專利名稱：具有壓力微分控制的恒定模式自動(dòng)鉆井的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及地下鉆探機(jī)和用于控制地下鉆探的方法。更具體地，本發(fā)明涉
及在水平定向鉆井中使用的地下鉆探機(jī)及其改進(jìn)方法，以及用于使用壓力微分提供自動(dòng)控 制鉆井模式的設(shè)備。
背景技術(shù)：
水、電、天然氣、電話和有線電視的設(shè)施管線例如出于安全和美學(xué)原因經(jīng)常鋪設(shè)在
地下。有時(shí)地下設(shè)施埋在溝槽內(nèi)，該溝槽隨后被回填。然而，挖溝會(huì)耗時(shí)且會(huì)對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)或
道路造成巨大損壞。因此，水平定向鉆井(HDD)經(jīng)常用于避免這些缺陷。 典型的水平定向鉆井機(jī)包括一機(jī)架，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在此機(jī)架上。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)
構(gòu)可以沿機(jī)架的縱軸可滑動(dòng)地移動(dòng)，以在沿機(jī)架滑動(dòng)的同時(shí)使鉆柱(drill string)繞其縱
軸旋轉(zhuǎn)，從而使鉆柱行進(jìn)到地面內(nèi)或者從地面退回。鉆柱包括一個(gè)或多個(gè)接連不斷地附接
在一起的鉆桿。 鉆探工具安裝在鉆柱的行進(jìn)端(即，最遠(yuǎn)離HDD鉆井機(jī)的一端)上。更具體地，在 鉆柱行進(jìn)到地面內(nèi)時(shí)，鉆頭被使用。另一方面，回?cái)U(kuò)器(back reamer)被用于擴(kuò)大鉆探孔， 且在切開孔之后在鉆柱退回時(shí)被使用。鉆探工具可包括針對(duì)具體地層而訂制的各種類型的 土壤切割裝置。示例包括剪切土壤的切削刃以及在巖石環(huán)境內(nèi)鉆探時(shí)將來自鉆柱的縱向力 集中到一集中區(qū)域以使地面破碎的壓縮構(gòu)件。 鉆探機(jī)可包括允許操作員控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng)的控制件(control)，該縱向 運(yùn)動(dòng)與逆沖(thrust)相關(guān)聯(lián)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和逆沖運(yùn)動(dòng)的最佳設(shè)置依賴于各種因素，例如土壤 條件、地層以及鉆探工具類型。鉆探過程一般要求維持一致的逆沖壓力以及在低逆沖速度 控制。在許多系統(tǒng)中，軟件使用可調(diào)節(jié)的逆沖和旋轉(zhuǎn)壓力設(shè)定點(diǎn)。如果逆沖或旋轉(zhuǎn)壓力超 過其設(shè)定點(diǎn)，則逆沖/回拉速度可被手動(dòng)地減小以控制超過其設(shè)定點(diǎn)的壓力。這要求操作 員連續(xù)地監(jiān)視壓力設(shè)定點(diǎn)且在鉆井條件改變時(shí)調(diào)節(jié)壓力設(shè)定點(diǎn)。因此，在本領(lǐng)域中存在使 鉆井操作的部分自動(dòng)化的方法和設(shè)備的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種結(jié)合水平定向鉆井(HDD)機(jī)使用的方法和設(shè)備?？梢詫?shí)施本發(fā)明 的一優(yōu)選方式在于一種用于HDD鉆井機(jī)的液壓泵輸出的控制器。本發(fā)明為操作員提供逆沖 /回拉和旋轉(zhuǎn)功能的自動(dòng)化(例如，轉(zhuǎn)換)控制。壓力微分控制功能被用于監(jiān)視逆沖/回拉 和旋轉(zhuǎn)壓力而仍允許它們?cè)阢@井條件改變時(shí)自然地改變。 在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，操作員可以選擇下述三個(gè)恒定鉆井模式之一恒定逆 沖速度、恒定旋轉(zhuǎn)壓力(力矩)以及恒定逆沖壓力。在恒定逆沖速度模式中，自動(dòng)鉆井功能 通過將逆沖輸出信號(hào)設(shè)置為恒定值來控制鉆柱速度。在恒定旋轉(zhuǎn)壓力模式中，自動(dòng)鉆井功 能基于旋轉(zhuǎn)壓力反饋信號(hào)來控制逆沖泵輸出。在恒定逆沖壓力模式中，自動(dòng)鉆井功能基于 逆沖壓力反饋信號(hào)來控制逆沖泵輸出。在操作于恒定逆沖速度模式時(shí)，逆沖/回拉和旋轉(zhuǎn)
5壓力由微分控制功能監(jiān)視。當(dāng)壓力隨自然鉆井條件上升/下降時(shí)，實(shí)際壓力限制設(shè)定點(diǎn)將跟隨。如果任一壓力改變太快，則相應(yīng)壓力限制設(shè)定點(diǎn)被保持在先前的'正常'值以減小逆沖回拉速度-由此控制壓力上升。此微分控制功能保持有效，直到受限的壓力返回到其被設(shè)置的該'正常'值。 本發(fā)明允許逆沖輸出信號(hào)(逆沖速度)保持恒定，除非特定壓力事件發(fā)生?？刂破鞒掷m(xù)地和/或在周期性時(shí)間間隔將當(dāng)前逆沖壓力反饋信號(hào)與和較早時(shí)間間隔(例如，250毫秒)相對(duì)應(yīng)的先前逆沖壓力反饋信號(hào)比較。根據(jù)該比較，確定逆沖壓力的變化率。如果所計(jì)算的微分小于容許微分，則逆沖壓力被允許增大。例如，在可能期望恒定混合率的鉆柱回拉操作中，可以選擇恒定速度模式。然而，隨著由于后行產(chǎn)物(trailing product)和/或土壤條件變化引起負(fù)載增大，逆沖壓力將自動(dòng)地上升，而逆沖/回拉速度無任何減小。
另一方面，如果所計(jì)算的微分大于容許微分，隨后在200毫秒獲得另一逆沖壓力反饋?zhàn)x數(shù)。如果該壓力大于最近的壓力讀數(shù)(-200毫秒)，則逆沖壓力限制(通常在100%)被設(shè)置為在-450毫秒處的逆沖壓力限制且逆沖泵輸出信號(hào)減小。這實(shí)際上使逆沖泵去沖禾呈(de_stroke)。 如前，如果所計(jì)算的微分大于容許微分，則在200毫秒獲得另一逆沖壓力反饋?zhàn)x數(shù)。如果此壓力小于在更早-200毫秒獲得的壓力，則逆沖壓力限制將保持在100%。
如果因?yàn)樵撐⒎执笥谌菰S值而逆沖壓力被保持，以及萬一逆沖壓力不減小(在硬地層內(nèi)增大)，則操作員可以使用遞增/遞減開關(guān)以將原始逆沖壓力提升到該壓力。
本發(fā)明的一些實(shí)施例涉及具有一個(gè)或多個(gè)自動(dòng)鉆井模式的水平定向鉆井(HDD)系統(tǒng)。該HDD系統(tǒng)可包括鉆管，其配置為附接到鉆探工具；逆沖泵，其配置為使該鉆管線性行進(jìn)；旋轉(zhuǎn)泵，其配置為旋轉(zhuǎn)該鉆管；一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器，其配置為測量液壓流體壓力；以及控制器，其耦合到該逆沖泵和壓力傳感器，該控制器配置為執(zhí)行存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器的程序指令以致使該HDD系統(tǒng)在恒定參數(shù)模式中執(zhí)行鉆井操作，其中在恒定參數(shù)模式中，輸出參數(shù)維持在恒定水平；在該HDD系統(tǒng)操作于該恒定參數(shù)模式時(shí)，將該液壓流體壓力測量值與可變壓力限制比較；計(jì)算該液壓流體壓力測量值的微分值并將該微分值與微分閾值比較；如果該微分值超過該微分閾值，則減小該可變壓力限制，其中該可變壓力限制減小的量是基于一個(gè)或多個(gè)該液壓流體壓力測量值；以及當(dāng)該液壓流體壓力測量值與該可變壓力限制的比較指示一個(gè)或多個(gè)該液壓流體壓力測量值超過該可變壓力限制時(shí)，降低該逆沖泵的輸出。 在本發(fā)明的一些HDD系統(tǒng)實(shí)施例中，控制器還配置為將該液壓流體壓力測量值存
儲(chǔ)于該存儲(chǔ)器中以及減小該可變壓力限制到一值，該值接近或等于在該微分值超過該微分
閾值由此觸發(fā)該可變壓力限制減小之前所測量和存儲(chǔ)的液壓流體壓力值。 在本發(fā)明的一些HDD系統(tǒng)實(shí)施例中，可變壓力限制減小到的值等于在該微分值超
過該微分閾值由此觸發(fā)該可變壓力限制減小之前由一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器測量的該液壓
流體壓力測量值的最近的液壓流體壓力測量值。 在本發(fā)明的一些HDD系統(tǒng)實(shí)施例中，控制器還配置為，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)該液壓流體壓力測量值小于該可變壓力限制時(shí)，增大該可變壓力限制。 在本發(fā)明的一些HDD系統(tǒng)實(shí)施例中，控制器還配置為如果該微分值超過該微分閾值，則開始時(shí)間間隔；基于在該時(shí)間間隔期滿之后獲得的一個(gè)或多個(gè)液壓流體壓力測量
6值，計(jì)算該液壓流體壓力測量值的附加微分值；將該附加微分值與該微分閾值比較；以及如果該附加微分值超過該微分閾值，則減小該可變壓力限制。 本發(fā)明的一些HDD系統(tǒng)實(shí)施例還可包括用戶接口，其中控制器還配置為基于從該用戶接口接收的信息增大該可變壓力限制。 在本發(fā)明的一些HDD系統(tǒng)實(shí)施例中，該一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器的至少一個(gè)配置為測量該旋轉(zhuǎn)泵的液壓流體壓力，以及該液壓流體壓力測量值的微分值的計(jì)算是基于從該旋轉(zhuǎn)泵獲得的液壓流體壓力測量值。 在本發(fā)明的一些HDD系統(tǒng)實(shí)施例中，該一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器的至少一個(gè)配置為測量該逆沖泵的液壓流體壓力，以及該液壓流體壓力測量值的微分值的計(jì)算是基于從該逆沖泵獲得的液壓流體壓力測量值。 在本發(fā)明的一些HDD系統(tǒng)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器的第一壓力傳感器配
置為測量該旋轉(zhuǎn)泵的液壓流體壓力，該一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器的第二壓力傳感器配置為測
量該逆沖泵的液壓流體壓力，以及該可變壓力限制的減小是基于根據(jù)由第一壓力傳感器和
