CN1066100A - 大钻机钻进过程中钻头中心坐标实时测量 - Google Patents

Abstract

本发明是在大钻机钻进过程中进行井斜测量的 方法，它首次实现了大钻机钻进过程中钻头中心坐标 的实时测量。测量过程自动化程度高、精度高，可以 满足各种深度的大直径竖井井斜测量的精度要求，用 于指导大钻机钻进，并可作为钻井自动化的组成部 分。

Description

本发明所属技术领域：从解决问题的性质划分，属工程测量。本发明涉及的专业有：钻井工程，测量理论，电磁波测距理论与技术，计算机应用技术，电子技术，机械设计与制造技术。

本发明所指的竖井，是采用大钻机进行钻进的竖井，井直径几米至十几米，井深几十米至千余米。本发明所指的大钻机，是一种专门用于钻进大直径井筒的竖井钻机。中国现使用的大钻机，有中国制造的92型钻机和德国维尔特公司（WIRTH）制造的L40/400型钻机。

井斜测量，指测量竖井某一深度的井中心坐标。

曾实施和现实施的井斜测量方法，均是在大钻机钻进一定深度后停钻进行测量。方法分为钻杆内测量和井筒内超声波测量。钻杆内测量有代表性的仪器和方法是：KL4陀螺测斜仪;拉线法测大井井斜。井筒内超声波测量有代表性的仪器是：SUGI-A竖井几何参数测量仪。

对本发明的理解、检索、审查有参考作用的现有技术文件有：大地测量学、工程测量学（郑州解放军测绘学院、武汉测绘科技大学均有教科书）;电磁波测距原理（测绘出版社曾出版）;L40/400钻机（89810部队资料室存书）;SUGI-A竖井几何参数测量仪（曾获上海市科学技术进步成果二等浆）;拉线法测大井井斜（获1986年国防科工委科技术进步五等奖）;KL4陀螺测斜仪（和L40/400钻机同时从德国进口，该仪器已停用多年）。另外，有计算机应用技术;电子技术;机械设计与制造技术。

本发明的目的：实施大钻机钻进过程中实时测量钻头的中心坐标，指导大钻机钻进，提高钻进效率，保障钻进质量。同时，对大钻机实施实时测量，也是实现大钻机钻进自动化的一个重要环节。

本发明的内容

本发明的基本特征是利用装置于井壁上的电磁波测距仪，对钻进中的大钻机钻杆实施距离测量，采用微机处理数据，得到钻进中钻头的中心坐标。

本发明的基本原理是：大钻机通过地面装置驱动钻杆转动，钻杆带动钻头转动，靠钻压并通过钻头上的刀具破岩钻进。钻头重量约300吨，钻杆重量几吨至几十吨，钻压一般为几十吨，因此，钻杆承受的拉力大于200吨。由于钻杆的中心线不可能和钻头中心与地面转盘中心的连线重合，而一定的时间内，钻压，转速是恒定的，因此，钻杆的中心线必然是绕着钻头中心与地面转盘中心的连线转动，钻杆中心线上任一点的轨迹都是圆，圆心处于转盘中心与钻头中心的连线上。本发明通过连续地测量出钻杆上某一截面的中心坐标，进一步得出轨迹圆的圆心坐标。当已知两个轨迹圆的圆心坐标和两圆心及钻头中心每两者的相对距离时，即可知钻头中心的坐标。

本发明的内容

（一）、通过测距求钻头中心坐标

在竖井的水位线上最少设置两层测距仪。每层设置三台仪器，每两台仪器与井中心的夹角为120度，以地面井中心为坐标原点，以井场控制十字线为独立坐标系。设，第一层三台仪器的中心点分别为N1，N2，N3，坐标分别为：（XN1，YN1），（XN2，YN2），（XN3，YN3），三台仪器发射光线的方位角分别为：AN1，AN2，AN3;在钻杆上的测量点分别为1，2，3，测距仪测得与钻杆的距离分别为SN1，SN2，SN3;钻杆中心点为O1，坐标为（a1，b1），如附图（1）所示。

