CN210396720U - 一种无人值守的无线随钻测斜系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种无人值守的无线随钻测斜系统，三轴加速度传感器采集钻孔的倾角值；陀螺仪传感器获得探杆不转动状态下的倾角值；三轴磁场传感器采集钻孔的方位角；微处理器将倾角值和方位角值通过通信模块传输至同步机，在钻孔的过程中同时就能完成钻孔轨迹的测斜工作，做到真正的随钻一体化测斜，自动判断增加探杆的时间，实现无人值守，减少工作量，同时降低功耗，做到一次充电可长时间连续工作，避免频繁充电所带来的不便，同时在同步机上添加诸多功能，将原本需要在地面计算机才能完成的操作都移植到同步机上，解决在井下就能完成全部工作的问题。探杆分为传感器护管和电池护管，当有一方出现问题时可直接更换。

Description

一种无人值守的无线随钻测斜系统

技术领域

本实用新型涉及钻孔测斜领域，尤其涉及一种无人值守的无线随钻测斜系统。

背景技术

随钻测斜仪目前在石油地质勘探，煤矿，市政，水文等行业的钻孔测斜领域广泛使用，特别适用于煤矿井下的瓦斯抽放钻孔、探放水孔等钻孔轨迹的测量，一般由数据处理仪器和随钻探杆(管)组成。按类型可分为非随钻测斜仪和随钻测斜仪。

由于非随钻测斜仪使用时将探杆送入已经钻好的孔内，并且需使用线缆连接测量，增加工作步骤，耗费时间长，且成本较高，因而现在多采用随钻测斜仪。现有的随钻测斜仪一般是利用探杆将探管送入钻孔内测量，仍需钻孔后才能测量，并非真正意义上的随钻测斜，因此设计不合理，使用不方便；同时功耗较大，电池工作时间短，需频繁充电；且一个同步机只能控制一个探杆，同时打多个钻孔时需要配备多套同步机，成本较高。

探杆而且在打钻过程中采集数据由于探杆转动，采集的数据不够准确，为了获得静止时间内的准确数据，只能在增加探杆暂停打钻的时间内记录时间点，过程比较麻烦，影响钻孔效率。

实用新型内容

本实用新型提供一种无人值守的无线随钻测斜系统，在钻孔的过程中同时就能完成钻孔轨迹的测斜工作，做到真正的随钻一体化测斜，自动判断填加探杆的时间，实现无人值守，超阈值报警的功能。包括：探杆和同步机；

探杆与同步机无线通信连接；

探杆内部设有的电池仓以及电路板仓；电池仓内安装有电池；

电路板仓内部设有微处理器，三轴磁场传感器，三轴加速度传感器，数据存储模块以及通信模块；

三轴加速度传感器，三轴磁场传感器，陀螺仪传感器，数据存储模块以及通信模块分别与微处理器通信连接；

三轴磁场传感器用于采集钻孔的方位角，并将方位角传输至微处理器；

三轴加速度传感器用于判断并记录增加探杆所引起的停顿时间节点，探杆当前的倾角和方位角，并将停顿时间节点，倾角和方位角传输至微处理器；

陀螺仪传感器获得探杆不转动状态下的倾角值,并将探杆不转动状态下的倾角值传输至微处理器；

微处理器用于将探杆不转动状态下的倾角值,探杆的停顿时间节点，倾角和方位角以及钻孔的倾角值和方位角通过通信模块传输至同步机，还将获取的信息储存至数据存储模块。

进一步需要说明的是，同步机还包括：同步机电源电路、同步机电池、同步机电源开关以及同步机充放电保护电路；

同步机电池通过同步机电源开关以及同步机电源电路给同步机内部元件供电；同步机电池通过同步机充放电保护电路与外电源连接，进行充电。

进一步需要说明的是，探杆设有第一杆段和第二杆段；

第一杆段和第二杆段外部分别套设有保护功能的护管；

电池仓设置在第二杆段上；

第二杆段第一端设有电源插座和外螺纹，电池仓第二端设有导向管；

电路板仓设置在第一杆段上；

第一杆段第一端设有天线护管，电路板仓第二端设有电源插头和与外螺纹相适配的内螺纹；

第一杆段和第二杆段通过外螺纹和内螺纹配合连接；电源插头与电源插座相互插接，使电池仓与电路板仓连通。

进一步需要说明的是，第一杆段内部设有传感器支架；三轴磁场传感器和三轴加速度传感器，陀螺仪传感器，分别安装在传感器支架上。

进一步需要说明的是，还包括：多根探杆；

每根探杆分别与同步机通信连接；

同步机包括：微控制器，触摸屏，同步机数据存储器，时钟模块以及同步机通信模块；

触摸屏，同步机数据存储器，时钟模块以及同步机通信模块分别与微控制器连接；

微控制器通过同步机通信模块分别与每个探杆通信连接；微控制器将接收的探杆的停顿时间节点，倾角和方位角以及钻孔的倾角值和方位角储存至同步机数据存储器，同时通过触摸屏进行显示。

