专利名称：大钻机钻进过程中钻头中心坐标超声波实时测量的制作方法
技术领域：
本发明应用于大钻机钻井过程中井斜实时测量。可以应用于泥浆护井的竖井在大钻机钻井过程中实施井斜实时测量、也可应用于非泥浆护井的竖井在大钻机钻井过程中实施井斜实时测量。
二、对本发明的理解、检索、审查有参考作用的现有技术文件有《特殊凿井》，煤炭工业出版社出版，中国矿业学院主编，第四章第七节。发明专利《大钻机钻进过程中钻头中心坐标实时测量》，专利申请号91112725.9。
三背景技术：
现有井斜测量技术，一是传统的井斜测量技术，每钻进几十米停钻进行一次测量。二是尚未投入运行的井中心坐标实时测量技术，专利申请号为91112725.9所介绍的技术方法。但这种方法在推广应用上仍有很大的困难，主要是存在着以下的问题(一)、测井覆盖面窄。由于电磁波测距仪无法在泥浆井中工作，故它不能用于泥浆井的测量。而大钻机所钻的非泥浆井的数量仅占大钻机所钻竖井数量的十分之一。(二)、设备费用高。由于电磁波测距仪是一个精密的光电系统，它的成本高，也就决定了这个测量系统的设备费用高。(三)、操作过程复杂，要求的环境条件高。如校验管加工、操作的过程复杂;电磁波测距仪是高精度的光电设备，要防水、防潮，对环境条件要求苛刻。
四、本发明的目的制造出一种利用超声波测距实施大钻机钻进中钻头中心坐标实时测量的仪器，这种仪器能用于泥浆井，也能用于非泥浆井，仪器的成本低，精度高，操作简单，环境适应能力强。
五
发明内容
大钻机钻进过程中，钻杆外壁上的任一点，均是绕着钻头中心和转盘中心的连线作圆周运动。将超声波发射器安装在钻杆的外壁上，将超声波接收器安装在竖井的井壁上，超声波可以在空气中传播，也可以在泥浆中传播。设超声波的传播速度为V，发射器和接收器同步工作，当发射器发射信号的时间为T1，接收器接收到信号的时间为T2，则发射器和接收器间的距离为S＝V·(T2-T1)。当发射器发射超声波信号，井壁上最少有三个接收器接收到信号并已知接收器的中心坐标，就可以求出发射器的中心坐标。在大钻机钻井过程中，通过对距离进行连续测量，可以求出发射器在转杆这一位置绕钻头中心和转盘中心的连线运动的轨迹圆圆心坐标，当已知两个发射器的轨迹圆圆心坐标及发射器间的距离时，可求解出钻头的中心坐标。
(一)、钻头中心坐标的求解在竖井的井壁上设置两层超声波接收器，每层最少设置4个接收器，每层的任一个接收器与邻层的两个距离最近的接收器的距离相等，形成等腰三角形。附图(1)为两层接收器安装位置的井壁展开图，设每个接收器的中心坐标为已知，其中第1个接收器的中心坐标为(Xi，Yi，Zi)。
在钻杆上安装上、下两个超声波发射器。当两个发射器发射超声波信号，接收器接收后，经数据处理得出发射器和接收器间的距离。设上层的发射器至第1个、第(i+1)个、第(i+2)个接收器的距离分别为S1i、S1(i+1)、S1(i+2)，发射器的中心坐标为(X1j，Y1j，Z1j)，则可列出方程(X1j-Xi)2+(Y1j-Yi)2+(Z1j-Zi)2＝S1i2(X1j-X(i+1))2+(Y1j-Y(i+1))2+(Z1j-Z(i+1))2＝S1(i+1))2(X1j-X(i+2))2+(Y1j-Y(i+2))2+(Z1j-Z(i+2))2＝S1(i+2)2简化，得2·(X(i+1)-Xi)·X1j+2·(Y(i+1)-Yi)Y1j+2·(Z(i+1)-Zi)·Z1j-Si2+S(i+1)2+Xi2-X(i+1)2+Yi2-Y(i+1)2+Zi2-Z(i+1)2＝02·(X(i+2)-X(i+1))·X1j+2·(Y(i+2)-Y(i+1))Y1j+2·(Z(i+