钻杆上测量点1，2，3的坐标为：

X1＝XN1+SN1·CosAN1  X2＝XN2+SN2·CosAN2

Y1＝YN1+SN1·SinAN1  Y2＝YN2+SN2·SinAN2

X3＝XN3+SN3CosAN3

Y3＝YN3+SN3SinAN3

钻杆中心01点的坐标为：

（X1-a1）²+（Y1-b1）²＝（X2-a1）²+（Y2-b1）²

（X2-a1）²+（Y2-b1）²＝（X3-a1）²+（Y3-b1）²

解方程，得：

a1＝[X3²-X2²+Y3²-Y2²-2b1（y1-y2）]/[2（X3-X2）]

b1＝[（X2²-X1²+Y2²-Y1²）（X3-X2）-（X3²-X2²+Y3²-Y2²）（X2-X1）]/[2（Y2-Y3）（X2-X1）-2（Y1-Y2）（X3-X2）]

同理，设第二层三台仪器的中心分别为：N4，N5，N6，坐标分别为：（XN4，YN4），（XN5，YN5），（XN6，YN6），方位角分别为：AN4，AN5，AN6;在钻杆上的测量点为：4，5，6，坐标为：（X4，Y4），（X5，Y5），（X6，Y6），测距仪实测距离为SN4，SN5，SN6;钻杆中心点为02，坐标为（a2，b2），有：

X4＝XN4+SN4·CosAN4  X5＝XN5+SN5·CosAN5

Y4＝YN4+SN4·SinAN4  Y5＝YN5+SN5·SinAN5

X6＝XN6+SN6·CosAN6

Y6＝YN6+SN6·SinAN6

a2＝[X6²-X5²+Y6²-Y5²+2·b2（Y4-Y5）]/[2·（X6-X5）]

b2＝[（X5²-X4²+Y5²-Y4²）（X6-X5）-（X6²-X5²+Y6²-Y5²）（X5-X4）]/[2·（Y5-Y6）（X5-X4）-2·（Y4-Y5）（X6-X5）]

设：第一层仪器与第二层仪器的距离为S1，第二层仪器与钻头中心的距离为S2，钻头中心坐标为（X0，Y0）。

有：

X0＝a2+ (S2)/(S1) （a2-a1）Y0＝b2+ (S2)/(S1) （b2-b1）

（二）、测距仪的技术特征与防护要求

1、测距仪的技术特征：测距仪发射的光线在钻杆上的光斑点直径不大于1毫米，每个测距数据的中误差不大于1毫米。测距仪工作主要靠漫反射的光波。测距仪的最小测距长度不大于0.4米，最大测距长度不小于8米。精测测距分辨率为0.1毫米，精测长度不小于0.1米;粗测分辨率0.01米。设测距时粗测长度为D1，精测长度为D2，则测距长度为：D＝D1+D2，其中D1取0.0位以前的数，D2取0.00位以后的数。测距仪每测一组数据外光路工作时间不大于0.3秒。测距仪安装后，仪器俯仰角不大1.5度;发射的光线相对于钻杆中心左右偏离不大于5毫米。

由于大钻机在钻时过程中，钻杆中心线的位移不可能超过0.01米，外风管钻杆的风管直径不大于0.07米，因此，测距仪在每次开机后，它测得的距离变化不可能大于0.08米。故，测距仪的逻辑设计程序为：开机后按指令进行粗测，粗测的数据存储起来。工作过程的程序是只进行精测，利用存储的粗测数据进行计算，提供测量的距离。

2、测距仪的防护措施：由于在井筒的同一平面上设置了三台测距仪，井筒内空间较小，每台测距仪除了接收本台仪器发射光波的漫反射光波外，还可能接收到另外两台仪器发射的经几次反射后的漫反射光，虽然这些光波已严重衰减，但仍然可能干扰本台仪器的工作。因此，在测距仪物镜前面设置一道电磁门，电磁门直径等于物镜孔径，距物镜前端约10-20厘米。

测距仪安装在竖井的自然水位上方（此水位应以全年最高水位为准）。由于大钻机采用循环水洗井，当进入井内的水量大于从井内排出的水量时，井内的水位就可能高出自然水位而淹没测距仪。因此，在井的自然水位线上设置水位监测器和报警装置，在向井内注水的管道上设置电磁阀门和手动阀门，当竖井的实际水位到达控制水位时，微机控制电磁阀门自动断水;当控制装置失灵，水位到达警戒水位时，手动关闭阀门。同时，注水管道在井内的出水口设置在下层测距仪的下方。

