CN106939768A - 一种潜孔钻定向调整装置及其定向调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潜孔钻定向调整装置及其定向调整方法，包括设置在潜孔钻钻杆和冲击器之间的十字轴连接组件，所述十字轴连接组件包括十字轴上节、十字轴、十字轴下节和若干调整油缸，所述十字轴上节与潜孔钻钻杆固定对接，所述十字轴下节与冲击器固定对接，所述十字轴上节和十字轴下节之间通过十字轴呈万向连接，所述调整油缸连接设置在十字轴上节和十字轴下节之间，所述调整油缸分别相对于十字轴的两个轴线对称布置。本发明通过设置十字轴和调整油缸，可实现潜孔钻钻进方向的实时调整，提高了施工效率，保证了潜孔钻的正常功能，内部集成设置，可拆装维护，使用方便，可在普通的潜孔钻上进行改装使用。

Description

一种潜孔钻定向调整装置及其定向调整方法

技术领域

本发明属于潜孔钻技术领域，具体涉及一种潜孔钻定向调整装置及其定向调整方法。

背景技术

目前长管棚施工中管棚安装前的钻孔较多使用潜孔钻作为钻机，而长期困扰长管棚施工时一个问题就是管棚安装前的钻孔偏斜，冲击器作用在潜孔钻钻杆由上向下钻进，在遇到土质结构密度不同的部位或者钻进到岩石上时，钻杆因为外力的作用会发生钻孔偏斜。由于钻杆钻入到地下，钻杆发生偏斜后不容易发现，即使发现钻杆发生偏斜，其处理方式需要将冲击器连通钻杆一同从地下取出重新进行矫正钻孔，这种方式严重影响了潜孔钻的施工效率。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的潜孔钻存在的偏斜不易发现和偏斜矫正困难的缺陷，提供一种潜孔钻定向调整装置及其定向调整方法，实现潜孔钻定向调整钻孔方向，提高潜孔钻施工效率。

本发明采用如下技术方案实现：

一种潜孔钻定向调整装置，包括设置在潜孔钻钻杆和冲击器之间的十字轴连接组件，所述十字轴连接组件包括十字轴上节、十字轴、十字轴下节和若干调整油缸，所述十字轴上节与潜孔钻钻杆固定对接，所述十字轴下节与冲击器固定对接，所述十字轴上节和十字轴下节之间通过十字轴呈万向连接，所述调整油缸连接设置在十字轴上节和十字轴下节之间，所述调整油缸分别相对于十字轴的两个轴线对称布置。

进一步的，所述十字轴上节和十字轴下节内设有连通的气道和水道，所述气道靠近十字轴上节的一端与潜孔钻的气路管道连通，靠近十字轴下节的一端与冲击器连接，实现冲击器的气动驱动；所述水道与潜孔钻的出水管道连通，用于输出钻孔产生的泥水。

进一步的，所述十字轴上节和十字轴下节分别设有可拆卸的上接头和下接头，所述十字轴上节和十字轴下节分别通过所述上接头和下接头与潜孔钻钻杆和下接头连接，所述调整油缸连接的液压泵送模组和液压阀组集成设置在十字轴上节和上接头之间或十字轴下节和下接头之间的空腔内。

进一步的，所述液压泵送模组包括液压油泵和液压油箱，所述液压油泵采用风动马达作为动力源，所述风动马达通过所述气道供气。

本发明的一种潜孔钻定向调整装置中还包括姿态处理模组，所述姿态处理模组包括三轴倾角姿态处理器、三轴倾角传感器模块、姿态控制输出模块、姿态控制指令通讯模块和电源模块；

