Способ и система для управления потреблением мощности в процессе бурения по породе и устройство для бурения по породе для их осуществления

Способ и система для управления потреблением мощности в процессе бурения по породе и устройство для бурения по породе для их осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу управления потреблением мощности в процессе бурения по породе, как определено в преамбуле пункта 1 формулы изобретения.

Изобретение также относится к системе и устройству для бурения по породе, как определено в преамбуле пунктов 11 и 21 формулы изобретения соответственно.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Устройства для бурения по породе могут быть использованы в ряде областей техники. Например, устройства для бурения по породе могут быть использованы в прокладке туннелей, подземных разработках, укреплении горных пород, бурении восстающей выработки и для бурения шпуров, скважин для цементации и скважин для установки анкерных болтов.

Бурение по породе часто выполняется посредством ударного бурения по породе, при котором буровому инструменту, смонтированному на одном конце буровой штанги, сообщаются ударные импульсы посредством поршня ударного молотка, расположенного на противоположной стороне буровой штанги и выполненного с возможностью подачи питания таким образом, чтобы периодически воздействовать на буровую штангу. На удаленном конце бурового инструмента имеются буровые долота, которые проникают в породу и разламывают ее под действием поршня ударного молотка.

Буровой инструмент также может быть прижат к породе для поддержания контакта между инструментом и породой для обеспечения передачи максимально возможной энергии удара от поршня ударного молотка к породе. Для обеспечения большей эффективности процесса буровой инструмент может дополнительно поворачиваться между ударами, так чтобы при каждом ударе буровая коронка попадала в новое местоположение. Выбуренная горная порода вымывается из скважины с помощью подходящей среды. Эта среда обычно является воздухом в случае поверхностных буровых устройств и водой в случае устройств, работающих под землей. Альтернативно водяной пар с химической добавкой или без нее может использоваться в обоих типах устройств.

Устройство для бурения по породе дополнительно содержит основной источник питания, такой как дизельный двигатель, используемый для выработки энергии для потребляющих энергию функциональных средств данного устройства. Эти функциональные средства могут включать компрессор для создания давления промывочной жидкости/потока, энергии, энергии вращения, энергии подачи, обеспечения скорости подачи, а также гидравлические насосы, охлаждающие вентиляторы.

Бурение по породе может также выполняться устройствами, использующими только вращение и прикладываемое давление для разрушения породы, или устройствами, использующими только вращение для разрушения породы.

Основной источник питания проектируется таким образом, что все функциональные средства могут использоваться в расчете на их максимальную отдачу выходной мощности одновременно для обеспечения надежного функционирования.

Однако в существующем оборудовании для бурения по породе существует проблема, состоящая в том, что оно часто потребляет больше мощности, чем необходимо, в процессе бурения, что приводит к избыточному расходу топлива и генерации тепла и шума.

Соответственно существует потребность в усовершенствованном способе бурения по породе, который решает вышеупомянутую проблему.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание способа управления потреблением мощности в процессе бурения по породе, который устраняет вышеупомянутую проблему. Эта цель достигается способом управления потреблением мощности в процессе бурения по породе согласно отличительной части пункта 1 формулы изобретения.

Другой целью настоящего изобретения является создание системы управления потреблением мощности в процессе бурения по породе, которая устраняет вышеупомянутую проблему. Эта цель достигается системой, как определено в отличительной части пункта 11 формулы изобретения.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание устройства для бурения по породе, которое устраняет вышеупомянутую проблему. Эта цель достигается устройством для бурения по породе согласно пункту 21 формулы изобретения.

Способ управления потреблением мощности в процессе бурения по породе с использованием устройства для бурения по породе содержит регулирование мощности промывки, по меньшей мере, частично, в зависимости от глубины скважины, и управление, по меньшей мере, мощностью ударного воздействия и/или мощностью вращения и мощностью промывки таким образом, что полное потребление мощности каждого подпроцесса управляется так, чтобы выходная мощность главного источника питания поддерживалась на предварительно заданном уровне или ниже этого уровня.

Это обеспечивает преимущество, состоящее в том, что только требуемая величина мощности на определенной глубине скважины используется для промывки, и остальная мощность может использоваться для других функций и/или для экономии мощности, результатом чего является, например, меньшее потребление топлива, меньший шум или меньшее выделение тепла.

