Способ и устройство бурения

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ Дата публикации и выдачи патента Настоящее изобретение относится к устройству бурения, содержащему бурильное сверло,выполненное с возможностью вращательной и высокочастотной колебательной нагрузки,управляющее средство для управления приложенной бурильным сверлом вращательной и/или колебательной нагрузки, имеющее регулирующее средство для изменения приложенной вращательной и/или колебательной нагрузки. Указанное регулирующее средство выполнено с возможностью отклика на состояние породы, через которую проходит бурильное сверло,при этом управляющее средство при использовании расположено на указанном устройстве в месте расположения нисходящей скважины и содержит датчики для проведения измерений характеристик породы нисходящей скважины, благодаря чему устройство выполнено с возможностью работы в нисходящей скважине с управлением с обратной связью в реальном времени. Устройство может определять соответствующие параметры нагрузки для бурильного сверла, чтобы достигнуть резонанса и поддерживать резонанс между бурильным сверлом и пробуриваемой породой, находящейся в контакте с бурильным сверлом.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ЮНИВЕРСИТИ КОРТ ОВ ДЕ ЮНИВЕРСИТИ ОВ АБЕРДИН (GB) 016010 Настоящее изобретение относится к устройству бурения и в особенности к устройству бурения для забуривания в породу, такую как горная порода. Область техники, касающаяся забуривания в горную породу и в другие породы, способствовала большому числу усовершенствований в технологии бурения. В этом отношении чрезвычайно трудные условия, сопровождающие бурение этого типа, так же как его стоимость и соответствующие проблемы охраны окружающей среды, устанавливают серьезные требования к эффективности, надежности и безопасности способов бурения. Как следствие, отрасли промышленности, в которых используется бурение нисходящей скважины,такая как нефтедобывающая промышленность, сильно нуждаются в усовершенствовании устройства бурения и методологий, которые удовлетворяют этим требованиям, увеличивают скорость бурения и снижают износ инструмента. В этой связи нефтедобывающая промышленность все больше и больше вынуждена бурить отклоненные или горизонтальные скважины большой длины в поиске новых запасов нефти. Однако такое бурение дополнительно представляет собой несколько проблем, которые бросают вызов существующей технологии бурения, в особенности требованиям низкой нагрузки на бурильное сверло, сниженному требованию по мощности, изменчивости условий горных пород по длине скважины, опасность надломов/разломов разбуренного отверстия, увеличенные затраты на бурение и увеличенный износ инструмента и его отказ. Известно, что скорости бурения при определенных обстоятельствах могут быть улучшены путем приложения возвратно-поступательных осевых перемещений к бурильному сверлу по мере его прохождения через породу, которую предполагается бурить, так называемое ударное бурение. Это происходит потому, что воздействие этих осевых перемещений способствует появлению разломов в пробуриваемой породе, обеспечивая, тем самым, более легкое последующее бурение и удаление породы. В традиционном ударном бурении механизм проникновения основан на разламывании породы в буровой скважине посредством сильных неконтролируемых ударов низкой частотой, приложенных бурильным сверлом. Таким образом, скорости бурения для горных пород средней и высокой твердости могут быть увеличены по сравнению со стандартным вращательным бурением. Однако негативной стороной этого является то, что эти удары ставят под угрозу устойчивость ствола скважины, снижают качество буровой скважины и вызывают ускоренный, а часто и катастрофический, износ инструмента и/или его отказ. Другим важным усовершенствованием способов бурения является приложение ультразвуковых осевых колебаний к вращающемуся бурильному сверлу. Таким образом, ультразвуковая вибрация, а не изолированные удары высокой нагрузки, используется для продвижения распространения разломов. Это может иметь существенные преимущества по сравнению с традиционным ударным бурением, заключающиеся в том, что могут быть использованы более низкие нагрузки, обеспечивая бурение с более низкой нагрузкой на бурильное сверло. Однако усовершенствования, обеспечиваемые ультразвуковым бурением, не всегда последовательны и не всегда могут быть непосредственно применимы к бурению нисходящей скважины. Таким образом, целью настоящего изобретения является обеспечение устройства бурения и способа, которые стремятся облегчить такие проблемы. В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложено устройство бурения, содержащее бурильное сверло, выполненное с возможностью приложения к нему вращательной и высокочастотной колебательной нагрузки; управляющее средство для управления приложенной вращательной и/или колебательной нагрузки к бурильному сверлу, содержащее регулирующее средство для изменения приложенной вращательной