CN103502555B - 共振增强旋转钻孔模块 - Google Patents
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Abstract
提供一种用于在共振增强旋转钻孔中使用的设备，所述设备包括：（i）用于测量静态和动态轴向负载的上负载传感器；（ii）隔振单元；（iii）可选的振荡器背衬质量；（iv）振荡器，该振荡器用于向旋转钻头施加轴向振荡负载；（v）振动传递单元；（vi）用于测量静态和动态轴向负载的下负载传感器；（vii）钻头连接器；以及（viii）钻头，其中，所述上负载传感器定位在所述隔振单元的上方，并且所述下负载传感器定位在所述振动传递单元和所述钻头之间，其中所述上负载传感器和所述下负载传感器连接至控制器以便提供所述振荡器的井下闭环实时控制。
Description
技术领域
本发明涉及高频冲击增强旋转钻孔，并且具体地涉及共振增强钻孔。本发明的实施方式涉及用于在共振增强旋转钻孔中使用以改善钻孔性能的设备和方法。本发明的其它实施方式涉及可根据这些方法和设备进行控制的共振增强钻孔设备。本发明的某些实施方式可应用于任何尺寸的钻机或被钻孔的材料。某些更具体的实施方式旨在钻通岩层，尤其是变化组分的那些岩层，在油、气采矿和建筑工业中的深孔钻孔应用中可能遭遇这样的岩层。
背景技术
冲击增强旋转钻孔本身是已知的。冲击增强旋转钻机包括旋转钻头以及用于向旋转钻头施加振荡负载的振荡器。振荡器对被钻孔的材料提供冲击力从而破碎材料，以帮助旋转钻头切入该材料。
共振增强旋转钻孔是特殊类型的冲击增强旋转钻孔，其中振荡器在高频下振动从而获得与被钻孔的材料的共振。这导致在旋转钻头处所施加的压力的放大，从而当与标准冲击增强旋转钻孔相比时提高了钻孔效率。
US3,990,522公开了一种冲击增强旋转钻机，该钻机使用安装在用于钻螺栓孔的旋转钻机中的液压锤。其公开了可变冲程和频率的冲击循环可以被应用并且调节至被钻孔的材料的固有频率，以产生在钻头的末端处施加的压力的放大。伺服阀保持冲击控制，并且继而由操作员通过借助电导体连接至伺服阀的电子控制模块来控制。操作员通过控制加压流体向致动器的流动和从该致动器的流出而可以选择性地将冲击频率从每分钟0循环改变到每分钟2500循环(即，0至42Hz)，并且选择性地将钻头的冲程从0英寸改变到1/8英寸(即，0至3.175mm)。其描述了通过选择具有与被钻孔的岩层的固有频率或共振频率相等的频率的冲击冲程，由冲击力存储在岩层中的能量将导致在钻头的末端处施加的压力的放大，使得固体材料将崩塌和移开并且使得钻机速率在每分钟3至4英尺的范围内。
存在几个通过上述装置已确定并且在下面讨论的问题。
利用使用相对低频的液压振荡器的US3,990,522的设备不能得到高频率，该设备。因此，尽管US3,990,522论述了共振的可能性，但将看到能由其振荡器获得的低频率不足以实现共振增强钻通许多硬材料。
与上面讨论的频率问题无关，利用US3,990,522的装置在任何情况下都不能容易地获得并保持共振，尤其是在钻机穿过具有不同共振特性的不同材料的情况下。这是因为US3,990,522的装置中的冲击频率和冲程的控制由操作员手动地实现。因而，当钻机穿过不同类型的材料时难以控制设备来不断地调节冲击力的频率和冲程以保持共振。对于钻浅螺栓孔来说这可能不是如此主要的问题，如US3,990,522中所述的。操作员仅仅能选择用于待钻螺栓孔的材料的合适的频率和冲程，然后操作钻机。然而，对于穿过许多不同层岩石的深钻来说突显了该问题。位于深钻孔之上的操作员不能看到哪种类型的岩石正被钻通并且当钻机从一种岩石通到另一种岩石时不能容易地获得并保持共振，在岩石类型频繁改变的区域中尤其如此。
如WO2007/141550中所述的，本发明人已解决了上述问题中的一些问题。WO2007/141550描述了一种共振增强旋转钻机，该钻机包括自动反馈和控制机构，在钻机穿过不同类型的岩石时，该机构能够不断地调节冲击力的频率和冲程以保持共振。钻机设置有调节装置和位于井下位置中的控制装置，该调节装置响应于钻机所穿过的材料的条件，该控制装置包括用于进行材料特性的井下测量的传感器，由此该设备能够在闭环实时控制下在井下操作。
