CN112302536B - 一种智能定向钻探系统及其定向钻探方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是一种智能定向钻探系统及其定向钻探方法，包括钻头、显示模块和中央处理器模块，所述的钻头内设有发射器，所述的显示模块内设有接收器，所述的发射器和接收器与中央处理器模块组合构成钻头智能定向钻探的定向钻探系统，所述的发射器包括数据调制模块、九轴传感器和电源，所述的接收器包括电源、数据调节模块和显示模块，对钻头的智能定向钻探信息系统进行及时有效的调整及整改，以有效的确保钻孔的质量，以有效、及时发现钻探钻孔问题，提高反馈的及时性，降低不必要的成本，有效的推动行业发展。
Description
技术领域
本发明主要用于钻探技术及结构技术方面领域，主要涉及一种智能定向钻探系统及其定向钻探方法。
背景技术
在钻探领域，钻孔的质量是验证钻探质量的重要指标，包括深度、长度、倾角和位置等，在传统钻探方式中主要是以地面垂直钻机型，通过钻杆的长度及数量来检测钻孔深度，但钻孔的垂直度(或倾角)难以测量，待倾斜角度较大时或超过预期位置角度时，难以及时发现，必须通过调整钻杆(钻头)来矫正位置，延长工期，同时破坏钻孔、地面水平非开挖钻机型，通过钻头内的信号棒，不断发射超声波信号，地面相应正上方通过人员手持接收器对钻头的位置进行监控(可以看到信号棒的坡度、深度和钻头最前面斜面板的方向)，但是当需要穿过河流或高山时，人工手持接收器的方式实现难度较大，且信号传输有衰减，现阶段煤矿井下坑道钻机型，但该方法需要多次拆卸钻杆钻头耗时长、工程量大，发现问题不及时，再次调整难度大，且钻孔与钻孔的位置和角度难以满足煤矿瓦斯抽采的设计要求，同时也存在安全隐患，人力成本较高，现阶段所采用的钻探方法都会出现异常问题反馈滞后，检测精度较低，并且会对钻孔造成破坏，操作难度大，成本高，耗时长，在很大程度上存在安全隐患。
因此，提供一种智能定向钻探系统及其定向钻探方法，通过对传统的钻探系统以及钻探的检测方法进行有益改进，通过九轴传感器采集和定位钻头、钻杆的数据，利用密闭环境下的超声波通讯技术及压力润滑水作为介质，对钻头的智能定向钻探信息系统进行及时有效的调整及整改，以有效的确保钻孔的质量，以有效、及时发现钻探钻孔问题，提高反馈的及时性，降低不必要的成本，有效的推动行业发展，同时本申请采用的钻探检测的结构简单，方法操作方便，无需拆卸钻杆检测，能够有效的大量节省人力、物力和时间，便于操作和调节，能够降低工作人员的工作强度，提高测量精度，降低成本，以有效的解决了本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能定向钻探系统及其定向钻探方法，通过对传统的钻探系统以及钻探的检测方法进行有益改进，通过九轴传感器采集和定位钻头、钻杆的数据，利用密闭环境下的超声波通讯技术及压力润滑水作为介质，对钻头的智能定向钻探信息系统进行及时有效的调整及整改，以有效的确保钻孔的质量，以有效、及时发现钻探钻孔问题，提高反馈的及时性，降低不必要的成本，有效的推动行业发展，同时本申请采用的钻探检测的结构简单，方法操作方便，无需拆卸钻杆检测，能够有效的大量节省人力、物力和时间，便于操作和调节，能够降低工作人员的工作强度，提高测量精度，降低成本。
为解决背景技术中所述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种智能定向钻探系统，包括钻头、显示模块和中央处理器模块，所述的钻头内设有发射器，所述的显示模块内设有接收器，所述的发射器和接收器与中央处理器模块组合构成钻头智能定向钻探的定向钻探系统，所述的发射器包括数据调制模块、九轴传感器和电源，所述的接收器包括电源模块、数据调节模块和显示模块。
