用於在自主採礦鑽機上結合傳感器的方法和系統的製作方法

2023-05-02 09:47:21 1

專利名稱：用於在自主採礦鑽機上結合傳感器的方法和系統的製作方法
技術領域：
本文中公開的實施方式主要涉及用在採礦工業中的設備。具體地，本文中公開的實施方式涉及用在表層採礦鑽井中的設備。
背景技術：
相對大的旋轉鑽機通常可以用在採礦工業中，用於在礦層和地層中鑽孔。大的地鑽機械，通常熟知為炮眼鑽機，可以用在涉及繪製鑽井圖案、鑽井炮眼和用爆炸物填充炮眼的工藝中。單獨的爆炸圖案通常可能由50個或更多個炮眼構成，每個炮眼包含用於根據需
要使地層破裂所需要的測定量爆炸物。圖I示出了典型的炮眼鑽機(100)，如在美國專利No. 7，143，845中描述的。鑽機(100)包括託架(102)、設置在託架(102)上的桅式井架(104)和安裝在桅式井架(102)上的旋轉頭(106)，其中旋轉頭(106)旋轉其上安裝鑽頭的鑽柱。旋轉頭例如可以通過液壓驅動進給系統沿著桅式井架上升或下降。旋轉頭(106)包括形成內腔的殼體、驅動機構和設置在內腔中的旋轉傳動機構，用於旋轉鑽杆。旋轉傳動機構包括齒輪系統，其具有可操作地連接至馬達的動力輸入部和適於連接至鑽杆的動力輸出部。旋轉傳動機構可以包括形成動力輸入部的一部分的抗振動慣性體，用於儲存轉動能以平衡旋轉速度變化並阻止操作期間振動的產生。駕駛室(108)通常連接至託架(102)，並且可以包括用於操作鑽機的控制裝置(如，可編邏輯控制器，基於控制器區域網絡(CAN)的裝置等)，用於處理和顯示從旋轉頭
(106)上的傳感器獲得的數據。此外，炮眼鑽機(100)通常包括用來監控鑽杆的旋轉速度的轉速表(未示出)。轉速表為能夠顯示每分鐘轉數(RPM)的儀表。更具體地，轉速表位於駕駛室(108)中，並接線連接至脈衝拾波器(PPU,pulse-pick up)。屬於用於測量鑽杆(未示出)的RPM的傳感器類型的PTO通常可操作地連接至旋轉頭(106)，並測量鑽入地中的鑽杆的REM。當旋轉頭沿著鑽機的桅式井架上下移動時，脈衝拾波器(PPU)和位於駕駛室控制臺中的轉速表之間的配線必須隨著旋轉頭移動。因此，當旋轉頭在桅式井架的長度上來回移動時，配線通常由於持續的彎曲而疲勞並失效。天氣條件也影響配線的失效率。PPU配線壽命的提高可以通過拉動配線通過液壓軟管並牢固地固定它而實現。然而，即使採用這種附加支撐，配線由於疲勞而最終失效。由於配線的頻繁失效，鑽井通常在沒有這種測量的情況下繼續，其中鑽機上的操作人員改為對RPM和鑽入速度進行視覺觀察。然而，隨著採礦工業向著自主(無人駕駛)鑽井發展，將沒有人在鑽機上觀察鑽井。用於無線電轉速表的數據線將需要更加可靠，因為這種操作參數的測量和監控對於自主鑽井控制來說是必要的。具體地，對於自主鑽機，重要的是，自主鑽井控制系統知道所有的操作參數，如鑽杆轉動多快。需要的是用於在表層鑽機內的數據傳輸的更加可靠和耐用的方法。


圖I示出現有技術的採礦鑽機。圖2示出根據本文中公開的一個或多個實施方式的具有無線傳輸系統的採礦鑽機。圖3示出根據本文中公開的一個或多個實施方式的無線電轉速表系統。圖4示出根據本文中公開的一個或多個實施方式的無線電轉速表發射器的示例性布置。圖5示出根據本文中公開的一個或多個實施方式的無線電轉速表發射器外殼。圖6示出根據本文中公開的一個或多個實施方式的雷射深度計數器。
具體實施例方式現在將參照附圖詳細描述本發明的具體實施方式
。為了保持一致，各個圖中相同的元件由相同的附圖標記表示。在本發明的實施方式的接下來的詳細描述中，闡述了多個具體細節，以更完整地理解本發明。然而，對本領域技術人員來說將明白，可以不採用這些具體細節實踐本發明。在一些例子中，公知特徵未詳細描述，以避免不必要地使描述變複雜。通常，本文中公開的實施方式提供了用於無線傳輸在採礦鑽機上收集的數據的設備。更具體地，本公開的實施方式涉及與用於傳送和接收由位於鑽機上的傳感器收集的數據的無線傳輸裝置(發送和接收)一起使用的感測和測量儀器。遠程控制的自主鑽井，即無人鑽機指的是所謂的遙控鑽眼設備。自主採礦操作涉及例如可以採用攝像機從外面(例如地上、控制室)控制的無人鑽機、裝載車輛和其它採礦車輛的集合使用。由於在自主鑽井系統中沒有人的參與，因此必須感測數據並發射至遠程計算裝置，在遠程計算裝置中可以監控、分析和優化所述數據以控制和改進自主鑽井過程。