CN116607929A - 一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法 - Google Patents

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刘彦磊
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Abstract

本发明公开了一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法，涉及煤田钻探技术领域，本发明将通过四元姿态解算算法对纠偏姿态进行确定，同时通过基于卡尔曼滤波器建立的钻孔姿态估计问题建模避免出现姿态四元数的漂移和误差累积问题，有效抑制传感器数据中的漂移和误差累积，通过偏差计算将实际测得的钻孔姿态与预设方向进行比较，确定实际方向与预设方向之间的偏差，降低了操作人员在危险环境中的风险和受伤可能性，实现自动化的钻孔偏差检测和纠正，减少人工干预，提高钻探作业效率，降低人工操作误差。

Description

一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法
技术领域
本发明涉及煤田钻探技术领域，具体为一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法。
背景技术
煤田钻探是指在煤矿地区进行的一种勘探和开采前的钻探活动。它主要用于获取有关煤矿地下地质情况的信息，包括煤层的分布、厚度、品质、倾角等参数。这些信息对于煤矿开采的规划和设计非常重要。煤田钻探的主要目的是确定煤田的储量和质量，以便进行矿井设计和开采方案的制定。通过钻探取样和测量，可以确定煤层的物理性质、化学成分以及其他地质参数，为后续的煤矿开采工作提供依据。在煤田钻探中，常用的钻探方法包括钻孔钻探和岩心钻探。钻孔钻探是通过旋转钻杆和钻头来打开地下岩石，然后用钻孔来获取地质样品和测量地下地质参数。岩心钻探则是使用特殊的岩心钻头来采集岩石样本，以获取更准确的地质信息。
但是在现有技术中，钻孔的实际钻取参数要与预设钻取参数相近，例如中国专利公开了一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法，CN114482861A，包括以下步骤：S1、保证场地平整，使得储备泥浆高出施工水位，防止钻孔过程中由于孔内压力小于孔外压力而导致坍孔；S2、在确认好钻孔位置后，将钻机移动到施工位置处；S3、操作钻机起落钢丝绳中心应对准桩中心；S4、钻机就位后校正，底座平整稳固，确保在钻进中不发生倾斜和位移，保证钻进中钻具的平稳及钻孔质量；S5、在成孔前，安装垂直度监测系统和钻头纠偏系统，自动纠偏后再成孔操作；S6、清孔后，对钻孔进行阶段性的成孔质量检查；S7、对孔内进行注浆，完成钻孔。在成孔前，钻头纠偏系统将钻杆垂直度纠正回正常范围内，在钻孔的过程中自动纠偏，提高钻孔质量。
虽然上述方案具有如上的优势，但是针对煤田钻探的深孔钻探，在实际的钻探过程中，引起钻孔偏斜的因素是多方面的，主要分为力学弯曲因素和集合偏斜因素，而无论哪种因素导致的钻孔偏斜，传统人工钻探都无法进行及时调整，还可能出现煤田钻探事故，导致人员伤亡、设备损坏，而少有的带有纠偏功能的钻头系统如上述技术方案，采用钻头检测系统和钻头纠偏系统来对钻头钻孔时进行监测，可以在出现偏斜进行及时的纠偏，但是在实际对钻头偏移检测过程，需要由传感器来对钻孔各参数进行监控，由于无法有效降低或减少传感器的误差累计，即使进行了纠正，还会因为传感器的累积误差进行二次纠正，三次纠正，因此亟须一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法来解决此类问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的无法有效降低或减少传感器的误差累计，即使进行了纠正，还会因为传感器的累积误差进行二次纠正，三次纠正的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供了一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)纠偏数据采集
