用于在钻进期间确定钻具的位置的设备和方法与流程

本发明涉及一种被配置用以在岩钻期间确定钻具的位置的设备。该设备利用了磁场测量。

本发明还涉及一种设有所公开的设备的岩钻机，并且涉及一种用于在岩钻期间确定钻具的位置的方法和计算机程序产品。

背景技术：

在独立权利要求的前序中更具体地定义本发明的领域。

在矿场和其它工作地点，使用不同类型的岩钻机在岩石材料上钻进钻孔。钻机包括配备有钻进机器的钻进单元，钻具与之连接。在钻进期间，钻具承受不同的力，由此钻具可以向侧面移动，并偏离计划的钻进路线(drillingline)。由此，完成的钻孔会偏离设计的钻孔，并可能对钻进之后的程序造成问题。因此，公开了用于检查所钻的孔的特性的不同装置和方法。然而，在钻进期间对所钻的孔的特性进行感测存在诸多问题。在钻进期间的所钻的孔内的条件极为恶劣。因此，目前还没有令人满意的用于在钻进期间跟踪钻具的位置的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种新颖的和改进的设备和方法，用于在钻进期间跟踪钻具。另一个目的是提供一种配备有这种设备的岩钻机和用于实施所公开的解决方案的计算机程序。

根据本发明的设备的特征在于第一独立设备权利要求的表征性特征。

根据本发明的岩钻机的特征在于第二独立设备权利要求的表征性特征。

根据本发明的方法的特征在于独立方法权利要求的表征性特征。

根据本发明的计算机程序产品的特征在于第三独立设备权利要求的表征性特征。

所公开的解决方案的构思是在钻进过程期间监视钻具的位置。

该解决方案公开了一种用于感测钻具的侧向位置运动或横向位置运动的磁性跟踪系统。在公开的解决方案中，钻具的位置感测是基于磁性的。

该设备包括安装到旋转钻具上的至少一个磁源。此外，该设备至少包括仅两个磁力计，并且磁力计位于钻孔的外部。旋转磁场的感测数据从磁力计传输到配备有位置计算算法的控制单元。控制单元还被提供用于计算的基本数据，其中，所述基本数据包括磁力计的姿态和钻具的参考位置的位置。在钻具处于参考位置时和在钻具移动到新的位置时，控制单元比较所接收的感测数据。由此，从感测数据检测到相角。如果在参考数据和感测数据之间未发生相角，则钻具未改变其位置。典型地是，发生某种位置改变，并且所述算法在计算已改变的位置时可以利用所检测的相角、已知的磁力计的姿态和已知的参考点的位置。

所公开的解决方案的优点在于，不需要使用井下仪器来确定钻孔的前进方向(heading)。另一优点在于，所公开的解决方案提供了随钻进进行测量(mwd)解决方案，即，在所钻的孔的钻进期间进行测量。

所公开的基于磁性的系统适合用于所有种类的钻进情况，除了其中磁性材料或铁矿石干扰到对钻具的旋转磁场进行感测的情况之外。

另一个优点是可以从很长的距离感测磁场。所钻的岩石材料可以是不均匀的，并且可以包括不同种类的岩石材料和不同的岩石品质，并且当使用所公开的解决方案时，仍然不会妨碍感测。

由于磁力计位于所检查的钻孔的外部，因此磁力计的定位容易而又快捷，此外，还有很多可选的位置可供选择作为磁力计的位置。

该解决方案也是不昂贵的，因为不需要对钻进装备进行大量的重新设计。为钻具提供一个或多个磁源就足够了，并且仅需对现有钻具进行较小的修改或额外添加。甚至有可能将磁体改造为现有的钻进组件。

另外，所公开的解决方案要求至少仅两个磁力计，由此限制了相对昂贵的磁力计的数目，而且该设备可以不太昂贵。

根据一个实施例，所述的参考数据在开始实际的钻进之前产生。然后，将具有磁源的钻具定位在所期望的钻孔位置，并根据所期望的钻孔方向对准钻具。钻孔的位置和方向可以在钻进图案或挖掘计划中预先确定。钻具的位置可用作所述的参考点，因为其位置是通过岩钻机准确已知的。钻进单元可以被支撑抵靠在岩石表面上，并且钻具绕其钻进轴线旋转。转速可以与实际钻进中使用的相同。由岩钻机的传感器感测所述转速。