因此，例如，自主鑽機可以包括引導鑽機的導航系統、幫助遠程控制器確定無人鑽機的特定位置的標記、碰撞避免能力和允許鑽機在沒有人的情況下操作的多種其它部件。此外，無人鑽機需要高度可靠，以避免人的幹預並能夠從問題或故障中恢復、更換舊的零件並定期進行自主鑽井系統及其所有部件的一般維護。而且，自主鑽機要求便宜且有效的解決方案來收集數據並將數據發射至遠程操作人員。這種解決方案要求軟體控制鑽機的硬體部件。所述軟體必須能夠引導鑽機在選定的位置進行炮眼鑽井、檢測部件的故障和導航誤差、記錄/報告鑽機的活動等。圖2示出根據本文中公開的一個或多個實施方式的包括無線傳輸系統的採礦鑽機(200)。採礦鑽機(200)包括桅式井架(204)、旋轉頭(202)、駕駛室(206)和無線傳輸系統。具體地，圖2中示出的旋轉頭(202)已經部分地穿過桅式井架(204)並大體定位在桅式井架(204)的中間。鑽杆(212)連接至旋轉頭(202)。採礦鑽機(200)上的無線傳輸系統包括無線發射器(208)、連接器(209)和無線接收器(210)。無線發射器(208)可以為能夠將數據無線地發射至無線接收器(210)的任何裝置，如本領域已知的的那些無線發射器。具體地，無線發射器(208)負責產生具有足夠發射數據/信息的信號強度的輸出信號。而且，無線發射器可以採用用於發射數據/信息的任何無線傳輸裝置。例如，無線發射器(208)可以採用射頻信號、超聲波信號、聲波信號、紅外信號、微波信號或適合數據的無線傳輸的任何其它類型發射數據。
無線發射器(208)包括連接器(209)。該連接器構造為與感測和測量一個或多個運行參數(如每單位時間的轉數、溫度、深度、振動、轉矩等)的感測儀器的連接器接合(即，配合)。當連接器(209)與傳感器連接器接合時，無線發射器(208)獲得由感測一起測量的數據。感測儀器例如可以為溫度傳感器、振動傳感器、測量鑽杆的每分鐘轉數的脈衝拾波器(PPU)傳感器、測量如鑽杆深度的雷射傳感器、或測量一個或多個操作參數的任何其它適合類型的感測儀器。本領域技術人員將認識到，無線發射器可以包括與多個傳感器連接器接合的能力。例如，無線發射器可以包括構造為與多種類型的傳感器連接器接合的多個連接器或通用連接器。無線發射器(208)構造為將測量的數據發射至無線接收器(210)。雖然圖2中未示出，但無線接收器(210)可以操作地連接至顯示單元。無線接收器(210)和顯示單元都可以位於駕駛室(206)中。在本文中公開的一個或多個實施方式中，無線接收器(210)採用電線物理地連接至顯示單元。可替換地，無線接收器可以無線連接至顯示單元，並且可以
物理靠近顯示單元。顯示單元可以為允許監控和/或顯示被發射的數據的任何工具，以便可以基於測量的數據採取措施。例如，顯示單元可以為與計算裝置相關聯的輸出裝置，如可編程邏輯控制器或圖形用戶界面，和/或構造為顯示特定類型的數據的特定儀器，如用於顯示每分鐘轉數的轉速表。在本文中公開的一個或多個實施方式中，顯示單元可以由操作用於用於鑽機的控制系統的遠程操作人員(或遠程位置或遠程鑽機)監控和控制。因此，在鑽機上收集並在顯示單元上顯示的數據可以用來操縱、控制和優化鑽井。更具體地，例如，在其中鑽機為自主鑽機的情況中，遠程操作人員可以監控顯示單元以優化自主鑽井。遠程操作人員可以配置為採用攝像機傳播觀看自主鑽機的駕駛室中的顯示單元。可替換地，遠程操作人員可以遠程登錄運行顯示單元的計算裝置。在該情況中，遠程操作人員能夠遠程改變顯示單元配置，並在顯示單元上顯示比所顯示的默認信息多的相關信息。在本文中公開的一個或多個實施方式中，駕駛室(206)中的無線接收器(210)還可以包括將數據從駕駛室(206)發射至遠程位置處的另一個接收器的功能性。例如，該無線接收器可以操作地連接至具有將數據發射至位於遠程位置的第二接收器的能力的發射器。因此，數據可以直接發射至遠程位置，而不顯示在駕駛室中的顯示單元上。在該情況中，可以隨後在遠程位置顯示直接發射的數據，用於分析和/或監控。本領域技術人員將認識到，雖然圖2示出了安裝在旋轉頭(202)上或內的無線發射器(208)，但無線發射器(208)可以放置在鑽機上的允許無線發射器(208)的連接器與傳感器連接器接合的任何位置。因此，例如，取決於正收集的數據的類型，無線發射器(208)可以安裝在桅式井架(204)的側面、旋轉頭(208)的頂部或鑽機上的任何適合位置。