CN114086943A - 一种高精度钻孔轨迹测量短节及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度钻孔轨迹测量短节及测量方法，属于钻探技术领域，包括上提头、自扶正机构、无磁密封壳、导向缓冲机构和数据获取模块；自扶正机构设置有两组，两组自扶正机构设置于无磁密封壳的首尾两端，导向缓冲机构设置于尾端的自扶正机构的尾端，数据获取模块设置于无磁密封壳内；本发明中，由于自扶正部分而时刻保持与它所在钻柱段的同轴度，封装在测量短节内的数据获取模块所采集到的测量短节的井斜、方位数据，即为其所在钻柱段的井斜、方位，从而反应钻孔的井斜、方位，为钻孔轨迹测量提供数据。整个轨迹获取过程，仪器均处于管柱内，不与井内直接接触，并随正常提钻作业提出井外，不占用额外提钻时间且无事故风险，安全、高效。
Description
技术领域
本发明涉及钻探技术领域，特别是涉及一种高精度钻孔轨迹测量短节及测量方法。
背景技术
在钻探工程中，井斜问题是成孔施工中的一个关键技术问题，尤其随着孔深的增加，地层的复杂多变导致井斜问题变得更加突出，钻进效率低、施工成本高及钻孔轨迹不符合设计要求等严重的影响了施工进度，有时不得不重钻纠斜甚至钻孔报废。
目前，现有测斜技术，在地质钻探与石油钻探中广泛应用。在地质岩心钻探施工应用中，普遍采用点测，实施每百米测斜的规范，无法确定钻孔偏斜方位及确定最大全角变化率对应孔段；在石油钻探中，常采用投测或随钻测量实现对钻孔倾斜程度和倾斜方位的确定，其中随钻测量多采用磁通门方案实现对倾斜方向的测量，受地层影响，且要求钻具无磁屏蔽，实现成本高，适用范围窄，测量精度低。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度钻孔轨迹测量短节及测量方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种高精度钻孔轨迹测量短节，包括上提头、自扶正机构、无磁密封壳、导向缓冲机构和数据获取模块；
其中，所述自扶正机构设置有两组，两组所述自扶正机构相对设置于所述无磁密封壳的首尾两端，位于所述无磁密封壳首端的所述自扶正机构的首端设置所述上提头，位于所述无磁密封壳尾端的所述自扶正机构的尾端设置所述导向缓冲机构，所述数据获取模块设置于所述无磁密封壳内；
所述自扶正机构包括扶正架、V形连杆一、V形连杆二、V形连杆三、两个扶正块、活塞杆、上活塞缸和垫片，首尾端的两个所述自扶正机构的所述V形连杆一和所述V形连杆二的开口均朝向所述无磁密封壳设置，所述V形连杆一和所述V形连杆二均由两个长连杆构成，所述V形连杆一的两个所述长连杆一端铰接在所述扶正架上，另一端分别与位于所述扶正架两侧的所述扶正块的一端铰接，所述V形连杆二的两个所述长连杆一端铰接在所述扶正架上，另一端则分别与两个所述扶正块的另一端铰接，所述V形连杆三包括两个短连杆，两个所述短连杆一端铰接连接，另一端分别与所述V形连杆二的两个所述长连杆的杆体铰接；所述上活塞缸一端连接所述扶正架，另一段连接所述无磁密封壳，所述上活塞缸内设置有弹簧一，所述弹簧一的一端与所述垫片相抵，另一端与所述活塞杆位于所述上活塞缸的一端相抵，所述活塞杆的另一端位于所述上活塞缸外部并与所述V形连杆三相抵。
优选地，所述上提头螺纹连接于所述扶正架的首端，所述上提头上设置有提孔，通过提孔连接钢丝绳或吊钩实现提拽。
优选地，所述无磁密封壳包括铝合金外壳、外壳接头和O形圈，所述铝合金外壳的两端分别螺纹连接一个所述外壳接头，两个所述外壳接头的另一端则分别螺纹连接两个所述自扶正机构的所述上活塞缸，所述铝合金外壳与所述外壳接头的连接处设置所述O形圈实现耐压密封。
优选地，所述导向缓冲机构包括下活塞缸、下接头、导向头、六角螺母和弹簧二，所述下活塞缸的两端分别螺纹连接所述扶正架和下接头，所述导向头的首端穿过下接头的轴孔并与所述六角螺母螺纹连接，所述六角螺母与所述下接头通过端面限位实现限制所述导向头向尾端的位移；所述弹簧二首端与下接头相抵，所述弹簧二尾端与所述导向头尾端的端面接触并为压缩状态。
优选地，所述数据获取模块包括设置于所述无磁密封壳内的陀螺仪、加速度计、计算单元、存储单元、传输模块和电池，所述电池为各功能模块供电，所述陀螺仪实现对功能模块基于三轴坐标系的各轴方向的转动量数据的监测，所述加速度计实现装置自身加速度检测，所述计算单元实现对传感器测获数据的数据整理，所述存储单元实现对各数据数组的存储记录，并通过所述传输模块将存储数据无线传输到上位机，所述上位机通过内置孔身三维轨迹算法程序实现钻孔轨迹在显示屏上显示输出，指导现场施工人员进行钻孔控制作业。
优选地，所述V形连杆一和所述V形连杆二的两个长连杆均通过长弹性销与所述扶正架铰接，所述长连杆通过短弹性销与所述扶正块铰接。
