钻孔过程监测系统 本申请要求2000年9月22日提交的美国临时申请No.60/234,535的优先权，并以该临时申请作为参照。发明领域
本发明涉及地面钻孔系统。背景技术
在钻孔作业中，使用钻孔机组在地面钻孔。人们往往希望对钻孔作业的进程进行监测。发明内容
一种装置用于钻孔机组。该钻孔机组上装有钻头。钻孔机组的冲击机构跟钻头相连接。该冲击机构由第一种压力下的第一种流体驱动，将冲击力传递给钻头。冲击力随所述的第一种压力改变。钻孔机组的顶推机构跟钻头相连。该顶推机构由第二种压力下的第二种流体驱动，将推力传递给钻头。推力随所述第二种压力改变。另外，钻孔机组的旋转机构跟钻头相连。该旋转机构由第三种压力下的第三种流体驱动，将转矩传递给钻头。转矩随所述第三种压力改变。所述装置包括与第一种流体连通的第一种压力传感器，输出个随第一种压力改变的第一种电信号。第二种压力传感器与第二种流体连通，输出随第二种压力改变的第二种电信号。第三种压力传感器与第三种流体连通，输出随第三种压力改变的第三种电信号。位置传感器输出第四种电信号，该信号随钻头相对于基准点的深度改变。所述第一种、第二种、第三种与第四种信号由一台仪器监测。该仪器产生作为所述冲击力、推力、转矩与深度的函数的相应的图表曲线。
在最佳实施例中，所述仪器在钻孔作业过程中实时地产生上述图表曲线。第一种、第二种与第三种电信号为模拟信号。第四种电信号为数字信号。所述图表曲线反映向下钻孔、钻孔停顿、钻头抬起和钻杆加接等动作的发生。附图说明
图1为依据本发明的钻孔系统地原理图。
图2-9为图1所示的钻孔系统产生的曲线图。具体实施方式
图1给出了本发明的最佳实施例的实例。该最佳实施例即为钻孔系统10，其中包括钻孔机组14和监测系统16。钻孔机组14执行在地层22钻井眼20这样的钻孔作业。监测系统16测量并显示与钻孔作业有关的动态参数。
在本实施例中，钻孔机组14为一个气动冲击旋转式钻机。钻孔机组14的钻头24位于钻柱26的前端，钻柱26由一串钻杆组成。在钻孔作业中，钻头24一边旋转、振动，一边被顶推进入井眼20的底端28。
钻头24跟冲击机构30以一种众所周知的方式连接。冲击机构30把用箭头32表示的、经钻柱26传递的冲击力加到钻头24上、使地面破裂，并驱动钻头24进入井眼20的底端28。冲击机构30由第一种压力下的第一种流体驱动。钻头24上的冲击力的大小取决于第一种压力。
钻头24也跟顶推机构42相连接。顶推机构42把用箭头44表示的、经钻柱26传递的向下的力加到钻头24上，将钻头顶入地面22。顶推机构42还可以把用箭头46表示的、经钻柱26传递的向上的力加到钻头24上，将钻头24抬起。顶推机构42由第二种压力下的第二种流体48和第三种压力下的第三种流体50驱动。所述向下的力的大小取决于第二种压力，向上力的大小取决于第三种压力。
钻头24还跟旋转机构54连接。旋转机构54可以把用箭头56表示的、经钻柱26传递的正向转矩加到钻头24上，以便正向旋转钻头24。钻头24的正向旋转使钻头24磨削地层，向下钻入井眼20的底端28。旋转机构54也可把用箭头58表示的、经钻柱26传递的反向转矩加到钻头24上。钻头24的反向旋转有助于钻头24从井眼20的底端28退出。旋转机构54的正向旋转由第四种压力下的第四种流体60驱动。旋转机构54的反向旋转由第五种压力下的第五种流体62驱动。正向转矩随第四种压力而变。反向转矩随第五种压力而变。
本实施例中，第一种、第二种、第三种、第四种与第五种流体(36、48、50、60与62)均为气体。但是，若用于液压钻孔机组，这些流体即可为液体。流体36、48、50、60与62由压缩机68从共用流体源64压缩进入多支管66，然后输送到各相应的机构30、42与54。这些流体36、48、50、60与62中每一种流体向各自机构30、42与54的输送，均由控制机构70控制。
监测系统16包括五个独自的压力传感器71、72、73、74与75，分别用以测量所述五种流体36、48、50、60与62的压力。压力传感器71、72、73、74与75经由流体管线80跟相应的流体36、48、50、60与62连通。每种流体36、48、50、60和62的压力通过各自的管线80引导到相应的压力传感器71、72、73、74和75。每个压力传感器71、72、73、74与75产生随相应的流体36、48、50、60与62的压力改变的模拟电信号。所述信号被输出到相应的电线81、82、83、84与85。
