CN115573677A - 一种勘察数字化钻探系统及钻探参数的采集、传输和分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种勘察数字化钻探系统及钻探参数的采集、传输和分析方法，所述系统包括钻机、传感器、采集仪、云服务器以及人机交互装置，所述方法为通过在钻机上安装传感器，并操控采集仪控制传感器获取数据，并将数据进行分析处理，最后通过物联网上传到云服务器，进行再加工后，发送到各个人机交互装置上。本发明的优点为，它能够有效监管现场钻探全过程是否满足现行国家相关技术标准的有关规定，实现了钻探、取样数据的实时采集、远程无线传输、云存储和异地终端显示。

Description

一种勘察数字化钻探系统及钻探参数的采集、传输和分析 方法

技术领域

本发明涉及一种勘察数字化钻探系统及钻探参数的采集、传输和分析方法，尤其涉及工程建设工程勘察项目的钻探和钻孔内原位测试的一种基于互联网、物联网、移动通讯和传感技术可自动采集、传输和分析钻探过程主要钻探参数(数据)的方法，是实现勘察数字化的关键技术。

背景技术

我国工程建设的基本方针是先勘察、后设计、再施工，通过勘察工作查明拟建场地的岩土工程条件是工程项目建设的必备工作程序。钻探是国内外工程勘察一种常规、不可或缺的直接勘探方法和获取原始勘察数据的主要手段。目前90％以上的工程勘察项目都是采用钻探作为主要勘探手段。

钻探的主要工作模式是通过人工采集数据和借助钻探获取岩芯人工凭经验判别地层属性，查明不同岩性地层的空间分布和埋藏深度等。根据现行国家技术标准要求，在钻孔中对不同岩性地层分别采取岩、土、水样品送实验室进行物理、力学和化学试验，以及通过钻孔进行原位测试获取设计所需的物理、力学和化学指标。该工作模式容易因人为操作不符合国家有关技术标准的操作要求，出现数据采集错误或作假现象，导致工程质量事故或安全事故。而我国工程勘察行业90％以上均是采用XY系列分体式工程钻机，虽然设备型号相对同一，标准化程度高，但是设备相对简陋，主要依靠人工机械操作，且我国目前地质钻探作业基本都是采取劳务专业分包模式，钻探劳务人员的文化水平和技能水平相对较低，缺乏专业和技能培训。

现场钻探作业对地层、岩性的判别主要是通过钻探和钻具获取岩芯，由钻探编录员根据采取岩芯(土样)的颜色、状态、湿度、包含物等特征进行描述和初步分类。而钻探深度和回次深度，及取样深度都是由钻探作业人员通过米尺丈量，对剩余钻杆长度进行加减得到每回次的钻探深度和钻孔深度，数十乃至上百回次上下钻的量测，以及每一根钻杆长度均非标准长度，加之钻探作业人员缺乏系统的技能培训，现场地层划分和判别全依靠人工凭经验划分，手工填写记录表单，易造成判别标准差异、钻探和取样深度等计算错误，数据和原始资料的可靠性等问题。且由于经济利益驱动，缺乏职业道德，经常出现造假和不按技术规范操作的现象，导致工程勘察成果质量低下。影响XY系列工程钻机钻探质量除了上述主要人为因素外，尚有设备的等关键因素。

现代采样技术的发展为解决工程勘察成果质量提供了重要手段。如果能够对钻探过程的主要钻探参数(压力、流速、转速、深度等)进行自动实时采集，就能避免钻探、取样深度人工计算易出错和解决无法对现场钻探作业质量进行实时监管、查证、追溯等勘察质量监管问题。

采样技术的理论基础为采样定理，该定理是美国电信工程师H.奈奎斯特在 1928年提出的，在数字信号处理领域中，采样定理是连续时间信号(通常称为“模拟信号”)和离散时间信号(通常称为“数字信号”)之间的基本桥梁。该定理说明采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。它为采样率建立了一个足够的条件，该采样率允许离散采样序列从有限带宽的连续时间信号中捕获所有信息。定理说明采样过程所应遵循的规律，又称“取样定理”、“抽样定理”。