US2006/0157280提议了一种振荡器的井下闭环实时控制。其描述了传感器和控制单元能最初可以扫描一系列频率同时监控关键钻孔效率参数(诸如行进速率(ROP))。然后振荡装置能被控制以在最佳频率下提供振荡，直到进行下一个扫频。扫频的模式可以基于钻孔操作的一个或更多个元素，诸如地层的变化、所测量的ROP的变化、预定时段或来自表面的指示。详细的实施方式利用这样的振荡装置，该振荡装置向旋转钻头施加扭转振荡并且涉及扭转共振。然而，其还描述了施加至钻头的振荡的示例性方向包括横跨所有自由度的振荡并且未被利用以便促使待被钻孔的材料中产生裂纹。相反，其描述了钻头的旋转导致待被钻孔的材料最初分成几部分，然后施加瞬间振荡以便确保旋转钻头保持与破裂材料接触。没有出现任何提供以下振荡器的公开或建议，如根据共振增强钻孔所要求的，该振荡器能向钻头输入足够高的轴向振荡负载以便促使旋转钻头所穿过的材料中产生裂纹，如WO2007/141550所述的那样。
现有技术中没有一个提供关于如何监控轴向振荡的任何细节。传感器大体在US2006/0157280和WO2007/141550中公开，但是这些传感器相对于部件(诸如隔振单元和振动传递单元)的位置未被讨论。
尽管现有技术中描述了解决方案，但是希望对其描述的方法和设备作出进一步改进。本发明的实施方式的目的是做出这样的改进以便提高钻孔效率，提高钻孔速度和钻孔稳定性和质量，同时限制设备的磨损从而增长设备的寿命，另一个目的是尤其是当迅速钻通变化的岩石类型时更精确地控制共振增强钻孔。
发明内容
因此，本发明提供一种用于在共振增强旋转钻孔中使用的设备，所述设备包括：
(i)用于测量静态和动态轴向负载的上负载传感器；
(ii)隔振单元；
(iii)可选的振荡器背衬质量；
(iv)振荡器，该振荡器包括动态激振器以向旋转钻头施加轴向振荡负载；
(v)振动传递单元；
(vi)用于测量静态和动态轴向负载的下负载传感器；
(vii)钻头连接器；以及
(viii)钻头，
其中，所述上负载传感器定位在所述隔振单元的上方，并且所述下负载传感器定位在所述隔振单元和所述钻头之间，其中所述上负载传感器和所述下负载传感器连接至控制器以便提供振荡器的井下闭环实时控制。
能想到，该设备可以用作钻柱中的共振增强钻孔模块。钻柱构造未被特别地限制，并且可以想到任何构造，包括已知的构造。如需要共振增强时并且当需要共振增强时，该模块可以被接通或断开。
在该设备布置中，所述动态激振器通常包括磁致伸缩激振器。该磁致伸缩激振器未被特别地限制，并且具体地对产生轴向激励的变换器或方法没有设计限制。优选地该激振器包括来自MagneticComponentsAB的PEX-30振荡器。
本布置中采用的动态激振器是基于磁致伸缩材料在由外部磁场磁化时改变它们的原子间间隔以将总磁弹性能减到最小的原理工作的磁致伸缩致动器。这导致相对大的应变。因此，在磁致伸缩材料的振荡运动中提供振荡磁场的应用。
磁致伸缩材料可以被单轴地预加应力以使得原子矩垂直于轴线预对齐。随后平行于轴线施加的强磁场平行于磁场重新对齐所述原子矩，并且磁矩的该相干转动导致材料平行于磁场应变和伸长。这样的磁致伸缩致动器可从MagComp和MagneticComponentsAB获得。如上提及的，一种特别优选的致动器是由MagneticComponentsAB生产的PEX-30。
还可想到的是，可以利用磁性形状记忆材料(诸如形状记忆合金)，因为这些材料能提供比可最普遍得到的磁致伸缩材料高得多的力和应变。磁性形状记忆材料严格来说不是磁致伸缩的。然而，因为它们是受磁场控制的，因此为了本发明的目的它们将被认为是磁致伸缩致动器。
在该布置中，振动传递单元未被特别地限制，但是优选地包括结构弹簧。它例如可以是具有六角手风琴状的壁的环形单元，优选地为具有六角手风琴状的壁的中空金属罐。隔振单元也未被特别地限制，并且可以包括结构弹簧。它例如可以是具有六角手风琴状的壁的环形单元，优选地为具有六角手风琴状的壁的中空金属罐。
在该布置中，上负载传感器的定位典型地使得能测量来自钻柱的静态轴向负载。下负载传感器的定位典型地使得能测量从振荡器通过振动传递单元传递到钻头的动态负载。该实施方式的设备的部件的顺序特别优选地是从上到下地从(i)到(viii)。
在另一实施方式中，本发明提供一种用于在共振增强旋转钻孔中使用的设备，该设备包括：
