具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解，本发明的应用不限于在以下描述中阐述或在以下附图中示出的构造和构件的布置的细节。本发明能够有其他实施例并且能够以各种方式被实践或执行。

图1至8示出根据第一示意性实施例所述的水平定向钻探(HDD)机械100。水平定向钻探机械100是包括多个钻杆组件的水平定向钻探系统的一部分，该多个钻杆组件在水平定向钻探机械100上以端到端的方式顺序地连接，以形成钻柱。钻柱由水平定向钻探机械驱动到地面中，例如用于非开挖式地下公用设施的安装。在钻柱的端部处是具有旋转钻具或钎头的钻头。如下文进一步讨论的，钻头可以包括用于在地下对钻头进行跟踪和/或导向的电子设备(例如，一个或多个陀螺传感器、数据中继接收器、信标、导向机构)和位于钻柱内以在操作期间将钻头的电子设备连接到水平定向钻探机械100的电缆。水平定向钻探机械100包括支撑多个机械系统的底座104，多个机械系统能够操作以组装和拆卸钻柱并且能够操作以在相对于地面至少部分水平的方向上将钻柱插入到地面中以及将钻柱从地面缩回。底座104可以包括主机架106并可选地包括被配置为在其自身动力(例如，由车载柴油发动机或替代性动力源提供动力)下沿着地面移动水平定向钻探机械100的驱动系统，例如示出的履带108。在其他构造中，底座104是固定的，并且机架106可以附接到附加的支撑结构(例如，轨道或拖车)或替代地附接到浮动结构(例如，驳船或浮动平台)。导轨112可移动地支撑在底座104上，尤其是支撑在主机架106上。导轨112是限定设定初始钻探方向的轴线A的细长结构。

导轨112的后端112A被配置为通过在底座104，尤其是主机架106，和导轨112之间的升降机构(例如，一个或多个液压缸)可调节地升高到地面以上。导轨112的前端112B由地锚116支撑。在一些构造中可以与形成主机架106的一个或多个机架元件分离的地锚116构成水平定向钻探机械100的另一机架元件。导轨112支撑托架120并且包括齿轮导轨124以使得能够沿着导轨112驱动托架120。虽然未全部示出，但是托架120包括多个马达、齿轮箱126和与齿轮导轨124接合的输出副齿轮。多个马达中的一个马达与齿轮箱126一起限定托架120和水平定向钻探机械100的旋转系统127，该旋转系统127可操作以围绕轴线A旋转导轨112上的钻柱和/或单个钻杆。在其他构造中，旋转系统127可以是直接驱动系统，在直接驱动系统中，马达在不需要中间齿轮箱的情况下直接驱动输出。接头保护器128支撑在托架120的前端处并形成由旋转系统127旋转的旋转组件的一部分。邻近导轨112的前端112B，设置有固定的或可移动的断开机构132(例如，虎钳系统)，以用于在与导轨上钻杆组件的下端附接和从导轨上钻杆组件的下端拆卸期间选择性地夹持井底钻柱的上端。在新的钻杆组件被联接(到钻柱)之后，旋转系统127在导轨112上朝向断开机构132纵向行进，同时旋转钻杆组件，以继续钻探操作。当旋转系统127到达导轨112的端部处的断开机构132时，旋转系统127与钻杆组件断开联接并缩回到导轨112的后端112A以容纳下一个钻杆组件。重复该过程直到钻探操作完成，并且然后在回拉操作期间反转该过程，在回拉操作期间，水平定向钻探机械100从地面移除钻头，一次一个钻杆组件。