2)-Z(i+1))·Z1j-S(i+1)2+S(i+2)2+X(i+1)2-X(i+2)2+Y(i+1)2-Y(i+2)2+Z(i+1)2-Z(i+2)2＝0设a1＝2·(X(i+1)-Xi)，a2＝2·(Y(i+1)-Yi)a3＝2·(Z(i+1))-Zi) a4＝-S1i2+S1(i+1)2+Xi2-X(i+1)2+Yi2-Y(i+1)2+Zi2-Z(i+1)2a5＝2·(X(i+2)-X(i+1)) a6＝2·(Y(i+2)-Y(i+1))a7＝2·(Z(i+2)-Z(i+1)) a8＝-S1(i+1)2+S1(i+2)2+X(i+1)2-X(i+2)2+Y(i+1)2-Y(i+2)2+Z(i+1)2-Z(i+2)2
得a1·X1j+a2·Y1j+a3·Z1j+a4＝0a5·X1j+a6·Y1j+a7·Z1j+a8＝0解得X1j＝-(a6·Y1j+a7·Z1j+a8)/a5Y1j＝[(a3·a5-a1·a7)·Z1j+a4·a5+a1·a8]/(a2·a5-a1·a6)解法为给定Z1j一个值，计算X1j，Y1j，然后，逐次叠加一个△Z1j计算，直至X1j，Y1j相邻两次结果的差值小于0.1毫米时，此时的(X1j，Y1j，Z1j)即为所求的值。
同理，对于下层发射器，中心坐标的计算公式为X2j＝-(a6·Y2j+a7·Z2j+a8)/a5Y2j＝[(a3·a5-a1·a7)·Z2j+a4·a5+a1·a8]/(a2·a5-a1·a6)其中a1＝2·(X(i+1)-Xi)，a2＝2·(Y(i+1)-Yi)a3＝2·(Z(i+1)-Zi) a4＝-S2i2+S2(i+1)2+Xi2-X(i+1)2+Yi2-Y(i+1)2+Zi2-Z(i+1)2a5＝2·(X(i+2)-X(i+1))a6＝2·(Y(i+2)-Y(i+1)) a7＝2·(Z(i+2)-Z(i+1))a8＝-S2(i+1)2+S2(i+2)2+X(i+1)2-X(i+2)2+Y(i+1)2-Y(i+2)2+Z(i+1)2-Z(i+2)2由于发射器在钻杆的外侧，当大钻机钻进时，发射器连续工作，主机解算出发射器在不同位置的中心坐标数据，这些数据分布在以钻盘中心和钻头中心连线为圆心的圆周上。设，上层发射器的第一个坐标点与第二个坐标点的距离为S1，S1＝S1=(X12-X11)2+(Y12-Y11)2]]>，第1个坐标点与第i个坐标点的距离为S(i+1)，S(i-1)＝S(i-1)=(X1i-X11)2+(Y1i-Y11)2]]>，当S(i-1)≤S1时，钻杆已经转了一周，此时，可以求解这个轨迹圆的圆心坐标。方法为取圆周上的第1点、第i/3点、第2/3i点，如附图(2)所示。此时，过1点与i/3点的直线方程的斜率为K1＝[Y1(i/3)-Y11]/[X(1i/3)-X11］过1点、i/3点的中点且与该连线垂直的直线方程为Y-(Y11+Y1(i/3))/2＝-(X1(i/3)-X11)/(Y1(i/3)-Y11)·[X-(X11+X1(i/3))/2]同理，过1点、2/3i点的中点且与该连线垂直的直线方程为Y-(Y11+Y1(2/3i))/2＝-(X1(2/3i)-X11)/(Y1(2/3i)-Y11)·[X-(X11+X1(2/3i))/2]设b1＝(Y11+Y1(i/3))/2 b2＝-(X1(i/3)-X11)/(Y1(i/3)-Y11)b3＝(X11+X1(i/3))/2 b4＝(Y11+Y1(2/3i))/2b5＝(X1(2/3i)-X11)/(Y1(2/3i)-Y11) b6＝(X11+X1(2/3i))/2得Y-b1＝-b2(X-b3)Y-b4＝-b5(X-b6)解方程，得到发射器转动一周时的轨迹圆圆心坐标X＝(b4-b1-b2·b3+b5·b6)/(b5-b2)Y＝-b5·(X-b6)+b4在由1，i/3，2/3i点求得园心坐标后，再由2，(i/3+1)，(2/3i+1)点，3，(i/3+2)，(2/3i+2)点……直至(i/3-1)，(2/3i-1)，i点求解园心坐标为止。将取得的园心坐标取中数，即为一组坐标数据。
