[发明专利]共振增强旋转钻孔模块

说明书

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。

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。