采样是将一个信号(即时间或空间上的连续函数)转换成一个数值序列(即时间或空间上的离散函数)。采样得到的离散信号经保持器后，得到的是阶梯信号，即具有零阶保持器的特性。如果信号是带限的，并且采样频率高于信号最高频率的一倍，那么，原来的连续信号可以从采样样本中完全重建出来。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种勘察数字化钻探系统及钻探参数的采集、传输和分析方法，它能够有效监管现场钻探全过程是否满足现行国家相关技术标准的有关规定，实现了钻探、取样数据的实时采集、远程无线传输、云存储和异地终端显示。

本发明通过如下技术方案实现：一种勘察数字化钻探系统，其特征在于：它包括

钻机，用于钻探的设备；

传感器，安装于钻机上，用于收集相关数据；

采集仪71，安装于钻机并与传感器连接，用于接收和处理传感器采集的数据、接收人工控制信号以及接收时间和卫星定位系统信号；以及

云服务器，通过物联网与采集仪71连接，接收采集仪71采集到的数据和信号并对数据进行处理和分析，得到的参数图表；

人机交互装置，通过物联网与云服务器连接，接收得到的参数图表，供工程人员实时查看；

其中，所述传感器包括液压传感器61、转速传感器62、流量传感器63、扭矩传感器64、拉绳传感器65、位移传感器66、霍尔磁力传感器67以及接近开关传感器68。

一种钻机钻探参数的采集、传输和分析方法，其特征在于：它包括如下步骤：

步骤1：将传感器以及采集仪71安装于钻机，以通过传感器记录钻机运行时的各项参数；

步骤2：传感器和采集仪71安装完成后打开采集仪71德电源，钻机开始钻探作业，记录传感器钻探参数和进尺；

步骤3：拔杆作业，操作钻机的卷扬机19拉动钻机的钢丝绳21向上拔起钻机的钻杆，位移传感器66自动记录钢丝绳21上拉和下放的距离，当最后一根钻杆拔出钻孔后，人工拨动采集仪71的拔杆开关，告知采集仪71钻孔内钻杆已经全部拔出；

步骤4：取样作业，将取样器下放至取样孔内，打开采集仪71的取样开关，操纵钻机完成取样，取样完成后，关闭采集仪71的取样开关；

步骤5：标准贯入和动力触探测试作业，在钻机的钻杆底端安装标准贯入器或动力触探头，由钻机的卷扬机19下放至钻孔内的测试点后，打开采集仪71 的标贯开关或动探开关，进行标准贯入或动力触探测试作业，作业完成后，关闭标准贯入或动力触探开关；

步骤6：将采集仪71所采集的数据处理并上传云服务器；

步骤7：进行钻机的钻杆长度计算，通过确定每个回次的拔杆区间，分析钻机的钢丝绳21所对应的位移传感器66位移变化，确定一共拔出几根钻杆以及每根钻杆长度；

步骤8：云服务器根据步骤6以及步骤7的参数，绘制钻探参数随深度变化曲线；

步骤9：云服务器根据步骤8的变化曲线智能化识别不同岩性地层。

较之前技术而言，本发明的有益效果为：

(1)可有效监管现场钻探全过程是否满足现行国家相关技术标准的有关规定，实现了钻探、取样数据的实时采集、远程无线传输、云存储和异地终端显示；

(2)有效地解决了钻探作业全过程实时数据采集和质量信息化监管，确保钻探全过程数据源的可靠性、真实性和可溯源性等难题。实现钻探全过程的数字化；

(3)通过对每一个钻孔钻探全过程主要钻探参数进行实时采集，可以获取这些参数在不同岩性地层的钻进时程变化情况，通过与钻探过程钻探描述员的外业记录进行对比分析，可以辅助判断现场作业人员对地层的划分和描述是否正确，初步实现地层划分智能化。

附图说明

图1为XY型钻机示意图.

