CN111982078B - 钻井平台稳定性精密激光监测装置及激光漂移校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井平台稳定性精密激光监测装置及激光漂移校准方法，该装置包括：底座、设置在所述底座上的第一支架和第二支架、设置在所述第一支架和所述第二支架顶部的激光发射装置以及支架调节机构，其中：所述第一支架远离所述激光发射装置的激光出射端，所述第二支架靠近所述激光发射装置的激光出射端；所述第一支架采用的材料的线膨胀系数大于所述第二支架采用的材料的线膨胀系数；所述支架调节机构与所述第一支架和/或所述第二支架连接，用于调整所述第一支架和所述第二支架之间的距离。本发明解决了在采用激光检测严酷环境下钻井平台稳定性时激光漂移会导致较大的测量误差的技术问题。

Description

钻井平台稳定性精密激光监测装置及激光漂移校准方法

技术领域

本发明涉及精密测量领域，具体而言，涉及一种钻井平台稳定性精密激光监测装置及激光漂移校准方法。

背景技术

激光具有很好的直线性，常常用于精密测量。钻井平台稳定性激光监测装置通常固定在钻井平台附近用于长时间对钻井平台的目标位置进行检测，以检测钻井平台的稳定性。但对于严酷环境中的钻井平台，特别是沙漠戈壁地区或者海洋区域的大气中，存在温度梯度时，引起空气折射率呈非均匀分布，从而造成光束在传播过程中偏离直线发生弯曲。对于精密程度要求较高的测量作业来说，激光的漂移现象是必须考虑的，而且激光的角度漂移随着测量距离的增加，因此，采用激光检测严酷环境下钻井平台稳定性时，激光漂移将会导致较大的测量误差。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种钻井平台稳定性精密激光监测装置及激光漂移校准方法，以解决在采用激光检测严酷环境下钻井平台稳定性时激光漂移会导致较大的测量误差的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种钻井平台稳定性精密激光监测装置，该装置包括：底座、设置在所述底座上的第一支架和第二支架、设置在所述第一支架和所述第二支架顶部的激光发射装置以及支架调节机构，其中：

所述第一支架远离所述激光发射装置的激光出射端，所述第二支架靠近所述激光发射装置的激光出射端；

所述第一支架采用的材料的线膨胀系数大于所述第二支架采用的材料的线膨胀系数，在温度发生变化时，所述第一支架的高度变化量大于第二支架的高度变化量，使所述激光发射装置的激光出射角度发生变化，以对由温度变化产生的激光漂移进行补偿；

所述支架调节机构与所述第一支架和/或所述第二支架连接，用于调整所述第一支架和所述第二支架之间的距离，以调整所述激光出射角度。

进一步的，所述第一支架和所述第二支架垂直设置在所述底座上。

进一步的，所述第二支架的顶部设置有可旋转支点，所述第二支架与所述激光发射装置通过所述可旋转支点连接。

进一步的，所述支架调节机构包括：设置在所述底座上的滑轨以及设置在所述第二支架底部的滑轮，所述第二支架通过所述滑轮在所述滑轨上移动以改变与所述第一支架的距离。

进一步的，所述支架调节机构包括：设置在所述底座上的丝杠、用于驱动所述丝杠转动的电机以及固定在所述第二支架上与所述丝杠相适配的丝杠螺母，所述丝杠螺母套接在所述丝杠上。

进一步的，所述第二支架与所述激光发射装置铰接。

进一步的，所述第一支架采用的材料的线膨胀系数大于13×10^-6/℃。

进一步的，所述第二支架采用的材料的线膨胀系数小于1×10^-6/℃。

进一步的，所述第二支架采用的材料为殷钢。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种激光漂移校准方法，应用于上述钻井平台稳定性精密激光监测装置，该激光漂移校准方法包括：

