用于钻孔到相对于地质边界的位置的方法和系统

摘要

一种用于钻孔到相对于在地质构造中的地质边界的位置的系统(30)，包括传感器包(26)，其用于感测与在地质构造中由钻机(10)进行的钻孔作业相关联的参数。数据存储模块(34)，其存储地质构造的地质模型和关于感测的参数的数据，地质模型包括与地质边界相关的数据。处理器模块(32)被配置为使用与所感测的参数相关的数据来监视钻孔作业，且在地质构造中定位钻机(10)的钻头的位置和在地质模型中其对应的位置。处理器模块(32)还被配置为产生在相对于地质边界的限定的位置处的终点。钻机控制器(24)，其与处理器模块(32)通信，钻机控制器(24)被配置为控制所述钻机(10)的作业，且当已经到达终点时使钻机(10)停止钻孔。

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求在2012年7月6日提交的澳大利亚临时专利申请号为 2012902919的优先权益，该申请的内容通过引用整体并入本说明书。

技术领域

本公开一般涉及到钻孔技术，且更具体地说，涉及到用于钻孔到相对 于地质边界的位置的方法和系统。

背景

目前，当开采出现在地层带的金属或矿物质时，诸如，例如，煤、钻 石或铜，使用操作员控制的钻机，井眼被钻孔到进入地层限定的深度，使 将能够执行废物爆破以移除覆盖层。如果，例如，在一个露天矿中，需要 对将覆盖层从待开采的物质的接合层分离的地层边界钻孔时，操作者通常 钻孔一定数量的、进入接合层的井眼，且通过在钻孔作业期间围绕井眼的 入口产生的在套环处沉积的物质的颜色来检测接合层的穿透。

标准程序是每第五个井眼钻孔进入接合层，且使用收集到的有关接合 层的深度的信息来抑制对其余井眼的穿透进入接合层，从而当后续爆破发 生时最小化与覆盖层一起被移除的接合层的物质的量。然而，在实践中常 见的是所有井眼都被钻孔进入接合层。这就导致了，当后续爆破发生且被 穿透的接合层物质与覆盖层一起被移除时，大量宝贵的接合层物质被损 失。

概述

在第一方面，提供了一种钻孔到相对于地质构造中的地质边界的位置 的方法，该方法包括

当在地质构造中钻孔井眼时，感测钻孔参数；

馈送所感测的参数到控制器，所述控制器控制钻机钻孔井眼的作业；

使用所感测的参数来定位在地质构造中的钻机的钻头的位置和其在 被钻孔的地质构造的地质模型内的相应位置；

使用所感测的参数以及地质模型定位相对于地质边界的钻机的钻头 的位置；和

在相对于边界的限定的位置选择终点且使用控制器以钻孔到终点。

该方法可包括通过以下操作来选择终点：

检测被排列在地质边界上方的地层带；和

选择相对于地层带的位置作为终点。

该方法可包括使用钻孔期间所感测的参数更新地质模型。在实施方案 中，该方法可包括在对当前井眼到相对于地质边界的终点的钻孔过程中， 更新地质模型，以用于将被钻孔的后续的井眼。

该方法可包括使用随钻测量(MWD)数据感测井眼参数。该方法可 包括从包含以下参数的组中选择的参数：钻头重量、穿透速率、旋转速率、 钻头扭矩、温度、深度、XYZ转换、气体压力、频谱扫描数据，以及上述 的组合。此外，该方法可包括在使用MWD数据进行钻孔作业期间实时更 新地质模型。

在一个实施方案中，控制器可以是自主控制器，且该方法可包括将终 点选择为地质边界。在另一个实施方案中，控制器可由操作者来控制，且 该方法可包括当到达终点时提醒操作者，使得操作者可控制钻机以避免或 最小化对地质边界的穿透。