и/или колебательной нагрузки, которое выполнено с возможностью отклика на состояние породы, через которую проходит бурильное сверло, причем управляющее средство при использовании расположено на указанном устройстве в месте расположения нисходящей скважины и содержит датчики для проведения измерений характеристик породы нисходящей скважины, благодаря чему устройство выполнено с возможностью работы в нисходящей скважине с управлением с обратной связью в реальном времени. Таким образом, устройство бурения может функционировать автономно и регулировать вращательную и/или колебательную нагрузку бурильного сверла в ответ на текущие условия бурения, чтобы оптимизировать механизм бурения и получить улучшенные скорости бурения. Предпочтительно управляющее средство управляет бурильным сверлом, чтобы воздействовать на породу для создания первой группы макротрещин, при этом управляющее средство дополнительно управляет вращением сверла и его воздействием на породу, что в дальнейшем приводит к созданию дополнительной группы макротрещин, причем управляющее средство синхронизирует вращательные и колебательные перемещения бурильного сверла для того, чтобы получить соединенные между собой макротрещины для формирования, тем самым, локализованной динамической зоны распространения трещин перед бурильным сверлом. Преимуществом является то, что управляющее средство управляет приложенной вращательной и колебательной нагрузкой сверла, чтобы достигнуть и поддерживать резонанс между бурильным сверлом-1 016010 и пробуриваемой породой, находящейся в контакте с ним. Такой резонанс в системе, содержащей бурильное сверло и пробуриваемую породу, минимизирует подводимую энергию, необходимую для приведения в действие бурильного сверла. Таким образом, распространение трещин в породе перед бурильным сверлом усиливается, облегчая операцию бурения и, тем самым, увеличивая скорость бурения. В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предложен способ управления бурильным сверлом для использования с устройством бурения, содержащим бурильное сверло, выполненное с возможностью приложения колебательной и вращательной нагрузки, и управляющее средство для управления приложенной вращательной и/или колебательной нагрузкой бурильного сверла, причем управляющее средство содержит регулирующее средство для изменения приложенной вращательной и/или колебательной нагрузки, выполненное с возможностью отклика на состояние породы, через которую проходит бурильное сверло, причем регулирующее средство дополнительно управляет приложенной вращательной и колебательной нагрузкой бурильного сверла, чтобы достигнуть резонанса и поддерживать резонанс в бурильном сверле и пробуриваемой породе, находящейся в контакте с бурильным сверлом. Предпочтительно способ дополнительно включает определение соответствующих параметров нагрузки для бурильного сверла в соответствии со следующими этапами, чтобы достигнуть и поддерживать резонанс между бурильным сверлом и пробуриваемой породой, находящейся в контакте с бурильным сверлом:A) определяют предел амплитуды бурильного сверла при его резонировании и взаимодействии с пробуриваемой породой;B) оценивают подходящий диапазон качания частоты для того, чтобы нагрузить бурильное сверло;C) оценивают форму резонансной кривой;D) выбирают оптимальную резонансную частоту на резонансной кривой в точке, меньшей чем максимум на резонансной кривой;E) приводят в действие бурильное сверло, основываясь на этой оптимальной резонансной частоте. В этой связи верхний предел амплитуды бурильного сверла выбирают таким, при котором резонанс в бурильном сверле не станет разрушающим. За этим пределом существует возможность, что резонанс начнет оказывать разрушающий эффект. Что касается оценки подходящего диапазона качания частоты, то его предпочтительно выбирают так, чтобы мог быть оценен и использован достаточно узкий диапазон, чтобы, тем самым, ускорить оставшуюся часть способа. Форма резонансной кривой основана на основной резонансной кривой для одиночного бурильного сверла, модифицированной так, чтобы принять во внимание взаимодействия с пробуриваемой породой. В этом отношении точку выбирают на этой кривой в точке, меньшей чем точка максимума, чтобы избежать бурения, превышающего максимум резонанса и перемещающегося в неустойчивую/непредсказуемую область. В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предложен способ бурения через породу с использованием бурильного сверла, выполненного с возможностью вращательного и высокочастотного колебательного перемещения, причем бурильное сверло выполнено с возможностью динамического воздействия на породу для создания первой группы макротрещин, после чего бурильное сверло вращается и динамически воздействует на породу и дальше для создания дополнительной группы макротрещин,при этом вращательные и колебательные движения синхронизируют для продвижения соединения между таким образом созданными макротрещинами для формирования локализованной динамической области