使用的一个过程，例如地下安装设备。通常，HDD过程中的第一步包括钻引导孔。在该步骤中，产生在地下延伸的钻孔，该钻孔通常水平的或者平行于地面，并且该钻孔开始于起始点并终止于终点。
钻孔由钻孔机产生，该钻孔机旋转和推压钻柱通过地下。钻头附接到钻柱的前端。通过把多个独立的钻杆端对端地连接在一起，形成该钻柱。通过钻孔机，钻杆之间的连接被形成，随后在后面的步骤中分开。典型的钻孔机包括连接到钻柱的齿轮箱、钻杆储存库和钻杆装载机构。该钻杆装载机构将来自钻杆储存库的独立的钻杆移动成与钻柱和齿轮箱对齐，在该位置处，独立的钻杆被连接到钻柱并成为钻柱的一部分。
钻杆装载机构典型地包括钻杆传输机构，该钻杆传输机构从储存库移动钻杆并定位它，使之一端与钻柱对齐，另一端与齿轮箱对齐。钻杆典型地是长的，并且以它们的纵向轴线相互平行的方式存储。通常，在钻杆储存库中有几个分离的、平行的列，用于存储钻杆，每个后面的列离钻柱越远。因此，钻杆装载机通常是笨重和庞大的。
钻杆储存库可以与其它储存库互用。在这种类型的配置中，一旦存储在第一储存库中的所有钻杆被使用，空的第一储存库能够用满的第二储存库代替。以这种方式，可以形成更长的钻柱。然而，因为储存库的重量，通常，能够提升储存库的特殊设备(例如反向铲、前端装载器或其它液压设备)必须用于移除空的第一储存库，并用满的第二储存库(例如，第二储存库具有位于其中的钻管的额外供应)代替它。
然而，因为存在钻柱仅需要一个(或相对少)的额外钻杆的情况，这些系统存在缺陷。此外，可能存在这样的情况：不能获得用于提升和替换储存库的必须的动力设备。更进一步地，可能存在这样的情况：希望用特殊的钻管插入到钻柱中。因此，在该领域中，需要有选择性地把钻杆装载进储存库的方法和设备。本发明克服现有技术的这些缺点并致力于该领域中的这些需求。
【发明内容】
本发明大致涉及一种用于装载钻杆储存库的方法和设备。本发明的一个方面涉及一种在钻杆储存库安装在HDD钻孔机上时装载钻杆储存库的设备和方法。本发明的第二方面涉及一种在钻杆储存库的远离钻柱的位置点将钻杆装载进钻杆储存库的设备和方法。本发明地第三方面涉及从钻杆储存库的外部位置选择性地提供独立的钻杆，用于通过管传输机构将该钻杆输送到钻柱。
在根据本发明的原理构造的一个实施例中，在储存库的最远端的存储列的外壁中提供一种偏压门构件。该门构件向内摆动，因此保持住起初存储在最远端列中的钻杆，并防止钻杆通过门构件意外排出。优选地，门构件物理地从平行于外壁的第一位置向最后列内的第二位置摆动。
位于储存库的每端处的保持引导件使钻杆排列在多个列中。然而，在储存库的每端的保持引导件的底部外部中形成至少一个切口。该切口产生窗口，添加的钻杆通过该窗口插入到储存库中。在优选实施例中，提供两个切口，储存库的每端具有一个切口。
可选地，两个或更多个臂可定位于储存库的外壁的外部上，用于在将钻杆插入储存库之前支撑该钻杆。在该情况下，在支撑臂的远端可包括适当的止动件，用于把钻杆保持在位。
在操作中，在将钻杆装载进储存库之前，钻杆被放置在支撑臂上。然后通过偏压门构件被移动到储存库的最后的列中。添加的钻杆的末端通过窗口切口安装。钻杆传输机构的袋定位在最后的列之下，钻杆提升器将添加的钻杆下放到袋中。然后钻杆传输机构将添加的钻杆移动成与钻柱对齐。
因此，根据本发明的一个方面，提供一种水平方向钻机，包括：
限定钻柱轴线的钻孔组件，所述钻孔组件包括：具有上端和下端的挂架，构造成沿挂架从所述上端向所述下端移动的齿轮箱，和在所述下端处的夹紧组件；
钻杆储存库，所述钻杆储存库安装在水平方向钻机上，并且临近所述钻孔组件，所述钻杆储存库包括多个列，所述多个列由位于所述钻杆储存库的相对端处的保持引导件限定，并且所述钻杆储存库还包括偏压构件，所述偏压构件位于远离钻柱的钻杆储存库的外壁上，所述钻杆通过该偏压构件被选择性地装载；和
