专利名称:最佳钻岩方法
本项发明涉及冲击钻孔，特别是岩石钻孔的一种最佳方法。在这方法中，为获得予期的钻孔效果，可以调整钻孔装置的运行。
在标准的工作环境中，目的是使钻孔的穿透率尽可能高。而这受能量消耗，装置的耐疲劳性等因素的限制，冲击力，旋转速率或效率，输入功率等变量或不同变量的组合可做为受控变量来使用。
由于受控变量很多，选择钻机的正确工作点是困难的。最常用的方法是根据钻探工的经验并采纳钻机制造者的建议。在工作中，钻机的运行情况只能由耳听目睹的方式来监视，从而对一个有经验的钻探工来说相对较精确地选择工作点是可能的。但是，这种非常重要的听觉的使用往往受外界噪音的限制。这种情况出现在使用钻车，即带有几个悬臂的钻机装置的时候。
钻机的运行很明显地受到输入功率的影响。而这种输入功率的变数经常是由钻工来调整，冲击和旋转的控制通常是恒定的，即，使用由装置制造者或管理部门推荐的数值。
已知的另一个方法，包括在穿透率测量的基础上进行调整，这种穿透率是由交替调整冲击，旋转和输入功率的值来产生一个最大值。在上述方法中，仅调整输入功率也可以，这种调整方法通常只用于非冲击钻机。
在先有技术中的方法中，美国第4165789号书中所公开的方法可以提一提。在这种已知的方法中，调整只是建立在对穿透力的测量上的。
在第3550697号美国书中公开的方法可以做为另一个已知的特殊方法而被提及。在这个方法中，调整建立在测到的钻机的转矩上，旋转速率，输入功率和转矩根据所测转矩来调整。
上述两个方法的缺点是，它们的复杂性即，使用性能并不是最优秀的。
本发明的目标是提供一个最佳的钻岩方法，这个方法避免了以前所知的方法的弱点。它的特点是测量由于一次冲击在钻杆中产生的应力波，并且钻机装置是根据所测应力波来进行调整的。
在本申请的说明书部分和权项中，一个应力波表示一次冲击所造成的钻杆的应力状态的变化。按照本发明，调整可以在由一次或多次的冲击所产生的一个应力波的基础上进行。
本发明的一个主要的优点是它的简易性和通用性。根据这种方法，可以很容易地使钻探过程自动化。另一方面，这个方法也可以做为利于钻工手动调节的辅助方法来应用。
下面将根据一些有益的实例来详细地叙述本发明，这些实例在附图中绘出图1和图2绘出了一个应力波如何在输入功率改变的情况下变化的例子。
图3至图6绘出了一个应力波的波谱如何随输入功率的变化而变化的一个基本的例子。
图7绘出了一个基于波谱分析并应用本发明的方法的调整装置的方框图。
图8是一个应力波的初始部分的典型波形的范例。
图9是一个基于应力波波形分析的自动调整装置的方框图。
图10是一个基于应力波波形分析的钻工辅助设备的方框图。
本项发明是根据冲击钻机的一个特征，即钻机在冲击时，钻杆中产生一个应力脉冲，此脉冲沿着钻杆行至钻杆顶点，引起所钻岩石的一次冲击。由于能量不能全被利用，上述一部分应力脉冲向后反射，这样，应力脉冲和反射的脉冲形成一个应力波。
本项发明的一个基本特点，是对在钻杆中产生的应力波进行测量，而且受控变量是在所测应力波的波形和/或其不同部分的强度与用实验法和/或统计法获得的应力波的正常波形和正常值的区别的基础上进行调整的。上述应力波可以用几个不同的方法来测定，例如用电的方法，磁的方法，光学的方法或其它一些这样的已知的方法。例如，所测应力波可以与实验法和/或统计法确定的正常波形来比较，钻机装置可以根据所测波形与正常波形的偏差进行调正。
根据本发明的方法，应力波可以从钻杆的几个点上进行测量，例如，从两点上。从不止一点进行测量有其有利之处，应力波可以按照运动的方向被分成若干分量，一个分量向被钻的岩石方向运动、另一分量则从岩石上反射回来。用这种方法，可以获得比在一点上测量更多的有关钻探过程的信息，从几点测量，在钻杆短或测量点接近杆端的情况下，特别有其优越性。
