專利名稱：用于水平定向鉆井中的功率控制的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于水平地下鉆孔的方法和設(shè)備，并且更具體地涉及一種用于管 理自引擎的泵功率提取的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
用于水、電、氣、電話和有線電視的公用事業(yè)管路常常由于安全和美觀原因而在地 下延伸。在許多情形中，地下公用事業(yè)設(shè)施可以掩埋于溝槽中，然后回填該溝槽。雖然在新 建筑物領(lǐng)域中有用，但是在溝槽中掩埋公用事業(yè)設(shè)施具有某些弊端。在支撐現(xiàn)有建筑物的 區(qū)域中，溝槽可能引起對(duì)結(jié)構(gòu)或者道路的嚴(yán)重?cái)_動(dòng)。另外，很有可能的是挖掘溝槽可能損壞 先前掩埋的公用事業(yè)設(shè)施并且由于挖掘溝槽而被擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)或者道路很少能恢復(fù)至它們 的原有狀況。開(kāi)放溝槽也可能造成工人和行人受傷的危險(xiǎn)。近來(lái)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了鉆出水平地下孔的通用技術(shù)，以便克服上述弊端以及在運(yùn)用常規(guī) 溝槽挖掘技術(shù)時(shí)未解決的其它弊端。根據(jù)也稱為水平定向鉆井(HDD)或者無(wú)溝槽地下鉆 孔的此類水平鉆孔技術(shù)，鉆孔系統(tǒng)處于地表面上并且相對(duì)于地表面以傾斜角度將孔鉆入地中。HDD過(guò)程包括定位孔鉆孔步驟。在該步驟中，產(chǎn)生在起始點(diǎn)開(kāi)始并在終止點(diǎn)結(jié)束且 在地下(通常水平或者通常平行于地面)延伸的鉆孔。該鉆孔通過(guò)定位鉆孔機(jī)以旋轉(zhuǎn)和推 進(jìn)鉆柱使其穿過(guò)地而形成。鉆頭附接到鉆柱的前端。通過(guò)將貯存在鉆孔機(jī)中的儲(chǔ)備鉆桿中 的各個(gè)鉆桿端到端地連接起來(lái)而形成鉆柱。形成鉆桿之間的連接，在隨后的步驟中該連接 被鉆孔機(jī)斷開(kāi)。鉆井流體能夠流過(guò)鉆孔工具上的鉆柱并且從鉆孔向上回流以便去除切屑物和污 泥。在鉆孔工具達(dá)到所需深度之后，然后沿著基本上水平路徑導(dǎo)弓I工具以產(chǎn)生水平鉆孔。在 已經(jīng)獲得所需長(zhǎng)度的鉆孔之后，然后向上導(dǎo)引工具以穿破地的表面。擴(kuò)孔器然后附接到鉆 柱，該鉆柱回拉經(jīng)過(guò)鉆孔，由此將鉆孔擴(kuò)大至較大直徑。普遍將公用事業(yè)設(shè)施管路或者其它 管道附接到擴(kuò)孔工具，從而將它與擴(kuò)孔器一起拖動(dòng)經(jīng)過(guò)鉆孔。常稱為推動(dòng)擴(kuò)孔的、與水平定向鉆井關(guān)聯(lián)的另一技術(shù)涉及在鉆孔工具已經(jīng)退出鉆 孔的出口側(cè)之后在鉆孔的入口側(cè)將擴(kuò)孔器附接到鉆柱。然后推動(dòng)擴(kuò)孔器經(jīng)過(guò)鉆孔，同時(shí)從 鉆孔的出口側(cè)行進(jìn)離開(kāi)的鉆桿在鉆孔的出口位置被個(gè)別地?cái)嚅_(kāi)。有時(shí)使用推動(dòng)擴(kuò)孔技術(shù)， 因?yàn)樗欣靥峁┿@井流體的再循環(huán)。比如在鉆孔的出口位置斷開(kāi)鉆桿而需要的操作者與 鉆柱的直接互作用程度比與傳統(tǒng)水平定向鉆井技術(shù)關(guān)聯(lián)的直接互作用程度大得多。

發(fā)明內(nèi)容
本公開(kāi)涉及一種用于自動(dòng)避免HDD系統(tǒng)中的引擎過(guò)載的系統(tǒng)和方法。水平定向鉆 井機(jī)可以包括引擎，為多個(gè)液壓電機(jī)提供功率。例如，可以使用一個(gè)液壓電機(jī)來(lái)推或拉鉆 柱，可以使用另一液壓電機(jī)來(lái)旋轉(zhuǎn)鉆柱，可以使用再一液壓電機(jī)來(lái)操作泥漿泵。液壓電機(jī)通 過(guò)分開(kāi)的泵和液壓流體回路從引擎提取功率。本發(fā)明提供了一種控制方法和系統(tǒng)，用于防止多個(gè)液壓泵使得引擎過(guò)載。本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方式涉及一種水平定向鉆井機(jī)，其包括引擎，通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸輸出 機(jī)械能；旋轉(zhuǎn)泵，利用由該引擎通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)而輸出的機(jī)械能來(lái)操作旋轉(zhuǎn)電機(jī)，該旋轉(zhuǎn) 電機(jī)通過(guò)該旋轉(zhuǎn)泵與該旋轉(zhuǎn)電機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)液壓流體回路的加壓來(lái)旋轉(zhuǎn)鉆柱；推進(jìn)泵，利 用由該引擎通過(guò)該旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)而輸出的機(jī)械能來(lái)操作推進(jìn)電機(jī)，該推進(jìn)電機(jī)通過(guò)該推進(jìn) 泵與該推進(jìn)電機(jī)之間的推進(jìn)液壓流體回路的加壓來(lái)縱向移動(dòng)該鉆柱；泥漿泵，利用由該引 擎通過(guò)該旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)而輸出的機(jī)械能來(lái)操作泥漿電機(jī)，該泥漿電機(jī)通過(guò)該泥漿泵與該泥 漿電機(jī)之間的泥漿液壓流體回路的加壓來(lái)通過(guò)該鉆柱遞送流體；旋轉(zhuǎn)液壓流體傳感器，輸 出指示旋轉(zhuǎn)液壓流體回路中的液壓流體壓力的旋轉(zhuǎn)壓力信號(hào)；推進(jìn)液壓流體傳感器，輸出 指示推進(jìn)液壓流體回路中的液壓流體壓力的推進(jìn)壓力信號(hào)；泥漿液壓流體傳感器，輸出指 示泥漿液壓流體回路中的液壓流體壓力的泥漿壓力信號(hào)；傳感器，輸出指示旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn) 速率的旋轉(zhuǎn)信號(hào)；以及控制電路，包括處理器和存儲(chǔ)器，該處理器配置為執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ) 器中的程序指令，處理器執(zhí)行存儲(chǔ)的程序指令使得控制電路控制該旋轉(zhuǎn)泵自該引擎輸出 的機(jī)械能的功率提取，控制該推進(jìn)泵自該引擎輸出的機(jī)械能的功率提取，控制該泥漿泵自 該引擎輸出的機(jī)械能的功率提取，基于旋轉(zhuǎn)壓力信號(hào)和旋轉(zhuǎn)信號(hào)計(jì)算自該引擎的旋轉(zhuǎn)泵功 率提取，基于推進(jìn)壓力信號(hào)和旋轉(zhuǎn)信號(hào)計(jì)算自該引擎的推進(jìn)泵功率提取，基于泥漿壓力信 號(hào)和旋轉(zhuǎn)信號(hào)計(jì)算自該引擎的泥漿泵功率提取，基于該旋轉(zhuǎn)泵功率提取、該推進(jìn)泵功率提 取和該泥漿泵功率提取計(jì)算總功率提取，比較總功率提取和與該引擎的輸出能力相關(guān)的閾 值，以及基于該總功率提取超過(guò)該閾值而降低該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵的每個(gè)自該 引擎的機(jī)械能提取。這種實(shí)施方式可以包括用戶接口，其包括旋轉(zhuǎn)用戶輸入件，配置用于基于用戶輸 入而輸出旋轉(zhuǎn)信號(hào)；推進(jìn)用戶輸入件，配置用于基于用戶輸入而輸出推進(jìn)信號(hào)；以及泥漿 用戶輸入件，配置用于基于用戶輸入而輸出泥漿信號(hào)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令 使得該控制電路基于旋轉(zhuǎn)信號(hào)控制旋轉(zhuǎn)泵的功率提??；基于推進(jìn)信號(hào)控制推進(jìn)泵的功率 提?。换谀酀{信號(hào)控制泥漿泵的功率提取，以及其中旋轉(zhuǎn)泵的功率提取、推進(jìn)泵的功率提 取和泥漿泵的功率提取每個(gè)基于該總功率提取超過(guò)該閾值根據(jù)用戶輸入水平來(lái)調(diào)節(jié)。在這種實(shí)施方式中，處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令可以使得該控制電路基于該總 功率提取超過(guò)該閾值，以成比例的量降低該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵中的每個(gè)自該引 擎的機(jī)械能提取。