轮式钻孔深度测量仪及钻孔深度测量方法

摘要

本发明公开了一种轮式钻孔深度测量仪及钻孔深度测量方法，测量仪的轮式测深装置包括固定架和转动装配于固定架上的轮架、转动装配于轮架上的转轮，转轮转动轴线与轮架的转动轴线垂直并存在设定的偏心距离，将转轮压紧贴合在钻杆上并保证轮架转动轴线与钻杆轴线垂直相交；在钻杆工作时，用角度传感器采集轮架转动的角度信号，用位移传感器采集转轮转动的位移信号，换算获得设定时间段的转轮跟随钻杆转动的螺旋线展开长度△L以及该时间段的转轮轴线与钻杆轴线的夹角α，通过L=△L×sinα计算钻深L。本发明的钻孔深度测量方法摒弃了现有技术中定轴线转轮的采集方式，可明显减少钻杆旋转作用力在测量过程中的不良影响。

说明书

技术领域

本发明涉及钻孔深度测量方法和测量仪。 

背景技术

钻孔用的钻杆在钻进过程中既绕其轴线旋转又沿其轴线移动，因此较难直接对钻杆的钻进位移量使用位移传感器进行测量。CN202325482U号中国专利公开的一种钻孔深度计量装置，其采用与钻杆紧贴的耐磨圆球，并利用转动轴线与钻进方向垂直的水平计量压紧圆柱体与滚动圆球的摩擦配合将圆球在钻进方向上的滚动量反映为圆柱体的定向转动，进而通过旋转计数器采集圆柱体的旋转量来算出钻杆的钻进深度。由于钻进过程中钻杆外表面的质点实际在螺旋线运动，因此现有技术中此类测量仪的输出定向旋转量的转动体（圆柱体）均无法避免一直要受到钻杆旋转方向上的作用力，该作用力将使转动体受到方向和大小均无规律的偏转扭矩而难以保证轴线稳定，加上转动体制造精度以及疲劳磨损等因素，现有技术中此类测量仪的测量精度和使用寿命均比较差。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种减少钻杆旋转作用力的不良影响的钻孔深度测量方法，同时提供专用于实施该钻孔深度测量方法的轮式钻孔深度测量仪。 

本发明的钻孔深度测量方法的技术方案是：一种钻孔深度测量方法，包括以下步骤： 

1）安装轮式测深装置与钻杆配合，轮式测深装置包括固定架和转动装配于固定架上的轮架、转动装配于轮架上的转轮，转轮的转动轴线与轮架的转动轴线垂直并存在设定的偏心距离，将转轮压紧贴合在钻杆上并保证轮架转动轴线与钻杆轴线垂直相交； 

2）在钻杆工作时，用位移传感器采集转轮转动的位移信号，用角度传感器采集轮架相对于钻杆轴线转动的角度信号，位移传感器的实时位移信号△L与转轮所接触的钻杆运动质点的运动实时轨迹展开线长度一致，角度传感器的实时角度信号与转轮所接触的运动质点相对于钻杆轴线的夹角角度一致；

3）设定轮架正反向转动的初始角度位置及钻杆移动的正向，根据所述角度信号值、三角函数公式计算△L在钻杆轴线方向上的正向或反向的有方向性的分量L，对分量L求和得出钻孔深度。

所述钻孔深度测量方法以设定的初始角度位置划分所述角度信号值的范围，可判定钻杆为正向钻进、反向退钻或不进退的旋转。 

本发明的轮式钻孔深度测量仪的技术方案是：包括轮式测深装置，轮式测深装置包括固定架和转动装配于固定架上的轮架、转动装配于轮架上的转轮，所述转轮转动轴线与轮架的转动轴线垂直并存在设定的偏心距离；还包括用于采集轮架相对于钻杆轴线转动的角度信号的角度传感器，用于采集转轮绕其轴线的旋转位移的位移传感器。 

轮式钻孔深度测量仪包括设置于转轮上、固定架与轮架之间或者轮架与转轮之间的对转轮施加压紧在钻杆上的弹性作用力的弹性件。 

所述固定架止旋导向移动装配有导向杆，导向杆的移动方向与轮架转动轴线同轴，所述轮架转动装配于导向杆上，还包括用于沿轮架转动轴线对导向杆施加压向待测钻杆的作用力的弹簧。 

轮式钻孔深度测量仪还包括钻孔测深主机，钻孔测深主机包括电源部分和用于采集和处理位移和角度传感器的信号的信号处理显示部分以及运算部分。   

本发明的钻孔深度测量方法是采用轮架能随转轮受力而旋转的轮式测深装置，不限制转轮的扭动而是用角度传感器实时获得其扭动角度，并通过三角定律正弦算法将转轮的位移量与相应时刻的轮架转动量进行对应计算来获得钻进深度，该方法及相应的轮式测深装置摒弃了现有技术中定轴转轮采集方式，从而可明显减少钻杆旋转作用力在测量过程中的不良影响。