在预设温度下测量所述激光发射装置在目标监测位置的激光漂移量；

通过调节所述第一支架和所述第二支架之间的距离改变所述激光发射装置的激光出射角度，使所述激光出射角度满足所述激光发射装置在目标监测位置的激光漂移量为0；

保持所述第一支架和所述第二支架之间的距离不变，以使温度在所述预设温度对应的温度范围内发生变化时，所述第一支架和所述第二支架根据温度变化产生高度变化，使所述激光发射装置的激光出射角度发生改变，对由温度变化产生的所述激光发射装置在目标监测位置的激光漂移量进行补偿。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种结构简单、可以自动校准激光漂移的精密激光监测装置，适用于严酷环境下钻井平台稳定性精密激光监测。本发明的激光发射装置固定于两支架上，其中一个支架由热膨胀系数的材料构成，另一个支架由热膨胀系数接近于0的材料构成。由于温度使得支架热胀冷缩，调整激光发射装置的出射角，进行自动校准激光漂移，减小测量误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本发明实施例钻井平台稳定性精密激光监测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例激光发射装置在高温环境下的激光漂移示意图；

图3是本发明实施例激光发射装置在低温环境下的激光漂移示意图；

图4是本发明实施例高温激光漂移补偿示意图；

图5是本发明实施例低温激光漂移补偿示意图；

图6是本发明实施例激光漂移校准方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。

在本发明中，术语“上”、“下”、“中”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“设置”、“设有”、“连接”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明公开了一种钻井平台稳定性精密激光监测装置，用于在通过激光检测严酷环境下钻井平台稳定性时消除激光束由于严酷环境下的温度梯度造成的激光漂移。图2是本发明实施例激光发射装置在高温环境下的激光漂移示意图，如图2所示，对于在沙漠戈壁地区的钻井平台，由于地表的温度较高，空气中的温度低于地表温度，存在温度梯度引起空气折射率呈非均匀分布，从而造成光束在传播过程中偏离直线发生弯曲，即出现激光漂移量△h，在高温环境下由于地面温度高因此光束向上偏移。图3是本发明实施例激光发射装置在低温环境下的激光漂移示意图，如图3所示，对于在海上的钻井平台，由于靠近海面的位置温度较低，空气中的温度高于海面温度，存在温度梯度引起空气折射率呈非均匀分布，从而造成光束在传播过程中偏离直线发生弯曲，即出现激光漂移量-△h，在低温环境下由于海面温度低因此光束向下偏移。在本发明中，激光漂移量可以为激光发射装置1的激光光点在目标监测位置所在平面上与目标监测位置间的距离

图1是本发明实施例钻井平台稳定性精密激光监测装置的结构示意图，如图1所示，本发明实施例的钻井平台稳定性精密激光监测装置包括：底座4、设置在底座上的第一支架2和第二支架3、设置在第一支架2和第二支架3顶部的激光发射装置1以及支架调节机构(图中未示出)。

在本发明实施例中，激光发射装置1用于发射激光束，激光发射装置1的激光出射角度为出射光束与水平面之间的夹角。

在本发明实施例中，底座4可以为一平板结构，其下设置有固定装置，用于将激光监测装置固定在监测位置。

在本发明实施例中，第一支架2和第二支架3用于支撑激光发射装置1，优选的第一支架2和第二支架3垂直的设置在底座4上，且第一支架2所在的平面和第二支架3所在的平面平行。在本发明实施例中，第一支架2和第二支架3的结构可以为多种，例如常见的矩形支架、梯形支架等。

在本发明实施例中，第二支架3设置的靠近激光发射装置1的激光出射端，用于支撑激光发射装置1的前部，第一支架2设置的远离激光发射装置1的激光出射端，用于支撑激光发射装置1的尾部。

在本发明中，第一支架2选用线膨胀系数较大的材料，以使第一支架2随着温度的变化高度发生明显的变化，同时第二支架3选用线膨胀系数接近于0的材料，使第二支架3在温度发生变化时高度几乎不发生变化。线膨胀系数表示材料随温度的变化膨胀或收缩的程度，表示单位长度的材料在某一温度区间，每升高一度温度的平均伸长量。

