用于在进行的钻进过程期间优化钻进参数的方法和系统与流程

本发明涉及冲击式岩石钻进，并且更具体地涉及用于在进行的钻进过程期间优化至少一个钻进参数的方法。本发明还涉及一种实现根据本发明的方法的系统，以及包括这种系统的岩石钻机。

背景技术：

1、岩石钻机可以用于许多应用领域。例如，岩石钻机可以用于开挖隧道、露天采矿、地下采矿、岩石加固、天井钻进，并且可以用于例如钻爆破孔、灌浆孔、用于安装岩石锚杆的孔、水井和其他井、打桩和地基钻进等。因此，岩石钻机具有广泛的用途。

2、岩石的实际破碎通常由接触岩石的钻头执行，其中，钻头通常借助于钻柱连接至钻进机器。钻进可以以各种方式完成，并且例如可以是冲击式的，其中，例如，钻进机器的冲击元件——例如呈冲击活塞的形式——经常通过撞击将钻头连接至钻进机器的钻柱而反复地撞击钻头，以将呈冲击波、即呈应力波的形式的冲击脉冲传递至钻头并且进一步传递到岩石中。冲击钻进可以与旋转结合以便获得下述钻进：在这种钻进中，钻头的球齿、镶齿在每次冲程中撞击新岩石，从而提高钻进的效率。

3、钻头可以在钻进期间借助于进给力压靠岩石，以确保尽可能多的撞击能量从冲击装置传送至岩石。

4、为了获得有效的冲击钻进过程，重要的是设定各种钻进参数，使得以允许由冲击元件感应到的进入钻柱中的冲击波能量尽可能多地传递到岩石中以用于使岩石破碎的方式进行冲击钻进。以这种方式，可以获得岩石的有效破碎。在由冲击元件的撞击传送太低的冲击波能量的情况下，这可能对钻进的生产率具有负面影响。此外，在冲击波能量相对于钻柱压靠岩石所借助的力太低以及/或者太低而不能使岩石破碎的情况下，也可能发生有害的反射。当冲击波包含与使岩石破碎所需的能量相比更多的能量时，情况也是如此。

5、在钻头没有牢固地压靠岩石的情况下，能量可能被反射至不期望的程度并且返回至钻进机器以潜在地导致过度磨损或损坏。如果钻柱的接头没有充分拧紧，则情况也是如此。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种能够在进行的钻进过程期间优化至少一个钻进参数的方法和系统。

2、根据本发明，提供了一种用于在进行的钻进过程期间优化至少一个钻进参数的方法。钻进由冲击钻进机器执行。钻进机器被设定成在操作点处进行钻进，其中，钻进的操作点通过设定多个控制参数来确定。

3、该方法包括确定待钻进的第一多个钻进机器操作点，操作点由所述多个控制参数设定。此外，在所述第一多个操作点中的每个操作点处执行冲击钻进，并且评估用于多个操作点中的每个操作点的至少一个最终钻进参数。该方法还包括基于所述评估确定待钻进的新的多个钻进机器操作点，并且随后钻进新的多个钻进机器操作点。

4、关于术语“优化”、“优化的”等，应当理解的是，钻进的优化是找到比当前进行钻进位置处的操作点更好的操作点。因此，根据本发明的优化是从最终钻进参数、比如说钻进速率的角度来看，寻找比当前操作点更好的操作点。

5、关于岩石钻进，通常存在对于有效钻进的要求，其中，效率通常以生产率来测量，并且其中，钻进速率、即，进行钻进的位置处的每单位时间的单位距离可以形成这种生产率的测量。然而，尽管高生产率是期望的，但也必须确保以不会不必要地使钻机经受可以导致损坏的过度磨损的方式进行钻进。钻机通常是手动操作的，并且这在钻进结果方面给操作者带来了很大责任。没有经验的钻探者可能导致无效钻进，从而导致产量低下，同时使钻机经受过度磨损。另一方面，有经验的钻探者可以以获得高生产率的方式控制钻进，同时仍然在磨损方面防护钻机。钻机也可以被自动控制，在自动控制中，自动操作将在很大程度上依赖于使用控制参数设定进行的钻进，控制参数设定最初源自由有经验的钻探者所做的设定或者根据经验已经被认为提供了有效钻进。

6、关于生产率和磨损，通常情况下，当包含尽可能多的能量的冲击波通过钻柱传送至正被钻进的岩石而没有大部分的冲击波能量被反射回至钻进机器时，可以获得有效钻进。另一个重要因素是，钻柱的通常带螺纹的接头保持牢固地拧紧，因为否则会发生进一步的反射，并且进一步的反射使钻进劣化。松动接头还产生热，这既是能量的损失并且本身也可能对钻柱部件有害。