一种基于前述的高精度钻孔轨迹测量短节的高精度钻孔轨迹测量方法，所述方法包括：
在所述高精度钻孔轨迹测量短节由孔口至孔底的移动过程中获取每个测点处加速度计测量的加速度和陀螺仪测量的数据获取模块基于三轴坐标系的各轴方向的转动角度；
根据每个测点处加速度计测量的加速度，计算相邻测点之间的测段长度；
根据每个测点处各轴方向的转动角度和电子罗盘标定的陀螺仪y轴相对于磁北方向的偏角，计算每个测点的顶角和方位角；
根据相邻测点之间的测段长度、每个测点的顶角和方位角，采用校正平均角法，确定每个测点的三维位置坐标；
将每个测点的三维位置坐标表示在同一坐标系中，并将各测点依次连接，形成孔身三维轨迹曲线。
优选地，所述根据每个测点处加速度计测量的加速度，计算相邻测点之间的测段长度，具体包括：
根据每个测点处加速度计测量的加速度，利用公式
，计算相邻测点之间的测段长度；
其中，S i 为测点i-1和测点i之间的测段长度，a i-2、a i-1、a i 分别为测点i-2、测点i-1、测点i处的加速度，n为测点总数，t为相邻测点之间测量的时间间隔。
优选地，所述根据每个测点处各轴方向的转动角度和电子罗盘标定的陀螺仪y轴相对于磁北方向的偏角，计算每个测点的顶角和方位角，具体包括：
根据每个测点处x、y轴方向的转动角度，利用公式
，计算每个测点的顶角；其中，
为测点i的顶角，
为测点i处x轴方向的转动角度，
为测点i处y轴方向的转动角度；
根据每个测点处各轴方向的转动角度和电子罗盘标定的陀螺仪y轴相对于磁北方向的偏角，利用公式
，计算每个测点的方位角；其中，
为测点i的方位角，
为测点i处z轴方向的转动角度，
为电子罗盘标定的陀螺仪y轴相对于磁北方向的偏角。
优选地，所述根据相邻测点之间的测段长度、每个测点的顶角和方位角，采用校正平均角法，确定每个测点的三维位置坐标，具体包括：
根据相邻测点之间的测段长度、每个测点的顶角和方位角，利用公式
，计算每个测段在北方向、东方向和垂直方向上的坐标增量；所述测段为相邻测点之间的连接线段；其中，ΔN i 、ΔE i 、ΔD i 分别为测点i-1和测点i之间的测段在北方向、东方向和垂直方向上的坐标增量，
、
分别为测点i-1、测点i的方位角，
、
分别为测点i-1、测点i的顶角，S i 为测点i-1和测点i之间的测段长度；
根据每个测段在北方向、东方向和垂直方向上的坐标增量，利用公式
，计算每个测点的三维位置坐标；其中，x i 、y i 、z i 分别为测点i的三维位置坐标，ΔN j 、ΔE j 、ΔD j 分别为测点j-1和测点j之间的测段在北方向、东方向和垂直方向上的坐标增量。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
本发明提供的高精度钻孔轨迹测量短节，采用具有存储功能的测量装置，可集成于地质岩心钻探用内管总成上或独立使用，通过内置陀螺仪测量钻柱轴线姿态角而实现对钻孔轨迹的回次实时监测，确定实时的井底空间位置，解决绳索取心钻探、定向取心钻探等钻孔轨迹测量及人工井底的实时空间位置预测，指导对接井“牵手对接”问题，也可单独用于石油钻井，提供三维轨迹测量服务。
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。
图1为本发明中高精度钻孔轨迹测量短节的结构示意图；
图2为本发明中数据获取模块的结构示意图；
图3为本发明中数据获取模块的原理图；
图4为本发明中高精度钻孔轨迹测量方法的流程图；
图5为本发明中姿态角度获取的原理图；
图6为本发明中托盘短接的结构示意图；
图7为本发明中钻孔轨迹的示意图；
图8为本发明中测量短节实现钻孔轨迹测量的方案原理示意图；
图中：1-上提头、2-扶正架、3-V形连杆一、4-扶正块、5-V形连杆二、6-V形连杆三、7-活塞杆、8-上活塞缸、9-垫片、10-弹簧一、11-外壳接头、12-铝合金外壳、13-O形圈、14-下活塞缸、15-下接头、16-导向头、17-弹簧二、18-六角螺母、19-长弹性销、20-短弹性销。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种高精度钻孔轨迹测量短节，以解决现有技术存在的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例中的高精度钻孔轨迹测量短节，如图1所示，包括上提头1、自扶正机构、无磁密封壳、导向缓冲机构和数据获取模块；
其中，自扶正机构设置有两组，两组自扶正机构相对设置于无磁密封壳的首尾两端，位于无磁密封壳首端的自扶正机构的首端设置上提头1，位于无磁密封壳尾端的自扶正机构的尾端设置导向缓冲机构，数据获取模块设置于无磁密封壳内；