位置传感器86用以测量钻头24相对于基准点的深度。基准点为地层表面的一个固定点92。也可以采用位于钻孔机组14上的某一固定点(图中未示出)作为基准点。深度测量可以采用本技术领域中已知的任何适用的方式。位置传感器86产生数字信号，后者代表某个随钻头24的深度改变的数值。该数字信号经电线96输出。
所述五种模拟信号和一种数字信号经由电线81、82、83、84、85与96输送至微处理机控制器98。该微处理控制器98将五种模拟信号和一种数字信号转换成六种通常为RS232格式的数字数据。微处理控制器98起数据缓冲器的作用，对数据进行处理并改变数据格式。微处理控制器98还实时地经由电线81、82、83、84、85与96同时对六种电信号的数据收集进行控制。微处理控制器98可实时地在磁盘驱动器(图中未示出)上连续存储数字数据。
本实施例中，微处理控制器98将数字数据经由电线99输出至计算机100(本实施例中为个人计算机)。在钻孔作业过程中，计算机100实时地将数字信号连续存储在磁盘驱动器(图中未示出)，并能实时地连续产生相应的数字信号的曲线图。每种曲线图被显示于某种适合的媒体上，例如描画在纸上。
图2-7所示的曲线图102、103、104、105、106与107分别对应于第一种类型钻孔作业的第一种、第二种、第三种、第四种、第五种与第六种数字信号。图8与9所示的曲线图108与109分别对应于第二种类型钻孔作业的第一种与第六种数字信号。
图2-9所示的曲线图102、103、104、105、106、107、108与109具有很多相同的特点。这些特点可参照图2的曲线图102进行说明。曲线图102中，有用以表示信号幅度的垂直坐标轴122。垂直坐标轴122以压力单位千帕(kPa)分度。水平坐标轴124表示相对于以开始时间作为零点的经过的时间。水平坐标轴124以时间单位(秒)分度。曲线图102上有基于与冲击力对应的第一种数字信号的曲线126。沿曲线126的每个点的垂直坐标由该点被测时的第一种压力确定。
在图3所示的曲线图103中，有基于第二种数字信号的曲线126。曲线126为对应于向下推力的第二种压力的函数。类似地，图4所示的曲线图104的曲线126基于第三种数字信号，因此该曲线为对应于向上推力的第三种压力的函数。同样的，图5所示的曲线图105的曲线126基于第四种数字信号，因此该曲线为对应于正向转矩的第四种压力的函数。图6所示的曲线图106的曲线126基于第五种数字信号，因此该曲线为对应于反向转矩的第五种压力的函数。
在图7的曲线图107中，垂直坐标轴122在深度方面以米为单位分度。这点跟曲线图102、103、104、105与106(分别为图2-6所示)不同，这些曲线图中，垂直坐标轴122是关于压力分度的。在图7所示的曲线图107中，曲线126为基于第六种数字信号。因此沿该曲线126的每个点的垂直坐标由该点被测时钻头24(图1)的深度确定。
图8所示的曲线图108跟图2所示的曲线图102类同，但该图是关于第二种类型钻孔作业的曲线图。同样，图9所示的曲线图109跟图7所示的曲线图107类同，但该图是关于第二种类型钻孔作业的曲线图。
本实施例中，曲线126被分别描画在曲线图102、103、104、105、106、107、108与109(图2-9)上。但是，跟同一类型的作业有关的曲线图的水平坐标轴124在大小和时间标度上的是同样。例如，图2-7中的曲线图的水平坐标轴均为0-4000秒的时间标度。
在钻孔作业过程中或结束后，操作员可以对图2-9中所示的曲线图进行判读，以估计钻孔作业的进程、关注作业中的任何不正常现象以及了解地层的断面与性质。操作员还可通过对这些曲线图的判读确定何时进行过不同的操作。例如，根据图9所示的曲线图109可知：A段曲线对应于向下钻孔，B段曲线对应于钻孔停顿，C段曲线对应于抬起钻头124，D段曲线对应于加接钻杆。
以上参照最佳实施例对本发明作了描述。本领域的技术人员会发觉各种改进、变更与修正。这些改进、变更与修正拟纳入权利要求书的范围。