本發(fā)明涉及沖擊增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔，并且具體地涉及共振增強(qiáng)鉆孔。本發(fā)明的實(shí)施方式涉及用于共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔的設(shè)備和方法，并且具體地涉及用來(lái)改善該設(shè)備和方法的性能的振動(dòng)傳遞和隔離單元。本發(fā)明的其它實(shí)施方式涉及能根據(jù)這些方法和設(shè)備控制的共振增強(qiáng)鉆孔設(shè)備。本發(fā)明的某些實(shí)施方式適用于任何尺寸的鉆機(jī)或待被鉆孔的材料。某些更具體的實(shí)施方式旨在鉆通巖層，尤其是變化組分的那些巖層，在油、氣和采礦工業(yè)的深孔鉆探應(yīng)用中可能遭遇這樣的巖層。

背景技術(shù)：
沖擊增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔本身是已知的。沖擊增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)包括旋轉(zhuǎn)鉆頭以及用于向該旋轉(zhuǎn)鉆頭施加振蕩負(fù)載的振蕩器。振蕩器對(duì)被鉆孔的材料提供沖擊力從而破碎材料，以幫助旋轉(zhuǎn)鉆頭切入該材料。共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔是特殊類型的沖擊增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔，其中振蕩器在高頻下振動(dòng)從而獲得與被鉆孔的材料的共振。這導(dǎo)致在旋轉(zhuǎn)鉆頭處施加的壓力的放大，從而當(dāng)與標(biāo)準(zhǔn)沖擊增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔相比時(shí)提高了鉆孔效率。US3,990,522公開了一種沖擊增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，該鉆機(jī)使用安裝在用于鉆螺栓孔的旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)中的液壓錘。其公開了可變沖程和頻率的沖擊循環(huán)可以被應(yīng)用并且調(diào)節(jié)至被鉆孔的材料的固有頻率，以產(chǎn)生在鉆頭的末端處施加的壓力的放大。伺服閥保持沖擊控制，并且繼而由操作員通過(guò)借助電導(dǎo)體連接至伺服閥的電子控制模塊來(lái)控制。操作員通過(guò)控制加壓流體向致動(dòng)器的流動(dòng)和從該致動(dòng)器的流出而可以選擇性地將沖擊頻率從每分鐘0循環(huán)改變到每分鐘2500循環(huán)(即，從0到42Hz)并且選擇性地將鉆頭的沖程從0英寸改變到1/8英寸(即，從0到3.175mm)。其描述了通過(guò)選擇具有與被鉆孔的巖層的固有頻率或共振頻率等于的頻率的沖擊沖程，由沖擊力存儲(chǔ)在巖層中的能量將導(dǎo)致在鉆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并且使得鉆機(jī)速率在每分鐘3至4英尺的范圍內(nèi)。存在幾個(gè)通過(guò)上述裝置已確定并且在下面討論的問(wèn)題。利用使用相對(duì)低頻的液壓振蕩器的US3,990,522的設(shè)備不能得到高頻。因此，盡管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(shí)現(xiàn)共振增強(qiáng)鉆通許多硬材料。與上面討論的頻率問(wèn)題無(wú)關(guān)，利用US3,990,522的裝置在任何情況下都不能容易地獲得并保持共振，尤其是在鉆機(jī)穿過(guò)具有不同共振特性的不同材料的情況下時(shí)。這是因?yàn)樵赨S3,990,522的裝置中的沖擊頻率和沖程的控制由操作員手動(dòng)地實(shí)現(xiàn)。因而，當(dāng)鉆機(jī)穿過(guò)不同類型的材料時(shí)難以控制設(shè)備來(lái)不斷地調(diào)節(jié)沖擊力的頻率和沖程以保持共振。對(duì)于鉆淺螺栓孔來(lái)說(shuō)這可能不是如此主要的問(wèn)題，如US3,990,522中所述的。操作員僅僅能選擇用于待鉆螺栓孔的材料的合適的頻率和沖程，然后操作鉆機(jī)。然而，對(duì)于穿過(guò)許多不同的巖石層的深鉆來(lái)說(shuō)突顯了該問(wèn)題。位于深鉆孔之上的操作員不能看到哪種類型的巖石正被鉆通并且在鉆機(jī)從一種巖石通到另一種巖石時(shí)不能容易地獲得并保持共振，在巖石類型頻繁改變的區(qū)域中尤其如此。如WO2007/141550中所述的，本發(fā)明人已解決了上述問(wèn)題中的一些問(wèn)題。WO2007/141550描述了一種共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，該鉆機(jī)包括自動(dòng)反饋和控制機(jī)構(gòu)，在鉆機(jī)穿過(guò)不同類型的巖石時(shí)，該機(jī)構(gòu)能夠不斷地調(diào)節(jié)沖擊力的頻率和沖程以保持共振。鉆機(jī)設(shè)置有調(diào)節(jié)裝置和位于井下位置中的控制裝置，該調(diào)節(jié)裝置響應(yīng)于鉆機(jī)所穿過(guò)的材料的條件，該控制裝置包括用于進(jìn)行材料特性的井下測(cè)量的傳感器，由此該設(shè)備能夠在閉環(huán)實(shí)時(shí)控制下在井下操作。US2006/0157280提議了一種振蕩器的井下閉環(huán)實(shí)時(shí)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(shí)監(jiān)控關(guān)鍵鉆孔效率參數(shù)(諸如行進(jìn)速率(ROP))。然后振蕩裝置能被控制以在最佳頻率下提供振蕩，直到進(jìn)行下一個(gè)掃頻。掃頻的周期性可以基于鉆孔操作的一個(gè)或更多個(gè)元素，諸如地層的變化、所測(cè)量的ROP的變化、預(yù)定時(shí)段或來(lái)自表面的指令。詳細(xì)的實(shí)施方式利用這樣的振蕩裝置，該振蕩裝置向旋轉(zhuǎn)鉆頭施加扭矩振蕩并且涉及扭轉(zhuǎn)共振。然而，其還描述了施加至鉆頭的振蕩的示例性方向包括橫跨所有自由度的振蕩并且未被利用以便促使待被鉆孔的材料中產(chǎn)生裂紋。相反，其描述了鉆頭的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致待被鉆孔的材料最初分成幾部分，然后施加瞬間振蕩以便確保旋轉(zhuǎn)鉆頭保持與破裂材料接觸。沒有出現(xiàn)任何提供以下振蕩器的公開或建議，如根據(jù)共振增強(qiáng)鉆孔所要求的，該振蕩器能向鉆頭輸入足夠高的軸向振蕩負(fù)載 以便促使旋轉(zhuǎn)鉆頭所穿過(guò)的材料中產(chǎn)生裂紋，如WO2007/141550中所述的那樣。