自扶正机构包括扶正架2、V形连杆一3、V形连杆二5、V形连杆三6、两个扶正块4、活塞杆7、上活塞缸8和垫片9，首尾端的两个自扶正机构的V形连杆一3和V形连杆二5的开口均朝向无磁密封壳设置，V形连杆一3和V形连杆二5均由两个长连杆构成，V形连杆一3的两个长连杆一端铰接在扶正架2上，另一端分别与位于扶正架2两侧的扶正块4的一端铰接，V形连杆二5的两个长连杆一端铰接在扶正架2上，另一端则分别与两个扶正块4的另一端铰接，V形连杆三6包括两个短连杆，两个短连杆一端铰接连接，另一端分别与V形连杆二5的两个长连杆的杆体铰接；上活塞缸8一端连接扶正架2，另一段连接无磁密封壳，上活塞缸8内设置有弹簧一10，弹簧一10的一端与垫片9相抵，另一端与活塞杆7位于上活塞缸8的一端相抵，活塞杆7的另一端位于上活塞缸8外部并与V形连杆三6相抵。
于本具体实施例中，上提头1螺纹连接于扶正架2的首端，上提头1上设置有提孔，通过提孔连接钢丝绳或吊钩实现提拽。
于本具体实施例中，无磁密封壳包括铝合金外壳12、外壳接头11和O形圈13，铝合金外壳12的两端分别螺纹连接一个外壳接头11，两个外壳接头11的另一端则分别螺纹连接两个自扶正机构的上活塞缸8，铝合金外壳12与外壳接头11的连接处设置O形圈13实现耐压密封。
于本具体实施例中，导向缓冲机构包括下活塞缸14、下接头15、导向头16、六角螺母18和弹簧二17，下活塞缸14的两端分别螺纹连接扶正架2和下接头15，导向头16的首端穿过下接头15的轴孔并与六角螺母18螺纹连接，六角螺母18与下接头15通过端面限位实现限制导向头16向尾端的位移；弹簧二17首端与下接头15相抵，弹簧二17尾端与导向头16尾端的端面接触并为压缩状态。
于本具体实施例中，参照图2和图3，数据获取模块包括设置于无磁密封壳内的陀螺仪、加速度计、计算单元、存储单元、传输模块和电池，电池为各功能模块供电，陀螺仪实现对功能模块基于三轴坐标系的各轴方向的转动量数据的监测，加速度计实现装置自身加速度检测，计算单元实现对传感器测获数据的数据整理，存储单元实现对各数据数组的存储记录，并通过传输模块将存储数据无线传输到上位机，上位机通过内置孔身三维轨迹算法程序实现钻孔轨迹在显示屏上显示输出，指导现场施工人员进行钻孔控制作业。
于本具体实施例中，数据获取模块包括V形连杆一3和V形连杆二5的两个长连杆均通过长弹性销19与扶正架2铰接，长连杆通过短弹性销20与扶正块4铰接。
本发明中的高精度钻孔轨迹测量短节的测量原理与方法：若由于地层或操作等因素影响而导致钻孔产生一定偏斜，则下入孔内的钻柱也随钻孔产生相同趋势的偏斜，所以通过测量钻柱的姿态，可以反映钻孔的偏斜情况。通过投测的方式，将测量短节投入到钻柱的内通道，测量短节在从孔口下降到井底托盘的过程中，由于自扶正部分而时刻保持与它所在钻柱段的同轴度，这样，封装在测量短节内的数据获取模块所采集到的测量短节的井斜、方位数据，即为其所在钻柱段的井斜、方位，从而反应钻孔的井斜、方位，为钻孔轨迹测量提供数据。通过GPS授时，实现多传感器的采集数据的时间轴同步，实现井斜、方位及加速度值的数据对应，实现孔身轨迹生成。
整个轨迹获取过程，仪器均处于管柱内，不与井内直接接触，并随正常提钻作业提出井外，不占用额外提钻时间且无事故风险，安全、高效。
基于前述的高精度钻孔轨迹测量短节，本发明还提供了一种高精度钻孔轨迹测量方法，如图4所示，方法包括：
步骤101，在高精度钻孔轨迹测量短节由孔口至孔底的移动过程中获取每个测点处加速度计测量的加速度和陀螺仪测量的数据获取模块基于三轴坐标系的各轴方向的转动角度。
步骤102，根据每个测点处加速度计测量的加速度，计算相邻测点之间的测段长度。
数据获取功能模块将加速度计测获的加速度a数据对时间段t（例如测量频率为100Hz时对应的t=10ms）进行双重积分计算实现测段长度S的计算，S=f3（a，t）；其中S=f3（a，t）的计算过程如下：
测量短节静置在孔口处时，测量装置的初始速度v0=0、时刻为t0，下一时刻t1=t0+t对应的速度为v1，以此类推，时刻tn=t0+t*n对应的速度为
，测段长度S为时刻tn-1到时刻tn所对应的时间段内测量短节的位移。
测点为根据仪器给定测量频率而实现一定时间间隔t的捕获传感器数据的时刻所对应的仪器上相对固定一点的空间位置，所以时刻ti对应测点i。
具体为：
根据每个测点处加速度计测量的加速度，利用公式
，计算相邻测点之间的测段长度；
其中，S i 为测点i-1和测点i之间的测段长度，a i-2、a i-1、a i 分别为测点i-2、测点i-1、测点i处的加速度，n为测点总数，t为相邻测点之间测量的时间间隔。
步骤103，根据每个测点处各轴方向的转动角度和电子罗盘标定的陀螺仪y轴相对于磁北方向的偏角，计算每个测点的顶角和方位角。