而且，本領域技術人員將認識到，圖2的無線傳輸系統不限於表層採礦鑽機或炮眼鑽井。例如，該無線傳輸系統還可以用在地下鑽機、爆破鑽機、水井和/或勘探鑽機，其可以不在鑽井之後爆破，而是可以鑽孔，用於接近地中的某物。無線電轉速表系統能夠在自主採礦鑽機中無線傳輸數據的示例性的感測和測量儀器是採用射頻信號無線傳輸數據的無線電轉速表系統。圖3示出了根據本文中公開的一個或多個實施方式的遠程操作的無線電轉速表系統。具體地，圖3示出了轉速表發射器(302)、轉速表接收器(304)、連接器(306)、電池(308)和轉速表(310)。下文描述該無線電轉速表系統的每一個前述部件。在本文中公開的一個或多個實施方式中，轉速表發射器(302)為採用射頻波操作的無線發射器(如圖2中示出的)。本領域技術人員將會認識到，可以採用任何可用的通信協議來便於通過轉速表發射器進行數據的射頻傳輸。轉速表發射器(302)包括連接器(306)，其構造為接合(即，配合)與旋轉頭(圖3中未示出)上的PTO傳感器相關聯的連接器。轉速表發射器(302)隨後(經由至PI3U傳感器的連接)從PI3U傳感器獲得RPM測量值，並將包括RPM測量值的數據無線地轉送至轉速表接收器(304)。本領域技術人員將認識至IJ，轉速表發射器(302)可以以多種方式獲得RPM測量值，並且本公開內容不限於與PPU傳感器連接。例如，可以通過將渦輪流量計插入鑽機的液壓系統而測量RPM，其中該渦輪流量計能夠測量供給至旋轉頭的油量。根據供給至旋轉頭的油量，可以採用本領域已知的方式計算鑽杆的RPM。在該情況中，轉速表發射器(302)可以用來將供給至旋轉頭的油量的測量值無線地轉送至無線接收器。本領域技術人員將認識到，脈衝拾波器傳感器可以採取光學
傳感器、機械傳感器、雷射傳感器或任何其它適合的傳感器。在一個或多個實施方式中，採用電池(308)給轉速表發射器供電。電池(308)可以為充電電池。在該情況中，電池充電器可以位於鑽機的駕駛室中，其中當第二電池用來向轉速表發射器(302)供電時第一電池充電。在一個或多個實施方式中，轉速表發射器(302)包括用於節省電力的目的的休眠模式。本領域技術人員將認識到，還可以可替換方法給轉速表發射器供電。例如，可以採用利用鑽機的旋轉頭和/或其它部件中的液壓馬達作為電源的動力收穫方法給轉速表發射器供電。在下文討論動力收穫(Power harvesting)。轉速表發射器(302)配置為將無線電信號無線地發射至轉速表接收器(304)。轉速表接收器(304)配置為接收來自轉速表發射器(302)的無線電信號。轉速表接收器(304)可以位於鑽機的駕駛室中，這有利於轉速表接收器(304)的機器供電。可替換地，轉速表接收器(304)可以位於駕駛室外側或鑽機上的任何位置。典型地，轉速表接收器通常將接收旋轉鑽機的高達200RPM的數據；然而，它也可以比該範圍大。轉速表接收器(304)操作地連接至標準轉速表(310)。更具體地，轉速表接收器(304)可以包括用於物理連接至標準轉速表(310)的一個或多個連接器。可替換地，轉速表接收器(304)可以有線連接至標準轉速表(310)。轉速表(310)配置為顯示由PI3U傳感器測量並從轉速表發射器(302)無線地轉送至轉速表接收器(304)的鑽杆的RPM。標準轉速表(310)可以由控制系統操作人員遠程監控。遠程操作人員可以採用顯示在標準轉速表上的每分鐘轉數數據控制、操縱和/或優化鑽井。例如，特定的每分鐘轉數值可以作為自主鑽井的目標預先確定，並且當存在減小或增加RPM可能有利的鑽井條件的時候，遠程操作人員或自主鑽井控制系統可以幹預自主鑽井過程，以改變在鑽機上的輸入參數。轉速表發射器(302)和轉速表接收器(304)可以配置為用於雙向通信。例如，轉速表接收器(304)可以包含用於將校準數據發射至轉速表發射器(304)的發射器。而且，本領域技術人員將認識到，雖然在圖3中示出了單個轉速表發射器和單個轉速表接收器，但可以存在多種可替換的無線電轉速表系統配置。例如，無線電轉速表系統可以包括單個轉速表發射器和多個接收器，或者位於鑽機上的多個位置的多個轉速表發射器和配置為無線地接收來自每個轉速表發射器的數據的轉速表接收器。
