CN115711118A - 一种桩基孔井筒质量评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桩基孔井筒质量评价方法，包括以下内容：步骤S1：在钻头上安装姿态测量传感器并进行钻孔作业；步骤S2：建立地理坐标系；并且利用姿态测量传感器来测量计算建立仪器载体坐标系；步骤S3：利用地理坐标系数据和仪器载体坐标系数据，计算出钻头在桩基孔井筒中的姿态倾斜角数据和姿态方位角数据；步骤S4：利用姿态倾斜角数据和姿态方位角数据计算井心位置偏移量，以用于绘制出井心轨迹的三维曲线来评价桩基孔井筒质量。本发明具有操作方便快捷、能确保不提钻条件下完成成井质量评价、大大缩短测量评价作业时间、大大提高钻井工作效率的优点。

Description

一种桩基孔井筒质量评价方法

技术领域

本发明主要涉及工程机械装备领域，尤其涉及一种桩基孔井筒质量评价方法。

背景技术

桩基孔井筒倾斜参数是衡量成井质量的重要指标。现有测量井筒倾斜参数的主要手段是基于提钻超声测井方法，即在提钻条件下通过下放超声测井仪器定间隔测量井筒截面尺寸，以此为基础计算当前井筒截面中心相对于井口中心的偏移距离和方向，从而得到井筒倾斜参数。该种测量方法需要在提钻条件下测量，不仅仅单次测量间隔时间长、时间消耗多、降低了钻井效率，而且无法及时掌握成井质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作方便快捷、能确保不提钻条件下完成成井质量评价、大大缩短测量评价作业时间、大大提高钻井工作效率的桩基孔井筒质量评价方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种桩基孔井筒质量评价方法，包括以下内容：

步骤S1：在钻头上安装姿态测量传感器并进行钻孔作业；

步骤S2：建立地理坐标系；并且利用姿态测量传感器来测量计算建立仪器载体坐标系；

步骤S3：利用地理坐标系数据和仪器载体坐标系数据，计算出钻头在桩基孔井筒中的姿态倾斜角数据和姿态方位角数据；

步骤S4：利用姿态倾斜角数据和姿态方位角数据计算井心位置偏移量，以用于绘制出井心轨迹的三维曲线来评价桩基孔井筒质量。

作为本发明的进一步改进，所述姿态测量传感器包括重力加速度计和光纤陀螺；步骤S2、步骤S3中：

所述地理坐标系的X_n轴指向正北方向，Y_n轴指向正东方向，Z_n轴沿地垂线指向地心，三轴构成右手直角坐标系；所述仪器载体坐标系的Z_b轴沿着仪器主轴指向测量的方向，X_b轴和Y_b轴在垂直于Z_b轴的平面内，相互垂直于Z_b轴构成右手直角坐标系；

依据捷联系统姿态变换原理，仪器载体坐标系相对于地理坐标系的姿态变换矩阵为：

式(1)中，γ为井斜角，β为方位角，ω为工具面角；

当重力加速度计坐标系与钻头坐标系正交(重合)安装时，即重力加速度在钻头坐标系上的三个分量可测，则有：

式(2)中，v_x为重力加速度计在X_b轴上的测量值，v_y为重力加速度计在Y_b轴上的测量值，v_z为重力加速度计在Z_b轴上的测量值，v_g为当地重力加速度值；由此可得出计算钻头在桩基孔井筒中的姿态倾斜角数据的计算公式为：

通过光纤陀螺测量仪器载体坐标系上地球自转角速度的分量，通过计算获取载体坐标系相对于地理坐标系正北方向的夹角；光纤陀螺在仪器载体坐标系下的测量输出和地球自转角速度之间的关系为：

式(4)中，ε_x为光纤陀螺在X_b轴上的测量值，ε_y为光纤陀螺在Y_b轴上的测量值，ε_z为光纤陀螺在Z_b轴上的测量值，S为地球自转角速度，L为当地纬度；

依据式(4)，可得出计算钻头在桩基孔井筒中的姿态方位角数据的计算公式为：

通过式(3)和式(5)可获取钻头在桩基孔井筒中的姿态倾斜角数据和姿态方位角数据；由于钻头部位在硬岩中与井壁贴合较好，相互之间间隙小，故姿态倾斜角数据反映桩基孔井筒的倾斜参数，姿态方位角数据反映桩基孔井筒的倾斜方位参数。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中：