распространения трещин перед бурильным сверлом. Предпочтительно способ используют в контексте бурения горных пород, при этом образованные макротрещины имеют длину до 10 мм, предпочтительно приблизительно 5 мм. Такая максимальная длина позволяет в большой степени управлять размером области распространения трещин. Предпочтительно к бурильному сверлу прикладывают высокочастотное колебание частотой до 1 кГц. Предпочтительно бурильное сверло приводят во вращение со скоростью до 200 об/мин. Предпочтительно приложенной к бурильному сверлу вращательной и колебательной нагрузкой управляют так, чтобы поддерживать резонанс между бурильным сверлом и пробуриваемой породой, находящейся в контакте с бурильным сверлом. Должно быть понятно, что при таких условиях резонанса для создания распространяющейся области разлома требуется меньше подводимой энергии. Предпочтительно распространяющаяся зона разлома проходит радиально наружу на расстояние, не большее чем 1/20 диаметра бурильного сверла от наружного края бурильного сверла. Должно быть понятно, что это представляет собой сильно контролируемые способы создания разломов, которые минимизируют глобальное напряжение в пробуриваемой породе. Предпочтительно в контексте бурения горной породы размер выбуриваемых обломков составляет до 10 мм, предпочтительно 5 мм. Они являются маленькими по сравнению с получаемыми с помощью традиционных способов бурения и иллюстрируют кардинальное изменение в принятой методологии.-2 016010 Предпочтительно настоящий способ может использоваться в одном или большем количестве применений, таких как бурение на приповерхностный газ, бурение в слабой зоне и бурение в разломанной зоне высокого давления. Это становится возможным в результате способности предложенного способа пробуривать отверстия с использованием сильно контролируемых способов создания локального разлома, которые минимизируют глобальное напряжение в пробуриваемой породе. В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения предложен узел бурильного сверла,содержащий бурильную колонну, имеющую бурильную трубу и удлинитель бурильной трубы; и бурильное сверло, выполненное с возможностью приложения высокочастотной колебательной и вращательной нагрузки; управляющее средство, расположенное при использовании в нисходящей скважине для управления приложенной вращательной и/или колебательной нагрузкой бурильного сверла, при этом управляющее средство содержит регулирующее средство для изменения приложенной вращательной и/или колебательной нагрузки, которое выполнено с возможностью отклика на состояние породы, через которую проходит бурильное сверло, причем вес бурильной колонны на 1 м до 70% меньше, чем вес традиционной бурильной колонны на 1 м, работающей с тем же самым диаметром скважины для использования в тех же самых условиях бурения. Предпочтительно вес бурильной колонны на 1 м от 40 до 70% меньше, чем вес традиционной бурильной колонны на 1 м, работающей с тем же самым диаметром скважины для использования в тех же самых условиях бурения. Предпочтительно вес бурильной колонны на 1 м, по существу, на 70% меньше, чем вес традиционной бурильной колонны на 1 м, работающей с тем же самым диаметром скважины для использования в тех же самых условиях бурения. Таким образом, устройство бурения может регулировать вращательную и/или колебательную нагрузку бурильного сверла в ответ на текущие условия бурения, чтобы оптимизировать механизм бурения и получить улучшенные скорости бурения. Предпочтительно регулирующее средство управляет приложенной вращательной и колебательной нагрузкой бурильного сверла, чтобы поддерживать резонанс системы, включающей бурильное сверло и пробуриваемую породу. Явления резонанса усиливают распространение трещин в породе перед бурильным сверлом, облегчая процесс бурения и, таким образом, увеличивая скорость бурения. В этом отношении приложенная вращательная и колебательная нагрузка основана на предсказуемом резонансе пробуриваемой породы. Предпочтительно бурильное сверло выполнено, чтобы воздействовать на породу для создания первой группы макротрещин, причем бурильное сверло, вращающееся и воздействующее на породу, в дальнейшем создает дополнительную группу макротрещин, при этом управляющее средство синхронизирует вращательные и колебательные движения бурильного сверла для продвижения соединения созданных таким образом макротрещин друг с другом с формированием локализованной динамической области распространения трещин перед бурильным сверлом. Предпочтительно управляющее средство определяет параметры нагрузки на бурильное сверло для того, чтобы определить условия резонанса между сверлом и пробуриваемой породой с помощью следующего алгоритма:A) вычисляют нелинейный резонансный отклик бурильного сверла без влияния пробуриваемой породы;B) оценивают силу воздействия для создания распространяющейся области разлома в пробуриваемой породе;C) вычисляют нелинейные характеристики податливости разломанной пробуриваемой породы;D) оценивают