1.一種鉆頭控制方法，其與鉆探設備一同使用，所述鉆探設備包
含：鉆頭，所述鉆頭能夠承受振蕩載荷和旋轉載荷；以及控制裝置，
所述控制裝置用于控制所述鉆頭的應用的旋轉載荷和/或振蕩載荷，所
述控制裝置具有用于響應于鉆機經過的材料的機械特性改變所述應用
的旋轉載荷和/或振蕩載荷的調節裝置；所述調節裝置進一步控制所述
鉆頭的所述應用的旋轉載荷和振蕩載荷，從而實現并保持所述鉆頭和
與所述鉆頭接觸的被鉆材料之間的共振；
該方法進一步包含依照下列步驟為所述鉆頭確定適當的載荷參
數，以便實現并保持所述鉆頭和與所述鉆頭接觸的被鉆材料之間的共
振：
A)當所述鉆頭與被鉆的所述材料共振并交互作用時，確定所述鉆
頭的振幅極限；
B)估計適當的頻率掃描范圍以加載所述鉆頭；
C)估計共振曲線的形狀；
D)在所述共振曲線上的一點處選擇最優共振頻率，該最優共振頻
率小于所述共振曲線上的最大值；以及
E)基于這一最優共振頻率驅動所述鉆頭。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述鉆頭被配置以沖擊所述
材料，從而產生第一組大裂紋，然后所述鉆頭旋轉并在另一個時機沖
擊所述材料，從而產生另一組大裂紋，并且
其中所述鉆頭的旋轉運動和振蕩運動被同步用以促使由此產生的
所述大裂紋相互連接，從而在所述鉆頭前面建立局部動態裂紋傳播區
域。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述方法用于鉆探巖層的情
況，并且其中所形成的大裂紋具有高達10mm的長度。
4.根據權利要求3所述的方法，其中應用到所述鉆頭的高頻振蕩
高達1kHz。
5.根據權利要求3或4所述的方法，其中所述鉆頭被驅動旋轉高
達200rpm。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述動態裂紋傳播區域從所
述鉆頭的外緣徑向地向外延伸不超過所述鉆頭的直徑的1/20。
7.根據權利要求3所述的方法，其中被鉆的鉆屑的尺寸高達
10mm。
8.根據權利要求3所述的方法，其在一個或多個淺層油氣、薄弱
區以及破裂的高壓區鉆探應用中使用。
9.一種鉆探設備，其包含：
鉆頭，所述鉆頭能夠旋轉并承受高頻振蕩載荷；以及
控制裝置，所述控制裝置用于控制所述鉆頭的應用的旋轉載荷和/
或振蕩載荷，所述控制裝置具有用于響應于鉆機經過的材料的機械特
性改變所述應用的旋轉載荷和/或振蕩載荷的調節裝置；
其中，所述控制裝置在使用中被提供在位于井下位置的所述設備
上，并且所述控制裝置包括用于對材料特性進行井下測量的傳感器，
其中所述設備在閉環實時控制下可在井下操作；
所述鉆探設備進一步包括：
用于當所述鉆頭與被鉆的所述材料共振并交互作用時確定所述鉆
頭的振幅極限的裝置；
用于估計適當的頻率掃描范圍以加載所述鉆頭的裝置；
用于在所述共振曲線上的一點處選擇最優共振頻率的裝置，其中
該最優共振頻率小于所述共振曲線上的最大值；以及
用于基于這一最優共振頻率驅動所述鉆頭的裝置。
10.根據權利要求9所述的設備，其中所述控制裝置控制所述鉆頭
沖擊所述材料，從而產生第一組大裂紋，所述控制裝置進一步控制所
述鉆頭旋轉并在另一個時機沖擊所述材料，從而產生另一組大裂紋，
其中所述控制裝置使所述鉆頭的旋轉運動和振蕩運動同步，以促使產
生的所述大裂紋相互連接，從而在所述鉆頭前面建立局部動態裂紋傳
播區域。
11.一種用于在權利要求9或10的鉆探設備中使用的鉆頭組件，
其包含：
鉆柱，所述鉆柱具有鉆桿和鉆環；
鉆頭，所述鉆頭能夠承受高頻振蕩載荷和旋轉載荷；
控制裝置，所述控制裝置被提供在井下使用以控制所述鉆頭的應
用的旋轉載荷和/或振蕩載荷，所述控制裝置具有用于響應于鉆機經過
的材料的機械特性改變所述應用的旋轉載荷和/或振蕩載荷的調節裝
置，
其中每米鉆柱的重量最高比在相同條件下使用的具有相同井眼直
徑的傳統鉆柱的重量小70％。
12.根據權利要求11所述的鉆頭組件，其中所述每米鉆柱的重量
比在相同鉆探條件下使用的具有相同井眼直徑的傳統鉆柱重量小
40％-70％。
13.根據權利要求11或12所述的鉆頭組件，其中所述調節裝置控
制所述鉆頭的所述應用的旋轉載荷和振蕩載荷，從而保持所述鉆頭和
與所述鉆頭接觸的被鉆材料之間的共振。
14.根據權利要求13所述的鉆頭組件，其中所述調節裝置通過以
下算法確定鉆頭載荷參數，用以建立所述鉆頭和所述被鉆材料之間的
共振條件：
A)計算不受所述被鉆材料影響的所述鉆頭的非線性共振響應；
B)估計沖擊強度以在所述被鉆材料內產生傳播破裂區域；
C)計算破裂的被鉆材料的非線性硬度特性；
D)估計與所述被鉆材料交互作用的所述鉆頭的共振頻率；以及
E)通過合并所述破裂的被鉆材料的所述非線性硬度特性重新計算
穩定狀態的共振頻率的值。
15.根據權利要求14所述的鉆頭組件，其中所述算法基于非線性
響應函數的確定。
16.根據權利要求15所述的鉆頭組件，其中對于通過軟地層的鉆
探，所述調節裝置可以選擇性地停止所述鉆頭的振蕩載荷。
17.一種鉆探材料的方法，其包含以下步驟：通過鉆頭應用振蕩載
荷和旋轉載荷；監視在所述材料與所述鉆頭的接觸面處的材料特性；
確定在所述材料與所述鉆頭的接觸面處的巖層的共振頻率的值；以及
調節所述應用的振蕩載荷和/或旋轉載荷，從而保持在與所述鉆頭的所
述接觸面處的所述巖層的所述共振頻率；其中所述方法進一步包含的
步驟是，應用非線性動態分析算法以確定在所述材料與所述鉆頭的接
觸面處的所述材料的所述共振頻率。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述算法具有下列功能：
A)計算不受被鉆材料影響的所述鉆頭的非線性共振響應；
B)估計沖擊強度以在所述被鉆材料內產生傳播破裂區域；
C)計算破裂的被鉆材料的非線性硬度特性；
D)估計與所述被鉆材料交互作用的所述鉆頭的共振頻率；以及
E)通過合并所述破裂的被鉆材料的所述非線性硬度特性來重新計
算穩定狀態的共振頻率的值。
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