其中，所述三轴倾角传感器模块检测潜孔钻的实时钻进方向，所述三轴倾角传感器模块与三轴倾角姿态处理器以及姿态控制输出模块依次连接；

所述三轴倾角姿态处理器对比计算潜孔钻的实时钻进方向与设定钻进方向，并通过姿态控制输出模块连接至潜孔钻驱动控制模块和调整油缸的液压阀组控制模块；

所述电源模块对三轴倾角姿态处理器、三轴倾角传感器模块、姿态控制输出模块、姿态控制指令通讯模块进行供电。

进一步的，所述姿态处理模组封装设置在十字轴上节和上接头之间或十字轴下节和下接头之间的空腔内。

优选的，所述三轴倾角姿态处理器采用PIC/PLC/LPC控制器。

进一步的，所述姿态处理模组还包括姿态显示交互模块，所述姿态显示交互模块通过姿态控制指令通讯模块与三轴倾角姿态处理器连接，并设置在潜孔钻的外部。

本发明还公开了一种潜孔钻定向调整方法，其采用上述的潜孔钻定向调整装置，包括以下步骤：

第一步、系统置零，将四个调整油缸的状态置零，使潜孔钻的钻杆与冲击器处于同一轴线上；

第二步、初始状态检测设置，钻孔前通过三轴倾角传感器模块检测潜孔钻的钻杆姿态，将潜孔钻的钻杆初始钻进方向设置为设定钻进方向；

第三步、钻孔钻进，在钻进过程中对实时钻进方向进行钻进姿态检测，并与设定钻进方向进行对比，控制钻进姿态调整；

第四步、钻孔结束，从钻孔中退出潜孔钻及定向调整装置。

具体的，在第二步中，将潜孔钻的设定钻进方向与空间三坐标系的竖直坐标Z之间的夹角设定为θ，在第三步中，将潜孔钻的实时钻进方向与空间三坐标系的竖直坐标Z之间的夹角设定为θ＇，钻进过程中，将θ＇与θ进行对比；

当θ与θ＇的角度方向和角度大小与设定钻进方向与一致时，持续钻进；

当θ与θ＇的角度方向和角度大小中任一参数不一致时，通过如下条件进行姿态调整：

条件一、当实时钻进方向在水平坐标的Y方向不变，此时实时钻进方向只在水平坐标的X方向上偏转至X＇，此时只需调整Y方向同一侧的调整油缸使X＇回到设定钻进方向；

条件二、当实时钻进方向在水平坐标的X方向不变，此时实时钻进方向只在水平坐标的Y方向上偏转至Y＇，此时只需调整X方向同一侧的调整油缸使Y＇回到设定钻进方向；

条件三、当实时钻进方向在X、Y方向均发生变化，此时实时钻进方向在水平坐标系的X-Y的其中一个象限偏转至X-Y＇，此时分别调整X方向同一侧的调整油缸和Y方向同一侧的调整油缸，使X-Y＇回到设定钻进方向。

本发明通过设置十字轴和调整油缸，可实现潜孔钻钻进方向的实时调整，不需要将潜孔钻从地下取出进行矫正调整，提高了施工效率。并且装置的十字轴上节和十字轴下节上设置有对应的孔道，保证了潜孔钻的正常功能，内部集成设置，可拆装维护，使用方便，可在普通的潜孔钻上进行改装使用。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的潜孔钻定向调整装置的结构示意图。

图2为实施例中的调整油缸和十字轴的位置关系示意图。

图3为实施例中的姿态处理模组的示意图。

图4为实施例中的潜孔钻定向调整方法的流程示意图。

图中标号：1-潜孔钻钻杆，11-十字轴上节，12-上接头，101-气道，102-水道，2-冲击器，21-十字轴下节，22-下接头，201-气道，202-水道，3-十字轴，4-调整油缸，41-风动马达，42-液压泵送模组，43-液压阀组，5-姿态处理模组，51-三轴倾角姿态处理器，52-三轴倾角传感器模块，53-姿态控制输出模块，54-姿态控制指令通讯模块，55-姿态显示交互模块，56-电源模块。

具体实施方式

实施例

参见图1，图示中的潜孔钻定向调整装置为本发明的优选方案，具体包括十字轴上节11、上接头12、十字轴下节21、下接头22、十字轴3、调整油缸4、风动马达41、液压泵送模组42、液压阀组43、姿态处理模组5。其中十字轴上节11和上接头12构成整体与潜孔钻钻杆1对接，十字轴下节21和下接头22构成整体与潜孔钻的冲击器2对接，十字轴3将十字轴上节11和十字轴下节21呈万向连接。本实施例的潜孔钻钻杆和和冲击器之间利用十字轴联结的万向调节特性，实现潜孔钻钻杆1和冲击器2之间的任一角度调整，在潜孔钻的钻进方向出现偏斜时，调整潜孔钻钻杆和冲击器之间的角度，进而对潜孔钻偏斜时的定向调整。

