控制方法
【專利摘要】提供了一種用于控制共振增強旋轉(zhuǎn)鉆機的方法，該共振增強旋轉(zhuǎn)鉆機包括鉆進模塊和用于控制鉆進模塊的一個或更多個鉆進參數(shù)的控制系統(tǒng)，該方法包括以下步驟：(a)采用被鉆材料的一個或更多個初始特性和/或一個或更多個初始鉆進參數(shù)，以控制鉆進模塊；(b)測量一個或更多個當前鉆進參數(shù)，以獲得一個或更多個測量得的鉆進參數(shù)；(c)采用一個或更多個測量得的鉆進參數(shù)，作為控制系統(tǒng)中的輸入，以便獲得來自控制系統(tǒng)的輸出，該輸出包括被鉆材料的一個或更多個計算得的特性；(d)采用被鉆材料的一個或更多個計算得的特性和/或一個或更多個測量得的鉆進參數(shù)，作為控制系統(tǒng)中的輸入，以便獲得來自控制系統(tǒng)的輸出，該輸出包括一個或更多個計算得的鉆進參數(shù)；(e)將一個或更多個計算得的鉆進參數(shù)可選擇地應(yīng)用于鉆進模塊；(f)可選擇地重復(fù)步驟(b)、(c)、(d)以及(e)。
【專利說明】控制方法
[0001 ] 本發(fā)明設(shè)及沖擊增強旋轉(zhuǎn)鉆進（percussion enhanced ;ro1:a;ry化illing)，并且 更具體地，設(shè)及共振增強鉆進(RED:resonance enhanced化illing)。本發(fā)明的實施方式致 力于：用于控制共振增強旋轉(zhuǎn)鉆進W提高鉆進性能的方法和設(shè)備，更具體地致力于使用模 糊邏輯控制的方法和設(shè)備。運里所描述的進一步實施方式致力于可W根據(jù)運些方法和設(shè)備 控制的共振增強旋轉(zhuǎn)鉆進設(shè)備。本發(fā)明的特定實施方式可應(yīng)用于任意尺寸的鉆機或要鉆的 材料。特定的更具體的實施方式致力于鉆過石油工業(yè)、氣體工業(yè)W及采礦工業(yè)中的深孔鉆 進應(yīng)用中可能遭遇的巖層(具體是可變組成的巖層）。
[0002] 沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進本身已知。沖擊旋轉(zhuǎn)鉆機擁有引起對旋轉(zhuǎn)鉆頭的軸向載荷的機構(gòu)。 該機構(gòu)提供對被鉆材料的沖擊力，W便破碎幫助旋轉(zhuǎn)鉆頭穿透材料的材料。
[0003] 共振增強旋轉(zhuǎn)鉆進是如下的特殊類型的沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進，其中，具有W高頻振動的 振蕩器，W便實現(xiàn)與被鉆材料的共振。運導(dǎo)致有效使用旋轉(zhuǎn)鉆頭處的機械能，由此，在與標 準沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進相比時提高鉆進效率。
[0004] US3，990，522公開了一種沖擊旋轉(zhuǎn)鉆機，該沖擊旋轉(zhuǎn)鉆機使用用于鉆螺栓孔的旋 轉(zhuǎn)鉆機中所安裝的液壓鍵。公開了可變行程和頻率的沖擊周期可W被應(yīng)用并調(diào)整為被鉆材 料的自然頻率，W產(chǎn)生鉆頭的尖端處所施加的壓力的放大。伺服閥維持沖擊控制，并且轉(zhuǎn)而 伺服閥由操作員借助經(jīng)由電導(dǎo)體連接到伺服閥的電子控制模塊來控制。操作員可W通過控 制增壓流體到和從致動器的流動，從0至2500圈每分鐘（即，0至42化）選擇性地改變沖擊頻 率，并從0至1/8英寸（即，0至3.175mm)選擇性地改變鉆頭的行程。描述了通過選擇具有等于 被鉆巖層的天然頻率或共振頻率的頻率的沖擊行程，巖層中由沖擊力所存儲的能量將導(dǎo)致 鉆頭的尖端處所施加的壓力的放大，使得固體材料將巧塌并離開原位，并且允許鉆率在3至 4英尺每分鐘的范圍內(nèi)。
[0005] 存在用上述結(jié)構(gòu)識別的并且在下面討論的幾個問題。
[0006] 使用US3,990,522的設(shè)備無法實現(xiàn)高頻，該設(shè)備使用較低頻率液壓周期沖擊器(描 述為振蕩器，但并不在嚴格地技術(shù)意義上振蕩）。因此，雖然US3,990,522討論了共振的可能 性，但看來經(jīng)由US3,990,522的沖擊器可實現(xiàn)的低頻不足W實現(xiàn)穿過許多硬材料的共振增 強鉆進。
[0007] 不管上述的頻率問題如何，在使用US3,990,522的布置的任意情況下無法容易地 實現(xiàn)并維持共振，特別是如果鉆機穿過具有不同共振特性的不同材料時。運是因為US3， 990，522的布置中的沖擊頻率和行程的控制由操作員手動實現(xiàn)。由此可見，難W控制設(shè)備持 續(xù)調(diào)整沖擊力的頻率和行程，W隨著鉆機穿過不同類型的材料而維持共振。運對于如US3， 990,522所述的鉆淺螺栓孔而言可能不是運種主要問題。操作員僅能對于內(nèi)部要鉆螺栓孔 的材料選擇適當?shù)念l率和行程，然后操作鉆機。然而，對于穿過許多不同層巖石惡化了問 題。位于深鉆孔上方的操作員無法看見正在鉆過什么類型的巖石，并且隨著鉆機從一個巖 石類型到另一個巖石類型穿過無法容易地實現(xiàn)并維持共振，特別是在巖石類型頻繁變化的 區(qū)域中。
[000引上述問題中的一些已經(jīng)被本發(fā)明人如WO 2007/141550所述地解決。本專利申請書 描述了一種共振增強旋轉(zhuǎn)鉆機，該共振增強旋轉(zhuǎn)鉆機包括自動化反饋和控制機構(gòu)，該自動 化反饋和控制機構(gòu)可W持續(xù)調(diào)整沖擊力的頻率和行程，W隨著鉆機穿過不同類型的巖石而 維持共振。鉆機設(shè)置有：調(diào)整裝置，該調(diào)整裝置響應(yīng)于鉆機正在穿過的材料的情況;和井下 位置中的控制裝置，該控制裝置包括用于進行材料特性的井下測量的傳感器，借此，設(shè)備可 在閉環(huán)實時控制下井下操作。
[0009] US2006/0157280提出了一種振蕩器的井下閉環(huán)實時控制。描述了傳感器和控制單 元可W在監(jiān)測關(guān)鍵鉆進效率參數(shù)(諸如前進率(ROP))的同時初始掃描頻率的范圍。然后，可 W控制振蕩裝置W提供最佳頻率下振蕩，直到進行下一頻率掃描為止。頻率掃描的模式可 W基于鉆進操作的一個或更多個元素(諸如地層(formation)的變化、所測量ROP的變化、預(yù) 定時間段或來自地面的指令）。詳細實施方式使用將扭轉(zhuǎn)振蕩應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)鉆頭的振蕩裝置， 并且提及扭轉(zhuǎn)共振。然而，還描述了應(yīng)用于鉆頭的振蕩的示例性方向包括跨所有自由度的 振蕩，并且為了引發(fā)被鉆材料的裂縫而不被使用。更確切的說，描述了鉆頭的旋轉(zhuǎn)引起被鉆 材料的初始碎裂，然后，為了確保旋轉(zhuǎn)鉆頭保持與碎裂材料接觸，應(yīng)用瞬間振蕩(momentary oscillation)。似乎沒有提供如下的振蕩器的任何公開或提議：為了如根據(jù)如WO 2007/ 141550所述的共振增強鉆進所需的、引發(fā)旋轉(zhuǎn)鉆頭穿過的材料的裂縫，該振蕩器可W向鉆 頭輸入足夠高的軸向振蕩載荷。
[0010] 現(xiàn)有技術(shù)沒有提供關(guān)于如何監(jiān)測軸向振蕩的任何詳情。US2006/0157280中和WO 2007/141550中總體公開了傳感器，但未討論運些傳感器相對于部件(諸如隔振單元和振動 傳遞單元)的位置。
[0011] 本發(fā)明人的已公布國際申請書W02011/032874希望提供對現(xiàn)有技術(shù)中所描述的方 法和設(shè)備的進一步改進。該申請書公開了一種用于將共振增強旋轉(zhuǎn)鉆機中的振蕩器的頻率 控制在由Us(被鉆材料的壓縮強度)限定的范圍內(nèi)。該方法還設(shè)及將振蕩器的動態(tài)力(Fd)控 制在由Us限定的范圍內(nèi)。Us使用傳感器來測量。
[0012] WO 2007/141550、1152006/0157280^及胖02011/032874中所述的解決方案具體集 中于振蕩器的振蕩性質(zhì)。運些僅是所設(shè)及的自由度的子集，并且運些方法不考慮Rm)的其他 重要方面。另外，材料特性的估計太簡單，運依賴于使用傳感器進行的壓縮強度的非精確測 量，并且根本不解釋其他材料特性。因此，期望對其中描述的方法和設(shè)備進行進一步改進。 本發(fā)明的實施方式的目的是為了進行如下改進:其在限制對設(shè)備的磨損W便增加設(shè)備的壽 命的同時，提高鉆進效率。進一步目的是，特別是在鉆過快速變化的巖石類型時更精確地控 制共振增強鉆進。
[0013] 因此，本發(fā)明提供一種用于控制共振增強旋轉(zhuǎn)鉆機的方法，該共振增強旋轉(zhuǎn)鉆機 包括鉆進模塊和控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)用于控制所述鉆進模塊的一個或更多個鉆進參數(shù)， 該方法包括W下步驟：
[0014] (a)采用被鉆材料的一個或更多個初始特性和/或一個或更多個初始鉆進參數(shù)，W 控制所述鉆進模塊；
[0015] (b)測量一個或更多個當前鉆進參數(shù)，W獲得一個或更多個測量得的鉆進參數(shù)；
[0016] (C)采用所述一個或更多個測量得的鉆進參數(shù)，作為所述控制系統(tǒng)中的輸入，W便 獲得來自所述控制系統(tǒng)的輸出，該輸出包括所述被鉆材料的一個或更多個計算得的特性；
[0017] (d)采用所述被鉆材料的一個或更多個計算得的特性和/或所述一個或更多個測 量得的鉆進參數(shù)，作為所述控制系統(tǒng)中的輸入，W便獲得來自所述控制系統(tǒng)的輸出，該輸出 包括一個或更多個計算得的鉆進參數(shù)；
[0018] (e)將所述一個或更多個計算得的鉆進參數(shù)可選擇地應(yīng)用于所述鉆進模塊；