姿态角度获取：姿态角度包括陀螺仪检测到的测量短节基于自身三轴坐标系的x、y轴自转动角度θ 1和θ 2，z轴绕自身周向转动角度θ 3；当每一回次结束，托盘提到地表，取出测量短节，通过蓝牙无线传输，将测量短节采集的转动角度数据发送给上位机。
参照图5，当x、y轴自转动一定角度θ 1和θ 2后，z轴产生一定的偏转，z轴偏转后的方向与竖直方向的夹角φ称为顶角，z轴偏转后的方向相对于磁北方向的角度
称为方位角，θ 1、θ 2与φ、
通过空间几何变换可建立等式关系
、
，通过等式关系在上位机内置角度转化程序，根据x、y轴转动角度θ 1和θ 2，结合电子罗盘标定的陀螺仪y轴相对于磁北方向的偏角
和z轴绕自身周向转动角度θ 3，即可计算出各个测点的φ、
；具体的计算公式
、
如下：
根据每个测点处x、y轴方向的转动角度，利用公式
，计算每个测点的顶角；其中，
为测点i的顶角，
为测点i处x轴方向的转动角度，
为测点i处y轴方向的转动角度；
根据每个测点处各轴方向的转动角度和电子罗盘标定的陀螺仪y轴相对于磁北方向的偏角，利用公式
，计算每个测点的方位角；其中，φ i 为测点i的方位角，θ i3为测点i处z轴方向的转动角度，
为电子罗盘标定的陀螺仪y轴相对于磁北方向的偏角。
步骤104，根据相邻测点之间的测段长度、每个测点的顶角和方位角，采用校正平均角法，确定每个测点的三维位置坐标。
根据测段长度S、顶角φ与方位角φ数据，通过上位机内置校正平均角法程序实现孔身轨迹每个测点的位置坐标计算，并在上位机显示屏显示孔身三维轨迹、轨迹水平投影；其中校正平均角法解释及实现过程如下：
先通过钻孔的测段长度、顶角和方位角，计算出每个测点在北和东方向以及垂直方向上的坐标增量（ΔN i 、ΔE i 和ΔD i ）；然后进行数学累加，得到每个测点的坐标值；再将各测点连接成1条轨迹曲线，其中测点为根据仪器给定测量频率而实现一定时间间隔t的捕获传感器数据的时刻所对应的仪器上相对固定一点的空间位置。设定从孔口到孔底各测点ci的三维坐标分别为c0（x0，y0，z0）、c1（x1，y2，z3）…ci（xi，yi，zi）…cn（xn，yn，zn），相邻的两测点之间的连接线段为一个测段，则对应的c0与c1之间的直线距离为测段长度S1，c1与c2之间的直线距离为测段长度S2，ci-1与ci之间的直线距离为测段长度Si。
具体包括：
根据相邻测点之间的测段长度、每个测点的顶角和方位角，利用公式
，计算每个测段在北方向、东方向和垂直方向上的坐标增量；测段为相邻测点之间的连接线段；其中，ΔN i 、ΔE i 、ΔD i 分别为测点i-1和测点i之间的测段在北方向、东方向和垂直方向上的坐标增量，
、
分别为测点i-1、测点i的方位角，
、
分别为测点i-1、测点i的顶角，S i 为测点i-1和测点i之间的测段长度；
根据每个测段在北方向、东方向和垂直方向上的坐标增量，利用公式
，计算每个测点的三维位置坐标；其中，x i 、y i 、z i 分别为测点i的三维位置坐标，ΔN j 、ΔE j 、ΔD j 分别为测点j-1和测点j之间的测段在北方向、东方向和垂直方向上的坐标增量。
步骤105，将每个测点的三维位置坐标表示在同一坐标系中，并将各测点依次连接，形成孔身三维轨迹曲线。
本发明通过考虑并利用地质岩心钻探每回次打捞内管取心和石油钻探每回次提钻更换钻头的施工特点，将测量短节连接在内管上或投测置于托盘上方，在地质岩心钻探内管打捞到地表或石油钻探提钻过程中，采用测量短节对顶角、方位角等数据进行采集、存储，并通过地表回传上位机，实现回次监测的“随钻测斜”方案，具有更高的经济性与可行性。
在钻井施工中对发明的高精度钻孔轨迹测量短节及其测量方法进行了实际应用。
1）在钻井施工最后一回次下钻具前，在钻头与钻铤或螺杆与钻铤之间连接托盘短接，如图6所示；
（2）在钻至某深度后、提钻前，首先钻柱上提，将主动钻杆下第一根钻杆坐卡在孔口，拧卸掉主动钻杆，将测量短节从管柱水眼内投入管柱；
（3）等待40min~60min（时间根据钻孔深度确定，短节下降速度约1m/s）确保短节到达井底托盘位置后，开始正常起钻；
（4）起钻到托盘短接处时取出测量短节，并通过无线传输将测获数据传输到上位机；
（5）数据处理分析：采集相关信息如表1所示，其中A为测量时序号，记录各存储数据对应测量时刻；B~D为加速度计测获各轴向加速度值，E~G为陀螺仪测获各轴转动角速度，H~J为陀螺仪各轴绕自身转动角度，K为测量短节显示电量，L为计算单元内置电子陀螺测得的磁场方向角度。根据
、
和S=f3（a，t），通过上位机计算出测段长度S、顶角φ与方位角φ数据，根据S_sum=S1+S2+…+Sn，可计算出第n个测段对应的孔深S_sum，各测段对应的孔深S_sum、顶角φ与方位角φ数据如表2所示。根据上述数据，根据校正平均角法计算得到各测点三维坐标并绘制钻孔轨迹如图7所示。
表1 采集原始信息
