CN115822566A - 一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法 - Google Patents

一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法 Download PDF

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高明明
姚四海
郑宏利
田松
李忠良
项荣军
余国
杨帅
李涛
李俊鹏
李悦
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China Railway 16th Bureau Group South Engineering Co ltd
South China University of Technology SCUT
China Railway 16th Bureau Group Co Ltd
Road and Bridge Engineering Co Ltd of China Railway 16th Bureau Group Co Ltd
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China Railway 16th Bureau Group South Engineering Co ltd
South China University of Technology SCUT
China Railway 16th Bureau Group Co Ltd
Road and Bridge Engineering Co Ltd of China Railway 16th Bureau Group Co Ltd
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Abstract

本发明为一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统，括钻头、钻杆、惯性传感单元组、数据采集箱和数据分析设备，所述惯性传感单元组包括五个惯性传感单元形成的正四面体结构，所述五个惯性传感单元分别位于正四面体的顶点和体心，每个所述惯性传感单元均包括MEMS三轴加速度计、MEMS三轴陀螺仪和封装载体，所述MEMS三轴加速度计和所述MEMS三轴陀螺仪位于封装载体内部。通过采用惯性传感单元组实现了轨迹上各点的数据采集和传输，并极大提高数据采集频率、精度和效率，有效降低了轨迹采集参数数量，最终可实时测量钻杆的实时轨迹，为水平定向钻的高精度定位导向提供基础。

Description

一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法
技术领域
本发明涉及一种监测系统和方法，特别涉及一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法。
背景技术
目前，对于下穿公路、铁路、桥梁和河道的各类市政管道一般采用水平定向钻的方式进行钻孔施工，该钻孔施工技术虽在穿越长度、穿越复杂地层方面不断刷新记录；但受地形、地貌以及河流特殊地质等条件的影响，特别是长距离穿越卵石、圆砾地层时和一些无规律的钻孔轨迹，由于地层各向异性和造斜工具能力等因素的影响，实际钻孔轨迹往往不能沿设计的轨迹前进，一旦轨迹偏离设计的轨迹，不仅造成巨大的经济损失，还对地表造成了不可修复的生态破坏。而国内外对钻进轨迹导向定位技术的研究基本上都集中在钻头上，一是通过在钻头上安装磁强计和加速度计，并通过测量钻头所在位置不同时刻的倾角和方位角等信息，分析得到钻头的定位信息，但该方法是假设相邻两测点之间的钻孔轨迹为直线，从而导致该方法累计误差很大；另一种轨迹导向定位技术是通过在钻头上安装磁偶极子发射源，并向地表发射低频电磁场信号，在通过相应位置的地面人员使用定位跟踪仪接收磁场信号，以此来对钻头进行定位，但由于该方法存在精度不高、对场地条件要求高和探测深度最深仅为35m等缺点，仍无法满足精确导向定位和精细化控制的要。