[0019] (f)可選擇地重復(fù)步驟(b)、（c)、（d似及（e)。
[0020] 在當前上下文中，共振增強旋轉(zhuǎn)鉆機不受特別限制，并且可W是領(lǐng)域中已知的任 意共振增強旋轉(zhuǎn)鉆機，只要它包括鉆進模塊和控制系統(tǒng)即可。鉆進模塊不受特別限制，并且 可W是用于共振增強鉆進的領(lǐng)域中已知的任意鉆進模塊（諸如所公布的專利申請書 W02012/076401中所公開的鉆進模塊）。控制系統(tǒng)不受特別限制，只要它能夠執(zhí)行本發(fā)明的 方法即可。為了實現(xiàn)該目的，控制系統(tǒng)應(yīng)當能夠計算被鉆材料的一個或更多個特性和一個 或更多個鉆進參數(shù)。雖然特定具體方法確實提供明顯優(yōu)點，但用于進行該過程的方法不受 特別限制，并且將在下面詳細描述方法。控制系統(tǒng)可W包括一個或更多個控制器。由此，在 一些實施方式中，可W采用單個控制器，W計算所有參數(shù)。然而，在其他實施方式中，可W有 兩個或更多個控制器。在一些實施方式中，例如控制系統(tǒng)可W包括:用于計算被鉆材料的特 性的控制器和；用于計算鉆進參數(shù)的進一步控制器。一個或更多個或兩個或更多個控制器 一起構(gòu)成控制系統(tǒng)。
[0021] 發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)能夠?qū)@進參數(shù)用于準確且精確地計算被鉆材料的具體特性、然 后將運些特性連同測量得的鉆進參數(shù)(實時鉆進參數(shù)）用于計算可W應(yīng)用于鉆進模塊的更 新后的鉆進參數(shù)的過程。一個或更多個實時鉆進參數(shù)(前進率、鉆壓(W0B:weight on bit) 等)在控制過程的各循環(huán)迭代中來測量(實時鉆進參數(shù)隨著被鉆材料變化而變化，所W需要 保持實際鉆進參數(shù)的跟蹤的測量），并且如果必要(例如因為巖石類型變得更硬或更軟），則 將新計算得的鉆進參數(shù)應(yīng)用于鉆機。通常如果計算得的鉆進參數(shù)中的一個或更多個不同于 所測量鉆進參數(shù)中等效的一個或更多個(或在所選范圍內(nèi)充分不同），則可W進行將一個或 更多個計算得的鉆進參數(shù)應(yīng)用于鉆進模塊的步驟(e)。
[0022] 使用更新后的鉆進參數(shù)重復(fù)控制周期將使鉆進更有效。由此，雖然通常前進率 (ROP)或"鉆進的速度"和/或鉆壓(WOB)為最期望優(yōu)化的參數(shù)，但也可W使所期望的任意鉆 進參數(shù)最大化(或最小化或優(yōu)化）。
[0023] 之前，由于與普通鉆進(鉆機的振蕩將額外的自由度引入到系統(tǒng)中）相比的更復(fù)雜 的RED性質(zhì)（諸如與振蕩關(guān)聯(lián)的振蕩頻率和振幅W及動態(tài)力）使得任意預(yù)測或計算更加復(fù) 雜，所W控制方法在共振增強鉆進(RED)過程中不是特別有效。已知方法嘗試將振蕩考慮在 內(nèi)，但仍然需要改進。使用本方法，發(fā)明人能夠?qū)⒏鄥?shù)考慮在內(nèi)，并且還能夠更加有效 地將被鉆材料的性質(zhì)考慮在內(nèi)。因此，發(fā)明人解決了許多現(xiàn)有問題，并且使得共振增強鉆進 比已知系統(tǒng)中更快且更便宜，并且減少對材料的磨損。
[0024] 將僅參照附圖經(jīng)由示例描述本發(fā)明。
[0025] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的鉆進模塊。
[0026] 圖2的(a)和圖2的（b)示出了對于被鉆材料的各種振動質(zhì)量和各種壓縮強度將頻 率例示為振幅的函數(shù)的圖表。
[0027] 圖3示出了給定固定動力供應(yīng)的情況下對于各種振動質(zhì)量將頻率例示為振幅的函 數(shù)的圖表。
[0028] 圖4示出了本發(fā)明的控制系統(tǒng)的示意性表現(xiàn)。在該方案中，用于計算被鉆材料的特 性的控制器被標記為"巖石識別機構(gòu)"，用于計算鉆進參數(shù)的控制器被標記為"控制器"，并 且如控制方法所采用的示出各種示例性材料特性和鉆進參數(shù)。
[0029] 圖5示出了用于計算或識別被鉆材料的特性的控制器中用于信號識別的過程(例 如，巖石識別過程）。
[0030] 圖6示出了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的神經(jīng)元模型。
[0031] 圖7示出了對于花崗巖和砂巖在特定鉆進條件下生成的訓練信號（位置和加速度 信號）。
[0032] 圖8示出了對于ANN訓練(位置和加速度信號)采用的各種測量。
[0033] 圖9示出了 ANN訓練過程的執(zhí)行。
[0034] 圖10示出了識別矩陣。
[0035] 圖11示出了作為由阻尼器和彈黃支撐的無質(zhì)量防護板的軟沖擊模型。
[0036] 圖 12示出 了對于mi = lkg、h〇= lm、g = 9.8m/s2、ts = 9.5Ns/m、ks = 20 X l〇3N/m而計 算得的單個沖擊的時間關(guān)系圖表。質(zhì)量mi的位移由上線來示出，并且質(zhì)量的加速度由下線 來標記。
[0037] 圖 13示出了具有對于mi = lkg、h〇 = lm、g = 9.8m/s2、ts = 9.5Ns/m、ks = 30 X l〇3N/m (左下點組）、ks = 32 X 103N/m(下一更高點組）、ks = 35 X 103N/m(下一更高點組）、ks = 40 X IO3NAi(下一更高點組）W及ks = 50X IO3NAi(下一更高點組)而計算得的各種剛度系數(shù)的沖 擊圖。
[003引圖14示出了具有對于ml = lkg、g = 9.8m/s2、ts = 9.5化/m而計算得的各種剛度系數(shù) 和不同沖擊速度的沖擊圖。
[0039] 圖15示出了漂移振蕩器的物理模型。
[0040] 圖 16的（a)示出了對于a = 0.3、b = 0.16、C = 0.05、《=0.1、g = 0.02?及 cp=Jr/2 而 計算得的質(zhì)量對時間的位移x(實線)和連接器底部對時間的位移V(虛線）。圖16的（b)示出 了具有沖擊面(直線）的相位圖（曲線）。
[0041 ]圖 17的(a)示出了對于a = 0. l、b = 0、C = 〇.〇5、O =0. l、g = 0.02W及:巧=巧。而計算 得的質(zhì)量的位移(實線）、滑動器頂部的位移(虛線）W及滑動器底部的位移（點劃線），圖17 的(b)示出了對于a = 0. l、b = 0、C = 0.05、W =0. l、g = 0.02W及9=71/2而計算得的質(zhì)量的加 速度。
[0042] 圖 18示出 了對于a = 0. l、b = 0、C = 〇.〇5、O = 0. l、g = 0.02W及巧=征/2而計算得的 具有沖擊面(垂直線）的質(zhì)量加速度對相對位移的軌跡（曲線）。
[0043] 圖 19示出 了對于a = 0. l、b = 0、C = 0.05、《=0.1、6 = 0.02、爭=瓦沒:、4 = 0.5(最右 線）、k=l(右中線及k = 5(左中線）而計算得的具有沖擊面(最左線）的質(zhì)量加速度對相 對位移的軌跡。
[0044] 圖20示出了沖擊振蕩器的數(shù)學模型（參見Ing,J. ,Pavlovskaia,E. ,Wiercigroch, M.,Soumitro,B."Experimental study of impact oscillator with one-sided elastic constraint". Phi I. Trans.R.Soc. A,366(2008),679-705)。
[0045] 圖21示出了模糊控制算法的示意圖。
[0046] 圖22示出了本模糊控制過程的流程圖。
[0047] 圖23示出了剛度斜率的模糊化的示意圖。
[004引圖24示出了剛度斜率的從屬函數(shù)。
[0049] 圖25示出了靜態(tài)載荷b和激勵幅度a的從屬函數(shù)。
[0050] 圖26示出了對于111=1、口: = 1、| = 0.05、《=0.1、邑=0.02、.(()=況/2、4 = 3、6 = 0.13、曰 = 0.2(下線）W及b = 0.1432、a = 0.3126(上線)而計算得的位移的時間關(guān)系圖表。
[0051] 圖27示出了對于111=1、口: = 1、| = 0.05、《=0.1、邑=0.02、啤=瓜'2''、4 = 3、6 = 0.13、曰 = 0.2(下線）W及b = 0.1432、a = 0.3126(上線)而計算得的平均前進的時間關(guān)系圖表。
[0052] 圖28示出了（a)0.75kN、（b)1.0kN、（c)1.2化N、（d)1.5kN、（e)1.75kNW及（f)2.0kN 靜態(tài)載荷和2.化N動態(tài)力幅度時的位移的時間關(guān)系圖表。（左頂線為常規(guī)鉆進，而右底線為 R邸）。
[0053] 圖29示出了（a)改進因子與(b)2.5kN動態(tài)幅度的前進W及靜態(tài)力之間的關(guān)系。
[0054] 圖30示出了（a)1.5kN、（b)2.5kN、（c)3.化NW及(d)5kN激勵幅度和lkN靜態(tài)載荷時 的位移的時間關(guān)系圖表。（左上線為常規(guī)鉆進，而右下線為RED)。
[0055] 圖31示出了激勵幅度和(a)穿透率W及(b)改進因子的變化。
[0056] 圖32示出了（曰）150化、（6)180化、（。）190化、（(1)200化^及（6)210化激勵頻率和 1.75kN靜態(tài)載荷時的位移的時間關(guān)系圖表。（左上線為常規(guī)鉆進，而右下線為RED)。
[0057] 圖33示出了激勵頻率和(a)穿透率W及(b)改進因子的變化。
