CN102985636A - 用于检测钻杆的螺纹接合的紧密性的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种方法和设备，该方法和设备用于在由于利用岩石钻机(1)的冲击装置撞击钻孔设施(6)而使得钻孔设施(6)的至少一个螺纹接合松开时检测钻杆螺纹接合紧密性。为了检测紧密性，预先确定了用于螺纹接合紧固的情况的至少一个紧固模型，将在撞击过程中测量的信号与紧固模型和松开模型作比较，并且基于该比较来确定在确定的时刻螺纹接合的紧密性与哪个模型对应得更好。
Description
背景技术
本发明涉及一种用于由于使用岩石钻机的冲击装置撞击钻孔设施而使钻孔设施的至少一个螺纹接合松动时检测钻杆的螺纹接合的紧密性的方法，该方法基于钻孔设施被撞击时所产生的振动来预先确定用于螺纹接合松动时的情况的至少一个松动模型，测量撞击期间从钻孔设施源发的振动，并且将所测量的振动信号与该模型作比较，以便于确定螺纹接合的紧密性。
此外，本发明涉及一种用于由于使用岩石钻机的冲击装置撞击钻孔设施而使钻孔设施的至少一个螺纹接合松动时检测钻杆的螺纹接合紧密性的设备，该设备包括：控制装置，该控制装置用于控制岩石钻机；存储器部件，所述存储器部件用于存储预先确定的松动模型，该预先确定松动模型表示钻孔设施的螺纹接合松动时的情况；测量装置，该测量装置用于测量在撞击期间从钻杆源发的振动；以及分析部件，该分析部件用于根据预先确定的原理来对测量的的振动进行分析，并且用于与松动模型作比较以便于确定螺纹连接是否已经变得松动。
当在岩石或地面上钻孔时，采用钻孔设施，其中一个或多个钻杆、钻头以及可选地钻柄通过螺纹接合互相连接。在所谓的潜孔钻(DTHdrilling)中，钻孔设施的钻头经常被连接至设置有冲击装置并位于孔的底部的潜孔钻，该钻进一步连接至通过螺纹接合相互连接并且延伸至地面的钻管，该管能够旋转。在下文中，钻杆和钻管都称为钻杆。在钻孔期间，由于旋转扭矩和通过冲击装置在钻孔期间对其传递的撞击而导致螺纹接合变紧并且产生应力波和扭矩，并且实际上，它们通常不能仅通过旋转电机来脱开(unopenable)。
众所周知，已经尝试解决该问题而使得在完成钻孔后，操作者已经使用冲击装置撞击钻杆，当不对其施加进给力时，通过适当次数的撞击来使得螺纹松开。操作者基于经验执行这些，并当觉察到特别的声音或来自钻孔设施的振动时，或者以另一方式检测到螺纹已经松开时，停止撞击。
实际上，问题在于很难以可靠的方式来检测螺纹的松开并且第一次通常不成功。另一个问题在于当螺纹已经松动时，不必要的撞击可能磨损甚至损坏钻孔设施。另外，存在螺纹接合完全脱开、钻孔设施的零件彼此分离并落入孔内的风险。而且，操作者必须手动执行这些的事实阻碍了自动化。
已经进行了各种尝试来提供钻杆的自动拆卸和螺纹松开的检测。这些特别在EP1671011、JP56966/1986和JP1864566中已经被公开。然而，在实践中，这些公开中的解决方案在操作中并不完全可靠。这些要求非常详细和准确的特征振动方式或情况特定的值，尽管如此，其用途几乎是限制为专用装置，使得对于一个设备的设置不能在其它类似的设备或在条件改变时使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方法和设备，通过该方法和设备，螺纹的松开可以可靠地执行，并且在必要时，完全自动地执行。
本发明的方法的特征还在于，预先确定用于螺纹接合/多个螺纹接合被紧固的情况的至少一种紧固模型；将在撞击期间测量的振动信号与紧固模型和松动模型作比较；以及基于该比较，确定模型中的哪一个在确定的时刻与螺纹接合的紧密性对应得更好。
本发明的设备的特征在于，在存储器部件中，还预先存储有至少一种紧固模型，该至少一种紧固模型表示钻孔设施的螺纹接合被紧固的情况；其特征还在于分析部件被布置为，将在撞击过程中测量的振动信号与紧固模型和松动模型作比较，并且基于该比较，确定模型中的哪个在确定的时刻与螺纹接合的紧密性对应得更好。
本发明的基本原理是预先确定用于指示螺纹紧密固定的振动以及用于指示螺纹松动的振动二者的模型。而且，在撞击过程中，将撞击过程中测量的信号在撞击过程中与紧固模型和松动模型作比较，并且基于该比较来确定测量的信号与模型中的哪一个更接近。基于该比较，相应的地可以作出结论，即确定，在测量的时刻螺纹是紧固的还是松动的。
在本发明的实施例中，在紧固模型和松动模型之间例如数学地或者通过下述方式确定分离阈值条件，在阈值条件的确定中采用有经验的操作者，基于操作在撞击和具体在停止撞击情况中的执行来确定用作阈值的值，根据模型比较中所测量的振动，阈值的一边是螺纹紧固，而另一边是螺纹松动。
