专利名称：用于控制岩钻的方法和配置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在于岩石中钻孔时控制钻参数的根据权利要求1的前序部分的方法和根据权利要求11的前序部分的配置。本发明还涉及一种计算机化的控制系统，该计算机化的控制系统包括执行该方法的装置。本发明还包括钻机，该钻机包括根据本发明的控制系统。
背景技术：
在钻岩时，经常使用冲击式钻孔。通常液压驱动的撞击活塞被用于通过液压、冲击压力、产生冲击波的压力产生冲击力并通过冲击力产生冲击波。冲击波(能量)经由钻钢 (钻杆)传递至钻头并且传递到岩石上。钻头中的与岩石接触的碳化钨针在冲击波击中岩石的地方被压入岩石中，产生足以破碎岩石的力。接着，以经由钻钢中的孔向下供给至钻头的水或空气压力将通常被称为钻屑的碎石运输出钻孔。为了使碳化钨针与未破碎的岩石接触，钻钢旋转。这利用齿轮和液压马达实现。在钻孔期间，钻头与岩石具有最佳接触很重要。为此，岩钻紧靠岩石。例如，岩钻可以固定于滑座，该滑座又沿着诸如进给梁的运载器设备行进，运载器设备固定于诸如车辆的运载器。由限定为进给缸体的液压缸体驱动岩钻和滑座沿着进给梁抵靠岩石运动，因而钻头紧靠岩石。驱动岩钻向前的可选择的方法是使用链式进给装置，其中，进给缸体被安装在进给装置最后部处的装配有齿轮的液压马达取代。借助于固定至滑座的链和进给装置最前部处的齿轮，滑座与岩钻一起向前和向后运动。在本文中，供给至进给缸体或链式进给装置上的液压马达的液压在本文中定义为进给压力。取决于构成它们的矿物和它们的结构，不同岩石类型表现出不同的钻孔难度水平。通常，钻孔速度的增大表明岩石正在变软。例如文献EP1102917B1中利用了这种关系， 文献EP1102917B1描述如何与进给压力成比例地控制冲击压力，使得当岩钻进入具有较软岩石并需要较小的冲击压力来切割岩石的区域时，冲击压力减小到开钻水平。但是，如果以过高的灵敏度对调控进行调节以实现较长的寿命，那么这样的调控会导致产量降低。在这些困难的岩石条件下，尤其是在以较高的冲击力钻孔时，保持与岩石的良好接触也很重要。因此，已经开发处设置用以确保保持良好的岩石接触的阻尼系统。因此，经由布置在阻尼系统中的阻尼活塞通过进给压力影响抵靠岩石的钻头的接触压力，该阻尼活塞布置成利用液压(阻尼压力)在阻尼系统中产生阻尼力。在钻孔期间，借助于压力腔的作用在阻尼活塞上的加压，使阻尼活塞紧靠钻钢，进而钻钢抵靠岩石。阻尼活塞通常布置成使得如果阻尼活塞向前行进得太远，即，钻钢前方的区域太软以至于冲击活塞的撞击使钻钢进而阻尼活塞向前移动并且超过正常位置，那么上述压力腔的出口全部或部分打开，从而致使压力腔中的压力减小。阻尼系统还通过抑制来自岩石的冲击脉冲反射来保护岩钻。可以发生的与钻孔相关的问题的例子包括钻孔偏斜和钻孔弯曲。例如由于与开钻——在该阶段，开始新的钻孔——相关的钻钢的角偏差，因此钻孔偏斜发生，并且该钻孔偏斜通常可以由操作者纠正。钻孔偏斜——即，钻孔偏离并且变弯曲而不是如预期成直线的——对操作者而言更加难以处理。钻孔偏斜可以有多种原因，例如，钻头到达具有交替的较硬和较软的岩石类型并且具有与钻孔的方向成角度的分界面的区段。当有使连续的岩石接触变得困难的可能充满水或粘土的空穴和岩石中的裂纹时，也会发生钻孔偏斜。钻孔偏斜的其它原因可以是钻头一直没有被适当地研磨，和/或与钻钢长度已经达到其断裂长度的结合。与在不良的岩石接触的情况下钻孔相关地可能发生的另一问题是通常以螺纹连接接合的钻杆的钻钢有旋松的风险，使得在钻孔期间螺纹连接停止变紧。这导致损坏阳螺纹和阴螺纹之间的接触表面的可能性。例如，接触表面可以被摩擦热在某些地方点焊在一起，从而在螺纹上产生早期断裂，这可以导致钻钢断开。因此，存在对于至少缓解现有技术的问题的用于控制钻进参数的改进的方法和配
置的需要。
发明内容
