CN103775051B - 钻岩设备和用于控制钻岩设备的进给梁的朝向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钻岩设备和用于控制钻岩设备的进给梁（7）的朝向的方法，所述钻岩设备包括：载体（1）；钻臂（2），其在第一端被连接到所述载体（1）；进给梁（2），其被可转动地连接到所述钻臂（2）的第二端；钻进单元（5），其被连接成沿着所述进给梁（7）可移动；和支承件（8），其被连接到所述进给梁（7），用于将所述钻臂（2）支承在地面上。所述钻臂（2）和进给梁（7）的朝向被调节用以补偿通过将所述支承件（8）驱动到地面上引起的朝向变化。

Description

钻岩设备和用于控制钻岩设备的进给梁的朝向的方法

技术领域

本发明涉及一种钻岩设备，包括：载体；钻臂，其在第一端被连接到载体；进给梁，其被可转动地连接到钻臂的第二端；钻进单元，其被连接成沿着进给梁能够移动；和支承件，其被连接到进给梁，用于将钻臂支承到地面上，该设备包括用于控制钻臂和进给梁的朝向的布置。

另外，本发明涉及一种控制钻岩设备的进给梁的朝向的方法，该钻岩设备包括：载体；钻臂，其在第一端被连接到载体；进给梁，其被可转动地连接到钻臂的第二端；钻进单元，其被连接成沿着进给梁能够移动；和支承件，其被连接到进给梁，用于将钻臂支承到地面上。

背景技术

钻岩设备通常包括载体，钻臂在其一端相对于载体在竖直方向和水平方向已被可转动地组装到载体上。另外，在钻臂的另一端设有用于钻岩的进给梁。在进给梁的前端通常设有支承件，该支承件在钻进之前被压靠于表面，以在钻进期间将进给梁稳定地保持到位。

通常，在支承件压靠于表面之前，进给梁被朝向到其设计的方向，使得应在设计者预期的位置根据预先设定的计划精确地钻孔。但是，在钻进中仍可能存在误差。朝向上的偏差是由支承件被压靠于表面时以及之后的物理因素引起的。

当支承件被压靠于表面时，将进给梁压靠于岩石的力可以改变设备的位置和排列，这改变了钻臂和进给梁的方向。另外，力可以使钻臂弯曲，这可以进一步增大偏差。结果，孔的方向可能是不正确的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻岩设备和用于控制进给梁的朝向的方法，其中改进了钻进精度。

该钻岩设备的基本构思在于，该布置被构造成基于影响朝向的参数来限定通过将支承件驱动到地面上而引起的朝向变化。钻臂和进给梁的朝向在施加钻进力之前被自动地调节，以补偿通过将钻臂支承到地面上而引起的朝向变化。

