CN1571878A - 根据所测进给率确定的应力水平控制冲击钻探的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
钻岩装置(1)包含一个提供有撞击装置(4)的钻岩机(6)，一个进给装置(9)和一个工具(7)，工具(7)端包含一个用来破碎岩石的钻头(8)。工具(7)设置成用来把撞击装置(4)产生的冲击能以压应力波的形式传递到钻头。进给装置(9)用来把工具(7)和钻头(8)推向被钻岩石，从而在钻进时，至少部分作用在工具(7)上的由撞击装置(4)产生的压应力波从被钻岩石反射回来以张应力的形式作用在工具(7)上，并且撞击装置(4)的冲击能可以根据岩石反射回来的张应力(σv)水平来进行调节。
Description
技术领域
本发明涉及到一种与钻岩装置相关的方法，其中钻岩装置包含一个设置有撞击装置的钻岩机，一个进给装置和一个工具，工具端包含一个用来破碎岩石的钻头，工具设置成用来把撞击装置产生的冲击能以压应力波的形式传递到钻头，而进给装置则用来把工具和钻头推向被钻岩石，从而在钻进时，至少部分作用在工具上的由撞击装置产生的压应力波从被钻岩石反射回来以张应力的形式作用在工具上。
本发明进一步涉及到一种与钻岩装置相关的设备，其中钻岩装置包含一个设置有撞击装置的钻岩机，一个进给装置和一个工具，工具端包含一个用来破碎岩石的钻头，工具设置成用来把撞击装置产生的冲击能以压应力波的形式传递到钻头，而进给装置则用来把工具和钻头推向被钻岩石，从而在钻进时，至少部分作用在工具上的由撞击装置产生的压应力波从被钻岩石反射回来以张应力的形式作用在工具上。
背景技术
钻岩机用来例如在地下矿井、露天采石场中和地面建筑工地中进行岩石钻进和挖掘。已知的岩石钻进和挖掘方法包括切割、破碎和撞击等方法。撞击方法最常用于坚硬的岩石类型。在撞击方法中，钻机的工具既旋转又撞击。然而，岩石的破碎主要受冲击的影响。旋转的主要功能是确保工具外端的钻头的按钮(button)或其它工作部件能够一直撞击岩石中的新区域。钻岩机通常包含一个液压操作的撞击装置，它的撞击活塞为工具提供必需的压应力波，和一个旋转马达，其与撞击装置是分离的。在撞击方法中，岩石的充分破碎需要钻头在冲击时刻可以顶在岩石表面。撞击装置撞击的冲击能在工具中产生压应力波，它从工具传递到安置在工具一端的钻头上并进一步传递到岩石上。通常，在所有的钻进情况中，部分压应力波是作为张应力反射回工具。如果岩石很软并且岩石/钻头的接触很差，则从岩石反射回来的波的张应力水平很高。如果以过高的冲击能连续钻入软岩，通常会导致钻杆之间的螺纹接头被磨损和/或钻进工具的过早疲劳破坏。
通常，目前使用的进行钻进控制的方法，即所谓的进给-冲击-跟踪-控制的方法，不能防止以过高的冲击能钻入软岩。在进给-冲击-跟踪-控制方法中，冲击压力是基于钻机的进给进行控制的。在岩石钻进时，冲击压力和进给压力的相互依赖关系在例如美国专利5,778,990中提出。钻软岩时，进给压力保持固定值。仅仅在速率极限超过钻机进给的设定值时，进给压力才会降低，并且冲击压力也会之降低。然而，在一种情况下，例如，当进给-冲击-跟踪-控制方法用来钻进从硬到软的岩石时，钻进的穿透率会上升。实际上，不可能把进给的速率极限设定的足够精确以满足不同岩石类型的穿透率，从而以一种想要的方式给定进给-冲击-跟踪-控制的速率极限以限制进给压力。因为钻进的穿透率保持低于设置的进给速率控制极限，因此进给压力和从而导致的冲击压力保持在原始水平，这会导致在工具中产生很高的张应力。一般说来，速率极限是不变的，它被设置的很高以至于它不能探测岩石类型的变化，仅仅能探测钻入空处的变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种调节钻机冲击能的新颖技术方案。