在這種實(shí)施方式中，處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令可以使得該控制電路基于該總 功率提取超過(guò)該閾值，以不同的量降低該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵中的每個(gè)的機(jī)械能 提取。這種實(shí)施方式可以包括引擎溫度傳感器，其輸出指示該引擎的冷卻劑溫度的溫度 信號(hào)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令可以使得該控制電路基于該引擎的冷卻劑溫度超 過(guò)由該溫度信號(hào)指示的溫度閾值，降低該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵中的每個(gè)自該引擎 的機(jī)械能提取。這種實(shí)施方式可以包括引擎負(fù)載傳感器，其輸出指示該引擎上的負(fù)載的負(fù)載信 號(hào)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令可以使得該控制電路基于旋轉(zhuǎn)信號(hào)計(jì)算每分鐘引擎 轉(zhuǎn)數(shù)參數(shù)，以及基于該每分鐘引擎轉(zhuǎn)數(shù)參數(shù)超過(guò)由旋轉(zhuǎn)信號(hào)指示的每分鐘引擎轉(zhuǎn)數(shù)閾值，降低該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵中的每個(gè)自該引擎的機(jī)械能提取。在這種實(shí)施方式中，處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令可以使得該控制電路計(jì)算該 旋轉(zhuǎn)液壓流體回路中液壓流體的旋轉(zhuǎn)液壓流體流量，計(jì)算該推進(jìn)液壓流體回路中液壓流體 的推進(jìn)液壓流體流量，計(jì)算該泥漿液壓流體回路中液壓流體的泥漿液壓流體流量，以及其 中該旋轉(zhuǎn)泵功率提取的計(jì)算基于該旋轉(zhuǎn)液壓流體流量，該推進(jìn)泵功率提取的計(jì)算基于該推 進(jìn)液壓流體流量，該泥漿泵功率提取的計(jì)算基于該泥漿液壓流體流量。本發(fā)明的各種實(shí)施方式針對(duì)一種水平定向鉆井機(jī)，其包括引擎，輸出機(jī)械能 ’旋 轉(zhuǎn)泵，利用由該引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于旋轉(zhuǎn)鉆柱的旋轉(zhuǎn)電機(jī)；推進(jìn)泵，利用由該引擎 輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于縱向移動(dòng)該鉆柱的推進(jìn)電機(jī)；泥漿泵，利用由該引擎輸出的機(jī)械 能來(lái)操作用于通過(guò)該鉆柱遞送流體的泥漿電機(jī)；以及控制電路，包括控制器和存儲(chǔ)器，該處 理器配置為執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上的程序指令，處理器執(zhí)行存儲(chǔ)的程序指令使得控制電路 計(jì)算自該引擎的旋轉(zhuǎn)泵功率提取，計(jì)算自該引擎的推進(jìn)泵功率提取，計(jì)算自該引擎的泥漿 泵功率提取，基于該旋轉(zhuǎn)泵功率提取、該推進(jìn)泵功率提取和該泥漿泵功率提取計(jì)算總功率 提取，比較總功率提取和閾值，以及基于該總功率提取超過(guò)該閾值而降低該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn) 泵和該泥漿泵中的每個(gè)自該引擎的機(jī)械能提取。這種實(shí)施方式可以包括第一傳感器，輸出指示由該旋轉(zhuǎn)泵所泵浦的液壓流體的 第一液壓流體參數(shù)的第一參數(shù)信號(hào)；第二傳感器，輸出指示由該推進(jìn)泵所泵浦的液壓流體 的第二液壓流體參數(shù)的第二參數(shù)信號(hào)；以及第三傳感器，輸出指示由該泥漿泵所泵浦的液 壓流體的第三液壓流體參數(shù)的第三參數(shù)信號(hào)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令可以使得 控制電路基于第一參數(shù)信號(hào)計(jì)算該旋轉(zhuǎn)泵功率提取，基于第二參數(shù)信號(hào)計(jì)算該推進(jìn)泵功 率提取，以及基于第三參數(shù)信號(hào)計(jì)算該泥漿泵功率提取。在這種實(shí)施方式中，該第一液壓流體參數(shù)可以是旋轉(zhuǎn)泵輸出的液壓流體流量，該 第二液壓流體參數(shù)可以是推進(jìn)泵輸出的液壓流體流量，以及該第三液壓流體參數(shù)可以是泥 漿泵輸出的液壓流體流量。在這種實(shí)施方式中，處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令可以使得控制電路基于該總功 率提取超過(guò)該閾值，以相等份額降低該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵中的每個(gè)自該引擎的 機(jī)械能提取。在這種實(shí)施方式中，處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令可以使得控制電路基于該總功 率提取超過(guò)該閾值，以不相等份額降低該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵中的每個(gè)自該引擎 的機(jī)械能提取。這種實(shí)施方式可以包括用戶接口，其包括旋轉(zhuǎn)輸入件，配置用于輸出旋轉(zhuǎn)命令信 號(hào)、推進(jìn)輸入命令信號(hào)以及泥漿輸入命令信號(hào)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令可以使 得該控制電路基于旋轉(zhuǎn)命令信號(hào)控制旋轉(zhuǎn)泵的能量提取；基于推進(jìn)命令信號(hào)控制推進(jìn)泵 的能量提?。换谀酀{命令信號(hào)控制泥漿泵的能量提取，其中旋轉(zhuǎn)泵的能量提取、推進(jìn)泵的 能量提取和泥漿泵的能量提取每個(gè)均能夠基于該總功率提取超過(guò)該閾值由該控制電路根 據(jù)用戶輸入水平來(lái)調(diào)節(jié)。這種實(shí)施方式可以進(jìn)一步包括引擎冷卻劑溫度傳感器，配置為輸出指示該引擎的 冷卻劑流體溫度的溫度信號(hào)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令可以使得該控制電路如 果該冷卻劑流體溫度超過(guò)基于該溫度信號(hào)的溫度閾值，則降低該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵中的每個(gè)自該引擎的機(jī)械能提取。本發(fā)明的各種實(shí)施方式針對(duì)一種用于控制水平定向鉆井機(jī)中自引擎的泵功率提 取的方法，該方法包括提供定向鉆井機(jī)，其具有引擎，用于輸出機(jī)械能，旋轉(zhuǎn)泵，利用由 該引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于旋轉(zhuǎn)鉆柱的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，推進(jìn)泵，利用由該引擎輸出的機(jī)械 能來(lái)操作用于縱向移動(dòng)該鉆柱的推進(jìn)電機(jī)，泥漿泵，利用由該引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用 于通過(guò)該鉆柱遞送流體的泥漿電機(jī)；感測(cè)指示由該旋轉(zhuǎn)泵所泵浦的液壓流體的第一液壓流 體參數(shù)的第一參數(shù)信號(hào)；感測(cè)指示由該推進(jìn)泵所泵浦的液壓流體的第二液壓流體參數(shù)的第 二參數(shù)信號(hào)；感測(cè)指示由該泥漿泵所泵浦的液壓流體的第三液壓流體參數(shù)的第三參數(shù)信 號(hào)；基于第一信號(hào)確定自該引擎輸出的機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)泵功率提?。换诘诙盘?hào)確定自該 引擎輸出的機(jī)械能的推進(jìn)泵功率提?。换诘谌盘?hào)確定自該引擎輸出的機(jī)械能的泥漿泵 功率提?。换谠撔D(zhuǎn)泵功率提取、該推進(jìn)泵功率提取和該泥漿泵功率提取確定總泵功率 提取；比較總泵功率提取和與該引擎的輸出能力相關(guān)的閾值；以及基于該總泵功率提取超 過(guò)該閾值，而降低該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵中的每個(gè)自該引擎的功率提取。在這種實(shí)施方式中，該第一液壓流體參數(shù)可以是旋轉(zhuǎn)泵輸出的液壓流體流量，該 第二液壓流體參數(shù)可以是推進(jìn)泵輸出的液壓流體流量，以及該第三液壓流體參數(shù)可以是泥 漿泵輸出的液壓流體流量。