一对钻管传输机构，所述一对钻管传输机构被构造成把钻管从钻杆储存库传输到钻柱。
根据本发明的另一方面，提供一种钻杆储存库，所述钻杆储存库包括：支撑结构；多个列，所述多个列被位于支撑结构的相对端处的保持引导件限定在所述支撑结构内；和多个偏压构件，所述多个偏压构件位于所述支撑结构的外壁上，钻杆通过所述多个偏压构件被选择性地装载。
根据本发明的另一方面，提供一种选择性地将钻杆装载到水平方向钻机的储存库中的方法，所述方法包括如下步骤：枢转地将多个偏压构件安装在水平方向钻机上的储存库的外壁上，所述储存库包括保持引导件，所述保持引导件位于所述储存库的相对端，以便形成存储列；在所述保持引导件中的至少一个中形成至少一个窗口，钻杆能够通过所述窗口插入到由相应的保持引导件所形成的列中；和通过所述偏压构件和窗口，将钻杆装载进所述储存库中。
尽管本发明将相对于优选的实施例结构和其中使用的特定装置来进行描述，但是应该理解到，不应该认为是通过本文中描述的这种结构和情形以任何方式限制本发明。此外，尽管本文中描述了特定类型的传输机构和储存库，但是应该理解到，这种特定的机构和储存库不应构成对本发明的限制。相反，本发明的原理延伸到任何可以采用本发明原理的需要选择装载钻杆储存库的情形中。通过对本发明的更详细的描述，本领域技术人员将会更清楚本发明的这些和其他变体。
表征本发明的性质的优点和特征通过所附的并形成本发明一部分的权利要求详细地指出。然而，为了更好地理解本发明，应该参照形成本发明一部分的附图以及附图说明，在附图和附图说明中示出和描述了本发明的优选实施例。
【附图说明】
图1是显示水平方向钻装置的基本部件的升高的侧平面图，该水平方向钻装置包括根据本发明的原理构造的储存库；
图2是水平方向钻机和储存库的一部分的第一立体局部视图，显示偏压构件、窗口和传输机构的位置；
图3是储存库和水平方向钻装置的第二立体局部视图；
图4a-4d是显示偏压构件、杆提升器和堵塞机构的示意剖视图；和
图5示意地显示处于关闭或第一位置的偏压构件。
【具体实施方式】
为附图中显示的本发明的各个实例性方面制作了附图标记。在任何部分，所有附图中相同的附图标记用来表示相同或类似部件。为了更加清楚地说明本发明，暂不说明储料库装载方法和设备，先简单回顾一下典型的水平方向钻和用于把钻杆从储料库(magazine)移动到钻柱(反之亦然)的传送构件。
图1显示典型的水平方向钻10，该水平方向钻10包括主架14、挂架(rack frame)18、齿轮箱20。齿轮箱20配置和构造成沿挂架的纵向轴线前后移动。主轴21能够独立地顺时针或逆时针旋转。杆储料库22大致位于挂架的侧上方，用于存储钻杆。管传输机构配置和构造成把钻杆从储料库22移动到与钻柱成一直线的位置。夹紧组件(vise assembly)28定位在水平方向钻10的与齿轮箱20相对的相对端。因此，操作时，管传输机构24支撑和传输来自储料库22的单个钻杆，使之与钻柱23和齿轮箱20的主轴21对齐(最好参见图2)。
尽管没有特别显示，可以理解的是，也包括作为水平方向钻10的部件的操作员控制台、控制器和牵引机，以及包括其它公知的以它们通常和公知方式工作的元件。此外，可以理解的是，钻杆在这里可以称之为钻杆和钻管。这种术语在本文中可互换使用，而不是表示一种不同类型或不同工件或不同结构。更进一步，如本文中所使用，术语“下部”指靠近/接近地面的位置，同时“上部”指相对地远离地面的位置。
现在参见图1、2和3，钻设备10的储料库22包括盒形架54，该盒形架54具有多个保持构件56。该保持构件56把储料库22分成多列56-60。最靠近钻柱23的列56称为第一或近端列。离钻柱23最远的列60称为末端或远端列。列57-60中的每个列可以包含多个管(例如，最好参见图4a)，多个管在每个列56-60内垂直地排列，并且管轴平行于钻柱23的驱动轴线。每个列56-60物理地具有大致等于一个管28的宽度的宽度(最好参见图4a)。
