CN116438360A - 具有流体柱共振器的钻进装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻进装置。该装置包括至少一个钻杆，该钻杆或每个钻杆具有第一圆柱形壁，第一圆柱形壁限定细长腔室，该细长腔室用于接收工作流体以形成流体柱，流体柱的长度等于该钻杆或每个钻杆的细长腔室的总长度。该装置还包括位移激励装置，该位移激励装置布置在流体柱的近侧端部处，并被配置成激励流体柱以使流体柱中的工作流体振荡，其中该激励装置被配置成以激励频率激励流体柱，该激励频率为流体柱的固有频率或在流体柱的固有频率±固有频率的10％的范围内，该固有频率是基于在其近侧端部处具有固定边界条件的流体柱确定的。该装置还包括可移动地安装在流体柱的远侧端部处的工具活塞和连接到工具活塞的钻进工具，使得流体柱中的工作流体的振荡向钻进工具施加振荡力。

Description

具有流体柱共振器的钻进装置

技术领域

本发明涉及钻进装置，在钻进装置中，流体柱共振用于生成脉冲力。

背景技术

常规的旋转钻进装置包括布置在钻柱的端部处的诸如三锥旋转钻进钻头的旋转钻进钻头，钻柱由机器旋转以使钻进钻头穿透待钻进的岩石。穿透率以及因此钻进速度取决于钻柱的旋转速率和应用到钻进钻头的钻头上的重量。

已经提出了撞击辅助旋转钻进布置，诸如在美国专利申请公开No.US 2013/0098684中公开的撞击辅助旋转钻进布置。在这种布置中，旋转钻进由气动潜孔钻进辅助，以改进钻进速度。然而，为了延长三锥旋转钻进钻头的寿命，锤的输出功率必须限制到非常低的值，因为由潜孔锤生成的高冲击力会导致钻头上的显著磨损。

在国际专利申请No.WO 2007/042618中公开了另一种布置，其包括撞击装置和具有三锥旋转钻进钻头的旋转马达，其中旋转马达旋转钻杆和钻进钻头，并且撞击装置经由钻杆和钻进钻头以高频提供低振幅的应力脉冲。然而，生成高频应力脉冲所需的脉冲装置是复杂的。

希望提供一种克服与现有装置相关联的许多缺点的钻进装置。特别地，希望提供一种钻进装置，其产生可以单独使用的钻进动作，或者提高旋转钻进的钻进速度。

发明内容

本发明涉及一种钻进装置，该钻进装置包括：

至少一个钻杆，该钻杆或每个钻杆具有第一圆柱形壁，该第一圆柱形壁限定细长腔室，该细长腔室用于接收工作流体以形成流体柱，该流体柱的长度等于该钻杆或每个钻杆的细长腔室的总长度；

位移激励装置，该位移激励装置布置在该流体柱的近侧端部处，并被配置成激励流体柱以使流体柱中的工作流体振荡，其中激励装置被配置成以激励频率激励该流体柱，该激励频率为流体柱的固有频率或在所述流体柱的固有频率±所述固有频率的10％的范围内，该固有频率基于在其近侧端部处具有固定边界条件的流体柱来确定；以及

可移动地安装在流体柱的远侧端部处的工具活塞和连接到该工具活塞的钻进工具，使得流体柱中的工作流体的振荡向钻进工具施加振荡力。

在优选实施例中，激励频率为流体柱的固有频率或在该固有频率±所述固有频率的5％的范围内。理想情况下，激励频率在流体柱固有频率±所述固有频率的1％的范围内。激励频率越接近流体柱的固有频率，装置的操作就越接近共振。在所述流体柱的固有频率±所述固有频率的10％范围内的激励频率引起流体柱中流体的移位，移位的振幅大到足以允许足够的力被施加到钻进工具以产生或增强钻进作用。

钻进装置可以被认为是潜孔钻进装置，因为在钻进期间工具活塞被布置在钻孔中。

流体柱具有多个固有频率，这些固有频率根据流体的性质、柱的长度和应用于柱的边界条件而变化。在本情况下，基于在其近侧端部处具有固定边界条件的流体柱来确定固有频率；也就是说，在流体柱的近侧或驱动器端部处(相对于柱的端部壁)没有发生流体的位移或流动。

通常，在流体的刚度低于岩石-工具相互作用的刚度的情况下，流体柱的远侧端部也可以被认为具有基本固定的边界条件。假设固定-固定边界条件，流体柱的固有频率可以使用以下方程式来确定：