本发明的第一目的是提供解决上述问题的用于控制至少一个钻进参数的方法。解决方案是具有权利要求1中的特征的方法。提供这样一种用于当用岩钻在岩石中钻孔时控制至少一个钻进参数的方法，包括脉冲产生设备，所述脉冲产生设备设置用以在工具中引发冲击波，所述工具以由冲击压力产生的冲击力作用在岩石上；旋转产生设备，所述旋转产生设备设置用以通过由旋转压力产生的旋转将转矩供给至冲击设备；以及可加压阻尼腔，所述阻尼腔设置用以通过所述阻尼腔中的阻尼压力至少部分地调控所述岩钻与岩石的接触，所述方法包括-确定第一参数值，所述第一参数值表示以下压力中的一个所述阻尼压力、实现所述岩钻的向前进给的进给压力，-确定表示钻头的所述旋转压力的第二参数值，-确定上述第二参数值与旋转压力基准值之间的偏差，-根据上述偏差确定用于所述第一参数值的参数基准值，其中，如果所述第一参数值为所述阻尼压力，则所述参数基准值为阻尼压力基准值，如果所述第一参数值为所述进给压力，则所述参数基准值为进给压力基准值，-基于上述第一参数值和上述参数基准值的函数来调控所述冲击压力。这具有如下优点通过作为旋转压力和阻尼腔中的压力的函数的方式调控冲击压力，可以在任何情况下确保与阻尼压力和旋转相关地使用正确的冲击压力。或者，通过作为旋转压力和进给压力的函数的方式调控冲击压力，可以在任何情况下确保与进给压力和旋转相关地使用正确的冲击压力。这得以实现的原因在于，当旋转压力处于较高的水平并且进给压力减小时，还可以以适当的方式纠正阻尼压力和冲击压力之间的关系。根据按照本发明的方法的实施方式，冲击压力被调控成使得其反映上述旋转压力的变化。根据按照本发明的方法的优选实施方式，所述方法还包括以下步骤当第一参数CN 102171411 A
说明书
3/9页 值大于参数基准值并且第二参数值大于旋转压力基准值时，允许冲击压力保持正常钻孔压力。根据按照本发明的方法的实施方式，与在一段时间间隔内的旋转平均值相关地调控冲击压力。通过监测旋转压力并且将监测旋转压力与基于阻尼压力的冲击压力调控相结合， 可以实现更灵敏的操作从而降低钻孔偏斜的风险，同时还可以避免与由于减小的冲击压力而引起的钻孔偏斜相关的生产率的减小。当较高的旋转压力使用于阻尼压力的调控水平降低时，进给压力和冲击压力之间的关系将减小。这可提供更多机会以处理钻头到达分界面时、尤其是岩石从软到硬时的情况。当旋转压力的水平高于被认为是正常的水平时，即使岩石接触不充分，钻钢上的螺纹松开的风险仍然非常小。这使较高的冲击压力能够被认可。该函数还有助于在于破裂的岩石中钻孔时获得更直的钻孔。当使用较高的冲击压力用于裂缝钻时，可以更好地保持钻头的方向。本发明具有许多优点，例如，钻头、钻钢(钻杆)和钎尾的使用寿命增加。因为可以设定更严格的调控水平、并且根据旋转压力和钻头的岩石接触来调控冲击压力，所以通过减少了有害反射而实现了该优点。另一个优点是对螺纹连接的损坏减小。本发明的另一个优点是实现明显更加灵活的系统。根据按照本发明的方法的实施方式，所述方法包括以下步骤当所述第一参数值小于所述参数基准值时，与开钻压力相关地调控所述冲击压力。根据按照本发明的方法的实施方式，所述方法还包括以下步骤根据上述函数设定用于冲击压力的指导值并根据该指导值调控冲击压力。根据按照本发明的方法的实施方式，通过感测、监测、测量或计算连续地和/或以特定时间间隔地确定所述旋转压力。通过连续地确定上述压力，可以实施冲击压力的连续调控。此外，过滤所确定的压力值产生如下优点调控对较小的波动不是很敏感。根据按照本发明的方法的实施方式，借助于所述阻尼压力或进给压力、和所述旋转压力、和所述冲击压力之间的数学关系和/或通过在预定的图表中对其进行查找来实施所述调控。根据按照本发明的方法的实施方式，借助于所述进给压力、所述旋转压力和所述冲击压力之间的数学关系和/或通过在预定的图表中对其进行查找来实施所述调控。根据按照本发明的方法的实施方式，所述函数包括以下函数之一或以下函数中的多个的组合与上述偏差和/或上述参数基准值——即阻尼压力基准值、进给压力基准值中的一个——相关的比例调控函数、导数调控函数、积分调控函数。根据按照本发明的方法的实施方式，所述方法还包括上述冲击压力的增大被调控成使得保持每单位时间的所述冲击压力的增大低于阈值。根据按照本发明的方法的实施方式，所述旋转产生设备包括旋转马达，并且所述第二参数值为固定时长内的旋转压力的平均值。根据按照本发明的方法的实施方式，所述方法还包括上述脉冲产生设备能够由进给压力调控地沿着进给梁向前和向后运动，并且根据所述旋转压力来调控上述进给压力。本发明的第二目的是提供解决上述问题的用于控制至少一个钻进参数的配置。
