共振增强型旋转钻探 |
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| 申请号 | CN201080043909.5 | 申请日 | 2010-09-08 | 公开(公告)号 | CN102575498B | 公开(公告)日 | 2015-06-10 |
| 申请人 | ITI苏格兰有限公司; | 发明人 | 马里安·威尔士格里奇; | ||||
| 摘要 | 一种用于对共振增强型旋转 钻头 进行控制的方法，该旋转钻头包括一个旋转钻头尖和一个用于对该旋转钻头尖施加轴向振荡负荷的 振荡器 ，该方法包括：对该共振增强型旋转钻头中的振荡器的 频率 (f)进行控制，由此将该频率(f)维持在(D2Us/(8000πAm))1/2≤f≤Sf(D2Us/(8000πAm))1/2的范围内，其中D是该旋转钻头尖的直径，Us是正在被钻探的材料的抗压强度，A是振动的幅度，m是振动 质量 ，而Sf是大于1的一个比例系数；以及对该共振增强型旋转钻头中的振荡器的动态 力 (Fd)进行控制，由此将该动态力(Fd)维持在[(π/4)D2effUs]≤Fd≤SFd[(π/4)D2effUs]的范围内，其中Deff是该旋转钻头尖的有效直径，Us是正在被钻探的材料的抗压强度，而SFd是大于1的一个比例系数，其中该振荡器的该频率(f)和该动态力(Fd)是通过以下方式来被控制的，即监测代表该正在被钻探的材料的抗压强度(Us)的多个 信号 ，并且使用一个闭环实时反馈机构根据该正在被钻探的材料的抗压强度(Us)中的多个变化来调整该振荡器的该频率(f)和该动态力(Fd)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于对共振增强型旋转钻头进行控制的方法，该旋转钻头包括一个旋转钻头尖和用于将轴向振荡负荷施加到该旋转钻头尖上的一个振荡器，该方法包括： |
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| 说明书全文 | 共振增强型旋转钻探发明领域 [0001] 本发明涉及冲击增强型旋转钻探，具体地涉及共振增强型旋转钻探。本发明的实施方案是针对用于控制共振增强型旋转钻探以提高钻探性能的方法和装置。在此说明的其他实施方案是针对根据这些方法和装置可以是可控制的共振增强型旋转钻探设备。本发明的某些实施方案适用于任何尺寸的钻头或有待钻探的材料。某些更具体的实施方案是针对通过岩石构造进行钻探的，特别是在石油、天然气和采矿行业中深孔钻探应用中可以会遇到的那些不同成分的岩石构造。 [0002] 发明背景 [0003] 冲击增强型旋转钻探本身是已知的。冲击增强型旋转钻头包括一个旋转钻头尖和用于向该旋转钻头尖施加振荡负荷的一个振荡器。该振荡器正在被钻探的材料上提供冲击力以便使材料破碎，这就辅助该旋转钻头尖切割通过这种材料。 [0004] 共振增强型旋转钻探是一种特殊类型的冲击增强型旋转钻探，在共振增强型旋转钻探中振荡器是以高频率振动的，从而实现与正在被钻探的材料的共振。与标准的冲击增强型旋转钻探相比，这导致了施加到该旋转钻头尖上的压力的放大，因此提高了钻探效率。 [0005] 美国3,990,522披露了一种冲击增强型旋转钻头，该冲击增强型旋转钻头使用了一个安装在旋转钻头中的液压锤用于钻探栓孔(bolt hole)。披露的是一个可变冲程(storke)和频率的冲击循环可以被施加并且调整到正在被钻探的材料的自然频率以便对施加在该钻头尖的尖缘处的压力产生一个放大。一个伺服阀维持冲击控制，并且在顺序上由一名操作者通过一个电子控制模块进行控制，该电子控制模块通过一个导电体被连接到该伺服阀上。