專利名稱：方法和機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)用于巖石鉆探的沖擊產(chǎn)生裝置進(jìn)行控制的機(jī)構(gòu)和方法。
背景技術(shù)：
在巖石鉆探時(shí)，使用了通過(guò)一個(gè)或多個(gè)鉆桿柱組件與巖石鉆探設(shè) 備相連的鉆具。鉆探可以以多種方式執(zhí)行，常見的方式是沖擊式鉆探， 其中采用沖擊產(chǎn)生裝置(撞具)，通過(guò)前后移動(dòng)的沖擊活塞來(lái)產(chǎn)生沖 擊。沖擊活塞通常通過(guò)釬尾來(lái)撞擊鉆桿柱，由此將沖擊脈沖經(jīng)由鉆桿 柱傳遞給鉆具，然后傳遞給巖石以輸送沖擊波能量。沖擊活塞一般是 液壓驅(qū)動(dòng)或氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，但也可以通過(guò)其他方式進(jìn)^f亍驅(qū)動(dòng)，譬如通過(guò)電 氣或一些燃燒方式。
對(duì)于另外一種沖擊產(chǎn)生裝置，沖擊波能量作為壓力脈沖而產(chǎn)生， 壓力脈沖通過(guò)僅僅執(zhí)行微幅運(yùn)動(dòng)的沖擊元件從蓄能器傳遞至鉆桿柱， 而不是如上所述地那樣作為釋放動(dòng)能由前后移動(dòng)的活塞所產(chǎn)生。
上述裝置的例子是這樣的沖擊元件利用反壓室來(lái)預(yù)加栽，并且 能量由于反壓室中壓力的迅速減少而通過(guò)沖擊元件傳遞給鉆桿柱。
上述裝置的其他例子是將工作室布置在沖擊元件的前部而不是 使用反壓室，并通過(guò)將壓力脈沖形式的高壓壓力介質(zhì)從蓄能器供應(yīng)給 工作室而產(chǎn)生沖擊波。
按照當(dāng)前的已有技術(shù)，上述方案產(chǎn)生了能量較低的沖擊波，并且 為了維持鉆探的效率，各個(gè)沖擊波中的低能量通過(guò)高頻產(chǎn)生的沖擊波 而得以補(bǔ)償。
所有上述沖擊產(chǎn)生裝置的問(wèn)題在于，不能夠?qū)捎玫臎_擊能充分 地進(jìn)行利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于，提供一種解決了上述問(wèn)題、對(duì)巖石鉆探 過(guò)程進(jìn)行控制的方法。
本發(fā)明的另一目的在于，提供一種沖擊產(chǎn)生裝置上的調(diào)整機(jī)構(gòu)， 該調(diào)整機(jī)構(gòu)可解決上述的問(wèn)題。
這些及其他目的按照本發(fā)明可以通過(guò)如權(quán)利要求1所限定的方法
和如權(quán)利要求13所限定的控制機(jī)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)。
按照本發(fā)明，提供了一種用于控制巖石鉆探過(guò)程的方法，具有沖 擊元件的沖擊產(chǎn)生裝置將沖擊波傳遞給與沖擊產(chǎn)生裝置相連的鉆具， 其中所述沖擊波的一部分能量通過(guò)鉆具而傳遞給巖石，沖擊波能量的 一部分被反射并且作為反射能反饋給沖擊產(chǎn)生裝置。該方法包括下列 步驟產(chǎn)生至少一個(gè)表示反射能的參數(shù)值，以及至少部分地基于所述 參數(shù)值來(lái)控制沖擊元件與鉆具之間的相互作用，由此對(duì)所述沖擊波的 上升時(shí)間和/或上升長(zhǎng)度進(jìn)行控制。其優(yōu)點(diǎn)在于，沖擊波的形成總是能 夠基于當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行控制，由此將不利的反射能保持在低于預(yù)定值的 最小量、或是保持為相對(duì)于鉆探過(guò)程的其他要求而確定的數(shù)值。
所述沖擊波的波幅也可以得到控制。這樣的優(yōu)點(diǎn)是，可以更大可 能地提供對(duì)巖石鉆探設(shè)備的最優(yōu)化控制。
至少一個(gè)阻尼室中的至少一個(gè)阻尼壓力可以構(gòu)成反射能的表示數(shù) 值。作為替換，該數(shù)值也可以構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變儀的應(yīng)變。這樣的 優(yōu)點(diǎn)是，能夠以筒化方式讀出反射能。
表示反射能的數(shù)值可以持續(xù)地、非周期性地、以預(yù)定間隔生成， 和/或在產(chǎn)生每個(gè)或某些沖擊波時(shí)生成。這樣的優(yōu)點(diǎn)是，始終可以獲得 用于調(diào)整的當(dāng)前輸入?yún)?shù)。
本發(fā)明還涉及一種沖擊產(chǎn)生裝置和鉆探設(shè)備。


圖la概略性描述了按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的、用于沖擊產(chǎn)生裝置 的控制及調(diào)整機(jī)構(gòu)。