因此，为了使钻头更准确地钻达目标点，必须改进目前钻进轨迹导向定位技术，实现实时监测钻孔轨迹变化情况，从而使得司钻人员能够及时、准确的掌握钻孔前进情况，实时控制钻孔轨迹，保证所钻孔的轨迹按照预定轨迹进行。而目前对于钻孔实际轨迹的分析评价(如专利文献CN112364510A、 CN 105335983A和CN 106437677A)，涉及到的参数较多，数据采集频率不高导致轨迹测量误差较大，给实际工程中的钻孔施工带来不利的影响。
微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。微机电系统其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。
发明内容
针对目前钻孔轨迹实时监测涉及的参数较多、数据采集频率不高和测量误差较大的技术问题，提出一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法，具体为：
一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统，包括钻头、钻杆、惯性传感单元组、数据采集箱和数据分析设备，所述惯性传感单元组包括五个惯性传感单元形成的正四面体结构，所述五个惯性传感单元分别位于正四面体的顶点和体心，每个所述惯性传感单元均包括MEMS三轴加速度计、MEMS三轴陀螺仪和封装载体，所述MEMS三轴加速度计和所述MEMS三轴陀螺仪位于封装载体内部；所述钻头与所述钻杆连接并位于钻杆前端，所述惯性传感单元组位于钻杆内壁中部并与所述数据采集箱有线连接，所述数据采集箱与所述数据分析设备连接；所述钻杆有多段，钻杆之间通过螺纹连接；所述惯性传感单元组，用于实时测量惯性传感单元组所在位置重力加速度坐标分量和地磁场坐标分量；所述数据采集箱，用于采集惯性传感单元组产生的数据并传输给数据分析设备；所述数据分析设备，用于分析数据采集箱传来的数据并分析生成实时动态轨迹曲线。
进一步，所述惯性传感单元组中每个MEMS三轴加速度计之间和MEMS 三轴陀螺仪之间均通过有线连接。
进一步，所述监测方法包括以下步骤：
S1.将惯性传感单元组均匀安装在钻杆内壁；
S2.将惯性传感单元组、数据采集箱和数据分析设备依次串联起来；
S3.水平定向钻在钻进过程中，惯性传感单元组将采集到的数据传输到数据采集箱，数据采集箱再将收集到的数据传输到数据分析设备，数据分析设备通过对接收到的数据进行分析，生成实时轨迹曲线。
进一步，所述惯性传感单元组将采集到的数据传输到数据采集箱，数据采集箱再将收集到的数据传输到数据分析设备，数据分析设备通过对接收到的数据进行分析，生成实时轨迹曲线，还包括：根据惯性传感单元组中的五个 MEMS三轴加速度计实时测量重力加速度坐标分量(Gx,Gy,Gz)，通过数据分析设备计算出所在位置与水平地面的俯仰角(θ)和与钻孔方向的航向角(φ)。
进一步，所述惯性传感单元组将采集到的数据传输到数据采集箱，数据采集箱再将收集到的数据传输到数据分析设备，数据分析设备通过对接收到的数据进行分析，生成实时轨迹曲线，还包括：根据惯性传感单元组中的五个 MEMS三轴陀螺仪实时测量地磁场坐标分量(Mx,My,Mz)，通过数据分析设备对五个MEMS三轴陀螺仪进行非水平校正，得到校正后的航向角(ψ)。
进一步，在钻杆依次达到每一个测量点时，由位于钻杆各段内的惯性传感单元组采集当前测量点的坐标数据，并对各惯性传感单元组所测量的当前测量点的坐标数据进行平均，得到当前测量点的实际坐标，并最终得到每一个测量点的最终坐标；根据每一个测量点的最终坐标，通过数据分析设备绘制出实时的钻孔轨迹曲线；通过数据分析设备对所述钻孔轨迹曲线进行可视化显示；其中，设定靠近钻孔起始端为零点，钻头端为尾，垂直地面向上为Z 轴，沿预定钻孔方向为X轴，垂直于Z轴和X轴为Y轴，所采用的坐标系为右手坐标系。
进一步，通过惯性传感单元组中五个MEMS三轴加速度计测量所得的俯仰角(θ)和航向角(φ)的计算公式分别为
Figure BDA0003907836480000031
和
Figure BDA0003907836480000032
式中：Gx,Gy,Gz分别表示三轴加速度计在x、y、z方向上的加速度。
进一步，根据惯性传感单元组中五个MEMS三轴陀螺仪的数据，通过公式：
M'x＝Mx cosθ+Mz sinθ
M'y＝Mycosφ+Mxsinθsinφ-Mzcosθsinφ