在本发明的方法及其设备中，因为不需要准确一致的模型，所以螺纹接合或多个螺纹接合的状态的检测比已知的解决方案更加可靠并且可以更加容易自动化，但是可以使用更粗糙的模型来进行在两种不同模型之间的比较，并且因此可以更容易地找出实际情况。而且，当阈值条件被确定为使得其在紧固模型和松动模型之间的位置可以被改变，例如，当环境改变或钻孔设施改变时，该方法可以容易地适用于在不同环境中的相同装置及适用于不同的装置。
而且，通过提供用于不同钻孔设施、钻孔条件等的多个模型，该方法可以根据不同情况而被广泛地应用。本发明的解决方案不需要振动特性的准确、详细的条件，而是通过这些模型，能够广泛地描述紧密性的效果和振动特性的变化。该模型通常在不同的紧密状态中描述振动及其属性，从而不需要情况特定的值或设置。替代地，这些模型涵盖了环境、设备及装置的区别，并且将自动地考虑环境、设备及装置的区别。另外，本发明的解决方案采用用于紧固和松动螺纹结合部二者的模型，并且将振动的对应性与这些模型作比较。为了得到紧密状态的结论，振动及其属性不需要与模型准确对应。因此，能够比先前的解决方案更加可靠地确定紧密性。
附图说明
现在在附图中更详细地描述本发明，在附图中：
图1是岩石钻机的示意图，
图2示意性地示出了根据本发明的方法的原理，
图3示意性地示出了形成本发明方法的方式和实现其应用的系统，
图4示意性地示出了应用本发明方法的方式，以及
图5通过示例的方式示意性地示出了应用本发明的方式。
具体实施方式
图1示意性地示出了岩石钻机1，该岩石钻机1包括提架(carrier)2，悬臂3连接到该提架2。在悬臂3的一端处连接有进给梁(feed beam)4，在使用过程中，岩石钻孔机器5沿着进给梁4移动。岩石钻机5耦接至钻孔设施6，该钻孔设施6在钻孔过程中旋转并且被包括在岩石钻机中的冲击装置撞击。
钻孔设施6包括一个或多个钻杆6a和钻头6b，该一个或多个钻杆6a和钻头6b通过螺纹接合以本身已知的方式相互连接。在其它岩石钻机中，钻孔设施还包括这里没有示出但对本领域技术人员来说是已知的钻柄，并且通常位于岩石钻孔机器的内部。这种岩石钻机及其操作本身是公知的，并且因而不需要详细描述。
岩石钻机1的岩石钻孔机器5包括本身已知并在钻孔中进行使用的冲击装置。其操作和结构是公知的，并且因此不需要任何更加详细的描述。为了使钻孔设施6的螺纹接合松动，钻孔设施被岩石钻机的冲击装置撞击，并且可能利用包括在岩石钻机内的旋转电机7而在螺纹松动的方向上旋转，并且本身是已知的。因而，在钻孔设施中生成的力逐渐地使得螺纹接合松开。
岩石钻机1还包括控制装置8，该控制装置8控制岩石钻机在钻孔或其它使用过程中的操作。控制装置8包括测量装置9，该测量装置9是单独的或者是其集成零件，用于在撞击过程中测量来自钻杆的振动。具体地，在撞击过程中，测量装置9例如使用连接至测量装置的传感器10来测量从钻孔设施源发的振动。传感器10进而例如可以是测量声音信号的麦克风、应变仪传感器或者测量应力波的类似装置、或者测量加速度的加速度传感器或者其它适当的传感器。作为这种类似传感器的替代，可能使用光学测量装置。测量进而可以对钻孔设施6、岩石钻机的框架或者相关位置执行，也可以对空气中传播的声音等执行。而且，控制装置包括分析部件11，该分析部件11进而分析测量的振动并且将结果与预先确定的松动模型和紧固模型作比较，以便于确定螺纹接合是否已经松开。测量装置9和分析装置11可以是控制装置8或者单独的装置，并且还可通过包括在控制装置8中的计算机程序来实现。
在本专利申请和权利要求中，撞击涉及下面选项中的任何一个。在没有朝着要钻孔的岩石进给钻机的情况下，岩石钻机的冲击装置或者单独的冲击装置撞击在钻杆的纵向上撞击钻孔设施。在钻孔过程中，作为其最后的阶段，在要钻孔的孔的末端点之前的一定距离处，减少进给，使得不论钻孔如何都由于来自岩石钻机的冲击装置的撞击而生成的应力波松开螺纹。单独的撞击装置在钻杆的横向方向上撞击要松动的钻杆的螺纹接合。
图2示意性地示出了本发明的方法如何工作。通过振动测量或通过理论上确定紧固模型12，该紧固模型12用于描述具有紧密地相互连接的螺纹接合的钻孔设施，螺纹接合可以是一个或多个。而且，示出了第二模型13，即松动模型，该第二模型13用于根据测量或理论确定来描述螺纹接合已经松开的情况。实际上，这些模型是从钻孔设施测量的或理论上确定的振动的各种频率或各种频率谱或者表示螺纹状态的其它测量的或计算值，并且因此，当情况改变时该值也相应地改变。这些值特定于每个具体设备，并且可以根据使用的设备和设置来以各种方式变化。