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解决方案是具有权利要求11中的特征的配置。这样一种用于当用岩钻在岩石中钻孔时控制至少一个钻进参数的配置包括脉冲产生设备，所述脉冲产生设备设置用以在工具中引发冲击波，所述工具以由冲击压力产生的冲击力作用在岩石上；旋转产生设备，所述旋转产生设备设置用以通过由旋转压力产生的旋转将转矩供给至冲击设备；可加压阻尼腔，所述阻尼腔设置用以通过所述阻尼腔中的阻尼压力至少部分地调控所述岩钻与岩石的接触，其中，根据上述阻尼腔中的压力来调控所述冲击压力；以及控制系统，其设置用于控制所述岩钻的运动，其中，所述配置包括设置用于实施根据权利要求1至10中任一项所述的方法的设备。这样一种配置具有与上述优点相当的优点。本发明还包括一种计算机化的控制系统，所述计算机化的控制系统包括实施如权利要求1至10中的任一方法的在于岩石中钻孔时控制至少一个钻进参数的方法的装置。本发明还包括一种能够直接下载到计算机的内部存储器中的计算机程序，所述计算机程序包括用于控制如权利要求1至10中的任一方法所述的方法的程度代码。本发明还包括一种具有下载到其上的计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序设计用于使计算机执行根据权利要求1至10中的任一项中的方法的步骤。本发明还包括一种钻机，所述钻机包括根据权利要求11的计算机化的控制系统。下面的描述和权利要求包含本发明的有利的进一步改进。
将通过参照附图对实施方式的描述更详细地说明本发明，其中图1示出了装备有根据本发明的配置的钻机的轮廓；图2示出了根据现有技术的流动阻尼器；图3示出了作为时间的函数的阻尼压力和冲击压力的调控的实施例；图4示出了作为旋转压力的函数的进给压力的调控的实施例；图5示出了根据本发明实施方式的冲击压力的调控的实施例；图6示出了根据本发明的控制系统的细节的实施例；以及图7示出了用于根据图5调控冲击压力的显示器的实施例。
具体实施例方式以下说明描述了坑道钻机。然而，本发明还可以应用于表面钻机。图1示出了用于挖隧道、采矿或与例如挖隧道或开采相关的岩石加固螺栓的安装的岩石钻机10。钻机10包括钻架11，钻架11的一个端部Ila经由一个或多个铰接设备以铰接的方式附接于诸如车辆之类的运载器12，并且在钻架11的另一个端部lib处布置有支撑岩钻14形式的脉冲产生设备的进给装置13。岩钻14可以沿着进给装置13移动并且产生经由钻杆15和钻头18传递至岩石17的冲击波。钻机10还包括控制单元16，根据本发明并根据下文所描述的内容，控制单元16可以用于控制钻进参数。控制单元16可以用于监测相对于岩钻和运载器的钻孔的位置、方向和钻孔距离等。控制单元包括微处理器或处理器，该微处理器或处理器包括中央处理器(CPU)或现场可编程门阵列(FPGA)或半导体单元，该中央处理器(CPU)或现场可编程门阵列(FPGA)或半导体单元包括可编程逻辑器件和可编程通信单元，其通过控制函数调控岩钻的函数、并且执行根据依本发明一个方面的方法的步骤。这借助于至少部分地存储在存储器中的一个或多个计算机程序实现，该存储器对控制单元而言是可存取的。当然，虽然可以使用单独的控制单元来控制钻机10的运动， 但是控制单元16也可以用于控制钻机10的运动。岩钻14以属于现有技术的方式包括设置用以在钻孔期间使钻杆15旋转的旋转设备(未示出)。旋转设备包括通过旋转液流液压地驱动的旋转马达，该旋转液流从第一泵 20经由第一管22发出。管22中的压力是旋转压力R，通过第一压力传感器M测量该旋转压力R。控制单元16接收来自第一压力传感器M的信号，从而监测和记录第一管22中的压力。通过感测、监测、测量或计算连续地和/或以特定时间间隔测量旋转压力R。在未示出的另一个实施方式中，压力传感器M还可以测量旋转马达中的旋转压力R。由进给马达 (未示出)以进给力向前驱动岩钻14，该进给马达通过从第二泵沈经由第二管观发出的进给流液压地驱动。进给管观中的压力为进给压力M，该进给压力M通过第二压力传感器 30测量的。控制单元16接收来自第二压力传感器30的信号，从而监测和记录第二管观中的压力。借助于进给装置13上的连接至控制系统16的位置传感器(未示出)确定岩钻的速度和位置。未钻孔期间的岩钻和滑座的速度在这里被称为进给速度。