X01＝∑X Y01＝∑Y Z01＝∑Z当1/3i，2/3i不为整数时，舍支小数，取整数。
取30组坐标数据为一个测量过程，此时，上层发射器所处位置钻杆的中心坐标为X01＝∑X0i Y01＝∑Y0i Z01＝∑Z0i下层发射器所处位置钻杆的中心坐标求解方法与上层接收器求解钻杆中心坐标的方法相同，即X02＝∑X0i Y02＝∑Y0i Z02＝∑Z0i设两层发射器间的距离为S1，下层发射器所处位置的钻杆中心到钻头中心的距离为S2，则钻头中心坐标的计算公式为即X0＝X02+(X02-X01)·S2/S1Y0＝Y02+(Y02-Y01)·S2/S1Z0＝Z02+S2其中，S1＝S1=(X02-X01)2+(Y02-Y01)2+(Z02-Z01)2]]>(二)、竖井内超声波接收器中心坐标的确定制造一个超声波校验管。将校验管悬吊放置在竖井内三个不同的位置，校验管下端的发射器发射超声波信号，分别测量出至井壁上的每个接收器的距离。设校验管在1，2，3点的坐标分别为(X1，Y1，Z1)，(X2，Y2，Z2)，(X3，Y3，Z3)，1，2，3点至第i个接收器的测量距离分别为S1i，S2i，S3i，则第i点的坐标计算方法为Xi＝-(a6·Yi+a7·zi+a8)/a5Yi＝[(a3·a5-al·a7)·Zi-a4·a5+al·a8]/(a2·a5-al·a6)其中a1＝2·(X2-X1) a2＝2·(Y2-Y1) a3＝2·(Z2-Z1)a4＝-S1i2+S2i2+X12-X22+Y12-Y22+Z12-Z22a5＝2·(X3-X2) a6＝2·(Y3-Y2) a7＝2·(Z3-Z2)a8＝-S2i2+S3i2+X22-X32+Y22-Y32+Z22-Z32解法与求解钻杆上发射器中心坐标的解法相同。
(三)、超声波校验管的结构及技术要求附图(3)为超声波校验管的结构图。
校验管的高度线在标准管上，高度线绕标准管外侧，高度线平面与标准管中心线垂直。高度线宽0.5毫米。校验管的两个发射器中心相对于校验管中心的偏差小于5毫米。方位测量器的方位测量中误差小于1.5度。
发射器和方位测量器均用电缆与主机连接。超声波发射器发射的超声波信号为360度方位。方位测量器与小井测斜仪方位角测量的原理相同，如上海地质仪器厂生产的JJX-3型小井测斜仪。
校验管加工要保证不圆度小于0.1毫米，悬吊起来时垂直度小于0.1毫米。
(四)、超声波校验管中心坐标的确定校验管中心平面坐标的求解方法，与发明专利《大钻机钻进过程中钻头中心坐标实时测量》中利用经纬仪确定校验管中心坐标的方法相同。高程坐标的求解方法是，用经纬仪观测校验管高度线的垂直角，设为γ，由于校验管中心到经纬仪中心的水平距离已知，设为S，则高度线的高程坐标为H＝H0+S·tgγ其中，HO为经纬仪仪器中心的高程，可是大地坐标系的高程，也可是独立坐标系的高程。
发射器中心的高程为Z＝H+11为高度线到发射器中心的长度。
用经纬仪确定校验管的中心坐标虽然精度高，但操作过程复杂，时间长。在大钻机钻进过程中随时检查并确定校验管的中心坐标，可采用以下方法。
在井口周围，最少固定安装三个超声波接收器，三个接收器的中心不在一个平面内，设分别为N1，N2，N3点。将校验管放置在三个接收器外接圆内的三个不同位置，当用经纬仪确定校验管三个不同位置的坐标时，校验管上端的发射器发射超声波信号，分别测量出至地面上三个不同的接收器的距离，设至Ni点的距离为SNi1，SNi2，SNi3，求解Ni点的坐标(XNi，YNi，ZNi)的方法，与求解井内超声波接收器中心坐标的公式相同。
在大钻机钻进过程中，随时检查并确定井下接收器的中心坐标，采用将校验管悬吊于竖井内三个不同的位置，由上端发射器发射超声波信号，地面接收器接收，确定校验管的中心坐标，求解出下端发射器的中心坐标。由下端发射器发射超声波信号，确定井下接收器的中心坐标。
(五)、超声波测距的工作控制由于超声波发射器装置在大钻机的钻杆上，接收器装置在竖井的井壁上，接收器与主机采用电缆连接，发射器与主机的连接存在着一定困难。因此，超声波发射器与主机不用电缆连接，超声波测距采用以下方式控制。
1.设置同步时钟。在装有发射器的钻杆下井前，用电缆线将发射器与主机连接起来，进行时钟同步校正，并进行同步启动。
2.设置时间标尺△t。每台发射器发射信号的时间间隔为2·△t，下层发射器每次发射超声波信号要超前或置后上层发射器发射信号△t时间。接收器的计时起点时间间隔为△t。设井内所有接收器中心距下层发射器中心的最大可能距离为S，超声波在泥浆中的传播速度为V，则时间标尺△t应大于S/V。
3.信号识别一种方式是时间计时，程序控制方式。即，偶数标尺段开始时上层发射器发射超声波信号，接收器在偶数标尺段接收到的信号就是上层发射器发射的信号，奇数标尺段开始时下层发射器发射超声波信号，接收器在奇数标尺段内接收到的信号就是下层发射器发射的信号，反之亦然。第二种方式是时间比较。在附图(4)中，A为上层发射器发射信号的时刻，B为下层发射器发射信号的时刻，A｀为接收器接收到上层发射器发射的信号时刻，B｀为接收器接收到下层发射器发射的信号时刻，由图(4)可知，计算机并不知道A｀、B｀，但进行时间比较却可以知道A｀、B｀，因为，时间AA｀必然小于BB｀，计算机只要比较相邻的两个信号的时间，数值大的为下层发射器发射信号到接收器接收到信号的时间，数值小的为上层发射器发射信号到接收器接收到信号的时间。
4.设置工作方式在超声波发射器和超声波接收器内设置连续测量和多个间隔测量工作程序，由现场使用者在进行时钟校对时进行选择。连续测量指超声波发射器从启动就开始工作直至用指令停止它的工作时为止。间隔测量指每测量完一个过程，超声波发射器停止工作一段时间后再进行工作，这段时间可以在计算机上选择。
(六)、校验管发射器中心坐标的校正在确定井壁上超声波接收器中心坐标的计算中，均是把校验管的中心和超声波发射器的中心看作是完全重合。但实际上，校验管中心和发射器中心并不重合，故需要确定发射器中心相对于校验管中心的偏心距和偏心度，进行坐标改正。
发射器中心坐标的校正，是指确定校验管上、下两个发射器中心相对于校验管中心的坐标差值进行坐标校正。方法为，制造一个校验架，校验架的外观图如附图(5)所示。将校验管悬吊在校验架上，校验管和超声波接收器的位置如附图(6)所示。附图(6)中，N1，N2，N3，N4分别为校验架放置的中心位置，O为接收器放置的位置。将超声波接收器悬吊在校验架上，调整校验管至垂直位置，在校验管方位为0度和180度时，分别测量至接收器的距离。设已知发射器在N1，N2，N3，N4的位置时，校验管中心的平面坐标分别为(X1，Y1)，(X2，Y2)，(X3，Y3)，(X4，Y4)，测量的距离为S11，S12，S21，S22，S31，S32，S41，S42，接收器的中心坐标为(X0，Y0，Z0)，当校验管的方位角为0度时，发射器中心相对于校验管中心的坐标偏差为△X，△Y，即，当方位角为0度时，发射器的中心坐标为(X+△X，Y+△Y)，当方位角为180度时，发射器中心坐标为(X-△X，Y-△Y)。