CN101076654B - 用于控制钻凿参数的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在凿岩期间用于控制钻凿参数的设备及方法。该设备被布置为钻具可通过一个或多个钻柱组件与钻机相连，其中该设备包括一装置，该装置用于在凿岩期间旋转钻具、以及用于对从以下组中选择的一个或多个结构之间的紧固接头提供紧固转矩：钻具、一个或多个钻柱组件以及钻机。上述设备被布置为基于可用的紧固转矩来控制钻具的转速。

Description

用于控制钻凿参数的设备及方法

技术领域

本发明涉及在凿岩期间用于控制钻凿参数的设备及方法。

背景技术

在凿岩时，经常使用通过一个或多个钻柱组件与钻机相连的钻具。钻凿可以以多种方式执行，譬如旋转式钻凿，其中利用高压将钻具压向岩石，然后利用譬如由碳化钨制成的硬金属元件来压碎岩石。执行凿岩的另外一种方式是使用冲击式钻机，其中钻柱在活塞冲击的位置配备有钎尾(drill steel shank)，由此将冲击脉冲通过钻柱传递给钻具，然后进一步传递至岩石。冲击式钻凿与钻柱的旋转相结合，以便钻头的钻头元件在每次冲击时总是击打新岩石(譬如，并不击打前次冲击所产生的钻孔)，这样增加了钻凿的效率。

使用旋转式钻凿的问题在于，在某些情况下，钻头(钻头的钻头元件)可能“卡”在岩石中，由此钻头在钻柱由于系统惯性而继续旋转的同时却停止旋转。这样导致了钻柱中的扭转振动，该扭转振动进而成为倾向于使钻具和/或钻柱和/或钻机的接头发生松散(脱离)的松散(脱离)力的源头，因为这些接头通常由带螺纹的接头构成，其可能由于上述松散力而松脱。接头的松开会导致破坏性的发热并毁坏螺纹。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种用于控制钻凿参数的设备，该设备能够解决上述的问题。

本发明的另一目的在于提供一种用于控制钻凿参数的方法，该方法能够解决上述的问题。

通过以下技术方案所限定的用于控制钻凿参数的设备和方法，这些及其他目的按照本发明能够得以实现。

按照本发明，上述目的可以通过一种在凿岩期间用于控制钻凿参数的设备而得以实现，其中该设备被布置为钻具可通过一个或多个钻柱组件与钻机相连。该设备包括譬如旋转马达的装置，用于在钻凿期间旋转钻具并对从以下组中选择的一个或多个结构之间的紧固接头提供紧固转矩：钻具、一个或多个钻柱组件以及钻机。上述设备还被布置为基于可用的紧固转矩来控制钻具的转速。

这样的优点在于，当将接头保持在一起所需的紧固转矩取决于转速而定时，钻柱的转速可以降低，以致可用的紧固转矩也变得足以将接头保持在一起。

此外，这样的优点在于，本发明可较好地适用于所谓的启动钻凿(start-up drilling)或打眼过程。由于在启动钻凿期间使用了较小的进给力，既然紧固转矩与进给力相关，所以这样也会影响可用的紧固转矩。通常，将转速设定为与完全钻凿期间的冲击压力相适应，该冲击压力通常又连同完全钻凿期间所用的进给压力一起使用。如此，将基于显著大于启动钻凿期间的可用紧固转矩来确定转速，这样增加了上述的产生松散转矩的风险，由此可能发生对钻柱的损坏。与此相反，利用本发明，转速得以降低并与可用的紧固转矩相适应，由此避免了松散和与其相关的损坏。

可用的转矩可以作为旋转压力的函数而获得。这样的优点在于，可以以简单的方式获得可用的紧固转矩。

上述设备还可以包括用于将钻具压在岩石表面上的进给装置，其中上述设备可以进一步被布置为，通过增大/减小进给压力来增大/减小可用的紧固转矩。

上述设备可以进一步被布置为，通过感测、监测、测量或计算从而连续地和/或以一定间隔获得旋转压力，并将所获得的旋转压力与钻具当前转速所需的旋转压力相比较，如果当前压力小于所需压力，则降低钻具的转速。这种比较可以利用所需旋转压力与钻具转速之间的关系式来执行，和/或利用包含所需旋转压力与钻具转速之间关系式的一览表来执行。

这样的优点在于，在整个钻凿处理期间，可以确保转速相对于旋转压力而言不会过高。

上述设备可以进一步被布置为，利用进给压力来控制转速。

本发明还涉及类似的方法，由此可获得与上述相一致的优点。所述方法为在凿岩期间用于控制钻凿参数的方法，其中钻具可以通过一个或多个钻柱组件与钻机相连，该钻具在钻凿期间发生旋转并且紧固转矩被提供给从以下组中选择的一个或多个结构之间的紧固接头，所述组包括：钻具、一个或多个钻柱组件以及钻机，其中，基于可用的紧固转矩来控制钻具的转速。

