钻机机上余尺实时测量装置及方法与流程

本公开涉及钻机机上余尺测量技术领域，特别是涉及一种钻机机上余尺实时测量装置及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

基础勘察主要应用工程钻机，多采用立轴回转式岩芯钻机，如xy-1(a)型、xy-2型、hz-130(150及180)型等，方便拆卸搬运，占压土地少。该设备钻探孔深主要依据钻具与开停钻上余人工计算判断，主动钻杆每10cm一个刻度，理论上可以通过钢尺量测上余，但是在具体操作中，没有机长会如此操作，因此在钻探过程中孔深精度只能取决于钻机长的熟练程度和责任心程度，一般最大精度也要在5cm以上。对于基岩面、岩溶空洞顶底板等的判断会带来较大误差。

此外，在地质编录的记录中，需要记录机上余尺这一数据；所谓机上余尺，即钻机机头高度至钻杆顶端的距离，并根据钻孔深度＝钻杆总长-(钻机机头高度+上余尺寸)获取钻孔深度的相关数据。

发明人目前可以实现实时测量孔深的装置，多是采用数字化钻机，但是该类钻机主要应用于石油勘探等大型深孔钻探的情况，由于体型较大，这类钻机无法应用于基础勘查的孔深相对较小的工程钻机；此外，数字化钻机需要在钻头部位安装探头来实现探测；这种探测方式存在下列缺点：

(1)在钻头部位设有探头，由于地质环境非常复杂，在钻探过程中会遇到各种糟糕的地质条件，因此探头容易损坏；

(2)数字化钻机的钻头部位需要采用特殊的磁性材料，费用昂贵，成本很高；

(3)数字化钻机作为一整套设备，无法利用现有的简单钻机，对现有钻机是一种浪费；

(4)需要在钻杆中穿设连接探头的电线，钻探过程中，每一回次都需要对电线进行梳理和调整，施工非常不便，工作效率很低；

(5)钻探过程中钻机的震动不利于数据的采集。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种钻机机上余尺实时测量装置及方法，本公开所述方案有效提高了钻探作业的精度和工人工作的效率，降低了钻探外业的成本。

根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种钻机机上余尺实时测量装置，包括分离式超声测距模块和短边测距模块，所述分离式超声测距模块包括固定于主动钻杆顶端的超声发射单元以及固定于支架上的超声接收单元；所述短边测距模块用于测量所述超声接收单元与钻机立轴之间的垂直距离；所述短边测距模块为一体式超声测距装置，且所述一体式超声测距装置与所述超声接收单元固定为一体。

进一步的，所述超声发射单元安装在主动钻杆顶端高压水龙下部的非旋转部位，所述超声发射单元上设置有用于实时确定超声收发线与垂直方向夹角的陀螺仪。

进一步的，所述超声接收单元固定于支架上，所述支架包括三角架、可调高度柱以及活动悬臂，所述超声接收单元固定于所述活动悬臂上，所述支架独立于钻机；所述活动悬臂固定于可调高度固定杆上，通过调整所述可调高度固定杆，所述超声接收单元可进行高度调整。

进一步的，所述短边测距模块还可以为磁性头卷尺，所述磁性头卷尺的一端通过磁头固定卡槽固定在所述超声接收装置上，另一端通过t型磁头固定于所述钻机的回转器立轴上，所述t型磁头通过设于卷尺端部的若干磁头固定孔固定。

进一步的，所述超声测距模块连接有数据采集模块，所述数据采集模块用于接收所述超声测距模块获取的数据；所述数据采集模块与数据处理控制模块连接，所述数据处理控制模块用于对获取的数据进行分析处理；所述数据处理控制模块将分析处理后的数据信息通过数据传输模块输入到数据存储模块进行存储。

进一步的，所述实时测量装置还包括供电模块，所述供电模块采用四模双电模式，所述双电即内置锂电池及外接电源，支持电源热插拔；所述四模即供电方式包括野外太阳能供电、内置锂电充电替换供电、usb连正常电源供电、紧急状态下的干电池组供电四种模式。

根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种钻机机上余尺实时测量方法，其利用上述的一种钻机机上余尺实时测量装置，包括：

