一种水平定向钻机施工工艺模拟评价系统和方法技术方案

本发明专利技术为一种水平定向钻机施工工艺模拟评价系统和方法，包括模拟钻孔系统、模拟干扰系统、模拟评价单元，所述模拟钻孔系统包括钻头、钻杆、惯性传感单元组、数据采集箱和数据分析设备，所述模拟干扰系统包括入口无干扰段、外部磁场干扰段、岩层干扰段、水压干扰段、复合干扰段和出口无干扰段，所述模拟评价单元包括模拟钻头损伤评价单元、模拟钻孔轨迹偏离评价单元、模拟钻孔效率评价单元和模拟钻孔环境影响评价单元。通过干扰系统和评价系统对水平定向钻机施工过程进行工艺评价，为评价水平定向钻机的施工效果提供了可靠的评价系统。钻机的施工效果提供了可靠的评价系统。钻机的施工效果提供了可靠的评价系统。

【技术实现步骤摘要】
一种水平定向钻机施工工艺模拟评价系统和方法


[0001]本专利技术涉及一种施工工艺模拟评价系统和方法，特别涉及一种水平定向钻机施工工艺模拟评价系统和方法。

技术介绍

[0002]目前，对于下穿公路、铁路、桥梁和河道的各类市政管道一般采用水平定向钻的方式进行钻孔施工，该钻孔施工技术虽在穿越长度、穿越复杂地层方面不断刷新记录；但受地形、地貌以及河流特殊地质等条件的影响，特别是长距离穿越卵石、圆砾地层时和一些无规律的钻孔轨迹，由于地层各向异性和造斜工具能力等因素的影响，实际钻孔轨迹往往不能沿设计的轨迹前进，一旦轨迹偏离设计的轨迹，不仅造成巨大的经济损失，还对地表造成了不可修复的生态破坏。而国内外主要通过在钻头安装磁强针、加速度计传感器和偶极子发射源与定位跟踪仪结合来对钻进轨迹进行导向定位。而为了使钻头更准确地钻达目标点，必须对钻孔系统进行评价，而目前对于钻孔实际轨迹的分析评价(如专利文献CN112364510A、CN 105335983A和CN 106437677A)，涉及到的参数较多，数据采集频率不高导致轨迹测量误差较大，且目前几乎没有针对水平定向钻机施工工艺的评价系统和方法，若采用现场施工工艺评价方法，不仅消耗较大的人力、物力和经济，还会给生态环境造成一定程度的破坏，这将给实际工程中的水平定向钻孔施工带来不利的影响。
[0003]微机电系统(MEMS，Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。微机电系统其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。微机电系统能够很好的解决采集频率不高的问题。