图2为采集器以及传感器安装于钻机的示意图。

图3为采集器以及传感器安装于钻机的示意图。

图4为采集器的外形图。

图5为拔杆区间曲线。

图6进尺区间曲线。

图7进尺区间深度-压力曲线。

图8钻参数-深度曲线图。

标号说明：11机架、12泥浆泵、13柴油机、14减速机、15传动皮带、16 变速箱、17主动伞形齿轮、18从动伞形齿轮、19卷扬机、20天轮、21钢丝绳、 22主动钻杆、23夹持环、24液压杆、25回转器盖、26导杆、27锁接头、28钻杆钻头、29液压管、30油路系统、61液压传感器、62转速传感器、63流量传感器、64扭矩传感器、65拉绳传感器、66位移传感器、67霍尔磁力传感器、 68接近开关传感器、71采集仪。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明做详细说明：

如图1-3所示：一种勘察数字化钻探系统，它包括

钻机，用于钻探的设备；

传感器，安装于钻机上，用于收集相关数据；

采集仪71，安装于钻机并与传感器连接，用于接收和处理传感器采集的数据、接收人工控制信号以及接收时间和卫星定位系统信号；以及

云服务器，通过物联网与采集仪71连接，接收采集仪71采集到的数据和信号并对数据进行处理和分析，得到的参数图表；

人机交互装置，通过物联网与云服务器连接，接收得到的参数图表，供工程人员实时查看；

其中，所述传感器包括液压传感器61、转速传感器62、流量传感器63、扭矩传感器64、拉绳传感器65、位移传感器66、霍尔磁力传感器67以及接近开关传感器68。

这里的钻机为现有技术，这里采用的XY型钻机，它包括机架11、泥浆泵 12、柴油机13、减速机14、传动皮带15、变速箱16、主动伞形齿轮17、从动伞形齿轮18、卷扬机19、天轮20、钢丝绳21、主动钻杆22、夹持环23、液压杆24、回转器盖25、导杆26、锁接头27、钻杆钻头28、液压管29以及油路系统30；

柴油机13和减速机14相互连接且安装于机架11上，减速机14通过传动皮带15连接变速箱16，变速箱16的输出轴连接主动伞形齿轮17，主动伞形齿轮17和从动伞形齿轮18啮合；

泥浆泵12安装于机架11，油路系统30安装于泥浆泵12上，液压管29于油路系统30连接；

卷扬机19安装于变速箱16上，变速箱16架设在油路系统30上，卷扬机19与钢丝绳21连接，钢丝绳21另一端绕过天轮20与连接主动钻杆22，夹持环23夹持于主动钻杆22，主动钻杆22与液压杆24连接，液压管29与液压杆 24连接；回转器盖25与变速箱16连接，从动伞形齿轮18固设于主动钻杆22 外周；主动钻杆22通过锁接头27与钻杆连接，钻杆端部连接钻头；

导杆26与液压杆24平行并安装于回转器盖25下方。

主要的工作原理如下：钻机所有设备均安装于机架11之上，动力源为柴油机13，柴油机13输出动力到减速机14，经减速机14减速，分别输送给泥浆泵 12、油路系统30和变速箱16。泥浆泵12用于将泥浆泵12入钻孔内。油路系统 30通过液压管29向液压杆24施加压力，控制液压杆24升降。夹持环23和液压杆24连接，且能够夹持或者松开主动钻杆22，当夹持环23夹住主动钻杆22 时，主动钻杆22会同液压杆24一起升降。导杆26和液压杆24平行，同液压杆24一起升降，保证液压杆24和主动钻杆22的垂直度。减速机14通过传动皮带15驱动变速箱16，变速箱16可以为主动伞形齿轮17和卷扬机19提供动力。变速箱16和回转器盖25相连，回转器盖25可以打开或关闭，当回转器盖 25关闭时，主动伞形齿轮17和从动伞形齿轮18啮合，从动伞形齿轮18能够驱动主动钻杆22旋转。卷扬机19上缠绕有钢丝绳21，一头通过天轮20与钻杆用挂钩连接，当夹持环23松开时，卷扬机19可以拔起或下放主动钻杆22，当回转器盖25打开时，卷扬机19可以拔起或下放普通钻杆。主动钻杆22通过锁接头27和普通钻杆连接，普通钻杆和钻头连接，通过控制主动钻杆22的竖向运动和转速，就可以控制钻头钻进。

钻探作业介绍

钻探的基本工作是在地面上向下钻一个勘察孔，并将钻孔内的岩土带到地面(或者直接在孔内做实验)供技术人员分析判别地层。

钻探以“回次”为作业单位。普通钻头的形状为一个空心圆筒，将钻头放入钻孔向下钻进一定距离(一般为2m)，土石就会填满圆筒内部，然后从钻孔中拔出钻头，使用水泵将钻头内土石冲出，以此判别钻进深度内的土层，一次钻进的过程即一个回次。重复上述步骤，可以得到整个钻探深度内的土层分布。因此一次钻探过程由多个回次构成。