резонансную частоту бурильного сверла, взаимодействующего с пробуриваемой породой; иE) повторно вычисляют значение резонансной частоты для установившегося состояния, включая нелинейные характеристики податливости разломанной пробуриваемой породы. В этом отношении приложенная вращательная и колебательная нагрузка основана на предсказуемом резонансе пробуриваемой горной породы. Предпочтительно алгоритм определяет неизвестную функцию нелинейного отклика. Предпочтительно алгоритм основан на нелинейном динамическом анализе, причем динамические взаимодействия между бурильным сверлом и пробуриваемой горной породой при резонансных условиях промоделированы комбинацией аналитических и числовых методов. Предпочтительно регулирующее средство корректирует управляющее средство для изменения приложенных параметров бурения, чтобы поддерживать резонанс горной породы, находящейся в непосредственном контакте с бурильным сверлом по мере продвижения последнего в указанную породу. Предпочтительно регулирующее средство может выборочно деактивировать колебательную нагрузку бурильного сверла для бурения по мягкой породе. Таким образом, колебания могут быть деактивированы при бурении сквозь мягкую породу, чтобы избежать отрицательных воздействий, обеспечивая-3 016010 таким образом сдвиговые моды от вращательного движения для эффективного бурения, и, что является наиболее важным, избавляясь от необходимости смены бурильных сврел между твердыми и мягкими породами. В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предложен способ бурения породы, включающий этапы приложения колебательной и вращательной нагрузки через бурильное сверло, контроля характеристик породы на границе породы с бурильным сверлом, определения значения резонансной частоты горной породы на ее границе с бурильным сверлом и регулирования приложенной колебательной и/или вращательной нагрузки, чтобы поддерживать резонансную частоту горной породы на ее границе с бурильным сверлом. Предпочтительно указанный способ дополнительно включает применение алгоритма нелинейного динамического анализа для определения резонансной частоты породы на его границе с бурильным сверлом. Предпочтительно алгоритм имеет следующие функции:A) вычисляют нелинейный резонансный отклик бурильного сверла без влияния пробуриваемой породы;B) оценивают силу воздействия для создания распространяющейся области разлома в пробуриваемой породе;C) вычисляют нелинейные характеристики податливости разломанной пробуриваемой породы;D) оценивают резонансную частоту бурильного сверла, взаимодействующего с пробуриваемой породой; иE) повторно вычисляют значение резонансной частоты для установившегося состояния, включая нелинейные характеристики податливости разломанной пробуриваемой породы. Пример настоящего изобретения описан ниже со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых фиг. 1 показывает бурильный модуль в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения и фиг. 2 иллюстрирует графически, как находят параметры для определения условий резонанса в соответствии с настоящим изобретением. При разработке настоящего изобретения было обнаружено, что при бурении сквозь породы, такие как горные породы, особенно высоких скоростей бурения можно достичь, если нагрузка на бурильное сверло установлена такой, что она способствует установлению резонанса в системе, образованной бурильным сверлом и пробуриваемой горной породой. Однако тогда как получить этот резонанс возможно на испытательном стенде, использующем стандартизированные образцы, бурение сквозь естественную горную породу является совсем другим случаем. Это происходит потому, что условия бурения изменяются внутри горной породы от слоя к слою. Соответственно условия резонанса изменяются при прохождении горной породы и поэтому условия резонанса не могут поддерживаться в течение всего процесса бурения. Настоящее изобретение преодолевает эту проблему с помощью использования явления нелинейного резонанса при бурении через породу и стремится поддерживать резонанс в системе, состоящей из комбинации бурильного сверла и пробуриваемой породы. Чтобы достигнуть этого путем точной идентификации параметров и механизмов, воздействующих на бурение, заявители разработали точную и надежную математическую модель динамических взаимодействий в буровой скважине. Эта математическая модель позволяет настоящему изобретению вычислять и использовать механизмы обратной связи, чтобы автоматически регулировать параметры бурения для поддержания резонанса на участке буровой скважины. Поддерживая резонанс таким образом, действие распространяющейся области трещин перед сверлом усиливается, а скорость бурения сильно возрастает, и поэтому может быть определено как Резонансно Усиленное Бурение (в дальнейшем РУБ). На фиг. 1 изображен иллюстративный пример бурильного модуля РУБ в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения. Бурильный модуль оборудован бурильным сверлом 1 из поликристаллического алмаза (ПКА). Вибротрансмиссионная