[005引 圖;34不出了（a)30rpm、（b)60rpm、（。）90巧111^及（(1) 120rpm、200Hz激勵頻率和 1.75kN靜態(tài)載荷時的位移的時間關(guān)系圖表。（左上線為常規(guī)鉆進，而右下線為RED)。
[0059] 圖35示出了旋轉(zhuǎn)速度和(a)穿透率W及(b)改進因子的變化。
[0060] 現(xiàn)在將更詳細地描述本發(fā)明。
[0061] 如上所述，本發(fā)明提供了一種用于控制共振增強旋轉(zhuǎn)鉆機的方法，該共振增強旋 轉(zhuǎn)鉆機包括鉆進模塊和用于控制鉆進模塊的一個或更多個鉆進參數(shù)的控制系統(tǒng)，該方法包 括W下步驟：
[0062] (a)采用被鉆材料的一個或更多個初始特性，和/或一個或更多個初始鉆進參數(shù)， W控制鉆進模塊；
[0063] (b)測量一個或更多個當前鉆進參數(shù)，W獲得一個或更多個測量得的鉆進參數(shù)；
[0064] (C)采用一個或更多個測量得的鉆進參數(shù)，作為控制系統(tǒng)中的輸入，W便獲得來自 控制系統(tǒng)的輸出，該輸出包括被鉆材料的一個或更多個計算得的特性；
[0065] (d)采用被鉆材料的一個或更多個計算得的特性和/或一個或更多個測量得的鉆 進參數(shù)，作為控制系統(tǒng)中的輸入，W便獲得來自控制系統(tǒng)的輸出，該輸出包括一個或更多個 計算得的鉆進參數(shù)；
[0066] (e)將一個或更多個計算得的鉆進參數(shù)可選擇地應(yīng)用于鉆進模塊；
[0067] (門可選擇地重復(fù)步驟化）、（(3)、（(1)^及(6)。
[0068] 在本發(fā)明的一些實施方式中，在步驟(d)中，除了測量得的鉆進參數(shù)之外，還可W 采用來自控制過程的上次迭代的一個或更多個計算得的鉆進參數(shù)，作為進一步輸入，W確 定計算得的鉆進參數(shù)。運可W例如在迭代中未測量所有鉆進參數(shù)時發(fā)生。另外或另選地，在 計算得的材料特性的值不可用的情況下，反而可W使用來自上次迭代的計算得的值。
[0069] 在步驟(a)中，步驟"采用……W控制鉆進模塊"可W是指，將關(guān)于被鉆材料的一個 或更多個初始特性的信息"應(yīng)用"或"發(fā)送"到控制系統(tǒng)和/或鉆進模塊。因此，本發(fā)明還提供 一種用于控制共振增強旋轉(zhuǎn)鉆機的方法，該共振增強旋轉(zhuǎn)鉆機包括鉆進模塊和用于控制鉆 進模塊的一個或更多個鉆進參數(shù)的控制系統(tǒng)，該方法包括W下步驟：
[0070] (a)將被鉆材料的一個或更多個初始特性和/或一個或更多個初始鉆進參數(shù)應(yīng)用 于控制系統(tǒng)和/或鉆進模塊；
[0071] (b)測量一個或更多個當前鉆進參數(shù)，W獲得一個或更多個測量得的鉆進參數(shù)；
[0072] (C)采用一個或更多個測量得的鉆進參數(shù)，作為控制系統(tǒng)中的輸入，W便獲得來自 控制系統(tǒng)的輸出，該輸出包括被鉆材料的一個或更多個計算得的特性；
[0073] (d)采用被鉆材料的一個或更多個計算得的特性和/或一個或更多個測量得的鉆 進參數(shù)，作為控制系統(tǒng)中的輸入，W便獲得來自控制系統(tǒng)的輸出，該輸出包括一個或更多個 計算得的鉆進參數(shù)；
[0074] (e)將一個或更多個計算得的鉆進參數(shù)可選擇地應(yīng)用于鉆進模塊；
[0075] (f)可選擇地重復(fù)步驟化）、（(3)、（(1)^及(6)。
[0076] 在本發(fā)明中，鉆進參數(shù)不受特別限制，并且可W是在控制鉆進過程中有用的任意 參數(shù)。參數(shù)的數(shù)量也不受特別限制，只要采用至少一個。在一些實施方式中，參數(shù)的數(shù)量可 W是2個或更多、3個或更多、4個或更多、5個或更多、6個或更多、7個或更多、8個或更多、9個 或更多或者10個或更多。通常，鉆進參數(shù)從W下參數(shù)選擇：
[0077] (a)對被鉆材料的軸向鉆機力（也稱為"鉆壓"（W0B:weight on bit)，或"靜態(tài) 方'）;
[0078] (b)鉆機(或鉆頭或鉆進模塊）的速率或速度，并且通常為穿過被鉆材料的速率或 速度(也稱為前進率(ROP);
[0079] (C)鉆機(或鉆頭或鉆進模塊)的加速度，并且通常為穿過被鉆材料的加速度；
[0080] (d)鉆機的振蕩頻率；
[0081] (e)鉆機的振幅；
[0082] (f)對被鉆材料的振蕩軸向鉆機力(也稱為"動態(tài)方'）；
[0083] (g)鉆機的旋轉(zhuǎn)速率或旋轉(zhuǎn)速度；
[0084] 化)對被鉆材料的、鉆機的旋轉(zhuǎn)力或扭矩；
[0085] (i)流體流率;W及
[0086] (j)鉆頭的相對位移。
[0087] 在該上下文中，流體流率包括穿過鉆頭、在鉆頭周圍和/或在鉆頭上的流體量。通 常，流體穿過鉆進區(qū)域，W便潤滑、冷卻和清除巖屑用途。在一些情況下，（諸如具有ROP的情 況），鉆進參數(shù)無法直接應(yīng)用于鉆進模塊，而是可W通過應(yīng)用與間接參數(shù)有關(guān)的其他參數(shù)中 的一個或更多個來間接應(yīng)用的參數(shù)。
[0088] 根據(jù)條件、鉆進方法、材料(巖石)類型W及過程的目的，來使運些參數(shù)中的一個或 更多個可W最大化、最小化或優(yōu)化。然而，通常對于最大化和優(yōu)化，期望間接鉆進參數(shù)(諸如 ROP)。例如，應(yīng)當最小化的另一個運種參數(shù)可W為鉆頭磨損。
[0089] 在本發(fā)明中，被鉆材料的特性不受特別限制，并且可W是控制鉆進過程中有用的 任意特性。特性的數(shù)量也不受特別限制，只要采用至少一個即可。在一些實施方式中，特性 的數(shù)量可W是2個或更多、3個或更多、4個或更多、5個或更多、6個或更多、7個或更多、8個或 更多、9個或更多或10個或更多。通常，被鉆材料的特性從W下特性選擇：
[0090] (a)材料的壓縮強度；
[0091] (b)材料的剛度或有效剛度；
[0092] (C)材料的屈服強度；
[0093] (d)材料的沖擊強度；
[0094] (e)材料的疲勞強度；
[00M] (f)材料的拉伸強度；
[0096] (g)材料的剪切強度；
[0097] 化)材料的硬度；
[0098] (i)材料的密度；
[0099] (j)材料的楊氏模量;W及
[0100] 化)材料的泊松比。
[0101] 通常，步驟(a)中的被鉆材料的一個或更多個初始特性從經(jīng)驗信息(優(yōu)選地從數(shù)據(jù) 庫)獲得。進一步通常地，步驟(a)中的一個或更多個初始鉆進參數(shù)從經(jīng)驗信息(優(yōu)選地從數(shù) 據(jù)庫)獲得。數(shù)據(jù)庫通常由在(各種尺寸、直徑、重量等的）鉆進模塊對各種巖石類型和巖層 的測試期間獲得的信息構(gòu)成。
[0102] 步驟(C)中的被鉆材料的一個或更多個計算得的特性可W使用計算或估計W任意 適當?shù)姆绞絹慝@得，但通常它們使用一個或更多個模型(諸如一個或更多個經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃?或 數(shù)學模型)來獲得。模型不受特別限制，只要它們是用于計算討論中的參數(shù)的有效模型（即， 它們能夠進行所期望參數(shù)的合理估計）即可。通常，模型為經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ㄖT如從經(jīng)驗性數(shù)據(jù)而 不是從基于物理或數(shù)學的定理開發(fā)的模型）。優(yōu)選地，一個或更多個模型包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在 一些實施方式中，一個或更多個模型可W包括NARMAX(具有外因輸入的非線性自回歸移動 平均，Nonlinear AutoRegressive Moving Average with eXogenous inputs)模型和/或 基于沖擊的模型和/或基于穿透的模型。若需要，所用的任意模型可W連同一個或更多個其 他模型一起使用。在一些情況下，幾個不同模型一起或單獨使用可W提供更準確的結(jié)果。
[0103] 在本發(fā)明中，步驟(d)中的一個或更多個計算得的鉆進參數(shù)可W使用計算或估計 W任意適當?shù)姆绞絹慝@得，但通常它們使用模糊邏輯模型來獲得。所采用的模糊邏輯模型 不受特別限制，并且可W采用領(lǐng)域中已知的任意模糊邏輯模型。通常，本發(fā)明中所用的模糊 邏輯模型包括：
[0104] (i)處理步驟(d)輸入?yún)?shù)，W產(chǎn)生模糊輸入?yún)?shù)；
[0105] (ii)處理模糊輸入?yún)?shù)，W產(chǎn)生模糊結(jié)論；W及
[0106] (iii)處理模糊結(jié)論，W給出步驟(d)輸出參數(shù)。
[0107] 在一些實施方式中，步驟（i)包括采用從屬函數(shù)(membership化nction)，W將一 個或更多個輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)換成一個或更多個模糊輸入?yún)?shù)。優(yōu)選地，步驟(ii)包括推理機制 和規(guī)則庫，其中，推理機制用于基于輸入?yún)?shù)和/或步驟(i)的模糊輸入?yún)?shù)，從規(guī)則庫選擇 要應(yīng)用的一個或更多個規(guī)則，并且其中，一個或更多個規(guī)則應(yīng)用于一個或更多個模糊輸入 參數(shù)，W將一個或更多個模糊輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)換成一個或更多個模糊結(jié)論。通常但不唯一地，步 驟(iii)包括采用從屬函數(shù)和/或重屯、法，W將一個或更多個模糊結(jié)論轉(zhuǎn)換成步驟(d)輸出 參數(shù)。
