CN117514055B - 一种针对不同地层钻探取心可切换钻头系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钻探技术领域，具体是指一种针对不同地层钻探取心可切换钻头系统，包括机架和钻机，钻机设置在机架顶部中间，且底端竖直向下穿过机架；机架上还设有监测平台，监测平台用于监测当前钻机的工况参数，基于该工况参数对当前钻探地质岩层结构进行识别判断，并基于岩层识别结果向外界中控机发出是否更换钻头指令；本申请通过监测平台对钻机工作的工况参数进行实时采集监测，并对采集到的钻机工况参数进行分析处理，实现对钻探地质岩层的结构判断识别，确保钻机在进入不同地质岩层中时，及时发现地质岩层变化，便于技术人员根据地层的变化及时切换对应钻头进行钻探取心工作，避免钻头的损坏，保证钻机的正常钻探工作。

Description

一种针对不同地层钻探取心可切换钻头系统

技术领域

本发明涉及钻探技术领域，具体是指一种针对不同地层钻探取心可切换钻头系统。

背景技术

随着我国基础建设需求不断增加，地质勘察也越来越重要。而岩土工程地质勘察是施工、设计的前提，是调查研究建设区域工程地质的重要手段。地质勘察能正确反映场地的工程地质条件，结合设计和现场施工条件，对不同勘察阶段进行技术评价，为基础建设、矿山、边坡等工程提出施工的指导性意见，服务于工程建设的全过程，目前使用深部钻探机械设备与技术获取地下标本与地层剖面实况，是地质勘探中最直接有效的方法，也是对未知区域地质探测的关键技术，钻孔取心作为钻探方式之一，在现实施工中需求极大。

而在地质钻探取心工作中，由于钻探地质岩层结构复杂，且岩层种类较多，因此往往需要使用到不同的钻头（钻探取心工艺）解决同一钻孔中不同地层的取心难题，而在实际施工中，这种切换方式，存在诸多问题，在钻头对地质岩层进行钻探时，难以及时发现地质岩层的变化，导致切换钻头时，不能快速更换，进而导致钻机受损，进而影响钻探工作。

有鉴于此，亟待提出一种针对不同地层钻探取心可切换钻头系统。

发明内容

本发明目的在于提供一种针对不同地层钻探取心可切换钻头系统，用于解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种针对不同地层钻探取心可切换钻头系统，包括机架和钻机，所述钻机设置在机架顶部中间，且底端竖直向下或水平穿过所述机架，所述钻机包括外周面通过安装座与机架相连接的机身部，在所述机身部的底部设有钻杆部，所述机身部的顶部设有驱动部，所述机身部的侧面还设有钻井液循环单元，所述钻井液循环单元对钻杆部提供钻井液，所述驱动部的输出端穿过机身部并与钻杆部顶端相连接，用于对钻杆部提供钻探动力，所述钻杆部包括；提心钻杆和钻头，所述提心钻杆的上端与机身部之间还设有提升起钻件，且提心钻杆的底端通过更换模组与钻头可拆卸连接；

在所述机架上还设有监测平台，所述监测平台用于监测当前钻机的工况参数，并基于该工况参数对当前钻探地质岩层结构进行识别判断，并基于岩层识别结果向外界中控机发出是否更换钻头指令；

其中，所述监测平台包括；相互信号连接的感知模块、识别模块和反馈模块，所述感知模块用于获取钻机工作时的工况参数，并对工况参数进行预处理后输出至识别模块中，所述识别模块基于预处理后的工况参数对当前钻机工作的地质岩层结构进行识别判断，并向反馈模块输出识别判断结果，所述反馈模块用于输出岩层识别结果。

基于上述，本申请提出一种针对不同地层钻探取心可切换钻头系统，其在进行钻探工作时，可通过监测平台对钻机工作的工况参数进行实时采集监测，并通过对采集到的钻机工况参数进行分析处理，以实现对钻探地质岩层的结构判断识别，进而确保钻机在进入不同地质岩层中时，可及时发现地层的变化，从而确保技术人员更换钻头更加及时，并有效避免钻头的损坏，从而保证钻机的正常钻探工作。

进一步地；所述感知模块包括相互信号连接的数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元基于多个安装在钻机上的传感器用于采集钻机的实时工况参数；所述数据处理单元用于对数据采集单元采集的实时工况参数进行数据处理，并输出参数数据信息。