可选地，水平定向钻探机械100可以包括用于钻杆组件的存储隔间以及固定的操作员站(例如，如图9至11所示的舱室)，操作员站具有座椅和用于操纵水平定向钻探机械100的控制件。舱室可以附接到水平定向钻探机械100或单独地设置(例如，作为通过将舱室连接到机械的绳而定位在水平定向钻探机械100附近的箱体)。无论钻杆组件存储在水平定向钻探机械100上还是未存储在水平定向钻探机械100上，钻杆组件处理装置(例如，起重机、铰接臂等)都用作水平定向钻探系统的一部分，位于水平定向钻探机械100上或与水平定向钻探机械100邻近。发动机隔间136至少部分地包围柴油发动机、燃料箱、一个或多个液压马达、泵、和用于操作液压器具(液压器具移动导轨112和/或操作断开机构132中的钳子)的储液器、以及用于沿着钻柱泵送钻探流体的水泵。

在发动机隔间136的后方，水平定向钻探机械100包括操作员升降机140，以用于在底座104上方支撑操作员(即，技术人员)。操作员升降机没有固定到导轨112，并因此操作员升降机140能够操作以独立于导轨112地移动。如图3至4所示，操作员升降机140可以包括操作员区域1 44(例如，人桶、笼子或平台)内的控制件145，控制件145被配置为升高/降低水平定向钻探机械100上的升降机140，并且可选地还控制水平定向钻探机械100上的一个或多个器具，包括控制以下各项中的一个或多个：旋转系统127的驱动、柴油发动机的输出、托架120沿着导轨112的移动、导轨112相对于底座104的移动、断开机构132内的虎钳或夹钳、以及托架/钻柱的旋转。操作员升降机140可以替代地或附加地由遥控器控制。在一些构造中，遥控器可以插接在操作员升降机140上的插接站中。

操作员升降机140可以定位在导轨112旁边，与导轨112有直接连接或没有直接连接。在图3和4中更详细地示出在缩回或最低位置处的操作员升降机140。以固定的或可缩回的梯子或楼梯146的形式设置的一个或多个台阶可以提供对升降机140的操作员区域144的访问。台阶可以被配置为仅在操作员升降机处于其降低位置(例如，最下方)时才提供对操作员区域144的访问。例如，在台阶可以在主机架106上被支撑到位并且在主机架106上保持到位的同时，操作员区域144的地板可以升高超过2英尺(例如，高达4英尺、6英尺或更多)。尽管通常可用的独立升降机提供非常有限的操作范围，实际上需要几乎平坦的作业表面，但可能需要在倾斜高达10度的地势上来操作结合到水平定向钻探机械100中的操作员升降机140。正如本领域技术人员普遍认识到的，典型的自走式升降机将具有倾斜限制，例如在https：//www.youtube.com/watch？v＝P8JmxEE3w4s的“Scissor Lifts：HowVariable Tilt Technology Work”中公开的那些倾斜或倾角限制(即，超过1.5度的倾角，升高被逐步地限制，并且升降机只能在2.75度或更小的倾角下操作)。虽然在某些工作期间首先为水平定向钻探机械100准备平整的作业区域可能是可行的，但这通常是不合理或不经济的，并且水平定向钻探机械100需要能够在轻微的斜坡或倾角上操作。这样的作业条件将防止直接结合常用的升降机并且通常导致本领域技术人员不会将操作员升降机添加到如本文提出的水平定向钻探机械上。因为水平定向钻探机械100为操作员升降机140提供了更广阔的平面图覆盖区，并且包括在操作员升降机140外部定位的大量主体(即，水平定向钻探机械的主体的大部分在操作员升降机140的外部)，所以传统的升降倾斜或倾角限制不一定合适。