[0108]在本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方式中，被鉆材料的特性的模型采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且用 于鉆進參數(shù)的模型使用模糊邏輯。
[0109] 在步驟(b)中測量一個或更多個當前鉆進參數(shù)(存在于應(yīng)用所計算參數(shù)之前的過 程的當前迭代中的鉆進參數(shù)）的方法不受特別限制。然而，優(yōu)選地，運使用在鉆進模塊中所 并入的一個或更多個傳感器來進行。所述一個或更多個傳感器不受特別限制，只要它們能 夠測量所設(shè)及的具體參數(shù)即可，但在優(yōu)選實施方式中，傳感器從測壓元件（load cell)、滿 流傳感器、加速計、用于測量模塊中電流和/或電壓變化的傳感器，W及運些傳感器中的每 一個的一個或多個的任意組合選擇。
[0110] 方法中還可W使用進一步的參數(shù)(諸如與鉆進設(shè)備有關(guān)的、不會改變的固定參數(shù) (重量、尺寸(鉆頭的直徑、鉆孔的直徑、鉆進模塊的長度)等)和可W或可W不固定的外部參 數(shù)(諸如溫度、壓力等））。通常，但不唯一地，該進一步參數(shù)從W下參數(shù)選擇：
[011U (a)鉆頭的直徑；
[0112] (b)鉆進模塊的質(zhì)量；
[0113] (C)被鉆材料的溫度；
[0114] (d)被鉆材料的地靜壓力（geostatic pressure)或孔隙壓力（pore pressure);
[0115] (e)鉆進模塊的長度；
[0116] (f)鉆孔的寬度；W及
[0117] (g)鉆孔的深度。
[0118] 本發(fā)明還提供一種鉆進的方法，該方法包括W下步驟:操作共振增強鉆機，W對材 料進行鉆進，其中，共振增強鉆機根據(jù)如上所定義的方法來控制。
[0119] 本發(fā)明還提供一種用于共振增強鉆進的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括：
[0120] (a)用于確定被鉆材料的一個或更多個特性的控制器，W及
[0121] (b)用于確定一個或更多個鉆進參數(shù)的控制器；
[0122] 其中，控制系統(tǒng)被構(gòu)造為執(zhí)行如上所定義的方法。
[0123] 本發(fā)明更進一步提供一種用于共振增強鉆進的設(shè)備，該設(shè)備包括：
[0124] (a)鉆進模塊;和
[0125] (b)如上所定義的控制系統(tǒng)。
[01%]共振增強鉆進
[0127] 如上面所強調(diào)的，本發(fā)明設(shè)及共振增強鉆進過程或設(shè)備的控制。本發(fā)明的方法可 W應(yīng)用于常規(guī)R邸法(諸如W02007/141550和W02011/032874所公開的那些方法）。在運種已 知的方法中，通?；趯鞲衅饔糜谥苯哟_定被鉆巖石的壓縮強度的反饋機構(gòu)，來控制振 蕩器的動作的參數(shù)。在本方法中，如上所述，采用更加精細的反饋。
[0128] 通常，在已知Rm)法中，在操作期間，旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)鉆頭，并由振蕩器向鉆頭施加軸向定 向的動態(tài)載荷，W產(chǎn)生裂紋擴展區(qū)域，W幫助旋轉(zhuǎn)鉆頭穿透材料。在已知方法中，通常如 W02011/032874所述來控制振蕩器。在運些方法中，頻率和動態(tài)力的范圍基于下面提供的分 析。在本發(fā)明中，下面的細節(jié)代表作為更精細控制過程可W應(yīng)用到的過程的指南。
[0129] 地層的壓縮強度給出必需沖擊力的下限。最小所需的動態(tài)力的幅度如下計算：
[0130]
[0131] Deff為作為根據(jù)與被鉆材料接觸的鉆頭的形態(tài)(fraction)而計算的鉆頭的直徑D 的旋轉(zhuǎn)鉆義的巧滿首巧-由此，有效直徑Deff可W被定義為：
[0132]
[013引其中，Scnntact為對應(yīng)于接觸被鉆材料的鉆頭的形態(tài)的換算系數(shù)。例如，估計出僅鉆 頭表面的5%與被鉆材料接觸，有效直徑Deff可W被定義為：
[0134]
[0135] 上述計算提供振蕩器的動態(tài)力的下限。使用比該下限更大的動態(tài)力在操作期間在 鉆頭前面產(chǎn)生裂紋擴展區(qū)域。然而，如果動態(tài)力太大，那么裂紋擴展區(qū)域?qū)⑦h離鉆頭延伸， 危害鉆孔穩(wěn)定性并降低鉆孔質(zhì)量。另外，如果旋轉(zhuǎn)鉆機上由振蕩器給予的動態(tài)力太大，那么 可能產(chǎn)生加快的且災(zāi)難性的工具磨損和/或故障。
[0136] 參數(shù)
[0137] 如上面使清楚的，本控制過程的重要部分是，將測量得的鉆進參數(shù)和模型化的材 料特性用作輸入來進行鉆進參數(shù)的建模。
[0138] 為了對各種鉆進參數(shù)對R抓的影響進行充分建模，需要將鉆進模塊(特別是鉆頭） 和材料(例如，巖石）的相互作用考慮在內(nèi)的物理模型。運種模型應(yīng)當優(yōu)選地不僅捕獲材料 破碎過程，還模擬系統(tǒng)的鉆進動力學。運可W如下所示例地完成，假如對材料的力學響應(yīng)充 分建模。那么，運些響應(yīng)可W在鉆進參數(shù)計算控制器中，例如用于為模糊邏輯過程建立適當 的規(guī)則庫和推理機制。
[0139] 與鉆孔產(chǎn)生的任意其他方法一樣，共振增強鉆進(RED)的執(zhí)行取決于所應(yīng)用的輸 入?yún)?shù)。例如，期望鉆壓(W0B)、旋轉(zhuǎn)速度、激勵的力幅W及頻率對實現(xiàn)的常規(guī)鉆進上的前進 率和百分比改進具有重大影響。對運些參數(shù)如何獨立地影響R邸的結(jié)果的理解，對于確定最 優(yōu)執(zhí)行所需的組合是重要的。
[0140] 發(fā)明人針對砂巖執(zhí)行基于實驗確定的特性的模擬。鉆頭和剩余鉆柱被認為是剛性 元件。
[0141] 與更早的實驗研究相比，研究并觀察對于W0B、旋轉(zhuǎn)速度、激勵幅度W及激勵頻率 的影響而獲得的結(jié)果。
[0142] WOB的影響
[0143] 鉆壓(WOB)提供常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆進中的巖石破碎所需的力。然而，在R邸中，力為靜態(tài)力 (或W0B)和動態(tài)力的組合。因此，需要理解WOB對過程的作用。為了研究WOB對R抓的執(zhí)行的影 響，進行有限元模擬。保持材料特性、旋轉(zhuǎn)速度、激勵幅度W及激勵頻率恒定，而靜態(tài)力可W 在最小值和最大值之間(諸如從0.75kN至2kN)變化。
[0144] 圖28示出了針對各所用載荷的鉆頭的位移的時間關(guān)系圖表。據(jù)觀察，在模擬的常 規(guī)鉆進階段期間的時間關(guān)系圖表的斜度(gradient)總是低于R抓期間經(jīng)歷的時間關(guān)系圖表 的斜度。運定性地類似于實驗室中的實驗結(jié)果。
[0145] 在圖29(a)中，描述了旭0的改進因子的變化。所獲得的值對于所用的所有WOB還算 恒定。值得一說的是運不對應(yīng)于實驗。運是由于如下事實，實驗中所用的真正巖石為非均質(zhì) 的，而該模型中的巖石具有同質(zhì)的特性。因此，對于改進因子期望獲得還算恒定的值。圖29 (b)是對于不同WOB的、WOB與前進之間的關(guān)系的圖形表現(xiàn)。據(jù)觀察，前進隨著增大的WOB而增 加，直到1.75kN(其之后觀察到下降）為止。
[0146] 激勵幅度的影響
[0147] 當RED中鉆頭沖擊巖石時可用的能量為諧波激勵的幅度函數(shù)。然而，由于可用于 R抓致動器的功率，所W存在對可達到的最大值的限制。由此，有用的是建立其如何影響鉆 進過程的整個執(zhí)行。為了研究幅度的變化的作用，在保持其他WOB(靜態(tài)力)和其他鉆進參數(shù) 恒定的同時，W不同的力幅度進行=個模擬。
[0148] 圖30呈現(xiàn)了常規(guī)鉆進和R抓期間鉆頭的位移的時間關(guān)系圖表。注意的是，在R抓階 段期間獲得的平均穿透率總是大于在模擬的常規(guī)鉆進階段期間實現(xiàn)的平均穿透率。
[0149] 在圖31(a)中，呈現(xiàn)了前進率對激勵幅度的圖表。前進率隨著幅度而增大，改進因 子也是如此(圖31(b))。觀察結(jié)果符合從實驗獲得的結(jié)果。
[0150] 激勵頻率的影響
[0151] 動態(tài)力的激勵頻率確定每單位時間內(nèi)可用于巖石破碎的能量率。因此，理解頻率 如何影響RED的效率將幫助選擇鉆進操作中要使用的最優(yōu)值。
[0152] 頻率對執(zhí)行的影響也使用相同有限元模型來研究。保持其他模型參數(shù)恒定的同時 改變頻率的值。從150Hz、180Hz、190Hz JOOHzW及210Hz進行模擬。在圖32中的鉆頭的位移 的時間關(guān)系圖表方面來描述結(jié)果。
[0153] 圖33(a)示出了頻率與穿透率之間的關(guān)系，而在圖33(b)中用圖表呈現(xiàn)了對于不同 速度獲得的改進因子。對于所用范圍，穿透率隨著增大的頻率而增大。還據(jù)觀察，圖表的斜 度在超過180Hz時變得明顯更高。運提示如果進行更高頻率的模擬，則可W發(fā)現(xiàn)最優(yōu)執(zhí)行所 需的最佳值。對于如圖33(b)所示的改進因子獲得類似的結(jié)果。在R抓實驗中觀察運些類型 的結(jié)果。
[0154] 旋轉(zhuǎn)速度的影響
[0155] 鉆柱的旋轉(zhuǎn)速度有助于鉆進過程的效率。已知在常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆進中，旋轉(zhuǎn)速度在巖 石破碎和鉆屑移除中起到重要作用。有用的是，研究旋轉(zhuǎn)速度對R邸的執(zhí)行的影響。