在這種實(shí)施方式中，降低該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵中的每個(gè)自該引擎的功 率提取可以進(jìn)一步包括在該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵之間以相等份額降低功率提取。在這種實(shí)施方式中，降低該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵中的每個(gè)自該引擎的功 率提取可以進(jìn)一步包括在該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵之間以不相等份額降低功率提 取。這種實(shí)施方式可以進(jìn)一步包括接收來(lái)自第一用戶操控輸入件的旋轉(zhuǎn)輸入?yún)?shù)； 接收來(lái)自第二用戶操控輸入件的推進(jìn)輸入?yún)?shù)；接收來(lái)自第三用戶操控輸入件的泥漿輸入 參數(shù)；基于該旋轉(zhuǎn)輸入?yún)?shù)控制該旋轉(zhuǎn)泵自該引擎的功率提取；基于該推進(jìn)輸入?yún)?shù)控制 該推進(jìn)泵自該引擎的功率提取；基于該泥漿輸入?yún)?shù)控制該泥漿泵自該引擎的功率提取； 以及基于該總功率能量提取超過(guò)該閾值來(lái)改變旋轉(zhuǎn)輸入?yún)?shù)、推進(jìn)輸入?yún)?shù)和泥漿輸入?yún)?數(shù)中的每個(gè)，以降低該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵中的每個(gè)自該引擎的功率提取。這種實(shí)施方式可以進(jìn)一步包括接收指示該引擎的引擎冷卻劑溫度的引擎冷卻劑 溫度信號(hào)；以及基于該冷卻劑流體溫度超過(guò)基于該引擎冷卻劑溫度信號(hào)的溫度閾值，降低 該旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵中的每個(gè)自該引擎的能量提取。各個(gè)實(shí)施方式針對(duì)一種水平定向鉆井機(jī)，其包括引擎，輸出機(jī)械能；旋轉(zhuǎn)泵，利 用由該引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于旋轉(zhuǎn)鉆柱的旋轉(zhuǎn)電機(jī)；推進(jìn)泵，利用由該引擎輸出的 機(jī)械能來(lái)操作用于縱向移動(dòng)該鉆柱的推進(jìn)電機(jī)；泥漿泵，利用由該引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操 作用于通過(guò)該鉆柱遞送流體的泥漿電機(jī)；用于計(jì)算自該引擎的旋轉(zhuǎn)泵功率提取的裝置；用 于計(jì)算自該引擎的推進(jìn)泵功率提取的裝置；用于計(jì)算自該引擎的泥漿泵功率提取的裝置； 用于基于該旋轉(zhuǎn)泵功率提取、該推進(jìn)泵功率提取和該泥漿泵功率提取計(jì)算總功率提取的裝 置；用于比較總功率提取和閾值的裝置；以及用于基于該總功率提取超過(guò)該閾值而降低該 旋轉(zhuǎn)泵、該推進(jìn)泵和該泥漿泵中的每個(gè)自該引擎的機(jī)械能提取的裝置。本發(fā)明的上述概括并非為了描述本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施方式或者每個(gè)實(shí)現(xiàn)方式。通過(guò)參照結(jié)合附圖進(jìn)行的下文具體描述和權(quán)利要求書(shū)將會(huì)清楚和理解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果，并 得到對(duì)本發(fā)明的更完整理解。


圖1圖示了根據(jù)本公開(kāi)的各種實(shí)施例的鉆井系統(tǒng)的各種部件和示出向下鉆孔部 件的地面橫截面圖；圖2圖示了根據(jù)本公開(kāi)的各種實(shí)施例的在水平定向鉆井中的功率管理的各個(gè)方 面的圖示；以及圖3圖示了根據(jù)本公開(kāi)的各種實(shí)施例的在水平定向鉆井中的功率管理的各個(gè)方 面的圖示。盡管本發(fā)明可以有各種修改和替代形式，但是已經(jīng)在附圖中以示例的方式示出并 且這里將具體描述其細(xì)節(jié)。然而將理解其本意并非使本發(fā)明限于描述的具體實(shí)施例。反言 之，本發(fā)明旨在于覆蓋落入如所附權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明范圍內(nèi)的所有修改、等效和替 代形式。
具體實(shí)施例方式在下文對(duì)所示出的實(shí)施例的描述中，參考了構(gòu)成該描述的一個(gè)部分的附圖，其中 通過(guò)示例的方式示出了可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各種實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，可以利用其他實(shí)施方式， 也可以在并不偏離本發(fā)明的范圍的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能改變。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)、設(shè)備或方法可以包括在此處描述的一個(gè)或多個(gè)特征、結(jié)構(gòu)、方 法或者它們的結(jié)合。例如，設(shè)備和系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)為包括下面描述的有利的特征或者過(guò)程中 的一個(gè)或多個(gè)。其本意是，這樣的設(shè)備或者系統(tǒng)不必包括此處描述的所有特征，而是可以實(shí) 現(xiàn)為包括提供有用結(jié)構(gòu)和/或功能性的選定特征。圖1示出了穿過(guò)地10中進(jìn)行HDD鉆井操作的部分的橫截面。該地下鉆孔系統(tǒng)總 體上被示出為機(jī)器12，其位于地面上11，并且包括其上定位有傾斜縱向部件16的平臺(tái)14。 平臺(tái)14通過(guò)銷18或者其他限制部件固定到地，以便在鉆井操作期間限制平臺(tái)14的運(yùn)動(dòng)。 在縱向部件16上定位的是推進(jìn)/回拉電機(jī)17，用于在總體上以箭頭示出的前向、縱向方向 上驅(qū)動(dòng)鉆柱22。鉆柱22包括大量以端到端的方式附接的鉆柱部件23。旋轉(zhuǎn)電機(jī)19也定位 在傾斜縱向部件16上并被安裝成允許沿著該縱向部件16移動(dòng)，以便用于旋轉(zhuǎn)鉆柱22 (被 示出為位于上部位置19a和下部位置19b之間的中間位置處)。在操作時(shí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)19旋 轉(zhuǎn)鉆柱22，該鉆柱22具有在鉆柱22的端部附接的鉆孔工具24?？梢岳酶櫰鲉卧?8來(lái)接收從鉆孔工具24發(fā)送的信息信號(hào)，該跟蹤器單元繼 而將該信息信號(hào)或者該信號(hào)的修改形式通信傳送給位于鉆孔機(jī)12處的接收器。鉆孔機(jī)12 還可以包括發(fā)射器或者收發(fā)器，以用于從鉆孔機(jī)12向跟蹤器單元28發(fā)送和/或從其接收 信息信號(hào)，諸如指令信號(hào)?？梢詡溥x地通過(guò)使用經(jīng)由鉆柱22在鉆孔工具24和中央處理器 25之間建立的通信鏈路，來(lái)促進(jìn)數(shù)據(jù)和指令的傳輸。鉆孔操作可以如下進(jìn)行。旋轉(zhuǎn)電機(jī)19初始定位在上部位置19a，并且旋轉(zhuǎn)鉆柱22。 在鉆孔工具24通過(guò)鉆柱22的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)推進(jìn)/回拉電機(jī)17在前向方向中朝著下 部位置將旋轉(zhuǎn)電機(jī)19和鉆柱22推入地中，從而形成鉆孔26。當(dāng)已經(jīng)將鉆柱22向鉆孔26中推進(jìn)一個(gè)鉆柱部件23的長(zhǎng)度時(shí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)19到達(dá)下部位置19b。然后手工或者自動(dòng)地將 新的鉆柱部件23添加到鉆柱22，釋放旋轉(zhuǎn)電機(jī)19，并且將其回拉到上部位置19a。使用旋 轉(zhuǎn)電機(jī)19將新的鉆柱部件23擰到鉆柱22，旋轉(zhuǎn)/推動(dòng)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，以便迫使新增長(zhǎng)的 鉆柱22進(jìn)一步進(jìn)入地中，從而延伸鉆孔26。通常，使用泥漿電機(jī)通過(guò)鉆柱22來(lái)泵浦水或 者其他流體(通常是混合物形式，此處稱作泥漿)。如果使用氣錘，則可以使用空氣壓縮機(jī) 來(lái)迫使空氣/泡沫通過(guò)鉆柱22。泥漿或者空氣/泡沫經(jīng)過(guò)鉆孔26向上回流以便移除切削 物、污泥和其他碎屑，并提高鉆孔有效性和/或效率。水平鉆井轉(zhuǎn)向能力是通常提供用于控 制鉆孔工具24的方向，以使得能夠向得到的鉆孔26賦予期望的方向。手工控制件可以用于控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)19、推進(jìn)/回拉電機(jī)17、泥漿電機(jī)，以便提供期 望的各個(gè)輸出。例如，用戶可以使用操縱桿來(lái)控制推進(jìn)/回拉電機(jī)17輸出，以便使鉆柱23 前進(jìn)和回縮。另一操縱桿可以用于控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)19。類似地，用戶控制件可以用于控制通 過(guò)鉆柱的泥漿遞送水平。在所有的這些情況下，來(lái)自各個(gè)用戶輸入件的信號(hào)通過(guò)一個(gè)或多 個(gè)控制器來(lái)接收，該一個(gè)或多個(gè)控制器用以控制電機(jī)和/或?yàn)殡姍C(jī)供電的泵的操作。