在钻杆中部安装倾角传感器，在钻杆下部安装方位角传感器，在钻杆上部安装旋转速度传感器，在钻机臂上同样安装倾角传感器和方位角传感器，多个传感器持续对钻杆钻探时的倾角、方位角、旋转速度进行监测，并进行记录；
(2)纠偏数据处理
对钻探时的倾角、方位角、旋转速度数据进行预处理；
(3)纠偏姿态计算
采用四元姿态解算算法对纠偏姿态进行确定，具体的：初始化姿态解算、传感器数据更新，其中传感器更新具体步骤为：
3.1从传感器数据中获取角速度数据；
3.2由当前时刻的获取的旋转速度数据采用四阶龙格库塔法来估计姿态变化四元数，具体的：
3.2.1将旋转速度传感器更新频率定义为△t，即离散化的时间步长；
3.2.2由当前时刻的角速度数据，计算姿态变化四元数的增量△q1；
3.2.3将当前时刻的角速度数据乘以△t的一半，得到中间时刻的角速度：
3.2.4由中间时刻的角速度，计算中间时刻的姿态变化四元数的增量△q2；
3.2.5再次将中间时刻的角速度乘以△t的一半，得到另一个中间时刻的角速度：
3.2.6由另一个中间时刻的角速度，计算另一个中间时刻的姿态变化四元数的增量△q3；
3.2.7将三个姿态变化四元数增量并进行加权平均，得到最终的姿态变化四元数增量：△q＝(△q1+2×△q2+2×△q3+△q4)/6，其中△q4为使用当前时刻的角速度计算的姿态变化四元数的增量；
3.2.8将姿态变化四元数增量与上一时刻的姿态四元数相乘，得到当前时刻的姿态四元数：q(t)＝q(t-1)×△q；
3.3将步骤2.8中得到的姿态变化四元数与上一时刻的四元数相乘，得到当前时刻的姿态四元数；
3.4在步骤(3)，对姿态四元数进行归一化，使其范数等于1；
(4)姿态结果输出转换
根据姿态四元数，计算出钻孔的倾角和方位角，具体的
4.1通过姿态四元数转换为欧拉角，对倾斜角度进行表示；
4.2通过姿态四元数转换为旋转矩阵，姿态四元数q的方向向量表示为：D＝[2(q1q3-q2q0),2(q2q3-q1q0),q0 2-q1 2-q2 2+q3 2]，根据方向向量D计算方位角，采用反正切函数计算方向向量的x分量与y分量的比值，即atan2(D[1],D[0])；
(5)钻孔姿态估计问题建模
基于卡尔曼滤波器建立钻孔姿态估计问题建模，具体的：
5.1将钻孔姿态估计问题建立为一个状态空间模型，建立状态方程和观测方程；
5.2初始化卡尔曼滤波器的状态向量和协方差矩阵；
5.3根据钻孔当前姿态估计问题建模中的状态方程，使用过程模型对当前状态进行预测，并计算预测状态的协方差矩阵，预测步骤利用先验信息预测下一时刻的状态；
5.4根据系统建模中的观测方程，将各传感器测量值与预测状态进行比较，计算预测状态的测量残差，并计算卡尔曼增益；
5.5利用卡尔曼增益修正预测状态和协方差矩阵，得到更新后的状态估计和协方差；
(6)实际纠偏值计算
将实际测得的钻孔姿态通过向量运算与预设方向进行比较，确定偏差；
(7)纠偏校正值确认
根据计算得到的偏差值，采用PID算法进行校正；
(8)纠偏校正指令输出
根据PID算法的输出，生成对应控制指令，调整钻机的工作参数；
(9)纠偏后告警
持续监测钻孔的姿态数据，根据纠偏结果提供实时反馈。
本发明进一步地设置为：在步骤(1)中，基于LoRa无线传输技术建立无线传输网络拓扑结构，以多个传感器节点组成网络，由中继点进行纠偏数据传输；
本发明进一步地设置为：在步骤(2)中，所述预处理包括校准和滤波；
本发明进一步地设置为：在步骤(3)中，所述初始化姿态解算将四元数进行初始化，并将其设为初始值[1,0,0,0]来表示钻杆非旋转状态即初始化状态；
本发明进一步地设置为：在步骤4.1中，所述欧拉角为俯仰角、横滚角和航向角，其中俯仰角表示钻孔的倾斜角度；
本发明进一步地设置为：在步骤5.1中，钻孔的真实姿态定义为状态变量，各传感器测量的姿态数据定义为观测变量，并定义状态变量和观测变量之间的关系；
本发明进一步地设置为：在步骤(9)中，所述实施反馈具体为：当偏差超过预设阈值时，进行告警；当纠偏后需要二次纠偏时，进行告警。
采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：