受控变量的调整可通过输出或反射波分量的强度，波的表面积所确定的能量值，脉冲的上升或下降速率，波的阻尼率等方式来进行。这样可以发现所测波的值对不同受控变量的影响，并且装置可以由微处理机或其它类似的装置来调整。例如，在所确定值的基础上，用微处理机来调整钻机装置的操作方式，使得所测波尽可能符合理想波。随着钻探条件的不同，按照发明的方法可以使钻机装置的运行几乎始终处于最佳状态。因为原则上说它能够对一次有偏差值的冲击后面紧跟的那次冲击进行校正。
为了阐明本发明，根据发明的方法的三个不同的实施方案，将在下面进行叙述。调整可以按照这些实施方案来完成。
第一个实施方案，基于利用应力波的阻尼率上，正如上面已经指出的。每个对准钻杆的冲击在杆内引起一个应力脉冲。这个脉冲轮流从杆的两端反射回来，形成一个渐阻尼应力波。阻尼率可以根据分析钻杆的应力波的包络来获得，如果推动钻机和钻杆进入岩石的功率增加，应力波的阻尼率就较高。图1和图2显示了当输入功率改变时包络线如何进行变化的一个例子。图1表示当输入功率高时的情况，而图2相应地表示当输入功率低时的情况。
在反射脉冲的振幅低于某一参考值时，或根据振幅低于参考值前的一部分反射脉冲，可以确定阻尼率。参考值可以是固定的，或者是第一次脉冲的振幅的一定百分比。
另一个实施方案，是基于应力波的波谱的。很明显，如果钻机装置的工作值影响应力波的波形，那么它自然也影响应力波的波谱。
图3至图6是四个不同的应力波的波谱。在图3的情况中，输入压力为90巴。在图4中，输入压力为80巴。在图5中，输入压力为60巴。在图6中，输入压力为40巴。从图中可以看到过量输入功率的情况引起机器冲击频率的波谱上形成一个特殊峰值。这个特殊峰值点在图3中用标记IT来表示。在输入功率不足的情况下、相应地钻杆谐振频率点引起一个峰值。在图5中用标记RT来表示。当输入功率适当时，波谱相对稳定正如图4中所示的波谱那样。
就钻机装置的调整来说，没必要全面地测量波谱。波谱中我们所最关心的部分是钻机的冲击频率和谐振频率，或钻杆的频率。输入功率的调整可以根据所说的频率分量进行。然而很明显也可以使用钻杆的谐振频率的谐频或冲击频率。
正如图解所示和上述所叙述的，我们所感兴趣的频率分量只几个，例如上面提到的两个。而且我们所感兴趣的频率分量的频率是以前被认识的，所以波谱分析可以简单地通过一些带通滤波器进行。图7用图解法绘出了该调整装置的主要特点的一个方框图。在这个方框图中，一个应力检测器由参考号码1来表示。一个前置放大器和一个放大器分别由参考号码2和3来表示。带通滤波器由参考号码4～7表示。滤波器4让冲击频率通过;滤波器5让钻杆的谐振频率通过。滤波器5可以有不止一个，例如，每一个理想的谐振频率有一个。滤波器6和7是为所说的谐频的，并且也可以有几个这样的滤波器。装置的调整逻辑通常由参考号码8来表示。向装置中馈入关于其它测量或预定受控变量的信息，例如工作频率，穿透率等，这种输入通常由箭头N表示。调整数据的输出，由箭头M来表示。
由一次冲击产生的应力波波形的分析可以作为此方法的应用的第三个例子。图8大体上表示振颤活塞的一次冲击在钻杆中引起的一个应力波初始部分的典型形状。图中所示的A部分表示向岩石方向运动的一个脉冲或一个波分量;B部分相应地表示由岩石返回的一个脉冲或一个波分量。用某些点的幅度或者用波形与零振幅之间保留的表面积的方法也能够解释图8的波形。例如，最大值和最小值P1、P2、P3、P4各点能用来做为脉冲的特征点，这些点的幅度能够被利用。在调整中，可以采用以上所说的这些数值或它们的一定的比例等等，在调整过程中所用的表面面积可以由应力波或它的不同部分的表面积所组成，例如A1，A，A3等等，同样可能利用所说的表面积的一定的比例。依据以上所提到的数据，能够计算出该应力波的能量，传递到岩石的能量以及从岩石中反射回来的能量等等。调整可以在所计算出的能量值的基础上进行。
图9是一个自动调节装置的主要特点的方框图。装置的操作是在对应力波波形的分析的基础上进行的。图中标号11表示一个应力检测试器。标号12和13分别表示一个前置放大器和一个放大器。后面的标号14表示所谓的混淆滤波器(alias filter)。标号15是一个模拟/数字转换器。标号16表示一个信息处理器，它处理从应力检测器(11)获得的信号。箭头N表示的是从其它地方获得的测量值的输入，它同图7的方式是相应的。同样地箭头M表示调整数据的输出。很显然，可以有几个测量应力波的通道，为了清楚的缘故，图9只画了一个。
