[发明专利]大钻机钻进过程中钻头中心坐标实时测量

说明书

本发明所属技术领域：从解决问题的性质划分，属工程测量。本发明涉及的专业有：钻井工程，测量理论，电磁波测距理论与技术，计算机应用技术，电子技术，机械设计与制造技术。

本发明所指的竖井，是采用大钻机进行钻进的竖井，井直径几米至十几米，井深几十米至千余米。本发明所指的大钻机，是一种专门用于钻进大直径井筒的竖井钻机。中国现使用的大钻机，有中国制造的92型钻机和德国维尔特公司（WIRTH）制造的L40/400型钻机。

井斜测量，指测量竖井某一深度的井中心坐标。

曾实施和现实施的井斜测量方法，均是在大钻机钻进一定深度后停钻进行测量。方法分为钻杆内测量和井筒内超声波测量。钻杆内测量有代表性的仪器和方法是：KL4陀螺测斜仪;拉线法测大井井斜。井筒内超声波测量有代表性的仪器是：SUGI-A竖井几何参数测量仪。

对本发明的理解、检索、审查有参考作用的现有技术文件有：大地测量学、工程测量学（郑州解放军测绘学院、武汉测绘科技大学均有教科书）;电磁波测距原理（测绘出版社曾出版）;L40/400钻机（89810部队资料室存书）;SUGI-A竖井几何参数测量仪（曾获上海市科学技术进步成果二等浆）;拉线法测大井井斜（获1986年国防科工委科技术进步五等奖）;KL4陀螺测斜仪（和L40/400钻机同时从德国进口，该仪器已停用多年）。另外，有计算机应用技术;电子技术;机械设计与制造技术。

本发明的目的：实施大钻机钻进过程中实时测量钻头的中心坐标，指导大钻机钻进，提高钻进效率，保障钻进质量。同时，对大钻机实施实时测量，也是实现大钻机钻进自动化的一个重要环节。

本发明的内容

本发明的基本特征是利用装置于井壁上的电磁波测距仪，对钻进中的大钻机钻杆实施距离测量，采用微机处理数据，得到钻进中钻头的中心坐标。

本发明的基本原理是：大钻机通过地面装置驱动钻杆转动，钻杆带动钻头转动，靠钻压并通过钻头上的刀具破岩钻进。钻头重量约300吨，钻杆重量几吨至几十吨，钻压一般为几十吨，因此，钻杆承受的拉力大于200吨。由于钻杆的中心线不可能和钻头中心与地面转盘中心的连线重合，而一定的时间内，钻压，转速是恒定的，因此，钻杆的中心线必然是绕着钻头中心与地面转盘中心的连线转动，钻杆中心线上任一点的轨迹都是圆，圆心处于转盘中心与钻头中心的连线上。本发明通过连续地测量出钻杆上某一截面的中心坐标，进一步得出轨迹圆的圆心坐标。当已知两个轨迹圆的圆心坐标和两圆心及钻头中心每两者的相对距离时，即可知钻头中心的坐标。

本发明的内容

（一）、通过测距求钻头中心坐标

在竖井的水位线上最少设置两层测距仪。每层设置三台仪器，每两台仪器与井中心的夹角为120度，以地面井中心为坐标原点，以井场控制十字线为独立坐标系。设，第一层三台仪器的中心点分别为N1，N2，N3，坐标分别为：（XN1，YN1），（XN2，YN2），（XN3，YN3），三台仪器发射光线的方位角分别为：AN1，AN2，AN3;在钻杆上的测量点分别为1，2，3，测距仪测得与钻杆的距离分别为SN1，SN2，SN3;钻杆中心点为O1，坐标为（a1，b1），如附图（1）所示。

钻杆上测量点1，2，3的坐标为：

X1＝XN1+SN1·CosAN1  X2＝XN2+SN2·CosAN2

Y1＝YN1+SN1·SinAN1  Y2＝YN2+SN2·SinAN2

X3＝XN3+SN3CosAN3

Y3＝YN3+SN3SinAN3

钻杆中心01点的坐标为：

（X1-a1）²+（Y1-b1）²＝（X2-a1）²+（Y2-b1）²

（X2-a1）²+（Y2-b1）²＝（X3-a1）²+（Y3-b1）²

解方程，得：

a1＝[X3²-X2²+Y3²-Y2²-2b1（y1-y2）]/[2（X3-X2）]