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L |
| 帧头 | ax | ay | az | wx | wy | wz | pitch | roll | yaw | 电量 | 磁场角度 |
| 1 | 0.036987 | -0.01587 | 1.01013 | 0.427246 | -0.12207 | -0.39673 | -0.20103 | 0.039056 | -0.27737 | 384 | 357 |
| 2 | 0.038086 | -0.01575 | 1.01477 | 0.427246 | -0.12207 | -0.39673 | -0.20092 | 0.038464 | -0.27784 | 384 | 357 |
| 3 | 0.03772 | -0.01611 | 1.01038 | 0.396729 | -0.09155 | -0.39673 | -0.19991 | 0.039173 | -0.27832 | 384 | 357 |
| 4 | 0.037964 | -0.01392 | 1.0061 | 0.427246 | -0.09155 | -0.39673 | -0.19853 | 0.039059 | -0.27878 | 384 | 357 |
| 5 | 0.036133 | -0.01709 | 1.00977 | 0.427246 | -0.12207 | -0.36621 | -0.19939 | 0.039078 | -0.27926 | 384 | 357 |
| 6 | 0.039307 | -0.01221 | 1.0061 | 0.396729 | -0.12207 | -0.39673 | -0.19949 | 0.039785 | -0.27973 | 384 | 357 |
| 7 | 0.034302 | -0.01733 | 1.01001 | 0.396729 | -0.12207 | -0.39673 | -0.19973 | 0.040278 | -0.2802 | 384 | 357 |
| 8 | 0.032593 | -0.01758 | 1.01294 | 0.396729 | -0.09155 | -0.39673 | -0.1996 | 0.040184 | -0.28067 | 384 | 357 |
| 9 | 0.033325 | -0.01672 | 1.00745 | 0.396729 | -0.12207 | -0.39673 | -0.19939 | 0.040623 | -0.28114 | 384 | 357 |
| 10 | 0.033325 | -0.01672 | 1.00745 | 0.396729 | -0.12207 | -0.39673 | -0.19984 | 0.041535 | -0.281 | 384 | 357 |
| 11 | 0.035645 | -0.01611 | 1.0116 | 0.396729 | -0.12207 | -0.39673 | -0.1999 | 0.041146 | -0.28147 | 384 | 357 |
| 12 | 0.034668 | -0.01465 | 1.00732 | 0.427246 | -0.12207 | -0.39673 | -0.20064 | 0.041818 | -0.28194 | 384 | 357 |
| 13 | 0.037476 | -0.0188 | 1.01294 | 0.366211 | -0.09155 | -0.39673 | -0.19968 | 0.041376 | -0.28241 | 384 | 357 |
| 14 | 0.033814 | -0.01782 | 1.01526 | 0.427246 | -0.09155 | -0.39673 | -0.19842 | 0.040575 | -0.28335 | 384 | 357 |
| 15 | 0.038208 | -0.01563 | 1.00671 | 0.396729 | -0.12207 | -0.39673 | -0.19837 | 0.041012 | -0.28383 | 384 | 357 |
| … | … | … | … | … | … | … | … | … | … | … | … |
| … | … | … | … | … | … | … | … | … | … | … | … |
| 3017 | 0.025513 | -0.04993 | 0.995605 | 0.366211 | 0.152588 | -1.31226 | 0.449431 | 0.076645 | -3.05708 | 384 | 357 |
