振動傳遞和隔離的製作方法與工藝

2023-07-06 20:27:01 2

本發明涉及衝擊增強旋轉鑽孔，並且具體地涉及共振增強鑽孔。本發明的實施方式涉及用於共振增強旋轉鑽孔的設備和方法，並且具體地涉及用來改善該設備和方法的性能的振動傳遞和隔離單元。本發明的其它實施方式涉及能根據這些方法和設備控制的共振增強鑽孔設備。本發明的某些實施方式適用於任何尺寸的鑽機或待被鑽孔的材料。某些更具體的實施方式旨在鑽通巖層，尤其是變化組分的那些巖層，在油、氣和採礦工業的深孔鑽探應用中可能遭遇這樣的巖層。

背景技術：
衝擊增強旋轉鑽孔本身是已知的。衝擊增強旋轉鑽機包括旋轉鑽頭以及用於向該旋轉鑽頭施加振蕩負載的振蕩器。振蕩器對被鑽孔的材料提供衝擊力從而破碎材料，以幫助旋轉鑽頭切入該材料。共振增強旋轉鑽孔是特殊類型的衝擊增強旋轉鑽孔，其中振蕩器在高頻下振動從而獲得與被鑽孔的材料的共振。這導致在旋轉鑽頭處施加的壓力的放大，從而當與標準衝擊增強旋轉鑽孔相比時提高了鑽孔效率。US3,990,522公開了一種衝擊增強旋轉鑽機，該鑽機使用安裝在用於鑽螺栓孔的旋轉鑽機中的液壓錘。其公開了可變衝程和頻率的衝擊循環可以被應用並且調節至被鑽孔的材料的固有頻率，以產生在鑽頭的末端處施加的壓力的放大。伺服閥保持衝擊控制，並且繼而由操作員通過藉助電導體連接至伺服閥的電子控制模塊來控制。操作員通過控制加壓流體向致動器的流動和從該致動器的流出而可以選擇性地將衝擊頻率從每分鐘0循環改變到每分鐘2500循環(即，從0到42Hz)並且選擇性地將鑽頭的衝程從0英寸改變到1/8英寸(即，從0到3.175mm)。其描述了通過選擇具有與被鑽孔的巖層的固有頻率或共振頻率等於的頻率的衝擊衝程，由衝擊力存儲在巖層中的能量將導致在鑽頭的末端處施加的壓力的放大，使得固體材料將崩塌和移開並且使得鑽機速率在每分鐘3至4英尺的範圍內。存在幾個通過上述裝置已確定並且在下面討論的問題。利用使用相對低頻的液壓振蕩器的US3,990,522的設備不能得到高頻。因此，儘管US3,990,522討論了共振的可能性，但是將看到能由其振蕩器獲得的低頻不足以實現共振增強鑽通許多硬材料。與上面討論的頻率問題無關，利用US3,990,522的裝置在任何情況下都不能容易地獲得並保持共振，尤其是在鑽機穿過具有不同共振特性的不同材料的情況下時。這是因為在US3,990,522的裝置中的衝擊頻率和衝程的控制由操作員手動地實現。因而，當鑽機穿過不同類型的材料時難以控制設備來不斷地調節衝擊力的頻率和衝程以保持共振。對於鑽淺螺栓孔來說這可能不是如此主要的問題，如US3,990,522中所述的。操作員僅僅能選擇用於待鑽螺栓孔的材料的合適的頻率和衝程，然後操作鑽機。然而，對於穿過許多不同的巖石層的深鑽來說突顯了該問題。位於深鑽孔之上的操作員不能看到哪種類型的巖石正被鑽通並且在鑽機從一種巖石通到另一種巖石時不能容易地獲得並保持共振，在巖石類型頻繁改變的區域中尤其如此。如WO2007/141550中所述的，本發明人已解決了上述問題中的一些問題。WO2007/141550描述了一種共振增強旋轉鑽機，該鑽機包括自動反饋和控制機構，在鑽機穿過不同類型的巖石時，該機構能夠不斷地調節衝擊力的頻率和衝程以保持共振。鑽機設置有調節裝置和位於井下位置中的控制裝置，該調節裝置響應於鑽機所穿過的材料的條件，該控制裝置包括用於進行材料特性的井下測量的傳感器，由此該設備能夠在閉環實時控制下在井下操作。US2006/0157280提議了一種振蕩器的井下閉環實時控制。其描述了傳感器和控制單元最初可以掃描一系列頻率同時監控關鍵鑽孔效率參數(諸如行進速率(ROP))。然後振蕩裝置能被控制以在最佳頻率下提供振蕩，直到進行下一個掃頻。掃頻的周期性可以基於鑽孔操作的一個或更多個元素，諸如地層的變化、所測量的ROP的變化、預定時段或來自表面的指令。詳細的實施方式利用這樣的振蕩裝置，該振蕩裝置向旋轉鑽頭施加扭矩振蕩並且涉及扭轉共振。然而，其還描述了施加至鑽頭的振蕩的示例性方向包括橫跨所有自由度的振蕩並且未被利用以便促使待被鑽孔的材料中產生裂紋。相反，其描述了鑽頭的旋轉導致待被鑽孔的材料最初分成幾部分，然後施加瞬間振蕩以便確保旋轉鑽頭保持與破裂材料接觸。沒有出現任何提供以下振蕩器的公開或建議，如根據共振增強鑽孔所要求的，該振蕩器能向鑽頭輸入足夠高的軸向振蕩負載 以便促使旋轉鑽頭所穿過的材料中產生裂紋，如WO2007/141550中所述的那樣。