本发明专利技术公开了一种水平定向钻进系统的倾角数据处理系统，可以包括探测器、偏移和范围校准单元、倾角速度限制器和低通滤波器。所述探测器可以包括加速度计，该加速度计被配置为测量和输出原始倾角信号。所述偏移和范围校准单元可以接收和处理原始倾角信号并输出校准的倾角信号。所述倾角速度限制器可以接收校准的倾角信号。所述倾角速度限制器被配置为设置倾角变化速度上限和下限。所述倾角速度限制器可以产生速度变化受限的倾角信号。所述低通滤波器可以接收变速受限倾角信号，并且将接收到的变速受限的倾角信号衰减到低通滤波器的选定截止频率以上，所述低通滤波器被配置为输出调整后的倾角信号。调整后的倾角信号。调整后的倾角信号。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】适应水平定向钻进中倾角不稳定性的技术
[0001]本专利技术涉及适应水平定向钻进中倾角不稳定性的技术。
技术介绍
[0002]出于安全和美观的原因，水、电、煤气、电话和有线电视的公用设施线路通常在地下铺设。在许多情况下，地下设施可以埋在沟渠中，然后回填。虽然在新建筑领域很有用，但将公用设施埋在沟渠中具有某些缺点。在支撑现有建筑的区域，沟渠会对建筑物或道路造成严重干扰。此外，挖掘沟渠很可能会损坏先前掩埋的公用设施，并且因挖掘沟渠而受到干扰的建筑结构或道路很少能够恢复到其原始状态。此外，明沟可能会对工人和路人造成伤害。
[0003]为了克服上述缺点以及在采用传统挖沟技术时未解决的其他缺点，最近开发了钻探水平地下孔的通用技术。根据这样一种通用的水平钻进技术，也称为水平定向钻进(HDD)或非开挖地下钻进技术，钻进系统位于地表上并以相对于地表倾斜在地下钻孔。钻进液通常流过钻杆，流过钻孔工具，并回流钻孔，以去除切屑和污垢。在钻孔工具达到所需深度之后，将工具沿着基本水平的路径引导以形成水平钻孔。在获得所需的钻孔长度后，将工具向上引导以突破到地面。然后将扩孔器连接到钻杆上，钻杆被拉回钻孔，从而将钻孔扩大到更大的直径。通常将公用设施管线或其他导管连接到扩孔工具，以便将其与扩孔器一起拖过钻孔。
[0004]与水平定向钻进相关的另一种技术，通常称为推扩孔，在钻孔工具已经在钻孔出口侧退出之后，在钻孔入口侧将扩孔器附接到钻杆。然后将扩孔器推过钻孔，同时从钻孔出口侧推进的钻杆在钻孔的出口位置单独断开。有时会使用这种推扩孔技术，因为它有利地提供了钻进液的再循环。直接操作的操作员与钻杆的交互水平，例如在钻孔出口位置断开钻杆所需的水平，远大于与传统水平定向钻进技术相关的水平。
[0005]水平定向钻进技术在过去的二十年中取得了长足的发展。这些发展涉及钻机以及位置检测和方向控制部件。已经有几种类型的位置检测和方向控制系统被使用，目前的步行引导系统成为最被接受的技术。由于制导/定位器技术与用于开发钻机的机械技术完全不同，因此在大多数情况下，同一家公司要么开发了钻机要么开发了引导系统，但通常不会同时开发两者。因此，现在有多家步行引导系统供应商，每家供应商的产品都具有独特的功能，可与各种钻机一起使用。
[0006]在水平定向钻进技术发展的早期，人们认识到有可能将远程电子部件产生位置信息并通过无线电信号或硬线传输而整合到钻机的控制中。这方面的例子包括美国专利US4,646,277、US4,881,083和英国专利GB 2175096，上述专利各自的全部内容通过引用并入本文。这些系统主要配置为钻孔到目标系统，其中远程电子部件放置在目标点附近的位置。然后，该远程电子部件与钻机协作，特别是与安装在钻头中的电子部件协作，每个单独的部件都集成到控制系统中。
[0007]这些系统在将切削工具导向目标点方面提供了不同程度的成功，但没有提供有关
切削工具的准确连续的位置信息。当切削工具在钻孔的各点靠近各种地下物体时，密切监测切削工具的位置通常被认为对整个过程至关重要。因此，以将切削工具引导至目标的方式操作的系统被证明不如其中切削工具位置被连续监测的系统有用。这些系统，目前称为步行引导系统，已被开发用于提供连续或准连续监测能力。已经发布了几项专利，公开了步行引导系统的定位系统的各个方面，包括美国专利US6,232,780、US6,008,651、US5,767,678、US5,880,680、US5,703,484、US5,425,179、US5,850,624、US5,711,381、US5,469,155、US5,363,926和US5,165,490，上述专利各自的全部内容通过引用并入本文。
[0008]其他技术能够提供有关钻头行程的信息，包括应用在各种类型的航位推算技术或其他技术中的陀螺仪、加速度计、磁力计等，上述技术包括建立由钻头的电子设备感应的电磁场。来自此类传感器的数据通常通过所谓的电线传输，其中实体的电线导体在钻杆内从钻头延伸回钻机，或通过无线连接(例如，蓝牙无线技术实现短接波长UHF无线电波)。
技术实现思路
[0009]在水平定向钻进的定位专业中，倾角数据是操作员操纵钻头的关键数据。可以根据加速度计的读数在发射器中计算倾角。该计算假设变送器没有外力作用。然而，在钻进过程中，不能假设没有外力(例如，由撞击岩石或其他硬物引起的外力)。当移动和撞击硬物时，撞击产生的加速度可能与位置变化的加速度无法区分。这种加速度的突然变化会导致度数不稳定。如果不处理倾角数据以解决此类异常，则倾角数据可能无法使用，因为它可能会到处跳跃。使用低通滤波器，可以忽略读数中出现的短尖峰。然而，这一标准过程并不总是适用于所有情况，由此导致显示的倾角数据不稳定。这种不稳定性会导致精度和/或生产率下降，在某些情况下，可能会影响钻进过程的安全性。
