专利名称：光电式12分度钻具面角随钻传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器，特别是一种钻具面角随钻传感器，它应用于地下近水平控向钻进领域，如地下近水平对接孔工程、非开挖铺设地下管线工程、油气近水平井方向控制等。
背景技术：
钻具面角是指地下钻头部位两个特定的空间平面(平面1和平面2)所构成的夹角，如图1所示，图中1-导斜面、2-钻具、3-钻具面角、4-铅垂面、5-钻具母线面、6-预设母线，平面1是地下钻头(钻具2)的中轴线与钻具外侧缘上沿轴向刻划出的某一母线(预设母线6)所形成的钻具母线面5，平面2是通过钻具中轴线的铅垂面4。钻具面角直接反映钻头控向斜面所处的实时方位，根据该参数，司钻人员可以控制钻孔轨迹的走向，实现导向钻进或进行钻孔纠偏。
现有测试钻具面角的方法有顺着地表钻杆母线定向，钻井陀螺定向，单、多点定位照相，井内电视、CCD摄像等方法。其中，地表钻杆母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，对于深孔来说该法不可行；钻井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；单、多点定位照相也非随钻测量，连续性较差；井内电视、CCD摄像等方法原理上可以获取孔内钻具面实况，但是要求孔内有足够的清晰度，这在绝大多数实际钻进中是不可能实现的，因为钻井循环液是混浊的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小、成本低、能随钻测试的光电式12分度钻具面角随钻传感器。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是光电式12分度钻具面角随钻传感器，其特征是前盖板7沿圆周上均匀布置有6个发光孔10，6个红外发光管9分别位于发光孔10内；容纳仓体16靠前盖板7的一边开有容纳仓14，阻光器15位于容纳仓14内，容纳仓14的底端的容纳仓体圆周面上均匀布置有6个透光孔17，透光孔17的一端与容纳仓14相通，6个红外接收管13分别位于透光孔17内；前盖板7与容纳仓体16固定连接，前盖板7与容纳仓体16之间为容纳仓14，若透光孔17直径为D2，分度圆(6个发光孔或透光孔圆心所在的圆)直径为D3，则阻光器15直径为D1＝D3+2D2容纳仓14的内径为D0=1+32D3+D2]]>每对发光孔10与透光孔17同光轴。
所述的容纳仓体16的透光孔17的另一端底面上固定有圆形印制板12，容纳仓体16的另一边设有连接耳18。
本发明运用圆饼重力滚动力学原理，在近水平孔状况下阻光器的滚动摩擦力极低，因此可以准确、快速地定位出导向钻具面相对于垂直面的转角；通过光电转换原理实现转角物理量到电量的变换，得到可以高效、可靠地采集、处理和传输的反映钻具面角的电平量信息；对阻光器、容纳仓和透光孔的尺寸进行科学设计计算，巧妙地利用“六孔位”实现“十二分度测量”，显著地缩小了传感器的体积，解决了小尺寸结构件难以加工较多孔眼的技术难点。本发明装在钻头部位，随着钻具的转动，能实时地通过遮住转至最下帮的1个或2个光通道，从而识别判定当前钻具面角的量值。
本发明以360°/12的分辨率满足广泛的近水平孔的钻具面角的随钻测试，精度较高，响应灵敏，抗振动性强，耗电低，体积小巧，安装、使用方便，成本极低(制作费约270元)，与二次仪表接口便利。同时，可按本原理方便地制作不同分辨率的近水平孔钻具面角传感器。
图1是钻具面角定义2是本发明前盖板的右视3是本发明结构示意4是本发明容纳仓体的左视5是本发明电原理6是本发明一孔被档示意7是本发明二孔被档示意8是本发明的液晶显示界面中1-导斜面、2-钻具、3-钻具面角、4-铅垂面、5-钻具母线面、6-预设母线、7-前盖板、8-连接螺孔、9-红外发光管、10-发光孔、11-连接螺孔、12-圆形印制板、13-红外接收管、14-容纳仓、15-阻光器、16-容纳仓体、17-透光孔、18-连接耳。
具体实施例方式
本发明针对地下近水平控向钻进工程需要随钻检测钻具面角这一关键技术问题，采用重力滚动滑块与光电效应结合的方法，实现钻具面角的随钻检测。由于地下钻孔口径的限制，要求传感器体积小，安装方便。另外，应能适应随钻测量的环境(抗振动等)。