进一步地；所述数据处理单元包括：相互信号连接的数据清洗器、数据分解器和数据增益器；所述数据清洗器用于对参数数据信息进行数据清洗和去噪补偿，以移除数据异常值和噪声数据；所述数据分解器对移除数据异常值和噪声数据后的参数数据信息进行变量分解，以提取参数数据信息中的主要数据特征，所述数据增益器对主要数据特征进行增益处理并输出至识别模块中；其中主要数据特征为突变特征参数。

本申请通过数据处理单元，用于在数据采集单元采集钻机的工况参数后，对数据进行清洗去噪处理，以提高数据质量，而变量分解则主要是将采集到的多维复杂数据进行分解简化，以得到低维数据，从而提取数据中的主要数据特征，取出不重要的部分，从而降低数据分析处理的难度和复杂度，也即是在构建神经网络之前，首先对钻机的工作参数进行了数据清洗和去噪，移除了异常值和噪声数据。然后，采用主成分分析（PCA）方法对数据进行降维处理，以减少模型的计算复杂性和避免过拟合问题。具体来说，在钻机钻探过程中，当钻头在某一地质岩层中进行钻深工作时，由于地质岩层变化不大，因此其钻头工况参数大致是恒定的，而当其持续钻深并进入至另一地质岩层中时，由于岩层的硬度、破碎程度性质的变化，钻头的工况参数会有明显的变化，也即是数据出现突变阶跃，因此本申请通过上述数据处理增益后，可将数据中的突变点进行放大，进而利于提取参数中的突变特征数据，并基于该突变特征数据对岩层的地质结构进行判断识别，从而有助于后续对岩层的地质结构进行判断识别。

较为优选；所述识别模块中搭建有岩层预测模型，且岩层预测模型基于GRU神经网络结构构建，并基于钻机历史工况参数训练，其中，神经网络结构包括特征输入层、中间网络层和结果输出层；所述特征输入层将经数据处理单元处理后的参数数据信息作为模型输入；所述中间网络层包括多个隐藏层，且多个隐藏层之间通过神经元节点连接，所述多个隐藏层通过ReLU激活函数对参数数据信息进行非线性变换，以捕捉突变特征参数与地质岩层结构的非线性关系，并输出数据，所述输出层接收中间网络层的输出数据后，生成岩层识别结果并输出，且所述输出层增加有softmax层。

进一步地；所述提升起钻件包括：提升单元和伸缩起钻单元；所述提升单元包括内壁通过旋转件与提心钻杆转动连接的管套，多个周向设置在机身部的外表面四周、且底端通过连接耳与管套活动连接的液压杆，任一所述液压杆的顶端与机身部相铰接；所述伸缩起钻单元包括伸缩套管和位于伸缩套管两侧的提升气缸，所述伸缩套管包括顶端与驱动部的驱动端固定连接、且其底端开口并向内延伸形成滑动腔的外套管，设于外套管底部、底端与提心钻杆顶端固定连接、且顶端延伸至外套管内部滑动腔中的管心，所述管心横截面呈十字型并与滑动腔滑动配合，所述提升气缸的顶端与机身部相连接，且其底端通过卡接环与提心转杆转动连接。

较为优选；所述旋转件包括固定卡接在提心钻杆外部的卡盘，套接在卡盘外部并通过其内壁的转动支撑单元与卡盘转动连接的套筒，且套筒的外壁与管套内壁相连接，在所述套筒内壁设有卡紧腔，在卡紧腔的内壁环面四周均设有与卡盘滚动接触的抑偏滚轮，所述抑偏滚轮通过减振总成与卡紧腔相连接，在所述卡紧腔的内部上方和内部下方均设有用于对卡盘进行抵紧的压紧件，所述压紧件包括：储油腔、压紧腔和抵紧轮，所述储油腔与压紧腔之间通过流通管相连通，且流通管内设有单向阀，所述压紧腔的底部通过开口与卡紧腔相连通，在所述抵紧轮的外部嵌套有与压紧腔底部开口活动密封的密封套，在所处储油腔的内部设有压紧活塞，通过所述压紧活塞用于储油腔内的液压介质压入至卡紧腔中，并对抵紧轮提供抵紧力。基于上述旋转件的结构设计，在提心钻杆旋转时，通过抑偏滚轮和压紧件的相互配合，可保证提心钻杆的转动平稳性，促使其始终平稳转动，有效降低了提心钻杆旋转时发生晃动偏转，进而保证采集的工况参数更加准确，并确保钻探工作正常进行。

