一种随钻监测系统监测参数实时校准系统及方法与流程

1.本发明涉及工程地质勘察领域，尤其涉及一种随钻监测系统监测参数实时校准系统及方法。


背景技术：

2.随着人工智能技术发展，勘探逐渐向智能化、精细化、数字化方面发展，随钻监测系统是智能勘探领域常用的监测设备，目前已开展应用的随钻监测系统一般采用理论公式间接计算钻机实际输出的钻压、扭矩等钻进参数，计算过程中根据经验确定钻机回转系统的机械传动效率，设备使用前仅仅对使用的传感器等元器件进行专业检测，未有对随钻监测系统间接计算获取的钻进参数进行校准的装置和校准方法。
3.专利cn1218114c中公开了钻孔过程监测系统，包括对冲击回转式钻机钻孔过程独立、自动、连续和实时测量和记录的仪器和方法，专利cn101476462b中公开了一种用于工程地质钻探的随钻测量系统，在钻机上安装扭矩、油压、转速以及位移测量装置，将钻探过程中的力学信息以数字方式随钻记录下来，实现数字化以及无线控制和无线通讯，但上述随钻系统监测一般是通过建议改装钻机方法，在钻机的传动轴、液压油管和卡盘上安装轴力、压力、扭矩传感器等设备元器件，进行钻进过程参数监测，并未对随钻参数进行校准。
4.由于工程勘察环境的复杂性，钻机被搬运频繁，长期进行露天作业，设备零部件等磨损严重，难以通过经验获取其真实的机械传动效率，另外传感器的工作状态一般仅能利用专用设备在特定产所进行严格的率定，难以在远离市区的野外环境下对其进行检测，这些都严重影响随钻监测参数的准确性。因此，亟需一种随钻监测系统监测参数实时校准系统及方法来解决上述问题，提高随钻监测数据的可靠性。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，一方面，本发明提供了一种随钻监测系统监测参数实时校准系统，包括设置在钻机上的用于获取监测参数的随钻监测系统，与钻机的钻具连接的用于获取校准参数的校准装置，以及与所述随钻监测系统和所述校准装置连接的数据采集处理装置。
6.进一步地，所述校准装置包括固定支架，设置在所述固定支架上的可沿竖直方向直线运动的第一移动支座和第二移动支座，设置在所述第一移动支座上的第二扭矩传感器，设置在所述固定支架底部的压力传感器，设置在所述第二移动支座上的法兰轴承，所述第二扭矩传感器的上端与所述钻机的钻具连接，下端设置在所述法兰轴承上方，所述法兰轴承位于所述压力传感器上方，所述第二扭矩传感器和所述压力传感器与所述数据采集处理装置连接。
7.进一步地，所述随钻监测系统包括分别与所述数据采集处理装置连接的给进压力传感器、回油压力传感器、第一扭矩传感器、立轴电感开关以及传动轴电感开关，所述给进压力传感器和所述回油压力传感器设置在所述钻机的给进油缸上，所述第一扭矩传感器设
置在所述钻机的变速箱传动轴上，所述立轴电感开关设置在所述钻机的卡盘上，所述传动轴电感开关设置在所述钻机的变速箱上。
8.进一步地，所述校准装置还包括第一联动圆盘，所述第一联动圆盘的上端和下端分别连接所述钻机的钻具和所述第二扭矩传感器。
9.进一步地，所述校准装置还包括第二联动圆盘，所述第二联动圆盘设置在所述法兰轴承的内环上，所述第二联动圆盘与所述第二扭矩传感器的底部连接。
10.进一步地，所述固定支架内设置有供所述第一移动支座和第二移动支座移动的滑轨。
11.进一步地，所述随钻监测系统还包括设置在所述钻机的立轴上的与所述立轴电感开关作用的第一磁铁，以及设置在所述钻机的传动轴上的与所述传动轴电感开关作用的第二磁铁。
12.进一步地，所述校准装置还包括调平螺丝和水平仪，所述调平螺丝和所述水平仪设置在所述固定支架上。
13.另一方面，本发明还提供了一种随钻监测系统监测参数实时校准方法，该方法包括以下步骤：
14.步骤一，对所述随钻监测系统获取的随钻监测参数进行处理，得到监测参数；
15.步骤二，获取校准装置测量得到的校准参数；
16.步骤三，分别建立各监测参数的修正系数与给进压力、回油压力、立轴转速之间的函数关系，得到各监测参数的修正系数，并计算得到各监测参数的修正值。
17.进一步地，所述监测参数包括监测钻压、立轴监测转速以及监测扭矩，校准参数包括校准钻压、立轴校准转速以及校准扭矩。
18.本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下有益效果：