其中，f_n是固有频率，k是固有频率的阶数，L是流体柱的长度，B_流体是流体体积模量，并且ρ_流体是流体密度。图3和图4分别示出了对于k＝1、2和3，对于固定-固定边界条件，沿着流体柱长度的位移和压力。如图3中所示，根据所应用的固定-固定边界条件，在流体柱的每一端部处都可以看到位移节点。如图4中所示，在流体柱的近侧端部处看到压力波腹。

在岩石-工具相互作用的刚度具有非常低的值以至于它不对应于柱的远侧端部处的固定边界条件的情况下，这可以使用下文讨论的频率控制机制来解释。

为了引起流体柱中工作流体的振荡，必须引入激励。根据本发明，位移激励装置布置在流体柱的近侧端部处，并被配置成激励流体柱以使流体柱中的工作流体振荡。位移激励装置可以通过使(钻杆或最近侧钻杆)的腔室的近侧端部壁在腔室的纵向方向上往复移位来引入激励，或者以其他方式以往复方式改变流体柱的体积来引入激励。

当激励频率与流体柱的固有频率重合时，在流体柱中发生共振。因此，为流体柱的固有频率或接近流体柱的固有频率的激励频率激励流体柱允许***以共振或接近共振操作，使得流体柱中流体的位移振幅将显著增长。同样，流体柱中的压力振荡将具有高振幅。这允许与施加到钻进工具的力相关联的脉冲最大化。

已经提出了用于撞击工具的脉冲发生器，其中***的固有频率使用在流体柱的近侧端部处的自由边界条件来确定。在这种***中，通过在流体腔室的近侧端部处的力或压力激励来引入激励。在腔室的近侧端部处的小振幅压力激励在近侧端部处产生大的流***移(位移波腹)和在远侧端部处产生大的压力振幅(压力波腹)。近侧端部处的大流***移导致非常高的流量要求，因为需要大量的流体移动进出流体柱。因此，这种***只需要小的压力变化，但必须能够输送高流速。

本发明的钻进装置是有利的，因为它包括位移激励装置。这种类型的激励装置在流体柱的近侧端部处(并且对应地在远侧端部处)产生高压振幅，但是需要低得多的峰值流体流速。因此，与在近侧端部处具有自由边界条件的***相比，本发明允许更紧凑和更便宜的***，并且经历低得多的流体流动相关的功率损失。

通常，腔室用于接收液体以形成流体柱；即，流体柱中的工作流体是液体。所用液体的类型对钻进装置的性能没有显著影响，因为流体柱的固有频率是基于所用液体的性质。在某些实施例中，液体是液压油。液压油适合用于单程钻进应用；也就是说，在钻孔时不添加或移除钻杆。通常，在远侧端部处对装置的密封有利于避免工作流体的泄漏。在单程装置中使用油的情况下，由于液压油的高粘度和良好的润滑性质，可以容易地在装置的远侧端部处实施径向密封件。然而，对于延伸钻进，当孔变得更深时，在附加的钻杆被添加到钻进装置或钻柱的情况下，当添加新的杆时，存在从流体柱泄漏油的风险。为防止油泄漏而为单个钻杆引入阀布置将会干扰流体柱的振荡。

在其他实施例中，液体是水。水特别适合用于延伸钻进应用，因为它对环境无害，并且因此添加或移除钻杆时的泄漏不令人担忧。然而，由于围绕工具活塞的密封可能具有挑战性，经由第一圆柱形壁与该装置的远侧端部处的工具活塞之间的间隙的水泄漏可能是一个问题。

钻进装置还可以包括在流体柱的远侧端部处的用于水的至少一个出口和用于以输入流速将水泵入流体柱中的构件，使得水在第一圆柱形壁与工具活塞之间沿着泄漏流体路径流动，并以等于输入流速的泄漏流速流出至少一个出口。以这种方式，圆柱形壁与工具活塞之间水的泄漏可以用于冲洗孔，或者抑制当诸如空气的另一种冲洗流体用于冲洗钻孔时生成的粉尘。这还具有不需要在工具活塞处的密封件的优点。

在一个实施例中，该钻杆或每个钻杆包括第二圆柱形壁，该第二圆柱形壁布置在第一圆柱形壁的至少一部分的外部，使得环形冲洗通道限定在第一圆柱形壁与第二圆柱形壁之间，并且环形冲洗通道被配置成在其近侧端部处接收冲洗流体并在其远侧端部处排放冲洗流体。在此实施例中，出口可以设置在流体柱的远侧端部处，邻近冲洗通道的远侧端部。