现在参见图3，储料库22具有底端62，该底端62是开放，从而使得保持构件56之间的空间限定多个排出口。在优选实施例中，钻杆或钻管28通过该排出口依靠重力排出。
在显示的实例中，储料库22具有5列，每列包含多个管。可以理解的是，储料库22能够设置有更多个或更少个列，并且每列能够设置有更多个或更少个管。同样，储料库22能够构成多个列适于通过单个排出口排出管。结果，为每列提供一个单独的排出口不是必须的。此外，储料库能够构造成限定用于保持管的单个开口箱，一个或更多个排出口使管能够从箱移出。此外，非重力供给储料库也能够使用。
如前所述，两个传输构件46用于在储料库22和钻柱23之间输送管。如图3所示，钻柱23与钻杆28和主轴21同轴。每个管传输构件46具有大致相同构造，并且在缩回方位(例如参见图4b)和伸出方位(参见图4a)之间同步地移动。
在图4a-4d中，仅仅显示了一个管传输构件。图示的管传输构件46包括管接收区64，该管接收区64定位于管传输构件的末端65，该末端65最靠近或接近钻柱23.当管传输构件46在图4b的缩回方位时，管接收区64优选地定位于储料库22之下(例如，在所选择的一个储料库存储列的正下方并与排出口关联)。相反地，当管传输机构46在图4a的伸出方位时，管接收区64定位在钻柱23的驱动轴线处。当如此定位时，保持在管接收区64的管优选地与钻柱轴线同轴地放置。
如图4a-4d所示，管传输构件46滑动地安装在下部挂架66上。齿轮挂架72固定到管传输构件46的底部。齿轮挂架72装配在挂架66限定的细长槽中。挂架72与驱动齿轮73(例如液压马达驱动的小齿轮)协作，在伸出和缩回方位之间移动管传输构件46。
继续参见图4a-4d，管传输构件46包括顶部管保持表面76，该表面用于堵住排出口。保持表面76防止管从包含管的列56-60中被排出，管传输构件46的管接收区64不定位在所选择的一个列的下方。管传输构件46还包括下部台78，该下部台78相对于管保持表面76凹陷。下部台78和管保持表面76均被防磨带覆盖，优选地，防磨带由适当的塑料类材料制成。
下部台78定位在管传输构件46的末端65处，该末端65最靠近钻柱23。参见图4a，下部台78包括大致沿水平面布置的顶表面82。管传输构件46还包括直立壁84，该直立壁84定位在管接收区64附近。下部台78和直立壁84协作以便限定管接收区64处的部分袋(a partial pocket)。
为从储料库26的第一列57卸下管，管传输构件46移动到缩回位置，从而使得管接收区64定位在适当的排出口的正下方。当管传输构件46被如此定位时，管提升装置52被放下，导致第一列56中最下部的管通过排出口移动到管接收区64中。管传输构件46的管保持表面76防止任何其它管通过任何其它排出口被排出。
在管已经被装载进管接收区64中时，管传输构件46移动向伸出方位。当管接收区64从储料库22移出时，可以使用帮助保持和引导管进入钻柱轴线的装置。例如，可移动辅助臂(未图示)和/或激活磁铁(如果有的话)。利用磁铁提供磁吸引力来抵制管在管传输构件46的部分袋中的横向移动，因此，防止管在传输期间从部分袋掉落。当管被传输时，磁铁还防止管沿它的轴线滑动。例如，在钻井操作时，挂架30和储料库26通常是倾斜的。因此，管可具有沿它的轴线朝下滑动的倾向，除非以某种方式阻止。
由于管与钻柱23轴线对齐，因此驱动头20的主轴21能够拧入管中，并且管能够钻进地里。在管已经被连接到主轴21上，管传输构件46优选地缩回。因此，当管传输构件46缩回时，管从管接收区64横向地离开。然后管传输构件46将挂架移动到缩回位置，从而使得来自第一列56的另一个管能够装载进管接收区64.
