CN101821472A - 用于动态钻孔过程重新配置的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在钻孔路径转向期间切换水平定向钻井过程的方法。这样的方法可以包括：标识利用不同钻孔技术的多个不同钻孔过程的级别布置，该级别布置代表在改变钻孔工具的轨迹之时钻孔经过较硬土壤的能力增加的钻孔过程；使用通过钻柱连接到钻井机的钻孔工具对弯曲钻孔路径的第一支路钻孔，该第一支路使用多个不同钻孔过程中的第一钻孔过程来钻孔；在第一支路的钻孔期间监视多个钻孔参数，该多个钻孔参数包括：钻柱的扭转压力、钻柱的旋转行进、液压压力和轴向移位；并且从使用第一钻孔过程对弯曲钻孔路径的第一支路钻孔向使用多个钻孔过程中的第二钻孔过程对第二支路钻孔进行切换，该切换基于一个或者多个钻孔参数偏离超过阈值。

Description

用于动态钻孔过程重新配置的设备和方法

技术领域

本发明一般涉及地下钻孔的领域，并且具体地涉及一种用于重新配置钻孔过程以优化钻孔效率的系统和方法。

背景技术

用于水、电、气、电话和有线电视的公用事业管路常常由于安全和美观原因而在地下延伸。在许多情形中，地下公用事业设施可以掩埋于沟槽中，该沟槽然后被回填。虽然在新建筑物领域中有用，但是在沟槽中掩埋公用事业设施具有某些弊端。在支撑现有建筑物的区域中，沟槽可能引起对结构或者道路的严重扰动。另外，很有可能的是挖掘沟槽可能损坏先前掩埋的公用事业设施并且由于挖掘沟槽而扰动的结构或者道路很少能有恢复至它们的原有状况。开放沟槽也可能造成工人和行人受伤的危险。

近来已经开发了钻出水平地下孔的通用技术，以便克服上述弊端以及在运用常规沟槽挖掘技术时未解决的其它弊端。根据也称为水平定向钻井(HDD)或者无沟槽地下钻孔的此类通用水平钻孔技术，钻孔系统处于地表面上并且相对于地表面以倾斜角度将孔钻入地面中。钻井流体通常流过钻孔工具上的钻柱并且回流到钻孔上以便去除切屑物和尘土。在钻孔工具达到所需深度之后，然后沿着基本上水平路径导引工具以产生水平钻孔。在已经获得所需长度的钻孔之后，然后向上导引工具以穿破土地的表面。扩孔器然后附接到回拉经过钻孔的钻柱，由此将钻孔扩大至较大直径。普遍将公用事业设施管路或者其它管道附接到扩孔工具，从而将它与扩孔器一起拖动经过钻孔。

常称为推动扩孔的、与水平定向钻井关联的另一技术包括在钻孔工具已经退出钻孔的出口侧之后在钻孔的入口侧将扩孔器附接到钻柱。然后推动扩孔器经过钻孔，同时从钻孔的出口侧推进离开的钻杆在钻孔的出口位置被个别地断开。有时使用推动扩孔技术，因为它有利地提供钻井流体的再循环。比如在钻孔的出口位置断开钻杆而需要的操作者与钻柱的直接互作用程度比与传统水平定向钻井技术关联的直接互作用程度大得多。

发明内容

本发明涉及一种动态钻孔过程重新配置的系统和方法。

各种方法实施例涉及在钻孔路径转向期间切换水平定向钻井过程。这样的方法可以包括标识利用不同钻孔技术的多个不同钻孔过程的级别布置，该级别布置代表在改变钻孔工具的轨迹之时钻孔经过较硬土壤的能力增加的钻孔过程。这样的方法还可以包括使用通过钻柱连接到钻井机的钻孔工具对弯曲钻孔路径的第一支路钻孔，该第一支路使用多个不同钻孔过程中的第一钻孔过程来钻孔。这样的方法还可以包括在第一支路的钻孔期间监视多个钻孔参数，该多个钻孔参数包括钻柱的扭转压力、钻柱的旋转行进、液压压力和轴向移位。这样的方法还可以包括从使用第一钻孔过程对弯曲钻孔路径的第一支路钻孔向使用多个钻孔过程中的第二钻孔过程对第二支路钻孔进行切换，该切换基于一个或者多个钻孔参数偏离超过阈值。在一些方法中，一个或者多个参数偏离超过参数阈值指示第一钻孔过程相对于多个钻孔过程中的另一钻孔过程对于第二支路的土壤钻孔而言为次优。在一些方法中，切换还包括：在一个或者多个钻孔参数超过最大阈值时向使用级别布置中的较高钻孔过程切换；并且在一个或者多个钻孔参数降至最小阈值以下时向使用级别布置中的较低钻孔过程切换。在一些方法中，最大阈值和最小阈值各自对于级别布置的多个钻孔过程中的各钻孔过程为预定的。在一些方法中，多个不同钻孔过程包括利用不同钻孔技术的不同钻孔过程的级别布置，多个钻孔过程中的各钻孔过程包括钻孔动作的唯一组合。在一些方法中，监视多个钻孔参数还包括将旋转行进和轴向移位参数中的一个或者多个参数除以扭转压力参数和液压压力参数中的一个或者两个参数，以计算指示与机器应力相比的进度的比较值，并且其中在第一钻孔过程与第二钻孔过程之间的切换是基于比较值偏离超过阈值。

各种方法实施例涉及一种切换水平定向钻井过程的方法。这样的方法包括使用多个不同钻孔过程中的第一钻孔过程，使用连接到钻井机的钻孔工具对弯曲钻孔路径钻孔；监视多个钻孔参数；比较多个钻孔参数中的至少一个钻孔参数与参数阈值；并且从使用第一钻孔过程的钻孔向使用多个钻孔过程中的第二钻孔过程的钻孔切换，该切换基于参数比较。在一些方法中，监视多个钻孔参数包括监视指示钻孔进度的至少一个进度参数和指示钻孔机的操作状态的至少一个操作参数。在一些方法中，比较多个钻孔参数中的至少一个钻孔参数与参数阈值包括比较至少一个进度参数与至少一个操作参数以确定参数比较值，其中在使用第一钻孔过程向使用多个钻孔过程中的第二钻孔过程之间的切换是基于参数比较值偏离超过参数阈值。在一些方法中，参数比较值偏离超过参数阈值指示第一钻孔过程相对于多个钻孔过程中的另一钻孔过程对于第二支路的土壤高效钻孔而言为次优。在一些方法中，多个不同钻孔过程包括钻孔过程的级别布置，该级别布置代表在改变钻孔工具的轨迹之时钻孔经过较硬土壤的能力增加的钻孔过程。在一些方法中，切换还包括：在参数超过最大阈值时向使用级别布置中的较高钻孔过程切换；并且在参数降至最小阈值以下时向使用级别布置中的较低钻孔过程切换。在一些方法中，最大阈值和最小阈值各自对于多个钻孔过程中的各钻孔过程为预定的。

