CN111411939B

CN111411939B - 一种非开挖钻探系统的钻头深度的计算方法

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Publication number: CN111411939B
Application number: CN202010251387.3A
Authority: CN
Inventors: 张志余; 金宇鹏
Original assignee: Ningbo Jindi Electronic Co ltd
Current assignee: Ningbo Jindi Electronic Co ltd
Priority date: 2020-04-01
Filing date: 2020-04-01
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2040-04-01
Also published as: CN111411939A

Abstract

本发明公开了一种非开挖钻探系统的钻头深度的计算方法，所述非开挖钻探系统包括能够接收卫星的GPS数据的导向仪和用于钻进的钻头，其特征在于：所述计算方法包括如下步骤：1)利用导向仪的GPS数据计算钻头当前位置对应的地面上的当前点和钻头前一个位置对应的地面上的前一点的水平距离d；2)利用导向仪的GPS数据计算当前点和钻头钻进路线的起点的高度差，a＝A–A₀，A₀表示起点的GPS高度；3)计算当前点和前一点的平均倾角β＝(α+α_‑1)/2，其中α_‑1是前一点的倾角，α是当前点的倾角；4)计算当前点相对于前一点的落差l＝d×tanβ；5)计算当前点相对于起点的落差L＝L_‑1+l；6)计算钻头的深度H，H＝L+a。

Description

一种非开挖钻探系统的钻头深度的计算方法

技术领域

本发明涉及非开挖技术领域，尤其是一种非开挖钻进系统的钻头深度的计算方法。

背景技术

随着城市建设的大规模发展，需要在城市中铺设截污管或能源(液化气、天然气等)供应管，较常用的方法是开挖槽来埋管埋线，这会造成环境污染，引起交通堵塞，并且存在施工安全隐患。

因此，目前也已开发使用了非开挖铺管技术，即一种利用岩土钻掘手段，在路面不挖沟、不破坏大面积地表层的情况下，铺设、修复和更换地下管线的施工技术。使用非开挖技术具有周期短、成本低、污染少、安全性能好等优点，而且不会影响正常的交通秩序。

非开挖铺管技术应用较广的为水平导向前进法，其是利用非开挖导向仪引导装有钻头的钻杆进行定向前进来实现。非开挖导向仪包括提供钻头实时的工况-深度、倾角以及钟点方向，让地面的操作人员实时掌握钻孔轨迹以便对后续的操作进行及时的修正，以保证按既定的路线轨迹精确定向，完成非开挖铺管。由此可见，非开挖铺管技术对于非开挖导向仪的精确测量有着很高的要求。

由上可知，在非开挖行业中，需要检测和记录钻头在地下的深度，现有的技术是采用地下碳棒和地面接收仪之间的电磁感应来检测的。如申请号为201720303118.0的中国专利公开的一种松散破碎地层非开挖定向钻进导向系统，包括钻机、与钻机连接的钻杆以及设置于钻杆端部的钻头，钻头上设有信号探棒，信号探棒通过电磁波信号传输装置与遥显仪连接，电磁波信号传输装置为无线电磁波信号传输装置，通过地下信号探棒发出钻头位置和角度的电磁波信号，并通过地面导向仪接显示钻头深度、倾斜度、工具面向角等参数，从而供操作人员掌握孔内情况。

在无干扰源、较浅的地土中，上述这种通过电磁感应来检测的技术是可行的。但随着钻探深度的增加，以及不可预测的干扰源(如地下金属管线，钢筋水泥等)，现行技术便无法准确地判断碳棒(钻头)在地下的深度。

目前还有利用GPS的方案，但只涉及两点(或两根钻杆间)之间的相对落差计算，不涉及深度，落差计算是一种近似算法。参见图4，把钻杆的弧形长度作为斜边的长度使用。之所以这样做，有两个前提：1、每完成一个钻杆的推进，钻杆的弯曲是有限的，即图中的弧长和斜边长很接近，因此，可以用弧长结合两杆的倾角平均值来计算落差；2、数据记录只能，且必须在完成一杆后进行，也就是说，每次计算落差时，弧长已知且不变，只有倾角变化。

