一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法技术方案

本发明专利技术为一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统，括钻头、钻杆、惯性传感单元组、数据采集箱和数据分析设备，所述惯性传感单元组包括五个惯性传感单元形成的正四面体结构，所述五个惯性传感单元分别位于正四面体的顶点和体心，每个所述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三轴陀螺仪位于封装载体内部。通过采用惯性传感单元组实现了轨迹上各点的数据采集和传输，并极大提高数据采集频率、精度和效率，有效降低了轨迹采集参数数量，最终可实时测量钻杆的实时轨迹，为水平定向钻的高精度定位导向提供基础。的高精度定位导向提供基础。的高精度定位导向提供基础。

【技术实现步骤摘要】
一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法


[0001]本专利技术涉及一种监测系统和方法，特别涉及一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法。

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。而国内外对钻进轨迹导向定位技术的研究基本上都集中在钻头上，一是通过在钻头上安装磁强计和加速度计，并通过测量钻头所在位置不同时刻的倾角和方位角等信息，分析得到钻头的定位信息，但该方法是假设相邻两测点之间的钻孔轨迹为直线，从而导致该方法累计误差很大；另一种轨迹导向定位技术是通过在钻头上安装磁偶极子发射源，并向地表发射低频电磁场信号，在通过相应位置的地面人员使用定位跟踪仪接收磁场信号，以此来对钻头进行定位，但由于该方法存在精度不高、对场地条件要求高和探测深度最深仅为35m等缺点，仍无法满足精确导向定位和精细化控制的要。
[0003]因此，为了使钻头更准确地钻达目标点，必须改进目前钻进轨迹导向定位技术，实现实时监测钻孔轨迹变化情况，从而使得司钻人员能够及时、准确的掌握钻孔前进情况，实时控制钻孔轨迹，保证所钻孔的轨迹按照预定轨迹进行。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，给实际工程中的钻孔施工带来不利的影响。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]针对目前钻孔轨迹实时监测涉及的参数较多、数据采集频率不高和测量误差较大的技术问题，提出一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统和方法，具体为：
[0006]一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统，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，所述惯性传感单元组包括五个惯性传感单元形成的正四面体结构，所述五个惯性传感单元分别位于正四面体的顶点和体心，每个所述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三轴陀螺仪位于封装载体内部；所述钻头与所述钻杆连接并位于钻杆前端，所述惯性传感单元组位于钻杆内壁中部并与所述数据采集箱有线连接，所述数据采集箱与所述数据分析设备连接；所述钻杆有多段，钻杆之间通过螺纹连接；所述惯性传感单元组，用于实时测量惯
性传感单元组所在位置重力加速度坐标分量和地磁场坐标分量；所述数据采集箱，用于采集惯性传感单元组产生的数据并传输给数据分析设备；所述数据分析设备，用于分析数据采集箱传来的数据并分析生成实时动态轨迹曲线。
[0007]进一步，所述惯性传感单元组中每个MEMS三轴加速度计之间和MEMS 三轴陀螺仪之间均通过有线连接。
[0008]进一步，所述监测方法包括以下步骤：
[0009]S1.将惯性传感单元组均匀安装在钻杆内壁；
[0010]S2.将惯性传感单元组、数据采集箱和数据分析设备依次串联起来；
[0011]S3.水平定向钻在钻进过程中，惯性传感单元组将采集到的数据传输到数据采集箱，数据采集箱再将收集到的数据传输到数据分析设备，数据分析设备通过对接收到的数据进行分析，生成实时轨迹曲线。
[0012]进一步，所述惯性传感单元组将采集到的数据传输到数据采集箱，数据采集箱再将收集到的数据传输到数据分析设备，数据分析设备通过对接收到的数据进行分析，生成实时轨迹曲线，还包括：根据惯性传感单元组中的五个 MEMS三轴加速度计实时测量重力加速度坐标分量(G
x
,G
y
,G
z
)，通过数据分析设备计算出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)。
[0013]进一步，所述惯性传感单元组将采集到的数据传输到数据采集箱，数据采集箱再将收集到的数据传输到数据分析设备，数据分析设备通过对接收到的数据进行分析，生成实时轨迹曲线，还包括：根据惯性传感单元组中的五个 MEMS三轴陀螺仪实时测量地磁场坐标分量(M
