CN218816235U - 一种水平定向钻机 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种水平定向钻机，包括钻头、钻杆、动力装置、动力控制装置、数据采集箱和数据分析设备，所述钻杆一端连接钻头，一端连接动力装置，所述动力装置与动力控制装置连接，所述数据采集箱与所述数据分析设备有线连接，所述钻杆内壁中部设置有惯性传感单元组，所述惯性传感单元组与所述数据采集箱有线连接。通过采用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，提高了数据采集频率、精度和效率，有效降低了轨迹采集参数数量。

Description

一种水平定向钻机

技术领域

本实用新型涉及一种钻孔，特别涉及一种水平定向钻机。

背景技术

水平定向钻机常被用于解决各类管道下穿公路、铁路、桥梁和河道等障碍物时采用的施工设备。水平定向钻机虽在穿越长度和复杂地层方面不断刷新记录，但也常存在实际钻孔轨迹与设计轨迹偏离较大等技术难题。因此，为了使钻头更准确地钻达目标点，目前采用在钻头磁强计和加速度计，并通过磁强计和加速度计测量不同时刻钻头所在位置倾角和方位角等信息，从而实现钻头轨迹的导向定位，但由于该方法是假设相邻两测点间的钻孔轨迹为直线，最终导致该方法测量所得的轨迹累计误差很大。此外，在钻头部位安装磁偶极子发射源，通过磁偶极子发射源向地表发射低频电磁场信号，该信号被位于地面的定位跟踪仪接收，从而实现对钻头的定位，但由于该方法精度不高、对场地条件要求高和探测深度有限(最深只能达35m)，在实际钻孔中仍无法实现精确导向定位，也无法达到精细化的控制要求。

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。目前，可以在水平定向钻头中采用微机电系统解决数据采集精度不高的技术难题。

实用新型内容

针对目前水平定向钻孔数据采集频率不高和轨迹测量误差较大的技术问题，提出一种水平定向钻机，具体为：

一种水平定向钻机，包括钻头、钻杆、动力装置、动力控制装置、数据采集箱和数据分析设备，所述钻杆一端连接钻头，一端连接动力装置，所述动力装置与动力控制装置连接，所述数据采集箱与所述数据分析设备有线连接，所述钻杆包括有活动连接的多段，在每一段的钻杆内壁中部均设置有一个惯性传感单元组，所述惯性传感单元组与所述数据采集箱有线连接，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。

进一步，惯性传感单元包括MEMS三轴加速度计、MEMS三轴陀螺仪、以及嵌装所述MEMS三轴加速度计和MEMS三轴陀螺仪的封装载体。

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。

本实用新型采用在钻杆中布置惯性传感单元组，通过惯性传感单元组的线性阵列结构，实现了钻孔实时轨迹上各点的数据采集和传输，并极大提高了数据采集频率、精度(可达厘米级)和效率，有效降低了轨迹采集参数数量，有助于改善水平定向钻的智能化、可视化和精细化，并有助于提升我国水平定向钻装备制造技术水平。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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为一种水平定向钻机结构示意图。

图2为一种水平定向钻机中俯仰角的结构示意图。

图3为一种水平定向钻机中航向角的结构示意图。

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组布设示意图。

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结构示意图。

图6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。

本实用新型目的的实现、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

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种水平定向钻机，包括钻头1、钻杆2、动力装置3、动力控制装置4、数据采集箱5和数据分析设备6，所述钻杆2一端连接钻头1，一端连接动力装置3，所述动力装置3与动力控制装置4连接，所述数据采集箱5与所述数据分析设备6有线连接，所述钻杆2包括有活动连接的多段，在每一段的钻杆内壁中部均设置有一个惯性传感单元组7，所述惯性传感单元组7与所述数据采集箱5有线连接。

如图2所示，钻杆与水平地面的夹角为俯仰角θ。如图3所示，钻杆与钻孔前进方向的夹角为航向角ψ。如图4(a)所示，所述惯性传感单元组是由五个惯性传感单元8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4(b)所示。

如图5所示，所述惯性传感单元8包括MEMS三轴加速度计9、MEMS三轴陀螺仪10和封装载体11，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6所示，惯性传感单元组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。

进一步，所述惯性传感单元组中的五个MEMS三轴加速度计实时测量所在位置的重力加速度坐标分量(G_x,G_y,G_z)。G_x,G_y,G_z分别表示三轴加速度计在x、y、z方向上的加速度。

进一步，所述MEMS三轴陀螺仪用于实时测量所在位置的地磁场坐标(M_x,M_y,M_z)。M＇_x,M＇_y,M＇_z分别表示地磁场在x、y、z方向上的分量。

通过MEMS三轴加速度计测量钻杆与水平地面的俯仰角(θ)和钻杆与钻孔前进方向的航向角(φ)，计算公式分别为

和

MEMS三轴陀螺仪测量的数据，通过公式：

M'_x＝M_xcosθ+M_zsinθ

M'_y＝M_ycosφ+M_xsinθsinφ-M_zcosθsinφ

M'_z＝-M_xsinθcosφ+M_zcosθcosφ+M_ysinφ

对MEMS三轴陀螺仪进行非水平校正，得到校正后地磁场在MEMS三轴陀螺仪上的分量(M'_x,M'_y,M'_z)，并根据公式：

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。

根据公式：

x_n+1＝x_n+L_n+1cosθ_n+1cosψ_n+1

y_n+1＝y_n+L_n+1cosθ_n+1sinψ_n+1

z_n+1＝z_n+L_n+1sinθ_n+1

计算得到轨迹各点的坐标。

式中：x_n+1、y_n+1、z_n+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。

根据公式：

计算得到轨迹各点的最终坐标。

本实用新型的一种水平定向钻机，采用在钻杆中布置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，提高了钻孔轨迹数据采集的频率、精度和效率，降低了因钻头传感器损坏和钻孔轨迹偏差大引起的成本。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，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 (3)

1.一种水平定向钻机，包括钻头、钻杆、动力装置、动力控制装置、数据采集箱和数据分析设备，所述钻杆一端连接钻头，一端连接动力装置，所述动力装置与动力控制装置连接，所述数据采集箱与所述数据分析设备有线连接，其特征在于，所述钻杆包括有活动连接的多段，在每一段的钻杆内壁中部均设置有一个惯性传感单元组，所述惯性传感单元组与所述数据采集箱有线连接，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。

2.根据权利要求1所述的一种水平定向钻机，其特征在于，惯性传感单元包括MEMS三轴加速度计、MEMS三轴陀螺仪、以及嵌装所述MEMS三轴加速度计和MEMS三轴陀螺仪的封装载体。

3.根据权利要求1所述的一种水平定向钻机，其特征在于，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。

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