这位操作者可以通过控制加压流体去到或者来自一个致动器的流动来选择性地使冲击频率改变在每分钟0次循环至2500次循环(即0Hz至42Hz)，并且选择性地使该钻头尖的冲程改变在0英寸至1/8英寸(即0mm至3.175mm)。在此说明的是，通过选择具有一个频率等于正在被钻探的岩层的自然频率或共振频率的冲击冲程，由这些冲击力储存在该岩层中的能量将导致被施加在该钻头尖的尖缘处的压力放大，使得这种固体材料会崩裂和挪移，并且允许钻头速度在每分钟3英尺至4英尺的范围内。 [0006] 通过上述安排有关若干问题已经被确定并且将在下面进行讨论。 [0007] 使用美国3,990,522的装置(该装置使用频率相对低的液压振荡器)是不能获得高频率的。因此，虽然美国3,990,522讨论了共振的可以性，将出现的是通过其振荡器可获得的这些低频率不足以实现穿过许多坚硬材料的共振增强型钻探。 [0008] 不论上面讨论的频率问题如何，在任何使用美国3,990,522的安排的情况下都不能轻松地实现和维持共振，特别是如果钻头穿过具有不同共振特性的不同材料。这是因为在美国3,990,522的安排中冲击的频率和冲程的控制是由操作者手动实现的。这样，就很难随着钻头穿过不同类型的材料来控制该装置以便连续地调整冲击力的频率和冲程以维持共振。如在美国3,990,522所说明的，这对于钻探浅的栓孔而言可以不是一个主要问题。一位操作者可以仅针对其中有待钻探一个栓孔的材料选择一个合适的频率和冲程，并且然后操作该钻头。但是，对于穿过许多不同的岩石层的深层钻探而言，该问题被恶化。一个位于深钻孔上方的操作者不能够看到正在被钻探的岩石是何种类型，并且不能够随着钻头从一种岩石类型穿到另一种岩石类型，特别是在岩石类型频繁改变的区域，来轻易实现和维持共振。 [0009] 上述某些问题已经被本发明人所解决如在WO 2007/141550中说明的。WO2007/141550说明了一种共振增强型旋转钻头，该共振增强型旋转钻头包括一个自动反馈和控制机构，该自动反馈和控制机构可以在钻头穿过不同类型的岩石时连续地调整冲击力的频率和冲程以维持共振。该钻头配有一个调节装置和在井下位置的一个控制装置，该调节装置是响应于该钻头正从中穿过的材料的状况，并且该控制装置包括用于对材料特性进行井下测量的多个传感器，由此该装置在井下是可操作在闭环实时控制状态下。 [0010] 尽管在WO 2007/141550中说明了这些解决方案，仍希望对其中所述的这些方法和装置作进一步的改进。本发明的实施方案的目的是作出此类改进，以便在限制该装置上的磨损和断裂的同时提高钻探效率，从而提高该装置的使用寿命。进一步的目的是更加精确地控制共振增强型钻探，特别是在快速地钻探穿过改变的岩石类型时。 [0011] 发明概述 [0012] 虽然明显的是共振增强型钻探是受大量参数(既有有待钻探的材料的也有钻头本身的)影响的，但是本发明人已经认识到某些参数比其他参数更加重要，并且有利地是在这些重要参数的特定范围内操作一种共振增强型旋转钻头以便在先前所述的安排上进行改进，而无论钻头的大小或者正在被钻探的材料是什么。 [0013] 影响共振增强型旋转钻头的性能的参数包括：钻头尖的直径、在钻头尖上的静态力、钻头尖的旋转速度、正在被钻探的材料的抗压强度、振荡器的质量、振荡的幅度、振荡器的动态力、振荡器的频率、驱动旋转钻头尖以及振荡器所要求的功率。 [0014] 在所有这些参数中，已经确定的是用于控制振荡器以便实现和维持共振的两个关键参数是振荡器的频率和由振荡器施加在旋转钻头上的动态力。 [0015] 根据以上内容，本发明人已经发明了一种用于共振增强型钻探的方法，这种共振增强型钻探是通过对于该振荡器频率的优选操作范围以及由该振荡器施加该旋转钻头上的动态力的方面来限定的。 [0016] 根据本发明的一个第一方面，提供了一种用于对共振增强型旋转钻头进行控制的方法，该旋转钻头包括一个旋转钻头尖和用于将轴向振荡负荷施加到该旋转钻头尖上的一个振荡器，该方法包括： [0017] 对该共振增强型旋转钻头中的振荡器的频率(f)进行控制，由此使得该频率(f)维持在如下范围内 [0018] (D2Us/(8000πAm))1/2≤f≤Sf(D2Us/(8000πAm))1/2 [0019] 其中D是该旋转钻头尖的直径，Us是正在被钻探的材料的抗压强度，A是振动的幅度，m是振动质量，而Sf是大于1的一个比例系数；以及 [0020] 对该共振增强型旋转钻头中的该振荡器的动态力(Fd)进行控制，由此使得该动态力(Fd)维持在如下范围内 [0021] [(π/4)D2effUs]≤Fd≤SFd[(π/4)D2effUs] [0022] 其中Deff是该旋转钻头尖的有效直径，Us是正在被钻探的材料的抗压强度，而SFd是大于1的一个比例系数， [0023] 其中该振荡器的该频率(f)和该动态力(Fd)是通过以下方式来被控制的，即监测代表该正在被钻探的材料的抗压强度(Us)的多个信号，并且使用一个闭环实时反馈机构根据该正在被钻探的材料的抗压强度(Us)中的多个变化来调整该振荡器的该频率(f)和该动态力(Fd)。 [0024] 本发明的上述方面包括一个共振增强型旋转钻头的多个操作参数之间的一种有利的关系，以对任何尺寸的钻头或有待钻探的材料的共振增强型钻探进行控制。至于所限定的范围为何是有利的细节将在详细说明中连同对多个优选实施方案的说明一同给出。 [0025] 根据本发明的一个第二方面提供了一种装置，该装置包括被配置为执行第一方面的方法的一个控制器。例如，该装置可以包括适合被编程为执行该方法的一个处理器，或一组处理器。所要求的多个操作参数可以被存储在连接到该处理器或该组处理器的一个存储器中。该装置可以包括合适的硬件和/或用于附接到一个振荡器和用于附接到一个或多个传感器上的接线，以便生产一个共振增强型旋转钻头。例如，该装置可以被提供为一个控制模块带有合适的输入和输出用于插入到这些传感器与该振荡器之间的一个电路中。 [0026] 该控制模块可以包括一个功率供应和/或一个合适的输入用于接收由一个单独的功率供应单元所供应的功率。用于驱动该控制模块和/或该振荡器的必要的功率可以是在井下产生的。根据本发明的另一个方面，钻探流体被用作一种能量源。高压流体流动可以被用于产生该必要的功率。可商购的井下动力钻具或者涡轮机主要被用于产生用于转动该钻头尖的必要功率。此类井下动力钻具或涡轮机还可以被用来发电以便驱动该振荡器。用这种驱动旋转运动的机构(井下动力钻具或涡轮机)发电从而驱动一个共振增强型旋转钻头的这个振荡器可以消除对于该振荡器的一个单独功率源的要求，从而使得井下装置更加紧凑。可商购的适于井下使用的机构(例如井下动力钻具或涡轮机)可以在最上至200kW的范围内供应功率。因此，取决于功率转换效率，该振荡器可以具有范围在1kW至200kW、1kW至150kW、1kW至100kW或者1kW至50kW内的一个功率消耗。 [0027] 当被适当地集成到一个共振增强型旋转钻头中时，该装置包括：用于将轴向振荡负荷到一个旋转钻头尖上的一个振荡器；以及一个或多个传感器，其中该控制器被配置成接收来自一个或多个传感器的、代表该正在被钻探的材料的抗压强度(Us)的多个信号，并且使用一个闭环实时反馈机构根据该正在被钻探的材料的抗压强度(Us)的多个改变来调整该振荡器的该频率(f)和该动态力(Fd)。 [0028] 根据本发明的一个第三方面，提供了一种共振增强型旋转钻头，该共振增强型旋转钻头适合与先前所述的控制装置和方法一起使用。该共振增强型旋转钻头包括：一个旋转钻头尖；以及用于将轴向振荡负荷施加到该旋转钻头尖上的一个振荡器，其中该振荡器包括一个带机械放大的压电致动器、一个磁致伸缩致动器、一个气动致动器，或者一个电驱动的机械致动器。