CN1890452B - 在钻岩过程中控制功率消耗的方法和***及其钻岩设备 - Google Patents
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Abstract
一种在用钻岩设备的钻岩过程中控制功率消耗的方法，其中，该钻岩设备包括主动力供应装置，用于在钻岩过程中供给动力，该钻岩过程至少包括冲击和/或旋转和冲洗的子过程，该方法包括步骤：至少部分地随孔深而变调整冲洗功率；以及至少控制冲击功率和/或旋转功率和冲洗功率，使得每个子过程的总功率消耗得到控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种在钻岩过程中控制功率消耗的方法。
本发明还涉及一种在用钻岩设备钻岩过程中控制功率消耗的***和钻岩设备。
背景技术
钻岩设备可以用于许多领域中。例如，钻岩设备可以用在隧道掘进、地下开采、岩石加固、反井钻进中，并且可用来钻凿炮眼、灌浆孔和用于安装锚杆的孔。
常常通过冲击钻岩的方式进行钻岩，在这种撞击钻岩中，安装在钻杆一端上的钻具借助汽锤活塞提供冲击脉冲，该汽锤活塞布置在钻杆的相对侧上，并且布置成被驱动重复地冲击钻杆。在钻具的最外端上具有钻头，该钻头穿过岩石并在汽锤活塞冲击时将其破碎。
还可将钻具紧压在岩石上，以在钻具和岩石之间保持接触，从而确保尽可能多的、使来自汽锤活塞的冲击能量传递到岩石中。为了使钻眼过程更加高效，还可使钻具在冲击之间有点旋转，以便在每次冲击时使钻头撞击新的位置。用合适的介质从孔中冲走钻屑。在地面钻眼设备中，这种介质通常是空气，而在地下作业设备中，这种介质通常是水。另一方面，在这两种设备中可以采用具有或者没有化学添加剂的水雾。
钻岩设备还包括主动力供应装置，比如柴油机，该装置用来为钻岩设备中需要动力的功能部件产生动力。这些功能部件可包括：压缩机，用于产生冲洗压力/流、冲击动力、旋转动力、进给动力、进给速度；液压泵；冷却风扇。
通过只用旋转和外加压力破碎岩石的设备或者只用旋转破碎岩石的设备也可进行钻岩作业。
主动力供应的大小这样设定，即总是同时用它们的最大输出功率使用所有功能部件，以确保正常的功能。
但是，现有钻岩设备的问题是，在钻孔过程中，它们常常消耗要比所需的更多的功率，这导致过度的燃料消耗，并且产生热量和噪声。
因此，需要有解决上述问题的、改进钻岩的方法。
发明内容
本发明的一个目的是，提供一种在钻岩过程中用来解决上述问题的、控制功率消耗的方法。
为此，本发明提供了一种在用钻岩设备钻岩过程中控制功率消耗的方法，其中，钻岩设备包括主动力供应装置，用于在钻岩过程中供给动力，该钻岩过程至少包括冲洗子过程，并且包括冲击子过程和旋转子过程中的至少一个，该方法包括步骤：
-至少部分地随孔深而调整冲洗功率；以及
-至少控制冲击功率和/或旋转功率和冲洗功率，使得每个子过程的总功率消耗得到控制。
优选地，在该方法中，冲洗功率还至少部分地随孔径和/或钻杆的直径而进行调整。
优选地，在该方法中，控制每个子过程的总功率消耗，使得来自主动力供应装置的功率输出量保持在预定水平或者低于该水平。
优选地，在该方法中，在整个钻岩过程中，冲洗介质的流量基本保持不变。
优选地，在该方法中，冲洗介质的流量随着孔深的增长而增大。
优选地，在该方法中，连续不断地测量孔深。
优选地，在该方法中，连续不断地测量冲洗介质的流量。
优选地，在该方法中，利用计算机装置确定所需的冲洗功率。
优选地，在该方法中，计算机装置连接到存储器上，在该存储器中储存一图表，该图表包括至少部分地含有钻具类型和/或钻杆类型和/或孔深的一个或者多个目录，并且根据储存的数值确定冲洗功率。
优选地，在该方法中，利用液压顶锤进行冲击。
本发明的另一个目的是，提供一种在钻岩过程中用来解决上述问题的、控制功率消耗的***。
为此，本发明提供了一种在用钻岩设备钻岩过程中控制功率消耗的***，其中，钻岩设备包括主动力供应装置，用于在钻岩过程中供给动力，该钻岩过程至少包括冲洗子过程，并且包括冲击子过程和旋转子过程中的至少一个，该***包括：