不管現(xiàn)有技術(shù)中描述的解決方案，仍存在與已知的用于共振增強(qiáng)鉆孔的方法和設(shè)備相關(guān)的問(wèn)題。具體地，由于由系統(tǒng)中的高振蕩負(fù)載產(chǎn)生的共振，因此發(fā)生大和/或迅速程度的軸向運(yùn)動(dòng)。然而，不是所有用于設(shè)備中的部件都能容易地經(jīng)受住大的動(dòng)態(tài)軸向運(yùn)動(dòng)，尤其是長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)的大的動(dòng)態(tài)軸向運(yùn)動(dòng)。因此，希望通過(guò)采用改進(jìn)的振動(dòng)隔離以便保護(hù)設(shè)備的易受影響的部件，和/或通過(guò)采用改進(jìn)的振動(dòng)傳遞以便確保所需的動(dòng)態(tài)軸向負(fù)載被傳遞到鉆頭來(lái)改進(jìn)已知的旋轉(zhuǎn)鉆孔技術(shù)和設(shè)備。對(duì)于同時(shí)解決這兩個(gè)問(wèn)題是特別的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)檎駝?dòng)隔離單元應(yīng)該不干涉所需振動(dòng)傳遞，而振動(dòng)傳遞單元應(yīng)該不干涉所需的振動(dòng)隔離。在常規(guī)的鉆孔設(shè)備中，已進(jìn)行了一些嘗試以改進(jìn)振動(dòng)隔離和傳遞。US4,067,596公開了其中軸向負(fù)載由彈性體環(huán)支承的鉆孔設(shè)備。這些結(jié)構(gòu)具有“阻尼”效果，并且因此可以用作振動(dòng)隔離單元。US3,768,576公開了一種鉆孔設(shè)備中的能量傳遞“止推環(huán)”。這些環(huán)可以為截頭圓錐形狀的或可以是盤簧。EP0,026,100公開了一種用于鉆孔設(shè)備的減震器。其被描述為能夠傳遞軸向負(fù)載。其典型地由彈性可變形物質(zhì)(諸如橡膠)形成，但是也可以采取具有螺紋形式的螺旋彈簧的形式。GB2,332,690涉及一種設(shè)置有利用機(jī)械振蕩器的軸向動(dòng)態(tài)負(fù)載的鉆孔設(shè)備。采用螺旋彈簧和/或液壓阻尼器來(lái)控制動(dòng)態(tài)軸向負(fù)載。最后，US4,139,994涉及具有用于控制軸向運(yùn)動(dòng)的阻尼裝置的鉆孔設(shè)備。該裝置由聚氨酯環(huán)面構(gòu)成，其在每一端均呈錐形以使得環(huán)面的剛度隨位移而變化。然而，已知技術(shù)中沒有一種技術(shù)教導(dǎo)在共振增強(qiáng)鉆孔設(shè)備中使用振動(dòng)隔離或傳遞單元，其中軸向振蕩負(fù)載顯著不同于常規(guī)的鉆孔技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的實(shí)施方式的目的在于對(duì)已知技術(shù)作出改進(jìn)以便提高鉆孔設(shè)備的操作可靠性并延長(zhǎng)壽命，增加鉆孔效率，提高鉆孔速度并且提高鉆孔穩(wěn)定性和質(zhì)量，同時(shí)限制設(shè)備的磨損。另一目的在于更精確地控制共振增強(qiáng)鉆孔，尤其是當(dāng)鉆通迅速改變的巖石類型時(shí)。因此，本發(fā)明提供一種在共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔中使用的設(shè)備，該設(shè)備包括下列部件中的一者或兩者：(a)振動(dòng)隔離單元；和(b)振動(dòng)傳遞單元。所述振動(dòng)隔離單元未被特別地限制，只要它能夠保護(hù)所述設(shè)備的敏感部分不受振動(dòng)影響即可，而沒有不適當(dāng)?shù)刈璧K設(shè)備的操作。類似地，所述振動(dòng)傳遞單元未被特別地限制，只要它能夠?qū)⒄駝?dòng)傳遞到鉆頭以有利于共振增強(qiáng)鉆孔操作即可。在本上下文中，隔離是指足以增長(zhǎng)敏感部件的壽命的振動(dòng)的任何減小。因而，不必使這些部件與振動(dòng)完全隔離，而是與在沒有振動(dòng)隔離單元情況下的振動(dòng)相比需要被減小。典型地但不是排他地，振動(dòng)隔離單元被操作成使得振動(dòng)能量的小于25％被傳遞經(jīng)過(guò)該單元。這可以通過(guò)以不同于振動(dòng)隔離單元的固有頻率(共振頻率)的頻率操作共振增強(qiáng)鉆孔模塊的振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且將在稍后更詳細(xì)地說(shuō)明。在本上下文中，傳遞是指向鉆頭傳遞振動(dòng)使得與在沒有振動(dòng)傳遞單元的情況下的振動(dòng)相比存在振動(dòng)的增加。典型地，這可以涉及通過(guò)以接近振動(dòng)傳遞單元的固有頻率(共振頻率)的頻率操作振蕩器來(lái)放大振動(dòng)，并且將在稍后更詳細(xì)地說(shuō)明。振動(dòng)隔離單元可以與用來(lái)在設(shè)備中產(chǎn)生軸向動(dòng)態(tài)負(fù)載的任何類型的振蕩器一起使用。振動(dòng)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(dòng)傳遞的情況下，不是始終需要這樣的單元，除非希望動(dòng)態(tài)軸向負(fù)載被放大。因此，當(dāng)采用機(jī)械振蕩器時(shí)未必需要振動(dòng)傳遞單元。然而，當(dāng)使用磁致伸縮振蕩器時(shí)希望具有振動(dòng)傳遞單元。在本設(shè)備中，振動(dòng)隔離單元和/或振動(dòng)傳遞單元的結(jié)構(gòu)未被特別地限制，只要在操作中它們執(zhí)行上述功能即可。然而，典型地振動(dòng)隔離單元和/或振動(dòng)傳遞單元包括彈簧系統(tǒng)，該彈簧系統(tǒng)包括串聯(lián)布置的兩個(gè)或更多個(gè)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?yàn)樗鼈兙哂锌扇菀渍{(diào)整以使它們適于被采用的具體的鉆孔系統(tǒng)的參數(shù)。在典型的實(shí)施方式中，彈簧系統(tǒng)是這樣的彈簧系統(tǒng)，其使得施加到該彈簧系統(tǒng)的力P能根據(jù)下列方程式確定：其中，t是截頭圓錐形彈簧的厚度，h是彈簧系統(tǒng)的高度，R是彈簧系統(tǒng)的半徑，δ是由力P引起的彈簧系統(tǒng)上的位移，E是彈簧系統(tǒng)的楊氏模量，并且C是彈簧系統(tǒng)的常數(shù)。這些參數(shù)能在與圖2的曲線圖結(jié)合示出的示意性彈簧系統(tǒng)中看到。