Резонансно-усиленное вращательное бурение

Способ управления резонансно-усиленным вращательным буром, который содержит вращающееся буровое долото и генератор колебаний для применения осевой переменной нагрузки для вращательного бурения, при этом данный способ включает управление частотой (f) генератора колебаний в резонансно-усиленном вращательном буре, при этом частота (f) поддерживается в этом динамическая сила (F) поддерживается в диапазоне- эффективный диаметр вращающегося бурового долота, Us - прочность на сжатие материала,в котором осуществляется бурение, и SFd - масштабирующий коэффициент, превышающий 1,при этом частота (f) и динамическая сила (Fd) генератора колебаний управляются с помощью слежения за сигналами, представляющими прочность на сжатие (Us) материала, в котором осуществляется бурение, и регулировки частоты (f) и динамической силы (Fd) генератора колебаний, с использованием механизма замкнутого контура обратной связи в режиме реального времени в соответствии с изменениями прочности на сжатие (Us) материала, в котором осуществляется бурение., где D - диаметр вращающегося бурового долота, Us- прочность на сжатие материала, в котором осуществляется бурение, A - амплитуда колебания,m - вибрационная масса и Sf - масштабирующий коэффициент, превышающий 1; и управление динамической силой (Fd) генератора колебаний в резонансно-усиленном вращательном буре, при Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к ударно-усиленному вращательному бурению и, в частности, к резонансно-усиленному вращательному бурению. Варианты осуществления изобретения относятся к способам и устройству для управления резонансно-усиленным вращательным бурением для улучшения производительности бурения. Дальнейшие варианты осуществления, описанные в настоящем документе,относятся к оборудованию для резонансно-усиленного вращательного бурения, которое может управляться согласно данным способам и устройству. Определенные варианты осуществления изобретения применимы для любых размеров бура или материала, в котором осуществляется бурение. Более конкретные варианты осуществления относятся к бурению в горных породах, в частности, в горных породах с переменным составом, которые могут встречаться при глубоком бурении при использовании в нефтедобывающей, газодобывающей и горнодобывающей промышленности. Предпосылки создания изобретения Ударно-усиленное вращательное бурение является по существу известным. Ударно-усиленный вращательный бур содержит вращающееся буровое долото и генератор колебаний для применения переменной нагрузки к вращающемуся буровому долоту. Генератор колебаний обеспечивает ударное воздействие на материал, в котором осуществляется бурение, для разрушения данного материала, что помогает вращающемуся буровому долоту проникать сквозь материал. Резонансно-усиленное вращательное бурение является особым типом ударно-усиленного вращательного бурения, при котором генератор колебаний вибрирует с высокой частотой для того, чтобы добиться резонанса с материалом, в котором осуществляется бурение. Это приводит к усилению давления,оказываемого вращающимся буровым долотом и, таким образом, увеличивает эффективность бурения по сравнению со стандартным ударно-усиленным вращательным бурением. Патент US 3990522 раскрывает ударно-усиленный вращательный бур, который использует гидроударник, установленный во вращательном буре, для сверления отверстий под болты. Раскрыто, что ударный цикл с изменяемой длиной хода и частотой может применяться и регулироваться согласно естественной частоте материала, в котором осуществляется бурение для усиления давления, прикладываемого кончиком бурового долота. Сервоклапан обеспечивает контроль над ударным воздействием и в свою очередь, управляется оператором с помощью электронного модуля управления, присоединенного к сервоклапану посредством электрического проводника. Оператор может выборочно изменять частоту ударного воздействия от 0 до 2500 циклов в минуту (т.е. от 0 до 42 Гц) и выборочно изменять длину хода бурового долота от 0 до 1/8 дюймов (т.е. от 0 до 3,175 мм) путем регулирования потока жидкости под давлением к приводу и от него. Было описано, что с помощью выбора длины хода ударного воздействия с частотой, равной естественной или резонансной частоте породной толщи, в которой осуществляется бурение, энергия, которая сохраняется в породной толще благодаря ударным силам, приведет к усилению давления, оказываемого кончиком бурового долота, так что твердый материал будет разрушаться и смещаться, и позволит осуществлять бурение при скоростях в диапазоне от 3 до 4 футов в минуту. Существует несколько проблем, связанных с вышеупомянутой конструкцией, которые рассматриваются ниже. Применение устройства, описанного в патентеUS 3990522, которое использует гидравлический генератор колебаний с относительно низкой частотой, не позволяет достичь высоких частот. Соответственно, хотя в патенте US 3990522 рассматривается возможность возникновения резонанса, становится известно, что низких частот, которые достигаются генератором колебаний, недостаточно для достижения резонансно-усиленного бурения многих твердых материалов. Независимо от вышеописанной проблемы с частотой, при использовании конструкции, описанной в патенте US 3990522, тяжело добиться возникновения резонанса и поддерживать его, особенно если бур проходит через различные материалы с разными резонансными характеристиками. Это происходит из-за того, что управление частотой и длиной хода ударного воздействия в конструкции, согласно патентуUS 3990522, достигается оператором вручную. Таким образом, сложно управлять устройством с целью непрерывной регулировки частоты и длины хода ударных сил для поддержания резонанса в то время, как бур проходит сквозь разные типы материалов. Это может не являться большой проблемой при бурении неглубоких отверстий под болты, как описано в патенте US 3990522. Оператору достаточно лишь выбрать подходящую частоту и длину хода для материала, в котором необходимо пробурить отверстие для болта и затем управлять буром. Тем не менее, проблема усугубляется при глубоком бурении сквозь многочисленные различные слои породы. Оператор, находящийся над скважиной, выполненной глубоким