在第二方面，提供了一种钻孔到相对于地质构造中的地质边界的位置 的方法，该方法包括

当在地质构造中钻孔井眼时，感测井眼参数；

使用包括地质边界的地质构造的地质模型以在相对于边界的限定的 位置处确定终点，

馈送所感测的参数和终点到控制器，该控制器控制钻机钻孔井眼的作 业；

使用控制器以钻孔到终点；和

使用感测的参数更新地质模型，且更新后续将被钻孔的孔洞的终点。

在第三方面，提供了一种用于钻孔到相对于地质构造中的地质边界的 位置的系统，该系统包括

传感器包，其用于感测与钻机在地质构造中进行的钻孔作业相关联的 参数；

数据存储模块，其用于存储地质构造的地质模型和关于感测参数的数 据，地质模型包括与地质边界相关的数据；

处理器模块，其被配置为使用与感测的参数相关的数据来监视钻孔作 业，且在地质构造中定位钻机的钻头的位置和其在地质模型中对应的位 置，该处理器模块还被配置为产生被排列在相对于地质边界的被限定位置 的终点；和

钻机控制器，其与处理器模块通信，钻机控制器被配置为控制钻机的 作业，且当已经到达终点时使钻机停止钻孔。

该系统处理器模块可被配置为通过以下操作来选择终点：

检测被排列在地质边界上方的地层带；和

选择相对于地层带的位置作为终点。

该处理器模块可操作以使用在钻孔期间所感测的参数来更新地质模 型。在一个实施方案中，处理器模块可在钻孔当前井眼期间更新地质模型， 以估计相对于地质边界的终点，以用于将被钻机钻孔的后续井眼。

该传感器包可使用随钻测量(MWD)传感器。该传感器包可包括若 干传感器，所述若干传感器从包含以下项的组中选择：钻头重量、穿透速 率、旋转速率、钻头扭矩、温度、深度、XYZ变换、气体压力、频谱扫描 数据，以及上述的组合。

处理器模块可配置为在从传感器包接收到数据时实时更新地质模型。

在一个实施方案中，钻机可以是自主的钻机，且钻机控制器可在处理 器模块的作用下运行，以当已经到达终点时停止钻孔。在另一个实施方案 中，钻机可以是操作者可控的钻机，且控制器可响应来自操作者的命令， 以当已经到达终点时停止钻孔。

在第四方面，提供了一种用于钻孔到相对于地质构造中的地质边界的 位置的系统，该系统包括

传感器包，其用于感测与钻机在地质构造中进行的钻孔作业相关联的 参数；

数据存储模块，其用于存储包括地质边界的地质构造的地质模型，该 数据存储模块还存储被排列在相对于地质边界所限定的位置处的终点；

处理器模块，其被配置为监视钻孔作业；

钻机控制器，其与处理器模块通信，钻机控制器被配置为控制钻机的 作业，且当已经到达终点时使钻机停止钻孔；和

所述处理器模块还被配置为使用所感测的参数来更新用于将被钻机 钻孔的后续的孔洞的终点。

处理器模块可被配置为产生终点，其然后被存储在数据模块中。

本公开还延伸到当其被安装在计算机上时使计算机执行上述任何方 法的软件。

在第五方面，提供了一种钻机，其包括：

钻孔平台；

支撑结构，其安装在平台上；

钻孔机构，其由支撑结构可移置地支撑，钻孔机构终止于用于钻孔井 眼的钻头；和

钻机控制器，其承载在钻孔平台上，钻机控制器可操作以控制钻孔机 构的作业，且钻机控制器还响应命令以当钻头到达被排列在相对于地质边 界被限定的位置处的终点时停止钻孔。

钻机可包括传感器包，用于感测关于钻孔作业的参数。

附图简述

现在，通过仅示例性参考附图的方式描述本公开的实施方案，其中：

图1示出了被控制的钻机的示意性透视图；

图2示出了用于钻孔到相对于地质构造中的地质边界的位置的系统的 实施方案的框图；

图3示出了图3的处理器模块的作业的框图；

图4示出钻孔到相对于地质构造中的地质边界的位置的方法的实施方 案的流程图；

图5示出系统的图形显示的示例；

图6示出探测孔洞的曲线图，其指示了在被钻孔的地质构造中的不同 的地层带；

图7示出被钻孔的地质构造的地质学的示意表示，其指示了地质构造 的地层带的不同性质；和

图8示出爆破孔洞正被钻孔到终点的示意图。

示例性实施方案的详细描述

在露天采矿中，覆盖层需要被移除以接近将被开采的金属或矿物质 (“感兴趣的物质”)。特别是在感兴趣的物质以接合层的形式出现的情况 下，当井眼被钻孔通过覆盖层(其中钻孔穿透接合层)时，问题就出现了。 当钻孔随后被炸药填充且炸药被引爆时，已经被穿透的接合层的那部分随 着覆盖层一起被移除。