各种装置实施例涉及一种水平定向钻井机。这样的实施例可以包括：钻孔工具；钻柱，附接到钻孔工具；钻孔机，耦合到钻柱，该钻孔机具有配置成操控钻柱以对弯曲地下路径钻孔的一个或者多个电机；一个或者多个传感器，配置成输出包含钻孔参数信息的一个或者多个钻孔参数信号；存储器；以及控制器，配置成执行存储器中存储的程序指令，以使所述水平定向钻井机基于钻孔参数信息偏离超过参数阈值来使水平定向钻井机从使用多个不同钻孔过程中的第一钻孔过程向使用多个不同钻孔过程中的第二钻孔过程对弯曲路径钻孔进行切换，其中多个钻孔过程中的各钻孔过程包括配置钻井机来实现的钻孔动作的唯一组合。在一些装置实施例中，一个或者多个传感器被配置成测量至少一个进度参数信号并且输出指示钻孔进度的钻孔参数信息和测量至少一个操作参数信号并且输出指示水平定向钻井机的机器应力的参数信息。在一些装置实施例中，控制器被配置成执行存储的程序指令，以比较至少一个进度参数信号的参数信息与至少一个操作参数信号的参数信息以确定参数比较值，其中在使用第一钻孔过程向使用第二钻孔过程之间的切换是基于参数比较值偏离超过参数阈值。在一些装置实施例中，参数比较值偏离超过参数阈值指示第一钻孔过程相对于多个钻孔过程中的另一钻孔过程对于由一个或者多个传感器测量的土壤高效钻孔而言为次优。在一些装置实施例中，多个不同钻孔过程包括存储器中存储的钻孔过程的级别布置，该级别布置代表控制器和钻孔机可以实施的沿着弯曲路径钻孔经过较硬土壤的能力增加的钻孔过程。在一些装置实施例中，控制器被配置成执行存储的程序指令以使水平定向钻井机在参数信息超过最大阈值时向使用级别布置中的较高钻孔过程进行切换并且在参数信息降至最小阈值以下时向使用级别布置中的较低钻孔过程进行切换。在一些装置实施例中，最大阈值和最小阈值各自对于多个钻孔过程中的各钻孔过程为预定的。在一些装置实施例中，一个或者多个传感器被配置成输出参数信号，该参数信号包含指示沿着弯曲路径的钻孔进度的进度参数信息和指示水平定向钻井机上的应力的操作信息，并且其中控制器被配置成执行存储的程序指令，以通过将进度信息除以操作信息来计算指示与机器应力相比的钻孔进度的比较值，并且基于比较值偏离超过参数阈值从使用第一钻孔过程向使用第二钻孔过程的钻孔进行切换。在一些装置实施例中，钻孔参数信息包括指示钻柱的曲率的参数。

各种实施例涉及一种用于钻孔的系统。这样的系统可以包括：用于使用多个钻孔过程之一经过地面对大体上水平弯曲路径以机械方式钻孔的装置；用于在钻孔之时监视一个或者多个参数的装置；以及用于在一个或者多个监视的参数偏离预先建立的范围时将使用多个钻孔过程之一切换成使用不同钻孔过程的装置。在这样的实施例中，多个钻孔过程可以包括钻孔过程的级别布置，该级别布置代表在改变钻孔工具的轨迹改变之时钻孔经过较硬土壤的能力增加的钻孔过程。在这样的实施例中，切换还可以包括：在一个或者多个监视的参数超过预先建立的范围的最大阈值时向使用级别布置中的较高钻孔过程切换；并且在一个或者多个监视的参数超过预先建立的范围的最小阈值时向使用级别布置中的较低钻孔过程切换。

本发明的上述发明内容并非为了描述本发明的每个实施例或者每个实现方式。通过参照与附图结合的下文具体描述和权利要求书将清楚和认识本发明的优点和效果并得到对本发明的更完整理解。

附图说明

图1图示了根据本公开的各种实施例的钻井系统的各种部件和示出了地下钻孔部件的地面横截面图；

图2图示了根据本公开的各种实施例的用于进行动态钻孔过程重新配置的流程图；

图3图示了根据本公开的各种实施例的用于进行动态钻孔过程重新配置的另一流程图；并且

图4图示了根据本公开的各种实施例的用于进行动态钻孔过程重新配置的钻井系统电路和部件的框图。

尽管本发明可以有各种修改和替代形式，但是已经在附图中以示例的方式示出并且这里将具体描述其细节。然而将理解本意并非使本发明限于描述的具体实施例。反言之，本发明旨在于覆盖落入如所附权利要求书限定的本发明范围内的所有修改、等效和替代形式。

具体实施方式

常规水平定向钻井(HDD)要求至少一个操作者控制钻井机的操作。即使使用钻孔计划已经辅助钻井操作，但是仍然要求操作者经由量具和其它装置监视钻井进度并且进行调节。例如，即使钻孔计划可以指定沿着用于钻孔工具的计划路径的曲线以及用于沿着该路径引导钻孔工具的参数，但是意外土壤条件、公用事业设施交叉等要求人工操作者通过监视各种度量并且实施钻井过程改变来管理钻井过程。

各种钻井过程用于进行HDD钻孔操作。各钻孔过程由动作的组合组成，各过程被设计成进行特定操控。例如，可以通过在钻机向钻柱施加的压力迫使钻孔工具经过土壤而不旋转钻柱。这样的操作由于钻头的形状而对于在相对软的材料中转向而言可以是理想的，并且可以被确定成适合于通过包含已知土壤类型的钻孔计划的第一支路进行钻孔。然而，钻孔工具可以推进并且转入在钻孔计划的第二支路中向如下区域，在这些区域中土壤类型未知、不同并且比第一支路的已知土壤类型明显较硬。在这一第二支路中，钻孔工具可能不能使用在第一支路中用于沿着转向路径推进钻孔工具的过程(压力在钻机向钻柱施加而不旋转钻柱)来高效地推进和/或转向，或者完全不能推进和/或转向。在常规HDD中，操作者然后将需要将钻井过程改变成对于第二支路的土壤类型而言较适合的模式以完成转向操控。由于第二支路的土壤类型未知，所以操作者将仅在一旦实际遇到第二支路的土壤类型时才使用他的或者她的专门技能以确定什么替代钻井过程将被有效和高效地用于钻孔经过第二支路的土壤。

可以在钻孔过程期间采取许多不同钻孔动作以便沿着钻孔计划路径的曲线有效和高效地推进钻孔工具。这样的动作包括增加或者减少钻柱上的压力(推动压力)、钻柱和钻孔工具的顺时针旋转和逆时针旋转以及增加或者减少泥浆流以及其它动作。可以在各种组合中进行这些动作以提供可为钻井操作者所用的各种不同转向操控。因此，有能力的钻井机操作者必须不仅了解如何进行各可用操控而且了解确定什么特定操控适合于各组操作条件以及何时从运用一种操控切换到另一操控。其结果在于恰当HHD要求至少一个技能高超的人工操作者总是主动地监视HDD操作。技能高超的HDD操作者所需注意力明显增加钻井成本，并且可能从其它重要HDD操作(比如主动障碍检测)分散注意力。另外，有技能的HDD钻机操作者可能并不总是能够快速检测土壤条件和钻柱/钻孔工具动态性的改变，基于这些改变使用不同钻井过程将更有效和/或高效。

本发明的装置和方法解决常规HDD过程中遇到的许多复杂问题。例如，本发明的装置和方法可以提供确定当前运用的钻孔过程对于遇到的特定土壤类型而言何时为次优、从多个过程选择哪个过程将更适合以及针对遇到的特定土壤类型改变过程以提高钻井有效性和/或效率。

