CN1218114C - 钻孔过程监测*** - Google Patents

Abstract

一种供钻井眼的钻孔机组使用的装置。钻孔机组的冲击机构、顶推机构和旋转机构分别跟钻头连接，这些机构分别由第一、第二和第三种压力下的第一、第二和第三种流体驱动，分别将冲击力、推力和转矩传递给钻头。冲击力、推力和转矩分别随第一、第二和第三种压力改变。所述装置包括分别与第一、第二和第三种流体连通的第一、第二和第三压力传感器，分别输出随第一、第二和第三种压力而改变的第一、第二和第三电信号。位置传感器输出随相对于基准点的钻头深度而改变的第四电信号。仪器监测第一、第二、第三和第四信号并产生关于冲击力、推力、转矩和深度的相应的图表曲线。

Description

钻孔过程监测***

本申请要求2000年9月22日提交的美国临时申请No.60/234,535的优先权，并以该临时申请作为参照。

技术领域

本发明涉及地面钻孔***，具体地是指对冲击回转式钻孔机的钻孔过程的独立、自动、连续和实时测量和记录仪器与方法。

背景技术

在钻孔作业中，使用钻孔机组在地面钻孔。人们往往希望对钻孔作业的进程进行监测。

发明内容

一种装置用于钻孔机组。该钻孔机组上装有钻头。钻孔机组的冲击机构跟钻头相连接。该冲击机构由第一种压力下的第一种流体驱动，将冲击力传递给钻头。冲击力随所述的第一种压力改变。钻孔机组的顶推机构跟钻头相连。该顶推机构由第二种压力下的第二种流体驱动，将推力传递给钻头。推力随所述第二种压力改变。另外，钻孔机组的旋转机构跟钻头相连。该旋转机构由第三种压力下的第三种流体驱动，将转矩传递给钻头。转矩随所述第三种压力改变。所述装置包括与第一种流体连通的第一种压力传感器，输出个随第一种压力改变的第一种电信号。第二种压力传感器与第二种流体连通，输出随第二种压力改变的第二种电信号。第三种压力传感器与第三种流体连通，输出随第三种压力改变的第三种电信号。位置传感器输出第四种电信号，该信号随钻头相对于基准点的深度改变。所述第一种、第二种、第三种与第四种信号由一台仪器监测。该仪器产生作为所述冲击力、推力、转矩与深度的函数的相应的图表曲线。

在最佳实施例中，所述仪器在钻孔作业过程中实时地产生上述图表曲线。第一种、第二种与第三种电信号为模拟信号。第四种电信号为数字信号。所述图表曲线反映向下钻孔、钻孔停顿、钻头抬起和钻杆加接等动作的发生。

按照本发明的第一方面，提供一种独立监测钻孔眼的钻孔机组运行的仪器，其特征在于，所述钻孔机组包括：钻头；跟所述钻头连接的冲击机构，所述冲击机构由在第一种压力下的第一种流体驱动、将冲击力传递给所述钻头，所述冲击力随所述第一种压力改变；跟所述钻头连接的顶推机构，所述顶推机构由在第二种和第三种压力下的第二种和第三种流体驱动、将推力传递给所述钻头，所述推力随所述第二种和第三种压力改变；跟所述钻头连接的旋转机构，所述旋转机构由在第四种和第五种压力下的第四种和第五种流体驱动、将转矩传递给所述钻头，所述转矩随所述第四种和第五种压力改变；所述仪器包括：跟所述第一种流体连通的、输出第一种电信号的第一种压力传感器，该电信号随所述第一种压力改变；跟所述第二种流体连通的、输出第二种电信号的第二种压力传感器，该电信号随所述第二种压力改变；跟所述第三种流体连通的、输出第三种电信号的第三种压力传感器，该电信号随所述第三种压力改变；跟所述第四种流体连通的、输出第四种电信号的第四种压力传感器，该电信号随所述第四种压力改变；跟所述第五种流体连通的、输出第五种电信号的第五种压力传感器，该电信号随所述第五种压力改变；输出第六种电信号的位置传感器，该种信号随所述钻头和钻杆相对于基准点的深度而改变；以及用以自动、实时地和同步地监测所述第一种、第二种、第三种、第四种、第五种、第六种电信号，并且数字存储这六种电信号和它们对应的实际测量时间，进一步产生关于钻头冲击力、推力、转矩，深度和转速的相应的时程图表曲线的仪器。

按照本发明的第二方面，基于本发明第一方面的仪器，其特征在于：所述仪器在钻孔作业过程中自动、实时地和同步地监测所述六种电信号，并且存储这六种电信号和它们对应的实际测量时间的数字，产生所述时程图表曲线。