用于调整至少部分地随孔深而变的冲洗功率的装置；以及
用于至少控制冲击功率和/或旋转功率和冲洗功率的装置，使得每个子过程的总功率消耗得到控制。
优选地，该***还包括装置，该装置用于对冲洗功率至少部分地随孔径和/或钻杆的直径而变地进行调整。
优选地，该***布置成控制每个子过程的总功率消耗，使得来自主动力供应装置的功率输出量保持在预定水平或者低于该预定水平。
优选地，该***布置成在整个钻岩过程中，使冲洗介质的流量基本保持不变。
优选地，该***布置成使冲洗介质的流量随着孔深的增长而增大。
优选地，该***布置成连续不断地测量孔深。
优选地，该***布置成连续不断地测量冲洗介质的流量。
优选地，该***布置成利用计算机装置确定所需的冲洗功率。
优选地，在该***中，计算机装置连接到存储器上，布置该存储器以储存一列表，该列表包括至少部分地含有钻具类型和/或钻杆类型和/或孔深的一个或者多个目录，并且将冲洗功率配置为根据所存储的数值来确定。
优选地，在该***中，利用液压顶锤进行冲击。
本发明的又一个目的是，提供一种解决上述问题的钻岩设备。
为此，本发明提供了一种包括上述***的钻岩设备。
按照一种在钻岩设备的钻岩过程中用于控制功率消耗的方法，该方法包括：至少部分地随孔深而变的调整冲洗功率；以及至少控制冲击功率和/或旋转功率和冲洗功率，使得每个子过程的总功率消耗得到控制，从而将来自主动力供应装置的功率输出量保持在预定水平或者小于该水平。
这具有这样的优点，即在一定孔深中只用所需的功率量进行冲洗，而剩余功率则可用于其它功能和/或节省功率，从而导致例如燃料消耗更少、噪声更低和热量更小。
冲洗功率还可至少部分地随孔径和/或钻杆的直径而变进行调整。
在整个钻眼过程中，冲洗介质的流量可基本保持不变，即冲洗功率随着孔深的增长而增大。还要连续不断地测量孔深。这具有这样的优点，即将流量精确地可保持在控制冲洗钻眼所需的流量水平上，因此，在整个钻眼过程中，使冲洗功率始终保持在最低的合理值上。
冲洗介质的流量可随着孔深的增长而至少稍微增大。这具有这样的优点，即当孔深增长时，流量可稍微增大，以便进一步补偿孔深和/或钻杆接头和/或往往会粘在钻眼壁上的钻屑。
利用计算机装置确定所需的冲洗功率。该计算机装置可以连接到存储器上，在该存储器中储存一图表，该图表包括钻具类型和/或钻杆类型的一个或者多个目录，并且优选地包括将要与选择组合一起使用的计算参数。根据储存的有关钻具类型和/或钻杆类型和/或孔深的数据可确定冲洗功率。这具有这样的优点，即将冲洗介质的流量可保持在例如与使用的钻具直径和/或钻杆直径无关的所需值上。
本发明可以用在传统的钻岩设备中，例如用在采用冲击或者旋转或者它们的组合的设备中。
附图说明
图1示出本发明的钻岩设备的典型实施例。
图2示出描述本发明典型实施例的方框图。
具体实施方式
图1示出本发明的典型钻岩设备。在图中示出钻岩设备1，在这个示例中为地面钻井架。所示钻井架1用于钻孔2，从地面开始，目前孔到达深度α并将会使导至一深为β的孔，例如30米，完成的孔用虚线表示。(示出的钻井架高度/孔深的关系预计不精确。钻机的总高度γ例如可为10米)。
钻井架1设有顶锤11，该顶锤11通过钻岩机架13安装到进给机构5上。进给机构5通过进给保持架12连接到支臂15上。顶锤11通过由杆支撑件14支撑的钻杆6向具有一个或者多个钻头4的钻具3提供冲击作用。顶锤11的动力来自由柴油机9驱动的、通过导管连接到进给机构5上的液压泵10(液压进给机构在图中未示出)。利用压缩空气将钻屑从孔2中冲洗出来，该压缩空气通过优选位于钻杆6中心的管供给，并从钻具3附近排出。压缩空气将钻屑向上经过孔2并从其中冲洗出来，如图1朝上的箭头所示那样。作为代替压缩空气，其它冲洗介质也可使用，例如具有或者没有化学添加剂的水雾。压缩空气从压缩机8通过管7供给到钻杆6。压缩机8又用柴油机9驱动。
