CN110847882B - 一种用于实现钻探城市地下空间的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于实现钻探城市地下空间的系统及方法，包括：地面控制模块，其用于在钻具到达目标钻探位置时，发送包含不同类型发射器对应的发射角度、频率和功率的发射控制指令；井下发射模块，其用于基于发射控制指令，控制其内部各类发射器调整到对应的发射角度后，按照相应发射频率和功率，分别发射与发射器的类型对应的含有地下地层信息的发射信号；地面接收模块，其响应同类型的发射信号并将响应结果传输至地面控制模块，以由地面控制模块接收所有响应结果，并从中解析出地下地层信息，得到城市地下空间的地层信息和管道设施分布信息。本发明不需要大量的地面装置和放炮，能够探测到井眼周边到地表全部深度的信息。

Description

一种用于实现钻探城市地下空间的系统及方法

技术领域

本发明涉及城市地下空间的测绘领域，具体地说，是涉及一种用于实现钻探城市地下空间的系统及方法。

背景技术

随着城市的不断发展、部分城市功能不断向城市地下转移，例如供电、供水、排污、地铁、通讯等。但是由于城市地下经过多年的建设，特别是一些历史名城，地下更是经过几百年甚至上千年的建设，这些城市地下具有非常复杂的各类建设和施工的遗迹。依据已有的城市地下空间建设的数据，已经很难完整和精细的反应城市地下空间的各类建设和遗迹信息。因此，为了不断进行的城市地下空间的建设，需要建立一个完整的数据库，涵盖尽量多的城市地下空间信息。基于以上原因，需要对城市的地下空间进行探测，获得尽量多的数据信息，便于建立城市地下空间的数据库。这里的城市地下空间需要探测的深度一般在200米以内就足够满足城市建设的需要。

由于城市地面上的大量建筑和人群活动，如何有效的探测这些地下空间的各类建设和施工的情况，变得非常困难。特别是很难直接使用成熟的在石油、矿产开发中广泛应用的物探和钻井勘探手段。这些技术手段虽然可以精确的探测地面以下一定深度的地层信息，但是需要在地面放炮施工或者进行大规模的钻井施工。

现有技术的探测部分全部在地面，例如：在地面进行某一地区大范围的地下地层探测最为常用的技术手段：物探作业。物探作业主要是采用在某一区域的地表布置大量的地震检波器，然后在该区域放炮，人工在该区域地层产生地震。地表布置大量的地震检波器检测到地下各地层反射回来的地震波，这些地震波经过分析处理得到地层的各种信息。该现有技术由于需要放炮和地面大面积放置地震检波器，无法在人口稠密的城市中使用。

另外一种现有技术是将探测仪器全部放置在井下。具体通过钻机，将钻头和一根根钻杆连接起来或者采用连续管替代钻杆携带钻头，不断向地层深处钻探，然后，下入多芯电缆测井仪器，测量井筒周边的地层信息。现有技术也有将仪器设计成可以连接在钻杆或者连续管与钻头之间，称之为随钻测井仪器，实现边钻边测。

上述现有技术都是已井筒周边的地层探测为主要目标，探测深度相对较浅，例如：石油天然气开发使用的多芯电缆测井系列仪器和随钻测井仪器，其在井筒内的探测深度只有几十厘米到几米的探测距距离。这是因为，这些仪器都是采用自发自收的原理，信号源到接收源的距离受到仪器长度的限制，探测深度非常有限，而且难以满足城市地下空间200米深度的全部地层信息的探测。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于实现钻探城市地下空间的系统，包括：地面控制模块，其用于在钻具到达目标钻探位置的情况下，向井下发送发射控制指令，该指令包含针对不同类型发射器的包括发射角度、频率和功率的参数信息，以及在接收到发射信号的响应结果后，从中解析出目标钻探位置到地表的地下地层信息，进而得到用于探测城市地下空间的地层信息和管道设施分布信息；井下发射模块，其用于接收并解析所述发射控制指令，在控制其内部各类型的发射器调整到对应的发射角度后，按照相应的发射频率和功率，分别发射与发射器类型对应的发射信号；地面接收模块，其具备针对不同类型的发射器所对应的多个接收器，所述接收器响应同类型的所述发射信号并将含有地下地层信息的响应结果传输至所述地面控制模块。

优选地，所述井下发射模块包括：发射控制单元，其构成为接收所述发射控制指令，从中筛选出不同类型发射器的发射参数信息，将所述发射参数信息按照发射器类型进行解析，并为每类发射器配置相应的发射参数信息；第一/二/三类发射器，其与所述发射控制单元连接，构成为获取并解析当前发射器对应类型的发射参数信息，使得所述第一/二/三类发射器将其内部的工具面角调整到相应的发射角度，并向地表发射与对应发射频率和功率匹配的电磁波信号/声波信号/地震波信号。