圖lb顯示了機(jī)構(gòu)的一個(gè)示例，通過(guò)其本發(fā)明能夠得到有利地運(yùn)用。 圖2a-2e顯示了沖擊波和反射波的波形。
圖3a-3b顯示了按照本發(fā)明的另 一控制及調(diào)整機(jī)構(gòu)的示例。
具體實(shí)施例方式
圖la顯示用于巖石鉆探設(shè)備的沖擊產(chǎn)生裝置10，其能夠有利地 用于本發(fā)明。在操作時(shí)，裝置IO通過(guò)由一個(gè)或多個(gè)鉆桿柱組件12a、 12b組成的鉆桿柱12與譬如鉆頭11的鉆具相連。在鉆探期間，沖擊 波形式的能量被傳遞給鉆桿柱12，然后從鉆桿柱組件12a、 12b傳遞 至鉆桿柱組件12a、 12b,并最終通過(guò)鉆頭11到達(dá)巖石14以便使巖石 14破裂。
對(duì)于圖示的裝置IO，并不使用前后移動(dòng)的活塞來(lái)產(chǎn)生沖擊波，取 而代之地，使用了沖擊活塞15形式的加載沖擊元件，其通過(guò)逆著壓力 區(qū)域16起作用的壓力介質(zhì)的作用，朝著與鉆桿柱12相對(duì)的機(jī)殼17的 端部被推壓。在操作期間，室18經(jīng)由控制裝置20而增壓，以致室18 中的壓力對(duì)壓力區(qū)域16起作用，由此朝向機(jī)殼17的尾端19而推壓沖 擊活塞15。室18因而起著反壓室的作用。
按照已知技術(shù)，控制裝置20中的控制閥接著被突然打開以在反壓 室18中產(chǎn)生壓力的即刻減小，由此沖擊活塞15擴(kuò)展至它的初始長(zhǎng)度 并將勢(shì)能以沖擊波的形式傳遞給鉆桿柱12。壓力的這種突然減小產(chǎn)生 與普通沖擊活塞相比形式基本相同的沖擊波，參看圖2a，其基本呈矩 形，經(jīng)由鉆桿柱傳播至鉆頭11由此傳遞給巖石14。然而考慮到巖石 14的特性，由于沖擊波的短的上升時(shí)間(參看圖2a中的t;在該圖中， 為清楚起見而放大了t; t可能相當(dāng)?shù)囟?，即邊沿可能相?dāng)陡峭)巖石 不能吸收沖擊波的所有能量，取而代之地，所提供的能量的一部分被 反射并通過(guò)鉆桿柱12返回沖擊產(chǎn)生裝置10。來(lái)自鉆桿巖石沖擊的反 射利用阻尼室22和阻尼活塞23而得以衰減。它們的作用對(duì)于本領(lǐng)域 的技術(shù)人員是公知的。當(dāng)沖擊活塞15擊打鉆桿柱12時(shí)，阻尼室中的 阻尼壓力還可以用來(lái)確保鉆頭11與巖石保持接觸。然而即使上述反射 得到衰減，這些反射仍然對(duì)巖石鉆探設(shè)備和鉆桿柱具有不利影響，可 能導(dǎo)致多個(gè)元件的磨損并因此造成嚴(yán)重?fù)p壞。
然而，通過(guò)按照本發(fā)明如圖la中所示的調(diào)整裝置30,上述有害 反射能夠顯著地減少。替代于壓力減小的突然發(fā)生，圖示裝置10的控 制裝置20的開啟獲得控制，也即，控制裝置20能夠?qū)Ψ磯菏?8中的 壓力減小進(jìn)行控制。通過(guò)利用控制閥20來(lái)控制反壓室的開啟，由鉆桿 柱及鉆頭所導(dǎo)致的沖擊波的上升時(shí)間也能夠獲得控制。這是非常有利 的，原因是鉆頭能夠傳遞給巖石的力隨著鉆頭的鉆入深度而改變。
例。如圖中所示，鉆頭能夠傳遞給巖石的鉆探力在沖擊的瞬間基本為 零((1=0)，然后隨著鉆入深度而呈指數(shù)規(guī)律地增加直至沖擊波到達(dá)其 終點(diǎn)，并且鉆探力達(dá)到它的最大值(d-d最大)，因此不再具有任何能 量用于進(jìn)一步的鉆探，在此之后鉆探力迅速下降至零并如圖中所示地 那樣，鉆頭由于巖石的彈性和/或反射而略微回移。
圖2c顯示了現(xiàn)有技術(shù)裝置的反射波的外觀。由于鉆頭的鉆探力在 沖擊的瞬間為零或基本為零，此刻反射波的幅度將與入射沖擊波的幅 度基本相等，然而是作為張力波。如果沖擊波的邊沿如圖2a中所示非 常陡峭，這就意味著反射波具備非常高、由此是有害的初始數(shù)值。
在調(diào)整期間，當(dāng)沖擊波擊打巖石時(shí)，需要獲得有關(guān)所產(chǎn)生的反射 大小的信息。當(dāng)反射波到達(dá)鉆探設(shè)備時(shí)，可以通過(guò)阻尼室22中所發(fā)生 的壓力改變來(lái)讀出該反射。具體來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)在阻尼室中的最大壓力改 變直接與發(fā)射波的幅度相關(guān)。在操作中，調(diào)整裝置30連續(xù)地或以一定 間隔地接收表示阻尼室22中阻尼壓力的測(cè)量結(jié)果。如杲需要，該測(cè)量 值可以在調(diào)整裝置30或與調(diào)整裝置30相連的測(cè)量數(shù)值轉(zhuǎn)換器(未顯 示)中轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)臄?shù)值。阻尼壓力可以以適當(dāng)?shù)姆绞阶x出，譬如測(cè) 量、傳感或檢測(cè)。將阻尼壓力適當(dāng)讀出的精確方法對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員是公知的。接著，所獲得的測(cè)量值與先前測(cè)量所獲得的阻尼壓力 值(譬如先前沖擊波的反射)相比較，由此利用控制裝置20基于對(duì)即 將來(lái)的沖擊的比較而調(diào)整沖擊波的上升時(shí)間和/或長(zhǎng)度和/或幅度。