在更典型的實(shí)施方式中，彈簧系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)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(tǒng)可以由任何材料形成，這取決于所使用的鉆孔設(shè)備的性質(zhì)。然而，典型地彈簧系統(tǒng)由金屬(諸如鋼)形成。振動(dòng)隔離單元在共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔設(shè)備中的位置未被特別地限制，只要它執(zhí)行上述功能即可。然而，在典型的實(shí)施方式中，振動(dòng)隔離單元在設(shè)備中位于振蕩器的上方。類似地，振動(dòng)傳遞單元在鉆孔設(shè)備內(nèi)的位置未被特別地限制，只要它執(zhí)行上述功能即可。然而，在典型的實(shí)施方式中振動(dòng)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(dòng)隔離單元被操作成使得振動(dòng)能量的小于25％被傳遞經(jīng)過(guò)該單元。這可以通過(guò)以不同于振動(dòng)隔離單元的固有頻率(共振頻率)的頻率操作共振增強(qiáng)鉆孔模塊的振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在其中振動(dòng)能量的25％被傳遞經(jīng)過(guò)振動(dòng)隔離單元的情況下，該振動(dòng)隔離單元的彈簧系統(tǒng)遵守下列方程式：ω/ωn≥2.3其中，ω是共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔設(shè)備的軸向振動(dòng)的操作頻率，并且ωn是彈簧系統(tǒng)的固有頻率。然而，在一些實(shí)施方式中，也能想到小于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(jīng)提及的，典型地振動(dòng)傳遞單元被操作成使得與沒有該振動(dòng)傳遞單元的情況下的振動(dòng)相比存在振動(dòng)增加。典型地，這可以涉及通過(guò)以接近振動(dòng)傳遞單元的固有頻率(共振頻率)的頻率操作共振增強(qiáng)鉆孔模塊的振蕩器來(lái)放大振動(dòng)。典型地，振動(dòng)傳遞單元的彈簧系統(tǒng)遵守下列方程式：0.6≤ω/ωn≤1.2其中，ω是共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔設(shè)備的軸向振動(dòng)的操作頻率，并且ωn是彈簧系統(tǒng)的固有頻率。本發(fā)明還提供了一種包括操作如上限定的設(shè)備的鉆孔方法。典型地該鉆孔方法包括控制共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔設(shè)備的軸向振動(dòng)的操作頻率，使得振動(dòng)隔離單元的彈簧系統(tǒng)滿足下列方程式：ω/ωn≥2.3其中，ω表示共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔設(shè)備的軸向振動(dòng)的操作頻率，并且ωn表示振動(dòng)隔離單元的彈簧系統(tǒng)的固有頻率。該鉆孔方法可以另外或者另選地包括控制共振增強(qiáng) 旋轉(zhuǎn)鉆孔設(shè)備的軸向振動(dòng)的操作頻率，使得振動(dòng)傳遞單元的彈簧系統(tǒng)滿足下列方程式：0.6≤ω/ωn≤1.2其中，ω表示共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔設(shè)備的軸向振動(dòng)的操作頻率，并且ωn表示振動(dòng)傳遞單元的彈簧系統(tǒng)的固有頻率。附圖說(shuō)明現(xiàn)在將參照下列附圖僅通過(guò)示例來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)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(fù)載的單個(gè)彈簧，(b)為串聯(lián)的四個(gè)彈簧。圖2示出了基于錐高h(yuǎn)與壁厚t的比的單個(gè)蝶形彈簧的一些不同特征。圖3示出了本發(fā)明的示例性振動(dòng)隔離單元的剖視圖。圖4示出了本發(fā)明的示例性振動(dòng)傳遞單元的剖視圖。圖5示出了針對(duì)本發(fā)明的振動(dòng)傳遞單元的不同阻尼系數(shù)的放大系數(shù)曲線圖。圖6和圖7示出了如何能模擬振動(dòng)隔離單元和振動(dòng)傳遞單元，兩個(gè)彈簧可以被認(rèn)為是在一端固定并且在另一端自由，如圖中所示，箭頭表示能夠自由移動(dòng)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(dòng)隔離單元和(b)示例性振動(dòng)傳遞單元在RED鉆孔過(guò)程期間負(fù)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(guò)用線性元件近似應(yīng)力場(chǎng)(平面183-四邊形構(gòu)造，自由嚙合)。圖9a示出了彈簧的截面(單個(gè)斜面)上的負(fù)載和約束。圖9b示出了彈簧的截面(整個(gè)RED彈簧(兩個(gè)斜面))上的負(fù)載和約束。圖9c示出了在規(guī)定負(fù)載下彈簧的變形形狀。圖9d示出了在單個(gè)斜面的規(guī)定負(fù)載下的應(yīng)力場(chǎng)。圖9e示出了在整個(gè)RED彈簧(兩個(gè)斜面)的規(guī)定負(fù)載下的應(yīng)力場(chǎng)。圖10a和圖10b以參數(shù)形式示出了結(jié)構(gòu)彈簧的示意圖，對(duì)于該參數(shù)形式已采用了圖9a至9e中的計(jì)算值。參數(shù)P10和P11是半徑。P12是斜面的數(shù)量。具體實(shí)施方式所進(jìn)行的研究表明了共振增強(qiáng)鉆孔(RED)技術(shù)的超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方法的重要優(yōu)點(diǎn)在于其能導(dǎo)致穿透速率顯著增大。在RED模塊的操作中扮演至關(guān)重要的角色的兩個(gè)結(jié)構(gòu)部件是上述振動(dòng)隔離單元和振動(dòng)傳遞單元。振動(dòng)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(dòng)器)下方并且通常用作被傳遞到鉆頭的高頻振蕩的機(jī)械放大器。另一方面，振動(dòng)隔離單元(也可以稱作防振器)用來(lái)減小被傳遞到鉆柱的其余部分的振動(dòng)。這樣，振蕩行為僅限于鉆孔設(shè)備的底部并且能保護(hù)敏感設(shè)備不被破壞。彈簧和防振器兩者的當(dāng)前設(shè)計(jì)典型地但不排他地基于類似于用于蝶形彈簧的工作原理。