секция 2 соединяет бурильное сверло 1 с пьезоэлектрическим преобразователем 3 с обеспечением передачи колебаний от преобразователя к бурильному сверлу 1. Сцепление 4 соединяет модуль с бурильной колонной 5 и действует как узел изоляции от вибрации, чтобы изолировать вибрацию бурильного модуля от шахты. Во время операции бурения электродвигатель постоянного тока вращает буровой вал, который передает движение через секции 4, 3 и к бурильному сверлу 1. Сравнительно низкая статическая сила, приложенная к сверлу 1, вместе с динамической нагрузкой создают распространяющуюся область разлома,так что бурильное сверло продолжает проходить через породу. В то же самое время, в которое происходит вращение бурильного модуля 1, активируется пьезоэлектрический преобразователь, чтобы вибрировать на частоте, соответствующей для породы на участке буровой скважины. Эту частоту определяют, вычисляя нелинейные резонансные условия между бурильным сверлом и пробуриваемой породой, схематично показанными на фиг. 2, в соответствии со следующим алгоритмом:A) вычисляют нелинейный резонансный отклик бурильного сверла без влияния пробуриваемой породы;B) оценивают силу воздействия для создания распространяющейся области разлома в пробуриваемой породе;C) вычисляют нелинейные характеристики податливости разломанной пробуриваемой породы;D) оценивают резонансную частоту бурильного сверла, взаимодействующего с пробуриваемой породой; иE) повторно вычисляют значение резонансной частоты для установившегося состояния, включая нелинейные характеристики податливости разломанной пробуриваемой породой. Колебания от пьезоэлектрического преобразователя 3 передаются через сверло 1 к участку буровой скважины и создают область распространения трещин в породе перед бурильным сверлом. Поскольку бурильное сверло продолжает вращаться и продвигаться вперед, оно сдвигается к породе в горной породе, врезаясь в нее. Однако создание области распространения трещин в породе перед бурильным сверлом значительно ослабляет это бурильное сверло, что означает, что действие сдвигового вращения смещает больше породы, которая может впоследствии быть удалена. Свойства динамики распространения трещин могут быть настроены, чтобы оптимизировать механическую скорость проходки (МСП), качество отверстия и срок службы инструмента или, в идеале, комбинацию всех трех параметров. Трещины появляются в результате действия вставок в сверле, воздействующем на горную породу. Другие способы бурения работают путем срезания или сдвига породы или путем создания трещин гораздо большего размера. Следующее является главными особенностями РУБ системы с точки зрения рабочих средств и фокусирования на создании и распространении "макро" трещин в непосредственной близости перед бурильным сверлом. Способ РУБ работает благодаря высокочастотному осевому колебанию бурильной головки, которая воздействует на породу, при этом угловая геометрия вставок бурильного сверла создает начальные трещины в породе. Продолжающаяся работа бурильного сверла, то есть продолжающееся колебание и вращение, устанавливает динамическую область распространения трещин перед бурильным сверлом. Это явление может быть лучше всего описано как синхронизированная кинематика. Установление резонанса в системе (система, содержащая пробуриваемую породу, (осциллятор) и бурильное сверло) оптимизирует КПД и рабочие характеристики. Динамическая зона распространения трещин является локализованной у сверла, а линейный размер обычно имеет величину, не большую чем 1/10 диаметра бурильного сверла. Следовательно, локализованное распространение трещин является управляемым с точки зрения его направленности, при этом способ РУБ предотвращает распространение трещин за область, расположенную непосредственно перед бурильным сверлом. Способ РУБ, следовательно, может привести к высококачественному отверстию, удовлетворяющему требованиям. Как результат "чувствительности" способа РУБ, его способности пробуривать отверстия с использованием сильноуправляемого местного разлома и минимизации глобального напряжения в породе, способ РУБ будет очень хорошо вести себя при бурении чувствительных пород в сложных областях, таких как приповерхностный газ, слабые зоны и разломанные зоны высокого давления. В соответствии с вышесказанным, настоящее изобретение может поддерживать резонанс в течение всего процесса бурения, позволяя смещать породу от горной породы на участке буровой скважины более быстро и, следовательно, достигать более высоких скоростей бурения. Кроме того, использование резонансного движения для продвижения распространения разлома позволяет прикладывать к бурильному сверлу меньший вес, что приводит к уменьшенному износу инструмента. Также настоящее изобретение не только предлагает увеличенную механическую скорость проходки (МСП), но также обеспечивает более длительный срок службы инструмента и, следовательно, уменьшает время простоя, требуемое для технического обслуживания инструмента или его замены. Как