Мощность промывки может дополнительно регулироваться, по меньшей мере, частично, в зависимости от диаметра скважины и/или диаметра буровой штанги.

Поток промывочной среды может поддерживаться, по существу, постоянным в процессе бурения, то есть мощность промывки увеличивается с увеличением глубины скважины. Глубина скважины может непрерывно измеряться. Это обеспечивает преимущество, состоящее в том, что поток может поддерживаться точно на уровне потока, необходимом для управления промывкой буровой скважины, и тем самым мощность промывки может постоянно поддерживаться на самом низком возможном уровне на протяжении всего процесса бурения.

Поток промывочной среды может увеличиваться, по меньшей мере, в незначительной степени с увеличением глубины скважины. Это обеспечивает преимущество, состоящее в том, что по мере возрастания глубины скважины поток может несколько увеличиваться для дополнительной компенсации глубины скважины и/или стыков буровой штанги, и/или выбуренной породы, имеющей тенденцию к налипанию на стенки буровой скважины.

Требуемая мощность промывки может быть определена компьютерным средством. Компьютерное средство может быть соединено с памятью, в которой сохранена таблица, содержащая один или несколько списков типов буровых инструментов, и/или типов буровых штанг и предпочтительно параметры вычислений, которые должны использоваться с выбранной комбинацией. Мощность промывки может определяться на основе сохраненных данных, относящихся к типу бурового инструмента, и/или типу буровой штанги, и/или глубины скважины. Это обеспечивает преимущество, состоящее в том, что поток промывочной среды может поддерживаться на желательном значении, независимо, например, от используемого диаметра бурового инструмента и/или диаметра буровой штанги.

Изобретение может использоваться в обычных устройствах для бурения по породе, например, в устройствах, использующих ударное воздействие или вращение или комбинацию обоих типов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 изображает вариант осуществления устройства для бурения по породе согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 - блок-схему варианта осуществления системы согласно настоящему изобретению.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг.1 представляет приведенный для примера вариант осуществления устройства для бурения по породе, соответствующего настоящему изобретению. Устройство 1 для бурения по породе, в данном варианте осуществления, является буровой установкой, расположенной на поверхности земли. Буровая установка 1 показана в процессе эксплуатации при бурении скважины 2, начинающейся с уровня поверхности земли, в текущий момент достигшей глубины α с конечной предусмотренной глубиной β, например 30 метров, причем окончательно пробуренная скважина показана пунктирными линиями. (Показанное соотношение высоты буровой установки/глубины скважины не предусмотрено в качестве точно определенного. Полная высота γ буровой установки может составлять, например 10 метров).

Буровая установка 1 снабжена верхним ударным молотком 11, смонтированным посредством люльки 13 на подающем механизме 5. Подающий механизм 5 прикреплен к стреле 15 через держатель 12 подающего механизма. Верхний ударный молоток 11 обеспечивает ударное воздействие на буровой инструмент 3 с одним или несколькими буровыми долотами 4 через буровую штангу 6, поддерживаемую опорой 14 штанги. Энергия подается на верхний ударный молоток 11 посредством гидравлического насоса 10, приводимого в действие дизельным двигателем 9, через монтажную плиту, прикрепленную к подающему механизму 5 (гидравлический питатель на чертеже не показан). Выбуренная порода вымывается из скважины 2 сжатым воздухом, который подается по трубе, предпочтительно в центре буровой штанги 6 и выбрасывается рядом с буровым инструментом 3. Сжатый воздух вымывает выбуренную породу вверх и из скважины 2, как показано на фиг.1 стрелками, направленными вверх. Вместо сжатого воздуха часто используется другая промывочная среда, например водная смесь с химической добавкой или без добавки. Сжатый воздух подается к буровой штанге 6 от компрессора 8 по трубе 7. Компрессор 8, в свою очередь, получает энергию от дизельного двигателя 9.

В современных буровых установках дизельный двигатель 9 должен быть достаточно большим, чтобы одновременно обеспечивать питание как компрессора, так и гидравлического насоса на полной скорости, а также охлаждающих вентиляторов и других установок. Компрессор всегда приводится в действие на своей максимальной скорости или близкой к ней в процессе бурения, и поскольку компрессор может потреблять, например, мощность 120 л.с. от полной выходной мощности дизеля, равной, например, 300 л.с., то компрессор потребляет большой объем топлива, что приводит к созданию больших объемов выхлопных газов, шума и тепла, что дополнительно обуславливает еще больший шум и потребление топлива, ввиду того, что охлаждающие вентиляторы должны работать с большей интенсивностью.

