用于检测物质流中的水的装置、钻机及其方法与流程

1.本发明涉及例如岩石破碎或岩石钻探的采矿业领域。特别地，本发明涉及在钻探时检测物质流中的水。


背景技术：

2.岩石钻探或岩石破碎现今广泛用于例如石油、天然气、钻井、采矿、基础设施建设和土木工程等许多工业。使用了例如旋转冲击钻探和旋转钻探等许多不同的钻探技术。钻探技术的选择取决于具体应用，其中重要的是岩层的类型、钻孔的深度和直径。
3.在例如岩石中进行钻探期间，产生物质流。物质流可能包括切割的石头颗粒，但也可以包括灰尘和/或沙子。可以使用过滤器以将切割的石头颗粒、灰尘和/或沙子与空气分离开。在物质流中存在水的情况下，这些颗粒和水可能在过滤器上形成固化层，这需要频繁更换过滤器。因此，在钻探期间检测物质流中的水是有用的。在远程指挥钻探单元的目标下，需要进行自动水检测。
4.us 8076950 b2公开了一种用于确定管道中的水和至少一种附加液体或气体的多组分混合物的水分传导度和水体积分数的方法。该方法基于多组分混合物的复介电常数的测量，该复介电常数通过测量在管道的内壁附近传播的平面电磁波的波相位常数来确定。波相位常数的测量基于位于距第三发送天线不同距离处的管道内的两个接收天线之间的相位差的测量。以在10mhz与10ghz之间的范围内的至少两个频率执行相位测量。该方法呈现高至中等的水含量，其中物质流中的水混染太低，以至于不能以可检测的方式影响介质中的相位速度。更糟糕的是，结合至固体颗粒的水将不会表现出通过约60至80的相对介电函数值来描述的通常的介电行为。结合的水不会表现出大于2至5的相对介电函数。对体介电行为的相位测量不是非常敏感。
5.us 7679375 b2公开了一种用于检测产品中的异物的方法。该方法响应于物质流的介电组成的快速变化。在传输中进行测量，并且测量结果不用于计算物质的介电函数，而是以庞加莱(poincar
é
)曲线来描绘。该曲线将包括小对象的散射信号。该方法的目的是检测小于所使用的雷达信号的波长的对象，并且检测具有比周围环境的介电函数低的介电函数的对象。
6.wo 2006052202 a1涉及一种通过确定对象的介电函数来确定对象内部的物理参数(例如，温度或密度)的方法。对于该方法，超声和微波信号的相干和同时应用需要微波信号的交替应用，具有非线性物质性质开始可见的效果。因此，需要对物质中的密度变化进行超声诱导。这样的超声诱导的密度变化需要非弹性介质。因此，该方法不适用于包含空气的系统。
7.wo 0218920 a1公开了一种用于测量物质中所选性质的分布的方法和设备，并且特别地通过检测电磁辐射来非接触和非破坏性地测量物质性质(例如，物质的密度、水含量和温度)的空间分布的设备。
8.以上方法都没有提出防止过滤器堵塞所需的测量足够低的水含量的可行解决方
案。所处理的水含量如此低以至于对任何性质变化的体积测量是不可行的。另外，物质流的体积性质的自然变化(例如，石头特征或密度的变化)将比水的存在明显得多。因此，在该技术领域中需要进行改进。


技术实现要素：

9.本文中的实施方式的目的是增强在钻探期间物质流中的水检测性能，或者至少实现技术领域内的已知解决方案的替选方案。
10.根据一个方面，该目的通过提供一种适于在钻探期间检测物质流中的水的装置来实现。该装置包括控制单元、数据获取单元和传感器。传感器包括至少两个探头。至少两个探头将被布置成与物质流接触，并且连接至可编程电压源和可编程电压接收器。该装置被配置成：针对一组预定频率，测量接收电压与施加电压之间的比率。该装置还被配置成：基于所测量的比率，针对该组预定频率中的每一个，确定至少两个探头之间的一组复阻抗。该装置还被配置成：使用时间窗来确定针对预定频率中的每一个所确定的复阻抗的一组时间平均值。该装置还被配置成：基于所确定的时间平均值来确定一组标准偏差。该装置还被配置成：当所述标准偏差中的至少一个超过阈值条件时，指示检测到水。
11.根据另一方面，上述目的还通过提供一种用于在钻探期间检测物质流中的水的方法来实现。该方法包括：针对一组预定频率，测量接收电压波形与施加电压波形之间的比率。该方法还包括：基于所测量的比率，针对该组预定频率中的每一个，确定至少两个探头之间的一组复阻抗。该方法还包括：使用时间窗来确定所确定的复阻抗的一组时间平均值。该方法还包括：基于所确定的时间平均值来确定一组标准偏差。该方法还包括：当所述标准偏差中的至少一个超过阈值条件时，指示检测到水。