7、根据本发明，由不太理想的钻进引起的问题可以通过系统和方法来减轻，在该系统和方法中，确定第一多个钻进机器操作点，其中，钻进机器被设定成在这些操作点处连续地执行钻进，并且其中，钻进机器被设定成通过设定对钻进进行控制的多个控制参数来在特定操作点处操作。这些控制参数可以根据所使用的钻进技术的类型而不同，并且可以关于液压驱动的钻进过程包括以下各者中的至少两者：冲击压力的表示、进给压力的表示、钻柱的旋转速度的表示、用于将钻进残留物从正被钻进的孔中冲洗出来的冲洗流量的表示。也可以利用液压流的表示来代替上述压力的表示中的一个或更多个表示或作为上述压力的表示中的一个或更多个表示。

8、在钻进过程是气动驱动的或由电气装置驱动的情况下，利用对应的控制参数来将钻进机器设定成在特定操作点处操作。

9、根据本发明，在所确定的多个操作点中的每个操作处执行钻进，并且针对多个操作点中的每个操作点评估至少一个最终钻进参数、即，评估作为钻进的结果的参数。然后，基于该评估确定新的多个操作点，其中，新的多个操作点可以基于被认为表现出正在钻进的操作点的最佳钻进结果、即，关于被评估的至少一个得到的钻进参数的最佳结果的已钻进的操作点来选定。然后，钻进新的多个钻进机器操作点，并且可以进行新的评估，在此基础上，可以基于当前被认为是最佳的操作点来确定另一组新的操作点。评估所依据的最终钻进参数可以例如是钻进速率，其中，钻进速率越高，钻进可以被认为越理想，但也可以包括如下所述的其他或另外的钻进参数。

10、在钻进期间，可以相对于对其执行评估的至少一个最终钻进参数连续地确定和评估操作点，并且可以基于目前被认为是最佳的操作点连续地选定新的操作点的组。当确定待钻进的多个操作点时，至少一个控制参数的值可以增大和/或减小。

11、因此，钻进可以经受不断进行的优化，至少直到不再能够识别出比已经评估的操作点更佳的操作点为止，在这种情况下，钻进可以被设定成在该操作点处操作。根据本发明的实施方式，在钻进期间持续进行优化。

12、以这种方式，钻机可以被自动布置成以最佳操作点将基本上独立于控制参数的起始值来识别的方式来对钻进进行控制，因为根据本发明的优化将努力实现越来越理想的钻进，其中，优化是在进行钻进时执行的。这意味着，当钻机例如由没有经验的钻机操作员控制时，没有经验的钻机操作员可能将钻机设定成以不利的设定进行钻进，根据本发明的控制可以通过根据本发明对设定进行优化而在很大程度上减轻钻机操作员的经验不足。本发明在自动钻进中也是有用的，在自动钻进中，自动钻进可以被优化，并且在有经验的钻机操作员控制钻进的情况下也是如此，因为根据本发明，可以连续地执行评估以进一步优化钻进。

13、根据本发明的实施方式，每个操作点可以在切换至待钻进的随后的操作点之前，由钻进机器的冲击元件钻进预先确定的时间段、例如间隔1秒至10秒和/或预先确定次数的撞击、例如50次撞击至300次撞击。以这种方式，钻进可以进行足够长的时间，以允许对操作点进行适当评估，同时钻进不进行太长时间，以备在其他操作点处钻进将更有利。

14、根据本发明的实施方式，该方法还包括在评估已钻进的多个操作点时，评估用于多个操作点中的每个操作点的多个最终钻进参数。如所提及的，钻进速率通常是重要因素，并且钻进速率通常要被最大化。然而，如以上所讨论的，可能出现对于钻机有危害以及可以对于钻机有潜在危害的情况。这包括冲击元件的撞击引起松动接头的情况，以及/或者在钻柱相对于由冲击元件传递至钻柱的能量被太紧地压靠于岩石时发生撞击的情况，以及/或者在钻柱与岩石接触差或不存在接触时发生撞击的情况。因此，根据本发明的实施方式，当评估正被钻进的操作点时，可以考虑其他参数、特别是作为控制参数的当前设定的结果的参数。这种最终钻进参数也可以对结果造成惩罚，并且由此这种最终钻进参数可以使表现出高钻进速率的操作点不如表现出较低钻进速率的操作点理想，但也受到较少惩罚。可以考虑到的参数的另一示例是钻机的能量消耗，其中，钻进速率例如相同但能量消耗较低的钻机的操作点通常相对于具有相同钻进速率但能量消耗较高的操作点更佳。

15、根据本发明的实施方式，在评估中为多个钻进参数分配不同的权重和/或优先级。以这种方式，最重要的钻进参数、比如钻进速率可以被给予比例如能量消耗更高的优先级。优先级还可以被给予可能对结果造成惩罚的钻进参数，其中，例如表现出例如高钻进速率的操作点可以被认为不在惩罚高的情况下使用。

16、根据本发明的实施方式，该方法还包括在确定新的多个钻进机器操作点时：从已经钻进的多个钻进机器操作点中的被认为是已钻进的多个操作点的最佳操作点的钻进机器操作点开始选定新的多个操作点。以这种方式，可以通过找到越来越佳的操作点来持续改进钻进，由此钻进朝向最佳收敛。