[0156] WSOrmp的梯級（St邱)對從30rpm至12化pm變化的旋轉(zhuǎn)速度進行研究。分析的結(jié)果 在鉆頭的位移的時間關(guān)系圖表方面用圖表呈現(xiàn)在圖34中。R抓階段的平均穿透率總是超過 常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆進的平均穿透率。
[0157]根據(jù)圖34和圖35(a)，還注意的是，鉆進組件對于旭0和常規(guī)鉆進運兩者隨著增加 的旋轉(zhuǎn)速度而更快地移動。圖35(b)是對于各種速度而獲得的改進因子的圖形簡況。觀察到 改進因子對于所應(yīng)用的所有旋轉(zhuǎn)速度保持還算恒定。運些結(jié)果符合從實驗獲得的結(jié)果。
[015引參數(shù)影響的總結(jié)
[0159] 具體地，示出了WOB和動態(tài)力運兩者有助于巖石破碎所需的力。由此可見，WOB和動 態(tài)力各自的量影響鉆進過程的效率。WOB被示出具有用于要實現(xiàn)的最佳性能的最優(yōu)值。增大 所產(chǎn)生的激勵幅度增大R邸的穿透率和改進因子。
[0160] 數(shù)據(jù)示出了激勵頻率在可用于巖石破碎的每單位時間內(nèi)的能量的量中起到了重 要作用。另外，旋轉(zhuǎn)速度被示出為確定從鉆頭的面的材料移除率。穿透率被示出為隨著增加 的旋轉(zhuǎn)速度而增大。
[0161] 從所進行的有限元模擬獲得的所有結(jié)果定性地類似于從R邸實驗觀察的結(jié)果。
[0162] 總之，為了對各種鉆進參數(shù)對R抓的影響充分建模，開發(fā)了考慮鉆進模塊(例如，鉆 頭)和材料(例如，巖石）相互作用的物理(或經(jīng)驗性)模型。運些模型被示出為，適于確定巖 石和其他材料的最佳鉆進參數(shù)，并且可W用于作為本發(fā)明的控制過程的部件的控制器中。 在用于計算鉆進參數(shù)的模糊邏輯控制器中，模型可W用于建立適當?shù)囊?guī)則庫和推理機制， 或者可W用于其他控制策略中。
[0163] 控制系統(tǒng)
[0164] 圖4中示出了根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)的示例。在該方案中，用于計算被鉆材料的特 性的控制器被標記為"巖石識別機構(gòu)"，用于計算鉆進參數(shù)的控制器被標記為"控制器"，并 且如控制方法中所采用的示出了各種示例性材料特性和鉆進參數(shù)。
[0165] 用于計算鉆進參數(shù)的控制器
[0166] 由發(fā)明人進行的模擬研究展示了，給出最優(yōu)穿透率的最佳激勵幅度和WOB根據(jù)巖 石剛度而變化。本發(fā)明的模糊控制策略被優(yōu)選為，對于不同的巖石(或其他材料)條件調(diào)節(jié) RED鉆進模塊的最佳頻率和幅度(或其他鉆進參數(shù)）。
[0167] 圖21呈現(xiàn)了所提出方法的示意圖，該方法含有模糊化、推理機制、規(guī)則庫W及去模 糊化。模糊化是運樣的過程:將清晰（crisp)輸入轉(zhuǎn)換成語言術(shù)語，然后基于預(yù)定義的規(guī)則 庫將它們置于推理機制中。稍后，將從推理機制獲得的語言決策轉(zhuǎn)換成用于漂移振蕩器的 清晰控制參數(shù)。如圖21所示，本控制系統(tǒng)具有至少一個輸入(例如剛度斜率，如附圖中的）和 至少一個輸出（附圖中為兩個輸出，在該示例中為激勵幅度和靜態(tài)力）。
[0168] 圖22中給出了本控制過程的流程圖。如從該圖所示，該過程W初始化開始，并且一 旦模擬開始則記錄針對一個推進時期(period of forcing)的數(shù)據(jù)。然后，模糊系統(tǒng)評估當 前控制參數(shù)(b和a)是否為可W在當前剛度條件下產(chǎn)生最優(yōu)效率的最優(yōu)控制參數(shù)。如果是， 則系統(tǒng)將繼續(xù)使用當前控制參數(shù);如果不是，則將采用由模糊控制系統(tǒng)計算出的清晰控制 參數(shù)(更新后的、或計算得的鉆進參數(shù)）。
[0169] 模糊化
[0170] 模糊控制器具有至少一個輸入信號(在該示例中諸如為剛度斜率）。推理機制將基 于模糊后的輸入選擇控制規(guī)則。圖23中呈現(xiàn)了剛度斜率的模糊化。如圖23中所看出的，大 于-0.5024的剛度斜率定義為"軟"，-0.5024至-5.0237之間的剛度斜率定義為"中等"，并且 小于-5.0237的剛度斜率定義為"硬"。表4中給出了模糊化的簡介，并且圖24中給出了剛度 斜率的從屬函數(shù)。
[0171] 表4-剛度斜率的模糊化
[0172]
[0173] 規(guī)則庫
[0174] 因為對于該示例假定靜態(tài)載荷固定，所W模糊控制器的目的可W被轉(zhuǎn)換成，發(fā)現(xiàn) (例如）產(chǎn)生最優(yōu)平均前進的最佳激勵幅度。如下給出用于該示例的基于馬丹尼模型 (Mamdan i mo d e 1)的模糊控制規(guī)則：
[0175] ?如果剛度為軟，則WOB為大，并且激勵幅度為??；
[0176] ?如果剛度為中等，則WOB為中等，并且激勵幅度為中等；
[0177] .如果剛度為硬，則WOB為小，并且激勵幅度為大；
[0178] 可W按需應(yīng)用用于參數(shù)之間的其他關(guān)系的其他規(guī)則。當存在幾個輸入時，可W對 于不同的輸入?yún)?shù)應(yīng)用不同的規(guī)則。類似地，當需要優(yōu)化不同的參數(shù)時，可W應(yīng)用進一步不 同的規(guī)則。推理機制可W適于確保正確的規(guī)則與所采用的輸入和所優(yōu)化的參數(shù)匹配。
[0179] 去模糊化
[0180] 圖25示出了用于來自推理機制的模糊結(jié)論的去模糊化的靜態(tài)載荷和激勵幅度的 從屬函數(shù)。特別優(yōu)選的是，可W使用如下的重屯、法，借助給重屯、法，使用各隱含模糊集合的 總面積的中屯、來計算清晰輸出。
[0181] 數(shù)值結(jié)果
[0182] 發(fā)明人通過使用W下參數(shù)來進行對所提出模糊控制器的模擬研究:m=l、Pf = l、寫 =0.05、《=0.1、邑=0.02^及9=巧/2。圖26中示出了使用4 = 3、6 = 0.13^及曰=0.2的、由下 面的一組線來指示的模擬結(jié)果。模糊控制器指示最佳參數(shù)為b = 0.1432和a = 0.3126,并且 圖26中示出了使用最佳參數(shù)的、由上面的一組線指示的模擬結(jié)果?？蒞清晰的看出，顯著增 大使用最佳參數(shù)的位移，并且可W在圖27中看出使用最佳參數(shù)的改進后的平均前進。
[0183] 用于計算被鉆材料的特性的控制器
[0184] 現(xiàn)在將更詳細地描述用于計算被鉆材料的特性的控制器。當前的控制系統(tǒng)和方法 可W用于許多類型的鉆進中，因此，不限于大型鉆進(諸如鉆過巖石）。然而，通常，本發(fā)明很 好地適于大型鉆進(諸如采礦工業(yè)和石油工業(yè)中的巖石鉆進）。因此，被鉆材料通常為一種 類型的巖石。然而，在W下內(nèi)容中，對巖石的提及也可W當作適用于其他材料。
[0185] 當材料為巖石或任意其他材料時，可W在數(shù)學優(yōu)化方面用公式來表達材料識別問 題:給定所觀察的信號x(t)(從鉆進測量獲得的），有用的是發(fā)現(xiàn)模型函數(shù)y(t，p)(p為模型 的參數(shù)），使得誤差：
[0186]
[0187] 為最小。為了解決該問題，數(shù)個算法(例如圖5中所示的基于反分析的算法)可用。 然而，運種算法的成功應(yīng)用需要存在如下的魯棒數(shù)學模型：其W可W預(yù)測信號y(t，p)的運 種方式來描述要被研究的現(xiàn)象。
[0188] 之前控制系統(tǒng)的問題和本發(fā)明潛在的問題是，迄今在物理學方面沒有可用于描述 經(jīng)受鉆進過程的巖層的具體特性的準確模型。因此，發(fā)明人確定應(yīng)用不同的方法。由發(fā)明人 所探索的另選途徑包括W下經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?br>[0189] ?遺傳算法-基于一代又一代的遺傳庫過渡，源于達爾文的進化論。
[0190] ?蟻群算法-基于昆蟲的行為。
[0191] ?禁忌研究(Tabu research)-探索所期望臨界值的本地鄰域。
[0192] ?粒子群優(yōu)化-基于組(諸如天空中飛翔的鳥或建筑物內(nèi)部尋找出口的人)的社會 行為。
[0193] .人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-受模式識別問題歡迎，其中，該方法模擬中樞神經(jīng)系統(tǒng)的學習過 程。
[0194] 所有運些方法為系統(tǒng)提供物理理論的有用另選方案?？傊?，本發(fā)明中優(yōu)選的是采 用運種另選經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀＿\可W是或可W不是數(shù)學模型。
[0195] 用于識別材料(或巖石)特性的其他潛在有用的模型包括基于沖擊的識別、基于穿 透的識別W及NARMAX模型。
[0196] 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別