В соответствии с настоящим изобретением, однако, эти недостатки могут быть устранены путем приведения компрессора в действие на том уровне мощности, который требуется в текущий момент. Например, в начале бурения скважины мощность промывки, требуемая для формирования потока промывочной среды, достаточного для удаления выбуренной породы, относительно мала, и тем самым от компрессора не требуется вырабатывать большую мощность, чем эта требуемая мощность. Это означает, что дизельный двигатель, в свою очередь, может приводиться в действие с меньшей выходной мощностью, что приводит в результате к снижению потребления топлива, получению меньшего тепла и созданию меньшего шума. Альтернативно мощность, сэкономленная за счет работы компрессора на меньшей входной мощности, может быть использована для обеспечения подачи большей мощности к верхнему ударному молотку, чем было возможно в ином случае, что приводит к повышению скорости бурения в первой и/или в большей части скважины.

Снижение мощности компрессора может быть реализовано различными путями в зависимости от типа компрессора. Например, в случае объемного компрессора мощность может быть снижена либо за счет снижения числа оборотов в минуту, либо за счет снижения нагрузки компрессора путем перекрытия входного канала.

Управление мощностью компрессора описано ниже со ссылкой на фиг.2, где показана блок-схема системы управления. Показанная буровая установка 21 имеет дизельный двигатель 22. Дизельный двигатель 22 прямо или косвенно связан с компрессором 23, гидравлическим насосом 29, охлаждающим(и) вентилятором(ами) 24, другим(и) средством(ами) 25, верхним ударным молотком 26 и контроллером 27, таким как компьютер. Контроллер, кроме того, соединен с компрессором 23 и/или гидравлическим насосом, и/или охлаждающим(и) вентилятором(ами) 24, другим(и) средством(ами) 25.

Для управления мощностью компрессора датчик 28, например, установленный на подающем устройстве, обеспечивает контроллер 27 информацией относительно текущей глубины скважины, и контроллер 27 затем передает, например, через шину CAN управляющие сигналы на компрессор 23, включающие информацию о том, какую мощность/давление он должен вырабатывать для создания желательного потока промывочной среды. Контроллер может дополнительно посылать управляющие сигналы на дизельный двигатель и/или охлаждающий(ие) вентилятор(ы), и/или другое(ие) средство, по мере необходимости, например, требуемые значения мощности. Контроллер 27 может содержать память 30 или может быть соединен с памятью, где хранятся требуемые значения для настроек компрессора в зависимости от глубин скважины, так что компрессор может настраиваться соответствующим образом. Альтернативно или в дополнение могут иметься другие сохраненные параметры, которые должны использоваться вместе с глубиной скважины для вычисления требуемой мощности компрессора. Эти расчетные параметры могут зависеть от типа бурового инструмента и/или от типа буровой штанги. Предпочтительным образом расчетные параметры сохранены для каждой возможной комбинации бурового инструмента и/или буровой штанги. В альтернативном варианте осуществления существуют списки, сохраненные в памяти, где каждый список включает настройки компрессора в зависимости от глубины для каждой комбинации. Например, могут иметься значения, сохраненные для каждого увеличения на каждый см, дм или м глубины скважины. Также возможно сохранение значений, полученных для увеличения потока по мере увеличения глубины скважины, чтобы скомпенсировать действие факторов, упомянутых выше.

В другом примерном варианте осуществления (не показан) датчик, воспринимающий реальный поток, может быть связан с контроллером для обеспечения непрерывной подачи контроллером управляющих сигналов на компрессор на основе значений потока. Поток может, например, вычисляться как объем в литрах за оборот компрессора, умноженный на число оборотов в минуту и на отношение рабочего времени к полному времени.

Требуемый поток в альтернативном варианте осуществления может быть установлен оператором путем установки значения на панели управления или путем ввода желательного значения в контроллер через интерфейс, такой как дисплей и/или клавиатура.

Настоящее изобретение имеет, например, то преимущество, что при бурении узких скважин компрессору совсем не требуется работать на полной мощности в процессе бурения, что приводит к экономии топлива и/или избыточной мощности верхнего ударника в течение всего процесса бурения.

