CN107407136B - 共振增强旋转钻探致动器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于将旋转运动转换为振荡轴向运动的设备，该设备包括：(a)旋转元件(1)；(b)基座元件(2)；以及(c)一个或多个轴承(3)，所述轴承用于促进旋转元件相对于基座元件的旋转运动；其中，旋转元件和/或基座元件包括一个或多个凸起部分(4)和/或一个或多个降低部分(5)，当旋转发生时，一个或多个轴承(3)越过凸起部分(4)和/或降低部分(5)以周期性地增加以及减小旋转元件(1)与基座元件(2)之间的轴向距离，从而赋予旋转元件(1)相对于基座元件(2)的振荡轴向运动。
Description
本发明涉及高频冲击增强旋转钻探，尤其是共振增强钻探。本发明的实施例针对一种用于将旋转运动转换为线性运动的设备，具有该设备的致动器(例如线性致动器)，以及用于共振增强旋转钻探的装置和方法，合并以及采用该设备以改善钻探性能。本发明的进一步实施例针对根据这些方法和装置可控制的共振增强钻探装备。本发明的特定实施例适用于任何尺寸的钻头或者要钻的材料。某些更具体实施例针对通过岩层的钻探，特别是具有可变成分，其能够在石油、天然气开采以及建筑业中的深孔钻探应用中遇到。
冲击增强旋转钻探本身是公知的。冲击增强旋转钻机包括：旋转钻头，以及致动器或者振荡器，其用于利用低频以及有限控制的撞击力施加撞击负荷至旋转钻头。致动器在正被钻的材料上提供撞击力以便使材料断裂，这辅助旋转钻头切割材料。
共振增强旋转钻探是特殊类型冲击增强旋转钻探，振荡以共振以及高频生成在其中以便实现被钻材料的贯穿率增强。这导致放大施加至旋转钻头的动态应力，因而当相比于标准冲击增强旋转钻探时增加钻探效率。
US3,990,522公开了一种冲击增强旋转钻机，其使用安装在旋转钻机中用于钻螺栓孔的液压锤。公开的是，可变冲程以及频率的撞击周期能够施加及调节为正被钻的材料的自然频率以产生施加在钻头的末端的压力的放大。伺服阀维持冲击控制，并且又***作员通过连接至伺服阀的电子控制模块通过电导体控制。
操作员能够通过控制加压流体流至致动器以及从致动器的流动将冲击频率选择性地从0改变至2500周期每分钟(即0至42Hz)并且将钻头的冲程选择性地从0改变至1/8英寸(即0至3.175mm)。描述为，通过选择频率等于正被钻的岩石层的自然频率或者共振频率的冲击冲程，通过撞击力存储在岩石层中的能量将导致放大施加在钻头的末端的压力，使得固体材料将坍塌以及离开原位，并且允许钻探速率在3至4英尺每分钟的范围中。
存在利用前述布置识别并且下文将讨论的若干问题。
使用US3,990,522的装置不能获得高频率，US3,990,522的装置使用较低频率液压振荡器。因此，虽然US3,990,522讨论了共振的可能性，但是会出现的是，通过其振荡器可获得的低频率不足以实现增强钻探贯穿许多硬质材料。而且，没有提到什么将构成振荡器。
不管以上讨论的频率问题，在使用US3,990,522的布置的任何情形下不能够易于实现以及维持共振，特别是如果钻机穿过具有不同共振特性的不同材料。这是由于在US3,990,522的布置中人工地通过操作员实现控制冲击频率和冲程。这样，当钻机穿过不同类型材料时，难以控制该装置以连续调节撞击力的频率和冲程以维持共振。这不是用于钻探正如US3,990,522中描述的浅螺栓孔的主要问题。操作员仅能够选择合适的频率以及冲程用于将被钻螺栓孔的材料，然后操作该钻机。但是，用于深钻探岩石的许多不同层时，问题恶化。当钻机从一种岩石类型通过至另一种岩石类型时，尤其在岩石类型频繁改变的区域，位于深钻探孔上方的操作员不能够看见什么类型的岩石正被钻探，并且不易于实现以及维持共振。
正如WO2007/141550中描述的，一些前述问题已经被发明人解决。WO2007/141550描述了一种共振增强旋转钻机，其包括自动化反馈以及控制机构，当钻机穿过不同类型岩石时其能够连续调节撞击力频率和冲程以维持共振。钻机设置有：调节装置，其响应于钻机正在通过的材料的条件；以及控制装置，其处于井下位置，控制装置包括用于采集材料特性的井下测量结果的传感器，由此在闭环实时控制下该装置可在井下操作。
US2006/0157280提出了一种振荡器的井下闭环实时控制。描述为，传感器和控制单元能够最初扫描频率范围，同时监控关键钻探效率参数，诸如前进速度(ROP)。然后能够控制振荡设备以在最佳频率下提供振荡，直到进行下一频率扫描。频率扫描的模式能够基于钻探操作的一个或多个元件，诸如形式改变、测量的ROP的改变、预定时间周期或者来自表面的指令。详细实施例利用振荡设备，其施加扭转振荡至旋转钻头，扭转共振被提及。但是，进一步描述的是，施加至钻头的振荡的示范方向包括跨越所有自由度的振荡，并且不被利用以引起要钻的材料的破裂。然而，描述的是，钻头的旋转引起要钻的材料的初始断裂，然后瞬间振荡被施加以确保旋转钻头仍接触断裂材料。没有提供这样的致动器或者振荡器的任何公开或者提议，其能够输入充分高的轴向振荡负荷至钻头以在材料中产生裂纹，正如与WO2007/141550描述的共振增强钻探一致的要求，旋转钻头穿过该材料。
没有一个现有技术提供了关于如何监控轴向振荡的任何细节。传感器通常公开在US2006/0157280以及WO2007/141550中，但是未讨论这些传感器相对于部件(诸如振动隔离单元以及振动传递单元)的位置。
尽管在现有技术中描述了解决方案，但是一直期望对其描述的方法和装置做进一步改善。本发明的实施例的一个目的是进行这种改善以增加钻探效率、增加钻探速度以及钻孔稳定性和质量，同时限制对装置的磨损以及撕裂，以便增加装置的寿命。另一目的是更精确地控制共振增强钻探，特别是当钻探通过快速改变的岩石类型时。
本发明尤其聚焦于提供一种改进的机械致动器，其用于将旋转运动转换为沿着旋转轴线的振荡。这种振荡轴向运动是共振增强钻探的重要特征。然而，现有技术，尤其WO2007/141550，采用各种类型致动器，这些致动器不是已经设计成用于共振增强钻探的致动器，而是现成部件。虽然这些致动器能够满足该目的，但是它们不是理想的，仍期望专门设计用于共振增强钻探的改进的致动器。
本发明人的较早的专利申请已经描述了包括现成致动器的RED模块，例如WO2012/076401。但是，在本领域中，没有关于如何设计特别适于共振增强钻探的致动器的信息。
正如上文强调的，本发明的一个目的是解决与现有技术相关的问题。尤其，本发明的一个目的是提供一种用于将旋转运动转换为振荡轴向运动的设备，该设备能够用在用于使用在共振增强钻探中的致动器(一种线性致动器)中。本发明一个目的还在于提供一种用于包括本发明的设备和致动器的共振增强钻探的装置，以及采用本发明的设备和致动器的钻探方法。