这允许泄漏水用于抑制当冲洗流体是例如空气时生成的粉尘。使用空气作为冲洗流体产生的粉尘可能会导致严重的问题。因此，水从流体柱的泄漏被利用以抑制粉尘，而不需要单独的水供应。水以等于粉尘抑制所需的泄漏流速的输入流速被泵入流体柱中。在常规的旋转钻进中，其中水被喷射到冲洗空气中以用于粉尘抑制，水进入三锥切割机的轴承并冲走轴承润滑剂。然而，在此实施例中，用于泄漏水的出口在流体柱的远侧端部处，但在钻进钻头的后方，使得水不会进入钻头的切割机轴承部段。

在另一实施例中，出口设置在钻进工具的远侧面处。这允许水本身用作冲洗流体。选择输入流速和工具活塞尺寸，使得泄漏流速足以用于冲洗。

在两个实施例中，延伸钻进是简单的。优选地，每个细长腔室具有长度l，并且流体柱L的长度是l的整数倍。当添加或移除钻杆时，流体柱中的水可以被允许排出，并且然后在重新开始钻进之前用水重新填充该装置。因为每个钻杆具有相同的长度l，所以钻杆的添加或移除不需要对激励频率的改变。其中激励频率被选择为具有长度为l的流体柱的钻进装置的k阶固有频率，然后在使用N个长度为l的钻杆的情况下，激励频率变成具有长度为L＝N*l的流体柱的钻进装置的N*k阶固有频率。

位移激励装置可以布置成使流体柱中的流体在纵向方向上往复移动。

在一个实施例中，位移激励装置包括设置在腔室的近侧端部中的激励活塞，使得激励活塞的前端部形成流体柱的近侧端部壁。激励活塞联接到曲轴机构，使得活塞可在流体柱的纵向方向上往复驱动，以使流体柱的近侧端部壁往复移位。

在另一个实施例中，位移激励装置包括布置在腔室的近侧端部处的凸轮机构，使得多个活塞中的每一个都能够由可旋转凸轮在径向方向上往复驱动，从而以往复方式改变其中建立流体柱的腔室的体积。

在另一个实施例中，位移激励装置包括外摆线机构，该外摆线机构包括多叶瓣转子，该多叶瓣转子具有N个叶瓣，N个叶瓣被布置成在具有N+l个叶瓣的多叶瓣定子内环行(orbit)，使得在转子与定子之间产生具有变化体积的N+l个腔，并且其中N+l个腔的第一群组彼此流体连通并与腔室流体连通，从而以往复方式改变其中建立流体柱的腔室的体积。N+l个腔的第二群组可以彼此流体连通，并连接到处于基本恒定压力的流体源。这减小了转子在操作期间所承受的压力。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的钻进装置的部分示意截面图；