附图说明

图1是本发明的测量仪的实施例的使用状态示意图； 

图2是图1中的轮式测深装置的结构示意图；

图3是图2的左视图；

图4是本发明钻孔深度测量方法的正向钻进的示意图；

图5是本发明钻孔深度测量方法的反向推杆的示意图。

具体实施方式

本发明的钻孔深度测量方法的实施例，如图4、图5所示，包括以下步骤： 

1、安装轮式测深装置与钻杆1配合，轮式测深装置包括固定架和转动装配于固定架上的轮架、转动装配于轮架上的转轮2，转轮的转动轴线与轮架的转动轴线垂直并存在设定的偏心距离，将转轮压紧贴合在钻杆上并保证轮架转动轴线与钻杆轴线垂直相交；图中a为转轮的转动轴线，b为钻杆轴线，O点为轮架的转动轴线与钻杆轴线的交点，c是轮架上的一条与a垂直且过O点的摆动示意线，水平箭头为钻头沿轴向的移动方向，旋转箭头为钻头旋向。[0012] 2、在钻杆工作时，用位移传感器采集转轮转动的位移信号，用角度传感器采集轮架相对于钻杆轴线转动的角度信号，位移传感器的实时位移信号△L与转轮所接触的钻杆运动质点的运动实时轨迹展开线长度一致，角度传感器的实时角度信号与转轮所接触的运动质点相对于钻杆轴线的夹角角度一致。

3、设定轮架正反向转动的初始角度位置及钻杆移动的正向，根据所述角度信号值、三角函数公式计算△L在钻杆轴线方向上的正向或反向的有方向性的分量L，对分量L求和得出钻孔深度。 

在本发明的上述实施例中，由于a、b、c三条线构成直角三角形，上述步骤中轮架相对于钻杆转动的角度信号即可以是α也是β，α、β也可以通过用其中一个量通过互成余角关系换算得来，L值实际上为△L在钻杆轴线上的投影长度，根据三角定律及相应的三角函数公式，既可以通过L=△L×sinα计算，也可以通过L=△L×cosβ计算钻深L。并且以设定的初始角度位置划分所述角度信号值的范围，可判定钻杆为正向钻进、反向退钻或不进退的旋转，这种换算和计算方法属于三角函数计算的常规计算方法而不再赘述，下面以α∈（0.90）U（-90.0）为例进行说明，在整个打钻过程中，钻杆运动方式分为四种：1、静止状态。转轮压紧钻杆，转轮及轮架相对钻杆静止，无位移和角度变化。 

2、钻杆只旋转不进杆或退杆。此时钻杆的运动状态为外表面某一质点沿轴线做圆周运动。此状态下转轮2沿轴线与钻杆轴线平行的方向旋转。即旋转运动与钻杆轴线的夹角α=0°。根据三角定律的正弦算法sin0°=0，故虽然此时转轮2产生位移，但此状态下钻进深度为0。 

3、钻杆旋转同时轴线运动状态。此时钻杆的运动状态为外表面某一质点沿轴线做螺旋线运动。转轮2跟随转动并采集某一时间段的螺旋线展开长度△L。且角度传感器采集的转轮2轴线与钻杆1轴线夹角α∈（0.90）U（-90.0）。根据三角定律的正弦算法sinα≠0  α∈（0.90）U（-90.0）。此时产生的钻进深度L=△L×sinα≠0。当钻进深度L＞0时，为旋转钻进。当钻进深度L＜0时，为旋转退杆。 

4、钻杆不转动，只沿轴线前后运动状态。此时钻杆的运动状态为外表面某一质点沿轴线做直线运动。此状态下转轮2沿轴线与钻杆轴线垂直的方向旋转。即旋转运动与钻杆轴线的夹角α=±90°。根据三角定律的正弦算法sin±90°=±1，故此时转轮2的正向位移即为钻进深度，负向位移即为退杆长度。 

