CN102057130B - 岩心钻探的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种岩心钻探的方法，其中设置在管状的钻杆(6)端部的管状钻头(8)抵着要钻的材料被旋转驱动，并且，为达到岩心获取的目的，工具(17，20)被引入钻杆内到达钻头区域的工作位置。所述工具到达工作位置时，来自钻杆的声振动(24，25)被感测到，感测到的声振动被分析以检测当所述工具到达其工作位置时的声振动特征的出现，并且当检测到所述工具达到其工作位置的振动特征的出现时，发出输出信号。本发明也涉及设备和钻机。

Description

岩心钻探的方法和设备

技术领域

本发明涉及分别根据权利要求1和11的前序部分的用以岩心钻探的方法和设备。本发明也涉及一种包括所述设备的钻机。

背景技术

岩心钻探用以进行不同类型的岩石科技勘测，其中，对岩心进行钻探，从钻孔中取出岩心，并分析岩心的不同属性、矿物质含量等。岩心钻探对勘测和评估岩体具有重要的作用，并且，岩心钻探的结果经常是重大经济价值的决定，如是否应开发矿体的基础。

在以前所知道的岩心钻探的程序中，设置在管钻杆端部的管状的、用以研磨的钻头对着想要取样的岩石旋转。当钻探进行到一定的预定距离时，钻杆包含了相应长度的岩心，在中断旋转运动后，岩心被从钻杆中拉出来，以进行分析等等。

关于正常的岩心钻探程序，在岩心从钻杆中取出之前，岩心被钻入2米到5米的数量级。

在以前所知道的岩心钻探设备中，使用岩心获取管，在主动钻探过程中，岩心获取管定位在邻近钻头的地方，以接收钻探过程中产生的岩心。岩心获取管特点为：其是钻杆里面的内管。岩心获取管在偏离了钻头的端部处包括用于与抓握工具配合的接合装置。在整个钻探周期后，抓握工具被引入到钻杆中并一直到岩心获取管，以在工作位置连接到岩心获取管，于是，抓握工具与连接的岩心获取管一起和被稳固保持于内部的岩心能够从钻杆中拔出。

岩心钻探经常在与钻机距离非常远的地方进行操作，特别的，在很深的地方，如深度为3000米。以这样大的距离，降下岩心获取管的时间和降下抓握工具的时间，需要相当长的时间。就大致几百米的更短的钻探距离而言，降下这些工具也占了钻机全部工作时间的相当大的部分。

关于现今的岩心钻探程序，很大程度上取决于个体操作者来确定岩心获取管和抓握工具在何时分别已达到其各自的工作位置。这是通过以不同的方式控制和观察设备来确定何时各个工具已达到各自工作位置的。由于用以岩心钻探的钻机的环境是吵杂的，并且易受到外界不可控制的环境的影响，所以经验显示：操作者难以确定何时各个工具已经达到其工作位置，并且因此，难以确定何时开始下一步以操作钻机。

为此，作为安全措施，在所述工具事实上已经到达其工作位置后的长的时间段，操作者通常才继续降下功能，如用冲洗液对着它们的各个工具进行冲洗。此过程当然对操作安全是有利地，但是在经济上却是不利的，因为其结果是钻机的整个操作的经济性由于产量减少被基本上削弱了。

另一方面是，在工具(岩心获取管或抓握工具)已达到其操作位置之前开始岩心钻探过程的下一步会导致错误功能，可能是操作停止和总是延长了的生产过程。

发明内容

本发明的目的是克服这些缺点，并为岩心钻探提供方法和设备，以使得能够快速并安全地决定可以开始钻探的下一工作步骤。

根据本发明，此目的是通过各个独立要求的特征部分的特征而实现的。事实上，已表明：从操作过程中的其它声振动中分辨出当各个工具已到达其各自的工作位置(在此，工具意指岩心获取管和抓握工具)时的声振动是可能的。这已使得当各工具到达各自工作位置时，能够被快速地很安全地探测到。于是，没有不必要的延迟，便开始进行过程中的下一步骤。来自系统的、表示当所述工具到达其工作位置时的振动特征的出现已被探测到的输出信号可以用来将情况通知给操作者，或者直接将钻机转换到过程中的下一步骤。

通过连接到钻杆的机器零件感测来自钻杆的声振动，由于此振动在各机器零件之间传递时基本不变，恰当的不复杂的传感器元件可以设置在合适的，如被保护的并可以进入的位置，例如，设置在进给梁上，或在进给梁支撑架上。

将从感测声振动接收到的信号与存储在存储器中的信号进行适当的比较，存储在存储器中的信号由测试和/或计算构成的组中的任何一个产生，其中这可以是为不同应用的不同工具通过计算完成的实地测试问题。因此，是频率分析问题，并且特别是振型分析的问题。