已知钻头姿态倾斜角γ、姿态方位角β，利用校正平均角法对数据进行处理，计算井心位置偏移量(ΔX_n，ΔY_n，ΔZ_n)；校正平均角法计算井心偏移量的公式为：

式(6)中，Δγ为当前测段井斜角，Δβ分别和为方位角变化量；γ_c、β_c分别为当前测段前一次和当前次的平均井斜角和方位角；ΔL为当前测段的长度；ΔS为当前测段偏移量在水平面的投影，即井心偏心距增量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的桩基孔井筒质量评价方法，利用在钻头上安装姿态测量传感器并进行钻孔作业，由于钻机钻头与井筒内壁之间的接触为微间隙接触，故钻机钻头姿态角度可间接反映当前位置处井筒的几何参数，其中姿态倾斜角数据反映井筒倾斜参数，姿态方位角数据反映井筒倾斜方位参数，利用姿态倾斜角数据和姿态方位角数据计算井心位置偏移量，以用于绘制出井心轨迹的三维曲线来评价桩基孔井筒质量。因此，确保不提钻条件下能完成成井质量评价，可有效提升钻井效率、大大缩短测量评价作业时间、大大提高钻井工作效率，其测量参数可指导钻井工艺参数调整，提升成井质量，对钻井工程实施具有较好的经济价值。

附图说明

图1是本发明的桩基孔井筒质量评价方法的流程图。

图2是测量系统坐标系示意图。

图3是井心偏移量计算示意图。

图4是具体应用实施例中的钻头姿态随钻测量装置的结构原理示意图。

图5是具体应用实施例中的钻机钻头姿态随钻测量装置的工作流程图。

图6是具体应用实施例中的操控显示终端配套控制软件结构原理示意图。

图中各标号表示：

1、钻头；2、仪器舱；3、水密电缆；4、电缆夹；5、缆盘；6、支撑连接架；7、电源与控制箱；8、无线网桥；9、动力头；10、操控显示终端；11、钻杆。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1至图6所示，本发明提供一种桩基孔井筒质量评价方法，包括以下内容：

步骤S1：在钻头上安装姿态测量传感器并进行钻孔作业；

步骤S2：建立地理坐标系；并且利用姿态测量传感器来测量计算建立仪器载体坐标系；

步骤S3：利用地理坐标系数据和仪器载体坐标系数据，计算出钻头在桩基孔井筒中的姿态倾斜角数据和姿态方位角数据；

步骤S4：利用姿态倾斜角数据和姿态方位角数据计算井心位置偏移量，以用于绘制出井心轨迹的三维曲线来评价桩基孔井筒质量。

进一步，在较佳实施例中，所述姿态测量传感器包括重力加速度计和光纤陀螺；步骤S2、步骤S3中：

如图2所示，所述地理坐标系的X_n轴指向正北方向，Y_n轴指向正东方向，Z_n轴沿地垂线指向地心，三轴构成右手直角坐标系；所述仪器载体坐标系的Z_b轴沿着仪器主轴指向测量的方向，X_b轴和Y_b轴在垂直于Z_b轴的平面内，相互垂直于Z_b轴构成右手直角坐标系；

依据捷联系统姿态变换原理，仪器载体坐标系相对于地理坐标系的姿态变换矩阵为：

式(1)中，γ为井斜角，β为方位角，ω为工具面角；

当重力加速度计坐标系与钻头坐标系正交(重合)安装时，即重力加速度在钻头坐标系上的三个分量可测，则有：

式(2)中，v_x为重力加速度计在X_b轴上的测量值，v_y为重力加速度计在Y_b轴上的测量值，v_z为重力加速度计在Z_b轴上的测量值，v_g为当地重力加速度值；由此可得出计算钻头在桩基孔井筒中的姿态倾斜角数据的计算公式为：

通过光纤陀螺测量仪器载体坐标系上地球自转角速度的分量，通过计算获取载体坐标系相对于地理坐标系正北方向的夹角；光纤陀螺在仪器载体坐标系下的测量输出和地球自转角速度之间的关系为：

式(4)中，ε_x为光纤陀螺在X_b轴上的测量值，ε_y为光纤陀螺在Y_b轴上的测量值，ε_z为光纤陀螺在Z_b轴上的测量值，S为地球自转角速度，L为当地纬度；

依据式(4)，可得出计算钻头在桩基孔井筒中的姿态方位角数据的计算公式为：

通过式(3)和式(5)可获取钻头在桩基孔井筒中的姿态倾斜角数据和姿态方位角数据；由于钻头部位在硬岩中与井壁贴合较好，相互之间间隙小，故姿态倾斜角数据反映桩基孔井筒的倾斜参数，姿态方位角数据反映桩基孔井筒的倾斜方位参数。