优选地，所述的数据调制模块的输出端直接与中央处理器模块连接，数据调制模块的输入端直接与信息采集模块连接，所述的中央处理器模块的输出端直接与数据调节模块连接，所述的数据调节模块的输出端与显示器连接，所述的信息采集模块采用的是九轴传感器，所述的电源模块设为多组，且多个电源模块相互独立设置，多个电源模块分别与数据调制模块、中央处理器模块和数据调节模块连接，通过采用九轴传感器和中央处理器模块配合以有效的对钻杆和钻头进行方向、倾角、位置和转速等数据进行有效的采集和数据调制和调节处理，利用密闭环境下的超声波通讯技术及压力润滑水作为介质，对钻头的智能定向钻探信息系统进行及时有效的调整及整改，以有效的确保钻孔的质量，以有效、及时发现钻探钻孔问题，提高反馈的及时性。
优选地，所述的显示模块包括远程上位机和移动显示端，通过上位机和移动显示端的同时使用，既能够实时的对钻头钻孔状态进行监控，同时与移动显示端(矿用智能手机)相互配合，能够有效且及时直观查看钻孔角度、深度、倾斜角等，能够及时发现问题，作出调整及整改，确保钻孔质量。
优选地，所述的中央处理器模块使用的处理器芯片是STM32F103R6型号芯片，处理器芯片的PB4口通过电阻R3与波形显示器连接，处理器芯片的PC1口和PC9口分别于上舵机和下舵机连接，所述的上舵机和下舵机之间通过陀螺仪跟随算法牵扯连接实现，采用STM32F103系列单片机，72MHZ主频，性能强大，当下面舵机转动一个角度后，上面一个舵机会跟随下一个舵机转动。这相当于陀螺仪转动一个角度之后，另一个陀螺仪转动，因为超声信号是通过载波进行调制。
优选地，所述的数据调制模块中使用的调制控制芯片是HT9200型号芯片，所述的调制控制芯片的dtmf端口通过MOSFET电路与超声波换能器连接，所述的数据调节模块中使用的调节控制芯片是HT9170型号芯片，调节控制芯片的Gs端口通过电阻RE2后与VN端口并联，然后分别通过电阻RE1和电容CE1后与超声波接收器LS1连接。
优选地，所述的九轴传感器中的控制芯片采用的是MPU9250型号芯片。
一种智能定向钻探系统的定向钻探方法，其定向钻探方法为：
a、首先，通过钻头内的发射器上的九轴传感器对地下的钻头的钻孔角度、深度、倾斜角数据进行信息采集，九轴传感器包括陀螺仪、加速器和磁力计，并且通过四元数姿态结算，卡尔曼滤波得到角度值，加速度值；
b、然后通过IIC协议与STM32进行通信，STM32读取头的角度值和加速度值，通过STM32对加速度值进行积分，得到钻头的空间位置，对角度进行处理，得到钻头的姿态；
c、通过对调制波进行调制，与载波进行处理，最终得到40KHZ的电信号，在将电信号通过MOSFET、超声波换能器元器件，将电信号转换成超声波信号，在超声波信号中加载信息；
d、最后将声波传输，到达接收端，超声波接收方得到数据进行解码，得到传递过来的钻头空间姿态，通过串口传递给上位机，上位机显示钻头位置、姿态，然后进行控制。
本发明的有益效果是：
1)、对钻头的智能定向钻探信息系统进行及时有效的调整及整改，以有效的确保钻孔的质量，以有效、及时发现钻探钻孔问题，提高反馈的及时性，降低不必要的成本，有效的推动行业发展。
2)、同时本申请采用的钻探检测的结构简单，方法操作方便，无需拆卸钻杆检测，能够有效的大量节省人力、物力和时间，便于操作和调节，能够降低工作人员的工作强度，提高测量精度，降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种智能定向钻探系统及其定向钻探方法的系统示意图；
图2为本发明一种智能定向钻探系统及其定向钻探方法的中央处理器电路模块示意图；
图3为本发明一种智能定向钻探系统及其定向钻探方法的九轴传感器电路模块示意图；