[0197] 在本發(fā)明中，雖然可W采用上述經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭械娜我庖粋€(或任意其他適當模型）， 但對于解決材料特性(巖石特性)識別問題而言，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)是最優(yōu)選的。雖然人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于其他參數(shù)也同樣有用，但它們在材料的剛度是要采用的一個參數(shù)時特別有 用。Ar^N呈現(xiàn)不需要討論中的現(xiàn)象的顯式數(shù)學模型（或物理學模型）的顯著優(yōu)點。Ar^N的關(guān)鍵 點是，對于所選網(wǎng)絡(luò)進行適當?shù)膶W習過程。圖6中示出了 Ar^N的神經(jīng)元模型。
[0198] Ar^N為對生物神經(jīng)系統(tǒng)的操作(例如，學習、分類W及模式識別)進行建模的一般數(shù) 學計算范式。中屯、思想是定義如下的合適特征向量(措施），其捕獲要被研究過程的特性(在 運種情況下為鉆進條件下的材料(巖石)特性）。一旦定義了一組特征向量，則Ar^N經(jīng)受學習 過程，在該過程中，為了正確識別巖石特性，將調(diào)整其系數(shù)。在該階段，重要的是，W訓練 試樣代表實際應(yīng)用中所期望的鉆進條件的運種方式，具有足夠大范圍的訓練試樣。
[0199] 在本發(fā)明中，存在可W用于MN識別過程的若干可用信號。具體地，為鉆頭的位置 和加速度。運允許定義對于位置和加速度信號運兩者而采用的各種特征測量(諸如動力、峰 值、傅里葉系數(shù)等）。運可W由實驗來說明?？紤]W下鉆進條件下產(chǎn)生的一組訓練信號：
[0200] 表1用于訓練的實驗數(shù)據(jù)的參數(shù) 「0勺011
LUAJ^」 刈 于化岡若和做'若，兇丫甲不出J上巧巧巧殺件h廣生的訓珠信號U亞置和觀化巧 信號）。
[0203] 在圖8中，示出了對于Ar^N訓練而采取的各種測量。該方法的一個關(guān)鍵方面是，采取 能夠區(qū)分感興趣的特性的測量，該感興趣的特性在該示例中為巖石類型(花崗巖/砂巖）。如 可W在圖中看出的，對于各個巖石類型，所選測量有效地累積，由此，給出它們識別什么類 型的巖石正被鉆的能力的指示。
[0204] 憑借運些測量，可W進行選擇監(jiān)督式學習作為實施方案的學習算法(Matlab A順 工具箱所用于的）。在圖9中可W觀察該過程的執(zhí)行。如可W看出的，算法收斂非?？欤\意 味著潛在問題是適定的(well-posed)。因為問題的適定性與識別技術(shù)的魯棒性密切相關(guān)， 所W運是要考慮的非常重要的方面。運鑒于必須仔細識別巖層的可能苛刻條件而是重要 的。在運點上，該方法示出了非常好的收斂特性，運是該技術(shù)為計算實際鉆進條件的很大改 進的指示。
[0205] 一旦已經(jīng)訓練ANN，則為了驗證它的識別能力，可W測試網(wǎng)絡(luò)。運可W通過W所有 過程用同組的實驗數(shù)據(jù)來進行的運種方式將試樣數(shù)據(jù)劃分為兩組來進行：訓練組和測試 組。然而，為了說明所提出的識別技術(shù)的魯棒性和有效性，如下面表2中所詳細說明地使用 單組實驗數(shù)據(jù)。
[0206] 表2用于的1試的實驗數(shù)據(jù)的參數(shù) 「rm7l
[0208] 如可W看出的，測試數(shù)據(jù)的參數(shù)不同于訓練數(shù)據(jù)的參數(shù)，但當然它們合理地類似。 由此，使用該新組實驗數(shù)據(jù)可W把位置和加速度當作主要信號，并獲得之前為了測試所訓 練網(wǎng)絡(luò)而定義的測量。
[0209] 圖10中可W看出結(jié)果。運是所謂的混淆矩陣，其示出了試樣的絕對數(shù)及其對應(yīng)于 正確和非正確識別信號的百分比。在運種情況下，可W看出，所有試樣累積在混淆矩陣的對 角線中，運意味著對應(yīng)于種類1(花崗巖)的試樣已經(jīng)被網(wǎng)絡(luò)識別為屬于種類1等。因此，為了 實施圖5中所示的巖石識別控制器，可W應(yīng)用并擴展該方法。
[0210] 基于沖擊的識別
[0211] 也可W使用基于鉆頭的加速度的方法來實現(xiàn)材料特性的識別。圖11中所示的簡單 沖擊模型，其中，質(zhì)量mi與被建模為輕防護板的基礎(chǔ)碰撞，該輕防護板由具有恢復(fù)系數(shù)ks的 輕彈黃和具有阻尼系數(shù)ts的輕粘性阻尼器支撐。模型的動力學由W下方程式來管理：
[0219] 在質(zhì)量虹-防護板接觸開始時，并且在時間Ti之后的質(zhì)量虹-防護板接觸結(jié)束時，振 蕩器(IUh干平錐術(shù)杰.所W接觸在等于振蕩周期的一半的時間期間發(fā)生：
[0212]
[0213]
[0214]
[0215]
[0216] 則獲得I
[0217]
[021 引
[0220]
[0221] 圖12呈現(xiàn)了在與防護板第一次沖擊時質(zhì)量mi的等效響應(yīng)。如可W從圖看出的，對 于第一次沖擊標記沖擊持續(xù)時間Tl和沖擊幅度出。。，并且運兩個重要參數(shù)用于構(gòu)造可W識 別巖石的特性的沖擊圖.
[0222] 如果保持控制參數(shù)恒定，對于不同類型的巖石，沖擊持續(xù)時間和沖擊幅度不同。對 于軟型巖石，沖擊持續(xù)時間更長，并且沖擊幅度更小。對于硬型巖石，沖擊持續(xù)時間更短，并 且沖擊幅度更大。
[0223] 圖13示出了使用相同控制參數(shù)的具有各種剛度系數(shù)的沖擊圖。當剛度增大(從右 底部至左頂部)時，沖擊持續(xù)時間變得更短，并且沖擊幅度變得更大。所W，通過在該圖中監(jiān) 測沖擊的位置來識別巖石的剛度是明確的。
[0224] 為了更加理解沖擊動作，圖14示出了具有各種剛度系數(shù)和不同沖擊速率的沖擊 圖。發(fā)現(xiàn)，具有相同剛度系數(shù)的情況下，沖擊持續(xù)時間在沖擊速率不同時保持不變。還可W 推斷的是，通過應(yīng)用更大的沖擊速度而產(chǎn)生的巖石的剛度的變化（由最上圈標記的），比通 過應(yīng)用更小的沖擊速率而產(chǎn)生的變化（由最下圈標記的)更明顯。因為該現(xiàn)象展示了在共振 條件下操作R邸的要求，所W它是有趣的。
[0225] 基于穿透的識別
[0。6]沖擊識別與該方法之間的主要區(qū)別是：前者通過使用加速單個（acceleration single)的沖擊持續(xù)時間和沖擊幅度來考慮沖擊動作的幾何學，而后者考慮加速單個的沖 擊幅度和鉆頭到巖石中的穿透。
[0227] 考慮如圖15所示的具有漂移的沖擊振蕩器(從化vlovskaia E. ,Wiercigroch M., Grebogi C.:(2001),Modelling of an impact system with a drift,Phy Rev E,64, 056224改編），其中，質(zhì)量m由含有幅度Pd、頻率Q W及相移奪的諧波分量和靜態(tài)分量Ps的外 力來驅(qū)動。假定在初始時刻t = 0時，間隙G是質(zhì)量與無重量滑動器頂板之間的距離，該無重 量滑動器頂板經(jīng)由具有剛度k的線性彈黃和具有阻尼系數(shù)C的黏性阻尼器連接到滑動器底 板。Xm、Xt、Xb分別表示質(zhì)量、滑動器頂部W及滑動器底部的絕對位移。假定重力被包括在靜 態(tài)力中，或者模型在水平面中操作。
[0228] 所考慮的系統(tǒng)被寫到一組一階微分方程：
[0229]
[0230]
[0231]
[0232] 其中，H(.)是亥維賽化eaviside)函數(shù)，其被描述為：
[0233] Pi = Pi(x,z) =H(x-z-g),
[0234] P2 = P2(z，z'，v) =H(2|z'+z-v)，
[0235] P3 = P3(z，z'，v)=H(2|z'+z-v-1)，
[0236] P4=P4(v' ) =H(v')，。
[0237] 假定未知線性彈黃的剛度k，則該方法的目的是，估計模擬鉆進過程期間巖石的剛 度的漂移振蕩器的剛度。
[0238] 圖16的(a)中示出了所研究系統(tǒng)的位移的時間關(guān)系圖表，實線表示質(zhì)量的位移，并 且虛線表示滑動器底部的位移。如可W看出的，系統(tǒng)在周期-1響應(yīng)中，其中每推進周期質(zhì)量 具有與滑動器頂部的一個碰撞。在化vlovskaia E. ,Wiercigroch M. ,Grebogi C. : (2001), Modelling of an impact system with a 化ift,Phy Rev E,64,056224中，發(fā)現(xiàn)如圖 16的 (b)所示使用質(zhì)量速度y對相對位移X-V的相位圖給出該沖擊行為的深刻理解。然而，從相位 圖，難W估計與滑動器頂部的沖擊期間的質(zhì)量的加速度。該沖擊行為用于模擬鉆頭與巖石 之間的沖擊。如果在沖擊期間識別巖石的剛度，則為了實現(xiàn)最佳的穿透率，可W應(yīng)用適當?shù)?動態(tài)力和靜態(tài)力。本發(fā)明提供了一種如下的方法，該方法用于通過使用質(zhì)量加速度和相對 位移構(gòu)建相位圖而進行剛度識別。
[0239] 圖17中的數(shù)字結(jié)果示出了，僅具有沖擊的系統(tǒng)的時間關(guān)系圖表，圖17的(a)呈現(xiàn)了 質(zhì)量、滑動器頂部W及滑動器底部的位移，并且圖17的（b)呈現(xiàn)了沖擊期間質(zhì)量的加速度。 圖18示出了質(zhì)量的加速度對相對位移的軌跡。圖17和圖18中標記了S個臨界點A、BW及C， 它們分別指示沖擊的開始、相對位移的最大值W及沖擊的結(jié)束。如可W看出的，從點A開始， 質(zhì)量開始接觸滑動器頂部，并和滑動器頂部一起向下移動，并且來自滑動器頂部作用在質(zhì) 量的反作用力立刻增大。一旦質(zhì)量由反作用力停止，則質(zhì)量的加速度沿著向上方向?qū)崿F(xiàn)最 大值，并且質(zhì)量與滑動器底部之間的相對位移也最大。如果反作用力更大，則沿向上方向的 加速度的最大值更大，并且相對位移的最大值更短。因此，我們可W推斷質(zhì)量的加速度和相 對位移的最大值取決于線性彈黃的剛度系數(shù)。圖19通過使用=個不同的剛度系數(shù)模擬系統(tǒng) 來展示了上述結(jié)論?？闯龅氖?，具有剛度系數(shù)k = 0.5的響應(yīng)示出了最大相對位移和最小質(zhì) 量加速度，而具有剛度系數(shù)k = 5的響應(yīng)示出了最小相對位移和最大質(zhì)量加速度。