(i)用于测量静态负载的上负载传感器；
(ii)隔振单元；
(iii)振荡器，该振荡器用于向旋转钻头施加轴向振荡负载；
(iv)用于测量动态轴向负载的下负载传感器；
(v)钻头连接器；以及
(vi)钻头，
其中，所述上负载传感器定位在所述隔振单元的上方，并且所述下负载传感器定位在所述振荡器和所述钻头之间，其中所述上负载传感器和所述下负载传感器连接至控制器以便提供所述振荡器的井下闭环实时控制。
可想到的是，该设备可以用作钻柱中的共振增强钻孔模块。该钻柱构造未被特别地限制，并且可以想到任何构造，包括已知的构造。如需要共振增强时并且当需要共振增强时，该模块可以被接通或断开。
在该设备布置中，振荡器通常包括电驱动的机械致动器。该机械致动器未被特别地限制，并且优选地包括来自Vibratechniques公司的VR2510致动器。
电驱动的机械致动器能利用两个偏心旋转质量的理念以提供所需的轴向振动。这样的振动器模块包括作为高频振动源的两个反向旋转偏心质量。由该布置提供的位移可以相当大(大约2mm)。基于反向旋转偏心质量的原理的合适的机械振动器可从Vibratechniques公司买到。用于本发明的某些实施方式的一个可行的振动器是VR2510模块。该振动器以对应于100Hz的相等振动频率的6000rpm使偏心质量旋转。单元的总重量是41kg并且单元能够输送达到24.5kN的力。该单元的功率消耗是2.2kW。
该布置与第一实施方式的布置的不同之处在于，不需要用于机械放大振动的振动传递单元。这是因为机械致动器本身提供足够的振幅。此外，因为该技术依赖反向旋转质量的作用，因此不需要在磁致伸缩实施方式中所使用的重的背衬质量。该隔振单元未被特别地限制，但是优选地包括结构弹簧。它例如可以是具有六角手风琴状的壁的环形单元，优选地为具有六角手风琴状的壁的中空金属罐。
在该布置中，上负载传感器的定位典型地使得可以测量来自钻柱的静态轴向负载。下负载传感器的定位典型地使得可以监控从振荡器传到钻头的动态负载。该实施方式的设备的部件的顺序特别优选地是从上到下地从(i)至(vi)。
布置中的每个布置的设备均带来许多优点。这些优点包括：增加的钻孔速度；更好的钻孔稳定性和质量；设备上的较小应力，从而导致更长的寿命；以及更大的效率，从而减少能量消耗。
用于两个实施方式的优选应用是大型钻孔设备、控制设备以及用于油气工业的钻孔方法。然而，其它钻孔应用也是有益的，这些钻孔应用包括：用于道路承建者的表面钻孔设备、控制设备和钻孔方法；用于采矿业的钻孔设备、控制设备和钻孔方法；用于家庭使用等的手持钻孔设备；专业钻孔，例如牙医钻。
附图说明
现在将参照下列附图仅通过示例来更详细地描述本发明，附图中：
图1描绘了根据本发明的第一实施方式(布置)的共振增强钻孔(RED)模块的照片和示意图；
图2描绘了根据本发明的第二实施方式(布置)的设备的示意图；
图3描述了可以用于本发明的隔振单元的示意图；
图4描绘了可以用于本发明的振动传递单元的示意图；
图5(a)和(b)示出了这样的曲线图，这两个曲线图示出了针对具有150mm的直径的钻头作为振幅的函数的必要的最小频率；
图6示出了这样的曲线图，该曲线图示出了针对给予固定功率源的各种振动质量作为振幅的函数的最大可应用频率；以及
图7示出了示意图，该示意图示出了井下闭环实时反馈机构。
具体实施方式
将显而易见的，假如在井下供应功率源，那么本发明的实施方式(布置)的设备能自动起作用并且响应于当前钻孔状态调节钻头的旋转和/或振荡负载从而优化钻孔机构。
在钻孔操作期间，旋转钻头旋转并且轴向取向的动态负载由振荡器施加至钻头以产生裂纹扩展区从而帮助旋转钻头切入材料。
振荡器和/或动态激振器根据本发明的优选方法来控制。因此，本发明还提供一种用于控制包括如上所限定的设备的共振增强旋转钻机的方法，所述方法包括：
控制共振增强旋转钻机中的振荡器的频率(f)，由此频率(f)保持在以下范围内：
(D2Us/(8000πAm))1/2≤f≤Sf(D2Us/((8000πAm))1/2
其中，D是旋转钻头的直径，Us是被钻孔的材料的抗压强度，A是振幅，m是振动质量，并且Sf是大于1的比例因数；以及
控制共振增强旋转钻机中的振荡器的动态力(Fd)，由此动态力(Fd)被保持在以下范围内：
[(π/4)D2 effUs]≤Fd≤SFd[(π/4)D2 effUs]
