CN2705594Y - 钻孔斜角与钻具面角随钻测录器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于地下控向钻进领域，具体涉及一种钻孔斜角与钻具面角随钻测录器。钻孔斜角与钻具面角随钻测录器，其特征是：3只重力加速度传感器相互正交并固定，重力加速度传感器的接地端口接地、电源端口接电源，3只重力加速度传感器的信号输出端口分别与数据采集和处理与记录电路的数据采集芯片MAX197的三通道(CH0、CH1和CH2)相连接，数据采集和处理与记录电路对3只重力加速度传感器的信号进行数据采集和处理与记录。它能同时检测钻孔斜角与钻具面角，并能在从垂直到水平的任意斜度钻孔(井)中进行随钻测量记录。它可应用于所有地下控向钻进领域，如垂直井、水平井、弯曲造斜井、地下对接孔、隧道掘进超前钻探、非开挖铺设地下管线等。

Description

钻孔斜角与钻具面角随钻测录器

技术领域

本实用新型属于地下控向钻进领域，具体涉及一种钻孔斜角与钻具面角随钻测录器，它可应用于所有地下控向钻进领域，如垂直井、水平井、弯曲造斜井、地下对接孔、隧道掘进超前钻探、非开挖铺设地下管线等。

背景技术

现已有的钻孔斜角测量技术主要是通过钻井测斜仪进行测量，其基本技术是采用地球重力场、液面水平或悬锤原理，一般需要在停钻情况下进行测量；且满足测量精度要求的钻孔斜角测量范围受到限制，例如：满足近垂直孔测试精度时，就无法满足近水平孔的测试精度；反之，满足近水平孔测试精度时，就满足不了近垂直孔的测试精度。现已有的工具面角测量是通过地面定向、钻杆划线、地面定向环测和陀螺定向等方法实现。其中，地面定向、钻杆划线定向法虽然方法简单，但由于钻杆等柔性和扭曲变形，测试的准确度低，钻孔逾深该法逾不可行；陀螺定向虽然精度很高，但要经过地表的初始定向，操作麻烦，价格昂贵(约10万元人民币)，且不能进行随钻测试。目前，简便、准确、同时实现从水平到垂直全方位的钻孔斜角和钻具面角的随钻检测记录仪器尚属空白。

注：1、钻孔斜角——钻孔轴线的切线与铅直线之间的夹角；

    2、钻具面角——地下钻孔中两个特定的空间平面(平面1与平面2)所构成的夹角，平面1是地下钻具的轴线与钻具外侧缘上沿轴向刻划出的某一母线所形成的平面，平面2是通过钻具轴线的铅垂面。

发明内容

针对上述不足，本实用新型的目的在于提供一种能同时检测钻孔斜角与钻具面角的随钻测试记录器，它能在从垂直到水平的任意斜度钻孔(井)中进行随钻测量记录。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：钻孔斜角与钻具面角随钻测录器，3只重力加速度传感器相互正交并固定，重力加速度传感器的接地端口接地、电源端口接电源，3只重力加速度传感器的信号输出端口分别与数据采集和处理与记录电路的数据采集芯片MAX197的CH0、CH1和CH2三通道相连接，数据采集和处理与记录电路对3只重力加速度传感器的信号进行数据采集和处理与记录。

所述的3只重力加速度传感器、数据采集和处理与记录电路、电源固定在器体内空腔内，器体为圆柱形，其两端分别与钻杆、钻头固定连接。

所述的重力加速度传感器为3140型重力加速度传感器。

本实用新型采用3只重力加速度传感器相互正交，对照现有的相关技术，本实用新型在钻进过程中能准确、实时地同时检测、记录出从垂直到水平任意斜度的钻孔(井)斜角和工具面角，仪器准确性强、效率高、操作便利，且成本显著低。

1、用3只重力加速度传感器相互正交组合可以准确地测试从垂直钻孔到水平钻孔的全方位钻孔孔斜角。它克服了传统钻孔测斜仪或仅能满足近垂直孔测斜精度、或仅能满足近水平孔测斜精度的缺陷。

2、现已有的相似仪器无法同时测出孔斜角与钻具面角。而本实用新型将3只重力加速度计相互正交组合，通过空间解析几何，科学、巧妙地同时联立求解出孔斜角与钻具面角，并经过实验验证。

3、由于基础传感器采用适于振动环境的3140型重力加速度传感器，且整套仪器设计中无机械磨损件、易碎件等，从而本实用新型可安装在地下钻头上随钻实时测录，可靠耐用。而现已有的一些测斜仪，如玻璃管氢氟酸测斜计、陀螺测斜仪、机械重锤式顶角仪等则难以承受实钻孔内振动环境，所以只能用于停钻后的测试，而不能像本仪器这样用于随钻测试记录。

