具有纠偏功能的钻杆、钻孔系统、钻孔纠偏方法与流程

本申请涉及岩土工程施工技术领域，尤其涉及一种具有纠偏功能的钻杆、钻孔系统、钻孔纠偏方法。

背景技术：

钻孔垂直度是控制钻孔质量的关键因素之一，因此如何提供一种能够保证钻孔垂直度、实时监测钻杆垂直度、及时纠正钻杆偏移程度的装置与方法，以满足施工现场对其日益增多的需求，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

一般情况下，在钻进过程中，遇到斜硬面或者软硬不均的地层等情况时，钻头受力不均匀，进而会使得钻头偏向一边钻进。造成钻孔倾斜度大于设计和规范要求，这样需要返回修偏孔，并用混凝土填充偏移空间。因而，现有结构在钻杆发生偏转后，纠偏过程复杂，浪费时间，耽误施工工期；填充便宜空间造成混凝土用量超方，项目成本高。

设计文件中一般都会对钻孔有垂直度要求，目前岩土工程施工全过程都需要利用全站仪或经纬仪进行监控，费时费工；尤其是夜间施工，还需专门的测量照明电源，测量精度较低，钻孔质量一般。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种具有纠偏功能的钻杆、钻孔系统、钻孔纠偏方法。

本申请第一方面提供了一种具有纠偏功能的钻杆，包括无线终端、多个纠偏支杆、钻杆、安装在所述钻杆上的倾角传感器、安装在所述钻杆前端的钻头，所述纠偏支杆的一端均转动连接在所述钻杆的侧壁上，所述纠偏支杆均连接有驱动组件以将所述纠偏支杆转至所述钻杆的外侧或收回至所述钻杆内；所述无线终端分别与所述驱动组件、倾角传感器通讯连接。

在一些实施例中，所述钻杆由多根拼接杆首尾拼接而成，所述倾角传感器与所述钻头安装在同一所述拼接杆上。

在一些实施例中，所述无线终端设有显示屏。

在一些实施例中，所述驱动组件为液压驱动组件。

在一些实施例中，所述纠偏支杆设置为三个，三个所述纠偏支杆绕所述钻杆的轴线均匀分布。

在一些实施例中，还包括安装在所述钻头上的多个压力传感器，多个所述压力传感器均与所述无线终端通讯连接。

本申请第二方面提供了一种钻孔系统，包括：与钻杆驱动连接的钻机、固定在地面上的钻杆限位装置、及第一方面所述的具有纠偏功能的钻杆。

本申请第三方面提供了一种基于第一方面所述具有纠偏功能的钻杆的钻孔纠偏方法，包括以下步骤：

s1、确定纠偏支杆的初始值、钻孔设定深度，设置设定值；

s2、通过无线终端实时获取倾角传感器的测量值、计算测量值与初始值的差值、差值与设定值的比较结果，当差值大于设定值，执行步骤s3；当差值小于或等于设定值，执行步骤s4；

s3、钻杆暂停转动；利用无线终端获取倾角传感器相对于初始位置的偏转方向，并向至少一个驱动组件发送包含指定角度的指令以驱动对应的纠偏支杆向外转动，纠偏支杆转至指定角度后，将纠偏支杆收回至钻杆内；钻杆恢复转动，执行步骤s2；

s4、继续钻进，判断钻孔是否达到设定深度，如未达到设定深度，执行步骤s2，若已到达设定深度，结束钻孔。

在一些实施例中，

步骤s2还包括以下步骤：

s21、利用无线终端获取钻头上的多个压力传感器的测量值；

步骤s3还包括以下步骤：

s31、获取测量值最大的压力传感器所在的方位及测量值；

s32、根据步骤s31获取到的压力传感器所在的方位，确定需要转动的纠偏支杆所在的方位与纠偏支杆的数量；根据步骤s31获取到的压力传感器的测量值，确定各纠偏支杆的转动角度。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请提供的具有纠偏功能的钻杆，通过在钻杆上靠近钻头的位置设置倾角传感器和纠偏支杆，并通过地面上的无线终端获取数据以及控制各纠偏支杆的转动，实现实时监测钻杆偏转以及随时纠偏的功能，纠偏操作方便，成本低；纠偏速度快，成孔质量可靠；纠偏支杆结构简单，组装方便，钻杆制造成本低，节省工程预算；对工作环境几乎没有限制，适应性强。