不管現有技術中描述的解決方案，仍存在與已知的用於共振增強鑽孔的方法和設備相關的問題。具體地，由於由系統中的高振蕩負載產生的共振，因此發生大和/或迅速程度的軸向運動。然而，不是所有用於設備中的部件都能容易地經受住大的動態軸向運動，尤其是長時間範圍內的大的動態軸向運動。因此，希望通過採用改進的振動隔離以便保護設備的易受影響的部件，和/或通過採用改進的振動傳遞以便確保所需的動態軸向負載被傳遞到鑽頭來改進已知的旋轉鑽孔技術和設備。對於同時解決這兩個問題是特別的挑戰，這是因為振動隔離單元應該不幹涉所需振動傳遞，而振動傳遞單元應該不幹涉所需的振動隔離。在常規的鑽孔設備中，已進行了一些嘗試以改進振動隔離和傳遞。US4,067,596公開了其中軸向負載由彈性體環支承的鑽孔設備。這些結構具有「阻尼」效果，並且因此可以用作振動隔離單元。US3,768,576公開了一種鑽孔設備中的能量傳遞「止推環」。這些環可以為截頭圓錐形狀的或可以是盤簧。EP0,026,100公開了一種用於鑽孔設備的減震器。其被描述為能夠傳遞軸向負載。其典型地由彈性可變形物質(諸如橡膠)形成，但是也可以採取具有螺紋形式的螺旋彈簧的形式。GB2,332,690涉及一種設置有利用機械振蕩器的軸向動態負載的鑽孔設備。採用螺旋彈簧和/或液壓阻尼器來控制動態軸向負載。最後，US4,139,994涉及具有用於控制軸向運動的阻尼裝置的鑽孔設備。該裝置由聚氨酯環面構成，其在每一端均呈錐形以使得環面的剛度隨位移而變化。然而，已知技術中沒有一種技術教導在共振增強鑽孔設備中使用振動隔離或傳遞單元，其中軸向振蕩負載顯著不同於常規的鑽孔技術。

技術實現要素：
本發明的實施方式的目的在於對已知技術作出改進以便提高鑽孔設備的操作可靠性並延長壽命，增加鑽孔效率，提高鑽孔速度並且提高鑽孔穩定性和質量，同時限制設備的磨損。另一目的在於更精確地控制共振增強鑽孔，尤其是當鑽通迅速改變的巖石類型時。因此，本發明提供一種在共振增強旋轉鑽孔中使用的設備，該設備包括下列部件中的一者或兩者：(a)振動隔離單元；和(b)振動傳遞單元。所述振動隔離單元未被特別地限制，只要它能夠保護所述設備的敏感部分不受振動影響即可，而沒有不適當地阻礙設備的操作。類似地，所述振動傳遞單元未被特別地限制，只要它能夠將振動傳遞到鑽頭以有利於共振增強鑽孔操作即可。在本上下文中，隔離是指足以增長敏感部件的壽命的振動的任何減小。因而，不必使這些部件與振動完全隔離，而是與在沒有振動隔離單元情況下的振動相比需要被減小。典型地但不是排他地，振動隔離單元被操作成使得振動能量的小於25％被傳遞經過該單元。這可以通過以不同于振動隔離單元的固有頻率(共振頻率)的頻率操作共振增強鑽孔模塊的振蕩器來實現，並且將在稍後更詳細地說明。在本上下文中，傳遞是指向鑽頭傳遞振動使得與在沒有振動傳遞單元的情況下的振動相比存在振動的增加。典型地，這可以涉及通過以接近振動傳遞單元的固有頻率(共振頻率)的頻率操作振蕩器來放大振動，並且將在稍後更詳細地說明。振動隔離單元可以與用來在設備中產生軸向動態負載的任何類型的振蕩器一起使用。振動傳遞單元也可以與任何類型的振蕩器一起使用。然而，在振動傳遞的情況下，不是始終需要這樣的單元，除非希望動態軸向負載被放大。因此，當採用機械振蕩器時未必需要振動傳遞單元。然而，當使用磁致伸縮振蕩器時希望具有振動傳遞單元。在本設備中，振動隔離單元和/或振動傳遞單元的結構未被特別地限制，只要在操作中它們執行上述功能即可。然而，典型地振動隔離單元和/或振動傳遞單元包括彈簧系統，該彈簧系統包括串聯布置的兩個或更多個截頭圓錐形彈簧。這樣的截頭圓錐形彈簧是特別合適的，這是因為它們具有可容易調整以使它們適於被採用的具體的鑽孔系統的參數。在典型的實施方式中，彈簧系統是這樣的彈簧系統，其使得施加到該彈簧系統的力P能根據下列方程式確定：<![CDATA[P=1.1EδCR2(h-δ)(h-δ2)t+t2]]>其中，t是截頭圓錐形彈簧的厚度，h是彈簧系統的高度，R是彈簧系統的半徑，δ是由力P引起的彈簧系統上的位移，E是彈簧系統的楊氏模量，並且C是彈簧系統的常數。這些參數能在與圖2的曲線圖結合示出的示意性彈簧系統中看到。在更典型的實施方式中，彈簧系統包括一個或多個蝶形彈簧。示例性的蝶形彈簧在圖1a和圖1b中被描繪。彈簧系統可以由任何材料形成，這取決於所使用的鑽孔設備的性質。然而，典型地彈簧系統由金屬(諸如鋼)形成。