在本发明的一些实施例中，在沿着弯曲路径钻孔期间监视各种参数。监视的参数的示例可以例如是钻柱曲率。当这些参数中的一个或者多个参数超过阈值或者以别的方式指示不合需要的钻井条件时，当前使用的钻井过程可以切换成另一钻井过程。在本发明的一些实施例中，自动完成从一个钻井过程向另一钻井过程的切换而无需人为干预，这由执行存储器中存储的程序指令的处理器辅助。然而在本发明的一些实施例中，提示操作者(经由显示、可听信号等)改变当前使用的钻井过程。

图1图示了经过其中发生钻孔操作的地面10一部分的截面图。大体上表示为机器12的地下钻孔系统处于地上11，并且包括倾斜的纵向构件16处于其上的平台14。平台14通过销18或者其它限制构件固定到地面，以便阻止平台14在钻孔操作期间的移动。用于在如箭头大体上示出的向前纵向方向上驱动钻柱22的前推/回拉泵17位于纵向构件16上。钻柱22由端到端附接的多个钻柱构件23组成。用于旋转钻柱22的旋转电机或者泵19也位于倾斜的纵向构件16上，并且装配成允许沿着纵向构件16的移动(在上方位置19a与下方位置19b之间的中间位置图示)。在操作中，旋转电机19旋转钻柱22，该钻柱具有在钻柱22的末端附接的钻孔工具24。

跟踪器单元28可以用来接收从钻孔工具24发送的信息信号，该钻孔工具又向处于钻孔机12的接收器传达该信息信号或者该信号的修改形式。钻孔机12也可以包括用于从钻孔机12向跟踪器单元28发送和/或接收信息信号如指令信号的发送器或者收发器。代之以可以通过使用经由钻柱22在钻孔工具24与中央处理器25之间建立的通信链路来辅助数据和指令的传输。

钻孔操作可以发生如下。旋转电机19初始定位于上方位置19a并且旋转钻柱22。在通过旋转钻柱22来旋转钻孔工具24之时，前推/回拉泵17在向前方向上将旋转电机19和钻柱22朝向下方位置推入地面中，由此产生钻孔26。当钻柱22已经向钻孔26中推入一个钻柱构件23的长度时，旋转电机19到达下方位置19b。然后向钻柱22人工或者自动添加新的钻柱构件23，并且将旋转电机19释放和回拉到上方位置19a。旋转电机19用来将新的钻柱构件23螺纹连接到钻柱22，并且重复旋转/推动过程以便迫使新加长的钻柱22进一步进入地面中，由此延伸钻孔26。通常通过使用泥浆泵或者水泵泵送水或者其它流体经过钻柱22(这里称为泥浆)。如果使用气锤，则空气压缩机用来迫使空气/泡沫经过钻柱22。泥浆或者空气/泡沫回流经过钻孔26以去除切屑物、尘土和其它残渣并且提高钻孔有效性和/或效率。通常提供定向导向能力以便控制钻孔工具24的方向，从而可以向所得钻孔26赋予所需方向。

通过这些动作以及这些基本动作的各种组合，钻孔过程可以推进钻孔工具24经过土壤，这包括通过转向来推进钻孔工具24。人工操作者可以监视各种度量以选择这些动作的适当组合以执行所需操控并且沿着钻孔路径导引钻孔工具24。在执行这些钻孔过程期间，人工操作者必须继续监视土壤条件以决定何时改变过程以优化钻孔效率。例如，硬土壤块30可能比周围土壤稠密得多。当钻孔工具24遇到硬土壤块30时，先前使用的钻孔过程可能在产生进度上相对地生产率低或者甚至无效。本公开的实施例提供用于在进行转向钻孔操控之时监视钻孔参数和自动优化钻孔过程以及其它操作的装置和方法。

如上文讨论的那样，可以组合与控制钻孔有关的各种动作以产生进行具体操控的钻孔过程。不同过程的多样性允许针对具体操作的操控，各过程适合于特定操控。例如，可能使用一个过程来最高效地转入某一类型的软土壤，而可能使用不同过程来最高效地转入某一类型的硬土壤中。

基本钻孔动作是在钻孔工具上施加压力，该压力可以在钻孔工具面使用土壤进行转弯时沿着弯曲路径推进钻孔工具经过土壤。压力可以由使用液压的前推/回拉泵供应。然后通过钻柱向钻孔工具传送力。一般而言，钻孔工具推进与施加的压力和土壤软度有关。因而，由前推泵在钻机上施加的相对高的压力可以造成快速推动钻柱，并且由前推泵在钻机上施加的相对低的压力可以造成缓慢推动钻柱和钻孔工具。

钻井机上的旋转泵可以用来旋转钻柱，该钻柱可以旋转钻孔工具。钻孔工具的旋转可以切穿土壤，从而如果通过钻柱施加充分前推力则允许钻孔工具推进。

钻孔工具的连续360度旋转将大体上切成经过土壤的直线路径。可以使得钻孔工具转向以通过各种动作的组合来切成弯曲路径。例如，可以通过小角度逆时针(CCW)和顺时针(CW)旋转来快速和反复地旋转钻孔工具，从而钻孔工具不会产生完整旋转(称为“摆动”)。许多钻孔工具钻头被配置成使得钻头在一个方向(CW或者CCW)上旋转时产生最大的土壤切割。因此，摆动(或者任何旋转/反向旋转)允许钻孔工具的钻头在钻孔路径的一部分之上反复地旋转从而切除该部分，由此如果钻孔工具将在前推力之下推进则它将在切除的部分的方向上推进。

钻孔工具通常在摆动之时旋转经过相对小的CW和CCW角度。然而，可以在更大角度内进行包括反复CW和CCW旋转的其它过程，并且也设想其它修改。例如，可以在将钻孔工具旋转经过CW角度之时通过钻柱施加前推压力，但是可以在将钻孔工具旋转经过CCW角度时不施加前推压力。另外，可以在将钻孔工具旋转经过CW角度之时通过钻柱施加前推压力，并且可以在将钻孔工具旋转经过CCW角度时施加收回压力(略微回拉钻孔工具)。在将钻孔工具旋转使钻头通常未在土壤中进行切割的角度之时，无前推压力或者钻孔工具的实际收回可以允许先前切割的土壤面以在进行下一切割之前保持相对地不受扰动。

根据运用岩石火(rockfire)切割动作的本公开内容的另一导向过程，前推钻孔工具直至钻孔工具开始它的切割动作。继续前推钻孔工具直至达到针对土壤条件的预设压力。然后在维持预设压力之时在切割持续期间内顺时针旋转钻孔工具。在岩石火切割技术的背景中，术语压力指代钻孔工具上的转矩和前推的组合。在切割持续时间结束时终止钻孔工具的顺时针旋转，并且回拉钻孔工具直至在钻孔工具处的压力为零。然后顺时针旋转钻孔工具到持续时间的开始。重复这一过程直至实现所需钻孔工具指向。

钻孔过程可以包括在挖掘期间向钻孔工具递送流体，比如泥浆和水的混合物或者空气和泡沫的混合物。人工操作者和/或中央处理器通常配合机器控制器可以控制各种流体递送参数，比如向钻孔工具递送的流体体积以及流体压力和温度。可以类似地控制向钻孔工具递送的流体的粘度以及流体的组成。例如，钻机控制器可以通过控制向流体添加的固体或者泥浆材料的类型或者数量来修改流体组成。可以基于将经受钻井的土壤/岩石的组成，来选择并且响应于在给定的钻孔部位遇到可变土壤/岩石类型来适当地修改向钻孔工具递送的流体的组成。此外，可以基于参数值(例如钻柱旋转转矩或者前推/回拉力)的改变来选择流体的组成。