根据一个实施例，所述的参考数据可以在任何的时间瞬间产生，即使在实际钻进已经开始之后也可以。但是，同样在此情况下，需要钻具和磁源的位置是能够检测的，以便于用作参考点。

根据一个实施例，钻具的旋转速率在初始参考测量和实际测量中相同，或者可替代地是，在确定相角时考虑改变的转速。换句话说，转速保持恒定，或者控制单元补偿可能的改变的转速，使得参考感测数据与实际感测数据的比较是可能的。

根据一个实施例，根据钻具的旋转角度检查由磁力计感测到的磁通量。因此，检查不按时间执行。

根据一个实施例，控制单元被配置用以基于检测到的相角和磁力计的输入位置和磁源的参考位置来计算关于钻具位置的二维(2d)数据。换句话说，控制单元计算相对于钻进轴线在横向方向上的位置改变。控制单元可以检查在二维平面中的情况。

根据一个实施例，该设备没有安装到钻具的任何电感测装置。因此，在钻进期间，没有电感测装置与钻具一起插入所钻的孔内。

根据一个实施例，该设备可以在旋转钻进以及冲击钻进中实施。此外，该设备适合与顶锤式钻进(tophammer)和潜孔钻进(down-the-holedrilling)解决方案一起使用。所公开的解决方案也可以在表面和地下钻进中实施。

根据一个实施例，在钻进期间实时执行位置数据的测量和计算。

根据一个实施例，控制单元被配置用以仅考虑旋转磁场，该旋转磁场的转速与钻具的转速相对应。因此，当寻找钻具的旋转磁场时，可以过滤掉、分离并可能地是忽略掉其它的磁场。

根据一个实施例，所检测的交变磁场的频率等于钻具的转速。

根据一个实施例，可以实施所公开的解决方案，而无关于钻孔的方向和目的。然后，当钻进向下或向上指向的钻孔时，所公开的测量可以被执行用于竖直钻进。此外，该测量也适合用于基本上水平钻进，例如在开凿隧道时的端面钻进。

根据一个实施例，磁力计的位置可以自由选择，只要在开始测量之前确定其位置和方向并将其输入到控制系统即可。

根据一个实施例，该设备可以包括三个、四个或者甚至更多的磁力计。磁力计的最小数量为两个。当实施更多数量的磁力计时，可以通过比较多个感测结果来验证测量的准确性。当在发生对磁场有干扰的问题所在的工作地点处进行操作时，该实施例也可以是有用的。

根据一个实施例，控制单元配备有用于执行所需计算的计算机程序产品或算法。计算程序或软件在计算时实施三角测量和三角法。

根据一个实施例，通过确定所接收的磁场数据的最大强度值来检查所接收的感测数据，并且检测在峰值处的所述磁源相对于被检查的磁力计的相应的旋转角度。此外，通过比较检测到的最大强度值的旋转角度，来确定参考感测数据与任何新的感测数据之间的相角。换句话说，该实施例利用了感测到的峰值。

根据一个实施例，控制单元被配置用以检测参考感测数据与实际感测数据之间的相位差。相位差的幅值指示磁源的位置相对于已知的参考位置的改变的幅值。换句话说，所检测的相位差的幅值指示相角的幅值。例如，相位差可以通过检查所述峰值来检测。

根据一个实施例，控制单元可以或可以不通过检查感测到的磁场的峰值来检测上述的相角和相位差。可替代地是，最小强度值可以用于上述检测。

根据一个实施例，用于确定相角和相位差的另一替代例是分析更宽的感测数据样本或连续地监视感测数据，以检测相位差和相角。然后，不是仅检查峰值或其它单个值，而是相反，分析包括更长的时间段。替代地是，可以检查多于一个的波长。该分析考虑在计算动量之前感测到的一个或多个波长。相角的计算可以是基于信号处理方法。替代地或附加地是，可以执行数学分析以确定相位差和相角，例如执行矢量代数和傅立叶变换。综上所述，存在有替代方法以用于分析磁力计的感测数据。