这种落差算法有两个缺点：1、因为两点的弧长总是大于两点的直线长度，因此，当涉及长距离作业时，算法便会产生积累误差，使记录/计算所得数据不能正确的反映地下实际的路线；2、记录数据必须、且只能在完成一整杆进度后进行，任何其他点记录的数据都会引起计算错误。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种非开挖钻进系统的钻头深度的计算方法，能获得钻头离地面的实际深度，提高测量精度，避免外界干扰。

本发明解决上述技术问题所采用的第一个技术方案为：一种非开挖钻探系统的钻头深度的计算方法，所述非开挖钻探系统包括能够接收卫星的GPS数据的导向仪和用于钻进的钻头，其特征在于：所述计算方法包括如下步骤：

1)利用导向仪的GPS数据计算钻头当前位置对应的地面上的当前点和钻头前一个位置对应的地面上的前一点的水平距离d：前一点的GPS坐标是(La_-1,Lo_-1,A_-1)，当前点的GPS坐标是(La,Lo,A)，计算这两点之间水平距离的方法如下：

1.1)把前一点的GPS高度用当前点的高度替换，使得前一点和当前点处在同一高度，得到新的GPS坐标(La_-1,Lo_-1,A)；

1.2)把同一高度的两点(La_-1,Lo_-1,A)和(La,Lo,A)换成大地坐标(X_-1,Y_-1,Z_-1)和(X,Y,Z)；

1.3)计算大地坐标上两点的距离：d＝SQRT((X–X_-1)²+(Y-Y_-1)²+(Z–Z_-1)²)；

2)利用导向仪的GPS数据计算当前点和钻头钻进路线的起点的高度差，a＝A–A₀，A₀表示起点的GPS高度；

3)计算当前点和前一点的平均倾角β＝(α+α_-1)/2，其中α_-1是前一点的倾角，α是当前点的倾角；

4)计算当前点相对于前一点的落差l＝d×tanβ；

5)计算当前点相对于起点的落差L＝L_-1+l；

6)计算钻头的深度H，H＝L+a。

为使得导向仪的GPS数据精准，提高后续深度计算的准确性，所述非开挖钻探系统还包括固定基点矫正器，所述地面定位器包括第一GPS接收器、差分数据接收器和GPS矫正计算模块，第一GPS接收器差分数据接收器的输出端还与GPS矫正计算模块的输入端连接；所述导向装置还包括固定基点矫正器，所述固定基点矫正器包括第二GPS接收器、差分计算模块、能够向导向仪的差分数据接收器发送信号的差分数据发射器和基点位置输入模块，所述第二GPS接收器和基点位置输入模块的输出端均连接到差分计算模块的输入端，所述差分计算模块的输出端连接差分数据发射器的输入端；在步骤1)和2)中，所述GPS矫正计算模块能够通过第一GPS接收器和差分数据接收器接收到的数据计算矫正后导向仪的GPS数据。

优选的，在步骤3)中，导向仪通过设置在钻头上的碳棒获得前一点的和当前点的倾角。

本发明解决上述技术问题所采用的第二个技术方案为：一种非开挖钻探系统的钻头深度的计算方法，所述非开挖钻探系统包括能够接收卫星的GPS数据的导向仪和用于钻进的钻头，其特征在于：所述计算方法包括如下步骤：

1)利用导向仪的GPS数据计算钻头当前位置对应的地面上的当前点和钻头的钻进路线的起点的高度差：当前点*GPS坐标是(La,Lo,A)，起点(O₀)的GPS坐标是(La₀,Lo₀,A₀)，a＝A–A₀；

2)计算当前点和钻头前一个位置对应的地面上的前一点的平均倾角β＝(α+α_-1)/2，其中α_-1是前一点的倾角，α是当前点的倾角；

3)计算当前点相对于前一点的落差l＝R×sinβ，R为钻探系统的钻杆的长度；

4)计算当前点相对于起点的落差L＝L_-1+l；

5)计算钻头的深度H，H＝L+a。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过使用通过精准GPS位置所得的两点之间的直线距离或者钻杆的长度，再结合倾角来计算落差，从而能精准计算钻头离地面的实际深度，以便于操作人员掌握钻杆的钻进路线。

附图说明

图1为本发明实施例所使用的钻探系统整体布局示意图；

图2是本发明实施例所使用的导向仪和固定基点矫正器的一种结构的框图；

图3为本发明实施例的钻探系统的数据采集点及钻探路线地下剖面示意图；

图4为现行相对落差的近似算法示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，由于本发明所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制，比如“上”、“下”并不一定被限定为与重力方向相反或一致的方向。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