进一步，在较佳实施例中，所述步骤S4中：

如图3所示，已知钻头姿态倾斜角γ、姿态方位角β，利用校正平均角法对数据进行处理，计算井心位置偏移量(ΔX_n，ΔY_n，ΔZ_n)；校正平均角法计算井心偏移量的公式为：

式(6)中，Δγ为当前测段井斜角，Δβ为方位角变化量；γ_c、β_c分别为当前测段前一次和当前次的平均井斜角和方位角；ΔL为当前测段的长度；ΔS为当前测段偏移量在水平面的投影，即井心偏心距增量。

本发明的桩基孔井筒质量评价方法，利用在钻头上安装姿态测量传感器并进行钻孔作业，由于钻机钻头与井筒内壁之间的接触为微间隙接触，故钻机钻头姿态角度可间接反映当前位置处井筒的几何参数，其中姿态倾斜角数据反映井筒倾斜参数，姿态方位角数据反映井筒倾斜方位参数，利用姿态倾斜角数据和姿态方位角数据计算井心位置偏移量，以用于绘制出井心轨迹的三维曲线来评价桩基孔井筒质量。因此，确保不提钻条件下能完成成井质量评价，可有效提升钻井效率、大大缩短测量评价作业时间、大大提高钻井工作效率，其测量参数可指导钻井工艺参数调整，提升成井质量，对钻井工程实施具有较好的经济价值。

在上述公开的技术特征的前提下，本发明进一步提供以下具体应用实施例进行说明：

如图4所示，本具体应用实施例中的，依据本发明的方法制作了钻头姿态随钻测量装置，该装置主要由仪器舱、水密电缆、电缆夹、缆盘、支撑连接架、电源与控制箱、无线网桥、操控显示终端等组成。其中，仪器舱用于安装姿态测量传感器，其安装在钻头台阶面上，主要包含高精度的三轴重力加速度计和光纤陀螺仪以及配套的电源转换、信号处理电路组成，仪器舱与井上设备部分通过四芯水密电缆连接，两芯为RS485通信电缆，另外两芯为直流供电电缆；电缆夹主要用于固定水密电缆，防止绞线；缆盘主要用于存储和收排线电缆，具备力自适应功能；支撑连接架主要用于承载缆盘与电源，其随动动力头，保证接卸钻杆过程中不发生绞线；电源主要为整个系统提供能源，控制箱主要实现对井下仪器舱测量数据与井上控制指令的收发与无线/有线信号之间的转换；无线网桥主要实现操控显示终端与控制箱之间的数据连接；操控显示终端配套控制软件主要实现对井下数据的处理与分析，人机交互等。

如图5所示，该钻头姿态随钻测量装置的具体工作流程步骤如下：

(1)仪器舱中加速度计检测钻机停止工作一定时间后开始测量工作；

(2)控制箱通过RS485总线唤醒仪器舱中姿态测量传感器(重力加速度计与光纤陀螺)组件，姿态测量传感器组件被唤醒后记录井斜角和方位角测量数据，并通过RS485总线将测量值传给控制箱；

(3)控制箱将从姿态测量传感器组件传送来的数据处理成工程数据并传递给无线发送器；

(4)无线发送器通过天线发送数据；

(5)无线接收器通过天线接收数据并还原；

(6)无线接收器将还原后的数据传输到操控显示终端的上位机软件；

(7)上位机软件将接收到的数据结合井深数据得到井心轨迹曲线，并将分析结果反馈到钻井控制系统。

如图6所示，为操控显示终端配套控制软件结构。该控制软件主要完成测量数据的处理、分析与显示，以及人机交互。核心是通过钻头姿态倾斜角与方位角，以及井深数据绘制井心轨迹的三维曲线。

已知钻头姿态倾斜角γ、方位角β，计算井心位置偏移量(ΔX_n，ΔY_n，ΔZ_n)。需利用校正平均角法对测量数据进行处理。校正平均角法计算井心偏移量的公式为

式(7)中，Δγ、Δβ分别为当前测段井斜角和方位角变化量；γ_c、β_c分别为当前测段前一次和当前次的平均井斜角和方位角；ΔL为当前测段的长度；ΔS为当前测段偏移量在水平面的投影，即井心偏心距增量。

该装置使用前需要进行实验室与井场标准，重力加速度计在钻头装配平面安装完成后，其轴与钻头坐标系各轴的夹角α_n、β_n、λ_n已确定，对这3个角度的标定即为重力加速度计安装姿态的校准，考虑结合实验室标定和井场标定两种方法对其进行校准。