第二壓力傳感器之一或二者獲得的液壓流體壓力測量值所計(jì)算的一個(gè)或多個(gè)微分值。 在本發(fā)明的一些HDD系統(tǒng)實(shí)施例中，控制器還配置為將該可變壓力限制減小到一
值，該值相對(duì)于在該微分值超過該微分閾值由此觸發(fā)該可變壓力限制減小之前由該壓力傳
感器之一獲得的該液壓流體壓力測量值之一具有比例關(guān)系。 在本發(fā)明的一些HDD系統(tǒng)實(shí)施例中，該控制器配置為在該恒定參數(shù)模式中維持該鉆管的恒定線性行進(jìn)，以及該微分值根據(jù)由該一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器感測的旋轉(zhuǎn)泵液壓流體壓力和逆沖泵液壓流體壓力之一或二者來計(jì)算。 在本發(fā)明的一些HDD系統(tǒng)實(shí)施例中，該控制器配置為在該恒定參數(shù)模式中維持恒定逆沖壓力，以及該微分值是根據(jù)由該一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器感測的旋轉(zhuǎn)泵液壓流體壓力來計(jì)算。 在本發(fā)明的一些HDD系統(tǒng)實(shí)施例中，該控制器配置為在該恒定參數(shù)模式中維持該旋轉(zhuǎn)泵的恒定旋轉(zhuǎn)壓力，以及該微分值根據(jù)由該一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器感測的逆沖泵液壓流體壓力來計(jì)算。 本發(fā)明的一些實(shí)施例涉及自動(dòng)鉆井模式中的HDD。這些方法實(shí)施例可包括在使
用具有逆沖泵的HDD鉆井平臺(tái)執(zhí)行鉆井操作時(shí)，維持恒定輸出參數(shù)；從該HDD鉆井平臺(tái)的一
個(gè)或多個(gè)泵產(chǎn)生液壓流體壓力測量值；將該液壓流體壓力測量值與可變壓力限制比較；使
用所測量的液壓流體壓力測量值來計(jì)算微分值；將該微分值與微分閾值比較；當(dāng)該微分值
超過該微分閾值時(shí)，減小該可變壓力限制，其中該可變壓力限制減小的量是基于一個(gè)或多
個(gè)該液壓流體壓力測量值；以及當(dāng)該液壓流體壓力測量值與該可變壓力限制的比較指示一
個(gè)或多個(gè)該液壓流體壓力測量值超過該可變壓力限制時(shí)，降低該逆沖泵的輸出。 在本發(fā)明的一些HDD方法實(shí)施例中，液壓流體壓力測量值存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中，其中
當(dāng)該微分值超過該微分閾值時(shí)該可變壓力限制減小到的值接近或等于該微分值與該微分
閾值的比較指示該微分值超過該微分閾值而由此觸發(fā)該可變壓力限制減小之前所獲得的
已存儲(chǔ)液壓流體壓力測量值。 在本發(fā)明的一些HDD方法實(shí)施例中，可變壓力限制減小到的值等于在該微分值與該微分閾值的比較指示該微分值超過該微分閾值而由此觸發(fā)該可變壓力限制減小之前所獲得的該液壓流體壓力測量值之一。 本發(fā)明的一些HDD方法實(shí)施例還包括，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)該液壓流體壓力測量值小于 該可變壓力限制時(shí)，增大該可變壓力限制。 本發(fā)明的一些HDD方法實(shí)施例還包括當(dāng)該微分值超過該微分閾值時(shí)，開始一時(shí) 間間隔；使用在該時(shí)間間隔期滿之后獲得的所測量的液壓流體壓力測量值，計(jì)算附加微分 值；將該附加微分值與該微分閾值比較；以及如果該附加微分超過該微分閾值，減小該可 變壓力限制。 本發(fā)明的一些HDD方法實(shí)施例還包括基于用戶輸入增大該可變壓力限制。 在本發(fā)明的一些HDD方法實(shí)施例中，從其獲得該液壓流體壓力測量值的一個(gè)或多
個(gè)泵為該HDD鉆井平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)泵。 在本發(fā)明的一些HDD方法實(shí)施例中，從其獲得該液壓流體壓力測量值的一個(gè)或多 個(gè)泵為該HDD鉆井平臺(tái)的逆沖泵。 在本發(fā)明的一些HDD方法實(shí)施例中，從其獲得該液壓流體壓力測量值的一個(gè)或多
個(gè)泵為該HDD鉆井平臺(tái)的逆沖泵和旋轉(zhuǎn)泵，以及該可變壓力限制的減小是基于根據(jù)從該逆
沖泵和該旋轉(zhuǎn)泵之一或二者獲得的流體壓力測量值計(jì)算的一個(gè)或多個(gè)微分值。 在本發(fā)明的一些HDD方法實(shí)施例中，減小該可變壓力限制還包括減小該可變壓力
限制到一值，該值與在該微分值與該微分閾值的比較而觸發(fā)該可變壓力限制減小之前獲得
的一個(gè)或多個(gè)液壓流體壓力測量值具有比例關(guān)系。 在本發(fā)明的一些HDD方法實(shí)施例中，維持該恒定輸出參數(shù)還包括調(diào)節(jié)該逆沖泵和 旋轉(zhuǎn)泵的相應(yīng)輸出以維持鉆管的恒定線性行進(jìn)，以及其中該微分值根據(jù)從該旋轉(zhuǎn)泵和該逆 沖泵之一或二者獲得的液壓流體壓力測量值之一或二者來計(jì)算。 在本發(fā)明的一些HDD方法實(shí)施例中，維持該恒定輸出參數(shù)還包括調(diào)節(jié)該逆沖泵輸
出以維持恒定逆沖壓力，以及該液壓流體壓力測量值是從旋轉(zhuǎn)泵獲得。 在本發(fā)明的一些HDD方法實(shí)施例中，維持該恒定輸出參數(shù)還包括調(diào)節(jié)該逆沖泵輸
出以維持恒定旋轉(zhuǎn)壓力，以及該液壓流體壓力測量值是從該逆沖泵獲得。 本發(fā)明的一些實(shí)施例涉及配置為操作于自動(dòng)鉆井模式的HDD系統(tǒng)。此HDD系統(tǒng)可
包括用于在使用具有逆沖泵的HDD鉆井平臺(tái)執(zhí)行鉆井操作時(shí)，維持恒定輸出參數(shù)的裝置；
用于從該HDD鉆井平臺(tái)的一個(gè)或多個(gè)泵產(chǎn)生液壓流體壓力測量值的裝置；用于將該液壓流
體壓力測量值與可變壓力限制比較的裝置；用于使用所測量的液壓流體壓力測量值來計(jì)算
微分值的裝置；用于將該微分值與微分閾值比較的裝置；用于當(dāng)該微分值超過該微分閾值
時(shí)，減小該可變壓力限制的裝置，用于該可變壓力限制減小的量是基于一個(gè)或多個(gè)該液壓
流體壓力測量值；以及 用于當(dāng)該液壓流體壓力測量值與該可變壓力限制的比較指示一個(gè)或多個(gè)該液壓 流體壓力測量值超過該可變壓力限制時(shí)，降低該逆沖泵的輸出的裝置。 在本發(fā)明的一些HDD系統(tǒng)實(shí)施例中，當(dāng)該微分值超過該微分閾值時(shí)該可變壓力限 制減小到的值等于在該微分值與該微分閾值的比較指示該微分值超過該微分閾值而由此 觸發(fā)該可變壓力限制減小之前產(chǎn)生的該液壓流體壓力測量值之一。 盡管本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例配置并結(jié)合其中使用的具體裝置而予以描述，將 理解，本發(fā)明不應(yīng)解讀為以任何方式地受此處描述的配置或部件所限制。
此外，盡管具體類型的開關(guān)、控制器、操作員輸入裝置、液壓泵和電動(dòng)機(jī)在此予以 描述，不過將理解，這些具體機(jī)構(gòu)不應(yīng)以限制方式來解讀。相反，本發(fā)明的原理擴(kuò)展到期望 自動(dòng)地維持各種鉆井狀態(tài)的任何環(huán)境。本發(fā)明的這些和其它變型對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱 讀本發(fā)明詳細(xì)描述時(shí)將變得顯而易見。


附圖被結(jié)合于此并構(gòu)成說明書的一部分，其說明本發(fā)明的多個(gè)方面，且與說明書
一起用于解釋本發(fā)明的原理。對(duì)附圖的簡要描述如下 圖1說明水平定向鉆井機(jī)； 圖2說明根據(jù)本發(fā)明原理的水平定向鉆井機(jī)的操作員控制站； 圖3說明圖2的操作員控制站的控制桿； 圖4說明在圖3的控制桿上發(fā)現(xiàn)的標(biāo)識(shí)控制件的功能的標(biāo)簽； 圖5說明在圖2的操作員控制站的右側(cè)上發(fā)現(xiàn)的控制件； 圖6說明根據(jù)本發(fā)明原理的顯示器； 圖7說明當(dāng)鉆探過程被恢復(fù)時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向逆沖的增加速率； 圖8為恢復(fù)鉆探功能的自動(dòng)控制的方法的流程圖； 圖9a和圖9b為實(shí)施恒定速度微分控制旋轉(zhuǎn)壓力的實(shí)施例的邏輯流程圖； 圖10為說明在恒定速度微分控制旋轉(zhuǎn)壓力模式中時(shí)旋轉(zhuǎn)壓力、逆沖控制的旋轉(zhuǎn)
壓力限制、逆沖泵％和旋轉(zhuǎn)泵％的操作示例的曲線圖； 圖lla和圖lib為實(shí)施恒定速度逆沖壓力模式的實(shí)施例的邏輯流程圖； 圖12說明恒定速度壓力模式中的示例的曲線圖；以及 圖13為實(shí)施恒定速度逆沖壓力模式的實(shí)施例的邏輯流程圖。
具體實(shí)施例方式
此處給出的討論和說明是以示例性格式給出，其中描述和說明了本發(fā)明各方面的 選定實(shí)施例以闡釋本發(fā)明的各個(gè)方面。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)、裝置或方法可包括一個(gè)或多個(gè) 此處描述的特征、結(jié)構(gòu)、方法或其組合。例如，裝置或系統(tǒng)可實(shí)施成包括一個(gè)或多個(gè)下文描 述的有利特征和/或過程。根據(jù)本發(fā)明的裝置或系統(tǒng)可實(shí)施成包括在分開示例和/或說明 中所說明和/或討論的多個(gè)特征和/或方面。其目的在于，此裝置或系統(tǒng)無需包括所有此 處描述的特征，而可實(shí)施成包括提供有用結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和/或功能性的選定特征。
本發(fā)明總體上涉及一種地下鉆探機(jī)，例如HDD鉆井機(jī)，且更具體地涉及一種控制 具有電動(dòng)液壓控制系統(tǒng)的地下鉆探工具的方法和設(shè)備。本發(fā)明允許操作員建立和/或在受 控鉆井模式之間改變。注意，一些鉆井條件要求恒定逆沖/回拉速度而另一些鉆井條件會(huì) 要求恒定逆沖/回拉壓力或恒定旋轉(zhuǎn)力矩。操作員可以在期望的鉆井模式之間選擇以針對(duì) 當(dāng)前條件而使用最有利的模式。在對(duì)HDD鉆井機(jī)和控制系統(tǒng)進(jìn)行簡要概述之后，將詳細(xì)描 述本發(fā)明。
