大口径井身结构三维刻画自动成像测量方法及装置

技术领域

本发明属于钻孔孔径测量技术领域，尤其涉及一种大口径井身结构三维刻画自动成像测量方法及装置。

背景技术

目前，随着工农业的发展，各类地质钻孔和工程应用类钻孔孔径越来越大，而孔径超径或者缩径问题直接影响着工程下一步施工质量，对工程整体质量有着重要作用，因此如何准确测量大口径钻孔孔径的难题亟待解决。

现有测量技术主要分为两种方法，一种是小口径钻孔孔径机械臂测量法，主要为伞状测量，主要缺陷一是测量臂的伸展难题；二是测量结果是数据或者是孔身曲线，不能全方位展现钻孔孔身。另外一种为声波测量法，其测量范围较大，但是声波需要依赖钻孔中的冲洗液作为媒介传播，受冲洗液性能影响非常大。其主要缺陷一是冲洗液性能影响测量精度，误差大；二是对于漏失钻孔，冲洗液不能灌满钻孔，则上部无冲洗液孔段无法测量；第三是钻进过程中，钻孔孔壁会形成一定厚度的泥皮，声波测量则不能精准测量孔径尺寸，孔径整体偏小；第四是测量结果是数据或者是孔身曲线，不能全方位展现钻孔孔身。

通过上述分析，现有的孔径测量设备不能准确测量大口径钻孔孔径。

解决以上问题及缺陷的难度为：一是机械臂测量主要针对小口径钻孔，测量臂伸展具有一定难度，仪器上行下放不易；二是声波测量必须需要传播媒介才能测量，并且声波不能穿透钻孔孔壁的泥皮，测量误差大；三是孔身显示是平面曲线，不能三维立体显示。

解决以上问题及缺陷的意义为：通过一种新设备或者新方法，首先是能测量大口径钻孔的孔径，并通过接触式破除孔壁泥皮，最真实的反应钻孔孔径，最终通过三维立体图像显示孔身，从而直观的了解钻孔缩径、扩大问题。其次是通过测量数据，更精准的计算固井用水泥浆；第三是能直接检验护壁套管的变形磨损度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大口径井身结构三维刻画自动成像测量方法及装置。本发明能解决孔径测量难题，根据钻孔孔径大小，设计相应的测量臂长度，根据孔径数据，利用只有设计软件，自动刻画井身结构三维模型，全方位展现井身结构。本发明应用于大口径地质钻探孔、地热井、地震地下流体观测井、大口径工程桩孔及其它地下水资源开发井等工程项目的孔径测量和井身结构三维刻画成像。

本发明是这样实现的，一种大口径井身结构三维刻画自动成像测量装置，所述大口径井身结构三维刻画自动成像测量装置设置有千斤顶；

千斤顶的上端固定有支撑杆，支撑杆通过万向球轴承与井口测量平台连接；

井口测量平台上固定有驱动电机，驱动电机上固定有驱动滑轮；

驱动滑轮通过绳索与第一导向滑轮连接，第一导向滑轮通过第一绳索与测量仪器连接，测量仪器下端固定有配重块；

测量仪设置有测量筒，测量筒四周通过螺纹连接副固定有测量臂，测量臂设置有弹簧套筒，测量筒设置有微动开关和ROM单片机。

进一步，所述井口测量平台左端设置有轴承，井口测量平台上设置有螺纹孔，螺纹孔旋接有固定螺栓。

进一步，所述井口测量平台上设置有固定销孔，固定销孔内部固定有固定销。

进一步，所述测量筒上端固定有固定线盘和第二导向轮，固定线盘通过第二绳索与第二导向轮连接，第二导向轮通过第二绳索与绳索导孔连接。

进一步，所述测量臂设置有弹簧套筒，弹簧套筒左端设置有弹簧底座，弹簧底座左端设置有压电传感器，压电传感器左端设置有橡胶，弹簧套筒右端设置有滚轮。

进一步，所述测量臂上设置有弹簧卡扣，弹簧卡扣上设置有复位弹簧，弹簧底座上固定有伸缩弹簧。

本发明的另一目的在于提供一种基于所述大口径井身结构三维刻画自动成像测量装置的大口径井身结构三维刻画自动成像测量方法，所述大口径井身结构三维刻画自动成像测量方法，包括：