优选地，所述地面接收模块包括：地面轨道；可移动地设置在所述地面轨道上的一个或多个第一/二/三类接收器，并且每个所述第一/二/三类接收器位于所述第一/二/三类发射器以相应的发射角度输出的同类型所述发射信号映射到地表的目标信号接收位置处的轨道，构成为响应与发射角度匹配的电磁波信号/声波信号/地震波信号，并生成对应的含有地下地层信息的第一/第二/第三波形信号，进一步将所述第一/第二/第三波形信号进行预处理后转发至所述地面控制模块。

优选地，所述系统还包括：井下方位检测模块，其构成为实时检测钻具的状态，以生成相应的钻具状态信息，并通过钻具数据反馈电缆将所述钻具状态信息传输至所述地面控制模块，其中，所述钻具状态信息包括钻具方位信息、井斜信息、钻进工具面信息和钻具深度信息，其中，所述地面控制模块，其构成为接收并解析所述钻具状态信息，用以进行分析。

优选地，所述井下发射模块，其构成为在输出所述发射信号时，向所述井下方位检测模块发送反馈控制指令；所述井下方位检测模块，其构成为在获取到有效的所述反馈控制指令后，将采集到的所述钻具状态信息通过所述钻具数据反馈电缆传输至地面，以实现所述发射信号和所述钻具状态信息的同步传输。

优选地，所述系统还包括：井下钻进控制模块，其构成为接收所述发射控制指令，并从中解析出钻进调整参数，以控制钻头按照所述钻进调整参数中的方向参数、角度参数和速度参数进行钻进，其中，所述地面控制模块，其构成为通过信息交互电缆向井下发送所述发射控制指令，其中，所述发射控制指令还包含钻进调整参数信息。

优选地，每个所述第一/二/三类接收器均与所述地面控制模块连接，构成为接收针对不同接收器的移动控制指令，并按照所述移动控制指令，来到达所述目标信号接收位置，其中，所述地面控制模块，其构成为根据所述不同类型发射器的发射参数信息和所述地下地层信息的完整性分析结果，为每个接收器配置相应的所述移动控制指令。

另一方面，本发明还提供了一种用于实现钻探城市地下空间的方法，该方法利用上述所述的系统得到用于探测城市地下空间的地层信息和管道设施分布信息，所述方法包括：步骤一、地面控制模块在钻具到达目标钻探位置的情况下，向井下发送发射控制指令，该指令包含针对不同类型发射器的包括发射角度、频率和功率的参数信息；步骤二、井下发射模块接收并解析所述发射控制指令，在控制其内部各类型的发射器调整到对应的发射角度后，按照相应的发射频率和功率，分别发射与发射器类型对应的发射信号；步骤三、地面接收模块中的针对不同类型的发射器所对应的多个接收器响应同类型的所述发射信号并将含有地下地层信息的响应结果传输至所述地面控制模块；步骤四、所述地面控制模块在接收到所述发射信号的响应结果后，从中解析出目标钻探位置到地表的地下地层信息，进而得到用于探测城市地下空间的地层信息和管道设施分布信息。

优选地，所述步骤二进一步包括：所述井下发射模块中的发射控制单元接收所述发射控制指令，从中筛选出不同类型发射器的发射参数信息；所述发射控制单元将所述发射参数信息按照发射器类型进行解析，并为每类发射器配置相应的发射参数信息；所述井下发射模块中的第一/二/三类发射器获取并解析当前发射器对应类型的发射参数信息，使得所述第一/二/三类发射器将其内部的工具面角调整到与相应的发射角度，并向地表发射与对应发射频率和功率匹配的电磁波信号/声波信号/地震波信号。

优选地，所述步骤三进一步包括：所述地面接收模块中的可移动地设置在地面轨道上的一个或多个第一/二/三类接收器，响应所述第一/二/三类发射器输出的与发射角度匹配的电磁波信号/声波信号/地震波信号，并生成对应的含有地下地层信息的第一/第二/第三波形信号，进一步将所述第一/第二/第三波形信号进行预处理后转发至所述地面控制模块。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明避免了大量的地面装置和放炮等施工要求，与传统的通过接收反射信号相比，接收直接的不同类型的发射信号，可以大幅度提高接收信号的信噪比，更加有效的反应信号所经过地下城市空间的信息。另外，由于可以精确控制井下发射仪器的发射信号角度，因此，可以高效的实现井眼周边到地表全部深度及各角度地层信息的采集，并可以根据现场采集的情况，进行重点采集。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例的用于实现钻探城市地下空间的系统的整体结构示意图。