井下测距仪安装后，工作时间可能是数月或数年，为防止降雨造成雨水沿井壁下流淹湿测距仪和仪器受灰尘侵蚀，应将测距仪设置在一个设有电磁门的密闭仪器箱内，降雨天和仪器不工作时关闭电磁门，工作时间打开电磁门，此电磁门亦是仪器防干扰电磁门。同时，在井口周围建防水设施（如挖沟建堤），防止地面水灌入竖井，造成实际水位上升淹没仪器。

（三）、利用校验管确定测距仪坐标和发射光线的方位角

测量钻头的中心坐标，必须首先测定测距仪的中心坐标和发射光线的方位角。由于竖井内的条件限制，用常规的测量方法对测距仪中心坐标和发射光线方位角进行测量，无法满足精度要求。本发明利用校验管反求测距仪的中心坐标和发射光线方位角。

制造一个校验管，当校验管被悬吊在竖井内时，校验管的中心线垂直于水平面。在地面上，使用经纬仪对悬吊管的标准管进行角度测量，确定校验管的中心坐标。在竖井内，用测距仪对校给管进行测量，反求测距仪的中心坐标和发射光线和方位角。

在以井中心为坐标原点的十字坐标线上，布设M1，M2，M3，M4四个点。在M1，M3上架设两台经纬仪，分别以M2，M4为后视方向，通过观测标准管两外侧切线方向的方向值，求得校验管中心方向的方向值。这样，就可以得到∠M2M1P，∠M4M3P，如图（2）所示，可得到P点坐标。

XP＝SM3P·Sin（∠M4M3P+90°）

YP＝SM1P·Sin（∠M2M1P+180°）

SPM1＝SM1M3·Sin∠PM1M3/Sin∠M3PM1

SPM3＝SM1M3·Sin∠PM1M3/Sin∠M3PM1

其中：∠M3M1P＝∠M3M10+（180°-∠M2M1P）

∠M1M3P＝∠M1M30+（∠M4M3P-180°）

∠M3M10＝|arctg（YM3/XM1）|

∠M1M30＝｜arctg（XM1/YM3）｜

同理，当坐标十字线上M1，M2，M3，M4不同于图（2）所示的位置时，要根据测量理论变化上述公式。

在求得P点坐标的同时，测距仪亦同时测量与校验管的距离。当已知校验管中心在三个不同位置的坐标和测距仪相对三个不同位置的距离时，可反求得出测距仪的中心坐标。

设校验管半径为R。当校验管中心在P1点，坐标为（XP1，YP1）。测距仪在N1点测得距离为SN11时，如图（3）所示，有：

R²＝（XN11-XP1）²+（YN11-YP1）²

而：XN11＝XN1+SN11·CosAN1  YN11＝YN1+SN11·SinAN1

简化，得：XN1²+YN1²+（2·SN11·CosAN1-2·XP1）XN1+（2·SN11·SinAN1-2·YP1）YN1+XP1²+YP1²+SN11²-2·XP1·SN11·CosAN1-2·YP1·SN11·SinAN1-R²＝0

设：K1＝2·SN11·CosAN1-2·XP1，K2＝2·SN11·SinAN1-2·YP1，K3＝XP1²+YP1²+SN11²-2·XP1·SN11·CosAN1-2·YP1·SN11·SinAN1-R²，

得：XN1²+YN1²+K1·XN1+K2·YN1+k3＝0

同理，当校验管中心在P2，P3点，坐标为（XP2，YP2），（XP3，YP3），测距仪测得距离分别为SN12，SN13，设：

K4＝2·SN12·CosAN1-2·XP2，K5＝2·SN12·SinAN1-2·YP2，

K6＝XP2²+YP2²+SN12²-2·XP2·SN12·CosAN1-2·YP2·SN12·SinAN1-R²

K7＝2·SN13·SinAN1-2·XP3，K8＝2·SN13·SinAN1-2·YP3

K9＝XP3²+YP3²+SN13²-2·XP3·SN13·CosAN1-2·YP3·SN13·SinAN1-R²

得：XN1²+YN1²+K4·XN1+K5·YN1+K6＝0

XN1²+YN1²+K7·XN1+K8·YN1+K9＝0

解方程：XN1²+YN1²+K1·XN1+K2·YN1+K3＝0

XN1²+YN1²+K4·XN1+K5·YN1+K6＝0

XN1²+YN1²+K7·XN1+K8·YN1+K9＝0

简化，得：

（k1-k4）XN1+（K2-K5）YN1+K3-K6＝0

（K4-K7）XN1+（K5-K8）YN1+K6-K9＝0

解得：

XN1＝-[（K2-K5）YN1+（K3-K6）]/（K1-K4）

YN1＝[（K4-K7）（K3-K6）-（K1-K4）（K6-K9）]/[（K5-K8）（K1-K4）-（K4-K7）（K2-K5）]