进一步需要说明的是，微控制器还用于实时获取每个探杆的停顿时间节点，倾角和方位角，将每个探杆的倾角值以及所述探杆当前的钻取深度相结合，判断所述探杆当前的倾角值是否超阈值；

将每个探杆的方位角值以及所述探杆当前的钻取深度相结合，判断所述探杆当前的方位角值是否超阈值；

还用于将探杆在不同深度的倾角值和方位角值，配置成钻取倾角值趋势图和方位角值趋势图；

分别在倾角值趋势图和方位角值趋势图中设置上限阈值和下限阈值，当倾角值趋势曲线超出上限阈值或下限阈值，发出报警提示；当方位角值趋势曲线超出上限阈值或下限阈值，发出报警提示。

进一步需要说明的是，微控制器还用于实时获取同时工作的地勘钻机运行时各个探杆的倾角值和方位角值，将各个地勘钻机运行时倾角值和方位角值进行同比以及环比对比分析比对，判断各个地勘钻机钻取过程中倾角值的趋势和方位角值的趋势是否超出上限阈值和下限阈值；还用于配置每个地勘钻机，钻取过程中倾角值的趋势图和方位角值的趋势图。

进一步需要说明的是，时钟模块用于接收微控制器的控制指令，向各个探杆的微处理器发送时间校时信息；各个探杆的微处理器向同步机发送数据信息时，在每个数据信息的首部或尾部配置数据信息采集时间以及数据发送时间；

微控制器根据每个数据信息的数据信息采集时间以及数据发送时间,将探杆的倾角值和方位角值配置成趋势图，并进行比对。

从以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下优点：

本实用新型实现了对探杆数据的测量，并通过同步机获取测量过程的数据信息，进行有效的比对，找出超阈值，实现了无人监控，自动报警，自动预警的功能。探杆工作过程全程自动获取，比对判断。保持过程数据有利于后期的参考使用。操作人员通过同步机能够实现对多个探杆的同步同时监控。

在钻孔的过程中同时就能完成钻孔轨迹的测斜工作，做到真正的随钻一体化测斜，自动判断填加探杆的时间，实现无人值守，减少工作量，同时降低功耗，做到一次充电可长时间连续工作，避免频繁充电所带来的不便，同时在同步机上添加诸多功能，将原本需要在地面计算机才能完成的操作都移植到同步机上，解决在井下就能完成全部工作的问题。

探杆分为传感器护管和电池护管，当有一方出现问题时可直接更换。探杆电池仓与电路板仓采用分体式连接，实现故障分段处理，替换方便，节约维修时间和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对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实用新型的一些实施例，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为无人值守的无线随钻测斜系统示意图；

图2为探杆结构示意图；

图3为探杆结构示意图；

图4为探杆内部的模块连接示意图；

图5为同步机示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种无人值守的无线随钻测斜系统，如图1至5所示，包括：探杆1和同步机3；

探杆1与同步机3无线通信连接；探杆1内部设有的电池仓8以及电路板仓4；电池仓8内安装有电池9；电路板仓4内部设有微处理器21，三轴磁场传感器24，三轴加速度传感器29，陀螺仪传感器23，数据存储模块25以及通信模块26；三轴加速度传感器29，三轴磁场传感器24，数据存储模块25以及通信模块26分别与微处理器21通信连接；三轴磁场传感器24用于采集钻孔的方位角，并将方位角传输至微处理器21；三轴加速度传感器29用于采集钻孔的倾角值，并将倾角值传输至微处理器21；陀螺仪传感器23用于判断并记录增加探杆所引起的停顿时间节点，探杆当前的倾角和方位角，并将停顿时间节点，倾角和方位角传输至微处理器21；

微处理器21用于将探杆的停顿时间节点，倾角和方位角以及钻孔的倾角值和方位角通过通信模块26传输至同步机3，还将获取的信息储存至数据存储模块25。

为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将运用具体的实施例及附图，对本实用新型保护的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，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它实施例，都属于本专利保护的范围。