通过钻孔递送流体对于特别是在软土壤中的高效钻孔而言并非总是必需的。在这样的情况下，希望没有不必要地将资源消耗于通过钻孔递送流体。传统上，已经要求人工操作者确定流体递送何时对于高效钻孔而言为必需。然而，本发明的实施例可以便于选择和修改钻孔过程，包括确定何时应当递送流体。

钻孔动作也可以包括修改钻孔工具的配置。可以根据土壤/岩石类型和钻孔工具导向/生产率要求来控制钻孔工具的配置以优化钻孔效率。可以控制钻孔工具的一个或者多个可激励元件(比如可控板、鸭嘴器、切割钻头、流体喷射器和钻孔工具的其它土地对接/穿透部分)以增强钻孔工具的导向和切割特性。在运用铰接钻井头的一个实施例中，中央处理器可修改头位置(比如通过向实现头旋转的步进电机传达控制信号)和/或切割头的速度以增强铰接钻井头的导向和切割特性。可以修改向在钻孔经过岩石时特别有用的流体锤型钻孔工具供应的流体的压力和体积。

可以用上文讨论的方式或者在其它组合中组合各种基本动作(比如上文讨论的动作)以进行多个不同钻孔过程。各种不同过程可用来优化钻孔效率，因为不同钻孔过程对于不同土壤类型将具有不同生产率水平。表1提供钻孔过程级别的一个示例。

表1：钻孔过程级别

1.快速推动

2.在泥浆流中缓慢推动

3.在强劲泥浆流中推动

4.在强劲泥浆流中和摆动旋转时缓慢推动

5.在强劲泥浆流中以及反复CW和CCW旋转时缓慢推动

6.在强劲泥浆流中在CW旋转期间反复缓慢推动、略微收回钻柱和在收回时CCW旋转

7.在强劲泥浆流中在CW旋转期间反复缓慢推动以及在CCW旋转期间无推动

表1代表根据本发明各种实施例的钻孔过程的级别。这一级别可以代表以增加钻孔经过硬土壤的能力的顺序布置的各种过程。例如，过程1可能在软土壤中最高效、但是在钻孔经过较硬土壤时无效。过程5可以在钻孔经过相同软土壤时有效，但是由于缓慢推动、旋转和泥浆流而相对于过程1在软土壤中较低的生产率、效率以及不必要地消耗资源。因此，只要过程1有效和高效，就优选使用过程1进行操作。

然而预计钻孔操作将遇到比理想用于过程1的软土壤条件硬得多的土壤条件。过程编号较高的过程效率较低，但是更有效地适合于这些较硬土壤条件。在遇到这些情形时，特别是在其中土壤硬度转变的区域中，切换到适当过程(编号)对于钻孔效率而言至关重要。因而，高效钻孔操作应当能够确定当前钻孔过程何时为次优，并且切换到更适合的钻孔过程。

如从表1可见，在钻孔过程之间的差异包括钻孔过程中的操作改变而不仅为输出参数如前推的调节。例如，在过程1与2之间的步骤要求改变前推和引入泥浆流。在过程2与3之间的步骤要求改变前推和改变泥浆流。后面步骤引入不同的管旋转操作以及前推和泥浆流的改变。这样，钻孔过程级别包括多个完全独立的钻孔过程(各过程包括以便于钻孔过程重新配置的方式布置的不同钻孔动作组合)，并且不仅仅代表钻孔阻力面中的参数调节。

在实现高效钻孔时的一个挑战是确定何时切换钻孔过程。钻孔低效率指标可以包括缓慢或者无前向轴向移动、钻柱的强劲旋转行进、钻井机中的高液压压力、钻机振动和钻柱的高扭转压力以及其它指标。回推(其中钻井机如此猛烈地推动缓慢移动或者未移动的钻柱使得钻井机本身移位)也可以是钻孔低效率的指标。部件(比如钻柱、钻头、前推部件(例如推杆或者托架)和/或旋转部件)中在延伸范围以外的高或者低应力和/或应变可以指示当前使用的钻孔过程对于当前土壤条件而言为次优。可以如这里讨论的那样(比如在图2和图3的方法中)使用上文讨论的参数以确定何时切换钻孔过程以优化钻孔效率。

各种传感器可以用来感测和监视这里讨论的参数。例如，压力传感器可以感测液压压力。应变计可以测量部件应力/应变。可以使用倾角计、加速度计和超声换能器以及其它传感器来感测回推。

图2图示了用于进行弯曲路径钻孔过程的流程图200。钻孔过程级别210与流程图200关联。级别210包括7个不同钻孔过程。级别210的过程在级别上被布置成使得低编号最高效地钻孔经过软土壤而较高编号最高效地钻孔经过硬土壤。

流程图200的方法始于预备220钻井机以使用HDD钻机沿着钻孔路径钻孔并且选择编号的钻孔过程之一作为当前编号的钻孔过程。预备220也可以包括形成或者获取钻孔计划、对钻机和钻孔部件进行定位以及测试土壤条件。

预备220包括选择编号的钻孔过程之一作为当前编号的过程。在一些实施例中，将自动选择过程2(在泥浆流中缓慢推动)，而在其它实施例中将基于适合于已知条件的过程来选择过程编号。例如，可以通过确定先遇到的土壤的土壤特性来选择初始当前钻孔过程。钻孔系统可以包括一个或者多个地球物理传感器(例如包括GPR成像单元、电容传感器、声学传感器、超声传感器、地震传感器、负荷点测试器、施密特锤、电阻传感器和电磁传感器)以确定先遇到的土壤的土壤特性。根据各种实施例，在钻孔操作之前或者期间，用地球物理传感器勘查钻孔部位提供产生如下数据，该数据代表受勘查的地面介质的各种特性。地球物理传感器在勘查期间获取的地面特性数据可以由处理器处理，该处理器可以用来选择和以后修改钻孔过程。例如，如果该勘查指示土壤相对地软，则可以初始选择对于软土壤最高效的钻孔过程(比如过程1或者2)。

流程图200的方法还包括使用当前编号的钻孔过程沿着钻孔路径钻孔230。例如，如果在步骤220中选择过程1作为当前编号的钻孔过程，则通过快速推动钻柱来进行钻孔230而无泥浆流或者钻柱旋转。

在钻孔230之时，该方法也监视240各种参数，这些参数包括钻柱的扭转压力、钻柱的旋转行进、液压压力和钻柱的轴向移位。如果在监视240期间确定250一个或者多个参数超过与当前编号的钻孔过程关联的最大阈值，则该方法进行到步骤260。在图2的具体实施例中，级别210的各编号的钻孔过程包括与用于一个或者多个参数的关联最大和最小阈值。例如，如果当前编号的钻孔过程为过程1，则最大阈值可以是以lbs./in²为单位测量的压力值，由此如果监视的液压压力超过这一值，则超过判决块250的阈值，并且该方法进行到块260。如果未超过参数阈值，则该方法进行到块270。