显然(X1+△X-X0)2+(Y1+△Y-Y0)2+(Z1-Z0)2＝S112(X1-△X-X0)2+(Y1-△Y-Y0)2+(Z1-Z0)2＝S122合并，得4·X1·△X-4·△X·X0+4·Y1·△Y-4·△Y·Y0＝S112-S122同理，得4·X2·△X-4·△X·X0+4·Y2·△Y-4·△Y·Y0＝S212-S2224·X3·△X-4·△X·X0+4·Y1·△Y-4·△Y·Y0＝S312-S322
4·X4·△X-4·△X·X0+4·Y4·△Y-4·△Y·Y0＝S412-S422简化，得4·(X1-X2)·△X+4·(Y1-Y2)·△Y＝S112-S122-S212+S2224·(X3-X4)·△X+4·(Y3-Y4)·△Y＝S312-S322-S412+S422设a1＝4·(X1-X2) a2＝4·(Y1-Y2) a3＝S112-S122-S212+S222a4＝4·(X3-X4) a5＝4·(Y3-Y4)a6＝S312-S322-S412+S422解得△X＝(a3-a2·△Y)/a1△Y＝(a1·a6-a3·a4)/(a1·a5-a2·a4)由上式可得偏心距和偏心角△S＝ΔS=ΔX2+ΔY2]]>α＝arctg(△X/△Y)此时的偏心角，是指校验管方位角为0度时，发射器中心相对于校验管中心的方位角。当校验管的方位角为A度时，则坐标差值为△X＝△S·Cos(A+α)△Y＝△S·Sin(A+α)在利用上端超声波发射器确定校验管中心坐标，利用下端发射器确定井壁上接收器的中心坐标时，设，上端接收器的中心坐标为(X1，Y1)，坐标差值为(△X1，△Y1)，下端发射器中心坐标为(X2，Y2)，坐标差值为(△X2，△Y2)，则有
X2＝X1-△X1+△X2Y2＝Y1-△Y1+△Y2(七)、井壁上超声波接收器安装的技术要求井壁上安装超声波接收器，在条件允许时(如建有导井)，接收器直接安装在井壁上。安装时，先在井壁上打洞，将超声波接收器安装在一个较小的仪器箱内，将仪器安装在打好的洞内。
在采用泥浆护井技术的竖井中，超声波接收器无法直接安装在井壁上，可采用将接收器固定在仪器架上，挂靠固定在井壁上。仪器架可以是园筒状，其结构示意图如附图(7)所示。也可以是数个园弧状，在井壁上，园弧状可以连接成园筒状，也可以不连接成园筒状。在井口周围打地桩，通过钢结构架将井下仪器架与地桩连接固定。
仪器架的强度要求要保障受流动泥浆的冲击不变形，不振动。仪器架的直径要能满足大钻机钻头顺利下放，并避免与仪器架相撞，尤其是与接收器相撞。如无法保障大钻机钻头不和仪器架相撞，可在下放钻头或提出钻头时，先将仪器架从井内提出来。
两层接收器的间距要大于1.5米。
(八)、超声波发射器仪器箱的设计要求发射器仪器箱采用两个半园筒组成的园筒形状，两个半园筒一个用于装超声波发射器，一个用于装电源装置，电源装置可以是高能电池。两个半圆筒状通过螺杆连接成园筒状，用螺杆顶死在钻杆上。在发射装置上留出与主机连接的插座，插座面用盖板密封。附图(8)为半圆筒状的结构图。仪器箱体积根据发射装置的体积、电源装置的体积和钻杆直径而定。原则上尽量减小外园的直径。为减小外园直径可以增大仪器箱的高度。仪器箱设计的强度要求是能承受一根钻杆的重量并且不变形。