钻孔期间的岩钻和滑座的速度在这里被称为钻进速度。凭借岩钻内的冲击机构(未示出)，通过冲击机构撞击相对于钻头固定于钻杆15 的远端的转接器(未示出)，将冲击波传递至钻杆(钻钢)并且从钻杆传递至岩石。冲击机构通过冲击压力S(冲击波产生压力)来驱动。岩钻还包括阻尼器系统。钻杆15通过布置在阻尼器系统中的阻尼活塞(未示出)朝岩石进给。除使钻杆紧靠岩石的上述功能之外， 阻尼活塞还具有阻尼功能。图2更详细地示出了阻尼器系统。钻杆15通过布置在阻尼器系统中的阻尼活塞 34——此例中为流动阻尼器一一朝岩石进给。钻杆借助于阻尼活塞34经由套管37朝岩石进给，在这种连接关系中，阻尼器34撞击转接器35。在操作中，由可加压阻尼腔38中的液压决定的力经由阻尼活塞34和套管37传递至转接器35。上述力用于确保钻头始终保持紧靠岩石。阻尼活塞还布置成使得如果其相对于正常位置在钻孔方向上移位，例如移至新位置，比如如果钻头到达空腔、或者如果较硬的岩石类型变成较松散的岩石类型会是这种情况。在这种情况下，冲击活塞的撞击击走钻杆，在阻尼腔38中实现压力的减小。阻尼腔38中的液压为阻尼压力D，该阻尼压力D由未示出的第三压力传感器测量。 控制单元16接收来自第三压力传感器的信号，从而监测和记录阻尼压力。通过测量阻尼压力(或者，阻尼腔中的阻尼压力可以用在到阻尼腔38的压力进给管中或在该压力进给管处测量/确定的压力来表示)D，控制单元16可以确定钻头与岩石接触的程度和相对于正常位置的阻尼活塞的位置。利用阻尼腔38中的液压或到阻尼腔38的进给管中的液压作为用于调控作为阻尼压力和时间的函数的冲击压力的第一控制函数以实现良好的岩石接触。在未示出的另一个实施方式中，还可以使用包括两个阻尼腔的阻尼腔。图3示出这种调控的实施例。第一控制函数包括在阻尼压力降低时减小冲击压力——其导致钎尾被压向前并且导致岩石接触不良，以及在阻尼压力较高时和在认为岩石接触良好时增大冲击压力。因此，第一控制函数使得能够以受控制的方式在不同的阻尼压力水平之间转换。在控制系统中限定出用于阻尼压力D的多个限值阻尼压力基准值Dref，该阻尼压力基准值Dref相当于在仅允许较低的冲击压力Sl时允许的阻尼压力，以及第二阻尼压力D2，该第二阻尼压力D2相当于在允许较高的冲击压力S2时允许的阻尼压力。第一控制函数的基本原理是调控作为阻尼压力的函数的冲击压力。阻尼压力Dref例如可以包括这样的水平在该水平，冲击压力减小至开始钻孔的水平——开钻压力，以便在与岩石的接触丧失的情况下不会损坏装备，因为一旦与岩石的接触丧失冲击波脉冲就不能传递至岩石而是反过来反射回岩钻内。第二阻尼压力D2例如可以包括这样的压力在该压力，认为岩石接触良好，因此可以接受较高的冲击压力，因为由于冲击波脉冲因此可有效地传递， 使损坏装备的风险较低。 在这种情况下，冲击调控成使得在阻尼压力处于阻尼压力基准值Dref和高阻尼压力D2之间的区间中时，其可以保持正常钻孔压力S2。图3示出了冲击压力如何在开始钻孔时保持在开钻(开始钻孔)水平Sl并且只要阻尼压力低于高水平D2就一直持续。当在时间Tl，阻尼压力超过压力水平D2时，冲击压力增大至正常钻孔压力S2，之后只要阻尼压力不低于低阻尼压力水平——即不低于阻尼压力基准值Drefl，冲击压力就持续保持在正常钻孔压力S2。在稍后的时间T3处，阻尼压力基准值低于压力水平Drefl，于是冲击压力降低至开始钻孔的水平Sl。在这种情况下，减小按照阶跃函数发生，但是也可以在其它的实施方式中采用诸如比例函数或斜坡函数的其它的函数。以相同的方式，冲击压力根据诸如阶跃函数、比例函数或斜坡函数的不同函数增大。虽然通过上述第一控制函数进行调控，但是对于钻孔而言存在卡钻的风险。因此， 如图4所示，在控制系统中执行第二控制函数。卡钻意味着难以释出钎杆，使得钎杆不得不留在岩石中的钻孔中，这本身导致产出减少。如果不得不留下钎杆，那么除钎杆和钻头的成本加上与加载相关的困难之外，还会引发其它问题。还存在如下风险因为钻头包含可以使装备损坏的诸如碳化钨的较硬的材料，所以余留的钻头会干扰后续的继续钻孔或加工爆破的岩石——这时要将其破碎。通常，当岩钻要卡住时，因为需要更高的转矩以使钻头旋转， 所以到旋转马达的旋转压力R增大。在图4中，横轴描述旋转压力，纵轴描述进给压力。