本发明人已经发现许多类型的振荡器不提供使用大型装置(例如在石油行业中所要求的那种装置)来实现高性能共振增强型钻探所要求的力、冲程以及频率。相比之下，使用带机械放大的压电致动器、磁致伸缩致动器、气动致动器或者电驱动的机械致动器中的一种可以提供实现穿过一个范围的岩石类型的高钻探性能所要求的力、冲程以及频率。 [0029] 根据本发明的另一方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序被配置成执行该第一方面的方法。该计算机程序可以被提供成在先前所述装置中使用的一种计算机产品。例如，根据本发明的该第三方面，该程序可以被加载到一个盘片或芯片上用于分发并且随后插入到一个共振增强型旋转钻头上。 [0031] 为了更好地理解本发明并且显示本发明是如何能够被实行的，现以实例的方式仅通过参照附图来说明本发明的实施方案，在附图中： [0032] 图1示出了根据本发明的一个实施方案的钻探模块； [0033] 图2(a)和图2(b)示出了多个曲线图，展示了必要的最小功率是用于不同振动质量以及有待钻探的材料的不同抗振强度的振动幅度的一个函数； [0034] 图3示出了一个曲线图，展示了最大可用频率在给定一个固定的功率供应的情况下是用于不同振动质量的振动幅度的一个函数；并且 [0035] 图4示出了一个示意图，展示了一种井下闭环实时反馈机构。实施方案的详细说明 [0036] 图1示出了根据本发明一个实施方案的一个共振增强型旋转钻探模块的说明性实例。该钻探模块配备有一个旋转的钻头尖1。一个振动传送(vibro-transmission)部分2连接钻头尖1，通过一个振荡器3将轴向定向的振动从该振荡器传送到钻头尖1上。一个连接件4将该模块连接到一个钻柱5上并且起到一个振动隔离单元的作用以便将该钻柱与该钻探模块的振动隔离开。 [0037] 在钻探操作过程中，该旋转钻头尖是旋转的，并且由该振荡器将一个轴向定向的动态负荷施加到该钻头尖上以便产生一个裂纹扩展区来帮助该旋转钻头尖切削穿过材料。 [0038] 该振荡器是根据如在发明概述部分中所述的本发明的第一方面的方法来控制的。频率和动态力的范围是基于以下分析的。 [0039] 该岩层构造的抗压强度给出了必要的冲击力的一个下限。所要求的动态力的最小幅度已经计算为： [0040] [0041] Deff是该旋转钻头尖的一个有效直径，该有效直径是按照钻头尖与正在被钻探的材料相接触的那个部分成比例的钻头尖的直径D。因此，该有效直径Deff可以被定义为： [0042] [0043] 其中，Scontact是与钻头尖与正在被钻探的材料相接触的那个部分相对应的一个比例系数。例如，估计只有5％的钻头尖表面是与正在被钻探的材料相接触的，则有效直径Deff可以被定义为： [0044] [0045] 上述计算为该振荡器的动态力提供了一个下限。在操作过程中，使用一个大于此下限的动态力在该钻头尖的前面产生了一个裂纹扩展区。但是，如果该动态力过大，那么该裂纹扩展区将从该钻头尖延伸远离从而损害井孔的稳定性并且降低井孔的质量。此外，如果由该振荡器施加到该旋转钻头上的动态力过大，那么会导致加快的和灾难性的工具磨损和/或失效。因此，该动态力的一个上限可以被定义为： [0046] SFd[(π/4)D2effUs] [0047] 其中，SFd是一个大于1的比例系数。实践中，SFd是根据正在被钻探的材料进行选择的，从而确保该裂纹扩展区不会从该钻头尖延伸得过远而损害井孔的稳定性并且降低井孔质量。此外，SFd是根据该旋转钻头的组件承受该振荡器的冲击力的牢固性进行选择的。对于某些应用而言，SFd将被选择成是小于5、优选地小于2、更加优选地小于1.5，而最优选地小于1.2。SFd的低数值(例如接近1)将提供很紧密的并且受控的裂纹扩展区，并且还以扩展速度为代价提高钻探组件的使用寿命。这样，当要求一个很稳定的、高质量的井孔时，令人希望的是低数值的SFd。