本发明方法的特征在于根据被钻岩石反射回工具的张应力水平来调节撞击装置的冲击能。
本发明设备的特征在于撞击装置的冲击能可以根据被钻岩石反射回工具的张应力水平进行调节。
本发明的基本思想是，在钻岩装置中撞击装置的冲击能可以根据被钻岩石反射回工具的张应力水平进行调节，其中该装置包含一个提供有撞击装置的钻岩机，一个进给装置和一个工具，工具端包含一个用来破碎岩石的钻头，工具设置成用来把撞击装置产生的冲击能以压应力波的形式传递到钻头，而进给装置则用来把工具和钻头推向被钻岩石，从而在钻进时，至少部分作用在工具上的由撞击装置产生的压应力波从被钻岩石反射回来以张应力的形式作用在工具上。根据本发明的第一个实施例，被钻岩石反射回工具的张应力水平根据钻进穿透率和张应力水平的相互依赖关系进行确定。根据本发明的第二个实施例，钻进穿透率和张应力水平的相互依赖关系用来确定用于撞击装置的冲击压力，钻岩机的工具所能承受的最高允许的张应力水平，再根据所用的冲击压力和最高允许的张应力水平来确定最高允许的钻进穿透率，并确定实际的钻进穿透率，对比实际的钻进穿透率和最高允许的钻进穿透率，如果实际钻进穿透率超过最高允许的钻进穿透率，则调节钻岩机的运转，这样撞击装置的冲击能降低到一种实际穿透率最多等于最高允许的钻进穿透率的水平，从而钻岩机的工具所承受的张应力水平保持低于设定的最高允许张应力水平。
本发明的优点是有可能用一种简单的方式来直接影响钻进工具的荷载并从而影响工具的寿命，并且有可能调节冲击能以适合各种的岩石类型。方案的执行只需要测量钻进穿透率，而不需要其它测量。钻进的可控制性被显著地改进了，因为如果进给压力没有变化，进给-冲击-跟踪-控制方法根本没有反应。此外，本技术方案可以以一定的精度给出此刻岩石硬度的信息。
接下来，除了岩石硬度，本文档将使用另一个参数岩石穿透阻力。根据定义，岩石的穿透阻力描述钻头或刀具穿透和阻止力之间的关系，阻力主要依赖于岩石硬度和钻头或刀具的几何形状。因此，穿透阻力既考虑特定的钻头或刀具的特征又考虑岩石硬度。
附图说明
接下来，本发明将结合附图进行更详细的描述，其中
图1是钻岩装置的示意性侧视图，其中应用了本发明的技术方案；
图2示意性的显示了钻岩机单次撞击不同穿透阻力的岩石产生的张应力；
图3示意性的显示了钻岩机单次撞击或单次冲击不同穿透阻力的岩石产生的钻头按钮的穿透；
图4示意性的显示了钻岩机中的撞击装置的冲击速率和冲击压力的相互关系；
图5示意性的显示了钻岩机中的撞击装置的冲击频率和冲击压力的相互关系；和
图6示意性的显示了在不同的张应力水平下钻进工具的最高允许穿透率。
具体实施方式
图1显示了钻岩装置1的示意图和高度简化的侧视图，在其中应用了本发明的技术方案。图1的钻岩装置1包含一个吊杆2，它的一端是进给梁3，该梁包含一个钻岩机6，它包括一个撞击装置4和一个转动装置5。转动装置5把连续的旋转力传递到工具7，在该力的作用下连接在工具7上的钻头8在一次冲击后会改变位置，并在后续的冲击中撞击岩石中的新区域。传统上，撞击装置4包含一个受压缩介质的影响而运动的撞击活塞，其中撞击活塞可以撞击工具7的后端或安置在工具7和撞击装置4之间的柄。当然，撞击装置4的结构也可以是其它类型。例如，有可能在电磁方式的基础上产生冲击脉冲。基于这种性质的撞击装置在这里也可以被看作是撞击装置。工具7的后端连接着钻岩机6并且工具7的一端或外端包含一个用来破碎岩石的固定的或可拆离的钻头8。在钻进过程中，钻头8被进给装置9推向岩石。进给装置9被安置在进给梁3上，钻岩机6可移动的与其连接在一起。典型地，钻头8是一个所谓的具有钻头按钮8a的钻头，但是其它的钻头结构也是可能的。当钻深孔时，也就是在所谓的接杆钻进时，钻杆10a到10c被安装在钻头8和钻机6之间，它们的数量依赖于被钻孔的深度并且构成了工具7。