優(yōu)選的防振器和優(yōu)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(shè)計(jì)類似串聯(lián)布置的蝶形彈簧的堆疊(參見圖1b)，其對(duì)于給定的負(fù)載允許與盤的數(shù)量成比例地增加撓度。蝶形彈簧因?yàn)樗鼈兊奶匦远鴮?duì)于RED模塊中的應(yīng)用尤其有用，諸如尤其是沿負(fù)載動(dòng)作的方向?qū)τ谙鄬?duì)小的空間需要的大容量。此外，它們的負(fù)載偏轉(zhuǎn)特性(參見圖2)可以通過(guò)改變錐高與厚度的比來(lái)容易地改變。圓錐形盤的小厚度導(dǎo)致在處于壓縮時(shí)發(fā)生顯著彎曲，這導(dǎo)致彈簧高度的總體減小并且在經(jīng)受拉伸負(fù)載時(shí)相反地發(fā)生高度增加。另一方面，相對(duì)大的能量存儲(chǔ)容量使得對(duì)于減振能夠利用相同的原理。防振器和彈簧元件的剛度將由于材料的形狀、尺寸并且尤其是厚度的不同而不同，如圖3和圖4所示。兩個(gè)部件的性質(zhì)固有地為非線性的(例如參見圖2中的曲線圖)，尤其是當(dāng)出現(xiàn)大偏轉(zhuǎn)時(shí)。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于單個(gè)蝶形彈簧(諸如圖1a中的蝶形彈簧)，施加在圓錐形結(jié)構(gòu)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(guān)系是：在RED的情況下，有用地采用非線性，這是因?yàn)樗鼈兪沟迷诤懔ο履軌虺霈F(xiàn)大偏轉(zhuǎn)。然而，為了在RED模塊上更好地執(zhí)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(dāng)?shù)膭偠戎?。另外，它們?yīng)該能夠經(jīng)受得住在鉆孔操作的過(guò)程期間它們所經(jīng)受的循環(huán)(疲勞)負(fù)載。這些部件的設(shè)計(jì)因此對(duì)于最佳尺寸、材料選擇和制造是最優(yōu)的。能用于RED彈簧的設(shè)計(jì)的有限元分析的更多細(xì)節(jié)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征并且從而影響共振器的可能的強(qiáng)制頻率的范圍。對(duì)幾何形狀的主要操作約束是RED鉆孔模塊的外徑。因?yàn)槟K的所有部件都被封閉在防護(hù)性柱狀結(jié)構(gòu)中，因此這意味著內(nèi)部部件的直徑由外殼的內(nèi)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(gè)尺寸以獲得彈簧和防振器的期望的剛度特性。設(shè)計(jì)的優(yōu)化因此通常包括優(yōu)化這兩個(gè)參數(shù)。在本發(fā)明的典型的實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)鉆孔模塊包括：(i)用于測(cè)量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)軸向負(fù)載的上負(fù)載傳感器；(ii)振動(dòng)隔離單元；(iii)可選的振蕩器背襯質(zhì)量；(iv)振蕩器，該振蕩器包括動(dòng)態(tài)激振器以向旋轉(zhuǎn)鉆頭施加軸向振蕩負(fù)載；(v)振動(dòng)傳遞單元；(vi)用于測(cè)量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)軸向負(fù)載的下負(fù)載傳感器；(vii)鉆頭連接器；以及(viii)鉆頭，其中，上負(fù)載傳感器定位在振動(dòng)隔離單元的上方，并且下負(fù)載傳感器定位在振動(dòng)傳遞單元和鉆頭之間，并且其中上負(fù)載傳感器和下負(fù)載傳感器連接至控制器以便提供振蕩器的井下閉環(huán)實(shí)時(shí)控制。能想到，該鉆孔模塊將被用作鉆柱中的共振增強(qiáng)鉆孔模塊。該鉆柱構(gòu)造未被特別地限制，并且可以想到任何構(gòu)造，包括已知的構(gòu)造。如需要共振增強(qiáng)時(shí)并且當(dāng)需要共振增強(qiáng)時(shí)，該模塊可以接通或斷開。在該設(shè)備布置中，動(dòng)態(tài)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，并且具體地對(duì)于產(chǎn)生軸向激勵(lì)的變換器或方法沒有設(shè)計(jì)限制。優(yōu)選地激振器包括來(lái)自MagneticComponentsAB的PEX-30振蕩器。本布置中采用的動(dòng)態(tài)激振器是基于磁致伸縮材料在由外部磁場(chǎng)磁化時(shí)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(dòng)器。這導(dǎo)致相對(duì)大的應(yīng)變。因此，在磁致伸縮材料的振蕩運(yùn)動(dòng)中提供施加振蕩磁場(chǎng)。磁致伸縮材料可以被單軸地預(yù)加應(yīng)力以使得原子矩垂直于軸線被預(yù)對(duì)齊。隨后平行于軸線施加的強(qiáng)磁場(chǎng)平行于該磁場(chǎng)重新對(duì)齊所述原子矩，并且磁矩的該相干轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致材料平行于磁場(chǎng)應(yīng)變和伸長(zhǎng)。這樣的磁致伸縮致動(dòng)器可從MagComp和Magnetic ComponentsAB獲得。如上提及的，一種特別優(yōu)選的致動(dòng)器是由MagneticComponentsAB生產(chǎn)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?yàn)檫@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(yīng)變。磁性形狀記憶材料嚴(yán)格來(lái)說(shuō)不是磁致伸縮的。然而，因?yàn)樗鼈兪鞘芸刂频拇艌?chǎng)，因此為了本發(fā)明的目的它們將被認(rèn)為是磁致伸縮致動(dòng)器。在該布置中，上負(fù)載傳感器的定位典型地使得能測(cè)量來(lái)自鉆柱的靜態(tài)軸向負(fù)載。下負(fù)載傳感器的定位典型地使得能測(cè)量從振蕩器通過(guò)振動(dòng)傳遞單元傳遞到鉆頭的動(dòng)態(tài)負(fù)載。該實(shí)施方式的設(shè)備的部件的順序特別優(yōu)選地是從上到下地從(i)到(viii)。