其中Deff是旋转钻头的有效直径，Us是被钻孔的材料的抗压强度，并且SFd是大于1的比例因数，
其中，振荡器的频率(f)和动态力(Fd)通过监控表示被钻孔的材料的抗压强度(Us)的信号并且根据被钻孔的材料的抗压强度(Us)的变化利用闭环实时反馈机构调节振荡器的频率(f)和动态力(Fs)而被控制。
频率和动态力的范围基于下列分析。
地层的抗压强度给出了必要的冲击力的下限。动态力的所需的最小幅度计算如下：
Deff是旋转钻头的有效直径，该有效直径是根据钻头的接触被钻孔的材料的部分确定比例的钻头的直径D。因此有效直径Deff可以限定为：
其中，Scontact是与钻头的接触被钻孔的材料的部分对应的比例因数。例如，估计仅钻头表面的5％与被钻孔的材料接触，有效直径Deff可以限定为：
上述计算提供了振荡器的动态力的下限。在操作期间利用大于该下限的动态力在钻头前方产生裂纹扩展区。然而，如果动态力太大，则裂纹扩展区将远离钻头延伸，从而有损钻孔稳定性并且降低钻孔质量。另外，如果由振荡器施加在旋转钻机上的动态力太大，则可能导致加速且毁灭性的工具磨损和/或故障。因此，动态力的上限可以限定为：
SFd[(π/4)D2effUs]
其中SFd是大于1的比例因数。在实践中，SFd根据被钻孔的材料来选择从而确保裂纹扩展区不会太远离钻头延伸而有损钻孔稳定性并且降低钻孔质量。此外，SFd根据旋转钻机的部件的坚固性来选择以经受住振荡器的冲击力。对于某些应用SFd将被选择成小于5，优选地小于2，更优选地小于1.5，并且最优选地小于1.2。低的SFd值(例如，接近1)将提供非常紧密且受控的裂纹扩展区并且在损害扩展率的情况下还增长了钻孔部件的寿命。因而，在需要非常稳定、高质量钻孔时希望SFd的值较低。另一方面，如果扩展率是更重要的考虑，则可以将SFd选择为较高值。
在振荡器的时段τ的冲击期间，质量为m的钻头的速度改变了量Δν，这是由于接触力F＝F(t)：
其中，接触力F(t)假定为谐函数。力F(t)的幅度有利地高于破裂被钻孔的材料所需的力Fd。因此脉冲变化的下限可以如下建立：
假定钻头在冲击之间进行谐运动，则钻头的最大速度是νm＝Aω，其中A是振幅，并且ω＝2πf是其角频率。假定当钻头具有最大速度νm时发生冲击，并且钻头在冲击期间停止，则Δν＝νm＝2Aπf。因此，振动质量表示为：
该表达式包含冲击时段τ。冲击的持续时间由许多因素确定，这些因素包括地层和工具的材料特性、冲击的频率以及其它参数。为简单起见，τ被估计为振动的时段的1％，也就是说，τ＝0.01/f。这导致可以为冲击提供足够脉冲的频率的较低估值：
必要的最小频率与钻头的振幅和质量的逆平方根成比例。
上述计算提供了振荡器的频率的下限。如同动态力参数一样，在操作期间利用大于该下限的频率在钻头前方产生裂纹扩展区。然而，如果频率太大，则裂纹扩展区将远离钻头延伸而有损钻孔稳定性并且降低钻孔质量。另外，如果频率太大，则可能导致加速且毁灭性的工具磨损和/或故障。因此，频率的上限可以限定为：
Sf(D2Us/(8000πAm))1/2
其中，Sf是大于1的比例因数。与关于SFd在上面讨论的考虑类似的考虑适用于Sf的选择。因此，对于某些应用，Sf将被选择为小于5，优选地小于2，更优选地小于1.5，并且最优选地小于1.2。
除了对于振荡器的操作频率的前述考虑之外，有利的是，将频率保持在接近但不超过被钻孔的材料的峰值共振条件的范围内。也就是说，频率有利地高至足以接近与被钻孔的材料接触的钻头的峰值共振，同时低至足以确保该频率不会超过将导致振幅的惊人的减弱的峰值共振条件的频率。因此，Sf有利地被选择，由此：
fr/Sr≤f≤fr
其中fr是对应于被钻孔的材料的峰值共振条件的频率，并且Sr是大于1的比例因数。
与关于SFd和Sf在上面讨论的考虑类似的考虑适用于Sr的选择。对于某些应用Sr将被选择为小于2，优选地小于1.5，更优选地小于1.2。高的Sr值允许利用较低频率，这能导致较小的裂纹扩展区以及较低的扩展率。低的Sr值(即，接近于1)将频率约束于接近峰值共振条件的范围，这能导致较大的裂纹扩展区和较高的扩展率。然而，如果裂纹扩展区变得太大，则这可能有损钻孔稳定性并且降低钻孔质量。