在各種HDD系統(tǒng)中，可以使用若干電機(jī)使鉆柱旋轉(zhuǎn)，使鉆柱前進(jìn)/回縮，以及驅(qū)動(dòng) 泥漿通過(guò)鉆柱。例如，旋轉(zhuǎn)電機(jī)可以旋轉(zhuǎn)鉆柱，推進(jìn)/回拉電機(jī)可以使鉆柱前進(jìn)/回縮，泥 漿電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)泥漿通過(guò)鉆柱。這些電機(jī)中的每個(gè)電機(jī)均由流經(jīng)各個(gè)液壓流體回路的液壓 流體提供功率。這些各個(gè)回路中的液壓流體流動(dòng)通過(guò)從公共引擎提取機(jī)械能的各個(gè)泵而產(chǎn) 生。例如，HDD鉆機(jī)可以具有由電力或者燃料提供動(dòng)力的引擎，該引擎輸出機(jī)械運(yùn)動(dòng) (動(dòng)能)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)由各個(gè)泵利用，以迫使液壓流體經(jīng)過(guò)各個(gè)回路以及為各個(gè)電機(jī)提供功 率。泵將來(lái)自引擎的機(jī)械運(yùn)動(dòng)(通常為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))轉(zhuǎn)換成另一形式的能量(通常為液壓)。 通過(guò)泵轉(zhuǎn)換的能量可以操作HDD鉆機(jī)的各種旋轉(zhuǎn)、推進(jìn)以及流體遞送功能。以這樣的方式操作分配功率的HDD系統(tǒng)能夠具有若干優(yōu)點(diǎn)。例如，只需要一個(gè)引 擎和燃料輸入，而其他系統(tǒng)可能需要用于旋轉(zhuǎn)、推進(jìn)和泥漿遞送功能的分離的引擎。另外， 可以使用較大引擎，從而允許在需要時(shí)將引擎中的大量功率集中于單個(gè)任務(wù)。例如，如果需 要高速旋轉(zhuǎn)以用于特定磨削功能，則單引擎HDD鉆機(jī)可以將其所有功率資源投入到旋轉(zhuǎn)鉆 柱。這樣，單引擎HDD鉆機(jī)相對(duì)于多引擎實(shí)施方式可以提供更加強(qiáng)大的鉆柱旋轉(zhuǎn)、推進(jìn)、回 縮或者流體遞送。然而，雖然單引擎HDD鉆機(jī)能夠管理功率資源以便在需要時(shí)靈活地專攻任何一個(gè) 功能，但是多任務(wù)性能可以會(huì)使得引擎的功率分布復(fù)雜化。如果每個(gè)泵的提取組合起來(lái)要 求大于引擎所能夠遞送的功率，則引擎可能會(huì)承受不住。例如，用戶可能操縱用于控制鉆柱 旋轉(zhuǎn)的操縱桿，以要求旋轉(zhuǎn)泵以其能力的100%為旋轉(zhuǎn)電機(jī)輸出提供功率，同時(shí)用戶還操縱 用于控制鉆柱的推進(jìn)的另一操縱桿，以要求推進(jìn)泵以其能力的70%為推進(jìn)電機(jī)輸出提供功 率，這超過(guò)了引擎能夠遞送的功率的總量。在這樣的情況下，引擎輸出可能會(huì)下降，或者引 擎可能會(huì)停機(jī)，從而致使經(jīng)由這些泵供給這些電機(jī)的能量無(wú)法預(yù)測(cè)的且并不協(xié)調(diào)的減少。本公開(kāi)的方法和系統(tǒng)實(shí)施方式通過(guò)以下方式來(lái)處理這些和其他問(wèn)題監(jiān)測(cè)泵的參 數(shù)，計(jì)算電機(jī)的總功率要求，比較總功率要求和引擎的功率輸出能力，調(diào)整針對(duì)泵的控制信 號(hào)，以便防止透支自引擎的功率。圖2示出了在HDD系統(tǒng)200中用于管理自引擎的泵提取的實(shí)施方式。引擎201將可存儲(chǔ)能量(諸如汽油)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并輸出旋轉(zhuǎn)形式的機(jī)械能。旋轉(zhuǎn)泵202、推進(jìn)/回 拉泵203、泥漿泵204每個(gè)彼此背負(fù)布置(piggyback on)。旋轉(zhuǎn)泵202、推進(jìn)/回拉泵203、 泥漿泵204每個(gè)均可通過(guò)控制信號(hào)來(lái)獨(dú)立控制，以便以可變的方式利用引擎201輸出的機(jī) 械能。 取決于每個(gè)電機(jī)202至204基于控制信號(hào)從引擎201提取了多少能量，可以控制 旋轉(zhuǎn)電機(jī)205、推進(jìn)電機(jī)206和泥漿電機(jī)207以分別旋轉(zhuǎn)鉆柱、使鉆柱前進(jìn)/回縮以及經(jīng)過(guò) 鉆柱遞送流體。例如，旋轉(zhuǎn)泵202響應(yīng)于控制信號(hào)，以從引擎201輸出提取某一量的機(jī)械能， 從而使液壓回路260中的液壓流體流通。旋轉(zhuǎn)泵202在旋轉(zhuǎn)液壓回路260中產(chǎn)生的液壓流 體的壓力供旋轉(zhuǎn)電機(jī)205使用，以便旋轉(zhuǎn)鉆柱。同樣，推進(jìn)泵203在推進(jìn)液壓回路261中產(chǎn) 生的液壓流體的壓力供推進(jìn)電機(jī)206使用，以便使鉆柱推進(jìn)/回縮，以及泥漿泵203在泥漿 液壓回路262中產(chǎn)生的液壓流體的壓力供泥漿電機(jī)207使用，以便通過(guò)鉆柱遞送流體并遞 送入鉆孔中。不同的液壓流體回路260-262允許分別適合于旋轉(zhuǎn)電機(jī)205、推進(jìn)電機(jī)206和泥漿 電機(jī)207的不同增壓和流量。傳感器208-210分別監(jiān)視各個(gè)液壓回路260-262的參數(shù)。傳 感器208-210能夠感測(cè)與電機(jī)輸出關(guān)聯(lián)的各個(gè)參數(shù)，尤其諸如是液壓壓力(磅每平方英寸， PSI)和液壓流體流量(加侖每分鐘，GPM)。傳感器208-210分別向監(jiān)視電路211-213提供 與這些參數(shù)相關(guān)的反饋信息?？梢韵虮O(jiān)視電路211-213提供來(lái)自引擎201的信息，諸如是 對(duì)泵202-204進(jìn)行供給的輸出軸的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。旋轉(zhuǎn)泵202、推進(jìn)/回拉泵203和泥漿泵204的各自能量提取部分上分別由來(lái)自旋 轉(zhuǎn)輸入250、推進(jìn)/回拉輸入251和泥漿輸入253的控制信號(hào)來(lái)控制。還向各自的監(jiān)視回路 211-213中的每個(gè)提供輸入信息。監(jiān)視回路211-213可以分別使用由傳感器208-210、泵202-204以及控制輸入 250-253提供的信息，來(lái)分別計(jì)算泵202-204中的每個(gè)對(duì)引擎201的功率提取。對(duì)功率提取 信息進(jìn)行求和215并將其與引擎201相關(guān)的信息進(jìn)行比較214。例如，一個(gè)或多個(gè)閾值可以 存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，并且可以將總功率提取計(jì)算215與該閾值進(jìn)行比較214。該閾值可以與引 擎201的最大功率輸出相關(guān)聯(lián)，例如為引擎201的最大功率輸出的95%。總功率提取215超過(guò)與引擎201的最大功率輸出相關(guān)聯(lián)的閾值214可以指示功率 提取即將超過(guò)引擎201的能力，從而將存在引擎201停機(jī)或者引擎201性能降低的危險(xiǎn)。 HDD系統(tǒng)200可以通過(guò)減小控制輸入250-253、調(diào)整電機(jī)202-204 (例如，減小功率提取)來(lái) 對(duì)此進(jìn)行響應(yīng)，這可以優(yōu)先于指導(dǎo)旋轉(zhuǎn)、推進(jìn)和泥漿遞送的用戶輸入。對(duì)于每個(gè)泵202-204，可以一致地進(jìn)行自引擎201的泵功率提取降低。