另一方面，如果扩展速度是更加重要的考虑点，那么可以为SFd选择一个更高的数值。 [0048] 在具有周期τ的振荡器冲击过程中，具有质量m的钻头尖的速度改变了一个Δv量，因为接触力F＝F(t)： [0049] [0050] 其中，接触力F(t)被假定成是调和的。力F(t)的幅度有利地是大于使得正在被钻探的材料破裂所需要的力Fd。因此，脉冲变化的一个下限可以被发现如下： [0051] [0052] 假定钻头尖在冲击之间执行一次谐运动，则钻头尖的最大速度是vm＝Aω，其中A是振动的幅度，而ω＝2πf是其角频率。假定在该钻头尖具有最大速度vm时发生冲击，，而且该钻头尖在冲击过程中停止，那么Δv＝vm＝2Aπf。因此，振动质量被表达为[0053] [0054] 此表达式包含冲击的周期τ。冲击的持续时间是由许多因素确定的，包括岩层构造和工具的材料属性、冲击的频率以及其他参数。为了简单起见，将τ估计为振动的时间周期的1％，即τ＝0.01/f。这导致可以为这些冲击提供足够脉冲的一个较低的频率估计值： [0055] [0056] 必要的最小频率是与振动幅度和该钻尖的质量的平方根倒数成比例的。 [0057] 上述计算为该振荡器的频率提供了一个下限。至于该动态力参数，利用大于此下限的一个频率在操作过程中在该钻头尖的前面产生一个裂纹扩展区。但是，如果该频率过大，那么该裂纹扩展区将从该钻头尖延伸远离而损害井孔稳定性并且降低井孔质量。此外，如果该频率过大，那么会导致加快的和灾难性的工具磨损和/或失效。因此，该频率的一个上限可以被定义为： [0058] Sf(D2Us/(8000πAm))1/2 [0059] 其中，Sf是大于1的一个比例系数。上面讨论的那些有关SFd的类似考虑适用于Sf的选择。因此，对于某些应用而言，Sf将被选择为是小于5、优选地小于2、更优选地小于1.5、而最优选地小于1.2。 [0060] 除了上述关于该振荡器的操作频率的考虑之外，有利地是该频率被维持在一个接近，但不超过该正在被钻探的材料的峰值共振条件的范围内。也就是说，该频率有利地是足够高的以便接近与正在被钻探的材料相接触的该钻头尖的峰值共振，同时是足够低的以便确保该频率不超过将导致幅度显著下降的那些峰值共振条件的频率。因此，Sf有利地是据此而选择的 [0061] fr/Sr≤f≤fr [0062] 其中，fr是与正在被钻探的材料的峰值共振条件对应的一个频率，而Sr是大于1的一个比例系数。 [0063] 上面讨论的那些对那些与SFd和Sf相关联的类似考虑适用于Sr的选择。对于某些应用而言，Sr将被选择成是小于2、优选地小于1.5、更优选地小于1.2。Sr的高数值允许使用较低的频率，这可以导致较小的裂纹扩展区和较低的扩展速度。Sr的更低数值(即接近1)会将该频率约束到接近这些峰值共振条件的一个范围中，这会导致较大的裂纹扩展区和较高的扩展速度。但是，如果该裂纹扩展区变得过大，那么这会损害井孔的稳定性并且降低井孔质量。 [0064] 钻探穿过具有变化的共振特性的材料的一个问题是，共振特性的改变可以导致操作频率突然超过峰值条件，这将导致幅度显著下降。要解决此问题，可以适当地据此来选择Sf [0065] f≤(fr-X) [0066] 其中X是一个安全系数，该安全系数确保该频率(f)在两种不同的正在被钻探的材料之间的一个过渡处不超过峰值共振条件的频率。{在这样一种安排中，该频率是可以是受控制的，从而被维持在如下定义的一个范围内 [0067] fr/Sr≤f≤(fr-X) [0068] 其中，安全系数X确保该频率足够远离峰值共振条件，以便避免该操作频率突然超过将会导致幅度显著下降的、从一种材料类型到另一种材料类型的一个过渡上的峰值共振条件的频率。 [0069] 类似地，可以为动态力引入一个安全系数。