解法为：先设定一个AN1的数值，计算XN1，YN1以后，逐次迭加给AN1一个△AN1的值，直到得出的XN1，YN1相邻两个差值小于0.1毫米时为止，此时的AN1，YN1，XN1即为所求的解。

由上述公式可以得出：校验管直径的大小与求解测距仪中心坐标和发射光线的方位角没有关系。校验管三个不同位置相互间的距离越近，求解出的XN1，YN1，AN1的精度越低。

N2，N3，N4，N5，N6各点的坐标和发射光线的方位角求解方法，与求解N1的坐标和方位角的方法相同。

（四）、校验管的技术特性和设计图

校验管的技术特性为：（1）、校验管垂直度小于0.1毫米。当校验管垂直度大于0.1毫米时，能进行垂直校正。垂直校正的方法：在校验管下面连接的锥体上加减调重螺杆。（2）校验管与标准管的同心度小于0.2毫米。同心度大于0.2毫米时要能进行坐标改正。坐标改正的方法是：在地面上对标准管、校验管用经纬仪进行测量，计算出坐标改正数值。（3）、校验管的不圆度小于0.1毫米。（4）校验管直径在井直径3米以下时，取井直径的1/3。在井直径3米以上时，取井直径1/4～1/5。

附图（4）为校验管结构图和技术要求。

（五）、校验管中心坐标的测量

通过测量校验管标准管的中心坐标，从而确定校验管的中心坐标。

在图（2）中，M1，M2，M3，M4的布点要求为：M1，M3距井中心距离为5-8米，M2，M4距井中心距离为25-35米，点位误差不大于±2毫米。

测量要求：当校验管在每层测距仪能测量的位置上时，分别测量三个不同位置的中心坐标为一测量过程，在经纬仪测量的同时，测距仪也开展工作，测出距各个位置的距离。共测量三个过程，测距仪中心坐标和发射光线的方位角以三个过程的中数为准。

为了减小测距仪的中心坐标和发射光线方位角的相对误差，在每个测量过程中，经纬仪不能移动位置（包括重新对心）。

经纬仪采用2秒级仪器，每测量一个位置用6个测回。方向值较差限差10秒，2C较差限差20秒。

（六）、计算机数据处理与控制

计算机数据处理，指大钻机地面操作室设置一台主计算机，集中采集井下测距仪测量的距离数据，进行数据运算处理。数据处理的内容有：测距仪中心坐标和发射光线的方位角与精度评定;测距数据的比较与取舍;钻头中心坐标与精度评价;实时井深数据;数据库。

计算机控制指为钻进过程中实时测量所必须的环节进行控制，控制内容有：测距仪精测和粗测控制;测深控制;测量阶段和测量间隔控制;电磁阀门控制。

计算机数据处理与控制作为一个独立的系统时，可有主机直接显示数据处理和控制的情况;当作为大钻机钻井自动化的一个环节时，可有钻井自动化系统主计算机统一进行数据处理与控制。

计算机数据处理的内容：

（1）、测距仪中心坐标和方位角及精度评定的数据处理。

对测距仪进行数据处理的顺序为：N1，N2，N3，N4，N5，N6，并按上述顺序进行三次数据处理，三次数据处理的结果分别取中数，并根据数据较差进行精度评定，公式为：

较差：△XN1i＝XN1i-XN1，△YN1i＝YN1i-YN1……△XN6i＝XN6i-XN6，YN6i＝YN6i-YN6

由于测距仪中心坐标和发射光线的方位角是固定的，在一口竖井的钻进过程中，进行数据处理将是有限次，因此，该数据处理的程序可作为一个子程序，也可作为一个单独程序。附图（5）为每次数据处理的程序框图。

（2）、测距数据的比较与取舍

由于外风管钻杆的外面有一根直径约60毫米的风管，必须进行数据取舍，舍去测距光线落在风管上的数据。

数据取舍的方法为：在大钻机钻进前，对静止的钻杆进行测距，此时测距仪在钻杆上的测距点不能在风管上，每台测距仪取得的测距数据为初标准数据。大钻机钻进过程中，每台测距仪的测距数据与初标准数据进行比较，制定一个合理的限差，舍去超过限差的数据。每六台测距仪测量的6个数据为一组数据，每组数据有一个数据超限时，该组数据就不能参加钻头中心坐标的运算。当一组数据的每个数据都不超限时，该组数据的每个数据均与它的初标准数据取中数，作为下组数据进行比较取舍的初标准数据。