在本发明实施例中，第一支架2和第二支架3的高度在常温(18至25度)时大致相等(差距在百分之10以内)，以使激光发射装置1与底座4大致平行，即激光发射装置1的出射角度大致为0度。在高温环境下(30至55度)，由于第一支架2的线膨胀系数较大其高度明显的增加，而第二支架3由于线膨胀系数接近于0在高温时其高度也几乎不发生变化，此时第二支架3与第一支架2具有较大的高度差，使激光发射装置1的出射角度发生变化。同理，在低温环境下(-10至10度)，由于第一支架2的线膨胀系数较大其高度明显的降低，而第二支架3由于线膨胀系数接近于0在低温时其高度也几乎不发生变化，此时第二支架3与第一支架2具有较大的高度差，使激光发射装置1的出射角度发生变化。

在本发明的实施例中，第一支架2的材料选用线膨胀系数大于13×10^-6/℃的材料，该材料可以选用金属材料或非金属材料。第二支架3的材料选用线膨胀系数接近于0的材料如线膨胀系数小于1×10^-6/℃的材料，例如可以选用殷钢。

在本发明中，支架调节机构与第一支架2和/或第二支架3连接，用于调整第一支架2和第二支架3之间的距离。在本发明的可选实施例中，支架调节机构的结构连接方式可以为多种，该支架调节机构可以仅与第一支架2连接，通过带动第一支架2移动来调整第一支架2和第二支架3之间的距离；该支架调节机构可以仅与第二支架3连接，通过带动第二支架3移动来调整第一支架2和第二支架3之间的距离；此外该支架调节机构可以同时与第一支架2和第二支架3连接，通过带动第一支架2和第二支架3同时移动来调整第一支架2和第二支架3之间的距离。在本发明的可选实施例中，支架调节机构的具体结构可以采用多种方式，例如该支架调节机构可以为设置在底座4上的滑轨机构用于带动第一支架2和/或第二支架3在滑轨上移动；该支架调节机构可以为设置在底座4上的丝杠机构，用于带动第一支架2和/或第二支架3在底座4上移动等。

本发明钻井平台稳定性精密激光监测装置对由温度梯度产生的激光漂移进行补偿的原理为：

如图4所示，当地表温度过高时，如沙漠戈壁地区，由于第一支架2的线膨胀系数较大，第一支架2比正常温度下的高度明显增加，而由于第二支架3的线膨胀系数接近0，第二支架3比正常温度下的高度几乎不发生变化，此时第一支架2高于第二支架3，使激光发射装置1的尾端高于出射口端，使激光发射装置1的光束向下偏移，可以对由地面温度高而产生的光束向上偏移△h进行补偿。随着温度不断变化，第二支架3与第一支架2的高度差也随温度变化而变化，此时激光发射装置1的出射角度随着温度的变化而发生改变，不断的对由地面温度高而产生的激光偏移△h进行补偿。

同理，如图5所示，在低温环境中，如海洋环境中，靠近海面的温度较低，由于第一支架2的线膨胀系数较大，第一支架2比正常温度下的高度明显降低，而由于第二支架3的线膨胀系数接近0，第二支架2比正常温度下的高度几乎不发生变化，此时第一支架2低于第二支架3，使激光发射装置1的尾端低于出射口端，使激光发射装置1发射的光束向上偏移，可以对由海面温度低而产生的光束向下偏移-△h进行补偿。随着温度不断变化，第二支架3与第一支架2的高度差也随温度变化而变化，此时激光发射装置1的出射角度随着温度的变化而发生改变，不断的对由海面温度低而产生的激光偏移-△h进行补偿。

为了使激光偏移补偿更精确，本发明还提供了人工手动修正的功能，当第二支架3与第一支架2的高度差一定时，此时激光发射装置1的激光出射角度为一定值，激光发射装置1的激光出射角度由第二支架3与第一支架2的高度差以及第二支架3与第一支架2之间的距离来确定。在本发明中，可以通过支架调节机构来调节第二支架3与第一支架2之间的距离，可以改变激光发射装置1的激光出射角度，使更精确的对激光偏移进行补偿，具体为根据激光偏移量△h来调节第二支架3与第一支架2之间的距离，直至激光偏移量△h为0。

