CN104060982B - 测距式井下钻孔开孔方位角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测距式井下钻孔开孔方位角测量方法，在过巷道中线且与水平面垂直的竖直平面内布置三个测距传感基准节点，以其中一个基准节点作为坐标原点O，建立右手直角坐标系，另两基准节点处于xoy平面内，并在巷帮钻场再布置两个测距传感定位节点，两测距传感定位节点的连线平行于钻孔开孔直线，然后测量基准节点两两之间距离、两定位节点之间距离和每一定位节点与每一基准节点之间距离，以及钻孔开孔倾角，根据所测数据，计算得到待测钻孔开孔方位角；可在数平方米范围内的钻场内，经过一次安装后，多次进行使用，而不必频繁移动，可以实现实时测量显示开孔方位角，具有较高的测量灵活性和普遍适用性。

Description

测距式井下钻孔开孔方位角测量方法

技术领域

本发明涉及井下钻孔作业领域，特别涉及一种测距式井下钻孔开孔方位角测量方法。

背景技术

在井下进行重要钻探工程时，往往需要对钻孔的钻进方向进行精度设计。井下钻孔参数主要有三个：钻孔方位角、钻孔倾角及钻孔孔深度，在施工时，钻机置于巷道内部，向侧壁打钻，其中，钻孔倾角和钻孔孔深度可通过现有测量器直接测量得到，而钻进的方位角难以直接测得，通常用与巷道中线的夹角来表示，与巷道中线的夹角具体为：开孔钻杆(或开孔直线)水平面的投影与巷道中线在水平面的投影之间的夹角，其中，开孔钻杆(或开孔直线)为露出巷道壁但尚未拆钻的钻杆。在巷道顶部一般每隔一段距离会有一个标记点，这些标记点的连线就是巷道中线，巷道中线不一定与水平面平行，其方位角在挖掘巷道时已经由现有光学方法较为准确的测定。

现有技术中，常见的测量开孔钻杆水平面的投影与巷道中线在水平面的投影之间的夹角的方位主要有以下几种：一种是吊线法，此方法为最为原始的纯手工方法，工具是量角器、坡度规以及几根棉线，这种方法操作复杂、读数误差大、认为因素影响大，但由于尚未发展出有效、可靠、便捷的测量方法，这种测量方法仍然一直在使用；另一种是地质罗盘法，地面常见的地磁式罗盘拿到井下使用，由于井下巷道内，尤其是钻机附近铁磁性物质众多，钻杆本身也带有磁性，将会对罗盘产生极大干扰，因此这种方法的测量误差极大；还有一种手动式激光标线法：利用激光发散性小的特点，将巷道中线平行移动到开孔钻杆附近，然后手工移动机械臂，对准参考激光，测量机械臂的转动角度即可得到待测夹角，这种测量方法及其所用设备，操作仍然较为复杂，并同时伴有手动对准过程，但人为因素影响会带来很大的人为误差，且不够普及。

并且，井下钻孔一般按钻场施工，即在数平方米范围内，略微移动钻机，调整钻进方向，集中钻几十甚至上百个孔，但上述几种方法均需要一次测量一次安装，需要频繁的移动，测量灵活性不高，从而会影响测量效率，增加劳动成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一测距式井下钻孔开孔方位角测量方法，不仅操作简便，实现容易，而且可减少人为误差，提高测量精度，另外，还可在数平方米范围内的钻场内，一次安装，多次使用，而不必频繁移动，可以实现实时测量显示开孔方位角，具有较高的测量灵活性和普遍适用性。

本发明的测距式井下钻孔开孔方位角测量方法，包括以下步骤：

在过巷道中线且与水平面垂直的竖直平面内布置三个测距传感基准节点，三个基准节点均不在同一直线上，以其中一个基准节点作为坐标原点O，构建竖直向下与水平面垂直的x轴，y轴处于x轴与巷道中线构成的平面内且与x轴垂直，z轴随x轴、y轴确定，建立右手直角坐标系，另两基准节点处于xoy平面内；

