一种钻杆垂直度检测方法与流程

本发明涉及钻机状态监测，尤其涉及一种钻杆垂直度检测方法。

背景技术：

1、在cfg桩、灌注桩、旋挖成孔、长螺旋钻进及类似施工中，钻杆垂直度直接影响成孔轴线、桩身质量和后续施工安全；由于地层软硬不均、钻机支承沉降、动力头偏载、钻杆连接间隙及钻进阻力变化，钻杆在施工过程中可能逐渐偏离铅垂方向，因此需要在钻进过程中及时检测并纠偏。

2、现有做法包括全站仪或经纬仪人工观测、铅锤与标线对照，以及在钻杆或导向构件上设置倾角传感器；人工观测受视线、施工空间和人员经验影响，难以连续检测；单点倾角传感器在钻杆转动时会同时受到夹装角度、传感器零偏、径向离心加速度、冲击振动和局部弯曲的影响。

3、单一测点只能检测测点处的局部姿态，当钻杆发生轻微弯曲、连接处摆动或测量节点松动时，单点结果不能区分钻杆外露检测段的整体倾斜与局部变形；若将桅杆姿态直接从钻杆结果中扣除，还可能把桅杆自身倾斜错误地当作绝对垂直度补偿。

4、需要一种适用于地面桩工和类似钻进设备的钻杆垂直度检测方法，将可拆卸节点的成对周向校准、旋转状态重力提取、轴向双测点弯曲判别、参考节点双模式输出以及可信度联锁结合起来，以获得可用于现场纠偏的稳定检测结果。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提出一种钻杆垂直度检测方法，能够解决背景技术中的问题。

2、本发明提供一种钻杆垂直度检测方法，以降低安装误差、离心加速度和冲击振动对检测结果的影响，并区分钻杆外露检测段的整体倾斜、局部弯曲和基准构件漂移。

3、在钻杆露出施工基面的上部区域沿轴向间隔设置第一惯性测量节点和第二惯性测量节点，两个惯性测量节点随钻杆同步转动；在动力头、驱动轴或钻杆端部设置相位获取单元，并在桅杆、导向架或其他非旋转基准构件上设置参考测量节点。惯性测量节点至少包括三轴加速度计、三轴角速度计、处理器、时钟同步模块和通信模块。

4、为便于说明，建立现场坐标系，其中轴为铅垂向上方向，轴和轴分别按照施工现场约定的前后方向和左右方向确定；对第个惯性测量节点建立节点坐标系，其中轴为轴向测量轴并与钻杆轴线平行，且两个惯性测量节点的轴正方向均规定为由钻头指向动力头的方向，轴和轴位于钻杆横截面内。钻杆旋转相位以相位获取单元给出的周向基准为零位，其正方向与规定的钻杆正转方向一致。出厂标定矩阵、夹具定位关系和现场方向记录共同确定节点坐标系、钻杆坐标系与现场坐标系之间的变换关系。

5、优选地，测量节点的比例因子、非正交误差和温度修正参数通过出厂标定确定，轴向安装关系通过夹具定位基准确定。现场安装后，使钻杆依次处于多个已知周向位置并保持静止，采集重力向量和零速数据。对于任一测量节点，将周向位置为和时的横向加速度向量分别记为和，其成对平均向量和成对作差向量分别按下式计算：

6、；

7、。

8、以0°与180°位置以及90°与270°位置得到的成对平均向量的平均值作为横向加速度零偏估计；将两组成对作差向量按照已知90°周向关系转换至同一相位基准，依据其方向角通过反正切运算确定相位零位修正量，并利用两组向量的幅值差和方向残差校验重力投影重复性。该处理不要求在接近铅垂状态下重新辨识传感器的完整安装矩阵。

9、优选地，当钻杆接近铅垂导致横向重力投影幅值低于校准阈值时，通过钻机调平机构将钻杆设置为预设非零校准倾角后重新进行周向位置校准。预设非零校准倾角优选为0.5°至2°，校准结束后再将钻杆恢复至施工初始位置。

10、优选地，钻进过程中同步采集两个惯性测量节点的三轴加速度、三轴角速度和旋转相位数据。根据轴向角速度、横向振动强度和相位连续性识别钻杆处于非旋转状态、过渡状态或稳定旋转状态。非旋转状态采用准静态重力解算；稳定旋转状态按完整旋转周期进行相位同步解算；过渡状态维持最近一次有效结果并逐步降低可信度。

11、优选地，在稳定旋转状态下，将旋转相位连续覆盖定义为一个完整旋转周期，并对该周期内的横向加速度数据进行等相位重采样。对节点坐标系中的两个横向加速度通道分别建立如下回归模型：

12、

13、 。

14、其中，为第个等相位采样点的旋转相位，为常值项系数，和为一阶余弦项和一阶正弦项系数，和为可选的二阶谐波系数，为拟合残差；不使用二阶谐波时，将和置零。采用稳健加权最小二乘或异常样本剔除方法进行拟合。按照图2所示的坐标和相位约定，由两个横向通道的一阶系数得到相位零位坐标中的横向重力投影：

15、。

16、再根据相位零位修正量以及节点坐标系至现场坐标系的标定变换，将转换为现场水平坐标中的横向重力投影。常值项用于吸收横向零偏、完整周期内近似恒定的径向离心加速度和慢变分量；二阶谐波项及拟合残差用于评价机械不对中、转速波动、冲击和振动。相位覆盖率按具有有效样本的等相位区间数与预设等相位区间总数之比计算；对相位覆盖不足、转速变化过大或异常样本比例过高的周期，不更新倾角结果。