潜孔钻钻杆1和冲击器2之间设置有定向调整装置，为了保证冲击器的气动动力以及排水功能，本实施例在十字轴上节11、上接头12以及十字轴下节21、下接头22上分别加工有连通的两组气道101、201和水道102、202，气道101与潜孔钻的气路管道连通，气道201与冲击器连接，实现冲击器的气动驱动；水道102、202串联在潜孔钻的出水管道上，用于输出钻孔产生的泥水。气道101、201之间和水道102、202之间分别通过可伸缩的柔性管道连接，以适应十字轴上节11和十字轴下节21之间的角度调整。

十字轴上节11和十字轴下节21之间在通过十字轴万向连接后，四周形成安装调整油缸4的间隙，通过四组调整油缸4连接十字轴上节11和十字轴下节21，配合十字轴实现定向调整的驱动力，调整油缸4沿潜孔钻钻杆1和冲击器2之间的轴向平行布置，四组调整油缸4分别设置在十字轴形成的四个平面坐标系象限内，并且分别相对于十字轴的两个轴线对称布置，调整油缸4和十字轴3之间的位置关系如图2所示，通过十字轴同一轴线两侧的调整油缸配合，可实现潜孔钻钻杆和冲击器之间沿该轴线方向的一个自由度的摆动，两个轴线两侧的四组调整油缸组合，则可实现潜孔钻和冲击器之间沿垂直的两个轴线方向的两个自由度摆动，进而实现潜孔钻和冲击器之间任意角度的定向调整。

调整油缸4的两端分别与十字轴上节11和十字轴下节21机械连接，优选将调整油缸4的安装方向统一设置，便于将四组调整油缸分别并联连接在同一液压泵送模组42和液压阀组43构成的液压回路上。本实施例将十字轴上节11内部设置成中空，上接头12与十字轴上节11之间可拆卸连接，液压泵送模组42和液压阀组43封装设置在上接头12和十字轴上节11之间的空腔内，液压泵送模组42包括集成设置的液压泵和油箱，为了便于驱动液压泵，液压泵与一同样封装在该空腔内的风动马达41动力连接，通过风道连接高压气源，由风动马达41带动液压泵工作。调整油缸4需要伸缩推动，本领域技术人员可根据液压换向油路进行设计液压阀组，本实施例在此不做赘述。

本实施例中的上接头12和下接头22分别通过可拆卸的连接方式，便于对装置内部进行调整维护。在十字轴下节21内部设置中空，与下接头22形成容纳设置姿态处理模组5，用于监测潜孔钻实时钻进方向与初始状态设定的钻进方向是否一致并输出相应的控制指令，同时向操作者发送状态参数并接收操作者的相关指令。

如图3所示，姿态处理模组5包括三轴倾角姿态处理器51、三轴倾角传感器模块52、姿态控制输出模块53、姿态控制指令通讯模块54、姿态显示交互模块55和电源模块56；其中，三轴倾角传感器模块52为带有空间XYZ三轴角度检测并输出的电路板，用于检测潜孔钻钻杆相对于空间三坐标系的空间角度，即潜孔钻钻杆的实时姿态或实时钻进方向，三轴倾角传感器模块52与三轴倾角姿态处理器51和姿态控制输出模块53依次连接；三轴倾角姿态处理器51采用PIC/PLC/LPC控制器中的一种，可通过编程实现对比计算潜孔钻的实时钻进方向与设定钻进方向，并通过姿态控制输出模块连接至潜孔钻驱动控制模块和调整油缸的液压阀组控制模块，根据分析对比实时钻进方向和设定钻进方向，发出控制调整油缸的姿态调整指令。

其中，三轴倾角姿态处理器51、三轴倾角传感器模块52、姿态控制输出模块53、姿态控制指令通讯模块54和电源模块56均封装在十字轴下节21和下接头22之间的空腔内，电源模块56对三轴倾角姿态处理器51、三轴倾角传感器模块52、姿态控制输出模块53、姿态控制指令通讯模块54进行供电。姿态显示交互模块55则通过姿态控制指令通讯模块54与三轴倾角姿态处理器51连接，并设置在潜孔钻的外部，由外部操作人员根据姿态显示交互模块55实时观测潜孔钻的钻进方向，并可在姿态显示交互模块55集成设置触摸屏或按键模块，实现姿态调整的交互设计，通过人工主动输入姿态调整指令，定向调整潜孔钻的钻进方向，姿态控制指令通讯模块54用于从三轴倾角姿态处理器51输出姿态信息并且向三轴倾角姿态处理器51输入外部姿态调整指令。

