Способ управляемого бурения при помощи бурильного молотка и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к способу управляемого бурения при помощи бурильного молотка, в соответствии с которым производят при помощи датчика давления измерение давления в пространстве позади поршней, поддерживающих хвостовик. Данные измерения давления используют для текущего контроля отраженного обратного импульса, который поступает от горной породы назад к буровому долоту и далее через бурильную машину к поршням, причем обратный импульс заставляет поршни смещаться назад, в результате чего давление в пространстве позади поршней увеличивается. Это приводит к возникновению импульса давления, который отличается от нормальных вариаций давления, вызванных ударным движением, и может быть измерен при помощи датчика давления. На основании результатов измерения этого импульса блок управления производит регулирование ударной мощности и подачи бурильной машины, а также других параметров, воздействующих на процесс бурения. Изобретение относится также к устройству, которое содержит средства для измерения импульсов давления в соответствии с предложенным способом. Эти технические решения позволяют осуществлять эффективное и точное управление бурильными машинами. 2 с. и 8 з. п. ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию способа управляемого бурения при помощи бурильного молотка (перфоратора) бурильной машины, которая имеет раму, предусмотренный на ней поршень ударного действия, перемещающийся в ее продольном направлении, хвостовик, являющийся осевым удлинителем поршня ударного действия, и по меньшей мере еще один поршень, который установлен на раме с возможностью перемещения в ее продольном направлении, причем этот поршень выполнен с возможностью принудительного перемещения хвостовика в направлении лицевой стороны бурильной машины за счет средства приложения давления, воздействующего на тыльную поверхность поршня, причем по меньшей мере в ходе бурения давление от средства приложения давления таково, что комбинированное усилие всех поршней, воздействующих на хвостовик и перемещающих его вперед, превышает усилие подачи, воздействующее на бурильную машину в ходе бурения, так что хвостовик упирается во все поршни и располагается в оптимальной точке соударения, при этом в соответствии с указанным способом производят измерение давления от средства приложения давления, воздействующего на хвостовик.

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию устройства для управляемого бурения при помощи бурильного молотка бурильной машины, которая имеет раму, предусмотренный на ней поршень ударного действия, перемещающийся в ее продольном направлении, хвостовик, являющийся осевым удлинителем поршня ударного действия, и по меньшей мере еще один поршень, который установлен на раме с возможностью перемещения в ее продольном направлении, причем этот поршень размещен в цилиндрическом пространстве в осевом направлении бурильной машины и выполнен с возможностью принудительного перемещения хвостовика в направлении лицевой стороны бурильной машины за счет средства приложения давления, воздействующего на тыльную поверхность поршня, причем по меньшей мере в ходе бурения давление от средства приложения давления таково, что усилие, воздействующее на хвостовик и перемещающее его вперед, превышает усилие подачи, воздействующее на бурильную машину в ходе бурения, так что хвостовик упирается во все поршни и располагается в оптимальной точке соударения, при этом устройство включает в себя средство измерения давления от указанного средства приложения давления.

При бурении отверстий (скважин) в горной породе при помощи бурильного молотка условия бурения существенно изменяются. Горная порода состоит из слоев материала с различной степенью твердости, поэтому параметры бурения, такие как ударная мощность и подача, должны регулироваться в соответствии с текущим сопротивлением бурению. В противном случае бурение становится неравномерным, так как бурильный молоток быстро проходит мягкий материал и медленно твердую горную породу. Это создает ряд проблем, касающихся, например, долговечности бурового оборудования и контролируемости процесса бурения. В качестве одного из примеров решения указанных проблем можно указать регулирование ударной мощности бурильной машины за счет перемещения хвостовика вперед из оптимальной точки в продольном направлении, когда требуется передавать меньшую ударную мощность от поршня ударного действия к хвостовику. Перемещение хвостовика обеспечивается при помощи поршней с гидравлическим управлением, на которых хвостовик установлен либо непосредственно, либо при помощи переходной втулки (гильзы). За счет изменения давления от средства приложения давления, действующего в цилиндрическом пространстве позади поршней, можно регулировать ход поршней и, следовательно, положение хвостовика. Указанным образом возможно осуществить передачу желательного уровня мощности через хвостовик к буровой штанге, причем остаток ударной мощности демпфируется при помощи демпфирующей прокладки, предусмотренной у переднего конца поршня ударного действия. Такое решение раскрыто в патенте Финляндии 84701.