在当前的钻井架中，柴油机9应足够大，以能同时全速地驱动压缩机和液压泵，以及驱动冷却风扇和其它器具。在钻孔期间，总是以最大速率或者接近其最大速率驱动压缩机，并且由于压缩机可消耗例如300hp柴油机总输出量中的例如120hp，因此压缩机消耗大量的燃料，这导致产生大量的废气、噪声和热量，由于冷却风扇需要更强烈地驱动，因此又进一步导致更大的噪声和更多的燃料消耗。
但是，根据本发明，通过以当前所需的功率级驱动压缩机，可以减少这些缺点。例如，在钻眼开始时，产生足以排出钻屑的冲洗介质流所需的冲洗功率相对较小，因此压缩机不需要输送比这所需更大的功率。这意味着，以减小的功率输出量也可驱动柴油机，因此导致燃料消耗降低，产生的热量较少并且产生的噪声也小。另一方面，通过用减小的输入功率驱动压缩机这样节省的功率可以用来使更多的功率能分配到顶锤中，这比用其它方法更为合理，因而导致在孔的第一部分和/或大部分中钻眼速度更快。
根据压缩机的类型，可以不同的方式完成该压缩机的功率降低。例如在容积式压缩机的情况下，通过降低R.P.M或者通过关闭入口给压缩机卸载可降低功率。
现参照图2描述压缩机功率的控制，该图2示出控制***的方框图。该图示出具有柴油机22的钻井架21。柴油机直接或者间接地连接到压缩机23、液压泵29、冷却风扇24、其它器具25、顶锤26和控制器27，比如计算机。该控制器还连接到压缩机23和/或液压泵和/或冷却风扇24(多个)和/或器具25上。
为了控制压缩机功率，例如安装在进给机构上的传感器28为控制器27提供有关当前孔深的信息，然后控制器27例如通过CAN总线将包括有关哪个功率/压力应当输送的信息的控制信号传送到压缩机23中，以便产生所需的冲洗介质流。必要时，控制器可以进一步将控制信号，例如所需的功率值，发送到柴油机和/或冷却风扇和/或其它器具。控制器27可包括位于其中或者与其连接的存储器30，在该存储器中储存有由于压缩机设定值对孔深的所需数值，使得压缩机可以得到正确的调整。另一方面或者此外，还可以储存与孔深一起使用的计算参数，以计算所需的压缩机功率。这些计算参数可与钻具的类型和/或钻杆的类型相关。优选地，为钻具和/或钻杆的每个可能组合储存计算参数。在替换的实施例中，具有储存在存储器中的列表，其中，每个列表包括每个组合的压缩机设定值与深度。例如，可为每一厘米或者分米或者米增加的孔深储存数值。还可以储存随着孔深增加而使流量增大的数值，以便补偿上述因素。
在另一典型的实施例中(未示出)，检测实际流量的传感器可以连接到控制器上，以使控制器根据流量值能连续地将控制信号发送到压缩机中。该流量例如可以以压缩机每转的升数*每分钟的转数(R.P.M)*工作时间/总时间计算。
在替换的典型实施例中，通过操作人员在控制中设定一数值或者通过人机接口，比如显示器和/或键盘把所需值输入到控制器中可设定所需的流量。
例如，本发明具有这样的优点，即当钻细孔时，在钻眼过程中压缩机不必以全功率运行，因此，在整个钻眼过程中达到节省燃料和/或顶锤额外功率的目的。
在上面说明中，对有关具有液压顶锤钻车的地面钻井架描述了本发明。但是，本发明可以同等地与具有分动力冲洗和钻眼的任何其它类型钻眼设备一起使用。例如，本发明可以与利用冲击和旋转进行钻岩作业的钻岩设备一起使用。本发明也可以用于只利用旋转和外加压力破碎岩石的钻岩作业中，或者只使用旋转进行钻岩的地方例如这可能是钻软岩石，比如在煤矿中。如果使用旋转破碎岩石，则可利用减少冲洗节省的功率用于提高旋转速度，由此使钻眼速度更快。
还应该懂得，许多其它传感器，例如温度传感器可以连接到控制器上，以便为其提供控制钻岩设备作业的有用信息。
Claims (23)
1.一种在用钻岩设备钻岩过程中控制功率消耗的方法，其中，钻岩设备包括主动力供应装置，用于在钻岩过程中供给动力，该钻岩过程至少包括冲洗子过程，并且包括冲击子过程和旋转子过程中的至少一个，该方法包括步骤：
-至少部分地随孔深而调整冲洗功率；以及