本領域技術人員將認識到，本文中公開的實施方式不限於用於測量RPM數據的無線電轉速表系統。例如，本文中公開的實施方式可以利用超聲波轉速表系統，其利用超聲波信號無線地發射RPM測量值。此外，本領域技術人員將認識到，單個無線發射器可以用來無線地發射除RPM測量值以外的或代替RPM測量值的不同類型的數據。因此，轉速表發射器可以為包括連接至多種類型的傳感器的多個連接器的普通無線發射器。可替換地，鑽機可以利用多個無線發射器，其中的一個為用於發射RPM測量值的轉速表發射器，而其它無線發射器用來發射溫度數據、振動數據、轉矩、壓力或任何其它適合的值。不管採用多少個無線發射器，用於無線傳輸自主鑽機有關的數據的基本設置將類似。具體地，傳感器連接至無線發射器上的連接器，由傳感器獲得數據被轉送至無線發射器，隨後轉送至對應的無線接收器。連接至無線發射器的傳感器的類型可以根據正在測量的操作參數而改變。圖4示出了根據本文中公開的一個或多個實施方式的旋轉頭(402)的頂視圖和轉速表發射器的示例性布置。在圖4中，轉速表發射器示出為裝入外殼(404)中，以下在圖5中詳細描述該外殼。整個轉速表發射器外殼(404)可以採用任何類型的連接器安裝在旋轉頭上。例如，可以採用頂蓋螺釘、一種或多種類型的粘合劑、螺杆、焊接支架和/或任何組合安裝轉速表發射器外殼。圖5不出了轉速表發射器外殼(500)的不例性設計。轉速表發射器外殼(500)可以被設計為保護轉速表發射器免受天氣條件、由發射器安裝至上的旋轉頭的行進運動引起的磨損、以及其它保護性條件的影響。因此，外殼(500)可以為配置用以容納發射器電路板(502)和電池(504)的硬質外殼。例如，夕卜殼可以為具有防水頂蓋的磨製尼龍外殼。此外，外殼(500)便於在要求發射器的現場編程的場合中簡單且快速地更換電池以及快速接近發射器電路板(502)。用於與PTO傳感器連接的連接器也可以是防水的。本領域技術人員將認識到，轉速表發射器的安裝系統和外殼可以是通用的，使得轉速表發射器可以裝配至任何類型的旋轉頭。可替換地，轉速表發射器(或普通無線發射器)可以安裝在旋轉頭的內側，並且可以包括位於旋轉頭外側的檢修孔蓋板以接近發射器。而且，雖然圖5中未示出，但轉速表接收器還具有與轉速表接收器相關聯的接收器電路板，其安裝在駕駛室中的主控制臺的後面，這要求最少的保護。發射器電路板和接收器電路板都可以設計為消耗最少的功率，具有約25米的範圍，並且與其它頻帶的幹擾最小。動力收穫技術除了或代替使用充電電池給轉速表發射器(或任何無線發射器)供電之外，本公開內容的實施方式涉及從鑽機的現有部件中收穫功率，以消除更換用完的電池的需求和/或對電池供電的轉速表發射器的需求。例如，旋轉頭中的驅動機構可以用來產生向轉速表發射器供電的功率。更具體地，旋轉頭上的諸如液壓馬達、電動機之類的驅動機構可以向發電機供給動力。被供給動力的發電機隨後可以將電力供給至轉速表發射器，在一個或多個實施方式中轉速表發射器位於旋轉頭上。在本公開內容的另一個實施方式中，其中驅動機構為液壓馬達，該液壓馬達上的機械軸可以用來驅動發電機以對轉速表發射器中的電池進行充電。此外，該發電機可以位於鑽頭中的電池進行充電，這將消除由如監控自主鑽機的遠程操作人員手動對電池進行充電或取出電池的需求。可替換地，在本文中公開的一個或多個實施方式中，可以採用間歇式電源收穫功率。例如，轉速表發射器可以在每次旋轉頭行進至桅式井架的頂部時間歇式地或斷續地連接至例如位於桅式井架的頂部的諸如電池充電器之類的電源。可替換地，電源可以位於旋轉頭的行進路徑中的任何位置，並且轉速表發射器(或安裝在旋轉頭上或內的任何無線發射器)可以在每次旋轉頭到達桅式井架上的電源的位置時簡單地連接以獲得電力。本領域技術人員將認識到，由轉速表發射器收集的數據可以在轉速表發射器連接至間歇式電源時卸下。因此，可以同時地獲得電力和卸載在鑽井過程期間收集的數據。可替換地，可以採用太陽能或不必要源於鑽機的部件的其它電源收集功率。鑽柱感測和測暈在採礦鑽機中，可以處理並實時顯示由包含在鑽機上的鑽柱內的不必在井下行進的工具和部件產生的傳感器信息。鑽柱中鄰近或靠近旋轉頭設置的這種工具和部件不行進到鑽機平臺之下，並且因此能夠一直保留在無線傳輸系統的傳輸範圍內。例如，在本文中公開的一個或多個實施方式中，振動組件可以用來檢測旋轉頭正下方的三軸振動。由振動組件測量的傳感器信息可以經由位于振動組件上的發射器發送並通過為無線電轉速表系統的一部分的接收器接收。來自振動組件的傳感器信息可以可替換地被發送至位於鑽機上的任何位置處的接收器。在又一種實施方式中，振動組件可以具有位于振動組件的環面內側的直接硬線數據傳輸器(link)，以連接至無線電轉速表系統並採用無線電轉速表發射器將振動數據發送至駕駛室中或鑽機外的信號源。在一個或多個實施方式中，振動組件也可以利用動力收穫機制獲得電力。例如，振動組件可以從被設計為經由旋轉頭將動力發射至振動組件的集流環(slip ring)布置收穫功率。井下感測和測量在為例如放置在移動板上的移動式鑽機的採礦鑽機中，可以處理並半實時顯示由鑽機上的井下工具和部件產生的傳感器信息。這是因為，採礦涉及在短期時間內鑽多個炮目艮，並且隨後例如採用爆炸物使鑽出的炮眼爆裂。因此，鑽杆插入地中並隨後非常快地拔出。結果，可以半實時地轉送地面和井下測量值。這是由於，採礦涉及炮眼鑽井，其為生產煤層的鑽井，炮眼通常為50個或更多個，大多數炮眼在10 70米的範圍內。因此，相對快地(與油氣鑽井系統相比)鑽每個炮眼，並且在鑽出炮眼之後幾乎立即(如，對每個單個炮眼來說在60分鐘內)獲得信息。例如，鑽炮眼之後的地層測井信息可以轉送至礦山地質功能元件，用於規劃在整個圖案鑽井之後進行的爆破操作。通過半實時獲得這種信息，礦山地質學家可以獲得領先(head-start)。對於諸如振動之類的傳感器信息，這種信息可以用作用於規劃如何鑽井下一系列炮眼的自主鑽井控制邏輯的輸入。因此，可以半實時地獲得涉及井下測量的所收集信息的部分。根據本文中公開的實施方式的感測和測量的數據的無線傳輸進一步便於用自主採礦鑽機收集的數據進行半實時處理和分析。本公開內容的實施方式還涉及採用無線傳輸系統轉送從鑽柱中的鑽柱工具和部件收集的數據。例如，放置在鑽柱中的振動傳感器組件可以測量鑽柱內的振動。放置在鑽柱中的工具和部件(其可以進入或可以不進入炮眼)中並在井下使用的其它傳感器可以為轉矩傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器，和/或用來測量井下磁場的磁力計。例如，轉矩或振動傳感器組件可以位於旋轉頭的正下方並且可以進入炮眼，且可以與無線發射器保持一直通信(即，實時傳遞數據)。在該情況中，位於旋轉頭正下方的傳感器可以具有它們自己的無線傳輸裝置，或者可以電耦合至無線電轉速表系統中使用的相同無線發射器。這種傳感器也可以配置為用於雙向通信。此外，可以在鑽井期間進行數據的記錄，即地層測井。例如，數據的記錄可能涉及超聲波和聲波記錄、伽馬記錄和電阻或阻力係數記錄。在巖層測井中，能夠記錄的傳感器或工具可以位於鑽頭和/或鑽杆和/或組件中。在本文中公開的一個或多個實施方式中，當將鑽杆從地下拔出時，也可以採用上述無線傳輸系統轉送所記錄的數據。在一個或多個實施方式中，分離的接收器(即，除接收地面數據的其他接收器)可以配置為接收井下測量的數據。對於井下測量值，無線發射器的位置可以與諸如無線電轉速表系統之類的其它感測和測量系統不同。例如，對於井下感測，無線發射器可以位於鑽杆末端處的鑽頭的後面的組件上。在該情況中，當將鑽頭拔出鑽孔時，發射器變為處於無線接收器的範圍之內，並且可以發射收集到的數據。因此，根據正在進行測量的類型，可以改變無線發射器的位置和與何時無線傳輸數據相關的時幀。而且，在本文中公開的一個或多個實施方式中，採用無線傳輸系統的井下感測還
可以包括雙向通信，使得校準數據或任何其它適合類型的數據可以在最初被發射至位於鑽杆中或旋轉頭正下方的無線發射器。該數據可以用來校準或配置用於井下感測的一個或多個部件。隨後，井下操作期間收集的數據也可以如上文描述的那樣傳遞或發射，產生雙向通信。此外，雙向通信也可以用來配置鑽孔之間的部件/工具。例如，當在鑽出第一個孔或炮眼之後將包含傳感器或程序邏輯的井下工具從地下拔出時，雙向通信對發射數據以改變用於鑽井下一個炮眼的傳感器或程序邏輯元件設置會是有用的。因此，通過採用無線發射器和接收器的雙向通信可以為每個鑽井的炮眼優化鑽井。在一個這種實施方式中，伽馬組件被放置在鑽柱的末端處的鑽頭的正上方。伽馬組件用來表徵巖層或地層並包含給伽馬組件供電的電池組。為了防止電池上的不必要的洩漏，當伽馬組件被從炮眼中拔出並變為位於該發射器的範圍內時，來自例如位於旋轉頭上的發射器的雙-橫向通信可以將信號發射至伽馬組件以進入休眠模式。