本申请提供的钻孔系统具有固定在地面上的钻杆限位装置，可防止纠偏时钻杆整体偏移，进一步提升纠偏效果。

本申请提供的钻孔纠偏方法，可随时发现钻杆偏转，纠偏操作简便，响应速度快，施工效率高；人工参与程度较低，工人成本低，节省钻孔费用；对场地要求较低，适应性强，方便推广。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所述具有纠偏功能的钻杆在纠偏支杆收回至杆体内的使用状态示意图；

图2为本申请实施例所述具有纠偏功能的钻杆在纠偏支杆转出至杆体外的使用状态示意图；

图3为本申请实施例所述钻孔纠偏方法的流程图。

其中，1、无线终端；2、钻机；3、钻杆限位装置；4、钻杆；5、倾角传感器；6、纠偏支杆；7、压力传感器；8、钻头。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面将对本申请的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但本申请还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1和图2所示，本申请提出了一种具有纠偏功能的钻杆，包括无线终端1、多个纠偏支杆6、钻杆4、安装在所述钻杆4上的倾角传感器5、安装在所述钻杆4前端的钻头8，所述纠偏支杆6的一端均转动连接在所述钻杆4的侧壁上，所述纠偏支杆6均连接有驱动组件以将所述纠偏支杆6转至所述钻杆4的外侧或收回至所述钻杆4内；所述无线终端1分别与所述驱动组件、倾角传感器5通讯连接。

具体来说，倾角传感器5用来检测空间角度变化，安装方向与钻杆4延伸方向一致；钻孔方向确定后，倾角传感器5的设定值就确定了，确定一个设定值，作为发起纠偏动作的条件；钻杆4工作过程中，一旦钻孔方向偏离，倾角传感器5就可以检测到角度变化大小，通过无线终端1可以实时获取倾角传感器5的测量值、测量值与初始值的差值、差值与设定值的比较结果等，一旦差值大于设定值，说明钻杆4偏转，需要发起纠偏动作。

需要纠偏时，首先让钻机2停转，钻杆4保持静止状态；由于倾角传感器5与纠偏支杆6都是安装在钻杆4上的，倾角传感器5与各纠偏支杆6的相对位置不变，因此可以根据倾角传感器5的偏转方向确定钻杆4的偏转方向，进而转动对应方位的一个或多个纠偏支杆6，为钻杆4提供一个反方向的推力，使钻杆4恢复正常方向，即差值小于或等于设定值。具体操作时，可能会出现纠偏支杆6转动到极限位置，但钻杆4仍然没有恢复到正常方向，此时可以先收回纠偏支杆6，再次启动钻机2，让钻头8前进一定距离后，在新位置再次进行纠偏，直至钻杆4恢复至差值小于或等于设定值的状态后，再继续钻孔。转动纠偏支杆6的动作由操作人员在无限终端处发起，无线终端1向对应的驱动组件发送指令，进而带动相应的纠偏支杆6转动，实现远程操作。

由于是随时在检查钻杆4是否发生偏转，因此不会出现钻孔结束后才发现钻孔方向不对的问题，所以当确定钻头8已经到达指定位置后，就不需要再去纠偏了，直接停止钻机2结束钻孔就行。

由于设置了倾角传感器5与纠偏支杆6，再加上无线终端1的配合使用，操作者可以随时观察钻孔是否有偏转，并利用无线终端1随时发起纠偏操作；钻杆4偏转随时可以发现，不会出现需要钻孔偏差较大的现象；利用无线终端1就可以转动纠偏支杆6，发起纠偏操作，纠偏操作方便，成本低；纠偏速度快，成孔质量可靠，不影响工程进度；纠偏支杆6结构简单，组装方便，钻杆4制造成本低，节省工程预算；对工作环境几乎没有限制，适应性强。

在一些实施例中，所述钻杆4由多根拼接杆首尾拼接而成，所述倾角传感器5与所述钻头8安装在同一所述拼接杆上。

具体来说，拼接杆属于标准件，现有技术已经可以实现在钻孔过程中自动拼接的操作，本申请不在赘述；本申请保护的是：只需要对最前端的、连接钻头8的拼接杆进行改进，就可以在这种拼接形式的钻杆4中使用本方案；对现有结构改动较小，改造成本底，应用范围广。同时将整个钻杆4分为多节，节省了施工操作空间，组装也更加方便。