4、本实用新型对高精度3140型重力加速度传感器进行合理的组合布局，且采用MAX197和89C51等高性能的电子器件，因此其测量、记录分辨率和精度高，响应快。实测表明孔斜角误差＜±0.3°；钻具面角误差＜±1.0°，准确性显著大于钻杆划线定向法、酸液腐蚀刻痕法、机械重锤法等。本实用新型制作成本约为1.5万元，远低于陀螺测斜仪等昂贵仪器。

附图说明

图1是本实用新型采用的型号为3140的重力加速度传感器外形图

图2是本实用新型结构示意图

图3是本实用新型数据采集和处理电路原理图

图4是本实用新型记录电路原理图

图中：1-器体、2-重力加速度传感器。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，钻孔斜角与钻具面角随钻测录器，3只重力加速度传感器2相互正交并用螺钉固定，重力加速度传感器的接地端口接地、电源端口接电源，3只重力加速度传感器的信号输出端口分别与数据采集和处理与记录电路的数据采集芯片MAX197的CH0、CH1和CH2三通道相连接，数据采集和处理与记录电路对3只重力加速度传感器的信号进行数据采集和处理与记录。3只重力加速度传感器2、数据采集和处理与记录电路、电源固定在器体1内空腔内，器体1为圆柱形，其两端分别与钻杆、钻头固定连接。

如图3、图4所示，所述的信号采集和处理与记录电路主要由数据采集器和数据处理器、数据记录器组成，并带有一个输出和扩展接口，数据采集器为数据采集芯片MAX197，数据处理器为单片机89C51，记录器为DS1230Y；数据采集芯片MAX197的引脚2-6、引脚24分别与单片机的P1.2、脚16、脚17、P1.1、P1.0、INT0相连接，数据采集芯片MAX197的输出脚7-14与单片机89C51的输入脚32-39相连接；单片机89C51的P0口通过地址锁存器74LS373后，得到低8位地址分别与记录器DS1230Y的A0-A7地址口连接，单片机89C51的P2口中的P2.0-P2.6直接与记录器DS1230Y的高7位地址口连接，单片机的P2.7、引脚16、引脚17分别与记录器DS1230Y的脚20、脚27、脚22连接，单片机P0口与记录器DS1230Y的数据口DQ0-DQ7直接连接，锁存器的LE端直接与单片机ALE控制端连接：单片机的引脚10、引脚11通过RS232接口与显示装置或PC机相连接。

本实用新型针对如何有效获得地下钻进轨迹控制的至关重要参数这一关键技术问题，用3只重力加速度传感器进行立体组合(3合1式传感器)，并配以信号采集和处理与记录电路，对其各测值进行自动联立计算，获得一种能同时检测钻孔斜角与钻具面角的随钻测试记录器，安装在地下钻头部位，能在从垂直到水平的任意斜度钻孔(井)中进行随钻测量记录。

一、基本传感器选型

一些片状的重力加速度传感器具有角度敏感功能，即它们的电量输出值是随其片(面)法线与重力铅垂线夹角的改变而有规律变化的。经过对比试验，本实用新型的基本传感器采用型号为3140的重力加速度传感器(外形见图1)。该重力加速度传感器内具有对角度敏感的压敏电阻，分辨率高。传感器器件上下两端都有硅盖以提供过载制止，因此对强振动具有非凡的耐受力。其外形尺寸为22mm×22mm×11.4mm(长×宽×高)，有5个接线端口，端口1为接地端，端口2为参考电压端，端口3为供电电源端，端口4为信号输出端，端口5为屏蔽端。实验还证明，3140等型号的重力加速度传感器只有当其片(面)法线与重力铅垂线夹角＞45°时，灵敏度高；若＜45°时，灵敏度低，精度差。

二、钻孔斜角、工具面角测试合成模型(工作过程)

将3只3140型重力加速度传感器(甲、乙、丙)按图2所示进行相互正交的组合安装，按下述方法形成能同时测试钻孔斜角和工具面角的测试模型。

首先由仪器自动判断丙传感器示值所对应的钻孔斜角是否大于45°，根据判断结果，分别采取以下步骤1或2。

1、当钻孔斜角＞45°时，丙传感器的示值直接对应钻孔斜角θ，而将甲传感器的示值对应的角β作为中间变量，利用空间解析几何，得钻具面角：

$\mathrm{\α}=2\arcsin \frac{\sin \frac{\mathrm{\β}}{2}}{\cos \mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

2、当钻孔斜角＜45°时，丙传感器的片(面)法线与重力铅垂线夹角＜45°，此时无法准确测出钻孔斜角，因此采用图2中所示加速度传感器甲、乙进行组合测量。

由空间投影关系经推导得钻孔斜角：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\sqrt{{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1+{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_2}---\left(2\right)$

钻具面角：

$\mathrm{\α}=\arcsin \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{\sin \mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