根据一个实施例，磁力计位于围绕所钻进的钻孔的岩石表面上。由此，可以容易且快捷地将磁力计安装在该表面上。

根据一个实施例，磁力计位于表面水平高度上。这样，磁力计和控制单元之间的数据传输就很容易安排。此外，当磁力计被表面安装时，它们不会受到恶劣的地下环境的影响。由此，可以使用标准的市售磁力计进行测量。

根据一个实施例，磁力计位于水平或基本水平的平面上。

根据一个实施例，磁力计的已知的位置和磁源的参考位置限定二维平面，在该二维平面上检查磁源的位置改变。位置可以以x-y坐标定义。

根据一个实施例，关于已完成的钻孔的设计深度来选择磁力计距离钻孔的横向距离。该距离通常为几米，并且可以例如高达10-20米。

根据一个实施例，在特殊情况下，一个或多个磁力计距离钻孔的横向距离可以相对较小。由此，所述一个或多个磁力计可以位于钻孔的附近，但无论如何都位于钻孔的外部。

根据一个实施例，磁力计安装到岩钻机。由此，磁力计可以例如安装在载具上，安装到钻臂，或安装到钻进单元。此外，磁力计可以安装到臂上，使得它们可以位于距离钻具更大的侧向距离处。借助于臂，磁力计可以定位在钻具周围的期望位置处。所提到的臂可以是可移动的，使得相对于钻具的位置和距离可以改变。臂还可以具有缩回的运输或存储位置，以及伸出的感测或操作位置。

根据一个实施例，所公开的解决方案利用三个方向磁力计，其能够以三个分量、即x分量、y分量和z分量来感测磁通量。当通过测量系统知道磁力计的位置和定向时，则可以在确定相角时检查所选定的感测分量。

根据一个实施例，除了检测到的磁源的位置的二维改变之外，还包括有第三维。因此，测量钻进深度，并将其包括在检查中。这样，可以产生三维位置数据。钻进深度也可以称为前进距离。

根据一个实施例，通过设备外部的距离感测装置产生关于前进距离的数据。存在有多种替代方式和原理以用于感测钻进深度。

根据一个实施例，距离感测装置被安装到岩钻机的钻进单元。钻进单元在钻进期间操纵钻进组件，并且位于钻进单元中的距离感测单元可以监视钻进组件的进给。

根据一个实施例，距离感测装置被配置用以确定钻头与钻孔的开口或孔嘴之间的距离。

根据一个实施例，该解决方案旨在检测钻进期间钻具的弯曲以及所造成的所钻的孔的平直度的偏差。为了检测弯曲，需要在不同的钻孔深度执行几次测量。然后，使用磁源在所钻的孔内的不同的前进距离处的若干测量点。可以根据情况选择测量点的数量和深度。在每个测量点，对从磁力计接收到的感测数据进行分析，并计算位置数据。控制单元比较计算出的位置数据，并基于所计算的位置数据上的检测到的差异来确定所述弯曲。

根据一个实施例，在确定岩钻的品质和确定已完成的钻孔的质量时实施所确定的关于弯曲的数据。

根据一个实施例，所确定的关于弯曲的数据是在钻进期间实施的，用于启动和控制校正措施。校正措施可以包括定向钻进，其中主动地引导钻进，以补偿检测到的钻具和所钻的孔的弯曲。还有一种可能的实现方式是有目的地引导钻具，使其变得弯曲，从而产生具有所期望的非线性的前进轮廓或侧面轮廓的钻孔。