进一步地；所述更换模组包括一端与提心钻杆底端相连接、且底端向内凹陷并形成安装腔的安装头，底端与钻头相连接、顶端延伸至安装腔内部并与其相适配的插接杆，且在插接杆的四周均开设有卡紧槽；

在所述安装腔的上方还设有工作腔，所述工作腔的内部设有卡紧件，所述卡紧件包括：连接板、卡紧气缸、连接头和紧固卡爪，所述连接板与工作腔相连接，所述卡紧气缸安装在连接板的上部，且其输出端通过活塞杆与连接头相连接，所述连接头的外周面沿其轴向方向开设有多个滑动槽，且多个所述滑动槽内滑动连接有滑块，所述紧固卡爪设有多个，且多个紧固卡爪铰接在连接板的四周，且所述紧固卡爪的顶端与滑块相铰接，且其底端侧面还设有延伸至安装腔内的紧固锁头，且所述紧固锁头与插接杆四周的卡紧槽一一对应并适配。基于上述更换模组的结构设计，在确保钻头与提心钻杆安装稳定性的前提下，大大提升了钻头拆卸更换的便捷性。

较为优选；在安装头的底端四周位置处开设有多个定位孔，且在钻头的顶端四周位置处设有多个延伸至定位孔内、并与其相适配的定位插头。通过定位孔和定位插头的设置，便于技术人员快速将钻头与提心钻杆进行安装连接。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本申请通过监测平台对钻机工作的工况参数进行实时采集监测，并通过对采集到的钻机工况参数进行分析处理，以实现对钻探地质岩层的结构判断识别，进而确保钻机在进入不同地质岩层中时，可及时发现地质岩层的变化，从而便于技术人员根据地层的变化及时更换对应钻头进行钻探取心工作，并避免了钻头的损坏，从而保证钻机的正常钻探工作；

2、本申请在采集钻机的工况参数后，巧妙地通过数据清洗、数据去噪、数据分解和数据增益等处理方式，对数据采集单元采集到的钻机实时工况参数中掺杂的噪声及误差数据进行去除，并对多维复杂数据进行分解简化，提取出数据中的主要数据特征，也即是突变特征数据，并对突变特征数据进行增益处理，将数据中的突变点放大，进而突出钻机钻进不同岩层时的参数数据突变点，以此便于后续对岩层的地质结构进行判断识别，从而提升地质岩层的识别准确性；

3、本申请通过旋转件的结构设计，在提心钻杆旋转时，通过抑偏滚轮和压紧件的相互配合，可保证提心钻杆的转动平稳性，促使其始终平稳转动，有效降低了提心钻杆旋转时发生晃动偏转，进而保证采集的工况参数更加准确，并确保钻探工作正常进行；

4、本申请通过更换模组的结构设计，在确保钻头与提心钻杆安装稳定性的前提下，大大提升了钻头拆卸更换的便捷性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明的钻机结构示意图；

图3为本发明的监测平台框图；

图4为本发明的连接耳内部结构示意图，旨在展示旋转件的具体结构；

图5为本发明的更换模组的放大结构示意图，旨在展示其具体结构；

图6为本发明伸缩套管俯视结构示意图，旨在展示其结构。

附图中标记及对应的零部件名称：

1、机架；2、钻机；20、机身部；21、钻杆部；210、提心钻杆；211、钻头；22、驱动部；230、管套；231、液压杆；232、伸缩套管；2320、外套管；2321、管心；233、提升气缸；240、卡盘；241、套筒；242、抑偏滚轮；243、减振总成；244、储油腔；245、压紧腔；246、抵紧轮；247、压紧活塞；25、更换模组；250、安装头；251、工作腔；252、插接杆；2530、连接板；2531、卡紧气缸；2532、连接头；2533、滑动槽；2534、滑块；2535、紧固卡爪；2536、紧固锁头；2537、卡紧槽；254、定位插头；255、定位孔；3、监测平台；30、感知模块；31、识别模块；32、反馈模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。需要说明的是，本发明已经处于实际研发使用阶段。