例如，如果对于一种具有大的抗压强度的材料施加一个大的动态力，并且随后发生到具有低得多的抗压强度的一种材料的一个过渡，这可以导致该动态力突然非常过大，而造成该裂纹扩展区从该钻头尖延伸远离而在材料过渡处损害井孔的稳定性并且降低井孔质量。要解决此问题，可以适当地是在以下动态力范围内进行操作： [0070] Fd≤SFd[(π/4)D2effUs-Y] [0071] 其中Y是一个安全系数，该安全系数确保该动态力(Fd)在两种不同的正在被钻探的材料之间的一个过渡处不超过一个导致裂纹灾难性的扩展的极限。如果发生到具有低抗压强度的一种材料的一个突然过渡，安全系数Y确保该动态力不是过高，然后这将不导致裂纹扩展区的、损害井孔稳定性的灾难性的扩展。 [0072] 安全系数X和/或Y可以是根据材料类型的预期变化以及速度进行设置的，当检测到材料类型改变时可以通过速度可以改变该频率和动态力。也就是说，根据在该正在被钻探的材料的抗压强度(Us)中所预期的变化，以及当检测到该正在被钻探的材料的抗压强度(Us)发生改变时通过其可以改变该频率(f)和该动态力(Fd)的速度，X和Y中的一个或二者是可调整的。X的典型范围包括：X＞fr/100；X＞fr/50；或者X＞fr/10。Y的典2 2 型范围包括：Y＞SFd[(π/4)DeffUs]/100；Y＞SFd[(π/4)DeffUs]/50；或者Y＞SFd[(π/4) 2 DeffUs]/10。 [0073] 利用这些安全系数的实施方案可以被看作是在对于复合岩层结构的每种材料的最佳运行条件下工作与在每个材料层之间的界面提供一种平稳的过渡以便在多个界面处维持井孔的稳定性之间的一种折中。 [0074] 本发明的先前所述的实施方案适用于任何尺寸的钻头或有待钻探的材料。某些更具体的实施方案是针对通过岩石构造进行钻探的，特别是在石油、天然气和采矿行业中深孔钻探应用中可以会遇到的那些不同成分的岩石构造。问题仍是什么数值适合用于穿过此类岩石构造的钻探。 [0075] 岩石构造的抗压强度具有从对于沙岩的大约Us＝70MPa到对于花岗岩的Us＝230MPa的一个大的变化。在大型钻探应用中，例如在石油行业，钻头尖的直径范围是从 1 90mm至800mm(3/2”至32”)。如果只有约5％的钻头尖表面是与岩石构造相接触的，那么所要求的动态力的最低值被计算成是大约20kN(使用90mm钻头尖穿过沙石)。类似地，所要求的动态力的最大值被计算成是大约6000kN(使用一个800mm钻头尖穿过花岗岩)。这样，对于钻探穿过岩石构造而言，动态力优选是取决于钻头尖的直径而受控制的以便维持在20kN至6000kN的范围内。因为驱动具有6000kN的动态力的一个振荡器会消耗大量的功率，对于许多应用而言可以有利地将本发明与一个中小直径的钻头尖一起运用。例如， 90mm至400mm的钻头尖导致20kN至1500kN的操作范围。进一步缩窄钻头尖直径范围给出了20kN至1000kN的动态力优选范围，更优选地40kN至500kN，又更优选地50kN至300kN。 [0076] 对于振动的必要位移幅度的一个较低估计是具有比来自随机的小规模尖缘弹跳的位移大得多的振动，这是因为岩石构造中的不均一性。这样，该振动的幅度有利地是至少1mm。因此，该振荡器的振动幅度可以被维持在1mm至10mm的范围内，更加优选地是1mm至 5mm。 [0077] 对于大型钻探设备而言，该振动质量可以是10kg至1000kg的量级。这类大型钻探设备的可行的频率范围不会扩大得高于几百赫兹。这样，通过在先前所述的极限内为该钻头尖的直径、振动质量以及振动幅度选择合适的值，该振荡器的频率(f)可以被控制成维持在100Hz至500Hz范围内，同时提供充足的动态力以便为一个范围的不同的岩石类型产生一个裂纹扩展区，并且对于实现共振作用是足够高的频率。 [0078] 图2(a)和图2(b)示出了多个曲线图，为展示了必要的最小功率是具有150mm直径的钻头尖的振动幅度的一个函数。