在卸载储料库22中，上述一系列步骤被重复，直至第一列56中包含的所有管已经被选择。之后，对于第二列57、第三列58、第四列59、和第五列60，重复相同的过程，直至储料库22中所有的管已经被选择。
为了装载储料库，管传输构件46被伸出，接收来自管柱23的管，并且该管与主轴21和管柱中的其它管分离。被分离的管装载进管传输构件46的管接收袋64中。由于管被如此定向，管传输构件64从伸出方位移动向缩回方位。管传输构件46然后被定向成管接收区64定位在第五列60的下面。接下来，管提升装置52用于从管接收区64、通过排出口把管提升到第五列60中。管传输构件46然后向后移动到伸出方位，以便接收来自钻柱23的另一个管，并且管提升装置52被放下。之后，被重这一系列步骤，直至第五列60已经被装满。在第五列60已经被装满之后，对于第四列59、第三列58、第二列57和第一列56，重复相同的过程，直至储料库22已经被装满。
可以理解的是，装载和卸载顺序取决于所使用的特定的储料库构造。结果，公开的卸载和装载周期作为实例，这种实例并不限制本发明的范围。例如，在一个可选实施例中，在每个排出口处能够使用独立的、分离致动的管止动件。对于该实施例，管能够在任意设定的时刻装载进任一个列56-60中或从任一个列56-60卸载出。因此，能够使用任何类型的装载或卸载顺序(即，列能够以任何顺序甚至随机地被装载或卸载)。
对于那些想知道管传输机构46的结构和操作的更加详细的说明的人，可以参见文献，例如美国专利NO.6332502，通过引用，该专利结合到本文中并作为本文的一部分。
现在返回到图2，和优选的储存库装载方法和设备的说明，如图所示，偏压构件200铰接到储存库22的外壁201的顶部上。优选地，外壁201是离钻柱23最远的壁。弹簧202连接在偏压构件200的凸缘203之间，以便绕铰链204旋转偏压构件200。弹簧203通常将偏压构件200偏压进第一位置，在该第一位置处偏压构件200与外壁201形成的中间平面平齐或大致靠近。在该位置，偏压构件关闭了进入储料库22的开口。该位置导致远端列60中的钻杆帮助把偏压构件200推靠在外壁201上，因此，把钻杆保持在储料库22中。
在图3中，如图所示，利用弹簧202、凸缘203和铰链204，偏压构件200处于打开位置。然而，管传输机构46处于缩回位置，并且管提升臂52被放下。同时显示钻杆28的一部分与钻柱23直线对准。切口205显示在储料库22的下端的外部引导构件207中。该切口205形成窗口，通过该窗口钻杆可以选择性地装载进储料库22中。
现在参见图4a-4d，显示了朝向水平方向钻10的上坡(up-hill)观看的示意剖视图。在图4a，传输机构46显示在伸出位置。在该位置，在传输钻杆到钻柱时，它通常堵住储料库22的所有列56-60。继续参见图4a，偏压构件200显示在打开或第二位置，在该位置处它旋转以便伸到储料库22中，更特殊地伸到远端列60中。在该位置，钻杆28可以放置进储料库22中，位于远端列60内。如上所述，窗口205被定尺寸并限定在储料库22的引导构件207中。
可以理解的是，如果钻杆定位在远端列60中，那么偏压构件200不能打开。还可以理解的是，尽管仅显示了一个偏压构件200，但是第二偏压构件也定位在储料库22的相对端。偏压构件200因此由多个门组成，通过该门钻杆被选择性地插入。更进一步地，在储料库22的中间位置可以包括额外的偏压构件。偏压构件22可以由钢、刚性塑料和其它金属和材料构成，前述金属和材料适用于承受一列钻杆施加的力。
单个窗口205可以设置在储料库的一端，或者可选地，第二窗口可以设置在储料库的相对位置处。在设置单个窗口时，通过把一端刺入远端列60中，钻杆28能够首先插入储料库22的下坡端(down-hill end)。该端成为固定端。然后，钻杆28的相对端(自由端)能够通过偏压构件200和窗口205旋转进储料库22中。可以理解的是，单个窗口205还可以形成在储料库的下坡端。当有两个窗口205时，优选地，这两个窗口形成在储料库的相对两端，从而使得钻杆28能够放置在储料库中，而不旋转钻杆28。因此，窗口205优选地配置和构造成具有这样一个开口，该开口的直径至少为钻杆28的外部直径，并且窗口205配置和构造成彼此分离以便与钻杆28的长度相适应。
图4b显示在缩回位置的传输机构46。当管提升臂52放下时，插入的钻杆28将放下到传输机构46的接收袋64中。随后，插入的钻杆28能够传输到钻柱23.图4c显示管提升臂52放下、偏压构件200在第二位置、和传输机构46在它的缩回位置。图4d显示传输机构在它的伸出位置，偏压机构打开。
图5显示传输机构46在缩回位置，管提升臂52在朝上位置，偏压构件200在关闭或第一位置。
在将钻杆从钻柱23移动到储料库22中的期间，钻杆28还可选择性地从储料库22移除。
虽然已经说明了本发明的特定实施例的有关的应用方面，但是本领域技术人员应该理解到本发明并不限于这里所公开和描述的这些应用或实施例或特定的部件。本领域技术人员应该认识到，在本发明的精神和意图范围内可以构造不同于本文所述的能够体现本发明原理的其他部件以及除了这里所述的其他应用。本文所述的结构仅作为包含和实施本发明原理的实施例的一个示例提供。在本领域技术人员知识范围内的其他的修改和替换包括在所附权利要求的宽泛的保护范围内。