可以针对级别210的各编号的钻孔过程实施不同阈值。例如，与过程1相比有望更佳地适合于在较硬土壤条件下操作的过程5通常可以用较高液压压力操作，并且因此将具有较高的液压压力参数阈值。在一些配置中情况相反(与过程5相比，过程1与较高操作液压压力关联)，而在一些配置中，最小阈值也将出于类似原因而在级别210的编号的钻孔过程之间变化。可以针对级别的各过程建立定制参数阈值，或者级别的各过程可以具有相同参数阈值。这样，过程1可以具有以lbs./in²为单位测量的预定最大和最小阈值，而其它过程可以具有以lbs./in²为单位测量的不同压力值，这些压力值是针对将用于各特定过程的适当压力范围而定制的。如果超过最大值，则高压力指示当前钻孔过程并不恰当地适合于这样的硬土壤，并且可以进行向下一较高过程的切换。如果参数如压力降至最小值以下，则低压力指示当前钻孔过程适合于处理较硬土壤并且可以使用较低排行的过程来较快或者较高效地移动。

如果该方法进行到步骤260，则递增当前编号的钻孔过程的编号，从而如果过程3曾经是步骤250中的当前编号的钻孔过程，则过程4将是当前编号的钻孔过程。以这一方式，本发明的实施例可以自动适应可变土壤条件并且发现适当钻井过程。

如果监视240的参数未超过步骤250的阈值，则该方法确定270一个或者多个参数是否降至与当前编号的钻孔过程关联的最小阈值以下。降至最小阈值以下的监视240的参数可以指示适合于钻孔经过硬土壤的过程未遇到高阻力，这意味着级别210的较小编号的过程可以能够比当前使用编号的钻孔过程较高效地(较快地)钻孔经过相同土壤。

如果确定270监视240的参数未达到一个或者多个最小阈值，则该方法进行到步骤280。如果该方法进行到步骤280，则递减当前编号的钻孔过程的编号，从而如果过程7曾经是步骤270中的当前编号的钻孔过程，则过程6将是当前编号的钻孔过程。

如果监视240的参数在步骤250和270的阈值内，则钻孔230继续。

虽然结合图2讨论钻柱的扭转压力、钻柱的旋转行进、液压压力和钻柱的轴向移位这些参数，但是除此之外或者取而代之还可以使用其它参数。例如，在一些实施例中将钻柱曲率作为参数来监视，并且可以基于测量的钻柱曲率降至最小阈值以下(与钻孔计划相比过浅的曲线，这指示需要更有效的转向过程，比如级别的较高排序的过程)或者超过最大阈值(与钻孔计划相比过陡的曲线，这指示无需要主动性较低的转向过程)来进行根据级别的钻孔过程改变。

可以在钻孔之时监视各种参数，这些参数值用于根据本发明的实施例优化钻孔过程。参数可以分为至少两个不同类别，这至少两个不同类别包括进度参数和操作参数。

进度参数以与钻孔进度关联的移位或者其它度量为特征。例如，可以将钻孔工具、钻柱和/或变速箱的纵向移位作为进度参数来监视。移位可以是线性的或者可以是沿着弯曲路径的移位，比如各种部件如钻头的转向角度、曲线曲率半径、沿着计划弯曲半径的进度等。可以使用本领域中理解的技术来测量钻孔工具、钻柱、钻头和/或变速箱的移位。

其它进度参数包括切屑物尺寸、类型和重量。例如钻孔的出口处接收的切屑返回物的测量可以指示当前钻孔过程实现多少进度。较多切屑物一般与较大生产率关联，而较少切屑物与较少生产率关联。因此，指示切屑物水平在切屑物阈值以下的切屑物测量(例如体积或者重量)可以用来触发钻孔过程改变成来自级别的不同过程。如果并不清楚少量切屑物是归因于土壤对于当前钻孔过程而言过硬还是当前钻孔过程在软土壤中操作之时适合于较硬土壤，则另一参数如泵中的液压流体压力可以用来确定接着应当使用较快还是较慢过程。例如，较高液压流体压力可以指示土壤相对于当前钻孔过程而言为硬，从而要求向较高排序的钻孔过程切换，而较低液压流体压力可以指示土壤相对于适合于较硬土壤的当前钻孔过程而言为软，从而要求向较低排序的钻孔过程切换。

操作参数以例如与钻井机、钻柱或者钻孔工具的部件的状态有关的状态度量为特征。回到图1，可以通过前推/回拉泵17在钻柱22上施加压力来移动钻孔工具24。前推/回拉泵17可以通过使用液压来施加这样的压力。前推/回拉泵17中的液压压力以及在钻孔中使用的其它泵和部件的液压压力可以用作操作参数。

如果螺杆设计用来移动钻柱22，则如应变计测量的钻柱22或者其它部件中的应变可以用作操作参数。来自应变计的相对高的测量可以指示当前钻孔过程有切割和转向难度，因为土壤相对于当前运用的钻孔过程而言为硬。在这一情况下，可以进行向适合于较硬土壤的较高排序的钻孔过程的切换。类似地，相对低的应力测量可以指示当前钻孔过程适合于较硬土壤并且较低排序的钻孔过程可以较快地和/或以较少资源消耗执行进度。

其它操作参数包括旋转泵压力、经由旋转泵向钻柱赋予的转矩、变速箱和钻孔工具旋转(扭转扭曲(windup))的差动、相对于地面的钻机移动、泥浆压力、泥浆重量(流量)、各种部件(例如钻孔杆、泵、电机、底盘)的振动量值和频率、引擎负荷和变速箱中的力矩(例如由于旋转或者与前推方向垂直作用的力引起)以及本领域普通技术人员在阅读本公开内容时将清楚的其它操作参数。

操作参数可以指示当前使用的钻孔过程在钻孔经过土壤时无效，从而在钻机部件上产生应力。例如，高泵压力可以指示无法在借助施加轴向或者旋转前推的情况下移动或者旋转钻头。这样，一个或者多个操作参数的高值测量(例如在最大阈值以上)可以指示较主动的过程将对于土壤条件而言更有效。也预计钻孔应当存在一些应力。因此一个或者多个操作参数的低值测量(例如在阈值以下)可以指示主动性较低的过程将对于土壤条件而言同样有效或者甚至生产率较高。

可以根据测量值(比如这里讨论的任何操作参数的改变率)来计算操作参数。例如，操作参数可以是前推/回拉泵17中的液压压力的改变率。

各种类型的传感器可以用来测量参数、例如，可以运用已知类型的振动传感器/换能器，这些传感器/换能器例如包括单个或者多个加速度计。

如图2中示范的那样，参数可以用来选择和/或改变钻孔过程。然而，本发明的又一方面包括使用参数之间的比较以选择和/或改变钻孔过程以优化钻孔效率。例如，可以在钻井杆移位(推进)和前推泵中的液压压力之间进行比较。这样的比较可以确定参数比较值。对于这一具体示例，可以用英寸/PSI为单位测量参数比较值。可以进行以(英尺/分钟)/PSI为单位测量的例如钻孔工具的移位速率与旋转泵压力的类似测量。这些和其它参数比较值提供关于进度和工作量的信息。本发明的实施例提供的是，当进度与工作量之比落在范围以外(例如超过高或者低阈值)时，可以实施将钻孔过程改变成主动性较高或者较低的过程。

可以通过将这里引用的任何进度参数除以这里讨论的任何操作参数以产生代表进度比对工作量或者钻机应力的度量，来计算参数比较值。可以相应地按照这里讨论的级别方法完成基于参数比较值的钻孔过程改变。