該信號將指示伽馬組件保持休眠模式，直到在炮眼圖案的鑽井過程中重新啟動伽馬組件。這將通過電池電力的保存而延長伽馬工具的操作周期。在另一個這種實施方式，井下轉矩組件放置在鑽柱的末端處的鑽頭的正上方。轉矩組件包含鑽頭正上方的測量轉矩的傳感器。轉矩組件還可以配置有一種裝置，該裝置允許某種轉動滑移，以防止在由傳感器檢測到的預設轉矩極限條件下對鑽頭切割結構的損壞。這種井下轉矩組件可以採用粘性離合聯接裝置，以啟動轉動滑移。由傳感器檢測到的預設轉矩極限可以在從井下撤出時通過來自例如位於旋轉頭上的發射器的雙向通信重新設置。更具體地，可以進行轉矩極限的重新設置以優化在其中在較高的轉矩重設值下不太可能受損的較軟巖層中的鑽井。雷射深度計數器如上所述，在自主鑽機上任何類型的傳感器或發送和測量儀器可以採用上文在圖2中描述的無線傳輸系統的功能。圖6示出了根據本文中公開的一個或多個實施方式的雷射深度計數器。該雷射深度計數器(600)為可以在自主鑽機上採用無線傳輸系統的感測和測量儀器/工具的一個示例，並且並不意味著限制本發明的範圍。具體地，圖6示出了一種自主鑽機，其包括雷射深度計數器(600)、桅式井架(604)、旋轉頭￠06)、駕駛室(608)和顯示單元￠10)。在下文描述雷射深度計數器的前述部件中的每一個。在本文中公開的一個或多個實施方式中，雷射深度計數器(600)配置為進行可以用來計算鑽杆的深度的測量。雷射深度計數器(600)包括採用雷射器(603)的雷射測距儀(602)。雷射器(603)採用雷射束確定至反射目標(如，旋轉頭)的距離。雷射測距儀(602)可以根據「飛行時間」原理通過朝向目標發送窄束形式的雷射脈衝並測量該脈衝由目標反射並返回發送裝置經過的時間而進行操作。所獲得的時間測量值隨後用來計算目標的位移。當旋轉頭(606)沿著桅式井架(604)上下移動時，向下瞄準旋轉頭￠06)並固定在桅式井架￠04)的頂部處的雷射器(603)測量旋轉頭(606)的位移。之間的距離範圍。當旋轉頭(606)在桅式井架(604)上來回移動時安裝在桅式井架(604)的頂部處的雷射器(603)至旋轉頭(606)之間的距離的範圍是由雷射測距儀(602)收集的原始數據。該原始數據可以採用鑽機上的無
線傳輸系統轉送，隨後可以用來採用本領域已知的方法計算鑽孔的深度以及鑽頭隨著時間的鑽入速度。更具體地，如上所述，無線發射器(未示出)可以操作地連接至雷射測距儀(602)。無線發射器在採用雷射深度計數器的自主鑽機中的位置可以與有關無線電轉速表系統示出的位置不同。例如，對於雷射深度計數器測量，無線發射器可以位於桅式井架的側面上、與雷射測距儀一起位於桅式井架的頂部上或位於鑽機上的任何適合的位置。為了與雷射測距儀(602)接合，無線發射器可以包括配置為與雷射測距儀上的連接器配合的連接器。由雷射測距儀(602)測量的位移範圍可以由無線發射器獲得並發射至無線傳輸系統的無線接收器。本領域技術人員將認識到，可以採用公知的方法處理由雷射測距儀產生的原始數據，如，可以採用已知的濾波裝置對該數據進行濾波。原始數據可以被平均或以其它方式進行處理，以提高精度或原始數據有效性。而且，本領域技術人員將認識到，雖然雷射器示出為定位在桅式井架的頂部，但本發明的實施方式不限於雷射測距儀的該位置。例如，在可替換實施方式中，雷射測距儀可以定位在桅式井架的底部，在該情況中雷射測距儀可以向上瞄準旋轉頭。此外，雷射測距儀可以定位在旋轉頭本身上，在桅式井架的側面上，在駕駛室中(在該情況中三角函數可以用來計算旋轉頭的距離範圍)，或者在自主鑽機上的任何其它適合位置。如果雷射深度計數器設置為無線傳輸位移數據，則將會有利的是將雷射測距儀定位在旋轉頭上，使得雷射深度計數器可以共用無線傳輸系統的部件，如無線發射器和電源。繼續參照圖6，無線接收器可以操作地連接至容納在駕駛室(608)中的顯示單元(610)，如具有輸出顯示的計算裝置或可編程邏輯控制器。顯示單元配置為顯示由雷射測距儀測量並由無線發射器傳送的數據。此外，深度顯示單元可以由操作人員操作以示出/顯示在精密自主鑽機中有用的各種操作參數。在雷射深度計數器用於井下感測的場合中，雷射深度計數器和掃描裝置可以都可以將數據轉送至在自主鑽機上採用的無線傳輸系統。多個無線發射器和接收器可以用於此目的。例如，第一無線發射器可以經由連接器連接至掃描裝置，而第二無線發射器可以連接至雷射測距儀。第一和第二無線發射器可以將數據發射至駕駛室中的單個無線接收器。可替換地，可以具有多個無線接收器，每個無線接收器都連接至顯示單元。雖然已經參照有限數量的實施方式描述了本發明，但在受益於本公開的內容的情況下，本領域技術人員將認識到，可以想出不偏離本發明的如在此公開的範圍的其它實施方式。因此，本發明的保護範圍應當僅由隨附權利要求限制。 通過引用將本申請要求其優先權的美國臨時專利申請No. 61/176，653的公開內
容結合於此。
權利要求
1.一種自主鑽機(200),包括 託架，包括桅式井架(204)； 旋轉頭(202)，構造為沿著桅式井架(204)上下移動；和 無線傳輸系統，包括 無線發射器(208)，安裝在旋轉頭(202)上並配置為將無線信號發送至無線接收器(210)，其中無線發射器(208)包括配置為與第一傳感器接合的第一連接器(209)，其中所述傳感器測量至少一個操作參數； 所述無線接收器(210)，配置為接收來自無線發射器(208)的無線信號，其中所述無線信號包括至少一個測量的操作參數；和 顯示單元(610)，操作地連接至無線接收器(210)並配置為顯示測量的操作參數。
2.根據權利要求I所述的自主鑽機(200)，其中無線接收器(210)位於鑽機的駕駛室(206)中。
3.根據權利要求2所述的自主鑽機(200)，其中無線接收器(210)包括從鑽機發射信號至位於遠程位置的第二接收器的功能。
4.根據權利要求I所述的自主鑽機(200)，其中無線傳輸系統為射頻傳輸系統。
5.根據權利要求I所述的自主鑽機(200),其中無線傳輸系統為超聲波傳輸系統。
6.根據權利要求I所述的自主鑽機(200)，其中無線發射器(208)包括配置為與第二傳感器接合的第二連接器。
7.根據權利要求6所述的自主鑽機(200)，其中第一傳感器測量操作地連接至旋轉頭(202)的鑽杆(212)的每單位時間轉數，並且其中第二傳感器測量鑽杆(212)的振動。
8.根據權利要求I所述的自主鑽機，其中第一傳感器為配置為測量旋轉頭(202)的位移的雷射深度計數器。
9.一種自主鑽機(200)，包括 託架，包括桅式井架(204)； 旋轉頭(202)，構造為沿著桅式井架(204)上下移動；和 無線電轉速表系統，包括 轉速表發射器(302)，配置為與旋轉頭一起移動並配置為將無線無線電信號發送至轉速表接收器(304)，其中轉速表發射器包括配置為與脈衝拾波器(PPU)傳感器接合的連接器(306)，其中PPU傳感器測量鑽杆(212)的每單位時間轉數； 所述轉速表接收器(304)，配置為接收來自轉速表發射器(302)的無線信號，其中所述無線信號包括測量到的鑽杆(212)的每分鐘轉數；和 轉速表(310)，操作地連接至接收器(304)並配置為顯示測量到的每分鐘轉數。
10.一種自主米礦鑽機(200)中的無線電轉速表系統,包括 轉速表發射器(302)，配置為將無線無線電信號發送至轉速表接收器(304)，其中所述無線信號包括測量到的鑽杆(212)的每分鐘轉數； 所述轉速表接收器(304)，配置為接收來自轉速表發射器(302)的無線信號；和 轉速表(310)，操作地連接至轉速表接收器(304)並配置為顯示測量到的每分鐘轉數。
11.根據權利要求10所述的無線電轉速表系統，其中轉速表發射器(302)包括連接器(306)，所述連接器配置為與自主鑽機(200)的旋轉頭(202)上的脈衝拾波器(PPU)傳感器接合，其中PTO傳感器測量鑽杆(212)的每分鐘轉數。
12.根據權利要求10所述的無線電轉速表系統，其中使用安裝在自主採礦鑽機(200)的桅式井架上的光學傳感器以光學方式測量鑽杆(212)的每分鐘轉數。
13.根據權利要求10所述的無線電轉速表系統，其中轉速表發射器(302)是電池運行的，其中至少一個電池(308)是能夠充電的。
14.根據權利要求13所述的無線電轉速表系統，其中電池充電器位於鑽機(200)的駕駛室(206)中。
15.根據權利要求13所述的無線電轉速表系統，其中電池充電器是位於桅式井架(204)的間歇式電源。
16.根據權利要求13所述的無線電轉速表系統，其中轉速表發射器(302)被包圍在固體外殼(500)中，並且其中固體外殼(500)包括配置為容納所述轉速表發射器(302)和所述至少一個電池(308)的傳輸電路板(502)。