在本发明的实施例中，本发明钻井平台稳定性精密激光监测装置可以在预设的温度区间自动对激光偏移量进行补偿。在高温环境下(30至55度)，选择在40度左右的温度值时，检测本发明钻井平台稳定性精密激光监测装置的补偿结果，具体可以检测是否存在激光偏移量△h，若存在激光偏移量△h可以通过人工调整支架调节机构来调节第二支架3与第一支架2之间的距离，使激光偏移量△h为0，进而在30至55度的温度范围内，第一支架2和第二支架3根据温度变化产生高度差变化(即激光发射装置1的激光出射角度变化)可以自动对激光偏移进行补偿，使激光偏移量△h在可接受的范围内。在低温环境下(-10至15度)时同理，可以选择低温范围内中间位置处的温度时通过人工将激光偏移量△h补偿为0，进而在低温范围内通过第一支架2的热胀冷缩可以自动对激光偏移进行补偿，使激光偏移量△h在可接受的范围内。

在本发明的可选实施例中，第二支架3可以与所述激光发射装置铰接。在本发明的其他可选实施例中，第二支架3的顶部设置有可旋转支点，第二支架3与激光发射装置1通过该可旋转支点连接。

在本发明的可选实施例中，支架调节机构可以为设置在底座4上的滑轨以及设置在第二支架3底部的滑轮，第二支架3通过滑轮在滑轨上移动以改变与所述第一支架2的距离。

在本发明的另一可选实施例中，支架调节机构包括：设置在底座4上的丝杠、用于驱动该丝杠转动的电机以及固定在第二支架3上与该丝杠相适配的丝杠螺母，丝杠螺母套接在丝杠上。当电机驱动丝杠转动时，第二支架3沿着丝杠做直线运动，以改变第二支架3与所述第一支架2的距离。

由以上描述可以看出，本发明提供了一种结构简单、可以自动校准激光漂移的精密激光监测装置，适用于严酷环境下钻井平台稳定性精密激光监测。本发明的激光发射装置固定于两支架上，其中一个支架由热膨胀系数的材料构成，另一个支架由热膨胀系数接近于0的材料构成。由于温度使得支架热胀冷缩，调整激光发射装置的出射角，进行自动校准激光漂移，减小测量误差。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种激光漂移校准方法，应用于上述实施例所描述的钻井平台稳定性精密激光监测装置，如下面的实施例所述。由于激光漂移校准方法解决问题的原理与钻井平台稳定性精密激光监测装置相似，因此激光漂移校准方法的实施例可以参见钻井平台稳定性精密激光监测装置的实施例，重复之处不再赘述。

图6是本发明实施例激光漂移校准方法的流程图，如图6所示，本发明实施例的激光漂移校准方法包括步骤S101至步骤S103。

步骤S101，在预设温度下测量所述激光发射装置在目标监测位置的激光漂移量。

步骤S102，通过调节所述第一支架和所述第二支架之间的距离改变所述激光发射装置的激光出射角度，使所述激光出射角度满足所述激光发射装置在目标监测位置的激光漂移量为0。

在本发明中通过支架调节机构来调节第一支架和第二支架之间的距离。

步骤S103，保持所述第一支架和所述第二支架之间的距离不变，以使温度在所述预设温度对应的温度范围内发生变化时，所述第一支架和所述第二支架根据温度变化产生高度变化，使所述激光发射装置的激光出射角度发生改变，对由温度变化产生的所述激光发射装置在目标监测位置的激光漂移量进行补偿。

在本发明中上述保持所述第一支架和所述第二支架之间的距离不变为：在步骤S102中通过调节第一支架和第二支架之间的距离，使激光发射装置在目标监测位置的激光漂移量为0，此时保持第一支架和第二支架之间的距离不变。