根据一个实施例，控制单元被配置用以产生关于磁源的已改变的位置的坐标数据。然后，向控制单元提供关于磁力计和参考位置在工作地点坐标系中的坐标的数据。

根据一个实施例，上述工作地点坐标系可以是矿场坐标系或投影坐标系。

根据一个实施例，具有坐标的上述位置数据可以经由工作地点坐标系而链接到钻进计划、装药计划或加固计划。

根据一个实施例，控制单元被配置用以响应于磁源相对于钻具的端面表面的所输入的位置数据，来计算所述端面表面的位置，由此，以端面表面的位置来检查钻具的位置。

根据一个实施例，在钻进阶段期间，钻具的上述端面的位置等于钻孔的底部的位置。钻孔的底部的位置很重要，尤其是在向所钻的孔装填炸药时。

根据一个实施例，控制单元设有一个或多个处理器，该处理器被配置用以执行位置检测算法，该算法的执行被配置用以响应于所接收的磁力计的感测数据以及所输入的参考数据和位置数据，来计算磁源的位置。

根据一个实施例，所述位置检测算法、计算机程序产品或软件被配置用以在计算时实施三角测量和三角法。

根据一个实施例，控制单元被配置用以在不比较所检测的磁场的强度的情况下执行位置确定。

根据一个实施例，所检测的磁场的强度对于位置检测不重要，因为检测是基于当磁源在参考点处和在已改变的新位置处时确定所感测的磁场的相角。旋转的磁源产生交变磁场，该交变磁场由位于不同位置的磁力计感测到。旋转磁场在不同的相位上与磁力计对准。当检测到指示从已知的参考点的位置改变的至少两个相角时，则可以计算新的位置。

根据一个实施例，磁力计可以位于距离钻孔不同的距离处，此外，围绕钻孔的岩石材料可以具有不同的特性。因此，由分别的磁力计检测到的磁场强度是不同的。当位置检测是基于相角而不是基于磁场强度时，则岩石材料中磁场的衰减不会影响所公开的定位感测过程。

根据一个实施例，磁源是永磁体。永磁体不昂贵，并且其到钻具的安装相对简单。

根据一个实施例，磁源是电磁体或线圈。

根据一个实施例，磁源被安装到位于钻具的远端上的钻头。

根据一个实施例，磁源被安装到钻杆或钻管。

根据一个实施例，磁源被安装到位于钻头与钻杆或钻管之间的适配器件上。适配器件可以是特别设计用于接纳所述一个或多个磁源的组件。

根据一个实施例，磁源被非铁磁材料覆盖或环绕。该材料可以是弹性材料，从而可以用作保护材料层。周围的材料可以在操作期间减弱被引导到磁源的力，从而可以延长磁源的使用寿命。特别是在冲击钻进中，发现阻尼特征可能是有用的。磁场良好地贯穿非铁磁材料。

根据一个实施例，当钻具或其钻进组件由铁磁材料制成时，其可以在其径向外表面上包括凹部，用于与周围的非铁磁填充材料一起接纳磁源。当在钻头和钻杆或钻管之间施加专门的适配器元件时，则适配器可以由不锈钢或另一种非铁磁钢材料制成。

根据一个实施例，所公开的设备和解决方案可以被实现用于检查已经钻出的钻孔的平直度。然后，将具有磁源的钻具首先定位到参考位置，诸如定位在钻孔的孔嘴开口处，用于产生参考数据。此后，将钻具纵向移动至所期望的一个或多个钻孔深度，并且如本文中所公开的那样计算钻具和磁源的位置改变。

根据一个实施例，可以在不计算磁源的绝对位置的情况下在检测钻孔的平直度时实施所公开的设备和解决方案。代替计算的位置坐标，控制单元可以被提供关于实际钻进的感测数据与参考数据之间的相角差或相位差的最大偏差的极限值。当超过极限值时，则可以终止钻进，可以产生警告信号，或者可以启动校正措施。

根据一个实施例，所公开的测量原理可以结合专用的测量装置来实现。由此，将磁源安装到测量的仪器、探头、组件或元件上，这些仪器、探头、组件或元件可以围绕其纵向轴线旋转并且可以在钻孔内沿纵向方向移动。换句话说，该特殊实施例不是根据在本文的权利要求书中限定的本发明的实施例，其不包括有任何的钻具。所公开的实施例可以是意图用于测量已经钻出的钻孔的平直度的专用测量装置。