因此，本发明提供了一种用于将旋转运动转换为振荡轴向运动的设备，该设备包括：
(a)旋转元件1；
(b)基座元件2；以及
(c)一个或多个轴承3，其用于促进旋转元件相对于基座元件的旋转运动；
其中，旋转元件和/或基座元件包括一个或多个凸起部分4和/或一个或多个降低部分5，当旋转发生时一个或多个轴承3越过凸起部分4和/或降低部分5以周期性增加以及减小旋转元件1与基座元件2之间的轴向距离，从而向旋转元件1赋予相对于基座元件2的振荡轴向运动。
在本发明的内容中，轴向运动指的是平行于旋转运动的旋转轴线的运动的部件。典型地，在共振增强钻探的内容中，旋转运动通过旋转钻探运动提供。
按照设想，该设备能够被用在致动器中，致动器又能够被用在钻柱的共振增强钻探模块中。钻柱构造不是专门限制的，能够设想包括公知构造的任何构造。当需要共振增强时，模块能够被启动或者关闭。
在设备中采用的一个或多个轴承不是专门限制的，只要它们用作利于旋转元件和基座元件之间的相对旋转运动。典型地，轴承，虽然与旋转和基座元件相互作用以赋予振荡轴向运动，但是不从旋转运动传递转矩。有利地，一个或多个轴承能够选自流体轴承(诸如液压轴承(液体)或者气压轴承(气体)、滑动轴承、滚动-元件轴承(诸如球轴承和/或辊轴承和/或圆筒轴承)、磁悬浮轴承、宝石轴承以及柔性轴承。在井下钻探应用中，优选使用滚动元件轴承。图1示出了采用球轴承3的一个实施例。
凸起和/或降低部分设计成与一个或多个轴承相互作用以将旋转运动转换为振荡轴向运动。未专门限制凸起或者降低部分的形式，只要不损害该功能。
在一个实施例中，凸起和/或降低部分仅出现在元件(旋转元件或者基座元件)中的一个上，而其他元件不拥有凸起或者降低部分(即典型地，平面的或者扁平的)。以该方式，当旋转发生时元件之间的轴向距离能够变化。在该实施例中，当沿着轴向方向测量时，由该设备提供的振荡的振幅取决于凸起和/或降低部分之间的差。
在优选实施例中，能够在两个元件(旋转元件和基座元件二者)上存在凸起和/或降低部分。在该实施例中，当沿着轴向方向测量时，由该设备提供的振荡的振幅取决于凸起和/或降低部分之间的差的总和。
滚动元件轴承是优选的，这是由于它们降低或者消除轴承以及旋转元件和基座元件的表面之间的滑动，这样做，有利地最小化轴承以及旋转元件和基座元件之间的摩擦。
因而，凸起或者降低部分能够以凹部和/或突起的形式设置到旋转元件和/或基座元件中。典型地，但是不排他的，凹部和/或突起能够呈脊4和槽5的形式，其从旋转元件和/或基座元件的旋转轴线沿径向向外延伸。优选地，凸起和/或降低部分可以是规则的形式，周期性改变旋转元件和/或基座元件的厚度，以提供规则的周期性轴向运动。优选地，为了降低应力并且改善设备的寿命，凸起和/或降低部分能够以平滑的形式改变旋转元件和/或基座元件的厚度。优选地，凸起或者降低部分沿周向或者切向方向以正弦曲线图案布置。因此，旋转元件和/或基座元件的表面能够围绕旋转元件和/或基座元件的切线/圆周，向通过的一个或多个轴承提供沿轴向方向的呈正弦曲线或者周期性图案的振荡运动。
在一些实施例中，凸起和/或降低部分能够以轨道或者凹槽的形式设置到旋转元件和/或基座元件中，其中，轨道或者凹槽构造为约束一个或多个轴承。在优选实施例中，当一个或多个轴承是一个或多个球轴承时，轨道或者凹槽能够具有弧形形状的切向截面。在特别优选实施例中，切向截面为圆弧形状。将理解的是，当切向截面为圆弧形状，以及当沿着轴线查看时，轨道或者凹槽能够以规则间隔在宽度和深度上收缩，从而提供降低的截面面积。在该实施例中，凹槽或者轨道能够被描述为当沿着轴线查看时围绕周向或者切向方向是谐波或者周期性的。这些实施例降低了一个或多个轴承与旋转元件和/或基座元件的表面之间的滑动。
由该设备提供的振荡的振幅范围能够为从0.1mm至5mm，优选0.2至4mm，更优选地0.4至3mm，更优选地0.5至2mm，更优选地0.7mm至1.5mm，以及更优选地0.8mm至1.2mm。优选振幅为1mm。
不专门限制旋转元件和基座元件，只要不损害设备的功能。典型地，旋转元件和/或基座元件呈盘或者环的形式，凸起和/或降低部分设置在旋转元件和/或基座元件内。典型地，旋转元件以及基座元件呈环的形式，设置在其中的轨道或者凹槽具有一组平滑的“峰和谷”，峰和谷形成凸起部分以及降低部分(见图1)并且轴承被约束为沿着峰和谷移动。
在实施例中，设备进一步包括弹簧。弹簧能够将旋转元件和基座元件推到一起。弹簧能够是具有六角形手风琴形状壁的螺旋管单元，优选地，具有六角形手风琴形状壁的中空金属罐。例如，弹簧能够是盘簧或者贝式弹簧垫圈。
在使用滚动元件轴承的一个实施例中，设备进一步能够包括轴承罩。轴承罩能够用来确保每个滚动元件轴承相对于另一滚动元件轴承的角度位置不偏移。
本发明还提供了一种用于使用在包括上文限定的设备的共振增强钻探模块中的致动器。
本发明进一步提供了用于使用在共振增强旋转钻探中的装置，该装置包括上文限定的设备或者致动器。
典型地，该装置包括：
(i)传感器，其用于测量静态负荷或者用于监控正被钻的材料的压缩强度；
(ii)振动隔离单元；
(iii)如上文限定的设备或者致动器，用于向旋转钻头施加轴向振荡负荷；
(iv)传感器，其用于测量动态轴向负荷或者用于监控正被钻的材料的压缩强度；
(v)钻头连接器；以及
(vi)钻头，
其中，传感器(i)优选定位在振动隔离单元上方，传感器(iv)优选定位于设备或者致动器与钻头连接器(v)之间，其中，传感器连接至控制器以提供对设备或者致动器(iii)的井下闭环实时控制。
不特别限制传感器，只要它们能够执行需要的测量。在典型实施例中传感器(i)和/或传感器(iv)能够包括测力传感器。
典型地，装置进一步包括振动传递单元，其在设备或者致动器(iii)和传感器(iv)之间。进一步典型地，振动隔离单元和/或振动传递单元包括结构弹簧。例如，结构弹簧能够是具有六角形手风琴形状壁的螺旋管单元，优选具有六角形手风琴形状壁的中空金属罐。例如，结构弹簧能够是盘簧或者贝式弹簧垫圈。在实施例中，振动传递单元增加由设备提供的振动的振幅。在实施例中，振动传递单元增加振动的振幅以提供在0.5至10mm的范围内的振幅，优选1至10mm，更优选地1至5mm，以及更优选地1至3mm。可替换地，振动传递单元增加振动的振幅以提供至少10mm的振幅，优选至少5mm，更优选地至少3mm或更优选至少1mm。
在该布置中，上方传感器(例如测力传感器)的定位典型地使得能够测量来自钻柱的静态轴向负荷。下方传感器(例如测力传感器)的位置典型地使得能够测量从设备或者致动器通过振动传递单元传递至钻头的动态负荷。该实施例的装置的部件的顺序特别优选自上而下从(i)-(viii)上方。
按照设想，该装置能够被用作钻柱中的共振增强钻探模块。不特别限制钻柱构造，能够设想包括公知构造的任何构造。当需要共振增强时，模块能够被启动或者关闭。