在本发明的实施例中，本发明的激光漂移校准方法可以实现在预设的温度区间自动对激光偏移量进行补偿。在高温环境下(30至55度)，选择温度值为40度时，检测本发明钻井平台稳定性精密激光监测装置的补偿结果，具体可以检测是否存在激光偏移量△h，若存在激光偏移量△h可以通过人工调整支架调节机构来调节第二支架3与第一支架2之间的距离，使激光偏移量△h为0，进而在30至55度的温度范围内，第一支架2和第二支架3根据温度变化产生高度差变化(即激光发射装置1的激光出射角度变化)可以自动对激光偏移进行补偿，使激光偏移量△h在可接受的范围内。在低温环境下(-10至15度)时同理，可以选择低温范围内中间位置处的温度时通过人工将激光偏移量△h补偿为0，进而在低温范围内通过第一支架2的热胀冷缩可以自动对激光偏移进行补偿，使激光偏移量△h在可接受的范围内。

由以上描述可以看出，本发明提供了一种激光漂移校准方法，适用于严酷环境下钻井平台稳定性精密激光监测。本发明的激光发射装置固定于两支架上，其中一个支架由热膨胀系数的材料构成，另一个支架由热膨胀系数接近于0的材料构成。由于温度使得支架热胀冷缩，调整激光发射装置的出射角，进行自动校准激光漂移，减小测量误差。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钻井平台稳定性精密激光监测装置，其特征在于，包括：底座、设置在所述底座上的第一支架和第二支架、设置在所述第一支架和所述第二支架顶部的激光发射装置以及支架调节机构，其中：

所述第一支架远离所述激光发射装置的激光出射端，所述第二支架靠近所述激光发射装置的激光出射端；

所述第一支架采用的材料的线膨胀系数大于所述第二支架采用的材料的线膨胀系数，在温度发生变化时，所述第一支架的高度变化量大于第二支架的高度变化量，使所述激光发射装置的激光出射角度发生变化，以对由温度变化产生的激光漂移进行补偿；

所述支架调节机构与所述第一支架和/或所述第二支架连接，用于调整所述第一支架和所述第二支架之间的距离，以调整所述激光出射角度。

2.根据权利要求1所述的钻井平台稳定性精密激光监测装置，其特征在于，所述第一支架和所述第二支架垂直设置在所述底座上。

3.根据权利要求1所述的钻井平台稳定性精密激光监测装置，其特征在于，所述第二支架的顶部设置有可旋转支点，所述第二支架与所述激光发射装置通过所述可旋转支点连接。

4.根据权利要求1所述的钻井平台稳定性精密激光监测装置，其特征在于，所述支架调节机构包括：设置在所述底座上的滑轨以及设置在所述第二支架底部的滑轮，所述第二支架通过所述滑轮在所述滑轨上移动以改变与所述第一支架的距离。

5.根据权利要求1所述的钻井平台稳定性精密激光监测装置，其特征在于，所述支架调节机构包括：设置在所述底座上的丝杠、用于驱动所述丝杠转动的电机以及固定在所述第二支架上与所述丝杠相适配的丝杠螺母，所述丝杠螺母套接在所述丝杠上。

6.根据权利要求1所述的钻井平台稳定性精密激光监测装置，其特征在于，所述第二支架与所述激光发射装置铰接。

7.根据权利要求1所述的钻井平台稳定性精密激光监测装置，其特征在于，所述第一支架采用的材料的线膨胀系数大于13×10^-6/℃。

8.根据权利要求1所述的钻井平台稳定性精密激光监测装置，其特征在于，所述第二支架采用的材料的线膨胀系数小于1×10^-6/℃。

9.根据权利要求8所述的钻井平台稳定性精密激光监测装置，其特征在于，所述第二支架采用的材料为殷钢。

10.一种激光漂移校准方法，应用于如权利要求1-9任意之一所述的钻井平台稳定性精密激光监测装置，其特征在于，包括：

在预设温度下测量所述激光发射装置在目标监测位置的激光漂移量；

通过调节所述第一支架和所述第二支架之间的距离改变所述激光发射装置的激光出射角度，使所述激光出射角度满足所述激光发射装置在目标监测位置的激光漂移量为0；

保持所述第一支架和所述第二支架之间的距离不变，以使温度在所述预设温度对应的温度范围内发生变化时，所述第一支架和所述第二支架根据温度变化产生高度变化，使所述激光发射装置的激光出射角度发生改变，对由温度变化产生的所述激光发射装置在目标监测位置的激光漂移量进行补偿。

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