在一些构造中，如图所示，操作员区域144的纵向长度L大于横向宽度W，当导轨112降低至水平时，纵向方向平行于导轨112的轴线A。操作员区域144在平面图中可以是如图所示的矩形，或者可以采用包括规则和不规则几何形状的替代形式。如图所示，至少当托架120定位在导轨112的后端112A处(或与前端112B相比更靠近后端112A)时，无论导轨112的高度或角度设置如何，操作员区域144在托架120的前端附近提供人员访问，并且允许操作员从操作员升降机140访问旋转系统127和/或接头保护器128，尤其是访问或安装电缆200(图2)。因此，操作员升降机140是电缆升降机。然而，操作员升降机140可以用于在某些构造或某些情况下的检查、维修或维护。操作员区域144的长度L可以是4英尺、5英尺或6英尺，更长的长度适应钻杆组件的长度的变化，这需要托架120的不同起始位置。操作员升降机140包括可折叠剪式升降机构148，可折叠剪式升降机构148以液压(例如，液压缸172，图7和图8)或其他方式被驱动以延伸，从而提高操作员区域144的高度。操作员区域144可以在一个纵向方向(例如，向前)上比在另一纵向方向上从剪式升降机构148水平地延伸更远。同样地，操作员区域144可以在一个宽度方向上比在另一宽度方向上从剪式升降机构148水平地延伸更远。剪式升降机构148由支架152支撑，支架152(例如，使用多个螺栓接头)安装到水平定向钻探机械100的机架106上。尤其是，操作员升降支架152联接到机架106的最后方的在发动机隔间136后面的延伸部。支架152将操作员升降机140定位在具有进水口和出水口的水泵歧管154上方。图5和图6示出了在水平定向钻探机械100上处于部分升高位置的操作员升降机140。图7和8示出了处于完全升高位置的操作员升降机140。

经由控制器300，可以单独或组合地实现本文描述的操作员升降机140的各种操作特征。控制器300被用各种指令集编程并且与附加的电连接硬件一起操作以提供控制系统。下文描述一些示例性特征。在一些构造中，可以在水平定向钻探机械100上设置倾斜计162，如果设置倾斜计162，则倾斜计162可以检测水平定向钻探机械100(包括操作员升降机140)的倾角。倾斜计162可以向控制器300报告相应的信号，使得控制器300仅在相对于平整地面的规定倾斜范围内将操作员升降机140保持在可操作状态。在某些构造中，规定的倾斜范围的上限可以没有限制：3度或更多、6度或更多、或高达8度。水平定向钻探机械100的倾斜超过规定范围可能导致向机械操作员提供警告指示信号。在一些构造中，操作员升降机140在相对于导轨112的指定位置处(即，指定升高处，除非操作员升降机具有如下实施例中的水平移动范围)自动停止。通过考虑操作员升降机140的机械特性和导轨112的当前角度，自动停止特征可以由控制器逻辑(例如，使用PLC或微处理器控制件、中继设备等)来单独实现。替代地或附加地，一个或多个传感器(例如，接近度传感器156)可以用于正确定位升降机140，通过检测导轨112的一部分或导轨112上的托架120来实现操作员区域作业平台相对于导轨112的规定高度。用于使操作员升降机140停止的一个或多个传感器可以包括光电传感器、感应传感器、磁传感器、LIDAR传感器或生物传感器等等。如所公开的，操作员升降机140被指定用于一个或多个人类技术人员，并且在一些实施例中不被提供用于升降设备，并因此对于操作员升降机140的功能，可能存在合适的重量限制(例如，小于1000磅，或小于700磅，并且在一些构造中，重量限制是500磅)，操作员升降机140可以使用重量传感器158与控制器300通信。重量传感器158可以是结合到升降机构项部的作业表面中或结合到升降机构自身中(例如，图8所示的升降缸172内的)的载荷单元或压力变换器。替代地，重量限制可以以被动方式实施，例如安全阀或平衡阀，或简单地设计电气或液压系统，以仅在特定的升降能力下运行。检测到超重情况会导致一个或多个指示灯点亮以向操作员显示。重量限制可以仅用于限制操作员升降机140的升高，而降低功能不受影响。

