EP0247767B1

Method and apparatus for controlling the direction of a down-hole percussion drilling tool

Abstract

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EP0247767B1, drawing sheet 1
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Expired 15 May 2007, 19.4 years ago.

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10 claims: 10 independent, 0 dependent

  1. 1
    Apparat zum Bohren von Löchern in den Erdboden, bestehend aus einem asymmetrischen Erdbohrwerkzeug (17), das der Länge nach zu seinem Ende hin kegelförmig zuläuft, Mitteln (17, 20, 45 oder 17, 235,237) zum Hineintreiben des Werkzeugs in den Boden, wobei das Werkzeug (17) auf ein im wesentlichen starres Bohrgestänge oder ein Rohr (15) montiert ist, Stützmitteln (14,24), die vom Werkzeug entfernt sind und zum Stützen des Bohrgestänges oder des Rohres dienen, wobei das erwähnte Werkzeug eine Außenoberfläche (45) besitzt, die so geformt ist, daß das Werkzeug zum Durchbiegen veranlaßt wird, und Mitteln zum selektiven Rotieren des Werkzeugs, so daß sich das Werkzeug, wenn es in Drehung versetzt wird, in einer im wesentlichen geraden Linie bewegt, und wenn das Werkzeug nicht in Drehung versetzt ist, die Außenoberflache des Werkzeugs dieses veranlaßt, sich beim Eindringen in den Boden von der Längsachse des Werkzeugs wegzubiegen, so daß eine Richtungssteuerung des Werkzeugs vorgenommen werden kann; gekennzeichnet dadurch, daß das Werkzeug ein Vortriebsbohrgerät ist, das Mittel für den Schlagvortrieb und die Mittel für das selektive Rotieren des Bohrgestänges oder des Rohres enthalt, daß die genannten, vom Werkzeug entfernten Stützmittel dazu dienen, das Bohrgestänge oder Rohr rotieren zu lassen, und daß die genannten Stützmittel dazu dienen, die Hinzufügung oder Entfernung des Bohrgestänges oder Rohres wahrend des Bohrens zuzulassen. Apparatus for drilling holes in the earth, comprising an asymmetric earth boring tool(17) tapering longitudinally towards the end thereof, means(17, 20, 45 or 17, 235, 237) for urging the tool into the earth, the(17) being mounted on a substantially rigid drill rod or pipe(15), support means(14, 24) remote from the tool serving to support the drill rod or pipe, said tool having an external surface(45) shaped to cause deflection of the tool and means for selectively rotating the tool , such that when the tool is rotated it moves in a substantially straight line and when the tool is not rotated the external surface of the tool causes it to deflect away from the longitudinal of the tool as it is urged into the earth, such that directional control of the tool can be effected:characterised in that the tool is a mole containing percussive drive means, the means for selectively rotating the drill rod, or pipe, comprise said support means remote from the tool serving to selectively rotate the drill rod or pipe and said support means serve to permit addition and removal of the drill rod or pipe during drilling. Appareil de forage de trous dans la terre, comprenant un outil de forage asymétrique (17) se réduisant longitudinalement vers une de ses extrémités, des moyens (17, 20, 45 ou 17, 235, 237) pour enfoncer l'outil dans la terre, l'outil (17) étant monté sur une tige ou conduit de forage (15) sensiblement rigide, des moyens de support (14, 24) disposés à distance de l'outil et supportant ladite tige ou conduit de forage, ledit outil comportant une surface externe (45) de forme apte à permettre une déviation de l'outil et des moyens pour entraîner sélectivement l'outil en rotation de telle sorte que lorsque l'outil est entraîné en rotation, il se déplace sensiblement en ligne droite et lorsqu'il n'est pas entraîné en rotation, la surface externe de l'outil l'amène à se dévier en l'éloignant de l'axe longitudinal de l'outil quand il est enfoncé dans la terre, de manière que la commande en direction de l'outil puisse être effectuée ;caractérisé en ce que l'outil est une taupe comprenant des moyens d'entraînement à percussion, les moyens pour entraîner sélectivement en rotation la tige ou conduit de forage comprenant lesdits moyens de support qui sont disposés à distance de l'outil et servant à entraîner sélectivement en rotation la tige ou conduit de forage, et lesdits moyens de support servant à permettre l'adjonction et le retrait de la tige ou conduit de forage au cours du forage.