应当理解的是，由于感兴趣物质的日益增长的经济价值，例如煤，即 使在移除覆盖层的废物爆破期间从接合层移除少量的物质也能够导致大 大减少关于采矿所产生的收益。

虽然本公开有益于许多应用，为便于解释，本公开内容将参考其在露 天煤矿开采中的应用来进行描述。然而，本领域的普通技术人员应当理解 的是，本公开可被容易地应用于其它采矿应用和，特别是，在感兴趣的物 质出现在接合层中时。因此，例如，本公开内容也可容易地应用到钻石开 采、铜开采等。还将理解的是，本公开可应用在地下采矿应用，以及当有 必要或期望对感兴趣的物质的接合层进行钻孔时。

为了有助于对本公开的系统和方法的描述，起初参考附图的图1，其 中参考数字10通常表示自行式钻机或钻机10。钻机10包括通常以轨行组 件或轨道14、16的形式被支撑在转移元件上的平台12。机舱18被布置在 平台12上，且根据钻机10的作业模式，可由操作者进驻或不可由操作者 进驻。在最近的案例中，在完全自主的钻机10中，机舱18被省略。

支撑结构，以钻机架20的形式，从平台12向上伸出。钻机柱(未示 出)由钻机架20支撑，钻机柱在其操作的下端终止于钻头22。

钻机10包括钻机控制器24，其用于驱动轨道14、16以在将在其中钻 孔井眼的地面上推进钻机10，诸如露天工作台。钻机控制器24还控制由 钻机架20支撑的钻机柱的作业，且包括用于旋转驱动钻机柱的驱动机构 和用于以锤打或冲击模式操作钻机柱的冲击构件。

钻机10包括传感器包26。如将在以下更详细所述，传感器包26包括 不同的传感器。特别地，传感器包26的传感器是随钻测量(MWD)传感 器。传感器包26还包括位置确定传感器，诸如，例如，GPS传感器28， 其用于确定钻机10和由钻机10钻孔的井眼的位置。

现在参照附图的图2，说明了用于钻孔到相对于地质构造中的地质边 界的位置的系统的实施方案，且该系统通常由参考数字30表示。系统30 包括以上参考的钻机控制器24和传感器包26。传感器包26与钻机10的 组件和，特别地，与钻机柱和钻头22通信，以用于监视在钻机控制器24 的控制下由钻机10执行的钻孔作业。

处理器模块32从传感器包26接收数据，且使用传感器数据来更新所 钻孔的区域的地质模型46(图3)和/或来产生地质模型46，如将在下面 更详细地描述的。系统10包括数据存储模块或数据库34，其中存储了关 于由传感器包26所感测的参数的数据，且其可由处理器模块32进行访问。 数据被处理器模块32使用，以实现产生或更新地质模型46。先前已经产 生的地质模型46被存储在数据库34中。

处理器模块32包括处理器36、相关联的存储器38和经由总线42彼 此间通信和与数据库34通信的输入/输出设备40。根据钻机10的作业模 式，处理器模块32可布置在钻机10上或远离钻机10。在后一种情况下， 处理器模块32可被配置以远程控制的方式操作钻机10，或使钻机10自主 运行。

存储器38存储用于由处理器36执行的代码，以实现本公开的方法。 输入/输出设备40包括显示设备42，诸如显示屏幕，用于显示诸如在附图 的图5中所示的显示内容50。

