具有改进的用于限制扭矩的系统的水平定向钻机系统的制作方法

背景技术：

1、本发明涉及一种水平定向钻孔(hdd)机器，该hdd机器包括旋转驱动单元，该旋转驱动单元具有被配置成联接至钻柱以使钻柱旋转的驱动主轴。旋转驱动单元安装在托架上，该托架可以沿着钻柱的纵向轴线被推进以(1)在向前方向上移动钻柱，从而推动钻柱，用于在远离hdd机器的方向上延伸钻孔，或(2)在向后方向上移动钻柱，从而拉动钻柱，用于在朝向hdd机器的方向上延伸钻孔。通常通过在旋转钻柱的同时在向前或向后方向上推进钻柱来执行钻孔过程。

2、hdd机器被配置成与一系列直径变化很大的钻孔工具一起使用。在初始钻孔过程中，使用相对较小的钻孔工具(通常称为钻头)来形成先导孔。这些钻头具有主要的不对称特征，附接到钻柱的前部，并且通过以下方式间歇性地控制钻孔的路径：

3、1)在旋转钻柱和钻头的同时向前推动钻头，这使得钻孔路径沿着钻柱的轴线延伸，以及

4、2)在不旋转钻柱和钻头的情况下向前推动钻头，这使得钻孔路径偏离钻柱的轴线。

5、钻孔路径通常被控制为退出到沟道中，或者在期望的退出点处退出到地表处，在该退出点处移除钻头。

6、然后，将较大的钻孔工具(通常称为后扩孔器)连接到钻柱的端部，用于扩大钻孔的随后的钻孔过程包括：将钻柱和后扩孔器朝向hdd机器拉回。后扩孔器的尺寸和配置存在显著差异。每个后扩孔器都可以具有独特的操作特性。钻孔过程的功效将受到钻柱和后扩孔器旋转的方式的影响。hdd机器被配置成控制所施加的速度和最大扭矩。

7、由于钻孔工具的这种变化，hdd机器能够允许操作员控制钻柱的旋转速度，并且在创建钻孔的过程中控制施加到钻柱和钻孔工具的最大扭矩。hdd机器的旋转驱动系统被配置成提供这种能力，通常包括控制器，该控制器向液压泵提供控制信号，该液压泵向液压马达提供液压流体，该液压马达为钻柱的旋转运动提供动力。在常见的实施例中，控制器向泵提供电流，该泵被配置成产生与控制电流成比例的液压流体流。

8、除了在钻孔过程中控制钻柱的旋转之外，旋转驱动系统还用于在上紧过程中将单独的钻杆添加到钻柱，以及在卸开过程中从钻柱移除单独的钻杆。在上紧过程中，旋转驱动系统用于施加特定的上紧扭矩，以确保添加到钻柱的钻杆被正确地连接。在卸开过程中，旋转驱动单元用于施加沿相反方向的卸开扭矩，以将钻杆与钻柱分离。在卸开过程中，旋转驱动系统可能需要能够施加最大扭矩以确保钻杆能够与钻柱分离。

9、许多hdd机器采用用于旋转驱动的静液压传动装置，该静液压传动装置具有向液压马达系统提供液压油流的可变排量液压泵或多个泵。已知静液压传动装置能够通过结合压力限制器来控制由液压马达产生的扭矩。压力限制器对由泵产生的压力作出反应，以使(多个)泵的冲程减少，从而当压力达到预定压力限制时减少(多个)泵的排量。在静液压传动装置中，液压泵的压力限制器将控制由液压马达所产生的扭矩，从而允许控制扭矩。在先前的场景中描述的用于钻孔过程以及用于上紧过程和卸开过程的扭矩控制在本公开中将被标记或称为扭矩的主动性控制(proactive control)。在一些情况下，主动性控制由用于具有旋转驱动系统的hdd机器的扭矩限制器系统提供，该旋转驱动系统具有静液压系统，该静液压系统具有用于液压泵的压力限制器。