在巷帮钻场再布置两个测距传感定位节点，两测距传感定位节点的连线平行于钻孔开孔直线；

测量基准节点两两之间距离、两定位节点之间距离和每一定位节点与每一基准节点之间距离，以及钻孔开孔倾角；

根据所测数据，计算得到待测钻孔开孔方位角。

进一步，所述钻孔开孔方位角通过下列算式计算得出：

设钻孔开孔方位角为γ，γ为两定位节点连线在水平面的投影与xoy平面的夹角，设钻孔开孔倾角为θ，θ为两定位节点连线与水平面的夹角，设原点O处基准节点为A，另两基准节点为B、C，两定位节点为J、K，测得测得基准节点A、B、C两两之间距离分别为D_AB,D_BC,D_AC，定位节点J、K之间的距离为D_JK，定位节点J与基准节点A、B、C的距离分别为D_JA,D_JB,D_JC，定位节点K与基准节点A、B、C的距离分别为D_KA,D_KB,D_KC；

则，在所述右手直角坐标系内，基准节点A坐标为(0，0,0)，基准节点B坐标为(0，D_AB，0)，基准节点C坐标为(D_ACsinβ，D_ACcosβ，0)，定位节点J坐标为(x_J，y_J，z_J)，定位节点K坐标为(x_K，y_K，z_K)，设∠ABC为β，且

根据空间坐标系两点距离公式：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_J-0)}^2+{(y_J-0)}^2+{(z_J-0)}^2=D_{JA}^2\\ {(x_J-0)}^2+{(y_J-D_{AB})}^2+{(z_J-0)}^2=D_{JB}^2\\ {(x_J-D_{AC}\sin \mathrm{\β})}^2+{(y_J-D_{AC}\cos \mathrm{\β})}^2+{(z_J-0)}^2=D_{JC}^2\end{array}\right.$

得，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_J=\frac{D_{JA}^2-D_{JC}^2+D_{AC}^2}{2D_{AC}\sin \mathrm{\β}}-\frac{D_{JA}^2-D_{JB}^2+D_{AB}^2}{2D_{AB}\sin \mathrm{\β}}\cos \mathrm{\β}\\ y_J=\frac{D_{JA}^2-D_{JB}^2+D_{AB}^2}{2D_{AB}}\\ z_J=\±\sqrt{D_{JA}^2-(x_J^2+y_J^2)}\end{array}\right.;$

同理可求得K点(x_K，y_K，z_K)坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_K-0)}^2+{(y_K-0)}^2+{(z_K-0)}^2=D_{KA}^2\\ {(x_K-0)}^2+{(y_K-D_{AB})}^2+{(z_K-0)}^2=D_{KB}^2\\ {(x_K-D_{AC}\sin \mathrm{\β})}^2+{(y_K-D_{AC}\cos \mathrm{\β})}^2+{(z_K-0)}^2=D_{KC}^2\end{array}\right.$

得，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_K=\frac{D_{KA}^2-D_{KC}^2+D_{AC}^2}{2D_{AC}\sin \mathrm{\β}}-\frac{D_{KA}^2-D_{KB}^2+D_{AB}^2}{2D_{AB}\sin \mathrm{\β}}\cos \mathrm{\β}\\ y_K=\frac{D_{KA}^2-D_{KB}^2+D_{AB}^2}{2D_{AB}}\\ z_K=\±\sqrt{D_{KA}^2-(x_K^2+y_K^2)}\end{array}\right.;$

根据几何关系有：

所述坐标原点O为基准节点A，另两基准节点为基准节点B和基准节点C，两定位节点分别为定位节点J和定位节点K。

本发明的有益效果：本发明的测距式井下钻孔开孔方位角测量方法，通过多点测距来定位开孔钻杆所在直线，构建空间直角坐标系，测量各节点之间距离及钻杆倾角即可计算得出钻孔开孔方位角，方法简单可靠，易于操作，且在各节点定位后，无需繁琐的手动操作，减少人为因素影响，具有相当高的测量精度；而且，可在数平方米范围内的钻场内，经过一次安装后，多次进行使用，而不必频繁移动，可以实现实时测量显示开孔方位角，具有较高的测量灵活性和普遍适用性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的测距式井下钻孔开孔方位角测量方法的实施例流程示意图；

图2为本发明的测距式井下钻孔开孔方位角测量方法的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示：本实施例的本发明的测距式井下钻孔开孔方位角测量方法，包括以下步骤：