传感器包26包括多个独立的传感器26.1-26.n，且还包括位置确定传 感器28。传感器26.1-26.n包括关于钻头重量的传感器、穿透速率传感器 (其可测量钻机柱下拉速率)、旋转速度传感器、钻头扭矩传感器、温度 传感器、深度传感器、XYZ变换传感器、一个或多个气体压力传感器和一 个或多个地球物理传感器，以用于对从钻机原位移除岩芯样本进行频谱分 析。出于这个目的，传感器包26包括安装在钻井平台12上的频谱扫描传 感器44(图1)，以实现对从待执行的钻机移除的钻屑形式的钻孔样品的 实时频谱分析。频谱分析可包括对钻屑或在靠近钻头28的钻机柱上的孔 下进行的伽玛射线检测、中子检测等等。地球物理传感器还可检测地表中 参数，诸如在由钻机10钻孔的井眼中发生的伽马辐射。

如在附图的图3中所示，处理器模块32的处理器36被配置为从传感 器包26的多个传感器26.1-26.n接收数据，以对由钻机10的钻头22钻孔 的地层进行实时分析。在一个实施方案中，处理器36实时更新先前提供 的地质模型46。在另一个实施方案中，处理器36使用来自传感器包26的 传感器数据，以随着钻孔作业的进行，实时产生地质构造的模型。

以悉尼大学的名义、日期为2011年2月4日且题为“Rock property  measurements while drilling”的申请号为PCT/AU2011/000116的国际专利 申请，，公开了用于表征来自在采矿环境中随钻测量数据的地面岩石类型 的方法和系统。该国际专利申请的公开提供了用于对正被钻孔的感兴趣的 区域产生地质模型的有用基础，且申请的内容通过引用整体地并入本文。

另一个用于获得关于正被钻孔的感兴趣的区域的地质模型的有用公 开是以悉尼大学名义、日期为2010年5月12日且题为“Amethod and system  for data analysis and synthesis”的申请号为PCT/AU2010/000522的国际专 利申请，其内容通过引用整体地并入本文。

另一个用于获得关于正被钻孔的感兴趣的区域的地质模型的有用公 开是以悉尼大学名义、日期为2011年10月21日且题为“Method for large  scale,non-reverting and distributed spatial estimation”的申请号为PCT/ AU2011/001342国际专利申请，其内容通过引用整体地并入本文。

还有另一个用于获得关于正被钻孔的感兴趣的区域的地质模型的有 用公开是以悉尼大学名义、日期为2009年12月21日且题为“Amethod and  system of data modelling”的申请号为PCT/AU2009/001668的国际专利申 请，其内容通过引用整体地并入本文。

任何上述的国际专利申请的地质模型，如果有必要，适当修改，从而 可用作本公开的初始地质模型。然而，要理解的是，任何其它合适的地质 模型，如果可用，也可被采用作为正被钻孔或将被钻孔的地质构造的初始 地质模型。

虽然上述的国际申请提供了用于实现确定或推断地层之间的边界的 模型的合理的基础，但是这些国际申请没有或不可提供足够精确的边界数 据以最小化对感兴趣的物质的接合层的穿透。

例如，如图7中所示，地质构造49的地层47可显著波动，或可能存 在交叉层47的断层(未示出)，引起层47在断层的相对侧的位移。因此， 先前生成的或推断的地质模型46可能并不足以精确表示地质构造49。通 过使用由传感器包26产生的数据更新模型46，模型46可在钻孔作业期间 被更新，以改善该模型46的精度。

本公开的特别的好处是，系统30提供的好处是更新用于随后将产生 的井眼(未示出)的模型46。因此，当接收到来自当前正被钻孔的井眼 51的数据时，处理器模块32被配置以分析来自该井眼51(和以前的钻孔， 如果必要)的传感器数据以将该数据与存储的关于地质模型的数据进行比 较，且更新用于随后将产生的井眼的地质模型46。以这种方式，提高了随 后将被钻孔的井眼的精度，且具有更低的穿透含有感兴趣的物质的接合层 的可能性。

因此，系统30的处理器模块32的处理器36从传感器包26的传感器 26.1-26.n接收相关数据，如果必要，该数据包括来自位置确定传感器28 的数据。处理器36访问在数据库32中的地质模型46，且使用从传感器包 26获得的实时数据更新包含在地质模型46中的数据。由此，提供了更新 的地质模型46(图3)，且产生含有钻孔井眼所期望的终点的地质模型图 48。地质模型图48由处理器模块32提供到钻机控制器24，以控制钻机 10的作业。