其他的优点，可以从本发明的多个方面获得并通过以下具体描述而变得明显。

附图说明

图1显示了可以应用本发明的钻机的示例。

图2显示了所需旋转压力与转速之间关系的图表。

图3显示了按照本发明的控制系统。

具体实施方式

图1中，显示了可以应用本发明的示范性凿岩设备10。该设备包括钻机1，其在运行时通过由一个或多个钻柱组件3a、3b组成的钻柱3与譬如钻头2的钻具相连，其中最为接近钻机的钻柱组件构成布置在机器内部的适配器4。所述钻机还包括震击活塞5，该活塞可以沿着钻柱3的轴向方向往复地移动。在钻凿期间，能量从震击活塞5经由适配器4传递给钻柱3，然后从钻柱组件传递至钻柱组件，并最终通过钻头2到达岩石6。

钻头2除了承受冲击脉冲之外，它发生旋转以便钻头总是击打新岩石，这样可增加钻凿的效率。钻头2通过钻柱3而发生旋转，钻柱进而优选通过旋转马达7发生旋转。

岩石钻机1还可以通过进给马达或汽缸以常规方式沿着进给杆8移动，譬如使用链条或钢索，由此总是将钻机1压向岩石6。为了防止钻柱组件3a、3b接头在钻凿期间发生脱离(松散)，钻机1还包括套筒11，其通过活塞被推向适配器4并由此推向钻柱3，以使钻头更好地接触于岩石6并譬如在冲击装置发生冲击时不会暴露在空气中。还可以使用活塞12，以便减少来自钻头2冲击岩石的反射。

在钻凿期间，对钻柱3设定转速，由此设定钻头2的转速。可以始终按照冲击装置的频率来调节转速，这样钻头的钻头元件将不管冲击装置的频率始终终止于期望位置上。例如，钻头在下一次冲击时可以始终击打在前次冲击的钻头位置之间。

获得钻头周缘(钻头直径D)的期望指数z所需的旋转数目n(即，转速)，可以通过下列等式进行计算：

$N=\frac{z}{\mathrm{\πD}}\·f\·60\left[\mathrm{rpm}\right]$

其中f是冲击频率。如果钻头的磨损变得过大，按照上述等式的旋转数目将减小。通常，在改变冲击压力时不存在速度改变，因为冲击频率仅仅取决于冲击压力的平方根。事实上，按照上述等式的旋转数目被计算用于所用的最大冲击压力，以及相关的冲击频率。

在钻凿期间，钻柱转矩的大小对于钻柱组件接头是否充分紧合是决定性的。通常，使用旋转压力来计算转矩。然而，如果使用旋转压力不能获得足够的紧固转矩(除了转速之外，所需的紧固转矩还受到岩石和钻头的影响)，则可以增大进给力来获得足够的转矩。

在某些情况下，所需的紧固转矩并不足以确保钻柱接头被紧固，接头由此会松开。

按照本发明，通过将转速减小至与可用的紧固转矩相适应，可以解决该问题。

紧固转矩不足情况的一个示例是如上所述的所谓启动钻凿或打眼期间。重要的是启动以正确方式来执行，因为这时钻孔的方向得到确定。方向上的错误和可能的弯曲都会导致大的偏差，而这进而导致对钻凿设备大的荷载，以及更加难以爆破的工况。

为了获得令人满意的启动钻凿以确保钻孔终止在期望位置上并具备正确的方向，尤其期望利用减小的进给力来钻出钻孔的第一部分，由此避免钻钢在岩石表面滑动，该岩石譬如由于先前的爆破而往往是不平坦和不均质的。相应地，在启动钻凿期间，不可能任意地增加进给力而不影响钻孔的定位/方向。

对于示范性钻机，启动钻凿期间的进给压力譬如可以起始为130巴，并增加至完全钻凿期间的200巴。如果基于最高进给压力及相关的高冲击频率来计算钻柱转速、并利用该转速来执行启动钻凿，则存在钻具卡住的重大风险，并由于先前所述的扭转旋转，产生大于可用紧固转矩的松散转矩，从而导致具有破坏性发热的接头松开以及作为其结果的螺纹毁坏。

在启动钻凿期间，钻头不必以与最佳穿孔率相适应的速度发生旋转，更重要的是，钻凿以可靠的方式来执行。由此，利用本发明，转速得以与适用的紧固转矩相适应。

在图2中，显示了所需旋转压力作为转速的函数而增加的图表。从图表中可以看出，旋转压力(和由此的转矩)与转速之间存在一定关系。pr0表示钻头不与岩石相接触时旋转钻柱所需的无荷载旋转压力，并尤其由马达、齿轮箱等中的摩擦所产生。在图表中，点A表示示范性钻机处于最高压力(譬如200巴)时的转速n_完全和旋转压力p_完全。如图表中所示，该旋转压力要大于启动钻凿期间可用的旋转压力p_启始，这时不可能使用该最大进给压力而不冒钻孔方向/位置发生错误的风险。如果在启动钻凿期间使用该n_完全，则存在接头松开并带来上述后果的重大风险。与此相反，如果将转速降低至由图2中点B所表示的值，将可以使用足以将接头保持在一起的旋转压力/紧固转矩来旋转钻柱，因为所需的旋转压力要小于可用的压力。如图2中所示，无荷载压力与最大转速时的旋转压力之间的差值为20巴。然而，该压力仅仅作为示例，其当然可以是适用于实施本发明的具体钻凿设备的其他任何值。