在图1中，与钻岩机6的结构相比，所示的钻岩装置1显著的小于它的实际尺寸。为了清晰，图1的钻岩装置1仅仅包含一个吊杆2、进给梁3、钻岩机6和进给装置9，但是很明显钻岩装置典型地提供有一组吊杆2和一组提供在钻岩机6上的进给梁3，并且进给装置9被安置在每个吊杆2的一端。另外，很明显通常的钻岩机6也包含一个为了防止堵塞钻头8的冲洗装置，但是为了清晰，冲洗装置在图1中省略了。
由撞击装置4产生的冲击能通过钻杆10a-10c以压应力波的形式传递到钻杆10c最外端的钻头8上。当压应力波到达钻头8，钻头8和其中的钻头按钮8a撞击被钻的物质产生强烈的压应力，通过这些影响在被钻岩石中形成裂隙。与岩石硬度相比，如果撞击装置4的冲击能过高，就会出现问题，即钻进工具中的张应力水平变得无必要的高。如果以过高的冲击能连续钻入软岩中，通常会使得钻杆10a-10c之间的螺纹接头磨损和/或钻进工具的过早疲劳破坏。
用来调节冲击能的本发明技术方案是基于一个事实的，即有可能计算出每个钻机/工具/钻头在不同的岩石穿透阻力下单次冲击在工具7中产生的应力水平。单次冲击是一个速率vi为1米/秒的冲击。图2示意性的显示了在不同的岩石穿透阻力K1下单次冲击产生的单次张应力σv 1，穿透阻力在K1＝10-1000千牛/毫米的范围内变化。对于一种钻头类型，软岩的岩石穿透阻力是K1＝10千牛/毫米，相应地，对于一种钻头类型，硬岩的岩石穿透阻力是K1＝1000千牛/毫米。图2的水平轴代表岩石穿透阻力K1，垂直轴代表反射的单次张应力σv 1。
在速率v1下的冲击在工具中产生的张应力水平
σv＝viσv 1， (1)
其中σv 1是对应于如图2所示的给定岩石穿透阻力K1下的单次冲击的张应力。因此，在速率vi＝9.5米/秒下对岩石的冲击，岩石的穿透阻力为K1＝300千牛/毫米，根据公式(1)，在工具中产生的张应力σv＝9.5*12＝114MPa。相应地，相同的冲击使得钻头8的钻头按钮8a根据下面的值进行穿透：
un＝viun 1， (2)
其中un 1是钻头按钮8a在给定的穿透阻力K1下单次冲击的穿透，如图3所示。例如，在速率vi＝9.5米/秒下对岩石的冲击，岩石的穿透阻力为K1＝300干牛/毫米，产生的按钮穿透un＝9.5*0.125＝1.19毫米。
钻进的净穿透率NPR可以通过以下公式估算
NPR＝αf(un)β， (3)
其中f是冲击频率，α和β是常数代表钻头按钮的穿透和整个钻头之间的关系。常数α和β依赖于被钻孔的直径和钻头的几何形状，它们可以在钻头最外端按钮直径、钻头直径和最外端按钮数量的基础上以充分的精度来定义。另外，有可能为每个钻机确定特征曲线，该曲线描述冲击速率vi和冲击频率f如何依赖冲击压力。在钻进过程中，冲击频率f可以从例如钻机的压缩介质脉冲中测量。图4示意性的显示了撞击装置冲击速率vi和冲击压力的相互关系，水平轴的冲击压力以巴给出，而在垂直轴上，撞击装置4撞击活塞的冲击速率以米/秒给出。图5依次示意性显示了冲击频率f和冲击压力的相互关系，水平轴的冲击压力以巴给出，而垂直轴的撞击装置4撞击活塞的冲击频率以赫兹给出。
冲击能调节所需的调节曲线可以通过下面的方式得到：
1.设定最高允许的张应力水平σv max。
2.根据每次冲击压力确定冲击速率vi和冲击频率f。
3.根据公式(1)和图2的曲线，从上面第2点得到的冲击速率vi以及最低允许的穿透阻力K1 min，找出张应力，它使得张应力保持低于最高允许的值σv max。
4.通过公式(2)和图3的曲线可以得出对应于最低允许岩石穿透阻力K1 min的最高允许的按钮穿透值un max。
5.当常数α和β和冲击频率f和最高的允许按钮穿透值un max已知时，最高允许的穿透率NPRmax可以从公式(3)得出。在这种方式中，有可能确定出在设置的张应力水平下的穿透率曲线，把最高允许的穿透率NPRmax描述为冲击压力的函数。