бурением, не может видеть тип породы, в которой осуществляется бурение, и не может быстро достичь резонанса и поддерживать его в то время, как бур проходит от одного типа породы к другому, в частности, в областях, где тип породы часто меняется. Некоторые из вышеупомянутых проблем были решены автором настоящего изобретения, как описано в патенте WO 2007/141550. Патент WO 2007/141550 описывает резонансно-усиленный вращательный бур, который содержит автоматический механизм обратной связи и управления, который может непрерывно регулировать частоту и длину хода ударного воздействия для поддержания резонанса в то время, как бур проходит через разные типы породы. Бур оснащен средством регулировки, которое реаги-1 023760 рует на условия материала, через который проходит бур, и средством управления, помещаемым в скважину, которое содержит датчики для измерения характеристик материала в скважине, поэтому, будучи погруженным в скважину, устройство управляется по замкнутому контуру в режиме реального времени. Несмотря на решения, описанные в патенте WO 2007/141550, существует стремление к дальнейшему улучшению способов и устройства, описанных в указанном патенте. Целью вариантов осуществления настоящего изобретения является внесение подобных улучшений для того, чтобы повысить эффективность бурения и одновременно ограничить износ устройства для того, чтобы увеличить срок службы устройства. Дальнейшей целью является более точное управление резонансно-усиленным бурением, в частности, при бурении сквозь типы пород, которые быстро сменяют друг друга. Краткое изложение сущности изобретения Хотя очевидно, что на резонансно-усиленное бурение влияет много параметров, как материала, в котором выполняется бурение, так и самого бура, автор настоящего изобретения пришел к выводу, что некоторые параметры являются важнее остальных и что выгодно применять резонансно-усиленный вращательный бур в пределах определенных диапазонов данных важных параметров для того, чтобы внести улучшения в конструкции, описанные ранее, независимо от размера бура или от материала, в котором осуществляется бурение. Параметры, которые влияют на производительность резонансно-усиленного вращательного бура включают: диаметр бурового долота; статическую силу на буровом долоте; скорость вращения бурового долота; прочность на сжатие материала, в котором осуществляется бурение; массу генератора колебаний,амплитуду колебания; динамическую силу генератора колебаний; частоту генератора колебаний; и мощность, необходимую для приведения в действие вращающегося бурового долота и генератора колебаний. Было определено, что из всех данных параметров двумя критичными параметрами для управления генератором колебаний для достижения и поддержания резонанса являются частота генератора колебаний и динамическая сила, сообщаемая вращательному буру генератором колебаний. В свете вышеуказанного автор настоящего изобретения разработал способ резонансно-усиленного вращательного бурения, определенный на основе предпочтительных эксплуатационных диапазонов частоты генератора колебаний и динамической силы, сообщаемой генератором колебаний вращательному буру. Согласно первому аспекту настоящего изобретения предоставляется способ управления резонансно-усиленным вращательным буром, который содержит вращающееся буровое долото и генератор колебаний для применения осевой переменной нагрузки к вращающемуся буровому долоту, при этом данный способ включает: управление частотой (f) генератора колебаний в резонансно-усиленном вращательном буре, при этом частота (f) поддерживается в диапазоне где D - диаметр вращающегося бурового долота, Us - прочность на сжатие материала, в котором осуществляется бурение, A - амплитуда колебания, m - вибрационная масса и Sf - масштабирующий коэффициент, превышающий 1; и управлениединамической силой (Fd) генератора колебаний в резонансно-усиленном вращательном буре, при этом динамическая сила (Fd) поддерживается в диапазоне где Deff - эффективный диаметр вращающегося бурового долота, Us - прочность на сжатие материала, в котором осуществляется бурение, и SFd - масштабирующий коэффициент, превышающий 1, при этом частота (f) и динамическая сила (Fd) генератора колебаний управляются с помощью слежения за сигналами, представляющими прочность на сжатие (Us) материала, в котором осуществляется бурение, и регулировки частоты (f) и динамической силы (Fd) генератора колебаний, с использованием механизма замкнутого контура обратной связи в режиме реального времени, в соответствии с изменениями прочности на сжатие (Us) материала, в котором осуществляется бурение. Вышеупомянутый аспект настоящего изобретения содержит выгодное соотношения эксплуатационных параметров резонансно-усиленного вращательного бура для управления резонансно-усиленным бурением при любом размере бура или любом материале, в котором осуществляется бурение. Подробные причины того, почему определенные диапазоны являются выгодными, приведены в подробном описании вместе с описанием предпочтительных вариантов осуществления. Согласно второму аспекту настоящего изобретения представлено устройство, содержащее регулятор, настроенный на осуществление способа согласно первому аспекту. Например, устройство может содержать вычислительное устройство или группу вычислительных устройств, запрограммированных подходящим образом для осуществления указанного способа. Необходимые эксплуатационные параметры могут храниться в памяти, присоединенной к вычислительному устройству или группе вычислительных устройств. Устройство может содержать подходящее техническое обеспечение и/или проводку для присоединения к генератору колебаний и для присоединения к одному или нескольким датчикам для осуществления резонансно-усиленного вращательного бурения. Например, устройство может представ-2 023760 ляться в виде управляющего модуля с подходящими входами и выходами для помещения в цепь между датчиками и генератором колебаний. Управляющий модуль может содержать источник питания и/или подходящий вход для поступления питания, которое подается от отдельного источника питания. Энергия, необходимая для привода управляющего модуля и/или генератора колебаний, может вырабатываться внутри скважины. Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения в качестве источника энергии используется буровой раствор. Поток раствора, находящийся под высоким давлением, может использоваться для получения необходимой энергии. В основном, для получения энергии, необходимой для вращения долота, используются гидравлические забойные двигатели или турбины, доступные на рынке. Подобные гидравлические забойные двигатели или турбины также могут применяться для получения электричества для приведения в действие генератора колебаний. Использования механизма (гидравлического забойного двигателя или турбины), который обеспечивает вращательное движение для получения электричества, необходимого для приведения в действие генератора колебаний резонансно-усиленного вращательного бура, может исключить необходимость в отдельном источнике энергии для генератора колебаний, что сделает скважинное устройство более компактным. Механизмы, доступные на рынке, такие как гидравлические забойные двигатели или турбины, подходящие для использования в скважине, могут обеспечивать подачу энергии в диапазоне до 200 кВт. Соответственно, в зависимости от эффективности преобразования энергии, генератор колебаний может обладать энергопотреблением в диапазоне от 1 до 200 кВт, от 1 до 150 кВт, 1 до 100 кВт или от 1 до 50 кВт. При подходящей интеграции в резонансно-усиленный вращательный бур устройство содержит генератор колебаний для применения осевой переменной нагрузки к вращающемуся буровому долоту; и один или несколько датчиков, при этом регулятор настроен на получение от одного или нескольких датчиков сигналов, представляющих прочность на сжатие (Us) материала, в котором осуществляется бурение, и регулировку частоты (f) и динамической силы (Fd) генератора колебаний с использованием механизма замкнутого контура обратной связи в режиме реального времени, в соответствии с изменениями прочности на сжатие (Us) материала, в котором осуществляется бурение. Согласно третьему аспекту настоящего изобретения представлен резонансно-усиленный вращательный бур, который подходит для использования с ранее описанными управляющим устройством и способом. Резонансно-усиленный вращательный бур содержит вращающееся буровое долото и генератор колебаний для применения осевой переменной нагрузки к вращающемуся буровому долоту, при этом генератор колебаний содержит пьезоэлектрический привод с механическим усилением, магнитострикционный привод, пневматический привод, или механический привод с электропитанием. Автор настоящего изобретения обнаружил, что многие типы генератора колебаний не обеспечивают необходимое усилие,длину хода и частоту для достижения высокой производительности резонансно-усиленного бурения с применением крупногабаритного устройства, такого как требуется в нефтедобывающей промышленности. Напротив, использование пьезоэлектрического привода с механическим усилением, магнитострикционного привода, пневматического привода или механического привода с электропитанием могут обеспечить необходимое усилие, длину хода и частоту для достижения высокой производительности бурения в различных типах пород. Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения представлена компьютерная программа, настроенная на осуществление способа согласно первому аспекту. Компьютерная программа может быть представлена в виде компьютерного программного обеспечения для использования в вышеописанном устройстве. Например, может быть записана на диск или микросхему для распространения и последующей загрузки в резонансно-усиленный вращательный бур согласно третьему аспекту изобретения. Краткое описание графических материалов Для лучшего понимания настоящего изобретения и для наглядного отображения осуществления данного изобретения далее в качестве примеров будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на сопроводительные графические материалы, на которых фиг. 1 изображает буровой модуль согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; фиг. 2(а) и (b) изображают графики, демонстрирующие необходимую минимальную частоту в зависимости от амплитуды колебаний для различных вибрационных масс и различных значений прочности на сжатие материала, в котором осуществляется бурение; фиг. 3 изображает график, демонстрирующий максимальную использующуюся частоту в зависимости от амплитуды колебаний для различных вибрационных масс для заданного источника энергии; и фиг. 4 изображает блок-схему, показывающую скважинный механизм замкнутого контура обратной связи в режиме реального времени. Подробное описание вариантов осуществления Фиг. 1 изображает наглядный пример модуля резонансно-усиленного вращательного бурения согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Буровой модуль оборудован вращающимся буровым долотом 1. Секция передачи колебаний 2 соединяет буровое долото 1 с генератором колебаний 3 для передачи колебаний, направленных по оси, от генератора колебаний к буровому долоту 1. Соединение 4 соединяет модуль с бурильной колонной 5 и выступает в роли виброизоляционного элемента для изоляции колебаний бурового модуля от бурильной колонны. В ходе бурения, вращающееся буровое долото вращается и динамическая нагрузка, направленная по оси, прикладывается к буровому долоту генератором колебаний для создания зоны распространения трещины для того, чтобы помочь прохождению вращающегося бурового долота сквозь материал. Генератор колебаний управляется в соответствии со способом, указанным в первом аспекте изобретения, как описано в разделе "Краткое изложение сущности изобретения". Диапазоны частоты и динамической силы основаны на следующем анализе. Прочность породы на сжатие задает нижнюю границу необходимого ударного воздействия. Минимальная необходимая амплитуда динамической силы рассчитывается следующим образом:Deff - эффективный диаметр вращающегося бурового долота, который равен диаметру D бурового долота, пересчитанному согласно части бурового долота, которая находится в контакте с материалом, в котором осуществляется бурение. Таким образом, эффективный диаметр Deff может рассчитываться как: где Scontact- масштабирующий коэффициент, соответствующий части бурового долота, которая находится в контакте с материалом, в котором