曲线图(a)用于一个m＝10kg的振动质量，而曲线图(b)用于一个m＝30kg的振动质量。下面的曲线对于较弱的岩石构造是有效的，而上面的曲线是用于具有高抗压强度的岩石的。如从这些曲线图中可以看到，在这些曲线上方的区域内一个100Hz至500Hz的操作频率将提供足够高的频率来使用一个范围在1mm至10mm(0.1cm至1cm)内的振幅在所有岩石类型中产生一个裂纹扩展区。 [0079] 图3示出了一个曲线图，展示了最大可用频率在给定一个固定的功率供应的情况下是用于不同振动质量的振动幅度的一个函数。该曲线图是针对一个30kW的功率供应来计算的，该功率是可以在井下由用来驱动该钻头尖旋转运动的一台井下动力钻具或涡轮机来产生的。上方曲线用于一个10kg的振动质量，而下方线用于一个50kg的振动质量。如从该曲线图中可以看出，对于在一个范围在1mm至10mm(0.1cm至1cm)内的振幅，100Hz至500Hz的频率范围是可以达到的。 [0080] 一个控制器可以被配置成执行先前所述的方法并且被结合到例如在图1中所展示的一个共振增强型旋转钻探模块中。此外，该共振增强型旋转钻探模块可以配有一个或多个传感器，该传感器直接或间接地监测这种正在被钻探的材料的抗压强度，并且将代表这种正在被钻探的材料的抗压强度的多个信号提供给该控制器。该控制器被配置成接收来自这些传感器的信号，并且使用一种闭环实时反馈机构根据这种正在被钻探的材料的抗压强度(Us)中的改变来调整该振荡器的频率(f)和动态力(Fd)。 [0081] 可行的是在地表上提供一台计算机，该计算机处理来自井孔下的多个传感器的信号，并且然后将控制信号发送回井孔下用于控制该钻头头部。但是，在实践中，这对于深井孔钻探将是难以实现的，因为在该地表与该井孔的底部之间的信号传输并不是笔直朝前的并且还可以是相当慢的。替代地，可能的是将该反馈机构的这些传感元件、处理元件以及控制元件定位到井孔下，但是在该钻头头部组件的外面。然而，在实践中，在井孔下可能几乎没有空间并且该机构还可能会经受恶劣的物理条件。 [0082] 因此，提供反馈控制的最佳安排是将该反馈机构的所有传感元件、处理元件及控制元件定位在一个井下组件内，例如钻头头部内。这种安排是最紧凑的，提供了更快的反馈和更迅速的响应来改变共振条件，并且还允许该钻头头部被制造成具有必要的反馈控制集成在其中，这样使得该钻头头部可以被改装到现有钻柱上而不需要更换整个钻探系统。因此，根据一种优选安排，提供了一种共振增强型旋转钻头头部，这种旋转钻头头部包括一个旋转钻头尖、一个振荡器、一个或多个传感器、一个处理器以及一个控制器，该处理器被安排成接收来自该一个或多个传感器的信号，处理这些信号，并且将一个或多个输出信号发送到该控制器从而对该振荡器的频率、动态力和/或幅度进行控制。该钻头头部是优选地通过一个阻尼机构而可连接到一个钻柱上。 [0083] 图4示出了一个示意图，展示了一种井下闭环实时反馈机构。提供了一个或多个传感器40以便监测一个振荡器42的频率和幅度。安排了一个处理器44以便接收来自一个或多个传感器40的信号，并且将一个或多个信号发送到控制器46用于对振荡器42的频率和幅度进行控制。一个功率源48被连接到该反馈环路上。功率源48可以是被配置成为该反馈环路产生电力的一台井下动力钻具或涡轮机。在该图中，该功率源示出为连接到该振荡器的控制器上，用于根据从该处理器接收的信号向该振荡器提供可变的功率。但是，该功率源可以被连接到该反馈环路中的这些部件中的任何一个或多个上。例如这些传感器以及处理器的低功率部件可以具有其自己的、处于电池形式的功率供应。 [0084] 对于大型钻探设备而言，该振荡器有利地包括一个带有机械放大的压电致动器、一个磁致伸缩致动器、一个气动致动器，或者一个电驱动的机械致动器。