x
,M
y
,M
z
)，通过数据分析设备对五个MEMS三轴陀螺仪进行非水平校正，得到校正后的航向角(ψ)。
[0014]进一步，在钻杆依次达到每一个测量点时，由位于钻杆各段内的惯性传感单元组采集当前测量点的坐标数据，并对各惯性传感单元组所测量的当前测量点的坐标数据进行平均，得到当前测量点的实际坐标，并最终得到每一个测量点的最终坐标；根据每一个测量点的最终坐标，通过数据分析设备绘制出实时的钻孔轨迹曲线；通过数据分析设备对所述钻孔轨迹曲线进行可视化显示；其中，设定靠近钻孔起始端为零点，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，所采用的坐标系为右手坐标系。
[0015]进一步，通过惯性传感单元组中五个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。
[0016]进一步，根据惯性传感单元组中五个MEMS三轴陀螺仪的数据，通过公式：
[0017]M'
x
＝M
x cosθ+M
z sinθ
[0018]M'
y
＝M
y
cosφ+M
x
sinθsinφ
‑
M
z
cosθsinφ
[0019]M'
z
＝
‑
M
x
sinθcosφ+M
z
cosθcosφ+M
y sinφ
[0020]对五个MEMS三轴陀螺仪进行非水平校正，得到校正后地磁场在五个MEMS 三轴陀螺仪上的分量(M'
x
,M'
y
,M'
z
)，并根据公式：
[0021][0022]得到校正后的航向角(ψ)。
[0023]式中：M＇
x
,M＇
y
,M＇
z
分别表示地磁场在x、y、z方向上的分量。
[0024]进一步，根据公式：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统，其特征在于，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；所述钻头与所述钻杆连接并位于钻杆前端，所述惯性传感单元组位于钻杆内壁中部并与所述数据采集箱有线连接，所述数据采集箱与所述数据分析设备连接；所述惯性传感单元组，用于实时测量惯性传感单元组所在位置的重力加速度坐标分量和地磁场坐标分量；所述数据采集箱，用于采集惯性传感单元组产生的数据并传输给数据分析设备；所述数据分析设备，用于分析数据采集箱传来的数据并分析生成实时动态轨迹曲线。2.根据权利要求1所述的一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统，其特征在于，所述惯性传感单元组包括五个惯性传感单元形成的正四面体结构，所述五个惯性传感单元分别位于正四面体的顶点和体心，每个所述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三轴陀螺仪位于封装载体内部。3.根据权利要求1所述的一种水平定向钻轨迹实时动态监测系统，其特征在于，所述惯性传感单元组中每个MEMS三轴加速度计之间和MEMS三轴陀螺仪之间均通过有线连接。4.一种水平定向钻轨迹实时动态监测方法，其特征在于，所述监测方法包括以下步骤：S1.将惯性传感单元组均匀安装在钻杆内壁；S2.将惯性传感单元组、数据采集箱和数据分析设备依次串联起来；S3.水平定向钻在钻进过程中，惯性传感单元组将采集到的数据传输到数据采集箱，数据采集箱再将收集到的数据传输到数据分析设备，数据分析设备通过对接收到的数据进行分析，生成实时轨迹曲线。5.根据权利要求4所述的一种水平定向钻轨迹实时动态监测方法，其特征在于，所述惯性传感单元组将采集到的数据传输到数据采集箱，数据采集箱再将收集到的数据传输到数据分析设备，数据分析设备通过对接收到的数据进行分析，生成实时轨迹曲线，还包括：根据惯性传感单元组中的五个MEMS三轴加速度计实时测量重力加速度坐标分量(G
x
,G
y
,G
z
)，通过数据分析设备计算出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)。6.根据权利要求4所述的一种水平定向钻轨迹实时动态监测方法，其特征在于，所述惯性传感单元组将采集到的数据传输到数据采集箱，数据采集箱再将收集到的数据传输到数据分析设备，数据分析设备通过对接收到的数据进行分析，生成实时轨迹曲线，还包括：根据惯性传感单元组中的五个MEMS三轴陀螺仪实时测量地磁场坐标分量(M
x
,M
y
,M
z
)，通过数据分析设备对五个MEMS三轴陀螺仪进行非水平校正，得到校正后的航向角(ψ)。7.根据权利要求4所述的一种水平定向钻轨迹实时动态监测方法，其特征在于，在钻杆依次达到每一个测量点时，由位于钻杆各段内的惯性传感单元组采集当前测量点的坐标数据，并对各惯性传感单元组所测量的当前测量点的坐标数据进行平均，得到当前测量点的实际坐标，并最终得到每一个测量点的...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明明，姚四海，郑宏利，田松，李忠良，项荣军，余国，杨帅，李涛，李俊鹏，李悦，
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：