12.在本文中还提供了一种钻机，该钻机包括用于检测物质流中的水的装置。
13.通过将至少两个探头布置成在钻探期间与物质流接触，并且测量接收电压与施加电压之间的比率，可以基于所测量的比率针对预定频率中的每一个来确定探头之间的复阻抗。并且通过确定所确定的复阻抗的一组时间平均值并且基于所确定的时间平均值来确定一组标准偏差，当所述标准偏差中的至少一个超过阈值条件时，可以指示检测到水。因此，在钻探期间物质流中的水检测性能得到增强且更优化。更优化和增强的水检测性能将导致过滤器的磨损减少，并且将不需要频繁地更换过滤器。
14.因此，实现了用于在钻探期间检测物质流中的水的方法和装置。
附图说明
15.通过参照附图给出的一个或若干实施方式的以下描述，本发明的其他目的和优点以及技术特征将变得明显，在附图中：
16.图1是布置在钻机上的、用于在钻探期间检测物质流中的水的例示装置的示意性概况；
17.图2是用于在钻探期间检测物质流中的水的例示装置的示意图；以及
18.图3是示出用于在钻探期间检测物质流中的水的方法的流程图。
19.应当注意，附图不一定按比例绘制，并且为了清楚起见，某些元件的尺寸可能被放大。
具体实施方式
20.下面参照附图更详细地描述本发明，在附图中示出了实施方式的示例。本发明不限于所描述的实施方式的示例；而是，本发明由所附的专利权利要求来限定。遍及全文，附图中相似的附图标记指代相似的元件。
21.图1示出了本文中的实施方式的示意性概况，其包括适于在例如岩石钻探的钻探期间检测物质流中的水的装置1。装置1放置在钻机10上、在物质流20中、在过滤器30(例如，用于将切割的石头颗粒、灰尘和/或沙子与空气分离开的物质过滤器)前方。
22.在图2中示出了用于在钻探期间检测物质流20中的水的装置1。装置1包括控制单元2、数据获取单元3和传感器4。装置1还可以包括远程单元6，以向钻机操作者重复检测到水的指示。
23.物质流20(其也可以称为钻探切割流、钻探流或物质回流)是返回的钻探流，并且可以例如包括主要由空气组成的气体组分、包括沙子、灰尘和石头颗粒的一组固体组分、存在水的一组液体组分和/或所述液体中的一组溶解组分。
24.控制单元2例如可以是诸如微控制器、微处理器、数据记录器单元或其他数字硬件的控制器，其被配置成执行本文中的方法。控制单元2包括指示系统状态的显示器和用于重启或手动进行水存在检测的连接按钮。数据获取单元3例如可以是紧凑型信号生成器。
25.数据获取单元3与探头5完全电流分离。这是避免在物质流20将对传感器头进行静态充电的干燥环境中对电子器件的损坏和破坏的要求。因此，装置1也适用于易于产生充电效应和易于产生摩擦电效应的介电或压电岩石类型。
26.另外，所使用的电压电平可以是5v的量级，其远低于火花或放电的生成。因此，装置1还适合于在具有爆炸危险的环境中使用，例如在天然气源或煤矿中使用。
27.传感器4(例如，探头保持器)包括可以成对布置的多个探头5。探头5被布置成与物质流20接触，并且连接至可编程电压源和可编程电压接收器。
28.探头5(例如，成对的探头5)可以被设计成在成对的探头5之间和在物质流20内提供尽可能小的电容间隙和尽可能长的电阻测量线。根据一些实施方式，探头5可以由金属制成。所有实施方式的共同点在于，探头5可以是至少部分导电的。可以选择金属以实现探头5在物质流20中的长寿命。
29.大的电阻敏感线在复阻抗的虚部中产生大的电导率绝对变化。沿着长线的小电容间隙产生大的可测量电容。因此，电容的绝对变化也很大。该性质通过诸如曲折结构、谢尔宾斯基(sierpinski)曲线或佩亚诺(peano)曲线的曲线形式特别好地实现。
30.装置1被配置成：针对一组预定频率，测量接收电压波形与施加电压波形之间的比率，并且基于所测量的比率，针对预定频率中的每一个，确定至少两个探头5之间的一组复阻抗。该组复阻抗值被认为是较高维欧几里德矢量空间中的坐标。例如n个预定频率引起由2n个坐标值组成的n个复坐标。因此，通过2n维矢量空间中的点来描述测量。由于该空间被视为欧几里得空间(作为距离的概念)，因此平均值保持有效。装置1还被配置成：使用时间窗来确定针对预定频率中的每一个所确定的复阻抗的一组时间平均值，并且基于所确定的时间平均值来确定一组标准偏差。装置1还被配置成当所述标准偏差中的至少一个超过阈值条件时，指示检测到水。即，装置1被配置成包括指示标准，如果局部测量点到平均值的距离超过预定几何形式，则该指示标准将用作阈值条件。