与钻通具有变化的共振特性的材料相关的一个问题在于共振特性的变化可能导致操作频率突然超过峰值共振条件，这将导致振幅的惊人减弱。为了解决该问题，可以适当地选择Sf，由此：
f≤(fr-X)
其中，X是安全系数，以确保频率(f)在被钻孔的两种不同材料之间的过渡区处不会超过峰值共振条件的频率。在这样的布置中，频率可以被控制为保持在如下限定的范围内：
fr/Sr≤f≤(fr-X)
其中，安全系数X确保频率足够远离峰值共振条件以避免操作频率在从一种材料类型到另一种材料类型的过渡区上突然超过峰值共振条件的频率，这将导致振幅的惊人的减弱。
类似地，可以引入用于动态力的安全系数。例如，如果大的动态力被用于具有大的抗压强度的材料并且然后出现至具有低得多的抗压强度的材料的过渡区，则这可以导致动态力突然大很多，从而导致裂纹扩展区远离钻头延伸，从而在材料过渡区有损钻孔稳定性并且降低钻孔质量。为了解决该问题，合适的是在下列动态力范围内操作：
Fd≤SFd[(π/4)D2 effUs-Y]
其中Y是安全系数，以确保动态力(Fd)不会超过导致在被钻孔的两种不同材料之间的过渡区处裂纹的灾难性延伸的限值。安全系数Y确保动态力不会太高，使得如果出现至具有低抗压强度的材料的突然过渡区，则这也将不会导致裂纹扩展区的灾难性的延伸而有损钻孔稳定性。
安全系数X和/或Y可以根据材料类型和速度的预知变化而设定，当材料类型变化被检测到时，频率和动态力可以随速度而变化。也就是说，X和Y中的一者或两者优选地能根据速度及被钻孔的材料的抗压强度(Us)的预知变化来调节，当被钻孔的材料的抗压强度(Us)的变化被检测到时，频率(f)和动态力(Fd)可以随速度而变化。X的典型范围包括：X>fr/100；X>fr/50；或者X>fr/10。Y的典型范围包括：Y>SFd[(π/4)D2 effUs]/100；Y>SFd[(π/4)D2 effUs]/50；或者Y>SFd[(π/4)D2 effUs]/10。
利用这些安全系数的实施方式可以看作是对于复合地层结构的每种材料以最优操作条件工作并且在每层材料之间的界面处提供平稳过渡区以保持界面处的钻孔稳定性之间的折衷。
本发明的在前所述的实施方式适用于任何尺寸的钻机或待被钻孔的材料。某些更具体的实施方式涉及钻通岩层，尤其是变化组分的那些岩层，这些岩层在油、气和采矿工业的深孔钻探应用中可以遭遇到。问题仍在于什么样的数值适于钻通这样的岩层。
岩层的抗压强度具有从大约对于砂岩的Us＝70MPa直到对于花岗岩的Us＝230MPa的大的变化。在大规模钻孔应用，诸如油工业中，钻头直径的范围从90mm至800mm(31/2英寸到32英寸)。如果钻头表面的仅大约5％与岩层接触，则所需的动态力的最低值被计算为接近20kN(利用穿过砂岩的90mm钻头)。类似地，所需的动态力的最大值计算为接近6000kN(利用穿过花岗岩的800mm钻头)。因而，为了钻通岩层，动态力优选地被控制成保持在20kN至6000kN的范围内，这取决于钻头的直径。当消耗大量功率以便以6000kN的动态力驱动振荡器时，可以有利地将具有中到小直径钻头的本发明用于许多应用。例如，90mm至400mm的钻头直径导致20kN至1500kN的操作范围。进一步缩小钻头直径范围给予了20kN至1000kN、更优选地20kN至500kN、再优选地20kN至300kN的动态力的优选范围。
对于必要的位移振幅的较低估值是为了具有比由于岩层中的不均匀性而引起的随意的小规模末端弹跳的位移显著更大的振动。因而振幅有利地是至少1mm。因此，振荡器的振幅可以保持在1mm至10mm的范围内，更优选地在1mm至5mm的范围内。
对于大规模的钻孔设备，振动质量可以是10kg至1000kg的量级。对于这样的大规模的钻孔设备的可行频率范围不会扩展至高于几百赫兹。因而，通过选择合适值的钻头直径、在前述限值内的振动质量和振幅，振荡器的频率(f)可以被控制成保持在100Hz至500Hz的范围内，同时提供足够的动态力以针对一定范围的不同岩石类型形成裂纹扩展区并且为足够高的频率以实现共振效应。
图5(a)和(b)示出了曲线图，这两个曲线图示出了针对具有150mm的直径的钻头的作为振幅的函数的必要的最小频率。曲线图(a)是针对振动质量m＝10kg，而曲线图(b)是针对振动质量m＝30kg。下曲线对于较弱的岩层适用，而上曲线用于具有高抗压强度的岩石。如从这些曲线图可以看到的，曲线上方的区域中的100Hz至500Hz的操作频率将提供足够高的频率以利用在1mm至10mm(0.1cm至1cm)的范围内的振幅在所有岩石类型中形成裂纹扩展区。