振動隔離單元在共振增強旋轉鑽孔設備中的位置未被特別地限制，只要它執行上述功能即可。然而，在典型的實施方式中，振動隔離單元在設備中位于振蕩器的上方。類似地，振動傳遞單元在鑽孔設備內的位置未被特別地限制，只要它執行上述功能即可。然而，在典型的實施方式中振動傳遞單元位于振蕩器的下方。如上面已提及的，典型地但不是排他地，振動隔離單元被操作成使得振動能量的小於25％被傳遞經過該單元。這可以通過以不同于振動隔離單元的固有頻率(共振頻率)的頻率操作共振增強鑽孔模塊的振蕩器來實現。在其中振動能量的25％被傳遞經過振動隔離單元的情況下，該振動隔離單元的彈簧系統遵守下列方程式：ω/ωn≥2.3其中，ω是共振增強旋轉鑽孔設備的軸向振動的操作頻率，並且ωn是彈簧系統的固有頻率。然而，在一些實施方式中，也能想到小於90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、15％、10％、5％以及這些值的中間值。ω/ωn值在這樣的情況下可以從1.5變到10。如上已經提及的，典型地振動傳遞單元被操作成使得與沒有該振動傳遞單元的情況下的振動相比存在振動增加。典型地，這可以涉及通過以接近振動傳遞單元的固有頻率(共振頻率)的頻率操作共振增強鑽孔模塊的振蕩器來放大振動。典型地，振動傳遞單元的彈簧系統遵守下列方程式：0.6≤ω/ωn≤1.2其中，ω是共振增強旋轉鑽孔設備的軸向振動的操作頻率，並且ωn是彈簧系統的固有頻率。本發明還提供了一種包括操作如上限定的設備的鑽孔方法。典型地該鑽孔方法包括控制共振增強旋轉鑽孔設備的軸向振動的操作頻率，使得振動隔離單元的彈簧系統滿足下列方程式：ω/ωn≥2.3其中，ω表示共振增強旋轉鑽孔設備的軸向振動的操作頻率，並且ωn表示振動隔離單元的彈簧系統的固有頻率。該鑽孔方法可以另外或者另選地包括控制共振增強 旋轉鑽孔設備的軸向振動的操作頻率，使得振動傳遞單元的彈簧系統滿足下列方程式：0.6≤ω/ωn≤1.2其中，ω表示共振增強旋轉鑽孔設備的軸向振動的操作頻率，並且ωn表示振動傳遞單元的彈簧系統的固有頻率。附圖說明現在將參照下列附圖僅通過示例來更詳細地描述本發明，附圖中：圖1a和1b示出了典型的蝶形彈簧裝置：(a)為具有負載的單個彈簧，(b)為串聯的四個彈簧。圖2示出了基於錐高h與壁厚t的比的單個蝶形彈簧的一些不同特徵。圖3示出了本發明的示例性振動隔離單元的剖視圖。圖4示出了本發明的示例性振動傳遞單元的剖視圖。圖5示出了針對本發明的振動傳遞單元的不同阻尼係數的放大係數曲線圖。圖6和圖7示出了如何能模擬振動隔離單元和振動傳遞單元，兩個彈簧可以被認為是在一端固定並且在另一端自由，如圖中所示，箭頭表示能夠自由移動的頂面上的力以及固定的底面上的約束。圖8a和8b示出了在250Hz的頻率下(a)示例性振動隔離單元和(b)示例性振動傳遞單元在RED鑽孔過程期間負載條件的圖解近似。圖9a至9e示出了RED彈簧的有限元分析，在具有在彈簧的頂部處所施加的壓縮力(F＝10kN)和底部處的豎直約束(Uy＝0)的情況下，通過用線性元件近似應力場(平面183-四邊形構造，自由嚙合)。圖9a示出了彈簧的截面(單個斜面)上的負載和約束。圖9b示出了彈簧的截面(整個RED彈簧(兩個斜面))上的負載和約束。圖9c示出了在規定負載下彈簧的變形形狀。圖9d示出了在單個斜面的規定負載下的應力場。圖9e示出了在整個RED彈簧(兩個斜面)的規定負載下的應力場。圖10a和圖10b以參數形式示出了結構彈簧的示意圖，對於該參數形式已採用了圖9a至9e中的計算值。參數P10和P11是半徑。P12是斜面的數量。具體實施方式所進行的研究表明了共振增強鑽孔(RED)技術的超過標準方法的重要優點在於其能導致穿透速率顯著增大。在RED模塊的操作中扮演至關重要的角色的兩個結構部件是上述振動隔離單元和振動傳遞單元。振動傳遞單元(在本上下文中，也可以稱作「彈簧」)可以定位在振蕩器(也可以稱作致動器)下方並且通常用作被傳遞到鑽頭的高頻振蕩的機械放大器。另一方面，振動隔離單元(也可以稱作防振器)用來減小被傳遞到鑽柱的其餘部分的振動。這樣，振蕩行為僅限於鑽孔設備的底部並且能保護敏感設備不被破壞。彈簧和防振器兩者的當前設計典型地但不排他地基於類似於用於蝶形彈簧的工作原理。優選的防振器和優選的彈簧的橫截面分別在圖3和圖4中被示出。這些圖示出了典型的設計類似串聯布置的蝶形彈簧的堆疊(參見圖1b)，其對於給定的負載允許與盤的數量成比例地增加撓度。