上述四种运动状态在钻机打钻过程中会频繁且无规律的出现。钻孔测深主机会根据位移和角度信号实时进行分析运算，进行钻孔深度的累加或递减。 

当然，本发明的其他实施例若用β进行计算，则β∈（0.90）U（180.270）。同样可以实施并根据相应计算值进行正反运行的增量或减量的计算即可。 

如图1-图3所示，本发明的轮式钻孔深度测量仪的实施例，包括使用时安装于钻机上的轮式测深装置30和钻孔测深主机31，所述轮式测深装置31包括固定安装在钻机32上的固定架8，固定架8连有固定板7，固定板7固连有导向护筒19，导向护筒19中沿直线方向止旋导向移动装配有导向轴6，导向轴6的轴线延伸方向与其移动方向一致，导向轴6通过定位轴17与导向护筒19上的轴向长形槽止旋导向移动配合，导向轴6与导向护筒19之间还装有直线轴承16和对导向轴6施加压向钻杆的作用力的弹簧20。导向轴6一端同轴转动装配有轮架3。轮架3与导向轴6间设有采集轮架3相对于导向轴6的转动角度信号的角度传感器5，轮架3与导向轴6之间设有内设推力球轴承13的推力轴承座4，角度传感器转动部分51与轮架3固连，角度传感器固定部分52与导向轴6固连，角度传感器固定部分52具体被角度传感器固定件15通过压紧螺母14紧固在只轴向运动的导向轴6上而不能转动。因此当角度传感器转动部分51发生转动时，可测量出实时角度并将信号传送到钻孔测深主机31上。 

轮架3上转动装配有转轮2，转轮2的转动轴线与轮架3的转动轴线垂直但不相交，轮架3的转动轴线与转轮2的转动轴线之间存在设定的偏心距离，目的在于保证转轮2在钻杆1上做复杂运动时始终能产生对轮架3的旋转力矩，此旋转力矩可迫使轮架3与钻杆1的运动轨迹角度一致。并设有采集转轮2绕其轴线的旋转位移的位移传感器11，位移传感器固定件112通过位移传感器固定座12固定在轮架3上，转轮2与轮架3之间设有滚动轴承9，转轮2上连有与其旋转转动轴线同轴的传动轴10，位移传感器转动件111与传动轴10就连接，当位移传感器转动件111相对于固定件112发生转动时，固定件112采集转轮2的旋转位移信号并传送到钻孔测深主机31。 

位移传感器11和角度传感器5均采用光耦式传感器，通过光耦座（固定部分）测量旋转部分的旋转量，从而分别测算出位移及角度信号。钻孔测深主机31包括电源部分和信号处理显示部分，电源部分负责为传感器和主机提供电源，信号处理显示部分负责采集和处理位移和角度传感器的信号，并通过运算得出钻孔测深的深度等相关信息，并最终显示在主机界面上和将信息上传地面监控系统。 

上述实施例在使用时，轮式测深装置30通过固定架8安装在钻机的夹持器前端，并使轮式测深装置30的转轮2与钻杆贴合时处在钻杆径向最上方，轮式测深装置在测深过程中，位移传感器11的实时位移△L一直与所接触的钻杆1部分运动实时轨迹展开线长度一致。角度传感器5的实时角度信号α一直与转轮2所接触的运动质点相对于钻杆轴线的夹角角度一致。 

在上述实施例中弹簧20设置于导向轴与固定架之间，由于轮架与导向轴为固连而可以认为是轮架的一部分，在本发明的其他实施例中，弹簧20也可以由设置于转轮上、固定架与轮架之间的其他位置，或者轮架与转轮之间的对转轮施加压紧在钻杆上的弹性作用力的其他类型诸如扭簧、碟簧等其他弹性件代替。在轮式钻孔深度测量仪的其他实施例中，也可以没有钻孔测深主机而仅有轮式测深装置，此时可配套一台计算机进行数据处理。 

如下为钻杆在打钻过程中的运动状态，现分类进行说明： 

在整个打钻过程中，钻杆运动方式分为四种：

1、静止状态。转轮压紧钻杆，转轮及轮架相对钻杆静止，无位移和角度变化。

2、钻杆只旋转不进杆或退杆。此时钻杆的运动状态为外表面某一质点沿轴线做圆周运动。此状态下转轮2沿轴线与钻杆轴线平行的方向旋转。即旋转运动与钻杆轴线的夹角α=0°。根据三角定律的正弦算法sin0°=0，故虽然此时转轮2产生位移，但此状态下钻进深度为0。 

3、钻杆旋转同时轴向运动状态。此时钻杆的运动状态为外表面某一质点沿轴线做螺旋线运动。转轮2跟随转动并采集某一时间段的螺旋线展开长度△L。且角度传感器采集的转轮2轴线与钻杆1轴线夹角α∈（0.90）U（-90.0）。根据三角定律的正弦算法sinα≠0  α∈（0.90）U（-90.0）。此时产生的钻进深度L=△L×sinα≠0。当钻进深度L＞0时，为旋转钻进。当钻进深度L＜0时，为旋转退杆。 

4、钻杆不转动，只沿轴向前后运动状态。此时钻杆的运动状态为外表面某一质点沿轴线做直线运动。此状态下转轮2沿轴线与钻杆轴线垂直的方向旋转。即旋转运动与钻杆轴线的夹角α=±90°。根据三角定律的正弦算法sin±90°=±1，故此时转轮2的正向位移即为钻进深度，负向位移即为退杆长度。 

上述四种运动状态在钻机打钻过程中会频繁且无规律的出现。钻孔测深主机会根据位移和角度信号实时进行分析运算，进行钻孔深度的累加或递减。