在钻岩设备的一个实施例中，设备被构造用以基于钻臂的朝向、进给梁的朝向、孔的方向以及载体的方向和倾角中的一个或更多个来限定朝向变化。

在钻岩设备的另一实施例中，设备被构造用以在支承件被驱动到地面之前，基于所限定的朝向变化来自动地改变钻臂和进给梁的朝向。

在钻岩设备的另一实施例中，设备被构造用以在支承件被驱动到地面之后，基于所限定的朝向变化来自动地改变钻臂和进给梁的朝向。

在钻岩设备的再一实施例中，设备被构造用以在支承件被驱动到地面期间，基于所限定的朝向变化来自动地改变钻臂和进给梁的朝向。

另外，该方法的基本构思在于方法包括：

限定钻臂和进给梁的朝向，

基于影响朝向变化的参数，限定通过将支承件驱动到地面上引起的朝向变化，以及

在施加钻进力之前，自动地调节钻臂和进给梁的朝向以补偿朝向变化。

在该方法的一个实施例中，基于钻臂的朝向、进给梁的朝向、孔的方向以及载体的方向和倾角中的一个或更多个来执行对朝向变化的限定。

在方法的另一实施例中，在支承件已被驱动到地面之后而钻岩设备被设置到用于钻进的支承位置时，基于限定载体、钻臂和进给梁的位置的变化的参数来完成朝向变化。

在方法的另一实施例中，在支承件被驱动到地面之前完成对钻臂和进给梁的朝向的调节。

在方法的又一实施例中，在支承件被驱动到地面期间完成对钻臂和进给梁的朝向的调节。

在方法的再一实施例中，使用待钻进的孔的钻进数据来完成朝向。

附图说明

下面将参考附图更详细地描述本发明的一些实施例，在附图中：

图1a示出了钻岩设备的示意性侧视图，

图1b示出了在支承件已被压靠表面之后的钻岩设备的示意性侧视图，

图2a至图2c示出了从上方观察的钻岩设备的示意图，示出了位于钻臂的不同位置的支承三角形，

图3a示出了在支承件已被压靠于表面之前被调节用以补偿变形时的钻岩设备的示意性侧视图，

图3b示出了在支承件已被压靠于表面之前被调节用以补偿位置变化时的钻岩设备的从前方观察的示意图，

图4a示出了被调节用以补偿偏差时的钻岩设备的示意性侧视图，

图4b示出了被调节用以补偿偏差时的钻岩设备的从前方观察的示意图，

图5a至图5c示出了不同操作阶段中的钻臂定位和排列的图像/显示的屏幕；以及

图6示出了在手动地完成补偿时的钻臂定位和排列的图像/显示的屏幕。

具体实施例

图1示出了钻岩设备的示意性侧视图。该钻岩设备具有带轨道1a的可移动载体1，带有致动器3的钻臂2在其一端被连接到轨道1a。钻岩设备还可具有控制舱1b。钻岩单元4连接到钻臂2的另一端。钻岩单元4包括钻岩机5，钻岩机5具有带钻头6a的钻柱6，钻柱6沿进给梁7的纵向方向可移动地组装到进给梁7。在进给梁的前端设有支承件8，该支承件8在钻进之前被压靠于地面9。支承件8可以是连接到进给梁的单独元件，或者其可以是进给梁的实体部分或者本领域中已知的任何方案。进给梁7可以通过许多方式可转动地连接到钻臂2的端部。钻臂可以不可移动地连接到载体，或者其可以通过一个或更多个接头连接到载体，这允许钻臂相对于载体在不同方向上转动。钻臂可为任何已知的类型，诸如，具有单个钻臂部的钻臂，该单个钻臂部在一端连接到设备的载体，并且该钻臂部的另一端连接到进给梁；具有两个或更多个钻臂部的回转式钻臂，其中利用接头将钻臂部连接在一起；伸缩式钻臂；或者任何其它已知的钻臂类型。

钻岩设备的构造可以被限定为运动学模型，能够基于该运动学模型来计算设备的行为。该运动学模型可用以限定由支承件被压靠于地面而引起的进给梁的相对于预期朝向的偏差，并且由此也限定用于控制钻臂和/或进给梁以补偿该偏差的预设值。

该设备具有本领域技术人员已知的公知载体传感器1c，用于感测载体相对于地球坐标系的位置和倾角。

载体、钻臂、致动器、钻进单元和进给梁的操作和构造对于本领域技术人员是公知的，构造和操作的细节并不需要更具体地说明。

另外，钻岩设备具有控制单元10，控制单元10包括计算机，其控制装备的操作。控制单元10与传感器相连，该传感器例如感测钻臂的不同部分的转角或朝向或位置以及进给梁与载体的连接或者钻臂与进给梁的连接。这在图1a中以虚线示意性地示出。另外，钻岩设备通常具有显示器11和控制面板12，它们在图1a中示意性地示出。实践中，计算机、显示器和控制面板或者不同类型的控制装置可以已经被连接到控制舱1a内，钻进设备的操作人员通常位于控制舱1a中。载体传感器也被连接到控制单元10。

控制单元10还具有存储装置，诸如通常的计算机的存储器，用于存储数据和代码，这些数据和代码用以控制控制单元和钻进设备，以执行支承件补偿特征中的至少一些特征，这些在下面更详细说明。数据可包括单独的表格或图表，所述表格或图表包括关于相对于载体、钻臂、致动器、钻进单元和进给梁的构造的位置和朝向变化的数据，以及关于它们相对于彼此的位置的数据。为了阐明情况，图1b和图3a至4b仅示出了进给梁，而未示出通常的装备部件，诸如钻岩机、钻柱等。

图1b示出了钻岩设备的示意性侧视图，说明了当支承件8被压靠于地面9时，进给梁的方向且由此钻进方向是如何变化的。图1b还示出了钻臂2如何因将支承件8压靠于地面9的力而朝向载体倾斜。

当进给梁7被压靠于地面9时，支承件8可以进入地面，或者如果地面是硬的，诸如坚固的岩石，则支承件保持抵靠在表面上。当推进力将进给梁相对于钻臂2向下推进时，钻臂2的位置和朝向可以从其原始形式（其以虚线2’示出）改变。相应地，进给梁7的位置和朝向可以改变，如箭头B所示，并且其方向偏离通过虚线7’所示的期望方向。