触发装置上微动开关，打开装置；利用配重块，将装置沉至井底最深处，随后利用套筒打开臂筒上卡扣，使得测量臂伸长至井臂处；

利用平衡台上驱动电机将装置匀速曳引至井口处，在上升过程中，每间隔固定时间，测试装置进行一次数据采集；

在装置上升过程中，测量臂顶端滚轮与井壁接触，当井壁半径发生变化时，滚轮连带弹簧与二级套筒将沿径向伸缩；

伸缩至不同长度的弹簧通过弹簧底座将反作用力作用于底部的压力传感器，实现井孔半径-压力的转换；

得到各测量臂底部压电传感器所受力F

将测试得到的电流通过中央处理模块的电流采集器进行电流采集；电流采集器与单片机相连，单片机每间隔固定时长对电流采集器输入信号进行一次，由于驱动电机匀速驱动，因此单片机采集数据为深度方向上的离散等间距采样数据；

数据处理与存储操作为：通过单片机对电流采集装置进行信号采样，再逆向计算得到不同深度处的井孔半径数据，并存储于单片机外挂ROM芯片内；

最后得到的离散半径数据将用于井孔轮廓的插值计算与外形绘制中。

进一步，所述井孔半径-压力的转换关系为；

F

式中F

进一步，所述逆向计算公式为：

进一步，所述外形绘制具体过程为：

第一步：由于测量数据为某一特定角度与深度两个方向上的半径长度，因此，为了简化计算，将参考坐标系转化为柱坐标系，插值计算的自变量转化为辐角θ与深度x，函数值为半径R；

第二步：为了实现插值计算的圆柱曲面的闭合，将原有不同辐角上的函数值进行增广，将辐角θ＝0°时的函数值进行复制，得到辐角θ＝360°时的函数值；

第三步：采用已有的二维插值算法对圆柱曲面进行插值拟合，其中包含：样条插值、最近邻插值、三次插值、线性插值以及Makima插值算法；

第四步：将插值计算得到的数据从柱坐标参考系转化为笛卡尔坐标系，最后得到的数据进行井孔轮廓的绘制工作。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明可以解决大口径钻孔孔径测量，并自动生成钻孔三维模型图。

本发明根据钻孔孔径，首先是设计测量臂大小；将测量臂上的弹簧套筒压缩至测量臂内，并用弹簧卡扣限位固定，便于下放测量仪器。其次是：承台上的驱动电机通过钢丝绳将测量仪器下放至孔底，并从孔口投掷套筒，冲击固定线盘上的绳索，解卡弹簧卡扣，实现测量臂伸展，并穿透孔壁泥皮，直接接触孔壁；第三是设计测量频率，卷扬机上升，测量仪器逐步上升，自动收集压电传感器变化，收集电流数据，转化成孔径数据，并存储。最后是测量完毕之后，导出数据，通过刻画软件自动生成三维模型图。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的大口径井身结构三维刻画自动成像测量装置结构示意图。