только механические свойства пробуриваемой породы известны, параметры бурения могут быть модифицированы, чтобы оптимизировать работу бурения (в соответствии с МСП, качеством отверстия сроком службы инструмента и надежности). С точки зрения способа РУБ частота и амплитуда колебаний могут быть изменены, чтобы установить самую эффективную работу с самым большим КПД. Установление резонанса колебательной системы (между (осциллятором), буровым сверлом и пробуриваемой породой) обеспечивает оптимальную комбинацию рабочих характеристик бурения и эффективности использования энергии. На фиг. 2 графически показано, как находят параметры для установления и поддержания условий резонанса. Во-первых, необходимо определить предел амплитуды бурильного сверла, когда последнее находится в резонансе и взаимодействует с пробуриваемой породой. В этой связи за предел амплитуды бурильного сверла выбрано значение, при котором резонанс в бурильном сверле не станет разрушающим. При превышении этого предела существует возможность, что резонанс станет иметь разрушающий эф-5 016010 фект. Затем оценивают подходящий диапазон качания частоты для того, чтобы нагрузить бурильное сверло. Этот диапазон оценивают так, чтобы мог быть определен соответствующий узкий диапазон, который впоследствии может быть использован для ускорения оставшейся части способа. Затем оценивают форму резонансной кривой. Как может быть видно, эта резонансная кривая является типичной резонансной кривой, вершина которой сдвинута вправо, как следствие эффекта взаимодействия бурильного сверла с пробуриваемой породой. Следует отметить, что, как следствие, график имеет верхнюю и нижнюю ветви, что является следствием перемещения по кривой за пределы максимальной амплитуды, что приводит к резкому спаду в амплитуде от верхней ветви до нижней ветви. Также, чтобы избежать таких резких изменений, которые являются нежелательными, на следующем этапе выбирают оптимальную частоту на резонансной кривой в точке, которая меньше, чем максимум на резонансной кривой. Насколько оптимальная резонансная частота выбрана ниже максимума, по существу, устанавливает запас надежности, причем для изменяемых/переменных пород для бурения этот запас надежности может быть также выбран исходя из точки максимальной амплитуды. Управляющее средство может в этом отношении изменить запас надежности, то есть переместиться к точке максимума на резонансной кривой или удалиться от нее, в зависимости от измеренных характеристик пробуриваемой породы или от хода выполнения бурения. Например, если МСП изменяется случайным образом из-за низкой однородности пробуриваемой породы, то запас надежности может быть увеличен. Наконец, устройство приводится в действие на выбранной оптимальной резонансной частоте, при этом процесс обновляется периодически в пределах рабочей замкнутой системы с обратной связью управляющего средства. В настоящем изобретении вес бурильной колонны на 1 м может быть на 70% меньше, чем вес традиционной бурильной колонны на 1 м, работающей с тем же самым диаметром скважины для использования в тех же самых условиях бурения. Предпочтительно этот вес от 40 до 70% меньше или более предпочтительно, по существу, на 70% меньше. Например, при типичных условиях бурения и глубине бурения 12500 футов (3787 м) для размера отверстия 12 1/4" (0,31 м) вес бурильной колонны на 1 м уменьшен от 38,4 кг/м (Стандартное Бурение Вращением) до 11,7 кг/м (использование способа РУБ), т.е. наблюдается уменьшение на 69,6%. При типичных условиях бурения и глубине бурения 12500 футов (3787 м) для размера отверстия 17 1/2" (0,44 м) вес бурильной колонны на 1 м уменьшен от 49,0 кг/м (Стандартное Бурение Вращением) до 14,7 кг/м (использование способа РУБ), т.е. наблюдается уменьшение на 70%. При типичных условиях бурения и глубине бурения 12500 футов (3787 м) для размера отверстия 26" (0,66 м) вес бурильной колонны на 1 м уменьшен от 77,0 кг/м (Стандартное Бурение Вращением) до 23,1 кг/м (использование способа РУБ), т.е. наблюдается уменьшение на 70%. В результате низкой НБС (нагрузки на бурильное сверло) и динамического разлома, который создает эта нагрузка, способ РУБ может сэкономить до 35% энергетических затрат на буровой установке и до 75% веса удлинителя бурильной трубы. Должно быть понятно, что проиллюстрированный описанный здесь вариант выполнения показывает применение изобретения только в целях иллюстрации. На практике изобретение может быть применено ко многим различным конструкциям; детальные варианты выполнения будут очевидны для применения их специалистами в этой области техники. Например, часть модуля, представляющая собой бурильное сверло, может быть изменена, чтобы соответствовать конкретному бурильному применению. Например, могут быть использованы различные конструкции сверла и материалы. В другом примере могут использоваться другие средства вибрации в качестве альтернативы пьезоэлектрическому преобразователю для создания вибрации бурильного модуля. Например, могут быть