上面公开的实施例可以被组合起来，以便形成合适的解决方案，其具有上述特征中的所需的特征。

附图说明

在附图中更详细地描述了一些实施例，在附图中

图1是岩钻机的示意性侧视图，

图2是示出所公开的设备的组件的示意图，

图3是钻具及其设有磁源的组件的示意性侧视图，

图4是在钻孔的底部处的钻具的示意性侧视图，

图5是被非铁磁保护材料包围的磁源的示意性侧视图，

图6是示出意图用于执行位置检测的控制单元的示意图，

图7是包括两个磁力计和安装到旋转钻具上的磁源的测量布置的示意性顶视图，

图8是磁力计在参考位置和在磁源的已改变的位置处获取的磁场测量的示意性曲线图，

图9是用于检测钻孔的平直度的测量布置的示意性侧视图，

图10是示出用于磁力计的替代安装布置的示意性侧视图，和

图11是磁场测量和相角的确定的示意性曲线图。

为了清楚起见，附图以简化的方式示出了所公开的解决方案的一些实施例。在附图中，相似的附图标记表示相似的元件。

具体实施方式

图1示出了用于钻进钻孔2的岩钻机1。岩钻机1包括可移动的载具3和连接至载具3的一个或多个钻臂4。钻臂4设有钻进单元5，其包括进给梁6和可移动地支撑在该进给梁上的岩钻机器7。钻具8可连接到岩钻机器7，并且可以借助于岩钻机器7的旋转装置而绕钻进轴线9被旋转r。在钻具8的远端处是钻头10。岩钻机器7可以包括用于产生向钻具8的冲击脉冲的冲击装置。该冲击装置可以定位成关联于钻进机器7，或者定位在钻具的远端部分处，由此，冲击岩石钻进可以是顶锤式钻进或潜孔钻进。另一替代例在于，钻进是无冲击的旋转钻进。岩钻机器7在钻进期间通过进给装置(图1中未公开)被进给f。

图1的岩钻机1意图用于竖直表面钻进，并可以配备本文中公开的设备。但是，图1的解决方案是仅一种钻进应用。所公开的解决方案也可以用在其它的钻进解决方案中，例如用在长孔钻进、端面钻进、台式钻进中等等。

图2公开了一种用于对钻具进行定位感测的设备11。设备11包括一个或多个控制单元cu，用于分析从两个或更多个磁力计12接收到的感测数据。设备11还包括一个或多个磁源13，其安装到可旋转的钻具。设备11还可以设有深度感测装置14，其用于确定磁源在钻孔内的前进距离。

图3公开了一种钻具8，其可以包括彼此连接的多个钻进组件。钻具8可以包括一个或多个钻杆15或钻管以及钻头10。适配器件16可以布置在钻杆15和钻头10之间。组件15、16、10中的至少一个设有至少一个磁源13。磁源13被安装成使得磁场的轴线17横向于钻具8的钻进轴线9。可以在一个组件中使用多个磁源13，或者为多个组件设置磁源13。

图4公开了钻具8的远端部。适配器件16在钻头10和钻杆15之间，且由非铁磁材料制成并且包括永磁体13。由此，磁体13靠近钻头的端面和钻孔2的底部18。磁体13和底部18之间的距离是已知的，由此可以通过所公开的方案来感测到钻孔的底部18的位置。

图5公开了保护材料19可以围绕磁源13布置，该保护材料可以由非铁磁材料形成。保护材料19可以减弱引导到磁源13的机械力，并且还可以将其封装起来，以免受钻孔内发生的恶劣条件的影响。保护材料19还可以参与对磁源13的固定。

图6公开了一种控制单元cu，其包括处理器20，用于执行输入到控制单元cu的位置检测程序21。控制单元cu还包括用于存储程序和数据的存储器装置22，以及用于与服务器和其它控制单元(例如与岩钻机的钻进控制单元或与矿场控制系统)通信的数据通信装置23。控制单元具有用于接收关于磁力计的位置和定向数据25的输入装置24。参考数据26包括关于磁源的参考位置27的数据和磁力计的参考感测数据28，在执行实际位置测量之前，还将该参考数据26输入到控制单元。当跟踪钻具的位置时，由磁力计产生的感测数据29被输入到控制单元cu。还可以输入关于被跟踪的磁源的前进距离的数据30。控制单元分析所输入的数据，并且由处理器20执行的分析和计算的结果通过输出装置31传输到期望的系统、服务器和控制单元。例如，控制单元cu可以产生关于钻具的位置数据32、关于钻孔的平直度或钻具的弯曲的数据33、用于引导和控制钻进过程的控制命令34，以及对钻进图案、挖掘计划和装药计划的更新35。