钻探作业流程如下：

1、开孔

1)开定位孔：使用开孔钻头在放样地点开一个深度3m左右的钻孔；

2)进尺：使用卷扬机19掉放长度3m的钻头进钻孔，向下钻进2m(此时钻孔深5m)，后拔出钻头；

2、回次作业

1)下放钻杆：先使用卷扬机19下放钻头进钻孔，然后将钻头端部锁接头 27(锁接头27为螺栓接头，用于连接钻杆)和钻杆连接，使用卷扬机19继续将钻杆钻头28下放进钻孔；

2)进尺：开动钻机，向下钻进2m；

3)拔起钻杆：使用卷扬机19将钻杆上拔至锁接头27，拆卸掉钻杆，然后使用卷扬机19把钻头拔出，完成一个回次的作业。

4)重复上述步骤，随着深度的增加不断增加钻杆，直至预定钻探深度，完成钻探作业。

这里的传感器种类和安装位置如下：

如图2、3所示：所述液压传感器61安装于钻机的液压管29进油管处，用于测量钻机立轴向下施加的压力；

转速传感器62安装于钻机的立轴伞形齿轮上方，伞形齿轮齿顶扫过转速传感器62时，传感器会产生一个脉冲，采集脉冲个数，通过换算可得到钻头旋转的转速；

流量传感器63安装于钻机的泥浆泵12出水口，用于测量泥浆泵12泵入的泥浆流量；

扭矩传感器64安装于钻机的主动钻杆22上，用于测量钻杆钻进时的扭矩；

拉绳传感器65安装于钻机的回转器盖25上，拉绳传感器65的拉绳端与钻机的液压杆24的端部连接，用于测量液压杆24的伸缩量；

霍尔传感器安装于钻机的机体上,并在钻机的回转器盖25对应位置安装磁铁，当回转器盖25闭合时，磁铁靠近霍尔传感器，能被其探测到；当回转器盖 25打开时，磁铁远离霍尔传感器，无法被其探测到，根据磁铁是否被探测到，可以监测回转器盖25处于打开还是闭合状态；

位移传感器66安装于钻机的卷扬机19上方，位移传感器66滚轮夹住卷扬机19的钢丝绳21，测量卷扬机19上拉和下放钢丝绳21距离；

接近开关传感器68安装于钻杆的夹持环23下方，通过感应夹持环23位置，监测夹持环23是否夹住主动钻杆22。

所述采集仪71上设有进尺开关、取样开关、标贯开关、动探开关、以及拔杆开关，且内部设有无线传输模块和存储模块。

采集仪71安装于钻机人工操作台一侧，其主要包括4个功能：

1)接收和处理传感器采集的数据；

2)接收人工控制信号；

3)接收时间和卫星定位系统信号；

4)将采集到的数据和信号通过物联网上传至云服务器。

人工控制信号由采集仪71上的5个控制开关输入(图4)，功能如下：

表1控制开关表

本发明所述的方法如下：一种钻机钻探参数的采集、传输和分析方法，其特征在于：它包括如下步骤：

步骤1：将传感器以及采集仪71安装于钻机，以通过传感器记录钻机运行时的各项参数；

步骤2：传感器和采集仪71安装完成后打开采集仪71德电源，钻机开始钻探作业，记录传感器钻探参数和进尺；

步骤2的具体流程如下：

流程1：将回转器的外盖打开，将钻杆通过卷扬机19下放到孔位，然后合上回转器盖25；再控制主动钻杆22的锁接头27和普通钻杆连接，此时钻进回次开始，打开进尺开关，开始进尺。

流程2：控制主动钻杆22向下进尺。使用夹持环23夹住主动钻杆22，夹持环23接近开关感应到主动钻杆22被夹住进而打开，告知采集仪71开始工作，转速传感器62记录钻杆转速，液压传感器61记录液压管29压力，流量计记录泥浆流量，拉绳传感器65记录液压杆24下降距离(夹持环23固定于液压杆24 上，夹持环23夹住主动钻杆22后，主动钻杆22移动距离和液压杆24移动距离相同)。当液压杆24移动至行程底时，松开夹持环23，接近开关关闭，同时移采集仪71暂停记录，这样就完成一个液压行程。重复上述操作，直到打完一个回次，人工将进尺开关关闭，此时主动钻杆22下降的距离就是实际的进尺深度。