图6示出了这样的曲线图，该曲线图示出了针对给定固定功率源的各种振动质量的作为振幅的函数的最大可用频率。该曲线图针对30kW的功率源而计算，该功率源能借助用来驱动钻头的旋转运动的泥浆马达或涡轮在井下产生。上曲线振动10kg的振动质量，而下曲线针对50kg的振动质量。如从曲线图可以看到的，100Hz至500Hz的频率范围对于范围在1mm至10mm(0.1cm至1cm)的振幅可达到。
控制器可以构造成执行前述方法并且结合到共振增强旋转钻孔模块中，诸如图2至3中本发明的第一实施方式和第二实施方式中的那些模块。共振增强旋转钻孔模块设置有传感器(负载传感器)，该传感器直接或间接地监控被钻孔的材料的抗压强度，并且向控制器提供信号，该信号表示被钻孔的材料的抗压强度。控制器构造成接收来自传感器的信号并且根据被钻孔的材料的抗压强度(Us)的变化利用闭环实时反馈机构来调节振荡器的频率(f)和动态力(Fd)。
发明人已确定了，用于提供反馈控制的最佳布置是为了将反馈机构的感测元件、处理元件和控制元件都定位在井下组件内，如第一实施方式和第二实施方式中那样。该布置是最紧凑的，对共振条件的变化提供较快的反馈和较迅速的响应，并且还允许钻头被制造为在其中一体形成有必要的反馈控制，使得钻头可以被改装到现有的钻柱，而不需要更换整个钻孔系统。
图7示出了示意图，该示意图示出了井下闭环实时反馈机构。设置一个或多个传感器40来监控振荡器42的频率和振幅。布置处理器44来接收来自一个或多个传感器40的信号并且向控制器46发送一个或更多个输出信号以用于控制振荡器42的频率和振幅。功率源48连接至反馈回路。功率源48可以是构造成为产生用于反馈回路的电力的泥浆马达或涡轮。在该图中，功率源被示出为连接至振荡器的控制器以用于基于从处理器接收的信号向振荡器提供可变功率。然而，功率源可以连接至反馈回路中的任一个或多个部件中。低功率部件(诸如传感器和处理器)可以具有它们自己的呈电池形式的供电电源。
虽然已经参照优选实施方式具体地示出并描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，在没有脱离如由所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以进行形式和细节的各种变化。
Claims (62)
1.一种用于在共振增强旋转钻孔中使用的设备，所述设备包括：
(i)用于测量静态和动态轴向负载或者用于监控被钻孔的材料的抗压强度的第一传感器；
(ii)隔振单元；
(iii)可选的振荡器背衬质量；
(iv)振荡器，该振荡器包括动态激振器以向旋转钻头施加轴向振荡负载；
(v)振动传递单元；
(vi)用于测量静态和动态轴向负载或者用于监控被钻孔的材料的抗压强度的第二传感器；
(vii)钻头连接器；以及
(viii)钻头，
其中所述第一传感器(i)和所述第二传感器(vi)都连接至控制器以便提供所述振荡器的井下闭环实时控制。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一传感器(i)定位在所述隔振单元的上方。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二传感器(vi)定位在所述振动传递单元和所述钻头之间。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述动态激振器包括磁致伸缩激振器。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述动态激振器包括来自MagneticComponentsAB的PEX-30振荡器。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述振动传递单元包括结构弹簧。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述隔振单元包括结构弹簧。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述振荡器的频率(f)和动态力(Fd)能够由所述控制器控制。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述振荡器的频率(f)和动态力(Fd)能够根据表示被钻孔的材料的抗压强度(Us)变化的负载传感器测量值而控制。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述振荡器的频率(f)被控制为保持在100Hz以上的范围内。
