控制设备 【技术领域】
本发明涉及一种用于在凿岩的控制脉冲发生设备的设备和方法。本发明还涉及一种脉冲发生设备。
背景技术
在凿岩时，使用一种钻具，其通过一个或多个钻柱组件连接到凿岩设备上。钻凿可以几种方式进行，一种普通的方法是冲击钻凿，其中，采用脉冲发生设备，即撞击工具，以通过前后运动的冲击活塞产生冲击。该冲击活塞通常经过钎尾撞击钻柱，以便将冲击脉冲经过钻柱传递到钻具，而后传递到岩石，以传送冲击波的能量。冲击活塞靠液压作用或压缩空气驱动，但也可用其它方式，比如电力或某种形式的燃烧驱动。
其中冲击波由冲击活塞产生的脉冲发生设备具有如下问题：冲击活塞的前后运动导致动态加速力，该动态加速力对脉冲发生设备(撞击工具)具有不利影响，并由此对整个凿岩设备具有不利影响。在冲击钻凿时，采用进给力，以压紧凿岩设备，并由此将钻柱和钻具紧压在它前面的岩石上，以避免在冲击时如果钻具不与岩石接触可能产生的有害反射。在冲击方向被加速的冲击活塞仍然会在相反方向上产生反力，该反力起作用，以在离开岩石的向后方向上移动凿岩设备。这些相反力意味着，需要增大进给压力，并因此使该凿岩设备必须为这些较大的力设定尺寸，其结果是得到全部比实际冲击波能量要求更大和更昂贵的设备。
极力要降低冲击活塞的加速力问题，已生产出这样的脉冲发生设备，其中，冲击波能量不由前后运动的活塞传递，而是通过利用反压力室预加载冲击元件来完成，由此，压力脉冲利用冲击元件通过在反压力室中突然减压而传递到钻柱。
根据当前已知的技术，这种解决方案产生具有较低能量的冲击波，并且为了保持钻凿的效率，每个冲击波中的较低能量由较高频率产生的冲击波补偿。
然而，没有冲击活塞的上述撞击工具的遗留问题是，冲击能量的一部分被反射，并作为有害的能量返回到脉冲发生设备中。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种用于解决上述问题的脉冲发生设备的控制设备。
本发明的另一个目的是提供一种用于解决上述问题的脉冲发生设备的方法。
这些和其它目的根据本发明通过如权利要求1所述的控制设备和如权利要求16所述的方法实现。
根据本发明，提供一种用于脉冲发生设备的控制设备，该脉冲发生设备用于在工具中引发冲击波，所述脉冲发生设备包括用于将所述冲击波传送到所述工具的冲击元件、作用在冲击元件上的反压力室和用于在反压力室中减压的设备。控制设备包括用于在所述反压力室中控制减压的装置。这具有如下优点：可以根据钻凿材料的特性控制冲击波的上升时间和/或持续时间，使得冲击波能量的较大部分可由钻凿材料吸收，达到降低反射的结果。
用于减压的装置可包括用于连接到所述反压力室的控制阀，该控制阀包括至少一个开口，用于在操作期间通过释放在反压力室中所装的压力介质来控制所述减压。减压可通过控制该控制阀的开口进行控制。例如，控制阀可设计具有用于控制减压的减压凹口。这样具有以简单方式可以控制减压的优点。
反压力室可包括多个出口，这些所述出口可以控制方式开启。出口可具有不同的直径。正因为如此，通过适当出口的开启和关闭可以简单方式控制减压。
所述出口通过一个或多个流动路径可连接到一个或多个储器上，这些所述储器在操作期间可被加压到不同压力，由此通过开启所述出口可在反压力室中得到分级和/或持续减压。这具有如下优点：可实现减压，且无与节流阀控制有关的能量损失。
本发明还涉及一种根据权利要求12所述的脉冲发生设备。
【附图说明】
图1表示本发明优选实施例用于脉冲发生设备的控制设备的示意横截面。
图2a-2e表示冲击波和反射波的形状的示例。
图3a-c表示本发明控制设备的示例。
图4a-b表示本发明控制设备的另一示例。
图5表示本发明控制设备的另外示例。
图6表示本发明控制设备的又一个示例。
图7a-d表示可与本发明一起使用的不同脉冲发生设备的示例。
【具体实施方式】
图1表示一种用于有利地与本发明一起使用的凿岩设备的脉冲发生设备10。在操作期间，设备10通过由一个或多个钻柱组件12a、12b组成的钻柱12连接到诸如钻头11之类的钻具上。在钻凿期间，呈冲击波形式的能量被传递到钻柱12，而后从钻柱组件12a、12b传递到钻柱组件12a、12b，最后通过钻头11传递到岩石14，用于将岩石14破碎。