在紧固模型和松动模型之间存在过渡阶段14，该过渡阶段14在螺纹开始松开时发生。该过渡不是突然地跳变，而是在实际中在几秒钟内逐渐地发生。例如，在该过渡阶段14中，振动频率、频率谱或其它的代表值从紧固模型12向松动模型13改变，由此在频率和频率谱之间存在一种情况，其允许以期望的方式检测螺纹已经松开。这时能够限定阈值条件15，该阈值条件15用作将用于将撞击过程中测量的振动信号与这些预先确定模型作比较的阈值。
例如，阈值条件15可以被设置为模型之间的中间处或者具体地基于经验在任何一个方向上以期望的方式设置阈值条件15。因此，阈值条件可以是可调节的，并且可以在钻孔设施以一种方式或另一种方式改变时进行调节，或者在如果钻孔条件发生了实质性改变时进行调节。例如，调节还可以被改变为使得识别和检测根据情形而变得更敏感或不敏感，即，检测可以比设置的阈值条件所确定的更早或更晚地发生。
阈值条件15还可以被确定为使得有经验的操作者执行撞击，并且基于操作者停止撞击的情况来确定阈值条件15。当需要时，自然能够使用几个不同的操作者，并且基于所述操作者的停止情况，能够创建平均阈值条件，该平均阈值条件在期望时候也可改变。在所有的情况下，操作者是钻工、服务人员或在操作过程中使用岩石钻机的其他任何人。
阈值条件本身可以仅仅是特定变量的特定设置值，诸如频率。然而，还可以是变量的数学函数、表示变量的模型、或者基于表示变量的曲线的模型、甚至是多维模型。
例如，在模型之间确定的阈值条件可能超过所选择的阈值。该阈值可以被预先选择或通过计算来确定。阈值的审查还可以基于数学表达或函数，其基于振动属性来进行计算并且将其值与设置的阈值作比较。而且，例如，如果相对于多个表示属性的数学变量来审查振动属性，则该条件可以是振动属性落入选定的区域或属性子集。该条件也可以是数学函数、关系或者其他本身已知的数学运算。例如，还可以通过相对于时间审查的振动属性的改变或积累来提供该条件。
图3示意性地示出了如将向工作的系统提供本发明的方法。
首先，收集21一个或多个不同岩石钻机上的振动数据。此后，为了确定其属性，例如通过数学统计来处理22测量的振动数据。根据测量的振动，有可能通过使用本身已知的方法来形成表示振动属性的参数或其它的计算量。这些数学方法本身是公知的，并且因此不需要以任何更加详细的方式进行解释。此后，基于测量的数据，初步地确定23紧固和松动模型24和25，并且所获得的模型然后用于该方法的实现。
此后，可以使用一个或多个岩石钻机来测试所获得的模型，基于此，有可能进行测试所需要的模型中的必要的改变。随后，对于不同的岩石钻机和设施、甚至对于不同的钻孔条件，存在可选用的几种不同的模型，并且可以根据在每个具体岩石钻机中的用途来对其进行分类。自然，所获得的模型可以通过实践经验来进行比较，并且当需要时，可以做出修改的模型版本。
图4示意性地示出了应用本发明方法的方式。以先前描述的方式来测量26来自岩石钻机的振动，此后，基于在模型确定中使用的属性来确定振动属性27。接下来，将测量的振动的属性与提供的模型作比较28，并且基于该比较，得出29螺纹接合紧密性的结论，即，得出它们紧密地固定还是充分松开以使其要脱开的结论。
图5通过示例的方式示意性地示出了应用本发明的方法的方式。附图中示出的曲线是通过在撞击过程中测量岩石钻机上的钻孔设施的振动频率来提供的。
如附图中显现的，钻孔设施的振动频率在螺纹接合紧固时比在松动即松开时更低。因此，紧固模型涵盖了低于具体频率M1的频率范围，而松动模型涵盖了高于第二具体频率M2的频率范围。它们之间存在模糊区域，例如，在模糊区域的中间存在用于确定情形和得出结论的阈值条件，即，在该情况下是具体选定的振动频率。
在撞击过程中，从其初始时刻T0至时间点T1的振动测量指示螺纹接合是紧固的。从此时向前直至时间点T2的状态更多的是紧固状态而不是松动状态，而在时间点T2，情况改变。从此时向前直至时间点T3，螺纹接合更多的是不紧固状态而不是紧固状态，但他们也不是完全松开的，并且仅从时间点T3向前，有可能基本上所有的螺纹接合完全松开。
当应用该方法时，首先，提供了两个模型，其中的一个表示紧固状态，而另一个表示松动状态。另外，在模型之间确定用于做出决定的阈值条件。在撞击过程中，测量的振动与两个模型，即紧固模型和松动模型，作比较，并且使用阈值条件得出对螺纹接合状态的结论。
实际上，例如，在实现阈值条件(即在该情况下表示其的频率)之后，可以停止撞击。如果需要，可以与拆卸相关联地进一步撞击可能仍然存在的紧密螺纹连接。例如，基于在特定钻孔情况和经验中执行的测量，还可以调节阈值条件，以更接近紧固模型或者与松开模型相对应，从而根据该示例，用作限定值的频率值变得更低或更高。
