專利名稱：共振增強型旋轉鉆探的制作方法
技術領域：
本發明涉及沖擊增強型旋轉鉆探，具體地涉及共振增強型旋轉鉆探。本發明的實施方案是針對用于控制共振增強型旋轉鉆探以提高鉆探性能的方法和裝置。在此說明的其他實施方案是針對根據這些方法和裝置可以是可控制的共振增強型旋轉鉆探設備。本發明的某些實施方案適用于任何尺寸的鉆頭或有待鉆探的材料。某些更具體的實施方案是針對通過巖石構造進行鉆探的，特別是在石油、天然氣和采礦行業中深孔鉆探應用中可以會遇到的那些不同成分的巖石構造。
背景技術：
沖擊增強型旋轉鉆探本身是已知的。沖擊增強型旋轉鉆頭包括一個旋轉鉆頭尖和用于向該旋轉鉆頭尖施加振蕩負荷的一個振蕩器。該振蕩器正在被鉆探的材料上提供沖擊力以便使材料破碎，這就輔助該旋轉鉆頭尖切割通過這種材料。共振增強型旋轉鉆探是一種特殊類型的沖擊增強型旋轉鉆探，在共振增強型旋轉鉆探中振蕩器是以高頻率振動的，從而實現與正在被鉆探的材料的共振。與標準的沖擊增強型旋轉鉆探相比，這導致了施加到該旋轉鉆頭尖上的壓力的放大，因此提高了鉆探效率。美國3，990，522披露了一種沖擊增強型旋轉鉆頭，該沖擊增強型旋轉鉆頭使用了一個安裝在旋轉鉆頭中的液壓錘用于鉆探栓孔(bolt hole)。披露的是一個可變沖程 (storke)和頻率的沖擊循環可以被施加并且調整到正在被鉆探的材料的自然頻率以便對施加在該鉆頭尖的尖緣處的壓力產生一個放大。一個伺服閥維持沖擊控制，并且在順序上由一名操作者通過一個電子控制模塊進行控制，該電子控制模塊通過一個導電體被連接到該伺服閥上。這位操作者可以通過控制加壓流體去到或者來自一個致動器的流動來選擇性地使沖擊頻率改變在每分鐘0次循環至2500次循環(即OHz至42Hz)，并且選擇性地使該鉆頭尖的沖程改變在0英寸至1/8英寸(即Omm至3. 175mm)。在此說明的是，通過選擇具有一個頻率等于正在被鉆探的巖層的自然頻率或共振頻率的沖擊沖程，由這些沖擊力儲存在該巖層中的能量將導致被施加在該鉆頭尖的尖緣處的壓力放大，使得這種固體材料會崩裂和挪移，并且允許鉆頭速度在每分鐘3英尺至4英尺的范圍內。通過上述安排有關若干問題已經被確定并且將在下面進行討論。使用美國3，990，522的裝置(該裝置使用頻率相對低的液壓振蕩器)是不能獲得高頻率的。因此，雖然美國3，990，522討論了共振的可以性，將出現的是通過其振蕩器可獲得的這些低頻率不足以實現穿過許多堅硬材料的共振增強型鉆探。不論上面討論的頻率問題如何，在任何使用美國3，990，522的安排的情況下都不能輕松地實現和維持共振，特別是如果鉆頭穿過具有不同共振特性的不同材料。這是因為在美國3，990，522的安排中沖擊的頻率和沖程的控制是由操作者手動實現的。這樣，就很難隨著鉆頭穿過不同類型的材料來控制該裝置以便連續地調整沖擊力的頻率和沖程以維持共振。如在美國3，990，522所說明的，這對于鉆探淺的栓孔而言可以不是一個主要問題。 一位操作者可以僅針對其中有待鉆探一個栓孔的材料選擇一個合適的頻率和沖程，并且然后操作該鉆頭。但是，對于穿過許多不同的巖石層的深層鉆探而言，該問題被惡化。一個位