蝶形彈簧因為它們的特性而對於RED模塊中的應用尤其有用，諸如尤其是沿負載動作的方向對於相對小的空間需要的大容量。此外，它們的負載偏轉特性(參見圖2)可以通過改變錐高與厚度的比來容易地改變。圓錐形盤的小厚度導致在處於壓縮時發生顯著彎曲，這導致彈簧高度的總體減小並且在經受拉伸負載時相反地發生高度增加。另一方面，相對大的能量存儲容量使得對於減振能夠利用相同的原理。防振器和彈簧元件的剛度將由於材料的形狀、尺寸並且尤其是厚度的不同而不同，如圖3和圖4所示。兩個部件的性質固有地為非線性的(例如參見圖2中的曲線圖)，尤其是當出現大偏轉時。舉例來說，對於單個蝶形彈簧(諸如圖1a中的蝶形彈簧)，施加在圓錐形結構的頂部處的力P與由厚度t和彈簧的高度h限定的幾何形狀之間的非線性關係是：<![CDATA[P=1.1EδCR2(h-δ)(h-δ2)t+t2]]>在RED的情況下，有用地採用非線性，這是因為它們使得在恆力下能夠出現大偏轉。然而，為了在RED模塊上更好地執行所有期望的功能，希望的是，彈簧和防振器兩者都具有適當的剛度值。另外，它們應該能夠經受得住在鑽孔操作的過程期間它們所經受的循環(疲勞)負載。這些部件的設計因此對於最佳尺寸、材料選擇和製造是最優的。能用於RED彈簧的設計的有限元分析的更多細節在圖9a至圖9e和圖10a以及圖10b中提供。如較早注意到的，組成彈簧的圓錐形盤的尺寸影響彈簧的剛度特徵並且從而影響共振器的可能的強制頻率的範圍。對幾何形狀的主要操作約束是RED鑽孔模塊的外徑。因為模塊的所有部件都被封閉在防護性柱狀結構中，因此這意味著內部部件的直徑由外殼的內徑限定。這使得圓錐形盤的厚度和高度作為能夠最容易控制的兩個尺寸以獲得彈簧和防振器的期望的剛度特性。設計的優化因此通常包括優化這兩個參數。在本發明的典型的實施方式中，旋轉鑽孔模塊包括：(i)用於測量靜態和動態軸向負載的上負載傳感器；(ii)振動隔離單元；(iii)可選的振蕩器背襯質量；(iv)振蕩器，該振蕩器包括動態激振器以向旋轉鑽頭施加軸向振蕩負載；(v)振動傳遞單元；(vi)用於測量靜態和動態軸向負載的下負載傳感器；(vii)鑽頭連接器；以及(viii)鑽頭，其中，上負載傳感器定位在振動隔離單元的上方，並且下負載傳感器定位在振動傳遞單元和鑽頭之間，並且其中上負載傳感器和下負載傳感器連接至控制器以便提供振蕩器的井下閉環實時控制。能想到，該鑽孔模塊將被用作鑽柱中的共振增強鑽孔模塊。該鑽柱構造未被特別地限制，並且可以想到任何構造，包括已知的構造。如需要共振增強時並且當需要共振增強時，該模塊可以接通或斷開。在該設備布置中，動態激振器通常包括磁致伸縮激振器。該磁致伸縮激振器未被特別地限制，並且具體地對於產生軸向激勵的變換器或方法沒有設計限制。優選地激振器包括來自MagneticComponentsAB的PEX-30振蕩器。本布置中採用的動態激振器是基於磁致伸縮材料在由外部磁場磁化時改變它們的原子間間隔以使總磁彈性能最小的原理工作的磁致伸縮致動器。這導致相對大的應變。因此，在磁致伸縮材料的振蕩運動中提供施加振蕩磁場。磁致伸縮材料可以被單軸地預加應力以使得原子矩垂直於軸線被預對齊。隨後平行於軸線施加的強磁場平行於該磁場重新對齊所述原子矩，並且磁矩的該相干轉動導致材料平行於磁場應變和伸長。這樣的磁致伸縮致動器可從MagComp和Magnetic ComponentsAB獲得。如上提及的，一種特別優選的致動器是由MagneticComponentsAB生產的PEX-30。還可想到的是，可以利用磁性形狀記憶材料(諸如形狀記憶合金)，因為這些材料能提供比可最普遍得到的磁致伸縮材料高得多的力和應變。磁性形狀記憶材料嚴格來說不是磁致伸縮的。然而，因為它們是受控制的磁場，因此為了本發明的目的它們將被認為是磁致伸縮致動器。在該布置中，上負載傳感器的定位典型地使得能測量來自鑽柱的靜態軸向負載。下負載傳感器的定位典型地使得能測量從振蕩器通過振動傳遞單元傳遞到鑽頭的動態負載。該實施方式的設備的部件的順序特別優選地是從上到下地從(i)到(viii)。在本發明的其它實施方式中，旋轉鑽孔模塊包括：(i)用於測量靜態負載的上負載傳感器；(ii)振動隔離單元；(iii)振蕩器，該振蕩器用於向旋轉鑽頭施加軸向振蕩負載；(iv)用於測量動態軸向負載的下負載傳感器；(v)鑽頭連接器；以及(vi)鑽頭，其中，上負載傳感器定位在振動隔離單元的上方，並且下負載傳感器定位在振蕩器和鑽頭之間，其中上負載傳感器和下負載傳感器連接至控制器以便提供振蕩器的井下閉環實時控制。