如图4所示，本实施例的上述潜孔钻定向调整装置的定向调整方法，包括以下步骤：

第一步、系统置零，将四个调整油缸的状态置零，由于在调整过程中，调整油缸可能需要伸出或收回，因此将调整油缸的置零位置设置在伸出油缸行程的二分之一，使潜孔钻的钻杆与冲击器处于同一轴线上；

第二步、初始状态检测设置，钻孔前通过三轴倾角传感器模块检测潜孔钻的钻杆姿态，将潜孔钻的钻杆初始钻进方向设置为设定钻进方向；

第三步、钻孔钻进，观察钻机工作状态，在钻进过程中对实时钻进方向进行钻进姿态检测，并与设定钻进方向进行对比，控制钻进姿态调整，必要时可暂停钻机旋转(冲击器可不停)，人工调整钻进方向；

第四步、钻孔结束，从钻孔中退出潜孔钻及定向调整装置，将十字轴及四个油缸冲洗干净并保持干燥，必要时将十字轴装配处及四个调整油缸等部位涂抹润滑油，不得将装置滞留孔内。

在自动定向调整潜孔钻的钻进方向过程中，其采用的自动控制过程如下：通过三轴姿态传感器模块将检测第二步中潜孔钻的设定钻进方向，并通过三轴倾角姿态处理器计算设定该钻进方向与空间三坐标系的竖直坐标Z之间的夹角设定为θ(该θ大于等于0°)，在第三步中，将三轴姿态传感器模块检测到的潜孔钻的实时钻进方向与空间三坐标系的竖直坐标Z之间的夹角设定为θ＇，钻进过程中，将θ＇与θ进行对比；

当θ与θ＇的角度方向和角度大小与设定钻进方向与一致时，持续钻进；

当θ与θ＇的角度方向和角度大小中任一参数不一致时，通过如下条件进行姿态调整：

条件一、当实时钻进方向在水平坐标的Y方向不变，此时实时钻进方向只在水平坐标的X方向上偏转至X＇，此时只需调整Y方向同一侧的两组调整油缸使X＇回到设定钻进方向；

条件二、当实时钻进方向在水平坐标的X方向不变，此时实时钻进方向只在水平坐标的Y方向上偏转至Y＇，此时只需调整X方向同一侧的两组调整油缸使Y＇回到设定钻进方向；

条件三、当实时钻进方向在X、Y方向均发生变化，此时实时钻进方向在水平坐标系的X-Y的其中一个象限偏转至X-Y＇，此时分别调整X方向同一侧的两组调整油缸和Y方向同一侧的两组调整油缸，使X-Y＇回到设定钻进方向。

钻进方向的角度方向和角度大小的变化均体现在实时钻进方向的偏斜，调整油缸的动作包括伸出调整和收回调整，在实时钻进方向偏斜的方向，可控制偏斜方向的调整油缸伸出，或者控制偏斜另一方向的调整油缸收回。

由于潜孔钻是在旋转中钻进的，在钻机的实时钻进方向与设定钻进方向一致时，实时钻机方向的变化值周期性的与设定钻进方向重合。由于钻机的钻进方向发生偏斜是一个渐变过程，本实施例根据周期性变化值与初始状态的重合程度及时调整钻机钻进方向。

以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种潜孔钻定向调整装置，其特征在于：包括设置在潜孔钻钻杆和冲击器之间的十字轴连接组件，所述十字轴连接组件包括十字轴上节、十字轴、十字轴下节和若干调整油缸，所述十字轴上节与潜孔钻钻杆固定对接，所述十字轴下节与冲击器固定对接，所述十字轴上节和十字轴下节之间通过十字轴呈万向连接，所述调整油缸连接设置在十字轴上节和十字轴下节之间，所述调整油缸分别相对于十字轴的两个轴线对称布置。