微处理器21采用低功耗的MSP430系列单片机；三轴加速度传感器负责采集钻孔的倾角值，测量范围在-90°～90°之间，分辨率为0.1°；三轴磁场传感器负责采集钻孔的方位角，测量范围在0°～360°之间，分辨率为0.1°；数据存储模块25采用1024K大容量的EEPROM存储器；通信模块采用高速串口传输数据，并采用准确的校验方式；电池采用大容量可充电耐高温的聚合物锂电池，正常工作状态下，一次充满电可使用长达3个月；所述的电源开关采用微型自锁开关，使在不用时完全切断电池供电，达到节省电量的目的。

如果在硬件中实现，本实用新型涉及一种装置，例如可以作为处理器或者集成电路装置，诸如集成电路芯片或芯片组。可替换地或附加地，如果软件或固件中实现，所述技术可实现至少部分地由计算机可读的数据存储介质，包括指令，当执行时，使处理器执行一个或更多的上述方法。例如，计算机可读的数据存储介质可以存储诸如由处理器执行的指令。

计算机可读介质的计算机程序产品可以形成一部分，其可以包括包装材料。数据的计算机可读介质可以包括计算机存储介质，诸如随机存取存储器 (RAM)，只读存储器(ROM)，非易失性随机存取存储器(NVRAM)，电可擦可编程只读存储器(EEPROM)，闪存，磁或光学数据存储介质，和类似物。在一些实施例中，一种制造产品可包括一个或多个计算机可读存储媒体。

所述代码或指令可以是软件和/或固件由处理电路包括一个或多个处理器执行，如一个或多个数字信号处理器(DSP)，通用微处理器21，特定应用集成电路ASICs，现场可编程门阵列(FPGA)，或者其它等价物把集成电路或离散逻辑电路。因此，术语“处理器，”由于在用于本文时可以指任何前述结构或任何其它的结构更适于实现的这里所描述的技术。另外，在一些方面，本公开中所描述的功能可以提供在软件模块和硬件模块。

电池9在给探杆1内部元件供电的电路上，可以配置电源开关以及电池充放电保护电路等等。电源开关可以包裹在电池仓内部，在探杆不使用的时候进行关闭。探杆在使用的时候不会暴露在外面。

为了进一步说明探杆内部结构，使探杆在工作中便于操作使用，探杆1 设有第一杆段11和第二杆段12；第一杆段11和第二杆段12外部分别套设有保护功能的护管31；电池仓8设置在第二杆段12上；第二杆段12第一端设有电源插座7和外螺纹，电池仓8第二端设有导向管10；电路板仓4设置在第一杆段11上；第一杆段11第一端设有天线护管32，电路板仓4第二端设有电源插头6和与外螺纹相适配的内螺纹；第一杆段11和第二杆段12通过外螺纹和内螺纹配合连接；电源插头6与电源插座7相互插接，使电池仓8 与电路板仓4连通。

第一杆段11内部设有传感器支架5；陀螺仪传感器23、三轴磁场传感器24 和三轴加速度传感器29分别安装在传感器支架5上。具体固定方式这里不做限定。

为了能够提高钻孔效率，提升监控规模，系统还包括：多根探杆1；每根探杆1分别与同步机3通信连接；

同步机3包括：微控制器41，触摸屏42，同步机数据存储器43，时钟模块44以及同步机通信模块45；

触摸屏42，同步机数据存储器43，时钟模块44以及同步机通信模块45 分别与微控制器41连接；微控制器通过同步机通信模块分别与每个探杆1通信连接；微控制器将接收的每个探杆1倾角值和方位角值储存至同步机数据存储器43，同时通过触摸屏42进行显示。

进一步需要说明的是，微控制器还用于实时获取每个探杆1的倾角值和方位角值，将每个探杆1的倾角值以及所述探杆1当前的钻取深度相结合，判断所述探杆1当前的倾角值是否超阈值；

将每个探杆1的方位角值以及所述探杆1当前的钻取深度相结合，判断所述探杆1当前的方位角值是否超阈值；

还用于将探杆1在不同深度的倾角值和方位角值，配置成钻取倾角值趋势图和方位角值趋势图；

分别在倾角值趋势图和方位角值趋势图中设置上限阈值和下限阈值，当倾角值趋势曲线超出上限阈值或下限阈值，发出报警提示；当方位角值趋势曲线超出上限阈值或下限阈值，发出报警提示。

微控制器还用于实时获取同时工作的地勘钻机运行时各个探杆的倾角值和方位角值，将各个地勘钻机运行时倾角值和方位角值进行同比以及环比对比分析比对，判断各个地勘钻机钻取过程中倾角值的趋势和方位角值的趋势是否超出上限阈值和下限阈值；还用于配置每个地勘钻机，钻取过程中倾角值的趋势图和方位角值的趋势图。