装置产生多个优势。这些优势包括：增加钻探速度；更好地钻孔稳定性以及质量；在装置上的较少应力，导致较长寿命；提供了具有更高力和/或频率的振荡；改善了鲁棒性，尤其凭借专门使用该设备中的机械部件；以及降低能量成本的更大效率。
优选应用是大规模的钻探装置、控制装备以及用于石油和天然气工业的钻探方法。但是，其他钻探应用也是有益的，包括：表面钻探装备、控制装备以及用于道路承包商的钻探方法；钻探装备、控制装备以及用于采矿工业的钻探方法；用于家庭使用等的手持钻探装备；专业钻探，例如牙医钻牙。
参考以下附图，现在将仅依靠例子更详细地描述本发明，其中：
图1示出了本发明的设备，其包括旋转元件1、基座元件2、一个或多个轴承3、凸起部分4和降低部分5。
图2示出了本发明的致动器的更详细视图，作为“槽式轨道”设置到旋转元件和基座元件中的凸起以及降低部分是扁平(“扁平轨道”)的。
图3示出了并入RED钻探模块的致动器的更详细视图。
图4和图5描绘了根据本发明的共振增强钻探(RED)模块的照片和示意图；
图6描绘了能够使用在本发明中的振动隔离单元的示意图；
图7描绘了能够使用在本发明中的振动传递单元的示意图；
图8的(a)和(b)示出了图形，图示出所需最小频率，作为用于150mm直径的钻头的振动振幅的函数；
图9示出了图形，图示出最大适用频率，作为用于给定固定功率供给的各种振动质量的振动振幅的函数；以及
图10示出了示意图，图示出井下闭环实时反馈机构。
图11示出了激活区域，用于在本发明的定向钻探方案中沿不同方向转向。来自转向致动器的纵向力，或者来自转向插件的优先钻探，将引起钻探区域的一侧被优先钻探。
图12示出了电子激活脉冲，其能够发送至转向插件以按要求的旋转角度控制插件的延伸。
图13示出了钻头上的力(F-钻头上的重力，R-反作用力，Rd-在应用RED脉冲控制之后的有效反作用力)。
图14示出了在施加激活脉冲之后钻探方向的改变。
图15示出了本发明的装置的概念表示的截面，其具有一个主要(RED)致动器以及四个附加转向致动器(1-主要致动器、2-附加转向致动器、3-装置的外罩、4-钻头、5-RED振动增强器弹簧、6-附加转向致动器、7-RED振动隔离器弹簧、8-与钻柱的连接器)。
图16示出了本发明的装置的概念表示的截面，其具有三个等同致动器，它们作为转向致动器，还作为RED致动器而不是主要致动器(1-致动器、2-致动器、3-装置的外罩、4-钻头、5-RED振动增强器弹簧、6-致动器、7-RED振动隔离器弹簧、8-与钻柱的连接器)。
图17示出了具有转向插件(在图中称作RED插件)和标准插件的组合的钻头的底部的简化示意图。
图18示出了本发明的设备，其包括旋转元件1、基座元件2、一个或多个轴承3、凸起部分4和降低部分5，其中，凸起部分以及降低部分存在而作为设置导旋转元件中的“槽式轨道”。轨道或者凹槽具有圆弧形状的切向截面。轨道或者凹槽在宽度以及深度上被约束以按规则间隔提供降低的截面面积。
图19示出了图18的旋转元件，尤其“槽式轨道”。示出了旋转元件1、一个或多个轴承3、凸起部分4和降低部分5。还示出了制成跟随“槽式轨道”的球轴承的中心的路径6。中心在切向/周向方向上遵循正弦曲线路径，同时在轴向(即垂直)校正中具有谐波振荡。与图18一样，轨道或者凹槽具有圆弧形状的切向截面。
图20示出了FE(有限元元件)模型，其示出了具有16个球的保持架的主要部件。
图21示出了对于50rad/s所计算的FE结果的时间关系曲线图；(a)顶部(上方线)和底部(下方线)圈的角速度，(b)顶部圈的轴向位移。
图22示出了机械RED模块。标注了轴(1)、运动收集器(2)、预加载控制器(3)和轴承固定器(4)。
图23示出了用于650RPM额定速度的运动收集器的轴向位移。
图24示出了RMS(均方根)功率，其被需要以维持用于不同预加载的槽式盘的旋转，以及用于更高预加载的线性外推。在该图中，下方(X)、中间(Y)和上方(Z)线分别代表用于500、700和2250RPM的平均转矩。
正如已经提到的，设备通过将旋转运动转换为轴向运动而运转。其采用运动学机构，其将旋转元件和基座元件之间的相对旋转运动转换为周期性轴向激振，见图1和图2。
假设，相对转速n是两侧旋转速度的和：
n1+n2
激振频率将是该和与凹槽的数量N之间的乘积，
fa＝N(n1+n2)/60
n1和n2以每分钟转速rpm给出。
激振振幅是设置到旋转元件中的轨道上的峰和谷之间的差的一半。应该注意的是，此处，示出的球轴承仅用于例证，能够使用包括流体静力学和流体动力学的任何种类的轴承装置。
在实施例中，凹槽的数量N(也即，基座元件或者旋转元件上的一对凸起部分和/或降低部分)的范围能够从3至100，更优选地8至50，更优选地10至40，更优选地12至30，以及更优选地14至20。优选凹槽数量N为16。一个或多个轴承的数量优选匹配凹槽的数量N。
在图3中提供了机械致动器的示范设计。其包括内管和外管。内管能够运送钻探流体；外管能够是钻探工具的直径。轴1和轴2之间的相对旋转运动被变换器转换。具有振幅A以及频率fa的所需轴向运动能够从轴2收集。两个轴之一能够被以下马达中的任何一个或多个驱动：标准泥浆马达；定制泥浆马达；泥浆涡轮；气动马达；以及电动马达。在一个实施例中，马达能够包括离合器机构以改变速度和/或转矩。将理解的是，泥浆马达和泥浆涡轮由流动供能，通过泥浆或泵送通过其的任何其他流体向其提供压力。气动马达被压缩空气或者任何其他气体供能。电动马达被AC和/或DC电力供能。用于向该设备供能的适当的马达将取决于讨论的特殊应用；其中，该装置用于深海和/或海底应用，或者其中，应用本身关联于以高压泵送井下流体，能够使用泥浆马达或者泥浆涡轮；其中，该装置用于浅应用，电动马达能够更适合；以及其中，该装置使用在采矿应用，气动马达能够是适合的。合适的电动马达的一个例子是由美国的Redmond的Kollmorgen制造的无框电动马达，诸如KBM无框系列。
将理解的是，特定马达能够仅提供有限范围的转速。因而，用于给定数量的凸起部分和/或降低部分，也即，凹槽的数量N，连同所述特定马达，能够类似地限制频率的范围。因此，在一个实施例中，能够提供多个设备，其中，关联于每个设备的凹槽的数量N是不同的。多个设备能够安装在装置中，诸如钻探工具，其中，任何一个设备能够以给定时间激活。设备能够串联安装。当频率的较低范围是期望的，具有低数量N的凹槽的设备能够被激活，反之亦然。通过防止旋转元件和基座元件之间的相对运动，设备能够被停用。在一个实施例中，销或者锁能够用以防止这种运动，但将认识到的是，其他装置能够用来停止这种运动。通过在装置中提供多个设备(其中，关联于每个设备的凹槽的数量N是不同的)，将理解的是，相比于仅提供了一个设备的情况而言，较宽范围的频率是可能的。