自然地，该设备包括用于控制的存储部件，在该存储器部件中存储所确定的模型和阈值条件及其它的参数以及可能还有测量的振动及其分析结果。例如，存储部件可以是控制装置8中的存储器，或者可以是包括在挖掘计算机系统内的存储器，从而岩石钻机的控制装置可以进行使用。
以上，仅通过示例性的方式在说明书和附图中对本发明进行了描述，而本发明不限于此。因此，振动信号可以直接地从钻杆测量或者间接地从岩石钻机的各种零件测量。可以用适当的测量装置或者通过其他本身已知的测量方法来将振动测量为声音信号、超声波信号、加速度、应力波、钻孔设施中应力波的传播。可以从钻孔设施、岩石钻机的框架中的任何一个测量或者从岩石钻机中的其它的适当的点测量应力波。进而，可以通过使用激光测量装置或者适用于该目的的其他光学测量装置来执行光学测量。可以以各种方式处理测量的振动信号，以便于数学地或通过声、电等提供期望的可比较模型和可比较的信号。
为了安全起见，在撞击之后，能够在紧固方向上旋转钻孔设施，从而脱开的螺纹接合被轻微地紧固，并且钻孔设施的零件不能相互分离。这也可以自动地执行，使得控制装置被布置为在撞击之后在紧固方向上短时间的扭转钻孔设施。
Claims (32)
1.一种用于检测钻杆的螺纹接合的紧密性的方法，当由于利用岩石钻机(1)的冲击装置撞击钻孔设施(6)而导致钻孔设施(6)的至少一个螺纹接合松开时，所述方法基于撞击时所述钻孔设施(6)中所产生的振动来预先确定用于所述螺纹接合松开的情况的至少一个松开模型，测量在撞击过程中从所述钻孔设施(6)源发的振动，并且将测量的振动信号与所述松开模型作比较以便于确定所述螺纹接合的紧密性，其特征在于，进一步预先确定用于所述螺纹接合被紧固的情况的至少一个紧固模型，将在撞击过程中测量的所述振动信号与所述紧固模型和所述松开模型二者作比较，并且基于所述比较来确定在确定的时刻所述螺纹接合的紧密性与哪个模型对应得更好。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于钻杆(6a)的物理属性来理论地确定所述模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述螺纹接合紧固以及当所述螺纹接合松开时，通过在钻孔过程中撞击所述钻孔设施(6)并且测量来自所述钻孔设施(6)的振动来确定所述模型。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过基于操作者操作所述设备的活动而撞击以使得所述钻孔设备(6)的所述螺纹接合脱开，来确定所述模型。
5.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，确定所述模型之间的阈值条件，在所述阈值条件的一边，所述螺纹接合被认为是松开的，而在所述阈值条件的另一边，所述螺纹接合被认为是紧固的。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述模型之间的阈值条件是可调节的。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述岩石钻机(1)的控制装置(8)根据所述岩石钻机(1)和/或所述钻孔条件来自动地调节所述阈值条件。
8.根据权利要求5至7中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述阈值条件被理论地确定。
9.根据权利要求5至7中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述阈值条件被实验性地确定，使得有经验的操作者执行撞击，并且由所述操作者决定的撞击停止值被设置为所述模型之间的所述阈值条件。
10.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，从所述岩石钻机(1)测量振动。
11.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，从所述钻孔设施(6)测量振动。
12.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述振动被测量为声音信号。
13.根据权利要求1至11中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述振动被测量为应力波。
14.根据权利要求1至11中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述振动被测量为加速度。