19.1.本发明提供的随钻监测系统监测参数实时校准系统及方法，在工程勘察现场随钻监测前，对随钻监测系统获取的随钻监测参数的准确性进行实时校准和修正，提高随钻监测数据的可靠性，利用校准和修正后的随钻监测参数进行准确的岩土物理力学参数反演，可满足智能化钻探技术要求，提高勘探效率；
20.2.本发明提供的随钻监测系统监测参数实时校准系统及方法，校准装置安装及拆卸便捷、校准效果可靠，能满足现场钻机搬运频繁、作业环境复杂等施工环境，可准确的获取钻机钻具输出的钻进参数；
21.3.本发明提供的随钻监测系统监测参数实时校准系统及方法，通过本发明校准方法校准修正后的随钻监测参数的准确度较高，提高了随钻监测在现场勘探应用时的可靠性，有利于随钻监测参数的深入研究。
附图说明
22.图1为本发明随钻监测系统监测参数实时校准系统的结构示意图；
23.图2为本发明随钻监测系统监测参数实时校准系统中校准装置的示意图；
24.图3为本发明随钻监测系统监测参数实时校准系统中校准装置的俯视图；
25.图4为本发明随钻监测系统监测参数实时校准方法中的bp网络模型结构。
26.1-随钻监测系统；11-给进压力传感器；12-回油压力传感器；13-第一扭矩传感器；
14-立轴电感开关；15-传动轴电感开关；16-第一磁铁；17-第二磁铁；
27.2-校准装置；21-固定支架；22-第一移动支座；23-第二移动支座；24-第二扭矩传感器；25-压力传感器；26-法兰轴承；27-第一联动圆盘；28-第二联动圆盘；29-滑轨；210-调平螺丝；211-水平仪；
28.3-数据采集处理显示仪；
29.4-钻机；41-钻具；42-柴油机；43-泥浆泵；44-给进油缸；45-变速箱；46-传动轴；47-卡盘；48-立轴。
具体实施方式
30.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。附图中，为清晰可见，可能放大了某部分的尺寸及相对尺寸。
31.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“相连”应做广义解释，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通的技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.此外，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分。
34.如说明书附图1所示，本发明提供了一种随钻监测系统监测参数实时校准系统，包括设置在钻机4上的用于获取随钻监测参数的随钻监测系统1，与钻机4的钻具41连接的用于获取校准参数的校准装置2，以及与所述随钻监测系统1和所述校准装置2连接的数据采集处理装置，所述数据采集处理装置包括数据采集处理显示仪3以及数据采集和处理模块，可实时接收随钻监测参数和校准装置采集得到的校准参数，并按照本发明的校准方法进行数据自动处理，直接计算获得各项监测参数的修正系数；钻机4包括柴油机42、泥浆泵43、给进油缸44、变速箱45、传动轴46、卡盘47，传动轴46与变速箱45连接，卡盘47上设置有立轴48和液压传动机构，立轴48下端设置有钻具41，所述随钻监测系统1设置在钻机4上，用于获取随钻监测参数，所述校准装置2安装在钻具41上，用于获取钻具41实际输出的校准参数值，本发明的校准系统及方法可对不同型号及构造的钻机进行参数校准，包括但不限于本实施例中的钻机使用。
35.优化实施方式，所述随钻监测系统1包括分别与所述数据采集处理装置连接的给进压力传感器11、回油压力传感器12、第一扭矩传感器13、立轴电感开关14以及传动轴电感开关15，具体的，所述给进压力传感器11和所述回油压力传感器12设置在所述钻机4的给进油缸44上，且分别安装在给进油缸44的上腔和下腔位置，可分别测量通过上腔和下腔的油