在本發(fā)明的其它實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)鉆孔模塊包括：(i)用于測(cè)量靜態(tài)負(fù)載的上負(fù)載傳感器；(ii)振動(dòng)隔離單元；(iii)振蕩器，該振蕩器用于向旋轉(zhuǎn)鉆頭施加軸向振蕩負(fù)載；(iv)用于測(cè)量動(dòng)態(tài)軸向負(fù)載的下負(fù)載傳感器；(v)鉆頭連接器；以及(vi)鉆頭，其中，上負(fù)載傳感器定位在振動(dòng)隔離單元的上方，并且下負(fù)載傳感器定位在振蕩器和鉆頭之間，其中上負(fù)載傳感器和下負(fù)載傳感器連接至控制器以便提供振蕩器的井下閉環(huán)實(shí)時(shí)控制?？上氲降氖牵撱@孔模塊將被用作鉆柱中的共振增強(qiáng)鉆孔模塊。該鉆柱構(gòu)造未被特別地限制，并且可以想到任何構(gòu)造，包括已知構(gòu)造。如需要共振增強(qiáng)時(shí)并且當(dāng)需要共振增強(qiáng)時(shí)，該模塊可以被接通或斷開。在該設(shè)備布置中，振蕩器通常包括電驅(qū)動(dòng)的機(jī)械致動(dòng)器。該機(jī)械致動(dòng)器未被特別地限制，并且優(yōu)選地包括來(lái)自Vibratechniques公司的VR2510致動(dòng)器。電驅(qū)動(dòng)的機(jī)械致動(dòng)器能利用兩個(gè)偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的理念以提供所需的軸向振動(dòng)。這樣的振動(dòng)器模塊包括作為高頻振動(dòng)源的兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)偏心質(zhì)量。由該布置提供的位移可以相當(dāng)大(大約2mm)。基于反向旋轉(zhuǎn)偏心質(zhì)量的原理的合適的機(jī)械致動(dòng)器可從Vibratechniques公司買到。用于本發(fā)明的某些實(shí)施方式的一個(gè)可行的振動(dòng)器是VR2510模型。該振動(dòng)器以對(duì)應(yīng)于100Hz的相等振動(dòng)頻率的6000rpm使偏心質(zhì)量旋轉(zhuǎn)。 該單元的總重量是41kg，并且該單元能夠輸送達(dá)至24.5kN的力。該單元的功率消耗是2.2kW。該鉆孔模塊布置與第一鉆孔模塊布置的不同之處在于，未必需要振動(dòng)傳遞單元來(lái)機(jī)械地放大振動(dòng)。這是因?yàn)闄C(jī)械致動(dòng)器本身提供足夠的振幅。此外，因?yàn)樵摷夹g(shù)依賴反向旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的作用，因此，不需要在磁致伸縮實(shí)施方式中使用的重的背襯質(zhì)量。在該布置中，上負(fù)載傳感器的定位是典型地使得可以測(cè)量來(lái)自鉆柱的靜態(tài)軸向負(fù)載。下負(fù)載傳感器的定位典型地使得可以監(jiān)控從振蕩器傳遞到鉆頭的動(dòng)態(tài)負(fù)載。該實(shí)施方式的設(shè)備的部件的順序特別優(yōu)選地是從上到下地從(i)到(vi)。本發(fā)明的所有布置的設(shè)備為鉆孔模塊帶來(lái)許多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括：增加的鉆孔速度；更好的鉆孔穩(wěn)定性和質(zhì)量；設(shè)備上的較小應(yīng)力，從而導(dǎo)致更長(zhǎng)的壽命；以及更大的效率，從而降低能源成本。鉆孔模塊的所有實(shí)施方式的優(yōu)選應(yīng)用是用于油氣工業(yè)的大規(guī)模鉆孔設(shè)備、控制設(shè)備以及鉆孔方法。然而，其它鉆孔應(yīng)用也可以是有益的，這些鉆孔應(yīng)用包括：用于道路承建者的表面鉆孔設(shè)備、控制設(shè)備和鉆孔方法；用于采礦業(yè)的鉆孔設(shè)備、控制設(shè)備和鉆孔方法；用于家用等的手持鉆孔設(shè)備；特殊鉆孔，例如牙醫(yī)鉆。在共振增強(qiáng)鉆孔模塊操作期間，旋轉(zhuǎn)鉆頭相對(duì)于樣品旋轉(zhuǎn)，并且軸向取向的動(dòng)態(tài)負(fù)載由振蕩器施加至鉆頭以產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展區(qū)從而幫助旋轉(zhuǎn)鉆頭切入材料。振蕩器和/或動(dòng)態(tài)激振器根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方法來(lái)控制。因此，本發(fā)明還提供一種用于包括如上所限定的設(shè)備的共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔的方法，所述方法包括：控制共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)中的振蕩器的頻率(f)，由此頻率(f)保持在以下范圍內(nèi)：(D2Us/(8000πAm))1/2≤f≤Sf(D2Us/((8000πAm))1/2其中，D是旋轉(zhuǎn)鉆頭的直徑，Us是被鉆孔的材料的抗壓強(qiáng)度，A是振幅，m是振動(dòng)質(zhì)量，并且Sf是大于1的比例因數(shù)；以及控制共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)中的振蕩器的動(dòng)態(tài)力(Fd)，由此動(dòng)態(tài)力(Fd)被保持在以下范圍內(nèi)：[(π/4)D2effUs]≤Fd≤SFd[(π/4)D2effUs]其中Deff是旋轉(zhuǎn)鉆頭的有效直徑，Us是被鉆孔的材料的抗壓強(qiáng)度，并且SFd是大于1的比例因數(shù)，其中，振蕩器的頻率(f)和動(dòng)態(tài)力(Fd)通過(guò)監(jiān)控表示被鉆孔的材料的抗壓強(qiáng)度(Us)的信號(hào)并且根據(jù)被鉆孔的材料的抗壓強(qiáng)度(Us)的變化利用閉環(huán)實(shí)時(shí)反饋機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)振蕩器的頻率(f)和動(dòng)態(tài)力(Fd)而被控制。頻率和動(dòng)態(tài)力的范圍基于下列分析。地層的抗壓強(qiáng)度給出了必要的沖擊力的下限。動(dòng)態(tài)力的所需的最小幅度計(jì)算如下：Deff是旋轉(zhuǎn)鉆頭的有效直徑，該有效直徑是根據(jù)鉆頭的接觸被鉆孔的材料的部分確定比例的鉆頭的直徑D。因此有效直徑Deff可以限定為：其中，Scontact是與鉆頭的接觸被鉆孔的材料的部分對(duì)應(yīng)的比例因數(shù)。例如，估計(jì)僅鉆頭表面的5％與被鉆孔的材料接觸，有效直徑Deff可以限定為：上述計(jì)算提供了振蕩器的動(dòng)態(tài)力的下限。在操作期間利用大于該下限的動(dòng)態(tài)力在鉆頭前方產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展區(qū)。然而，如果動(dòng)態(tài)力太大，則裂紋擴(kuò)展區(qū)將遠(yuǎn)離鉆頭延伸，從而有損鉆孔穩(wěn)定性并且降低鉆孔質(zhì)量。