CN114837652A - 一种钻进偏移传感修正系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钻进偏移传感修正系统及方法，包括定位模块、压力传感模块和载荷施加装置。所述的定位模块包括多个，布置在钻杆的上端平面圆周和中心处、钻杆中端平面的圆周处、钻头处。所述的压力传感模块包括多个，布置在钻头的齿圈上、钻头最底部接触岩石的牙齿内侧。所述的载荷施加装置位于钻杆的顶部。由操作中控根据定位模块和压力传感模块的检测参数计算得到钻杆回正所需要的应力分量，对微调液压装置进行动态施压。本发明利用定位模块监测钻机钻进偏移方位角，通过荷载装置对偏移进行修正，能够有效监测钻孔偏移角度，并对钻头钻进方向及时修正，节省了用回填材料填充偏斜的时间，有效降低钻孔成本，提高钻孔质量。
Description
技术领域
本发明涉及矿山机械技术领域，特别涉及一种钻进偏移传感修正系统及方法。
钻孔机械多用于矿山打孔、油田打井、地质探矿等大型工程，由于钻探过程中会遇到不同节理发育和种类的岩石，钻进介质的不均匀性会导致钻头钻进破岩过程中发生横向与纵向的振幅和位移，随着钻进深度的增大，钻头的偏移将无法控制，对孔壁造成破坏，影响成孔质量和钻孔效率以及后续爆破的装药量。目前，现场施工验孔时偏移角度超过2°就会影响成孔质量，超过5°会形成废孔，重新钻孔则会增加钻孔成本。本发明装置能够有效监测钻孔偏移角度，并对钻头钻进方向及时修正，节省了用回填材料填充偏斜的时间，有效降低钻孔成本，提高钻孔质量。
发明内容
为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种钻进偏移传感修正系统及方法，利用定位模块监测钻机钻进偏移方位角，通过荷载装置对偏移进行修正，能够有效监测钻孔偏移角度，并对钻头钻进方向及时修正，节省了用回填材料填充偏斜的时间，有效降低钻孔成本，提高钻孔质量。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种钻进偏移传感修正系统，所述的修正系统安装在钻机的钻杆和钻头上，包括定位模块、压力传感模块和载荷施加装置。
所述的定位模块包括多个，布置在钻杆的上端平面圆周和中心处，还布置在钻杆中端平面的圆周处，还布置在钻头处。
所述的压力传感模块包括多个，布置在钻头的齿圈上；还布置在钻头最底部接触岩石的牙齿内侧。
所述的载荷施加装置位于钻杆的顶部。
所述的定位模块、压力传感模块和载荷施加装置均钻机操作中控连接，由操作中控根据定位模块和压力传感模块的检测参数计算得到钻杆回正所需要的应力分量，对微调液压装置进行动态施压。
进一步地，所述的载荷施加装置包括微调液压装置、载荷接收点，微调液压装置与载荷接收点均包括多个，均匀分布在钻杆的最上端圆周处，载荷接收点与钻杆的上端平面圆周处的定位模块的位置对应，每个微调液压装置上端与载荷接收点连接，并通过载荷接收点与钻机操作中控连接，接收钻机操作中控下发的载荷信号。
一种钻进偏移传感修正方法，包括如下步骤：
步骤一、在钻机的钻杆上端平面圆周和中心处、钻杆中端平面的圆周处和钻头处分别布置定位模块；
步骤二、在钻头的齿圈上、钻头最底部接触岩石的牙齿内侧分别布置压力传感模块；
步骤三、在钻杆的顶部布置载荷施加装置；
步骤四、以钻杆上端平面中心的定位模块为原点，以钻杆上端圆周处的定位模块所确定的平面为x轴与y轴平面，与其垂直的轴为z轴，建立三维坐标系；
步骤五、在三维坐标系中划分单元网格；
步骤六、根据钻杆中端平面的圆周处的定位模块确定钻杆中端在三维坐标系的坐标位置；
步骤七、根据钻头处的定位模块确定钻头在三维坐标系的坐标位置；
步骤八、基于应力平衡原理，由于钻进是一个动态过程，坐标轴的原点不动，根据定位模块确定钻杆和钻头偏移xyz方向角度；
步骤九、由钻头上的压力传感模块以及钻杆偏移方向能够计算出钻头整体的受力状态；用于获得xyz三个应力分量所受的应力；