定位上方测力传感器，使得能够测量来自钻柱的静态轴向加载。下方测力传感器的位置使得能够监控从振荡器传递至钻头的动态加载。测力传感器连接至控制器以提供振荡器的井下闭环实时控制。
显而易见的是，假设在井下供给电能，本发明的实施例的装置(布置)能够响应于当前钻探条件自主地起作用并且调节钻头的旋转和/或振荡加载，以便优化钻探机构。
在钻探操作期间，旋转旋转钻头，并且轴向定向的动态加载通过致动器施加至钻头，以生成裂纹传播区域以辅助旋转钻头切割材料。
根据本发明的优选方法控制设备或者致动器。因而，本发明进一步提供了一种用于控制包括上文限定的设备或者致动器的共振增强旋转钻探的方法，该方法包括：
控制共振增强旋转钻机中的设备或者致动器的频率(f)，由此频率(f)维持在以下范围中：
(D2Us/(8000πAm))1/2≤f≤Sf(D2Us/(8000πAm))1/2
其中，D是旋转钻头的直径，Us是被钻材料的压缩强度，A是振动的振幅，m是振动质量，Sf是大于1的换算系数；以及
控制共振增强旋转钻机中的设备或者致动器的动态力(Fd)，由此动态力(Fd)维持在以下范围中：
[(π/4)D2 effUs]≤Fd≤SFd[(π/4)D2 effUs]
其中，Deff是旋转钻头的有效直径，Us是被钻材料的压缩强度，SFd是大于1的换算系数，
其中，设备或者致动器的频率(f)和动态力(Fd)被监控信号控制，监控信号代表被钻材料的压缩强度(Us)，并且根据被钻材料的压缩强度(Us)的改变使用闭环实时反馈机构来调节设备或者致动器的频率(f)和动态力(Fd)。
用于频率以及动态力的范围基于以下分析。
地层的压缩强度给出必要撞击力的下限。动态力的所需最小振幅已经计算为：
Deff是旋转钻头的有效直径，其是根据钻头的与被钻材料接触的部分所度量的钻头的直径D。因而，有效直径Deff能够限定为：
其中，S接触是对应于钻头的与被钻材料接触的部分的换算系数。例如，估计仅钻头表面的5％接触被钻材料，有效直径Deff能够限定为：
前述计算提供了用于设备或者致动器的动态力的下限。利用大于该下限的动态力在操作期间在钻头的前面生成裂纹传播区域。但是，如果动态力太大，那么裂纹传播区域将从钻头延伸而远离钻头，损害钻孔稳定性以及降低钻孔质量。此外，如果设备或者致动器施加在旋转钻探上的动态力太大，那么会导致加速的灾难性工具磨损和/或故障。因此，动态力的上限能够限定为：
SFd[(π/4)D2 effUs]
其中，SFd是大于1的换算系数。实践中根据被钻材料选择SFd以便确保裂纹传播区域不延伸得太远离钻头，损害钻孔稳定性以及降低钻孔质量。此外，根据旋转钻头的部件的坚固性选择SFd以承受设备或者致动器的撞击力。对于特定应用，SFd将被选择为小于5，优选小于2，更优选地小于1.5，以及最优选地小于1.2。
SFd的低值(例如接近1)将提供非常密集的受控的裂纹传播区域，还以传播率为代价增加钻探部件的寿命。这样，当需要非常稳定的高质量钻孔时用于SFd的低值是期望的。另一方面，如果传播速率是更重要的考虑，那么SFd能够选择更高值。
在周期τ的设备或者致动器撞击期间，质量m的钻头的速率改变量为Δv，由于接触力F＝F(t)：
其中，接触力F(t)假设为谐波。力F(t)的振幅有利地高于断裂被钻材料所需要的力Fd。因此能够发现脉冲的改变的下限为如下：
假设钻头执行撞击之间的谐波运动，钻头的最大速率vm＝Aω，其中，A是振动的振幅，ω＝2πf是其角频率。假设当钻头具有最大速率vm时撞击发生，钻头在撞击期间停止，那么Δv＝vm＝2Aπf。因此，振动质量表示为：
该表达式包含τ即撞击周期。撞击的持续时间由许多因素确定，这些因素包括地层和工具的材料属性、撞击频率以及其他参数。为了简化，τ估计为振动的时间周期的1％，也即，τ＝0.0ll/f。这导致能够提供用于撞击的足够脉冲的较低估计频率：
所需最小频率与振动振幅的平方根倒数以及钻头的质量成比例。
前述计算提供了用于设备或者致动器的频率的下限。当具有动态力参数时，利用大于该下限的频率在操作期间在钻头的前面生成裂纹传播区域。但是，如果频率太大，那么裂纹传播区域将延伸地远离钻头，损害钻孔稳定性以及降低钻孔质量。此外，如果频率太大，那么会导致加速的灾难性工具磨损和/或故障。因此，频率的上限能够限定为：
Sf(D2Us/(8000πAm))1/2
其中，Sf是大于1的换算系数。上文讨论的内容的类似考虑，关于SFd施加至Sf的选择。因而，对于特定应用，Sf将选择为小于5，优选小于2，更优选地小于1.5，以及最优选地小于1.2。
除了对于设备或者致动器的操作频率的前述考虑，有利的是，频率维持在一个范围中，该范围接近但是不超过被钻材料的峰值共振条件。也即，频率有利地足够高以接近用于接触被钻材料的钻头的峰值共振，同时频率足够低以确保频率不超过峰值共振条件的频率，否则会导致振幅的急剧下降。因此，有利地选择Sf，由此：
fr/Sr≤f≤fr
其中，fr是对应于用于被钻材料的峰值共振条件的频率，Sr是大于1的换算系数。
对于以上讨论的考虑的类似考虑，关于SFd以及Sf施加至选择Sr。对于特定应用，Sr将选择为小于2，优选小于1.5，更优选地小于1.2。Sr的高值允许利用较低频率，这会导致较小裂纹传播区域和较低传播速率。Sr的较低值(即靠近1)将频率约束至接近峰值共振条件的范围，这会导致较大裂纹传播区域以及更高传播速率。但是，如果裂纹传播区域变得太大，那么这会损害钻孔稳定性以及降低钻孔质量。
钻穿具有变化共振特性的材料的一个问题是，共振特性的改变会导致操作频率突然超过峰值共振条件，这会导致振幅急剧下降。为了解决该问题，能够适当地选择Sf，由此：
f≤(fr-X)
其中，X是一个安全因数，其确保频率(f)在被钻的两个不同材料的过渡之间不超过峰值共振条件的频率。在这种布置中，频率能够被控制成以便维持在由以下公式限的定范围内：
fr/Sr≤f≤(fr-X)
其中，安全因数X确保频率足够远离峰值共振条件以避免在从一个材料类型过渡至另一材料类型时操作频率突然超过峰值共振条件的频率，否则会导致振幅的急剧下降。
类似地，能够引入用于动态力的安全因数。例如，如果大动态力施加于具有大压缩强度的材料，然后发生过渡至具有非常低压缩强度的材料，这会导致动态力突然非常大，导致裂纹传播区域延伸得远离钻头，在材料过渡处损害钻孔稳定性以及降低钻孔质量。为了解决该问题，能够在以下动态力范围内适当的操作：
Fd≤SFd[(π/4)D2 effUs-Y]
其中，Y是一个安全因数，其确保动态力(Fd)不超过限制，该限制引起在被钻的两个不同材料的过渡之间裂纹的灾难性延伸。安全因数Y确保动态力不太高，使得如果突然过渡到具有低压缩强度的材料，这将不会导致损害钻孔稳定性的裂纹传播区域的灾难性延伸。