特别地，所述工具是形式为岩心获取管的管状岩心获取工具，岩心获取管被引入钻杆行进到与在钻探过程中定位的钻头相邻的工作位置，以接收岩心。因此工具到达其工作位置时的振动特征是指当岩心获取管达到钻探位置的位置站时发出来的振动。

特别地，所述工具也是抓握工具，意图用于被带入工作位置，并在工作位置连接到岩心获取管，以在完成钻探过程后，从钻探位置取出岩心获取管和被稳定保持的岩心。因此，抓握工具以及连接的岩心获取管从钻杆中被拔出，以取出岩心。当抓握工具到达其工作位置时的振动特征是当它与岩心获取管结合时发出来的振动。

输出信号优选地用于下列组的一个或多个：中断步骤以冲洗工具(关闭水泵-驱动马达)、开始钻探、拔起抓握工具和产生操作者要感知的信号。

优选地，评估从工具被朝向其工作位置引入到钻杆开始一直到输出信号到达的时间段的合理性，以增加系统的安全性。

附图说明

通过实施例并参照附图，现在将详细描述本发明，附图中：

图1示意性地示出了用于岩心钻探的钻机，

图2a以轴向截面的形式示出了带有处于第一位置的岩心获取管的钻杆的远部分的细节，

图2b示出与图2a相同的细节，但是在第二位置处；

图3示出岩心获取管端部的抓握工具，

图4以更大的比例示出图3的连接元件的细节，

图5所示为方块图，示出了根据本发明的方法的序列，和

图6所示为幅值-频率示意图。

具体实施方式

图1示出了用于岩心钻探的钻机1，其包括钻探器2，其在进给梁3上是可移动的，并且在进给压力下，旋转驱动管钻杆6，在管钻杆6的远端以一般方式设置有管钻头8。进给梁3端部的钻杆支撑件标记为7。冲洗转体36以普通方式设置在钻杆的最上方。

钻机1进一步具有钻机底座4，进给梁3可枢转地设置在上面，以允许相对于水平面对钻角进行有限地调整。用以给钻机的部件提供动力的动力机组整体标记为5。进给梁3通过进给梁支撑9稳固保持在钻机底座4上，在进给梁支撑9上，根据本发明，设置有传感器元件10，用以感测钻机中的声振动。

传感器元件10通过电缆13与CPU11通信，CPU具有适当存储的程序，用于以本身已知的方式控制钻机1的部件。为此，CPU11与动力机组5通过电缆14进行通信，与钻探器2通过电缆15进行通信。标号12标记的是用以显示与钻探相关的不同数据的显示器。标号16标记的是形式为键盘的输入装置。

图2a以轴向截面示出了形式为管状岩心获取管17的岩心获取工具，其正被向前放入管钻杆6到其工作外置，其中，岩心获取管17的远端邻接表面18将与导向钻头8上的与钻探方向相反的邻接表面19相抵接。P表示推进方向，推进方向基本上是垂直向下的，但是不排除此方向P可能会被侧向指向甚至向上指向，这取决于要对目标岩石进行钻探的应用的特点。

对管状岩心获取管17的前向驱动可以通过作用在管子上的重力或通过冲洗液或冲洗水、或其组合而减小。标号22标记的是用于接合钩的区域，下面解释接合钩，并且，接合钩用以与抓握工具配合，抓握工具用以在完成钻探序列后，拔出带有被稳定保持的岩心的管状岩心获取管17。

图2b所示为当管状岩心获取管17在钻杆6中完成前向运动后的工作位置，其前沿已经与钻头8区域的用于该目的的邻接底座抵接。当管状岩心获取管17的邻接表面18与钻头8的邻接表面19之间发生抵接时，就会产生声音，声音导致在图2b中标记为24的声波或声振动通过管钻杆6一直传播到钻机1，在那里它们通过与钻杆6相接触的元件如钻杆支撑件7、钻探器2、进给梁3等进一步传播，一定程度上也传播到周围环境中。

因此，被传播的声波可以因此通过声敏传感器感测到，声敏传感器(图1)的声敏元件10定位在与管钻杆6接触的钻机1的元件上。

图3所示为抓握工具20，抓握工具20意图用于被插入到钻杆中，以在完成一定钻探长度后，与管状岩心获取管17形成接合。通过在拉线(未示出)的辅助下拔出抓握工具20，抓握工具20和被稳固保持的岩心获取管17以及在岩心获取管中被稳固保持的岩心被通过钻杆拔出到达钻机，其中在抓握工具20上设置有用于拉线的附件23。在钻机处，将抓握工具从岩心获取管上解开，并将被钻出且拔出的岩心从岩心获取管中取出，在远处的部分放置到钻杆的近端之后，可以重复此过程，以使得进一步钻探选定距离成为可能。