阻尼壓力優(yōu)選連續(xù)地測(cè)量，或是利用較短時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量，這 樣基于某一沖擊波的反射對(duì)沖擊波形狀(也即上升時(shí)間和/或長(zhǎng)度和/
或幅度)的調(diào)整能夠在下一沖擊波產(chǎn)生之前已經(jīng)執(zhí)行。而當(dāng)使用非常 高的頻率產(chǎn)生沖擊波時(shí)，新調(diào)整參數(shù)的計(jì)算不能相應(yīng)于下一沖擊波的 產(chǎn)生及時(shí)完成，而可能是在下一沖擊波甚至更遲的沖擊波之后。
為了獲得反射的精確值，不同于僅僅讀出壓力改變的大小，可以 非常頻繁地讀出阻尼壓力，這樣能夠獲得反射波形狀的再現(xiàn)。借助于 這種方式，通過(guò)執(zhí)行所獲得波形的數(shù)值算法，可以獲得反射能量大小 的精確值。
作為利用阻尼壓力來(lái)測(cè)量反射的替換，也可以譬如利用應(yīng)變儀來(lái) 執(zhí)行上述過(guò)程。應(yīng)變儀安裝在巖石鉆探設(shè)備的適當(dāng)部件上，該部件由 反射波施加拉伸應(yīng)力/壓縮應(yīng)力。最佳的位置是處于鉆桿柱上。然而， 由于鉆桿柱在鉆探期間經(jīng)常以常規(guī)方式旋轉(zhuǎn)并以恒定間隔設(shè)有延伸部 件，這種方式難以執(zhí)行。定位由此隨機(jī)器而不同，并且如何精確地進(jìn) 行定位落在本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)范圍之內(nèi)。對(duì)于本發(fā)明，關(guān)鍵在于 獲得代表反射外觀特征的信號(hào)。當(dāng)利用應(yīng)變儀時(shí)，如上所述地，也可 以獲得反射波外觀的波形描述。
上述調(diào)整裝置還可以被布置為始終嘗試使反射能量最小化。對(duì)于 這種類型的調(diào)整，可以利用未調(diào)整的沖擊波(即，在本實(shí)施例中壓力 減小完全未調(diào)整)來(lái)啟動(dòng)鉆探(作為替換，以預(yù)定的上升時(shí)間和/或沖
擊波長(zhǎng)度和/或沖擊波幅度來(lái)啟動(dòng)最小化調(diào)整，其中調(diào)整裝置30的存 儲(chǔ)器中儲(chǔ)存有用于各種類型巖石的各種預(yù)定初始值)，隨后，當(dāng)鉆探 已經(jīng)啟動(dòng)時(shí)，調(diào)整裝置連續(xù)地或定時(shí)地獲得代表反射能量的測(cè)量值， 然后將控制信號(hào)發(fā)送給控制裝置20由此基于這些測(cè)量值來(lái)調(diào)整沖擊 波的形狀。例如，調(diào)整過(guò)程可以被設(shè)置成沖擊波邊沿的傾斜度逐漸 增加，即，反壓室中壓力減小的持續(xù)時(shí)間持續(xù)地增加某個(gè)值A(chǔ)t,使得 壓力減小的時(shí)間是t=tfAt，其中tf是上次調(diào)整(也即上次沖擊時(shí))的 壓力減小時(shí)間，因?yàn)橹灰矸瓷淠芰康闹?即，通過(guò)數(shù)值算法或所 測(cè)阻尼壓力的改變而計(jì)算得出的反射能量)沿著預(yù)定方向改變。當(dāng)反 射達(dá)到最小時(shí)，也即壓力減小持續(xù)時(shí)間的增加不再導(dǎo)致任何進(jìn)一步減 小(邊沿的更大傾斜度)時(shí)，調(diào)整得以保持在期望值附近。當(dāng)最小化反射能量時(shí)，存在沖擊波邊沿上升太長(zhǎng)時(shí)間以致鉆入速度顯著下降的 風(fēng)險(xiǎn)。為此緣故，調(diào)整的目標(biāo)實(shí)際上旨在預(yù)定的最高反射能量值和/ 或最高的允許反射量。上述預(yù)定值例如可以通過(guò)操作者而輸入。當(dāng)關(guān) 于預(yù)定值進(jìn)行調(diào)整時(shí)，邊沿時(shí)間當(dāng)然也允許減少，也即壓力減小的上 述時(shí)間得以減少。通過(guò)前后調(diào)整邊沿的傾斜度，可以始終確保反射能