如果愿意的话，应力波波形的分析和解释，同样能够留给钻工。如果这样，自然必须提供一个与其相适应合的显示装置。图10表示的就是这样的装置的主要特征的方框图。在这个方框图中，标号22和23表示一个应力波检测器。标号24表示一个延迟电路，它对于所说的显示装置(25)的操作是需要的。当然，给显示装置(25)输入一个合适的同步脉冲也是必要的。所说的装置的基本部分是附加图的一个存储装置。从这里钻工可根据任何特殊情况选出一张参考图，再用这张参考图同从显示装置中获得的脉冲波形相比较。通过比较这两张图和调整受控变量，钻工对在显示装置上所显示的图进行调整，以便使它尽可能与参考图一致。一张合适的参考图是根据钻孔机械，岩石及其它类似物来进行选择的。当在几个点上进行测量的时候，也可以使用本实施方案。为了在显示装置的屏幕上获得一个合适的波形而预先处理信息是必要的。为了清楚起见，在图10中只画出了一个测量点，如果有必要的话，还可以更多一些。
上面的描述并不打算限制本发明，本发明能用各种方式在权项范围内进行修正。因此，应用本发明方法的装置，自然不需要完全与图中的一样，其它的解决办法也可采用。装置的部件也可以用其它任何所知道的部件。
权利要求
1.一种最佳的冲击钻孔，特别是岩石钻孔的方法，在该方法中，为获得预想的钻孔结果，可以调整钻孔装置的运行，其特征是测量由于一次冲击而在钻杆内产生的应力波，并且根据所测量的应力波来调整钻孔装置。
2.按照权利1的方法，其特征在于从钻杆的至少二点上测量应力波，并且，所测应力波被分解成输出波分量和反射波分量。
3.按照权项1或2的方法，其特征在于根据所测应力波的阻尼率来调整钻孔装置。
4.按照权项1或2的方法，其特征在于钻孔装置是根据所测应力波的波谱来进行调整的。
5.根据权项4的方法，其特征在于调整是由观测应力波的波谱中的钻孔机械的冲击频率点(IT)和钻杆中的谐振频率点(RT)来进行的。
6.按照权项1或2的方法，其特征在于钻孔装置是通过应力波上的一定的点(P1，P2，P3，P4，)的幅度和/或幅度的一定比例来调整的。
7.按照权项1或2的方法，其特征在于钻孔装置是通过所测应力波的不同部分的表面积(A1，A2，A3，A4，)和/或它们的一定的比例进行调整的。
8.按照权项1或2的方法，其特征在于钻孔装置是通过所测应力波的不同部分所含的能量和/或能量的一定的比例来进行调整的。
9.按照权项1或2的方法，其特征在于调整是通过将所测应力波的波形同预定的标准波形之间进行比较来执行的。
10.按照权项3-8中的任何一个方法，其特征在于调整是根据所测应力波的一个或更多的变量数值与每个变量的预定标准数值的差别进行的。
11.按照权项3-6中的任何一个的方法，其特征在于调整是根据所测应力波的波形和用实验的和/或统计的方法获得的标准波形的区别来进行的。
12.按照前面的权项中的任何一个的方法，其特征在于所使用的受控变量，是冲击力，旋转速度，旋转效率或输入功率，二个或更多的上述变量的组合。
专利摘要
这是一个最佳冲击钻孔的方法，特别适于岩石钻孔。在这个方法中，为获得所期望的钻孔结果可以调整钻孔装置。根据本发明，测量由一次冲击在钻杆中所产生的应力波，并根据所测应力波调整钻孔装置。调整是借助于所测应力波的阻尼率或波谱或波形和/或应力波的不同部分所含能量来进行的。
文档编号E21B1/00GK85104307SQ85104307
公开日1986年12月3日 申请日期1985年6月7日
发明者维萨·尤托, 帕西·朱尔卡南, 帕西·拉特瓦-帕基拉·朱尔瓦兰克, 蒂莫·基卡 申请人:芬兰欧伊坦佩尔拉Ab公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan