一种水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置及系统的制作方法

本发明涉及地质勘探技术领域，更具体地说，涉及一种水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置，还涉及一种水平取芯钻机斜面钻头方位识别系统。

背景技术：

水平取芯钻机因能直观的获得岩芯地质资料而多用于地下施工前的地质勘探工作。但现有技术中水平取芯钻机只具有钻进功能，并不能在钻进过程中精确调整钻进方向。一旦发现钻进方向偏离设计方向，只能钻机整体回退，重新确定钻进方向继续钻进。而钻机整体回退重新钻进，不但耗时耗力，还极易发生堵孔、埋机等事故，造成重大经济损失。现有技术中，水平取芯钻机不能在钻进过程中精确调向的原因有二：1、取芯钻机施工环境恶劣，通常为高温、震动巨大、扬尘严重的环境，因此无法为任何电动控制和实时测量传感器提供供电及数据传输的线缆；2、为快速高效的完成取芯，相比于其他地下施工设备，钻机设计往往小巧、轻便、结构简单，而取芯通道需要占用整个取芯钻机的中心通道，故水平钻机精准方位测量与调向机构难以布置于钻机上。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置，以解决现有的取芯钻机的方位测量与调向机构难以布置、无法实现取芯钻机精准调向的问题。本发明的第二个目的在于提供一种包括上述水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置的水平取芯钻机斜面钻头方位识别系统。

为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：

一种水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置，包括能够设于钻杆内部的装置本体，所述装置本体包括：

用于测量井斜角、方位角及工具面参数的测斜仪；

钻头斜面转动角度检测组件，所述钻头斜面转动角度检测组件包括安装节、沿所述安装节的周向均匀设置的若干个位置检测单元和用于设置在钻杆的周向内壁上标记钻头斜面位置的标记件，若干个所述位置检测单元用以检测所述标记件在钻杆的周向内壁上的位置以得到钻头斜面相对于所述安装节的转动角度；

用以对所述安装节的自转角度进行检测的自转角度检测单元，根据所述转动角度和所述自转角度得到钻头斜面相对于井口实际转动角度。

优选地，所述钻头斜面转动角度检测组件还包括分别与所述位置检测单元和所述自转角度检测单元连接的第一电路板和第一电池组件，所述第一电路板包括用于离线数据导出的第一数据存储模块。

优选地，所述测斜仪包括第二电池组件和第二电路板，所述第二电路板包括用于离线数据导出的第二数据存储模块。

优选地，所述位置检测单元的个数具体为4或6个。

优选地，所述自转角度检测单元具体为加速度传感器，所述加速度传感器设于所述安装节内以检测所述安装节的自转角度。

优选地，所述位置检测单元具体为电磁接近开关，所述标记件具体为永磁铁。

优选地，所述测斜仪和所述钻头斜面转动角度检测组件间依次设有扶正减振器和隔磁加长杆，所述隔磁加长杆经转接头与所述钻头斜面转动角度检测组件连接；

所述测斜仪的前端自外至内依次设有导引头、用于与钻杆的周向侧壁定位的楔口定位件和减振件。

优选地，所述永磁铁设置于钻头斜面的中心线所在垂直面与钻杆的周向侧壁的相交线上。

优选地，所述永磁铁为弧形永磁铁，所述弧形永磁铁的外圆壁与钻杆的周向侧壁嵌合设置。

本发明提供的水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置，包括能够设于钻杆内部的装置本体，装置本体包括：用于测量井斜角、方位角及工具面参数的测斜仪；钻头斜面转动角度检测组件，钻头斜面转动角度检测组件包括安装节、沿安装节的周向均匀设置的若干位置检测单元和用于设置在钻杆上、标记钻头斜面位置的标记件，若干个位置检测单元用以检测标记件的位置以得到钻头斜面相对于安装节的转动角度；用以对安装节的自转角度进行检测的自转角度检测单元，根据转动角度和自转角度得到钻头斜面相对于井口实际转动角度。

应用本发明提供的水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置，在钻机停机时，将装置本体伸入至钻杆内，通过测斜仪对井斜角、方位角和工具面参数进行测量，若干个位置检测单元和标记件配合，以对钻头斜面相对于安装节的转动角度进行检测，同时通过自转角度检测单元对安装节的自转角度进行检测，通过钻头斜面相对于安装节的转动角度和安装节的自转角度得到钻头斜面相对于井口实际转动角度，从而使得作业人员根据该角度控制斜面方向以进行精准调向。上述装置结构简单，无需在钻机上设置线缆或其他方位测量机构，在装置作业完成后可快速取出，操作简单便于设置。