图2是沿着图1中所示的钻进装置的流体柱的长度的以巴为单位的压力的曲线图；

图3是对于流体柱的一阶固有频率、二阶固有频率和三阶固有频率，沿着在其近侧端部处具有固定边界条件的流体柱的长度的位移的曲线图；

图4是对于流体柱的一阶固有频率、二阶固有频率和三阶固有频率，沿着在其近侧端部处具有固定边界条件的流体柱的长度的压力的曲线图；

图5A是根据本发明的第二实施例的钻进装置的部分示意截面图；

图5B是在图5A中所示的装置的远侧端部的放大视图；

图6A是根据本发明的第三实施例的钻进装置的部分示意截面图；

图6B是在图6A中所示的装置的远侧端部的放大视图；

图7是根据本发明实施例的钻进装置的近侧端部的截面图，其中位移激励装置包括曲轴；

图8A是根据本发明实施例的钻进装置的近侧端部的纵向截面图，其中位移激励装置包括凸轮机构；

图8B是沿着线A-A截取的图8A的装置的横向截面图；

图9A是适合用作根据本发明的钻进装置中的位移激励装置的外摆线机构的横向截面图；

图9B是图9A的外摆线机构的转子的侧立面图；

图10A是适合用作根据本发明的钻进装置中的位移激励装置的备选外摆线机构的横向截面图；

图10B是图10A的外摆线机构的透视图；

图11是包括连接到根据本发明的钻进装置的图10A和图10B的外摆线机构的***的示意图；

图12是对于根据本发明的钻进装置，频率响应与输入扭矩的关系的曲线图；

图13是对于根据本发明的钻进装置，对于不同钻进条件，频率响应与输入扭矩的关系的曲线图；

图14A和图14B是用于图11的***的控制布置的示意图；

图15A和图15B是用于图11的***的备选控制布置的示意图；以及

图16是根据本发明的实施例的钻进装置的部分示意截面图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的备选实施例的钻进装置1。该装置1包括钻杆2，钻杆2具有限定细长腔室4的第一圆柱形壁3。腔室4接收诸如液压油或水的工作流体，以形成流体柱。在图1中所示的实施例中，仅包括单个钻杆，并且因此流体柱的长度L等于细长腔室4的长度。如下面将更详细地描述的，附加的钻杆可以被添加到该装置，使得流体柱具有为细长腔室4的长度的整数倍的长度。在钻进期间，一根或多根钻杆设置在钻孔中。钻杆2还包括布置在第一圆柱形壁外部的第二圆柱形壁10。环形冲洗通道11限定在第一圆柱形壁与第二圆柱形壁之间。

装置1还包括布置在流体柱的近侧端部6处的位移激励装置5。在图1中所示的实施例中，位移激励***包括曲轴布置。下面将关于图7对此进行更详细的描述。位移激励装置被配置成以接近流体柱的固有频率的频率激励流体柱，以使流体柱中的工作流体振荡，流体柱的固有频率基于固定-固定边界条件确定。对于固定-固定边界条件，流体柱的固有频率可以使用以下方程式来确定：

其中，f_n是固有频率，k是固有频率的阶数，L是流体柱的长度，B_流体是流体体积模量，并且ρ_流体是流体密度。关于图12和图13更详细地描述了激励频率的选择。

钻进装置1还包括可移动地安装在流体柱的远侧端部8处的工具活塞7和连接到工具活塞的钻进工具9，使得流体柱中的工作流体的振荡向钻进工具施加振荡力。在图1中所示的实施例中，钻进工具9是旋转三锥钻头，并且钻进装置可围绕由箭头所指示的纵向轴线旋转。

图2图示了当流体以接近流体柱的二阶固有频率的激励频率被激励时，沿着示例性流体柱(诸如图1的流体柱)的压力振荡。如图2中所示，在此实施例中，流体柱的长度为20米，并且压力节点(其中压力具有恒定的p_静值)分别见于距离腔室的近侧端部5米和15米处。压力波腹(压力具有最高振幅的地方)可见于腔室的近侧端部处、腔室的中点处和腔室的远侧端部处。在压力波腹处，压力在p_静+p_振荡振幅与p_静-p_振荡振幅之间变化。静压p_静可以通过进给力F_进给(使用钻头上的重量)或通过对流体柱加压或两者来生成。

由于流体柱中的压力振荡，工具活塞上以及因此钻具上的力将相应地振荡。在钻进装置是旋转钻进装置的情况下，如图1中所示，钻进将主要如常规旋转钻进那样进行(使用钻头上的重量和旋转)，并且施加到工具上的振荡力用于提高钻进速度。备选地，可以单独使用高频、高振幅的振荡力来执行钻进动作。在此实施例中，优选使静压p_静非常接近压力振荡振幅，使得当压力为p_静–p_振荡振幅时，工具面上的力接近于零。这允许钻进钻头或工具为了钻头转位的目的而旋转，而不会严重磨损工具的切割面中的刀片。

图5A和图5B示出了根据本发明的钻进装置的另一实施例。此实施例类似于图1中所示的实施例，并且使用水作为工作流体。如图5A中所示，在此实施例中，环形冲洗通道11被配置成经由入口13在其近侧端部12处接收诸如空气的冲洗流体，并通过钻进工具的远侧面21中的出口(未示出)排放冲洗流体。

钻进装置1还包括在第一圆柱形壁3的远侧端部8处、邻近冲洗通道的远侧端部14的用于水的多个喷射孔15。该装置1还包括用于以输入流速将水泵入流体柱的近侧端部6中的泵16。设置止回阀17以防止回流，并且在激励装置5处设置密封件23以防止水从钻进装置的近侧端部泄漏。如图5B中所示，水在第一圆柱形壁3与工具活塞7之间沿着具有长度L_泄漏的泄漏流体路径22流动并且以等于输入流速的泄漏流速流出出口15。