осуществляется бурение. Например, при условии, что лишь 5% поверхности бурового долота находится в контакте с материалом, в котором осуществляется бурение,эффективный диаметр Deff может рассчитываться как Вышеупомянутые расчеты задают нижнюю границу динамической силы генератора колебаний. Применение динамической силы, превышающей данную нижнюю границу, при эксплуатации создает зону распространения трещины перед буровым долотом. Тем не менее, если динамическая сила слишком большая, зона распространения трещины будет распространяться на большое расстояние от бурового долота, ухудшая стабильность скважины и снижая качество скважины. Кроме этого, если динамическая сила, сообщаемая вращательному буру генератором колебаний, слишком большая, это может вызвать повышенный и приводящий к разрушению износ бурового инструмента и/или его отказ. Соответственно,верхняя граница динамической силы может рассчитываться как где SFd - масштабирующий коэффициент, превышающий 1. На практике SFd выбирают в зависимости от материала, в котором осуществляется бурение, обеспечивая, чтобы зона распространения трещины не удалялась слишком сильно от бурового долота, не ухудшалась стабильность скважины, и не снижалось качество скважины. Более того, SFd выбирают согласно устойчивости компонентов вращательного бура к ударным воздействиям генератора колебаний. Для некоторых применений выбирается значениеSFd, не превышающее 5, предпочтительно не превышающее 2, более предпочтительно не превышающее 1,5 и наиболее предпочтительно не превышающее 1,2. Низкие значения SFd (т.е., близкие к 1) обеспечат очень устойчивую и контролируемую зону распространения трещины и также повысят срок службы буровых компонентов за счет скорости распространения трещины. Таким образом, низкие значения SFd являются желательными в случае, если необходима очень стабильная, высококачественная скважина. С другой стороны, если важнее скорость распространения трещины, то может выбираться более высокое значение SFd. При ударных воздействиях генератора колебаний с периодомскорость бурового долота с массойm изменяется на величину v из-за контактного усилия F=F(t) где предполагается, что контактное усилие F(t) является гармоническим. Амплитуда усилия F(t) преимущественно превышает усилие Fd, необходимое для разрушения материала, в котором осуществляется бурение. Следовательно, нижняя граница изменения импульса может рассчитываться следующим образом: При условии, что буровое долото выполняет гармоническое движение между ударами, максимальная скорость бурового долота равна vm=A, где A - амплитуда колебания и =2f - его угловая частота. При условии, что удар происходит в момент, когда буровое долото имеет максимальную скорость vm, и что буровое долото при ударе останавливается, то v=vm=2Af. Соответственно, вибрационная масса выражается как Данное выражение содержит m, период удара. Длительность удара определяется многими факторами, включая свойства материала породы и инструмента, частоту ударов и другие параметры. Для простоты, за величину х принимается 1% от длительности периода колебания, то есть =0,01/f; Это приводит к нижней оценке частоты, которая может обеспечить достаточный импульс для ударов: Необходимая минимальная частота обратно пропорциональна квадратному корню амплитуды колебаний и массы долота. Вышеупомянутые расчеты задают нижнюю границу частоты генератора колебаний. Что касается параметра динамической силы, использование частоты, превышающей данную нижнюю границу, при эксплуатации создает зону распространения трещины перед буровым долотом. Тем не менее, если частота слишком большая, зона распространения трещины будет распространяться на большое расстояние от бурового долота, ухудшая стабильность скважины и снижая качество скважины. Кроме этого, если частота слишком большая, это может вызвать повышенный и приводящий к разрушению износ бурового инструмента и/или его отказ. Соответственно, верхняя граница частоты может рассчитываться как: где Sf - масштабирующий коэффициент, превышающий 1. Расчеты, подобные описанным выше относительно SFd, также применяются к некоторым значениям Sf. Таким образом, для некоторых применений выбирается значение Sf, не превышающее 5, предпочтительно, не превышающее 2, более предпочтительно, не превышающее 1,5 и наиболее предпочтительно, не превышающее 1,2. Помимо вышеупомянутых расчетов эксплуатационной частоты генератора колебаний, его преимуществом является то, что частота поддерживается в диапазоне, приближенном, но не выходящим за рамки условий пикового резонанса материала, в котором осуществляется бурение. То есть, частота преимущественно является достаточно высокой для того, чтобы приближаться к пиковому резонансу бурового долота, которое находится в контакте с материалом, в котором осуществляется бурение, и в то же время достаточно низкой, чтобы частота не превышала частоту, отвечающую условиям пикового резонанса,что может привести к значительному снижению амплитуды. Соответственно, Sf преимущественно выбирается из диапазона где fr - частота, соответствующая условиям пикового резонанса материала, в котором осуществляется бурение, и Sr - масштабирующий коэффициент, превышающий 1. Расчеты, подобные описанным выше относительно SFd и Sf, также применяются к некоторым значениям Sr. Для некоторых применений выбирается значение Sr, не превышающее 2, предпочтительно не превышающее 1,5 и более предпочтительно не превышающее 1,2. Высокие значения Sr позволяют использовать более низкие частоты, что может привести к образованию меньшей зоны распространения трещины и более низкой скорости распространения трещины. Более низкие значения S (т.