实施例

请一并参考附图1至图6，一种针对不同地质层钻头211可切换式钻探系统，包括机架1和钻机2，钻机2设置在机架1顶部中间，且底端竖直向下穿过机架1，钻机2包括外周面通过安装座与机架1相连接的机身部20，在机身部20的底部设有钻杆部21，机身部20的顶部设有驱动部22，机身部20的侧面还设有钻井液循环单元，钻井液循环单元对钻杆部21提供钻井液，驱动部22的输出端穿过机身部20并与钻杆部21顶端相连接，用于对钻杆部21提供钻探动力，钻杆部21包括；提心钻杆210和钻头211，提心钻杆210的上端与机身部20之间还设有提升起钻件，且提心钻杆210的底端通过更换模组25与钻头211可拆卸连接；

在机架1上还设有监测平台3，监测平台3用于监测当前钻机2的工况参数，并基于该工况参数对当前钻探地质岩层结构进行识别判断，并基于岩层识别结果向外界中控机发出是否更换钻头211指令；

其中，监测平台3包括；相互信号连接的感知模块30、识别模块31和反馈模块32，感知模块30用于获取钻机2工作时的工况参数，并对工况参数进行预处理后输出至识别模块31中，识别模块31基于预处理后的工况参数对当前钻机2工作的地质岩层结构进行识别判断，并向反馈模块32输出识别判断结果，反馈模块32用于输出岩层识别结果。

基于上述方案，需要说明的是，鉴于目前钻探工作，由于地质岩层结构复杂，在同一个钻孔中可能会遇到各种不同的地层，而由于地质岩层的地层、组份、结构、密实性、均匀性等不一样，因此同一种钻探工艺难以满足钻探取心的要求，因此就需要使用到不同钻探取心的工艺进行钻探工作，也即是通过更换不同钻机2的钻头211来针对不同地质岩层进行钻深，但是在实际钻探时，难以及时对钻探的地质岩层进行有效监测，也即是在钻头211进入不同地质岩层中钻探时，技术人员很难及时的发现地质岩层的变化，导致更换钻头211时出现延误，进而极易导致钻机2损坏，从而对钻探工作造成影响。

因此本申请特提出一种针对不同地质层钻头211可切换式钻探系统，其通过在机架1上设置监测平台3，在钻机2进行钻探工作时，对整个钻机2的工况进行实时监测，而监测平台3主要包括感知模块30、识别模块31和反馈模块32，其中较为优选的是，感知模块30包括相互信号连接的数据采集单元和数据处理单元，其中，数据采集单元基于多个安装在钻机2上的传感器用于采集钻机2的实时工况参数（例如转速、扭矩、钻井液压力、流量等）；而数据处理单元用于对数据采集单元采集的实时工况参数进行数据处理，并输出参数数据信息至识别模块31中，以此通过识别模块31对钻机2的参数数据信息进行分析处理，并对钻探的地址岩层结构进行判断识别，从而确保钻机2在进入不同地质岩层中时，可及时发现地层的变化，从而确保技术人员更换钻头211更加及时，并有效避免钻头211的损坏，从而保证钻机2的正常钻探工作。

对于数据处理单元，本实施例较为优选的是，数据处理单元包括：相互信号连接的数据清洗器、数据分解器和数据增益器；数据清洗器用于对参数数据信息进行数据清洗和去噪补偿，以移除数据异常值和噪声数据；数据分解器对移除数据异常值和噪声数据后的参数数据信息进行变量分解，以提取参数数据信息中的主要数据特征，数据增益器对主要数据特征进行增益处理并输出至识别模块31中；其中主要数据特征为突变特征参数。