использованы магнитострикционные материалы. Кроме того, также предусмотрено, что средства вибрации могут быть деактивированы при бурении через мягкие породы, чтобы избежать отрицательных воздействий. Например, бурильный модуль, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, может быть деактивирован, чтобы функционировать (только) как модуль вращательного бурения, при бурении сначала через верхнюю мягкую породу почвы. Бурильный модуль может затем быть активирован, чтобы приложить резонансные частоты, как только достигнуты более глубокие твердые горные породы. Это дает значительные сбережения времени,устраняя время простоя, которое в ином случае было бы необходимо, чтобы сменить бурильные модули между бурением этих различных горных пород. Настоящее изобретение обеспечивает следующие преимущества, а именно само бурение требует более низкой подводимой энергии, увеличенную механическую скорость проходки (МСП), улучшенную стабильность отверстия и его качество, а также более длительный срок службы инструмента и его надежность.-6 016010 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ бурения породы для использования с устройством бурения, содержащим бурильное сверло, выполненное с возможностью приложения колебательной и вращательной нагрузки, и управляющее средство, предназначенное для управления приложенной вращательной и/или колебательной нагрузкой бурильного сверла и содержащее регулирующее средство, которое предназначено для изменения приложенной вращательной и/или колебательной нагрузки и выполнено с возможностью отклика на состояние породы, через которую проходит бурильное сверло, при этом регулирующее средство выполнено с возможностью управления приложенной вращательной и колебательной нагрузкой бурильного сверла с обеспечением достижения и поддержания резонанса в бурильном сверле и в пробуриваемой породе, находящейся в контакте со сверлом, при этом в способе определяют соответствующие параметры нагрузки для бурильного сверла в соответствии со следующими этапами, чтобы достигнуть и поддерживать резонанс между бурильным сверлом и пробуриваемой породой, находящейся в контакте со сверлом:A) определяют предел амплитуды бурильного сверла, когда оно резонирует и взаимодействует с пробуриваемой породой;B) выбирают подходящий диапазон качания частоты, в котором условия резонанса наиболее вероятны для того, чтобы нагрузить бурильное сверло;C) в указанном диапазоне качания частоты определяют резонансную кривую, основываясь на основной резонансной кривой для бурильного сверла, модифицированной так, чтобы принять во внимание взаимодействия с пробуриваемой породой;D) выбирают оптимальную резонансную частоту в точке, меньшей чем частота максимума, причем указанная частота максимума представляет собой частоту при максимальной амплитуде на определенной резонансной кривой, причем указанную оптимальную резонансную частоту выбирают, основываясь на установлении заранее заданного запаса надежности к указанной частоте максимума, чтобы учесть изменения в характеристиках пробуриваемой породы; иE) используют средство управления для управления приложенной колебательной нагрузкой бурильного сверла для приведения в действие бурильного сверла, основываясь на выбранной оптимальной резонансной частоте. 2. Способ по п.1, в котором сверло выполнено с возможностью воздействия на породу колебательной нагрузкой для создания первой группы макротрещин и последующего вращения и воздействия на породу для создания дополнительной группы макротрещин, причем вращательные и колебательные движения синхронизируют для продвижения соединения друг с другом таким образом созданных макротрещин с созданием локализованной динамической области распространения трещин перед бурильным сверлом. 3. Способ по п.2, который используют при бурении горных пород, при этом созданные макротрещины имеют длину до 10 мм. 4. Способ по п.3, в котором к бурильному сверлу прикладывают высокочастотное колебание, частотой до 1 кГц. 5. Способ по п.3 или 4, в котором бурильное сверло приводят во вращение со скоростью до 200 об/мин. 6. Способ по любому из пп.2-5, в котором приложенной к бурильному сверлу вращательной и колебательной нагрузкой управляют так, чтобы поддерживать резонанс между бурильным сверлом и пробуриваемой породой, находящейся в контакте с бурильным сверлом. 7. Способ по любому из пп.3-6, который используют в одном или большем количестве применений из: бурение на приповерхностный газ, бурение со слабой зоной и бурение с разломанной зоной высокого давления. 8. Способ бурения породы по любому из пп.1-7, в котором дополнительно применяют алгоритм нелинейного динамического анализа для определения резонансной частоты породы на его границе с бурильным сверлом. 