同时，轨道1a的前部被向上抬起，从而使得易于产生间隙G。当这种情况发生时，设备相对于轨道的后端向上转动，并且因此进给梁朝向载体1倾斜。

这是最简单的情形，此时钻岩设备下方的地面为坚实的并且基本上平滑，使得载体并不向旁侧倾斜。在地面不平整并且部分地或完全地较软的其它情况中，进给梁的方向上的变化更加复杂。但是，如果地面为斜的但是坚实的，则可以估计或计算在支承期间的钻臂的倾角。在此情况下，可以使用先前钻进的经验。

图2a至图2c示意性地示出从上方观察的钻岩设备，示出了在钻臂的不同位置的支承三角形，在此图示中，作为示例，载体相对于轨道1a是不可转动的，但钻臂2相对于载体是可转动的。然而，这同样适用于其中载体相对于轨道可转动的情况。

在图2a中，钻臂与钻岩设备的纵向对准。当进给梁中的支承件被压靠于地面并且轨道1a的前端从地面抬起时，形成支承三角形，该支承三角形的支承点由进给梁的支承点S1和轨道1a的后端与地面接触所在的点S2和S3形成。在此位置，进给梁的方向上的变化是朝向载体1的倾角。

图2b示出了钻臂2相对于载体1向左转动的情形。此处，进给梁中的支承件的支承点S1也向左移动，并且支承三角形的形式被改变。在此情形中，进给梁不仅朝向载体倾斜，而且也在载体的横向上朝右倾斜，这使得变化的计算和补偿更加复杂。

图2c还示出了钻臂2相对于载体向右转动的情形。同样，支承点S1已经相对于载体1向右移动，并且支承三角形已被改变。在此情形下，进给梁再次在支承期间在载体的纵向上倾斜并且在载体的横向上朝左倾斜，这与图2b的情形中发生的情况相反。

图2a至2c的情形示出了当钻岩设备位于基本上平滑的坚实地面上时发生的情形。如果载体下方的地面不平整，载体会向不同方向倾斜，这使得预先补偿相当难，并且可能需要在将进给梁中的支承件压靠于地面期间具有额外补偿或者甚至在支承件被压靠于地面之后具有一个或更多个单独的补偿步骤。

图3a示出了在支承件已被压靠于地面之后的从前方观察的钻岩设备的示意图。当朝向地面推进进给梁7时，该推进引起试图使进给梁7向图2a中的左方转动的力。因此，进给梁7转到从虚线7”所标记的期望位置偏离的位置。

图3b示出了在支承件被压靠于表面以及载体之后的从上方观察的图2a的钻岩设备的示意图。在此图中，能够看出钻臂2已被转动，使得进给梁的倾角因横向力D的原因而偏离其由虚线2”所标记的期望位置。

位置和朝向变化的一个重要原因在于，当支承件8被压靠于地面时，载体的前部通常至少在一定程度上被向上抬起。另一原因在于，如果载体下方的地面不平整，则载体会以不同方式倾斜，这造成更多的偏差。而且，待钻进的孔相对于载体的倾角和方向具有主要影响。

图4a示出了在支承件以钻进力F被压靠于表面之前而被调节用以补偿偏差时的钻岩设备的示意性侧视图。如从图中可以看出的那样，进给梁7远离钻岩设备转动，使得其偏离以虚线7”’所示的所设计的朝向。当进给梁以支承力被压靠于地面9时，载体和钻臂2的朝向改变，使得在端部处，进给梁7与位置7”’一致。

图4b示出了在支承件以钻进力F被压靠于表面之前而被调节用以补偿偏差时的从前方观察的钻岩设备的示意图。同样，在此图中，进给梁7相对于以虚线7””所标记的所设计的位置向右转动。当进给梁7的支承件8以钻进力F压靠于地面9时，进给梁7如箭头C所示地转动并且安置到所设计的朝向7””。

补偿可以基本上通过各种方式完成。根据实施例，控制单元被布置用以执行自动预设的补偿程序。因此，在钻岩设备的位置以及待钻进的孔的位置和方向已被限定之后，控制单元限定必需的补偿、将钻臂和进给梁预设到所计算的位置和方向，并且然后将进给梁中的支承件压靠于地面。可通过计算或者从存储器检索出进给梁和/或钻臂所需的新的位置/朝向，基于当前的输入参数（诸如，钻臂的朝向、进给梁的朝向、孔的方向、载体的方向和/或载体的倾角）限定所需的补偿。如果进给梁的方向的准确度在预设的角度极限内，则可以开始钻孔。这在图5a至5c中已被示出。