  2. 2
    Apparat gemaß Anspruch 1, bei dem das Werkzeug ein glattes zylindrisches Glied (17) aufweist mit einer geneigten Ebene (45) als sich nach vorn erstreckender Oberfläche, die bei einer Vorwärtsbewegung in den Boden eindringt und zur Steuerung des Bewegungsweges durch Reaktion gegen den Boden, durch den das Werkzeug bewegt wird, dient. Apparatus according to Claim 1, in which the tool comprises a smooth cylindrical member(17) having an inclined plane(45) as a forwardly extending face penetrating the earth on forward movement and operable to control the path of movement by reaction against the earth through which the tool is moved. Appareil selon la revendication 1, dans lequel l'outil comprend un organe cylindrique lisse (17) comportant un plan incliné (45) qui constitue une face s'étendant vers l'avant et pénétrant dans la terre lors d'un mouvement d'avance et fonctionnant pour commander le trajet du mouvement par réaction sur la terre à travers laquelle l'outil est déplacé.
  3. 3
    Apparat gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Schlagvortriebsmittel einen pneumatischen Hammer (137 oder 237), dem durch das Bohrrohr Druckluft zugeführt wird, aufweist. Apparatus according to Claim 1 or Claim 2, wherein the percussive drive means comprise a pneumatic hammer(137 or 237), compressed air being supplied to the hammer through the drill pipe(15). Appareil selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens d'entraînement à percussion comprennent un marteau pneumatique (137 ou 237), de l'air comprimé étant fourni au marteau à travers le conduit de forage (15).
  4. 4
    Apparat gemäß einem vorherigen Anspruch, bei dem das Stützmittel ein oberflächengestütztes Bohrgestell (14,23,24) ist, das so gestaltet ist, daß es von einer Grube oder einem Erdloch aus betrieben werden kann, um das genannte Bohrgestänge oder Rohr (15 oder 50) in Längsrichtung von dort aus voranzutreiben. Apparatus according to any preceding Claim, wherein the support means is a surface supported drill rig (14,23,24) adapted to be operated from a pit or hole in the earth to drive said drill rod or pipe (15 or 50) longitudinally therefrom. Appareil selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de support sont constitués par une surface d'une installation de forage supportée, qui est adaptée pour être commandée à partir d'une fosse ou trou dans la terre et entraîner la tige ou conduit de forage.
  5. 5
    Apparat gemäß Anspruch 4, bei dem das genannte Stützmittel Motormittel (23) aufweist, die so gestaltet sind, daß sie auf einer in Längsrichtung verlaufenden Schiene (14) aufliegen und entlang dieser Schiene bewegt werden können. Apparatus according to Claim 4, in which said support means comprises motor means (23) adapted to be supported on a longitudinally extending track (14) and movable along said track. Appareil selon la revendication 4, dans lequel les moyens de support comprennent un moteur (23) qui est adapté pour être monté et déplacé sur et le long d'une glissière (14) s'étendant longitudinalement.
  6. 6
    Apparat gemäß Anspruch 3. bei dem das Vortriebsbohrgerät ein zylindrisches Gehäuse (225) aufweist, das auf dem genannten Bohrrohr aufsitzt und vorn offen ist, wobei das genannte Gehäuse am Vorderende mit einem Mittel zum Einwirken einer Bohrkraft auf den Erdboden versehen ist, das aus einem Amboß (233) mit einer Schlagfläche (234) im Innern des Gehäuses und einer Bohrfläche außerhalb des Gehäuses besteht, ein zweites Mittel, bestehend aus einem in Vor- und Rückrichtung beweglichen Hammer (237) im Innern des genannten Gehäuses, der eine Schlagkraft auf die Schlagfläche des genannten Ambosses einwirken läßt, wobei diese Schlagkraft auf das genannte bohrkrafterzeugende Mittel übertragen wird, wobei der genannte Amboß und der Hammer so gestaltet sind, daß sie eine asymmetrische Bohrkraft dahingehend wirken lassen, daß das genannte Werkzeug beim Bewegen durch den Boden einen gekrümmten Weg nimmt, wenn sich das Gehäuse in nichtrotierendem Zustand befindet, und ein weiteres Mittel, das die Zuführung von Druckluft durch das genannte hohle Rohr in das genannte Gehäuse zur Betätigung des genannten Hammers und die Ableitung der verbrauchten Luft aus dem genannten Gehäuse in das zu bohrende Loch gestattet, wobei das genannte Werkzeug so betätigt wird, daß es den Erdboden mit einer Längsbewegung des genannten Bohrrohres mittels des genannten Stützmittels durchdringt und das genannte Vortriebsbohrgerät durch Hin- und Herbewegung des genannten Hammers arbeitet. Apparatus according to Claim 3, wherein the mole comprises a cylindrical housing (225) supported on and open to the forward end of said drill pipe, said housing having a front end with means for applying a boring force to the soil comprising an anvil (233) having a striking surface (234) inside said housing and a