9. Способ по п.8, в котором в алгоритме дополнительно выполняют следующие функции:A) вычисляют нелинейный резонансный отклик бурильного сверла без влияния пробуриваемой породы;B) оценивают силу воздействия для формирования распространяющейся области разлома в пробуриваемой породе;C) вычисляют нелинейные характеристики податливости разломанной пробуриваемой породы;D) оценивают резонансную частоту бурильного сверла, взаимодействующего с пробуриваемой породой; иE) повторно вычисляют значение резонансной частоты для установившегося состояния, включая нелинейные характеристики податливости разломанной пробуриваемой породы. 10. Устройство бурения, содержащее бурильную колонну, имеющую бурильную трубу и удлинитель бурильной трубы; бурильное сверло, выполненное с возможностью приложения вращательной и высокочастотной ко-7 016010 лебательной нагрузки; и управляющее средство, предназначенное для управления приложенной вращательной и/или колебательной нагрузкой бурильного сверла и содержащее регулирующее средство, которое предназначено для изменения приложенной вращательной и/или колебательной нагрузки и выполнено с возможностью отклика на состояние породы, через которую проходит бурильное сверло, причем управляющее средство при использовании выполнено с возможностью размещения на указанном устройстве в месте расположения нисходящей скважины и содержит датчики для проведения измерений характеристик породы нисходящей скважины, благодаря чему устройство выполнено с возможностью работы в нисходящей скважине с управлением с обратной связью в реальном времени, при этом устройство бурения дополнительно содержит средство для определения предела амплитуды бурильного сверла, когда оно резонирует и взаимодействует с пробуриваемой породой; средство для выбора диапазона качания частоты, в котором условия резонанса наиболее вероятны для того, чтобы нагрузить бурильное сверло; средство для определения резонансной кривой в указанном диапазоне качания частоты, основываясь на основной резонансной кривой для бурильного сверла, модифицированной так, чтобы принять во внимание взаимодействия с пробуриваемой породой; средство для выбора оптимальной резонансной частоты в точке, меньшей чем частота максимума,причем указанная частота максимума представляет собой частоту при максимальной амплитуде на определенной резонансной кривой, а также основанную на установлении заранее заданного запаса надежности к указанной частоте максимума, чтобы учесть изменения в характеристиках породы; и в котором управляющее средство выполнено с возможностью управления приложенной колебательной нагрузкой бурильного сверла для приведения в действие бурильного сверла, основываясь на выбранной оптимальной резонансной частоте. 11. Устройство по п.10, в котором управляющее средство выполнено с возможностью управления колебательной нагрузкой бурильного сверла на породу для создания первой группы макротрещин, при этом управляющее средство выполнено с возможностью управления вращением бурильного сверла и его воздействием на породу, что в дальнейшем создает дополнительную группу макротрещин, причем управляющее средство выполнено с возможностью синхронизации вращательных и колебательных перемещений бурильного сверла для продвижения соединения друг с другом макротрещин с созданием,тем самым, локализованной динамической зоны распространения трещин перед бурильным сверлом. 12. Устройство по п.10 или 11, в котором вес бурильной колонны на 1 м до 70% меньше, чем вес на 1 м традиционной бурильной колонны, работающей с тем же самым диаметром скважины для использования в тех же самых условиях. 13. Устройство по п.12, в котором вес бурильной колонны на 1 м, по существу, на 70% меньше, чем вес на 1 м традиционной бурильной колонны, работающей с тем же самым диаметром скважины для использования в тех же самых условиях бурения. 14. Устройство по п.12 или 13, в котором регулирующее средство выполнено с возможностью управления приложенной вращательной и колебательной нагрузкой бурильного сверла с обеспечением поддержания резонанса бурильного сверла и пробуриваемой породы, находящейся в контакте со сверлом. 15. Устройство по пп.12-14, в котором управляющее средство выполнено с возможностью определения параметров нагрузки на бурильное сверло для того, чтобы определить условия резонанса между бурильным сверлом и пробуриваемой породой в соответствии со следующим алгоритмом:A) вычисляют нелинейный резонансный отклик бурильного сверла без влияния пробуриваемой породы;B) оценивают силу воздействия для создания распространяющейся области разлома в пробуриваемой породе;C) вычисляют нелинейные характеристики податливости разломанной пробуриваемой породы;D) оценивают резонансную частоту бурильного сверла, взаимодействующего с пробуриваемой породой; иE) повторно вычисляют значение резонансной частоты для установившегося состояния, включая нелинейные характеристики податливости разломанной пробуриваемой породы. 16. Устройство по п.15, в котором алгоритм основан на определении неизвестной функции нелинейного отклика. 17. Устройство по пп.12-16, в котором регулирующее средство выполнено с возможностью выборочной деактивации колебательной нагрузки бурильного сверла для того, чтобы пробурить сквозь мягкую породу.