步骤十、根据回正所需的应力分量，确定施加载荷的坐标，传输给微调液压装置，通过微调液压装置传递给钻杆，钻杆在旋转过程中，对微调液压装置进行动态施压，形成以坐标为作用点进行的动态施压过程。
进一步地，所述的动态施压的具体过程为：
所述的荷施加装置包括微调液压装置、载荷接收点，微调液压装置与载荷接收点均匀分布在钻杆的最上端圆周处，载荷接收点与钻杆的上端平面圆周处的定位模块的位置对应，每个微调液压装置上端与载荷接收点连接，载荷接收点与坐标原点分布在同一水平面上，载荷接收点随着钻杆旋转，根据钻头偏移的受力情况，获得回正时施加的载荷和坐标点，坐标点和力是固定的，当载荷接收点旋转到指定坐标时会对微调液压装置发出施加回正力的信号，每一个载荷接收点到达此点时都会发出载荷信号，从而实现动态施压回正钻杆偏移。
进一步地，压力传感模块测量钻头整体受力大小和方向，测量每个测点所受三轴压力。
进一步地，当钻机为单牙轮钻头时，钻头部分的定位模块分布布置在钻头质点界面圆周处。
进一步地，当钻机为三牙轮钻头时，钻头部分的定位模块分布布置在钻杆底部、三个牙轮钻头的外围平面处。
进一步地，当钻机为PDC钻头时，钻头部分的定位模块分布布置在钻杆底部、钻头的质点界面圆周处。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明的一种钻进偏移传感修正系统及方法，利用定位模块监测钻机钻进偏移方位角，通过荷载装置对偏移进行修正，能够有效监测钻孔偏移角度，并对钻头钻进方向及时修正，节省了用回填材料填充偏斜的时间，有效降低钻孔成本，提高钻孔质量；
2)本发明能够实时监测钻杆与钻头偏移坐标，直接进行调整，避免了偏移填塞工作，节省钻孔时间，提高了成孔质量和钻进效率。
附图说明
图1为本发明实施例的一种单牙轮钻钻杆、钻头及修正系统；
图2为本发明实施例的定位模块和压力传感模块示意图；
图3为本发明实施例的载荷施加装置示意图；
图4为本发明实施例的载荷施加装置断面示意图；
图5为本发明实施例的三维坐标系图；
图6发明实施例的流程图；
图7发明实施例的三牙轮钻钻头定位模块和压力传感模块示意图。
图8发明实施例的PDC钻头定位模块和压力传感模块示意图。
图中：1-钻杆 2-钻头 3-修正系统 4-定位模块 5-压力传感模块 6-载荷施加装置 7-微调液压装置 8-载荷接收点。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1-4所示，一种钻进偏移传感修正系统包括钻杆1、钻头2和修正系统3，所述修正系统包括定位模块4、压力传感模块5、载荷施加装置6；所述钻杆1和钻头2为钻机的钻杆1和钻头2；所述定位模块4位于钻杆1上端平面圆周及中心、中端平面圆周以及钻头2处，能够实时定位钻杆1及钻头2钻进位置；所述压力传感器5分布在钻头2的齿圈上，以及钻头2最底部接触岩石的牙齿内侧；所述载荷施加装置6位于钻杆1的顶部，与钻机操作中控连接。
所述修正系统3中的定位模块4为厘米级位置传感器，以cm单位坐标标定，每个圆周水平均匀分布四个定位模块4，通过四点坐标能够得到圆心处坐标，进而确定钻杆1偏移方位角。
所述的荷施加装置6包括微调液压装置7、载荷接收点8，微调液压装置7与载荷接收点8均匀分布在钻杆1的最上端圆周处，载荷接收点8与钻杆1的上端平面圆周处的定位模块4的位置对应，每个微调液压装置7上端与载荷接收点8连接，并通过载荷接收点8与钻机操作中控连接，载荷接收点8可以是有线或无线信号接收装置，能与钻机操作中控进行通讯连接，接收钻机操作中控下发的载荷信号。
如图6所示，一种钻进偏移传感修正方法，包括如下步骤
步骤一、在钻机的钻杆1上端平面圆周和中心处、钻杆1中端平面的圆周处和钻头2处分别布置定位模块4；
步骤二、在钻头2的齿圈上、钻头2最底部接触岩石的牙齿内侧分别布置压力传感模块5；
步骤三、在钻杆1的顶部布置载荷施加装置6；