在一些情況 下，當(dāng)達(dá)到總提取215閾值時(shí)214，泵202-204中的每個(gè)均可按它們各自操作能力的來(lái) 縮短沖程。例如，如果旋轉(zhuǎn)泵202以其能力的60%操作，推進(jìn)泵203以其能力的20%操作， 泥漿泵204以其能力的15%操作，則這些泵202-204中的每個(gè)均可按它們各自操作能力的 10%來(lái)縮短沖程。在一些實(shí)施方式中，泵202-204可以基于它們當(dāng)前的操作水平，諸如當(dāng)前操作水 平的百分比，來(lái)縮短沖程。例如，計(jì)算211-213每個(gè)泵202-204的功率提取。因此，每個(gè)泵 202-204能夠按它們各自當(dāng)前操作功率水平的百分比(例如，20%)來(lái)縮短沖程。這樣，如 果基于總電機(jī)提取超過(guò)閾值而使得每個(gè)泵的功率提取降低20%，則泵提取30馬力將會(huì)被限制為24馬力。在一些實(shí)施方式中，泵202-204能夠基于功率而按照標(biāo)準(zhǔn)量來(lái)縮短沖程。例如，每 個(gè)泵204-204的功率提取可以降低由針對(duì)每個(gè)泵202-204的功率計(jì)算211-213所確定的馬 力量或者瓦特量，該降低的功率提取量與任何單個(gè)泵的功率提取無(wú)關(guān)。在一些實(shí)施方式中，每個(gè)泵的功率提取可以線性地或者指數(shù)地降低，直到計(jì)算的 總電機(jī)提取215降回到閾值以下214，當(dāng)總電機(jī)提取215降落至閾值以下214時(shí)，維持輸入 到泵202-204的那些控制參數(shù)水平。
在一些實(shí)施方式中，一個(gè)泵的功能相對(duì)于其他泵而言可能更受偏愛(ài)，因此在該受 偏愛(ài)的泵之前使其他泵縮短沖程，或者使其他泵縮短沖程的量比該受偏愛(ài)的泵更大。這種 非等功率提取降低可以保持與該受偏愛(ài)的泵相關(guān)的功能，諸如鉆柱旋轉(zhuǎn)、推進(jìn)或者泥漿遞 送。例如，在一些HDD應(yīng)用中，總是使泥漿流經(jīng)鉆孔是關(guān)鍵功能，因?yàn)槟酀{可以清除切削物 并用作潤(rùn)滑劑，從而減小機(jī)器應(yīng)力。在這樣的應(yīng)用中，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)205和推進(jìn)/回拉電 機(jī)206的輸出而言，保持泥漿電機(jī)207的輸出可能是有價(jià)值的。這可以通過(guò)在減小受偏愛(ài) 泵的提取之前減小非受偏愛(ài)泵的提取來(lái)完成(例如，僅當(dāng)旋轉(zhuǎn)泵202和推進(jìn)/回拉泵203 已經(jīng)縮短沖程但依然超過(guò)總功率閾值時(shí)才使泥漿泵204縮短沖程)。在一些實(shí)施方式中，受 偏愛(ài)的泵可以與非受偏愛(ài)的泵同時(shí)縮短沖程，但是其縮短沖程的量更小(例如，相對(duì)于其 他非受偏愛(ài)的泵/電機(jī)，該量是泵或電機(jī)能力、或當(dāng)前操作水平的較小百分?jǐn)?shù)(％)量，或者 是預(yù)定功率減小的較小量)。在一些實(shí)施方式中，所有泵可以在同時(shí)但以不同的速度來(lái)縮短 沖程。例如，泥漿和推進(jìn)泵功率提取可以降低至用戶輸入的10%，而旋轉(zhuǎn)泵可以降低到用戶 輸入的僅50%。在泵202-204提取基于總功率提取215超過(guò)閾值214而降低后，各自計(jì)算的功率 提取211-213將有望降低，自引擎201的總功率提取215將有望降低。然而，如果總功率提 取215繼續(xù)超過(guò)閾值一段時(shí)間，或者超過(guò)了一個(gè)更高的閾值，則可以使用更加積極的步驟 (諸如更大的功率提取減小)來(lái)進(jìn)一步減小泵202-204功率提取，直至總功率提取215降到 閾值以下并到達(dá)引擎201輸出能力內(nèi)可接受的量。由于總功率提取215減低至閾值以下，所以可以調(diào)整在來(lái)自輸入250-253的控制 信號(hào)或者使其恢復(fù)以便更好地匹配用戶預(yù)期的輸入，并允許泵202-204從引擎201提取用 戶經(jīng)由控制件所指示的量的功率。圖3示出了本發(fā)明公開(kāi)的各個(gè)方面。根據(jù)各個(gè)實(shí)施方式，測(cè)得的變量用于計(jì)算多 個(gè)泵中的每個(gè)泵從引擎提取的馬力量。圖3所示的實(shí)施方式包括三個(gè)靜液壓泵旋轉(zhuǎn)泵 305，用于驅(qū)動(dòng)鉆柱的旋轉(zhuǎn)；推進(jìn)/回拉泵323，用于驅(qū)動(dòng)鉆柱的推進(jìn)和/或回拉；以及泥漿 泵313，用于促進(jìn)鉆孔中的流體(諸如，泥漿混合物)的遞送。旋轉(zhuǎn)泵305的操作由旋轉(zhuǎn)泵 控制器304來(lái)控制，該旋轉(zhuǎn)泵控制器通過(guò)邏輯電路303接收來(lái)自鉆井模式單元301 (例如， 基于自動(dòng)鉆井模式設(shè)置)和輸入控制件302 (例如，與用戶操縱桿/選轉(zhuǎn)手柄對(duì)接)的控 制信號(hào)以及來(lái)自控制器316的控制信號(hào)。推進(jìn)/回拉泵323的操作由推進(jìn)/回拉泵控制器 324控制，該推進(jìn)/回拉泵控制器通過(guò)邏輯電路325接收來(lái)自鉆井模式單元326 (例如，基于 自動(dòng)鉆井模式設(shè)置)和輸入控制件327 (例如，與用戶操縱桿_推進(jìn)/回拉手柄對(duì)接)的控 制信號(hào)以及來(lái)自控制器316的控制信號(hào)。泥漿泵330的操作類似地可以由用戶輸入件和鉆 井模式單元(未圖示)來(lái)控制。
每個(gè)泵均消耗來(lái)自引擎的一些功率量。每個(gè)泵所消耗的功率可以由下列式子來(lái)估 算液壓泵功率=((((引擎RPM/C2)xCl)x液壓流量的百分?jǐn)?shù))χ液壓流體 PSI)/1741*C3))；其中Cl =額定引擎RPM;C2 =在額定引擎RPM下的實(shí)際泵輸出流量 (GPM)；以及C3 =液壓泵總效率(例如，0. 90 = 90% ) 如上面的等式所示，旋轉(zhuǎn)泵功率計(jì)算309依賴于液壓壓力306、自旋轉(zhuǎn)泵的液壓流 體流307和引擎RPM 308。泥漿泵功率計(jì)算314依賴于液壓壓力311、自泥漿泵的液壓流體 流312和引擎RPM 310。推進(jìn)泵功率計(jì)算323依賴于液壓壓力321、自推進(jìn)泵的液壓流體流 322和引擎RPM 320。將旋轉(zhuǎn)泵功率計(jì)算309、泥漿泵功率計(jì)算314和推進(jìn)泵功率計(jì)算323 中的每個(gè)進(jìn)行求和，以計(jì)算總功率315要求?？刂破?16比較該總功率315要求與一個(gè)或 多個(gè)存儲(chǔ)的閾值，諸如最大引擎輸出。在一些實(shí)施方式中，控制器316操作比例積分環(huán)路， 以比較總功率316參數(shù)和引擎參數(shù)。在控制器316確定泵304、313和324的該總功率315提取超過(guò)閾值時(shí)，控制器316 可以降低旋轉(zhuǎn)泵控制器304、推進(jìn)/回拉泵控制器324和泥漿泵控制器330的功率輸入。旋 轉(zhuǎn)泵305的功率輸出和引擎功率消耗可以完全由用戶控制件302和/或鉆井模式單元301 控制直至達(dá)到閾值，此時(shí)，控制器316將會(huì)限制旋轉(zhuǎn)泵305的功率輸出和引擎功率消耗。推 進(jìn)/回拉泵324的功率輸出和引擎功率消耗可以完全由用戶控制件327和/或鉆井模式單 元326控制直至達(dá)到閾值，此時(shí)，控制器316將會(huì)限制旋轉(zhuǎn)泵323的功率輸出和引擎功率消 耗。泥漿泵的功率輸出和引擎功率消耗可以類似地控制。泵控制器(例如，旋轉(zhuǎn)泵控制器304、推進(jìn)/回拉控制器324、泥漿泵控制器330)可 以執(zhí)行算法以便管理用戶輸入件和控制器316設(shè)置。例如，可以將操縱桿輸入百分?jǐn)?shù)(例 如，0-100%)乘以從控制器316接收的功率限制百分?jǐn)?shù)(例如，0-100%)。如果輸入302 了 80%的旋轉(zhuǎn)功率水平且控制器316將泵輸出限制為輸入302的90%，則旋轉(zhuǎn)泵控制器304 可以命令旋轉(zhuǎn)泵305輸出能力的72% (例如，使用算法(來(lái)自用戶的輸入百分比)*(來(lái)自 控制器的沖程縮短百分比)/100 =泵能力的泵功率提取百分比)。推進(jìn)/回拉泵313和推 進(jìn)/回拉泵323可以被類似地控制，以便管理用戶輸入件和控制器316限制。在一些實(shí)施 方式中，鉆井模式單元301輸入可以設(shè)置旋轉(zhuǎn)泵305輸出水平，在這種情況下，控制器316 可以以與用于限制用戶輸入件302的方式類似的方式來(lái)限制旋轉(zhuǎn)泵305輸出?？梢耘c鉆井 模式單元301輸入以相同的方式由控制器來(lái)限制與推進(jìn)相關(guān)的鉆井模式單元326輸入以及 與泥漿遞送相關(guān)的鉆井模式單元輸入。