6.如果在钻进过程中，最高允许的穿透率NPRmax过高，最高允许的张应力水平σv max也会过高。因此，冲击压力应该降低以降低张应力。
如果钻机被用在撞击装置4的撞击活塞的冲程长度可以改变的情况，冲击速率vi可以被降低，例如通过调节冲程长度，从而冲击频率相应地增加了。冲击能量保持不变，但是冲击能降低到允许的水平。调节曲线稍有不同，因为要考虑冲击频率f的变化。
实例
在图6中以连续线示意性的显示了在不同张应力水平σv下一个钻进工具中的最高允许穿透率NPRmax。虚线是辅助线，描述被钻岩石的穿透阻力K1，它可以帮助理解被钻岩石不同的穿透阻力K1和不同的冲击压力下的穿透率NPR。最初，钻进发生在操作点A，该处的冲击压力为220巴，岩石的穿透阻力为大约300千牛/毫米。由钻机操作者设置的最高允许张应力水平σv max为140MPa。在操作点A处的钻进穿透率为3.1米/分钟，因此穿透率低于按照所述冲击压力的最高允许穿透率NPRmax＝3.5米/分钟。在钻进时，岩石突然变软，穿透阻力K1＝200千牛/毫米，是指图6中的操作点B，这里的穿透率为3.9米/分钟，也就是穿透率高于所述冲击压力下的允许穿透率。据此的调节方案降低冲击压力一直到达操作点C，该处的冲击压力为175巴，而穿透率为3.3米/分钟，这是在所述冲击压力下在所述硬度的被钻材料中允许的最高穿透率。
本发明方案使得以一种简单的方式影响钻进工具的荷载并从而影响工具的寿命成为可能。有可能精确地调节冲击能以适合各种岩石类型。方案的执行仅需要测量钻进穿透率，而不需要其它测量。本方案显著地提高了钻进的可控制性，因为，如果进给应力没有变化，进给-冲击-跟踪-控制的方法根本没有反应。此外，本技术方案可以以一定的精度给出此刻岩石硬度的信息。另外，如果钻机提供有可调节的冲程长度，它有可能代替冲击压力来调节冲击频率和冲击率以适合岩石硬度，这样冲击能降低但是冲击力基本保持不变。
钻机的穿透率NPR是通过连接在钻机6上的测量装置11进行测量的。测量装置11可以直接测量进给梁3上的钻机6的伸展速率，或者它可以测量进给梁3上的钻机6的移动，从而通过所进行的移动和所使用的时间确定出钻进穿透率。测量装置11的测量信息被传递到控制单元12，它的优点在于是一个微处理器或基于信号处理的数据处理和控制装置，它可以在测量装置11提供的测量信号和操作者设定的默认值的基础上确定提供给泵13的控制信号14。由操作者设定的默认值包括开始钻进时撞击装置4的冲击压力HP和钻进时的最高允许张应力水平σv max。在这两个初始值的基础上，控制单元12可以根据上述的方式来确定最高允许的穿透率NPRmax，由测量装置11测量的穿透率要与之对比。如果测量的穿透率超过最高允许的穿透率NPRmax，撞击装置4的冲击压力要被降低。泵13穿过压缩通道15沿箭头A的方向把压缩流体泵入撞击装置4以产生撞击活塞的一个冲程。在撞击活塞的反向冲程中，压缩流体穿过回流通道16沿箭头B流回容器17。为了清晰，图1仅仅示意性的显示了撞击装置的结构，例如可以使用一个或多个控制阀以熟知的方式来控制撞击装置，但在图1中被省略了。
附图和相关的描述仅仅是想要例证一个发明的观点。发明的细节可以在权利要求的范围内变化。因此，代替液压操作，钻机也可以是气压的或电子操作的钻机。
Claims (12)
1.一种与钻岩装置相关的方法，其中钻岩装置(1)包含一个设置有撞击装置(4)的钻岩机(6)，一个进给装置(9)和一个工具(7)，工具(7)端包含一个用来破碎岩石的钻头(8)，工具(7)设置成用来把撞击装置(4)产生的冲击能以压应力波的形式传递到钻头(8)，而进给装置(9)则用来把工具(7)和钻头(8)推向被钻岩石，从而在钻进时，至少部分作用在工具(7)上的由撞击装置(4)产生的压应力波从被钻岩石反射回来以张应力的形式作用在工具(7)上，特征在于根据被钻岩石反射回工具(7)的张应力(σv)水平来调节撞击装置(4)的冲击能。