HDD鉆井機(jī) 圖1所示的水平定向鉆井機(jī)20包括機(jī)架22，沿機(jī)架22的縱軸可滑動(dòng)地移動(dòng)的旋 轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)30安裝在該機(jī)架上。在一個(gè)實(shí)施例中，水平定向鉆井機(jī)包括后穩(wěn)定器26和前
9穩(wěn)定器27，用于在鉆井現(xiàn)場定位和穩(wěn)定鉆井機(jī)；以及輪組件24，用于在操作現(xiàn)場之間運(yùn)輸 時(shí)支撐鉆井機(jī)。鉆柱18包括鉆探工具42，設(shè)計(jì)成接合土壤；以及一個(gè)或多個(gè)鉆桿38，將力 從鉆井機(jī)傳遞到鉆探工具42。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)30典型地包括齒輪箱和驅(qū)動(dòng)主軸，該驅(qū)動(dòng)主軸 使鉆柱18繞其縱軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)功率優(yōu)選地由液壓電動(dòng)機(jī)216提供。水平定向鉆井機(jī)20還 包括逆沖驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)28，該逆沖驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)典型地包括齒輪或鏈輪以使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)28相對(duì)機(jī)架 22上下移動(dòng)，從而使鉆柱18行進(jìn)到土壤內(nèi)或者從土壤退回。逆沖功率優(yōu)選地由液壓電動(dòng)機(jī) 217提供。在一些實(shí)施例中，引擎36驅(qū)動(dòng)液壓泵16和17，這些液壓泵對(duì)輸送到液壓電動(dòng)機(jī) 216和217的流體增壓。 液壓系統(tǒng)可以是開環(huán)，其中流體從液壓箱14經(jīng)過該泵輸送到電動(dòng)機(jī)216、217并回 到液壓箱14，或者它們可以是流體靜力學(xué)系統(tǒng)，其中流體基本上在閉環(huán)內(nèi)-在泵和電動(dòng)機(jī) 之間輸送。在任一系統(tǒng)中，泵16 、 17和電動(dòng)機(jī)216 、 217匹配，使得通過控制液壓流體的流速， 來控制電動(dòng)機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)速度并可以推知該旋轉(zhuǎn)速度。該泵典型地為變?nèi)莘e式泵，能夠 產(chǎn)生可變輸出流速。通過由控制系統(tǒng)提供的電流，可以成比例地控制該可變輸出。泵的輸 出速度與輸出流速成比例。 盡管速度可以被控制，液壓流體的壓力可以被監(jiān)視以推知電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩，該 力矩與所產(chǎn)生的縱向力或旋轉(zhuǎn)力矩成正比。其它實(shí)施例是可行的，例如其中旋轉(zhuǎn)和逆沖驅(qū) 動(dòng)機(jī)構(gòu)可以由不同液壓驅(qū)動(dòng)(例如液壓缸)來致動(dòng)的實(shí)施例。 —些實(shí)施例也可包括水流機(jī)構(gòu)，其將水經(jīng)過鉆柱18傳遞到鉆探工具42附近，水流 在那里帶走被切割的土壤顆粒并將他們從孔移除。水平定向鉆井機(jī)也可包潤滑器，用于潤 滑各種運(yùn)動(dòng)部件(未示出)。 圖2說明用于水平定向鉆井機(jī)20的示例性操作員控制站100。操作員控制站100 包括提供輸入到控制器150的旋轉(zhuǎn)控制件110和逆沖控制件130。 控制件110和130的許多實(shí)施例都是可用的。例如，在一個(gè)可用實(shí)施例中，控制件 110和130的每一個(gè)包含控制桿。在此實(shí)施例中，控制桿110、130均產(chǎn)生電信號(hào)，該電信號(hào) 與控制桿相對(duì)于中心位置的位置成比例。該電信號(hào)作為輸入被提供到控制器150。
在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)控制桿110U30遠(yuǎn)離中心位置移動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的電信號(hào)分別 對(duì)應(yīng)于增加的旋轉(zhuǎn)力矩(和/或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速率)或者軸向逆沖力(和/或軸向運(yùn)動(dòng)速率)。 當(dāng)控制桿110、130移動(dòng)更靠近中心位置時(shí)，所產(chǎn)生的電信號(hào)分別對(duì)應(yīng)于減小的旋轉(zhuǎn)力矩 (和/或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速率)或者軸向逆沖力(和/或軸向運(yùn)動(dòng)速率)。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)控 制桿110沿向前方向遠(yuǎn)離操作員移動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的電信號(hào)當(dāng)在鉆柱的端部觀察時(shí)對(duì)應(yīng)于鉆 柱的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。備選地，當(dāng)控制桿110沿向后方向朝向操作員移動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的電信 號(hào)對(duì)應(yīng)于相反方向的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。類似地，在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)控制桿130向前遠(yuǎn)離操 作員移動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的電信號(hào)對(duì)應(yīng)于鉆柱向前到土壤內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。備選地，當(dāng)控制桿130沿向 后方向朝向操作員移動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的電信號(hào)對(duì)應(yīng)于鉆柱向后往回朝向鉆機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)控制桿110U30的任何一個(gè)處于中心位置時(shí)，所產(chǎn)生的電信號(hào)對(duì)應(yīng)于中性條 件，在此中性條件下，旋轉(zhuǎn)或逆沖運(yùn)動(dòng)分別設(shè)置為零。彈簧或其它偏置機(jī)構(gòu)被提供以使各控 制桿返回到中心位置，使得如果操作員不保持該桿，則控制桿返回到其位于中心的中性位 置，使得旋轉(zhuǎn)或逆沖運(yùn)動(dòng)設(shè)置被設(shè)置為零。 控制器150響應(yīng)于各個(gè)輸入而產(chǎn)生輸出以控制液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)包括鉆井機(jī)20的液壓泵16和17。液壓電動(dòng)機(jī)216、217由液壓流體以已知的方式驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)生鉆探工具42 和鉆柱18的旋轉(zhuǎn)和逆沖運(yùn)動(dòng)。如上述，該控制典型地為可變電流，其中特定電流將致使泵 形成特定液壓流速。電動(dòng)機(jī)的輸出軸由此以特定旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。這典型地不依賴于流體內(nèi) 的壓力。控制系統(tǒng)典型地設(shè)計(jì)成提供不依賴于負(fù)載的速度控制?？刂葡到y(tǒng)典型地還包括壓 力換能器226和227，該壓力換能器提供表示回路內(nèi)的壓力的反饋到控制系統(tǒng)，且可還包括 用于測量電動(dòng)機(jī)的輸出速度的速度傳感器236和237。 圖3更詳細(xì)地說明旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制件110，其示出安裝在該控制件上的各種控制開 關(guān)。圖4說明向操作員指示每個(gè)這些開關(guān)的功能的符號(hào)?？刂萍?10包括開關(guān)112、118、 120和122，每個(gè)開關(guān)在例如通過按下而致動(dòng)時(shí)而產(chǎn)生電信號(hào)?？刂崎_關(guān)112可稱為SET開 關(guān)。當(dāng)SET開關(guān)112被致動(dòng)時(shí)，該電信號(hào)被發(fā)送到控制器150，激勵(lì)自動(dòng)化鉆探模式(也稱 為自動(dòng)鉆探模式)。當(dāng)控制器150接收來自SET開關(guān)112(或其它源)的信號(hào)時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 和/或逆沖運(yùn)動(dòng)參數(shù)在控制器內(nèi)被設(shè)定到在SET開關(guān)112被致動(dòng)時(shí)由控制件110、 130的位 置所建立的值。 如下文更詳細(xì)的解釋，優(yōu)選技術(shù)包括設(shè)置用于旋轉(zhuǎn)速度的值，同時(shí)設(shè)置用于軸向 逆沖回路中的壓力的值。之后，控制器150自動(dòng)地將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和逆沖運(yùn)動(dòng)的鉆探參數(shù)維持 在該設(shè)定值，而無需來自操作員的另外輸入。操作員隨后可釋放控制桿110、130而不影響 鉆探操作，由此減小操作員疲勞。將理解，自動(dòng)鉆探模式也可在系統(tǒng)當(dāng)前被激勵(lì)時(shí)通過致動(dòng) SET開關(guān)112來關(guān)閉。 在一個(gè)實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制件110還包括控制開關(guān)114和116，其控制用于將 水注入鉆探孔內(nèi)以從孔除去切屑的水流功能。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制件110還包括控制開關(guān)118和 120以控制引擎36的速度，以及控制開關(guān)122以控制潤滑器(未示出)。