图3图示了用于改变钻孔过程的方法。在钻孔之时测量301一个或者多个进度参数。可选地确定302测量的进度参数的改变率。例如，如果进度参数是钻孔工具推进，则确定302的这一参数的改变率可以是钻孔工具的速率或者加速度。能够以改变率进行测量的这里提到的其它参数可以类似地与本发明的各种实施例一起使用。

图3的方法包括测量303一个或者多个操作参数。可选地，可以确定304测量的一个或者多个操作参数的改变率。例如，如果进度参数是钻井机移位，则一个或者多个操作参数的确定的改变率可以是钻井机的速率或者加速度。

图3的方法还包括计算305参数比较值。参数比较值可以是在步骤301-304中测量或者计算的任何值的比较。可以例如通过将钻井机的速率除以钻孔工具的速率来计算比较值。以这一方式，相对高的参数比较值可以意味着钻井机与钻孔工具的移动相比相对快地移动。取而代之，任何进度参数(例如钻头推进)可以除以任何操作参数(例如泵液压压力、钻机振动、部件应力和/或应变)以产生指示与机器应力相比的进度的参数比较值。指示与机器应力相比的进度的参数比较值然后可以与一个或者多个阈值比较，以确定向另一钻孔过程的切换是否将可能产生与机器应力结果相比较佳的进度。

如果参数比较值超过与当前标号的钻孔过程关联的最大阈值307，则可以将当前编号的钻孔过程改变308成下一最高编号的钻孔过程并且钻孔继续。可以使用这里讨论的钻孔过程的任何组合针对图3的实施例产生钻孔过程级别(包括图3的钻孔过程级别)。

继续上文讨论的示例，如果钻井机与钻孔工具的速率相比相对快地移动，则可以使用钻孔过程级别的下一最高编号的钻孔过程。因此，如果以钻孔经过硬土壤的能力增加的方式布置钻孔过程，则向下一最高编号的钻孔过程的改变可以增加钻孔生产率，因为与钻孔工具移位(或者速率)相比的大量钻井机移位可以指示与消耗工作量相比的进度不足并且另一过程可能较适合。

如果在评估步骤307中参数比较值未超过与当前编号的钻孔过程307关联的最大阈值，则该方法进行到评估步骤309。评估步骤309评估参数比较值是否降至最小阈值以下。如果参数比较值降至最小阈值以下，则将当前编号的钻孔过程改变310成下一最低编号的钻孔过程。在一些实施例中，较高编号的钻孔过程可以消耗比较低编号的钻孔过程较多的资源(例如所用泥浆)或者以较慢步调运行。因此，如果如参数比较值反映的那样，与消耗的工作量相比实现的进度不充分，则较低编号的钻孔过程可能较适合。例如，钻孔过程可以进行反复CW和CCW旋转而在土壤中经历很少阻力(如例如按照前推泵的液压压力测量的那样)，其中未使用反向旋转的钻孔过程可以实现一样多的进度或者更多进度，而不为反向旋转花费时间或者资源。

可以在钻孔操作期间从在钻孔工具的孔下(down hole)传感器单元中提供的各种传感器实时采集钻孔工具传感器数据。这样的传感器可以包括三重或者三轴加速度计、三轴磁力计以及多个环境和地球物理传感器，以计算这里讨论的各种参数。经由钻柱通信链路或者经由地上跟踪器单元向中央处理器传达采集的数据。

在通过引用整体结合于此的第6,367,564号美国专利中公开如下实施例，这些实施例涉及将整体电钻井杆元件用于实现在钻孔工具与钻孔机之间传达数据。在通过引用整体结合于此的第6,389,360号美国专利中公开了可以与本发明的实施例一起使用的钻孔计划设计方法以及其它部件和技术。

收集的定向数据通常但是未必包括钻孔工具的斜度、偏度和卷度(即p，y，r)。视给定的应用而定，也可能希望或者要求实时采集关于钻孔工具的环境数据，比如钻孔工具温度和应力/压力。也可以实时采集地球物理和/或地理数据。也可以实时采集与钻孔机的操作有关的数据，比如泵/电机/引擎生产率或者压力、温度、应力(例如振动)、转矩、速度等、关于泥浆/空气/泡沫流、组成和递送的数据以及与钻孔系统的操作关联的其它信息。这里讨论用于钻孔过程优化的过程可以使用这些参数以确定何时向较高或者较低排序的钻孔过程切换。

可以配合钻孔工具的磁力计使用手持式(walkover)跟踪器或者定位器，以确认钻孔工具和/或钻孔路径的轨迹的准确性并且计算这里讨论的各种参数，比如钻柱曲率或者钻孔工具速率。

举例而言，一个系统实施例运用钻孔工具中的常规探测器型发送器和便携远程控制单元，该单元将传统方法用于对钻孔工具进行定位。全球定位系统(GPS)单元或者激光单元也可以并入于遥控单元中以提供在实际与预定钻孔工具/操作者位置之间的比较。

可以在钻孔操作期间通过使用已知技术，比如通过监视钻孔工具相对于固定点的坐标、收集的加速度计数据或者指示总移动或者方向的时间和/或在钻孔操作期间向钻柱添加的已知长度的钻孔杆的累计长度，来实时计算和获取钻孔工具的移位。

图4图示了用于实施本发明各种实施例的控制电路和部件的各种方面。图4包括用于确定各种进度和操作参数的传感器、用于比较参数与阈值并且确定是否改变钻孔过程的电路、用于从钻井过程级别选择钻孔过程的电路以及用于实施钻孔过程改变的部件。

图4的钻孔机400包括与钻孔工具481邻近的孔下传感器单元489。中央处理器472使用从在钻孔工具481的孔下传感器单元489接收的数据并且如果需要则使用钻柱移位数据，来计算钻孔工具481相对于地平面或者其它预先建立的参考位置而言的范围和位置。中央处理器472也可以比如通过使用已知类似GPS的计算来计算钻孔工具481的绝对位置和标高。中央处理器472也使用钻孔工具数据来计算钻孔工具481的斜度、偏度和卷度(即p，y，r)中的一个或者多个。也可以基于从钻孔工具发送的电磁探测器信号的强度来确定钻孔工具的深度。注意，孔下传感器单元489也可以独自或者配合中央处理器472计算斜度、偏度和卷度。用于确定钻孔工具481的位置和/或定向的适当技术可以包括接收从钻孔工具481的孔下传感器单元489发送的探测器型遥测信号(例如射频(RF)、磁或者声学信号)。这样的信息可以用来计算这里讨论的各种参数，比如进度参数。

图4中所示前推/回拉泵444驱动液压缸454或者液压电机，该液压缸或者电机在向前或者反向轴向方向上向一定长度的管480施加轴向定向力。前推/回拉泵444在将一定长度的管480推入地面中以产生钻孔时和在回扩操作期间从钻孔抽取管480时在管长度480上回拉时提供可变水平的受控力。驱动旋转电机464的旋转泵446在钻孔操作模式中操作钻孔机时随着将管长度480推入钻孔中而向一定长度的管480提供可变水平的受控旋转，而在回扩模式中操作钻孔机时从钻孔抽取管480时旋转管长度480。