能够根据材料类型和速度的预期变化设定安全因数X和/或Y，当检测到材料类型的改变时，利用安全因数X和/或Y能够改变频率和动态力。也即，X和Y中的一个或者这两者优选根据被钻材料的压缩强度(Us)以及速度的预期变化可调节，当检测到被钻材料的压缩强度(Us)的改变时，利用X和Y中的一个或者这两者能够改变频率(f)和动态力(Fd)。用于X的典型范围包括：X>fr/100；X>fr/50；或者X>fr/10。用于Y的典型范围包括：Y>SFd[(π/4)D2 effUS]/100；Y>SFd[(π/4)D2 effUS]/50；或Y>SFd[(π/4)D2 effUS]/10。
利用这些安全因数的实施例能够视为在以下两者中达成折衷：用于复合地层结构中的每个材料的优化操作条件下作业；以及提供材料的每层之间的界面处的平滑过渡以维持在界面处的钻孔稳定性。
先前描述本发明的实施例适用于任何尺寸的钻头或者要钻的材料。某些更具体实施例针对钻探岩层，尤其是具有可变成分的岩层，其能够在石油、天然气和采矿工业中在深井钻探应用中遇到。该问题仍然是关于什么数值适合于钻探这种岩层。
岩层的压缩强度具有较大变化，从用于砂岩的大约Us＝70MPa高至用于花岗岩的US＝230MPa。在大规模钻探应用中，诸如石油工业中，钻头直径范围从90至800mm(31/2至32")。如果仅钻头表面的约5％接触岩石地层，那么用于所需动态力的最低值计算为约20kN(通过砂岩使用90mm钻头)。类似地，用于所需动态力的最大值计算为约6000kN(通过花岗岩使用800mm钻头)。这样，为了钻探岩层，优选控制动态力以根据钻头的直径维持在20至6000kN范围内。由于将消耗大量能量来驱动具有6000kN动态力的设备或者致动器，有利的是利用本发明，中至小直径钻头用于许多应用。例如，90至400mm直径的钻头导致20至1500kN的操作范围。进一步窄的钻头直径范围给予用于20至l000kN动态力的优选范围，更优选地20至500kN，更优选地仍为20至300kN。
由于岩层的不同质，用于振动的所需位移振幅的较低估计比随机小比例末端反弹的位移具有明显较大的振动。这样，振动的振幅有利地至少为1mm。因此，设备或者致动器的振动的振幅能够维持在1至10mm范围内，更优选地1至5mm。
对于大规模钻探装备，振动质量能够达到10至1000kg的程度。用于这种大规模钻探装备的适宜频率范围不延伸地高于几百赫兹。这样，通过选择用于钻头直径的合适值，振动质量和振动振幅在先前描述的限制内，设备或者致动器的频率(f)能够被控制以维持在100至500Hz的范围中，同时提供足够动态力以创建用于不同岩石类型范围的裂纹传播区域以及创建充分高频率以实现共振效应。
图8的(a)和(b)示出了图形，图示出所需最小频率，作为用于具有150mm直径的钻头的振动振幅的函数。图形(a)用于振动质量m＝10kg，而图形(b)用于振动质量m＝30kg。下方曲线有效的用于不牢固岩层，而上方曲线用于具有高压缩强度的岩石。正如能够见于图形的，在曲线上方的区域中100至500Hz的操作频率将提供充分高频率以在所有岩石类型中使用1至10mm(0.1至1cm)范围中的振动振幅时生成裂纹传播区域。
图9示出了图形，图示出最大适用频率，作为用于给定固定功率供给的各种振动质量的振动振幅的函数。图形计算成用于30kW的功率供给，其能够通过用以驱动钻头的旋转运动的泥浆马达或者涡轮在井下生成。上方曲线用于10kg的振动质量，而下方曲线用于50kg的振动质量。正如能够见于图形的，100至500Hz的频率范围可用于1至10mm(0.1至1cm)范围的振动振幅。
在图4至图5中，控制器能够构造为执行先前描述的方法并且并入共振增强旋转钻探模块，诸如本发明实施例的共振增强旋转钻探模块。共振增强旋转钻探模块设置有传感器(例如测力传感器)，其直接或者间接监控被钻材料的压缩强度，并且提供信号至控制器，该信号代表被钻材料的压缩强度。控制器构造为从传感器接收信号以及使用闭环实时反馈机构根据被钻材料的压缩强度(Us)的改变来调节设备或者致动器的频率(f)和动态力(Fd)。
发明人已经确定出，用于提供反馈控制的最佳布置是将反馈机构的所有感测、处理以及控制元件定位在井下组件内。该布置是最紧凑的，提供了对共振条件中的改变的更快反馈以及更迅速响应，还允许利用集成在其中的所需反馈控制制造钻头，使得钻头能够重新装配至现有的钻柱，而不需要替换整个钻探***。
本发明的设备、致动器以及装置特别适合于该井下构造，其中，高压湿式环境是典型的。当采用磁致伸缩式致动器等时，已经证明这种环境难以适应。相反，已经证明本发明的机械致动器易于适应这种条件。
图10示出了图示出井下闭环实时反馈机构的示意图。一个或多个传感器40设置成监控致动器42的频率和振幅。处理器44布置成从一个或多个传感器40接收信号并且将一个或多个输出信号发送至控制器46用于控制致动器42的频率和振幅。动力源48连接至反馈环路。动力源48能够是泥浆马达或者涡轮，构造为生成用于反馈环路的电力。在图中，动力源示出为连接至致动器的控制器，用于取决于从处理器接收的信号提供可变功率至致动器。但是，动力源能够连接至反馈环路中的任何一个或多个部件。低功率部件诸如传感器以及处理器能够具有它们自己的动力源，呈电池的形式。
本发明的进一步目的是提供一种用于使用在定向钻探以及共振增强定向钻探中的改进的转向***，该***和方法提供比公知方法和***更大的转向准确度以及控制，同时通过避免重的以及复杂装备改善了可靠性并且降低成本。
因而，在进一步方案中，本发明提供了一种用于使用在定向钻探中的装置，该装置与上文限定的任何装置一样，并且附加地包括：
(a)至少一个转向致动器，其能够在装置上施加纵向力，以便改变钻探的方向；和/或
(b)至少一个钻头转向插件，其能够延伸以及缩回，以便改变钻头的切割特性，从而改变钻探的方向。
在本发明的该方案的内容中，“定向钻探”指的是任何类型的钻探，其中，钻探的方向能够改变，使得得到的钻孔(具体地钻孔的轴线)不是直线。这包括本领域中当前公知的任何以及所有类型的定向钻探。
还在本发明的该方案的内容中，“纵向”意思是：沿大致平行于装置本身的轴线的方向；和/或大致平行于装置、钻探组件或者钻头的旋转轴线；和/或大致平行于转向致动器所处的区域中钻孔的轴线。
在操作中，启动一个或多个转向致动器，使得纵向力优先施加在装置的一侧上。这又将使装置在一侧上优先膨胀(或者缩短)，因而充分“弯折”装置以转动钻头通过小角度。该变形将继续，直到(一个或多个)转向致动器被关闭。在“弯折”构造中，装置将钻探通过由(一个或多个)致动器创建的弯折程度所确定的弯曲轨迹。因而，能够通过(一个或多个)致动器施加较大或者较小力来控制轨迹的曲率(即在装置中创建较大或者较小“弯折”)，通过在装置的一侧上选择一个或多个致动器能够控制方向，使得力不对称地起作用以沿所选择的方向创建所需“弯折”。