图4为本发明一种智能定向钻探系统及其定向钻探方法的数据调节电路模块示意图；
图5为本发明一种智能定向钻探系统及其定向钻探方法的数据调制电路模块示意图；
图6为本发明一种智能定向钻探系统及其定向钻探方法的定向钻探方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将对本发明作进一步的详细介绍。
请参考图1、图2、图3、图4、图5，一种智能定向钻探系统及其定向钻探方法，包括钻头、显示模块和中央处理器模块，所述的钻头内设有发射器，所述的显示模块内设有接收器，所述的发射器和接收器与中央处理器模块组合构成钻头智能定向钻探的定向钻探系统，所述的发射器包括数据调制模块、九轴传感器和电源，所述的接收器包括电源模块、数据调节模块和显示模块。
进一步的，所述的数据调制模块的输出端直接与中央处理器模块连接，数据调制模块的输入端直接与信息采集模块连接，所述的中央处理器模块的输出端直接与数据调节模块连接，所述的数据调节模块的输出端与显示器连接，所述的信息采集模块采用的是九轴传感器，所述的电源模块设为多组，且多个电源模块相互独立设置，多个电源模块分别与数据调制模块、中央处理器模块和数据调节模块连接，通过采用九轴传感器和中央处理器模块配合以有效的对钻杆和钻头进行方向、倾角、位置和转速等数据进行有效的采集和数据调制和调节处理，利用密闭环境下的超声波通讯技术及压力润滑水作为介质，对钻头的智能定向钻探信息系统进行及时有效的调整及整改，以有效的确保钻孔的质量，以有效、及时发现钻探钻孔问题，提高反馈的及时性。
进一步的，所述的显示模块包括远程上位机和移动显示端，通过上位机和移动显示端的同时使用，既能够实时的对钻头钻孔状态进行监控，同时与移动显示端(矿用智能手机)相互配合，能够有效且及时直观查看钻孔角度、深度、倾斜角等，能够及时发现问题，作出调整及整改，确保钻孔质量。
进一步的，所述的中央处理器模块使用的处理器芯片是STM32F103R6型号芯片，处理器芯片的PB4口通过电阻R3与波形显示器连接，处理器芯片的PC1口和PC9口分别于上舵机和下舵机连接，所述的上舵机和下舵机之间通过陀螺仪跟随算法牵扯连接实现，采用STM32F103系列单片机，72MHZ主频，性能强大，当下面舵机转动一个角度后，上面一个舵机会跟随下一个舵机转动。这相当于陀螺仪转动一个角度之后，另一个陀螺仪转动，因为超声信号是通过载波进行调制。
进一步的，所述的数据调制模块中使用的调制控制芯片是HT9200型号芯片，所述的调制控制芯片的dtmf端口通过MOSFET电路与超声波换能器连接，所述的数据调节模块中使用的调节控制芯片是HT9170型号芯片，调节控制芯片的Gs端口通过电阻RE2后与VN端口并联，然后分别通过电阻RE1和电容CE1后与超声波接收器LS1连接。
进一步的，所述的九轴传感器中的控制芯片采用的是MPU9250型号芯片。
参考附图6，一种智能定向钻探系统的定向钻探方法，其定向钻探方法为：
a、首先，通过钻头内的发射器上的九轴传感器对地下的钻头的钻孔角度、深度、倾斜角数据进行信息采集，九轴传感器包括陀螺仪、加速器和磁力计，并且通过四元数姿态结算，卡尔曼滤波得到角度值，加速度值；
b、然后通过IIC协议与STM32进行通信，STM32读取头的角度值和加速度值，通过STM32对加速度值进行积分，得到钻头的空间位置，对角度进行处理，得到钻头的姿态；
c、通过对调制波进行调制，与载波进行处理，最终得到40KHZ的电信号，在将电信号通过MOSFET、超声波换能器元器件，将电信号转换成超声波信号，在超声波信号中加载信息；
d、最后将声波传输，到达接收端，超声波接收方得到数据进行解码，得到传递过来的钻头空间姿态，通过串口传递给上位机，上位机显示钻头位置、姿态，然后进行控制。