(九)、超声波发射器发散角设计、钻杆上安装的技术要求设上端发射器的发散角为φ1，φ1角的中分线与钻杆中心线的夹角为β1;下端发射器的发散角为φ2;φ2角的中分线与钻杆中心线的夹角为β2;两个发射器中心的距离为S1;两个发射器随钻进下进的最大可能距离为S2;上端发射器处于最高可能位置时与井壁上上层接收器的垂直距离为S3，S3低于上层发射器的位置时为正，高于时为负;两层发射器的间距为S4;发射器中心与井壁的水平距离为R;两个发射器发散角的中分线在水平面上的投影线成180度角，如附图(9)所示。
显然，两层发射器应满足如下条件发射器在最高可能位置时，它发射的超声波信号能直接覆盖下层接收器;发射器在最低可能位置时，它发射的超声波信号能直接覆盖上层接收器;上、下两层发射器发射的超声波直射信号不相交。即Ctg[(φ1)/2+β1]·R≤S4-S3Ctg[(φ2)/2+β2]·R≤S1-S4+S3
Ctg[(φ1)/2+β1]·R≥S2-S3Ctg[(φ2)/2+β2]·R≥S1+S2-S3其中，β1＞0 β2＞0六、本发明与现有技术相比所具有的技术优点与现有的井斜实时测量技术相比，本发明解决了现有实时井斜测量不能在泥浆井中测量的问题，它也可以在非泥浆井中实施实时测量。本发明系统设备成本低，对环境条件要求宽松。由于超声波测距的精度不低于电磁波测距的精度，故本发明钻头中心坐标实时测量的精度也不低于现有实时测量技术的测量精度。
七
附图(1)为安装在井壁上的两层超声波接收器的展开图，1，2，3，4…表示超声波接收器的安装位置。
附图(2)为发射器中心的瞬间位置所形成的轨迹圆示意图。
附图(3)为校验管的结构图。
附图(3)-1为校验管的标准管。
附图(3)-2为校验管的连接套管。
附图(3)-3为校验管的活动接头。
附图(3)-4为校验管的梢钉。
附图(3)-5为校验管的重锤。
附图(3)-6为超声波发射器的仪器箱。
附图(3)-8为超声波发射器仪器箱的上盖。
附图(3)-7、附图(3)-9为校验管的悬吊钩。
附图(4)为信号识别时间比较示意图。
附图(5)为校验架的外观图。A，B，C为校验架与地面接触点。
附图(6)为校验管发射器中心坐标校正时，仪器放置位置示意图。
附图(7)为超声波发射器仪器架的结构示意图。图中，A为上层超声波接收器，B为下层超声波接收。
附图(8)为钻杆上超声波发射器的结构图。
附图(8)-1为超声波发射器的仪器箱的上盖。
附图(8)-2为超声波发射器仪器箱。
附图(9)为钻杆上超声波发射器设计、安装的技术要求示意图。
八、实施例图(10)为实施钻头中心坐标超声波实时测量的程序框图。(11)平衡调节管的结构图。
(一)、制造超声波校验管。超声波校验管的上端发射器发射的超声波信号在空气中传播。下端超声波发射器发射的超声波信号在泥浆中(非泥浆井在空气中)传播。校验管在泥浆中的部分要进行密封，防止进水损坏仪器。方位测量器指定校验管的一个方位为0方位，利用指北针和可变电阻测量方位。
超声波校验管的连接线由下端超声波发射器连接至上端超声波发射器，再有上端超声波发射器连接至计算机。下端超声波发射器的连接线在仪器箱处作防水密封处理。上端超声波发射器的两根连接线均采用插头连接。
超声波发射器的仪器箱与上盖采用螺杆连接固定，在上盖与仪器箱之间加橡胶皮垫。
由于发射器的电子元件相对于校验管中心线可能不形成重量对称，为了保证校验管在悬吊状态下的垂直度，采取以下措施(1)校验管重锤重量为整个校验管重量的1/3-1/2;为减小重锤的体积，可采用重锤内部灌铅。(2)在标准管和超声波发射器仪器箱之间，超声波发射器仪器箱和重锤之间，可加一个至两个平衡调节管，通过在平衡调节管上加减不同长度的螺杆，调整校验管在悬吊状态下的垂直度。平衡调节管的结构图如附图(11)所示。附图(11)中，平衡调节器的上、下两个孔为销孔，其余的孔为螺孔，螺孔数量在10-20之间。
校验管标准管上的高度线采用车床刻划，高度线宽0.5毫米，深0.5毫米。
(二)、制造超声波发射器。超声波发射器安装在仪器箱内，仪器箱要密封防止进水。对于工作在泥浆中和空气中的超声波发射器要设置不同的波速参数。
钻杆上的上端超声波发射器与下端超声波发射器用电缆连接，电缆与仪器箱的接头处作防水密封处理。
超声波发射器的仪器箱上留有校正用的插座，插座用盖板密封。
(三)、制造超声波接收器。放置于井下的超声波接收器要密封防水。
(四)、计算机软件设计并联试。计算机软件设计的内容是控制和数据处理。联试是在上述四项工作完成后，进行系统调试。上述四项工作是在工厂或实验室时行。
(五)、井口安装超声波接收器。采取在井口周围打筑混凝土桩，将超声波接收器固定安装在水泥桩上。各个超声波接收器距井中心等距，相邻两个超声波接收器与井中心的夹角不小于30度，一般情况在45度至90度之间。在井口上安装四个超声波接收器，以便进行坐标比较。
(六)、井内安装超声波接收器。对于有混凝土导井的竖井，在井壁上打洞，将超声波接收器埋设在井壁上。泥浆井一般没有混凝土导井，将超声波接收器安装在仪器架上，挂靠在井壁上。
(七)、钻杆上安装超声波发射器。超声波发射器安装在一根钻杆上，在地面进行安装。当大钻机每钻进一个钻杆的深度更换钻杆时，要将新换的钻杆安装在装有超声波发射器的钻杆的下面。
(八)、校验管中心坐标校正。将校验管悬吊在校验架上，用经纬仪配合进行坐标校正。两个超声波发射器发射的超声波波速参数为空气中的参数。
(九)、井口超声波接收器中心坐标的确定。用经纬仪确定校验管的中心坐标，由校验管测量与超声波接收器的距离确定超声波接收器的中心坐标。每个接收器的中心坐标取6组坐标数据的中数，坐标中误差要小于0.5毫米。
(十)确定井内超声波接收器的中心坐标。利用校验管的上端超声波发射器发射超声波信号，测量至井口超声波接收器的距离，确定校验管的中心坐标，改正到下端超声波发射器的中心坐标。利用下端超声波发射器发射超声波信号，测量到井内超声波接收器的距离，确定井内超声波接收器的坐标。下端超声波发射器发射的超声波信号在泥浆中(非泥浆竖井在空气中)传播要将波速参数改正到正确的数值上。
(十一)、同步时钟校正，选择工作方式，启动。
(十二)、实时测量工作。
(十三)、改换工作方式或时钟校正。每隔一定的时间进行时钟校正或改换工作方式。
(十四)、钻进一定深度后进行井内超声波接收器中心坐标检查校正。或在认为有必要时，也可进行此项工作。
权利要求
1.本发明的基本特征是大钻机在钻进过程中，钻杆外壁上的任一点，均是绕着钻头中心和转盘中心的连线作圆周运动，在大钻机钻杆的外壁上，安装超声波发射器，在井壁上安装超声波接收器，通过测量超声波发射器和超声波接收器的距离，求解超声波发射器中心的坐标，并通过多个超声波发射器的中心坐标，求解超声波发射器中心在转动过程中的轨迹圆圆心坐标，进一步求解出钻头的中心坐标。为了测量超声波发射器和超声波接收器间的距离，采用超声波发射器和超声波接收器同步时钟校正，同步工作启动，设置相同的时间标尺，进行信号识别。为了测量超声波接收器的中心坐标，制造了超声波校验管，超声波校验管装置有上端超声波发射器、下端超声波发射器、方位测量器、重锤、平衡调节管和高度线。由上端超声波发射器确定校验管的中心坐标，由下端超声波发射器确定井壁上超声波接收器的中心坐标。为了消除校验管中心和超声波发射器中心存在的安装偏差，通过在校验管0度方位和180度方位距离测量，进行坐标校正。