| 3018 | 0.025513 | -0.04993 | 0.995605 | 0.366211 | 0.152588 | -1.31226 | 0.450774 | 0.068644 | -3.07591 | 384 | 357 |
| 3019 | 0.018799 | -0.02527 | 1.0116 | 0.366211 | 0.152588 | -1.2207 | 0.456101 | 0.060288 | -3.09292 | 384 | 357 |
| 3020 | 0.016602 | -0.02686 | 0.990601 | 0.305176 | 0.183105 | -1.15967 | 0.463444 | 0.056095 | -3.10866 | 384 | 357 |
| 3021 | 0.051148 | -0.03357 | 0.970093 | 0.274658 | 0.152588 | -1.09863 | 0.47066 | 0.050976 | -3.12319 | 384 | 357 |
| 3022 | 0.029785 | -0.03699 | 1.00928 | 0.274658 | 0.12207 | -1.09863 | 0.469782 | 0.044423 | -3.13773 | 384 | 357 |
| 3023 | 0.02063 | -0.03137 | 0.983154 | 0.335693 | 0.12207 | -1.00708 | 0.473467 | 0.038381 | -3.15045 | 384 | 357 |
| 3024 | 0.011597 | -0.04675 | 0.980713 | 0.335693 | 0.12207 | -0.94605 | 0.479169 | 0.033593 | -3.16193 | 384 | 357 |
| 3025 | 0.010742 | -0.03003 | 0.996582 | 0.305176 | 0.12207 | -0.85449 | 0.48681 | 0.02489 | -3.17161 | 384 | 357 |
| 3026 | -0.00928 | -0.02856 | 0.987427 | 0.274658 | 0.183105 | -0.85449 | 0.4958 | 0.019233 | -3.18127 | 384 | 357 |
| 3027 | -0.00806 | 0.000488 | 0.999756 | 0.274658 | 0.152588 | -0.91553 | 0.508504 | 0.013903 | -3.19214 | 384 | 357 |
| 3028 | 0.000244 | 0.009155 | 0.992188 | 0.305176 | 0.183105 | -1.09863 | 0.521483 | 0.015469 | -3.20661 | 384 | 357 |
| 3029 | 0.029419 | 0.006714 | 0.994873 | 0.366211 | 0.152588 | -1.2207 | 0.53202 | 0.020104 | -3.22352 | 384 | 357 |
| 3030 | 0.053467 | -0.0072 | 1.01685 | 0.366211 | 0.12207 | -1.37329 | 0.535577 | 0.024161 | -3.24347 | 384 | 357 |
| 3031 | 0.061646 | -0.00891 | 1.0094 | 0.427246 | 0.12207 | -1.31226 | 0.533862 | 0.026416 | -3.26224 | 384 | 357 |
表2 上位机解算得到数据
| S_sum | φ | ψ | S_sum | φ | ψ |
| 0 | 0.534515 | 177.1674 | … | … | … |
| 0.7261 | 0.536122 | 177.4171 | 1839.835 | 21.719154 | 111.623 |
| 1.4521 | 0.5324 | 177.836 | 1840.561 | 21.720777 | 111.5849 |
| 2.1782 | 0.521712 | 178.301 | 1841.287 | 21.721428 | 111.6361 |
| 2.9043 | 0.508694 | 178.4339 | 1842.013 | 21.716063 | 111.6951 |