需要说明的是，在钻探施工现场，由于所需设备较多，且工作环境复杂多变，设备启动频繁，因此在采集钻机2工况参数，难以避免存在噪声数据（设备误差、环境噪声等）掺杂，因此本申请通过数据处理单元，在数据采集单元采集钻机2的工况参数后，对数据进行清洗去噪处理，以提高数据质量，而变量分解则主要是将采集到的多维复杂数据进行分解简化，以得到低维数据，从而提取数据中的主要数据特征，取出不重要的部分，从而降低数据分析处理的难度和复杂度。具体来说，在钻机2钻探过程中，当钻头211在某一地质岩层中进行钻深工作时，由于地质岩层变化不大，因此其钻头211工况参数大致是恒定的，而当其持续钻深并进入至另一地质岩层中时，由于岩层的硬度、破碎程度性质的变化，钻头211的工况参数会有明显的变化，也即是数据出现突变阶跃，因此本申请通过上述数据处理增益后，可将数据中的突变点进行放大，进而利于提取参数中的突变特征数据，并基于该突变特征数据对岩层的地质结构进行判断识别。

对于识别模块31来说，为了确保识别模块31能对地址岩层进行准确判断识别，在识别模块31中搭建有岩层预测模型，且岩层预测模型基于神经网络结构构建，并基于钻机2历史工况参数训练，其中，作为优选的是，该神经网络结构为GRU神经网络，并基于基于MXNet深度学习框架构建，其包括特征输入层、中间网络层和结果输出层；特征输入层将经数据处理单元处理后的参数数据信息作为模型输入；中间网络层包括多个隐藏层，且多个隐藏层之间通过神经元节点连接，多个隐藏层通过ReLU激活函数对参数数据信息进行非线性变换，以捕捉突变特征参数与地质岩层结构的非线性关系，并输出数据，输出层接收中间网络层的输出数据后，生成岩层识别结果并输出，输出层增加有softmax层。

具体来说，GRU网络是LSTM神经网络的变体，LSTM神经网络是一类具有时序预测性质的神经网络，适于具有时序性数据的预测。GRU神经网络的网络参数易于调整，网络结构相较于LSTM较为简单。同样利用数据信息的时序性，通过对GRU网络进行改进，即可预测出不同参数数据下最优的地质岩层推理规则组合。此处对GRU网络的改进是在最后的输出层增加softmax层，这样提高了特征空间的转换能力，将对数据推理的预测转换为对数据波动度的预测，以便于对数据突变点进行抓取。而GRU神经网络模型通过记忆块中三个门结构的共同作用下控制信息的输入、遗忘和输出，使得信息在网络传输过程中可以保留很长时间，适合构建时间序列模型，利于提高模型的稳定性和可靠性，便于其优势应用于钻探工作过程中，地质岩层的结构判断识别。这里需要表明的是，在搭建岩层预测模型后，还需对模型进行训练，而对于训练过程，我们使用了随机梯度下降（SGD）算法进行模型训练，设置学习率为0.01，批量大小为100。训练在达到1000个迭代次数后终止。

基于上述实施例，对于提心钻杆210，本方案较为优选的是，提升起钻件包括：提升单元和伸缩起钻单元；提升单元包括内壁通过旋转件与提心钻杆210转动连接的管套230，多个周向设置在机身部20的外表面四周、且底端通过连接耳与管套230活动连接的液压杆231，任一液压杆231的顶端与机身部20相铰接；伸缩起钻单元包括伸缩套管232和位于伸缩套管232两侧的提升气缸233，伸缩套管232包括顶端与驱动部22的驱动端固定连接、且其底端开口并向内延伸形成滑动腔的外套管2320，设于外套管2320底部、底端与提心钻杆210顶端固定连接、且顶端延伸至外套管2320内部滑动腔中的管心2321，管心2321横截面呈十字型并与滑动腔滑动配合，提升气缸233的顶端与机身部20相连接，且其底端通过卡接环与提心转杆转动连接。基于上述结构，便于通过液压杆231、伸缩套管232和提升气缸233的工作将提心钻杆210进行升降起钻，便于对钻头211进行拆卸更换，同时不会对提心钻杆210的转动过程造成阻碍，使其能正常工作，也就是说，液压杆231的伸缩只是拉动管套230进行上下移动，而管套230是通过旋转件转动连接在提心钻杆210的外周面，因此在液压杆231工作时，管套230上下移动时，不会对提心钻杆210的转动过程造成影响，而伸缩套管232和提升气缸233的设置，是为了液压缸伸缩时，提升气缸233同步拉动提心钻杆210通过伸缩套管232进行上下移动，以对液压杆231起到辅助作用，且提升气缸233的底端通过卡接环与提心转杆转动连接（也就是提升气缸233与提心钻杆210之间也是转动连接），而伸缩套管232的外套管2320是与驱动部22的驱动端固定连接，且外套管2320内的管心2321与提心钻杆210顶端固定连接，同时管心2321横截面呈十字型并与滑动腔滑动配合，因此对于伸缩套管232来说，其在轴向伸缩时，依然能将驱动部22驱动端的驱动力传导至提心钻杆210上，以使提心钻杆210旋转。