-至少控制冲击功率和/或旋转功率和冲洗功率，使得每个子过程的总功率消耗得到控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，冲洗功率还至少部分地随孔径和/或钻杆的直径而进行调整。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制每个子过程的总功率消耗，使得来自主动力供应装置的功率输出量保持在预定水平或者低于该水平。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，控制每个子过程的总功率消耗，使得来自主动力供应装置的功率输出量保持在预定水平或者低于该水平。
5.如权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，在整个钻岩过程中，冲洗介质的流量基本保持不变。
6.如权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，冲洗介质的流量随着孔深的增长而增大。
7.如权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，连续不断地测量孔深。
8.如权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，连续不断地测量冲洗介质的流量。
9.如权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，利用计算机装置确定所需的冲洗功率。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，计算机装置连接到存储器上，在该存储器中储存一图表，该图表包括至少部分地含有钻具类型和/或钻杆类型和/或孔深的一个或者多个目录，并且根据储存的数值确定冲洗功率。
11.如权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，利用液压顶锤进行冲击。
12.一种在用钻岩设备钻岩过程中控制功率消耗的***，其中，钻岩设备包括主动力供应装置，用于在钻岩过程中供给动力，该钻岩过程至少包括冲洗子过程，并且包括冲击子过程和旋转子过程中的至少一个，该***包括：
用于调整至少部分地随孔深而变的冲洗功率的装置；以及
用于至少控制冲击功率和/或旋转功率和冲洗功率的装置，使得每个子过程的总功率消耗得到控制。
13.如权利要求12所述的***，其特征在于，该***还包括装置，该装置用于对冲洗功率至少部分地随孔径和/或钻杆的直径而变地进行调整。
14.如权利要求12所述的***，其特征在于，该***布置成控制每个子过程的总功率消耗，使得来自主动力供应装置的功率输出量保持在预定水平或者低于该预定水平。
15.如权利要求13所述的***，其特征在于，该***布置成控制每个子过程的总功率消耗，使得来自主动力供应装置的功率输出量保持在预定水平或者低于该预定水平。
16.如权利要求12-15中任一所述的***，其特征在于，该***布置成在整个钻岩过程中，使冲洗介质的流量基本保持不变。
17.如权利要求12-15中任一所述的***，其特征在于，该***布置成使冲洗介质的流量随着孔深的增长而增大。
18.如权利要求12-15中任一所述的***，其特征在于，该***布置成连续不断地测量孔深。
19.如权利要求12-15中任一所述的***，其特征在于，该***布置成连续不断地测量冲洗介质的流量。
20.如权利要求12-15中任一所述的***，其特征在于，该***布置成利用计算机装置确定所需的冲洗功率。
21.如权利要求20所述的***，其特征在于，计算机装置连接到存储器上，布置该存储器以储存一列表，该列表包括至少部分地含有钻具类型和/或钻杆类型和/或孔深的一个或者多个目录，并且将冲洗功率配置为根据所存储的数值来确定。
22.如权利要求12-15中任一所述的***，其特征在于，利用液压顶锤进行冲击。
23.一种钻岩设备，其特征在于，该设备设置成包括如权利要求12-22中任一个中所述的***。
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