地质模型图48显示为在显示屏幕42上的显示50，且在自主钻机10 的情况下，无论是位于远离钻机10或在钻机10上，或个人监视作业，对 于操作者是可见的。显示50包括由钻机10正在钻孔的工作台54的三维 视图52，以及剖面显示56。图48的剖面显示56示出了覆盖层58，诸如， 例如，页岩与将被开采的煤的接合层60由边界62分离，边界62是感兴 趣的煤接合层60的顶部。显示50还示出了多个被钻孔的井眼64或将被 钻孔到终点的井眼64，在该实施方案中该终点在边界62。除了终点在边 界上之外，终点还可在边界62以上预定的间隔距离“d”(图8)处，这也 将在下面更详细地描述。

虽然终点已经被描述为在地质模型图48中的物理位置，但是将要理 解的是，终点可用其它方式来限定。例如，终点可通处理器模块32来建 立，确定由传感器包26的相关传感器感测的多个参数中的每个都到达的 预定值，这些参数的值一起限定终点。

将要理解的是，除了使用由上述参考的国际专利申请所提供的地质模 型，涉及工作台54的数据可来源于其它方式，例如，在工作台54中通过 预钻孔多个孔洞以推断工作台54的地层分布。

在自主钻机10的情况下，钻机控制器24从地质模型46的处理器模 块32和图48上的终点实时地接收更新的信息。被钻孔的特定井眼64的 终点的位置被限定为边界62，其在覆盖层58和煤接合层60之间，或可替 代的，在距离边界62预定的间隔距离“d”处。

在远程控制的钻机10的情况下，显示屏幕42由操作者监视。处理器 模块32发送指令到钻机控制器24以在终点终止钻孔。在这种情况下，终 点被设置为在边界62上方，例如，当接合层60上方的地层被穿透使得操 作者能够控制钻机10以确保钻头22不穿透煤接合层60或只最小程度的 穿透煤接合层60时。

钻机10还可被位于钻机10的驾驶室18中的操作者操作。在这种情 况下，当钻头22到达终点时，操作员，要么通过监视安装在驾驶室18中 的显示屏幕42上的显示50，要么在从远程站点接收指令之后，操作钻机 控制器24以使钻机控制器24停止钻孔。再次，在这种情况下，该终点可 以是边界62的上游，以使操作者能够控制钻机10从而确保钻头22根本 不会穿透煤接合层60或仅最小程度地穿透煤接合层60。

在后两种情况下，即远程控制的钻机10或操作者控制的钻机10，系 统30可操作以选择感兴趣的物质的亚经济的接合层作为标记带，限定每 个将被钻孔的孔洞的终点。附图的图6示出了之前钻孔的探测孔洞的曲线 图，根据其推断出地质构造的地质情况，且根据其产生地质模型46。图8 示出了正被钻孔到被设置为在距离接合层60的边界62以上间隔距离“d” 处的终点63的爆破孔洞的示意表示。

含有将被提取的感兴趣的物质的接合层以60被示出，该60对应于附 图的图5中的接合层60。限定了标记带61地层覆盖接合层60且在接合层 60上方被垂直隔开，该地层是煤(或其它感兴趣的矿物)的亚经济层，或 其可以是到将被提取的接合层60的不同地质的地质层。

处理器模块32被配置以识别标记带61。可以采用各种方式来识别标 记带61。例如，一种方法可包括在预期的深度使用标记带61的特性岩石 硬度度量。例如，岩石硬度度量可使用根据钻机10的MWD数据调整的 穿透率，如在2012年机器人与自动化IEEE国际会议论文，由Zhou等人 撰写的题为“Automatic Rock Recognition from Drilling Performance Data” 中所述。