量保持為所需值或其以下。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，控制裝置20可以 用作節(jié)流閥，其中節(jié)流閥的開啟由可控的節(jié)流進(jìn)行控制。在圖2d-e中 顯示了這類沖擊波的調(diào)整后波形和反射。
作為對(duì)邊沿傾斜度進(jìn)行調(diào)整的替換，也可以調(diào)整沖擊波的長(zhǎng)度。 這通過(guò)下列過(guò)程而執(zhí)行將反壓室中的壓力降低至某個(gè)剩余壓力，然 后關(guān)閉上述閥和/或利用上述岡使壓力保持為所需程度。壓力降低至所 需程度的過(guò)程可以是陡峭的。反壓室中的壓力可以譬如被保持為恒定 程度。通過(guò)持續(xù)增加或減小壓力來(lái)執(zhí)行壓力下降，反射能量能夠如上 所述地得以調(diào)整。
然而，上述調(diào)整可以與基于鉆入速度的調(diào)整有利地相結(jié)合。在此
情況下，調(diào)整裝置還配備有用于接收表示鉆入速度的測(cè)量值的部件。
如何對(duì)鉆入速度進(jìn)行測(cè)量對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是公知的，譬如可以
通過(guò)測(cè)量到進(jìn)給電機(jī)的流速、或是使用沖擊產(chǎn)生裝置上的傳感器來(lái)探 測(cè)其沿著鉆探過(guò)程中通常移動(dòng)的進(jìn)給軸的移動(dòng)速度而獲得。通過(guò)在測(cè)
量反射之外還對(duì)鉆入速度進(jìn)行測(cè)量，上述調(diào)整方法可以通過(guò)控制沖擊 波的形狀而用于平衡反射能量與鉆入速度之間的關(guān)系，由此能夠以某 種方式獲得最佳的鉆探設(shè)備操作。如果在調(diào)整過(guò)程中僅僅測(cè)量和使用 反射能量，則會(huì)存在沖擊波的邊沿上升太長(zhǎng)時(shí)間、以致鉆入速度顯著 下降的風(fēng)險(xiǎn)。
通過(guò)與讀出反射能量同時(shí)地或相結(jié)合地讀出鉆入速度，可以將鉆 入速度與前一數(shù)值相比較，并在顯示鉆入速度顯著下降而反射僅僅減 少很小程度時(shí)，將調(diào)整設(shè)置為譬如保持反射能量低于設(shè)定的閾值同時(shí) 在反射能量保持低于該閾值的情況下改變壓力減小的時(shí)間，由此獲得 最大的鉆入速度并使得反射能量保持在預(yù)定值之下。盡管每個(gè)脈沖的
鉆入速度可以按照以上進(jìn)行測(cè)量，鉆入速度也可以被設(shè)置為較之反射 的讀出要少一些，譬如每五個(gè)沖擊波、每十個(gè)沖擊波甚至更少，由此 獲得可靠的鉆入速度測(cè)量值，也即測(cè)得每任意個(gè)脈沖的鉆入速度。
接著當(dāng)調(diào)整在"最佳，，點(diǎn)附近波動(dòng)時(shí)，沖擊波的長(zhǎng)度和幅度也可以 進(jìn)行調(diào)整以便進(jìn)一步試圖改善鉆入速度。對(duì)于上述的例子，這可以通
過(guò)利用控制裝置20來(lái)降低反壓室中的壓力，然后將壓力保持為某個(gè)剩 余壓力而實(shí)現(xiàn)。作為替換，也可以對(duì)控制裝置中的壓力水平進(jìn)行調(diào)節(jié)。 通過(guò)對(duì)控制裝置20進(jìn)行控制，沖擊波的時(shí)間范圍、幅度、增加及應(yīng)力 消除得以自由地調(diào)節(jié)。作為替換，上述調(diào)整過(guò)程當(dāng)然也可以以相反的 方式執(zhí)行，即首先調(diào)整沖擊波的長(zhǎng)度和幅度，然后調(diào)整邊沿的上升時(shí) 間。
也可以具有調(diào)整算法，其中沖擊波的上升時(shí)間、幅度和長(zhǎng)度按照 某些預(yù)定算法被同時(shí)調(diào)整，以便以低的反射獲得最大的鉆入速度。當(dāng) 遇上最佳點(diǎn)時(shí)，調(diào)整可以保持在該點(diǎn)附近。上述調(diào)整過(guò)程還可以進(jìn)一 步設(shè)置為以恒定間隔獲得新的、甚至更佳的操作點(diǎn)。在按照某些算法 調(diào)節(jié)沖擊波形狀的期間，除了執(zhí)行對(duì)鉆入速度的調(diào)整之外，還可以譬 如包括鉆孔的平直度和鉆桿柱的扭緊力距。
上述調(diào)整還可以被設(shè)置為，在反射能量與譬如鉆入速度之間優(yōu)化 兩者的加權(quán)關(guān)系，也即，數(shù)量被賦予給定的不同加權(quán)，其中加權(quán)后的 結(jié)果被調(diào)整至最小水平。例如，操作者可以依靠當(dāng)前優(yōu)先(譬如，關(guān) 于反射能量、鉆孔的平直度、生產(chǎn)率，使用壽命)對(duì)不同性能選擇任 意的加權(quán)。也可以輸入巖石參數(shù)或沖擊波的適當(dāng)值。