在一些实施例中，所述无线终端1设有显示屏。

具体来说，无线终端1提醒操作人员的方式很多，比如声光报警等，通过显示不同色彩的警示灯或播放不同的提示音提醒操作人员即时操作；设置显示屏后，操作人员可将需要的信息展示在显示屏上，直观地查看钻杆4的运转状态，还可以以图像方式查看钻头8的偏转方位、钻头8停转后各纠偏支杆6的方位、以不同色彩展示的各压力传感器7的测量值等，这样就不需要根据数据去判断需要启动哪些纠偏支杆6，可以根据看到的图像及方位直接指定需要转动的纠偏支杆6、各纠偏支杆6转动的角度等，操作更加直观、方便。

在一些实施例中，所述驱动组件为液压驱动组件。

具体来说，驱动纠偏支杆6转动的结构有很多，这里提供的是一种优选的实施方式，即利用液压推动，液压驱动控制精确，可用管道引导液压油流动，适用于钻杆4等空间较小的场所，也是工程上比较常见的驱动设备，安装较方便。

在一些实施例中，所述纠偏支杆6设置为三个，三个所述纠偏支杆6绕所述钻杆4的轴线均匀分布。

具体来说，如图2所示，三个纠偏支杆6活动端均朝向钻头8方向，三者夹角互为120度，可以确定三个基本的纠偏支点；纠偏时，根据钻杆4需要移动的方向，转动一个或两个纠偏支杆6即可实现；比如当钻杆4偏转方向与其中一个纠偏支杆6所在方位相同，那就只转动那一个纠偏支杆6将钻杆4像正常位置推动即可，如果钻杆4偏转方向落在两个纠偏支杆6之间，则同时向外转动两个纠偏支杆6将钻杆4推回正确位置。

需要说明的是，如果一次纠偏还是没能将钻杆4推回正确位置，可先收回纠偏支杆6，启动钻机2继续钻井一点距离，让纠偏支杆6外侧的图层出现新的完整自由面后，再次进行纠偏。如果在原位继续纠偏，纠偏支杆6已经转到最大角度，土层自由面已经被破坏，再次转出纠偏支杆6已经没有可支撑的土层，因此建议先启动钻杆4，等待纠偏支杆6外侧形成新的自由面后再次纠偏，这样效果更好。

在一些实施例中，本申请还包括安装在所述钻头8上的多个压力传感器7，多个所述压力传感器7均与所述无线终端1通讯连接。

具体来说，如图1和图2所示，在钻头8迎向土层的一端设置多个压力传感器7，压力传感器7的监测数据发送至无线终端1，无线终端1可以显示各压力传感器7的方位、测量到的压力值、与纠偏支杆6的位置关系、倾角传感器5的测量参数等，这样就可以利用倾角传感器5的测量值判断钻杆4是否已超出正常方向，即钻杆4是否发生偏转，利用压力传感器7的数据确定钻杆4具体的偏转方向，并根据压力传感器7的大小估计出、或者利用已有的对应关系得出纠偏支杆6需要转动的角度；这种压力与转动角度的对应关系会随着土层形状的改变而变化，因此一般根据实际操作的经验给出一个大致的角度，并根据倾角传感器5的反馈数据进行多次纠偏，直至钻杆4方向回到正常范围。

本申请还提供了一种钻孔系统，包括：与钻杆4驱动连接的钻机2、固定在地面上的钻杆限位装置3、及前面提到的具有纠偏功能的钻杆。

具体来说，如图1或如2所示，钻机2安装在地面的平台上，为钻杆4转动、钻杆4前进与后退提供驱动和基础，地面上安装钻杆限位装置3，为伸入地面的钻杆4部分提供限位，防止钻杆4摆动，同时为钻杆4纠偏提供基础，防止纠偏过程中钻杆4整体产生偏移，保证钻杆4纠偏效果。拼装钻杆4的装置也设置在地面上方，钻孔过程中根据钻杆4伸入土层的深度随时添加新的拼接杆，保证钻孔的继续进行。

压力传感器7、倾角传感器5、驱动组件、钻机2等可直接与无线终端1内的处理器通讯连接，也可以通过其他网络与无线终端1连接，只要能实现通过无线终端1进行监测和控制的功能即可。