可替换地(或者此外)，操作一个或多个钻头转向插件，使得它们从钻头的面延伸，用于钻头旋转的一部分，并且在旋转的剩余部分期间收缩。因而，延伸仅发生在钻头的旋转的所选角度内，使得插件将仅接触岩面的与钻头接触的所选部分。以该方式，岩面在接触插件的所选点处优先被钻探。然后沿优先钻探的方向转动钻探组件以及钻孔。
这两个***的优势在于，它们允许沿任何方向转向而无需装配特殊工具以及无需复杂泥浆马达。而且，它们都允许更精细控制，并且钻头能够与它们被启动时一样容易以及快速被关闭，允许恢复笔直钻探。变得能够以成本有效及有效的方式访问整个井下3维空间。电子反馈机构以及计算机控制技术能够辅助装置实现使用该***可行的较高程度精度控制。
本发明进一步提供了一种包括操作上文限定的装置的钻探方法。典型地，本方法包括操作一个或多个转向致动器，从而引起沿钻探方向的期望改变和/或操作一个或多个转向插件，从而引起沿钻探方向的期望改变。
参考以下例子能够最好地理解本发明的原理。但是，需要注意的是，这些例子不以任何方式限制本发明。本发明的范围仅由附随权利要求限制，在附随权利要求的范围内能够修改本发明。
例子
机械激发器-构思的证据
为了执行对构思的验证，构建了FE(有限元元件)模型。模型具有四个主要部件：顶部圈，其具有正弦槽[旋转元件1]；保持架，其具有球[一个或多个轴承3]；底部圈(标准轴承圈)[基座元件2]；以及压缩弹簧，其将这些三个部件保持于一起。这示出在图20中，其中使用16个球。图21示出了对于50rad/s所计算的FE结果的时间关系曲线图。图21的(a)图示出顶部圈[黑色上线(T)]的角速度，其被设定为50rad/s以及计算的底部圈[蓝色下线(B)]的角速度。图21的(b)示出了顶部圈的轴向位移。该例子清楚地证明机械激发器的构思以及其将旋转运动转换为轴向移动的能力。
实验结果
建立如图22所示的机械激发器的原型并且执行若干实验。标注出轴(1)、运动收集器(2)、预加载控制器(3)和轴承固定器(4)。机械激发器被马达驱动，力变换器放置在模块的内部以提供预加载。涡流探针定位得靠近运动收集器以测量其位移。4D测力计放置在激发器下面以主要测量反应转矩。从这些传感器通过DAQ(数据获取)***收集数据，然后施加噪声过滤以及平滑数据。
图23示出了650RPM额定速度的运动收集器的轴向位移的实验时间关系曲线图。经由测量的轴向位移的FFT(快速傅里叶变换)估计由机械激发器生成的激振的频率，其相当接近通过轴的rpm以及球的数量所计算的预期值，即619/60*16＝165Hz。表格1列出了用于3kN预加载的一系列实验的额定转速、测量的轴向运动的频率、转速、峰间位移、预加载以及峰间测量力。图24图示出用以维持不同预加载的槽式盘的旋转所需的RMS(均方根)能量，以及用于更高预加载的线性外推。在该图中，下方(X)、中间(Y)和上方(Z)线分别代表用于500、700和2250RPM的平均转矩。
表格1：3kN预加载下机械变换器的测试的实验结果。
尽管本发明已经特定地示出并且描述在参考优选实施例中，但是，本领域的技术人员将理解的是，能够对形式和细节进行各种改变，这并不超出由随附权利要求限定的本发明的范围。
Claims (75)
1.一种用在共振增强旋转钻探装置的钻柱中的用于将旋转运动转换为振荡轴向运动的设备，所述设备包括：
(a)旋转元件(1)；
(b)基座元件(2)；以及
(c)一个或多个轴承(3)，所述一个或多个轴承用于促进所述旋转元件相对于所述基座元件的旋转运动；
其中，所述一个或多个轴承为滚动元件轴承，
其中，所述旋转元件和/或所述基座元件包括轨道或者凹槽，所述轨道或凹槽被设置到所述旋转元件中和/或被设置到所述基座元件中，并且被构造为约束所述一个或多个轴承；
其中，所述轨道或凹槽包括一个或多个凸起部分(4)和/或一个或多个降低部分(5)，当旋转发生时，所述一个或多个轴承(3)越过所述凸起部分(4)和/或所述降低部分(5)以周期性地增加以及减小所述旋转元件(1)与所述基座元件(2)之间的轴向距离，从而赋予所述旋转元件(1)相对于所述基座元件(2)的振荡轴向运动，
其中，所述凸起部分和/或降低部分在所述旋转元件的厚度和/或所述基座元件的厚度中呈平滑改变的形式。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述滚动元件轴承为球轴承、辊轴承或圆筒轴承。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述滚动元件轴承为圆筒轴承。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述凸起部分和/或降低部分以凹部和/或突起的形式设置到所述旋转元件和/或所述基座元件中。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述凹部和/或突起以脊和槽的形式从所述旋转元件和/或所述基座元件的旋转轴线径向向外延伸。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述轴承是球轴承。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述轨道或者凹槽具有圆弧形状的切向截面。
8.根据权利要求1或2所述的设备，所述设备进一步包括弹簧以将所述旋转元件和所述基座元件推到一起。
9.一种用在钻柱中的共振增强钻探模块中的致动器，所述致动器包括前述权利要求中任一项限定的设备。
10.根据权利要求9所述的用在钻柱中的共振增强钻探模块中的致动器，所述致动器包括：
第一设备，所述第一设备是根据权利要求1至8中任一项所述的设备，所述第一设备具有第一数量的轴承，以及
第二设备，所述第二设备是根据权利要求1至8中任一项所述的设备，所述第二设备具有第二数量的轴承，
其中，所述第一数量和所述第二数量是不同的。
11.一种用在共振增强旋转钻探中的装置，所述装置包括根据权利要求1至8中任一项限定的设备或者根据权利要求9或10限定的致动器。
12.根据权利要求11所述的装置，所述装置包括：
用于测量静态加载或者用于监控被钻材料的压缩强度的第一传感器(i)；
振动隔离单元(ii)；
用于将轴向振荡加载施加至旋转钻头的根据权利要求1至8中任一项限定的所述设备或者根据权利要求9或10限定的所述致动器(iii)；
用于测量动态轴向加载或者用于监控被钻材料的压缩强度的第二传感器(iv)；
钻头连接器(v)；以及
所述旋转钻头(vi)，