将所述超声接收单元固定在支架上，调整竖直校准装置，使所述实时测量装置水平放置；

在主动钻杆顶部的非旋转部位固定安装超声发射装置，启动发射装置，确保接收装置在可接收的范围内；

确保所述超声接收单元与钻探记录仪连接，并将钻杆总长数据、所述超声接收装置的高度数据及其至钻机立轴的垂直距离输入到所述钻探记录仪中；

钻探开始，所述超声发射单元按照固定频率发射超声波，所述超声接收单元根据接收到的时间长度以及超声传播速度，换算成距离信息，数据处理控制模块对采集到的测距数据进行分析处理，根据勾股定理得到所述超声接收装置至所述钻杆顶部的竖直距离，并结合钻杆总长和所述超声接收装置的高度，实时获取钻机机上余尺。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)本公开所述方案利用“孔深＝总杆长-超声接收装置高度-超声接收装置上余尺寸”这一原理，能够实时获取钻探孔深，打破了传统的直接探测孔深的固有思路，实现实时测量，且可完整记录钻探过程；超声测距装置均与钻机相互独立，避免钻机在钻进过程中因为震动对测量装置产生的影响，确保测距准确和设备稳定；

(2)所述装置作为辅助装置，其独立于钻机本体，因此可以结合现有钻机共同使用，与数字化钻机相比，造价很低，节约成本。

(3)本公开所述方案通过设置四模双电模式供电单元，能够根据工作特点解决不同工作环境下电源需求，有效降低使用成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本公开实施例一中所述的钻机结构及超声测距装置示意图；

图2为本公开实施例一中所述的超声发射器结构及安装图；

图3为本公开实施例一中所述的功能实现结构图；

图4为本公开实施例一中所述的t型磁性头卷尺结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一：

本实施例的目的是提供一种钻机机上余尺实时测量装置。

首先对本实施例中的一种钻机机上余尺实时测量装置的整体设计思路进行简要说明，所述实时测量装置包括分离式超声测距模块、短边测距模块、数据采集处理模块、数据传输模块、屏显装置(含警示灯)、供电模块；

所述短边测距装置指测量分离式超声测距接收器与钻机立轴之间的最短(垂直)距离，一般可采用收发一体式超声测距装置或磁性头卷尺装置；所述收发一体式超声测距装置，与分离式超声测距模块的超声接收单元固定为一体，且其角度可调，确保其保持水平，与钻机立轴垂直，所测距离即短边实时距离；所述磁性头卷尺装置，考虑到分离式超声测距接收器一般固定后位置不动，其与钻机立轴间距一般为固定值，在固定装置时可用磁性头吸附至钻机立轴，卷尺最小距离即为短边距离；

所述分离式超声测距装置包括超声发射单元和超声接收单元；所超声发射单元安装在立轴上方高压水龙下部的非旋转部位，其发射频率可调；所述超声测距接收单元安装在固定支架上，安装高度可调整为地面至钻机回转器上卡盘上部之间任意高度，为方便报表记录，一般把所述超声接收单元(测距基准点)固定在机头高度，则依据勾股定理，一般情况下(竖直方向钻探)，机上余尺＝(斜边^2-短边^2)^(1/2)；如测距接收器置于机头高度以下时，量测发射头与机头之间的竖直距离差，机上余尺＝计算机上余尺-竖直距离差；

数据处理控制模块用于斜边超声测距数据采集，短边测距数据采集或录入，计时同步，并对数据做筛选判断，过滤掉噪点数据，并对数值大幅度变大(或无穷大)时转为省电模式；

数据传输模块包括双向蓝牙装置和数据传输接口，个别可根据需要增加gprs数据传输模块；

设置屏显装置(含警示灯)主要用于通过显示屏显示实时余尺距离，对数据错误或操作错误时做示警，并可在显示屏显示错误代码；

设置供电模块主要根据野外工作特点，独创的四模双电模式；双电即内置锂电池及外接电源，支持电源热插拔；四模指供电方式包括野外太阳能供电、内置锂电充电替换供电、usb连正常电源供电、紧急状态下的干电池组供电四种模式，根据工作特点解决不同工作环境下电源需求，有效降低使用成本；