本发明通过四元姿态解算算法对纠偏姿态进行确定，同时通过基于卡尔曼滤波器建立的钻孔姿态估计问题建模避免出现姿态四元数的漂移和误差累积问题，其中卡尔曼增益将测量残差与预测步骤中的状态预测进行融合，得到最优估计的姿态，卡尔曼滤波不断地对状态进行预测和更新，将测量值和先验信息进行融合，有效抑制传感器数据中的漂移和误差累积，并提供更精确的姿态估计结果，再通过偏差计算将实际测得的钻孔姿态与预设方向进行比较，确定实际方向与预设方向之间的偏差，计算获取具体偏差值，采用PID算法进行校正，来调整钻机工作参数，从而实现自动校正，同时在调整后对钻杆状态进行监测，当偏差超过预设阈值时，进行告警，当纠偏后需要二次纠偏时，进行告警，从而及时提醒操作人员干预，避免出现钻卡事故，降低了操作人员在危险环境中的风险和受伤可能性，区别传统深孔钻探，传感器数据的实时采集和处理使得钻孔偏差的检测和纠正可以在钻进过程中及时进行，同时采用四元姿态解算算法对纠偏姿态进行确定并通过卡尔曼滤波器建立的钻孔姿态估计问题建模避免出现姿态四元数的漂移和误差累积问题，实现自动化的钻孔偏差检测和纠正，减少人工干预，提高钻探作业效率，降低人工操作误差，解决了现有技术中存在的无法有效降低或减少传感器的误差累计，即使进行了纠正，还会因为传感器的累积误差进行二次纠正，三次纠正的问题。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施条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。
本发明提供一种技术方案：一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)纠偏数据采集
在钻杆中部安装倾角传感器，在钻杆下部安装方位角传感器，在钻杆上部安装旋转速度传感器，在钻机臂上同样安装倾角传感器和方位角传感器，多个传感器持续对钻杆钻探时的倾角、方位角、旋转速度进行监测，并进行记录；
(2)纠偏数据处理
对钻探时的倾角、方位角、旋转速度数据进行预处理；
(3)纠偏姿态计算
采用四元姿态解算算法对纠偏姿态进行确定，具体的：初始化姿态解算、传感器数据更新，其中传感器更新具体步骤为：
3.1从传感器数据中获取角速度数据；
3.2由当前时刻的获取的旋转速度数据采用四阶龙格库塔法来估计姿态变化四元数，具体的：
3.2.1将旋转速度传感器更新频率定义为△t，即离散化的时间步长；
3.2.2由当前时刻的角速度数据，计算姿态变化四元数的增量△q1；
3.2.3将当前时刻的角速度数据乘以△t的一半，得到中间时刻的角速度：
3.2.4由中间时刻的角速度，计算中间时刻的姿态变化四元数的增量△q2；
3.2.5再次将中间时刻的角速度乘以△t的一半，得到另一个中间时刻的角速度：
3.2.6由另一个中间时刻的角速度，计算另一个中间时刻的姿态变化四元数的增量△q3；
3.2.7将三个姿态变化四元数增量并进行加权平均，得到最终的姿态变化四元数增量：△q＝(△q1+2×△q2+2×△q3+△q4)/6，其中△q4为使用当前时刻的角速度计算的姿态变化四元数的增量；
3.2.8将姿态变化四元数增量与上一时刻的姿态四元数相乘，得到当前时刻的姿态四元数：q(t)＝q(t-1)×△q；
3.3将步骤2.8中得到的姿态变化四元数与上一时刻的四元数相乘，得到当前时刻的姿态四元数；
3.4在步骤(3)，对姿态四元数进行归一化，使其范数等于1；
(4)姿态结果输出转换
根据姿态四元数，计算出钻孔的倾角和方位角，具体的
4.1通过姿态四元数转换为欧拉角，对倾斜角度进行表示；
4.2通过姿态四元数转换为旋转矩阵，姿态四元数q的方向向量表示为：D＝[2(q1q3-q2q0),2(q2q3-q1q0),q0 2-q1 2-q2 2+q3 2]，根据方向向量D计算方位角，采用反正切函数计算方向向量的x分量与y分量的比值，即atan2(D[1],D[0])；
(5)钻孔姿态估计问题建模
基于卡尔曼滤波器建立钻孔姿态估计问题建模，具体的：
5.1将钻孔姿态估计问题建立为一个状态空间模型，建立状态方程和观测方程；
5.2初始化卡尔曼滤波器的状态向量和协方差矩阵；
5.3根据钻孔当前姿态估计问题建模中的状态方程，使用过程模型对当前状态进行预测，并计算预测状态的协方差矩阵，预测步骤利用先验信息预测下一时刻的状态；
5.4根据系统建模中的观测方程，将各传感器测量值与预测状态进行比较，计算预测状态的测量残差，并计算卡尔曼增益；
5.5利用卡尔曼增益修正预测状态和协方差矩阵，得到更新后的状态估计和协方差；
(6)实际纠偏值计算
将实际测得的钻孔姿态通过向量运算与预设方向进行比较，确定偏差；