M'z＝-Mxsinθcosφ+Mzcosθcosφ+My sinφ
对五个MEMS三轴陀螺仪进行非水平校正，得到校正后地磁场在五个MEMS 三轴陀螺仪上的分量(M'x,M'y,M'z)，并根据公式：
Figure BDA0003907836480000033
得到校正后的航向角(ψ)。
式中：M＇x,M＇y,M＇z分别表示地磁场在x、y、z方向上的分量。
进一步，根据公式：
xn+1＝xn+Ln+1cosθn+1cosψn+1
yn+1＝yn+Ln+1cosθn+1sinψn+1
zn+1＝zn+Ln+1sinθn+1
计算得到轨迹各点的坐标。
式中：xn+1、yn+1、zn+1分别为第(n+1)节钻杆中传感器安装位置的三维坐标； L为单节钻杆的长度。
进一步，根据公式：
Figure BDA0003907836480000041
Figure BDA0003907836480000042
Figure BDA0003907836480000043
计算得到轨迹各点的最终坐标。
本发明采用在钻杆中布置惯性传感单元组，并同时利用五个MEMS三轴加速度计和五个MEMS三轴陀螺仪实现了钻孔实时轨迹上各点的数据采集和传输，并极大提高数据采集频率、精度(可达厘米级)和效率，有效降低了轨迹采集参数数量。由于所采用的正四面体结构，使得传感器所计算出监测数据的精度大大提高，实现了钻杆轨迹的高精度测量。同时，本一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法，可以实时高效地完成钻孔施工现场的轨迹监测任务，有效地节约了监测成本。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法中俯仰角的结构示意图。
图2为一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法中航向角的结构示意图。
图3为一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法中惯性传感单元组布设示意图。
图4为一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法中惯性传感单元结构示意图。
图5为一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法中惯性传感单元组阵列式结构布设示意图。
图6为一种水平定向钻轨迹实时动态监测方法示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统，包括钻头06、钻杆07、惯性传感单元组05、数据采集箱和数据分析设备，所述钻头与所述钻杆连接并位于钻杆前端，所述惯性传感单元组位于钻杆内壁中部并与所述数据采集箱有线连接，所述数据采集箱与所述数据分析设备连接。
如图1所示，钻杆与水平地面的夹角为俯仰角θ。如图2所示，钻杆与钻孔前进方向的夹角为航向角ψ。如图3(a)所示，所述惯性传感单元组是由五个惯性传感单元组成的正四面体结构，所述五个惯性传感单元分别位于正四面体的顶点和体心。所述惯性传感单元组中的惯性传感单元坐标轴正方向如图3(b)所示。
如图4所示，所述惯性传感单元01包括MEMS三轴加速度计02、MEMS 三轴陀螺仪03和封装载体04，所述MEMS三轴加速度计和所述MEMS三轴陀螺仪位于封装载体内部。如图5所示，惯性传感单元组05布设在水平定向钻中每节钻杆内壁中部，形成线性阵列式结构。
进一步，所述惯性传感单元组中的MEMS三轴加速度计之间和MEMS三轴陀螺仪之间通过有线连接。
如图6所示，一种水平定向钻轨迹实时动态监测方法，所述监测方法包括以下步骤：
S1.将惯性传感单元组均匀安装在钻杆内壁；
S2.将惯性传感单元组、数据采集箱和数据分析设备依次串联起来；
S3.水平定向钻在钻进过程中，惯性传感单元组将采集到的数据传输到数据采集箱，数据采集箱再将收集到的数据传输到数据分析设备，数据分析设备通过对接收到的数据进行分析，生成实时轨迹曲线。