图2是本发明实施例的用于实现钻探城市地下空间的系统中井下发射模块80和地面接收模块100的工作原理示意图。

图3是本发明实施例的用于实现钻探城市地下空间的方法的步骤图。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

其中，附图标记列表如下：

10：地面控制模块

20：滚筒

30：连续管

40：多芯电缆

50：转换模块

60：井下方位检测模块

61：电磁波信号

62：声波信号

63：地震波信号

70：井下钻进控制模块

80：井下发射模块

81：发射控制单元

82：第一类发射器

83：第二类发射器

84：第三类发射器

90：钻头

100：地面接收模块

102：第一类接收器

103：第二类接收器

104：第三类接收器

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

现有技术主要是以井筒周边的地层探测为目标，探测深度相对较浅，例如：石油天然气开发使用的多芯电缆测井系列仪器和随钻测井仪器，其在井筒内的探测深度只有几十厘米到几米的探测距距离。这是因为，这些仪器都是采用自发自收的原理，信号源到接收源的距离受到仪器长度的限制，探测深度非常有限，而且难以满足城市地下空间200米深度的全部地层信息的探测。

本发明实施例旨在形成一种用于实现钻探城市地下空间的系统及方法。这种方法和系统，利用向井下发送的发射控制指令，在所钻测量过程中既可以调整钻头钻进的方向及速度，还能够调整发射设备中各类发射器的工具面角度，使得地面控制设备可以获取到从钻探位置到地表全部深度的地层信息，用以进行地下城市空间的分析。本发明不需要大量的地面装置和放炮工艺，也能够探测到井眼周边到地表全部深度的信息。

图1是本发明实施例的用于实现钻探城市地下空间的系统的整体结构示意图。如图1所示，该系统包括地面控制模块10、滚筒20、连续管30、多芯电缆40、转换模块50、井下方位检测模块60、井下钻进控制模块70、井下发射模块80、钻头90和地面接收模块100。其中，多芯电缆40安装在连续管30内，连续管30绕制在位于地面井口附近的滚筒20上，滚筒20与地面控制模块10连接，在地面控制模块10的驱动下，向井下下入用于进行钻进作业的钻具以及与钻具连接的多芯电缆40。其中，多芯电缆至少包括：用于向井下发送发射控制指令的信息交互电缆(未图示)和用于反馈钻具状态信息的钻具数据反馈电缆(未图示)。需要说明的是，多芯电缆40内置于连续管30内仅为本发明的一个具体示例，多芯电缆40还可内置于多节钻杆等用于携带钻头90及钻具进行钻进作业的仪器内，本发明对多芯电缆40可放置的仪器的类型不作具体限定。

进一步的，上述钻具位于转换模块50和钻头90之间，其至少包括井下方位检测模块60、井下钻进控制模块70和井下发射模块80。具体地，井下钻进控制模块70能够控制钻头90不断地向地下或水平方向钻进，与此同时，井下发射模块80和井下方位检测模块60跟随钻头90(也就是钻进方向)移动，井下钻具和钻头90等设备进入到一定深度的需要探测的城市地下空间，并根据到达目标探测位置所对应的钻进调整参数信息，不断调整钻进方向、速度和角度等参数。其中，上述转换模块50位于钻具的顶端与多芯电缆40连接，用于将需要反馈至地面的钻具状态信息转换成相应的电信号向地面传输，并且将从地面下发的发射控制指令转换成与钻具内部控制单元可读取并识别的电信号。

参考图1，下面对本发明的用于实现钻探城市地下空间的系统中的各个模块进行详细说明。

首先，对井下方位检测模块60进行说明。井下方位检测模块60设置于钻具内，能够实时检测钻具的状态，以生成相应的钻具状态信息，并通过钻具数据反馈电缆将钻具状态信息通过上述转换模块50传输至地面控制模块10。而后，地面控制模块10接收并解析钻具状态信息，用以进行分析。其中，钻具状态信息至少包括钻具方位信息、钻具所在位置处的压力和温度信息、井斜信息、钻进工具面反馈信息、钻具深度信息和钻具所在地层的地层电阻率信息等。

在一个实施例中，井下方位检测模块60内部具有压电片、伽马探管等测量设备，可实时检测到井下钻具(井下各模块)的方位、井斜、钻进作业中钻头的工具面和钻具深度等信息，并将上述各种信息按照地面控制模块10可识别并读取的数据格式进行整合，以生成相应的钻具状态信息。

在利用本发明所涉及的系统进行城市地下空间的探测过程中，不仅需要一边通过井下钻进控制模块70对钻头90进行控制来进行实时的钻进作业，还需要通过井下发射模块80直接发射从钻具位置处穿过所有深度地层到达地表的发射信号，与此同时，也要按照上述方式通过井下方位检测模块60将实时检测到的钻具状态信息传输至地面。其中，这三种功能的实施过程按照如下的控制方式进行作业。