操作员升降机140通过操作员互锁/操作员在场装置被可选择性地启用，以在检测到操作员参与和/或检测到操作员在场时限制升降机140的操作。例如，设置启用开关并且启用开关必须保持在“开启”位置以将升降机140置于可操作状态以进行移动。例如，向上/向下开关仅在启用开关保持在开启位置(例如，防止偏向“关停”位置)时才起作用。这种控制件可以设置在操作员区域144处以用于车载操作员，并且也可以设置在固定的操作员站处，操作员区域控制件具有优先权。操作员升降机140可以包括紧急关停开关和手动超驰部件中的一个或两个，以在功能性丧失(例如，断电)的情况下控制升降装置(例如，受控下降)。如果门打开，则可以启用操作员升降机140的访问门上的互锁装置，以防止升降机140移动。可以在水平定向钻探机械100的地面驱动器和升降机控制件之间设置互锁，使得如果地面驱动器被激活，则防止操作员升降机140移动，反之亦然。当操作员升降机140升高到其底部或“输送”位置或规定的升高水平高度以上时，水平定向钻探机械100例如通过驱动系统和轨道108的沿着地面的移动可以被控制系统阻止。例如，设置传感器159(具有物理检测开关或其他电子检测设备)，以检测处于输送位置的操作员升降机140并向控制器300报告用于激活驱动系统的先决条件。

在本公开的示例性方法中，当钻杆160被放置到导轨112上以与现有的钻柱附接时，操作员(即，工人)例如经由梯子或楼梯146占据操作员升降机140的操作员区域144。操作员处理新的一段电缆200，将新的一段电缆200从其上端向下馈送穿过钻杆160，或者(例如，经由穿线器)在将新的一段电缆200从底部向上馈送时，对新的一段电缆200进行接收。新添加的电缆200的上端经由电连接器164(例如，接线柱、鳄鱼夹等以及呈转环或滑环的形式的旋转电接头)联接到导轨112上的一段电线，该段电线延伸到控制器300，连同与控制器300通信的显示器和控制件。在一些构造中，电缆200可以螺纹穿过接头保护器128中的端口。在断开机构132处连接钻杆160之前，操作员或另一操作员将电缆200的下端绞接到现有的电缆，该现有的电缆延伸穿过钻柱到达钻头。绞接可以包括剥去绝缘层、压接导线或线缆，以及在绞接接头上施加热收缩包。操作员可以将操作员升降机140从邻近托架旋转系统127和接头保护器128的升高位置降低到降低位置，并且然后从操作员区域144和操作员升降机140下来，以在靠近断开机构132的地面上作业，从而执行电缆绞接操作。反向执行的类似方法在钻柱回拉期间使用，以提取和移除电缆200的节段，使得电缆200可以在回拉期间保持功能正常。替代地，可以在回拉之前移除整个电缆200。

托架120附近的常规锁定开关可以由电缆技术人员切换以使旋转电机停止旋转(不旋转任何附接的构件-卡盘、接头保护器、钻杆、钻柱)并使托架120停止沿导轨112上下移动(无推力或回拉)。在替代性构造中，响应于检测到操作员区域144中或操作员区域144附近的电缆技术人员或操作员升降机140处于升高位置，可以触发任何或所有这些功能的自动锁定。在一些构造中，基于操作员区域144和/或操作员升降机140中的操作员升高到托架120附近的位置，控制系统可以为钻探操作员(与电缆技术员不同)仅提供托架120的有限功能。有限功能可以包括：有限旋转(低扭矩、低速-“慢动”旋转以便于访问电缆构件，例如接头保护器128上的端口)，和/或托架120沿导轨的上下有限移动(低扭矩、低速-托架120沿导轨上下“慢动”以便于访问电缆构件)。这些有限或受限的托架功能可以通过操作员升降机140上的操作员区域144中的操作员控制件来获得，从而这些有限或受限的托架功能可以由在操作员区域144中的电缆技术人员控制以便于电缆操作。与水平定向钻探机械的主要钻探控制件相比，操作员区域144中的这种操作员控制件可以是具有有限能力(例如，有限的移动范围和/或有限的速度)的受限控制件。