为了达到上述第二个目的，本发明提供一种水平取芯钻机斜面钻头方位识别系统，该系统包括主控装置，还包括如上述任一实施例所述的水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置，测斜仪和钻头斜面转动角度检测组件分别与主控装置经无线通讯模块连接。由于上述的水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置具有上述技术效果，具有该水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置的水平取芯钻机斜面钻头方位识别系统也应具有相应的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的钻头斜面转动角度检测组件和钻头斜面的位置结构示意图。

附图中标记如下：

导引头1、楔口定位件2、减振件3、测斜仪4、扶正减振器5、隔磁加长杆6、转接头7、钻头斜面转动角度检测组件8、钻杆9、安装节10、电磁感应开关11、标记件12、钻头斜面13。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置，以解决现有的取芯钻机的方位测量与调向机构难以布置、无法实现取芯钻机精准调向的问题。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图2，图1为本发明实施例提供的一种水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的钻头斜面转动角度检测组件和钻头斜面的位置结构示意图。

在一种具体的实施方式中，本发明提供的水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置，包括能够设于钻杆9内部的装置本体，装置本体包括：

用于测量井斜角、方位角及工具面参数的测斜仪4；测斜仪4通过三个相互垂直安装的重力加速度计测量自身的井斜角、方位角和工具面参数，测斜仪4能够对数据进行存储，测量完毕后拉出可离线将数据导出，测斜仪4为一种成熟的现有设备，其可根据现有技术的发展水平进行设置。

钻头斜面13转动角度检测组件8，钻头斜面13转动角度检测组件8包括安装节10、沿安装节10的周向均匀设置的若干位置检测单元和用于设置在钻杆9的周向内壁上标记钻头斜面13位置的标记件12，若干个位置检测单元用以检测标记件12在钻杆9的周向内壁上的位置以得到钻头斜面13相对于安装节10的转动角度；

标记件12可设置在钻头斜面13在钻杆9的周向内壁的相应位置处，标记件12可与钻头斜面13的尖端共线设置，或者钻头斜面13的中心线所在竖直面与钻杆9的周向内壁的相交线上，可根据需要设置标记件12的位置，以便于对钻头斜面13和井口间转动角度进行计算。

用以对安装节10的自转角度进行检测的自转角度检测单元，根据转动角度和自转角度得到钻头斜面13相对于井口实际转动角度。

安装节10优选设置为环形套筒，优选地，若干个位置检测单元沿安装节10的周向均匀设置，将装置本体安装在钻杆9内时，靠近标记件12的位置检测单元检测到标记件12进行数据存储或发送信号至控制装置，以对标记件12的位置进行检测，并根据计算得到钻头斜面13相对于安装节10的转动角度及所在象限。

位置检测单元优选设置为4或6个，以位置检测单元为4个进行说明，四个位置检测单元分别设置在x、y轴上形成四个象限，通过各个位置检测单元的检测信号判断标记件12所在象限，同时可根据检测信号的电流/电压大小进行角度计算，优选设置6个位置检测单元，以提高检测精度，可根据安装节10的安装空间及检测精度设置位置检测单元的个数。

并通过自转角度检测单元对装置本体进入钻杆9时的自转角度进行测量，由此以得到各位置检测单元相对于井口的偏移角度，并得到钻头斜面13相对于井口实际转动角度及所处象限。自转角度检测单元可具体为加速度传感器，加速度传感器设于安装节10内以检测安装节10的自转角度，在其他实施例中可以为编码器、角度传感器等，可根据需要进行设置。

可以理解的是，位置检测单元连接有电池和电路板，以实现正常检测作业，电池和电路板的具体结构及连接关系可参考现有技术。

应用本发明提供的水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置，在钻机停机时，将装置本体伸入至钻杆9内，通过测斜仪4对井斜角、方位角和工具面参数进行测量，若干个位置检测单元和标记件12配合，以对钻头斜面13相对于安装节10的转动角度进行检测，同时通过自转角度检测单元对安装节10的自转角度进行检测，通过钻头斜面13相对于安装节10的转动角度和安装节10的自转角度得到钻头斜面相对于井口实际转动角度，从而使得作业人员根据该角度控制斜面方向以进行精准调向。上述装置结构简单，无需在钻机上设置线缆或其他方位测量机构，在装置作业完成后可快速取出，操作简单便于设置。

具体的，钻头斜面13转动角度检测组件8还包括分别与位置检测单元和自转角度检测单元连接的第一电路板和第一电池组件，第一电路板包括用于离线数据导出的第一数据存储模块，第一数据存储模块可具体为sd卡，第一电路板和第一电池组件分别设置在安装节10上，优选为第一数据存储模块设置在第一电路板上实现数据存储，如可通过控制芯片实现。