可想到的是，該鑽孔模塊將被用作鑽柱中的共振增強鑽孔模塊。該鑽柱構造未被特別地限制，並且可以想到任何構造，包括已知構造。如需要共振增強時並且當需要共振增強時，該模塊可以被接通或斷開。在該設備布置中，振蕩器通常包括電驅動的機械致動器。該機械致動器未被特別地限制，並且優選地包括來自Vibratechniques公司的VR2510致動器。電驅動的機械致動器能利用兩個偏心旋轉質量的理念以提供所需的軸向振動。這樣的振動器模塊包括作為高頻振動源的兩個反向旋轉偏心質量。由該布置提供的位移可以相當大(大約2mm)。基於反向旋轉偏心質量的原理的合適的機械致動器可從Vibratechniques公司買到。用於本發明的某些實施方式的一個可行的振動器是VR2510模型。該振動器以對應於100Hz的相等振動頻率的6000rpm使偏心質量旋轉。 該單元的總重量是41kg，並且該單元能夠輸送達至24.5kN的力。該單元的功率消耗是2.2kW。該鑽孔模塊布置與第一鑽孔模塊布置的不同之處在於，未必需要振動傳遞單元來機械地放大振動。這是因為機械致動器本身提供足夠的振幅。此外，因為該技術依賴反向旋轉質量的作用，因此，不需要在磁致伸縮實施方式中使用的重的背襯質量。在該布置中，上負載傳感器的定位是典型地使得可以測量來自鑽柱的靜態軸向負載。下負載傳感器的定位典型地使得可以監控從振蕩器傳遞到鑽頭的動態負載。該實施方式的設備的部件的順序特別優選地是從上到下地從(i)到(vi)。本發明的所有布置的設備為鑽孔模塊帶來許多優點。這些優點包括：增加的鑽孔速度；更好的鑽孔穩定性和質量；設備上的較小應力，從而導致更長的壽命；以及更大的效率，從而降低能源成本。鑽孔模塊的所有實施方式的優選應用是用於油氣工業的大規模鑽孔設備、控制設備以及鑽孔方法。然而，其它鑽孔應用也可以是有益的，這些鑽孔應用包括：用於道路承建者的表面鑽孔設備、控制設備和鑽孔方法；用於採礦業的鑽孔設備、控制設備和鑽孔方法；用於家用等的手持鑽孔設備；特殊鑽孔，例如牙醫鑽。在共振增強鑽孔模塊操作期間，旋轉鑽頭相對於樣品旋轉，並且軸向取向的動態負載由振蕩器施加至鑽頭以產生裂紋擴展區從而幫助旋轉鑽頭切入材料。振蕩器和/或動態激振器根據本發明的優選方法來控制。因此，本發明還提供一種用於包括如上所限定的設備的共振增強旋轉鑽孔的方法，所述方法包括：控制共振增強旋轉鑽機中的振蕩器的頻率(f)，由此頻率(f)保持在以下範圍內：(D2Us/(8000πAm))1/2≤f≤Sf(D2Us/((8000πAm))1/2其中，D是旋轉鑽頭的直徑，Us是被鑽孔的材料的抗壓強度，A是振幅，m是振動質量，並且Sf是大於1的比例因數；以及控制共振增強旋轉鑽機中的振蕩器的動態力(Fd)，由此動態力(Fd)被保持在以下範圍內：[(π/4)D2effUs]≤Fd≤SFd[(π/4)D2effUs]其中Deff是旋轉鑽頭的有效直徑，Us是被鑽孔的材料的抗壓強度，並且SFd是大於1的比例因數，其中，振蕩器的頻率(f)和動態力(Fd)通過監控表示被鑽孔的材料的抗壓強度(Us)的信號並且根據被鑽孔的材料的抗壓強度(Us)的變化利用閉環實時反饋機構調節振蕩器的頻率(f)和動態力(Fd)而被控制。頻率和動態力的範圍基於下列分析。地層的抗壓強度給出了必要的衝擊力的下限。動態力的所需的最小幅度計算如下：Deff是旋轉鑽頭的有效直徑，該有效直徑是根據鑽頭的接觸被鑽孔的材料的部分確定比例的鑽頭的直徑D。因此有效直徑Deff可以限定為：其中，Scontact是與鑽頭的接觸被鑽孔的材料的部分對應的比例因數。例如，估計僅鑽頭表面的5％與被鑽孔的材料接觸，有效直徑Deff可以限定為：上述計算提供了振蕩器的動態力的下限。在操作期間利用大於該下限的動態力在鑽頭前方產生裂紋擴展區。然而，如果動態力太大，則裂紋擴展區將遠離鑽頭延伸，從而有損鑽孔穩定性並且降低鑽孔質量。另外，如果由振蕩器施加在旋轉鑽機上的動態力太大，則可能導致加速且毀滅性的工具磨損和/或故障。因此，動態力的上限可以限定為：SFd[(π/4)D2effUs]其中SFd是大於1的比例因數。在實踐中，SFd根據被鑽孔的材料來選擇從而確保裂紋擴展區不會太遠離鑽頭延伸而有損鑽孔穩定性並且降低鑽孔質量。此外，SFd根據旋轉鑽機的部件的堅固性來選擇以經受住振蕩器的衝擊力。對於某些應用SFd將被選擇成小於5，優選地小於2，更優選地小於1.5，並且最優選地小於1.2。