传感器452和462可以监视前推/回拉泵844和旋转泵446的压力以及其它参数。传感器452和462可以附接到钻井机或者位于钻井机附近并且监视这里讨论的关于钻孔的各种参数(包括操作参数)。例如，传感器452和462可以包含加速度计和/或超声元件以在1、2或者3个维度上感测钻井机移位。孔下传感器489可以测量这里讨论的各种参数(包括进度和操作参数)。可以向机器控制器474和中央处理器472发送反映测量的由传感器生成的信号。机器控制器474和/或中央处理器472可以处理传感器信号并且进行这里讨论的各种功能(包括导出参数信息)、进行数学运算、确定信号的改变率、比较信号和/或参数并且实施改变钻孔操作以及这里讨论或者公知的其它功能。

机器控制器474也比如通过使用通过引用整体结合于此的共同转让的第5,556,253号美国专利中公开类型的自动杆负载器装置，在将一定长度的管螺纹连接到钻柱480上时控制旋转泵移动。引擎或者电机(未示出)向前推/回拉泵444和旋转泵446提供形式通常为压力的动力，虽然各泵444和446可以由单独引擎或者电机提供动力。

泥浆泵490在相应钻井和扩孔操作期间通过钻井管480和钻孔工具481来泵送泥浆以便使其流入钻孔中。流体从钻孔工具481流出、向上经过钻孔并且显现于地表面。流体流动从钻孔工具481冲洗掉切屑物和其它残渣，由此允许钻孔工具481在不受这样的残渣阻碍的情况下操作。泥浆的组成(例如水与添加剂之比)和泵送到钻孔中的泥浆的数量可以由机器控制器474控制。

返回泥浆检测器491可以包括用于测量从钻孔去除的材料(例如切屑物)数量的一个或者多个传感器。例如，钻孔中的地上标度或者流速传感器可以计算排出钻孔的泥浆的数量并且比较这些测量与泵送到钻孔中的泥浆的数量。差值越大可以指示较大水平的切屑物和较大水平的钻孔进度，这可以用来以这里讨论的方式优化钻孔操作。泥浆输入/泥浆输出之差也可以除以时间，以确定材料去除速率作为进度和效率参数。也可以通过将钻孔工具481的移位速率乘以钻孔工具481在它推进经过地面时产生的钻孔的横截面积来估计作为进度参数的从钻孔去除材料的速率，其以每单位时间的体积为单位测量。

根据本公开内容的用于使用闭环实时控制方法来控制钻孔机的一个实施例，可以通过适当控制旋转泵446、泥浆泵490和前推/回拉泵444以及对钻井输出起作用的其它部件的相应输出水平来优化总钻孔效率。在动态可变的钻孔条件之下，前推/回拉和旋转泵444和846的闭环控制通过人工控制方法来提供明显增加的钻孔效率。在流体静力提供动力的钻孔机或者代之以由比例阀控制的齿轮泵或者电机提供动力的钻孔机的场合中，通过在所选速率旋转钻孔工具481、监视旋转泵446的压力并且相对于地下路径在轴向方向上修改钻孔工具移位速率同时在所选输出水平并行旋转钻孔工具481以便补偿旋转泵446的压力改变，来实现增加钻孔效率。传感器452和462分别监视前推/回拉泵444和旋转泵446的压力。

根据一种操作模式，操作者初始选择为了提供最优钻孔效率而估计的钻孔过程。钻孔工具481针对通过钻柱施加的给定压力在钻孔或者回扩期间沿着地下路径移位的速率，通常根据土壤/岩石条件、钻孔管480的长度、经过钻柱480和钻孔工具481的流体流动以及其它因素而变化。这样的移位速率变化通常造成旋转和前推/回拉泵压力的对应改变以及引擎/电机负载的改变，以及其它参数的改变。虽然旋转和前推/回拉泵控制允许操作者在总标度上修改前推/回拉泵444和旋转泵446的输出，但是本领域技术人员可以认识到，即使技能高超的操作者也不能在连续可变的土壤/岩石和负载条件之下快速和最优地修改钻孔工具生产率。如上文讨论的那样，本发明的实施例可以通过感测次优钻孔、选择适当钻孔过程并且自动改变钻孔过程以优化钻孔效率，来解决这些和其它问题。

用户接口493提供操作者与钻孔机之间的交互。用户接口493包括各种人工可操作的控件、量具、读出器和显示器以实现在操作者与钻孔机之间的信息和指令传达。

用户接口493可以包括显示器，比如液晶显示器(LCD)或者有源矩阵显示器、文字数字显示器或者阴极射线管显示器(例如发射式显示器)。接口493可以可视地传达关于操作和感测参数和一个或者多个钻孔过程的信息。

尽管本公开内容的一些实施例已经示范可以如何自动改变钻孔过程以优化钻孔效率，但是并非这样地限制本发明的所有实施例。例如，用户接口493可以显示如下信息，该信息指示中央处理器472已经确定钻孔过程的改变将提高钻孔效率(比如如上文讨论的那样改变成较高或者较低编号的钻孔过程)，并且用户接口493还可以推荐钻孔过程的具体改变。人工操作者然后可以考虑该信息并且实施推荐的钻孔过程改变。取而代之，可以使钻孔机能够实施钻孔过程的改变、但是需要在实施钻孔过程改变之前经由接口493来自用户的授权。

本发明的实施例可以使用耦合到中央处理器471的存储器495以实现这里描述的方法和功能。存储器可以是用计算机程序、软件、计算机可执行指令、能够由计算机执行的指令等编码成由电路(如中央处理器和/或机器控制器)执行的计算机可读介质。例如根据已知或者本公开内容引用的各种方法和技术，存储器可以是存储计算机程序的计算机可读介质，中央处理器执行该计算机程序使得从传感器接收一个或者多个信号、信号测量、使用一个或者多个算法进行的计算以及参数输出，比如血压或者心率。以类似方式，可以使用图4中代表的电路来进行这里讨论的其它方法和技术。

可以使用配置成进行各过程的单设备的实施例(例如具有图4电路的图1系统)来进行这里图示和/或描述的各种过程(例如图2和图3的过程)。

以示例格式呈现这里提供的讨论和图示，其中描述和图示所选实施例以呈现本发明的各种方面。根据本发明的系统、设备或者方法可以包括这里描述的特征、结构、方法或者其组合中的一个或者多个。例如，设备或者系统可以被实施成包括下文描述的有利特征和/或过程中的一个或者多个，根据本发明的设备或者系统可以被实施成包括在单独示例和/或图示中图示和/或公开的多个特征和/或方面。旨在于这样的设备或者系统无需包括这里描述的所有特征，但是可以被实施成包括所选特征，这些特征提供有用结构、系统和/或功能。

虽然可以将某些功能的示例仅描述为由电路实现以求简洁，但是如本领域普通技术人员将理解的那样可以使用这里描述的电路和方法来实现任何功能、方法和技术。

Claims (24)

1.一种在钻孔路径转向期间切换水平定向钻井过程的方法，包括：

标识利用不同钻孔技术的多个不同钻孔过程的级别布置，所述级别布置代表在改变钻孔工具的轨迹之时钻孔经过较硬土壤的能力增加的钻孔过程；

使用通过钻柱连接到钻井机的钻孔工具对弯曲钻孔路径的第一支路钻孔，所述第一支路使用所述多个不同钻孔过程中的第一钻孔过程来钻孔；

在所述第一支路的钻孔期间监视多个钻孔参数，所述多个钻孔参数包括：

所述钻柱的扭转压力；

所述钻柱的旋转行进；

液压压力；以及

轴向移位；并且

从使用所述第一钻孔过程对所述弯曲钻孔路径的第一支路钻孔向使用所述多个钻孔过程中的第二钻孔过程对第二支路钻孔进行切换，所述切换基于所述钻孔参数中的一个或者多个钻孔参数偏离超过阈值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个参数中的一个或者多个参数偏离所述参数阈值指示所述第一钻孔过程相对于所述多个钻孔过程中的另一钻孔过程对于所述第二支路的土壤钻孔而言为次优。