另外，如果由振蕩器施加在旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)上的動(dòng)態(tài)力太大，則可能導(dǎo)致加速且毀滅性的工具磨損和/或故障。因此，動(dòng)態(tài)力的上限可以限定為：SFd[(π/4)D2effUs]其中SFd是大于1的比例因數(shù)。在實(shí)踐中，SFd根據(jù)被鉆孔的材料來(lái)選擇從而確保裂紋擴(kuò)展區(qū)不會(huì)太遠(yuǎn)離鉆頭延伸而有損鉆孔穩(wěn)定性并且降低鉆孔質(zhì)量。此外，SFd根據(jù)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)的部件的堅(jiān)固性來(lái)選擇以經(jīng)受住振蕩器的沖擊力。對(duì)于某些應(yīng)用SFd將被選擇成小于5，優(yōu)選地小于2，更優(yōu)選地小于1.5，并且最優(yōu)選地小于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(kuò)展區(qū)并且在損害擴(kuò)展率的情況下還增長(zhǎng)了鉆孔部件的壽命。因而，在需要非常穩(wěn)定、高質(zhì)量鉆孔時(shí)希望SFd的值較低。另一方面，如果擴(kuò)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(shí)段τ的沖擊期間，質(zhì)量為m的鉆頭的速度改變了量Δν，這是由于 接觸力F＝F(t)：其中，接觸力F(t)假定為諧函數(shù)。力F(t)的幅度有利地高于破裂被鉆孔的材料所需的力Fd。因此脈沖變化的下限可以如下建立：假定鉆頭在執(zhí)行沖擊之間進(jìn)行諧運(yùn)動(dòng)，則鉆頭的最大速度是νm＝Aω，其中A是振幅，并且ω＝2πf是其角頻率。假定當(dāng)鉆頭具有最大速度νm時(shí)發(fā)生沖擊，并且鉆頭在沖擊期間停止，則Δν＝νm＝2Aπf。因此，振動(dòng)質(zhì)量表示為該表達(dá)式包含沖擊時(shí)段τ。沖擊的持續(xù)時(shí)間由許多因素確定，這些因素包括地層和工具的材料特性、沖擊的頻率以及其它參數(shù)。為簡(jiǎn)單起見，τ被估計(jì)為振動(dòng)的時(shí)段的1％，也就是說(shuō)，τ＝0.01/f。這導(dǎo)致可以為沖擊提供足夠脈沖的頻率的較低估值：必要的最小頻率與鉆頭的振幅和質(zhì)量的逆平方根(inversesquareroot)成比例。上述計(jì)算提供了振蕩器的頻率的下限。如同動(dòng)態(tài)力參數(shù)一樣，在操作期間利用大于該下限的頻率在鉆頭前方產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展區(qū)。然而，如果頻率太大，則裂紋擴(kuò)展區(qū)將遠(yuǎn)離鉆頭延伸，從而有損鉆孔穩(wěn)定性并且降低鉆孔質(zhì)量。另外，如果頻率太大，則可能導(dǎo)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是大于1的比例因數(shù)。與關(guān)于SFd在上面討論的那些考慮類似的考慮適用于Sf的選擇。因此，對(duì)于某些應(yīng)用，Sf將被選擇為小于5，優(yōu)選地小于2，更優(yōu)選地小于1.5，并且最優(yōu)選地小于1.2。除了對(duì)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(guò)被鉆孔的材料的峰值共振條件的范圍內(nèi)。也就是說(shuō)，頻率有利地高至足以接近與被鉆孔的材料接觸的鉆頭的峰值共振，同時(shí)低至足以確保該頻率不會(huì)超過(guò)將導(dǎo)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(duì)應(yīng)于被鉆孔的材料的峰值共振條件的頻率，并且Sr是大于1的比例因數(shù)。與關(guān)于SFd和Sf在上面討論的那些考慮類似的考慮適用于Sr的選擇。對(duì)于某些應(yīng)用Sr將被選擇為小于2，優(yōu)選地小于1.5，更優(yōu)選地小于1.2。高的Sr值允許利用較低頻率，這能導(dǎo)致較小的裂紋擴(kuò)展區(qū)并且較低的擴(kuò)展率。低的Sr值(即，接近于1)將頻率約束于接近峰值共振條件的范圍，這能導(dǎo)致較大的裂紋擴(kuò)展區(qū)和較高的擴(kuò)展率。然而，如果裂紋擴(kuò)展區(qū)變得太大，則這可能有損鉆孔穩(wěn)定性并且降低鉆孔質(zhì)量。與鉆通具有變化的共振特性的材料相關(guān)的一個(gè)問(wèn)題在于共振特性的變化可能導(dǎo)致操作頻率突然超過(guò)峰值共振條件，這將導(dǎo)致振幅的驚人減弱。為了解決該問(wèn)題，可以適當(dāng)?shù)剡x擇Sf，由此：f≤(fr-X)其中，X是安全系數(shù)，以確保頻率(f)在被鉆孔的兩種不同的材料之間的過(guò)渡區(qū)處不會(huì)超過(guò)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范圍內(nèi)：fr/Sr≤f≤(fr-X)其中，安全系數(shù)X確保頻率足夠遠(yuǎn)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(guò)渡區(qū)上突然超過(guò)峰值共振條件的頻率，這將導(dǎo)致振幅的驚人的減弱。類似地，可以引入用于動(dòng)態(tài)力的安全系數(shù)。例如，如果將大的動(dòng)態(tài)力應(yīng)用于具有大的抗壓強(qiáng)度的材料并且然后出現(xiàn)至具有低得多的抗壓強(qiáng)度的材料的過(guò)渡區(qū)，則這可以導(dǎo)致動(dòng)態(tài)力突然大很多，從而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展區(qū)遠(yuǎn)離鉆頭延伸，從而在材料過(guò)渡區(qū)有損鉆孔穩(wěn)定性并且降低鉆孔質(zhì)量。為了解決該問(wèn)題，合適的是在下列動(dòng)態(tài)力范圍內(nèi)操作：Fd≤SFd[(π/4)D2effUs-Y]其中Y是安全系數(shù)，以確保動(dòng)態(tài)力(Fd)不會(huì)超過(guò)導(dǎo)致在被鉆孔的兩種不同材料之間的過(guò)渡區(qū)處裂紋的災(zāi)難性延伸的限值。安全系數(shù)Y確保動(dòng)態(tài)力不會(huì)太高，使得如果出現(xiàn)至具有低抗壓強(qiáng)度的材料的突然過(guò)渡區(qū)，則這也將不會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展區(qū)的災(zāi)難性的延伸而有損鉆孔穩(wěn)定性。