图5a示出了钻臂定位和排列显示的屏幕11。中间以点13示出，其示出了孔的位置。小圆14示出了钻柱6的钻头6a，而大圆15示出了钻柱6的另一端。在圆之间的直线16表示钻柱。竖直线17表示钻岩设备的纵向方向，而水平线18表示钻岩设备的横向方向。

在开始钻进之前，操作人员使用控制面板12或触摸屏将小圆14移动到点13上，并开始预设。也可能的是，当开始预设时，控制单元自动地进行该聚焦。在开始预设之后，控制单元计算必需的预设值，并且当这些已被计算出来时，改变圆的视图。同时，控制单元根据所计算的值朝向最终预设距离和角度移动大圆15和线16。圆的颜色和它们之间的线可以例如在开始是黄色，并且在值已经计算出来并且位置符合预设值后，它们的颜色可以例如变成绿色。也可以使用其它颜色或不同类型的线等。这种情形在图5b中示出。

在此阶段后，控制单元可以自动地或者受操作人员控制地开始将支承件压靠于地面，并且如果预设值已被校正，则大圆15在推进期间已经移动到小圆13上，如图5c所示。设备也可具有所谓的“安全开关（deadman’s switch）”。在此情况下，操作人员必须在操作期间一直握着该开关。

在进给梁的方向偏差超过容许的角度极限的情况下，偏差可存储在控制单元的存储器中，并且将进给梁撤离地面。接下来，控制单元考虑所存储的偏差来计算新的预设值，并且通过将进给梁中的支承件再次压靠于地面来重复该过程。使用储存的数据或者操作人员的来自先前钻孔的经验也是可能的。

在实施例中，控制单元监测支承件被压靠于地面时的进给梁的方向，并且在推进期间和/或在推进结束之后对通过推进支承件引起的偏差（或者已经执行的偏差）补偿进行校正。当钻臂被重新定位或者重定向以确保孔笔直时，这是特别有利的。通常，在添加钻杆或开始钻进时如此执行。

在再一实施例中，基于从操作人员给用户界面的输入来获得用以补偿通过将支承件驱动到地面上而引起的朝向变化的补偿指示，并且将该补偿指示作为参数设定于控制单元中。在支承件开始被压向地面之前，控制单元计算相应的预设值。这可适用于其中自动预设可能是困难的或耗时的情况。在此方式下，操作人员使用他或她的技能并且通过使用控制面板12或触摸屏来限定偏差。这在图6中示出，其中十字19表示由操作人员标记的预设位置。控制单元然后计算必需的预设值，如上文所描述的那样。之后，控制单元可以自动地或者以通过操作人员控制的方式开始将支承件压靠于地面，使得施加补偿，或者“前进（advance）”，从而实现正确地对准进给梁。钻岩设备的钻臂的朝向、进给梁的朝向、孔的方向，载体的方向和/或载体的倾角可以在预设值的限定下使用。要注意的是，可以使用上述方法中的两个或更多个的组合，例如如果朝向误差在支承件已经被压靠于地面上之后仍检测到，则可以进行第二次校正性的自动补偿校正。如果钻岩设备在同一位置钻进多于一个的孔，则对于每个孔，钻臂的转动导致新的补偿计算，但是在第一个孔的补偿期间所存储的信息可以作为帮助，这可以减少可能的多次预设序列。

当确定了偏差时，控制单元使用存储在其存储器中的参数。这些参数可在工厂中以如下方式确定：将钻臂和进给梁转动到不同的角度，并存储每个位置的偏差值。然后，这些值可存储在钻岩设备的控制单元的存储器中。在测量后，则可将数值表复制到类似的钻岩设备的存储器内，而无需每次都作同样的工作。

操作人员可以基于他或者她的经验将一个或更多个参数设置到控制单元的存储器内。另外，控制单元可以使用自适应方法，并且存储先前钻孔的信息以在后来使用。另外，能使用网络以便将利用一个钻岩设备收集的信息分送到其它钻岩设备。

载体和/或支承件的位置变化以及载体的支承力被加以考虑，由此接头的位置变化并且由此钻臂和进给梁的移动可在朝向上受到补偿。钻岩设备并且由此进给梁的位置和/朝向变化通过如下方式得以补偿：基于所希望的钻进方向，将钻臂和进给梁预设为从其理论位置偏离的位置，使得在支承件已被压靠于地面和载体之后，钻臂和进给梁的位置变化，而进给梁处于其计划的位置和朝向。