在上述描述中，調(diào)整過(guò)程通過(guò)對(duì)反壓室中壓力減小的時(shí)間進(jìn)行調(diào) 節(jié)而得以執(zhí)行。除了圖la中的沖擊產(chǎn)生裝置之外，還具有大量其他具 備本發(fā)明能夠有利運(yùn)用的反壓室的沖擊產(chǎn)生裝置，以及各種執(zhí)行所述 反壓室中的壓力減小的方法。例如，在英文標(biāo)題為"Control device (控 制裝置)"、提交日與本發(fā)明相同的平行瑞典專利申請(qǐng)xxxxxxx-x中， 公開了具備反壓室的多種裝置的示例并公開了如何對(duì)其壓力減小進(jìn)行 調(diào)整。此夕卜,在英文標(biāo)題為"Impuls generator and a method for
generating impulses (沖擊產(chǎn)生裝置和用于產(chǎn)生沖擊的方法)"、提交 日也與本發(fā)明相同的平行瑞典專利申請(qǐng)xxxxxxx-x中，公開了具備反 壓室的另一個(gè)裝置的示例。所有這些裝置和方法可以用于按照本發(fā)明 的調(diào)整過(guò)程中。
圖lb中顯示了上述申請(qǐng)中的后一個(gè)的裝置，其除了包括反壓室2 之外，還包括逆著沖擊元件3起作用的第二室4。該裝置進(jìn)一步包括 優(yōu)選被恒定增壓的主體室5，所述壓力譬如通過(guò)使泵之類的壓力源進(jìn) 行調(diào)整以維持恒定壓力而獲得。室4構(gòu)成壓力積聚室。通過(guò)對(duì)反壓室 2和壓力積聚室4循序或同時(shí)進(jìn)行增壓，反壓室2增壓而壓力積聚室4 中的壓力下降，在壓力積聚室4釋放壓力時(shí)增壓后的反壓室2中的壓 力將增加。至于上述裝置的其他方面，它如同圖lb中的裝置進(jìn)行操作， 但具備能夠在反壓室2中獲得更高壓力的優(yōu)點(diǎn)，這反過(guò)來(lái)產(chǎn)生了更大 的調(diào)整可能性。
以上已經(jīng)顯示了沖擊波的形狀是如何通過(guò)控制反壓室中的壓力減 小而調(diào)整。除了以此方式來(lái)控制沖擊波的形狀之外，本發(fā)明當(dāng)然也可 以運(yùn)用于其他能夠?qū)_擊波形狀進(jìn)行調(diào)整的任意沖擊產(chǎn)生裝置。圖3a 中顯示了這類裝置40的一個(gè)示例。在該裝置中未使用反壓室，而是將 工作室42布置在沖擊活塞41的前部，并通過(guò)將具備高壓的、呈壓力 脈沖形式的壓力介質(zhì)從蓄能器43供應(yīng)給工作室42來(lái)產(chǎn)生沖擊波，所 述蓄能器可以通過(guò)優(yōu)選具備不同截面尺寸的三個(gè)通路44-46設(shè)置在沖 擊產(chǎn)生裝置40中或其外側(cè)。
通過(guò)開啟工作室42與蓄能器43之間的一個(gè)或兩個(gè)連接，壓力脈 沖由于工作室中的壓力增加而獲得，這樣導(dǎo)致了沖擊活塞中的壓縮應(yīng) 力并作為沖擊波傳遞給鉆桿柱。蓄能器43可以具備這樣的尺寸，以致 壓力介質(zhì)至工作室的傳遞并不會(huì)導(dǎo)致該蓄能器中壓力過(guò)大地減小。
當(dāng)沖擊波已經(jīng)產(chǎn)生時(shí)，工作室42與蓄能器之間的連接被關(guān)閉，而 工作室中的壓力由于工作室42與蓄壓器48之間的連接46開啟而降 低。所述蓄壓器得以顯著地壓力下降。其后，工作室42與蓄壓器48 之間的連接被關(guān)閉，并可以執(zhí)行新的一次沖擊(在下一沖擊產(chǎn)生的起
點(diǎn)，工作室中壓力下降或顯著下降)。當(dāng)蓄能器43與工作室42之間 的連接開啟時(shí)，該沖擊波的一部分將在壓力介質(zhì)波抵達(dá)工作室42時(shí)作 為負(fù)壓力波反射回蓄能器43，其在蓄能器中被再次反射由此產(chǎn)生指向 工作室的新的正波。這種過(guò)程將持續(xù)進(jìn)行直到蓄能器與工作室之間的 壓力差消除。通過(guò)對(duì)距離(也即通路44-46的長(zhǎng)度)、以及開啟不同 通路"-46之間的時(shí)間差進(jìn)行改變，這些壓力波和壓力反射能夠得到 利用由此形成壓力積聚及沖擊波的形式。
按照本發(fā)明，上述調(diào)整如以前一樣通過(guò)調(diào)整裝置49來(lái)執(zhí)行，而不 是調(diào)整反壓室中的壓力下降，現(xiàn)在調(diào)整各個(gè)通路44-46的開啟方式， 也即首先開啟哪個(gè)通路并且以什么時(shí)間差開啟通路。此外還可以對(duì)通 路44-46的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，也即通過(guò)對(duì)通路44-46配備可移動(dòng)的套筒 44a、 45a、 46a而實(shí)現(xiàn)，這些套筒允許延伸到蓄能器43中更長(zhǎng)或更短。 可移動(dòng)性在附圖中用雙向箭頭來(lái)表示，并且套筒44a、 45a、 46a顯示 為處于不同的位置。