安全系數(shù)X和/或Y可以根據(jù)材料類型和速度的預(yù)知變化而設(shè)定，當(dāng)材料類型變化被檢測(cè)到時(shí)，頻率和動(dòng)態(tài)力可以隨速度而變化。也就是說(shuō)，X和Y中的一者或兩者優(yōu)選地能根據(jù)被鉆孔的材料的抗壓強(qiáng)度(Us)和速度的預(yù)知變化來(lái)調(diào)節(jié)，當(dāng)被鉆孔的材料的抗壓強(qiáng)度(Us)的變化被檢測(cè)到時(shí)，頻率(f)和動(dòng)態(tài)力(Fd)可以隨速度而變化。X的典型范圍包括：X>fr/100；X>fr/50；或者X>fr/10。Y的典型范圍包括：Y>SFd[(π/4)D2effUs]/100；Y>SFd[(π/4)D2effUs]/50；或者Y>SFd[(π/4)D2effUs]/10。利用這些安全系數(shù)的實(shí)施方式可以看作是對(duì)于復(fù)合地層結(jié)構(gòu)的每種材料以最優(yōu)操作條件工作并且在每層材料之間的界面處提供平穩(wěn)過(guò)渡區(qū)以保持界面處的鉆孔穩(wěn)定性之間的折衷。本發(fā)明的在前所述的實(shí)施方式適用于任何尺寸的鉆機(jī)或待被鉆孔的材料。某些更具體的實(shí)施方式涉及用于鉆通巖層的鉆孔模塊，尤其是變化組分的那些巖層，這些巖層在油、氣和采礦工業(yè)的深孔鉆探應(yīng)用中可能遭遇到。問(wèn)題仍在于什么樣的數(shù)值適于鉆通這樣的巖層。巖層的抗壓強(qiáng)度具有從大約對(duì)于砂巖的Us＝70MPa直到對(duì)于花崗巖的Us＝230MPa的大的變化。在大規(guī)模鉆孔應(yīng)用，諸如油工業(yè)中，鉆頭直徑的范圍從90mm至800mm(31/2英寸到32英寸)。如果鉆頭表面的僅大約5％與巖層接觸，則所需的動(dòng)態(tài)力的最低值被計(jì)算為接近20kN(利用穿過(guò)砂巖的90mm鉆頭)。類似地，所需的動(dòng)態(tài)力的最大值計(jì)算為接近6000kN(利用穿過(guò)花崗巖的800mm鉆頭)。因而，為了鉆通巖層，動(dòng)態(tài)力優(yōu)選地被控制成保持在20kN至6000kN的范圍內(nèi)，這取決于鉆頭的直徑。當(dāng)消耗大量功率將以便以6000kN的動(dòng)態(tài)力驅(qū)動(dòng)振蕩器時(shí)，可以有利地將具有中到小直徑鉆頭的本發(fā)明用于許多應(yīng)用。例如，90mm至400mm的鉆頭直徑導(dǎo)致20kN至1500kN的操作范圍。進(jìn)一步縮小鉆頭直徑范圍給予了20kN至1000kN的范圍、更優(yōu)選地20kN至500kN的范圍、再更優(yōu)選地20kN至300kN的動(dòng)態(tài)力的優(yōu)選范圍。對(duì)于必要的位移振幅的較低估值是為了具有比由于巖層中的不均勻性而引起的隨意的小規(guī)模末端彈跳的位移顯著更大的振動(dòng)。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的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地在1mm至5mm的范圍內(nèi)。對(duì)于大規(guī)模的鉆孔設(shè)備，振動(dòng)質(zhì)量可以是10kg至1000kg的量級(jí)。對(duì)于這樣的大 規(guī)模的鉆孔設(shè)備的可行頻率范圍不會(huì)擴(kuò)展至高于幾百赫茲。因而，通過(guò)選擇合適值的鉆頭直徑、在前述限值內(nèi)的振動(dòng)質(zhì)量和振幅，振蕩器的頻率(f)可以被控制成保持在100Hz至500Hz的范圍內(nèi)，同時(shí)提供足夠的動(dòng)態(tài)力以針對(duì)一定范圍的不同巖石類型形成裂紋擴(kuò)展區(qū)并且為足夠高的頻率以實(shí)現(xiàn)共振效應(yīng)。控制器可以構(gòu)造成執(zhí)行前述方法并且結(jié)合到共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔模塊中，諸如上述本發(fā)明的各種實(shí)施方式中描述的那些模塊。共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔模塊可以設(shè)置有傳感器(負(fù)載傳感器)，該傳感器直接或間接地監(jiān)控被鉆孔的材料的抗壓強(qiáng)度，并且向控制器提供信號(hào)，該信號(hào)表示被鉆孔的材料的抗壓強(qiáng)度?？刂破鳂?gòu)造成接收來(lái)自傳感器的信號(hào)并且根據(jù)被鉆孔的材料的抗壓強(qiáng)度(Us)的變化利用閉環(huán)實(shí)時(shí)反饋機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)振蕩器的頻率(f)和動(dòng)態(tài)力(Fd)。發(fā)明人已確定了，用于提供反饋控制的最佳布置是為了將反饋機(jī)構(gòu)的感測(cè)元件、處理元件和控制元件都定位在井下組件內(nèi)。該布置是最緊湊的，對(duì)共振條件的變化提供較快的反饋和較迅速的響應(yīng)，并且還允許鉆頭被制造為在其中一體形成有必要的反饋控制，使得鉆頭可以被改裝到現(xiàn)有的鉆柱，而不需要更換整個(gè)鉆孔系統(tǒng)。除了本發(fā)明的共振增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)鉆孔應(yīng)用，彈簧系統(tǒng)可以有利地被用于其它系統(tǒng)，這些其它系統(tǒng)包括對(duì)阻尼和/或隔離振動(dòng)的需要和/或?qū)υ鰪?qiáng)、促進(jìn)和/或傳遞振動(dòng)的需要。用于本發(fā)明中的彈簧系統(tǒng)在高扭矩環(huán)境下尤其有用，其中傳統(tǒng)彈簧(諸如卷簧)較差地執(zhí)行。卷簧例如可以在扭矩負(fù)載下容易地變形并且損失所需的彈簧特性。因此，本發(fā)明還提供一種振動(dòng)阻尼和/或隔離單元，該單元包括彈簧系統(tǒng)，該彈簧系統(tǒng)包括串聯(lián)布置的兩個(gè)或更多個(gè)截頭圓錐形彈簧。本發(fā)明類似地提供振動(dòng)增強(qiáng)和/或傳遞單元，該單元包括彈簧系統(tǒng)，該彈簧系統(tǒng)包括串聯(lián)布置的兩個(gè)或更多個(gè)截頭圓錐形彈簧。在這樣的單元中，典型的是，彈簧系統(tǒng)是這樣的系統(tǒng)，其使得根據(jù)下列方程式可以確定施加至彈簧系統(tǒng)的力P：其中，t是截頭圓錐形彈簧的厚度，h是彈簧系統(tǒng)的高度，R是彈簧系統(tǒng)的半徑，δ是由力P引起的彈簧系統(tǒng)的位移，E是彈簧系統(tǒng)的楊氏模量(Youngmodulus)，并且C是彈簧系統(tǒng)的常數(shù)。在上述單元中的一些實(shí)施方式中，彈簧系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)蝶形彈簧。