低的SFd值(例如，接近1)將提供非常緊密且受控的裂紋擴展區並且在損害擴展率的情況下還增長了鑽孔部件的壽命。因而，在需要非常穩定、高質量鑽孔時希望SFd的值較低。另一方面，如果擴展率是更重要的考慮，則可以將SFd選擇為較高值。在振蕩器的時段τ的衝擊期間，質量為m的鑽頭的速度改變了量Δν，這是由於 接觸力F＝F(t)：<![CDATA[mΔV=0τF(t)dt]]>其中，接觸力F(t)假定為諧函數。力F(t)的幅度有利地高於破裂被鑽孔的材料所需的力Fd。因此脈衝變化的下限可以如下建立：<![CDATA[mΔV=0τFdsin(πtτ)dt=12Us0.05D2τ]]>假定鑽頭在執行衝擊之間進行諧運動，則鑽頭的最大速度是νm＝Aω，其中A是振幅，並且ω＝2πf是其角頻率。假定當鑽頭具有最大速度νm時發生衝擊，並且鑽頭在衝擊期間停止，則Δν＝νm＝2Aπf。因此，振動質量表示為該表達式包含衝擊時段τ。衝擊的持續時間由許多因素確定，這些因素包括地層和工具的材料特性、衝擊的頻率以及其它參數。為簡單起見，τ被估計為振動的時段的1％，也就是說，τ＝0.01/f。這導致可以為衝擊提供足夠脈衝的頻率的較低估值：必要的最小頻率與鑽頭的振幅和質量的逆平方根(inversesquareroot)成比例。上述計算提供了振蕩器的頻率的下限。如同動態力參數一樣，在操作期間利用大於該下限的頻率在鑽頭前方產生裂紋擴展區。然而，如果頻率太大，則裂紋擴展區將遠離鑽頭延伸，從而有損鑽孔穩定性並且降低鑽孔質量。另外，如果頻率太大，則可能導致加速且毀滅性的工具磨損和/或故障。因此，頻率的上限可以限定為：Sf(D2Us/(8000πAm))1/2其中，Sf是大於1的比例因數。與關於SFd在上面討論的那些考慮類似的考慮適用於Sf的選擇。因此，對於某些應用，Sf將被選擇為小於5，優選地小於2，更優選地小於1.5，並且最優選地小於1.2。除了對于振蕩器的操作頻率的前述考慮之外，有利的是，將頻率保持在接近但不超過被鑽孔的材料的峰值共振條件的範圍內。也就是說，頻率有利地高至足以接近與被鑽孔的材料接觸的鑽頭的峰值共振，同時低至足以確保該頻率不會超過將導致振幅的驚人的減弱的峰值共振條件的頻率。因此，Sf有利地被選擇，由此：fr/Sr≤f≤fr其中fr是對應於被鑽孔的材料的峰值共振條件的頻率，並且Sr是大於1的比例因數。與關於SFd和Sf在上面討論的那些考慮類似的考慮適用於Sr的選擇。對於某些應用Sr將被選擇為小於2，優選地小於1.5，更優選地小於1.2。高的Sr值允許利用較低頻率，這能導致較小的裂紋擴展區並且較低的擴展率。低的Sr值(即，接近於1)將頻率約束於接近峰值共振條件的範圍，這能導致較大的裂紋擴展區和較高的擴展率。然而，如果裂紋擴展區變得太大，則這可能有損鑽孔穩定性並且降低鑽孔質量。與鑽通具有變化的共振特性的材料相關的一個問題在於共振特性的變化可能導致操作頻率突然超過峰值共振條件，這將導致振幅的驚人減弱。為了解決該問題，可以適當地選擇Sf，由此：f≤(fr-X)其中，X是安全係數，以確保頻率(f)在被鑽孔的兩種不同的材料之間的過渡區處不會超過峰值共振條件的頻率。在這樣的布置中，頻率可以被控制為保持在如下限定的範圍內：fr/Sr≤f≤(fr-X)其中，安全係數X確保頻率足夠遠離峰值共振條件以避免操作頻率在從一種材料類型到另一種材料類型的過渡區上突然超過峰值共振條件的頻率，這將導致振幅的驚人的減弱。類似地，可以引入用於動態力的安全係數。例如，如果將大的動態力應用於具有大的抗壓強度的材料並且然後出現至具有低得多的抗壓強度的材料的過渡區，則這可以導致動態力突然大很多，從而導致裂紋擴展區遠離鑽頭延伸，從而在材料過渡區有損鑽孔穩定性並且降低鑽孔質量。為了解決該問題，合適的是在下列動態力範圍內操作：Fd≤SFd[(π/4)D2effUs-Y]其中Y是安全係數，以確保動態力(Fd)不會超過導致在被鑽孔的兩種不同材料之間的過渡區處裂紋的災難性延伸的限值。安全係數Y確保動態力不會太高，使得如果出現至具有低抗壓強度的材料的突然過渡區，則這也將不會導致裂紋擴展區的災難性的延伸而有損鑽孔穩定性。安全係數X和/或Y可以根據材料類型和速度的預知變化而設定，當材料類型變化被檢測到時，頻率和動態力可以隨速度而變化。也就是說，X和Y中的一者或兩者優選地能根據被鑽孔的材料的抗壓強度(Us)和速度的預知變化來調節，當被鑽孔的材料的抗壓強度(Us)的變化被檢測到時，頻率(f)和動態力(Fd)可以隨速度而變化。