本实施例中抓握工具20的接合部分21包括圆锥部分，圆锥部分具有横向底面21′和指向插入方向的尖头端部，使得形成了抓握工具20的钩状端部。岩心获取管17具有相应的适于与抓握工具20的接合部分21接合配合的接合钩22。

图4所示为钻杆6内部区域的轴向截面，在接合部分21的辅助下，抓握工具20与岩心获取管17通过其接合钩22而接合配合。当接合部分到达配合位置并且接合钩22已经通过接合部分21的圆锥部分时，接合钩22将向内弹回，以在这些零件之间建立接合配合。因此当接合钩22卡入接合位置时，将会产生特征声振动，并且标记为25的所述声振动将通过钻杆6以如上所描述的、相应于参照图2b中的声振动24的方式传播。26标记为岩心。

根据本发明，感测在钻机里传播的声振动，以检测声振动的出现，一方面，该声震动是岩心获取管达到如图2b所示的工作位置时的特征，另一方面是抓握工具20已经达到如图4所示的工作位置时的特征。已经发现：通过分析作用在传感器元件上的声振动，检测何时这种声振动已经出现是可能的。因此已经存储了主要频率范围内的来自真实事件的、测试和/或计算的信号，这些信号是这些声振动的特征。

在CPU中，有适合此目的的滤波器，以滤去无关的频率范围，并减少意图要计算的数据量，CPU中还有比较器功能，比较器功能将采集到的振动信号与存储在存储器中的信号进行对比。当匹配关系建立时，发出输出信号，用以例如开始或中断操作或将信号传给操作者。因此，全部的钻探过程可以以安全的方式加速，这种方式具有很大经济效益。

图5示意性地示出了描述根据本发明的方法序列的方框图，其中，

位置27表示序列的开始，

位置28表示通过将岩心获取管插入并穿过钻杆推进而进行的岩心获取过程的开始，

位置29表示岩心获取管到达其工作位置，其中当岩心获取管与钻头区域的底座抵接时，发出特征声振动，

位置30表示CPU在对钻机受到的声振动进行分析之后，将分析后的感测到的声振动识别为岩心获取管已达到其工作位置的特征，检测当岩心获取管到达其工作位置的声振动特征，并且发出第一输出信号，

位置31表示开始和完成钻探过程选定距离，其中在岩心获取管中获得相应长度的钻探岩心，

位置32表示在钻杆中降下抓握工具到其工作位置，

位置33表示当抓握工具到达其工作位置，由于以上所述原因发生特征声振动，

位置34表示CPU在对钻机受到的声振动进行分析之后，将分析后的感测到的声振动识别为岩心获取管已达到其工作位置的特征，检测当岩心获取管到达其工作位置的声振动特征，并且发出第二输出信号，

位置35表示此序列的结束，拔出抓握工具和挂在其上的岩心获取管，取出岩心，并前进到位置27。

图6示意性地示出了幅值-频率示意图，其中画有两条曲线，两条曲线中的k1示出了在岩心获取管抵接到钻头区域底座的事件的频率分布图，k2示出了接合钩将与抓握工具的接合部分相接合的事件的频率分布图，Δf1示出了对于第一个事件存在特征幅值峰值的频率范围。Δf2示出了第二事件幅值峰值特征出现的频率范围。适当地，CPU中的比较是通过将声敏元件采集的声振动与以图6的各频率分布形式的频率图对比而进行的。

在实际中，已经显示：在许多应用中，具有一个单个的频率范围是合适的，在该单个频率范围中，两个事件的特征幅值峰值都出现。其中这些情形下，一个单个的频率范围可以用来识别这两种事件。也可以是频率区域完全不同的情形，以及为此将这些频率范围分开是适当的。也可以是一个事件有多个频率范围的情形。

本发明可以在随附权利要求的范围内进行修改。所包括的部件能够以其他方式构成。例如，岩心获取管可以由其他方式构成，对应于接合钩的元件具有其他的形式和功能，抓握工具上的接合部分也是一样。在图1中示出了包括执行本发明功能的CPU。作为替换，一台单独的计算机如PC或甚至简单的计算电路可为此目的而使用，所述PC或电路仅有连接到位于钻机部件上的传感器元件的一条电缆和用以警告操作者已到达工作位置的装置。