数据比较的限差制定，应考虑到风管直径，钻杆的不圆度，外光路精测时间，实时井深等，并结合测斜经验。一般情况下限差取2～3毫米。

数据比较与取舍的处理程序，是钻头中心坐标数据处理的子程序，程序框图见附图（6）。

（3）、钻头中心坐标与精度评价的数据处理

钻头中心坐标，取50组经比较后的测距数据，计算50组钻头中心坐标数据，取中数。

精度评价指评价钻头中心的中误差与井深的比值。钻头中心坐标中误差有系统误差和偶然误差两部分组成。系统误差的影响在确定测距仪中心坐标和发射光线方位角时已经评价。偶然误差可有较差计算，公式为：

较差：△X0i＝X0i-X0，△Y0i＝Y0i-Y0

钻头中心坐标中误差与井深的比值为：

$\mathrm{MX}/S2=\±\sqrt{{(\mathrm{MXN}/S1)}^2+{(\mathrm{MXO}/S2)}^2}$ $\mathrm{MY}/S2=\±\sqrt{{(\mathrm{MYN}/S1)}^2+{(\mathrm{MYO}/S2)}^2}$

钻头中心坐标与精度评价计算机数据处理程序框图见附图（7）

（4）、实时井深数据

实时井深数据有每次开钻时的井深和钻进中实时进尺组成。公式为： $S2=\mathrm{SO}+\underset{i=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Si}$ ，其中，∞指每次开钻至停钻时采集数据的次数，S0是每次开钻时的实际井深，此时所指的井深均是以第二层测距仪为起点。

（5）、数据库

数据库的主要作用是实时采集井深、钻头中心坐标、精度评价的数据。如认为有必要，还可以实时采集时间，钻压等信息。

计算机控制内容

（1）、精测和粗测控制。精测和粗测的实施都有主机控制。粗测有主机指令控制，粗测次数为每个过程外光路连续测量500次，经处理的粗测数据存测距仪的存贮器内，作为测距使用。精测有主机设定程序控制，外光路精测每个过程连续测量200次。精测结合存贮器内的粗测数据进行运算，向主机提供测距数据。

（2）、测深控制。测深控制采用指令控制。在每次钻进开始前，通过人机对话，向计算机下达是否设定S0，测长器是否工作的指令。测长器用来测量主钢丝绳下放的长度。主钢丝绳下放长度Li与钻进进尺Si的关系为： $\underset{i=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Si}=K\·\mathrm{Li}$ ，K是常数。

（3）、测量阶段与测量间隔控制。

测量阶段采用程序控制，测距仪每向主机提供50组经比较取舍符合限差要求的数据，为一个测量阶段。测量间隔采用程序控制和指令控制两种方式，在正常的情况下，采取程序控制，测量的间隔为每进尺0.1米-0.5米;当钻进需要时（如钻进过程中偏斜较大或实施纠偏），可指令控制缩短测量间隔或进行连续测量。

（4）、电磁阀门控制。测距仪窗口的电磁阀门采取程序控制。向竖井内注水管道的电磁阀门采取程序控制，指令控制两种方式。程序控制是根据水位监测提供的信息控制电磁阀门的开与闭;指令控制是防备水位监测器失灵而采取的一种控制措施。

六、本发明与现有技术相比所具有的技术优点

现有测量井斜技术均要进行停钻测量。停钻测量首先要提、放钻杆并实施测量，一般需要数天时间。直到今天，井斜测量仍是在大钻机钻进几十米后才进行一次测量。由于测量点少和测量数据相对于钻进实施时间置后，存在着以下问题：（一）影响大钻机的钻进效率。竖井偏斜的产生，与钻机的钻压，下放速度，钻头转速，地质情况等参数及钻机的特点有一定的规律。由于不能实时得到准确的井斜数据，钻进方案只能根据以住的经验和某一地质段的地质情况制定较为保守的、具有恒定参数的钻进方案，无法根据井斜数据和地质情况制定出参数可变的合理方案，严重地影响钻进效率。（二）由于井斜数据无法实时得到，出现较大的井斜亦无法及时采取措施，会造成钻出的竖井质量不高甚至报废;或为纠偏对已成井筒用钻头进行井壁磨转纠偏造成很大的经济损失;或为保证钻进质量采取保守钻进而造成巨大的经济浪费。（三）停钻测斜一般要占用数天时间，浪费钻进时间。