本申请中采用的九轴传感器是一种能够将运动体的运动方向、角度、加速度等信息转换成具体数值的电子元器件，它能够准确快速检测运动体的运动姿态，一般在飞行器上比较常见，本发明利用这一技术，将钻探技术中钻头的推进方向角度速度等信息通过超声波数据传输至钻机PC端或移动端(矿用智能手机)，进行实时检测钻头的推进方向速度等技术参数，准确把控钻头的钻进数据，实现精确的定向钻孔能力，本发明突破了深井钻钻头无法精确定位和岩层(煤层)数据无法回传的两大技术难题。实现了深井钻探技术中钻头精确定位的技术应用。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (5)
1.一种智能定向钻探系统，包括钻头、显示模块和中央处理器模块，其特征在于：所述的钻头内设有发射器，所述的显示模块内设有接收器，所述的发射器和接收器与中央处理器模块组合构成钻头智能定向钻探的定向钻探系统，所述的发射器包括数据调制模块、九轴传感器和电源，所述的接收器包括电源模块、数据调节模块和显示模块，所述的数据调制模块的输出端直接与中央处理器模块连接，数据调制模块的输入端直接与信息采集模块连接，所述的中央处理器模块的输出端直接与数据调节模块连接，所述的数据调节模块的输出端与显示器连接，所述的信息采集模块采用的是九轴传感器，所述的电源模块设为多组，且多个电源模块相互独立设置，多个电源模块分别与数据调制模块、中央处理器模块和数据调节模块连接，所述的数据调制模块中使用的调制控制芯片是HT9200型号芯片，所述的调制控制芯片的dtmf端口通过MOSFET电路与超声波换能器连接，所述的数据调节模块中使用的调节控制芯片是HT9170型号芯片，调节控制芯片的Gs端口通过电阻RE2后与VN端口并联，然后分别通过电阻RE1和电容CE1后与超声波接收器LS1连接。
2.根据权利要求1所述的一种智能定向钻探系统，其特征在于，所述的显示模块包括远程上位机和移动显示端。
3.根据权利要求1所述的一种智能定向钻探系统，其特征在于，所述的中央处理器模块使用的处理器芯片是STM32F103R6型号芯片，处理器芯片的PB4口通过电阻R3与波形显示器连接，处理器芯片的PC1口和PC9口分别于上舵机和下舵机连接，所述的上舵机和下舵机之间通过陀螺仪跟随算法牵扯连接实现。
4.根据权利要求1所述的一种智能定向钻探系统，其特征在于，所述的九轴传感器中的控制芯片采用的是MPU9250型号芯片。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种智能定向钻探系统的定向钻探方法，其特征在于，其定向钻探方法为：
a、首先，通过钻头内的发射器上的九轴传感器对地下的钻头的钻孔角度、深度、倾斜角数据进行信息采集，九轴传感器包括陀螺仪、加速器和磁力计，并且通过四元数姿态结算，卡尔曼滤波得到角度值，加速度值；
b、然后通过IIC协议与STM32进行通信，STM32读取头的角度值和加速度值，通过STM32对加速度值进行积分，得到钻头的空间位置，对角度进行处理，得到钻头的姿态；
c、通过对调制波进行调制，与载波进行处理，最终得到40KHZ的电信号，在将电信号通过MOSFET、超声波换能器元器件，将电信号转换成超声波信号，在超声波信号中加载信息；
d、最后将声波传输，到达接收端，超声波接收方得到数据进行解码，得到传递过来的钻头空间姿态，通过串口传递给上位机，上位机显示钻头位置、姿态，然后进行控制。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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