[0010]本系统可以基于正在执行的作业类型和/或所使用的钻机类型，为操作员提供关于倾角数据计算的选项。例如，大型机器上的大型作业可能需要高稳定性和精度，因为较大的外壳和杆不允许快速改变倾角数据。相反，较小的作业/机器可能需要对倾角数据变化做出更快的反应，并且可以容忍更多的不稳定性。在一个实施例中，用于倾角数据的原始倾角信号处理可以由发射器(例如，与探测器相关)生成，并且从发射器传送(例如，通过蓝牙传输或另一种无线连接)到地面接收器。
[0011]由于钻进完全在地下进行，因此倾角数据变化的速度存在物理限制。因此，从加速度和倾角数据中看到的极快变化本质上是“噪音”。如果这样的读数真的准确，那么结果很可能是钻杆断裂。因此，本系统可以设置允许的倾角数据变化速度的上限和下限，以便从先前的测量中读出(例如，显示或打印输出)。高于或低于限制的任何内容都可以带入设定的限制范围内。用户可以在开始工作之前选择这些限制，例如通过发射器和接收器之间的蓝牙连接。
[0012]本系统允许用户选择用于水平定向钻进操作的倾角数据变化速度工作范围，并且可能基于旋转/推进条件选择倾角数据变化速度限制。
附图说明
[0013]下面参考附图来进行详细描述。
[0014]图1为根据本专利技术实施例的结合有部件接口架构的水平钻进系统的等轴示意图；
[0015]图2为与图1所示的水平钻进系统相关的步行定位器系统的示意图；
[0016]图3为与水平钻进系统相关的标准倾角处理系统的示意图；
[0017]图4为根据本专利技术实施例的结合有倾角速度限制器的水平钻进系统的倾角处理数据流系统的示意图；
[0018]图5为根据本专利技术实施例的具有基于旋转的速度限制值选择的水平钻进系统的倾角处理数据流系统的示意图；
[0019]图6为一个示例的倾角数据图，包括加速度计数据、标准滤波倾角数据、速度受限加速度计数据和滤波速度受限倾角数据；
[0020]图7为一个示例的倾角数据图，包括加速度计数据、标准滤波倾角数据、速度受限加速度计数据和滤波速度受限倾角数据；
[0021]图8为一个示例的倾本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种水平定向钻进系统的倾角数据处理系统，所述倾角数据处理系统包括：探测器，包括加速度计，所述加速度计用于测量并输出原始倾角信号；偏移和范围校准单元，用于接收并初步处理原始倾角信号，所述偏移和范围校准单元被配置为输出校准的倾角信号；倾角速度限制器，用于接收校准的倾角信号，所述倾角速度限制器被配置为设置倾角变化速度上限和倾角变化速度下限，所述倾角速度限制器被配置为产生速度变化受限的倾角信号，所述倾角速度限制器包括软件或处理单元中的至少一个；低通滤波器，用于接收速度变化受限的倾角信号，所述低通滤波器配置为将接收到的速度变化受限的倾角信号衰减到低通滤波器的选定截止频率以上，所述低通滤波器配置为输出速度限制和滤波后的倾角信号，该信号能用于向用户显示或控制水平定向钻进系统的操作中的至少一种。2.根据权利要求1所述的倾角数据处理系统，其特征在于：所述探测器作为地下单元，所述偏移和范围校准单元、倾角速度限制器和低通滤波器结合在地面定位器单元内。3.根据权利要求1所述的倾角数据处理系统，其特征在于：所述探测器作为地下单元操作，所述偏移和范围校准单元、倾角速度限制器和低通滤波器结合在探测器内。4.根据权利要求1所述的倾角数据处理系统，其特征在于：包括地面通信单元，所述地面通信单元被配置为将最大倾角变化速度无线地传送到探测器，所述最大倾角变化速度由系统用户选择。5.根据权利要求1所述的倾角数据处理系统，其特征在于：所述倾角变化速度上限和倾角变化速度下限基于水平定向钻进系统或所执行的钻进作业类型中的至少一个大小来选择。6.根据权利要求5所述的倾角数据处理系统，其特征在于：对于能够容忍更大程度的倾角不稳定性的钻进情况，所述倾角变化速度上限和倾角变化速度下限之间的最大倾角变化速度被选择为5
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10％/秒。7.根据权利要求5所述的倾角数据处理系统，其特征在于：对于需要倾角更高稳定性的钻进情况，所述倾角变化速度上限和倾角变化速度下限之间的最大倾角变化速度被选择为5％/秒或更小。8.根据权利要求1所述的倾角数据处理系统，其特征在于：所述倾角速度限制器是第一倾角速度限制器，其被配置为在水平定向钻进系统处于推进模式的情况下使用。9.根据权利要求8所述的倾角数据处理系统，其特征在于：还包括第二倾角速度限制器，所述第二倾角速度限制器被配置为在水平定向钻进系统处于旋转模式的情况下使用。10.根据权利要求9所述的倾角数据处理系统，其特征在于：还包括滚动传感器和旋转检测单元，两者共同被配置为用于确定第一倾角速度限制器和第二倾角速度限制器中的哪一个被选择性地激活。11.根据权利要求1所述的倾角数据处理系统，其特征在于：所述系统被配置为在选定的时...
【专利技术属性】
技术研发人员：尤瑞，
申请(专利权)人：黄山金地电子有限公司，
类型：发明
国别省市：
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