17、优选地，在非旋转状态下，根据经零偏修正和异常冲击剔除后的重力向量、当前旋转相位以及标定变换确定节点姿态；在稳定旋转状态下，根据所述横向重力投影、轴向重力一致性校验结果、当前旋转相位以及标定变换确定节点姿态。将节点轴向测量轴的单位向量通过节点姿态矩阵变换至现场坐标系，得到第个节点处的钻杆轴线方向单位向量。

18、作为数据质量权重的一种实现，设第个节点的归一化残差为、有效样本比例为、工况质量因子为，则节点质量和归一化权重可按下式计算：

19、。

20、其中，为残差尺度参数，为预设质量小量。在稳定旋转状态下，为归一化谐波拟合残差，为有效样本比例，为相位覆盖率；在非旋转状态下，为准静态重力向量的归一化方差或滤波残差，为有效静态样本比例，为根据重力模长一致性和准静态稳定度确定的归一化因子。当时，不计算归一化权重，不进行双测点方向融合，并将双测点质量状态设为无效。设两个节点的轴向间距为，则在两个方向单位向量已变换至同一现场坐标系、正方向一致且时，外露检测段的刚体轴线方向单位向量和局部曲率指标分别为：

21、；

22、。

23、其中，为预设向量范数小量。为避免数值误差，计算反余弦前将限制在范围内；当时，不进行方向融合并降低检测可信度。局部曲率指标连续超过阈值时，提示钻杆局部弯曲、接头摆动或节点松动，并禁止自动纠偏；单个检测周期的突变作为冲击异常处理。

24、优选地，绝对垂直度检测以重力方向为基准，参考测量节点仅用于评价桅杆或其他非旋转基准构件的稳定度，不参与钻杆轴线相对于重力方向的姿态补偿。相对桅杆检测根据参考测量节点的姿态和经安装标定确定的非旋转基准构件参考轴线，获得该参考轴线在现场坐标系中的方向单位向量，并将其与钻杆刚体轴线方向单位向量在同一现场坐标系内比较，以确定相对倾角和相对偏斜方位。两种模式分别输出。

25、相对桅杆模式下，可将参考测量节点经安装标定后得到的姿态矩阵记为，将非旋转基准构件参考轴线在参考测量节点坐标系中的单位向量记为，则参考轴线在现场坐标系中的方向单位向量为；将与钻杆刚体轴线方向单位向量进行比较，获得相对倾角以及两者在现场水平面内投影方向的差值。所述比较在统一现场坐标系内进行，不直接对原始欧拉角或原始传感器输出作差。

26、优选地，设钻杆外露检测段的刚体轴线方向与铅垂方向的夹角为，单位深度垂直度偏差按计算，偏斜方位由刚体轴线方向单位向量在现场水平面内的投影确定。在所述外露检测段近似刚性且其刚体轴线方向能够代表目标截面处钻进轴线方向的条件下，当换算深度已知时，目标截面的横向偏移量按计算。

27、优选地，检测可信度根据当前工况对应的数据质量、双测点一致性、同步状态和参考测量节点稳定度进行归一化评价。稳定旋转状态下的数据质量包括有效完整旋转周期数量、相位覆盖率、谐波拟合残差和异常样本比例；非旋转状态下的数据质量包括准静态滤波残差、有效静态样本比例、重力模长一致性和异常样本比例。作为一种实现，当时，节点综合质量，否则；设两个方向单位向量的夹角为，双测点一致性因子，工况状态因子、同步因子和参考稳定性因子分别为、和，则检测可信度可按下式计算：

28、。

29、其中，为一致性尺度参数；未设置参考测量节点或在不需要参考稳定性评价的模式下令。过渡状态、相位不连续或同步异常时相应降低或。仅当垂直度偏差超过进入阈值、持续时间达到设定值且检测可信度达到报警阈值时输出预警；解除预警采用低于进入阈值的退出阈值，形成滞回。

30、本发明与现有技术相比的有益效果是：

31、1.采用具有轴向和周向定位基准的可拆卸夹具，并利用相差180°的周向位置进行成对校准，可在不要求现场重新辨识传感器全部标定参数的情况下，修正重复安装产生的横向零偏和相位零位误差；在稳定旋转工况下，再以完整旋转周期为单位进行等相位重采样和谐波拟合，使钻杆倾斜的一阶重力投影与近似稳定的离心分量、慢变偏置及冲击残差分开处理，从而能够降低夹具重复安装、钻杆偏心旋转和施工振动对检测结果的共同影响，提高旋转钻进过程中的测量重复性、稳定性和抗干扰能力。

32、2.沿钻杆轴向间隔设置两个惯性测量节点，先依据各节点的数据质量对两处轴线方向进行加权融合，以获得能够代表钻杆外露检测段整体姿态的刚体轴线方向，再依据两处方向夹角及节点轴向间距判断局部弯曲程度；当局部曲率持续超限时，系统能够将钻杆弯曲、接头摆动或测量节点松动与外露检测段的整体偏斜区分开来，并降低检测可信度或停止自动纠偏输出，避免将局部异常直接解释为钻杆轴线偏差，从而提高纠偏依据的真实性和设备控制安全性。

33、3.根据钻杆的非旋转状态、过渡状态和稳定旋转状态分别采用准静态解算、结果保持和旋转同步解算，并结合相位覆盖率、拟合残差、异常样本比例、双测点一致性及参考测量节点稳定度评价检测可信度；绝对垂直度检测以重力方向为基准，参考测量节点仅用于评价基准稳定性，相对桅杆检测则进行姿态差分；配合持续时间判断、进入与退出阈值滞回以及自动纠偏安全联锁，可减少半周期数据、换向冲击、桅杆自身倾斜和瞬时振动造成的误报警或误动作，使检测结果能够更可靠地用于现场人工纠偏或受控闭环调平。