[0240] 基于NARMAX的識別
[0241] 已經(jīng)廣泛研究了經(jīng)受正弦輸入的分段線性振蕩器的行為（參見Wiercigroch M.， Wojewoda J.,Krivtsov A.M.:(2005),Dynamics of ultrasonic percussive drilling of hard rocks,J.Sound and V;Lbration,280,739-757)。然而，大多數(shù)研究集中于，表示在 經(jīng)由分支圖（bifurcation map)改變輸入幅度或頻率時觀察的復(fù)雜動力學體制的特征(參 見Ing,J. ,Pavlovskaia,E. ,Wiercigroch,!. ,Soumitro,B. ('Experimental study of impact oscillator with one-sided elastic constraint''.Phil.Trans .R.Soc.A,366 (2008) ,679-705)。雖然該信息提供了關(guān)于工作在已知環(huán)境中時的鉆機響應(yīng)的有用桐察，但 是它無法用于識別與物理上有意義的剛度變化關(guān)聯(lián)的新場景。發(fā)明人通過使用非線性系統(tǒng) 建模和分析來解決該問題。
[0242] 該方法包括使用來自圖20所示的沖擊振蕩器系統(tǒng)的輸入-輸出數(shù)據(jù)建立多項式 NARMAX(具有外因輸入的非線性自回歸移動平均，Nonlinear AutoRegressive Moving Average with eXogenous inputs)模型（參見Leonaritis , I. J. ,Billings, S.A. ('Input-output P曰rametric models for nonlinear systems,Part I:deterministic nonlinear systems". International journal of Control,41(1985),303-328)。然后，使用基于 ALE (關(guān)聯(lián)線性方程）的新型通用框架（參見Fei joo ,J.A.V. ,Worden,K.和Stanway , R . "Associated linear equations for Volterra operators''.Mechanical Systems and Signal processing, 19(2005) ,57-69)，在感興趣的特定頻率范圍內(nèi)，通過提取系統(tǒng)NOFRF (非線性輸出頻率響應(yīng)函數(shù)，Nonlinear 0u1:put Frequen巧Response F^mctions)在頻域 中分析所識別模型的響應(yīng)（參見Lang,Z.Q. ,Billings,S.A/'Ene;rgy hansfer properties of non-linear systems in the frequency domain". International journal of Control ,78(2005) ,345-362)。已經(jīng)進行模擬研究。結(jié)果展示了基于簡單NOFRF能量的指數(shù) 可W明顯區(qū)分剛度變化的不同場景，W便能夠用于監(jiān)測系統(tǒng)的操作條件。
[0243] 考慮沖擊振蕩器的無量綱模型：
[0244]
[0245] 所乂用的參數(shù)力
庚中，m二 1, g二0.00126, fn二9.38, C二 1.3, Xo二 0.001。如勺不同值用于不同的模擬中。測試W下值:0=1、5、6、8、l〇W及20。
[0246] 系統(tǒng)使用正弦輸入來識別：
[0247]
[0248] 其中，A = O.005,并且f = 8。因為運些值對于所研究的e的范圍產(chǎn)生可區(qū)別的簡單 (沒有分支)輸出，所W選擇運些值(更小的頻率產(chǎn)生太相似的輸出，更大的頻率產(chǎn)生難W識 別的動力學體制）。
[0249] 系統(tǒng)憑借固定Ts = O.06集成步驟使用第四階龍格-庫塔(Runge-Kutta)求解程序 來求積分。各模擬運行，直到Tf = 294.62巧000點）為止。
[0250] 具有2個試樣的最大延時和多達第S度的非線性的NARMAX模型使用基于ERR的正 交估計器來識別。用于移動平均數(shù)(MA)和非MA項的闊值為1(T 8。通過將各NARMAX模型分成對 應(yīng)的關(guān)聯(lián)的線性方程式(ALE)而對于正弦輸入估計NOFRF:
[0251]
[0巧2] 第n階NOFRF通過劃分由11。的DFT輸出的第n階ALE的DFT來獲得。運些估計對于作為 正弦輸入的頻率范圍的1 <k< 1000是可靠的。
[0253 ] 允許不同情況之間的區(qū)分的測量為第n階NOFRF的能量：
[0 巧 4]
[0巧5] 其中，Gn化)為頻率分量k下的第n階NOFRF。
[0256] 表3中呈現(xiàn)了示出了指數(shù)對于不同的剛度值如何變化的識別結(jié)果。
[0257] 表3-各種剛度值的識別結(jié)果 「0巧引 L U之。7」 t 口化佚W
[0260] 本發(fā)明之前所述的實施方式可應(yīng)用于任意尺寸的鉆機或被鉆材料。特定更具體的 實施方式致力于鉆過石油工業(yè)、氣體工業(yè)W及采礦工業(yè)中的深孔鉆進應(yīng)用中可能遭遇的巖 層(具體是可變構(gòu)成的巖層）。本發(fā)明有助于確定適于鉆過運種巖層的各種參數(shù)的數(shù)值。
[0261] 在構(gòu)造用于與本發(fā)明一起使用的鉆進模塊時，將所設(shè)想的鉆進類型中設(shè)及的條件 考慮在內(nèi)。例如，用于石油鉆進的鉆進模塊很可能與用于建筑工業(yè)的鉆進模塊顯著不同。當 在巖層中鉆進時，巖層的壓縮強度具有大變化(從砂巖的大約Us = 70MPa-直到花崗巖的Us = 230MPa)。在大型鉆進應(yīng)用(諸如石油工業(yè)）中，鉆頭直徑范圍從90mm到800mm(3i/2到32")。 只要鉆頭表面的大約5%與巖層接觸，那么所需動態(tài)力的最低值可W被計算為大約20kN(使 用90mm鉆頭穿過砂巖）。類似地，所需動態(tài)力的最大值被計算為大約GOOOkN(使用800mm鉆頭 穿過花崗巖）。由此可見，對于鉆過巖層，根據(jù)鉆頭的直徑，動態(tài)力優(yōu)選地被控制維持在范圍 20kN到6000kN內(nèi)。因為驅(qū)動具有6000kN動態(tài)力的振蕩器將消耗大量的動力，所W有利的是， 將具有中到小直徑鉆頭的本發(fā)明用于許多應(yīng)用。例如，90mm至400mm的鉆頭直徑產(chǎn)生20kN至 ISOOkN的操作范圍。進一步縮小鉆頭直徑范圍給出了20kN至1000 kN的動態(tài)力的優(yōu)選范圍， 更有選地為40kN至500kN，仍然更優(yōu)選地為50kN至300kN。
[0262] 對于需要的振動位移幅度的更低估計是:具有比來自由于巖層中的非均質(zhì)性而產(chǎn) 生的隨機小型尖端反彈的位移明顯更大的振動。運樣，該振幅有利的為至少1mm。因此，振蕩 器的振幅可W維持在范圍Imm至1 Omm內(nèi)，更優(yōu)選地為1mm至5mm。
[0263] 對于大型鉆進設(shè)備，模塊的振動質(zhì)量可W處于IOkg至1000 kg級別。運種大型鉆進 設(shè)備的可行頻率范圍不伸展到高于幾百赫茲。由此可見，通過選擇之前描述的范圍內(nèi)的鉆 頭直徑、振動質(zhì)量W及振幅的適當值，振蕩器的頻率(f)可W在提供對于不同巖石類型的范 圍產(chǎn)生裂縫擴展區(qū)域的足夠動態(tài)力的同時被控制維持在范圍IOOHz至500化內(nèi)，并且該頻率 為實現(xiàn)共振效應(yīng)的足夠高的頻率。
[0264] 圖2的(a)和圖2的(b)示出了對于具有150mm直徑的鉆頭將頻率例示為振幅的函數(shù) 的圖表。圖表(a)適合于振動質(zhì)量Hi= 10kg，而圖表(b)適合于振動質(zhì)量m=30kg。下曲線對于 更弱巖層有效，而上曲線適合于具有高壓縮強度的巖石。如可W從圖表看出的，曲線上方區(qū) 域中IOOHz至500Hz的工作頻率將提供足夠高的頻率，W使用范圍Imm至10mm(0.1 cm至Icm) 內(nèi)的振幅在所有巖石類型中產(chǎn)生裂縫擴展區(qū)域。
[0265] 圖3示出了給定固定動力供應(yīng)的情況下對于各種振動質(zhì)量將頻率例示為振幅的函 數(shù)的圖表。對于可W由用于驅(qū)動鉆頭的旋轉(zhuǎn)動作的泥漿馬達或滿輪在井下產(chǎn)生的30kW的動 力供應(yīng)，而計算該圖表。上曲線適合于IOkg的振動質(zhì)量，而下曲線適合于50kg的振動質(zhì)量。 如可W從圖表看出的，100化至500化的頻率范圍可用于范圍Imm至10mm(0.1 cm至Icm)內(nèi)的 振幅。
[0266] 可行的是在地面上設(shè)置計算機，該計算機處理來自鉆孔下面的傳感器的信號，然 后，將控制信號發(fā)送回鉆孔下面，W便控制鉆頭。然而，因為地面與鉆孔的底部之間的信令 不是直通的，并且還可能非常緩慢，所W運在實踐中對于深鉆孔鉆進而言將難W實現(xiàn)。另選 地，可W將反饋機構(gòu)的感測、處理W及控制元件定位于鉆孔的下面但在鉆頭組件的外部。然 而，在實踐中，鉆孔下面可能具有小空間，同樣地，該機構(gòu)可能經(jīng)受雜亂物理條件。