进一步，所述惯性传感单元组将采集到的数据传输到数据采集箱，数据采集箱再将收集到的数据传输到数据分析设备，数据分析设备通过对接收到的数据进行分析，生成实时轨迹曲线，还包括：根据惯性传感单元组中的五个 MEMS三轴加速度计实时测量重力加速度坐标分量(Gx,Gy,Gz)，通过数据分析设备计算出所在位置与水平地面的俯仰角(θ)和与钻孔方向的航向角(φ)。
进一步，所述惯性传感单元组将采集到的数据传输到数据采集箱，数据采集箱再将收集到的数据传输到数据分析设备，数据分析设备通过对接收到的数据进行分析，生成实时轨迹曲线，还包括：根据惯性传感单元组中的五个 MEMS三轴陀螺仪实时测量地磁场坐标分量(Mx,My,Mz)，通过数据分析设备对五个MEMS三轴陀螺仪进行非水平校正，得到校正后的航向角(ψ)。
进一步，在钻杆依次达到每一个测量点时，由位于钻杆各段内的惯性传感单元组采集当前测量点的坐标数据，并对各惯性传感单元组所测量的当前测量点的坐标数据进行平均，得到当前测量点的实际坐标，并最终得到每一个测量点的最终坐标；根据每一个测量点的最终坐标，通过数据分析设备绘制出实时的钻孔轨迹曲线；通过数据分析设备对所述钻孔轨迹曲线进行可视化显示；其中，设定靠近钻孔起始端为零点，钻头端为尾，垂直地面向上为Z 轴，沿预定钻孔方向为X轴，垂直于Z轴和X轴为Y轴，所采用的坐标系为右手坐标系。
进一步，通过惯性传感单元组中五个MEMS三轴加速度计测量所得的俯仰角(θ)和航向角(φ)的计算公式分别为
Figure BDA0003907836480000061
和
Figure BDA0003907836480000062
式中：Gx,Gy,Gz分别表示三轴加速度计在x、y、z方向上的加速度。
进一步，根据惯性传感单元组中五个MEMS三轴陀螺仪的数据，通过公式：
M'x＝Mx cosθ+Mz sinθ
M'y＝Mycosφ+Mxsinθsinφ-Mzcosθsinφ
M'z＝-Mxsinθcosφ+Mzcosθcosφ+My sinφ
对五个MEMS三轴陀螺仪进行非水平校正，得到校正后地磁场在五个MEMS 三轴陀螺仪上的分量(M'x,M'y,M'z)，并根据公式：
Figure BDA0003907836480000063
得到校正后的航向角(ψ)。
式中：M＇x,M＇y,M＇z分别表示地磁场在x、y、z方向上的分量。
进一步，根据公式：
xn+1＝xn+Ln+1cosθn+1cosψn+1
yn+1＝yn+Ln+1cosθn+1sinψn+1
zn+1＝zn+Ln+1sinθn+1
计算得到轨迹各点的坐标。
式中：xn+1、yn+1、zn+1分别为第(n+1)节钻杆中传感器安装位置的三维坐标； L为单节钻杆的长度。
进一步，根据公式：
Figure BDA0003907836480000071
Figure BDA0003907836480000072
Figure BDA0003907836480000073
计算得到轨迹各点的最终坐标。
由于所采用的正四面体结构，使得传感器所计算出监测数据的精度大大提高，实现了钻杆轨迹的高精度测量。
本发明提供的一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法，采用 MEMS三轴加速度计和MEMS三轴陀螺仪实现了钻孔实时轨迹上各点的数据采集和传输，可以实时高效地完成钻孔施工现场的轨迹监测任务，有效地节约了监测成本。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统，其特征在于，包括钻头、钻杆、惯性传感单元组、数据采集箱和数据分析设备；所述钻头与所述钻杆连接并位于钻杆前端，所述惯性传感单元组位于钻杆内壁中部并与所述数据采集箱有线连接，所述数据采集箱与所述数据分析设备连接；所述惯性传感单元组，用于实时测量惯性传感单元组所在位置的重力加速度坐标分量和地磁场坐标分量；所述数据采集箱，用于采集惯性传感单元组产生的数据并传输给数据分析设备；所述数据分析设备，用于分析数据采集箱传来的数据并分析生成实时动态轨迹曲线。
2.根据权利要求1所述的一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统，其特征在于，所述惯性传感单元组包括五个惯性传感单元形成的正四面体结构，所述五个惯性传感单元分别位于正四面体的顶点和体心，每个所述惯性传感单元均包括MEMS三轴加速度计、MEMS三轴陀螺仪和封装载体，所述MEMS三轴加速度计和所述MEMS三轴陀螺仪位于封装载体内部。