| 3.6304 | 0.496173 | 177.7785 | 1842.739 | 21.724309 | 111.5356 |
| 4.3564 | 0.487446 | 177.0732 | 1843.465 | 21.714958 | 111.4901 |
| 5.0825 | 0.480345 | 175.9899 | 1844.191 | 21.714003 | 111.4755 |
| 5.8086 | 0.47502 | 175.3657 | 1844.917 | 21.711852 | 111.276 |
| 6.5347 | 0.471877 | 174.5983 | 1845.644 | 21.718787 | 110.6158 |
| 7.2607 | 0.473412 | 173.8187 | 1846.37 | 21.716222 | 110.4165 |
| 7.9868 | 0.466826 | 173.0987 | 1847.096 | 21.701149 | 110.4525 |
| 8.7129 | 0.460068 | 172.4704 | 1847.822 | 21.716006 | 110.3818 |
| 9.4389 | 0.45597 | 171.3417 | 1848.548 | 21.70949 | 110.1067 |
| 10.165 | 0.455919 | 170.3222 | 1849.274 | 21.710171 | 110.0988 |
| … | … | … | 1850.010 | 21.712735 | 110.2182 |
本发明相对于现有技术产生的技术效果为：
1.通过投测的方式实施并且在投测到底的过程中采集相关数据，完成钻孔轨迹的检测；测量短节通过自扶正机构保持铝合金外壳与钻柱的同心度；并利用钻柱包络在钻孔内的特征，通过测量钻柱轨迹实现对钻孔轨迹的测量，测量方案原理如图8所示；
2.自扶正机构通过多组平行四边形连杆机构实现测量短节在钻柱的变径通道内的自扶正，并通过弹簧一的劲度系数优选，实现扶正块与钻柱内壁横向压力的调节，控制测量短节投测过程中的下行速度；
3.通过考虑测量短节轴向自旋产生的旋转角度补偿，实现钻孔轨迹高精度测量；
4.测量短节可适用于地质岩心钻探与石油钻探的钻孔轨迹测量；对于石油钻探，通过投测，在短节下降过程中高频测量并存储各测点的井斜、方位等数据，提钻取出短节后，通过上位机实现钻孔轨迹的绘制；对于地质岩心钻探，通过短节的上部上提头替换为打捞矛、下部导向头替换为打捞器结构，然后下部连接绳索取心钻具内管总成，在随着从孔口投放内管总成到孔底，实现对钻孔轨迹的测量，并通过打捞器打捞提出孔口，实现不提钻测量钻孔轨迹。
本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种高精度钻孔轨迹测量短节，其特征在于：包括上提头、自扶正机构、无磁密封壳、导向缓冲机构和数据获取模块；
其中，所述自扶正机构设置有两组，两组所述自扶正机构相对设置于所述无磁密封壳的首尾两端，位于所述无磁密封壳首端的所述自扶正机构的首端设置所述上提头，位于所述无磁密封壳尾端的所述自扶正机构的尾端设置所述导向缓冲机构，所述数据获取模块设置于所述无磁密封壳内；
所述自扶正机构包括扶正架、V形连杆一、V形连杆二、V形连杆三、两个扶正块、活塞杆、上活塞缸和垫片，首尾端的两个所述自扶正机构的所述V形连杆一和所述V形连杆二的开口均朝向所述无磁密封壳设置，所述V形连杆一和所述V形连杆二均由两个长连杆构成，所述V形连杆一的两个所述长连杆一端铰接在所述扶正架上，另一端分别与位于所述扶正架两侧的所述扶正块的一端铰接，所述V形连杆二的两个所述长连杆一端铰接在所述扶正架上，另一端则分别与两个所述扶正块的另一端铰接，所述V形连杆三包括两个短连杆，两个所述短连杆一端铰接连接，另一端分别与所述V形连杆二的两个所述长连杆的杆体铰接；所述上活塞缸一端连接所述扶正架，另一段连接所述无磁密封壳，所述上活塞缸内设置有弹簧一，所述弹簧一的一端与所述垫片相抵，另一端与所述活塞杆位于所述上活塞缸内的一端相抵，所述活塞杆的另一端位于所述上活塞缸外部并与所述V形连杆三相抵。
2.根据权利要求1所述的高精度钻孔轨迹测量短节，其特征在于：所述上提头螺纹连接于所述扶正架的首端，所述上提头上设置有提孔，通过所述提孔连接钢丝绳或吊钩实现提拽。
3.根据权利要求1所述的高精度钻孔轨迹测量短节，其特征在于：所述无磁密封壳包括铝合金外壳、外壳接头和O形圈，所述铝合金外壳的两端分别螺纹连接一个所述外壳接头，两个所述外壳接头的另一端则分别螺纹连接两个所述自扶正机构的所述上活塞缸，所述铝合金外壳与所述外壳接头的连接处设置所述O形圈实现耐压密封。