[0267] 因此，提供反饋控制的最優(yōu)結(jié)構(gòu)是使反饋機構(gòu)的所有感測、處理W及控制元件定 位于井下組件內(nèi)（例如，在鉆進模塊內(nèi)）。該結(jié)構(gòu)最緊湊，提供對共振條件的變化的更快的反 饋和更快速的響應(yīng)，并且還允許鉆進模塊用集成在鉆進模塊內(nèi)部的必需反饋控制器來制 造，使得模塊可W被改造成適配現(xiàn)有鉆柱，而不需要替換整個鉆進系統(tǒng)。
[0268] 對于大型鉆進設(shè)備，振蕩器有利地包括具有機械放大的壓電致動器、磁致伸縮致 動器、氣動致動器、或電驅(qū)動機械致動器。發(fā)現(xiàn)，運些致動器可W實現(xiàn)所期望的頻率、動態(tài) 力、振幅W及動力消耗范圍，W便與之前所述的方法一起使用。
[0269] 本發(fā)明的實施方式的用途包括:鉆井(例如，油井鉆進）；采礦(例如煤、鉆石等）；表 面鉆進(例如，道路工程等）；W及手持鉆機(例如，家庭用途的DIY鉆機、牙鉆等）。
[0270] 本發(fā)明的實施方式的優(yōu)點包括:提高的鉆進速度;更好的鉆孔穩(wěn)定性和質(zhì)量;導(dǎo)致 更長壽命的、對設(shè)備更小的應(yīng)力；W及降低能量成本的更大效率。
【主權(quán)項】
1. 一種用于控制共振增強旋轉(zhuǎn)鉆機的方法，該共振增強旋轉(zhuǎn)鉆機包括鉆進模塊和控制 系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)用于控制所述鉆進模塊的一個或更多個鉆進參數(shù)，該方法包括以下步驟： (a) 將被鉆材料的一個或更多個初始特性和/或一個或更多個初始鉆進參數(shù)應(yīng)用于所 述控制系統(tǒng)和/或所述鉆進模塊； (b) 測量一個或更多個當前鉆進參數(shù)，以獲得一個或更多個測量得的鉆進參數(shù)； (c) 采用所述一個或更多個測量得的鉆進參數(shù)，作為所述控制系統(tǒng)中的輸入，以便獲得 來自所述控制系統(tǒng)的輸出，該輸出包括所述被鉆材料的一個或更多個計算得的特性； (d) 采用所述被鉆材料的所述一個或更多個計算得的特性和/或所述一個或更多個測 量得的鉆進參數(shù)，作為所述控制系統(tǒng)中的輸入，以便獲得來自所述控制系統(tǒng)的輸出，該輸出 包括一個或更多個計算得的鉆進參數(shù)； (e) 將所述一個或更多個計算得的鉆進參數(shù)可選擇地應(yīng)用于所述鉆進模塊； (f) 可選擇地重復(fù)步驟(b)、（c)、（d)以及(e)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟(d)中，采用來自所述控制過程的上次迭代 的一個或更多個計算得的鉆進參數(shù)作為進一步輸入，以確定所述計算得的鉆進參數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述鉆進參數(shù)包括以下各項中的一個或更多 個： (a) 對所述被鉆材料的軸向鉆機力，也稱為"鉆壓WOB"，或"靜態(tài)力"； (b) 穿過所述被鉆材料的鉆頭和/或鉆進模塊的速率或速度； (c) 穿過所述被鉆材料的所述鉆頭和/或鉆進模塊的加速度； (d) 所述鉆頭和/或鉆進模塊的振蕩頻率； (e) 所述鉆頭和/或鉆進模塊的振幅； (f) 對所述被鉆材料的振蕩軸向力，也稱為"動態(tài)力"； (g) 所述鉆機的旋轉(zhuǎn)速率或旋轉(zhuǎn)速度； (h) 對所述被鉆材料的、所述鉆機的旋轉(zhuǎn)力或扭矩； (i) 流體流率；以及 (j) 所述鉆頭的相對位移。4. 根據(jù)任意前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述被鉆材料的所述特性包括以下各項 中的一個或更多個： (a) 所述材料的壓縮強度； (b) 所述材料的剛度或有效剛度； (c) 所述材料的屈服強度； (d) 所述材料的沖擊強度； (e) 所述材料的疲勞強度； (f) 所述材料的拉伸強度； (g) 所述材料的剪切強度； (h) 所述材料的硬度； (i) 所述材料的密度； (j) 所述材料的楊氏模量；以及 (k) 所述材料的泊松比。5. 根據(jù)任意前述權(quán)利要求所述的方法，其中，步驟(a)中的所述被鉆材料的所述一個或 更多個初始特性從經(jīng)驗信息獲得，優(yōu)選地從數(shù)據(jù)庫獲得。6. 根據(jù)任意前述權(quán)利要求所述的方法，其中，步驟(a)中的所述一個或更多個初始鉆進 參數(shù)從經(jīng)驗信息獲得，優(yōu)選地從數(shù)據(jù)庫獲得。7. 根據(jù)任意前述權(quán)利要求所述的方法，其中，步驟(c)中的所述被鉆材料的所述一個或 更多個計算得的特性使用一個或更多個模型來獲得，優(yōu)選地使用一個或更多個經(jīng)驗?zāi)Ｐ?和/或一個或更多個數(shù)學模型來獲得。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述一個或更多個模型包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，所述一個或更多個模型包括NARMAX模型和/或 基于沖擊的模型和/或基于穿透的模型。10. 根據(jù)任意前述權(quán)利要求所述的方法，其中，步驟(d)中的所述一個或更多個計算得 的鉆進參數(shù)使用模糊邏輯模型來獲得。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述模糊邏輯模型包括： (i)處理步驟(d)輸入?yún)?shù)，以產(chǎn)生模糊輸入?yún)?shù)； (i i)處理所述模糊輸入?yún)?shù)，以產(chǎn)生模糊結(jié)論；以及 (iii)處理所述模糊結(jié)論，以給出步驟(d)輸出參數(shù)。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，步驟（i)包括如下步驟:采用從屬函數(shù)，以將所 述一個或更多個輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)換成一個或更多個模糊輸入?yún)?shù)。13. 根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中，步驟(ii)包括推理機制和規(guī)則庫，其中，所 述推理機制被用于基于步驟（i)的所述輸入?yún)?shù)和/或所述模糊輸入?yún)?shù)從所述規(guī)則庫選 擇要應(yīng)用的一個或更多個規(guī)則，并且其中，所述一個或更多個規(guī)則應(yīng)用于一個或更多個模 糊輸入?yún)?shù)，以將所述一個或更多個模糊輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)換成一個或更多個模糊結(jié)論。14. 根據(jù)權(quán)利要求11至13中任意一項所述的方法，其中，步驟(iii)包括如下步驟:采用 從屬函數(shù)和/或重心法，以將所述一個或更多個模糊結(jié)論轉(zhuǎn)換成步驟(d)輸出參數(shù)。15. 根據(jù)任意前述權(quán)利要求所述的方法，其中，如果所述計算得的鉆進參數(shù)中的一個或 更多個不同于所述測量得的鉆進參數(shù)中等效的一個或更多個，則進行將所述一個或更多個 計算得的鉆進參數(shù)應(yīng)用于所述鉆進模塊的步驟(e)。16. 根據(jù)任意前述權(quán)利要求所述的方法，其中，使用所述鉆進模塊中所并入的一個或更 多個傳感器，來進行測量一個或更多個當前鉆進參數(shù)以獲得一個或更多個測量得的鉆進參 數(shù)的步驟(b)。17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，從測壓元件、渦流傳感器、加速計、用于測量電 流或電流變化的傳感器、以及用于測量電壓或電壓變化的傳感器，選擇所述一個或更多個 傳感器。18. 根據(jù)任意前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述方法包括以下步驟:在所述控制方 法的一個或更多個步驟中使用進一步參數(shù)。19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述進一步參數(shù)從以下各項選擇： (a) 所述鉆頭的直徑； (b) 所述鉆進模塊的質(zhì)量； (c) 所述被鉆材料的溫度； (d) 所述被鉆材料的地靜壓力或孔隙壓力； (e) 所述鉆進模塊的長度； (f) 鉆孔的寬度；以及 (g) 所述鉆孔的深度。20. -種鉆進的方法，該方法包括以下步驟： 操作共振增強鉆機，以對材料進行鉆進，其中，根據(jù)如權(quán)利要求1至19中任意一項所述 的方法來控制所述共振增強鉆機。21. -種控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)用于共振增強鉆進，該控制系統(tǒng)包括： (a) 用于確定被鉆材料的一個或更多個特性的控制器，以及 (b) 用于確定一個或更多個鉆進參數(shù)的控制器； 其中，所述控制系統(tǒng)能夠執(zhí)行如權(quán)利要求1至19所述的方法。22. -種設(shè)備，該設(shè)備用于共振增強鉆進，該設(shè)備包括： (a) 鉆進模塊；以及 (b) 如權(quán)利要求21所述的控制系統(tǒng)。
【文檔編號】G06K9/66GK105829645SQ201480067604
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2014年10月9日
【發(fā)明人】M·維爾茨洛奇, Y·劉
【申請人】Iti 蘇格蘭有限公司