11.根据权利要求9所述的设备，其中，所述振荡器的频率(f)被控制为保持在从100Hz至500Hz的范围内。
12.根据权利要求9所述的设备，其中，所述动态力(Fd)被控制为保持在高达1000kN的范围内。
13.根据权利要求9所述的设备，其中，所述动态力(Fd)被控制为保持在40kN至500kN的范围内。
14.根据权利要求9所述的设备，其中，所述动态力(Fd)被控制为保持在50kN至300kN的范围内。
15.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一传感器(i)是定位在所述隔振单元的上方的上部负载单元，所述第二传感器(vi)是定位在所述振动传递单元和所述钻头之间的下部负载单元。
16.一种用于在共振增强旋转钻孔中使用的设备，所述设备包括：
(i)用于测量静态负载或者用于监控被钻孔的材料的抗压强度的传感器；
(ii)隔振单元；
(iii)振荡器，该振荡器用于向旋转钻头施加轴向振荡负载；
(iv)用于测量动态轴向负载或者用于监控被钻孔的材料的抗压强度的传感器；
(v)钻头连接器；以及
(vi)钻头，
其中这些传感器都连接至控制器以便提供所述振荡器的井下闭环实时控制。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述传感器(i)定位在所述隔振单元的上方。
18.根据权利要求16所述的设备，其中，所述传感器(iv)定位在所述振荡器和所述钻头之间。
19.根据权利要求16所述的设备，其中，所述振荡器包括电驱动的机械致动器。
20.根据权利要求16所述的设备，其中，所述振荡器包括来自Vibratechniques公司的VR2510致动器。
21.根据权利要求16所述的设备，其中，所述隔振单元包括结构弹簧。
22.根据权利要求16所述的设备，其中，所述振荡器的频率(f)和动态力(Fd)能够由所述控制器控制。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述振荡器的频率(f)和动态力(Fd)能够根据表示被钻孔的材料的抗压强度(Us)变化的负载传感器测量值而控制。
24.根据权利要求23所述的设备，其中，所述振荡器的频率(f)被控制为保持在100Hz以上的范围内。
25.根据权利要求23所述的设备，其中，所述振荡器的频率(f)被控制为保持在从100Hz至500Hz的范围内。
26.根据权利要求23所述的设备，其中，所述动态力(Fd)被控制为保持在高达1000kN的范围内。
27.根据权利要求23所述的设备，其中，所述动态力(Fd)被控制为保持在40kN至500kN的范围内。
28.根据权利要求23所述的设备，其中，所述动态力(Fd)被控制为保持在50kN至300kN的范围内。
29.一种钻孔方法，该方法包括操作如权利要求1至28中的任一项所限定的设备。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，该方法还包括控制所述振荡器的振幅以将振幅保持在0.5mm至10mm的范围内。
31.根据权利要求29所述的方法，其中，该方法还包括控制所述振荡器的振幅，以将振幅保持在1mm至5mm的范围内。
32.根据权利要求29所述的方法，其中，所述振荡器的频率(f)被控制为保持在100Hz以上的范围内。
33.根据权利要求29所述的方法，其中，所述振荡器的频率(f)被控制为保持在从100Hz至500Hz的范围内。
34.根据权利要求29所述的方法，其中，所述振荡器的动态力(Fd)被控制为保持在高达1000kN的范围内。
35.根据权利要求29所述的方法，其中，所述振荡器的动态力(Fd)被控制为保持在40kN至500kN的范围内。