设置开关按键包括电源开关、蓝牙连接键、重启键等。

下面，对本实施例所述的钻机机上余尺实时测量装置进行详细说明，如图1所示，一种钻机机上余尺实时测量装置，包括分离式超声测距模块和短边测距模块，所述分离式超声测距模块包括固定于主动钻杆顶端的超声发射单元以及固定于支架上的超声接收单元；所述短边测距模块用于测量所述超声接收单元与钻机立轴之间的垂直距离；所述短边测距模块为一体式超声测距装置，且所述一体式超声测距装置与所述超声接收单元固定为一体。

进一步的，所述超声发射单元安装在主动钻杆顶端高压水龙下部的非旋转部位，所述超声发射单元上设置有用于实时确定超声收发线与垂直方向夹角的陀螺仪。

进一步的，所述超声接收单元固定于支架上，所述支架包括三角架、可调高度柱以及活动悬臂，所述超声接收单元固定于所述活动悬臂上，所述支架独立于钻机；所述活动悬臂固定于可调高度固定杆上，通过调整所述可调高度固定杆，所述超声接收单元可进行高度调整。

进一步的，所述超声测距模块连接有数据采集模块，所述数据采集模块用于接收所述超声测距模块获取的数据；所述数据采集模块与数据处理控制模块连接，所述数据处理控制模块用于对获取的数据进行分析处理；所述数据处理控制模块将分析处理后的数据信息通过数据传输模块输入到数据存储模块进行存储。

进一步的，所述实时测量装置还包括供电模块，所述供电模块采用四模双电模式，所述双电即内置锂电池及外接电源，支持电源热插拔；所述四模即供电方式包括野外太阳能供电、内置锂电充电替换供电、usb连正常电源供电、紧急状态下的干电池组供电四种模式；根据工作特点解决不同工作环境下电源需求，有效降低使用成本。

进一步的，所述数据处理控制根据勾股定理，根据实时测距的斜边c和固定短边距离x，计算获取所述超声接收单元到所述钻杆顶端的垂直距离，即为机上余尺；结合钻杆总长、所述超声接收装置距地面的高度，则能实时获取钻探孔深；

机上余尺＝(斜边c^2-短边x^2)^(1/2)。

进一步的，所述超声接收单元到所述钻杆顶端的垂直距离即为超声接收装置上余尺寸，通过建立超声接收装置上余尺寸的采集装置，利用“孔深＝总杆长-超声接收装置高度-超声接收装置上余尺寸”这一原理，能够实时获取钻探孔深，打破了传统的直接探测孔深的固有思路，实现实时测量，且可完整记录钻探过程；超声测距装置均与钻机相互独立，避免钻机在钻进过程中因为震动对测量装置产生的影响，确保测距准确和设备稳定；此外，此套装置作为辅助装置，可以结合现有钻机共同使用，与数字化钻机相比，造价很低，节约成本。

进一步的，在所述超声接收单元的安装位置还设置有用于测量所述超声接收装置至钻机立轴之间垂直距离的收发一体式超声测距模块；所述超声发射单元上设有用以实时确定超声收发线与垂直方向夹角的陀螺仪；使用收发一体式超声测距装置测量超声接收装置至钻机立轴之间垂直距离，并直接将所测数据传输至所述数据处理控制模块，便于数据处理控制模块直接利用勾股定理，获得超声接收装置上余尺寸；使用收发一体式超声测距装置测量距离精度较高。

进一步的，所述数据采集模块包括：用于从外部移动设备调取既有数据至所述数据处理控制模块的数据导入模块；通过键盘和条形码扫描中的一种或多种组合方式获取相关数据的数据录入模块；通过与所述超声测距装置连接获取相关测距数据的自动采集模块。

进一步的，所述超声发射单元安装在钻机立轴上方高压水龙下部的非旋转部位，其发射频率可调；将超声发射单元安装在高压水龙下部的非旋转部位，可以保证超声发射装置的稳定，提高测量精度。