实施例一

参见图1，显示了一种非开挖的钻探系统，钻探系统包括钻进装置和导向装置，其中，钻进装置包括位于地面的钻机1和在地面下钻进的钻头2，导向装置包括导向仪3、设置在钻头2上的碳棒4、以及固定基点矫正器5，导向仪3为精准定位智能导向仪，与固定基点矫正器5都分别能接收卫星6的GPS信号，固定基点矫正器5能传递信号到导向仪3。本发明利用固定基点矫正器5，通过现场的固定基点校正方法来提高定位精度，将传统的定位精度提高了一个数量级。

参见图2，导向仪3包括地下定位器31和地面定位器32，下文对于地下定位器31和地面定位器32的描述中，“连接”均为电连接。其中地下定位器31包括如下模块：碳棒磁场信号接收器311和地下碳棒定位信号处理模块312，碳棒磁场信号接收器331能够接收碳棒4发出的磁场信号，碳棒磁场信号接收器311的输出端和地下碳棒定位信号处理模块312的输入端连接，通过地下碳棒定位信号处理模块312处理碳棒磁场信号，并发送到地面定位器32。

地面定位器32包括第一GPS接收器321、差分数据接收器322、钻杆推进参数发送器323、导向仪控制模块324和GPS矫正计算模块325。第一GPS接收器321能够接收卫星6的GPS信号，此外，第一GPS接收器321和差分数据接收器322的输出端还与GPS矫正计算模块325的输入端连接，以便得出精确地面位置。GPS矫正计算模块325的输出端与导向仪控制模块324连接。

固定基点矫正器5包括第二GPS接收器51、差分计算模块52、差分数据发射器53和基点位置输入模块54。第二GPS接收器51能够接收卫星6的GPS信号，其和基点位置输入模块54的输出端均连接到差分计算模块52的输入端，第二GPS接收器51和基点位置输入模块54输入的基点位置作为两个输入变量传递到差分计算模块52，差分计算模块52的输出端连接差分数据发射器53的输入端。导向仪3的差分数据接收器322和固定基点矫正器5的差分数据发射器53之间无线通信。

由此，固定基点矫正器5能够通过自身基点位置和GPS位置产生矫正信息通过差分数据发射器53发送到导向仪3的差分数据接收器322。导向仪3的GPS矫正计算模块325由差分数据接收器322接收到的矫正信息对第一GPS接收器321的GPS信号记性矫正计算，并发送到导向仪控制模块324。固定基点矫正器5的基点为绝对GPS位置，可以使用通用的测量技术获得。一旦基点的GPS位置确定后，其他位置的GPS位置也就确定了，而且比使用通用GPS矫正得来的位置更为精确。基于精准位置信息，施工人员(参见图1中的操作钻机1的钻机手和操作导向仪3的导向手)便可精确地控制钻头2的推进。

施工之前，施工人员按施工要求先确定整个施工的起点和终点，然后在尽可能开阔而又靠近起始两点的位置之间选定放置作为基点的固定基点矫正器5，并固定在稳定的支架上55。整个施工过程中，这个固定基点矫正器5尽量避免迁移。为获取精准GPS位置坐标，固定基点矫正器5需要输入或自动获取基点的GPS位置。

确定基点GPS位置，有三种方案可用：1)让基点的GPS自动收敛：收敛需要一定的时间，可在施工前几天提前开启固定基点矫正器5的第二GPS接收器51，并将几天收集的坐标作平均计算，以此作为基点的固定坐标；2)用其他通用测量的方法获得基点的固定坐标，并将固定坐标输入与固定基点矫正器5中；3)若想缩短第1种方案所需的收敛时间，基点的GPS亦可采用网上的矫正服务(需要有网络可用)，以加速获取基点的GPS坐标。设定基点的GPS坐标后，导向仪3便有了地面精准定位功能。

若施工铺设的管道比较长，为确保矫正的精度，需要移动固定基点矫正器5到离钻头2较近的位置，每次移动后固定基点矫正器5后，必须按上述方法重新确定基点的GPS位置。

与现有技术相同的是，碳棒4将钻头2通过传感器所获得的水平倾角能够以有线或无线的方式发送至导向仪3。导向仪3能够记录对应钻头2位置的地面一点的纬度La,经度Lo，高度A，上述GPS数据优选的为由固定基点矫正器5矫正后的坐标，能使得坐标数据的精度大为提高，由此可计算这点从地面到钻头2的距离(深度)。如果是钻进路径的起点，由于其和地面处在同一高度，因此，其深度是0，落差也是0，不需要进一步计算。