如图2、图3、图4所示，光电式12分度钻具面角随钻传感器，前盖板7沿圆周上均匀布置有6个发光孔10，6个红外发光管9分别位于发光孔10内；容纳仓体16靠前盖板7的一边开有容纳仓14，阻光器15位于容纳仓14内，容纳仓14的底端的容纳仓体圆周面上均匀布置有6个透光孔17，透光孔17的一端与容纳仓14相通，6个红外接收管13分别位于透光孔17内；前盖板7与容纳仓体16由螺钉穿过连接螺孔8、连接螺孔11固定连接，所述的容纳仓体16的透光孔17的另一端底面上固定有圆形印制板12，容纳仓体16的另一边设有连接耳18，圆形印制板12上附有处理信号的贴片式电子元件、连接耳18便于与孔内钻具进行安装连接，前盖板7与容纳仓体16之间为容纳仓14，若透光孔17直径为D2，分度圆直径为D3，则阻光器15直径为D1＝D3+2D2容纳仓14的内径为D0=1+32D3+D2]]>每对发光孔10与透光孔17同光轴。这样，当2圆孔对称处在最底部时，该2圆孔正好被全部遮光，如图6、图7所示。
当圆周下部两个光敏管同时被遮住时，判定钻具面角等于这2个位置对应的钻具面角之和的一半。因此只需在圆平面布置6个孔位就可以实现12分度的面向角测量，显著地缩小了传感器的体积，解决了小尺寸结构件难以加工较多孔眼的技术难点。
为了降低该传感器的能耗，可采用CPU控制供电电源的节能模式，使耗电量大大减少。同时，传感器无易磨损元件，抗振动性好；传感器为光信号开关式，温漂小；信号整形器、电阻等都采用了贴片元件，传感器体积小，完全达到孔内随钻的工具面角传感器的要求。
如图8所示，传感器与相应二次仪表连接后，液晶显示的图像效果，12个圆环分隔区代表钻具面角传感器的12个方位，圆环中的点和中间示值为钻具面角的当前数值。司钻人员可以由此直接知道地下钻具斜面当前所指的方向，从而转动钻杆，调整控制该方向，使钻孔按人们预定的轨迹前进，实现导向钻进或进行钻孔纠偏。
容纳仓体16、前盖板7和重力式阻光器15均由黄铜(或不锈钢)材料制成；光发射管采用普通的红外发射管；为了光信号辨识的可靠性，光接收管采用了达林顿型红外接收管；6路电平判别系统由MC14096反向器(作整型用)和数字解码或微处理器构成；图5中的R1-R6为6个光接收管的供流分压电阻，R7、R8为光发射管的限流电阻，为减小能耗，采取了每三个光发射管串连供用一个电阻的方案；控制开关control可由CPU控制，避免光发射管处于常发光状态，节省电能。
工作过程如下传感器由一个随钻具一起转动的带前盖板的容纳仓体、一个可在容纳仓中自由滚动的圆饼状重力式阻光器、安装在前盖板和容纳仓上的6对按圆周均布的小圆孔中的红外发光/接收管及其6路电平判别系统组成。受重力作用，阻光器始终“滚沉”在圆周底部，遮住随钻具转至下部的一对光敏管的发光通道，使该接收管的输出电平改变，再由判别系统识别出该光敏管的序号(即体现与预定起始位置的偏转角)，从而得出钻具面角的数值。
权利要求
1.光电式12分度钻具面角随钻传感器，其特征是前盖板(7)沿圆周上均匀布置有6个发光孔(10)，6个红外发光管(9)分别位于发光孔(10)内；容纳仓体(16)靠前盖板(7)的一边开有容纳仓(14)，阻光器(15)位于容纳仓(14)内，容纳仓(14)的底端的容纳仓体圆周面上均匀布置有6个透光孔(17)，透光孔(17)的一端与容纳仓(14)相通，6个红外接收管(13)分别位于透光孔(17)内；前盖板(7)与容纳仓体(16)固定连接，前盖板(7)与容纳仓体(16)之间为容纳仓(14)，若透光孔(17)直径为D2，分度圆直径为D3，则阻光器(15)直径为D1＝D3+2D2容纳仓(14)的内径为D0=1+32D3+D2]]>每对发光孔(10)与透光孔(17)同光轴。
2.根据权利要求1所述的光电式12分度钻具面角随钻传感器，其特征是所述的容纳仓体(16)的透光孔(17)的另一端底面上固定有圆形印制板(12)，容纳仓体(16)的另一边设有连接耳(18)。
全文摘要
本发明涉及一种钻具面角随钻传感器。光电式12分度钻具面角随钻传感器，其特征是前盖板(7)沿圆周上均匀布置有6个发光孔(10)，6个红外发光管(9)分别位于发光孔(10)内；容纳仓体(16)靠前盖板(7)的一边开有容纳仓(14)，阻光器(15)位于容纳仓(14)内，容纳仓(14)的底端的容纳仓体圆周面上均匀布置有6个透光孔(17)，透光孔(17)的一端与容纳仓(14)相通，6个红外接收管(13)分别位于透光孔(17)内；前盖板(7)与容纳仓体(16)固定连接，前盖板(7)与容纳仓体(16)之间为容纳仓(14)，每对发光孔(10)与透光孔(17)同光轴。它具有能随钻测试、抗振动性强、体积小巧，安装、成本极低的特点。
文档编号E21B47/12GK1558089SQ20041001271
公开日2004年12月29日 申请日期2004年2月12日 优先权日2004年2月12日
发明者乌效鸣, 胡郁乐, 向荣忠, 刘国华, 吴来杰, 赵晶 申请人:中国地质大学(武汉)