3.根据权利要求1所述的一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统，其特征在于，所述惯性传感单元组中每个MEMS三轴加速度计之间和MEMS三轴陀螺仪之间均通过有线连接。
4.一种水平定向钻轨迹实时动态监测方法，其特征在于，所述监测方法包括以下步骤：
S1.将惯性传感单元组均匀安装在钻杆内壁；
S2.将惯性传感单元组、数据采集箱和数据分析设备依次串联起来；
S3.水平定向钻在钻进过程中，惯性传感单元组将采集到的数据传输到数据采集箱，数据采集箱再将收集到的数据传输到数据分析设备，数据分析设备通过对接收到的数据进行分析，生成实时轨迹曲线。
5.根据权利要求4所述的一种水平定向钻轨迹实时动态监测方法，其特征在于，所述惯性传感单元组将采集到的数据传输到数据采集箱，数据采集箱再将收集到的数据传输到数据分析设备，数据分析设备通过对接收到的数据进行分析，生成实时轨迹曲线，还包括：根据惯性传感单元组中的五个MEMS三轴加速度计实时测量重力加速度坐标分量(Gx,Gy,Gz)，通过数据分析设备计算出所在位置与水平地面的俯仰角(θ)和与钻孔方向的航向角(φ)。
6.根据权利要求4所述的一种水平定向钻轨迹实时动态监测方法，其特征在于，所述惯性传感单元组将采集到的数据传输到数据采集箱，数据采集箱再将收集到的数据传输到数据分析设备，数据分析设备通过对接收到的数据进行分析，生成实时轨迹曲线，还包括：根据惯性传感单元组中的五个MEMS三轴陀螺仪实时测量地磁场坐标分量(Mx,My,Mz)，通过数据分析设备对五个MEMS三轴陀螺仪进行非水平校正，得到校正后的航向角(ψ)。
7.根据权利要求4所述的一种水平定向钻轨迹实时动态监测方法，其特征在于，在钻杆依次达到每一个测量点时，由位于钻杆各段内的惯性传感单元组采集当前测量点的坐标数据，并对各惯性传感单元组所测量的当前测量点的坐标数据进行平均，得到当前测量点的实际坐标，并最终得到每一个测量点的最终坐标；根据每一个测量点的最终坐标，通过数据分析设备绘制出实时的钻孔轨迹曲线；通过数据分析设备对所述钻孔轨迹曲线进行可视化显示；其中，设定靠近钻孔起始端为零点，钻头端为尾，垂直地面向上为Z轴，沿预定钻孔方向为X轴，垂直于Z轴和X轴为Y轴，所采用的坐标系为右手坐标系。
8.根据权利要求5所述的一种水平定向钻轨迹实时动态监测方法，其特征在于，通过惯性传感单元组中五个MEMS三轴加速度计测量所得的俯仰角(θ)和航向角(φ)的计算公式分别为
Figure FDA0003907836470000021
和
Figure FDA0003907836470000022
式中：Gx,Gy,Gz分别表示三轴加速度计在x、y、z方向上的加速度。
9.根据权利要求6所述的一种水平定向钻轨迹实时动态监测方法，其特征在于，根据惯性传感单元组中五个MEMS三轴陀螺仪的数据，通过公式：
M'x＝Mxcosθ+Mzsinθ
M'y＝Mycosφ+Mxsinθsinφ-Mzcosθsinφ
M'z＝-Mxsinθcosφ+Mzcosθcosφ+Mysinφ
对五个MEMS三轴陀螺仪进行非水平校正，得到校正后地磁场在五个MEMS三轴陀螺仪上的分量(M'x,M'y,M'z)，并根据公式：
Figure FDA0003907836470000031
得到校正后的航向角(ψ)。
式中：M＇x,M＇y,M＇z分别表示地磁场在x、y、z方向上的分量。
10.根据权利要求7所述的一种水平定向钻轨迹实时动态监测方法，其特征在于，根据公式：
xn+1＝xn+Ln+1cosθn+1cosψn+1
yn+1＝yn+Ln+1cosθn+1sinψn+1
zn+1＝zn+Ln+1sinθn+1
计算得到轨迹各点的坐标。
式中：xn+1、yn+1、zn+1分别为第(n+1)节钻杆中传感器安装位置的三维坐标；L为单节钻杆的长度，并根据公式：
Figure FDA0003907836470000032
Figure FDA0003907836470000033
Figure FDA0003907836470000034
计算得到轨迹各点的最终坐标。
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