圖6說明用于控制系統(tǒng)的顯示器170，其包括當(dāng)自動(dòng)鉆探模式激活時(shí)被通電的燈 172。在SET開關(guān)112被激活以及旋轉(zhuǎn)設(shè)置和逆沖設(shè)置被定義之后，此燈172被通電，從而 進(jìn)入自動(dòng)鉆探模式。如果自動(dòng)鉆探模式未激活，則使燈172斷電。 圖5說明位于操作員控制站100右側(cè)的附加控制開關(guān)。在一個(gè)實(shí)施例中，控制站 100包括與控制器150電氣通信的開關(guān)140、 142。開關(guān)140具有中性位置、第一操作位置和 第二操作位置。在一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)140被彈簧加載到中性位置，使得當(dāng)開關(guān)置于第一或 第二操作位置且隨后釋放時(shí)，開關(guān)140將返回到中性位置。當(dāng)開關(guān)140處于中性位置時(shí)，開 關(guān)140對(duì)鉆探操作沒有影響。當(dāng)開關(guān)140置于第一操作位置時(shí)，例如在那里開關(guān)140順時(shí) 針旋轉(zhuǎn)離開中性位置，以及當(dāng)自動(dòng)鉆探模式被激活時(shí)，電信號(hào)被發(fā)送到控制器150，以使旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)置增大預(yù)定增量。 類似地，當(dāng)開關(guān)140置于第二操作位置時(shí)，例如在那里開關(guān)140逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)離開中 性位置，以及當(dāng)自動(dòng)鉆探模式被激活時(shí)，電信號(hào)被發(fā)送到控制器150，以使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)置減 小預(yù)定減量。 開關(guān)142的操作是類似的。開關(guān)142具有中性位置、第一操作位置和第二操作位 置。在一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)142被彈簧加載到中性位置，使得當(dāng)開關(guān)置于第一或第二操作位 置且隨后釋放時(shí)，開關(guān)142將返回到中性位置。當(dāng)開關(guān)142處于中性位置時(shí)，開關(guān)142對(duì)鉆 探操作沒有影響。當(dāng)開關(guān)142置于第一操作位置時(shí)，例如在那里開關(guān)142順時(shí)針旋轉(zhuǎn)離開 中性位置，以及當(dāng)自動(dòng)鉆探模式被激活時(shí)，電信號(hào)被發(fā)送到控制器150，以將軸向逆沖壓力設(shè)置增大預(yù)定增量。類似地，當(dāng)開關(guān)142置于第二操作位置時(shí)，例如在那里開關(guān)142逆時(shí)針 旋轉(zhuǎn)離開中性位置，以及當(dāng)自動(dòng)鉆探模式被激活時(shí)，電信號(hào)被發(fā)送到控制器150，以將軸向 逆沖壓力設(shè)置減小預(yù)定減量。 在鉆探或回?cái)U(kuò)過程中，系統(tǒng)隨后采取行動(dòng)以將鉆柱的旋轉(zhuǎn)維持在選定旋轉(zhuǎn)速度， 而與旋轉(zhuǎn)壓力設(shè)置和軸向壓力設(shè)置無關(guān)，且將根據(jù)需要而自動(dòng)地改變軸向逆沖速度以試圖 維持旋轉(zhuǎn)回路內(nèi)的選定壓力，或者維持鉆探工具處設(shè)定量的力。在一致的地層中維持鉆頭 上的恒定力，這將導(dǎo)致鉆頭上恒定/一致的力矩，且將使鉆井效率最大化。在變化的地層 中，同樣的控制技術(shù)也是有效的。 可能需要中斷自動(dòng)鉆探模式，例如，當(dāng)需要從鉆柱增加/移除鉆桿時(shí)。自動(dòng)鉆探模 式被中斷有多種方式。鉆井機(jī)可配置為使得當(dāng)自動(dòng)鉆探模式被激活時(shí)，如燈172所指示，控 制件110、 130的任何進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)都會(huì)發(fā)送電信號(hào)到控制器150，該電信號(hào)致使控制器150中 斷自動(dòng)鉆探模式。備選地，鉆井機(jī)可配置為使得當(dāng)自動(dòng)鉆探模式被激活時(shí)，致動(dòng)開關(guān)112會(huì) 發(fā)送電信號(hào)到控制器150，該電信號(hào)致使控制器150中斷自動(dòng)鉆探模式。備選地，其它開關(guān) 或控制可被提供或調(diào)適，從而提供電信號(hào)到控制器150以中斷自動(dòng)鉆探模式。
—個(gè)示例為與斷開傳動(dòng)卡盤或旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器和鉆柱之間的連接有關(guān)的控制功能。當(dāng) 鉆桿已經(jīng)插入且旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器處于機(jī)架22端部時(shí)，則旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器必須從鉆柱旋出且往回移 動(dòng)到機(jī)架的對(duì)立端部，使得可增加另一鉆桿。當(dāng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器位于沿著機(jī)架的特定位置時(shí)，例 如位于對(duì)立末端，需要這一動(dòng)作10。因此，中斷信號(hào)可以由測量旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的位置的傳感器 來自動(dòng)地提供。當(dāng)中斷信號(hào)被接收時(shí)，也可以自動(dòng)地取消例如水流的其它功能。
操作員控制站100還包括與控制器150電氣通信的開關(guān)144。開關(guān)144也可稱為 恢復(fù)(RESUME)開關(guān)。當(dāng)自動(dòng)鉆探模式被中斷時(shí)，操作員可以致動(dòng)開關(guān)144以恢復(fù)自動(dòng)鉆探 模式。開關(guān)144于是發(fā)送電信號(hào)到控制器150，該電信號(hào)致使控制器150以與自動(dòng)鉆探模式 中斷之前已有的設(shè)置相同的設(shè)置來恢復(fù)自動(dòng)鉆探模式。 恢復(fù)過程的許多實(shí)施例是可以使用的。本發(fā)明的恢復(fù)過程按照使鉆柱和鉆井工具 內(nèi)不必要的振動(dòng)和應(yīng)力最小化的方式來啟動(dòng)鉆井操作。圖7和圖8說明恢復(fù)過程的一個(gè) 可使用的實(shí)施例。當(dāng)開關(guān)144被壓下以啟動(dòng)恢復(fù)過程時(shí)，恢復(fù)過程開始(在等于O秒的時(shí) 間)，發(fā)送電信號(hào)到控制器150?？刂破?50將激勵(lì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而使鉆探工具達(dá)到旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)定值、所設(shè)定的旋轉(zhuǎn)速率。同時(shí)，在圖上未示出，水流自動(dòng)地重新啟動(dòng)。旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)恢復(fù)相當(dāng)迅速地發(fā)生，通常約一秒內(nèi)。在旋轉(zhuǎn)正被恢復(fù)的時(shí)間內(nèi)，控制器150不激勵(lì)逆沖 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 按此方式，鉆探工具將旋轉(zhuǎn)恢復(fù)到所設(shè)定的旋轉(zhuǎn)速率，同時(shí)縱向逆沖加載或運(yùn)動(dòng) 很少或沒有。此操作是有利的，因?yàn)槠洚a(chǎn)生平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)加速而沒有鉆探工具和鉆柱的沖擊 加載。在從鉆柱的軸向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生新切屑之前重新建立至切割工具的水流，這具有附加益處。
在達(dá)成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)置之后，旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)后大約一秒時(shí)，控制器150則開始施加逆沖 力到鉆柱。然而，并非迅速地將逆沖力增大至設(shè)定值，逆沖力而是以預(yù)定速率從零增大至設(shè) 定值，即所設(shè)定的軸向逆沖。在一個(gè)可使用的實(shí)施例中，從恢復(fù)過程被啟動(dòng)之后一秒的時(shí)刻 到恢復(fù)過程被啟動(dòng)之后四秒的時(shí)刻，以每秒25%的設(shè)定軸向逆沖力設(shè)置的第一恒定速率施 加逆沖力三秒。因此，以25%的逆沖力設(shè)置增加三(3)秒后，在這一點(diǎn)所施加的逆沖力的量 將為逆沖力設(shè)置的75%。隨后以每秒12.5%的第二恒定速率施加逆沖力兩秒。在這種恢復(fù)示例中，從恢復(fù)過程被啟動(dòng)之后四(4)秒的時(shí)刻到恢復(fù)過程被啟動(dòng)之后六(6)秒的時(shí)刻， 逆沖力從設(shè)定值75%增加到設(shè)定值的100%。因此，在恢復(fù)過程被啟動(dòng)之后六(6)秒，鉆探 工具將在所設(shè)定的旋轉(zhuǎn)速率以及所設(shè)定的軸向逆沖操作。 備選實(shí)施例包括以單一預(yù)定速率增加軸向逆沖力，例如以每秒25%的所設(shè)定軸向 逆沖力施加四(4)秒。將理解，也可以使用其它速率，且此處給出的速率是作為優(yōu)選實(shí)施 例，而不是作為限制。HDD的多個(gè)方面進(jìn)一步公開于美國專利No. 6， 766， 253、美國專利No. 6， 367， 564、 美國專利No. 6， 389， 360、美國專利No. 5， 556， 253、美國專利No. 6， 554， 082和2007年5月 3日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 60/927， 746，其全文通過引用結(jié)合于此。