图2是本发明实施例提供的大口径井身结构三维刻画自动成像测量装置俯视图。

图3是本发明实施例提供的测量臂正视图。

图4是本发明实施例提供的测量仪俯视图。

图5是本发明实施例提供的套筒图。

图6是本发明实施例提供的测试装置示意图。

图7是本发明实施例提供的装置内部示意图。

图8是本发明实施例提供的中央处理模块连接示意图。

图中：1、轴承；2、固定销；3、第一导向滑轮；4、驱动电机；5、驱动滑轮；6、固定螺栓；7、万向球轴承；8、千斤顶；9、第一绳索；10、测量仪；11、配重块；12、固定销孔；13、固定线盘；14、橡胶；15、第二绳索；16、压电传感器；17、第二导向轮；18、螺纹连接副；19、绳索导孔；20、弹簧卡扣；21、复位弹簧；22、伸缩弹簧；23、滚轮；24、弹簧套筒；25、弹簧底座；26、微动开关；27、ROM单片机。28、中央处理模块；29、电流采集器；30、单片机；31、蓄电池。

图9是本发明实施例提供的数据选取对话框示意图。

图10是本发明实施例提供的数据选取后的软件界面效果图。

图11是本发明实施例提供的计算后软件界面效果图。

图12是本发明实施例提供的井身三维立体模型仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大口径井身结构三维刻画自动成像测量方法及装置，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1-图4所示，本发明实施例提供的大口径井身结构三维刻画自动成像测量装置中千斤顶8的上端固定有支撑杆，支撑杆通过万向球轴承7与井口测量平台连接；井口测量平台上固定有驱动电机4，驱动电机4上固定有驱动滑轮5；驱动滑轮5通过绳索9与第一导向滑轮3连接，第一导向滑轮3通过第一绳索9与测量仪器连接，测量仪器下端固定有配重块11。井口测量平台左端设置有轴承1，井口测量平台上设置有螺纹孔，螺纹孔旋接有固定螺栓6；井口测量平台上设置有固定销孔12，固定销孔12内部固定有固定销2。仪器组装完成之后，由承台驱动电机下放测量仪至孔底之后，投放套筒，解卡弹簧卡扣，伸出测量臂，然后驱动电机提升测量孔径。测量完毕之后，提取数据，用自编软件刻画生成孔身结构三维模型。

如图3所示，测量仪10设置有测量筒，测量筒上端固定有固定线盘13和第二导向轮17，固定线盘13通过第二绳索15与第二导向轮17连接，第二导向轮17通过第二绳索15与绳索导孔19连接；测量筒四周通过螺纹连接副18固定有测量臂，测量臂设置有弹簧套筒24，弹簧套筒24左端设置有弹簧底座25，弹簧底座25左端设置有压电传感器16，压电传感器16左端设置有橡胶14，弹簧套筒24右端设置有滚轮23；测量臂上设置有弹簧卡扣20，弹簧卡扣20上设置有复位弹簧21；弹簧底座25上固定有伸缩弹簧22；测量仪10上固定有测量筒，测量筒设置有微动开关26和ROM单片机27。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

1、本发明由承台、孔径测量仪和套筒组成。承台由4个千斤顶、万向轴、固定螺栓、驱动电机(带驱动滑轮)和导向滑轮组成，主要作用是调平井口测量平台和驱动测量仪器下放和提升测量。核心仪器是孔径测量仪，它主要由测量臂、测量筒和配重块组成，测量臂由滚轮、弹簧套筒、伸缩弹簧、复位弹簧、弹簧卡扣和绳索导孔组成；测量筒由微动开关、压电传感器、ROM单片机组成。测量臂和测量筒采用螺纹连接。仪器组装完成之后，由承台驱动电机下放测量仪至孔底之后，投放套筒，解卡弹簧卡扣，伸出测量臂，然后驱动电机提升测量孔径。测量完毕之后，提取数据，用自编软件刻画生成孔身结构三维模型。

2、工艺方法

1)承台调平，钻孔完毕之后，利用千斤顶调平承台。

2)测量仪器组装，根据钻孔设计孔径，设计测量臂尺寸，并将测量臂压缩至套筒内。

3)孔径测量，首先根据施工需求，设置驱动电机提升速度和测量频率；其次是下放测量仪至孔底；第三是将套筒套入钢丝绳，下放解卡弹簧卡扣，弹出测量臂，并提升测量仪器，得到装置位于不同深度时的电流变化数据，将数据进行转换得到用于计算的各向孔径数据。