在使用中，冲洗空气被供应到冲洗通道，并通过钻进工具排放到钻孔中，以从钻孔排出钻屑。水以输入流速供应到流体柱，并且工具9处的水压通过活塞7与第一圆柱形壁3之间的间隙引起泄漏。此泄漏水经由壁3中的喷射孔15进入钻孔，在那里它与冲洗空气和钻进钻屑混合，提供粉尘抑制。泄漏流量取决于泄漏流体路径的长度L_泄漏。该路径的长度越短，泄漏流速越高。如果由泵16泵入的水多于漏出的水，那么工具活塞7将在远侧方向上被推出，从而在流体柱中维持恒定的静压。这继而减小了泄漏路径L_泄漏的长度，增加了泄漏流速，使得工具活塞7被自动驱动到泄漏流速与输入流速相同的位置。

另一个实施例在图6A和图6B中示出，其中来自流体柱的水本身用于冲洗钻孔。在此实施例中，钻杆仅包括单个圆柱形壁3。装置1还包括泵16，用于以输入流速将水泵送到流体柱的近侧端部6中。设置止回阀17以防止回流，并且在激励装置5处设置密封件23以防止水从钻进装置的近侧端部泄漏。在此实施例中，工具活塞7和钻进工具9彼此一体地形成。如图6B中所示，流体通道24穿过工具活塞和钻进工具设置在工具活塞中的入口19与钻进工具的远侧或切割面21中的出口20之间。还如图6B中所示，水在圆柱形壁3与工具活塞7之间沿着具有长度L_泄漏的泄漏流体路径22流动，并流入设置在壁3的内表面中在其远侧端部处的底切18中。从那里，水经由入口19流入钻进工具9，并通过钻进工具被传导到工具远侧面21处的出口20。

如在前面的实施例中，在使用中，水以输入流速供应到流体柱，并且工具9处的水压通过活塞7与圆柱形壁3之间的间隙引起泄漏。该泄漏水经由工具的切割面中的出口20进入钻孔，在那里它用于从孔冲洗钻屑。如前所述，泄漏流量取决于泄漏流体路径的长度L_泄漏。该路径的长度越短，泄漏流速越高。如果由泵16泵入的水多于漏出的水，工具活塞7将在远侧方向上被推出，从而在流体柱中维持恒定静压。这继而减小了泄漏路径L_泄漏的长度，增加了泄漏流速，使得工具活塞7被自动驱动到泄漏流速与输入流速相同的位置。

本发明的另一实施例在图16中示出。装置1包括具有第一圆柱形壁3’的钻杆2，该第一圆柱形壁3’与布置在第一圆柱形壁内部的第二内圆柱形壁10’限定细长腔室4’。也就是说，在第一圆柱形壁与第二圆柱形壁之间限定了细长的环形腔室4’。腔室4’接收诸如液压油或水的工作流体，以形成流体柱。在图16中所示的实施例中，仅包括单个钻杆，并且因此流体柱的长度L等于细长腔室4’的长度。附加的钻杆可以被添加到该装置，使得流体柱具有长度L，该长度L是细长腔室的长度的整数倍。在钻进期间，一根或多根钻杆设置在钻孔中。

装置1还包括布置在流体柱的近侧端部6处的位移激励装置5。在图16中所示的实施例中，位移激励***包括曲轴布置。钻进装置1还包括可移动地安装在流体柱的远侧端部8处的工具活塞7和连接到工具活塞的钻进工具9，使得流体柱中的工作流体的振荡向钻进工具施加振荡力。

在此实施例中，由内圆柱形壁10’限定的内冲洗通道或管道11被配置成经由入口13在其近侧端部12处接收诸如空气的冲洗流体，并通过钻进工具9的远侧面21中的出口排放冲洗流体。在使用中，冲洗空气被供应到冲洗通道，并通过钻进工具排放到钻孔中，以从钻孔排空钻屑。在工作流体是水的情况下，类似于上述布置，可以提供水的泄漏流。当工作流体是油或另一流体时，工作流体不从腔室泄漏。

在图16中所示的实施例中，钻进工具9是旋转三锥钻头，并且钻进装置可绕纵向轴线旋转。钻进工具可以与内部冲洗管道11一起旋转。外圆柱形壁3’也可以旋转，或者它可以保持静止。