恒定模式的優(yōu)選實(shí)施例 如上述，在本發(fā)明中優(yōu)選地提供三種不同模式。三種模式為恒定速度模式、恒定力
矩模式和恒定逆沖模式。然而，將理解，在鉆井設(shè)備中可采用單個(gè)模式或者其組合。接著描
述這三 種模式。 恒定速度模式 當(dāng)自動(dòng)鉆井被設(shè)置時(shí)，逆沖/回拉輸出％被記錄。自動(dòng)鉆井控制將維持此逆沖/ 回拉輸出％，只要逆沖和旋轉(zhuǎn)壓力不超過容許微分限制。這允許操作員維持恒定逆沖回拉 速度，而與標(biāo)稱壓力變動(dòng)無關(guān)。 此處使用的微分是例如泵的液壓壓力的壓力隨時(shí)間的變化。當(dāng)壓力變化時(shí)，其被 連續(xù)地監(jiān)視且微分計(jì)算每隔一段時(shí)間被確定。如果所計(jì)算的微分小于設(shè)定限制(DP1)，則 不引起逆沖/回拉輸出變化。這意味著壓力可以上升或下降，只要壓力的變化率不大于設(shè) 定限制。如果壓力上升太快，則微分控制被觸發(fā)。在對(duì)此壓力上升采取動(dòng)作之前，將等待一 段指定時(shí)間(DT1)。如果在此時(shí)間到達(dá)之前壓力向下回落，則逆沖/回拉輸出不改變。然 而，如果壓力仍大于微分觸發(fā)值，則各個(gè)壓力設(shè)定點(diǎn)將被設(shè)置為先前的壓力(例如，微分控 制被觸發(fā)之前的壓力)。這將導(dǎo)致逆沖/回拉輸出％減小，直到實(shí)際壓力向下回落到新的設(shè) 定點(diǎn)。 根據(jù)本發(fā)明有多種方式可以計(jì)算微分。例如，可以在不同時(shí)間取兩個(gè)壓力讀數(shù)。兩 個(gè)壓力讀數(shù)之間的差值除以取這些讀數(shù)之間的時(shí)間量。微分可以數(shù)值表示以利于與閾值比 較。例如，預(yù)定微分閾值可以是20PSI/秒，以及超過此閾值的所計(jì)算的微分可以是25PSI/ 秒。在一優(yōu)選實(shí)施例中，微分壓力限制介于100和900PSI/秒之間。
恒定力矩模式 當(dāng)自動(dòng)鉆井被設(shè)置時(shí)，旋轉(zhuǎn)壓力和逆沖/回拉輸出％被記錄。逆沖回拉輸出％將 不超過其記錄輸出％。如果實(shí)際旋轉(zhuǎn)壓力超過記錄值，逆沖/回拉輸出將被減小以維持恒 定力矩。這允許操作員在鉆探工具42維持恒定旋轉(zhuǎn)力矩。
恒定逆沖模式 當(dāng)自動(dòng)鉆井被設(shè)置時(shí)，逆沖/回拉壓力和輸出％被記錄。逆沖/回拉輸出％將不 超過其記錄輸出％。如果實(shí)際逆沖/回拉壓力超過記錄值，逆沖/回拉輸出將被減小以維 持恒定力。這允許操作員在鉆探工具42處維持恒定逆沖/回拉壓力。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖9a和圖9b，其總體上在900說明可用于實(shí)施旋轉(zhuǎn)壓力的恒定速度微分 控制的邏輯流程。該邏輯流程可以作為編程步驟實(shí)施于控制器150、 CPU、其它板上控制器或者專用編程智能裝置中。 該過程開始于方框901，在那里確定自動(dòng)鉆井是否被激活。如果自動(dòng)鉆井未被激 活，該過程進(jìn)行到方框902和方框903，在那里記錄旋轉(zhuǎn)壓力存儲(chǔ)器被設(shè)置為0且旋轉(zhuǎn)瞬時(shí) 壓力微分也被設(shè)置為O。該過程隨后返回到方框901，在那里確定自動(dòng)鉆井是否被激活。該 循環(huán)繼續(xù)，直至自動(dòng)鉆井模式被選擇。 在自動(dòng)鉆井在方框901被激活之后，該過程進(jìn)行到方框904。在此，自動(dòng)鉆井最大 逆沖泵輸出(速度)限制設(shè)置為初始逆沖控制桿輸入信號(hào)(例如控制桿130)。該過程隨后 進(jìn)行經(jīng)過方框905和方框906到方框907，在方框907旋轉(zhuǎn)壓力反饋信號(hào)被接收。在方框 908，旋轉(zhuǎn)壓力反饋信號(hào)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器。該過程隨后在方框909等待250毫秒且旋轉(zhuǎn)壓力反 饋信號(hào)在方框910被再次檢查，以及在方框911該瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)壓力微分被計(jì)算。在方框912， 該過程確定所計(jì)算的微分是否超過預(yù)定容許旋轉(zhuǎn)壓力微分。如果否，該過程進(jìn)行到方框916 且繼續(xù)到方框917，該過程確定操作員是否期望手動(dòng)地增大或減小逆沖。如果否，該過程進(jìn) 行到方框918，其隨后返回到方框907。如果答案是肯定的，該過程繼續(xù)到方框919且隨后 進(jìn)行到方框920以讀取遞增/遞減開關(guān)。在方框921，自動(dòng)鉆井最大逆沖泵輸出限制被相應(yīng) 地遞增或遞減。該過程隨后返回到方框906。 如果瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)壓力微分大于容許微分，則該過程進(jìn)行到方框913以及繼續(xù)到方框 914，在那里維持附加的200毫秒等待時(shí)間。在方框915，再次讀取旋轉(zhuǎn)壓力反饋信號(hào)且確定 旋轉(zhuǎn)壓力反饋是否仍大于存儲(chǔ)器中的旋轉(zhuǎn)壓力值。如果答案是否定的，則如上所述該過程 進(jìn)行到方框916。如果答案是肯定的，則該過程進(jìn)行到方框924，在那里最大旋轉(zhuǎn)泵壓力限 制設(shè)置為等于存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中的旋轉(zhuǎn)壓力的值。 進(jìn)行到方框925，逆沖輸出信號(hào)被控制器150減小。進(jìn)行到方框926，如果旋轉(zhuǎn)壓 力仍大于存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中的旋轉(zhuǎn)壓力的值，則該過程進(jìn)行到方框929，在那里確定操作員是 否希望在方框930手動(dòng)地增加旋轉(zhuǎn)壓力。如果在方框931答案是否定的，在方框924最大 旋轉(zhuǎn)壓力設(shè)置為等于存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中的旋轉(zhuǎn)壓力的值。如果答案是肯定的，則遞增遞減開 關(guān)在方框933被讀取且該過程進(jìn)行到方框923和方框922。在方框926，如果答案是否定 的，則該過程進(jìn)行到方框927并繼續(xù)到方框928，在那里旋轉(zhuǎn)泵壓力限制從所存儲(chǔ)的旋轉(zhuǎn)壓 力傾斜上升到最大壓力限制。該過程隨后回到方框907以讀取下一個(gè)旋轉(zhuǎn)壓力反饋信號(hào)。
圖10說明包括由操作員提供的輸入的恒定速度模式的示例，其中輸入用標(biāo)號(hào)187 指示以及旋轉(zhuǎn)壓力用標(biāo)號(hào)192指示。圖10中還說明旋轉(zhuǎn)壓力限制194和旋轉(zhuǎn)泵百分比196。 曲線187對(duì)應(yīng)于逆沖泵輸出且因此指示用戶輸入以及控制器命令到逆沖泵以增大/減小輸 出。 在501附近，旋轉(zhuǎn)壓力限制194被設(shè)置以及逆沖泵輸出187和旋轉(zhuǎn)壓力192增大， 對(duì)應(yīng)于鉆井操作開始。在502附近，操作員切換SET開關(guān)，這導(dǎo)致鉆井系統(tǒng)開始進(jìn)入具有恒 定速度的自動(dòng)鉆井模式。將理解，結(jié)合圖IO所討論的本發(fā)明的各方面可以包括在采用如此 處所述其它自動(dòng)鉆井模式的本發(fā)明實(shí)施例中。 在502附近，當(dāng)操作員按下SET開關(guān)時(shí)，逆沖泵輸出187被記錄。隨后，控制器將 維持此記錄的逆沖泵輸出187，例如其可對(duì)應(yīng)于輸出容量百分比。然而，如果特定條件被滿 足，例如逆沖和/或旋轉(zhuǎn)壓力超過可變壓力限制、可變壓力限制受到微分變動(dòng)以及用戶越 權(quán)，控制器可調(diào)節(jié)逆沖泵輸出187。
在503附近，操作員從與在502附近按下SET開關(guān)相關(guān)的先前記錄水平增大逆沖 泵輸出187。這允許用戶具有使用如此處所述自動(dòng)鉆井功能并且也增大泵輸出以優(yōu)化鉆井 操作的能力。 在504附近，可以看到旋轉(zhuǎn)泵壓力192變化。盡管基于旋轉(zhuǎn)泵壓力192的微分，旋 轉(zhuǎn)泵壓力192變化可以觸發(fā)旋轉(zhuǎn)壓力194的變化，這些變化不在504附近產(chǎn)生。其中的原 因有好幾個(gè)。例如，各個(gè)旋轉(zhuǎn)泵壓力192變化的微分可能不超過微分閾值。另外，即使泵壓 力192的一個(gè)變化確實(shí)超過開始一時(shí)間間隔的微分閾值，但是在該時(shí)間間隔內(nèi)和/或該時(shí) 間間隔之后可能不存在也超過該微分閾值的相應(yīng)附加微分，而在一些實(shí)施例中將需要該相 應(yīng)附加微分觸發(fā)旋轉(zhuǎn)壓力限制194減小。因此，具有足夠高的微分閾值以及附加或備選地 要求在一時(shí)間間隔內(nèi)或者在一時(shí)間間隔的相對(duì)端的多個(gè)超過微分閾值的壓力微分，這允許 瞬態(tài)和/或小的旋轉(zhuǎn)壓力變化而不影響自動(dòng)鉆井控制。在優(yōu)選實(shí)施例中，該時(shí)間間隔介于 50和500毫秒之間。 在506附近，旋轉(zhuǎn)壓力192快速增加。旋轉(zhuǎn)壓力192的所計(jì)算的微分超過壓力微 分，且因此導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)壓力限制194變化。 