4)成像，根据测量井径数据，利用自编软件，自动刻画生成井身结构图(如图6)。

3、详细如下：

如图7所示，触发装置上微动开关，打开装置。利用配重块，将装置沉至井底最深处，随后利用套筒打开臂筒上卡扣，使得测量臂伸长至井臂处。

利用平衡台上驱动电机将装置匀速曳引至井口处。在上升过程中，每间隔固定时间，测试装置进行一次数据采集。

在装置上升过程中，测量臂顶端滚轮与井壁接触，当井壁半径发生变化时，滚轮连带弹簧与二级套筒将沿径向伸缩。

伸缩至不同长度的弹簧通过弹簧底座将反作用力作用于底部的压电传感装置，至此，实现了井孔半径-压力的转换。

转换关系为：F

式中F

得到各测量臂底部压电传感器所受力F

将测试得到的电流通过中央处理模块的电流采集器进行电流采集。电流采集器与单片机相连，为降低数据存储成本，单片机每间隔固定时长对电流采集器输入信号进行一次，由于驱动电机匀速驱动，因此单片机采集数据为深度方向上的离散等间距采样数据。

数据处理与存储操作为：如图8提供的中央处理模块连接图所示，包括：中央处理模块28、电流采集器29、单片机30、蓄电池31。

通过单片机30对电流采集装置(包括电流采集器29)进行信号采样，再逆向计算得到不同深度处的井孔半径数据，并存储于ROM单片机27(单片机外挂ROM芯片)内。逆向计算公式为：

最后得到的离散半径数据将用于井孔轮廓的插值计算与外形绘制中。

绘图过程为：

由于井孔轮廓为圆柱壳体，因此本方法采用二维插值算法进行简化计算。

第一步：由于测量数据为某一特定角度与深度两个方向上的半径长度，因此，为了简化计算，将参考坐标系转化为柱坐标系，插值计算的自变量转化为辐角θ与深度x，函数值为半径R。

第二步：为了实现插值计算的圆柱曲面的闭合，将原有不同辐角上的函数值进行增广，将辐角θ＝0°时的函数值进行复制，得到辐角θ＝360°时的函数值。

第三步：采用已有的二维插值算法对圆柱曲面进行插值拟合，其中包含：样条插值、最近邻插值、三次插值、线性插值以及Makima插值算法。

第四步：将插值计算得到的数据从柱坐标参考系转化为笛卡尔坐标系，最后得到的数据进行井孔轮廓的绘制工作。

下面结合实施例对本发明技术方案作进一步描述。

例某水井钻孔，孔深35.8m，孔径为80cm。

第一步：测试得到的数据经过测试装置的单片机处理，可得到八个方位的半径采样数据，数据尺寸为N×9(第1列和第9列数据相同)。将数据导入到Excel表格中，生成“xls”或“xlsx”文件。其中的表格形式如表1所示：

表1井径数据表(单位：cm)

第二步：运行三维刻画自动成像软件WPII V1.0，单击“导入Excel表格”按钮，弹出如下图9所示的对话框，并选取数据文件。

第三步：数据选取后的软件界面如图10所示。

第四步：数据显示区域显示为已读入的数据，状态栏显示目前可进行插值计算(默认线性插值)，状态栏第二行显示为当前读入的数据路径信息。此时可进行插值计算，或是更换插值方式后进行计算。选取所需的插值方式后，单击“计算插值结果”按钮进行计算，此时的软件界面如图11所示.

图11中状态栏处的第一行显示当前软件状态可进行轮廓的绘制工作，第三行显示的为当前选取的插值方式。

计算完成后单击“绘制井孔轮廓”按钮，则可对插值计算得到的结果进行二维图的绘制，得到如图12所示的井身三维立体模型图。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。