[发明专利]共振增强型旋转钻探

说明书

发明领域

本发明涉及冲击增强型旋转钻探，具体地涉及共振增强型旋转钻探。本发明的实施方案是针对用于控制共振增强型旋转钻探以提高钻探性能的方法和装置。在此说明的其他实施方案是针对根据这些方法和装置可以是可控制的共振增强型旋转钻探设备。本发明的某些实施方案适用于任何尺寸的钻头或有待钻探的材料。某些更具体的实施方案是针对通过岩石构造进行钻探的，特别是在石油、天然气和采矿行业中深孔钻探应用中可以会遇到的那些不同成分的岩石构造。

发明背景

冲击增强型旋转钻探本身是已知的。冲击增强型旋转钻头包括一个旋转钻头尖和用于向该旋转钻头尖施加振荡负荷的一个振荡器。该振荡器正在被钻探的材料上提供冲击力以便使材料破碎，这就辅助该旋转钻头尖切割通过这种材料。

共振增强型旋转钻探是一种特殊类型的冲击增强型旋转钻探，在共振增强型旋转钻探中振荡器是以高频率振动的，从而实现与正在被钻探的材料的共振。与标准的冲击增强型旋转钻探相比，这导致了施加到该旋转钻头尖上的压力的放大，因此提高了钻探效率。

美国3,990,522披露了一种冲击增强型旋转钻头，该冲击增强型旋转钻头使用了一个安装在旋转钻头中的液压锤用于钻探栓孔(bolt hole)。披露的是一个可变冲程(storke)和频率的冲击循环可以被施加并且调整到正在被钻探的材料的自然频率以便对施加在该钻头尖的尖缘处的压力产生一个放大。一个伺服阀维持冲击控制，并且在顺序上由一名操作者通过一个电子控制模块进行控制，该电子控制模块通过一个导电体被连接到该伺服阀上。这位操作者可以通过控制加压流体去到或者来自一个致动器的流动来选择性地使冲击频率改变在每分钟0次循环至2500次循环(即0Hz至42Hz)，并且选择性地使该钻头尖的冲程改变在0英寸至1/8英寸(即0mm至3.175mm)。在此说明的是，通过选择具有一个频率等于正在被钻探的岩层的自然频率或共振频率的冲击冲程，由这些冲击力储存在该岩层中的能量将导致被施加在该钻头尖的尖缘处的压力放大，使得这种固体材料会崩裂和挪移，并且允许钻头速度在每分钟3英尺至4英尺的范围内。

通过上述安排有关若干问题已经被确定并且将在下面进行讨论。

使用美国3,990,522的装置(该装置使用频率相对低的液压振荡器)是不能获得高频率的。因此，虽然美国3,990,522讨论了共振的可以性，将出现的是通过其振荡器可获得的这些低频率不足以实现穿过许多坚硬材料的共振增强型钻探。

不论上面讨论的频率问题如何，在任何使用美国3,990,522的安排的情况下都不能轻松地实现和维持共振，特别是如果钻头穿过具有不同共振特性的不同材料。这是因为在美国3,990,522的安排中冲击的频率和冲程的控制是由操作者手动实现的。这样，就很难随着钻头穿过不同类型的材料来控制该装置以便连续地调整冲击力的频率和冲程以维持共振。如在美国3,990,522所说明的，这对于钻探浅的栓孔而言可以不是一个主要问题。一位操作者可以仅针对其中有待钻探一个栓孔的材料选择一个合适的频率和冲程，并且然后操作该钻头。但是，对于穿过许多不同的岩石层的深层钻探而言，该问题被恶化。一个位于深钻孔上方的操作者不能够看到正在被钻探的岩石是何种类型，并且不能够随着钻头从一种岩石类型穿到另一种岩石类型，特别是在岩石类型频繁改变的区域，来轻易实现和维持共振。

上述某些问题已经被本发明人所解决如在WO 2007/141550中说明的。WO 2007/141550说明了一种共振增强型旋转钻头，该共振增强型旋转钻头包括一个自动反馈和控制机构，该自动反馈和控制机构可以在钻头穿过不同类型的岩石时连续地调整冲击力的频率和冲程以维持共振。该钻头配有一个调节装置和在井下位置的一个控制装置，该调节装置是响应于该钻头正从中穿过的材料的状况，并且该控制装置包括用于对材料特性进行井下测量的多个传感器，由此该装置在井下是可操作在闭环实时控制状态下。

尽管在WO 2007/141550中说明了这些解决方案，仍希望对其中所述的这些方法和装置作进一步的改进。本发明的实施方案的目的是作出此类改进，以便在限制该装置上的磨损和断裂的同时提高钻探效率，从而提高该装置的使用寿命。进一步的目的是更加精确地控制共振增强型钻探，特别是在快速地钻探穿过改变的岩石类型时。

发明概述