2.根据权利要求1所述的一种潜孔钻定向调整装置，所述十字轴上节和十字轴下节内设有连通的气道和水道，所述气道靠近十字轴上节的一端与潜孔钻的气路管道连通，靠近十字轴下节的一端与冲击器连接，实现冲击器的气动驱动；所述水道与潜孔钻的出水管道连通，用于输出钻孔产生的泥水。

3.根据权利要求2所述的一种潜孔钻定向调整装置，所述十字轴上节和十字轴下节分别设有可拆卸的上接头和下接头，所述十字轴上节和十字轴下节分别通过所述上接头和下接头与潜孔钻钻杆和下接头连接，所述调整油缸连接的液压泵送模组和液压阀组集成设置在十字轴上节和上接头之间或十字轴下节和下接头之间的空腔内。

4.根据权利要求3所述的一种潜孔钻定向调整装置，所述液压泵送模组包括液压油泵和液压油箱，所述液压油泵采用风动马达作为动力源，所述风动马达通过所述气道供气。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种潜孔钻定向调整装置，还包括姿态处理模组，所述姿态处理模组包括三轴倾角姿态处理器、三轴倾角传感器模块、姿态控制输出模块和电源模块；

所述三轴倾角传感器模块检测潜孔钻的实时钻进方向，所述三轴倾角传感器模块与三轴倾角姿态处理器以及姿态控制输出模块依次连接；

所述三轴倾角姿态处理器对比计算潜孔钻的实时钻进方向与设定钻进方向，并通过姿态控制输出模块连接至潜孔钻驱动控制模块和调整油缸的液压阀组控制模块；

所述电源模块对三轴倾角姿态处理器、三轴倾角传感器模块、姿态控制输出模块进行供电。

6.根据权利要求5所述的一种潜孔钻定向调整装置，所述三轴倾角姿态处理器采用PIC/PLC/LPC控制器。

7.根据权利要求6所述的一种潜孔钻定向调整装置，所述姿态处理模组还包括姿态显示交互模块，所述姿态显示交互模块通过姿态控制指令通讯模块与三轴倾角姿态处理器连接，并设置在潜孔钻的外部。

8.根据权利要求7所述的一种潜孔钻定向调整装置，所述姿态处理模组封装设置在十字轴上节和上接头之间或十字轴下节和下接头之间的空腔内。

9.一种潜孔钻定向调整方法，其特征在于采用权利要求5-8中的潜孔钻定向调整装置，包括以下步骤：

第一步、系统置零，将四个调整油缸的状态置零，使潜孔钻的钻杆与冲击器处于同一轴线上；

第二步、初始状态检测设置，钻孔前通过三轴倾角传感器模块检测潜孔钻的钻杆姿态，将潜孔钻的钻杆初始钻进方向设置为设定钻进方向；

第三步、钻孔钻进，在钻进过程中对实时钻进方向进行钻进姿态检测，并与设定钻进方向进行对比，控制钻进姿态调整；

第四步、钻孔结束，从钻孔中退出潜孔钻及定向调整装置。

10.根据权利要求9中所述的一种潜孔钻定向调整方法，在第二步中，将潜孔钻的设定钻进方向与空间三坐标系的竖直坐标Z之间的夹角设定为θ，在第三步中，将潜孔钻的实时钻进方向与空间三坐标系的竖直坐标Z之间的夹角设定为θ＇，钻进过程中，将θ＇与θ进行对比；

当θ与θ＇的角度方向和角度大小与设定钻进方向与一致时，持续钻进；

当θ与θ＇的角度方向和角度大小中任一参数不一致时，通过如下条件进行姿态调整：

条件一、当实时钻进方向在水平坐标的Y方向不变，此时实时钻进方向只在水平坐标的X方向上偏转至X＇，此时只需调整Y方向同一侧的调整油缸使X＇回到设定钻进方向；

条件二、当实时钻进方向在水平坐标的X方向不变，此时实时钻进方向只在水平坐标的Y方向上偏转至Y＇，此时只需调整X方向同一侧的调整油缸使Y＇回到设定钻进方向；

条件三、当实时钻进方向在X、Y方向均发生变化，此时实时钻进方向在水平坐标系的X-Y的其中一个象限偏转至X-Y＇，此时分别调整X方向同一侧的两组调整油缸和Y方向同一侧的两组调整油缸，使X-Y＇回到设定钻进方向。