进一步的，如图3所示，所述支架的下部为三脚架，所述三脚架上方连接伸缩支架，所述伸缩支架的上端连接用于放置超声接收装置的活动悬臂；所述支架独立于钻机之外，避免因为钻机震动对超声接收造成影响；利用伸缩支架可以方便的调节固定支架的高度；伸缩支架上端连接活动悬臂，便于收放，携带方便。

进一步的，所述数据处理分析模块对测距数据进行过滤，并判断所述测距数据的变化幅度，当所述变化幅度大于设定值时，所述实时测量装置转为省电模式；所述数据处理分析模块采用消抖滤波算法消除噪声极点，去除跳动大的噪点数据；采用滑动平均滤波法防止连续时间内数据的震荡，让测距数据趋于平滑；当测距数据变化幅度突然增大时，说明本回次钻探完毕；测距过程也相应终端，此时实时测量装置进入省电模式，一是节约能源，此外也利于对测距数据的分析处理。

进一步的，所述数据处理控制模块对测距数据进行分析，利用内设的同步时钟，绘制钻孔深度与钻进时间的曲线，得到地层岩性发生突变的精确深度位置，并获取钻机的有效工作时长；工程钻机在钻进取芯时，当遇到岩石非常破碎的情况时，提取出来的岩芯不连续，非常松散破碎，而且可能夹杂着卵石，对于这种情况，无法判断卵石的具体位置，也无法判断地层岩性发生突变的精确深度。利用钻孔深度与钻进时间曲线中，根据曲线的斜率，可以得出钻机钻进的速度，钻机的钻进速度对应着地层的软硬程度。当曲线的斜率变化不大时，说明钻机钻进速度大致相同，即相应部分的地层情况大致相同。当曲线出现突变时，其相应深度即为地层岩性发生突变的精确深度。

进一步的，所述数据传输模块为无线通讯模块和有线通讯模块，所述无线通讯模块包括gprs数据传输模块和/或蓝牙模块单元；所述有线通讯模块包括usb接口；通过有线或无线方式将储存数据进行传输，可以方便的实现数据的传递和共享。

实施例二：

本实施例的目的是提供一种钻机机上余尺实时测量装置的另一实施例子。

本实施例中所述的一种钻机机上余尺实时测量装置，其所述短边测距模块还可以为磁性头卷尺，所述磁性头卷尺的一端通过磁头固定卡槽固定在所述超声接收装置上，另一端通过t型磁头固定于所述钻机的回转器立轴上，所述t型磁头通过设于卷尺端部的若干磁头固定孔固定；超声测距接收装置与钻杆的最短距离可通过磁性头卷尺测量，考虑到超声测距接收装置一般固定后位置不动，其与钻机立轴间距一般为固定值，在固定装置时可用磁性头吸附至钻机立轴，卷尺最小距离即为短边距离。

实施例三：

本实施例的目的是提供一种钻机机上余尺实时测量方法。

一种钻机机上余尺实时测量方法，其利用上述的一种钻机机上余尺实时测量装置，包括：

将所述超声接收单元固定在支架上，调整竖直校准装置，使所述实时测量装置水平放置；

在主动钻杆顶部的非旋转部位固定安装超声发射装置，启动发射装置，确保接收装置在可接收的范围内；

确保所述超声接收单元与钻探记录仪连接，并将钻杆总长数据、所述超声接收装置的高度数据及其至钻机立轴的垂直距离输入到所述钻探记录仪中；

钻探开始，所述超声发射单元按照固定频率发射超声波，所述超声接收单元根据接收到的时间长度以及超声传播速度，换算成距离信息，数据处理控制模块对采集到的测距数据进行分析处理，根据勾股定理得到所述超声接收装置至所述钻杆顶部的竖直距离，并结合钻杆总长和所述超声接收装置的高度，实时获取钻机机上余尺。

上述实施例提供的一种钻机机上余尺实时测量装置及方法完全可以实现，具有广阔应用前景。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

技术特征：

1.一种钻机机上余尺实时测量装置，其特征在于，包括分离式超声测距模块和短边测距模块，所述分离式超声测距模块包括固定于主动钻杆顶端的超声发射单元以及固定于支架上的超声接收单元；所述短边测距模块用于测量所述超声接收单元与钻机立轴之间的垂直距离；所述短边测距模块为一体式超声测距装置，且所述一体式超声测距装置与所述超声接收单元固定为一体。