4.根据权利要求1所述的高精度钻孔轨迹测量短节，其特征在于：所述导向缓冲机构包括下活塞缸、下接头、导向头、六角螺母和弹簧二，所述下活塞缸的两端分别螺纹连接所述扶正架和下接头，所述导向头的首端穿过下接头的轴孔并与所述六角螺母螺纹连接，所述六角螺母与所述下接头通过端面限位实现限制所述导向头向尾端的位移；所述弹簧二首端与所述下接头相抵，所述弹簧二尾端与所述导向头尾端的端面接触并为压缩状态。
5.根据权利要求1所述的高精度钻孔轨迹测量短节，其特征在于：所述数据获取模块包括设置于所述无磁密封壳内的陀螺仪、加速度计、计算单元、存储单元、传输模块和电池，所述电池为各功能模块供电，所述陀螺仪实现对功能模块基于三轴坐标系的各轴方向的转动量数据的监测，所述加速度计实现装置自身加速度检测，所述计算单元实现对传感器测获数据的数据整理，所述存储单元实现对各数据数组的存储记录，并通过所述传输模块将存储数据无线传输到上位机，所述上位机通过内置孔身三维轨迹算法程序实现钻孔轨迹在显示屏上显示输出，指导现场施工人员进行钻孔控制作业。
6.根据权利要求1所述的高精度钻孔轨迹测量短节，其特征在于：所述V形连杆一和所述V形连杆二的两个长连杆均通过长弹性销与所述扶正架铰接，所述长连杆通过短弹性销与所述扶正块铰接。
7.一种高精度钻孔轨迹测量方法，应用如权利要求1-6任一项所述的高精度钻孔轨迹测量短节，其特征在于，所述方法包括：
在所述高精度钻孔轨迹测量短节由孔口至孔底的移动过程中获取每个测点处加速度计测量的加速度和陀螺仪测量的数据获取模块基于三轴坐标系的各轴方向的转动角度；
根据每个测点处加速度计测量的加速度，计算相邻测点之间的测段长度；
根据每个测点处各轴方向的转动角度和电子罗盘标定的陀螺仪y轴相对于磁北方向的偏角，计算每个测点的顶角和方位角；
根据相邻测点之间的测段长度、每个测点的顶角和方位角，采用校正平均角法，确定每个测点的三维位置坐标；
将每个测点的三维位置坐标表示在同一坐标系中，并将各测点依次连接，形成孔身三维轨迹曲线。
8.根据权利要求7所述的高精度钻孔轨迹测量方法，其特征在于，所述根据每个测点处加速度计测量的加速度，计算相邻测点之间的测段长度，具体包括：
根据每个测点处加速度计测量的加速度，利用公式
，计算相邻测点之间的测段长度；
其中，S i 为测点i-1和测点i之间的测段长度，a i-2、a i-1、a i 分别为测点i-2、测点i-1、测点i处的加速度，n为测点总数，t为相邻测点之间测量的时间间隔。
9.根据权利要求7所述的高精度钻孔轨迹测量方法，其特征在于，所述根据每个测点处各轴方向的转动角度和电子罗盘标定的陀螺仪y轴相对于磁北方向的偏角，计算每个测点的顶角和方位角，具体包括：
根据每个测点处x、y轴方向的转动角度，利用公式
，计算每个测点的顶角；其中，φ i 为测点i的顶角，
为测点i处x轴方向的转动角度，
为测点i处y轴方向的转动角度；
根据每个测点处各轴方向的转动角度和电子罗盘标定的陀螺仪y轴相对于磁北方向的偏角，利用公式
，计算每个测点的方位角；其中，φ i 为测点i的方位角，θ i3为测点i处z轴方向的转动角度，
为电子罗盘标定的陀螺仪y轴相对于磁北方向的偏角。
10.根据权利要求7所述的高精度钻孔轨迹测量方法，其特征在于，所述根据相邻测点之间的测段长度、每个测点的顶角和方位角，采用校正平均角法，确定每个测点的三维位置坐标，具体包括：
根据相邻测点之间的测段长度、每个测点的顶角和方位角，利用公式
，计算每个测段在北方向、东方向和垂直方向上的坐标增量；所述测段为相邻测点之间的连接线段；其中，ΔN i 、ΔE i 、ΔD i 分别为测点i-1和测点i之间的测段在北方向、东方向和垂直方向上的坐标增量，
、
分别为测点i-1、测点i的方位角，
、
分别为测点i-1、测点i的顶角，S i 为测点i-1和测点i之间的测段长度；
根据每个测段在北方向、东方向和垂直方向上的坐标增量，利用公式
，计算每个测点的三维位置坐标；其中，x i 、y i 、z i 分别为测点i的三维位置坐标，ΔN j 、ΔE j 、ΔD j 分别为测点j-1和测点j之间的测段在北方向、东方向和垂直方向上的坐标增量。
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|---|---|---|---|
| CN202210076190.XA CN114086943A (zh) | 2022-01-24 | 2022-01-24 | 一种高精度钻孔轨迹测量短节及测量方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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