流程3：在完成进尺后将主动钻杆22从孔内拔出，松开主动钻杆22和普通钻杆的锁接头27，打开回转器盖25子。回转器盖25子边沿装有霍尔磁力传感器67，当回转器盖25子打开时，霍尔磁力传感器67会感应并告知采集仪71 回转器盖25子处于开启状态。

步骤3：拔杆作业，操作钻机的卷扬机19拉动钻机的钢丝绳21向上拔起钻机的钻杆，位移传感器66自动记录钢丝绳21上拉和下放的距离，当最后一根钻杆拔出钻孔后，人工拨动采集仪71的拔杆开关，告知采集仪71钻孔内钻杆已经全部拔出；

步骤4：取样作业，将取样器下放至取样孔内，打开采集仪71的取样开关，操纵钻机完成取样，取样完成后，关闭采集仪71的取样开关；

步骤5：标准贯入和动力触探测试作业，在钻机的钻杆底端安装标准贯入器或动力触探头，由钻机的卷扬机19下放至钻孔内的测试点后，打开采集仪71 的标贯开关或动探开关，进行标准贯入或动力触探测试作业，作业完成后，关闭标准贯入或动力触探开关；

步骤6：将采集仪71所采集的数据处理并上传云服务器；

步骤6的数据处理具体为，生成包括以下内容的数据包：

记录号：该条数据的编号；

时间：采集该条数据的时间；

进尺深度：采集时间点的拉伸传感器记录的进尺深度；

转速：采集时间点转速传感器62记录的钻头转速；

压力：采集时间点液压传感器61记录的油缸压力；

流量：采集时间点流量计记录的泥浆流量；

扭矩：采集时间点扭矩传感器64记录的钻杆扭矩；

坐标X，坐标Y：钻机的坐标；

卷扬机19：采集时间点卷扬机19钢丝绳21移动距离；

取样：采集时间点取样开关的开关状态，“1”为未取样，“2”为正在取样；

标贯：采集时间点标贯开关的开关状态，“1”为未进行标准贯入试验，“2”为正在进行标准贯入试验；

动探：采集时间点动探开关的开关状态，“1”为未进行动力触探试验，“2”为正在进行动力触探试验；

拔杆：采集时间点拔杆开关的开关状态，“1”为钻杆在钻孔内未拔出，“2”为钻杆拔出钻孔，即钻孔内没有钻杆；

盖子：采集时间点霍尔磁力传感器67状态，“1”为关闭，即回转器盖25 子关闭，“2”为开启，即回转器盖25子打开；

进尺：采集时间点进尺的开关状态，“1”为未进尺，“2”为正在进尺；

之后进行以下流程：

流程1：数据滤波，为去除明显误差数据，使用限幅滤波算法确定两次采用允许的最大偏差值，每次检测到新值时自动判断，如果本次值与上次值之差小于偏差值,则本次值有效；如果本次值与上次值之差大于偏差值，则本次值无效，放弃本次值，用上次值代替本次值；

流程2：数据传输，采集仪71在接收到物联网信号后，即刻将数据通过物联网发送至云服务器，如果接受不到物联网信号则将数据打包保存，待收到信号后再上传。

步骤7：进行钻机的钻杆长度计算，通过确定每个回次的拔杆区间，分析钻机的钢丝绳21所对应的位移传感器66位移变化，确定一共拔出几根钻杆以及每根钻杆长度；

步骤7的具体流程为：

流程1.确定拔杆区间起始点，按时间顺序分析数据，当“进尺”数据由2 变为1时说明钻机进尺结束，继续分析“盖子”数据，当其由1变为2时说明回转器盖25被打开，当满足上述条件时，该时间点就是该回次的拔杆区间起始点。

流程2.确定拔杆区间终止点，按时间顺序分析数据，当“拔杆”由1变为 2时说明钻杆从钻孔里拔出，满足上述条件时，该时间点就是该回次的拔杆区间终止点。

流程3.计算拔出几根钻杆，截取拔杆起始和终止点的卷扬机19钢丝绳21 移动距离数据，画出时间位移曲线，可知该曲线为波形线，曲线每一个波峰到波谷的变化即代表拔出一根钻杆，通过计算有波峰或者波谷的个数就能得到拔出钻杆的根数。