第二控制函数调控作为取决于旋转压力R的函数的进给压力。在这种情况下，进给马达/进给缸体的进给压力与进给力成正比。在控制系统中限定了多个旋转压力，诸如旋转压力的不同水平最小旋转压力Rl ； 旋转压力设定值R2 ；用于卡住之后的旋转压力限值R3，该旋转压力高于设定值R2 ；以及最大允许旋转压力R4。最小旋转压力Rl相当于在岩钻被启动但无加载时旋转马达的空转。 旋转压力设定值R2相当于针对不确定的岩石类型的假定旋转压力，该假定旋转压力相当于将钻杆上的螺纹连接件保持在一起的水平。最大允许旋转压力R4被限定为恰于将螺纹连接件拧得很紧以至于它们不能再松开的压力水平之前的压力。如果达到最大允许旋转压力R4，则控制系统启动抗卡钻函数。抗卡钻函数使岩钻反转直到旋转压力低于卡住之后的旋转压力R3。相当的进给压力是与卡住相关的进给压力Ml ；进给压力限值M2 ；以及与正常钻孔相关的进给压力设定值M3。在图4中，岩钻以空转旋转压力Rl开始，并且只要执行正常钻孔该旋转压力就一直持续，该旋转压力低于旋转压力设定值R2。在图中和在控制系统中，空转旋转压力Rl和旋转压力设定值R2之间的区间相当于与正常钻孔相关的进给压力M3。如上所述，如果由于任何原因岩钻开始卡住，则旋转压力增大。如果就此而言，旋转压力超过旋转压力设定值R2，控制系统设置成使进给压力减小到进给压力限值M2。在这种情况下，进给压力的减小与旋转压力成比例地发生。然而，进给压力的减小还可以依据其它数学函数关系发生。 用于进给压力限值M2的压力水平通常固定在正好克服摩擦力并且岩钻开始移动的水平。关于该水平，目的是为了使钻头的岩石接触稍微减少，从而降低岩钻卡住的风险和螺纹连接件被拧得太紧以至于不能将其松开的风险。如果尽管如此，旋转压力继续上升到最大允许旋转压力R4，控制系统将启动抗卡钻函数并且使进给压力降低到与卡住相关的进给压力M1，这通过使岩钻反转而实现，在该实施例中，抗卡钻函数示出为阶跃函数。当此时启动抗卡钻函数时，进给压力调控成使得钻机滑座回退直到旋转压力低于卡住之后的旋转压力R3。因此，进给压力M的负轴——包括Ml——相当于岩钻反转。有用于针对诸如表面钻机或坑道钻机的各种钻机类型根据旋转压力调控进给压力的函数的各种实施方式。例如，可以依据诸如比例调控函数、导数调控函数或积分调控函数的数学模型或一些其它现有技术调控函数进行调控。当上述第一控制函数和第二控制函数组合时，会出现以下情形控制系统读出增大的旋转压力R，其结果是当旋转压力已经增大到高于旋转压力设定值R2时，系统以第二控制函数使进给压力M减小。随着进给压力M减小，从而导致岩石接触劣化，于是阻尼压力 D减小，并且据此，控制系统以第一控制函数使冲击压力S减小。此情形具有如下结果减小的进给压力M必然有助于降低钻钢朝钻孔的侧面弯出的风险，但是如果钻头撞击不同岩石类型之间的分界面，因为在进给压力和冲击压力都在减小的同时进给压力和冲击压力之间的比值是恒定的，所以会有钻孔偏斜的风险。此情形的另一个结果是除非系统成功使钻孔变直，否则有以开钻冲击压力钻出孔的最后一部分的风险，这极大地降低了钻孔速度，进而降低了生产率。现在将参照图5更详细地描述本发明，作为根据本发明实施方式的冲击压力的调控的旨在增大钻孔速度和生产率的实施例。图5示出了根据旋转压力和阻尼压力调控冲击压力的方法。该方法与第一控制函数和第二控制函数协作执行。图示出三个曲线图，该三个曲线图表示作为共同的时间轴的函数的冲击压力S、阻尼压力D和旋转压力R。除在对图4的描述中提到的预先限定的旋转压力限值之外，控制系统还包含限定在用于旋转钻孔的极限位置Rl和R4之间的旋转压力基准值Rref。除在对图3的描述中限定的阻尼压力限值之外，还有第三阻尼压力限值， 即水平为所限定的第二阻尼压力基准值Dref2的另一个阻尼压力基准值Dref，该阻尼压力 Dref2低于第一阻尼压力基准值Drefl。因此，有两个不同的阻尼压力基准值Dref (Drefl， Dref2)。如上文在对图3的描述中提到的，控制系统中限定了两个水平的冲击压力与开钻相关的冲击压力Sl和与正常钻孔压力相关的冲击压力S2。此方法涉及确定的表示阻尼压力D的第一参数值P1。另外，确定表示钻头的旋转压力R的第二参数值P2。随后，确定上述第二参数值和旋转压力基准值Rref之间的偏差AR。