其中，所述第一传感器(i)定位在所述振动隔离单元上方，所述第二传感器(iv)定位在所述设备或者致动器(iii)和所述钻头连接器(v)之间，并且其中，所述第一传感器和所述第二传感器连接至控制器以提供对所述设备或者致动器(iii)的井下闭环实时控制。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第一传感器(i)和/或所述第二传感器(iv)包括测力传感器。
14.根据权利要求12所述的装置，所述装置进一步包括在所述设备或者致动器(iii)与第二传感器(iv)之间的振动传递单元。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述振动隔离单元和/或所述振动传递单元包括结构弹簧。
16.根据权利要求12或13所述的装置，其中，所述设备或者致动器的频率(f)和动态力(Fd)能够被所述控制器控制。
17.根据权利要求12或13所述的装置，其中，所述设备或者致动器的频率(f)和动态力(Fd)能够根据代表被钻材料的压缩强度(Us)的改变的传感器测量结果来控制。
18.根据权利要求12或13所述的装置，所述装置用在定向钻探中，所述装置包括：
(a)至少一个转向致动器，所述至少一个转向致动器能够在所述钻头上施加纵向力，以便改变钻探方向；和/或
(b)至少一个钻头转向插件，所述至少一个钻头转向插件能够伸出以及缩回，以便改变所述钻头的切割特性，从而改变钻探方向。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述转向致动器包括压电元件以驱动所述转向致动器，以及/或者所述钻头转向插件包括压电元件以允许所述转向插件的伸出以及缩回。
20.根据权利要求18所述的装置，所述装置包括多个转向致动器，所述多个转向致动器围绕所述钻头的旋转轴线对称地布置。
21.根据权利要求12或13所述的装置，所述装置包括一个或多个转向插件，所述转向插件围绕所述钻头的旋转轴线对称地或不对称地布置。
22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述转向插件均未位于所述钻头的旋转轴线上。
23.根据权利要求21所述的装置，其中，多个转向插件沿着所述钻头的一个或多个半径定位。
24.根据权利要求21所述的装置，其中，所述一个或多个转向插件围绕所述钻头的旋转轴线不对称地布置，通过在所述钻头内的其他位置处存在非转向插件来建立对称性。
25.根据权利要求12或13所述的装置，所述装置包括钻探模块，所述钻探模块包括钻头以及根据权利要求1至8中任一项限定的设备或者根据权利要求9或10限定的致动器，其中，所述装置进一步包括：
-用于测量涉及所述钻头与被钻材料的相互作用的一个或多个参数的第三传感器；以及
-用于测量所述钻头的一个或多个运动的传感器。
26.根据权利要求25所述的装置，其中，涉及所述钻头与被钻材料的相互作用的所述一个或多个参数包括所述钻头与被钻材料的一个或多个撞击特性，和/或所述钻头与被钻材料之间的一个或多个力。
27.根据权利要求26所述的装置，所述装置包括：加速计，所述加速计用于测量所述钻头与被钻材料的所述一个或多个撞击特性，和/或测力传感器，所述测力传感器用于测量所述钻头与被钻材料之间的所述一个或多个力。
28.根据权利要求25所述的装置，所述装置包括涡流传感器，所述涡流传感器用于测量所述钻头的一个或多个运动。
29.根据权利要求25所述的装置，其中，所述钻探模块进一步包括：
-振捣放大单元，所述振捣放大单元用于将所述振荡加载传递至所述钻头；以及
-振捣隔离单元，所述振捣隔离单元用于降低振荡或者防止振荡超出所述钻探模块。
30.根据权利要求29所述的装置，其中，所述振捣放大单元包括：弹簧***，所述弹簧***用于将所述振荡加载传递至所述钻头；以及一个或多个转矩约束单元，所述转矩约束单元用于降低或者防止来自于所述钻头的旋转运动的转矩传递至所述致动器。
31.根据权利要求25所述的装置，其中，所述钻探模块进一步包括控制***，所述控制***用于控制所述钻探模块的一个或多个钻探参数，其中，所述控制***采用来自所述传感器的信息以控制所述钻探参数。
32.根据权利要求31所述的装置，其中，所述控制***包括：
(a)用于确定被钻材料的一个或多个特性的控制器，以及
(b)用于确定施加至所述钻探模块的一个或多个钻探参数的控制器；
并且其中，一个或多个所述控制器采用来自所述第一传感器、所述第二传感器和所述第三传感器中的一个或多个的信息。
33.根据权利要求25所述的装置，其中，所述第一传感器、所述第二传感器或所述第三传感器能够测量以下钻探参数中的一个或多个参数：
(a)被钻材料上的轴向钻探力即钻头上的重量或者静态力；
(b)所述钻头和/或钻探模块的速率或者速度即前进速率；
(c)所述钻头和/或钻探模块的加速度；
(d)所述钻头和/或钻探模块的振荡频率；
(e)所述钻头和/或钻探模块的振荡振幅；
(f)被钻材料上的振荡轴向钻探力即动态力；
(g)所述钻探的旋转速率或者旋转速度；
(h)所述钻探的旋转力或者转矩；
(i)流体流量；以及
(j)所述钻头的相对位移。
34.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其中，控制所述设备或者致动器的频率(f)以维持在100Hz以及以上的范围中。
35.根据权利要求34所述的装置，其中，控制所述设备或者致动器的所述频率(f)以维持在100Hz至500Hz的范围中。
36.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其中，控制所述设备或者所述致动器的动态力(Fd)以维持在高达1000kN的范围内。
37.根据权利要求36所述的装置，其中，控制所述动态力(Fd)以维持在40至500kN的范围内。
38.根据权利要求37所述的装置，其中，控制所述动态力(Fd)以维持在50至300kN的范围内。
39.一种钻探方法，所述钻探方法包括操作根据权利要求1至8中任一项限定的设备、权利要求9或10限定的致动器或者权利要求11至38任一项限定的装置。
40.一种用于控制包括权利要求1至8中任一项限定的设备、权利要求9或10限定的致动器或者权利要求11至38中任一项限定的装置的共振增强旋转钻机的方法，所述方法包括：
控制共振增强旋转钻机中的所述设备或者致动器的频率(f)，由此所述频率(f)被维持在以下范围：
(D2Us/(8000πAm))1/2≤f≤Sf(D2Us/(8000πAm))1/2
其中，D是旋转钻头的直径，Us是被钻材料的压缩强度，A是振动振幅，m是振动质量，Sf是大于1的换算系数；以及
控制共振增强旋转钻机中的所述设备或者致动器的动态力(Fd)，由此所述动态力(Fd)被维持在以下范围中：
[(π/4)D2 effUs]≤Fd≤SFd[(π/4)D2 effUs]