基于上述实施例，作为优选，旋转件包括固定卡接在提心钻杆210外部的卡盘240，套接在卡盘240外部并通过其内壁的转动支撑单元与卡盘240转动连接的套筒241，且套筒241的外壁与管套230内壁相连接，在套筒241内壁设有卡紧腔，在卡紧腔的内壁环面四周均设有与卡盘240滚动接触的抑偏滚轮242，抑偏滚轮242通过减振总成243与卡紧腔相连接，在卡紧腔的内部上方和内部下方均设有用于对卡盘240进行抵紧的压紧件，压紧件包括：储油腔244、压紧腔245和抵紧轮246，储油腔244与压紧腔245之间通过流通管相连通，且流通管内设有单向阀，压紧腔245的底部通过开口与卡紧腔相连通，在抵紧轮246的外部嵌套有与压紧腔245底部开口活动密封的密封套，在所处储油腔244的内部设有压紧活塞247，通过压紧活塞247用于储油腔244内的液压介质压入至卡紧腔中，并对抵紧轮246提供抵紧力。基于上述旋转件的结构设计，在提心钻杆210旋转时，通过抑偏滚轮242和压紧件的相互配合，可保证提心钻杆210的转动平稳性，促使其始终平稳转动，有效降低了提心钻杆210旋转时发生晃动偏转，进而保证采集的工况参数更加准确，并确保钻探工作正常进行。具体来说，就是在提心钻杆210转动过程中，抑偏轮可通过减振总成243始终与钻杆外部的卡盘240相滚动接触，从而对提心钻杆210进行转动引导的同时，对其进行提供一个周向的支撑力，而抵紧活塞杆同步开始工作，并将储油腔244内的液压介质压入至卡紧腔中，以对抵紧轮246提供抵紧力，使抵紧轮246始终对卡盘240的上部和下部进行抵紧，从而确保提心钻杆210的转动过程始终处于平稳状态（也即是保持与套筒241同轴心的旋转）。

基于上述实施例，需要说明的是，更换模组25包括一端与提心钻杆210底端相连接、且底端向内凹陷并形成安装腔的安装头250，底端与钻头211相连接、顶端延伸至安装腔内部并与其相适配的插接杆252，且在插接杆252的四周均开设有卡紧槽2537；

在安装腔的上方还设有工作腔251，工作腔251的内部设有卡紧件，卡紧件包括：连接板2530、卡紧气缸2531、连接头2532和紧固卡爪2535，连接板2530与工作腔251相连接，卡紧气缸安装在连接板2530的上部，且其输出端通过活塞杆与连接头2532相连接，连接头2532的外周面沿其轴向方向开设有多个滑动槽2533，且多个滑动槽2533内滑动连接有滑块2534，紧固卡爪2535设有多个，且多个紧固卡爪2535铰接在连接板2530的四周，且紧固卡爪2535的顶端与滑块2534相铰接，且其底端侧面还设有延伸至安装腔内的紧固锁头2536，且紧固锁头2536与插接杆252四周的卡紧槽2537一一对应并适配。基于上述更换模组25的结构设计，在确保钻头211与提心钻杆210安装稳定性的前提下，大大提升了钻头211拆卸更换的便捷性。

具体过程如下：就是当监测平台3向外界中控机发出更换钻头211的指令时，技术人员立即将提心钻杆210提升至钻孔外部，并控制卡紧气缸2531收缩，以使卡紧气缸2531带动连接头2532下移，进而使卡紧头下移后，通过滑动槽2533和滑块2534拉动连接板2530四周位置处的紧固卡爪2535偏转，以使紧固卡爪2535的紧固锁头2536从插接杆252四周的卡紧槽2537中移出，以此对插接杆252进行解锁，从而利于技术人员将钻头211的插接杆252从安装腔中拔出，继而实现对钻头211的拆卸，而在安装钻头211时，将钻头211的插接杆252重新插入安装腔中，并再次控制卡紧气缸2531进行伸长，使连接头2532上移后通过滑动槽2533和滑块2534推动连接板2530四周位置处的紧固卡爪2535偏转，并使紧固锁头2536插入至插接杆252四周的卡紧槽2537中，以对插接杆252进行锁紧即可