為了清楚起見，附圖中還放大了虛線圓圏中的區(qū) 域。套筒位移機(jī)構(gòu)未顯示出，因?yàn)檎J(rèn)為本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠以適當(dāng) 的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)。通過(guò)以此方式來(lái)控制工作室中的壓力增加，可 以獲得所需的沖擊波外觀特征。也可以如上所述地獲得所需的輸入?yún)?數(shù)，譬如通過(guò)測(cè)量阻尼室(未顯示)中的壓力或是利用應(yīng)變儀?？梢?布置一個(gè)表格，關(guān)于不同通路長(zhǎng)度與時(shí)間差設(shè)置、以及對(duì)于調(diào)整裝置 49中的這些設(shè)置的每一種得到的沖擊波邊沿上升時(shí)間。利用該圖表， 可以基于沖擊波的反射而沿著所需方向控制邊沿的傾斜度(即，更平 滑或更陡峭的)。
在一個(gè)替換實(shí)施例中，圖3a中工作室的壓力增加可以按照與圖 la-b中反壓室的壓力減小相類似的方法進(jìn)行調(diào)整，也即譬如通過(guò)利用 節(jié)流閥通過(guò)節(jié)流來(lái)可控地增加工作室中的壓力增加。
在另外一個(gè)替換實(shí)施例中，壓力顯著下降的蓄壓器48可以被增壓 至某一壓力，其與蓄能器43中的壓力相比偏低。這樣的結(jié)果是，工作 室42將總是被增壓由此能夠起著阻尼室的作用，這意味著在沖擊之 后，工作室中的壓力/壓力改變能夠用于獲得輸入?yún)?shù)以便進(jìn)行上述的調(diào)整。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然可知，蓄能器與工作室之間的通路的數(shù)量 當(dāng)然是任選的，優(yōu)選具備不同的截面尺寸的更多通路可以獲得更大的 調(diào)整可能性。
在圖3b中顯示了圖3a的裝置的變形，其中不是僅僅使用具備單 一壓力的一個(gè)蓄能器43，而是使用了三個(gè)蓄能器53a-c并且它們具備 不同的工作壓力。通過(guò)順序連接蓄能器53a-c譬如首先連接具備最低 壓力的蓄能器，可以獲得調(diào)整沖擊波結(jié)構(gòu)的另一種可能性，譬如階梯 形。當(dāng)然，各個(gè)蓄能器53a-c可以通過(guò)具備可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的通路54-56、 或是兩個(gè)或更多的上述通路而與工作室52相連。本實(shí)施例由此允許對(duì) 沖擊波形狀非常自由地進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)然，也可以利用具備不同壓力的 任選數(shù)量的蓄能器。利用調(diào)整裝置59來(lái)調(diào)整沖擊波的形狀優(yōu)選基于儲(chǔ) 存在上述圖表中的數(shù)值而進(jìn)行。
以上已經(jīng)描述了適用于本發(fā)明的多個(gè)合適沖擊產(chǎn)生裝置的示例， 然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明當(dāng)然也可以用于任何一種以 下的沖擊產(chǎn)生裝置其中一個(gè)(或多個(gè))反壓室中的壓力減小被用來(lái) 產(chǎn)生沖擊波。上述的沖擊式鉆探當(dāng)然也可以以普通方式與鉆桿柱的旋 轉(zhuǎn)相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)鉆探，其中鉆頭的鉆探元件在每次沖擊時(shí)遭遇新的巖 石(也即，并不與上次沖擊所形成的鉆孔相接觸)。這樣可增加鉆入 速度。
此外，在上述描述中未提及沖擊頻率。 一般而言，期望獲得盡可 能高的沖擊頻率以便最大程度地利用鉆探設(shè)備資源。但是，上述調(diào)整 當(dāng)然也可以與對(duì)沖擊頻率的調(diào)整相結(jié)合，這樣在開鉆期間及對(duì)鉆孔平 直度存在較高要求時(shí)尤其有利。
權(quán)利要求
1.一種用于控制巖石鉆探過(guò)程的方法，其中具有沖擊元件的沖擊產(chǎn)生裝置將一沖擊波傳遞給與所述沖擊產(chǎn)生裝置相連的鉆具，由此沖擊波的一部分能量通過(guò)所述鉆具而傳遞給巖石，并且沖擊波的一部分能量被反射并且作為反射能反饋給所述沖擊產(chǎn)生裝置，其特征在于，該方法包括以下步驟-產(chǎn)生至少一個(gè)表示所述反射能的參數(shù)值，以及-至少部分地基于所述參數(shù)值來(lái)調(diào)整所述沖擊元件與所述鉆具之間的相互作用，由此對(duì)所述沖擊波的上升時(shí)間和/或長(zhǎng)度進(jìn)行控制。