е. близкие к 1) будут ограничивать частоту диапазоном, близким к условиям пикового резонанса, что может привести к образованию большей зоны распространения трещины и более высокой скорости распространения трещины. Тем не менее, если зона распространения трещины станет слишком большой, это может ухудшить стабильность скважины и снизить качество скважины. При бурении сквозь материалы, обладающими различными резонансными характеристиками, возникает проблема, которая заключается в том, что резонансные характеристики могут привести к тому,что эксплуатационная частота внезапно превысит условия пикового резонанса, что может привести к значительному снижению амплитуды. Для решения данной проблемы необходимо выбирать значение Sf,при котором где X - коэффициент безопасности, обеспечивающий то, что частота (f) не превышает частоту, отвечающую условиям пикового резонанса, в момент перехода между двумя различными материалами, в которых осуществляется бурение. В подобной конструкции частота может регулироваться для того, чтобы поддерживать ее в диапазоне, определенном выражением где коэффициент безопасности X обеспечивает то, что значение частоты является достаточно далеким от частоты, отвечающей условиям пикового резонанса для предотвращения внезапного превышения эксплуатационной частотой частоты, отвечающей условиям пикового резонанса при переходе от одного типа материала к другому, что может привести к значительному снижению амплитуды. Подобным образом может вводиться коэффициент безопасности для динамической силы. Напри-5 023760 мер, при воздействии значительной динамической силы на материал с высокой прочностью на сжатие и последующим возникновением перехода к материалу с более низкой прочностью на сжатие, это может привести к тому, что динамическая сила внезапно станет чрезмерной, что приведет к тому, что зона распространения трещины распространится далеко от бурового долота, ухудшая стабильность скважины и снижая качество скважины в местах перехода между материалами. Для решения данной проблемы необходимо использовать следующий диапазон динамической силы: где Y - коэффициент безопасности, обеспечивающий чтобы динамическая сила (Fd) не превышала пороговое значение, вызывающее приводящее к разрушению распространение трещин в местах перехода между двумя различными материалами, в которых осуществляется бурение. Коэффициент безопасностиY обеспечивает достаточно низкое значение динамической силы в случае внезапного перехода к материалу, который обладает низкой прочностью на сжатие, благодаря чему это не приведет к разрушительному расширению зоны распространения трещины и ухудшению стабильности скважины. Коэффициенты безопасности X и/или Y могут устанавливаться согласно предполагаемым изменениям типа материала и скорости возможного изменения частоты и динамической силы при обнаружении изменения типа материала. Таким образом, один или оба коэффициента X и Y предпочтительно регулируются согласно предполагаемым изменениям прочности на сжатие (Us) материала, в котором осуществляется бурение, и скорости возможного изменения частоты (f) и динамической силы (Fd) при обнаружении изменения прочности на сжатие (Us) материала, в котором осуществляется бурение. Типичные диапазоны значений X включают: Xfr/100; Xfr/50; или Xfr/10. Типичные диапазоны значений Y включают YSFd[(/4)D2effUs]/100; YSFd[(/4)D2effUs]/50 или YSFd[(/4)D2effUs]/10. Варианты осуществления, которые используют данные коэффициенты безопасности, могут рассматриваться как компромисс между работой в оптимальных условиях эксплуатации для каждого материала структуры, состоящей из различных пластов, и обеспечением плавного перехода на границах между каждым слоем материала для поддержания стабильности скважины на данных границах. Описанные ранее варианты осуществления настоящего изобретения применимы для любых размеров бура или материала, в котором осуществляется бурение. Более конкретные варианты осуществления относятся к бурению в горных породах, в частности, в горных породах с переменным составом, которые могут встречаться при глубоком бурении при использовании в нефтедобывающей, газодобывающей и горнодобывающей промышленности. Остается невыясненным, какие числовые значения годятся для бурения сквозь подобные горные породы. Прочность на сжатие горных пород имеет широкий диапазон, от примерно Us=70 МПа для песчаника до Us=230 МПа для гранита. В масштабном бурении, таком как требуется в нефтедобывающей промышленности, диаметр бурового долота варьируется от 90 до 800 мм (от 3,5 до 32 дюймов). Если лишь 5% поверхности бурового долота находится в контакте со скальной породой, то наименьшее значение требуемой динамической силы составляет примерно 20 кН (при использовании бурового долота диаметром 90 мм для бурения в песчанике). Подобным образом, наибольшее значение требуемой динамической силы составляет примерно 6000 кН (при использовании бурового долота диаметром 800 мм для бурения в граните). Таким образом, для бурения в горных породах, динамическая сила предпочтительно регулируется и поддерживается в диапазоне от 20 до 6000 кН в зависимости от диаметра бурового долота. Так как большое количество энергии поглощается для передачи генератору колебаний динамической силы величиной 6000 кН, может быть выгодно для многих применений использовать изобретение с диаметром бурового долота от малого до среднего. Например, использование бурового долота диаметром от 90 до 400 мм дает в результате эксплуатационный диапазон от 20 до 1500 кН. Дальнейшее уменьшение диапазона диаметра бурового долота предоставляет предпочтительный диапазон динамической силы от 20 до 1000 кН, более предпочтительно - от 40 до 500 кН, еще более предпочтительно - от 50 до 300 кН. Нижняя оценка необходимой для смещения амплитуды колебаний должна обеспечить явно большие колебания, чем смещения от ударов какого-либо долота небольшого размера, вызванные неоднородностью скальной породы. Таким образом, амплитуда колебания преимущественно равняется по меньшей мере 1 мм. Соответственно амплитуда колебания генератора колебаний может поддерживаться в диапазоне от 1 до 10 мм, более предпочтительно, от 1 до 5 мм. Для крупногабаритного бурового оборудования вибрационная масса может составлять от 10 до 1000 кг. Практически осуществимый диапазон частоты для подобного крупногабаритного бурового оборудования составляет не более нескольких сотен Герц. Таким образом, при выборе подходящего значения диаметра бурового долота, вибрационной массы и амплитуды колебания в пределах ранее описанных границ частота (f) генератора колебаний может регулироваться и поддерживаться в диапазоне от 100 до 500 Гц и одновременно обеспечивать достаточную динамическую силу для создания зоны распространения трещины в различных типах горных пород, а также