boring surface (235) outside said housing, a second means comprising a reciprocally movable hammer (237) positioned in said housing to apply a percussive force to said anvil striking surface for transmitting a percussive force to said boring force applying means, said anvil and hammer being configured to apply a asymmetric boring force to cause said tool to deviate in a curved path when moved through the earth with said housing in a non-rotating condition, means permitting introduction of air pressure supplied through said hollow pipe into said housing for operating said hammer and for discharging spent air from said housing to the hole being bored, and said tool being operable to penetrate the earth upon longitudinal movement of said drill pipe by said support means and operation of said mole by reciprocal movement of said hammer. Appareil selon la revendication 3, dans lequel la taupe comprend un carter cylindrique (225) supporté sur et ouvert à l'extrémité avant du conduit de forage, ledit carter comportant une extrémité frontale pourvue de moyens d'application d'une force de forage sur le sol et comportant une enclume (233) dotée d'une surface d'impact disposée à l'intérieur dudit corps et une partie de forage (235) disposée à l'extérieur dudit corps, des seconds moyens comprenant un marteau (237) animé d'un mouvement alternatif et disposé dans ledit carter pour appliquer une force de percussion sur la surface d'impact de l'enclume et transmettre une force de percussion aux moyens d'application de la force de forage, lesdits enclume et marteau étant conçus pour appliquer une force de forage asymétrique et amener ledit outil à être dévié suivant un trajet courbe au cours du déplacement dans la terre lorsque ledit corps n'est pas entraîné en rotation, des moyens permettant l'introduction d'air comprimé qui est fourni à travers le conduit creux dans le corps, de façon à actionner le marteau et à évacuer l'air usé du carter vers le trou foré, ledit outil étant actionnable pour pénétrer la terre dès que sont réalisés le déplacement longitudinal du conduit de forage provoqué par les moyens de support et le fonctionnement de la taupe provoqué par le mouvement alternatif du marteau.
  7. 7
    Apparat gemäß Anspruch 3, bei dem das Vortriebsbohrgerät ein zylindrisches Gehäuse (128) mit einem kegelförmigen Vorderende (129) aufweist, das einen Amboß (133) mit einer Schlagfläche (134) innerhalb des genannten Gehäuses und einer Bohrfläche außerhalb des genannten Gehäuses trägt, die ein zylindrisches Nasenteil (20) mit einer Seitenfläche (145) aufweist, die sich längs in einem spitzen Winkel von der Spitze erstreckt, wobei der genannte Amboß (133) und das Nasenteil (20) in fester, nicht drehbarer Position im genannten Gehäuse gesichert sind und die Bewegung des genannten Werkzeugs durch den Boden durch die Einwirkung der genannten abgewinkelten Seitenfläche auf den Boden von einem geraden Verlauf abweicht, und der genannte Hammer (137) eine Schlagkraft auf die Schlagfläche des genannten Ambosses ausübt und damit dazu beiträgt, eine Schlagkraft zur Erzeugung der genannten asymmetrischen Bohrkraft zu übertragen. Apparatus according to Claim 3, wherein the mole comprises a cylindrical housing (128) having a tapered front end (129), carrying an anvil (133) having a striking surface (134) inside said housing and a boring surface outside said housing comprising a cylindrical nose portion (20) having a side face (145) extending longitudinally from the tip at an acute angle thereto, said anvil (133) and nose portion (20) being secured in a fixed non-rotatable position in said housing whereby movement of said tool through the soil is deviated from a straight path by reaction of said angled side face against the soil, and said hammer (137) in applying a percussive force to said anvil striking surface co-operates therewith to transmit a percussive force to provide said asymmetric boring force. Appareil selon la revendication 3, dans lequel la taupe comprend un carter cylindrique (128) avec une extrémité avant tronconique (129) qui porte une enclume (133) comportant une surface d'impact (136), à l'intérieur dudit carter, et une partie de forage, à l'extérieur dudit carter qui comprend :une partie de nez cylindrique (20) qui présente une face latérale (145) s'étendant longitudinalement suivant un angle aigu à partir de son extrémité, ladite enclume (133) et la partie de nez (20) étant fixées dans le carter dans une position de non-rotation fixe, de façon que le mouvement dudit outil à travers le sol soit dévié à partir d'un trajet rectiligne par réaction de ladite face latérale inclinée sur le sol, le marteau (137) coopérant avec l'enclume pour transmettre une force de percussion et produire ladite force de forage asymétrique, lorsqu'est appliquée une force de percussion sur la surface d'impact.
