CN204827427U - 矿用钻孔轨迹随钻测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及矿用钻孔轨迹随钻测量系统，由孔内仪器和孔口仪器组成，所选器件均为本质安全器件。工作原理为：孔内仪器中的6自由度传感器测得沿钻具坐标系中的X、Y、Z轴的地磁分量，再经单片机最小系统对旋转矩阵解算获得倾角和工具面向角，并对沿钻具轴向干扰磁场处理和9轴数据融合算法，解算出较高精度的方位角。孔内仪器所测姿态参数经存储电路实时存储并经通缆钻杆与防爆计算机上的监控软件进行双向通信，实时显示钻孔轨迹。本实用新型有益效果为：矿用钻孔轨迹随钻测量系统可以低功耗、高精度、宽范围实时测量钻孔内姿态参数、支持孔口内外双向通信、数据可以实时上传和卡式存储，操作界面采用虚拟可视化技术，具有良好的人机交互能力。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种随钻测量系统，尤其涉及矿用钻孔轨迹随钻测量系统。
背景技术
目前随钻测量系统主要应用在石油钻探领域和煤矿井下钻探领域。其中石油钻探领域以无线随钻测量系统应用最多，且主要采用泥浆脉冲作为信号传输方式，相应技术比较成熟；电磁波随钻测量系统在欠平衡钻井中有大量应用，主要以购买国外产品为主，国内技术还处于发展阶段。但由于无线随钻测量系统无线传输困难、结构尺寸大、工作电压和电流较大，煤安设计困难，因此在煤矿井下钻探施工领域中主要应用有线随钻测量方式。
提供实时准确的钻进姿态角并对钻具进行相应控制是钻具实现按既定轨迹钻进的关键。钻进姿态系统以较强的自主性、全程实时性和抗干扰能力成为钻进姿态系统发展的主流，特别是随着微惯性传感技术的发展，其很好地满足用户对钻进姿态系统小型化、低成本、低功耗、高精度和空间全姿态测量的要求，并成为当前研究的热点。
市场现有为数不多的矿用随钻测量系统大多存在如下问题：供电时间大多在20h左右，存储容量为测量点数为1000个左右，姿态测量大多适用用于水平井和竖直井测量，软件功能简单，操作复杂，成本高。本实用新型所涉及的矿用钻孔轨迹随钻测量系统能够很好地解决以上存在问题。
发明内容
本实用新型目的针对现有矿用随钻测量系统存在的不足，提供一种结构简单紧凑、操作流程简单，人机交互软件功能齐全，整个系统遵循本安设计，能够在煤矿井下爆炸性气体环境下进行工作的矿用钻孔轨迹随钻测量系统。
为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案来实现：
矿用钻孔轨迹随钻测量系统，其特征在于：由孔内仪器和孔口仪器组成，所有器件均遵循国家本安标准，所述孔内仪器主要是由测量钻杆、姿态测量管、姿态测量装置组成；孔口仪器主要由防爆计算机组成。
其中所述姿态测量装置由卡圈、圆柱堵头、O型密封圈、传感器组、测量电路板、基座板、本安可充电电源组、通缆接头、固定组件等组成。姿态测量装置实时测量钻孔内工程参数，并通过通缆钻杆传输至孔口仪器。
其中所述防爆计算机可对孔内姿态测量装置上传的数据进行处理、显示和存储，并具有相关工作参数的设置、故障和报警自诊断功能。防爆计算机上所运行的监控软件采用虚拟仪器技术实现轨迹3D曲线显示、钻孔轨迹的设计、孔内工况动态三维重构显示，后台专业报表及前台数据表的生成显示，孔内仪器的参数及工作模式的设置，测量点姿态参数二维图像显示，姿态参数的虚拟仪表显示和本地时间的显示。
矿用钻孔轨迹随钻测量系统，其特征在于：姿态测量装置内的6自由度传感器集成1个3轴加速度计和1个3轴陀螺仪，可测得沿钻具坐标系中的X、Y、Z轴的重力加速度分量和旋转角速度分量，3轴磁阻传感器测得沿钻具坐标系中的X、Y、Z轴的地磁分量，经6自由度传感器处理电路、3轴磁阻传感器处理电路传送给单片机最小系统，利用旋转矩阵解算获得倾角和工具面向角参数，并对沿钻具轴向进行干扰磁场处理和数据融合算法，解算出方位角参数。孔内仪器参数信号经存储电路实时存储并由通缆接头经通缆钻杆与防爆计算机上的监控软件进行双向通信，实时显示和进一步处理钻孔轨迹。
