[发明专利]用于在电动液压系统内建立手动调节器控制设置的方法和设备

说明书

技术领域

本发明总体上涉及地下钻探机和用于控制地下钻探的方法。更 具体地，本发明涉及在水平定向钻井中使用的地下钻探机及其改进 方法，以及用于建立操作员输入控制装置的全程运动到减小的输出 设置和手动调节器控制设置的设备。

背景技术

水、电、天然气、电话和有线电视的设施管线例如出于安全和 美学原因经常铺设在地下。有时地下设施埋在沟槽内，该沟槽随后 被回填。然而，挖沟会耗时且会对现有结构或道路造成巨大损坏。 因此，水平定向钻井(“HDD”)经常用于避免这些缺陷。

典型的水平定向钻井机包括机架(frame)，旋转驱动机构安装 在此机架上。旋转驱动机构可以沿机架的纵轴可滑动地移动，以在 沿机架滑动的同时使钻柱(drill string)绕其纵轴旋转，从而使钻柱 行进到地面内或者从地面中退回。钻柱包括一个或多个接连不断地 附接在一起的钻杆。

钻探工具安装在钻柱的行进端(即，最远离HDD钻井机的一端) 上。更具体地，在使钻柱行进到地面内时，钻头被使用。另一方面， 回扩器(back reamer)被用于扩大钻探孔，且在切开孔之后在钻柱 退回时使用。钻探工具可包括针对具体地层而订制的各种类型的土 壤切割装置。示例包括剪切土壤的切削刃以及在岩石环境内钻探时 将来自钻柱的纵向力集中到一集中区域以使地面破碎的压缩构件。

钻探机包括允许操作员控制旋转运动和纵向运动的控制件 (contr01)，该纵向运动也称为逆冲(thrust)。旋转运动和逆冲运 动的最佳设置依赖于各种因素，例如土壤条件、地层以及钻探工具 的类型。钻探过程一般要求维持一致的逆冲压力以及在低逆冲速度 的控制。

在一些不均匀钻井条件中，例如当地层主要为冰碛物(例如， 各种尺寸的岩石、粘土和泥沙的聚集)时，土壤切割装置难以最初 接合地层和高效地钻井。因此，当最初接合这些类型的地层时，经 常需要非常低的逆冲压力以允许土壤切割装置开始切割。

逆冲压力与逆冲力成比例，且旋转压力与旋转力矩成比例。在 许多情形中，逆冲压力和旋转压力与逆冲速度直接关联。如果逆冲 压力过大，土壤切割装置将穿入地层，导致过大的旋转压力。很多 时候旋转失速(rotation stall)与高逆冲速度相关，由此使土壤切割 装置过快地行进到地层内，或者与过高逆冲压力相关。假如土壤切 割装置旋转失速，则会引发高负载，此高负载会损坏钻探工具和钻 柱并降低总体钻井性能。

如果土壤切割装置失速，旋转压力和逆冲压力必须减小到零。 土壤切割装置从地层内的障碍物移开一段短的距离。操作员使用输 入旋转控制件重新启动该过程。在重新启动钻柱的旋转时，逆冲压 力增加(逆冲速度)以重新定位土壤切割装置于待钻井地层的表面。 此逆冲压力经常小于引起初始旋转失速条件的逆冲压力。

在理想控制系统中，旋转运动和逆冲运动的幅值与输入控制件 的位置成比例。也就是说，控制功能(例如逆冲或旋转操纵杆)的 100％的输入，将导致对该逆冲或旋转功能的100％的控制输出。然 而，在实际控制系统中，由于与输入控制功能(操纵杆)和输出装 置(液压泵)相关的固有特性，输入控制件内会存在5-10％的累计 死区。也就是说，直到输入控制件被移动得足以超过系统的死区时， 输出控制才会被启动。这种情况下-由于输入控制件与输出控制近 似成比例-操作员会难以精确地将输入控制件的位置维持在需要的 低逆冲速度和逆冲压力水平。

因此，当在非均匀条件下钻井时，大约20-100％的可用输入控制 逆冲功能会无法使用。在这些条件下，期望将逆冲速度控制在非常 低的值，例如在10％的最大输入控制功能。因此现有技术中出现对 这样方法和系统的需求，其允许操作员调节控制件，从而优化该控 制件的工作范围，以提供与大的输入控制成比例的低输出控制功能。

发明内容

本发明包括一种方便的方法，用于当钻柱沿着逆冲或者回拉方 向轴向运动时，允许操作员改变输入控制功能和输出控制装置之间 的比例关系。例如，可以期望100％的输入控制信号而输出信号可以 为25％。藉此，操作员对功能具有更多的控制，而不受到在控制系 统的死区水平处/附近控制该钻井系统的限制。