5于深鉆孔上方的操作者不能夠看到正在被鉆探的巖石是何種類型，并且不能夠隨著鉆頭從一種巖石類型穿到另一種巖石類型，特別是在巖石類型頻繁改變的區域，來輕易實現和維持共振。上述某些問題已經被本發明人所解決如在WO 2007/141550中說明的。WO 2007/141550說明了一種共振增強型旋轉鉆頭，該共振增強型旋轉鉆頭包括一個自動反饋和控制機構，該自動反饋和控制機構可以在鉆頭穿過不同類型的巖石時連續地調整沖擊力的頻率和沖程以維持共振。該鉆頭配有一個調節裝置和在井下位置的一個控制裝置，該調節裝置是響應于該鉆頭正從中穿過的材料的狀況，并且該控制裝置包括用于對材料特性進行井下測量的多個傳感器，由此該裝置在井下是可操作在閉環實時控制狀態下。盡管在WO 2007/141550中說明了這些解決方案，仍希望對其中所述的這些方法和裝置作進一步的改進。本發明的實施方案的目的是作出此類改進，以便在限制該裝置上的磨損和斷裂的同時提高鉆探效率，從而提高該裝置的使用壽命。進一步的目的是更加精確地控制共振增強型鉆探，特別是在快速地鉆探穿過改變的巖石類型時。發明概述雖然明顯的是共振增強型鉆探是受大量參數(既有有待鉆探的材料的也有鉆頭本身的)影響的，但是本發明人已經認識到某些參數比其他參數更加重要，并且有利地是在這些重要參數的特定范圍內操作一種共振增強型旋轉鉆頭以便在先前所述的安排上進行改進，而無論鉆頭的大小或者正在被鉆探的材料是什么。影響共振增強型旋轉鉆頭的性能的參數包括鉆頭尖的直徑、在鉆頭尖上的靜態力、鉆頭尖的旋轉速度、正在被鉆探的材料的抗壓強度、振蕩器的質量、振蕩的幅度、振蕩器的動態力、振蕩器的頻率、驅動旋轉鉆頭尖以及振蕩器所要求的功率。在所有這些參數中，已經確定的是用于控制振蕩器以便實現和維持共振的兩個關鍵參數是振蕩器的頻率和由振蕩器施加在旋轉鉆頭上的動態力。根據以上內容，本發明人已經發明了一種用于共振增強型鉆探的方法，這種共振增強型鉆探是通過對于該振蕩器頻率的優選操作范圍以及由該振蕩器施加該旋轉鉆頭上的動態力的方面來限定的。根據本發明的一個第一方面，提供了一種用于對共振增強型旋轉鉆頭進行控制的方法，該旋轉鉆頭包括一個旋轉鉆頭尖和用于將軸向振蕩負荷施加到該旋轉鉆頭尖上的一個振蕩器，該方法包括對該共振增強型旋轉鉆頭中的振蕩器的頻率(f)進行控制，由此使得該頻率(f) 維持在如下范圍內(D2Us/ (8000 31 Am))1/2 ^ f ^ Sf (D2Us/ (8000 π Am))1/2其中D是該旋轉鉆頭尖的直徑，Us是正在被鉆探的材料的抗壓強度，A是振動的幅度，m是振動質量，而&是大于1的一個比例系數；以及對該共振增強型旋轉鉆頭中的該振蕩器的動態力(Fd)進行控制，由此使得該動態力(Fd)維持在如下范圍內 [ (Ji /4)D2effUJ ^ Fd^ SFd[(ji /4)D2effUs] 其中Drff是該旋轉鉆頭尖的有效直徑，Us是正在被鉆探的材料的抗壓強度，而是大于1的一個比例系數，
其中該振蕩器的該頻率(f)和該動態力(Fd)是通過以下方式來被控制的，即監測代表該正在被鉆探的材料的抗壓強度(Us)的多個信號，并且使用一個閉環實時反饋機構根據該正在被鉆探的材料的抗壓強度(Us)中的多個變化來調整該振蕩器的該頻率(f)和該動態力(Fd)。本發明的上述方面包括一個共振增強型旋轉鉆頭的多個操作參數之間的一種有利的關系，以對任何尺寸的鉆頭或有待鉆探的材料的共振增強型鉆探進行控制。至于所限定的范圍為何是有利的細節將在詳細說明中連同對多個優選實施方案的說明一同給出。根據本發明的一個第二方面提供了一種裝置，該裝置包括被配置為執行第一方面的方法的一個控制器。例如，該裝置可以包括適合被編程為執行該方法的一個處理器，或一組處理器。所要求的多個操作參數可以被存儲在連接到該處理器或該組處理器的一個存儲器中。