按照本发明的第三方面，基于本发明第一方面的仪器，其特征在于：所述第一种、第二种、第三种、第四种与第五种电信号为模拟信号。

按照本发明的第四方面，基于本发明第一方面的仪器，其特征在于：所述第六种电信号为数字信号。

按照本发明的第五方面，基于本发明第一方面的仪器，其特征在于：所述时程图表曲线反映向岩土体钻进、推进钻杆、回抽钻杆、钻孔停顿、钻杆加接和钻杆脱开操作的发生与时间。

附图说明

图1为依据本发明的钻孔***的原理图。

图2-9为图1所示的钻孔***产生的曲线图。

具体实施方式

图1给出了本发明的最佳实施例的实例。该最佳实施例即为钻孔***10，其中包括钻孔机组14和监测***16。钻孔机组14执行在地层22钻井眼20这样的钻孔作业。监测***16测量并显示与钻孔作业有关的动态参数。

在本实施例中，钻孔机组14为一个气动冲击旋转式钻机。钻孔机组14的钻头24位于钻柱26的前端，钻柱26由一串钻杆组成。在钻孔作业中，钻头24一边旋转、振动，一边被顶推进入井眼20的底端28。

钻头24跟冲击机构30以一种众所周知的方式连接。冲击机构30把用箭头32表示的、经钻柱26传递的冲击力加到钻头24上、使地面破裂，并驱动钻头24进入井眼20的底端28。冲击机构30由第一种压力下的第一种流体驱动。钻头24上的冲击力的大小取决于第一种压力。

钻头24也跟顶推机构42相连接。顶推机构42把用箭头44表示的、经钻柱26传递的向下的力加到钻头24上，将钻头顶入地面22。顶推机构42还可以把用箭头46表示的、经钻柱26传递的向上的力加到钻头24上，将钻头24抬起。顶推机构42由第二种压力下的第二种流体48和第三种压力下的第三种流体50驱动。所述向下的力的大小取决于第二种压力，向上力的大小取决于第三种压力。

钻头24还跟旋转机构54连接。旋转机构54可以把用箭头56表示的、经钻柱26传递的正向转矩加到钻头24上，以便正向旋转钻头24。钻头24的正向旋转使钻头24磨削地层，向下钻入井眼20的底端28。旋转机构54也可把用箭头58表示的、经钻柱26传递的反向转矩加到钻头24上。钻头24的反向旋转有助于钻头24从井眼20的底端28退出。旋转机构54的正向旋转由第四种压力下的第四种流体60驱动。旋转机构54的反向旋转由第五种压力下的第五种流体62驱动。正向转矩随第四种压力而变。反向转矩随第五种压力而变。

本实施例中，第一种、第二种、第三种、第四种与第五种流体(36、48、50、60与62)均为气体。但是，若用于液压钻孔机组，这些流体即可为液体。流体36、48、50、60与62由压缩机68从共用流体源64压缩进入多支管66，然后输送到各相应的机构30、42与54。这些流体36、48、50、60与62中每一种流体向各自机构30、42与54的输送，均由控制机构70控制。

监测***16包括五个独自的压力传感器71、72、73、74与75，分别用以测量所述五种流体36、48、50、60与62的压力。压力传感器71、72、73、74与75经由流体管线80跟相应的流体36、48、50、60与62连通。每种流体36、48、50、60和62的压力通过各自的管线80引导到相应的压力传感器71、72、73、74和75。每个压力传感器71、72、73、74与75产生随相应的流体36、48、50、60与62的压力改变的模拟电信号。所述信号被输出到相应的电线81、82、83、84与85。

位置传感器86用以测量钻头24相对于基准点的深度。基准点为地层表面的一个固定点92。也可以采用位于钻孔机组14上的某一固定点(图中未示出)作为基准点。深度测量可以采用本技术领域中已知的任何适用的方式。位置传感器86产生数字信号，后者代表某个随钻头24的深度改变的数值。该数字信号经电线96输出。

所述五种模拟信号和一种数字信号经由电线81、82、83、84、85与96输送至微处理机控制器98。该微处理控制器98将五种模拟信号和一种数字信号转换成六种通常为RS232格式的数字数据。微处理控制器98起数据缓冲器的作用，对数据进行处理并改变数据格式。微处理控制器98还实时地经由电线81、82、83、84、85与96同时对六种电信号的数据收集进行控制。微处理控制器98可实时地在磁盘驱动器(图中未示出)上连续存储数字数据。

本实施例中，微处理控制器98将数字数据经由电线99输出至计算机100(本实施例中为个人计算机)。在钻孔作业过程中，计算机100实时地将数字信号连续存储在磁盘驱动器(图中未示出)，并能实时地连续产生相应的数字信号的曲线图。每种曲线图被显示于某种适合的媒体上，例如描画在纸上。

图2-7所示的曲线图102、103、104、105、106与107分别对应于第一种类型钻孔作业的第一种、第二种、第三种、第四种、第五种与第六种数字信号。图8与9所示的曲线图108与109分别对应于第二种类型钻孔作业的第一种与第六种数字信号。