步骤四、如图5所示，以钻杆1上端平面中心的定位模块4为原点，以钻杆1上端圆周处的定位模块4所确定的平面为xy平面，与其垂直的轴为z轴，建立三维坐标系；
步骤五、在三维坐标系中划分单元网格；每个单元尺寸为1cm，划分坐标系内部网格；
步骤六、根据钻杆1中端平面的圆周处的定位模块4确定钻杆1中端在三维坐标系的坐标位置；
步骤七、根据钻头2处的定位模块4确定钻头2在三维坐标系的坐标位置；
步骤八、基于应力平衡原理，由于钻进是一个动态过程，坐标轴的原点不动，根据定位模块确定钻杆1和钻头2偏移xyz方向角度；
步骤九、由钻头2上的压力传感模块5以及钻杆1偏移方向能够计算出钻头2整体的受力状态；用于获得xyz三个应力分量所受的应力；
步骤十、根据回正所需的应力分量，确定施加载荷的坐标，传输给微调液压装置6，通过微调液压装置6传递给钻杆1，钻杆1在旋转过程中，对微调液压装置6进行动态施压，形成以坐标为作用点进行的动态施压过程。
动态施压的具体过程为：载荷接收点8与坐标原点分布在同一水平面上，载荷接收点8随着钻杆1旋转，根据钻头2偏移的受力情况，获得回正时施加的载荷和坐标点，坐标点和力是固定的，当载荷接收点8旋转到指定坐标时会对微调液压装置发出施加回正力的信号，每一个载荷接收点8到达此点时都会发出载荷信号，从而实现动态施压回正钻杆偏移。
实施例1
一种钻进偏移传感修正系统包括钻杆1、钻头2和修正系统3，所述修正系统包括定位模块4、压力传感模块5、载荷施加装置6；所述载荷施加装置6由微调液压装置7、载荷接收点8组成；所述钻杆1和钻头2为钻机的钻杆1和钻头2；所述定位模块4位于钻杆1上端平面圆周及中心、中端平面圆周以及钻头2质点界面圆周处，能够实时定位钻杆1及钻头2钻进位置；所述压力传感器5分布在钻头2的齿圈上，以及钻头2最底部接触岩石的牙齿内侧；所述载荷施加装置6位于钻杆1的顶部，与钻机操作中控连接。
所述修正系统3中的定位模块4为厘米级位置传感器，以cm单位坐标标定，每个圆周水平均匀分布四个定位模块4，通过四点坐标能够得到圆心处坐标，进而确定钻杆1偏移方位角。
图1的实施例的钻机为单牙轮钻头，钻头2部分的定位模块4分布布置在钻头2质点界面圆周处。
实施例2
一种钻进偏移传感修正系统包括钻杆1、钻头2和修正系统3，所述修正系统包括定位模块4、压力传感模块5、载荷施加装置6；所述载荷施加装置6由微调液压装置7、载荷接收点8组成；所述钻杆1和钻头2为钻机的钻杆1和钻头2；所述定位模块4位于钻杆1上端平面圆周及中心、中端平面圆周以及钻头2处，能够实时定位钻杆1及钻头2钻进位置；所述压力传感器5分布在钻头的齿圈上，以及钻头2最底部接触岩石的牙齿内侧；所述载荷施加装置6位于钻杆1的顶部，与钻机操作中控连接。
所述修正系统3中的定位模块4为厘米级位置传感器，以cm单位坐标标定，每个圆周水平均匀分布四个定位模块4，通过四点坐标能够得到圆心处坐标，进而确定钻杆1偏移方位角。
如图7所示，三牙轮钻的钻头2处的定位模块4分布布置在钻杆1底部、三个牙轮钻头2的外围平面处。
实施例3
一种钻进偏移传感修正系统包括钻杆1、钻头2和修正系统3，所述修正系统包括定位模块4、压力传感模块5、载荷施加装置6；所述载荷施加装置6由微调液压装置7、载荷接收点8组成；所述钻杆1和钻头2为钻机的钻杆1和钻头2；所述定位模块4位于钻杆1上端平面圆周及中心、中端平面圆周以及钻头2处，能够实时定位钻杆1及钻头2钻进位置；所述压力传感器5分布在钻头2的齿圈上，以及钻头2最底部接触岩石的牙齿内侧；所述载荷施加装置6位于钻杆1的顶部，与钻机操作中控连接。
所述修正系统3中的定位模块4为厘米级位置传感器，以cm单位坐标标定，每个圆周水平均匀分布四个定位模块4，通过四点坐标能够得到圆心处坐标，进而确定钻杆1偏移方位角。
如图8所示，PDC钻机的钻头2处的定位模块4分布布置在钻杆1底部、钻头2的质点界面圆周处。