技术实现思路

[0004]针对目前钻孔轨迹和质量评价涉及的参数较多、数据采集频率不高、测量误差较大和缺乏水平定向钻机施工工艺模拟评价系统和方法的技术问题，提出一种水平定向钻机施工工艺模拟评价系统和方法，具体为：
[0005]一种水平定向钻机施工工艺模拟评价系统，包括模拟钻孔系统、模拟干扰系统、模拟评价单元，所述模拟钻孔系统包括钻头、钻杆、惯性传感单元组、数据采集箱和数据分析设备，所述模拟干扰系统包括入口无干扰段、外部磁场干扰段、岩层干扰段、水压干扰段、复合干扰段和出口无干扰段，所述模拟评价单元包括模拟钻头损伤评价单元、模拟钻孔轨迹偏离评价单元、模拟钻孔效率评价单元和模拟钻孔环境影响评价单元；所述数据采集箱与所述数据分析设备连接；所述模拟钻孔系统在模拟干扰系统中进行模拟钻孔，模拟评价单元对钻孔后的施工工艺进行评价；所述模拟钻头损伤评价单元通过测量钻头表面磨损程度和裂纹分布进行定量评价，所述模拟钻孔轨迹偏离评价单元通过钻孔实际轨迹与设计轨迹对比后进行定量评价，所述模拟钻孔效率评价单元通过钻孔轨迹单位长度完成时间进行定量评价，所述模拟钻孔环境影响评价单元通过钻孔过程中工程地质表层振动和泥浆排出量
进行定量评价。
[0006]进一步，每个惯性传感单元组中各惯性传感单元之间均有线连接，每个惯性传感单元均包括MEMS三轴加速度计、MEMS三轴陀螺仪和封装载体，所述MEMS三轴加速度计和所述MEMS三轴陀螺仪均位于封装载体内，所述MEMS三轴加速度计用于测量所在位置的重力加速度的三个坐标分量(G
x
,G
y
,G
z
)，其中X轴正方向与钻孔方向一致，坐标系为左手坐标系；所述MEMS三轴陀螺仪用于测量所在位置的地磁场的三个分量(M
x
,M
y
,M
z
)，其中X轴正方向与钻孔方向一致，坐标系为右手坐标系。
[0007]进一步，所述模拟干扰系统中的入口无干扰段和出口无干扰段分别与钻孔轨迹设计的初始段和结束段一致；所述外部磁场干扰段与钻孔轨迹设计的初始段延伸段一致；所述岩层干扰段根据实际工程地质条件设置相应的工程地质环境；所述水压干扰段为地下水压干扰段；所述复合干扰段为外部磁场、岩层干扰和水压干扰复合的干扰段。
[0008]一种水平定向钻机施工工艺模拟评价方法，所述模拟评价方法包括以下步骤：
[0009]S1.按照轨迹设计曲线制作模拟干扰系统中的入口无干扰段和出口无干扰段，根据工程地质条件和施工工艺评价要求设置模拟干扰系统中的外部磁场干扰段、岩层干扰段、水压干扰段和复合干扰段，并在模拟干扰系统中布置振动检测仪；
[0010]S2.将钻头放入模拟干扰系统中进行钻孔，并开始计时，钻头钻出出口干扰段时结束计时，模拟钻孔轨迹长度除以计时时间为模拟钻孔效率；
[0011]S3.根据MEMS三轴加速度计测量的钻头所在位置地磁场的三个分量(M
x
,M
y
,M
z
)，通过数据分析设备计算出钻头所在位置与水平地面的俯仰角(θ)和与钻孔方向的航向角(φ)；
[0012]S4.根据MEMS三轴陀螺仪测量的三个分量(M
x
,M
y
,M
z
)，通过数据分析设备对MEMS三轴陀螺仪进行非水平校正，得到校正后的航向角(ψ)；
[0013]S5.步骤S3和S4为单个测量点的计算方法，随着钻孔的深入，测量点不断增加，设定靠近钻机一段为零点，钻头端为尾，垂直地面向上为Z轴，沿预定钻孔方向为X轴，垂直于Z轴和X轴为Y轴；各测量点序号随着钻孔轨迹延伸不断增加，每次测量后一个测点替换前一个测点；
[0014]S6.在步骤S5测量中，每次测量都对钻孔轨迹上固定位置的坐标值的多个数据进行平均，得到钻孔轨迹各点的最终坐标；
[0015]S7.根据步骤S6中得到的轨迹各点最终坐标，通过数据分析设备绘制出实时模拟钻孔轨迹曲线；
[0016]S8.将步骤S7中得到的实时模拟钻孔轨迹曲线与设计钻孔轨迹曲线进行曲线各点坐标标准差计算，绘制标准差分布图，将不同干扰段的标准差总和作为该干扰段钻孔轨迹偏离评价的定量指标；
[0017]S9.将钻孔过程中振动检测仪收集到的振动速度、加速度取绝对值后分别进行求和，将求和结果和泥浆总排出质量作为模拟钻孔环境影响评价指标；
[0018]S10.将钻孔后的钻头清洗烘干后测量质量，减去钻孔前质量，所得质量差为钻头磨损量，并将钻头质量损失量、裂纹新增数量、裂纹新增宽度、裂纹新增长度、裂纹新增深度作为钻头损伤评价指标。
