一种钻机随钻测量系统的制作方法

1.本实用新型涉及钻探技术领域，具体涉及一种钻机随钻测量系统。


背景技术：

2.在地质勘探或者煤矿开采等领域，需要钻孔以获取地质信息，对于钻孔轨迹等数据需要进行实时检测和指导控制，便于施工人员跟踪了解钻孔施工情况，及时调整各种参数，保证钻孔精确。
3.目前在煤矿等领域进行钻孔信号测量的设备主要有三种，分别为有线电池供电测量系统、孔口供电有线测量系统和泥浆脉冲无线测量系统。
4.有线电池供电测量系统和孔口供电有线测量系统中，每根钻杆中预置有电缆，整个传输通路里连接点较多，任何一点绝缘过低或故障，问题查找难度大并且故障查出耗时较长，在钻进每一根钻杆时，都需要拆除水辫头更换为有线供电通信接头进行测量，测量完成后拆除接头在进行下一根钻杆的连接，在钻杆连接时还需要将通缆钻杆上下端的通缆接口保养干净，过程复杂且费时较长，且有线测量系统必须配套定向钻机和通缆钻杆才能进行施工，通缆钻杆相比普通钻杆使用成本高出3倍，并且抗弯、抗扭、耐磨损等都不如普通钻杆，一般使用一年左右就需报废，普通钻杆使用寿命在一年半以上。
5.泥浆脉冲无线测量系统采用泥浆循环系统作为数据传输介质，在每次测量时要经过开泵等待一分钟，在开泵进行数据传输的过程，并且传输一组同数据量的一包数据需要的时间较长，在很顺利的情况下一次精准测量需要5-6分钟。泥浆脉冲无线测量系统采用机械式动作来改变泥浆通道流体面积产生压力变化实现，机械部件长时间动作、冲蚀导致机械间可靠性降低或故障，需要定期更换和保养维修，同时泥浆脉冲系统中的脉冲器需要定期更换配件和保养，消耗成本高。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供一种钻机随钻测量系统，解决现有钻机测量系统使用成本高、适应性差的问题。
7.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
8.一种钻机随钻测量系统，测量模块、接收处理模块和信号处理模块；所述测量模块用于在检测到目标钻机静止时检测所述目标钻机对应的目标钻孔的三维角度参数，将三维角度参数转换为目标测量数据并将所述目标测量数据馈送至所述接收处理模块；
9.接收处理模块，与测量模块连接，用于接收目标测量数据对目标测量数据进行滤波、放大、采集，解析出目标数据，并将所述目标数据传送至轨迹绘制模块；
10.轨迹绘制模块，与接收处理模块连接，用于接收目标数据，并根据所述目标数据进行轨迹三维绘制。
11.进一步地，所述测量模块包括外壳钻具、测量单元和电池单元，所述测量单元和所述电池单元均设在所述外壳钻具内，所述测量单元用于检测目标钻孔的三维角度参数，所
述电池单元用于为所述测量单元供电。
12.进一步地，所述外壳钻具包括无磁钻铤和抗压外壳，所述抗压外壳设在所述无磁钻铤内，所述抗压外壳用于安装所述测量单元和所述电池单元。
13.进一步地，所述外壳钻具由无磁材质制成。
14.进一步地，所述测量单元包括测量组件、发射组件、处理组件，所述测量组件用于检测目标钻孔的三维角度参数，所述处理组件用于读取三维角度参数并对所述三维角度参数进行调制编码处理，所述发射组件用于将目标测量数据至接收处理模块。
15.进一步地，所述电池单元包括可充电电池组和电池管理电路，所述可充电电池组和所述电池管理电路浇封为一体后安装在所述抗压外壳中。
16.进一步地，所述电池单元中不可拆卸部分的长度小于1米。
17.进一步地，所述接收处理模块包括电源转换板、信号匹配器、信号处理板、嵌入式主板，所述信号匹配板与所述信号处理板电连接，所述信号处理板与所述嵌入式主板电连接，所述电源转换板与所述嵌入式主板和所述信号处理板连接。
18.进一步地，所述轨迹绘制模块包括译码单元、显示单元、作业数据库单元、曲线处理单元、工具面表盘单元；所述译码单元用于对传输的数据同步捕捉、解析、数据输出，信号波形显示；所述显示单元用于对三维轨迹的垂直和水平剖面进行显示，并显示设计的轨迹；所述作业数据库单元用于对施工的作业号、时间、地点、作业中的实时数据进行储存；所述曲线处理单元用于处理单个作业号的轨迹图和掘进面的轨迹图；所述工具面表盘单元用于以指针的方式显示工具面角。