基于上述实施例，为便于技术人员快速将钻头211与提心钻杆210进行安装连接，本方案较为优选的是，在安装头250的底端四周位置处开设有多个定位孔255，且在钻头211的顶端四周位置处设有多个延伸至定位孔255内、并与其相适配的定位插头254。进而通过定位孔255和定位插头254的设置，便于技术人员将钻头211与提心钻杆210进行快递定位安装。

另外这里需要说明的是，在本发明中，所涉及到的控制流程均是基于外界中控机实现的，其项目环境配置如下：采用嵌入式人机界面TPC1061Ti，以Cortex-A8 CPU为核心（主频600MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏，采用了10.2英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率1024×600），四线电阻式触摸屏（分辨率4096×4096），开发平台采用MCGS嵌入式组态软件（运行版）。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种针对不同地层钻探取心可切换钻头系统，包括机架（1）和钻机（2），所述钻机（2）设置在机架（1）顶部中间，且底端竖直向下穿过所述机架（1），其特征在于：所述钻机（2）包括外周面通过安装座与机架（1）相连接的机身部（20），在所述机身部（20）的底部设有钻杆部（21），所述机身部（20）的顶部设有驱动部（22），所述机身部（20）的侧面还设有钻井液循环单元，所述钻井液循环单元对钻杆部（21）提供钻井液，所述驱动部（22）的输出端穿过机身部（20）并与钻杆部（21）顶端相连接，用于对钻杆部（21）提供钻探动力，所述钻杆部（21）包括；提心钻杆（210）和钻头（211），所述提心钻杆（210）的上端与机身部（20）之间还设有提升起钻件，且提心钻杆（210）的底端通过更换模组（25）与钻头（211）可拆卸连接；

在所述机架（1）上还设有监测平台（3），所述监测平台（3）用于监测当前钻机（2）的工况参数，并基于该工况参数对当前钻探地质岩层结构进行识别判断，并基于岩层识别结果向外界中控机发出是否更换钻头（211）指令；

其中，所述监测平台（3）包括；相互信号连接的感知模块（30）、识别模块（31）和反馈模块（32），所述感知模块（30）用于获取钻机（2）工作时的工况参数，并对工况参数进行预处理后输出至识别模块（31）中，所述识别模块（31）基于预处理后的工况参数对当前钻机（2）工作的地质岩层结构进行识别判断，并向反馈模块（32）输出识别判断结果，所述反馈模块（32）用于输出岩层识别结果；

提升起钻件包括：提升单元和伸缩起钻单元；所述提升单元包括内壁通过旋转件与提心钻杆（210）转动连接的管套（230），多个周向设置在机身部（20）的外表面四周、且底端通过连接耳与管套（230）活动连接的液压杆（231），任一所述液压杆（231）的顶端与机身部（20）相铰接；所述伸缩起钻单元包括伸缩套管（232）和位于伸缩套管（232）两侧的提升气缸（233），所述伸缩套管（232）包括顶端与驱动部（22）的驱动端固定连接、且其底端开口并向内延伸形成滑动腔的外套管（2320），设于外套管（2320）底部、底端与提心钻杆（210）顶端固定连接、且顶端延伸至外套管（2320）内部滑动腔中的管心（2321），所述管心（2321）横截面呈十字型并与滑动腔滑动配合，所述提升气缸（233）的顶端与机身部（20）相连接，且其底端通过卡接环与提心钻杆转动连接。

2.根据权利要求1所述的一种针对不同地层钻探取心可切换钻头系统，其特征在于：所述感知模块（30）包括相互信号连接的数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元基于多个安装在钻机（2）上的传感器用于采集钻机（2）的实时工况参数；所述数据处理单元用于对数据采集单元采集的实时工况参数进行数据处理，并输出参数数据信息。