17、根据本发明的实施方式，至少只要识别出更佳的钻进机器操作点，就继续进行优化。在钻进不能进一步优化的情况下，钻进可以布置成使用已被认为是最佳的操作点进行。

18、根据本发明的实施方式，当已经找到被认为是最佳的点时，可以选定其中控制参数以不同程度变化的其他操作点。这可以被执行以确定已经定位的最佳仅是局部最佳还是考虑到使用钻机的钻进在最大值和最小值等方面经受的约束的更一般最佳。

19、根据本发明的实施方式，在对已钻进的多个操作点的评估没有识别出相对于从中确定已钻进的多个操作点的操作点而言更佳操作点的情况下，可以从先前已钻进的操作点确定待钻进的另外的多个操作点中的至少一个操作点。根据本发明的实施方式，在这种情况下，操作点也可以从还没有形成用于确定新的一组操作点的基础的先前已钻进的操作点中确定。例如，可能存在下述操作点：该操作点已经表现出与已经用于确定待钻进的其他操作点的操作点基本相同的结果，并且因此可以利用该操作点来生成待钻进的新的操作点。

20、根据本发明的实施方式，可以在正钻进操作点的同时评估钻进机器操作点，并且可以确定在完成预先确定次数的冲击和/或钻进时间段之前是否要中止在被评估的操作点处的钻进。例如，可以确定在操作点处的钻进是否引起比如根据上述的有害反射和/或松动接头以及/或者钻头被卡住的惩罚，在这种情况下，在操作点处的钻进可以中止，并且替代地切换为钻进先前已钻进的操作点或者随后待钻进的操作点。

21、根据本发明的实施方式，可以通过测量由入射应力波所导致的反射应力波来确定至少一个得到的钻进参数、比如反射或松动接头，入射应力波由钻进机器的撞击装置在钻机的钻柱上的至少一次冲击式撞击生产。

22、关于至少一个钻进参数的结果可以被布置成由冲击活塞对每个冲程进行估计，其中，冲击波的长度可以在200μs的量级，并且以例如5000m/s的速度行进穿过钻钢。根据所使用的特定钻进机器，冲击活塞的冲击通常以30hz至120hz的冲击频率发生。

23、可以使用可以与钻柱接触的传感器，或者下述传感器：该传感器使用紧邻钻柱布置的传感器来对钻柱中的应力波执行非接触测量。这种非接触式传感器可以例如根据基于响应于在钻柱中行进的应力波而测量钻柱的磁化变化的原理来操作。各种不同的合适的传感器或这种类型的传感器组合对于岩石钻进领域的技术人员是已知的，并且因此在此不在本文中详细讨论。

24、还可以设想的是，可以在钻进期间收集比如冲击波和控制参数值以及最终钻进参数的数据，使得有害冲击波可以与特定参数值相关联。然后，这种数据可以在不实际使用冲击波传感器的情况下，用于识别潜在有害反射。

25、根据本发明的实施方式，该方法还包括当要在特定操作点处执行钻进时，确定当在特定操作点处钻进时要使用的控制参数设定，以及在特定操作点处执行钻进之前将钻进控制参数设定成确定的控制参数设定。

26、根据本发明的实施方式，在产生新的多个操作点之前，可以确定操作点之间的控制参数值的差异是增大还是减小。例如，在刚刚已经被钻进的多个操作点中的操作点在评估中表现出类似结果的情况下，用于随后的多个操作点的控制参数值的差异可以增大，以允许更快地检测可能比当前操作点更佳的操作点。相反，在获得的结果存在很大变化的情况下，以及也在钻进似乎接近最佳点的情况下，差异可以减小。

27、根据本发明的实施方式，当开始钻进时，要钻进的操作点从其开始的初始操作点可以被确定为先前在早期钻进时段被用作最佳操作点的操作点或根据经验确定的操作点或操作者启动的操作点。初始操作点也可以例如被选定为先前的操作点，该先前的操作点已经被发现是在类似位置处以类似深度钻进另一孔时的最佳点，该最佳点例如可以使用钻机的任何合适的定位方法来确定。

28、根据本发明的实施方式，该方法还包括通过在保持高钻进速率的同时使至少一个钻进参数、比如钻进速率最大化和/或使至少一个钻进参数、比如功率消耗最小化来优化钻进。此外，也可以使导致有害反射的撞击最小化。

29、根据本发明的实施方式，该方法还包括在确定待钻进的随后的多个操作点时遵守至少一个钻进参数的最大限制和/或最小限制，以避免由于超过限制和使用钻机在此处不被设计成进行操作的操作点而使钻机经受伤害。

30、将理解的是，关于本发明的方法方面描述的实施方式也都能够适用于本发明的系统方面。即，该系统可以被配置成执行如上所描述的实施方式中的任何一个中所定义的方法。此外，该方法可以是例如可以在钻机的一个或更多个控制单元中实现的计算机实现的方法。

31、在下面阐述的示例性实施方式的详细描述和附图中指示了本发明的另外的特征及其优点。