本实用新型中，时钟模块44用于接收微控制器的控制指令，向各个探杆 1的微处理器21发送时间校时信息；各个探杆1的微处理器21向同步机3发送数据信息时，在每个数据信息的首部或尾部配置数据信息采集时间以及数据发送时间；

微控制器根据每个数据信息的数据信息采集时间以及数据发送时间,将探杆的倾角值和方位角值配置成趋势图，并进行比对。

在本实用新型中，还可以实现在钻孔前，探杆与同步机通过无线方式进行时间同步，将钻头装在探杆前部进行钻孔操作，探杆电路部分每隔2s定时采集一组数据，并将数据存储在存储芯片内，在每加一节探杆后，自动标记时间点，待钻孔施工完成后，抽出探杆，探杆同步机和探杆无线通信，在同步机端选择数据采集，取出需要的钻孔数据，同时存储一条历史记录，同步机端可以查看钻孔的倾角以及方位角，并且可以在触摸屏上绘制出钻孔曲线，直观的显示钻孔结果。

同步机的微控制器采用低功耗的MSP430系列单片机；触摸屏采用4.3英寸，分辨率为480*272像素的液晶屏模块；数据存储采用大容量的FLASH存储器，可存储多达数千条的历史记录；时钟模块提供精准的时间，一方面供使用者掌握当前时间点，另一方面用于判断存储的历史记录日期，还可以同步系统时间。电池采用高容量可充电锂电池。

同步机3还包括：同步机电源电路、同步机电池、同步机电源开关以及同步机充放电保护电路；同步机电池通过同步机电源开关以及同步机电源电路给同步机内部元件供电；同步机电池通过同步机充放电保护电路与外电源连接，进行充电。

无需钻孔后再送入探杆，节约了大量的时间；并且测量时采用时间同步技术，无需连接电缆，使用方便；采用大容量存储芯片，可存储多达数千条数据；采用低功耗设计，探杆部分一次充电可连续使用长达3个月，同步机部分一次充电可长达15天，避免反复充电所带来的不便；采用大屏幕液晶显示技术，可直观显示测量结果，在井下即可获得钻孔数据。采用陀螺传感器，自动获取添加探杆的时间点，无需人员随时守在主机旁进行操作。

本实用新型陀螺仪传感器23还可以用于判断并记录增加探杆所引起的停顿时间节点，探杆当前的倾角和方位角，并将停顿时间节点，倾角和方位角传输至微处理器21；微处理器21还可以用于通过三轴加速度传感器29获取经过第一预设时长的探杆倾角和方位角；通过陀螺仪传感器23获取经过第二预设时长的探杆倾角和方位角；还用于将探杆的停顿时间节点，倾角和方位角以及钻孔的倾角值和方位角通过通信模块26传输至同步机3，还将获取的信息储存至数据存储模块25。这里陀螺仪传感器测角速度，三轴加速度传感器是测线性加速度的。陀螺仪传感器是惯性原理，三轴加速度传感器是利用的力平衡原理。三轴加速度传感器在较长时间的测量值是正确的，而在较短时间内由于信号噪声的存在，而有误差。陀螺仪传感器在较短时间内则比较准确而较长时间则会有与漂移而存有误差。因此，系统对两者相互调整来确定测量值。第一预设时长大于第二预设时长，提高检测的准确性。

三轴加速度传感器可以采用三轴模拟硅微MEMS角速率陀螺 PA-3ARG-01系列。

陀螺仪传感器可以采用MEMS角速率陀螺PA-ARG-0200型系列，或单轴数字陀螺仪PA-ARG-01D。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种无人值守的无线随钻测斜系统，其特征在于，包括：探杆(1)和同步机(3)；

探杆(1)与同步机(3)无线通信连接；

探杆(1)内部设有的电池仓(8)以及电路板仓(4)；电池仓(8)内安装有电池(9)；

电路板仓(4)内部设有微处理器(21)，三轴磁场传感器(24)，三轴加速度传感器(29)，陀螺仪传感器(23)，数据存储模块(25)以及通信模块(26)；

三轴加速度传感器(29)，三轴磁场传感器(24)，陀螺仪传感器(23)，数据存储模块(25)以及通信模块(26)分别与微处理器(21)通信连接；

三轴磁场传感器(24)用于采集钻孔的方位角，并将方位角传输至微处理器(21)；

三轴加速度传感器(29)用于判断并记录增加探杆所引起的停顿时间节点，探杆当前的倾角和方位角，并将停顿时间节点，倾角和方位角传输至微处理器(21)；

陀螺仪传感器获得探杆不转动状态下的倾角值,并将探杆不转动状态下的倾角值传输至微处理器(21)；

微处理器(21)用于将探杆不转动状态下的倾角值,探杆的停顿时间节点，倾角和方位角以及钻孔的倾角值和方位角通过通信模块(26)传输至同步机(3)，还将获取的信息储存至数据存储模块(25)。