管压强p1和p2；所述第一扭矩传感器13设置在所述钻机4的变速箱传动轴46上，用于测量变速箱45的输出扭矩t1；所述立轴电感开关14设置在所述钻机4的卡盘47上，可通过螺栓连接或粘结在卡盘47上，在所述钻机的立轴48上设置有与所述立轴电感开关14作用的第一磁铁16，该第一磁铁16为强力磁铁，粘贴在所述立轴48上，利用电磁感应原理，测量立轴48回转时产生的脉冲个数n；所述传动轴电感开关15设置在所述钻机的变速箱45上，在所述钻机的传动轴46上设置有与所述传动轴电感开关15作用的第二磁铁17，该第二磁铁为强力磁铁，粘贴在传动轴上，利用电磁感应原理，测量传动轴回转时产生的脉动个数n1，数据采集处理装置可对随钻监测系统的各检测参数可以处理，得到随钻监测参数。
36.优化实施方式，如说明书附图2所示，所述校准装置2包括固定支架21，设置在所述固定支架21上的可沿竖直方向直线运动的第一移动支座22和第二移动支座23，设置在所述第一移动支座22上的第二扭矩传感器24，设置在所述固定支架21底部的压力传感器25，设置在所述第二移动支座23上的法兰轴承26，第一移动支座22和第二移动支座23分别与固定支架21活动连接，且仅可沿固定支架21上下移动，不会在水平方向上发生转动，便于测量钻具的扭矩，所述第一移动支座22和所述第二移动支座23均为预制钢构件，所述第二扭矩传感器24的上端与所述钻机的钻具41连接，下端设置在所述法兰轴承26上方，所述法兰轴承26位于所述压力传感器25上方，所述第二扭矩传感器24和所述压力传感器25通过信号传输线与所述数据采集处理装置连接。
37.具体的，所述校准装置还包括第一联动圆盘27和第二联动圆盘28，所述第一联动圆盘27和所述第二联动圆盘28为预制钢构件，所述第一联动圆盘27的上端和下端分别连接所述钻机的钻具41和所述第二扭矩传感器24，所述第二联动圆盘28设置在所述法兰轴承26的内环上，所述第二联动圆盘28与所述第二扭矩传感器24的底部连接，法兰轴承26的外环与第二移动支座23固定，法兰轴承26的内环和外环可以相对转动，固定支架21内从上之下依次设置有第一联动圆盘27、第二扭矩传感器24、第二联动圆盘28、法兰轴承26和压力传感器25，且钻具41输出的力依次作用于第二扭矩传感器24和压力传感器25上，第二扭矩传感器24设置在第一移动支座22上，可在竖直方向上移动，法兰轴承26设置在第二移动支座23上，可在竖直方向上移动，固定支架21上设置有竖直的滑轨29，第一移动支座22和第二移动支座23安装在滑轨29上可沿滑轨29在竖直方向上直线移动，钻机4工作时，钻具41会转动且向下移动，钻具41带动第二扭矩传感器24转动的过程中，法兰轴承26的内环相对外环转动，不影响压力传感器25测试钻具4的压力，数据采集处理显示仪3上可对测量的扭矩、转速和压力等参数进行实时显示和记录。
38.具体的，所述第二扭矩传感器24包括固定法兰、转动轴和感应器，固定法兰套设在转动轴上，且转动轴和固定法兰之间可相对转动，第二扭矩传感器24通过固定法兰安装在第一移动支座22上，所述第一联动圆盘27的上端设置有与钻具41相匹配的螺纹，下端与第二扭矩传感器24的转动轴连接，第一联动圆盘27与钻具41连接后，还可以通过螺栓进行进一步固定，避免使用过程中出现松动，第一移动支座22可以确保第二扭矩传感器24在受到钻具41的回转荷载时，只有转动轴转动，同时可向下自由移动实现压力的传递，第二移动支座23可以确保法兰轴承26的外环不转动，同时向下自由移动，实现压力传递，进而获得钻具实际输出的扭矩、转速和压力等参数。
39.优化实施方式，如说明书附图3所示，利用本发明开展随钻监测参数校准前，应当
将钻机4的立轴48保持垂直状态，并保证校准装置2水平，所述校准装置还包括调平螺丝210和水平仪211，所述调平螺丝210和所述水平仪211设置在所述固定支架21上，调节校准装置2的调平螺丝210，使得两个方向的水平仪211的水泡居中，使得校准装置2水平，避免校准装置2产生的误差对测试数据造成影响。钻机4启动，采用液压给进回转钻进方式施工，钻具41的回转荷载直接通过第一联动圆盘27传递给第二扭矩传感器24上，利用第二联动圆盘28和法兰轴承26实现第二扭矩传感器24的转动轴自由转动的同时，将压力通过可上下自由移动的第二移动支座23传递给压力传感器25，在数据采集处理显示仪3上实时记录两个传感器直接测量获取的立轴校准转速n'0、校准扭矩t'0和压力值f'1。
40.进一步地，本发明还提供了一种随钻监测系统监测参数实时校准方法，根据不同的钻探工况，在一定时间内，利用校准装置2直接测量的校准参数对随钻监测系统间接计算得到的监测参数进行的修正方法，该方法包括以下步骤：