其中所述矿用钻孔轨迹随钻测量系统的本安要求主要是将可充电电池组电源通过本安保护电路转化为本安电源，并经过开关电源电路为测量电路板工作提供本安电源。可充电电池组由一组可充电电池组串联组成，并且可进行在线充电。
其中所述矿用钻孔轨迹随钻测量系统的低功耗、高精度、宽范围要求主要通过采用高精度的6自由度传感器和3轴磁阻传感器，以及测量电路和姿态解算算法联合测量实现。
本实用新型有益效果为：矿用钻孔轨迹随钻测量系统可以低功耗、高精度、宽范围实时测量钻孔内姿态参数、支持孔口内外双向通信、数据可以实时上传和卡式存储，操作界面采用虚拟可视化技术，具有良好的人机交互能力，操作方便。
附图说明：
图1为本实用新型的矿用钻孔轨迹随钻测量系统的原理示意图；
图2为本实用新型的矿用钻孔轨迹随钻测量系统孔内仪器结构示意图；
图3为测量电路板的测量原理示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，结合附图对本实用新型的实施方式进行详细说明。
实施例：
参见图1，本实用新型的矿用钻孔轨迹随钻测量系统由孔内仪器和孔口仪器组成。其中孔内仪器主要由姿态测量装置（3）内的6自由度传感器、3轴磁阻传感器进行相应参数的采集，经6自由度传感器处理电路（5）、3轴磁阻传感器处理电路（6）传送给单片机最小系统（7），利用旋转矩阵解算获得倾角和工具面向角、方位角等参数。孔内仪器所测姿态参数信号由通缆接头（3-8）经通缆钻杆与防爆计算机（4）上的监控软件进行双向通信，实时显示和进一步处理钻孔轨迹。
参见图2，本实用新型的矿用钻孔轨迹随钻测量系统孔内仪器包括测量钻杆（1）、姿态测量管（2）、姿态测量装置（3）。姿态测量装置（3）主要由卡圈（3-1）、圆柱堵头（3-2）、O型密封圈（3-3）、传感器组（3-4）、测量电路板（3-5）、本安可充电电源组（3-6）、基座板（3-7）、通缆接头（3-8）、支撑环（3-9）组成。在姿态测量装置（3）的两个圆柱堵头（3-2）上分别钻有四个沿周向均布的螺纹孔，姿态测量管（2）两端也分别钻有四个均布孔，用4个紧钉螺钉将姿态测量装置（3）在固定姿态测量管（2）内，姿态测量管（2）通过其两端卡圈（3-1）固定在测量钻杆（1）相应的凹槽内，测量钻杆（1）通过其两端的公、母螺纹接头分别与钻头与通缆钻杆相联接。
参见图3，测量电路板（3-4）主要由6自由度传感器处理电路（5）、3轴磁阻传感器处理电路（6）、单片机最小系统（7）、开关电源电路（8）、电源监测电路（9）、通信电路（10）、存储电路（11）组成。单片机最小系统（7）分别与6自由度传感器处理电路（5）、3轴磁阻传感器处理电路（6）、开关电源电路（8）、电源监测电路（9）、通信电路（10）、存储电路（11）连接；通信电路（10）通过通缆接头（3-8）与通缆钻杆连接；本安可充电电源组（3-6）由可充电电池组和本安保护电路组成，本安保护电路可将可充电电池组电源转化为本安电源，并经过开关电源电路（8）为测量电路板（3-4）工作提供本安电源，本安可充电电源组（3-6）预留有充电电缆,可以在不拆卸孔底仪器的情况下为电池组充电。
尽管本文较多地使用了测量钻杆（1）、姿态测量管（2）、姿态测量装置（3）、防爆计算机（4）、卡圈（3-1）、圆柱堵头（3-2）、O型密封圈（3-3）、传感器组（3-4）、测量电路板（3-5）、本安可充电电源组（3-6）、基座板（3-7）、通缆接头（3-8）、支撑环（3-9）、6自由度传感器处理电路（5）、3轴磁阻传感器处理电路（6）、单片机最小系统（7）、开关电源电路（8）、电源监测电路（9）、通信电路（10）、存储电路（11）等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便地描述和解释本实用新型的实质；把它解释成任何一种附加限制都是与本实用新型精神相违背的。