2.根据权利要求1所述的无人值守的无线随钻测斜系统，其特征在于，

同步机(3)还包括：同步机电源电路、同步机电池、同步机电源开关以及同步机充放电保护电路；

同步机电池通过同步机电源开关以及同步机电源电路给同步机内部元件供电；同步机电池通过同步机充放电保护电路与外电源连接，进行充电。

3.根据权利要求1或2所述的无人值守的无线随钻测斜系统，其特征在于，

探杆(1)设有第一杆段(11)和第二杆段(12)；

第一杆段(11)和第二杆段(12)外部分别套设有保护功能的护管(31)；

电池仓(8)设置在第二杆段(12)上；

第二杆段(12)第一端设有电源插座(7)和外螺纹，电池仓(8)第二端设有导向管(10)；

电路板仓(4)设置在第一杆段(11)上；

第一杆段(11)第一端设有天线护管(32)，电路板仓(4)第二端设有电源插头(6)和与外螺纹相适配的内螺纹；

第一杆段(11)和第二杆段(12)通过外螺纹和内螺纹配合连接；电源插头(6)与电源插座(7)相互插接，使电池仓(8)与电路板仓(4)连通。

4.根据权利要求3所述的无人值守的无线随钻测斜系统，其特征在于，

第一杆段(11)内部设有传感器支架(5)；三轴磁场传感器(24)和三轴加速度传感器(29)，陀螺仪传感器(23)分别安装在传感器支架(5)上。

5.根据权利要求1或2所述的无人值守的无线随钻测斜系统，其特征在于，

还包括：多根探杆(1)；

每根探杆(1)分别与同步机(3)通信连接；

同步机(3)包括：微控制器(41)，触摸屏(42)，同步机数据存储器(43)，时钟模块(44)以及同步机通信模块(45)；

触摸屏(42)，同步机数据存储器(43)，时钟模块(44)以及同步机通信模块(45)分别与微控制器(41)连接；

微控制器通过同步机通信模块分别与每个探杆(1)通信连接；微控制器将接收的探杆的停顿时间节点，倾角和方位角以及钻孔的倾角值和方位角储存至同步机数据存储器(43)，同时通过触摸屏(42)进行显示。

6.根据权利要求5所述的无人值守的无线随钻测斜系统，其特征在于，

微控制器还用于实时获取每个探杆(1)的停顿时间节点，倾角和方位角，将每个探杆(1)的倾角值以及所述探杆(1)当前的钻取深度相结合，判断所述探杆(1)当前的倾角值是否超阈值；

将每个探杆(1)的方位角值以及所述探杆(1)当前的钻取深度相结合，判断所述探杆(1)当前的方位角值是否超阈值；

还用于将探杆(1)在不同深度的倾角值和方位角值，配置成钻取倾角值趋势图和方位角值趋势图；

分别在倾角值趋势图和方位角值趋势图中设置上限阈值和下限阈值，当倾角值趋势曲线超出上限阈值或下限阈值，发出报警提示；当方位角值趋势曲线超出上限阈值或下限阈值，发出报警提示。

7.根据权利要求6所述的无人值守的无线随钻测斜系统，其特征在于，

微控制器还用于实时获取同时工作的地勘钻机运行时各个探杆的倾角值和方位角值，将各个地勘钻机运行时倾角值和方位角值进行同比以及环比对比分析比对，判断各个地勘钻机钻取过程中倾角值的趋势和方位角值的趋势是否超出上限阈值和下限阈值；还用于配置每个地勘钻机，钻取过程中倾角值的趋势图和方位角值的趋势图。

8.根据权利要求7所述的无人值守的无线随钻测斜系统，其特征在于，

时钟模块(44)用于接收微控制器的控制指令，向各个探杆(1)的微处理器(21)发送时间校时信息；各个探杆(1)的微处理器(21)向同步机(3)发送数据信息时，在每个数据信息的首部或尾部配置数据信息采集时间以及数据发送时间；

微控制器根据每个数据信息的数据信息采集时间以及数据发送时间,将探杆的倾角值和方位角值配置成趋势图，并进行比对。

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