其中，Deff是所述旋转钻头的有效直径，Us是被钻材料的压缩强度，SFd是大于1的换算系数，
其中，通过监控代表被钻材料的压缩强度(Us)的信号来控制所述设备或者致动器的所述频率(f)和所述动态力(Fd)，以及使用闭环实时反馈机构根据被钻材料的压缩强度(Us)的改变来调节所述设备或者致动器的所述频率(f)和所述动态力(Fd)。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，Sf小于5。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，Sf小于2。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，Sf小于1.5。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，Sf小于1.2。
45.根据权利要求40或41所述的方法，其中，SFd小于5。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，SFd小于2。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，SFd小于1.5。
48.根据权利要求47所述的方法，其中，SFd小于1.2。
49.根据权利要求40或41所述的方法，其中，选择Sf，由此：
f≤fr
其中，fr是对应于用于被钻材料的峰值共振条件的频率。
50.根据权利要求49所述的方法，其中，选择Sf，由此：
f≤(fr-X)
其中，X是安全因数，其确保在正被钻的两个不同材料之间的过渡处频率(f)不超过峰值共振条件的频率。
51.根据权利要求50所述的方法，其中，X>fr/100。
52.根据权利要求51所述的方法，其中，X>fr/50。
53.根据权利要求52所述的方法，其中，X>fr/10。
54.根据权利要求50所述的方法，其中：
Fd≤SFd[(π/)D2 effUs-Y]
其中，Y是安全因数，其确保所述动态力(Fd)不超过极限值，所述极限值引起在正被钻的两个不同材料之间的过渡处裂纹灾难性延伸。
55.根据权利要求54所述的方法，其中，Y＞SFd[(π/4)D2 effUs]/100。
56.根据权利要求55所述的方法，其中，Y＞SFd[(π/4)D2 effUs]/50。
57.根据权利要求56所述的方法，其中，Y＞SFd[(π/4)D2 effUs]/10。
58.根据权利要求54所述的方法，其中，X和Y中的一者或这两者能够根据被钻材料的压缩强度(Us)的预期变化以及当检测到被钻材料的压缩强度(Us)改变时所述频率(f)和动态力(Fd)的改变速度来调节。
59.根据权利要求39至44中任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括：控制所述设备或者致动器的振动的振幅以维持在0.5至10mm的范围内。
60.根据权利要求59所述的方法，其中，所述方法进一步包括：控制所述设备或者致动器的振动的振幅以维持在1至5mm的范围内。
61.根据权利要求39至44中任一项所述的方法，其中，控制所述设备或者致动器的频率(f)以维持在100Hz以及以上的范围中。
62.根据权利要求61所述的方法，其中，控制所述设备或者致动器的所述频率(f)以维持在100至500Hz的范围中。
63.根据权利要求39至44中任一项所述的方法，其中，控制所述设备或者所述致动器的动态力(Fd)以维持在高达1000kN的范围内。
64.根据权利要求63所述的方法，其中，控制所述动态力(Fd)以维持在从40至500kN的范围内。
65.根据权利要求64所述的方法，其中，控制所述动态力(Fd)以维持在从50至300kN的范围内。
66.一种控制包括根据权利要求25至33中任一项限定的装置的共振增强旋转钻机的方法，所述方法包括：
(a)采用被钻材料的一个或多个初始特性，和/或一个或多个初始钻探参数以控制所述钻探模块；
(b)使用所述传感器测量一个或多个当前钻探参数以获得一个或多个测量出的钻探参数；
(c)采用所述一个或多个测量出的钻探参数以计算被钻材料的一个或多个特性；
(d)采用被钻材料的计算出的所述一个或多个特性，和/或所述一个或多个测量出的钻探参数，来计算一个或多个计算的钻探参数；
(e)将所述一个或多个计算的钻探参数施加至所述钻探模块；
(f)重复步骤(b)、(c)、(d)和(e)。
67.根据权利要求66所述的方法，其中，在步骤(d)，采用来自控制处理的先前重复中的一个或多个计算的钻探参数作为进一步的输入以确定所述计算的钻探参数。
68.根据权利要求66或67所述的方法，其中，所述钻探参数包括以下参数中的一个或多个：
(a)被钻材料上的轴向钻探力即钻头上的重量或者静态力；
(b)所述钻头和/或钻探模块通过被钻材料的速率或者速度；
(c)所述钻头和/或钻探模块通过被钻材料的加速度；
(d)所述钻头和/或钻探模块的振荡频率；
(e)所述钻头和/或钻探模块的振荡振幅；
(f)被钻材料上的振荡轴向钻探力即动态力；
(g)所述钻探的旋转速率或者旋转速度；
(h)钻头施加在被钻材料上的旋转力或者转矩；
(i)流体流量；以及
(j)所述钻头的相对位移。
69.根据权利要求66或67所述的方法，其中，被钻材料的特性包括以下特性中的一个或多个：
(a)材料的压缩强度
(b)材料的刚度或者有效刚度；
(c)材料的屈服强度；
(d)材料的冲击强度；
(e)材料的疲劳强度；
(f)材料的拉伸强度；
(g)材料的剪切强度；
(h)材料的硬度；
(i)材料的密度；
(j)材料的杨氏模量；以及
(k)材料的泊松比。
70.根据权利要求66或67所述的方法，其中，通过经验信息获得步骤(a)中的被钻材料的所述一个或多个初始特性。
71.根据权利要求70所述的方法，其中，通过数据库获得步骤(a)中的被钻材料的所述一个或多个初始特性。
72.根据权利要求66或67所述的方法，其中，通过经验信息获得步骤(a)中的所述一个或多个初始钻探参数。
73.根据权利要求72所述的方法，其中，通过数据库获得步骤(a)中的所述一个或多个初始钻探参数。
74.根据权利要求66或67所述的方法，其中，使用一个或多个模型获得步骤(c)中的被钻材料的计算出的所述一个或多个特性。
75.根据权利要求74所述的方法，其中，使用一个或多个经验模型和/或一个或多个数学模型获得步骤(c)中的被钻材料的计算出的所述一个或多个特性。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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