图6还公开了可以感测钻具和所包括的磁源的旋转数据41，并将其输入到控制单元cu。旋转数据41可以借助于分开的感测装置来确定，这些感测装置被布置为关联于钻进单元。由于旋转是钻进过程的一个控制参数，因此通过系统已知钻进的旋转数据41。但是，旋转数据41也可以通过分析从磁力计接收到的感测结果来确定。

图7示出了所公开的测量原理，其中设有磁源13的钻具8被旋转，并且可通过第一磁力计12a和第二磁力计12b感测到旋转角度a。计算中需要的参考数据可通过使钻具8在已知的参考位置27处旋转而产生。然后，通过磁力计12a和12b感测旋转磁场，并且产生第一参考感测数据28a和第二参考感测数据28b。参考数据可以在开始实际钻进之前产生。在正常钻进期间，通过磁力计12a、12b产生实际感测数据29a、29b。如果钻具8从检查平面中的已知的参考点27改变其位置，并移动t到新的位置36，则在第一参考感测数据28a和实际第一感测数据29a之间存在第一相角b，并且相应地是，在第二参考感测数据28b和实际第二感测数据29b之间存在第二相角c。这是因为在第一磁力计12a和磁源13之间并且相应地是在第二磁力计12b和磁源13之间的对准发生改变。另外，通过跟踪系统已知磁力计12a、12b的位置25a、25b，由此可计算新的位置36的位置数据。实际计算是基于本领域技术人员熟悉的正态三角法，因此在此不进行详细公开。

在图7中，线28a-28c和29a-29b仅用于例示感测数据。实际的感测数据包括信号，并且通常具有如图8和11中所公开的正弦波形。因此，图7是用于提高对所公开方案的理解的简化图。

图8公开了第一参考感测数据28a和第一实际感测数据29a的曲线图。示出了相对于钻具的旋转角度a的感测到的磁场的大小或强度h。可以注意到，参考数据28a和感测数据29a可以被示为正弦波。当检查正弦波时，例如检查峰值37a和37b时，可以注意到峰值37a、37b存在偏移。换句话说，这些曲线具有相位差。所述相位差对应于第一相角b。可以以类似方式示出并确定相角c。

图9公开了一种确定钻孔2的弯曲的测量原理。钻具8位于钻孔的起点处，该点可用作参考点。岩钻机的定位系统知道钻具在起点处的准确位置。磁力计12a和12b安装在岩石表面38上，并且它们可以位于距离钻具8的不同的距离l1和l2处。例如，可以在工作地点坐标系39中确定磁力计12a、12b和定位到参考点的钻具8的位置。当钻进开始时，通过检查由磁源13产生的旋转磁场来确定钻具8的位置。借助于传感器14同时感测钻具8的前进距离。当在多个测量点mp1-mp3处执行位置测量时，检测到在不同的前进距离ad1-ad3处的位置。基于所获得的数据，可以在控制单元cu中检查钻孔2的平直度。

图10公开了一种解决方案，其中磁力计12a、12b通过臂40连接到钻进单元5。臂40可以是可移动的，并且可以包括接头。

图11公开了根据磁源的旋转角度a的磁力计12b的读数或输出。参考正弦波28b和实际感测正弦波29b具有不同的相角c。尽管在参考点处的和在新的改变后的位置处的振幅h1和h2(即磁场强度)不同，但也可以确定相角c。因此，图11示出了可以在不检查磁场的强度值的情况下完成位置确定。换句话说，磁通密度e的值、即感测到的特斯拉[t]，对于相角的确定不具有特别重要性。

附图和相关描述仅旨在说明本发明的思想。在本发明的细节上，本发明可以在权利要求书的范围内变化。