图7图示了用于在本发明中使用的位移激励装置的第一实施例。位移激励装置5被布置成使流体柱中的流体在纵向方向上往复移动。在此实施例中，位移激励装置5包括曲轴25，该曲轴25具有偏心度e，曲轴25被布置成以往复方式驱动设置在腔室4的近侧端部中的激励活塞26。激励活塞的前端部29形成流体柱的近侧端部壁。驱动激励活塞具有使流体柱的近侧端部壁在纵向方向上往复移位的效果。激励活塞具有2e的冲程长度，并以等于曲轴的驱动频率ω_驱动的频率ω_振荡往复运动。在此实施例中，由于激励活塞直径相对较大且流体振荡的压力振幅相对较高，因此曲轴机构上的压力相对较高。这意味着该机构必须相当坚固，并且因此较重，结果是当该机构以高频率运行时生成的动力可能很大。

图8A和图8B图示了用于在本发明中使用的位移激励装置的另一个实施例。在此实施例中，位移激励装置5包括凸轮机构，其中三个活塞27a、27b和27c由凸轮28在径向方向上往复地且同时驱动。这具有以往复方式改变其中建立流体柱的腔室的体积的效果，从而使流体柱中的流体在纵向方向上往复移动。凸轮28以驱动频率ω_驱动旋转，使得活塞27a、27b、27c以ω_振荡＝3ω_驱动的激励频率被驱动，从而对于相同的驱动频率实现比曲轴机构更高的激励频率。因此，该机构比上述曲轴更紧凑，并且由于该机构的对称性，所生成的动力被抵消。

图9A和图9B图示了用于在本发明中使用的位移激励装置的另一个实施例。在此实施例中，位移激励装置5是基于类似于gerotor或geroller型液压马达的外摆线机构。该外摆线机构包括具有多个叶瓣32的转子30，叶瓣32以频率ω_环行绕定子31的中心以偏心度e环行，该定子31也具有多个叶瓣，比转子上的叶瓣数多一。定子销33在定子壳体与转子之间提供密封，并且还接收来自转子的压力引起的力。在环行时，转子也以频率ω_自旋绕其中心自旋。环行频率和自旋频率通过方程式ω_环行＝-Nω_自旋彼此相关，其中N是转子30上的叶瓣32的数目。在所示的实施例中，转子具有五个叶瓣，使得环行频率是驱动频率的五倍，在相反的方向上。

定子和转子的布置是这样的，即当转子旋转时，在它们之间形成N+l个腔，或者在这种情况下，形成六个腔35。每个腔的体积以频率ω_环行以谐波方式变化。当用作马达时，这些腔中的每一个都通过阀***连接到高压管线和低压管线，使得当腔体积增加时，腔接收高压液体，并且当腔体积减小时，腔连接到低压管线。当用作激励机构时，如在本申请中，腔被分成两组，分别在图9A中标记为A和B。同一组中的所有腔通过设置在定子的底面板37中的凹槽36彼此连接。这意味着同一群组中的腔中的每一个中的压力是均衡的。当转子环行时，这些腔组中的每组的总体积以谐波方式变化。用于流体柱的位移激励是通过将流体柱连接到组腔中的一组来实现的。激励频率与转子的环行频率ω_环行相同。

可以以多种方式驱动转子。在图9B中所示的实施例中，转子由万向节轴38驱动，万向节轴38在第一端部处连接到驱动轴39，并且在第二端部处连接到转子30。转子以等于驱动轴的驱动频率ω_驱动的频率ω_自旋自旋。如上文所阐述，环行频率ω_环行，以及因此激励频率是驱动频率的N倍，因此***具有内置的增速齿轮。

转子30的备选驱动布置在图10A和图10B中示出。在这种布置中，转子直接连接到驱动轴39，并且相对于驱动轴的中心40具有偏心度e。在这种情况下，转子被迫以等于驱动频率ω_驱动的环行频率ω_环行绕定子中心环行。这也是流体柱的激励频率。环行运动引起自旋运动。这种布置需要更高的驱动速度来实现与先前布置相同的激励频率，但是允许更紧凑的布局。在这种情况下，压力由轴承元件(未示出)承载，而不是像在先前的布置中那样由定子销承载。

在上文关于图9和图10描述的实施例中，两组腔中只有一组连接到流体柱。在此情况下，转子承受到如下压力：

F_最大＝p_最大*A_压力

F_最小＝p_最小*A_压力

其中p_最小和p_最大是流体柱中的最大压力和最小压力，并且A_压力是压力作用于其上的面积。在备选实施例中，第二组腔可以连接到压力等于流体柱的平均压力p_平均的恒定压力源。这显著减小了转子上的压力：