具体地，在一个实施例中，首先，对井下钻进作业的过程进行说明。在地面控制模块10分析出钻头90和钻具需要调整后(例如：地面控制模块10通过对实时获取到的钻具状态信息进行分析，判断出钻进前方具有钻进障碍物时，地面控制模块10需要生成相应的钻进调整信息，以达到顺利继续钻进的目的。)，生成包含本次调整的相关数据信息的发射控制指令，也就是该指令中含有钻进调整参数信息，其中，钻进调整参数至少包括方向参数、角度参数和速度参数。然后，地面控制模块10将包含钻进调整参数信息的发射控制指令通过信息交互电缆(未图示)发送至井下钻进控制模块70。

进一步的，设置在井下钻具内的井下钻进控制模块70，其能够接收发射控制指令，并从当前的发射控制指令中解析出本次钻进调整所需的钻进调整参数，利用钻进调整参数来控制钻头按照钻进调整参数中的方向参数、角度参数和速度参数进行钻进。这样，便实现了通过发射控制指令进行实时钻进控制的功能。

另外，在另一个实施例中，再次参考图1，还需要对井下发射模块80直接发射用于探测城市地下地层的多种类信号的工作过程进行说明。进一步的，设置在地面的地面控制模块10在获取到从井下传输的钻具状态信息时，对该信息进行解析，实时判断当前钻具所处的地下空间的具体位置，以判断钻具是否到达需要进行钻探城市地下空间的目标钻探位置。在井下钻具和钻头90等设备进入到一定深度的城市地下空间并到达目标钻探位置的情况下，地面控制模块10通过上述信息交互电缆向井下发送包含指定的不同类型发射器所对应的包括发射角度、频率和功率的参数信息的发射控制指令。

进一步的，内置于井下钻具中的井下发射模块80，接收上述发射控制指令，从该指令中解析出井下发射模块80所需的发射参数信息，控制井下发射模块80内部的各类型的需要进行发射的发射器调整到对应的发射角度后，按照相应的发射频率和功率，分别发射与发射器类型对应的发射信号，其中，发射信号选自电磁波信号61、声波信号62和地震波信号63中的一种。另外，由于发射信号的特性，发射信号所穿过地层的路径以发射角度为基准，从当前发射位置(井下各模块所处的地下空间位置)到对应地表位置的可展现发射信号所穿过的全部深度地层的地下地层(状态)信息。

进一步的，具备针对不同类型的发射器所对应的多个接收器的地面接收模块100，能够响应通过井下发射模块80直接发送的同类型的发射信号，并将含有地下地层信息的响应结果传输至地面控制模块10。而后，地面控制模块10在接收到发射信号的响应结果后，并从接收到的响应结果(即对含有地层地下信息的第一/第二/第三波形信号的预处理后所生成的含有地层地下信息的第一/第二/第三接收信息)中解析出目标钻探位置到地表的地下地层信息，进而将解析出的地层地下信息通过分析和反演处理得到用于探测城市地下空间的地层信息和管道设施分布信息，从而通过这种方式能够探测到井眼周边到地表全部深度的信息。

图2是本发明实施例的用于实现钻探城市地下空间的系统中井下发射模块80和地面接收模块100的工作原理示意图。下面结合图1和图2，对上述井下发射模块80发射用于探测城市地下地层的多种类信号的工作原理进行说明。如图2所示，井下发射模块80包括：发射控制单元81、第一类发射器82、第二类发射器83和第三类发射器84。

具体地，发射控制单元81用于接收通过信息交互电缆发送的发射控制指令，从中筛选出井下发射模块80所需的针对不同类型发射器的发射参数信息，将不同类型发射器的发射参数信息按照发射器类型进行解析，并为每类发射器配置相应的发射参数信息。进一步的，第一类发射器82与发射控制单元81连接，获取并解析当前发射器对应类型的发射参数信息(第一发射参数信息)，解析出第一发射参数信息对应的(第一)发射角度参数、(第一)发射频率参数和(第一)发射功率参数等数据，控制第一类发射器内部的工具面角调整到与解析出的相应的(第一)发射角度参数匹配的角度，并向地表发射与相应的(第一)发射频率参数和(第一)发射功率参数匹配的电磁波信号。其中，在本例中，第一类发射器82为电磁波信号发射器。第二类发射器83与发射控制单元81连接，获取并解析当前发射器对应类型的发射参数信息(第二发射参数信息)，解析出第二发射参数信息对应的(第二)发射角度参数、(第二)发射频率参数和(第二)发射功率参数等数据，控制第二类发射器内部的工具面角调整到与解析出的相应的(第二)发射角度参数匹配的角度，并向地表发射与相应的(第二)发射频率参数和(第二)发射功率参数匹配的声波信号。其中，在本例中，第二类发射器83为声波信号发射器。第三类发射器84与发射控制单元81连接，获取并解析当前发射器对应类型的发射参数信息(第三发射参数信息)，解析出第三发射参数信息对应的(第三)发射角度参数、(第三)发射频率参数和(第三)发射功率参数等数据，控制第三类发射器内部的工具面角调整到与解析出的相应的(第三)发射角度参数匹配的角度，并向地表发射与相应的(第三)发射频率参数和(第三)发射功率参数匹配的地震波信号。其中，在本例中，第三类发射器84为地震波信号发射器。需要说明是的是，本申请对发射器的种类和数量不作具体限定，发射器的种类可以根据实际需求对本发明所涉及的三种发射器中的其中一种或几种进行替换，也可以在这三种类型的基础上进行种类的增加或减少。另外，由于井下钻具空间限制，每类发射器的数量优选为一个。其中，在本例中，第一类发射器82、第二类发射器83和第三类发射器84为井下发射模块80中各类发射器的一个具体示例。