本发明首次解决了大钻机钻进过程中钻头中心坐标的实时测量，与现有的井斜测量技术相比，具有不占用钻进时间，测量点多，实时测量，能指导大钻机钻进，提高钻进效率，保障钻进质量。同时本发明也解决了钻井自动化的一个重要问题。

本发明所涉及的技术问题均是目前能够解决的技术问题。经纬仪，计算机，电磁阀门均有技术成熟的商品出售;测长器，水位监测器亦是容易解决的问题;校验管的加工属机械加工中的一般加工;依靠散射光工作的测距仪，目前已有测程200米，分辨率1-3毫米，精度3毫米，技术成熟的商品测距仪;将测程改为8米，分辨率0.1毫米，精度不大于1毫米，是现有技术能够解决的问题。

七、实施例

大钻机钻进过程中钻头中心坐标实时测量的实施，要根据竖井的自然水位深度，竖井深度，井斜要求，大钻机特点，仪器设备的技术指标等制定实施方案。

（一）500米以内深度的竖井，采用布设两层仪器，两层仪器的间隔距离5-10米。钻头中心坐标中误差与井深之比不大于五千分之一。

1、在建导井时，预先建好放置测距仪的井壁洞，在井壁的洞内安装好仪器箱，在仪器箱内装置好测距仪并使测距仪的发射光线方向指向井中心，仪器的俯仰角不大于±1.5度。将循环水通道入井的出水口，设置在下层测距仪下方1.5米以下的位置。装置好电磁阀门和手动阀门，阀门设置在易于维修的地方。在自然水位线上方设置控制水位线，在控制水位线上设置水位监测仪。在控制水位线上方设置警戒水位线，在警戒水位线上设置报警器。将各个仪器、设施的电缆线通过预留的电缆管道引到地面主计算机上。

2、测深装置是通过测量主绞车放出的钢丝绳长度再计算深度进尺。测量钢丝绳长度的测长器，装置在主绞车放出的钢丝绳通过的第一个滑轮上，通过计算滑轮转动的圈数来计算钢丝绳长度。

3、校验管的直度、圆度直接关系到井下测距仪中心坐标和发射光线方位角的精度，最终关系到钻头中心坐标和测量精度。因此，校验管要正确使用和妥善保管。校验管由40吨汽车吊或塔吊空中对接组装。标准管和悬吊管，有40吨汽车吊或塔吊悬吊上节、人工托举下节对接。校验管先放置在事先做好的一个架子上，架子有人工托举的把手，通过托举架子而托举校验管，空中对接。校验管入井要仔细，不能与井壁相撞。

4、在水位深度允许的情况下，第一层测距仪要设置在转盘下方4.5米以下的位置，以避开4.5米长的方型转杆，保障测量的连续性。

5、主计算机可以按设置的程序进行数据处理和控制，还能根据指令进行数据处理和控制。主计算机显示屏要实时显示钻头中心坐标等数据和仪器工作状态。由于程序编制和设置要根据仪器、设备情况进行，还要进行现场调试，在此无法列出具体程序。

（二）竖井深度超过500米时，两层测距仪的间隔要大于10米。由于竖井在不同的地理位置水位深度不同，在某些地方，大钻机转盘4.5米以下无法布设两层间隔10米的测距仪，此时，应提高转盘的高度。如果大钻机转盘高度提高后仍不能满足要求或无法提高转盘的高度，可以在5米以上间隔内布设三层测距仪。设第一层测得钻杆中心的坐标为（a1，b1），第二层测得钻杆的中心坐标为（a2，b2），第三层测得钻杆的中心坐标为（a3，b3），第一层与第二层间距为S1，第二层与第三层的间距为S2，第三层与钻头中心间距为S3，钻头中心坐标的计算公式为：