31.根据一些实施方式，至少两个探头5中的每一个可以包括一个或更多个加热器。每对探头5可以有一个加热器。加热器可以适于例如以开-关方式从外部控制，以将温度稳定至预定值。加热器可以是电阻性的。通常的电阻性加热器可以是用于24v烙铁的市售加热器元件。200w至500w的加热功率通常可能是足够的。加热器用于两个不同的目的：
32.·
一旦传感器4检测到水，就可以接通加热器。一旦通过在所测量的一组阻抗中发现的性质的显著变化检测到水，这种变化就持续，直到水变干或通过流20以其他方式被移除。在该时间期间，不能进行有用的测量。该时间被称为盲时间。该时间通常在基本上不干扰钻探操作的秒范围内。然而，可能希望减少盲时间或者在干燥条件下强制重启。这通过激活加热器直到探头变干来完成。
33.·
也可以定期接通加热器，以通过使用间接热容测量来检测传导物质流20中的水的存在。在存在水的情况下，所测量的一组阻抗将与加热器活动相关。如果不存在水，则在该组阻抗与加热器状态之间未发现相关性。因此，该方法关于所钻探的石头的性质的变化是自校准的。
34.根据一些实施方式，至少两个探头5中的一个探头可以包括一个或更多个加热器，其中，加热器可以适于从外部控制，以将温度稳定至一组预定值。至少两个探头5中的一个探头(其可以被称为环境探头)被置于环境温度(其可以被假设为小于100c)下，并且至少两个探头5中的一个探头(其可以被称为被加热探头)被加热到略大于100c的温度。由于对流冷却，被加热探头的温度因物质流20降低，并且可能需要不断地被稳定。可以在两个探头5中测量复阻抗。环境探头可以产生潜在的受水混染的特征(signature)。处于大于100c的温度下的探头将在所有情况下产生干燥的特征。环境探头将产生最终被水混染的特征。只要物质流20不包含任何水，则在测量结果的再现性内，两个响应是等同的。一旦物质流20将包含水，则将存在差值。记录一组复阻抗的该差值以第一方式检测水的存在。在第一方式中可以直接表示，而不需要时间积分或平均值。
35.然而，在特别大量的水的影响下，成组复阻抗的实部可能在被加热探头和环境探头两者上都显著下降。因此，两个探头将表现出盲时间。然而，与环境探头上的盲时间相比，被加热探头上的盲时间将显著地较小。该返回斜率的差值可以用作以第二方式检测水的存在的方式。
36.使用该第二方式，也可以将加热器应用于环境探头，以减少传感器的盲时间。在这种情况下应当特别注意，因为该附加加热器可能产生其中两个探头5都是热的并且水将保持未被检测到的情况。由于应当避免α误差(即，当存在水时未检测到水)，因此已经证明反而接受较高的β误差(即，当不存在水时检测到水)更有效。这些间接热容测量使得能够在短时间延迟上进行自校准。另一优点是被加热探头的温度可以例如被设置成125c而不是开-关情况下的360c。
37.根据一些实施方式，至少两个探头5中的每一个可以包括一个或更多个加热器，其中加热器适于从外部控制，以监测加热电流和/或温度。即，已经添加监测通过加热器的电流和/或加热器的温度的能力。水的存在可以通过被加热的电极与未加热的电极对(例如，成对的探头5)之间的成组差值的实部的下降来指示。同时，在突然出现水时，可能存在加热器电流的显著增加。物质流20中的水可以蒸发，这使得更高效地冷却被加热探头。在环境探头对中不存在这样的效果。在几乎所有情况下，加热电流的峰值以及差分阻抗的下降都是
对水的清楚指示。这些间接热容测量能够实现低的β误差和对短时间延迟的自校准。另一优点是被加热探头的温度可以例如被设置成125c而不是开-关情况下的360c。