接着，确定参数基准值，在这种情况下，为取决于上述偏差AR的阻尼压力基准值 Dref0因此，基于上述阻尼压力基准值Dref的函数G (Dref (AR))调控冲击压力。图5所示示例中的钻孔开始于时间T00，并且以用于开钻的冲击压力Si、阻尼压力基准值Drefl和旋转压力设定值R2开始。在TOO和T11之间的时间间隔中示出的时间内， 曲线图对应于依据图3中示出的在时间TO和Tl之间的第一控制函数进行的调控。该时间间隔对应于正常钻孔，这意味着旋转压力小于等于旋转压力设定值R2。在这种情况下，尚未满足根据本方法调控的条件。然而，如果旋转压力R增大成超过旋转压力设定值R2，则控制系统开始根据图4中示出的第二控制函数减小进给压力M。与此相关地，因为岩石接触劣化，所以这还引起阻尼压力D降低。如果旋转压力高于如图5中在时间T12处示出的旋转压力基准值Rref，那么启动所述方法的条件之一也满足。因此，控制系统基于以下方法调控冲击压力。控制系统确定表示阻尼压力D的第一参数值Pl和表示钻头的旋转压力R的第二参数值P2。控制系统接着确定上述第二参数值P2和旋转压力基准值Rref之间的偏差AR，然后根据上述偏差 Δ R确定将应用于阻尼压力基准值Dref的值。就此而言，如果旋转低于Rref，则阻尼压力基准值Dref设定为第一阻尼压力基准值Drefl的水平；或者，如果旋转高于Rref，则阻尼压力基准值Dref设定为第二阻尼压力基准值Dref2的水平。然后，基于上述偏差和第一参数值Pl的函数来调控冲击压力。在图5中示出的实施方式中，这意味着，当已经达到旋转压力基准值Rref时，与冲击压力的调控相关的条件改变，将阻尼压力基准值Dref的调控水平设定成用于第二阻尼压力基准值Dref2的水平，而不是相当于图3中描述的第一阻尼压力基准值Dref 1的先前的Dref的限制水平。这意味着，当旋转压力R例如由于钻机变得卡住而增大并且进给压力因此开始减小时，控制系统将使冲击压力保持在正常钻孔压力水平S2处，而不是使冲击压力降低到开钻压力Si。当旋转压力再次下降到低于旋转压力基准值Rref的水平(见图5 中的点T14)时，与冲击压力的调控相关的条件改变，用于阻尼压力基准值Dref的调控水平返回到相当于第一阻尼压力基准值Drefl的水平。图5还示出当钻头撞击空腔或具有松散岩石的部分使得阻尼压力减小而同时旋转压力不增大时，控制系统将如何根据具有第一阻尼压力基准值Drefl水平的阻尼压力基准值Dref来减小冲击压力(见图5中的时间T15)。冲击压力被调控成使得其反映出阻尼压力的变化。在时间T16，阻尼压力返回到较高的阻尼压力D2，并且冲击压力再次被调控以增大。冲击压力基本上被调控成使得其反映了上述旋转压力的变化。当旋转压力超过 Rref时，具有阻尼压力基准值Dref的阻尼压力调控水平在第一阻尼压力基准值Drefl的水平和第二阻尼压力基准值Dref2的水平之间转换。可以通过感测、监测、测量或计算连续地和/或以特定时间间隔地确定旋转压力。例如，可以如上所述或作为旋转压力和阻尼压力的函数来调控冲击压力，其中，上述函数包括以下函数之一或以下函数中的几个函数的组合与上述偏差和/或上述阻尼压力基准值相关的比例调控函数、导数调控函数、积分调控函数、或这些调控函数的组合。还可以借助于阻尼压力，旋转压力和冲击压力之间的数学关系和/或通过在预定的图表中对其进行查找来执行此方法。 冲击压力的增大还可以调控成保持每单位时间的冲击压力的增大低于阈值。在另一实施方式中，进给压力调控冲击压力。接着，第一参数值替代地表示进给压力。如果第一参数值比进给压力基准值Mref低，在这种情况下，限制冲击压力。在这种情况下，进给压力基准值设定为第一进给压力基准值Mrefl的水平或低于Mrefl的第二进给压力基准值Mref2的水平。以与上述方式相似的方式根据第二参数值P2和旋转压力基准值Rref之间的偏差AR按照函数H(Dref(AR))设定进给压力基准值Mref。如果旋转低于 Rref,则进给压力基准值设定为Mrefl。如果旋转高于Rref，则进给压力基准值重新设定为 Mref2。在又一实施方式中，当第一参数值Pl比参数基准值低时，与开钻冲击压力相关地调控冲击压力，该参数基准值为下列基准值中的一个阻尼压力基准值、进给压力基准值。