(7)纠偏校正值确认
根据计算得到的偏差值，采用PID算法进行校正；
(8)纠偏校正指令输出
根据PID算法的输出，生成对应控制指令，调整钻机的工作参数；
(9)纠偏后告警
持续监测钻孔的姿态数据，根据纠偏结果提供实时反馈。
进一步的设置为：在步骤(1)中，基于LoRa无线传输技术建立无线传输网络拓扑结构，以多个传感器节点组成网络，由中继点进行纠偏数据传输；
进一步的设置为：在步骤(2)中，所述预处理包括校准和滤波；
进一步的设置为：在步骤(3)中，所述初始化姿态解算将四元数进行初始化，并将其设为初始值[1,0,0,0]来表示钻杆非旋转状态即初始化状态；
进一步的设置为：在步骤4.1中，所述欧拉角为俯仰角、横滚角和航向角，其中俯仰角表示钻孔的倾斜角度；
进一步的设置为：在步骤5.1中，钻孔的真实姿态定义为状态变量，各传感器测量的姿态数据定义为观测变量，并定义状态变量和观测变量之间的关系；
进一步的设置为：在步骤(9)中，所述实施反馈具体为：当偏差超过预设阈值时，进行告警；当纠偏后需要二次纠偏时，进行告警。
工作原理
在钻杆上安装的倾角传感器，用于测量钻杆的倾角信息，方位角传感器用于测量钻杆的方位角信息，旋转速度传感器用于测量钻杆的旋转速度，在钻机臂上安装的倾角传感器和方位角传感器用于测量钻机结构的倾角信息和方位角信息，此处的中部、下部和上部以钻杆接触、伸入地面的一端为下进行定义，在纠偏数据采集中，对于数据采集后的记录也可以采用数据库建立将数据传输至数据库进行保存，再通过纠偏数据预处理消除传感器的误差和偏移，确保数据的准确性，其中滤波可以去除高频噪声和震荡，提高数据的稳定性。
通过四元姿态解算算法对纠偏姿态进行确定，在纠偏姿态计算中，传感器更新内的角速度数据用来表示当前钻杆的旋转速率，同时在姿态变化四元数的增量△q1时，对姿态四元数进行归一化，使其范数等于1，从而保持四元数的单位长度特性，同时通过基于卡尔曼滤波器建立的钻孔姿态估计问题建模避免出现姿态四元数的漂移和误差累积问题，其中卡尔曼增益将测量残差与预测步骤中的状态预测进行融合，得到最优估计的姿态，卡尔曼滤波不断地对状态进行预测和更新，将测量值和先验信息进行融合，有效抑制传感器数据中的漂移和误差累积，并提供更精确的姿态估计结果。
通过偏差计算将实际测得的钻孔姿态与预设方向进行比较，确定实际方向与预设方向之间的偏差，计算获取具体偏差值，采用PID算法进行校正，来调整钻机工作参数，从而实现自动校正，同时在调整后对钻杆状态进行监测，当偏差超过预设阈值时，进行告警，当纠偏后需要二次纠偏时，进行告警，从而及时提醒操作人员干预，避免出现钻卡事故，降低了操作人员在危险环境中的风险和受伤可能性。
区别传统深孔钻探，传感器数据的实时采集和处理使得钻孔偏差的检测和纠正可以在钻进过程中及时进行，同时采用四元姿态解算算法对纠偏姿态进行确定并通过卡尔曼滤波器建立的钻孔姿态估计问题建模避免出现姿态四元数的漂移和误差累积问题，实现自动化的钻孔偏差检测和纠正，减少人工干预，提高钻探作业效率，降低人工操作误差。
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)

1.一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)纠偏数据采集
在钻杆中部安装倾角传感器，在钻杆下部安装方位角传感器，在钻杆上部安装旋转速度传感器，在钻机臂上同样安装倾角传感器和方位角传感器，多个传感器持续对钻杆钻探时的倾角、方位角、旋转速度进行监测，并进行记录；
(2)纠偏数据处理
对钻探时的倾角、方位角、旋转速度数据进行预处理；
(3)纠偏姿态计算
采用四元姿态解算算法对纠偏姿态进行确定，具体的：初始化姿态解算、传感器数据更新，其中传感器更新具体步骤为：
3.1从传感器数据中获取角速度数据；
3.2由当前时刻的获取的旋转速度数据采用四阶龙格库塔法来估计姿态变化四元数，具体的：
3.2.1将旋转速度传感器更新频率定义为△t，即离散化的时间步长；
3.2.2由当前时刻的角速度数据，计算姿态变化四元数的增量△q1；
3.2.3将当前时刻的角速度数据乘以△t的一半，得到中间时刻的角速度：
3.2.4由中间时刻的角速度，计算中间时刻的姿态变化四元数的增量△q2；
3.2.5再次将中间时刻的角速度乘以△t的一半，得到另一个中间时刻的角速度：