38.根据一些实施方式，传感器4包括至少三个探头5，其中，三个探头5中的每一个包括一个或更多个加热器。加热器适于从外部控制，以监测加热器电流并且测量温度。探头5可以被加热至给定的温度和不同的温度。使用这些实施方式，可以将温度限制在100c以下。然后，测量可以不再基于所需的蒸发能量，而是简单地基于冷却效应：使物质流20基本上并且平均比探头5上累积的物质更干燥，探头5上累积的材料与流20处于蒸发平衡。因此，对探头进行干燥将使探头冷却，并且通过直接测量探头的温度或者通过间接测量将温度保持在预定水平所需的所需加热器能量来测量对探头的冷却。由于所需加热器之间的关系是温度的函数，因此三个温度点足以建立蒸发平衡的存在。
39.根据一些实施方式，加热器可以是电阻性的。如上所述，可以监测通过电阻性加热器的电流和/或温度。现在，水的存在由被加热与未加热的探头5的对中的任何探头对之间的差值的实部中的一组下降来指示。同时，可能出现被加热探头中的加热器电流的显著增加。由于被加热探头被设置成不同的温度，例如40c、60c、80c，因此加热电流的所需增加可以和物质流20的温度与设定温度的差成比例。具有三个探头5，可以计算所需的电阻性加热器电流之间的线性关系。在电阻下降时间期间，所测量的数据中存在允许几乎完美的水检测的若干特征，例如：
[0040]-所测量的下降具有不同的长度，因为用于干燥的时间取决于设定温度。
[0041]-最低的被加热探头将表现出最长的下降，而最热的探头将表现出最短的下降。例如由物质流20的不均匀性引起的任何其他下降将不具有这种统计联系，并且因此可以被排除。
[0042]
在存在电阻下降的情况下，所有三个加热器的加热器电流可能上升并且基本上偏离先前的线性关系。这些间接热容测量或多或少地能够实现无β误差和对短时间延迟的自校准。其他优点是被加热探头的温度可以例如被设置成低于100c的值，而不需要蒸发并且冷却效果是足够的。
[0043]
根据一些实施方式，当检测到水时可以激活警报。然后可以自动或由操作者手动地停止钻探。
[0044]
根据一些可选实施方式，由于糊状物(例如，水污染的灰尘)可能累积在传感器4上，因此功率电阻器(例如，电阻性加热器)可以被布置成与探头5热接触，从而允许将探头5加热到例如100c以上。加热可以蒸发水痕迹并且加速探头5返回到操作状态。
[0045]
根据一些可选实施方式，由于糊状物、水污染的灰尘可能累积在传感器4上，因此超声振荡器可以被布置成与探头5机械接触，从而允许更高效的灰尘去除。当在本文中使用时，超声振荡器旨在防止物质的累积和物质的固化，从而防止探头5被物质流20遮蔽。
[0046]
在实施方式中，装置1包括可编程电压波形源和可编程电压波形接收器，例如可控ac电压源放大器，并且控制单元2包括模数转换器以及允许在参考阻抗与测量阻抗之间进行比较的模拟开关。这些被配置成提供关于成对探头5之间的复阻抗的数据。在给定时间处，恰好一对探头5是激活的。由控制单元2读取复阻抗数据以计算必要的平均值和标准偏差。控制单元2被配置成保存用于记录和改进目的的数据。控制单元2提供通信信道，在通信信道上可以将系统的状态传送至远程单元6。远程单元6具有用于所述通信的接收器，并且
提供指示设置的状态的装置。可以以任何已知的方式例如通过有线或无线方式发送数据。
[0047]
本文中的实施方式提供了检测物质流20中的水的快速反应。反应可以是毫秒量级的。本文中的实施方式的另一优点是可以对系统性能进行编程。本文中的实施方式的其他优点在于，所使用的电子设备是简单的，并且由普通的市售多源部件构成。
[0048]
图3中的流程图示出了在动作方面可以如何采用本文中的实施方式的示例方法。因此，图3示出了用于在钻探期间检测物质流20中的水的示例方法。还将描述可以在该过程中使用的一些可选示例实施方式。装置1包括控制单元2、数据获取单元3、传感器4和钻机10。传感器4包括至少两个探头5，其中，至少两个探头5被布置成与物质流20接触，并且连接至能够测量探头5之间的复电阻的可编程(例如可调谐)电压源和相干可编程(例如可调谐)电压接收器。
[0049]
动作301包括：针对一组预定频率，测量接收电压与施加电压之间的比率。该比率将用于计算复阻抗。所述预定频率可以与远大于探头5之间的距离的波长相关联。这是有利的，因为完全避免了辐射效应、干扰。根据一些实施方式，预定频率可以在0.1khz至30khz的间隔内。选择该间隔是由于法律方面的原因。在这些情况下，检测系统不被认为是电磁辐射的发生器。另外，存在用于在所述频率区域中进行阻抗测量的市售芯片组。
[0050]