36.根据权利要求29所述的方法，其中，所述振荡器的动态力(Fd)被控制为保持在50kN至300kN的范围内。
37.一种用于控制包括如权利要求1至28中的任一项所限定的设备的共振增强旋转钻机的方法，所述方法包括：
控制所述共振增强旋转钻机中的所述振荡器的频率(f)，由此所述频率(f)被保持在如下范围：
(D2Us/(8000πAm))1/2≤f≤Sf(D2Us/(8000πAm))1/2
其中D是旋转钻头的直径，Us是被钻孔的材料的抗压强度，A是振幅，m是振动质量，并且Sf是大于1的比例因数；并且
控制所述共振增强旋转钻机中的所述振荡器的动态力(Fd)，由此所述动态力(Fd)被保持在如下范围：
[(π/4)D2 effUs]≤Fd≤SFd[(π/4)D2 effUs]
其中，Deff是旋转钻头的有效直径，Us是被钻孔的材料的抗压强度，并且SFd是大于1的比例因数，
其中所述振荡器的频率(f)和动态力(Fd)通过监控表示被钻孔的材料的抗压强度(Us)的信号并且根据被钻孔的材料的抗压强度(Us)的变化利用闭环实时反馈机构调节所述振荡器的频率(f)和动态力(Fd)而被控制。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，Sf小于5。
39.根据权利要求37所述的方法，其中，Sf小于2。
40.根据权利要求37所述的方法，其中，Sf小于1.5。
41.根据权利要求37所述的方法，其中，Sf小于1.2。
42.根据权利要求37所述的方法，其中，SFd小于5。
43.根据权利要求37所述的方法，其中，SFd小于2。
44.根据权利要求37所述的方法，其中，SFd小于1.5。
45.根据权利要求37所述的方法，其中，SFd小于1.2。
46.根据权利要求37所述的方法，其中，Sf被选择为：
f≤fr
其中fr是对应于针对被钻孔的材料的峰值共振条件的频率。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，Sf被选择为：
f≤(fr-X)
其中，X是安全系数，以确保频率(f)在被钻孔的两种不同材料之间的过渡区处不会超过峰值共振条件的频率。
48.根据权利要求47所述的方法，其中，X>fr/100。
49.根据权利要求47所述的方法，其中，X>fr/50。
50.根据权利要求47所述的方法，其中，X>fr/10。
51.根据权利要求37所述的方法，其中：
Fd≤SFd[(π/4)D2 effUs-Y]
其中Y是安全系数，以确保动态力(Fd)在被钻孔的两种不同材料之间的过渡区处不会超过导致灾难性的裂纹延伸的限值。
52.根据权利要求51所述的方法，其中，Y>SFd[(π/4)D2 effUs]/100。
53.根据权利要求51所述的方法，其中，Y>SFd[(π/4)D2 effUs]/50。
54.根据权利要求51所述的方法，其中，Y>SFd[(π/4)D2 effUs]/10。
55.根据权利要求47至52中的任一项所述的方法，其中，X和Y中的一者或两者能根据速度及被钻孔的材料的抗压强度(Us)的预知变化来调节，当检测到被钻孔的材料的抗压强度(Us)的变化时，频率(f)和动态力(Fd)能随速度而变化。
56.根据权利要求37所述的方法，其中，该方法还包括控制所述振荡器的振幅以将振幅保持在0.5mm至10mm的范围内。
57.根据权利要求37所述的方法，其中，该方法还包括控制所述振荡器的振幅以将振幅保持在1mm至5mm的范围内。
58.根据权利要求37所述的方法，其中，所述振荡器的频率(f)被控制为保持在100Hz以上的范围内。
59.根据权利要求37所述的方法，其中，所述振荡器的频率(f)被控制为保持在从100Hz至500Hz的范围内。
60.根据权利要求37所述的方法，其中，动态力(Fd)被控制为保持在高达1000kN的范围内。
61.根据权利要求37所述的方法，其中，动态力(Fd)被控制为保持在40kN至500kN的范围内。
62.根据权利要求37所述的方法，其中，动态力(Fd)被控制为保持在50kN至300kN的范围内。
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