然而，在所示的设备10中，不采用前后运动的活塞来产生冲击波，而是使用呈冲击活塞15形式的可加载冲击元件，该冲击活塞15通过作用在压力区16上的压力介质的有效作用被推向与钻柱12相对的壳体17的端部。在操作期间，室18通过控制阀20加压，使得室18中的压力作用在压力区16上，并由此向壳体17的后端19推动冲击活塞15。室18从而起反压力室的作用。
在已知技术中，控制阀20然后突然开启，以在反压力室18中立即产生减压，因此冲击活塞15膨胀到其原始长度，并将势能以冲击波的形式传送到钻柱12。这种突然减压产生与由正常冲击活塞产生的冲击波的形状基本相同的冲击波，该冲击波主要是矩形形状，参见图2a，该冲击波通过钻柱向钻头11传播，以便传送到岩石14上。然而，由于岩石14的特性，冲击波的所有能量因为冲击波上升时间短(参见图2a中的τ；在该图中，为清楚起见，τ被放大；τ可能很短，也就是边缘可能很陡)而不能由岩石吸收，而是提供能量的一部分被反射并通过钻柱12返回到脉冲发生设备10，这对凿岩设备具有不利影响，并且可能引起各种组件磨损和严重损坏的后果。
图2b表示随典型岩石的穿透深度而变的穿透力的示例。从该图中可以看到，钻头可传送到岩石的穿透力在冲击时刻基本上是零(d＝0)，而后随穿透深度按指数律地增加，直到冲击波到达其端部，且穿透度达到其最大值(d＝dmax)，并因此不再有任何能量进一步穿透，此后穿透力迅速下降到零，并在图中可以看到，钻头由于岩石的弹性和/或反射作用稍微向后运动。
通过以简单方式从冲击波曲线减去穿透曲线可得到反射波的曲线。图2c表示已知技术的设备的反射曲线的外形。由于钻头的穿透力在冲击时刻是零或基本上是零，所以在该时刻反射波的振幅基本上将与冲击波的振幅相对应。如果冲击波的边缘非常陡，如图2a中那样，因而这意味着，反射波将具有非常高并因此有害的初始振幅。
然而，通过本发明在图1中所示的控制阀20，可以显著减少这些有害反射波。不使其突然发生减压，可以控制所示设备10中控制阀20的开启，也就是使控制阀20可以控制反压力室18中的减压。通过控制该控制阀20的开启，可控制在钻柱中并因而在钻头中引发的冲击波的上升时间。这是非常有利的，因为钻头可传送到岩石的力随着钻头的穿透深度而改变，如以上所示那样。图2d表示本发明冲击波的示例。如图中所示那样，冲击波的边缘与图2a中的冲击波相比陡度显著较小，为此，如图2e中所示，反射波的振幅与已知技术相比显著较低，并因此对凿岩设备的损害较小。在理想的情况下，边缘的上升时间准确地与钻头实现最大穿透度所占用的时间一样长。这个时间根据正在钻凿的岩石的类型自然地变化，但是如果知道岩石的类型，则可运用上述经验来选择边缘的上升时间。控制阀20的开启和关闭优选地由计算机控制，并且操作数据的选择例如可通过操作人员将适当数据输入到钻机的控制系统中进行。另一种作法是，钻机可设有这种装置，用来自动测量/计算钻速和计算穿透时间并由此根据这些值来计算边缘上升时间的所需值。
在典型的实施例中，控制阀20可起到节流阀的作用，并且可布置成通过控制节流直接控制开口。在图3a-c中示意所示的实施例中，控制阀30设计成节流阀，其中，在主通道31中的开口面积可自由地控制。图3a从侧面表示处于部分开启状态的阀，其中，主通道31的左侧连接到反压力室18上，而主通道31的右侧连接到储器(未示出)上。通过控制节流滑板32，可得到所需开启面积，并由此通过调节流量可调节反压力室18中的减压。图3b和3c表示可怎样设计节流滑板的开启面积的示例。在两个图中，主通道31的面积是圆形的，而在图3b中，节流滑板的开口33也是圆形的，并且在图3c中，节流滑板开口34的大约一半是圆形的，还有大约一半是三角形的。这种设计使能精密调节甚至非常小的流量。通过调节节流滑板的运动，可使冲击波的边缘按要求精确地成形。通过在反压力室18中特定剩余压力下关闭阀，利用产生具有较低振幅的冲击波同样可控制冲击波的长度(也就是说，将该室中的压力保持在恒定状态，例如初始压力的四分之一或一半)。
在图4a-4b示意所示的另一实施例中，控制阀40设有减压凹口41，以便得到压力的平稳调节。图4a从侧面表示控制阀40，而图4b从下面表示凹口。控制阀40具有用于连接到减压室18的进口42和引到储器(未示出)的出口43。另外，该阀设有用于开启和关闭阀40的阀滑板45。在图4a中，表示阀处于其关闭位置，并且当阀为产生冲击波要被开启时，滑板45便运动到图中的右边。当阀到达位置A(用虚线表示)时，在反压力室18中的压力介质开始通过阀壳体46中的减压凹口41被释放到储器中。在图4b中可以看到，最初得到非常小的开口面积，然后该开口面积随滑板进一步向右边运动变得越来越大。通道打开得多快可通过凹口41的使用以简单方式控制。通过修改凹口的形状，可以简单方式得到所需的开口。凹口还使通过轻微运动能实现非常好的控制。通过调节滑板的运动，可使冲击波的边缘按照要求准确地成形。这时还有可能以反压力室中的特定剩余压力关闭阀，以便控制冲击波的长度。