19.进一步地，所述测量模块通过差分直流脉冲信号将所述目标测量数据馈送至所述接收处理模块。
20.本实用新型的有益效果：
21.本实用新型的钻机随钻测量系统无线传输基于电信号完成，在钻进过程中，自动判断钻进和测量两种状态，在钻进一根钻杆后，自动开始向工作面传输信号，共用时20秒左右即可完成数据的测量和传输解析，无须有线方式的拆除和安装水辫头，也无须泥浆脉冲无线方式的测量过程，提高了钻孔测量时效。同时由于采用电信号传输，利用煤层介质传播，出现工作不正常容易定位问题点，无过多的连接环节，可靠性高，在使用成本上，本系统对钻机和钻杆没有限制，可以任意配接，没有相关配套消耗，远低于有线和泥浆脉冲无线配套消耗成本。
附图说明
22.图1是本实用新型钻机随钻测量系统的使用场景示意图；
23.图2是本实用新型钻机随钻测量系统的原理框图；
24.图3是本实用新型钻机随钻测量系统中无磁钻铤的结构示意图；
25.图4是本实用新型钻机随钻测量系统中测量单元和电池单元的结构示意图；
26.图5是本实用新型钻机随钻测量系统中接收处理模块的原理框图；
27.图6是本实用新型钻机随钻测量系统中信号传输的原理框图；
28.图7是本实用新型钻机随钻测量系统中轨迹绘制模块的原理框图。
29.图中各标记对应的名称：
30.1、无磁钻挺，2、抗压外壳，3、测量单元，4、电池单元。
具体实施方式
31.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，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
32.本实用新型的实施例1：
33.图1－图7所示，钻机随钻测量系统包括测量模块、接收处理模块、轨迹绘制模块，其中，
34.测量模块通过检测目标钻机的三轴方向加速度情况，判断目标钻机的静止或者运动状态，在检测到目标钻机由运动至静止后，检测目标钻机对应的目标钻孔的三维角度参数，在得到三维角度参数后，将多个角度参数按照预设调制方式进行调制，得到目标测量信号，并将目标测量信号馈送给孔口的接收处理模块，接收处理模块对目标测量信号进行滤波、放大、解析后，在轨迹绘制模块中进行处理，得到各种数据和轨迹。
35.本实施例中，钻机可以工作在各种煤矿或者油田等环境中。图1所示，在钻机进行钻进的过程中，钻头等工具会有方向、位置、压力等参数的变化，在实际检测过程中可以将检测到的参数通过无线信号的方式发出去，本实施例中，无线信号采用差分直流脉冲信号。
36.测量模块包括测量单元3、电池单元4和外壳钻具。
37.测量单元3包括测量组件、驱动组件、处理组件和发射组件。
38.测量组件用于检测目标钻机的三轴加速度情况，判断目标钻机是否停止振动，在目标钻机停止振动时，检测目标钻孔的三维角度参数。
39.三维角度参数包括：目标钻孔的俯仰角、目标钻孔的方位角、目标钻孔的工具面向角。
40.处理组件，用于根据测量组件的数据，判断设备工作状态，读取测量组件的多个数据，同时进行数据的调制编码处理，从而得到目标测量数据。
41.驱动组件，与处理组件连接，用于根据处理模块信号，为发射模块提供驱动能力。
42.电池单元4包括：
43.可充电电池组，用于为测量模块提供电源，可充电电池组采用锰锂电池，符合gb3836的要求，充电电池组由多个不可拆解的电池插接组成，充电电池组中单个不可拆解电池的长度小于1m，便于工作人员随身携带，而无需等待专用车装载运输，较大程度地提高效率同时节省了运输成本。
44.电池管理电路，用于监控电池状态，可实现电池的双重过流保护、电池单体保护、瞬态短路保护及充放电保护，延长电池的使用寿命。
45.本实施例中，电池单元4采用无限级联设计，可根据施工周期串接电池组，实现一钻完成一个孔的作业，使得系统的可持续工作能力和灵活性增强。