已发现的是这些致动器可以达到用先前所述的方法来使用所希望的频率、动态力、振幅以及功率消耗范围。 [0085] 气动致动器利用一个舱室内的压力变化来产生振荡运动。这种基础装备由一个气缸内部的活塞构成，带有附接的两个端口，一个供应端口以及一个排放端口，二者都配备阀门。该活塞的往复运动是由被供应到这些端口上的气体(例如，空气)控制的。 [0086] 以往被用作冲击设备的气动致动器通常具有一个操作频率，该操作频率对于根据本发明的某些实施方案的共振增强型旋转钻探而言过低。然而，在特殊应用的情况下，具有一个更高频率范围的气动致动器是可用的。例如，马丁工程技术(Martin Engineering)生产一种气动式旋转振动器用于作为一个谷仓抖动器(silo shaker)来使用，以避免谷物附着到谷仓墙壁上以及彼此相互附着，因而改善谷物的流动。该振动器使用了一个内部不平衡质量，该不平衡质量在气动系统的驱动下进行旋转运动以便每个轨道提供多次振动。这种无支承设计消除了磨损问题并且延长了这种振荡器的使用寿命。在本发明的实施方案中，可以利用这样的一种振荡器。 [0088] 使用本发明的实施方案中的一种压电振荡器的主要挑战是低应变，即低的振动幅度。通过机械放大可以克服这个缺点，从而产生超过1mm的位移。使用一个外部的椭球壳(例如不锈钢制成的)可以获得机械放大，该椭球壳沿着一条短轴线放大沿一条主轴线发生的压电变形。该椭球框架还保护这种压电材料对抗拉力并且兼作一个机械界面来用于容易地集成到根据本发明的实施方案的共振增强型旋转钻头中。该椭球框架可以将一个预加载力施加到该压电材料上，这确保了比基于一个杠杆臂和一个弯曲枢轴的常规机械放大器更长的使用寿命和更好的性能。此类放大型压电致动器可以从CEDRAT Technologies获得。可以将两个或更多个致动器串联起来以提高振动的幅度。 [0089] 磁致伸缩致动器的工作原理是当磁致伸缩材料被一个外部磁场磁化后改变其原子间距以便将总的磁弹性能量降到最低。这导致了一个较大的应变。因此，施加一个振荡磁场提供了该磁致伸缩材料的一个振荡运动。 [0090] 磁致伸缩材料可以被单轴地预应力，以使这些原子磁矩被垂直于该轴线预调准。随后平行于该轴线而施加的一个强磁场使得这些磁矩重新调准平行于该磁场，并且这些磁矩的这种一致转动导致了该材料平行于该磁场的应变和伸长。这类磁致伸缩致动器可以从MagCom和Magnetic Components AB获得。一种特别优选的致动器是Magnetic Components AB提供的PEX-30。 [0091] 还设想的是可以使用磁性形状记忆材料(例如形状记忆合金)，因为它们可以提供比最常见的磁致伸缩材料更大的力和应变。磁性形状记忆材料严格上讲不是磁致伸缩的。但是，因为它们是受磁场控制的，可以认为它们是用于本发明目的的磁致伸缩致动器。 [0092] 一个电驱动的机械致动器可以使用两个偏心旋转质量的概念来提供所需要的轴向振动。这样一种振动器模块包括两个偏心对向旋转质量作为高频振动源。这种安排所提供的位移可以是可观的(大约2mm)。Vibratechniques Ltd(Vibratechniques有限公司)可以提供基于对向旋转偏心质量原理的适合的机械振动器。＞对于本发明的某些实施方案而言，一种可能的振动器是VR2510型。这种振动器以6000rpm转动这些偏心质量，这对应于100Hz的等效振动频率。该单元的总重量是41kg，而且该单元能够传递上至24.5kN的力。该单元的功率消耗是2.2kW。 [0094] 本发明的多个实施方案的优点包括：提高的钻探速度，更好的井孔的稳定性和质量，减小装置上的应力导致的更长的使用寿命，以及更高的效率从而降低能源成本。 |
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