2.一种如权利要求1所述的方法，特征在于根据钻进穿透率(NPR)和张应力(σv)水平的相互关系来确定被钻岩石反射回工具(7)的张应力(σv)水平。
3.一种如权利要求2所述的方法，特征在于通过
设定用于撞击装置(4)的冲击压力，
设定钻岩机(6)的工具(7)所承受的最高允许的张应力水平(σv max)，
根据所用的冲击压力和最高允许的张应力水平(σv max)确定钻进的最高允许穿透率(NPRmax)，
确定实际的钻进穿透率(NPR)，
比较实际的钻进穿透率(NPR)和最高允许的穿透率(NPRmax)，并且
如果实际穿透率(NPR)超过最高允许的钻进穿透率(NPRmax)，则调节钻岩机(6)的运转，这样撞击装置(4)的冲击能降低到一种实际穿透率(NPR)最多等于最高允许的钻进穿透率(NPRmax)的水平，从而钻岩机(6)的工具(7)所承受的张应力水平保持低于设定的最高允许张应力(σv max)水平。
4.一种如上述权利要求中任何一个所述的方法，特征在于通过测量进给梁(3)上的钻岩机(6)的进给率来确定钻进的实际穿透率(NPR)。
5.一种如上述权利要求中任何一个所述的方法，特征在于通过改变撞击装置(4)的冲击压力来调节撞击装置(4)的冲击能。
6.一种如权利要求1-4中任何一个所述的方法，特征在于撞击装置(4)的撞击活塞的冲程长度是可调节的，因而撞击装置(4)的冲击能可以通过改变撞击装置(4)的撞击活塞的冲程长度来调节。
7.一种与钻岩装置相关的设备，其中钻岩装置(1)包含一个提供有撞击装置(4)的钻岩机(6)，一个进给装置(9)和一个工具(7)，工具(7)端包含一个用来破碎岩石的钻头(8)，工具(7)设置成用来把撞击装置(4)产生的冲击能以压应力波的形式传递到钻头(8)，而进给装置(9)则用来把工具(7)和钻头(8)推向被钻岩石，从而在钻进时，至少部分作用在工具(7)上的由撞击装置(4)产生的压应力波从被钻岩石反射回来以张应力的形式作用在工具(7)上，特征在于根据被钻岩石反射回工具(7)的张应力(σv)水平来调节撞击装置(4)的冲击能。
8.一种如权利要求7所述的设备，特征在于设备包含一个控制单元(12)，它被安置用来根据钻进穿透率(NPR)和张应力(σv)水平的相互关系确定被钻岩石反射回工具(7)的张应力(σv)水平。
9.一种如权利要求8所述的设备，特征在于控制单元(12)包含一些装置用来
设定用于撞击装置(4)的冲击压力，
设定钻岩机(6)的工具(7)所承受的最高允许的张应力水平(σv max)，
根据所用的冲击压力和最高允许的张应力水平(σv max)确定钻进的最高允许穿透率(NPRmax)，
确定实际的钻进穿透率(NPR)，
比较实际的钻进穿透率(NPR)和最高允许的穿透率(NPRmax)，并且
如果实际穿透率(NPR)超过最高允许的钻进穿透率(NPRmax)，则调节钻岩机(6)的运转，这样撞击装置(4)的冲击能降低到一种实际穿透率(NPR)最多等于最高允许的钻进穿透率(NPRmax)的水平，从而钻岩机(6)的工具(7)所承受的张应力水平保持低于设定的最高允许张应力(σv max)水平。
10.一种如权利要求7-9任何一个所述的设备，特征在于包含一个测量装置(11)，它被安置用来通过测量进给梁(3)上的钻岩机(6)的进给率来确定实际的钻进穿透率(NPR)。
11.一种如权利要求7-10任何一个所述的设备，特征在于撞击装置(4)的冲击能可以通过改变冲击压力来调节。
12.一种如权利要求7-10任何一个所述的设备，特征在于因为撞击装置(4)的撞击活塞的冲程长度是可调节的，因此撞击装置(4)的冲击能可以通过改变撞击活塞的冲程长度来调节。
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