3.根据权利要求2所述的一种针对不同地层钻探取心可切换钻头系统，其特征在于：所述数据处理单元包括：相互信号连接的数据清洗器、数据分解器和数据增益器；所述数据清洗器用于对参数数据信息进行数据清洗和去噪补偿，以移除数据异常值和噪声数据；所述数据分解器对移除数据异常值和噪声数据后的参数数据信息进行变量分解，以提取参数数据信息中的主要数据特征，所述数据增益器对主要数据特征进行增益处理并输出至识别模块（31）中；其中主要数据特征为突变特征参数。

4.根据权利要求3所述的一种针对不同地层钻探取心可切换钻头系统，其特征在于：所述识别模块（31）中搭建有岩层预测模型，且岩层预测模型基于GRU神经网络结构构建，并基于钻机（2）历史工况参数训练，其中，神经网络结构包括特征输入层、中间网络层和结果输出层；所述特征输入层将经数据处理单元处理后的参数数据信息作为模型输入；所述中间网络层包括多个隐藏层，且多个隐藏层之间通过神经元节点连接，所述多个隐藏层通过ReLU激活函数对参数数据信息进行非线性变换，以捕捉突变特征参数与地质岩层结构的非线性关系，并输出数据，所述输出层接收中间网络层的输出数据后，生成岩层识别结果并输出，且所述输出层增加有softmax层。

5.根据权利要求1所述的一种针对不同地层钻探取心可切换钻头系统，其特征在于：所述旋转件包括固定卡接在提心钻杆（210）外部的卡盘（240），套接在卡盘（240）外部并通过其内壁的转动支撑单元与卡盘（240）转动连接的套筒（241），且套筒（241）的外壁与管套（230）内壁相连接，在所述套筒（241）内壁设有卡紧腔，在卡紧腔的内壁环面四周均设有与卡盘（240）滚动接触的抑偏滚轮（242），所述抑偏滚轮（242）通过减振总成（243）与卡紧腔相连接，在所述卡紧腔的内部上方和内部下方均设有用于对卡盘（240）进行抵紧的压紧件，所述压紧件包括：储油腔（244）、压紧腔（245）和抵紧轮（246），所述储油腔（244）与压紧腔（245）之间通过流通管相连通，且流通管内设有单向阀，所述压紧腔（245）的底部通过开口与卡紧腔相连通，在所述抵紧轮（246）的外部嵌套有与压紧腔（245）底部开口活动密封的密封套，在所处储油腔（244）的内部设有压紧活塞（247），通过所述压紧活塞（247）用于储油腔（244）内的液压介质压入至卡紧腔中，并对抵紧轮（246）提供抵紧力。

6.根据权利要求1所述的一种针对不同地层钻探取心可切换钻头系统，其特征在于：所述更换模组（25）包括一端与提心钻杆（210）底端相连接、且底端向内凹陷并形成安装腔的安装头（250），底端与钻头（211）相连接、顶端延伸至安装腔内部并与其相适配的插接杆（252），且在插接杆（252）的四周均开设有卡紧槽（2537）；

在所述安装腔的上方还设有工作腔（251），所述工作腔（251）的内部设有卡紧件，所述卡紧件包括：连接板（2530）、卡紧气缸（2531）、连接头（2532）和紧固卡爪（2535），所述连接板（2530）与工作腔（251）相连接，所述卡紧气缸（2531）安装在连接板（2530）的上部，且其输出端通过活塞杆与连接头（2532）相连接，所述连接头（2532）的外周面沿其轴向方向开设有多个滑动槽（2533），且多个所述滑动槽（2533）内滑动连接有滑块（2534），所述紧固卡爪（2535）设有多个，且多个紧固卡爪（2535）铰接在连接板（2530）的四周，且所述紧固卡爪（2535）的顶端与滑块（2534）相铰接，且其底端侧面还设有延伸至安装腔内的紧固锁头（2536），且所述紧固锁头（2536）与插接杆（252）四周的卡紧槽（2537）一一对应并适配。

7.根据权利要求6所述的一种针对不同地层钻探取心可切换钻头系统，其特征在于：在安装头（250）的底端四周位置处开设有多个定位孔（255），且在钻头（211）的顶端四周位置处设有多个延伸至定位孔（255）内、并与其相适配的定位插头（254）。