В вышеприведенном описании изобретение представлено в связи с поверхностной буровой установкой с гидравлическим верхним ударным молотком. Однако настоящее изобретение может также применяться с другими типами устройств для бурения с отдельным питанием для процессов промывки и бурения. Например, изобретение может использоваться с устройствами для бурения по породе, использующими как ударное воздействие, так и вращение для осуществления бурения по породе. Изобретение также может применяться в бурении по породе, где только вращение и прикладываемое давление используются для разрушения породы, или где используется только вращение, примером чего может быть бурение по мягкой породе, как в угольных шахтах. В случаях, когда для разрушения породы применяется вращение, мощность, сэкономленная на уменьшении затрат на промывке, может использоваться для повышения скорости вращения и, следовательно, скорости бурения.

Следует иметь в виду, что различные другие датчики могут соединяться с контроллером для обеспечения его информацией, полезной при управлении работой устройства для бурения по породе.

1. Способ управления потреблением мощности в процессе бурения по породе с использованием устройства для бурения по породе, содержащего основной источник питания для выработки энергии для процесса бурения по породе, включающего, по меньшей мере, подпроцессы ударного воздействия и/или вращения и промывки и содержащий этапы регулирования мощности промывки, по меньшей мере, частично, в зависимости от глубины скважины и управления, по меньшей мере, мощностью ударного воздействия и/или мощностью вращения и мощностью промывки таким образом, что обеспечивается управление полным потреблением мощности каждого подпроцесса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что мощность промывки дополнительно регулируют, по меньшей мере, частично, в зависимости от диаметра скважины и/или диаметра буровой штанги.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что полным потреблением мощности каждого подпроцесса управляют таким образом, что выходная мощность главного источника питания поддерживается на предварительно заданном уровне или ниже этого уровня.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток промывочной среды поддерживают, по существу, постоянным в процессе бурения.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток промывочной среды увеличивают с увеличением глубины скважины.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что глубину скважины непрерывно измеряют.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток промывочной среды непрерывно измеряют.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что требуемая мощность промывки определяется компьютерным средством.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что компьютерное средство соединено с памятью, в которой сохранена таблица, содержащая один или несколько списков, по меньшей мере, частично включающих тип бурового инструмента, и/или тип буровой штанги, и/или глубину скважины, причем мощность промывки определяют на основе сохраненных данных.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что ударное воздействие осуществляют с помощью гидравлического верхнего ударного молотка.

11. Система управления потреблением мощности в процессе бурения по породе с использованием устройства для бурения по породе, имеющего основной источник питания для подачи энергии для процесса бурения по породе, включающего, по меньшей мере, подпроцессы ударного воздействия и/или вращения и промывки, причем система содержит средство для регулирования мощности промывки, по меньшей мере, частично, в зависимости от глубины скважины, и средство для управления, по меньшей мере, мощностью ударного воздействия и/или мощностью вращения и мощностью промывки таким образом, что обеспечивается управление полным потреблением мощности каждого подпроцесса.

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средство для регулировки мощности промывки, по меньшей мере, частично, в зависимости от диаметра скважины и/или диаметра буровой штанги.

13. Система по п.11, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью управления полным потреблением мощности каждого подпроцесса таким образом, что выходная мощность главного источника питания поддерживается на предварительно заданном уровне или ниже этого уровня.

14. Система по п.11, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью поддержания потока промывочной среды, по существу, постоянным в процессе бурения.

15. Система по п.11, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью увеличения потока промывочной среды с увеличением глубины скважины.

16. Система по п.11, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью непрерывного измерения глубины скважины.

17. Система по п.11, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью непрерывного измерения потока промывочной среды.

18. Система по п.11, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью определения требуемой мощности промывки с помощью компьютерного средства.

19. Система по п.18, отличающаяся тем, что компьютерное средство соединено с памятью, предназначенной для хранения таблицы, содержащей один или несколько списков, по меньшей мере, частично включающих тип бурового инструмента, и/или тип буровой штанги, и/или глубину скважины, причем мощность промывки определяется на основе сохраненных значений.

20. Система по п.11, отличающаяся тем, что ударное воздействие осуществляется с помощью гидравлического верхнего ударника.

21. Устройство для бурения по породе, отличающееся тем, что включает систему по любому из пп.11-20.Приоритет по пунктам:

29.12.2003 по пп.1-21.