动作302：因此使用可编程正弦电压源和相干检测(例如，使用施加电压和接收电压)来测量阻抗。使用相干检测，可以计算包括探头5的传感器4的复阻抗的实部和复阻抗的虚部。复阻抗的实部是电导率，并且复阻抗的虚部是电感和电容。通过在预定间隔内调谐测量频率，可以在频率上生成复阻抗的频谱。所述频谱用于检测水痕迹的存在。因此，基于所测量的接收电压与施加电压之间的比率，针对预定频率中的每一个，确定至少两个探头5之间的复阻抗。
[0051]
动作303包括使用时间窗来确定所确定的复阻抗的一组时间平均值。因此，在不计算诸如介电函数等任何其他物质参数的情况下，使用时间窗来确定(例如计算)所确定的复阻抗的合适时间平均值。合适时间平均值，意味着在物质流20可以被假设为恒定的数秒的尺度上建立平均值。例如，在约20khz至30khz进行测量，可以实现每秒10000个测量点。使用例如16个频率步长，可以获得每秒约1000个测量的阻抗集。通常，对500至1000个测量集积分以产生稳定的平均值。水的存在会突然出现，并且最后的干燥状态与湿润状态之间的转变在几毫秒内发生，生成10至15个样本上的偏差。因此，跨越在多于10至15个样本上的积分的任何平均值都是可接受的。太长时间内的积分可能使系统对物质流20中的物质变化敏感。这发生在第二层级。转换至样本，在多于10000个样本上进行积分通常是不明智的。一直计算和更新该平均值。
[0052]
测量参数是最后几个所测量的阻抗集的平均值与通过先前测量的阻抗集的较长跨度上的平均值而获得的时间平均值的瞬时偏差。考虑平均值的计算作为具有预定积分时间的低通滤波处理，两个低通滤波器之间的差值可以用作测量参数。所述滤波器具有不同的积分时间。较短、较快的滤波器的积分时间通过测量系统的噪声来确定，通常在2至5个样本上积分。较长、较慢的滤波器的积分时间通过以下两个要求来确定：该积分时间应当比报告由水引起的通常阻抗变化的时间(通常在10至15个样本)长，并且该积分时间应当比通常的物质流参数改变的时间(通常在1000至10000个样本)短。
[0053]
动作304包括基于所确定的时间平均值和相同的时间窗来确定一组标准偏差。一
直确定和更新标准偏差。偏差信息用于调整阈值条件，在该阈值条件下来自先前动作303的平均值被认为是显著的。在通常的设置中，超过1.5至3个标准偏差的任何瞬时变化被认为对于水检测是显著的。
[0054]
动作305包括当所述标准偏差中的至少一个超过阈值条件时指示检测到水。朝向阻抗的较小绝对值的强偏差指示存在水痕迹。该效应由物质流20中的水的电导率引起。通常，在这些条件下满足的所有水都混染有盐。存在预定因子(通常为1.5至3.0)，其被用于确定与以上获得的标准偏差相关的测量参数的阈值条件。一旦测量参数朝向较小的阻抗超过该阈值以上，则指示检测到水。当检测到水时可以激活动警报，并且然后可以自动地或者由操作者手动地停止钻探。
[0055]
通过遵循上述方法，以增强和更高效的方式指示钻探期间的水检测。为了清楚起见，应当理解，这些步骤可以重复许多次。由于该方法是在钻探期间连续执行的，因此通常是这种情况。
[0056]
根据一些实施方式，至少两个探头5中的每一个可以包括一个或更多个加热器。加热器可以是电阻性的，并且每对探头5可以存在一个加热器。加热器可以适于例如以开-关方式从外部控制，以将温度稳定至预定值。
[0057]
根据一些实施方式，至少两个探头5中的一个探头可以包括一个或更多个加热器，其中，加热器可以适于从外部控制，以将温度稳定至一组预定值。
[0058]
根据一些实施方式，至少两个探头5中的每一个可以包括一个或更多个加热器，其中，加热器适于从外部控制，以监测加热电流和/或温度。即，已添加了监测通过加热器的电流和/或加热器的温度的能力。
[0059]
根据一些实施方式，传感器4包括至少三个探头5，其中，三个探头5中的每一个包括一个或更多个加热器。加热器适于从外部控制，以监测加热器电流并且测量温度。
[0060]
上述加热器可以是电阻性的，并且每对探头5可以存在一个加热器。
[0061]
应当理解，前述描述和附图表示本文中教示的方法和装置的非限制性示例。因此，本文中教示的装置和技术不受前述描述和附图限制。而是，本文中的实施方式仅由所附权利要求及其合法等同内容来限制。