  8. 8
    Apparat gemäß Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei dem das genannte Mittel zur Einbringung von Luft in das genannte Gehäuse ein Verbindungsstück (21) auf dem genannten Gehäuse zur Verbindung desselben mit dem genannten hohlen Bohrrohr (50) aufweist und mit Öffnungen (42, 21, 22) zur Einbringung von Druckluft aus dem genannten Bohrrohr in das genannte Gehäuse sowie zum Ausstoßen der beim Betrieb des genannten Hammers verwendeten Luft aus dem genannten Gehäuse durch das genannte Verbindungsstuck in das zu bohrende Loch versehen ist. Apparatus according to Claim 6 or Claim 7, in which said means for introducing air into said housing comprises a connecting sub (21) on said housing for connecting the same to said hollow drill pipe (50) and having openings (42, 21, 22) for introducing compressed air from said drill pipe into said housing and for exhausting air used in operating said hammer from said housing through said sub into the hole being bored. Appareil selon la revendication 6 ou 7, dans lequel les moyens d'introduction d'air dans le carter comportent une liaison intermédiaire (21) qui est montée sur ledit carter qui relie ce dernier audit conduit de forage creux (15) et qui est munie d'ouvertures (42, 21, 22) pour l'introduction d'air comprimé dans le corps et l'évacuation de l'air utilisé lors du fonctionnement du marteau hors dudit corps, à travers ladite liaison, vers le trou foré.
  9. 9
    Apparat gemäß Anspruch 8, bei dem das genannte Verbindungsstück (21) ein erstes hohles röhrenförmiges Glied mit einem größeren Körper (27) und mit Gewinde versehenen, einen geringeren Durchmesser aufweisenden Verlängerungen (28, 29) aufweist zur Verbindung desselben mit dem genannten Gehäuse bzw. dem genannten hohlen Bohrrohr, wobei der genannte röhrenförmige Gliedkörper (27) mindestens eine Ausstoßöffnung (21, 22) neben der Verbindungsstelle zum genannten hohlen Bohrrohr besitzt, aus einem zweiten röhrenförmigen Glied (41), das sich im Innern der genannten röhrenförmigen Verlängerung, die mit dem genannten hohlen Bohrrohr verbunden ist, befindet und in die andere röhrenförmige Verlängerung zur Leitung der Druckluft zur Betätigung des genannten Hammers hineinragt, sowie aus einem Mittel (31), das das genannte zweite röhrenförmige Glied im genannten ersten röhrenförmigen Glied so stützt, daß ein kreisringförmiger Durchlaß entsteht, durch den die verbrauchte Luft zur genannten Ausstoßöffnung strömen kann. Apparatus according to Claim 8, in which said connecting sub (21) comprises a first hollow tubular member with a larger body portion (27) and reduced diameter threaded extensions (28,29) connecting the same to said housing and said hollow drill pipe respectively, said tubular member body portion (27) having at least one exhaust opening (21, 22) adjacent to the point of connection to said hollow drill pipe, a second tubular member (41) positioned inside said tubular extension connected to said hollow drill pipe and extending into the other tubular extension to conduct compressed air to operate said hammer, and means (31) supporting said second tubular member inside said first tubular member to define an annulus through which exhaust air may flow to said exhaust opening. Appareil selon la revendication 8, dans lequel la liaison intermédiaire (21) comprend un premier organe tubulaire creux qui comporte une partie de corps plus grande (27) et des prolongements filetés de diamètre réduit (28,29) qui assurent la liaison avec le carter et le conduit de forage creux respectivement, la partie de corps (27) de l'organe tubulaire ayant au moins une ouverture d'évacuation (21,22) à proximité du point de liaison avec le conduit de forage creux, un deuxième organe tubulaire (41) disposé à l'intérieur du prolongement tubulaire qui est relié au conduit de forage creux, et s'étendant dans l'autre prolongement tubulaire pour amener l'air comprimé à actionner le marteau, et des moyens (31) qui supportent ledit deuxième organe tubulaire à l'intérieur du premier organe tubulaire de manière à délimiter un espace annulaire à travers lequel l'air évacué peut s'écouler vers l'ouverture d'évacuation.
  10. 10
    Apparat gemäß Anspruch 9, bei dem das genannte Verbindungsstück (21) ein kreisringförmiges Prüfventil (36) enthält, das auf dem zweiten röhrenförmigen Glied (31) aufliegt, um den Strom verbrauchter Luft aus dem genannten Werkzeuggehäuse zuzulassen und einen Luftstrom aus dem Bohrloch in das genannte Werkzeuggehäuse zu verhindern. Apparatus according to Claim 9, in which said connecting sub (21) includes an annular check valve (36) supported on second tubular member (31) to permit flow of exhaust air from said tool housing and prevent air flow from the borehole into said tool housing. Appareil selon la revendication 9, dans lequel la liaison intermédiaire (21) comprend une soupape anti-retour annulaire (36) montée sur le deuxième organe tubulaire (41) de manière à permettre le passage de l'air évacué hors du corps de l'outil et à empêcher le passage de l'air du trou dans ledit carter de l'outil.