流程4.计算钻杆总长度，分析流程3得到的时间位移曲线，可知每根钻杆的长度为相邻的波峰减波谷，已知每根钻杆的长度和钻杆的数量，累加可得钻杆总长度。

步骤8：云服务器根据步骤6以及步骤7的参数，绘制钻探参数随深度变化曲线；

步骤8的具体流程为：

流程1.确定进尺区间，按时间顺序分析数据，当“进尺”数据由1变为2 时说明钻机开始进尺，该时间点就是本回次的进尺区间起点；当进尺数据由2 变为1时说明钻机进尺结束，该时间点就是该回次的进尺区间终点。

流程2.根据进尺区间截取该区间内转速、液压、扭矩和流量随深度的变化曲线；

流程3.以步骤7算得的钻杆长度为起始深度为起点，在坐标轴上绘制该进尺区间的钻探参数曲线，参数包括转速、液压、扭矩和流量。

流程4.重复上述步骤将所有回次的曲线整合拼接绘制成一张完整的全深度钻探参数曲线。

步骤9：云服务器根据步骤8的变化曲线智能化识别不同岩性地层。

下面结合实施案例对本发明进行说明。

实施案例：对某工程勘察项目钻探参数的采集、传输和分析。

工程概况：场地为某学校基坑工程，为省重点工程，为保证勘察质量和钻探数据的真实可靠，因此采用本发明方法对钻探参数进行采集、传输和分析。

步骤(1)：传感器安装,在进场钻机上依次安装液压、转速、流量、扭矩、拉绳、位移、霍尔、接近开关传感器68和采集仪71。

步骤(2)：进尺作业，打开进尺开关，完成一个回次，关闭进尺开关。

步骤(3)：拔杆作业，拔出钻杆，当最后一根钻杆拔出钻孔后，打开拔杆开关。

步骤(4)：取样作业，人工将取样器下放至取样孔内，打开取样开关，操纵钻机完成取样，取样完成后，关闭取样开关。

步骤(5)：标准贯入和动力触探测试作业，在钻杆底端安装标准贯入器或动力触探头，下放至测试地点打开标准贯入或动力触探开关，进行标准贯入和动力触探测试作业，作业完成后，关闭标准贯入或动力触探开关。

步骤(6)：采集仪71自动采集数据并上传。

步骤(7)：钻杆长度计算，通过确定每个回次的拔杆区间，分析位移传感器66记录的钢丝绳21位移变化，确定一共拔出几根钻杆以及每根钻杆长度。

如图5所示，以其中一个回次为例，纵轴为卷扬机19拉动钢丝绳21移动距离，横轴为时间戳，“盖子”和“钻杆”两条线围成的矩形区域为拔杆区间，锯齿线为钢丝绳21拔杆位移曲线，一个波峰代表拔出一根钻杆，相邻两个波峰波谷的差值为钻杆长度，在拔杆区间内有7个3m的大波峰和1个2m的小波峰，则钻杆长度为7*3+1*2＝23m。

步骤(8)：绘制钻探参数随深度变化曲线。

如图6所示：为某回次的进尺曲线，横轴为时间，纵轴为深度。其中虚线段包含范围为主动钻杆22向下进尺的时间区间，实线为位移感器记录的液压回转器带动主动钻杆22累计位移，即本回次的进尺距离。由图中可知该回次开始时间为15：34结束时间为15：55进尺深度为：2000(mm)

根据上述进尺区间，截取钻探参数(图7中以压力为例)，并以步骤(7) 中计算得到的钻杆长度为深度起点绘制曲线如图所示，横坐标为钻探参数(压力)，纵坐标为深度，深度以地面为0点，向下为负。