在一些實(shí)施方式中，控制器316可以基于引擎負(fù)載317和/或引擎冷卻溫度318來(lái) 限制旋轉(zhuǎn)泵、推進(jìn)/回拉泵和泥漿泵的操作。在這種情況下，如果引擎負(fù)載317和/或引擎 冷卻劑溫度318超過(guò)閾值，則控制器316可以控制旋轉(zhuǎn)泵控制器304、泥漿泵控制器330和 推進(jìn)/回拉泵控制器324，以便此處所討論的任何方式來(lái)限制旋轉(zhuǎn)泵305、泥漿泵313和推 進(jìn)/回拉泵324的操作(例如，當(dāng)泵的總功率提取超過(guò)閾值時(shí))。例如，如果引擎在2400RPM 操作，且引擎的RPM隨后降低至1900RPM時(shí)，則不期望引擎旋轉(zhuǎn)輸出的降低，于是可以如此 處所討論的那樣基于感測(cè)的RPM下降來(lái)減小泵305、313和323的提取。在一些實(shí)施方式中，操作員使用左操縱桿輸入302來(lái)控制鉆柱的旋轉(zhuǎn)，使用右操 縱桿輸入327來(lái)控制施加到鉆柱上的推進(jìn)或回拉力。通過(guò)配置(profile)功能向旋轉(zhuǎn)泵發(fā)送來(lái)自左操縱桿的控制信號(hào)，通過(guò)配置功能向推進(jìn)/回拉泵發(fā)送來(lái)自右操縱桿的控制信 號(hào)。實(shí)質(zhì)上，左、右操作桿均由用戶使用，以便向水平鉆井機(jī)輸入他或她期望的動(dòng)作。在一些實(shí)施方式中，馬力限制器PI環(huán)路基于輸入數(shù)據(jù)確定引擎是否過(guò)載。如果引 擎過(guò)載，則調(diào)整自針對(duì)各個(gè)液壓泵的操縱桿的控制信號(hào)。在所描述的實(shí)施方式中，基于感測(cè) 的每分鐘引擎轉(zhuǎn)數(shù)(RMP)、液壓流體壓力(PSI)和液壓流體流量來(lái)計(jì)算子每個(gè)泵的馬力提 取?？梢韵騂P限制器PI環(huán)路發(fā)送每個(gè)泵的馬力提取和總馬力功率提取。該環(huán)路阻止用戶 向泵請(qǐng)求比引擎能夠遞送的功率更多的功率。當(dāng)在鉆井模式中操作時(shí)，HDD鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)功率需求可能超過(guò)引擎輸出功率能 力。為了減小或者避免引擎過(guò)載，本公開(kāi)提供了一種控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方 式被配置為監(jiān)視液壓功率、引 擎百分?jǐn)?shù)負(fù)載(J1939)以及引擎冷卻劑溫度。如果這三個(gè)變量中任意一個(gè)高于它們各自的閾值，則修改針對(duì)該液壓系統(tǒng)的控制 信號(hào)以便控制該“超限”的變量。當(dāng)該“超限”變量降回到其各自限制之下時(shí)，控制系統(tǒng)允 許針對(duì)該液壓系統(tǒng)的控制信號(hào)升回到它們的原始值。本發(fā)明的實(shí)施例可以使用具有耦合到處理器的存儲(chǔ)器的控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)這里描述 的方法和功能。存儲(chǔ)器可以是用計(jì)算機(jī)程序、軟件、計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令、能夠由計(jì)算機(jī)執(zhí)行 的指令等編碼成由電路(如主機(jī)控制器的處理器)執(zhí)行的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。例如，存儲(chǔ)器 可以是存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，處理器執(zhí)行該計(jì)算機(jī)程序?qū)⑹沟肏DD系統(tǒng)執(zhí)行 此處參考的步驟，諸如與管理自引擎的泵功率提取相關(guān)的步驟。以示例格式給出了這里提供的討論和圖示，其中描述和圖示所選實(shí)施例以介紹本 發(fā)明的各種方面。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)、設(shè)備或者方法可以包括這里描述的特征、結(jié)構(gòu)、方法 或者其組合中的一個(gè)或者多個(gè)。例如，設(shè)備或者系統(tǒng)可以被實(shí)施成包括下文描述的有利特 征和/或過(guò)程中的一個(gè)或者多個(gè)。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備或者系統(tǒng)可以被實(shí)施成包括在單獨(dú)示 例和/或圖示中圖示和/或公開(kāi)的多個(gè)特征和/或方面。旨在于這樣的設(shè)備或者系統(tǒng)無(wú)需 包括這里描述的所有特征，而是可以被實(shí)施成包括所選特征，這些特征提供有用結(jié)構(gòu)、系統(tǒng) 和/或功能。雖然可以將某些功能的示例僅描述為由電路執(zhí)行以力求簡(jiǎn)潔，但是如本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員將理解的那樣，可以使用這里描述的電路和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)任何功能、方法和技術(shù)。
權(quán)利要求
一種具有功率控制的水平定向鉆井機(jī)，包括引擎，通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸輸出機(jī)械能；旋轉(zhuǎn)泵，利用由所述引擎通過(guò)所述旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)而輸出的機(jī)械能來(lái)操作旋轉(zhuǎn)電機(jī)，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)所述旋轉(zhuǎn)泵與所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)液壓流體回路的加壓來(lái)旋轉(zhuǎn)鉆柱；推進(jìn)泵，利用由所述引擎通過(guò)所述旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)而輸出的機(jī)械能來(lái)操作推進(jìn)電機(jī)，所述推進(jìn)電機(jī)通過(guò)所述推進(jìn)泵與所述推進(jìn)電機(jī)之間的推進(jìn)液壓流體回路的加壓來(lái)縱向移動(dòng)所述鉆柱；泥漿泵，利用由所述引擎通過(guò)所述旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)而輸出的機(jī)械能來(lái)操作泥漿電機(jī)，所述泥漿電機(jī)通過(guò)所述泥漿泵與所述泥漿電機(jī)之間的泥漿液壓流體回路的加壓來(lái)通過(guò)所述鉆柱遞送流體；旋轉(zhuǎn)液壓流體傳感器，輸出指示所述旋轉(zhuǎn)液壓流體回路中的液壓流體壓力的旋轉(zhuǎn)壓力信號(hào)；推進(jìn)液壓流體傳感器，輸出指示所述推進(jìn)液壓流體回路中的液壓流體壓力的推進(jìn)壓力信號(hào)；泥漿液壓流體傳感器，輸出指示所述泥漿液壓流體回路中的液壓流體壓力的泥漿壓力信號(hào)；傳感器，輸出指示所述旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速率的旋轉(zhuǎn)信號(hào)；以及控制電路，包括處理器和存儲(chǔ)器，該處理器配置為執(zhí)行存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中的程序指令，處理器執(zhí)行所述存儲(chǔ)的程序指令使得控制電路控制所述旋轉(zhuǎn)泵自所述引擎輸出的機(jī)械能的功率提取，控制所述推進(jìn)泵自所述引擎輸出的機(jī)械能的功率提取，控制所述泥漿泵自所述引擎輸出的機(jī)械能的功率提取，基于所述旋轉(zhuǎn)壓力信號(hào)和所述旋轉(zhuǎn)信號(hào)計(jì)算自所述引擎的旋轉(zhuǎn)泵功率提取，基于所述推進(jìn)壓力信號(hào)和所述旋轉(zhuǎn)信號(hào)計(jì)算自所述引擎的推進(jìn)泵功率提取，基于所述泥漿壓力信號(hào)和所述旋轉(zhuǎn)信號(hào)計(jì)算自所述引擎的泥漿泵功率提取，基于所述旋轉(zhuǎn)泵功率提取、所述推進(jìn)泵功率提取和所述泥漿泵功率提取計(jì)算總功率提取，比較所述總功率提取和與所述引擎的輸出能力相關(guān)的閾值，以及基于所述總功率提取超過(guò)所述閾值而降低所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推進(jìn)泵和所述泥漿泵的每個(gè)自所述引擎的機(jī)械能提取。