包括水平定向钻探机械100的水平定向钻探系统可以用控制系统来操作，以执行多个软件指令，当由控制器300执行时，这些软件指令使系统实施方法并以其他方式运行并具有如本文所述的功能。在一些示例中，控制器300与柴油发动机、旋转系统127、导轨112、断开机构132、钻头中的电子设备、操作员的控制件/一个或多个显示器和/或系统的其他构件通信。控制器300可以包括通常被称为微处理器、中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)的装置或其他类似的装置，并且可以被实施为独立的单元或与系统100(例如，水平定向钻探机械100)的构件共用的装置。控制器300可以包括用于存储软件指令的存储器(例如，RAM和/或ROM)，或者系统可以进一步包括用于存储软件指令的单独的存储装置，该存储装置与控制器300电连接以用于指令、数据和信号之间的双向通信。在一些示例中，控制器300在与水平定向钻探机械100的构件通信和操作水平定向钻探机械100的构件之前，等待接收来自操作员的控制件的信号。在其他示例中，控制器300可以在无需从操作员的控制件接收信号的情况下自动操作，以与包括水平定向钻探机械100的水平定向钻探系统的构件通信并控制包括水平定向钻探机械100的水平定向钻探系统的所述构件的操作。

图9至12示出根据本公开的三个附加实施例所述的水平定向钻探机械100₂、100₃、100₄，除非明确禁止，否则每个水平定向钻探机械100₂、100₃、100₄都可以包括控制器300、控制系统以及任何或所有上述的特征和功能。因此，下文的描述集中在水平定向钻探机械100₂、100₃、100₄的在前文的描述中没有涵盖的那些特征。每个水平定向钻探机械100₂、100₃、100₄都可以提供水平定向钻探系统的一部分，该部分能够操作以操纵用于水平定向钻探的钻柱的钻杆。

如图9和图10所示，操作员升降机140₂是包括(例如，在其远端)支撑操作员区域144的悬臂170的悬臂式升降机。悬臂170可以是铰接臂和/或伸缩臂。如图所示，悬臂170具有铰接臂部170A和伸缩臂部170B。因此，悬臂170能够操作以通过一个或多个致动器铰接以呈现不同的形状和/或在长度上伸缩，该一个或多个致动器可以包括一个或多个液压缸172。悬臂170的底座174可枢转地或固定地联接到底座104，并且尤其是水平定向钻探机械100₂的主机架106。悬臂170在远离地锚116并朝向导轨112的后端112A的方向上从其底座174延伸。在一些构造中，悬臂170是支撑操作员升降机140₂的操作员区域144的多个臂中的一个。操作悬臂170以相对于导轨112移动，从而使得操作员访问至少托架120的前端和导轨上钻杆的上端，以执行如上所述的电缆安装和/或移除操作。与包括可折叠剪式升降机构148的操作员升降机140一样，具有悬臂170的操作员升降机140₂可以将操作员区域144与操作员一起自动或通过手动控制件(例如，操作员区域144内的手动控制件)提升到与托架120邻近的规定作业高度。操作员升降机140₂可以被操纵以将操作员区域144放置在地平面上或邻近地平面(例如，使得操作员支撑地板在地平面的18英寸或12英寸内)，以为操作员提供直接进出邻近水平定向钻探机械100₂的地面的入口和出口。然而，操作员升降机140₂可以替代地或附加地被操纵，以邻近水平定向钻探机械100₂上的平台或邻近水平定向钻探机械100₂来放置操作员区域144，从而提供进出操作员区域144的入口和出口。操作员升降机140₂具有作业范围，不管导轨112的高度或角度设置如何，该作业范围都为电缆操作提供必要的操作员访问。