基于超過微分閾值，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)壓力限制194進(jìn)行各種調(diào)節(jié)。例如，除其它選擇 外，最大旋轉(zhuǎn)壓力限制194可減小以PSI計(jì)量的設(shè)定量、設(shè)定百分比，或者設(shè)置到先前記錄 的值。最大旋轉(zhuǎn)壓力限制194復(fù)位到旋轉(zhuǎn)壓力192在壓力微分超過微分限制之前記錄的 值505。將最大旋轉(zhuǎn)壓力限制194改變到先前記錄的旋轉(zhuǎn)壓力192，這允許鉆井平臺(tái)繼續(xù)以 相同的參數(shù)操作，使得鉆井平臺(tái)可以繼續(xù)之前在進(jìn)行的操作。如果隨后旋轉(zhuǎn)壓力192不上 升，則鉆探操作可以繼續(xù)而無中斷地進(jìn)行。然而，如果旋轉(zhuǎn)壓力192繼續(xù)上升，則逆沖泵輸 出187如所示將被減小以防止對(duì)鉆井平臺(tái)有壓力的操作條件。按此方式，本發(fā)明可以自動(dòng) 地管理鉆探生產(chǎn)率以及有壓力操作條件事宜。 在507附近，旋轉(zhuǎn)壓力192下降低于經(jīng)調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)壓力限制194。根據(jù)圖10的實(shí) 施例，這導(dǎo)致控制器增大旋轉(zhuǎn)壓力限制194。如所示，對(duì)于旋轉(zhuǎn)壓力192保持低于旋轉(zhuǎn)壓力 限制194的每個(gè)時(shí)間段，旋轉(zhuǎn)壓力限制194增大。每個(gè)時(shí)間段增大的量可以基于例如旋轉(zhuǎn) 壓力限制194的百分比、預(yù)定遞增量或者旋轉(zhuǎn)壓力192等。 另外在507附近，因?yàn)樾D(zhuǎn)壓力192已經(jīng)下降低于經(jīng)調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)壓力限制194，控 制器增大逆沖泵輸出187。在圖10的實(shí)施例中，控制器在多個(gè)時(shí)間段上以遞增方式增大逆 沖泵輸出187，直到逆沖泵輸出187到達(dá)所記錄的輸出水平，逆沖泵輸出187在502附近被 設(shè)置到該輸出水平。每個(gè)時(shí)間段的增加量可以基于例如逆沖泵輸出187的百分比或預(yù)定遞 增量等。以遞增方式增大逆沖泵輸出187允許該系統(tǒng)容易回到所記錄的設(shè)置而輸出無劇烈 變化，這本身會(huì)導(dǎo)致各種測量壓力快速上升并超過此處所述的閾值，且可避免對(duì)鉆探設(shè)備 產(chǎn)生壓力。遞增回到預(yù)設(shè)操作水平還允許旋轉(zhuǎn)壓力限制194在一時(shí)間段內(nèi)遞增。然而，在 一些實(shí)施例中，一旦旋轉(zhuǎn)壓力192下降低于旋轉(zhuǎn)壓力限制194，逆沖泵輸出187可立即被復(fù) 位到所記錄的輸出水平。 在508附近，泵輸出187已以遞增方式返回到所記錄的輸出水平。在509附近，旋 轉(zhuǎn)壓力192的微分已經(jīng)超過微分閾值，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)壓力限制194減小，旋轉(zhuǎn)壓力192超過此旋 轉(zhuǎn)壓力限制194。超過壓力限制194的旋轉(zhuǎn)壓力192觸發(fā)逆沖泵輸出187被控制器減小。 在此具體示例中，如510附近所示，如果期望更大的輸出，操作員可以通過手動(dòng)地改變旋轉(zhuǎn)
15壓力限制194來增大逆沖泵輸出187。多個(gè)選擇可用于旋轉(zhuǎn)壓力限制194的用戶調(diào)節(jié)。例 如，用戶可以輸入一值，旋轉(zhuǎn)壓力限制194可以被復(fù)位到該值。在另一選擇中，每次用戶按 下按鈕或者指示期望增大旋轉(zhuǎn)壓力限制194時(shí)，旋轉(zhuǎn)壓力限制194可被增大一遞增量或百 分比。根據(jù)另一選擇，在用戶按下按鈕或者指示期望增大旋轉(zhuǎn)壓力限制194時(shí)，旋轉(zhuǎn)壓力限 制194可被改變到旋轉(zhuǎn)壓力192的值。 當(dāng)用戶在調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)壓力限制194時(shí)，逆沖泵輸出187增大，因?yàn)樵诖藭r(shí)間內(nèi)，旋轉(zhuǎn) 壓力182不低于旋轉(zhuǎn)壓力限制194。在511附近，旋轉(zhuǎn)壓力192已經(jīng)下降低于用戶調(diào)節(jié)的旋 轉(zhuǎn)壓力限制194，導(dǎo)致由控制器進(jìn)一步遞增旋轉(zhuǎn)壓力限制194。 本發(fā)明的各方面已經(jīng)在圖10中結(jié)合恒定速度模式予以描述，不過這些方面可以 應(yīng)用于此處討論的其它模式(例如恒定力矩、恒定逆沖)。例如，旋轉(zhuǎn)壓力限制194可以替 代/也可以是逆沖壓力限制、泥泵限制、或者與此處討論的其它度量相關(guān)的限制。類似地， 逆沖泵輸出可以替代/也可以是泥泵輸出、回拉輸出、引擎輸出、旋轉(zhuǎn)泵輸出、和/或此處討 論的另一輸出。 現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖lla和圖llb，其說明可被執(zhí)行以實(shí)施恒定速度模式的步驟的邏輯流 程圖。恒定速度模式邏輯流程總體上在1100示出。該過程開始于方框1101，在那里確定自 動(dòng)鉆井是否被激活。如果自動(dòng)鉆井未被激活，該過程進(jìn)行到方框1102和方框1103，在那里 記錄的旋轉(zhuǎn)壓力的存儲(chǔ)器被設(shè)置為0且逆沖設(shè)置瞬時(shí)壓力微分也被設(shè)置為0。該過程隨后 再次返回到方框1101，在那里確定自動(dòng)鉆井是否被激活。 在方框1101，如果自動(dòng)鉆井已經(jīng)被激活，該過程進(jìn)行到方框1104。在此，自動(dòng)鉆井 最大逆沖泵輸出(速度)限制設(shè)置為初始逆沖控制桿輸入信號(hào)。該過程隨后進(jìn)行經(jīng)過方框 1105和方框1106到方框1107，在方框1107逆沖壓力反饋信號(hào)被接收。在方框1108，逆沖 壓力反饋信號(hào)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中。該過程隨后在方框1109等待250毫秒且逆沖壓力反饋信號(hào) 在方框1110被再次檢查。在此，隨后在方框llll，計(jì)算瞬時(shí)逆沖壓力微分。在方框1112， 所計(jì)算的微分與容許逆沖壓力微分比較以確定其是否超過容許逆沖壓力微分。如果否，該 過程進(jìn)行到方框1116以及在方框1117確定操作員是否期望手動(dòng)地增大或減小逆沖。如果 否，該過程進(jìn)行到方框1118，其隨后返回到方框1107。如果答案是肯定的，該過程進(jìn)行到方 框1119且隨后繼續(xù)到方框1120以讀取遞增/遞減開關(guān)以及隨后到方框1121，在那里自動(dòng) 鉆井最大逆沖泵輸出限制被相應(yīng)地遞增或遞減。該過程隨后返回到方框1106。
如果瞬時(shí)逆沖壓力微分大于容許微分，則該過程進(jìn)行到方框1113以及到方框 1114，在那里維持附加的200毫秒等待時(shí)間。在方框1113，再次讀取逆沖壓力反饋信號(hào)且確 定旋轉(zhuǎn)壓力反饋是否仍大于存儲(chǔ)器中的逆沖壓力值。如果答案是否定的，則如上所述該過 程進(jìn)行到方框1116。如果答案是肯定的，則該過程進(jìn)行到方框1124，在那里最大逆沖泵壓 力限制設(shè)置為等于存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中的逆沖壓力的值，以及隨后到方框1125，在那里逆沖輸 出信號(hào)被控制器減小。進(jìn)行到方框1126，如果逆沖壓力仍大于存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中的逆沖壓力 的值，則該過程進(jìn)行到方框1129，在那里確定操作員是否希望在方框1130手動(dòng)地增加逆沖 壓力。如果在方框1131答案是否定的，在方框1124最大逆沖壓力設(shè)置為等于存儲(chǔ)于存儲(chǔ) 器中的逆沖壓力的值。如果答案是肯定的，則遞增遞減開關(guān)在方框1133被讀取且隨后進(jìn)行 到方框1123和方框1122。在方框1126，如果答案是否定的，則該過程進(jìn)行到方框1127和 方框1128，在方框1128逆沖泵壓力限制從所存儲(chǔ)的逆沖壓力傾斜上升到最大壓力限制。該
16過程隨后回到方框1107以讀取下一個(gè)逆沖壓力反饋信號(hào)。 圖12說明了先前模式的示例，包括由操作員提供的輸入(在標(biāo)號(hào)187示出)和逆
沖壓力(在標(biāo)號(hào)191示出)。還說明了逆沖壓力限制195和逆沖泵百分比187。 圖12中的曲線187對(duì)應(yīng)于逆沖泵輸出且因此指示用戶輸入以及控制器命令到逆