在过巷道中线且与水平面垂直的竖直平面内布置三个测距传感基准节点，三个基准节点均不在同一直线上，以其中一个基准节点作为坐标原点O，构建竖直向下与水平面垂直的x轴，y轴处于x轴与巷道中线构成的平面内且与x轴垂直，z轴随x轴、y轴确定，建立右手直角坐标系，另两基准节点处于xoy平面内；

在巷帮钻场再布置两个测距传感定位节点，两测距传感定位节点的连线平行于钻孔开孔直线；

测量基准节点两两之间距离、两定位节点之间距离和每一定位节点与每一基准节点之间距离，以及钻孔开孔倾角；

根据所测数据，计算得到待测钻孔开孔方位角。

如图2所示，本实施例中，所述钻孔开孔方位角通过下列算式计算得出：

设钻孔开孔方位角为γ，γ为两定位节点连线在水平面的投影与xoy平面的夹角，设钻孔开孔倾角为θ，θ为两定位节点连线与水平面的夹角，设原点O处基准节点为A，另两基准节点为B、C，两定位节点为J、K，测得测得基准节点A、B、C两两之间距离分别为D_AB,D_BC,D_AC，定位节点J、K之间的距离为D_JK，定位节点J与基准节点A、B、C的距离分别为D_JA,D_JB,D_JC，定位节点K与基准节点A、B、C的距离分别为D_KA,D_KB,D_KC；

则，在所述右手直角坐标系内，基准节点A坐标为(0，0,0)，基准节点B坐标为(0，D_AB，0)，基准节点C坐标为(D_ACsinβ，D_ACcosβ，0)，定位节点J坐标为(x_J，y_J，z_J)，定位节点K坐标为(x_K，y_K，z_K)，设∠ABC为β，且

根据空间坐标系两点距离公式：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_J-0)}^2+{(y_J-0)}^2+{(z_J-0)}^2=D_{JA}^2\\ {(x_J-0)}^2+{(y_J-D_{AB})}^2+{(z_J-0)}^2=D_{JB}^2\\ {(x_J-D_{AC}\sin \mathrm{\β})}^2+{(y_J-D_{AC}\cos \mathrm{\β})}^2+{(z_J-0)}^2=D_{JC}^2\end{array}\right.$

得，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_J=\frac{D_{JA}^2-D_{JC}^2+D_{AC}^2}{2D_{AC}\sin \mathrm{\β}}-\frac{D_{JA}^2-D_{JB}^2+D_{AB}^2}{2D_{AB}\sin \mathrm{\β}}\cos \mathrm{\β}\\ y_J=\frac{D_{JA}^2-D_{JB}^2+D_{AB}^2}{2D_{AB}}\\ z_J=\±\sqrt{D_{JA}^2-(x_J^2+y_J^2)}\end{array}\right.;$

同理可求得K点(x_K，y_K，z_K)坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_K-0)}^2+{(y_K-0)}^2+{(z_K-0)}^2=D_{KA}^2\\ {(x_K-0)}^2+{(y_K-D_{AB})}^2+{(z_K-0)}^2=D_{KB}^2\\ {(x_K-D_{AC}\sin \mathrm{\β})}^2+{(y_K-D_{AC}\cos \mathrm{\β})}^2+{(z_K-0)}^2=D_{KC}^2\end{array}\right.$

得，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_K=\frac{D_{KA}^2-D_{KC}^2+D_{AC}^2}{2D_{AC}\sin \mathrm{\β}}-\frac{D_{KA}^2-D_{KB}^2+D_{AB}^2}{2D_{AB}\sin \mathrm{\β}}\cos \mathrm{\β}\\ y_K=\frac{D_{KA}^2-D_{KB}^2+D_{AB}^2}{2D_{AB}}\\ z_K=\±\sqrt{D_{KA}^2-(x_K^2+y_K^2)}\end{array}\right.;$

根据几何关系有：从而可最终得出钻孔开孔方位角的值。

所述坐标原点O为基准节点A，另两基准节点为基准节点B和基准节点C，两定位节点分别为定位节点J和定位节点K。

本实施例中，基准节点和定位节点点采用球体结构，通过拉线悬挂的方式进行定位。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种测距式井下钻孔开孔方位角测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