图11示出水平定向钻探机械100₃，除了支撑操作员区域144的操作员悬臂式升降机140₂之外，水平定向钻探机械100₃还包括单独的、安装在导轨上的操作员区域182。操作员区域182可以包括人桶、笼子或平台。在一些构造中，操作员区域182被定位成与接头保护器128和/或至少旋转系统127的前部纵向对齐。如图所示，操作员区域182可以与接头保护器128直接重叠和/或在侧视图中至少与旋转系统127的前部直接重叠。操作员升降机140₂被操作以提供对安装在导轨上的操作员区域182的访问，并且操作员占据安装在导轨上的操作员区域182以执行电缆操作。操作员区域144、182中的一个或两个可以具有闭锁门，以提供操作员在其间的移动。在一些构造中，安装在导轨上的操作员区域182在一侧是敞开的并且操作员升降机140₂被带至敞开侧(例如，直接邻近敞开侧或抵靠敞开侧)，并且当操作员占据安装在导轨上的操作员区域182时，控制系统锁定操作员升降机140₂的进一步移动。这可以通过一个或多个重量传感器、一个或多个存在传感器或其他合适的设备来实现。操作员区域182可以通过托架120直接或间接地安装到导轨112上。安装件可以包括枢轴184，以用于通过不同的操作导轨角度的范围来设置操作员区域182的水平定向。控制系统可以响应于设置用于钻探的导轨角度而自动设置操作员区域182的定向。可以提供倾斜或倾角限制器，以物理地阻止倾斜或倾角超过相对于水平线的规定角度。

图12示出了根据又一构造的水平定向钻探机械100₄，该构造为水平定向钻探机械100₄上的操作员升降机140₂提供替代的安装位置。不将悬臂底座174支撑在主机架106上，而是将底座174支撑在地锚116上，导轨112的前端112B联接到地锚116上。操作员升降机140₂可以具有与图9至11或其修改形式的操作员升降机中的一个或两个相同的构造，例如具有延伸的范围。如图所示，操作员区域144可以安装成使得悬臂170的远端联接到操作员区域144的上部或上边缘，而不是联接到操作员区域144的下部或下边缘，如图9至11所示。将操作员升降机140₂安装在地锚116上的好处包括：升降机不会增加水平定向钻探机械100₄的运输重量、高度或宽度，在安装在水平定向钻探机械100₄的左侧或右侧之间进行简单的重新配置将不会增加运输高度或宽度，悬臂170的伸缩功能允许更大的运动范围来定位操作员，并且操作员升降机140₂可以向上、向下、向左、向右或纵向向上和向下移动导轨112。

在进一步的构造中，可以组合上述实施例的特征，包括在水平定向钻探机械上设置多于一个的操作员升降机。在一些构造中，水平定向钻探机械支撑操作员升降机和用于处理钻杆(装载到导轨112上/从导轨112上卸载)的单独的升降机。这些升降机中的一个或两个可以被支撑在地锚116上。在其他构造中，此类升降机中的一个或两个被支撑在主机架106上。还想到可以将单个升降机(例如，悬臂式升降机)从钻杆处理机端部操纵器转换到操作员区域，反之亦然，或者单个升降机可以同时提供钻杆处理机端部操纵器和操作员区域。控制系统可以操作以基于作为钻杆处理机与操作员升降机相对的配置来改变升降机的可用功能(例如，改变或限制可用的速度和/或范围的软件编程、指定设备或功能的锁定)。一种这样的情景是，当配置或用作操作员升降机时，可以禁用通过用于钻杆处理的遥控器来操作员升降机。本文公开的各种操作员升降机可以定位在导轨112的右手侧或左侧。在一些构造中，操作员升降机可移除地附接(例如，使用螺栓接头或其他可移除的紧固件，而非通过焊接或其他手段永久固定)。此外，操作员升降机可以通过折叠机构被支撑在水平定向钻探机械上，从而将升降机置于(例如，在导轨112下方的)非操作的装载位置以用于水平定向钻探机械的输送。

在不脱离本发明范围的情况下，可以对上述方法和系统做出改变。因此应注意，上述说明中所包括的或附图中所示的内容应被解释为是说明性的而非限制性的。下文的权利要求书旨在覆盖本文描述的所有通用和特定的特征，以及本方法和系统的范围的所有陈述，就语言而言，可以说本文描述的所有通用和特定的特征以及本方法和系统的范围的所有陈述落入权利要求书的范围中。