另外，再次需要说明的是，井下发射模块80利用发射控制单元81需要针对不同类型发射器的发射参数信息进行解析，来确定将要进行发射的发射器的类型，并为每个将要进行发射的每类发射器配置相应的发射参数信息，从而可以看出，在每个从解析发射控制指令到将要进行发射的各类发射完成发射信号的输出的周期内，将要进行发射的不同类型的发射器(指定的)的数量为上述所有类型的发射器中的一个或多个。

在实际应用过程中，由于上述井下发射模块80能够发射电磁波信号61、声波信号62和地震波信号63中的一种或几种，因此，将要进行发射的指定的发射器会将对应种类的发射信号以与相应的发射角度参数匹配的角度，发射至地表的目标信号接收位置处。此时，目标信号接收位置处需要设置与发射信号类型对应的同类型接收器，即可接收到井下发射器发射的沿发射角度，从发射位置到地表处的全部深度的地层信息。

下面对地面接收模块100进行详细说明。(参考图1和图2)地面接收模块100包括地面轨道(未图示)、一个或多个第一类接收器102、一个或多个第二类接收器103和一个或多个第三类接收器104。

具体地，在各类发射器以全部可能的角度所发射的所有类型的发射信号所映射的地面区域内，铺设有用于规定第一/二/三类接收器(102、103、104)的移动范围的地面轨道。进一步的，一个或多个第一类接收器102可移动地设置在地面轨道上，并且位于第一类发射器82以相应的发射角度输出的同类型发射信号映射到地表的目标信号接收位置处的轨道，能够响应由第一类发射器82发射的与发射角度匹配的电磁波信号61，并生成对应的含有地下地层信息的第一波形信号，进一步对第一波形信号(电信号)进行滤波、放大、模数转换等一系列预处理，得到相应的含有地下地层信息的第一接收信息，同时，将第一接收信息转发至地面控制模块10。而后，地面控制模块10接收第一接收信息，并将第一接收信息进行数据分析处理，具体地，数据分析处理包括将第一接收信息转换成与当前第一接收信息匹配的表征地下地层信息的第一图像信息等操作。其中，在本例中，第一类接收器102为电磁波信号接收器。

一个或多个第二类接收器103可移动地设置在地面轨道上，并且位于第二类发射器83以相应的发射角度输出的同类型发射信号映射到地表的目标信号接收位置处的轨道，能够响应由第二类发射器83发射的与发射角度匹配的声波信号62，并生成对应的含有地下地层信息的第二波形信号，进一步对第二波形信号(电信号)进行滤波、放大、模数转换等一系列预处理，得到相应的含有地下地层信息的第二接收信息，同时，将第二接收信息转发至地面控制模块10。而后，地面控制模块10接收第二接收信息，并将第二接收信息进行数据分析处理，具体地，数据分析处理包括将第二接收信息转换成与当前第二接收信息匹配的表征地下地层信息的第二图像信息等操作。其中，在本例中，第二类接收器103为声波信号接收器。

一个或多个第三类接收器104(其中，第三类接收器104包括地震检波器等。)可移动地设置在地面轨道上，并且位于第三类发射器84以相应的发射角度输出的同类型发射信号映射到地表的目标信号接收位置处的轨道，能够响应由第三类发射器84发射的与发射角度匹配的地震波信号63，并生成对应的含有地下地层信息的第三波形信号，进一步对第三波形信号(电信号)进行滤波、放大、模数转换等一系列预处理，得到相应的含有地下地层信息的第三接收信息，同时，将第三接收信息转发至地面控制模块10。而后，地面控制模块10接收第三接收信息，并将第三接收信息进行数据分析处理，具体地，数据分析处理包括将第三接收信息转换成与当前第三接收信息匹配的表征地下地层信息的第三图像信息等操作。