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平定向鉆井機(jī)，進(jìn)一步包括用戶接口，其包括 旋轉(zhuǎn)用戶輸入件，配置用于基于用戶輸入而輸出旋轉(zhuǎn)信號(hào)；推進(jìn)用戶輸入件，配置用于基于用戶輸入而輸出推進(jìn)信號(hào)；以及 泥漿用戶輸入件，配置用于基于用戶輸入而輸出泥漿信號(hào)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的 程序指令使得所述控制電路基于所述旋轉(zhuǎn)信號(hào)控制所述旋轉(zhuǎn)泵的功率提??；基于所述推 進(jìn)信號(hào)控制所述推進(jìn)泵的功率提取；基于所述泥漿信號(hào)控制所述泥漿泵的功率提取，以及 其中所述旋轉(zhuǎn)泵的功率提取、所述推進(jìn)泵的功率提取和所述泥漿泵的功率提取每個(gè)基于所 述總功率提取超過(guò)所述閾值而根據(jù)用戶輸入水平來(lái)調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平定向鉆井機(jī)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令使得所 述控制電路基于所述總功率提取超過(guò)所述閾值，以成比例的量降低所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推進(jìn) 泵和所述泥漿泵中的每個(gè)自所述引擎的機(jī)械能提取。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平定向鉆井機(jī)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令使得所述控制電路基于所述總功率提取超過(guò)所述閾值，以不同的量降低所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推進(jìn)泵 和所述泥漿泵中的每個(gè)的機(jī)械能提取。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平定向鉆井機(jī)，進(jìn)一步包括引擎溫度傳感器，輸出指示所 述引擎的冷卻劑溫度的溫度信號(hào)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令使得所述控制電路基 于所述引擎的冷卻劑溫度超過(guò)由所述溫度信號(hào)指示的溫度閾值，降低所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推 進(jìn)泵和所述泥漿泵中的每個(gè)自所述引擎的機(jī)械能提取。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平定向鉆井機(jī)，進(jìn)一步包括引擎負(fù)載傳感器，輸出指示所 述引擎上的負(fù)載的負(fù)載信號(hào)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令使得所述控制電路基于所 述旋轉(zhuǎn)信號(hào)計(jì)算每分鐘引擎轉(zhuǎn)數(shù)參數(shù)，以及基于所述每分鐘引擎轉(zhuǎn)數(shù)參數(shù)超過(guò)由所述旋轉(zhuǎn) 信號(hào)指示的每分鐘引擎轉(zhuǎn)數(shù)閾值，降低所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推進(jìn)泵和所述泥漿泵中的每個(gè)自 所述引擎的機(jī)械能提取。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平定向鉆井機(jī)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令使得所 述控制電路計(jì)算所述旋轉(zhuǎn)液壓流體回路中液壓流體的旋轉(zhuǎn)液壓流體流量，計(jì)算所述推進(jìn) 液壓流體回路中液壓流體的推進(jìn)液壓流體流量，計(jì)算所述泥漿液壓流體回路中液壓流體的 泥漿液壓流體流量，以及其中所述旋轉(zhuǎn)泵功率提取的計(jì)算基于所述旋轉(zhuǎn)液壓流體流量，所 述推進(jìn)泵功率提取的計(jì)算基于所述推進(jìn)液壓流體流量，所述泥漿泵功率提取的計(jì)算基于所 述泥漿液壓流體流量。
8.一種具有功率控制的水平定向鉆井機(jī)，包括引擎，輸出機(jī)械能；旋轉(zhuǎn)泵，利用由所述引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于旋轉(zhuǎn)鉆柱的旋轉(zhuǎn)電機(jī)；推進(jìn)泵，利用由所述引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于縱向移動(dòng)所述鉆柱的推進(jìn)電機(jī)；泥漿泵，利用由所述引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于通過(guò)所述鉆柱遞送流體的泥漿電 機(jī)；以及控制電路，包括控制器和存儲(chǔ)器，該處理器配置為執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的程序指令，處 理器執(zhí)行存儲(chǔ)的程序指令使得所述控制電路計(jì)算自所述引擎的旋轉(zhuǎn)泵功率提取，計(jì)算自 所述引擎的推進(jìn)泵功率提取，計(jì)算自所述引擎的泥漿泵功率提取，基于所述旋轉(zhuǎn)泵功率提 取、所述推進(jìn)泵功率提取和所述泥漿泵功率提取計(jì)算總功率提取，比較總功率提取和閾值， 以及基于所述總功率提取超過(guò)所述閾值而降低所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推進(jìn)泵和所述泥漿泵中的 每個(gè)自所述引擎的機(jī)械能提取。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水平定向鉆井機(jī)，進(jìn)一步包括第一傳感器，輸出指示由所述旋轉(zhuǎn)泵所泵浦的液壓流體的第一液壓流體參數(shù)的第一參 數(shù)信號(hào)；第二傳感器，輸出指示由所述推進(jìn)泵所泵浦的液壓流體的第二液壓流體參數(shù)的第二參 數(shù)信號(hào)；以及第三傳感器，輸出指示由所述泥漿泵所泵浦的液壓流體的第三液壓流體參數(shù)的第三參 數(shù)信號(hào)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令使得所述控制電路基于所述第一參數(shù)信號(hào)計(jì) 算所述旋轉(zhuǎn)泵功率提取，基于所述第二參數(shù)信號(hào)計(jì)算所述推進(jìn)泵功率提取，以及基于所述 第三參數(shù)信號(hào)計(jì)算所述泥漿泵功率提取。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的水平定向鉆井機(jī)，其中所述第一液壓流體參數(shù)是由所述旋轉(zhuǎn)泵輸出的液壓流體流量，所述第二液壓流體參數(shù)是由所述推進(jìn)泵輸出的液壓流體流量， 以及所述第三液壓流體參數(shù)是由所述泥漿泵輸出的液壓流體流量。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水平定向鉆井機(jī)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令使得 所述控制電路基于所述總功率提取超過(guò)所述閾值，以相等份額降低所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推進(jìn) 泵和所述泥漿泵中的每個(gè)自所述引擎的機(jī)械能提取。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水平定向鉆井機(jī)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令使得 所述控制電路基于所述總功率提取超過(guò)所述閾值，以不相等份額降低所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推 進(jìn)泵和所述泥漿泵中的每個(gè)自所述引擎的機(jī)械能提取。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水平定向鉆井機(jī)，進(jìn)一步包括用戶接口，其包括旋轉(zhuǎn)輸入 件，配置用于輸出旋轉(zhuǎn)命令信號(hào)、推進(jìn)輸入命令信號(hào)以及泥漿輸入命令信號(hào)，其中處理器執(zhí) 行所存儲(chǔ)的程序指令使得所述控制電路基于所述旋轉(zhuǎn)命令信號(hào)控制所述旋轉(zhuǎn)泵的能量提 ??；基于所述推進(jìn)命令信號(hào)控制所述推進(jìn)泵的能量提??；基于所述泥漿命令信號(hào)控制所述 泥漿泵的能量提取，其中所述旋轉(zhuǎn)泵的能量提取、所述推進(jìn)泵的能量提取和所述泥漿泵的 能量提取每個(gè)基于所述總功率提取超過(guò)所述閾值由所述控制電路根據(jù)用戶輸入水平來(lái)調(diào) 節(jié)。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水平定向鉆井機(jī)，進(jìn)一步包括引擎冷卻劑溫度傳感器，配置 為輸出指示所述引擎的冷卻劑流體溫度的溫度信號(hào)，其中處理器執(zhí)行所存儲(chǔ)的程序指令使 得所述控制電路在所述冷卻劑流體溫度超過(guò)基于所述溫度信號(hào)的溫度閾值的情況下降低 所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推進(jìn)泵和所述泥漿泵中的每個(gè)自所述引擎的機(jī)械能提取。