参见图3，每记录一个点数据之后，可遵循下面方法计算该点对应的钻头2在地下的深度：

1)利用导向仪3的GPS数据计算钻头2当前位置对应的地面上的当前点和钻头2前一个位置对应的地面上的前一点的水平距离d：其中O₀为钻头2钻进路线的起点，O_-1为前一点，O₁为当前点，找到地面上与钻头2对应位置的点可采用现有技术，其中L₁和L₂分别为参考的水平线：

假设前一点O_-1的GPS位置是(La_-1,Lo_-1,A_-1)，这里使用通用的MGS84格式；纬度La，经度Lo，和高度A_-1，如果当前点O₁的位置是(La,Lo,A)，计算这两点之间水平距离的方法如下：

1.1)把前一点O_-1的GPS高度用当前点O₁的高度替换，使得前一点O_-1和当前点O₁处在同一高度，得到新的GPS坐标(La_-1,Lo_-1,A)，这意味着前一点O_-1和当前点O₁处在同一水平高度；

1.2)把同一高度的两点(La_-1,Lo_-1,A)和(La,Lo,A)换成大地坐标(X_-1,Y_-1,Z_-1)和(X,Y,Z)，坐标换算可见公共领域所颁布的通用算法；

2)利用导向仪3的GPS数据计算当前点O₁和起点O₀的高度差，a＝A–A₀，这里A₀表示起点O₀的GPS高度；

3)计算当前点O₁和前一点O_-1的平均倾角β＝(α+α_-1)/2，其中α_-1是前一点O_-1记录的倾角；

4)计算当前点O₁相对于前一点O_-1的落差l＝d×tanβ；

5)计算当前点O₁相对于起点O₀的落差L＝L_-1+l，即当前点O₁的落差加上前一点O_-1的相对于起点O₀的落差，供下一点计算时使用；

6)计算H＝L+a，H便是当前点O₁对应的钻头2离地面的高度，即钻头2的深度。

实施例二

在本实施例中，与上述实施例一的不同之处在于利用现行算法计算两个钻杆之间的落差，以替代实施例一种的L。结合图4，计算钻头2在地下的深度的方法包括如下步骤：

1)利用导向仪3的GPS数据计算当前点O₁和起点O₀的高度差：假设当前点O₁的位置是(La,Lo,A)，起点O₀的位置是(La₀,Lo₀,A₀)，a＝A–A₀，这里A₀表示起点O₀的GPS高度；

2)计算当前点O₁和前一点O_-1的平均倾角β＝(α+α_-1)/2，其中α_-1是前一点O_-1记录的倾角；

3)计算当前点O₁相对于前一点O_-1的落差l＝R×sinβ，假设每根钻杆的长度固定，且长度为R，以弯曲成一定弧度的钻杆4等同当前点O₁和前一点O_-1之间的连线长度来计算落差；

4)计算当前点O₁相对于起点O₀的落差L＝L_-1+l，即当前点O₁的落差加上前一点O_-1的相对于起点O₀的落差，供下一点计算时使用；

5)计算H＝L+a，H便是当前点O₁对应的钻头2离地面的高度，即钻头2的深度。

Claims

1.一种非开挖钻探系统的钻头深度的计算方法，所述非开挖钻探系统包括能够接收卫星(6)的GPS数据的导向仪(3)和用于钻进的钻头(2)，其特征在于：所述计算方法包括如下步骤：

1)利用导向仪(3)的GPS数据计算钻头(2)当前位置对应的地面上的当前点(O₁)和钻头(2)前一个位置对应的地面上的前一点(O_-1)的水平距离d：前一点(O_-1)的GPS坐标是(La_-1,Lo_-1,A_-1)，当前点(O₁)的GPS坐标是(La,Lo,A)，计算这两点之间水平距离的方法如下：

1.1)把前一点(O_-1)的GPS高度用当前点(O₁)的高度替换，使得前一点(O_-1)和当前点(O₁)处在同一高度，得到新的GPS坐标(La_-1,Lo_-1,A)；