В заявке на патент Финляндии 944839 раскрыт способ управления буровой мощностью устройства для бурения горной породы, в котором решается задача предотвращения повреждения бурильного молотка. В том случае, когда бурильная машина сталкивается с зоной, в которой сопротивление бурению мало и поэтому бурильный молоток легче проникает в горную породу, то бурение продолжают, но действие ударного устройства полностью прекращают, пока материал породы не становится тверже и для бурения опять не понадобится ударное действие. Описанное устройство содержит поршень возвратного демпфера, который перемещается в направлении поршня ударного действия относительно рамы бурильной машины и который выполнен с возможностью перемещения вперед в направлении бурового долота, когда сопротивление бурению временно снижается. Это приводит к уменьшению давления в камере позади поршня. Если указанное давление падает ниже заданного уровня, то клапан прекращает подачу среды создания давления к устройству ударного действия, поэтому поршень ударного действия не будет больше создавать ударов. Когда бурильный молоток вновь сталкивается с прочной горной породой и давление в камере позади поршня превышает заданный порог, то устройство ударного действия вновь включается и поршень ударного действия вновь начинает создавать удары.

Оказалось, что упомянутые известные решения не позволяют осуществлять эффективное и точное управление бурильными машинами. Они позволяют воздействовать только на управление силой удара, но не регулировать и не контролировать бурение более разнообразно. Такие решения также приводят к потере мощности, что вызывает неоправданное увеличение размеров гидравлических насосов, труб и других гидравлических компонентов.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков за счет предусмотрения лучшего и более универсального способа и устройства для управления работой бурильной машины.

Способ в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что при помощи датчика давления производят измерение обратного (отраженного) импульса, который поступает от горной породы назад (возвращается, отражается) к бурильной машине в ходе бурения и который возникает в результате удара поршня ударного действия, причем указанный обратный импульс действует в виде импульса давления, измеряемого в пространстве позади поршня при помощи датчика давления, при этом данные измерения отраженного импульса давления используют для управления работой бурильной машины.

Кроме того, устройство в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что используют датчик давления для измерения обратного импульса, который поступает от горной породы назад к бурильной машине в ходе бурения и который возникает в результате удара поршня ударного действия, причем указанный обратный импульс действует в виде импульса давления, измеряемого в пространстве позади поршня при помощи датчика давления, при этом данные измерения отраженного импульса давления используют для управления работой бурильной машины.

Основная идея настоящего изобретения заключается в том, что используют датчик давления для измерения импульсов давления в камере давления позади одного или нескольких поршней, поддерживающих сзади хвостовик. Когда сопротивление подачи бурового долота снижается, то точка соударения начинает перемещаться вперед из оптимальной точки соударения. Это означает, что по меньшей мере часть энергии поршня ударного действия демпфируется. Следовательно, обратный импульс, который формируется в более мягком материале, становится слабее, поэтому результирующий импульс давления становится меньше и, возможно, короче, чем в нормальной ситуации. Вместо двух или нескольких поршней можно также использовать единственный поршень, который поддерживает хвостовик за счет приложения давления от средства создания давления. В таком случае измерения проводятся в камере давления единственного кольцевого поршня. Отсутствие импульсов давления или наличие изменений нормальных параметров свидетельствует об отклонении от нормальной операции бурения, что детектируется датчиком давления, который производит измерение давления в камере (камерах) давления позади поршня (поршней). Данные измерения, проведенного датчиком давления, подаются в систему управления бурильной машины, которая на основании указанных данных производит регулировку работы, например, изменяет параметры бурения, такие как давление подачи и ударное давление. Регулировку мощности бурения производят до тех пор, пока вновь не будет достигнута точка оптимума.

Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что оно позволяет регулировать ударную мощность бурильной машины, а также другие параметры бурения экономичным и эффективным образом в зависимости от конкретной ситуации. Измерения параметров процесса бурения могут теперь производиться непосредственно в ходе бурения, причем полученные данные могут быть использованы различными путями для управления бурением. Кроме того, настоящее изобретение позволяет легче чем прежде контролировать специальные ситуации. Устройство в соответствии с настоящим изобретением также позволяет измерять и запоминать в блоке управления параметры различных слоев породы в скважине в ходе бурения, которые могут быть использованы в дальнейшем. На основании таких данных возможно, например, производить планирование бурения в данном месте и составлять карту свойств горной породы. Кроме того, на основании анализа импульсов давления от датчика давления можно вывести заключение относительно рабочего состояния бурового долота и использовать данные измерения для диагностики отказов. Другим преимуществом устройства в соответствии с настоящим изобретением является снижение мощности устройства, что приводит к снижению расходов. Следует также указать, что устройство в соответствии с настоящим изобретением может быть достаточно просто подключено к существующим устройствам.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг.1 схематично показан, с частичным вырывом, передний конец бурильного молотка в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2а и 2b схематично показаны кривые давления, измеренные в пространстве позади поршней.

На фиг.3 схематично показан, с частичным вырывом, другой вариант бурильной машины в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.1 схематично показан, с частичным вырывом, передний конец бурильного молотка. Бурильная машина содержит поршень ударного действия 1 и расположенный соосно с ним хвостовик 2, который принимает удары от поршня ударного действия. Ударное усилие передается при помощи буровых штанг, которые обычно помещают в виде удлинения бурового долота, которое соударяется с породой и разрушает ее. Работа поршня ударного действия 1 здесь более подробно не обсуждается, так как она известна сама по себе и очевидна для специалистов в данной области. Хвостовик 2 обычно вращается при помощи двигателя за счет вращения гильзы, охватывающей хвостовик 2, что также известно само по себе, причем хвостовик выполнен с возможностью осевого перемещения относительно указанной гильзы. Как конструкция, так и работа двигателя и гильзы полностью известны специалистам в данной области, поэтому они здесь более подробно не обсуждаются. Кроме того, вокруг заднего конца хвостовика 2 предусмотрена отдельная опорная гильза 3, которая поддерживает хвостовик 2 в ходе бурения. Поддержка хвостовика 2 опорной гильзой 3 осуществляется при помощи наклонной опорной поверхности 3а, которая входит в контакт с соответствующей наклонной поверхностью 2а хвостовика 2. Позади опорной гильзы 3 предусмотрено множество поршней 4а и 4b, которые связаны с тыльной поверхностью опорной гильзы 3 или воздействуют на нее косвенно механически. Вокруг опорной гильзы 3 может быть предусмотрено стопорное кольцо 5, которое ограничивает движение поршней 4а и 4b в направлении лицевой стороны бурильной машины. Поршни 4а и 4b расположены в цилиндрических пространствах, которые образованы в раме 6 или в отдельной цилиндрической секции и расположены параллельно оси поршня ударного действия 1, причем указанные пространства связаны с каналами текучего тела 7а и 7b. К тыльной поверхности поршней 4а и 4b приложено такое давление среды создания давления, по меньшей мере в ходе бурения, что комбинированное усилие поршней, воздействующих на хвостовик 2 и толкающих его вперед, превышает усилие подачи, воздействующее на бурильную машину в ходе бурения. В раме 6 бурильной машины предусмотрено множество поршней 4а и 4b, которые преимущественно подразделены по меньшей мере на две отдельные группы, которые имеют различные величины хода до переднего конца бурильной машины. Бурильная машина также включает в себя абсорбер 8, установленный у лицевой стороны цилиндрического пространства поршня ударного действия 1 или на расстоянии далее перемещения части 1а поршня ударного действия 1 от лицевой стороны бурильной машины. Передняя сторона части 1а поршня ударного действия 1 создает удар в этот абсорбер 8, когда по каким-либо причинам поршень ударного действия 1 производит удар позади его нормальной оптимальной точки соударения. Такая ситуация известна сама по себе и поэтому не будет обсуждаться здесь более подробно.