2.如权利要求1所述的一种钻机机上余尺实时测量装置，其特征在于，所述超声发射单元安装在主动钻杆顶端高压水龙下部的非旋转部位，所述超声发射单元上设置有用于实时确定超声收发线与垂直方向夹角的陀螺仪。

3.如权利要求1所述的一种钻机机上余尺实时测量装置，其特征在于，所述超声接收单元固定于支架上，所述支架包括三角架、可调高度柱以及活动悬臂，所述超声接收单元固定于所述活动悬臂上，所述支架独立于钻机。

4.如权利要求3所述的一种钻机机上余尺实时测量装置，其特征在于，所述活动悬臂固定于可调高度固定杆上，通过调整所述可调高度固定杆，所述超声接收单元可进行高度调整。

5.如权利要求1所述的一种钻机机上余尺实时测量装置，其特征在于，所述一体式超声测距装置角度可调，水平方向与钻机立轴垂直。

6.如权利要求1所述的一种钻机机上余尺实时测量装置，其特征在于，所述短边测距模块还可以为磁性头卷尺。

7.如权利要求6所述的一种钻机机上余尺实时测量装置，其特征在于，所述磁性头卷尺的一端通过磁头固定卡槽固定在所述超声接收装置上，另一端通过t型磁头固定于所述钻机的回转器立轴上，所述t型磁头通过设于卷尺端部的若干磁头固定孔固定。

8.如权利要求1所述的一种钻机机上余尺实时测量装置，其特征在于，所述超声测距模块连接有数据采集模块，所述数据采集模块用于接收所述超声测距模块获取的数据；所述数据采集模块与数据处理控制模块连接，所述数据处理控制模块用于对获取的数据进行分析处理；所述数据处理控制模块将分析处理后的数据信息通过数据传输模块输入到数据存储模块进行存储。

9.如权利要求1所述的一种钻机机上余尺实时测量装置，其特征在于，所述实时测量装置还包括供电模块，所述供电模块采用四模双电模式，所述双电即内置锂电池及外接电源，支持电源热插拔；所述四模即供电方式包括野外太阳能供电、内置锂电充电替换供电、usb连正常电源供电、紧急状态下的干电池组供电四种模式。

10.一种钻机机上余尺实时测量方法，其利用上述的一种钻机机上余尺实时测量装置，其特征在于，包括：

将所述超声接收单元固定在支架上，调整竖直校准装置，使所述短边测距模块水平放置；

在主动钻杆顶部的非旋转部位固定安装超声发射装置，启动发射装置，确保接收装置在可接收的范围内；

确保所述超声接收单元与钻探记录仪连接，并将钻杆总长数据、所述超声接收装置的高度数据及其至钻机立轴的垂直距离输入到所述钻探记录仪中；

钻探开始，所述超声发射单元按照固定频率发射超声波，所述超声接收单元根据接收到的时间长度以及超声传播速度，换算成距离信息，数据处理控制模块对采集到的测距数据进行分析处理，根据勾股定理得到钻机机上余尺，并结合钻杆总长和所述超声接收装置的高度，实时获取钻孔深度结果。

技术总结

本公开提出了一种钻机机上余尺实时测量装置及方法，所述装置包括分离式超声测距模块和短边测距模块，所述分离式超声测距模块包括固定于主动钻杆顶端的超声发射单元以及固定于支架上的超声接收单元；所述短边测距模块用于测量所述超声接收单元与钻机立轴之间的垂直距离；所述短边测距模块为一体式超声测距装置，且所述一体式超声测距装置与所述超声接收单元固定为一体；所述装置能够实时获取钻探孔深，打破了传统的直接探测孔深的固有思路，实现实时测量，且可完整记录钻探过程；超声测距装置均与钻机相互独立，避免钻机在钻进过程中因为震动对测量装置产生的影响，确保测距准确和设备稳定。

技术研发人员：王成军;李涛;尤俊义;李健;魏东旭;刘虎;徐毅;胡永飞;张暮晨

受保护的技术使用者：山东省交通规划设计院有限公司

技术研发日：2020.12.22

技术公布日：2021.04.30