3.2.6由另一个中间时刻的角速度，计算另一个中间时刻的姿态变化四元数的增量△q3；
3.2.7将三个姿态变化四元数增量并进行加权平均，得到最终的姿态变化四元数增量：△q＝(△q1+2×△q2+2×△q3+△q4)/6，其中△q4为使用当前时刻的角速度计算的姿态变化四元数的增量；
3.2.8将姿态变化四元数增量与上一时刻的姿态四元数相乘，得到当前时刻的姿态四元数：q(t)＝q(t-1)×△q；
3.3将步骤2.8中得到的姿态变化四元数与上一时刻的四元数相乘，得到当前时刻的姿态四元数；
3.4在步骤(3)，对姿态四元数进行归一化，使其范数等于1；
(4)姿态结果输出转换
根据姿态四元数，计算出钻孔的倾角和方位角，具体的：
4.1通过姿态四元数转换为欧拉角，对倾斜角度进行表示；
4.2通过姿态四元数转换为旋转矩阵，姿态四元数q的方向向量表示为：根据方向向量D计算方位角，采用反正切函数计算方向向量的x分量与y分量的比值，即atan2(D[1],D[0])；
(5)钻孔姿态估计问题建模
基于卡尔曼滤波器建立钻孔姿态估计问题建模，具体的：
5.1将钻孔姿态估计问题建立为一个状态空间模型，建立状态方程和观测方程；
5.2初始化卡尔曼滤波器的状态向量和协方差矩阵；
5.3根据钻孔当前姿态估计问题建模中的状态方程，使用过程模型对当前状态进行预测，并计算预测状态的协方差矩阵，预测步骤利用先验信息预测下一时刻的状态；
5.4根据系统建模中的观测方程，将各传感器测量值与预测状态进行比较，计算预测状态的测量残差，并计算卡尔曼增益；
5.5利用卡尔曼增益修正预测状态和协方差矩阵，得到更新后的状态估计和协方差；
(6)实际纠偏值计算
将实际测得的钻孔姿态通过向量运算与预设方向进行比较，确定偏差；
(7)纠偏校正值确认
根据计算得到的偏差值，采用PID算法进行校正；
(8)纠偏校正指令输出
根据PID算法的输出，生成对应控制指令，调整钻机的工作参数；
(9)纠偏后告警
持续监测钻孔的姿态数据，根据纠偏结果提供实时反馈。
2.根据权利要求1所述的一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法，其特征在于：在步骤(1)中，基于LoRa无线传输技术建立无线传输网络拓扑结构，以多个传感器节点组成网络，由中继点进行纠偏数据传输。
3.根据权利要求1所述的一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述预处理包括校准和滤波。
4.根据权利要求1所述的一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述初始化姿态解算将四元数进行初始化，并将其设为初始值[1,0,0,0]来表示钻杆非旋转状态即初始化状态。
5.根据权利要求1所述的一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法，其特征在于：在步骤4.1中，所述欧拉角为俯仰角、横滚角和航向角，其中俯仰角表示钻孔的倾斜角度。
6.根据权利要求1所述的一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法，其特征在于：在步骤5.1中，钻孔的真实姿态定义为状态变量，各传感器测量的姿态数据定义为观测变量，并定义状态变量和观测变量之间的关系。
7.根据权利要求1所述的一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法，其特征在于：在步骤(9)中，所述实施反馈具体为：当偏差超过预设阈值时，进行告警；当纠偏后需要二次纠偏时，进行告警。
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CN202310657569.4A Pending CN116607929A (zh) 2023-06-06 2023-06-06 一种煤田钻探深孔钻探中的钻孔自动纠偏方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116237818A (zh) * 2022-12-29 2023-06-09 广东中海万泰技术有限公司 一种深孔加工的偏移量测量方法

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