Устройство также содержит измерительные трубопроводы 19а и 19b, которые преимущественно соединены с каналами 7а и 7b таким образом, что импульс давления, действующий позади поршней 4а, может быть измерен при помощи датчика давления 20, подключенного к измерительному трубопроводу 19а. Такое решение является самым простым, но само собой разумеется, что можно предусмотреть и отдельный канал в раме 6 для установки датчика давления 20. Данные измерения передаются электрически от датчика давления 20 на блок управления 21, в котором производится обработка указанных данных. При необходимости от блока управления 21 может поступать сигнал управления на исполнительный механизм 22, который, например, может регулировать подачу или может быть выполнен в виде клапана, регулирующего давление устройства ударного действия. Можно подавать на блок управления 21 множество данных различных измерений, касающихся процесса бурения, так чтобы блок управления 21 на основании этих данных мог обеспечивать оптимальную работу бурильной машины в каждой конкретной ситуации. На фиг.1 показан также второй датчик давления 23, который измеряет давление позади других поршней 4b и который также подключен к блоку управления 21. Можно использовать импульсы давления только от одного из поршней 4а и 4b или от обоих из них. Можно также использовать только один датчик давления, причем в этом случае каналы 7а и 7b соответствующих пространств поршней 4а и 4b соединяют вместе, как это показано на фиг.1 пунктиром 24; в этом случае второй датчик 23 не нужен. На практике импульс давления может быть измерен самым простым образом просто позади поршней 4а, причем поршни 4а и 4b находятся в различных цепях давления. Это основано на том факте, что поршни 4а могут перемещаться в направлении лицевой стороны бурильной машины только до положения, которое соответствует оптимальной точке соударения с хвостовиком, при этом импульсы давления получают только в том случае, когда хвостовик перемещается в направлении тыльной стороны бурильной машины под действием такой силы, что он проходит свою оптимальную точку соударения. Измеренные преимущественно указанным образом импульсы давления обеспечивают надежную базовую информацию для осуществления управления.

На фиг.2а схематично показана нормальная кривая давления, измеренного в пространстве позади поршней. Когда сопротивление бурению горной породы в ходе бурения нормальное и поршни перемещают хвостовик в оптимальную точку соударения, то поршень ударного действия создает полный удар по хвостовику, от которого этот удар передается к буровым штангам и далее к буровому долоту. При соударении бурового долота с твердой горной породой оно получает возвратное движение, которое передается назад через буровые штанги к хвостовику. Так как хвостовик зажат при помощи опорной гильзы 3 и толкающих его вперед поршней, то напряжение от горной породы передается также и к поршням, которые поэтому смещаются назад в свое цилиндрическое пространство за счет этого отраженного импульса. Обратное движение поршней приводит к быстрому нарастанию давления, а другими словами, к возникновению обратного (отраженного) импульса в пространстве позади поршней. Это показано на фиг.2а в виде импульса давления В, который четко отличается от среднего уровня давления. В соответствии с настоящим изобретением специально контролируют появление импульса давления В в кривой давления. Амплитуда импульсов В всегда превышает средний уровень давления. Для управления бурением могут быть использованы по меньшей мере мощность, амплитуда, скорость нарастания и частота появления импульсов давления. Показанные на фиг.2а импульсы давления А, имеющие меньшую амплитуду, чем импульсы давления В, получены от вибраций давления сжатого текучего тела, возникающих за счет приложения давления к поршням 4а и 4b в канале давления ударного устройства. Если сжатое текучее тело, поступающее в цилиндрическое пространство позади поршней, подается от отдельного источника давления или через канал давления, разделенный от трубопровода ударного устройства, то не будет импульсов А, возникающих от ударной операции, а вместо этого будет получена главным образом ровная кривая давления.

На фиг.2b в свою очередь показана кривая давления, совершенно не имеющая импульсов давления В. На этой кривой видны только вариации давления А, которые получены за счет изменений давления ударного контура. Отсутствие импульсов давления В или их малая амплитуда объясняется тем фактом, что буровое долото проникло в мягкий материал породы при нормальной мощности бурения, при этом бурильный молоток работает быстрее, чем обычно. Следовательно, хвостовик перемещается вперед из оптимальной точки соударения, поэтому абсорбер поршня ударного действия получает по меньшей мере часть удара. Так как за счет этого мощность удара уменьшается, то буровое долото уже не соударяется с породой при большом усилии и не создает отдачу и результирующий обратный импульс, как при нормальной операции бурения. С другой стороны, мягкий материал породы не создает такого же сопротивления удару, как твердый материал, поэтому в буровом оборудовании не возникает мощный обратный импульс.

На фиг. 3 показан, с частичным вырывом, другой вариант лицевой стороны бурильной машины в соответствии с настоящим изобретением. Позиции элементов устройства фиг.3 соответствуют фиг.1. Показанное устройство аналогично устройству, которое показано на фиг.1, за тем исключением, что в варианте фиг.3 множество отдельных поршней заменено гильзообразными поршнями, которые установлены соосно вокруг поршня ударного действия 1. В этом случае поршни 14а и 14b установлены таким образом, что поршень 14а расположен в самом крайнем положении, причем к нему подключен канал давления 17а, поэтому поршень 14а смещен вперед и упирается в сопряженную поверхность 15а. В свою очередь, поршень 14b установлен соосно внутри поршня 14а, причем сжатое текучее тело поступает в пространство позади поршня 14b по каналу 17b. Когда поршень 14b упирается в сопряженную поверхность 15b, хвостовик 2 принудительно смещается вперед в новое положение, которое отличается от оптимальной точки соударения. Как это уже показано на фиг.1, давление измеряют или в пространстве позади обоих поршней 14а, 14b, или только позади поршней 14а. Каналы 17а и 17b могут быть соединены с измерительным трубопроводом 19а, снабженным датчиком 20, измеряющим отраженный импульс давления. Канал 17b может быть соединен с измерительным трубопроводом 19b, снабженным датчиком 23, измеряющим отраженный импульс давления. Что касается собственно проведения измерений и использования импульса давления, то ситуация аналогична показанной на фиг.1. Аналогично и в данном варианте можно производить измерение импульса давления при помощи только одного датчика давления, при этом каналы 17а и 17b соединены с измерительным трубопроводом 19а, как это показано на фиг.3, пунктиром; в этом случае второй датчик 23 не нужен.

Несмотря на то что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что он дан только в качестве примера осуществления идеи настоящего изобретения и что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения. Например, конструкция бурильной машины может отличаться от той, которая показана на чертежах, причем и демпфирование поршня ударного действия может быть осуществлено иным образом. Кроме того, поршни могут непосредственно воздействовать на хвостовик, при этом не нужны отдельные переходные втулки между хвостовиком и поршнями. Между хвостовиком и поршнями может быть предусмотрен упорный подшипник, который установлен соосно с хвостовиком и поршнем ударного действия. Анализ и использование сигналов измерения, полученных при помощи датчика давления, может также предусматривать использование способов обработки сигнала, позволяющих извлекать из сигналов измерения самые разнообразные данные, такие как, например, длительность, энергия и частота отраженного импульса, причем эти данные измерения могут быть затем использованы для эффективного управления бурильной машиной.