典型地，當(dāng)彈簧系統(tǒng)用于阻尼和/或隔離振動(dòng)時(shí)，它滿足下列方程式：ω/ωn≥2.3其中，ω表示軸向振動(dòng)的操作頻率，并且ωn表示該單元的彈簧系統(tǒng)的固有頻率。另選地，當(dāng)彈簧系統(tǒng)用于增強(qiáng)和/或傳遞振動(dòng)時(shí)，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(dòng)的操作頻率，并且ωn表示該單元的彈簧系統(tǒng)的固有頻率。本發(fā)明還提供彈簧系統(tǒng)在高扭矩環(huán)境中的用途，該彈簧系統(tǒng)包括串聯(lián)布置的兩個(gè)或更多個(gè)截頭圓錐形彈簧。該用途可以包括阻尼和/或隔離振動(dòng)，或者可以用于增強(qiáng)和/或傳遞振動(dòng)。彈簧特性以及用于該用途的其它優(yōu)選實(shí)施方式如已在上略述的?，F(xiàn)在將參照下列具體實(shí)施方式、模型和試驗(yàn)僅通過(guò)示例來(lái)進(jìn)一步描述本發(fā)明。示例根據(jù)本發(fā)明，振動(dòng)隔離單元(防振器)和振動(dòng)傳遞單元(彈簧)由BS970-080M50中碳鋼(也稱為AISI-1050)制成。該鋼的機(jī)械特性在表1中給出。表1AISI-1050鋼的機(jī)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(qiáng)度455MPa抗張強(qiáng)度790MPa疲勞強(qiáng)度@107(應(yīng)力比＝0)199MPa值得注意的是，該材料與通常用于制造蝶形彈簧的那些材料不同。然而，因?yàn)樵囼?yàn)設(shè)備中施加的負(fù)載由于鉆頭的尺寸小而相對(duì)低，因此考慮到的是，該材料足夠強(qiáng)以經(jīng)受住來(lái)自試驗(yàn)設(shè)備的施加負(fù)載。防振器可以被模擬為典型的振動(dòng)隔離問(wèn)題。另一方面，彈簧可以由基礎(chǔ)激勵(lì)動(dòng)態(tài)問(wèn)題表示。如果假設(shè)彈簧具有線性響應(yīng)，則已確立的是，放大系數(shù)，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)與靜態(tài)響應(yīng)的比和振蕩的頻率與系統(tǒng)的固有頻率的比之間的關(guān)系對(duì)于兩種問(wèn)題是相同的。圖5示出了針對(duì)不同阻尼系數(shù)的典型的放大曲線圖。從圖5可理解的是，對(duì)于結(jié)構(gòu)彈簧，假定彈簧線性響應(yīng)，則當(dāng)包括位于彈簧下方 的質(zhì)量和彈簧本身的系統(tǒng)的固有頻率的值接近于共振器的強(qiáng)制頻率的值時(shí)，共振器的運(yùn)動(dòng)被放大。通過(guò)考慮非線性效應(yīng)、阻尼和其它因素，可以從放大曲線圖預(yù)知彈簧的可接受的頻率比范圍可以表示為：0.6≤ω/ωn≤1.2在防振器的情況下，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)由彈簧以及位于該彈簧下方的所有質(zhì)量，即，PEX、背襯質(zhì)量、扭矩框架、結(jié)構(gòu)彈簧、負(fù)載傳感器殼體、鉆頭適配器和鉆頭代表。如果對(duì)于防振器彈簧進(jìn)行類似的假定，則可以將剛度設(shè)計(jì)的條件采用為：ω/ωn≥2.3該標(biāo)準(zhǔn)確保了強(qiáng)制的振幅的小于25％被傳遞到框架，這是因?yàn)殇撏ǔ３尸F(xiàn)非常低的機(jī)械損失系數(shù)(阻尼或滯后的函數(shù))。因此防振器的剛度通常小于結(jié)構(gòu)彈簧的剛度。這些假設(shè)可以在彈簧剛度的計(jì)算中采用并且上述方程式中的條件通常可以形成用于選擇彈簧的最佳厚度的基礎(chǔ)的一部分。為了精確地?cái)?shù)字模擬彈簧的動(dòng)作，重要的是考慮所涉及的負(fù)載和約束的類型以及它們?cè)趶椈缮系南鄳?yīng)位置。較早已經(jīng)提及的是，包括結(jié)構(gòu)彈簧和下方的質(zhì)量的系統(tǒng)可以模擬為基礎(chǔ)激勵(lì)問(wèn)題，而包括防振器和下方的質(zhì)量的系統(tǒng)表示振動(dòng)隔離問(wèn)題。這建議兩個(gè)彈簧可以被認(rèn)為是在一端固定并且在另一端自由，如圖6和圖7所示。這里，箭頭表示能夠自由移動(dòng)的頂面上的力以及表示底面上的約束并且建議該底面固定。為了便于計(jì)算彈簧上的應(yīng)力，重要的是，識(shí)別作用在彈簧上的所有力。第一，應(yīng)該考慮的是，當(dāng)鉆頭未與巖石接觸時(shí)，彈簧受其下方質(zhì)量的重量的影響。第二，當(dāng)在沒有共振器作用的情況下進(jìn)行鉆孔時(shí)，彈簧現(xiàn)在具有從巖石的反作用力施加到其的附加負(fù)載。當(dāng)共振器開始操作時(shí)，由于振蕩而存在額外的負(fù)載。彈簧上的凈負(fù)載是所識(shí)別的三種負(fù)載之和。從較早實(shí)驗(yàn)觀察到的是，當(dāng)使用RED模塊時(shí)產(chǎn)生的最佳性能的鉆頭上的平均重量大約是1500N并且在共振器操作期間變化的負(fù)載的近似振幅是1000N。因此可以估計(jì)在RED鉆孔實(shí)驗(yàn)期間彈簧上的最大負(fù)載。值得注意的是，雖然由彈簧下方的質(zhì)量所施加的負(fù)載是抗拉性的，但是鉆頭上的重量是壓縮性的并且由共振器提供的負(fù)載關(guān)于零平均值交替。因此如表2所示能估計(jì)出每個(gè)彈簧上的最大負(fù)載。表2負(fù)載的估計(jì)圖8a和圖8b示出了在250Hz頻率下對(duì)于兩種彈簧在RED鉆孔過(guò)程期間的負(fù)載條件的圖解近似。因?yàn)閼?yīng)力與力成比例，因此被定義為最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的比的應(yīng)力比R于是與最小力(Fmin)和最大力(Fmax)的比成比例。因此對(duì)于防振器該應(yīng)力比如下給出：在傳遞單元(結(jié)構(gòu)彈簧)的情況下，申請(qǐng)人具有：兩個(gè)部件的固有頻率利用從施加的最大負(fù)載和沿軸向的最大位移估計(jì)的剛度來(lái)預(yù)測(cè)。然后通過(guò)用彈簧的固有頻率除以強(qiáng)制頻率(為設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的根據(jù)觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果采取為250Hz)來(lái)建立頻率比。為了分析還預(yù)測(cè)了最小安全系數(shù)和累積損壞。表3和表4給出了分別針對(duì)防振器和結(jié)構(gòu)彈簧所獲得的結(jié)果的總匯。表3防振器的結(jié)果的總匯表4彈簧的結(jié)果的總匯