式中θ₁、θ₂分别为甲、乙传感器示值所对应的角度。

三、配套的数据采集、处理与记录电路

配套的信号采集和处理与记录电路的安装位置如图2所示，该电路由数据采集器和数据处理器、数据记录器组成，并带有一个输出和扩展接口。其中，数据采集芯片为MAX197，它通过3根连线分别对3只3140传感器进行数据采集和模/数转换；数据处理器为89C51，对数据进行计算处理。

如图3、图4所示，组合传感器(3合1式传感器)输出信号在单片机89C51的控制下，通过12位A/D转换器进行数据转换得到的数据储存在数据记录器内或通过其他接口电路进入PC机系统进行运算后，实时显示出来。甲乙丙3140传感器把三维的角度参量转变为电信号后进入高精度的12位A/D转换器Max197的CH0～CH2三通道，引脚2(/CS)为Max197的片选信号，由单片机的P1.2控制；引脚3、4(/WR、/RD)为Max197的读写控制端口，由单片机的读写口进行控制；引脚5、6(HBEN、/SHDN)分别为Max197的高低4位分时读数的控制口和省电模式控制口，分别由单片机的P1.1、P1.0控制；引脚24(/INT)为转换结束后标志信号输出口，直接与单片机中断口连接；Max197采用内部参考电源4.096V，电路简单。89C51为内部带ROM的单片机系统，程序直接固化在内部，外围电路简单。后续的数据记录器为现有的DS1230Y。DS1230Y作为数据记录器(32k数据存储量)，它具有在掉电情况下能有效存储十年的存储可靠性，具有自掉电保护功能，同时，该芯片供电电压在±10％的范围内波动时，不影响正常存储工作。如图4所示，单片机与数据记录器连接关系图，单片机89C51的P0口通过地址锁存器74LS373后，得到低8位地址分别与数据记录器DS1230Y的A0-A7地址口连接；89C51的P2口中的P2.0-P2.6直接与数据记录器DS1230Y的高7位地址口连接；单片机的P2.7作为DS1230Y的片选信号；单片机引脚16、17(/WR、/RD)分别与DS1230Y的写、读允许口/WE(脚27)、/OE(脚22)连接；单片机P0口与DS1230Y的数据口DQ0-DQ7直接连接。锁存器的LE端直接与单片机ALE控制端连接。以及标准接口用来实现数据的储存和通讯，可以方便地和PC机等终端设备连接，实现数据处理和显示。

通过上述传感器组合和配套电路，钻孔斜角、面角测量记录的功能已全部实现。

该仪器还可以通过输出和扩展接口进行扩展，连接电缆进行有线传输或连接无线发射仪器进行无线传输进行随钻实时测量。

Claims (4)

1.钻孔斜角与钻具面角随钻测录器，其特征是：3只重力加速度传感器相互正交并固定，重力加速度传感器的接地端口接地、电源端口接电源，3只重力加速度传感器的信号输出端口分别与数据采集和处理与记录电路的数据采集芯片MAX197的三通道(CH0、CH1和CH2)相连接，数据采集和处理与记录电路对3只重力加速度传感器的信号进行数据采集和处理与记录。

2.根据权利要求1所述的钻孔斜角与钻具面角随钻测录器，其特征是：所述的3只重力加速度传感器、数据采集和处理与记录电路、电源固定在器体内空腔内，器体为圆柱形，其两端分别与钻杆、钻头固定连接。

3.根据权利要求1所述的钻孔斜角与钻具面角随钻测录器，其特征是：所述的重力加速度传感器为3140型重力加速度传感器。

4.根据权利要求1所述的钻孔斜角与钻具面角随钻测录器，其特征是：所述的信号采集和处理与记录电路主要由数据采集器和数据处理器、数据记录器组成，数据采集器为数据采集芯片MAX197，数据处理器为单片机89C51，记录器为DS1230Y；数据采集芯片MAX197的引脚(2-6)、引脚(24)分别与单片机的(P1.2)、脚(16)、脚(17)、单片机的(P1.1、P1.0、INT0)相连接，数据采集芯片MAX197的输出脚(7-14)与单片机89C51的输入脚(32-39)相连接；单片机89C51的P0口通过地址锁存器74LS373后，得到低8位地址分别与记录器DS1230Y的地址口(A0-A7)连接，单片机89C51的P2口中的(P2.0-P2.6)直接与记录器DS1230Y的高7位地址口连接，单片机的(P2.7)、引脚(16)、引脚(17)分别与记录器DS1230Y的脚(20)、脚(27)、脚(22)连接，单片机P0口与记录器DS1230Y的数据口(DQ0-DQ7)直接连接，锁存器的LE端直接与单片机ALE控制端连接；单片机的引脚(10)、引脚(11)通过RS232接口与显示装置或PC机相连接。

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