重复上述步骤将所有回次的曲线整合拼接绘制成一张完整的全深度钻探参数曲线，如图7所示。

步骤(9)：智能化识别不同岩性地层

如图8中，上层为淤泥，土质较软，钻进时压力较小，且淤泥渗透系数小，钻进过程泥浆流量也较少；而当进入中砂地层，其土质较硬且孔隙较大，钻进时需要施加较大的压力，须使用较多的泥浆护壁，泥浆流量显著增多；当进入粘土地层后，土质变软，粘性增强，渗透系数变小，不需要增加泥浆的稀释度，所以压力、转速均减少，流量增加缓慢。可见三个参数均在一定程度上反映了地层变化，但由于岩土差异性巨大，准确判别相关参数与不同岩性的相关性尚需通过累积大量的钻探数据，通过数据挖掘技术和深度计算，辅于基于实践经验的专家岩性判别系统，方能实现不同岩性地层的智能化识别。

最后应说明的是: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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (7)

1.一种勘察数字化钻探系统，其特征在于：它包括

钻机，用于钻探的设备；

传感器，安装于钻机上，用于收集相关数据；

采集仪，安装于钻机并与传感器连接，用于接收和处理传感器采集的数据、接收人工控制信号以及接收时间和卫星定位系统信号；以及

云服务器，通过物联网与采集仪连接，接收采集仪采集到的数据和信号并对数据进行处理和分析，得到的参数图表；

人机交互装置，通过物联网与云服务器连接，接收得到的参数图表，供工程人员实时查看；

其中，所述传感器包括液压传感器、转速传感器、流量传感器、扭矩传感器、拉绳传感器、位移传感器、霍尔磁力传感器以及接近开关传感器。

2.根据权利要求1所述的一种勘察数字化钻探系统，其特征在于：

所述液压传感器安装于钻机的液压管进油管处，用于测量钻机立轴向下施加的压力；

转速传感器安装于钻机的立轴伞形齿轮上方，伞形齿轮齿顶扫过转速传感器时，传感器会产生一个脉冲，采集脉冲个数，通过换算可得到钻头旋转的转速；

流量传感器安装于钻机的泥浆泵出水口，用于测量泥浆泵泵入的泥浆流量；

扭矩传感器安装于钻机的主动钻杆上，用于测量钻杆钻进时的扭矩；

拉绳传感器安装于钻机的回转器盖上，拉绳传感器的拉绳端与钻机的液压杆的端部连接，用于测量液压杆的伸缩量；

霍尔传感器安装于钻机的机体上,并在钻机的回转器盖对应位置安装磁铁，当回转器盖闭合时，磁铁靠近霍尔传感器，能被其探测到；当回转器盖打开时，磁铁远离霍尔传感器，无法被其探测到，根据磁铁是否被探测到，可以监测回转器盖处于打开还是闭合状态；

位移传感器安装于钻机的卷扬机上方，位移传感器滚轮夹住卷扬机的钢丝绳，测量卷扬机上拉和下放钢丝绳距离；

接近开关传感器安装于钻杆的夹持环下方，通过感应夹持环位置，监测夹持环是否夹住主动钻杆。

3.根据权利要求1所述的一种勘察数字化钻探系统，其特征在于：所述采集仪上设有进尺开关、取样开关、标贯开关、动探开关、以及拔杆开关，且内部设有无线传输模块和存储模块。

4.一种钻机钻探参数的采集、传输和分析方法，其特征在于：它包括如下步骤：

步骤1：将传感器以及采集仪安装于钻机，以通过传感器记录钻机运行时的各项参数；

步骤2：传感器和采集仪安装完成后打开采集仪德电源，钻机开始钻探作业，记录传感器钻探参数和进尺；

步骤3：拔杆作业，操作钻机的卷扬机拉动钻机的钢丝绳向上拔起钻机的钻杆，位移传感器自动记录钢丝绳上拉和下放的距离，当最后一根钻杆拔出钻孔后，人工拨动采集仪的拔杆开关，告知采集仪钻孔内钻杆已经全部拔出；

步骤4：取样作业，将取样器下放至取样孔内，打开采集仪的取样开关，操纵钻机完成取样，取样完成后，关闭采集仪的取样开关；

步骤5：标准贯入和动力触探测试作业，在钻机的钻杆底端安装标准贯入器或动力触探头，由钻机的卷扬机下放至钻孔内的测试点后，打开采集仪的标贯开关或动探开关，进行标准贯入或动力触探测试作业，作业完成后，关闭标准贯入或动力触探开关；