(1)实验室标定

利用标定转台、电子水平仪、光学经纬仪等设备将仪器舱装配平面调整成水平，使倾斜角γ＝0°。非正交安装的重力加速度计三轴输出值v_x、v_y、v_z，则此时重力加速计X，Y轴的倾角为：

则有，三个方向的夹角为：

α_n＝-γ_x|_γ＝0 (10)

γ_n＝cos^-1(cosβ_n·cosα_n) (12)

v_g为当地重力加速度值。

(2)井场标定

井场标定法作为实验室标定方法的补充，对钻头转动角度无特殊要求，不需借助其它仪器，具有操作简单、校正精确，适合下井前的现场校准。

根据坐标系矩阵变换规则可知：

式(13)中，ω为工具面角，R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₃₁、R₃₂和R₃₃为姿态变换矩阵参数，井场标定主要获取上述参数值。上述参数满足

由此，在保证钻头倾斜角不变，转动钻头以改变其方位角，获取重力加速计的输出，采用多元线性回归方法，并以旋转矩阵的正交约束进行验证，即可解出旋转矩阵R。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种桩基孔井筒质量评价方法，其特征在于，包括以下内容：

步骤S1：在钻头上安装姿态测量传感器并进行钻孔作业；

步骤S2：建立地理坐标系；并且利用姿态测量传感器来测量计算建立仪器载体坐标系；

步骤S3：利用地理坐标系数据和仪器载体坐标系数据，计算出钻头在桩基孔井筒中的姿态倾斜角数据和姿态方位角数据；

步骤S4：利用姿态倾斜角数据和姿态方位角数据计算井心位置偏移量，以用于绘制出井心轨迹的三维曲线来评价桩基孔井筒质量。

2.根据权利要求1所述的桩基孔井筒质量评价方法，其特征在于：所述姿态测量传感器包括重力加速度计和光纤陀螺；步骤S2、步骤S3中：

所述地理坐标系的X_n轴指向正北方向，Y_n轴指向正东方向，Z_n轴沿地垂线指向地心，三轴构成右手直角坐标系；所述仪器载体坐标系的Z_b轴沿着仪器主轴指向测量的方向，X_b轴和Y_b轴在垂直于Z_b轴的平面内，相互垂直于Z_b轴构成右手直角坐标系；

依据捷联系统姿态变换原理，仪器载体坐标系相对于地理坐标系的姿态变换矩阵为：

式(1)中，γ为井斜角，β为方位角，ω为工具面角；

当重力加速度计坐标系与钻头坐标系正交(重合)安装时，即重力加速度在钻头坐标系上的三个分量可测，则有：

式(2)中，v_x为重力加速度计在X_b轴上的测量值，v_y为重力加速度计在Y_b轴上的测量值，v_z为重力加速度计在Z_b轴上的测量值，v_g为当地重力加速度值；由此可得出计算钻头在桩基孔井筒中的姿态倾斜角数据的计算公式为：

通过光纤陀螺测量仪器载体坐标系上地球自转角速度的分量，通过计算获取载体坐标系相对于地理坐标系正北方向的夹角；光纤陀螺在仪器载体坐标系下的测量输出和地球自转角速度之间的关系为：

式(4)中，ε_x为光纤陀螺在X_b轴上的测量值，ε_y为光纤陀螺在Y_b轴上的测量值，ε_z为光纤陀螺在Z_b轴上的测量值，S为地球自转角速度，L为当地纬度；

依据式(4)，可得出计算钻头在桩基孔井筒中的姿态方位角数据的计算公式为：

通过式(3)和式(5)可获取钻头在桩基孔井筒中的姿态倾斜角数据和姿态方位角数据；由于钻头部位在硬岩中与井壁贴合较好，相互之间间隙小，故姿态倾斜角数据反映桩基孔井筒的倾斜参数，姿态方位角数据反映桩基孔井筒的倾斜方位参数。

3.根据权利要求2所述的桩基孔井筒质量评价方法，其特征在于：所述步骤S4中：

已知钻头姿态倾斜角γ、姿态方位角β，利用校正平均角法对数据进行处理，计算井心位置偏移量(ΔX_n，ΔY_n，ΔZ_n)；校正平均角法计算井心偏移量的公式为：

式(6)中，Δγ为当前测段井斜角，Δβ分别和为方位角变化量；γ_c、β_c分别为当前测段前一次和当前次的平均井斜角和方位角；ΔL为当前测段的长度；ΔS为当前测段偏移量在水平面的投影，即井心偏心距增量。

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