15.根据权利要求1至11中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述振动被测量为机械振动。
16.根据权利要求1至11中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述振动被测量为超声波。
17.根据权利要求1至11中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述振动被光学地测量。
18.根据权利要求1至11中的任何一项所述的方法，其特征在于，测量所述钻孔设施(6)中的应力波的传播。
19.一种用于检测钻杆的螺纹接合的紧密性的设备，当由于利用岩石钻机(1)的冲击装置撞击钻孔设施而导致钻孔设施(6)的至少一个螺纹接合松开时，该设备包括：控制装置(8)，所述控制装置(8)用于控制所述岩石钻机(1)；存储器部件，所述存储器部件用于存储预先确定的松开模型，所述松开模型表示所述钻孔设施(6)的螺纹接合被松开的情况；测量装置(9)，所述测量装置(9)用于测量在撞击过程中从钻杆源发的振动；以及分析部件(11)，所述分析部件(11)用于根据预定原理来分析测量的振动，并且用于与所述松开模型作比较，以便于确定所述螺纹连接是否已经被松开，其特征在于，在所述存储器部件中还预先存储至少一个紧固模型，所述至少一个紧固模型表示所述钻孔设施(6)的螺纹接合紧固的情况，所述分析部件(11)被布置为将在撞击过程中测量的振动信号与所述紧固模型和所述松开模型二者作比较，并且基于所述比较来确定在确定的时刻所述螺纹接合的紧密性与哪个模型对应得更好。
20.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述存储器部件被包括在所述控制装置(8)内。
21.根据权利要求19或20所述的设备，其特征在于，所述存储器部件存储在所述模型之间确定的阈值条件，在所述阈值条件的一边，所述螺纹接合被认为是松开的，而在所述阈值条件的另一边，所述螺纹接合被认为是紧固的。
22.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，所述控制装置(8)被布置为基于所述模型的测量结果来调节所述阈值条件。
23.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，所述岩石钻机(1)的所述控制装置(8)被布置为根据所述岩石钻机(1)和/或所述钻孔条件来自动地调节所述阈值条件。
24.根据权利要求19至23中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述测量装置(9)被布置为测量来自所述岩石钻机(1)的振动。
25.根据权利要求19至24中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述测量装置(9)被布置为测量来自所述钻孔设施(6)的振动。
26.根据权利要求19至25中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述测量装置(9)被布置为将振动测量为声音信号。
27.根据权利要求19至25中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述测量装置(9)被布置为将振动测量为应力波。
28.根据权利要求19至25中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述测量装置(9)被布置为将振动测量为加速度。
29.根据权利要求19至25中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述测量装置(9)被布置为将振动测量为机械振动。
30.根据权利要求19至25中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述测量装置(9)被布置为将振动测量为超声波。
31.根据权利要求19至25中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述测量装置(9)被布置为光学地测量振动。
32.根据权利要求19至25中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述测量装置(9)被布置为将振动测量为所述钻孔设施(6)内的应力波的传播。
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