46.图3和图4所示，外壳钻具，包括无磁钻挺1和抗压外壳2，抗压外壳2用于安装测量单元3和电池单元4，为测量单元3和电池单元4提供安装保护骨架。无磁钻挺1为抗压外壳2提供保护、为测量单元3测量准确性提供较好无磁环境、同时为设备信号发射提供两级性绝
缘处理。
47.测量模块依据gb3836标准相关要求，按照温度组别、器件降额、器件能量等要求。电路、结构各方面均增加了本安设计，电源转换单元具有短路自恢复和过流过压双重保护。结构方面满足相关标准，插接件按照电气间隙、爬电距离等要求进行设计。
48.测量模块采用小型化设计，采用多种方式缩减长度和体积。
49.具体地，仪器串采用倒装式座键方式安装，可在地面完成所有设备一体安装进行运输，在工作面只需要安装电池即可，现场使用简便，不仅能防止仪器转动，而且提高了排渣介质通道面积，又可以避免在钻铤上打孔从而保证钻铤强度。
50.绝缘天线喷涂螺纹采用双台梯形螺纹设计，提高了钻铤的抗扭性能，实现了φ73mm钻具天线绝缘扭矩不小于8kn.m的需求。
51.电路骨架采用镂空设计，提高了空间利用率，电路板采用双板联动固定方式。
52.小型化设计使产品增强了与不同尺寸钻具配接的适应性及满足不同工作面钻场的需求，最小钻场只需5
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5m。
53.接收处理模块用于对目标测量数据进行滤波、放大和采集处理，解析出目标数据，并将目标数据传送至轨迹绘制单元。
54.图5所示，接收处理模块包括电源转换板、信号匹配器、信号处理板、嵌入式主板。
55.信号匹配器用于对采集到的目标测量数据进行谐波抑制处理，初次过滤掉外部信号干扰。
56.信号处理板用于对初次过滤信号进行信号放大处理，同时根据信号情况，进行传输数据解析并转发至低功耗嵌入式主板。
57.嵌入式主板用于为轨迹绘制模块提供平台。
58.接收处理模块也采用隔爆兼本安型设计，接收处理模块的工作温度范围较大，为－25℃～55℃，能够适应不同的工作温度，同时防爆性能好。
59.如图6所示，本实施例中，测量模块和接收处理模块之间通过无磁钻铤钻头与大地接触，钻杆与无磁钻铤后端接触，形成信号回路进行数据传输，传输信号为差分直流脉冲信号。
60.图7所示，轨迹绘制模块包括信号处理单元、译码单元、显示单元、数据恢复单元、作业数据库单元、曲线处理单元、工具面表盘单元。
61.其中，信号处理单元根据采集的信号的强度大小，进行信号灵敏度自动调整，然后进行源码解析；
62.译码单元用于对传输的数据同步捕捉、解析、数据输出，信号波形显示；
63.显示单元用于对三维轨迹的垂直和水平剖面进行显示，并显示设计的轨迹，轨迹显示中还会显示轨迹编号等基本信息；
64.数据恢复单元用于对俯仰角、工具面。电池电压、温度、上下偏差、左右偏差、目标方位角、时间等参数以表格形式显示；
65.作业数据库模块用于对施工的作业号、时间、地点、作业中的实时数据等进行储存；
66.曲线处理单元用于处理单个作业号的轨迹图和掘进面的轨迹图；
67.工具面表盘单元用于以指针的方式显示工具面角，同时显示上次解析数据的时
间、信号强度、电量续航时间、前端温度信号。
68.相比与现有的测量系统，本实用新型无线传输基于电信号完成，在钻进过程中，自动判断钻进和测量两种状态，在钻进一根钻杆后，自动开始向工作面传输信号，共用时20秒左右即可完成数据的测量和传输解析，无需有线方式的拆除和安装水辫头，也无需泥浆脉冲无线方式的测量过程，提高了钻孔测量时效。同时由于采用差分直流脉冲信号，利用煤层介质传播，出现工作不正常容易定位问题点，无过多的连接环节，可靠性高，在使用成本上，本系统对钻机和钻杆没有限制，可以任意配接，没有相关配套消耗，可充电电池的使用寿命在2年左右，远低于有线和泥浆脉冲无线配套消耗成本。
69.本系统无论配套大扭矩钻机、定向钻机、普通钻机和钻杆都没有任何要求，适应性可满足现有煤层抽放孔各种开发工艺，并在一定程度上提升开采工艺。