分析设备可以分别与比较器和CPU、PC和计算电路一体化，并且数字地或模拟地工作。信号发生器可以是声音、光或振动发生器。

优选地，振动传感器的传感元件与机器零件接触，该机器零件又与钻杆接触，但是不排除使用形式为独立式传声器的感测设备以接收声振动。

Claims (20)

1.一种岩心钻探的方法，其中，

-设置在管状的钻杆(6)端部的管状的钻头(8)抵着要钻探的材料而被旋转驱动，其中

-为了岩心获取的目的，将工具(17，20)引入所述钻杆内部到所述钻头区域的工作位置，

其特征在于：

-当所述工具到达其工作位置时，感测来自所述钻杆的声振动(24，25)，

-分析所述被感测到的声振动，以检测当所述工具到达其工作位置时的声振动特征的出现，和

-当检测到所述工具达到其工作位置时的所述声振动特征的出现时，发送输出信号。

2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：来自所述钻杆(6)的声振动通过连接到所述钻杆的机器零件而被感测。

3.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于：将来自感测所述声振动而接收到的信号与存储在存储器中的信号作对比，所述存储在存储器中的信号是通过测试和/或计算构成的组中的任何一个产生的。

4.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于：将形式为岩心获取管的管状的岩心获取工具(17)在所述钻杆(6)的内部推进到岩心获取工作位置，所述岩心获取工作位置与钻探期间所述钻头的位置相邻。

5.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于：当工具已到达其工作位置时的声振动特征是当形式为所述岩心获取管(17)的所述工具到达钻探位置的抵接处时发出来的振动。

6.根据权利要求4中所述的方法，其中，岩心获取管(17)适用于接收岩心，其特征在于：将抓握工具(20)送到工作位置，在所述工作位置所述抓握工具连接到所述岩心获取管(17)，以在完成钻探后，从钻探位置取出所述岩心获取管和被稳固保持的岩心(26)。

7.根据权利要求6中所述的方法，其特征在于：所述抓握工具(20)与连接的所述岩心获取管(17)被一起从所述钻杆(6)中拉出，以取得所述岩心(26)。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述工具到达其工作位置时的声振动特征是所述抓握工具(20)与所述岩心获取管(17)形成接合时发出的振动。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述输出信号用于以下组的一个或多个：中断向下冲洗工具的步骤、开始钻探、拉出抓握工具以及产生要由操作者感知的信号。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：评估从开始将所述工具在钻杆内部朝向其工作位置推进一直到接收到所述输出信号的时间段的合理性。

11.一种用于岩心钻探的设备，其中设置在管状的钻杆(6)的端部的管状的钻头(8)抵着要钻探的材料而被旋转驱动，并且其中至少一个用于岩心钻探的工具(17，20)适于在所述钻杆(6)内被推进到所述钻头区域的工作位置，其特征在于：

-感测设备(10)，用以感测当所述工具进入到其工作位置时来自所述钻杆的声振动，

-分析设备，用以分析感测到的声振动，以检测当所述工具到达其工作位置时所述声振动的特征的出现，以及

-信号发生器(12)，用于在已检测到所述工具已到达其工作位置时所述声振动的特征的出现时，发出输出信号。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于：所述感测设备(10)被设置为通过连接到所述钻杆的机器零件而感测来自所述钻杆的所述声振动。

13.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于比较器，所述比较器用于将由感测所述声振动而接收到的信号与存储在存储器中的信号进行比较，所述存储在存储器中的信号通过由测试和/或计算构成的组中的任何一个而产生。

14.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于：所述工具是形式为岩心获取管的管状岩心获取工具，用于在所述钻杆(6)的内部前进到与钻探过程中的所述钻头相邻的岩心获取工作位置。

15.根据权利要求14所述的设备，其中，岩心获取管适于接收岩心，其特征在于：抓握工具(20)适于被送到工作位置，在所述工作位置，其被连接到所述岩心获取管(17)，用于在完成钻探后从所述钻探位置取出岩心获取管和被稳定保持的岩心。

16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于：通过提取设备，用于从所述钻杆中拔出所述抓握工具(20)以及连接的所述岩心获取管(17)，以取出所述岩心。

17.根据权利要求15或16所述的设备，其特征在于：所述工具到达其工作位置时的声振动特征是当所述抓握工具(20)与所述岩心获取管(17)相接合时发出的振动。

18.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于：设置输出信号用于以下组的一个或多个：中断向下冲洗工具的步骤、开始钻探、拔出抓握工具以及产生要由操作者感知的信号。

19.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于评估设备，其用于评估从开始将所述工具在钻杆内部朝向其工作位置推进一直到接收到所述输出信号的时间段的合理性。

20.一种钻机，其包括根据权利要求11-19中的任一项所述的设备。

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