2. 如權(quán)利要求l的方法，其中所述沖擊元件與所述鉆具之間的相 互作用被調(diào)整使得所述反射能最小化。
3. 如權(quán)利要求1或2的方法，其中所述沖擊波的波幅受到控制。
4. 如權(quán)利要求l-3任何一項(xiàng)的方法，其中所述參數(shù)值通過(guò)對(duì)表示 反射能的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳感、監(jiān)測(cè)、測(cè)量或計(jì)算而產(chǎn)生。
5. 如權(quán)利要求4的方法，其中表示反射能的數(shù)據(jù)包括至少一個(gè)阻 尼室中的至少一個(gè)阻尼壓力。
6. 如權(quán)利要求l-5任何一項(xiàng)的方法，其中所述調(diào)整同時(shí)還基于鉆 入速度而執(zhí)行。
7. 如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中持續(xù)地、非周期性地、 以預(yù)定間隔地生成表示反射能的所述參數(shù)值，和/或在產(chǎn)生每個(gè)或某些 沖擊波時(shí)生成所述參數(shù)值。
8. 如權(quán)利要求l-7任何一項(xiàng)的方法，其中所述沖擊產(chǎn)生裝置包括 逆著所述沖擊元件起作用的反壓室、以及用于降低所述反壓室中壓力 的部件，并且其中對(duì)所述沖擊元件與鉆具之間相互作用的調(diào)整包括對(duì) 所述反壓室中壓力下降的調(diào)整。
9. 如權(quán)利要求l-8任何一項(xiàng)的方法，其中所述沖擊產(chǎn)生裝置包括 至少一個(gè)用于容納將被增壓的液體容積的工作室，其中對(duì)所述沖擊元 件與鉆具之間相互作用的調(diào)整包括對(duì)處于所述工作室與一蓄能器之間 的至少一個(gè)通道的調(diào)整，并且調(diào)整流入通道的長(zhǎng)度和/或橫截面。
10. 如權(quán)利要求9的方法，其中具備可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度和/或可調(diào)節(jié)橫截 面的多個(gè)流入通道將所述蓄能器與所述工作室相連，其中所述流入通 道順序地和/或平4于地開啟。
11. 如權(quán)利要求9或10的方法，其中具有不同壓力水平的多個(gè)蓄 能器通過(guò)流入通道與所述工作室相連，其中所述工作室中的壓力升高 通過(guò)順序地開啟所述多個(gè)蓄能器與所述工作室之間的通道而獲得調(diào) 整。
12. 如權(quán)利要求1-7任何一項(xiàng)的方法，其中所述沖擊產(chǎn)生裝置包 括由多個(gè)沖擊活塞構(gòu)成的一沖擊元件，其中對(duì)沖擊元件與鉆具之間相 互作用的調(diào)整通過(guò)對(duì)那些參與上述相互作用的沖擊 活塞進(jìn)行控制而執(zhí) 行。
13. —種沖擊產(chǎn)生裝置上的調(diào)整機(jī)構(gòu)，用于導(dǎo)致鉆具上的沖擊波， 所述沖擊產(chǎn)生裝置包括用于將所述沖擊波傳遞給所述鉆具的沖擊元 件，由此在操作時(shí)沖擊波的一部分能量通過(guò)所述鉆具而傳遞給巖石， 并且沖擊波的一部分能量被反射并且作為反射能反饋給所述沖擊產(chǎn)生 裝置，其特征在于，上述調(diào)整機(jī)構(gòu)包括-用于產(chǎn)生表示所述反射能的至少一個(gè)參數(shù)值的裝置，以及 -至少部分地基于所述參數(shù)值來(lái)調(diào)整所述沖擊元件與所述鉆具之 間相互作用的裝置，由此對(duì)所述沖擊波的上升時(shí)間和/或長(zhǎng)度進(jìn)行控制。
14. 如權(quán)利要求13的機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述機(jī)構(gòu)包括用于調(diào)整 所述沖擊元件與鉆具之間的相互作用以使所述反射能最小化的裝置。
15. 如權(quán)利要求13或14的機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述機(jī)構(gòu)進(jìn)一步 包括用于控制所述沖擊波的波幅的裝置。
16. 如權(quán)利要求13-15任何一項(xiàng)的機(jī)構(gòu)，其特征在于，用于產(chǎn)生 所述參數(shù)值的所述裝置包括用于對(duì)表示反射能的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳感、檢測(cè)、 測(cè)量或計(jì)算的部件。
17. 如權(quán)利要求16的機(jī)構(gòu)，其特征在于，表示反射能的所述數(shù)據(jù) 包括至少一個(gè)阻尼室中的至少一個(gè)阻尼壓力。