15.一種用于控制水平定向鉆井機(jī)中自引擎的泵功率提取的方法，該方法包括 提供定向鉆井機(jī)，其具有引擎，用于輸出機(jī)械能，旋轉(zhuǎn)泵，利用由所述引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于旋轉(zhuǎn)鉆柱的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，推進(jìn)泵，利用由所述引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于縱 向移動(dòng)所述鉆柱的推進(jìn)電機(jī)，泥漿泵，利用由所述引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于通過(guò)所述 鉆柱遞送流體的泥漿電機(jī)；感測(cè)指示由所述旋轉(zhuǎn)泵所泵浦的液壓流體的第一液壓流體參數(shù)的第一信號(hào)； 感測(cè)指示由所述推進(jìn)泵所泵浦的液壓流體的第二液壓流體參數(shù)的第二信號(hào)； 感測(cè)指示由所述泥漿泵所泵浦的液壓流體的第三液壓流體參數(shù)的第三信號(hào)； 基于所述第一信號(hào)確定自所述引擎輸出的機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)泵功率提?。?基于所述第二信號(hào)確定自所述引擎輸出的機(jī)械能的推進(jìn)泵功率提??； 基于所述第三信號(hào)確定自所述引擎輸出的機(jī)械能的泥漿泵功率提??； 基于所述旋轉(zhuǎn)泵功率提取、所述推進(jìn)泵功率提取和所述泥漿泵功率提取確定總泵功率 提?。槐容^總泵功率提取和與所述引擎的輸出能力相關(guān)的閾值；以及 基于所述總泵功率提取超過(guò)所述閾值，而降低所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推進(jìn)泵和所述泥漿泵 中的每個(gè)自所述引擎的功率提取。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一液壓流體參數(shù)是所述旋轉(zhuǎn)泵輸出的液 壓流體流量，所述第二液壓流體參數(shù)是所述推進(jìn)泵輸出的液壓流體流量，以及所述第三液 壓流體參數(shù)是所述泥漿泵輸出的液壓流體流量。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中降低所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推進(jìn)泵和所述泥漿泵中的每個(gè)自所述引擎的功率提取包括在所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推進(jìn)泵和所述泥漿泵之間以相等份 額降低功率提取。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中降低所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推進(jìn)泵和所述泥漿泵中 的每個(gè)自所述引擎的功率提取包括在所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推進(jìn)泵和所述泥漿泵之間以不相等 份額降低功率提取。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括 接收來(lái)自第一用戶操控輸入件的旋轉(zhuǎn)輸入?yún)?shù)； 接收來(lái)自第二用戶操控輸入件的推進(jìn)輸入?yún)?shù)； 接收來(lái)自第三用戶操控輸入件的泥漿輸入?yún)?shù)；基于所述旋轉(zhuǎn)輸入?yún)?shù)控制所述旋轉(zhuǎn)泵自所述引擎的功率提??； 基于所述推進(jìn)輸入?yún)?shù)控制所述推進(jìn)泵自所述引擎的功率提?。?基于所述泥漿輸入?yún)?shù)控制所述泥漿泵自所述引擎的功率提??；以及 基于所述總功率能量提取超過(guò)所述閾值來(lái)改變所述旋轉(zhuǎn)輸入?yún)?shù)、所述推進(jìn)輸入?yún)?shù) 和所述泥漿輸入?yún)?shù)中的每個(gè)，以降低所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推進(jìn)泵和所述泥漿泵中的每個(gè)自 所述引擎的功率提取。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括接收指示所述引擎的引擎冷卻劑溫度的引擎冷卻劑溫度信號(hào)；以及 基于所述冷卻劑流體溫度超過(guò)基于所述引擎冷卻劑溫度信號(hào)的溫度閾值，降低所述旋 轉(zhuǎn)泵、所述推進(jìn)泵和所述泥漿泵中的每個(gè)自所述引擎的能量提取。
21.一種具有功率控制的水平定向鉆井機(jī)，包括 引擎，輸出機(jī)械能；旋轉(zhuǎn)泵，利用由所述引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于旋轉(zhuǎn)鉆柱的旋轉(zhuǎn)電機(jī)；推進(jìn)泵，利用由所述引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于縱向移動(dòng)所述鉆柱的推進(jìn)電機(jī)；泥漿泵，利用由所述引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于通過(guò)所述鉆柱遞送流體的泥漿電機(jī)；用于計(jì)算自所述引擎的旋轉(zhuǎn)泵功率提取的裝置； 用于計(jì)算自所述引擎的推進(jìn)泵功率提取的裝置； 用于計(jì)算自所述引擎的泥漿泵功率提取的裝置；用于基于所述旋轉(zhuǎn)泵功率提取、所述推進(jìn)泵功率提取和所述泥漿泵功率提取計(jì)算總功 率提取的裝置；用于比較所述總功率提取和閾值的裝置；以及用于基于所述總功率提取超過(guò)所述閾值而降低所述旋轉(zhuǎn)泵、所述推進(jìn)泵和所述泥漿泵 中的每個(gè)自所述引擎的機(jī)械能提取的裝置。
全文摘要
本公開(kāi)針對(duì)用于控制在水平定向鉆井中自引擎的泵功率提取的方法和設(shè)備。本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方式針對(duì)一種水平定向鉆井機(jī)(12)，其包括引擎(201)，輸出機(jī)械能；旋轉(zhuǎn)泵(202)，利用由引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于旋轉(zhuǎn)鉆柱(22)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)(19)；推進(jìn)泵，利用由引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于縱向移動(dòng)鉆柱的推進(jìn)電機(jī)(17)；泥漿泵(204)，利用由引擎輸出的機(jī)械能來(lái)操作用于通過(guò)鉆柱遞送流體的泥漿電機(jī)；以及控制電路(211，212，213)，包括控制器和存儲(chǔ)器，該處理器配置為執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的程序指令，處理器執(zhí)行存儲(chǔ)的程序指令使得控制電路計(jì)算自引擎的旋轉(zhuǎn)泵功率提取，計(jì)算自引擎的推進(jìn)泵功率提取，計(jì)算自引擎的泥漿泵功率提取，基于旋轉(zhuǎn)泵功率提取、推進(jìn)泵功率提取和泥漿泵功率提取計(jì)算總功率提取，比較總功率提取和閾值，以及基于總功率提取超過(guò)閾值而降低旋轉(zhuǎn)泵、推進(jìn)泵和泥漿泵中的每個(gè)自引擎的機(jī)械能提取。
文檔編號(hào)E21B44/06GK101883910SQ200880117077
公開(kāi)日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2008年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月16日
發(fā)明者D·佩爾斯, P·R·拉尼 申請(qǐng)人:弗米爾制造公司