在过巷道中线且与水平面垂直的竖直平面内布置三个测距传感基准节点，三个基准节点均不在同一直线上，以其中一个基准节点作为坐标原点O，构建竖直向下与水平面垂直的x轴，y轴处于x轴与巷道中线构成的平面内且与x轴垂直，z轴随x轴、y轴确定，建立右手直角坐标系，另两基准节点处于xoy平面内；

在巷帮钻场再布置两个测距传感定位节点，两测距传感定位节点的连线平行于钻孔开孔直线；

测量基准节点两两之间距离、两定位节点之间距离和每一定位节点与每一基准节点之间距离，以及钻孔开孔倾角；

根据所测数据，计算得到待测钻孔开孔方位角。

2.根据权利要求1所述的测距式井下钻孔开孔方位角测量方法，其特征在于：所述钻孔开孔方位角通过下列算式计算得出：

设钻孔开孔方位角为γ，γ为两定位节点连线在水平面的投影与xoy平面的夹角，设钻孔开孔倾角为θ，θ为两定位节点连线与水平面的夹角，设原点O处基准节点为A，另两基准节点为B、C，两定位节点为J、K，测得测得基准节点A、B、C两两之间距离分别为D_AB,D_BC,D_AC，定位节点J、K之间的距离为D_JK，定位节点J与基准节点A、B、C的距离分别为D_JA,D_JB,D_JC，定位节点K与基准节点A、B、C的距离分别为D_KA,D_KB,D_KC；

则，在所述右手直角坐标系内，基准节点A坐标为(0，0,0)，基准节点B坐标为(0，D_AB，0)，基准节点C坐标为(D_ACsinβ，D_ACcosβ，0)，定位节点J坐标为(x_J，y_J，z_J)，定位节点K坐标为(x_K，y_K，z_K)，设∠ABC为β，且

根据空间坐标系两点距离公式：

$\left\{\begin{array}{c}{\left(x_J-0\right)}^2+{\left(y_J-0\right)}^2+{\left(z_J-0\right)}^2=D_{JA}^2\\ {\left(x_J-0\right)}^2+{\left(y_J-D_{AB}\right)}^2+{\left(z_J-0\right)}^2=D_{JB}^2\\ {\left(x_J-D_{AC}\sin \mathrm{\β}\right)}^2+{\left(y_J-D_{AC}\cos \mathrm{\β}\right)}^2+{\left(z_J-0\right)}^2=D_{JC}^2\end{array}\right.$

得，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_J=\frac{D_{JA}^2-D_{JC}^2+D_{AC}^2}{2D_{AC}\sin \mathrm{\β}}-\frac{D_{JA}^2-D_{JB}^2+D_{AB}^2}{2D_{AB}\sin \mathrm{\β}}\cos \mathrm{\β}\\ y_J=\frac{D_{JA}^2-D_{JB}^2+D_{AB}^2}{2D_{AB}}\\ z_J=\±\sqrt{D_{JA}^2-\left(x_J^2+y_J^2\right)}\end{array}\right.;$

同理可求得K点(x_K，y_K，z_K)坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{\left(x_K-0\right)}^2+{\left(y_K-0\right)}^2+{\left(z_K-0\right)}^2=D_{KA}^2\\ {\left(x_K-0\right)}^2+{\left(y_K-D_{AB}\right)}^2+{\left(z_K-0\right)}^2=D_{KB}^2\\ {\left(x_K-D_{AC}\sin \mathrm{\β}\right)}^2+{\left(y_K-D_{AC}\cos \mathrm{\β}\right)}^2+{\left(z_K-0\right)}^2=D_{KC}^2\end{array}\right.$

得，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_K=\frac{D_{KA}^2-D_{KC}^2+D_{AC}^2}{2D_{AC}\sin \mathrm{\β}}-\frac{D_{KA}^2-D_{KB}^2+D_{AB}^2}{2D_{AB}\sin \mathrm{\β}}\cos \mathrm{\β}\\ y_K=\frac{D_{KA}^2-D_{KB}^2+D_{AB}^2}{2D_{AB}}\\ z_K=\±\sqrt{D_{KA}^2-\left(x_K^2+y_K^2\right)}\end{array}\right.;$

根据几何关系有：

所述坐标原点O为基准节点A，另两基准节点为基准节点B和基准节点C，两定位节点分别为定位节点J和定位节点K。