18. 如權(quán)利要求13-17任何一項(xiàng)的機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述機(jī)構(gòu) 進(jìn)一步包括還基于鉆入速度來(lái)執(zhí)行所述調(diào)整的裝置。
19. 如權(quán)利要求13-18任何一項(xiàng)的機(jī)構(gòu)，其特征在于，用于提取 表示反射能的數(shù)據(jù)的所述裝置包括持續(xù)地、非周期性地、以預(yù)定間隔 地、和/或在產(chǎn)生每個(gè)或某些沖擊波時(shí)生成所述參數(shù)值的裝置。
20. 如權(quán)利要求13-19任何一項(xiàng)的機(jī)構(gòu)，其中所述沖擊產(chǎn)生裝置 包括對(duì)所述沖擊元件起作用以便容納將被增壓的第 一液體容積的反壓 室、以及用于降低所述反壓室中壓力的裝置，其特征在于，用于對(duì)所 述沖擊元件與所述鉆具之間相互作用進(jìn)行調(diào)整的裝置包括一控制裝 置，該控制裝置包括調(diào)整機(jī)構(gòu)以便對(duì)所述反壓室中的壓力下降進(jìn)行調(diào) 整。
21. 如權(quán)利要求20的機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述機(jī)構(gòu)進(jìn)一步包括對(duì) 所述沖擊元件起作用的第二室，該第二室構(gòu)成壓力積聚室以便容納將 被增壓的第二流體容積，其中所述沖擊元件在對(duì)所述壓力積聚室增壓 時(shí)從所述鉆具沿著一個(gè)方向移動(dòng)，其中在操作中，當(dāng)所述壓力積聚室 中的壓力下降時(shí)，增壓的反壓室內(nèi)的壓力增加。
22. 如權(quán)利要求13-19任何一項(xiàng)的機(jī)構(gòu)，其中所述沖擊產(chǎn)生裝置 包括至少一個(gè)用于容納將被增壓的流體容積的工作室，其特征在于， 用于對(duì)所述沖擊元件與鉆具之間相互作用進(jìn)行調(diào)整的裝置包括用于對(duì) 所述工作室與蓄能器之間的至少一個(gè)通道進(jìn)行調(diào)整的裝置，其中所述 流入通道的長(zhǎng)度和/或橫截面獲得調(diào)整。
23. 如權(quán)利要求22的機(jī)構(gòu)，其中具備可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度和/或可調(diào)節(jié)橫 截面的多個(gè)流入通道將所述蓄能器與所述工作室相連，其中用于對(duì)所 述沖擊元件與鉆具之間相互作用進(jìn)行調(diào)整的所述裝置包括用于順序地 和/或平行地開啟所述流入通道的裝置。
24. 如權(quán)利要求22或23的機(jī)構(gòu)，其中具備不同壓力水平的多個(gè) 蓄能器通過(guò)流入通道與所述工作室相連，其中所述調(diào)整裝置包括下列 裝置，該裝置通過(guò)順序開啟所述多個(gè)蓄能器與所述工作室之間的通道來(lái)調(diào)整所述工作室中的壓力升高。
25. 如權(quán)利要求13-24任何一項(xiàng)的機(jī)構(gòu)，其中所述調(diào)整裝置包括 譬如計(jì)算機(jī)的計(jì)算裝置。
26. —種沖擊產(chǎn)生裝置，其特征在于，其包括如權(quán)利要求13-25 任何一項(xiàng)所述的調(diào)整裝置。
27. —種鉆探設(shè)備，其特征在于，其包括如權(quán)利要求13-25任何 一項(xiàng)所述的調(diào)整裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于控制巖石鉆探過(guò)程的方法，其中具有沖擊元件的沖擊產(chǎn)生裝置將沖擊波傳遞給與沖擊產(chǎn)生裝置相連的鉆具，由此沖擊波的一部分能量通過(guò)所述鉆具而傳遞給巖石，并且沖擊波的一部分能量被反射并作為反射能反饋給沖擊產(chǎn)生裝置。該方法包括以下步驟產(chǎn)生至少一個(gè)表示反射能的參數(shù)值，以及至少部分地基于所述參數(shù)值來(lái)調(diào)整所述沖擊元件與所述鉆具之間的相互作用，由此對(duì)所述沖擊波的上升時(shí)間和/或長(zhǎng)度進(jìn)行控制。本發(fā)明還涉及一種調(diào)整結(jié)構(gòu)、一種沖擊產(chǎn)生裝置和一種鉆探設(shè)備。
文檔編號(hào)E21B44/06GK101180450SQ200680017808
公開日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2006年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月23日
發(fā)明者K·韋德菲爾特 申請(qǐng)人:阿特拉斯科普科鑿巖機(jī)股份公司