其中，每个第一/二/三类接收器(102、103、104)均与地面控制模块10连接，并且接收从地面控制模块10处发送的针对当前接收器的移动控制指令，来到达目标信号接收位置。地面控制模块10根据不同类型发射器的发射参数信息和地下地层信息的完整性分析结果，为每个接收器配置相应的移动控制指令。需要说明的是，对于每个接收器而言，其目标信号接收位置需要与同类型发射器所输出的发射信号以对应的发射角度所映射到地面的位置匹配。另外，在接收器实际位置与目标信号接收位置产生偏差时，会对地面控制模块10所接收到的表征地下地层信息的发射信号响应结果的完整性产生影响，因此，地面控制模块10会基于接收到的不完整的表征地下地层信息的发射信号响应结果，来确定接收到不完整信息的接收器，从而判断出该接收器的实际位置与目标信号接收位置不匹配。进一步，向该接收器发送与目标信号接收位置匹配的移动控制指令，以控制当前接收到不完整信息的接收器移动到其对应的目标信号接收位置处，使得地面控制模块10能够获得从该接收器传输过来的完整的第一接收信息或第二接收信息或第三接收信息。

需要说明的是，本发明针对各类接收器的数量不作具体限定，本领域技术人员可以在同种类发射器的一种或几种常用发射角度所映射到地面上的若干目标信号接收位置处，分别设置同一种类的多个接收器(参考图2)。另外，接收器的类型根据发射器的类型进行配置。

更进一步的，在一个实施例中，地面控制模块10能够通过钻具数据反馈电缆实时获取钻具状态信息，还能够从地面接收模块100处获取到的所有接收信息(每个第一类接收器发送的第一接收信息、每个第二类接收器发送的第二接收信息和每个第三类接收器发送的第三接收信息)中解析出对应的地下地层信息，分析出井下钻具的实际位置、井下钻具的调整需求、以及系统的数据采集需求(数据采集需求是指当前需要进行发射的发射器的种类及其对应的相关发射参数信息)等，或者判断当前钻进方向上是否存在阻碍钻进作业的障碍物，进一步生成相应的包括当前需要进行发射的每种发射器的发射参数信息、钻具的钻进调整目标的发射控制指令，并通过信息交互电缆将上述至少包括发射参数信息及钻进调整参数信息的发射控制指令发送至井下，使得井下钻进控制模块70和井下发射模块80获取相应的所需信息。

而后，井下钻进控制模块70和井下发射模块80按照上述所述的方式分别进行实时的钻进方向的调整以及对各类发射器进行发射信号的发射控制。

进一步的，上述井下发射模块80在输出一种或多种发射信号时，向上述井下方位检测模块60发送反馈控制指令。然后，井下方位检测模块60在获取到有效的反馈控制指令后，将采集到的钻具状态信息通过钻具数据反馈电缆传输至地面控制模块10，以实现各类发射信号和钻具状态信息的同步传输。其中，在多芯电缆40中，至少包括一条钻具数据反馈电缆，该电缆用于在通过井下发射模块80根据系统采集需求输出发射信号的同时，将钻具状态信息传输至地面控制模块10，使得地面控制模块10同时获得钻具状态信息和各种类的发射信号所对应的地层信息，从而完成上述分析过程，提高整个系统的分析精度。

此外，本发明还提出了一种用于实现钻探城市地下空间的方法，该方法利用上述所述的用于实现钻探城市地下空间的系统得到用于探测城市地下空间的地层信息和管道设施分布信息，其中，本方法所涉及的各个设备均具备上述用于实现钻探城市地下空间的系统中相应设备的功能。图3是本发明实施例的用于实现钻探城市地下空间的方法的步骤图。如图3所示，在步骤S310中，地面控制模块10在钻具到达目标钻探位置的情况下，通过信息交互电缆向井下发送包含不同类型发射器(82、83、84)所对应的包括发射角度、频率和功率参数信息的发射控制指令，从而进入到步骤S320中。

(步骤S120)井下发射模块80接收并解析发射控制指令，在控制其内部各类型的发射器调整到对应的发射角度后，按照相应的发射频率和功率，分别发射与发射器的类型对应的发射信号，其中，发射信号选自电磁波信号61、声波信号62和地震波信号63中的一种。