X的典型範圍包括：X>fr/100；X>fr/50；或者X>fr/10。Y的典型範圍包括：Y>SFd[(π/4)D2effUs]/100；Y>SFd[(π/4)D2effUs]/50；或者Y>SFd[(π/4)D2effUs]/10。利用這些安全係數的實施方式可以看作是對於複合地層結構的每種材料以最優操作條件工作並且在每層材料之間的界面處提供平穩過渡區以保持界面處的鑽孔穩定性之間的折衷。本發明的在前所述的實施方式適用於任何尺寸的鑽機或待被鑽孔的材料。某些更具體的實施方式涉及用於鑽通巖層的鑽孔模塊，尤其是變化組分的那些巖層，這些巖層在油、氣和採礦工業的深孔鑽探應用中可能遭遇到。問題仍在於什麼樣的數值適於鑽通這樣的巖層。巖層的抗壓強度具有從大約對於砂巖的Us＝70MPa直到對於花崗巖的Us＝230MPa的大的變化。在大規模鑽孔應用，諸如油工業中，鑽頭直徑的範圍從90mm至800mm(31/2英寸到32英寸)。如果鑽頭表面的僅大約5％與巖層接觸，則所需的動態力的最低值被計算為接近20kN(利用穿過砂巖的90mm鑽頭)。類似地，所需的動態力的最大值計算為接近6000kN(利用穿過花崗巖的800mm鑽頭)。因而，為了鑽通巖層，動態力優選地被控制成保持在20kN至6000kN的範圍內，這取決於鑽頭的直徑。當消耗大量功率將以便以6000kN的動態力驅動振蕩器時，可以有利地將具有中到小直徑鑽頭的本發明用於許多應用。例如，90mm至400mm的鑽頭直徑導致20kN至1500kN的操作範圍。進一步縮小鑽頭直徑範圍給予了20kN至1000kN的範圍、更優選地20kN至500kN的範圍、再更優選地20kN至300kN的動態力的優選範圍。對於必要的位移振幅的較低估值是為了具有比由於巖層中的不均勻性而引起的隨意的小規模末端彈跳的位移顯著更大的振動。因而振幅有利地是至少1mm。因此，振蕩器的振幅可以保持在1mm至10mm的範圍內，更優選地在1mm至5mm的範圍內。對於大規模的鑽孔設備，振動質量可以是10kg至1000kg的量級。對於這樣的大 規模的鑽孔設備的可行頻率範圍不會擴展至高於幾百赫茲。因而，通過選擇合適值的鑽頭直徑、在前述限值內的振動質量和振幅，振蕩器的頻率(f)可以被控制成保持在100Hz至500Hz的範圍內，同時提供足夠的動態力以針對一定範圍的不同巖石類型形成裂紋擴展區並且為足夠高的頻率以實現共振效應。控制器可以構造成執行前述方法並且結合到共振增強旋轉鑽孔模塊中，諸如上述本發明的各種實施方式中描述的那些模塊。共振增強旋轉鑽孔模塊可以設置有傳感器(負載傳感器)，該傳感器直接或間接地監控被鑽孔的材料的抗壓強度，並且向控制器提供信號，該信號表示被鑽孔的材料的抗壓強度。控制器構造成接收來自傳感器的信號並且根據被鑽孔的材料的抗壓強度(Us)的變化利用閉環實時反饋機構來調節振蕩器的頻率(f)和動態力(Fd)。發明人已確定了，用於提供反饋控制的最佳布置是為了將反饋機構的感測元件、處理元件和控制元件都定位在井下組件內。該布置是最緊湊的，對共振條件的變化提供較快的反饋和較迅速的響應，並且還允許鑽頭被製造為在其中一體形成有必要的反饋控制，使得鑽頭可以被改裝到現有的鑽柱，而不需要更換整個鑽孔系統。除了本發明的共振增強旋轉鑽孔應用，彈簧系統可以有利地被用於其它系統，這些其它系統包括對阻尼和/或隔離振動的需要和/或對增強、促進和/或傳遞振動的需要。用於本發明中的彈簧系統在高扭矩環境下尤其有用，其中傳統彈簧(諸如卷簧)較差地執行。卷簧例如可以在扭矩負載下容易地變形並且損失所需的彈簧特性。因此，本發明還提供一種振動阻尼和/或隔離單元，該單元包括彈簧系統，該彈簧系統包括串聯布置的兩個或更多個截頭圓錐形彈簧。本發明類似地提供振動增強和/或傳遞單元，該單元包括彈簧系統，該彈簧系統包括串聯布置的兩個或更多個截頭圓錐形彈簧。在這樣的單元中，典型的是，彈簧系統是這樣的系統，其使得根據下列方程式可以確定施加至彈簧系統的力P：<![CDATA[P=1.1EδCR2(h-δ)(h-δ2)t+t2]]>其中，t是截頭圓錐形彈簧的厚度，h是彈簧系統的高度，R是彈簧系統的半徑，δ是由力P引起的彈簧系統的位移，E是彈簧系統的楊氏模量(Youngmodulus)，並且C是彈簧系統的常數。在上述單元中的一些實施方式中，彈簧系統包括一個或多個蝶形彈簧。