Формула изобретения

1. Способ управляемого бурения при помощи бурильного молотка бурильной машины, которая имеет раму (6), предусмотренный на раме (6) поршень ударного действия (1), перемещающийся в ее продольном направлении, хвостовик (2), являющийся осевым удлинителем поршня ударного действия (1), и по меньшей мере еще один поршень (4а, 4b, 14а, 14b), который установлен на раме (6) с возможностью перемещения в ее продольном направлении, причем этот поршень выполнен с возможностью осуществления принудительного перемещения хвостовика (2) в направлении лицевой стороны бурильной машины за счет средства приложения давления, воздействующую на тыльную поверхность поршня, при этом по меньшей мере в ходе бурения давление от указанного средства приложения давления таково, что комбинированное усилие всех поршней, воздействующих на хвостовик (2) и перемещающих его вперед, превышает усилие подачи, воздействующее на бурильную машину в ходе бурения, так что хвостовик (2) упирается во все поршни (4а, 4b, 14a, 14b) и располагается в оптимальной точке соударения, при этом производят измерение давления от средства приложения давления, воздействующего на хвостовик (2), отличающийся тем, что производят измерение при помощи датчика давления (20, 23) отраженного импульса, который поступает от горной породы назад к бурильной машине в ходе бурения и который возникает в результате удара поршня ударного действия (1), причем указанный обратный импульс действует в виде импульса давления (В), измеряемого в пространстве позади поршня (4а, 4b, 14a, 14b) при помощи датчика давления (20, 23), при этом данные измерения отраженного импульса давления (В) используют для управления работой бурильной машины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу бурильной машины регулируют на основании результатов измерения импульса давления (В), полученного от отраженного обратного импульса.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что ударную мощность бурильной машины регулируют на основании результатов измерения импульса давления (В), полученного от отраженного обратного импульса.

4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что работой бурильной машины управляют на основании результатов измерения мощности импульса давления (В), полученного от отраженного обратного импульса.

5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что работой бурильной машины управляют на основании результатов измерения амплитуды импульса давления (В), полученного от отраженного обратного импульса.

6. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что устанавливают заданные пределы для переменных параметров измерения импульса давления (В) и при падении результатов измерения ниже указанных пределов производят при помощи блока управления (21) бурильной машины такое регулирование ударного давления и/или подачи, что вновь достигается оптимальная ударная точка соударения.

7. Способ по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что измерение импульса производят только в пространстве позади того поршня (4а, 14а), который поддерживает хвостовик в его самом переднем положении, когда хвостовик находится в оптимальной точке соударения.

8. Устройство для управляемого бурения при помощи бурильного молотка бурильной машины, которая имеет раму (6), предусмотренный на раме (6) поршень ударного действия (1), перемещающийся в ее продольном направлении, хвостовик (2), являющийся осевым удлинителем поршня ударного действия (1), и по меньшей мере еще один поршень (4а, 4b, 14а, 14b), который установлен на раме (6) с возможностью перемещения в ее продольном направлении, причем этот поршень размещен в цилиндрическом пространстве в осевом направлении бурильной машины и выполнен с возможностью осуществления принудительного перемещения хвостовика (2) в направлении лицевой стороны бурильной машины за счет средства приложения давления, воздействующего на тыльную поверхность поршня, при этом по меньшей мере в ходе бурения давление от указанного средства приложения давления таково, что усилие всех поршней, воздействующих на хвостовик (2) и перемещающих его вперед, превышает усилие подачи, воздействующее на бурильную машину в ходе бурения, так что хвостовик (2) упирается во все поршни (4а, 4b, 14a, 14b) и располагается в оптимальной точке соударения, при этом устройство включает в себя средство измерения давления от указанного средства приложения давления, отличающееся тем, что оно снабжено датчиком давления (20, 23) для измерения обратного импульса, который поступает от горной породы назад к бурильной машине в ходе бурения и который возникает в результате удара поршня ударного действия (1), причем указанный обратный импульс действует в виде импульса давления (В), измеряемого в пространстве позади поршня (4а, 4b, 14a, 14b) при помощи датчика давления (20, 23), при этом данные измерения отраженного импульса давления (В) используются для управления работой бурильной машины.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что в нем выполнен блок управления (21) с возможностью регулирования подачи бурильной машины на основании результатов измерения импульса давления (В), полученного от отраженного обратного импульса.

10. Устройство по п.8 или 9, отличающееся тем, что в нем выполнен блок управления (21) с возможностью регулирования ударной мощности бурильной машины на основании результатов измерения импульса давления (В), полученного от отраженного обратного импульса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:САНДВИК АБ (SE)

(73) Патентообладатель:Сандвик Интеллекчуал Проперти ХБ (SE)

Договор № РД0008307 зарегистрирован 20.04.2006

Извещение опубликовано: 10.06.2006        БИ: 16/2006