虽然结合本附图描述了本发明的实施例，但本发明所适用的钻头种类不限于单牙轮钻头、三牙轮钻头、PDC钻头、混合钻头等，不脱离本发明的含义和范围内的所有变化都包括在本申请内。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。
Claims (8)
1.一种钻进偏移传感修正系统，其特征在于，所述的修正系统安装在钻机的钻杆和钻头上，包括定位模块、压力传感模块和载荷施加装置；
所述的定位模块包括多个，布置在钻杆的上端平面圆周和中心处，还布置在钻杆中端平面的圆周处，还布置在钻头处；
所述的压力传感模块包括多个，布置在钻头的齿圈上；还布置在钻头最底部接触岩石的牙齿内侧；
所述的载荷施加装置位于钻杆的顶部；
所述的定位模块、压力传感模块和载荷施加装置均钻机操作中控连接，由操作中控根据定位模块和压力传感模块的检测参数计算得到钻杆回正所需要的应力分量，对微调液压装置进行动态施压。
2.根据权利要求1所述的一种钻进偏移传感修正系统，其特征在于，所述的载荷施加装置包括微调液压装置、载荷接收点，微调液压装置与载荷接收点均包括多个，均匀分布在钻杆的最上端圆周处，载荷接收点与钻杆的上端平面圆周处的定位模块的位置对应，每个微调液压装置上端与载荷接收点连接，并通过载荷接收点与钻机操作中控连接，接收钻机操作中控下发的载荷信号。
3.一种钻进偏移传感修正方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在钻机的钻杆上端平面圆周和中心处、钻杆中端平面的圆周处和钻头处分别布置定位模块；
步骤二、在钻头的齿圈上、钻头最底部接触岩石的牙齿内侧分别布置压力传感模块；
步骤三、在钻杆的顶部布置载荷施加装置；
步骤四、以钻杆上端平面中心的定位模块为原点，以钻杆上端圆周处的定位模块所确定的平面为x轴与y轴平面，与其垂直的轴为z轴，建立三维坐标系；
步骤五、在三维坐标系中划分单元网格；
步骤六、根据钻杆中端平面的圆周处的定位模块确定钻杆中端在三维坐标系的坐标位置；
步骤七、根据钻头处的定位模块确定钻头在三维坐标系的坐标位置；
步骤八、基于应力平衡原理，由于钻进是一个动态过程，坐标轴的原点不动，根据定位模块确定钻杆和钻头偏移xyz方向角度；
步骤九、由钻头上的压力传感模块以及钻杆偏移方向能够计算出钻头整体的受力状态；用于获得xyz三个应力分量所受的应力；
步骤十、根据回正所需的应力分量，确定施加载荷的坐标，传输给微调液压装置，通过微调液压装置传递给钻杆，钻杆在旋转过程中，对微调液压装置进行动态施压，形成以坐标为作用点进行的动态施压过程。
4.根据权利要求3所述的一种钻进偏移传感修正方法，其特征在于，所述的动态施压的具体过程为：
荷施加装置包括微调液压装置、载荷接收点，微调液压装置与载荷接收点均匀分布在钻杆的最上端圆周处，载荷接收点与钻杆的上端平面圆周处的定位模块的位置对应，每个微调液压装置上端与载荷接收点连接，载荷接收点与坐标原点分布在同一水平面上，载荷接收点随着钻杆旋转，根据钻头偏移的受力情况，获得回正时施加的载荷和坐标点，坐标点和力是固定的，当载荷接收点旋转到指定坐标时会对微调液压装置发出施加回正力的信号，每一个载荷接收点到达此点时都会发出载荷信号，从而实现动态施压回正钻杆偏移。
5.根据权利要求3所述的一种钻进偏移传感修正方法，其特征在于，压力传感模块测量钻头整体受力大小和方向，测量每个测点所受三轴压力。
6.根据权利要求3所述的一种钻进偏移传感修正方法，其特征在于，当钻机为单牙轮钻头时，钻头部分的定位模块分布布置在钻头质点界面圆周处。
7.根据权利要求3所述的一种钻进偏移传感修正方法，其特征在于，当钻机为三牙轮钻头时，钻头部分的定位模块分布布置在钻杆底部、三个牙轮钻头的外围平面处。
8.根据权利要求3所述的一种钻进偏移传感修正方法，其特征在于，当钻机为PDC钻头时，钻头部分的定位模块分布布置在钻杆底部、钻头的质点界面圆周处。
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