步骤6：将采集仪所采集的数据处理并上传云服务器；

步骤7：进行钻机的钻杆长度计算，通过确定每个回次的拔杆区间，分析钻机的钢丝绳所对应的位移传感器位移变化，确定一共拔出几根钻杆以及每根钻杆长度；

步骤8：云服务器根据步骤6以及步骤7的参数，绘制钻探参数随深度变化曲线；

步骤9：云服务器根据步骤8的变化曲线智能化识别不同岩性地层。

5.根据权利要求4所述的一种钻机钻探参数的采集、传输和分析方法，其特征在于：步骤6的数据处理具体为，生成包括以下内容的数据包：

记录号：该条数据的编号；

时间：采集该条数据的时间；

进尺深度：采集时间点的拉伸传感器记录的进尺深度；

转速：采集时间点转速传感器记录的钻头转速；

压力：采集时间点液压传感器记录的油缸压力；

流量：采集时间点流量计记录的泥浆流量；

扭矩：采集时间点扭矩传感器记录的钻杆扭矩；

坐标X，坐标Y：钻机的坐标；

卷扬机：采集时间点卷扬机钢丝绳移动距离；

取样：采集时间点取样开关的开关状态，“1”为未取样，“2”为正在取样；

标贯：采集时间点标贯开关的开关状态，“1”为未进行标准贯入试验，“2”为正在进行标准贯入试验；

动探：采集时间点动探开关的开关状态，“1”为未进行动力触探试验，“2”为正在进行动力触探试验；

拔杆：采集时间点拔杆开关的开关状态，“1”为钻杆在钻孔内未拔出，“2”为钻杆拔出钻孔，即钻孔内没有钻杆；

盖子：采集时间点霍尔磁力传感器状态，“1”为关闭，即回转器盖子关闭，“2”为开启，即回转器盖子打开；

进尺：采集时间点进尺的开关状态，“1”为未进尺，“2”为正在进尺；

之后进行以下流程：

流程1：数据滤波，为去除明显误差数据，使用限幅滤波算法确定两次采用允许的最大偏差值，每次检测到新值时自动判断，如果本次值与上次值之差小于偏差值,则本次值有效；如果本次值与上次值之差大于偏差值，则本次值无效，放弃本次值，用上次值代替本次值；

流程2：数据传输，采集仪在接收到物联网信号后，即刻将数据通过物联网发送至云服务器，如果接受不到物联网信号则将数据打包保存，待收到信号后再上传。

6.根据权利要求4所述的一种钻机钻探参数的采集、传输和分析方法，其特征在于：

步骤7的具体流程为：

流程1.确定拔杆区间起始点，按时间顺序分析数据，当“进尺”数据由2变为1时说明钻机进尺结束，继续分析“盖子”数据，当其由1变为2时说明回转器盖被打开，当满足上述条件时，该时间点就是该回次的拔杆区间起始点。

流程2.确定拔杆区间终止点，按时间顺序分析数据，当“拔杆”由1变为2时说明钻杆从钻孔里拔出，满足上述条件时，该时间点就是该回次的拔杆区间终止点。

流程3.计算拔出几根钻杆，截取拔杆起始和终止点的卷扬机钢丝绳移动距离数据，画出时间位移曲线，可知该曲线为波形线，曲线每一个波峰到波谷的变化即代表拔出一根钻杆，通过计算有波峰或者波谷的个数就能得到拔出钻杆的根数。

流程4.计算钻杆总长度，分析流程3得到的时间位移曲线，可知每根钻杆的长度为相邻的波峰减波谷，已知每根钻杆的长度和钻杆的数量，累加可得钻杆总长度。

7.根据权利要求4所述的一种钻机钻探参数的采集、传输和分析方法，其特征在于：

步骤8的具体流程为：

流程1.确定进尺区间，按时间顺序分析数据，当“进尺”数据由1变为2时说明钻机开始进尺，该时间点就是本回次的进尺区间起点；当进尺数据由2变为1时说明钻机进尺结束，该时间点就是该回次的进尺区间终点。

流程2.根据进尺区间截取该区间内转速、液压、扭矩和流量随深度的变化曲线；

流程3.以步骤7算得的钻杆长度为起始深度为起点，在坐标轴上绘制该进尺区间的钻探参数曲线，参数包括转速、液压、扭矩和流量。

流程4.重复上述步骤将所有回次的曲线整合拼接绘制成一张完整的全深度钻探参数曲线。

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