这能够以下面方式完成：使用角度和位置传感器来测量载体、钻臂和进给梁的位置和朝向，限定进给梁的实际方向，并且限定预设位置和朝向的偏差。然后，通过使用这些限定的偏差值，朝向可受到补偿以便提供具有可接受的准确度的钻进方向。这可在支承件被压靠于地面之前或之后和/或在支承件被压靠于地面期间来进行。

根据实施例，钻岩设备的不同部件的机械和/或动力特性可存储在钻岩设备的控制单元10的计算机的存储器中，并且用于补偿。关于部件的机械和动力特性的信息可包括它们的强度、它们根据影响它们的荷载而弯曲的能力、它们的重量等。当已经给定所设计的钻进方向时，例如在存储在计算机存储器中的钻进计划中，或单独地，计算机计算出部件的不同偏差。之后，计算机计算出进给梁相对于所设计的位置的偏差。然后，在进给梁的定位期间，计算机通过使用所计算的偏差值将进给梁和钻臂相对于所设计的位置定位，使得其将钻臂和进给梁定位到相对于所计算的偏差的相反方向。

在使用钻进单元将进给梁的支承件以钻进力压靠于地面之前，完成进给梁和钻臂的定位。当然后将钻进力施加到载体的部件上时，钻臂和进给梁通常可能弯曲，但由于偏差计算和补偿，进给梁7此后处在所设计的钻进方向上。

这里，已在说明书和附图中仅示意性地描述了本发明。本发明能够通过许多不同的方式实施，并且本发明能够能应用于不同类型的钻岩设备。基本构思在于，位置和朝向变化影响进给梁的朝向，因此在支承件被压靠于地面期间或者在此之后预先补偿待钻进的孔的朝向，使得进给梁最终处在所希望的方向上。

Claims (12)

1.一种钻岩设备，包括：载体；钻臂，所述钻臂在第一端被连接到所述载体；进给梁，所述进给梁被可转动地连接到所述钻臂的第二端；钻进单元，所述钻进单元被连接成沿着所述进给梁能够移动；和支承件，所述支承件被连接到所述进给梁，用于将所述钻臂支承到地面上，所述设备包括用于控制所述钻臂和所述进给梁的朝向的布置，其中所述布置被构造成基于影响所述朝向的参数来限定通过将所述支承件驱动到地面上引起的朝向变化，并且所述设备被构造用以在施加钻进力之前自动调节所述钻臂和所述进给梁的朝向，以补偿通过将所述钻臂支承到地面上引起的朝向变化。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被构造用以基于所述钻臂的朝向、所述进给梁的朝向、待钻进的孔的方向以及所述载体的方向和倾角中的一个或更多个来限定所述朝向变化。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备被构造用以在将所述支承件驱动到地面上之前自动地改变所述钻臂和所述进给梁的朝向。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备被构造用以在所述支承件被驱动到地面上之后自动地改变所述钻臂和所述进给梁的朝向。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备被构造用以在将所述支承件驱动到地面上期间自动地改变所述钻臂和所述进给梁的朝向。

6.一种控制钻岩设备的进给梁的朝向的方法，所述钻岩设备包括：载体；钻臂，所述钻臂在第一端被连接到所述载体；进给梁，所述进给梁被可转动地连接到所述钻臂的第二端；钻进单元，所述钻进单元被连接成沿着所述进给梁能够移动；和支承件，所述支承件被连接到所述进给梁，用于将所述钻臂支承到地面上，所述方法包括：

限定所述钻臂和所述进给梁的朝向，

基于影响朝向变化的参数，限定通过将所述支承件驱动到地面上引起的朝向变化，以及

在施加钻进力之前，自动地调节所述钻臂和所述进给梁的朝向以补偿所述朝向变化。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，基于所述钻臂的朝向、所述进给梁的朝向、待钻进的孔的方向以及所述载体的方向和倾角中的一个或更多个来执行对所述朝向变化的限定。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，通过使用所述设备的运动学模型来自动地完成对所述钻臂和所述进给梁的朝向的调节以补偿所述朝向变化。

9.根据权利要求6或7所述的方法，其中，在已将所述支承件驱动到地面内之后而所述钻岩设备被设置在用于钻进的支承位置时，基于限定所述载体、所述钻臂和所述进给梁的位置的变化的参数来完成所述朝向变化。

10.根据权利要求6或7所述的方法，其中，在将所述支承件驱动到地面内之前完成对所述钻臂和所述进给梁的朝向的调节。

11.根据权利要求6或7所述的方法，其中，在将所述支承件驱动到地面上期间完成对所述钻臂和所述进给梁的朝向的调节。

12.根据权利要求6或7所述的方法，其中，使用待钻进的孔的钻进数据完成所述朝向。