該裝置可以包括合適的硬件和/或用于附接到一個振蕩器和用于附接到一個或多個傳感器上的接線，以便生產一個共振增強型旋轉鉆頭。例如，該裝置可以被提供為一個控制模塊帶有合適的輸入和輸出用于插入到這些傳感器與該振蕩器之間的一個電路中。該控制模塊可以包括一個功率供應和/或一個合適的輸入用于接收由一個單獨的功率供應單元所供應的功率。用于驅動該控制模塊和/或該振蕩器的必要的功率可以是在井下產生的。根據本發明的另一個方面，鉆探流體被用作一種能量源。高壓流體流動可以被用于產生該必要的功率。可商購的井下動力鉆具或者渦輪機主要被用于產生用于轉動該鉆頭尖的必要功率。此類井下動力鉆具或渦輪機還可以被用來發電以便驅動該振蕩器。用這種驅動旋轉運動的機構(井下動力鉆具或渦輪機)發電從而驅動一個共振增強型旋轉鉆頭的這個振蕩器可以消除對于該振蕩器的一個單獨功率源的要求，從而使得井下裝置更加緊湊。可商購的適于井下使用的機構(例如井下動力鉆具或渦輪機)可以在最上至200kW 的范圍內供應功率。因此，取決于功率轉換效率，該振蕩器可以具有范圍在IkW至200kW、 Ikff至150kW、Ikff至IOOkW或者IkW至50kW內的一個功率消耗。當被適當地集成到一個共振增強型旋轉鉆頭中時，該裝置包括用于將軸向振蕩負荷到一個旋轉鉆頭尖上的一個振蕩器；以及一個或多個傳感器，其中該控制器被配置成接收來自一個或多個傳感器的、代表該正在被鉆探的材料的抗壓強度(Us)的多個信號，并且使用一個閉環實時反饋機構根據該正在被鉆探的材料的抗壓強度(Us)的多個改變來調整該振蕩器的該頻率(f)和該動態力(Fd)。根據本發明的一個第三方面，提供了一種共振增強型旋轉鉆頭，該共振增強型旋轉鉆頭適合與先前所述的控制裝置和方法一起使用。該共振增強型旋轉鉆頭包括一個旋轉鉆頭尖；以及用于將軸向振蕩負荷施加到該旋轉鉆頭尖上的一個振蕩器，其中該振蕩器包括一個帶機械放大的壓電致動器、一個磁致伸縮致動器、一個氣動致動器，或者一個電驅動的機械致動器。本發明人已經發現許多類型的振蕩器不提供使用大型裝置(例如在石油行業中所要求的那種裝置)來實現高性能共振增強型鉆探所要求的力、沖程以及頻率。相比之下，使用帶機械放大的壓電致動器、磁致伸縮致動器、氣動致動器或者電驅動的機械致動器中的一種可以提供實現穿過一個范圍的巖石類型的高鉆探性能所要求的力、沖程以及頻率。根據本發明的另一方面，提供了一種計算機程序，該計算機程序被配置成執行該第一方面的方法。該計算機程序可以被提供成在先前所述裝置中使用的一種計算機產品。例如，根據本發明的該第三方面，該程序可以被加載到一個盤片或芯片上用于分發并且隨后插入到一個共振增強型旋轉鉆頭上。附圖的簡要說明為了更好地理解本發明并且顯示本發明是如何能夠被實行的，現以實例的方式僅通過參照附圖來說明本發明的實施方案，在附圖中
圖1示出了根據本發明的一個實施方案的鉆探模塊；圖2 (a)和圖2(b)示出了多個曲線圖，展示了必要的最小功率是用于不同振動質量以及有待鉆探的材料的不同抗振強度的振動幅度的一個函數；圖3示出了一個曲線圖，展示了最大可用頻率在給定一個固定的功率供應的情況下是用于不同振動質量的振動幅度的一個函數；并且圖4示出了一個示意圖，展示了一種井下閉環實時反饋機構。實施方案的詳細說明圖1示出了根據本發明一個實施方案的一個共振增強型旋轉鉆探模塊的說明性實例。該鉆探模塊配備有一個旋轉的鉆頭尖1。一個振動傳送(vibro-transmission)部分 2連接鉆頭尖1，通過一個振蕩器3將軸向定向的振動從該振蕩器傳送到鉆頭尖1上。