典型地，當彈簧系統用於阻尼和/或隔離振動時，它滿足下列方程式：ω/ωn≥2.3其中，ω表示軸向振動的操作頻率，並且ωn表示該單元的彈簧系統的固有頻率。另選地，當彈簧系統用於增強和/或傳遞振動時，其典型地滿足下列方程式：0.6≤ω/ωn≤1.2其中，ω表示軸向振動的操作頻率，並且ωn表示該單元的彈簧系統的固有頻率。本發明還提供彈簧系統在高扭矩環境中的用途，該彈簧系統包括串聯布置的兩個或更多個截頭圓錐形彈簧。該用途可以包括阻尼和/或隔離振動，或者可以用於增強和/或傳遞振動。彈簧特性以及用於該用途的其它優選實施方式如已在上略述的。現在將參照下列具體實施方式、模型和試驗僅通過示例來進一步描述本發明。示例根據本發明，振動隔離單元(防振器)和振動傳遞單元(彈簧)由BS970-080M50中碳鋼(也稱為AISI-1050)製成。該鋼的機械特性在表1中給出。表1AISI-1050鋼的機械特性。特性值密度7900kg/m3楊氏模量216GPa剪切模量80GPa泊松比0.285屈服強度455MPa抗張強度790MPa疲勞強度@107(應力比＝0)199MPa值得注意的是，該材料與通常用於製造蝶形彈簧的那些材料不同。然而，因為試驗設備中施加的負載由於鑽頭的尺寸小而相對低，因此考慮到的是，該材料足夠強以經受住來自試驗設備的施加負載。防振器可以被模擬為典型的振動隔離問題。另一方面，彈簧可以由基礎激勵動態問題表示。如果假設彈簧具有線性響應，則已確立的是，放大係數，即動態響應與靜態響應的比和振蕩的頻率與系統的固有頻率的比之間的關係對於兩種問題是相同的。圖5示出了針對不同阻尼係數的典型的放大曲線圖。從圖5可理解的是，對於結構彈簧，假定彈簧線性響應，則當包括位於彈簧下方 的質量和彈簧本身的系統的固有頻率的值接近於共振器的強制頻率的值時，共振器的運動被放大。通過考慮非線性效應、阻尼和其它因素，可以從放大曲線圖預知彈簧的可接受的頻率比範圍可以表示為：0.6≤ω/ωn≤1.2在防振器的情況下，動態系統由彈簧以及位於該彈簧下方的所有質量，即，PEX、背襯質量、扭矩框架、結構彈簧、負載傳感器殼體、鑽頭適配器和鑽頭代表。如果對於防振器彈簧進行類似的假定，則可以將剛度設計的條件採用為：ω/ωn≥2.3該標準確保了強制的振幅的小於25％被傳遞到框架，這是因為鋼通常呈現非常低的機械損失係數(阻尼或滯後的函數)。因此防振器的剛度通常小於結構彈簧的剛度。這些假設可以在彈簧剛度的計算中採用並且上述方程式中的條件通常可以形成用於選擇彈簧的最佳厚度的基礎的一部分。為了精確地數字模擬彈簧的動作，重要的是考慮所涉及的負載和約束的類型以及它們在彈簧上的相應位置。較早已經提及的是，包括結構彈簧和下方的質量的系統可以模擬為基礎激勵問題，而包括防振器和下方的質量的系統表示振動隔離問題。這建議兩個彈簧可以被認為是在一端固定並且在另一端自由，如圖6和圖7所示。這裡，箭頭表示能夠自由移動的頂面上的力以及表示底面上的約束並且建議該底面固定。為了便於計算彈簧上的應力，重要的是，識別作用在彈簧上的所有力。第一，應該考慮的是，當鑽頭未與巖石接觸時，彈簧受其下方質量的重量的影響。第二，當在沒有共振器作用的情況下進行鑽孔時，彈簧現在具有從巖石的反作用力施加到其的附加負載。當共振器開始操作時，由于振蕩而存在額外的負載。彈簧上的淨負載是所識別的三種負載之和。從較早實驗觀察到的是，當使用RED模塊時產生的最佳性能的鑽頭上的平均重量大約是1500N並且在共振器操作期間變化的負載的近似振幅是1000N。因此可以估計在RED鑽孔實驗期間彈簧上的最大負載。值得注意的是，雖然由彈簧下方的質量所施加的負載是抗拉性的，但是鑽頭上的重量是壓縮性的並且由共振器提供的負載關於零平均值交替。因此如表2所示能估計出每個彈簧上的最大負載。表2負載的估計圖8a和圖8b示出了在250Hz頻率下對於兩種彈簧在RED鑽孔過程期間的負載條件的圖解近似。因為應力與力成比例，因此被定義為最小應力與最大應力的比的應力比R於是與最小力(Fmin)和最大力(Fmax)的比成比例。因此對於防振器該應力比如下給出：在傳遞單元(結構彈簧)的情況下，申請人具有：兩個部件的固有頻率利用從施加的最大負載和沿軸向的最大位移估計的剛度來預測。然後通過用彈簧的固有頻率除以強制頻率(為設計優化的目的根據觀察到的實驗結果採取為250Hz)來建立頻率比。為了分析還預測了最小安全係數和累積損壞。表3和表4給出了分別針對防振器和結構彈簧所獲得的結果的總匯。表3防振器的結果的總匯表4彈簧的結果的總匯