最后应说明的是：显然上述实施仅仅是为清楚地说明本实用新型所做的举例，而并非对实施方式的限定。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。
Claims (4)
1.矿用钻孔轨迹随钻测量系统，其特征在于：由孔内仪器和孔口仪器组成，所选器件均为本质安全器件，所述孔内仪器包括测量钻杆（1）、姿态测量管（2）、姿态测量装置（3），所述孔口仪器包括防爆计算机（4）；
在姿态测量装置（3）的两个圆柱堵头（3-2）上分别钻有四个沿周向均布的螺纹孔，姿态测量管（2）两端也分别钻有四个均布孔，用4个紧钉螺钉将姿态测量装置（3）在固定姿态测量管（2）内，姿态测量管（2）通过其两端卡圈（3-1）固定在测量钻杆（1）相应的凹槽内，测量钻杆（1）通过其两端的公、母螺纹接头分别与钻头与通缆钻杆相联接。
2.如权利要求1所述的矿用钻孔轨迹随钻测量系统，其特征在于：姿态测量装置（3）主要由卡圈（3-1）、圆柱堵头（3-2）、O型密封圈（3-3）、传感器组（3-4）、测量电路板（3-5）、本安可充电电源组（3-6）、基座板（3-7）、通缆接头（3-8）、支撑环（3-9）组成；
圆柱堵头（3-2）内嵌有一层橡胶减震器，起到固定和减震的双重作用；O型密封圈（3-2）嵌在圆柱堵头（3-2）上，起密封保护作用；传感器组（3-4）、测量电路板（3-5）、本安可充电电源组（3-6）通过螺钉联接在基座板（3-5）上，基座板（3-5）两端焊接在圆柱堵头（3-2）上，并由多组支撑环（3-9）进行支撑；传感器组（3-3）集成1个6自由度传感器和1个3轴磁阻传感器；测量电路板（3-4）主要由6自由度传感器处理电路（5）、3轴磁阻传感器处理电路（6）、单片机最小系统（7）、开关电源电路（8）、电源监测电路（9）、通信电路（10）、存储电路（11）组成；
单片机最小系统（7）分别与6自由度传感器处理电路（5）、3轴磁阻传感器处理电路（6）、开关电源电路（8）、电源监测电路（9）、通信电路（10）、存储电路（11）连接；通信电路（10）通过通缆接头（3-8）与通缆钻杆连接；本安可充电电源组（3-6）由可充电电池组和本安保护电路组成，本安保护电路可将可充电电池组电源转化为本安电源，并经过开关电源电路（8）为测量电路板（3-4）工作提供本安电源，本安可充电电源组（3-6）预留有充电电缆，可以在不拆卸孔底仪器的情况下为电池组充电；
通缆接头（3-8）一端接通信电路（10），一端通过铜丝弹簧与通缆钻杆的通信端紧密接触，将通信电路（10）的信号经通缆钻杆上传到防爆计算机（4）。
3.如权利要求1所述的矿用钻孔轨迹随钻测量系统，其特征在于：所述防爆计算机（4）上运行的监控软件特征为：采用虚拟仪器技术实现钻探轨迹3D曲线显示、钻孔轨迹设计、孔内工况动态三维重构显示、钻探轨迹与原始设计轨迹误差实时显示、各姿态参数二维曲线的生成、孔内仪器参数及工作模式的设置、故障及报警自诊断、测量点姿态参数前台报表显示和后台实时存储、孔底参数的虚拟仪表显示以及本地时间的显示。
4.如权利要求1所述的矿用钻孔轨迹随钻测量系统，其特征在于：姿态测量装置（3）内的6自由度传感器集成1个3轴加速度计和1个3轴陀螺仪，可测得沿钻具坐标系中的X、Y、Z轴的重力加速度分量和旋转角速度分量，3轴磁阻传感器测得沿钻具坐标系中的X、Y、Z轴的地磁分量，经6自由度传感器处理电路（5）、3轴磁阻传感器处理电路（6）传送给单片机最小系统（7），利用旋转矩阵解算获得倾角和工具面向角参数，并对沿钻具轴向干扰磁场处理和数据融合算法，解算出方位角参数；
孔内仪器所测姿态参数经存储电路（11）实时存储并由通缆接头（3-8）经通缆钻杆与防爆计算机（4）上的监控软件进行双向通信，实时显示和进一步处理钻孔轨迹。
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