处理器模块32设置孔洞64将要被钻孔到的终点63在低于标记带61 的预定距离处，以限定从终点63到接合层60的顶部处的边界62的间隔 距离“d”。例如，该间隔距离“d”可以是边界62以上大约300mm-500mm。 以这种方式，操作者控制钻机10在标记带61以下的终点63停止钻孔。 钻孔至如由终点63所限定的标记带61以下的深度，但在接合层60以上 间隔距离“d”处终止钻孔以防止或最小化接合层60的穿透，允许更经济 地有利的接合层60的提取的发生。标记带61被选择为地层，其是可容易 检测的，且具有与接合层60的边界62相对恒定的间距。

虽然已经参考在操作者控制的钻机10的情况下标记带61的应用而将 其使用描述为距离基准线，或者是远程控制，或者是通过位于钻机10上 的操作者，但是要理解的是，如果需要，该标记带61也可在自主操作的 钻机的情况下使用。

在图4中，参考数字70通常表示流程图，其示出钻孔到相对于地质 构造中的地质边界的位置的方法的实施方案。在方法的步骤72，初始化钻 孔作业。初始化包括钻机10在工作台54中井眼64将被钻孔的位置的定 位。初始化过程还涉及降低钻头22到与井眼64将要被钻孔到的表面的邻 接。钻头22在钻机控制器24的控制下降低。

然后，钻孔作业其本身在钻机控制器24的控制下开始于步骤74。在 进行钻孔的同时，涉及钻孔作业的各种参数在步骤76使用传感器包26被 发送到处理器模块32。如上所述，传感器26.1-26.n监视与钻孔作业相关 的各种参数。

在步骤78，处理器36确定正被钻孔的工作台54的地质模型是否已经 可用。如果不可用，处理器模块32的处理器36使用在步骤80示出的算 法生成模型。处理器模块32的处理器36在算法中使用来自传感器包26 的MWD数据，以实时产生地质模型46。来自传感器26.1-26.n的数据被 用于算法中以提高地质模型46的精度。

如果模型46已经存在，在步骤82，利用与从传感器包26接收的感测 参数相关的MWD数据，更新模型46。

处理器模块32监视钻孔进度，如步骤84所示，且在步骤86查询在 地质图48中的井眼64的终点是否已经到达。如上所述，在自主钻机10 的情况下，终点被处理器模块32选择为覆盖层58和接合层60之间的边 界62。如果钻机10在非自主模式下运行，或如果需要，也当钻机10在自 主模式下运行时，或如果根据地质模型46中的可用数据难以推断边界62 在哪里时，终点63可由处理器模块32选择为在边界62以上间隔距离“d” 处，使得在与边界62相交之前钻头22关闭。这也抑制了钻头22的任何 过冲，从而，根本上抑制了接合层60的穿透或仅最小程度的接合层60的 穿透。

如果处理器模块32确定终点已经到达，则如步骤88所示，由处理器 模块32发送命令到钻机控制器24以结束钻孔。

如果处理器模块32确定终点尚未到达，则钻孔继续，如上所述，直 到处理器模块32确定终点已经到达，此时钻机控制器24被命令结束钻孔 作业。

要注意的是，在生成地质模型46的过程中，使用的算法可采用关于 来源于涉及工作台54的数据的采样数据的数学建模。这种数学建模可包 括合适的插值技术或其它数学技术，诸如高斯过程。

本公开所述的实施方案的优势是提供了，一种便于地表地质模型的实 时更新以帮助更精确地确定覆盖层和待开采物质之间的边界的方法和系 统。因此，减小了钻孔到待开采的物质的可能性，从而减小了由此导致的 随后该物质的移除的可能性。这导致具有与操作矿藏相关联的所得到的改 善经济价值的被开采的物质的恢复。

本说明书中所包括的关于文档、行为、物质、设备、物品等等的任何 讨论，不应被视为承认这些事项的任何或全部构成现有技术基础的一部 分，或是本公开相关领域的公知常识，因为其存在于本申请的每个权利要 求的优先权日之前。

可被本领域技术人员理解的是，许多变化和/或修改可用于以上描述的 实施方案，而不脱离本公开的广泛的一般范围。因此，本实施方案应当在 各个方面都被认为是说明性的而不是限制性的。