3.根据权利要求1所述的方法，其中切换还包括：

在所述一个或者多个钻孔参数超过最大阈值时向使用所述级别布置中的较高钻孔过程切换；并且

在所述一个或者多个钻孔参数降至最小阈值以下时向使用所述级别布置中的较低钻孔过程切换。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述最大阈值和所述最小阈值各自对于所述级别布置的所述多个钻孔过程中的各钻孔过程为预定的。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个不同钻孔过程包括利用不同钻孔技术的不同钻孔过程的级别布置，所述多个钻孔过程中的各钻孔过程包括钻孔动作的唯一组合。

6.根据权利要求1所述的方法，其中监视所述多个钻孔参数还包括将所述旋转行进参数和所述轴向移位参数中的一个或者多个参数除以所述扭转压力和所述液压压力参数中的一个或者两个参数，以计算指示与机器应力相比的进度的比较值，并且其中在所述第一钻孔过程与所述第二钻孔过程之间的切换是基于所述比较值偏离超过所述阈值。

7.一种切换水平定向钻井过程的方法，包括：

使用多个不同钻孔过程中的第一钻孔过程，使用连接到钻井机的钻孔工具对弯曲钻孔路径钻孔；

监视多个钻孔参数；

比较所述多个钻孔参数中的至少一个钻孔参数与参数阈值；并且

从使用所述第一钻孔过程钻孔向使用所述多个钻孔过程的第二钻孔过程钻孔进行切换，所述切换基于所述参数比较。

8.根据权利要求7所述的方法，其中监视所述多个钻孔参数包括监视指示钻孔进度的至少一个进度参数和指示钻孔机的操作状态的至少一个操作参数。

9.根据权利要求8所述的方法，其中比较所述多个钻孔参数中的至少一个钻孔参数与所述参数阈值包括比较所述进度参数中的至少一个进度参数与所述操作参数中的至少一个操作参数以确定参数比较值，其中在使用所述第一钻孔过程向使用所述多个钻孔过程中的所述第二钻孔过程之间的切换是基于所述参数比较值偏离超过所述参数阈值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述参数比较值偏离超过所述参数阈值指示所述第一钻孔过程相对于所述多个钻孔过程中的另一钻孔过程对于所述第二支路的土壤高效钻孔而言为次优。

11.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个不同钻孔过程包括钻孔过程的级别布置，所述级别布置代表在改变所述钻孔工具的轨迹之时钻孔经过较硬土壤的能力增加的钻孔过程。

12.根据权利要求11所述的方法，其中切换还包括：

在所述参数超过最大阈值时向使用所述级别布置中的较高钻孔过程切换；并且

在所述参数降至最小阈值以下时向使用所述级别布置中的较低钻孔过程切换。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述最大阈值和所述最小阈值各自对于所述多个钻孔过程中的各钻孔过程为预定的。

14.一种水平定向钻井机，包括：

钻孔工具；

钻柱，附接到所述钻孔工具；

钻孔机，耦合到所述钻柱，所述钻孔机具有配置成操控所述钻柱以对弯曲地下路径进行钻孔的一个或者多个电机；

一个或者多个传感器，配置成输出包含钻孔参数信息的一个或者多个钻孔参数信号；

存储器；以及

控制器，配置成执行所述存储器中存储的程序指令，以使所述水平定向钻井机基于所述钻孔参数信息偏离超过参数阈值，从使用多个不同钻孔过程中的第一钻孔过程向使用所述多个不同钻孔过程中的第二钻孔过程对弯曲路径钻孔进行切换，其中所述多个钻孔过程中的各钻孔过程包括配置所述钻井机来实现的钻孔动作的唯一组合。

15.根据权利要求14所述的水平定向钻井机，其中所述一个或者多个传感器被配置成测量至少一个进度参数信号并且输出指示钻孔进度的钻孔参数信息和至少一个操作参数信号并且输出指示所述水平定向钻井机的机器应力的参数信息。

16.根据权利要求15所述的水平定向钻井机，其中所述控制器被配置成执行存储的程序指令，以比较所述进度参数信号中的至少一个进度参数信号的参数信息与所述操作参数信号中的至少一个操作参数信号的参数信息以确定参数比较值，其中在使用所述第一钻孔过程向使用所述第二钻孔过程之间的切换是基于所述参数比较值偏离超过所述参数阈值。

17.根据权利要求16所述的水平定向钻井机，其中所述参数比较值偏离超过所述参数阈值指示所述第一钻孔过程相对于所述多个钻孔过程中的另一钻孔过程对于由所述一个或者多个传感器测量的土壤高效钻孔而言为次优。

18.根据权利要求14所述的水平定向钻井机，其中所述多个不同钻孔过程包括存储器中存储的钻孔过程的级别布置，所述级别布置代表所述控制器和所述钻孔机可实施的沿着所述弯曲路径钻孔经过较硬土壤的能力增加的钻孔过程。

19.根据权利要求18所述的水平定向钻井机，其中所述控制器被配置成执行存储的程序指令以使所述水平定向钻井机：

在所述参数信息超过最大阈值时向使用所述级别布置中的较高钻孔过程切换；并且

在所述参数信息降至最小阈值以下时向使用所述级别布置中的较低钻孔过程切换。

20.根据权利要求19所述的水平定向钻井机，其中所述最大阈值和所述最小阈值各自对于所述多个钻孔过程中的各钻孔过程为预定的。

21.根据权利要求14所述的水平定向钻井机，其中所述一个或者多个传感器被配置成输出参数信号，所述参数信号包含指示沿着所述弯曲路径的钻孔进度的进度参数信息和指示所述水平定向钻井机上的应力的操作信息，并且其中所述控制器被配置成执行存储的程序指令，以通过将所述进度信息除以所述操作信息来计算指示与机器应力相比的钻孔进度的比较值，并且基于所述比较值偏离超过所述参数阈值从使用所述第一钻孔过程向使用所述第二钻孔过程的钻孔进行切换。

22.根据权利要求14所述的水平定向钻井机，其中所述钻孔参数信息包括指示所述钻柱的曲率的参数。

23.一种用于钻孔的系统，所述系统包括：

用于使用多个钻孔过程之一经过地面对大体上水平弯曲路径以机械方式钻孔的装置；

用于在钻孔之时监视一个或者多个参数的装置；以及

用于在所述监视的参数中的一个或者多个参数偏离预先建立的范围时将使用所述多个钻孔过程之一切换成使用所述钻孔过程中的不同钻孔过程的装置。

24.根据权利要求23所述的系统，其中所述多个钻孔过程包括钻孔过程的级别布置，所述级别布置代表在改变所述钻孔工具的轨迹之时钻孔经过较硬土壤的能力增加的钻孔过程，并且切换还包括：

在所述监视的参数中的一个或者多个参数超过所述预先建立的范围的最大阈值时向使用所述级别布置中的较高钻孔过程切换；并且

在所述监视的参数中的一个或者多个参数降至所述预先建立的范围的最小阈值以下时向使用所述级别布置中的较低钻孔过程切换。

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