[0019]进一步，通过MEMS三轴加速度计测量所得的俯仰角(θ)和航向角(φ)的计算公式
分别为和
[0020]式中：G
x
,G
y
,G
z
分别表示三轴加速度计在x、y、z方向上的加速度。
[0021]进一步，根据MEMS三轴陀螺仪的数据，通过公式：
[0022]M'
x
＝M
x
cosθ+M
z
sinθ
[0023]M'
y
＝M<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水平定向钻机施工工艺模拟评价系统，其特征在于，包括模拟钻孔系统、模拟干扰系统、模拟评价单元，所述模拟钻孔系统包括钻头、钻杆、惯性传感单元组、数据采集箱和数据分析设备，所述模拟干扰系统包括入口无干扰段、外部磁场干扰段、岩层干扰段、水压干扰段、复合干扰段和出口无干扰段，所述模拟评价单元包括模拟钻头损伤评价单元、模拟钻孔轨迹偏离评价单元、模拟钻孔效率评价单元和模拟钻孔环境影响评价单元；所述数据采集箱与所述数据分析设备连接；所述模拟钻孔系统在模拟干扰系统中进行模拟钻孔，模拟评价单元对钻孔后的施工工艺进行评价；所述模拟钻头损伤评价单元通过测量钻头表面磨损程度和裂纹分布进行定量评价，所述模拟钻孔轨迹偏离评价单元通过钻孔实际轨迹与设计轨迹对比后进行定量评价，所述模拟钻孔效率评价单元通过钻孔轨迹单位长度完成时间进行定量评价，所述模拟钻孔环境影响评价单元通过钻孔过程中工程地质表层振动和泥浆排出量进行定量评价。2.根据权利要求1所述的一种水平定向钻机施工工艺模拟评价系统，其特征在于，每个惯性传感单元组中各惯性传感单元之间均有线连接，每个惯性传感单元均包括MEMS三轴加速度计、MEMS三轴陀螺仪和封装载体，所述MEMS三轴加速度计和所述MEMS三轴陀螺仪均位于封装载体内，所述MEMS三轴加速度计用于测量所在位置的重力加速度的三个坐标分量(G
x
,G
y
,G
z
)，其中X轴正方向与钻孔方向一致，坐标系为左手坐标系；所述MEMS三轴陀螺仪用于测量所在位置的地磁场的三个分量(M
x
,M
y
,M
z
)，其中X轴正方向与钻孔方向一致，坐标系为右手坐标系。3.根据权利要求1所述的一种水平定向钻机施工工艺模拟评价系统，其特征在于，所述模拟干扰系统中的入口无干扰段和出口无干扰段分别与钻孔轨迹设计的初始段和结束段一致；所述外部磁场干扰段与钻孔轨迹设计的初始段延伸段一致；所述岩层干扰段根据实际工程地质条件设置相应的工程地质环境；所述水压干扰段为地下水压干扰段；所述复合干扰段为外部磁场、岩层干扰和水压干扰复合的干扰段。4.一种水平定向钻机施工工艺模拟评价方法，其特征在于，所述模拟评价方法包括以下步骤：S1.按照轨迹设计曲线制作模拟干扰系统中的入口无干扰段和出口无干扰段，根据工程地质条件和施工工艺评价要求设置模拟干扰系统中的外部磁场干扰段、岩层干扰段、水压干扰段和复合干扰段，并在模拟干扰系统中布置振动检测仪；S2.将钻头放入模拟干扰系统中进行钻孔，并开始计时，钻头钻出出口干扰段时结束计时，模拟钻孔轨迹长度除以计时时间为模拟钻孔效率；S3.根据MEMS三轴加速度计测量的钻头所在位置地磁场的三个分量(M
x
,M
y
,M
z
)，通过数据分析设备计算出钻头所在位置与水平地面的俯仰角(θ)和与钻孔方向的航向角(φ)；S4.根据MEMS三轴陀螺仪测量的三个分量(M
x
,M
y
,M
z
)，通过数据分析设备对MEMS三轴陀螺仪进行非水平校正，得到校正后的航向角(ψ)；S5.步骤S3和S4为单个测量点的计算方法，随着钻孔的深入，根据设定的轨迹测量点间隔，测量点不断增加，设定靠近钻机一段为零点，钻头端为尾，垂直地面向上为Z轴，沿预定钻孔方向为X轴，垂直于Z轴和X轴为Y轴；各测量点序号随着钻孔轨迹延伸不断增加，每次测量后一个测点替换前一个测点；S6.在步骤S5测量中，每次测量都对钻孔轨迹上固定位置的坐标值...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帅，史永亮，郭庆，戴新隆，庞拓，高明明，杜欣，余国，李俊鹏，李涛，
申请(专利权)人：中铁十六局集团有限公司中铁十六局集团南方工程有限公司华南理工大学，
类型：发明
国别省市：