进一步地，测斜仪4包括第二电池组件和第二电路板，第二电路板包括用于离线数据导出的第二数据存储模块。第二电池组件为电池筒，第二电池组件、第二电路板和第二数据存储模块的具体结构及连接关系可参考现有技术，在此不再赘述，上述分别实现测斜仪4和钻头斜面13转动角度检测组件8的数据存储，其无需外接线缆即可实现数据测量，在测量后离线进行数据导出，使得安装及测量操作方便。

在上述各实施例的基础上，位置检测单元具体为电磁接近开关，标记件12具体为永磁铁。电磁接近开关适用于泥和水的钻杆9中且能够保证检测精度，在其他实施例中，可根据现有技术的发展水平设置位置检测单元，均在本发明的保护范围内。

在一种实施例中，测斜仪4和钻头斜面13转动角度检测组件8间依次设有扶正减振器5和隔磁加长杆6，隔磁加长杆6经转接头7与钻头斜面13转动角度检测组件8连接；对测斜仪4和钻头斜面转动角度检测组件的顺序不做限制，在其他实施例中也可以进行置换，扶正减振器5减小管体的位置偏差，通过设置隔磁加长杆6使得电磁感应开关11在无磁环境中进行测量，隔磁加长杆6的长度可设置为3米，在其他实施例中根据需要设置隔磁加长杆6的长度。转接头7分别与隔磁加长杆6和安装节10可拆卸的固定连接，如通过螺栓等进行固定。安装节10的另一端可设置活塞、支架和钢丝锁头实现装置辅助固定，同时便于整个装置本体的拉出及送入。

进一步地，测斜仪4的前端自外至内依次设有导引头1、用于与钻杆9的周向侧壁定位的楔口定位件2和减振件3。通过导引头1对装置本体进入钻杆9的运动过程进行导引，同时钻杆9的周向侧壁上设置定位凸台，定位凸台与楔口定位件2配合对装置本体进行定位，保证每次测量时测斜仪4的位置固定。通过减振件3减轻移动过程和楔口定位件2定位时对测斜仪4的振动，提高测量精度同时延长装置的使用寿命。

具体的，永磁铁设置于钻头斜面13的中心线所在垂直面与钻杆9的周向侧壁的相交线上，中心线所在垂直面与钻头斜面13垂直，永磁铁优选设置在相交线靠后位置，永磁铁为弧形永磁铁，弧形永磁铁的外圆壁与钻杆9的周向侧壁嵌合设置，增加永磁铁与钻杆9的周向侧壁的接触面积，提高稳固度，永磁铁的具体形状可根据安装空间进行设置，对其形状不作限定，均在本发明的保护范围内，在一种实施例中，弧形永磁铁的圆心角为90度，电磁接近开关的个数为四个。在实际测量过程中，当安装节10经过弧形永磁铁区域时，将会有一个电磁接近开关有感应信号，从而确定钻头斜面13相对于安装节10的转动角度，结合加速度计数据(即电磁感应短节送入过程中本身自转角度)，即可计算出钻头斜面13相对于井口实际转动角度所处象限，从而明确应该如何控制斜面方向实现有效调向。

上述装置能够实现长距离水平钻机钻进轨迹的精确测量；同时配合斜面钻头调向需要，配备磁感应短节，能够实现准确判断斜面钻头相对于井口的转动角度所处象限，从而为操作手精准调向提供参考数据。为保证取芯钻机连续取芯，钻机整个中心通道设计为取芯通道。取芯钻机取芯钻进时，取芯通道中充满岩芯；待取芯钻机停机时，可利用空的取芯通道作为测量通道，将整个装置送入并进行测量，其测量结果通过数据存储模块存储，测量完毕拉出后，离线导出数据到软件中进行处理。

基于上述实施例中提供的水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置，本发明还提供了一种水平取芯钻机斜面钻头方位识别系统，包括主控装置，还包括如上述任一实施例所述的水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置，测斜仪4和钻头斜面13转动角度检测组件8分别与主控装置无线通讯模块连接。优选地，测斜仪4、电磁感应开关11和自转角度检测单元分别通过蓝牙模块与主控装置连接，实现数据的无线传输。

同时，由于该水平取芯钻机斜面钻头方位识别系统采用了上述实施例中的水平取芯钻机斜面钻头方位识别装置，所以该水平取芯钻机斜面钻头方位识别系统的有益效果请参考上实施例。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。