F_最大＝(p_最大-p_平均)*A_压力

F_最小＝(P_平均-P_最小)*A_压力，

或者

F_{最大/最小}＝±(p_振幅)*A_压力

其中p_振幅是流体柱中的压力振荡振幅。因此，转子上的最大力比第二组腔未连接到压力源的情况至少低50％。如图11中所示，恒定压力源可由连接到B腔的气体蓄能器41提供。A腔如前所述与流体柱流体连通，并且转子由驱动器马达42驱动。由蓄能器供应的压力将会有轻微的变化，但一旦气体蓄能器相对较大，这种变化就较小。如图11中所示，与流体柱中的压力变化相比，转子上的压力大大降低。由于转子30没有密封件，在A腔与B腔之间以及从腔到驱动器轴壳体之间将存在泄漏。图11中所示的布置还允许通过将B腔连接到与流体柱中的平均压力相同的压力下的压力源43来补偿腔与驱动器轴壳体之间的泄漏49。

图12图示了在各种频率下激励根据本发明的钻进装置所需的输入扭矩。响应1201中的峰值对应于***的固有频率。当激励频率接近固有频率之一时，增加激励频率所需的附加扭矩增加。如果输入到位移激励装置的扭矩为C₁，并且该***从静止开始，则它将试图在激励频率ω₁下操作，该激励频率ω₁接近该装置的一阶固有频率ω_n1。如果输入扭矩增加到C₂，则激励频率为ω₂，这更接近于一阶固有频率ω_n1。输入扭矩进一步增加到C₃导致激励频率跃升到ω₃，这接近于二阶固有频率ω_n2。输入扭矩进一步增加到C₄，将激励频率增加到ω₄，接近三阶固有频率。因此，通过选择适当的输入扭矩，可以选择激励频率距固有频率的距离，从而可以选择钻进速度。

图13图示了频率响应如何基于不同的岩石条件而变化。第一响应曲线1301对应于第一岩石条件，并且第二响应曲线1302对应于第二岩石条件。对于恒定的输入扭矩C，激励频率将根据岩石条件而变化。

在其他实施例中，控制输入可以是驱动器马达42的输入压力或输入功率，而不是扭矩。图14A和图14B图示了图11中所示***的可能控制布置。在图14A中，控制布置包括由控制单元45(或手动地)控制的压力补偿泵44，以为马达42提供恒定的驱动压力。备选地，泵可以被控制以向驱动马达提供恒定的输出功率。在图14B中，泵是固定排量泵46，并且可调减压阀47由控制单元45控制，以向驱动马达提供所需的输入压力p_控制。

用于图11中所示***的控制布置的另外的示例在图15A和图15B中图示。在这些实施例中，诸如针阀48的可调限流器设置在通往驱动器马达42的供应管线中(如图15A中所示)或储罐管线中(如图15B中所示)。马达42的驱动器压力是p_恒定，减去针阀48上的压降。压降根据阀开度和通过阀的流速(即马达的速度)而变化。针阀可以由控制单元45或手动调整。控制单元可包括作为致动器的螺线管、电压或电流调节器以及用于控制调节器输出的电位计。

当参考本发明在本文中使用时，词语“包括/包含”和词语“具有/含有”用于指定所叙述的特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、部件或其群组的存在或添加。

应当理解，为了清楚起见，在单独实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合地提供。相反，为简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可单独提供或以任何合适的子组合的形式提供。

Claims (19)

1.一种钻进装置，所述钻进装置包括：

至少一个钻杆，所述钻杆或每个钻杆具有第一圆柱形壁，所述第一圆柱形壁限定细长腔室，所述细长腔室用于接收工作流体以形成流体柱，所述流体柱的长度等于所述钻杆或每个钻杆的细长腔室的总长度；

位移激励装置，所述位移激励装置布置在所述流体柱的近侧端部处，并且被配置成激励所述流体柱以使所述流体柱中的所述工作流体振荡，其中所述位移激励装置被配置成以激励频率激励所述流体柱，所述激励频率为所述流体柱的固有频率或在所述流体柱的固有频率±所述固有频率的10％的范围内，所述固有频率基于在所述流体柱的近侧端部处具有固定边界条件的所述流体柱确定；以及