沖泵以增大/減小輸出。 在601附近，逆沖壓力限制195被設(shè)置以及逆沖泵輸出187和逆沖壓力191增大，對(duì)應(yīng)于鉆井操作開始。在602附近，操作員切換SET開關(guān)，這導(dǎo)致鉆井系統(tǒng)進(jìn)入具有恒定速度的自動(dòng)鉆井模式。將理解，結(jié)合圖12所討論的本發(fā)明的各方面可以被包括在采用如此處所述其它自動(dòng)鉆井模式的本發(fā)明實(shí)施例中。 在602附近，當(dāng)操作員按下SET開關(guān)時(shí)，逆沖泵輸出187被記錄。隨后，控制器將維持此記錄的逆沖泵輸出187，例如其可對(duì)應(yīng)于輸出容量百分比。然而，如果特定條件滿足，例如逆沖和/或逆沖壓力超過可變壓力限制、可變壓力限制受到微分變動(dòng)以及用戶越權(quán)，或者基于用戶輸入，控制器可以調(diào)節(jié)逆沖泵輸出187。 在603附近，操作員從與在602附近按下SET開關(guān)相關(guān)的先前記錄水平增大逆沖泵輸出187。這允許用戶具有使用如此處所述自動(dòng)鉆井功能以及增大泵輸出以優(yōu)化鉆井操作的能力。 在606附近，逆沖壓力191快速增大。逆沖壓力191的所計(jì)算的微分超過壓力微分，且因此導(dǎo)致逆沖壓力限制195變化。 基于超過微分閾值，可以對(duì)逆沖壓力限制195進(jìn)行各種調(diào)節(jié)。例如，除其它選擇外，最大逆沖壓力限制195可減小以PSI計(jì)量的設(shè)定量、設(shè)定百分比，或者設(shè)置到先前記錄的值。最大逆沖壓力限制195復(fù)位到逆沖壓力191在壓力微分超過微分限制之前記錄的值605。將最大逆沖壓力限制195改變到先前記錄的逆沖壓力191，這允許鉆井平臺(tái)繼續(xù)以相同的參數(shù)操作，使得鉆井平臺(tái)可以繼續(xù)之前在進(jìn)行的操作。如果隨后逆沖壓力191不上升，則鉆探操作可以繼續(xù)而無中斷地進(jìn)行。然而，如果逆沖壓力191繼續(xù)上升，則逆沖泵輸出187如所示將被減小以防止對(duì)鉆井平臺(tái)有壓力的操作條件。按此方式，本發(fā)明可以自動(dòng)地管理鉆探生產(chǎn)率以及有壓力操作條件事宜。 在607附近，逆沖壓力191下降低于經(jīng)調(diào)節(jié)的逆沖壓力限制195。根據(jù)圖12的實(shí)施例，這導(dǎo)致控制器增大逆沖壓力限制195。如所示，對(duì)于逆沖壓力191保持低于逆沖壓力限制195的每個(gè)時(shí)間段，逆沖壓力限制195增大。每個(gè)時(shí)間段增大的量可以基于例如逆沖壓力限制195的百分比、預(yù)定遞增量或者逆沖壓力191等。 此外在607附近，因?yàn)槟鏇_壓力191已經(jīng)下降低于經(jīng)調(diào)節(jié)的逆沖壓力限制195，控制器增大逆沖泵輸出187。在圖12的實(shí)施例中，控制器在多個(gè)時(shí)間段上以遞增方式增大逆沖泵輸出187直到逆沖泵輸出187到達(dá)所記錄的輸出水平，逆沖泵輸出187在602附近被設(shè)置到該輸出水平。每個(gè)時(shí)間段的增加量可以基于例如逆沖泵輸出187的百分比或預(yù)定遞
增量等。 在608附近，泵輸出187已以遞增方式返回到所記錄的輸出水平。在609附近，逆沖壓力191的微分已經(jīng)超過微分閾值，導(dǎo)致逆沖壓力限制195減小，逆沖壓力191超過此逆沖壓力限制195。超過壓力限制195的逆沖壓力191觸發(fā)逆沖泵輸出187被控制器減小。在此具體示例中，如610附近所示，如果期望更大的輸出，操作員可以通過手動(dòng)地改變逆沖
17壓力限制195來增大逆沖泵輸出187。多個(gè)選擇可用于逆沖壓力限制195的用戶調(diào)節(jié)。例如，用戶可以輸入一值，逆沖壓力限制195可以被復(fù)位到該值。在另一選擇中，每次用戶按下按鈕或者指示期望增大逆沖壓力限制195時(shí)，逆沖壓力限制195可被增大一遞增量或百分比。根據(jù)另一選擇，在用戶按下按鈕或者指示期望增大逆沖壓力限制195時(shí)，逆沖壓力限制195可被改變到逆沖壓力191的值。 當(dāng)用戶在調(diào)節(jié)逆沖壓力限制195時(shí)，逆沖泵輸出187增大，因?yàn)樵诖藭r(shí)間內(nèi)，逆沖壓力182不低于逆沖壓力限制195。在611附近，逆沖壓力191已經(jīng)下降低于用戶調(diào)節(jié)的逆沖壓力限制195，導(dǎo)致由控制器進(jìn)一步遞增逆沖壓力限制195。 圖13說明具有壓力微分控制的用于恒定模式自動(dòng)鉆井的方法1300。方法1300可以使用此處討論的結(jié)構(gòu)和實(shí)施例來執(zhí)行。方法1300包括在使用具有逆沖泵的HDD鉆井平臺(tái)執(zhí)行鉆井操作時(shí)維持1301恒定輸出參數(shù)。參數(shù)可被維持作為用戶選擇的自動(dòng)鉆井功能的一部分。 該方法可進(jìn)一步包括產(chǎn)生1302來自HDD鉆井平臺(tái)的一個(gè)或多個(gè)泵的液壓流體壓力測量值，以及將液壓流體壓力測量值與可變壓力限制比較1303?？梢赃B續(xù)地、定期地、或者基于條件探測來獲得液壓流體壓力測量值并將其與可變壓力限制比較。從其獲得液壓流體壓力測量值的一個(gè)或多個(gè)泵可以是旋轉(zhuǎn)泵和逆沖泵的一個(gè)或多個(gè)。 基于比較1303，確定1304液壓流體壓力是否超過可變壓力限制。如果液壓流體壓力超過可變壓力限制，則逆沖泵的輸出減小1309。在任一情形中，方法1300使用步驟1302的所測量的液壓流體壓力測量值計(jì)算1305微分值。 方法1300可包括當(dāng)確定1304 —個(gè)或多個(gè)液壓流體壓力測量值小于可變壓力限制時(shí)，增大1310可變壓力限制。 將計(jì)算的1305微分值與微分閾值比較1306?；诒容^1306，確定1307微分值是否超過微分閾值。如果微分值超過微分閾值，則可變壓力限制減小1308。可變壓力限制減小的量可以基于一個(gè)或多個(gè)液壓流體壓力測量值。在任一情形中，該方法繼續(xù)維持1301恒定輸出參數(shù)。 在方法1300的一些實(shí)施例中，減小1308可變壓力限制進(jìn)一步包括將可變壓力限制減小1308到一值，該值與在液壓流體壓力測量值與可變壓力限制的比較觸發(fā)可變壓力限制減小之前所獲得1302的一個(gè)或多個(gè)液壓流體壓力測量值存在比例關(guān)系。
在一些實(shí)施例中，步驟1302的液壓流體壓力測量值存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中，當(dāng)微分值超過微分閾值時(shí)該可變壓力限制減小1308到的值接近或等于在比較1306微分值與微分閾值指示1307微分值超過微分閾值而由此觸發(fā)可變壓力限制減小之前獲得的、已存儲(chǔ)液壓流體壓力測量值?？勺儔毫ο拗茰p小1308到的值可以等于在比較1306微分值與微分閾值指示1307微分值超過微分閾值而由此觸發(fā)可變壓力限制減小1308之前獲得的液壓流體壓力 在方法1300的一些實(shí)施例中，基于分別在一時(shí)間間隔期滿之前和之后獲得的分開的液壓流體壓力測量值1302，計(jì)算1305兩個(gè)微分。在這些實(shí)施例中，計(jì)算1305兩個(gè)微分并在微分值和微分閾值之間進(jìn)行兩次比較1306，其中僅當(dāng)兩個(gè)微分值均超過微分閾值時(shí)可變壓力限制減小1308。在一些實(shí)施例中，第一所計(jì)算的微分超過微分閾值，這觸發(fā)該時(shí)間間隔以及第二微分的計(jì)算。
在方法1300的一些實(shí)施例中，可變壓力限制可以基于用戶輸入而增大。
在方法1300的一些實(shí)施例中，基于分別從旋轉(zhuǎn)泵和逆沖泵獲得的分開的液壓流體壓力測量值1302，計(jì)算1305多個(gè)微分，其中可變壓力限制的減小1308可以基于從相應(yīng)壓力測量值計(jì)算1308的兩個(gè)微分的任何一個(gè)，該相應(yīng)壓力測量值基于相應(yīng)比較1306超過1307微分閾值。 在方法1300的一些實(shí)施例中，維持1301恒定輸出參數(shù)可包括調(diào)節(jié)逆沖泵和旋轉(zhuǎn)泵的相應(yīng)輸出以維持鉆管的恒定線性行進(jìn)，其中根據(jù)從旋轉(zhuǎn)泵和逆沖泵之一或二者獲得1302的液壓流體壓力測量值之一或二者來計(jì)算1305微分值。 在方法1300的一些實(shí)施例中，維持1301恒定輸出參數(shù)包括調(diào)節(jié)逆沖泵輸出以維持恒定逆沖壓力，以及液壓流體壓力測量值是從旋轉(zhuǎn)泵獲得1302。 在方法1300的一些實(shí)施例中，維持1301恒定輸出參數(shù)包括調(diào)節(jié)逆沖泵輸出以維持恒定旋轉(zhuǎn)壓力，以及液壓流體壓力測量值是從逆沖泵獲得1302。 壓力可以使用包括壓電和基于動(dòng)態(tài)電阻的傳感器的各種類型的壓力傳感器來測 在一些上述實(shí)施例中，存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中的程序指令可由處理器執(zhí)行以致使HDD系統(tǒng)執(zhí)行所述過程/方法。 本發(fā)明的具體實(shí)施例已經(jīng)結(jié)合其應(yīng)用予以描述，不過本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本發(fā)明不受此處所公開和描述的應(yīng)用或?qū)嵤├蚓唧w部件限制。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以在本發(fā)明的精神和主旨之內(nèi)構(gòu)思此處所描述以外的實(shí)施本發(fā)明原理的其它部件以及其它應(yīng)用。此處描述的布置僅作為結(jié)合和實(shí)踐本發(fā)明原理的實(shí)施例的一個(gè)示例而被提供。
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權(quán)利要求
一種具有一個(gè)或多個(gè)自動(dòng)鉆井模式的水平定向鉆井(HDD)系統(tǒng)，包括鉆管，其配置為附接到鉆探工具；逆沖泵，其配置為使該鉆管線性行進(jìn)；旋轉(zhuǎn)泵，其配置為旋轉(zhuǎn)該鉆管；一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器，其配置為測量液壓流體壓力；以及控制器，其耦合到該逆沖泵和壓力傳感器，該控制器配置為執(zhí)行存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器的程序指令以致使該HDD系統(tǒng)在恒定參數(shù)模式中執(zhí)行鉆井操作，其中在恒定參數(shù)模式中，輸出參數(shù)維持在恒定水平；在該HDD系統(tǒng)操作于該恒定參數(shù)模式時(shí)，將該液壓流體壓力測量值與可變壓力限制比較；計(jì)算該液壓流體壓力測量值的微分值并將該微分值與微分閾值比較；如果該微分值超過該微分閾值，則減小該可變壓力限制，其中該可變壓力限制減小的量是基于一個(gè)或多個(gè)該液壓流體壓力測量值；以及當(dāng)該液壓流體壓力測量值與該可變壓力限制的比較指示一個(gè)或多個(gè)該液壓流體壓力測量值超過該可變壓力限制時(shí)，降低該逆沖泵的輸出。
2. 如權(quán)利要求1所述的HDD系統(tǒng)，其中該控制器還配置為將該液壓流體壓力測量值存儲(chǔ)于該存儲(chǔ)器中以及減小該可變壓力限制到一值，該值接近或等于在該微分值超過該微分閾值由此觸發(fā)該可變壓力限制減小之前所測量和存儲(chǔ)的液壓流體壓力值。
3. 如權(quán)利要求1所述的HDD系統(tǒng)，其中該可變壓力限制減小到的值等于在該微分值超過該微分閾值由此觸發(fā)該可變壓力限制減小之前由一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器測量的該液壓流體壓力測量值中的最近的液壓流體壓力測量值。