41.步骤一，对所述随钻监测系统获取的随钻监测参数进行处理，得到监测参数；
42.步骤二，获取校准装置测量得到的校准参数；
43.步骤三，分别建立各监测参数的修正系数与给进压力、回油压力、立轴转速之间的函数关系，得到各监测参数的修正系数，并计算得到各监测参数的修正值。
44.校准方法数据处理过程如下：
45.(1)随钻监测数据处理：
46.①
监测钻压f0，单位n：
47.钻具重量g0：
48.g0＝g
岩芯管
+g1+g2+...+gnꢀꢀ
公式(1)
49.式中：g
岩芯管
－岩芯管重量，通过称重直接获得，单位n；
50.g1…gn
－第一根钻杆重量
…
第n根钻杆重量，可通过称重直接获得，在校准过程中，n≥0，无钻杆，则n＝0，单位n；
51.钻压f0是利用随钻监测系统1间接获取的钻进压力，是指钻具对孔底地层的输出钻进压。
52.f0＝g0+p1×s1-p2×
s2ꢀꢀ
公式(2)
53.式中，g0－钻具重量，利用公式(1)计算所得，单位n；
54.p1－给进油缸上腔的压强，通过给进压力传感器11直接测量，单位pa；
55.s1－给进油缸上腔的面积，与油缸结构相关的定值，查看设备说明书可得，单位m2；
56.p2－给进油缸下腔的压强，通过回油压力传感器12直接测量，单位pa；
57.s2－给进油缸下腔的面积，与油缸结构相关的定值，查看设备说明书可得，单位m2；
58.②
立轴监测转速n0和钻机传动轴监测转速na的计算，单位r/min：
[0059][0060]
式中：n－立轴电磁开关14脉冲个数，1个脉冲对应立轴1转；
[0061]
t0—立轴回转时间，单位min；
[0062][0063]
式中：n1－传动轴电磁开关15脉冲个数，1个脉冲对应传动轴1转；
[0064]
t1—传动轴回转时间，单位min；
[0065]
随钻监测过程中，立轴和钻机传动轴是在同一时间运行，一般情况下t1＝t0。
[0066]
③
监测扭矩t0的计算，单位n
·
m：
[0067][0068]
式中：η—钻机回转系统传动效率，根据经验值取，不大于1；
[0069]
n0—立轴转速，通过公式(3)计算得到；
[0070]
na—钻机传动轴转速，通过公式(4)计算得到；
[0071]
t1—变速箱的输出扭矩，通过第一扭矩传感器13直接测量。
[0072]
(2)校准装置数据处理：
[0073]
①
校准钻压f0'的计算，单位n：
[0074]
校准钻压是利用校准装置直接获取的钻进压力，是指钻具的实际输出钻压。
[0075]
f'0＝f'
1-g'
1-g'
2-g'
3-g'
4-g'
5-g'
6-g'7ꢀꢀ
公式(6)
[0076]
式中：g'1－第一联动圆盘27重量；g'2－第一移动支座22重量；g'3－第二移动支座23重量；g'4－第二扭矩传感器24重量；g'5－法兰轴承26重量；g'6－第二联动圆盘28重量；g'7－用于固定装置的所有螺栓的重量；上述所有部件的重量均可直接称重测量。
[0077]
②
立轴校准转速n'0和校准扭矩t'0可直接通过第二扭矩传感器24测量，校准转速n'0，单位r/min；校准扭矩t'0，单位n
·
m。
[0078]
(3)随钻监测参数校准：
[0079]
利用本发明开展随钻监测参数校准时，需根据钻探的不同工况，在一定时间内使钻机在不同档位下稳定运转，获取该时间段内的采集得到的多个监测参数值和校准参数值，然后进行校准修正，详细步骤如下：
[0080]
首先，应设置随钻监测系统1和校准装置2的传感器的采集频率保持一致，那么在t时间段内，使钻机在不同的给进压力p1、回油压力p2、立轴转速n0下连续稳定运转，模拟向下钻进时的钻机施工情况，可获得按照时序特征分布的n个监测参数和n个校准参数，监测钻压分别为f1、f2...fn，立轴监测转速分别为n1、n2...nn，监测扭矩分别为t1、t2...tn；相对应的校准装置2同步获取的校准钻压分别为f'1、f'2...f'n，立轴校准钻速n'1、n'2...n'n，校准扭矩分别为t'1、t'2...t'n；
[0081]
其次，定义修正系数β为校准参数与监测参数的比值，则钻压修正系数β
fi
＝f'i/fi,立轴转速修正系数β
ni
＝n'i/ni,扭矩修正系数β
ti
＝t'i/ti,其中i＝1,2，
…
n。