可移动地安装在所述流体柱的远侧端部处的工具活塞和连接到所述工具活塞的钻进工具，使得所述流体柱中的所述工作流体的振荡向所述钻进工具施加振荡力。

2.根据权利要求1所述的钻进装置，其中，所述钻杆或每个钻杆在使用期间设置在钻孔中。

3.根据权利要求1或2所述的钻进装置，其中，所述钻进工具是旋转三锥钻头，并且其中，所述钻进装置能够绕纵向轴线旋转。

4.根据前述权利要求中任一项所述的钻进装置，其中，所述工作流体是液体。

5.根据权利要求4所述的钻进装置，其中，所述液体是液压油。

6.根据权利要求4所述的钻进装置，其中，所述液体是水。

7.根据权利要求6所述的钻进装置，还包括：

在所述流体柱的远侧端部处的用于水的至少一个出口；

用于以输入流速将水泵入所述流体柱中的构件；

使得所述水在所述第一圆柱形壁与所述工具活塞之间沿着泄漏流体路径流动并以等于所述输入流速的泄漏流速流出所述至少一个出口。

8.根据权利要求7所述的钻进装置，其中：

所述钻杆或每个钻杆包括第二圆柱形壁，所述第二圆柱形壁布置在所述第一圆柱形壁的至少一部分的外部，使得环形冲洗通道限定在所述第一圆柱形壁与所述第二圆柱形壁之间，并且所述环形冲洗通道被配置成在其近侧端部处接收冲洗流体并在其远侧端部处排放所述冲洗流体；并且

用于水的所述至少一个出口设置在邻近所述冲洗通道的所述远侧端部处。

9.根据权利要求7所述的钻进装置，其中：

所述至少一个出口设置在所述钻进工具的远侧面处。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的钻进装置，其中：

所述钻杆或每个钻杆包括布置在所述第一圆柱形壁内部的第二圆柱形壁，使得所述细长腔室是限定在所述第一圆柱形壁与所述第二圆柱形壁之间的环形细长腔室，并且冲洗通道限定在所述第二圆柱形壁内，并且所述冲洗通道被配置成在其近侧端部处接收冲洗流体并在其远侧端部处排出所述冲洗流体。

11.根据前述权利要求中任一项所述的钻进装置，其中，每个细长腔室具有长度l，并且所述流体柱的长度是l的整数倍。

12.根据前述权利要求中任一项所述的钻进装置，其中，所述位移激励装置使所述流体柱中的所述工作流体在所述流体柱的纵向方向上往复地移动。

13.根据权利要求12所述的钻进装置，其中，所述位移激励装置包括激励活塞，所述激励活塞设置在所述细长腔室的近侧端部中，使得所述激励活塞的前端部形成所述流体柱的近侧端部壁，并且所述激励活塞联接到曲轴机构，使得所述活塞能够在所述流体柱的纵向方向上被往复驱动，以使所述流体柱的近侧端部壁往复移位。

14.根据权利要求12所述的钻进装置，其中，所述位移激励装置包括凸轮机构，所述凸轮机构被布置在所述细长腔室的近侧端部处，使得多个活塞中的每一个能够由可旋转凸轮在径向方向上往复驱动，从而以往复方式改变其中建立所述流体柱的所述细长腔室的体积。

15.根据权利要求12所述的钻进装置，其中，所述位移激励装置包括外摆线机构，所述外摆线机构包括多瓣叶转子，所述多瓣叶转子具有N个瓣叶，所述N个瓣叶布置成在具有N+l个瓣叶的多瓣叶定子内环行，使得在所述转子与所述定子之间产生具有变化体积的N+l个腔，并且其中所述N+l个腔的第一群组彼此流体连通并与所述细长腔室流体连通，从而以往复方式改变其中建立所述流体柱的所述细长腔室的体积。

16.根据权利要求15所述的钻进装置，其中，所述N+l个腔的第二群组彼此流体连通，并且连接到处于基本恒定压力的流体源。

17.控制根据前述权利要求中任一项所述的钻进装置的激励频率的方法，所述方法包括：

设置用于所述位移激励装置的输入扭矩，由此至少基于所述输入扭矩和所述流体柱的频率响应来确定所述激励频率。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述激励频率进一步基于待钻进材料的条件。

19.一种基本上如上文参考附图中的图1、图5A和图5B、图6A和图6B、图7、图8A和图8B、图9A和图9B、图10A和图10B、图11、图14A和14B、图15A和15B或图16所描述的和/或如在图1、图5A和图5B、图6A和图6B、图7、图8A和图8B、图9A和图9B、图10A和图10B、图11、图14A和14B、图15A和15B或图16中所图示的钻进装置。

Images