являться достаточно высокой частотой для достижения эффекта резонанса. Фиг. 2(а) и (b) изображают графики, демонстрирующие необходимую минимальную частоту в зависимости от амплитуды колебаний для бурового долота диаметром 150 мм. График (а) построен для виб-6 023760 рационной массы m=10 кг, а график (b) построен для вибрационной массы m=30 кг. Нижние кривые соответствуют более мягким горным породам, а верхние кривые соответствуют породе с высокой прочностью на сжатие. Как видно на графиках, эксплуатационная частота от 100 до 500 Гц в зоне, расположенной над кривыми, обеспечит достаточно высокую частоту для образования зоны распространения трещины во всех типах породы при использовании амплитуды колебаний в диапазоне от 1 до 10 мм (от 0,1 до 1 см). Фиг. 3 изображает график, демонстрирующий максимальную использующуюся частоту в зависимости от амплитуды колебаний для различных вибрационных масс для заданного источника энергии. Данный график рассчитан для источника энергии мощностью 30 кВт, которая может вырабатываться в скважине гидравлическим забойным двигателем или турбиной, которые используются для передачи вращательного движения буровому долоту. Верхняя кривая соответствует вибрационной массе 10 кг, а нижняя кривая соответствует вибрационной массе 50 кг. Как видно на графике, диапазон частоты от 100 до 500 Гц доступен для амплитуды колебаний в диапазоне от 1 до 10 мм (от 0,1 до 1 см). Регулятор может быть настроен на осуществление ранее описанного способа и встроен в модуль резонансно-усиленного вращательного бурения, такой, как изображен на фиг. 1. Кроме того, модуль резонансно-усиленного вращательного бурения может быть снабжен одним или несколькими датчиками,которые отслеживают прочность на сжатие материала, в котором осуществляется бурение, либо напрямую, либо опосредованно, и предоставляет регулятору сигналы, показывающие прочность на сжатие материала, в котором осуществляется бурение. Регулятор сконфигурирован таким образом, чтобы получать сигналы от датчиков и регулировать частоту (f) и динамическую силу (Fd) генератора колебаний при помощи механизма замкнутого контура обратной связи в режиме реального времени согласно изменениям прочности на сжатие (Us) материала, в котором осуществляется бурение. Практически осуществимым может являться предоставление компьютера, расположенного на поверхности, который обрабатывает сигналы, полученные от датчиков, расположенных в скважине, и затем передает сигналы управления обратно в скважину для управления головкой бура. Тем не менее, этого будет сложно добиться на практике при глубоком бурении, так как передача сигналов между поверхностью и нижней частью скважины не происходит прямолинейно и также может быть довольно медленной. В качестве альтернативы, возможно расположить сенсорные, обрабатывающие и управляющие элементы механизма обратной связи в скважине, за пределами узла головки бура. Однако на практике, в скважине может быть мало пространства, а также механизм может подвергаться неблагоприятным физическим условиям. Соответственно, наилучшей конструкцией для обеспечения управления с обратной связью является размещение всех сенсорных, обрабатывающих и управляющих элементов механизма обратной связи в узле, расположенном в скважине, например, внутри головки бура. Данная конструкция является наиболее компактной, обеспечивает более быструю обратную связь и ускоренный отклик на изменения условий резонанса, а также позволяет изготавливать головки бура с интегрированным управлением с обратной связью, так что головки бура могут вставляться в существующие бурильные колонны, не требуя замены всей буровой системы. Таким образом, согласно одной предпочтительной конструкции, предоставляется головка резонансно-усиленного вращательного бура, которая содержит вращающееся буровое долото, генератор колебаний, один или несколько датчиков, вычислительное устройство и регулятор,при этом вычислительное устройство приспособлено для получения сигналов от одного или нескольких датчиков, обработки сигналов и отправки одного или нескольких выходных сигналов регулятору для управления частотой, динамической силой и/или амплитудой генератора колебаний. Головка бура предпочтительно может присоединяться к бурильной колонне с помощью амортизационного механизма. Фиг. 4 изображает блок-схему, показывающую скважинный механизм замкнутого контура обратной связи в режиме реального времени. Предоставлены один или несколько датчиков 40 для слежения за частотой и амплитудой генератора колебаний 42. Вычислительное устройство 44 приспособлено для получения сигналов от одного или нескольких датчиков 40 и отправки одного или нескольких выходных сигналов регулятору 46 для управления частотой и амплитудой генератора колебаний 42. Источник энергии 48 присоединен к контуру обратной связи. Источником энергии 48 может быть гидравлический забойный двигатель или турбина, настроенные на производство электричества для контура обратной связи. На фигуре источник энергии изображен подключенным к регулятору генератора колебаний для предоставления переменной мощности генератору колебаний в зависимости от сигналов, полученных от вычислительного устройства. Однако источник энергии может присоединяться к любому или любым компонентам контура обратной связи. Компоненты с низким энергопотреблением, такие как датчики и вычислительное устройство, могут иметь собственный источник энергии в форме аккумуляторной батареи. Для крупногабаритного бурового оборудования, генератор колебаний преимущественно содержит пьезоэлектрический привод с механическим усилением, магнитострикционный привод, пневматический привод или механический привод с электропитанием. Было обнаружено, что данные приводы могут достигать желаемых диапазонов частоты, динамической силы, амплитуды колебаний и энергопотребления для использования с ранее описанным способом. Пневматические приводы используют изменение давления в камере для создания колебательного движения. Основная установка состоит из поршня, расположенного внутри цилиндра с двумя присоединенными каналами, впускным каналом и выпускным каналом, каждый из которых оснащен клапаном. Возвратно-поступательное движение поршня управляется газом (например, воздухом), который подается к каналам. Пневматические приводы, которые ранее использовались в качестве ударных устройств, обычно обладают слишком низкой рабочей частотой для использования в резонансно-усиленном вращательном бурении согласно определенным вариантам осуществления настоящего изобретения. Однако, для определенных применений, могут использоваться пневматические приводы с намного более высоким частотным диапазоном. Например, Martin Engineering производит пневматический вращательный вибратор для использования в качестве встряхивающего устройства в зернохранилищах для того, чтобы избежать прилипания зерен к стенкам зернохранилища и друг к другу, благодаря чему улучшается перемещение зерна. Вибратор использует внутреннюю несбалансированную массу, которая выполняет вращательное движение и приводится пневматической системой для того, чтобы обеспечивать множественные колебания при каждом обороте. Безопорная конструкция устраняет проблемы, связанные с износом и увеличивает срок службы генератора колебаний. Подобный генератор колебаний может применяться в вариантах осуществления настоящего изобретения. Пьезоэлектричество - это способность определенных кристаллов генерировать электрическое напряжение при воздействии механического усилия. Данный эффект является обратимым, поэтому данные материалы деформируются при воздействии внешнего электрического напряжения. Воздействие переменного напряжения вызывает колебательное движение пьезоэлектрического материала. Главной проблемой при использовании пьезоэлектрического генератора колебаний в вариантах осуществления настоящего изобретения является низкое механическое напряжение, т.е. низкая амплитуда колебания. Данный недостаток можно устранить, используя механическое усиление для того, чтобы образовывать смещения, превышающие 1 мм. Механическое усиление может быть получено с помощью внешней эллиптической оболочки (например, изготовленной из нержавеющей стали), которая усиливает,в направлении вдоль малой оси, пьезоэлектрическую деформацию, которая происходит вдоль большой оси. Эллиптическая оболочка также защищает пьезоэлектрический материал от растягивающей нагрузки и также служит механическим устройством сопряжения для легкой установки в резонансно-усиленные вращательные буры согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Эллиптическая оболочка может воздействовать усилием предварительной нагрузки на пьезоэлектрический материал, обеспечивая более длительный срок эксплуатации и лучшую производительность, чем традиционные механические усилители, основанные на плече рычага и оси изгиба. Подобные усиленные пьезоэлектрические приводы поставляются компанией CEDRAT Technologies. Два или несколько приводов могут быть соединены последовательно для увеличения амплитуды колебания. Принцип работы магнитострикционных приводов заключается в том, что магнитострикционные материалы при воздействии внешнего магнитного поля, изменяют свое межатомное расстояние для того,чтобы минимизировать общую магнитоупругую энергию. Это дает в результате сравнительно высокое механическое напряжение. Следовательно, воздействие колеблющегося магнитного поля вызывает колебательное движение магнитострикционного материала. Магнитострикционные материалы могут подвергаться предварительной нагрузке, не направленной вдоль оси, так что атомные моменты заранее расположены перпендикулярно оси. Последующее воздействие сильного магнитного поля, параллельного оси, перенаправляет моменты параллельно полю, и данное последовательное обращение магнитных моментов приводит к механическому напряжению и вытягиванию материала параллельно полю. Подобные магнитострикционные приводы поставляются компаниями MagComp и Magnetic Components AB. Одним особенно предпочтительным приводом является РЕХ-30 компании Magnetic Components AB. Также предполагается, что могут применяться магнитные материалы с памятью формы, такие как сплавы с памятью формы, поскольку они могут обеспечить намного более мощное усилие и механические напряжения, чем наиболее распространенные магнитострикционные материалы. Собственно говоря,магнитные материалы с памятью формы не являются магнитострикционными. Тем не менее, поскольку они управляются магнитным полем, их необходимо рассматривать как магнитострикционные приводы при использовании в настоящем изобретении. Механический привод с электропитанием может использовать принцип двух масс, вращающихся эксцентрично для того, чтобы обеспечить необходимые осевые колебания. Подобный вибрационный модуль состоит из двух масс, которые выполняют эксцентричное встречное вращение и являются источником высокочастотных колебаний. Данная конструкция может обеспечивать значительное смещение(приблизительно 2 мм). Подходящие механические вибраторы, основанные на принципе масс, которые выполняют эксцентричное встречное вращение, поставляются компанией Vibratechniques Ltd. Одним из вибраторов, подходящим для определенных вариантов осуществления настоящего изобретения, является модель VR2510. Данный вибратор вращает эксцентричные массы с частотой 6000 об/мин, что соответствует эквивалентной частоте колебаний в 100 Гц. Общий вес устройства составляет 41 кг, и устройство способно создавать усилия до 24,5 кН. Энергопотребление устройства составляет 2,2 кВт. Применение вариантов осуществления настоящего изобретения включает бурение скважин, например бурение нефтяных скважин; добыча полезных ископаемых, например угля, алмазов и т.д.; бурение с поверхности, например дорожные работы и т.п.; и ручные буры, например строительные буры для домашнего использования, стоматологические буры и т.