10、替代地，主动性控制可以包括具有压力传感器的系统，该压力传感器被配置成检测液压马达处的压力以向控制到泵的电流的闭环控制算法提供反馈数据。控制算法可以参考所定义的最大压力，该最大压力与期望的最大扭矩成比例，并且如果所测量的压力超过该定义的最大压力，则控制器可以减少提供给泵的电流，从而有效地使泵的冲程减少，以控制该最大压力。这是提供扭矩的主动性控制的替代性系统。

11、旋转驱动系统还需要提供扭矩的反应性控制(reactive control)。需要反应性控制来为旋转驱动单元的扭矩控制系统提供足够的动态响应能力。主动性控制允许系统在正常操作期间的情况下控制最大扭矩，在此期间扭矩不会突然变化。在存在扭矩突然变化的情况下需要反应性控制。例如，在钻孔过程中，当钻孔工具遇到地面条件的突然变化时，就会发生这种情况。例如，钻孔工具可能会卡在岩石上，导致它突然停止。在这种情况下，扭矩将迅速上升，并且用于通过使泵的冲程减少来提供主动性扭矩控制的系统没有足够快地响应以提供适当的反应性控制。

12、已知静液压系统包括用于控制由马达产生的扭矩的不同类型的控制系统。已知具有一种能够使泵的冲程减少以控制由泵产生的压力的控制器，以提供主动性控制，同时在同一系统中提供分立的控制器以提供反应性控制。例如，已知跨端口泄压阀来提供这种反应性控制。

13、已知hdd机器具有：压力限制器或控制用于主动性控制的(多个)静液压泵的基于压力的控制算法；以及跨端口泄压装置，其限制跨用于反应性控制的旋转驱动单元的静液压驱动器的(多个)液压马达施加的压差。已知的系统包括具有可调节的最大压力的跨端口泄压装置，其中，该最大压力被设定为独立于压力限制器或基于压力的控制算法的特定最大压力。

14、已知hdd机器提供旋转驱动单元的不同操作模式，以根据各种操作模式和各种类型的钻孔工具的需要提供足够范围的操作特性。例如，已知hdd机器提供高速模式、中速模式和低速模式，其中，旋转驱动单元的最大旋转速度变化。一些hdd机器提供五种不同的速度模式。

15、对于hdd机器上的这些已知的系统，已经观察到操作员在需要相对高的系统压力的旋转驱动单元模式下操作，其中，用于实现期望的扭矩的主动性控制的压力设定相对高。操作员做出该决定，而不是在系统压力可以较低的模式下操作，以便避免由于操作条件变化而引起操作压力显著增加，此时液压系统中的压力将达到由反应性控制元件(例如跨端口泄压装置)设定的限制，而不会显著增加预期系统压力。在现有技术的图4和图5中示出了这种情况。图4示出了当旋转驱动单元在扭矩限制器设定可以相对低的模式下操作时的预期系统性能。当高扭矩事件发生时，系统压力增加到跨端口泄压阀设定(反应性控制)，该压力显著高于由扭矩限制(主动性控制)设定的压力，持续一段时间直到扭矩限制系统可以做出反应为止。图5示出了当旋转驱动单元在扭矩限制器设定将较高、相对更接近跨端口泄压设定的模式下操作时的预期系统性能。当发生高扭矩事件时，系统压力增加到跨端口泄压阀设定，在这种情况下，相对于由扭矩限制设定的压力增加得较小。扭矩的意外增加较少。已经观察到操作员以图5所呈现的模式而不是图4所呈现的模式操作，以便减少意外的扭矩上升。