一個連接件4將該模塊連接到一個鉆柱5上并且起到一個振動隔離單元的作用以便將該鉆柱與該鉆探模塊的振動隔離開。在鉆探操作過程中，該旋轉鉆頭尖是旋轉的，并且由該振蕩器將一個軸向定向的動態負荷施加到該鉆頭尖上以便產生一個裂紋擴展區來幫助該旋轉鉆頭尖切削穿過材料。該振蕩器是根據如在發明概述部分中所述的本發明的第一方面的方法來控制的。 頻率和動態力的范圍是基于以下分析的。該巖層構造的抗壓強度給出了必要的沖擊力的一個下限。所要求的動態力的最小幅度已經計算為Fd=7^D1efjUs..Deff是該旋轉鉆頭尖的一個有效直徑，該有效直徑是按照鉆頭尖與正在被鉆探的材料相接觸的那個部分成比例的鉆頭尖的直徑D。因此，該有效直徑Drff可以被定義為Dgff = yjScontactD,其中，S。。nta。t是與鉆頭尖與正在被鉆探的材料相接觸的那個部分相對應的一個比例系數。例如，估計只有5%的鉆頭尖表面是與正在被鉆探的材料相接觸的，則有效直徑Drff 可以被定義為Deff = VOOID.。上述計算為該振蕩器的動態力提供了一個下限。在操作過程中，使用一個大于此下限的動態力在該鉆頭尖的前面產生了一個裂紋擴展區。但是，如果該動態力過大，那么該裂紋擴展區將從該鉆頭尖延伸遠離從而損害井孔的穩定性并且降低井孔的質量。此外，如果由該振蕩器施加到該旋轉鉆頭上的動態力過大，那么會導致加快的和災難性的工具磨損和/或失效。因此，該動態力的一個上限可以被定義為SFd [(Ji/4) D2effUJ其中，SFd是一個大于1的比例系數。實踐中，SFd是根據正在被鉆探的材料進行選擇的，從而確保該裂紋擴展區不會從該鉆頭尖延伸得過遠而損害井孔的穩定性并且降低井孔質量。此外，SFd是根據該旋轉鉆頭的組件承受該振蕩器的沖擊力的牢固性進行選擇的。 對于某些應用而言，SFd將被選擇成是小于5、優選地小于2、更加優選地小于1. 5，而最優選地小于1. 2。Spd的低數值(例如接近1)將提供很緊密的并且受控的裂紋擴展區，并且還以擴展速度為代價提高鉆探組件的使用壽命。這樣，當要求一個很穩定的、高質量的井孔時， 令人希望的是低數值的&d。另一方面，如果擴展速度是更加重要的考慮點，那么可以為選擇一個更高的數值。在具有周期τ的振蕩器沖擊過程中，具有質量m的鉆頭尖的速度改變了一個Δν 量，因為接觸力F = F(t)
權利要求
1.一種用于對共振增強型旋轉鉆頭進行控制的方法，該旋轉鉆頭包括一個旋轉鉆頭尖和用于將軸向振蕩負荷施加到該旋轉鉆頭尖上的一個振蕩器，該方法包括對該共振增強型旋轉鉆頭中的振蕩器的頻率(f)進行控制，由此將該頻率(f)維持在如下范圍內(D2Us/ (8000 π Am))1/2 ^ f ^ Sf (D2Us/ (8000 π Am))1/2 其中D是該旋轉鉆頭尖的直徑，Us是正在被鉆探的材料的抗壓強度，A是振動的幅度， m是振動質量，而&是大于1的一個比例系數；以及對該共振增強型旋轉鉆頭中的該振蕩器的動態力(Fd)進行控制，由此將該動態力(Fd) 維持在如下范圍內[(π /4) D2effUJ ^Fd^SFd[(ji /4) D2effUJ其中Drff是該旋轉鉆頭尖的有效直徑，Us是正在被鉆探的材料的抗壓強度，而SFd是大于1的一個比例系數，其中該振蕩器的該頻率(f)和該動態力(Fd)是通過以下方式來被控制的，即監測代表該正在被鉆探的材料的抗壓強度(Us)的多個信號，并且使用一個閉環實時反饋機構根據該正在被鉆探的材料的抗壓強度(Us)中的多個變化來調整該振蕩器的該頻率(f)和該動態力(Fd)。