代替使用单个减压凹口41，当然也可以使用几个减压凹口。本领域的技术人员将会认识到，一个或多个凹口可交替地布置在阀滑板45上。作为又一个选择方案，滑板45和阀壳体46都可设有凹口。
即使上述的节流意味着能量由于节流而浪费，但这种浪费的能量主要是“有害能量”，为此，随着正确的节流，对凿岩装置的性能的不利影响只是非常小的程度，或者根本没有影响。
图5表示本发明控制装置50的又一个替换实施例。如上所述，反压力室以上述方式加压，但通过不同类型的节流阀调节减压。反压力室51包括具有较小直径的多个出口52-56(在所示实施例中为五个，但这个数量当然可从两个以上自由变化)。出口52-56的开启可以控制，因此，通过开启和关闭适当的出口52-56可调节所述减压。在所示的示例中，所有出口均具有相同直径，但出口当然可具有不同直径。不同的出口52-56连接到基本上不加压的储器57上，并通过直径的适当选择，出口52-56起到节流阀的作用，由此，通过顺序开启出口或通过组合顺序开启和并联开启，可得到压力的不连续调节。
图6表示本发明的再一个替换实施例。
如图5中精确地示出的那样，反压力室61设有多个出口62-64，但不是连接到不加压的储器上，而是这些出口的每个分别连接到加压的储器65-67上，使每个储器65-67被加压到不同的压力，并且所有压力均低于加压的反压力室中的对应压力。通过分阶段地开启出口62-64，使具有最高压力的室65的出口首先开启，得到阶梯形冲击波边缘。根据出口和储器数量和出口直径的选择，同样可得到连续或实际上连续的上升边缘。这种解决方案具有如下优点：没有在节流过程中转换成热量的能量消耗，因为这种能量基本上没有损失地被传递到加压的储器65-67中。
图7a-7d表示有利地与本发明一起使用的脉冲发生设备的替换实施例。
图7a表示基本上具有与图1中设备10相同功能的脉冲发生设备70，但其中，有可能调节冲击活塞的长度将要加载到多大。这通过设有法兰71-73的冲击活塞来实现，在该法兰71-73后面可拧紧夹具74-76，以便加载冲击活塞长度L1-L4的选择长度。除本发明提供的调节能力之外，这个实施例由此也使其有可能以不影响浪费能量比例的方式设定冲击波的长度。
图7b表示基本上也具有与图1中设备10相同功能的脉冲发生设备80，但其中，冲击活塞81受到抗张应力，而不是压缩应力。冲击活塞81的运动由法兰82限制，并且通过室83的加压而加载。室83准确地起到图1中反压力室18的作用，并且通过室中减压的调节，可以如上所述那样调节冲击波的形状。
图7c表示完全按照图1起作用的脉冲发生设备90，但其中，冲击活塞91上的压力区92用来压缩可压缩材料93，而不是加载冲击活塞91。
图7d表示与图7b中设备相类似的脉冲发生设备100，但其中，可压缩材料101被压缩，而不是冲击活塞102受到抗张应力。
上述设备也可设有这种装置，用于在室的加压已经终止之后更进一步增大相应反压力室中的压力。
这可例如通过利用增压活塞减小反压力室的体积来实现，这种体积的减小增大了反压力室中的压力。增压活塞也可用来更进一步增大图7c和7d中可压缩材料中的压力。在图7c中所示的设备中，螺旋装置还可用来更进一步增大可压缩材料的压力，其作法是通过利用螺旋装置减小由可压缩材料占据的体积，由此也增大了反压力室中的压力。
更进一步增大反压力室中的压力的这些方法具有如下优点：可以得到较大的冲击波振幅，并由此得到冲击波形状选择的更大自由度。
在以上说明书中已经描述了多个本发明适用的适当脉冲发生设备的示例，但是，本领域的技术人员将要认识到，本发明当然可以与任何脉冲发生设备一起作用，其中在一个(或多个)反压力室中减压用来产生冲击波。
在以上说明书中仅提到了冲击钻凿。然而，这种冲击钻凿当然可与以通常方式用于实现钻凿的钻柱相结合，其中，钻头的钻件每一冲程都遇到新岩石(也就是说，不在以前冲击已钻成的眼中接触)。这提高了钻凿的效率。