另一方面，如图3所示，本申请还提出了一种钻孔纠偏方法，也是基于前面提到的具有纠偏功能的钻杆提出的，本方法包括以下步骤：

s1、确定纠偏支杆6的初始值、钻孔设定深度，设置设定值；

该步骤是纠偏的准备阶段，根据钻孔方向确定纠偏支杆6的初始值，即钻杆4方向准确无误时倾角传感器5的测量值；钻孔设定深度也是根据设计确定好的值；设定值是人为设定的参考值，随着钻孔动作的进行，倾角传感器5的实时测量值与初始值的差值随时在变动。

s2、通过无线终端1实时获取倾角传感器5的测量值、计算测量值与初始值的差值、差值与设定值的比较结果，当差值大于设定值，执行步骤s3；当差值小于或等于设定值，执行步骤s4；

该步骤，是用来判断钻杆4是否超出设计允许的偏差范围的；当差值小于或等于设定值时，说明钻杆4方向还在允许的范围内，无需进行其他操作；只有当差值大于设定值时，才说明钻杆4偏转已经超出了设计允许的偏差范围，应该立即进行纠偏。

s3、钻杆4暂停转动；利用无线终端1获取倾角传感器5相对于初始位置的偏转方向，并向至少一个驱动组件发送包含指定角度的指令以驱动对应的纠偏支杆6向外转动，纠偏支杆6转至指定角度后，将纠偏支杆6收回至钻杆4内；钻杆4恢复转动，执行步骤s2；

该步骤是具体的纠偏步骤，首先钻机2停转，让钻杆4保持静止，这时钻杆4偏转的方向与纠偏支杆6的方位之间是固定的，可根据纠偏支杆6相对于初始值的偏转方向，判断出钻杆4的偏转方向；然后确定与钻杆4偏转方向对应的纠偏支杆6，然后利用无线终端1向需要转动的纠偏支杆6的驱动组件发送指令，让对应的纠偏支杆6向外转动，纠偏支杆6的转动会受到外侧土层的阻挡，从而利用土层的反推力将钻杆4推向正确的方向；各纠偏支杆6的转动方向可以相同，比如均转动60度或者转至最大角度；也可以指定各纠偏支杆6的转动角度，比如靠近偏转方向的纠偏支杆6转动角度大一些；各纠偏支杆6需要转动的角度直接包含在该指令中。

s4、继续钻进，判断钻孔是否达到设定深度，如未达到设定深度，执行步骤s2，若已到达设定深度，结束钻孔。

该步骤是用来判断钻孔是否完成的，钻孔尚未达到设定深度时，再次检测差值与设定值的比较结果；只有当钻孔尚达到设定深度时，钻孔结束。上述步骤仅是用来限定钻孔过程中的纠偏方法，钻孔结束后的泥浆回收、清孔等操作都是常规手段，此处不再赘述。

采用该钻孔纠偏方法后，钻杆4偏转现象可以及时发现，不会出现钻偏深度较深需要用混凝土等进行填充的现象，成孔质量可靠；纠偏操作通过无线终端1就可以执行，无需收回钻杆4去填补钻偏孔洞，纠偏操作简便、耗时短，施工效率高；操作人员只需要操作无线终端1即可完成整个钻孔过程的纠偏，人工参与程度较低，工人成本低，节省钻孔费用；对场地要求较低，适应性强，方便推广，经济效益突出。

进一步的，由于钻头8上还设有多个压力传感器7，因此，

步骤s2还包括以下步骤：

s21、利用无线终端1获取钻头8上的多个压力传感器7的测量值；

钻头8与钻杆4连接后，各压力传感器7的安装位置与各纠偏支杆6的方位之间是固定的，各压力传感器7的检测值可以直观地反馈钻头8各方向的受力状况。

步骤s3还包括以下步骤：

s31、获取测量值最大的压力传感器7所在的方位及测量值；对于土层均匀的环境，当钻孔方向竖直向下时，受力较大压力传感器7所在的方位就是钻杆4的偏转方向。

s32、根据步骤s31获取到的压力传感器7所在的方位，确定需要转动的纠偏支杆6所在的方位与纠偏支杆6的数量；根据步骤s31获取到的压力传感器7的测量值，确定各纠偏支杆6的转动角度。

当钻孔方向竖直向下时，钻头8各方向的压力分布可以体现钻杆4的偏转方向；钻孔方向不是竖直方向时，可进一步参考倾角传感器5的偏转方向确定钻杆4的偏转方向。倾角传感器5相对初始值的差值大小以及各压力传感器7的检测值可作为纠偏时纠偏支杆6转角大小的参考，纠偏时可根据实际使用的经验转动合适数量的纠偏支杆6、确定各纠偏支杆6的转动角度，为纠偏操作提供参考。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。