2.根據權利要求1所述的方法，其中&小于5，優選地小于2，更加優選地小于1.5，并且最優選地小于1.2。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中小于5，優選地小于2，更加優選地小于 1.5，并且最優選地小于1.2。
4.根據以上權利要求中任一項所述的方法，其中&是據此來選擇的f ^ fr其中f；是與該正在被鉆探的材料的多個峰值共振條件對應的一個頻率。
5.根據權利要求4所述的方法，其中&是據此來選擇的f 彡(fr-X)其中X是一個安全系數，該安全系數確保該頻率(f)在兩種不同的正在被鉆探的材料之間的一個過渡處不超過多個峰值共振條件下的頻率。
6.根據權利要求4所述的方法，其中X> fyioo，更優選地X > 4/50，又更優選地X >fr/10o
7.根據以上權利要求中任一項所述的方法，其中Fd ^ Spd [(π/4) D2effUs-Y]其中Y是一個安全系數，該安全系數確保該動態力(Fd)在兩種不同的正在被鉆探的材料之間的一個過渡處不超過導致裂紋災難性的擴展的一個極限。
8.根據權利要求7所述的方法，其中Y> ^ [( π /4) D2effUJ /100，更優選地Y > SFd[(ji /4)D2effUJ/50，又更優選地 Y > [ ( π /4)D2effUj/10。
9.根據權利要求5至8中任一項所述的方法，其中根據在該正在被鉆探的材料的抗壓強度(Us)中所預期的變化，以及當檢測到該正在被鉆探的材料的抗壓強度(Us)發生改變時通過其可以改變該頻率(f)和該動態力(Fd)的速度，X和Y中的一個或二者是可調整的。
10.根據以上權利要求中任一項所述的方法，其中該振蕩器的頻率(f)被控制成是維持在IOOHz到500Hz的范圍內。
11.根據以上權利要求中任一項所述的方法，其中該動態力(Fd)被控制成維持在范圍 20kN到IOOOkN的范圍內，更優選地40kN到500kN，又更優選地50kN到300kN。
12.根據以上權利要求中任一項所述的方法，其中該方法進一步包括將該振蕩器的振動幅度控制成維持在0. 5mm到IOmm的范圍內，更優選地Imm到5mm。
13.根據以上權利要求中任一項所述的方法，其中動力是從驅動該鉆頭尖的旋轉運動的一個機構供應到該振蕩器上的。
14.根據以上權利要求中任一項所述的方法，其中該振蕩器具有一個范圍在5kW到 200kW、5kW到150kW、5kW到100kW、或者5kW到50kW內的功率消耗。
15.一種裝置，包括被配置為執行權利要求1至12中任一項所述的方法的一個控制器。
16.根據權利要求15所述的裝置，其中該裝置進一步包括一個振蕩器，用于將軸向振蕩負荷施加到一個旋轉鉆頭尖上；以及一個或多個傳感器，其中該控制器被配置成接收來自該一個或多個傳感器的、代表該正在被鉆探的材料的抗壓強度(Us)的多個信號，并且使用一個閉環實時反饋機構根據該正在被鉆探的材料的抗壓強度(Us)的多個改變來調整該振蕩器的該頻率(f)和該動態力(Fd)。
17.根據權利要求16所述的裝置，其中該振蕩器包括一個帶有機械放大的壓電致動器、一個磁致伸縮致動器、一個氣動致動器或者一個電驅動的機械致動器。
18.根據權利要求16或17所述的裝置，進一步包括一個振動隔離單元，該振動隔離單元是可連接到一個鉆柱的一個井下端上，由此該裝置在井下閉環實時控制下是可運行的。