д. Преимущества вариантов осуществления настоящего изобретения включают повышенную скорость бурения; лучшую стабильность и качество скважины; меньшую нагрузку устройства, что приводит к увеличенному сроку эксплуатации; и повышенную эффективность, что снижает затраты на энергию. Хотя данное изобретение было изображено и описано со ссылками на предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области будет очевидно, что в форму и детали можно внести различные изменения, не выходя за пределы объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ управления резонансно-усиленным вращательным буром, который содержит вращающееся буровое долото и генератор колебаний для применения осевой переменной нагрузки к вращающемуся буровому долоту, при этом способ включает управление частотой (f) генератора колебаний в резонансно-усиленном вращательном буре, при этом частота (f) поддерживается в диапазоне где D - диаметр вращающегося бурового долота, Us - прочность на сжатие материала, в котором осуществляется бурение, A - амплитуда колебания, m - вибрационная масса и Sf - масштабирующий коэффициент, превышающий 1; и управление динамической силой (Fd) генератора колебаний в резонансно-усиленном вращательном буре, при этом динамическая сила (Fd) поддерживается в диапазоне где Deff - эффективный диаметр вращающегося бурового долота, Us - прочность на сжатие материала, в котором осуществляется бурение, и SFd - масштабирующий коэффициент, превышающий 1, при этом частотой (f) и динамической силой (Fd) генератора колебаний управляют с помощью слежения за сигналами, характеризующими прочность на сжатие (Us) материала, в котором осуществляется бурение,и регулировки частоты (f) и динамической силы (Fd) генератора колебаний с использованием механизма замкнутого контура обратной связи в режиме реального времени в соответствии с изменениями прочности на сжатие (Us) материала, в котором осуществляется бурение. 2. Способ по п.1, где Sf меньше 5, предпочтительно меньше 2, более предпочтительно меньше 1,5 и наиболее предпочтительно меньше 1,2. 3. Способ по п.1 или 2, где SFd меньше 5, предпочтительно меньше 2, более предпочтительно меньше 1,5 и наиболее предпочтительно меньше 1,2. 4. Способ по любому из предыдущих пунктов, где Sf выбирается таким образом, что где fr - частота, соответствующая условиям пикового резонанса материала, в котором осуществляется бурение. 5. Способ по п.4, где Sf выбирается таким образом, что где X - коэффициент безопасности, обеспечивающий то, что частота (f) не превышает частоту, отвечающую условиям пикового резонанса в момент перехода между двумя различными материалами, в которых осуществляется бурение. 6. Способ по п.4, где Xfr/100, более предпочтительно Xfr/50, еще более предпочтительно Xfr/10. 7. Способ по любому из предыдущих пунктов, где где Y - коэффициент безопасности, обеспечивающий то, что динамическая сила (Fd) не превышает пороговое значение, приводящее к разрушительному распространению трещин в местах перехода между двумя различными материалами, в которых осуществляется бурение. 8. Способ по п.7, где YSFd[(/4)D2effUs]/100, более предпочтительно YSFd[(/4)D2effUs]/50, еще более предпочтительно YSFd[(/4)D2effUs]/10. 9. Способ по любому из пп.5-8, где один или оба коэффициента X и Y регулируют согласно предполагаемым изменениям прочности на сжатие (Us) материала, в котором осуществляется бурение, и скорости возможного изменения частоты (f) и динамической силы (Fd) при обнаружении изменения прочности на сжатие (Us) материала, в котором осуществляется бурение. 10. Способ по любому из предыдущих пунктов, где частоту (f) генератора колебаний регулируют и поддерживают в диапазоне от 100 до 500 Гц. 11. Способ по любому из предыдущих пунктов, где динамическую силу (Fd) регулируют и поддерживают в диапазоне от 20 до 1000 кН, более предпочтительно от 40 до 500 кН, еще более предпочтительно от 50 до 300 кН. 12. Способ по любому из предыдущих пунктов, где способ также включает регулировку амплитуды колебания генератора колебаний с тем, чтобы поддерживать ее в диапазоне от 0,5 до 10 мм, более предпочтительно от 1 до 5 мм. 13. Способ по любому из предыдущих пунктов, где энергия подается к генератору колебаний от механизма, который обеспечивает вращательное движение бурового долота. 14. Способ по любому из предыдущих пунктов, где генератор колебаний обладает энергопотреблением в диапазоне от 5 до 200 кВт, от 5 до 150 кВт, от 5 до 100 кВт или от 5 до 50 кВт. 15. Устройство для резонансно-усиленного вращательного бурения, содержащее генератор колебаний для применения осевой переменной нагрузки к вращающемуся буровому долоту; регулятор для управления генератором колебаний и один или несколько датчиков для определения прочности на сжатие (Us) материала, в котором осуществляется бурение,где регулятор настроен на получение сигналов от одного или нескольких упомянутых датчиков и регулировку частоты (f) и динамической силы (Fd) генератора колебаний с использованием механизма замкнутого контура обратной связи в режиме реального времени, в соответствии с изменениями прочности на сжатие (Us) материала, в котором осуществляется бурение,при этом регулятор выполнен с возможностью управления вращательным буром в соответствии со способом согласно любому из пп.1-12. 16. Устройство по п.15, где генератор колебаний содержит пьезоэлектрический привод с механическим усилением, магнитострикционный привод, пневматический привод или механический привод с электропитанием. 17. Устройство по п.15 или 16, которое также содержит виброизоляционный элемент, который присоединяется к концу бурильной колонны, расположенному в скважине, благодаря чему устройство управляется по замкнутому контуру в режиме реального времени на основании данных, полученных из скважины. 18. Устройство по любому из пп.15-17, где регулятор сконфигурирован для поддержания частоты(f) генератора колебаний в диапазоне от 100 до 500 Гц на основании сигналов, полученных от одного или нескольких датчиков. 19. Устройство по любому из пп.15-18, где регулятор сконфигурирован для поддержания динамической силы (Fd) в диапазоне от 20 до 1000 кН, более предпочтительно от 40 до 500 кН, еще более предпочтительно от 50 до 300 кН. 20. Устройство по любому из пп.15-19, где регулятор сконфигурирован для поддержания амплитуды колебаний генератора колебаний в диапазоне от 0,5 до 10 мм, более предпочтительно от 1 до 5 мм. 21. Устройство по любому из пп.15-20, который также содержит механизм для передачи вращательного движения буровому долоту, при этом указанный механизм сконфигурирован для подачи энергии для передачи осевого движения генератора колебаний. 22. Устройство по любому из пп.15-21, где генератор колебаний обладает энергопотреблением в диапазоне от 1 до 200 кВт, от 1 до 150 кВт, от 1 до 100 кВт или от 1 до 50 кВт.