4. 如權(quán)利要求1所述的HDD系統(tǒng)，其中該控制器還配置為當(dāng)一個(gè)或多個(gè)該液壓流體壓力測量值小于該可變壓力限制時(shí)，增大該可變壓力限制。
5. 如權(quán)利要求1所述的HDD系統(tǒng)，其中該控制器還配置為如果該微分值超過該微分閾值，則開始時(shí)間間隔；基于在該時(shí)間間隔期滿之后獲得的一個(gè)或多個(gè)液壓流體壓力測量值，計(jì)算該液壓流體壓力測量值的附加微分值；將該附加微分值與該微分閾值比較；以及如果該附加微分值超過該微分閾值，則減小該可變壓力限制。
6. 如權(quán)利要求1所述的HDD系統(tǒng)，還包括用戶接口 ，其中該控制器還配置為基于從該用戶接口接收的信息增大該可變壓力限制。
7. 如權(quán)利要求1所述的HDD系統(tǒng)，其中該一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器的至少一個(gè)配置為測量該旋轉(zhuǎn)泵的液壓流體壓力，以及該液壓流體壓力測量值的微分值的計(jì)算是基于從該旋轉(zhuǎn)泵獲得的液壓流體壓力測量值。
8. 如權(quán)利要求1所述的HDD系統(tǒng)，其中該一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器的至少一個(gè)配置為測量該逆沖泵的液壓流體壓力，以及該液壓流體壓力測量值的微分值的計(jì)算是基于從該逆沖泵獲得的液壓流體壓力測量值。
9. 如權(quán)利要求1所述的HDD系統(tǒng)，其中該一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器的第一壓力傳感器配置為測量該旋轉(zhuǎn)泵的液壓流體壓力，該一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器的第二壓力傳感器配置為測量該逆沖泵的液壓流體壓力，以及該可變壓力限制的減小是基于根據(jù)由第一壓力傳感器和第二壓力傳感器之一或二者獲得的液壓流體壓力測量值所計(jì)算的一個(gè)或多個(gè)微分值。
10. 如權(quán)利要求1所述的HDD系統(tǒng)，其中該控制器還配置為將該可變壓力限制減小到一值，該值相對(duì)于在該微分值超過該微分閾值由此觸發(fā)該可變壓力限制減小之前由該壓力傳感器之一獲得的該液壓流體壓力測量值之一具有比例關(guān)系。
11. 如權(quán)利要求l所述的HDD系統(tǒng)，其中該控制器配置為在該恒定參數(shù)模式中維持該鉆管的恒定線性行進(jìn)，以及該微分值根據(jù)由該一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器感測的旋轉(zhuǎn)泵液壓流體壓力和逆沖泵液壓流體壓力之一或二者來計(jì)算。
12. 如權(quán)利要求l所述的HDD系統(tǒng)，其中該控制器配置為在該恒定參數(shù)模式中維持恒定逆沖壓力，以及該微分值根據(jù)由該一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器感測的旋轉(zhuǎn)泵液壓流體壓力來計(jì)算。
13. 如權(quán)利要求l所述的HDD系統(tǒng)，其中該控制器配置為在該恒定參數(shù)模式中維持該旋轉(zhuǎn)泵的恒定旋轉(zhuǎn)壓力，以及該微分值根據(jù)由該一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器感測的逆沖泵液壓流體壓力來計(jì)算。
14. 一種在自動(dòng)鉆井模式中的水平定向鉆井(HDD)方法，包括在使用具有逆沖泵的HDD鉆井平臺(tái)執(zhí)行鉆井操作時(shí)，維持恒定輸出參數(shù)；從該HDD鉆井平臺(tái)的一個(gè)或多個(gè)泵產(chǎn)生液壓流體壓力測量值；將該液壓流體壓力測量值與可變壓力限制比較；使用所測量的液壓流體壓力測量值來計(jì)算微分值；將該微分值與微分閾值比較；當(dāng)該微分值超過該微分閾值時(shí)，減小該可變壓力限制，其中該可變壓力限制減小的量是基于一個(gè)或多個(gè)該液壓流體壓力測量值；以及當(dāng)該液壓流體壓力測量值與該可變壓力限制的比較指示一個(gè)或多個(gè)該液壓流體壓力測量值超過該可變壓力限制時(shí)，降低該逆沖泵的輸出。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，還包括將該液壓流體壓力測量值存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中，其中當(dāng)該微分值超過該微分閾值時(shí)該可變壓力限制減小到的值接近或等于在該微分值與該微分閾值的比較指示該微分值超過該微分閾值而由此觸發(fā)該可變壓力限制減小之前所得到的已存儲(chǔ)液壓流體壓力測量值。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中該可變壓力限制減小到的值等于該微分值與該微分閾值的比較指示該微分值超過該微分閾值而由此觸發(fā)該可變壓力限制減小之前所獲得的該液壓流體壓力測量值之一。
17. 如權(quán)利要求14所述的方法，還包括，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)該液壓流體壓力測量值小于該可變壓力限制時(shí)，增大該可變壓力限制。
18. 如權(quán)利要求14所述的方法，還包括當(dāng)該微分值超過該微分閾值時(shí)，開始一時(shí)間間隔；使用在該時(shí)間間隔期滿之后獲得的所測量的液壓流體壓力測量值，計(jì)算附加微分值；將該附加微分值與該微分閾值比較；以及如果該附加微分超過該微分閾值，則減小該可變壓力限制。
19. 如權(quán)利要求14所述的方法，還包括基于用戶輸入增大該可變壓力限制。
20. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中從其獲得該液壓流體壓力測量值的一個(gè)或多個(gè)泵為該HDD鉆井平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)泵。
21. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中從其獲得該液壓流體壓力測量值的一個(gè)或多個(gè)泵為該HDD鉆井平臺(tái)的逆沖泵。
22. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中從其獲得該液壓流體壓力測量值的一個(gè)或多個(gè)泵為該HDD鉆井平臺(tái)的逆沖泵和旋轉(zhuǎn)泵，以及該可變壓力限制的減小是基于根據(jù)從該逆沖泵和該旋轉(zhuǎn)泵之一或二者獲得的流體壓力測量值計(jì)算的一個(gè)或多個(gè)微分值。
23. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中減小該可變壓力限制還包括減小該可變壓力限制到一值，該值與在該微分值與該微分閾值的比較觸發(fā)該可變壓力限制減小之前獲得的一個(gè)或多個(gè)液壓流體壓力測量值具有比例關(guān)系。
24. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中維持該恒定輸出參數(shù)還包括調(diào)節(jié)該逆沖泵和旋轉(zhuǎn)泵的相應(yīng)輸出以維持鉆管的恒定線性行進(jìn)，以及其中該微分值根據(jù)從該旋轉(zhuǎn)泵和該逆沖泵之一或二者獲得的液壓流體壓力測量值之一或二者來計(jì)算。
25. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中維持該恒定輸出參數(shù)還包括調(diào)節(jié)該逆沖泵輸出以維持恒定逆沖壓力，以及該液壓流體壓力測量值是從旋轉(zhuǎn)泵獲得。
26. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中維持該恒定輸出參數(shù)還包括調(diào)節(jié)該逆沖泵輸出以維持恒定旋轉(zhuǎn)壓力，以及該液壓流體壓力測量值是從該逆沖泵獲得。
27. —種配置為在自動(dòng)鉆井模式中操作的水平定向鉆井(HDD)系統(tǒng)，包括用于在使用具有逆沖泵的HDD鉆井平臺(tái)執(zhí)行鉆井操作時(shí)，維持恒定輸出參數(shù)的裝置；用于從該HDD鉆井平臺(tái)的一個(gè)或多個(gè)泵產(chǎn)生液壓流體壓力測量值的裝置；用于將該液壓流體壓力測量值與可變壓力限制比較的裝置；用于使用所測量的液壓流體壓力測量值來計(jì)算微分值的裝置；用于將該微分值與微分閾值比較的裝置；用于當(dāng)該微分值超過該微分閾值時(shí)，減小該可變壓力限制的裝置，該可變壓力限制減小的量是基于一個(gè)或多個(gè)該液壓流體壓力測量值；以及用于當(dāng)該液壓流體壓力測量值與該可變壓力限制的比較指示一個(gè)或多個(gè)該液壓流體壓力測量值超過該可變壓力限制時(shí)，降低該逆沖泵的輸出的裝置。
28. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)該微分值超過該微分閾值時(shí)該可變壓力限制減小到的值等于在該微分值與該微分閾值的比較指示該微分值超過該微分閾值而由此觸發(fā)該可變壓力限制減小之前產(chǎn)生的該液壓流體壓力測量值之一。
全文摘要
本發(fā)明的一些實(shí)施例涉及自動(dòng)鉆井模式中的HDD。這些實(shí)施例可包括在使用具有逆沖泵的HDD鉆井平臺(tái)(20)執(zhí)行鉆井操作時(shí)，維持恒定輸出參數(shù)；從該HDD鉆井平臺(tái)的一個(gè)或多個(gè)泵產(chǎn)生液壓流體壓力測量值；將該液壓流體壓力測量值與可變壓力限制比較；使用所測量的液壓流體壓力測量值來計(jì)算微分值；將該微分值與微分閾值比較；當(dāng)該微分值超過該微分閾值時(shí)，減小該可變壓力限制，其中該可變壓力限制減小的量是基于一個(gè)或多個(gè)該液壓流體壓力測量值；以及當(dāng)該液壓流體壓力測量值與該可變壓力限制的比較指示一個(gè)或多個(gè)該液壓流體壓力測量值超過該可變壓力限制時(shí)，降低該逆沖泵的輸出。
文檔編號(hào)E21B7/04GK101755102SQ200880019559
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2008年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月3日
發(fā)明者P·R·萊恩, R·W·卡爾森 申請(qǐng)人:弗米爾制造公司