2)利用导向仪(3)的GPS数据计算当前点(O₁)和钻头(2)钻进路线的起点(O₀)的高度差，a＝A–A₀，A₀表示起点(O₀)的GPS高度；

3)计算当前点(O₁)和前一点(O_-1)的平均倾角β＝(α+α_-1)/2，其中α_-1是前一点(O_-1)的倾角，α是当前点(O₁)的倾角；

4)计算当前点(O₁)相对于前一点(O_-1)的落差l＝d×tanβ；

5)计算当前点(O₁)相对于起点(O₀)的落差L＝L_-1+l；

6)计算钻头(2)的深度H，H＝L+a。

2.根据权利要求1所述的非开挖钻探系统的钻头深度的计算方法，其特征在于：所述非开挖钻探系统还包括固定基点矫正器(5)，所述导向仪(3)包括地面定位器(32)，所述地面定位器(32)包括第一GPS接收器(321)、差分数据接收器(322)和GPS矫正计算模块(325)，第一GPS接收器(321)和差分数据接收器(322)的输出端还与GPS矫正计算模块(325)的输入端连接；所述固定基点矫正器(5)包括第二GPS接收器(51)、差分计算模块(52)、能够向导向仪(3)的差分数据接收器(322)发送信号的差分数据发射器(53)和基点位置输入模块(54)，所述第二GPS接收器(51)和基点位置输入模块(54)的输出端均连接到的输入端，所述差分计算模块(52)的输出端连接差分数据发射器(53)的输入端；在步骤1)和2)中，所述GPS矫正计算模块(325)能够通过第一GPS接收器(321)和差分数据接收器(322)接收到的数据计算矫正后的导向仪(3)的GPS数据。

3.根据权利要求1所述的非开挖钻探系统的钻头深度的计算方法，其特征在于：在步骤3)中，导向仪(3)通过设置在钻头(2)上的碳棒(4)获得前一点(O_-1)的和当前点(O₁)的倾角。

4.一种非开挖钻探系统的钻头深度的计算方法，所述非开挖钻探系统包括能够接收卫星(6)的GPS数据的导向仪(3)和用于钻进的钻头(2)，其特征在于：所述计算方法包括如下步骤：

1)利用导向仪(3)的GPS数据计算钻头(2)当前位置对应的地面上的当前点(O₁)和钻头(2)的钻进路线的起点(O₀)的高度差：当前点(O₁)的GPS坐标是(La,Lo,A)，起点(O₀)的GPS坐标是(La₀,Lo₀,A₀)，a＝A–A₀；

2)计算当前点(O₁)和钻头(2)前一个位置对应的地面上的前一点(O_-1)的平均倾角β＝(α+α_-1)/2，其中α_-1是前一点(O_-1)的倾角，α是当前点(O₁)的倾角；

3)计算当前点(O₁)相对于前一点(O_-1)的落差l＝R×sinβ，R为钻探系统的钻杆的长度；

4)计算当前点(O₁)相对于起点(O₀)的落差L＝L_-1+l；

5)计算钻头(2)的深度H，H＝L+a。

5.根据权利要求4所述的非开挖钻探系统的钻头深度的计算方法，其特征在于：所述非开挖钻探系统还包括固定基点矫正器(5)，所述导向仪(3)包括地面定位器(32)，所述地面定位器(32)包括第一GPS接收器(321)、差分数据接收器(322)和GPS矫正计算模块(325)，第一GPS接收器(321)和差分数据接收器(322)的输出端还与GPS矫正计算模块(325)的输入端连接；所述固定基点矫正器(5)包括第二GPS接收器(51)、差分计算模块(52)、能够向导向仪(3)的差分数据接收器(322)发送信号的差分数据发射器(53)和基点位置输入模块(54)，所述第二GPS接收器(51)和基点位置输入模块(54)的输出端均连接到的输入端，所述差分计算模块(52)的输出端连接差分数据发射器(53)的输入端；在步骤1)和2)中，所述GPS矫正计算模块(325)能够通过第一GPS接收器(321)和差分数据接收器(322)接收到的数据计算矫正后的导向仪(3)的GPS数据。

6.根据权利要求4所述的非开挖钻探系统的钻头深度的计算方法，其特征在于：在步骤3)中，导向仪(3)通过设置在钻头(2)上的碳棒(4)获得前一点(O_-1)的和当前点(O₁)的倾角。