a0＝（P1·X10+P2·X20+X30）/（P1+P2+1）

b0＝（P1·Y10+P2·Y20+Y30）/（P1+P2+1）

其中：P1＝S1/（S1+S2），P2＝S2/（S1+S2），P3＝1

X10＝（S1+S2+S3）·（a2-a1）/S1+a1

Y10＝（S1+S2+S3）·（b2-b1）/S1+b1

X30＝（S1+S2+S3）·（a3-a1）（S1+S2）/+a1

Y30＝（S1+S2+S3）·（b3-b1）（S1+S2）/+b1

X20＝（S2+S3）·（a3-a2）/S2+a2

Y20＝（S2+S3）·（b3-b2）/S2+b2

关于仪器的设置等情况与本实施例（一）中相同

（三）、几十米或一百余米的竖井，钻头中心坐标精度的要求是井深的一千分之一至二千分之一。此种情况可布设两层测距仪，每层布设两台仪器，两层的间距要大于10米。求解钻头中心坐标亦可利用公式：

（x1-a1）²+（y1-b1）²＝R²（x3-a2）²+（y3-b2）²＝R²

（x2-a1）²+（y2-b1）²＝R²（x4-a2）²+（y4-b2）²＝R²

此时，R是钻杆半径，为常数。其测距仪中心坐标和发射光线方位角的求解方法及仪器设置等情况与本实施例（一）相同。

八、附图说明

在附图（4）中，图4-1是悬吊管套管，图4-2是悬吊管，图4-3是悬吊管与套管的连接穿杆，图4-4是活动接头，图4-5是活动接头上封盖，图4-6是校验管上顶盖板，图4-7是活动接头下封盖，图4-8是校验管，图4-9是校验管下盖板，图4-10是校验管方向调整锥。

Claims (6)

1、本发明的特征是：大钻机钻进过程中，钻杆中心线上任一点的转动轨迹，均是以转盘中心和钻头中心连线为中心的圆。将电磁波测距仪装置于竖井井壁上，利用校验管确定测距仪中心坐标和发射光线方位角，通过测距仪测量与钻杆表面的距离和测深装置提供的实时井深数据，求解钻杆的中心坐标，进一步求解钻头的中心坐标。为了测距仪安全、可靠的工作，设置了仪器箱、发射光线可控窗口，将循环水入井的管道口设置在最下层测距仪下方、并设置水位监测、水位报警、水位控制装置。

2、权利要求1中所述的：“将电磁波测距仪装置于竖井的井壁上”，其特征是：在竖井的自然水位线上方的井壁上，最少设置两层测距仪，每层最少设置两台测距仪。每台测距仪均指向钻杆的中心方向。每层测距仪的每台仪器均指向钻杆的同一截面上，该截面与钻杆的中心线垂直。测距仪依靠钻杆的反射、散射波工作。

3、权利要求1中所述的“利用校验管确定测距仪中心坐标和发射光线方位角”，其特征是：校验管为一个圆柱体，当将它悬吊于竖井内时，校验管处于铅垂线方向，每层测距仪的每台仪器都可以测得它与校验管的距离，或每层测距仪可以分别测得它与校验管的距离。在地面上可以用经纬仪确定校验管中心线的平面坐标。当校验管在三个不同的位置时，测距仪分别测量三个距离数据，地面上分别测量三组坐标数据，通过数学运算，确定测距仪的中心坐标和发射光线的方位角。

4、权利要求1中所述的“测深装置提供的实时井深数据”，特征为：通过测量主绞车纲丝绳收或放的长度，经过数据处理，得到实时井深数据。

5、权利要求1所述的“为了测距仪安全可靠地工作，设置了仪器箱，发射光线可控窗口，将循环水入井的管道口设置在最下层测距仪下方，并设置水位监测、水位报警、水位控制装置”，特征为：测距仪装置于密闭的仪器箱内，在仪器物镜前端设置可以开、闭的囱口，此窗口在仪器工作时打开，仪器不工作时关闭。循环水入井的管道口设置在最下层测距仪的下方，装置电磁阀门和手动阀门;在自然水位线上设置水位监测器，当水位到达控制水位时，微机控制电磁阀门关闭;在最下层测距仪下方，控制水位线上方设置报警装置，当水位到达警戒水位时，报警装置报警，人工关闭手动阀门。

6、权利要求1中所述的“通过测距仪测量与钻杆表面的距离和测深装置提供的实时井深数据，求解钻杆的中心坐标，进一步求解钻头的中心坐标”，其特征是：对一瞬间而言，通过测距仪测量的数据求解出的是钻杆的中心坐标。对一个过程而言，求解出的是钻杆中心线轨道的圆心坐标。利用相似三角形原理，求解出钻头中心的坐标。

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