16、期望的用于系统的最大扭矩在hdd机器的各个操作阶段期间频繁变化，使得现有技术的系统不可能/不切实际地在每次扭矩限制(压力限制)变化时调节跨端口泄压阀。此外，在hdd机器的配置中，用于将扭矩限制设定为主动性控制参数的泵的压力限制系统位于泵处，通常位于发动机壳体内，而跨端口泄压阀位于定位在托架上的旋转驱动单元的液压马达附近，与发动机壳体间隔开。这种物理分离增加了对跨端口泄压阀进行调节的复杂性。

17、已知在较高的系统压力下操作静液压系统的影响会导致系统效率降低和系统寿命缩短。因此，需要一种用于协调为主动性控制和反应性控制提供的扭矩控制的改进的系统和方法。

技术实现思路

1、在一方面中，本公开提供了一种控制水平定向钻机的方法，所述水平定向钻机具有用于向钻柱施加扭矩的旋转驱动系统。所述旋转驱动系统包括：可变排量泵，所述泵向产生所述扭矩的马达提供加压流体；排量控制器，所述排量控制器调节马达排量以限制流量从而维持受控压力；扭矩限制器阀，当系统压力等于将产生期望的最大扭矩的压力时，所述扭矩限制器阀在扭矩限制器压力下开启以向所述排量控制器提供加压流体，从而允许所述系统限制扭矩；以及跨端口泄压阀，所述跨端口泄压阀在跨端口泄压压力下开启以限制跨马达入口和马达出口施加的压力。所述方法包括：基于所述水平定向钻机的操作参数，调节所述扭矩限制器压力以设定被施加到所述钻柱的最大扭矩；以及每次调节所述扭矩限制器压力时，将所述跨端口泄压压力调节至高于所述扭矩限制器压力。

2、在另一方面中，本公开提供了一种钻孔机器，所述钻孔机器具有用于向钻柱施加扭矩的旋转驱动器和用于控制所述扭矩的系统。所述系统包括：具有操作员输入的控制器，所述操作员输入允许操作员指定操作扭矩限制；可变排量液压泵，所述泵以可变流量向马达提供液压流体；以及扭矩限制器阀，当被提供给所述马达的液压流体的压力等于第一预定设定点时，所述扭矩限制器阀提供液压流体以使所述泵减少冲程。所述第一预定设定点是可调节的。所述系统还包括跨端口泄压装置，当被提供给所述马达的液压流体的压力等于第二预定设定点时，所述跨端口泄压装置允许液压流体绕过所述马达。所述控制器将所述第一预定设定点自动地调节成用于上紧扭矩的设定，其中，扭矩限制在钻柱上紧过程期间被设定成用于正确上紧的水平，或者在钻孔过程期间被设定为用于所述操作扭矩限制的设定。另外，所述控制器将所述第二预定设定点自动地调节至比所述第一预定设定点高的预定量。

3、在又一方面中，本公开提供了一种钻孔机器，所述钻孔机器具有用于向钻柱施加扭矩的旋转驱动器和用于控制所述扭矩的系统。所述系统包括可变排量液压泵，所述液压泵以可变流量向马达提供液压流体。所述系统还包括控制器，所述控制器具有由压力传感器提供的输入，所述压力传感器被配置成读取被提供给所述马达的流体的液压压力。所述控制器被配置成当提供给所述马达的液压流体的压力等于第一预定设定点时向所述液压泵提供电流信号以使所述液压泵的冲程减少。所述第一预定设定点是可调节的。所述系统还包括跨端口泄压装置，当被提供给所述马达的液压流体的压力等于第二预定设定点时，所述跨端口泄压装置允许液压流体绕过所述马达。所述控制器将所述第一预定设定点自动地调节至用于上紧扭矩的设定，其中，扭矩限制在钻柱上紧过程期间被设定成用于正确上紧的水平，或者在钻孔过程期间被设定为用于操作扭矩限制的设定。所述控制器将所述第二预定设定点自动地调节至比所述第一预定设定点高的预定量。

4、通过考虑详细描述和附图，本发明的其他方面将变得显而易见。