19.一種計算機程序，被配置為執行權利要求1至14中任一項所述的方法。
20.一種計算機程序產品，包括根據權利要求19所述的一種計算機程序。
21.—種共振增強型旋轉鉆頭，包括一個旋轉鉆頭尖；以及一個振蕩器，用于將軸向振蕩負荷施加到該旋轉鉆頭尖上，其中該振蕩器包括一個帶有機械放大的壓電致動器、一個磁致伸縮致動器、一個氣動致動器或者一個電驅動的機械致動器。
22.根據權利要求21所述的共振增強型旋轉鉆頭，進一步包括一個控制器；以及一個或多個傳感器；其中該控制器被配置成接收來自該一個或多個傳感器的、代表一種正在被鉆探的材料的抗壓強度(Us)的多個信號，并且使用一個閉環實時反饋機構根據該正在被鉆探的材料的抗壓強度(Us)的多個改變來調整該振蕩器的頻率(f)和/或動態力(Fd)。
23.根據權利要求22所述的共振增強型旋轉鉆頭，其中該控制器被配置為基于來自該一個或多個傳感器的多個信號將該振蕩器的該頻率(f)維持在IOOHz到500Hz的范圍內。
24.根據權利要求22或23所述的共振增強型旋轉鉆頭，其中該控制器被配置為將該動態力(Fd)維持在20kN到IOOOkN的范圍內，更優選地40kN到500kN，又優選地50kN到 300kNo
25.根據權利要求22至24中任一項所述的共振增強型旋轉鉆頭，其中該控制器被配置為將該振蕩器的一個振動幅度維持在范圍0. 5mm到IOmm內，更優選地Imm到5mm。
26.根據權利要求21至25中任一項所述的共振增強型旋轉鉆頭，進一步包括一個振動隔離單元，該振動隔離單元是可連接到一個鉆柱的一個井下端上，由此該共振增強型旋轉鉆頭在井下閉環實時控制下是可運行的。
27.根據權利要求21至沈中任一項所述的共振增強型旋轉鉆頭，進一步包括用于驅動該鉆頭尖旋轉運動的一個機構，所述機構被配置成提供功率來驅動該振蕩器的軸向運動。
28.根據權利要求21至27中任一項所述的共振增強型旋轉鉆頭，其中該振蕩器被配置成具有一個范圍在IkW至200kW、lkW至150kW、lkW至100kW、或者IkW至50kW內的功率消^^ ο
全文摘要
一種用于對共振增強型旋轉鉆頭進行控制的方法，該旋轉鉆頭包括一個旋轉鉆頭尖和一個用于對該旋轉鉆頭尖施加軸向振蕩負荷的振蕩器，該方法包括對該共振增強型旋轉鉆頭中的振蕩器的頻率(f)進行控制，由此將該頻率(f)維持在(D2Us/(8000πAm))1/2≤f≤Sf(D2Us/(8000πAm))1/2的范圍內，其中D是該旋轉鉆頭尖的直徑，Us是正在被鉆探的材料的抗壓強度，A是振動的幅度，m是振動質量，而Sf是大于1的一個比例系數；以及對該共振增強型旋轉鉆頭中的振蕩器的動態力(Fd)進行控制，由此將該動態力(Fd)維持在[(π/4)D2effUs]≤Fd≤SFd[(π/4)D2effUs]的范圍內，其中Deff是該旋轉鉆頭尖的有效直徑，Us是正在被鉆探的材料的抗壓強度，而SFd是大于1的一個比例系數，其中該振蕩器的該頻率(f)和該動態力(Fd)是通過以下方式來被控制的，即監測代表該正在被鉆探的材料的抗壓強度(Us)的多個信號，并且使用一個閉環實時反饋機構根據該正在被鉆探的材料的抗壓強度(Us)中的多個變化來調整該振蕩器的該頻率(f)和該動態力(Fd)。
文檔編號E21B7/24GK102575498SQ201080043909
公開日2012年7月11日 申請日期2010年9月8日 優先權日2009年9月16日
發明者馬里安·威爾士格里奇 申請人:Iti蘇格蘭有限公司