如果第一参数值表示阻尼压力并且比阻尼系统的空转压力低，也限制冲击压力。在又一实施方式中，当第一参数值比参数基准值高时，与最大冲击压力相关地调控冲击压力，该参数基准值为下列基准值中的一个阻尼压力基准值、进给压力基准值，并且第二参数值高于旋转压力基准值。当然，可以根据诸如阶跃函数、比例函数或斜坡函数之类的不同函数(在这里未全部示出)增大和减小冲击压力。在另一实施方式中，允许冲击压力S比正常钻孔压力S2高，这具有如下优点例如，在被钻的岩石中散步有硬得多的岩石层的情况下使钻孔更容易。图6示出了作为用于在第一参数是旋转压力时根据图5调控冲击压力的控制系统 (16)的细节的配置100。该配置包括第一设备110，信号从测量旋转压力的第一压力传感器24施加于第一设备110。第一设备110设置用以确定表示旋转压力R的第二参数值P2。该配置还包括第二设备120，信号从测量阻尼压力的第三压力传感器施加于第二设备120。第二设备120设置用以确定表示阻尼压力D的第一参数值Pl。第二参数值和旋转压力基准值Rref施加于第三设备130，该第三设备130设置用以确定第二参数值R2和旋转压力基准值Rref之间的偏差AR。该偏差AR施加于第四设备140，该第四设备140设置用以根据上述偏差确定阻尼压力基准值Dref。接着，将阻尼压力基准值Dref和第一参数值Pl施加于第五设备150， 该第五设备150设置用以基于上述阻尼压力基准值和第一参数值Pl的函数来调控冲击压力S。图7示出了具有用于旋转压力、冲击压力和阻尼压力中的每一个的压力计的用于根据图5调控冲击压力的显示器200的实施例。开钻压力在区域230中。正常钻孔期，即， 当旋转压力和阻尼压力在压力计中的由基准值210、260表示的区域中时。这意味着旋转压力低于旋转压力设定值R2，并且阻尼压力高于阻尼压力基准水平Dref2。在这种情况下，本发明将不影响系统。在旋转压力从以210表示的区域增大到以220表示的区域的条件下，控制系统开始了以第二控制函数减小进给压力。这导致随着岩石接触不再良好阻尼压力降低。以根据本发明的方法，阻尼压力基准值现在重新设定为Dref2，并且冲击压力可以保持在正常钻孔压力S2，即240处。在图中，Drefl对应于由260表示的区域的最大水平，第二阻尼压力基准水平Dref2对应于由250表示的区域的最大水平。本发明不限制于示出的实施方式。当然，本领域技术人员可以以在由权利要求限定的本发明的框架内以多种方式修改本发明。
权利要求
1.一种用于当用岩钻(14)在岩石中钻孔时控制至少一个钻进参数的方法，包括脉冲产生设备，所述脉冲产生设备设置用以在工具(18)中引发冲击波，所述工具(18)以由冲击压力产生的冲击力作用在岩石上；旋转产生设备，所述旋转产生设备设置用以通过由旋转压力产生的旋转将转矩供给至冲击设备；以及可加压的阻尼腔(38)，所述阻尼腔(38)设置用以通过所述阻尼腔中的阻尼压力至少部分地调控所述岩钻与岩石的接触，其特征在于确定第一参数值(Pl)，所述第一参数值(Pl)表示以下压力中的一个所述阻尼压力 (D)、实现所述岩钻的向前进给的进给压力(M)，确定表示钻头的旋转压力(R)的第二参数值(P2)，确定上述第二参数值与旋转压力基准值(Rref)之间的偏差(AR)，根据上述偏差确定用于所述第一参数值(Pl)的参数基准值，其中，如果所述第一参数值为所述阻尼压力，则所述参数基准值为阻尼压力基准值(Dref，Drefl, Dref2)，如果所述第一参数值为所述进给压力，则所述参数基准值为进给压力基准值(Mref，Mrefl，Mref2)，基于上述第一参数值(Pl)和上述参数基准值的函数来调控所述冲击压力(S)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过感测、监测、测量或计算连续地和/或以特定时间间隔地确定所述旋转压力(R)。