进一步，在上述步骤S320中，井下发射模块80中的发射控制单元81接收发射控制指令，从中筛选出不同类型发射器(82、83、84)的发射参数信息，而后，发射控制单元81将发射参数信息按照发射器类型进行解析，并为每类发射器配置相应的发射参数信息，最后，井下发射模块80中的第一/二/三类发射器(82、83、84)获取并解析当前发射器对应类型的发射参数信息，使得第一/二/三类发射器(82、83、84)将其内部的工具面角调整到与相应的发射角度，并向地表发射与对应发射频率和功率匹配的电磁波信号61/声波信号62/地震波信号63。

另外，井下发射模块80在输出各类发射信号时，向井下方位检测模块60发送反馈控制指令，而后，井下方位检测模块60在获取到有效的反馈控制指令后，将采集到的钻具状态信息通过钻具数据反馈电缆传输至地面控制模块10，以实现各类发射信号和钻具状态信息的同步传输。其中，设置在钻具内的井下方位检测模块60能够实时检测钻具的状态，以生成相应的钻具状态信息，并通过钻具数据反馈电缆将上述钻具状态信息传输至地面控制模块10，所述钻具状态信息包括钻具方位信息、井斜信息、钻进工具面信息、钻具深度信息和钻具所在地层的地层电阻率信息等。

在步骤S330中，地面接收模块100中的针对不同类型的发射器所对应的多个接收器响应同类型的发射信号并将响应结果传输至地面控制模块10。进一步，地面接收模块100中的可移动设置在地面轨道上的一个或多个第一/二/三类接收器(102、103、104)，响应由第一/二/三类发射器(102、103、104)输出的与发射角度匹配的电磁波信号61/声波信号62/地震波信号63，并生成对应的含有地下地层信息的第一/第二/第三波形信号，进一步将第一/第二/第三波形信号进行预处理后转发至地面控制模块10。

最后，(步骤S340)地面控制模块10接收所有含有地下地层信息的响应结果(即对含有地下地层信息的第一/第二/第三波形信号的预处理后所生成的含有地下地层信息的第一/第二/第三接收信息)，并从中解析出目标钻探位置到地表的地下地层信息，通过分析和反演处理得到用于探测城市地下空间的地层信息和管道设施分布信息。

另外，在步骤S340中，地面控制模块10除了通过钻具数据反馈电缆实时获取钻具状态信息，还能够从地面接收模块100处获取到的所有接收信息中解析出对应的地下地层信息，分析出井下钻具的实际位置、井下钻具的调整需求、以及系统的数据采集需求等，或者判断当前钻进方向上是否存在阻碍钻进作业的障碍物，进一步得到相应的包括当前需要进行发射的每种发射器的发射参数信息、钻具的钻进调整目标的发射控制指令，并通过信息交互电缆将上述至少包括发射参数信息及钻进调整参数信息的发射控制指令发送至井下，使得井下钻进控制模块70和井下发射模块80获取相应的所需信息。其中，井下钻进控制模块70接收上述发射控制指令，并从中解析出所需的钻进调整参数，以控制钻头按照钻进调整参数中的方向参数、角度参数和速度参数进行钻进。

本发明提出了一种用于实现钻探城市地下空间的系统及方法。该系统和方法涉及地面控制模块10、滚筒20、连续管30、多芯电缆40、转接模块50、井下方位检测模块60、井下钻进控制模块70、井下发射模块80、钻头90、地面接收模块100等设备，在地面控制模块10的控制下井下各模块在城市地下空间进行实时钻进以及钻具状态信息的反馈，井下发射模块80在不同角度向地面发射电磁波、声波、地震波等信号，这些信号穿过城市地下地层以及地下的各类人工设施，传输到地面，被安置在地面的探测仪器的地面接收模块100所接收到。这些被接收到的信号包含了城市地下地层以及地下的各类人工设施的信息，因此，再利用地面控制模块10对这些信息进行分析和反演，从而得到需要的城市地下地层以及地下的各类人工设施的信息。本发明避免了大量的地面装置和放炮等施工要求，与传统的通过接收反射信号相比，接收直接的不同类型的发射信号，可以大幅度提高接收信号的信噪比，更加有效的反应信号所经过地下城市空间的信息。另外，由于可以精确控制井下发射模块80中各个发射器的发射信号角度，因此，可以高效的实现井眼周边到地表全部深度，以及各角度信息的采集，并可以根据现场采集的情况，进行重点采集。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于实现钻探城市地下空间的系统，包括：

地面控制模块，其用于在钻具到达目标钻探位置的情况下，向井下发送发射控制指令，该指令包含针对不同类型发射器的包括发射角度、频率和功率的参数信息，以及在接收到发射信号的响应结果后，从中解析出目标钻探位置到地表的地下地层信息，进而得到用于探测城市地下空间的地层信息和管道设施分布信息；