[0082]
由于不同工况下，各监测参数的修正系数是随着“给进压力p1、回油压力p2、立轴转速n
0”等钻机的施工参数不断变化的，可以理解为各监测参数的修正系数值β与钻探施工过程中“给进压力p1、回油压力p2、立轴转速n
0”三个变量存在相关关系。因而，利用本发明获取的大量数据后，可分别建立各监测参数的修正系数β与钻机给进压力p1、回油压力p2、立轴转速n0的多元函数关系，该函数关系可能是线性的或者非线性的，多元函数关系的建立可采用合适的数据处理方法，例如人工神经网络等，该函数关系可以简化表达为：钻压修正系数βf＝f1(p1,p2,n0)，钻速修正系数βn＝f2(p1,p2,n0)，扭矩修正系数β
t
＝f3(p1,p2,n0)，将钻压修正系数βf、钻速修正系数βn、扭矩修正系数β
t
分别与“给进压力p1、回油压力p2、立轴转速n
0”三个变量建立多元函数关系，并计算出钻压修正系数βf、钻速修正系数βn、扭矩修正系数
β
t
。
[0083]
最后，根据建立的多元函数关系，可求得随钻监测过程中，实际钻探施工时，钻机实际输出的各项监测参数值：立轴转速修正值n＝n0×
βn，钻压修正值f＝f0×
βf，扭矩修正值t＝t0×
β
t
。
[0084]
实施例1
[0085]
本实施例提供了具体的随钻参数校准方法，在钻探白垩系泥质砂岩的地层工况下，为准确获取随钻监测过程中钻机实际输出的监测参数(钻压、扭矩和钻速)，在钻探施工之前，应利用本发明装置对随钻监测参数进行校核，获取各项监测参数的修正系数。钻压、扭矩和钻速三个监测参数与修正系数β之间为非线性关系，数据处理方法为bp神经网络，为一种前馈式多层神经网络模型，误差反向传播，模型由输入层、输出层及隐层组成，每一个节点层都包括一定数量的神经元节点，同一节点层各节点之间互不连接，其模型结构如说明书附图4所示。
[0086]
根据白垩系泥质砂岩随钻监测情况，通过反复测试，确定神经网络隐层结点数为8，选用正切sigmoid函数作为激励函数，采用自适应学习速率动量梯度下降反向传播算法，提高网络的训练效率。
[0087]
根据网络的学习规则，首先要为网络提供一定量的实测或实验数据资料作为样本，通过对这些数据的学习训练，是网络建立起这些影响因素之间的映射关系，从而使网络具备预测能力。以求解白垩系泥质砂岩钻压修正系数为例，其随钻监测获得的30组数据作为训练样本如表1所示。
[0088]
表1白垩系泥质砂岩钻压训练样本
[0089]
[0090][0091]
通过深度学习，建立白垩系泥质砂岩钻压修正系数bp神经网络预测模型，将该模型导入到数据采集处理显示仪3中，并应用于实际工作的随钻监测过程中，获取5组监测参数的钻压修正系数分别如表2所示：
[0092]
表2白垩系泥质砂岩钻压修正系数预测值
[0093][0094]
进而，依据f＝f0×
βf，可求得随钻监测过程中，钻机实际输出的各项校准钻压如表3所示：
[0095]
表3白垩系泥质砂岩校准钻压
[0096]
[0097][0098]
白垩系泥质砂岩的随钻监测转速及扭矩的修正校准可参考钻压的校准过程。
[0099]
按照本发明校准方法获得的各项监测参数的修正系数、修正值等均可以在数据采集处理显示仪3中自动记录并显示，便于现场实施应用。
[0100]
本系统及方法的工作原理为，首先是钻具连接校准装置，利用校准装置和校准方法获取修正系数；
[0101]
然后，再继续利用随钻监测系统进行监测，此时钻具直接钻探地层，此时的数据处理装置中，已有了修正系数，可以直接获取校准后钻压，直接根据立轴转速修正值n＝n0×
βn，钻压修正值f＝f0×
βf，扭矩修正值t＝t0×
β
t
进行计算即可，该校准后的立轴转速、钻压、扭矩将比不校正的数值准确度更高。
[0102]
在利用随钻监测系统的监测参数进行岩土物理力学参数反演时，应使用准确性更高的监测参数校准值，增加反演过程的合理性。
[0103]
本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神和范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为此实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。