在图3中，显示了用于控制转速的控制系统。该控制系统包括控制单元30，用于旋转马达7压力的传感器31和用于钻柱转速的传感器可以连接于该控制单元30。钻柱的转速譬如可以由经过旋转马达的流量来表示，或者通过直接测量钻柱的旋转而获得。作为选择，该转速也可以由旋转马达的电压来表示。一定的电压通常会导致一定的转速，该转速反过来会导致一定的流量。通过测量电压，由此可以推算出流量，这样的优点在于不再需要流量表。控制单元30可以进一步被布置为对阀33、34进行控制，这些阀譬如可以用于控制经过旋转马达7的流量和进给压力。作为选择，所述控制单元还可以被布置为给另外的控制单元提供数值，该另外的控制单元反过来对各种压力进行控制。

譬如通过测量、感测或监测来获得当前转速和旋转压力，从而控制过程得以执行。所测量的旋转压力接着与如图2中图表所示的、旋转压力和转速之间的预定关系相比较。这种比较譬如可以通过一览表来执行，该一览表中储藏有各种转速对应的所需旋转压力。基于上述比较，经过旋转马达7的流量、以及由此的转速可以得到控制。替代于使用一览表，也可以利用转速与所述旋转压力之间的数学关系式来计算所需的旋转压力。

如果最大的旋转压力不足以确保钻柱接头保持在一起，则控制单元将增大进给压力，由此增大旋转压力。另一方面，如果旋转压力已经处于最大值，或者譬如在启动钻凿期间存在进给压力约束，则可以替代为降低转速。控制单元可以通过以下方式对进给压力进行控制：或者直接控制用于控制进给马达/汽缸的流量和压力的阀34，或者给一另外的控制单元提供数值，该另外的控制单元反过来控制进给马达/汽缸的压力/流量。如果本发明应用于启动钻凿时期，其中冲击压力和进给压力从初始的较小程度转变成基本完全的钻凿程度，则可用的进给压力将始终发生改变，这样与此相一致的转速也始终发生改变(增大)。

以上结合启动钻凿过程描述了本发明。然而，本发明也可以应用于正常的钻凿过程。例如，如果岩石包含许多裂缝或者岩石硬度相当大程度地发生改变，则可能发生可用的紧固转矩不足以确保钻头/钻柱组件/钻机之间的接头保持在一起。应用按照本发明的控制原理，转速立即得以减小，以致所需的紧固转矩得以减小。例如，在此场合下，转速可以精确地减小至与可用的紧固转矩相一致。

以上参照一种具体类型的钻机描述了本发明。但本发明当然可以运用于其他类型的钻机，譬如不具有缓冲器和套筒的钻机。

Claims (9)

1.一种在凿岩期间用于控制钻凿参数的设备，其中该设备被布置为钻具通过一个或多个钻柱组件与钻机相连，并且该设备包括一装置，该装置用于在钻凿期间旋转钻具、以及用于为从以下组中选择的一个或多个结构之间的紧固接头提供紧固转矩，所述组包括：钻具、一个或多个钻柱组件以及钻机，其特征在于，所述设备被布置为基于可用的紧固转矩来控制钻具的转速。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述装置包括旋转马达。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，该设备被布置为作为旋转压力的函数来获得可用的转矩。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，该设备进一步被布置为：

通过感测、监测、测量或计算从而连续地或以一定间隔获得旋转压力，以及

将所获得的旋转压力与钻机当前转速所需的旋转压力相比较，如果当前压力小于所需压力，则降低钻具的转速。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，该设备进一步被布置为，利用所需旋转压力与钻具转速之间的关系式来执行上述比较，或利用包含所需旋转压力与钻具转速之间的关系式的一览表来执行上述比较。

6.一种在凿岩期间用于控制钻凿参数的方法，其中钻具可以通过一个或多个钻柱组件与钻机相连，该钻具在钻凿期间发生旋转并且紧固转矩被提供给从以下组中选择的一个或多个结构之间的紧固接头，所述组包括：钻具、一个或多个钻柱组件以及钻机，其特征在于，基于可用的紧固转矩来控制钻具的转速。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，作为旋转压力的函数来获得可用的转矩。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于进一步包括以下步骤：

通过感测、监测、测量或计算从而连续地或以一定间隔获得旋转压力，以及

将所获得的旋转压力与钻机当前转速所需的旋转压力相比较，如果当前压力小于所需压力，则降低钻具的转速。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，利用所需旋转压力与钻具转速之间的关系式来执行上述比较，或利用包含所需旋转压力与钻具转速之间关系式的一览表来执行上述比较。

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