2.权利要求1中所述的“在大钻机钻杆的外壁上，安装超声波发射器”，其特征是在大钻机的钻杆上安装上、下两个超声波发射器，并要保证在钻进中的任何一个位置，超声波发射器发射的信号都能被超声波接收器接收，超声波发射器装在圆筒状的仪器箱内，仪器箱内装有电源。
3.权利要求1中所述的“在井壁上安装超声波接收器”，其特征是在井壁上安装两层超声波接收器，每层最少安装四个，并要保证每次最少有三个超声波接收器接收到超声波发射器发射的信号。超声波接收器可以直接安装在井壁上，也可以通过仪器架挂靠在井壁上。
4.权利要求1中所述的“通过测量超声波发射器和超声波接收器的距离，求解超声波发射器中心的坐标，并通过多个超声波发射器的中心坐标，求解超声波发射器中心在转动过程中的轨迹圆圆心坐标，进一步求解出钻头的中心坐标”其特征是对于大钻机钻杆转动的一瞬间而言，当超声波发射器发射的超声波信号至少被三个接收器接收时，就可以确定这一瞬间超声波发射器的中心坐标。对于大钻机钻杆转动了一周而言，就可以确定许多超声波发射器的中心坐标，这些坐标点发布在以转盘中心和钻头中心连线为中心的圆周上，进而可以求出这个中心的坐标。当已知两个这样的中心坐标，就可以求出钻头的中心坐标。
5.权利要求1中所述的“采用超声波发射器和超声波接收器同步时钟校正，同步工作启动，设置相同的时间标尺，进行信号识别”，其特征是超声波接收器与计算机连接，安装在钻杆上的超声波发射器不与计算机连接，通过采用相同的工作时钟，同步的工作启动，相同的时间标尺和计算机信号识别，完成超声波发射器和超声波接收器间的距离测量。
6.权利要求1中所述的“制造了超声波校验管，超声波校验管装置有上端超声波发射器、下端超声波发射器、方位测量器、重锤、平衡调节管和高度线”，其特征是超声波校验管在悬吊起来时，校验管的中心线处于铅垂线方向，校验管的高度线刻划在标准管外壁上，高度线平面与标准管中心线垂直。重锤是一个实心锥体，重量为标准管重量的1/3-1/2。平衡调节管是在相当于标准管的管子上加工螺孔，螺孔中心线与平衡管中心线垂直，相邻螺孔的中心线成90度角。在校验管的上端和下端分别装有360度方位的超声波发射器，在校验管内装有方位角测量器，校验管内的超声波发射器和方位角测量器在工作时与计算机连接。
7.权利要求1中所述的“由上端超声波发射器确定校验管的中心坐标，由下端超声波发射器确定井壁上超声波接收器的中心坐标”其特征是在井口上设置三个固定的不在一个平面内的超声波接收器，由校验管确定它们的中心坐标。当校验管放置在竖井内三个不同的位置时，上端超声波发射器发射超声波信号，由井口上的超声波接收器接收，求解出校验管的中心坐标。下端超声波发射器发射超声波信号，由井壁上的超声波接收器接收，求解出井壁上超声波接收器的中心坐标。
8.权利要求1中所述的“为了消除校验管中心和超声波发射器中心存在的安装偏差，采用了校验管0度方位和180度方位坐标校正”，其特征是将超声波接收器固定，把校验管分别悬吊在接收器周围的四个不同位置，用经纬仪测量出校验管的中心坐标，利用校验管在0度和180度方位时，发射器中心相对于校验管中心的偏差以校验管中心为对称点的原理，通过对每个位置测量0度方位和180度方位两个距离，求解出坐标偏差值，进行坐标校正。
全文摘要
本发明应用于大钻机钻进过程中钻头中心坐标的实时测量。采用超声波测距，计算机采集信息并处理数据，测量过程自动化。可用于泥浆井和非泥浆井的井斜实时测量。测量精度；钻头中心坐标中误差与井深之比小于五千分之一。
文档编号E21B47/12GK1112639SQ94105658
公开日1995年11月29日 申请日期1994年5月26日 优先权日1994年5月26日
发明者魏营隆 申请人:魏营隆