3.根据权利要求1或2中所述的方法，其中，上述函数包括以下函数之一或以下函数中的多个的组合与上述偏差(AR)和/或上述参数基准值(Dref，Dref2, Mref, Mrefl, Mref2)相关的比例调控函数、导数调控函数、积分调控函数、或者所述比例调控函数、导数调控函数和积分调控函数的组合。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，借助于所述阻尼压力、所述旋转压力和所述冲击压力之间的数学关系和/或通过在预定的图表中对其进行查找来实施所述调控。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，借助于所述进给压力、所述旋转压力和所述冲击压力之间的数学关系和/或通过在预定的图表中对其进行查找来实施所述调控。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，还包括以下步骤当所述第一参数值(Pl)小于所述参数基准值(Dref，Mref)时，与开钻压力(Si)相关地调控所述冲击压力。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，还包括以下步骤当所述第二参数值(P》大于所述旋转压力基准值(Rref)、并且所述第一参数值(Pl) 大于设定为第二阻尼压力基准值(Dref2，Mref2)的所述参数基准值(Dref，Mref)时，与正常钻孔压力(S》相关地调控所述冲击压力(S)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括上述冲击压力的增大被调控成使得每单位时间的所述冲击压力的增大保持低于阈值。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中，所述旋转产生设备包括旋转马达，并且所述第二参数值为基于一段时间间隔内的所述钻头的旋转的旋转平均值。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括上述脉冲产生设备能够由进给压力(M)调控地沿着进给装置(1 向前和向后运动，并且根据所述旋转压力(R)来调控上述进给压力。
11.一种用于当用岩钻(14)在岩石中钻孔时控制至少一个钻进参数的配置，包括脉冲产生设备，所述脉冲产生设备设置用以在工具(18)中引发冲击波，所述工具(18)以由冲击压力产生的冲击力作用在岩石上；旋转产生设备，所述旋转产生设备设置用以通过由旋转压力产生的旋转将转矩供给至冲击设备；以及可加压的阻尼腔(38)，所述阻尼腔(38)设置用以通过所述阻尼腔中的阻尼压力至少部分地调控所述岩钻与岩石的接触，其中，根据上述阻尼腔中的压力来调控所述冲击压力，并且设置有控制系统(16)以控制所述岩钻的运动，其特征在于，所述配置包括设置用于实施根据权利要求1至10中任一项所述的方法的设备。
12.—种计算机化的控制系统，所述计算机化的控制系统包括实施根据权利要求1至 10中任一方法所述的在岩石中钻孔时控制至少一个钻进参数的方法的装置。
13.—种能够直接下载到计算机的内部存储器中的计算机程序，所述计算机程序包括用于控制根据权利要求1至10中任一方法所述的方法的程序代码。
14.一种具有下载到其上的计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序设计用于使计算机执行根据权利要求1至10中的任一项中的方法的步骤。
15.一种钻机(10)，所述钻机(10)包括根据权利要求12的计算机化的控制系统。
全文摘要
用于当用岩钻在岩石中钻孔时控制至少一个钻进参数的配置和方法，包括设置用以在工具中引发冲击波的脉冲产生设备，工具以由冲击波产生压力所产生的冲击力作用在岩石上。该配置还包括旋转产生设备，其设置用以通过由旋转压力产生的旋转将转矩供给至冲击设备；以及可加压阻尼腔，其设置用以通过其中的主导压力至少部分地调控岩钻与岩石的接触，其中，根据旋转压力调控冲击波产生压力。该配置包括控制系统，其设置用以确定表示阻尼压力或进给压力的第一参数值；确定表示钻头的旋转压力的第二参数值；确定上述第二参数值与旋转压力基准值之间的偏差，根据上述偏差确定参数基准值，并基于上述偏差与上述参数基准值的函数来调控冲击压力。
文档编号E21B44/04GK102171411SQ200980138938
公开日2011年8月31日 申请日期2009年10月9日 优先权日2008年10月10日
发明者乔纳斯·辛纳斯塔德, 马库斯·洛伊厄, 马格纳斯·奥尔松 申请人:阿特拉斯·科普柯凿岩设备有限公司