井下发射模块，其用于接收并解析所述发射控制指令，在控制其内部各类型的发射器调整到对应的发射角度后，按照相应的发射频率和功率，分别发射与发射器类型对应的发射信号；

地面接收模块，其具备针对不同类型的发射器所对应的多个接收器，所述接收器响应同类型的所述发射信号并将含有地下地层信息的响应结果传输至所述地面控制模块，其中，所述井下发射模块包括：

发射控制单元，其构成为接收所述发射控制指令，从中筛选出不同类型发射器的发射参数信息，将所述发射参数信息按照发射器类型进行解析，并为每类发射器配置相应的发射参数信息；

第一/二/三类发射器，其与所述发射控制单元连接，构成为获取并解析当前发射器对应类型的发射参数信息，使得所述第一/二/三类发射器将其内部的工具面角调整到相应的发射角度，并向地表发射与对应发射频率和功率匹配的电磁波信号/声波信号/地震波信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地面接收模块包括：

地面轨道；

可移动地设置在所述地面轨道上的一个或多个第一/二/三类接收器，并且每个所述第一/二/三类接收器位于所述第一/二/三类发射器以相应的发射角度输出的同类型所述发射信号映射到地表的目标信号接收位置处的轨道，构成为响应与发射角度匹配的电磁波信号/声波信号/地震波信号，并生成对应的含有地下地层信息的第一/第二/第三波形信号，进一步将所述第一/第二/第三波形信号进行预处理后转发至所述地面控制模块。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

井下方位检测模块，其构成为实时检测钻具的状态，以生成相应的钻具状态信息，并通过钻具数据反馈电缆将所述钻具状态信息传输至所述地面控制模块，其中，所述钻具状态信息包括钻具方位信息、井斜信息、钻进工具面信息和钻具深度信息，其中，

所述地面控制模块，其构成为接收并解析所述钻具状态信息，用以进行分析。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述井下发射模块，其构成为在输出所述发射信号时，向所述井下方位检测模块发送反馈控制指令；

所述井下方位检测模块，其构成为在获取到有效的所述反馈控制指令后，将采集到的所述钻具状态信息通过所述钻具数据反馈电缆传输至地面，以实现所述发射信号和所述钻具状态信息的同步传输。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

井下钻进控制模块，其构成为接收所述发射控制指令，并从中解析出钻进调整参数，以控制钻头按照所述钻进调整参数中的方向参数、角度参数和速度参数进行钻进，其中，

所述地面控制模块，其构成为通过信息交互电缆向井下发送所述发射控制指令，其中，所述发射控制指令还包含钻进调整参数信息。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，每个所述第一/二/三类接收器均与所述地面控制模块连接，构成为接收针对不同接收器的移动控制指令，并按照所述移动控制指令，来到达所述目标信号接收位置处，其中，

所述地面控制模块，其构成为根据所述不同类型发射器的发射参数信息和所述地下地层信息的完整性分析结果，为每个接收器配置相应的所述移动控制指令。

7.一种用于实现钻探城市地下空间的方法，该方法利用如权利要求1～6中任一项所述的系统得到用于探测城市地下空间的地层信息和管道设施分布信息，所述方法包括：

步骤一、地面控制模块在钻具到达目标钻探位置的情况下，向井下发送发射控制指令，该指令包含针对不同类型发射器的包括发射角度、频率和功率的参数信息；

步骤二、井下发射模块接收并解析所述发射控制指令，在控制其内部各类型的发射器调整到对应的发射角度后，按照相应的发射频率和功率，分别发射与发射器类型对应的发射信号；

步骤三、地面接收模块中的针对不同类型的发射器所对应的多个接收器响应同类型的所述发射信号并将含有地下地层信息的响应结果传输至所述地面控制模块；

步骤四、所述地面控制模块在接收到所述发射信号的响应结果后，从中解析出目标钻探位置到地表的地下地层信息，进而得到用于探测城市地下空间的地层信息和管道设施分布信息，其中，所述步骤二包括：

所述井下发射模块中的发射控制单元接收所述发射控制指令，从中筛选出不同类型发射器的发射参数信息；

所述发射控制单元将所述发射参数信息按照发射器类型进行解析，并为每类发射器配置相应的发射参数信息；

所述井下发射模块中的第一/二/三类发射器获取并解析当前发射器对应类型的发射参数信息，使得所述第一/二/三类发射器将其内部的工具面角调整到与相应的发射角度，并向地表发射与对应发射频率和功率匹配的电磁波信号/声波信号/地震波信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤三进一步包括：

所述地面接收模块中的可移动地设置在地面轨道上的一个或多个第一/二/三类接收器，响应所述第一/二/三类发射器输出的与发射角度匹配的电磁波信号/声波信号/地震波信号，并生成对应的含有地下地层信息的第一/第二/第三波形信号，进一步将所述第一/第二/第三波形信号进行预处理后转发至所述地面控制模块。

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