图2-9所示的曲线图102、103、104、105、106、107、108与109具有很多相同的特点。这些特点可参照图2的曲线图102进行说明。曲线图102中，有用以表示信号幅度的垂直坐标轴122。垂直坐标轴122以压力单位千帕(kPa)分度。水平坐标轴124表示相对于以开始时间作为零点的经过的时间。水平坐标轴124以时间单位(秒)分度。曲线图102上有基于与冲击力对应的第一种数字信号的曲线126。沿曲线126的每个点的垂直坐标由该点被测时的第一种压力确定。

在图3所示的曲线图103中，有基于第二种数字信号的曲线126。曲线126为对应于向下推力的第二种压力的函数。类似地，图4所示的曲线图104的曲线126基于第三种数字信号，因此该曲线为对应于向上推力的第三种压力的函数。同样的，图5所示的曲线图105的曲线126基于第四种数字信号，因此该曲线为对应于正向转矩的第四种压力的函数。图6所示的曲线图106的曲线126基于第五种数字信号，因此该曲线为对应于反向转矩的第五种压力的函数。

在图7的曲线图107中，垂直坐标轴122在深度方面以米为单位分度。这点跟曲线图102、103、104、105与106(分别为图2-6所示)不同，这些曲线图中，垂直坐标轴122是关于压力分度的。在图7所示的曲线图107中，曲线126为基于第六种数字信号。因此沿该曲线126的每个点的垂直坐标由该点被测时钻头24(图1)的深度确定。

图8所示的曲线图108跟图2所示的曲线图102类同，但该图是关于第二种类型钻孔作业的曲线图。同样，图9所示的曲线图109跟图7所示的曲线图107类同，但该图是关于第二种类型钻孔作业的曲线图。

本实施例中，曲线126被分别描画在曲线图102、103、104、105、106、107、108与109(图2-9)上。但是，跟同一类型的作业有关的曲线图的水平坐标轴124在大小和时间标度上是同样的。例如，图2-7中的曲线图的水平坐标轴均为0-4000秒的时间标度。

在钻孔作业过程中或结束后，操作员可以对图2-9中所示的曲线图进行判读，以估计钻孔作业的进程、关注作业中的任何不正常现象以及了解地层的断面与性质。操作员还可通过对这些曲线图的判读确定何时进行过不同的操作。例如，根据图9所示的曲线图109可知：A段曲线对应于向下钻孔，B段曲线对应于钻孔停顿，C段曲线对应于抬起钻头124，D段曲线对应于加接钻杆。

以上参照最佳实施例对本发明作了描述。本领域的技术人员会发觉各种改进、变更与修正。这些改进、变更与修正拟纳入权利要求书的范围。

Claims (5)

1.一种独立监测钻孔眼的钻孔机组运行的仪器，其特征在于，所述钻孔机组包括：

钻头；

跟所述钻头连接的冲击机构，所述冲击机构由在第一种压力下的第一种流体驱动、将冲击力传递给所述钻头，所述冲击力随所述第一种压力改变；

跟所述钻头连接的顶推机构，所述顶推机构由在第二种和第三种压力下的第二种和第三种流体驱动、将推力传递给所述钻头，所述推力随所述第二种和第三种压力改变；

跟所述钻头连接的旋转机构，所述旋转机构由在第四种和第五种压力下的第四种和第五种流体驱动、将转矩传递给所述钻头，所述转矩随所述第四种和第五种压力改变；

所述仪器包括：

跟所述第一种流体连通的、输出第一种电信号的第一种压力传感器，该电信号随所述第一种压力改变；

跟所述第二种流体连通的、输出第二种电信号的第二种压力传感器，该电信号随所述第二种压力改变；

跟所述第三种流体连通的、输出第三种电信号的第三种压力传感器，该电信号随所述第三种压力改变；

跟所述第四种流体连通的、输出第四种电信号的第四种压力传感器，该电信号随所述第四种压力改变；

跟所述第五种流体连通的、输出第五种电信号的第五种压力传感器，该电信号随所述第五种压力改变；

输出第六种电信号的位置传感器，该种信号随所述钻头和钻杆相对于基准点的深度而改变；

以及用以自动、实时地和同步地监测所述第一种、第二种、第三种、第四种、第五种、第六种电信号，并且数字存储这六种电信号和它们对应的实际测量时间，进一步产生关于钻头冲击力、推力、转矩，深度和转速的相应的时程图表曲线的仪器。

2.权利要求1的仪器，其特征在于：所述仪器在钻孔作业过程中自动、实时地和同步地监测所述六种电信号，并且存储这六种电信号和它们对应的实际测量时间的数字，产生所述时程图表曲线。

3.权利要求1的仪器，其特征在于：所述第一种、第二种、第三种、第四种与第五种电信号为模拟信号。

4.权利要求1的仪器，其特征在于：所述第六种电信号为数字信号。

5.权利要求1的仪器，其特征在于：所述时程图表曲线反映向岩土体钻进、推进钻杆、回抽钻杆、钻孔停顿、钻杆加接和钻杆脱开操作的发生与时间。

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