17.根據權利要求16所述的無線電轉速表系統，其中包括轉速表發射器(302)的所述固體外殼(500)安裝在鑽機的旋轉頭(202)上。
18.根據權利要求10所述的無線電轉速表系統，其中無線電轉速表發射器(302)由液壓驅動的發電機供電，該發電機從與旋轉頭(202)相關聯的液壓馬達獲得動力。
19.根據權利要求10所述的無線電轉速表系統，其中無線電轉速表發射器(302)由機械地驅動的發電機供電，該發電機從與旋轉頭(202)相關聯的液壓馬達上的機械軸獲得動力。
20.根據權利要求10所述的無線電轉速表系統，由鑽機上的驅動機構供給動力的發電機配置為給無線電轉速表發射器(302)的電池(308)充電。
21.一種使用在自主鑽機中採用的無線電轉速表系統的方法，包括下述步驟 通過無線電轉速表發射器獲得由配置為測量鑽杆的每分鐘轉數的傳感器測量的數據， 其中無線電轉速表發射器操作地連接至傳感器並位於自主鑽機的旋轉頭上； 將測量到的每分鐘轉數無線地傳輸至無線電轉速表接收器；以及 在轉速表上顯示傳感器數據，用於由遠程操作人員分析。
22.根據權利要求21所述的方法，其中通過從由充電電池和液壓驅動的發電機組成的組中選擇的一種給無線電轉速表發射器供電，該發電機從與旋轉頭相關聯的液壓馬達獲得動力。
23.根據權利要求21所述的方法，其中從安裝在桅式井架上的位置處的間歇式電源產生電力，其中旋轉頭在每次旋轉頭移動至桅式井架上的所述位置時連接至所述間歇式電源。
24.根據權利要求23所述的方法，其中在旋轉頭連接至所述間歇式電源的同時卸載由無線電轉速表發射器收集的數據。
25.—種鑽機(200),包括 託架，包括桅式井架(204)； 旋轉頭(202)，構造為沿著桅式井架(204)上下移動，其中採用液壓能量向旋轉頭(202)供給動力；和 無線電轉速表系統，包括轉速表發射器(302)，配置為與旋轉頭一起移動並配置為將無線無線電信號發送至轉速表接收器(304)，其中轉速表發射器(302)包括配置為與脈衝拾波器(PPU)傳感器接合的連接器(306)，其中PPU傳感器測量鑽杆(212)的每單位時間轉數； 所述轉速表接收器(304)，配置為接收來自轉速表發射器(302)的無線信號，其中所述無線信號包括測量到的鑽杆(212)的每單位時間轉數；和 轉速表(310)，操作地連接至轉速表接收器(304)並配置為顯示測量到的每單位時間轉數。
26.根據權利要求25所述的鑽機，其中所述液壓能量用來給配置成向轉速表發射器(302)供電的電池(308)充電。
27.—種鑽機(200)，包括 託架，包括桅式井架(204)； 旋轉頭(202)，構造為沿著桅式井架(204)上下移動；和 無線電轉速表系統，包括 轉速表發射器(302)，配置為與旋轉頭(202) —起移動並配置為將無線無線電信號發送至轉速表接收器(304)，其中轉速表發射器(302)包括配置為與配置為測量鑽機(200)的操作參數的傳感器接合的連接器(306)； 所述轉速表接收器(304)，配置為 接收來自轉速表發射器(302)的無線信號，其中所述無線信號包括測量到的操作參數，和 將測量到的操作參數傳輸至遠程位置， 其中測量到的操作參數顯示在位於遠程位置的顯示單元(610)上，或用作至配置為優化由鑽機(200)進行的鑽井的控制系統的輸入。
28.一種採礦鑽機(200)，包括 託架，包括桅式井架(204)； 旋轉頭(202)，構造為沿著桅式井架(204)上下移動；和 安裝至旋轉頭或與旋轉頭一起移動的單元，該單元包含無線電轉速表系統，該無線電轉速表系統包括配置為採用無線射頻信號進行通信的轉速表接收器(304)和轉速表發射器(302)， 其中該單元配置為採用動力收穫自供電， 其中採用液壓能量執行動力收穫以便直接向轉速表發射器(302)供電或對配置為向該單元供電的電池進行充電動力收穫。
29.一種使用在採礦鑽機中採用以在鑽井過程期間收集數據的無線發射器系統的方法，包括下述步驟 將操作地連接至旋轉頭的鑽柱插入井下，其中所述鑽柱包括至少一個部件，所述至少一個部件包括用於在井下測量數據的傳感器和操作地連接至所述傳感器的無線發射器； 通過無線發射器收集由所述至少一個傳感器在鑽井過程期間測量的數據； 將鑽柱從井下撤出；以及 在撤出鑽柱之後，將收集到的數據無線地傳輸至無線接收器。
30.根據權利要求29所述的方法，其中所述無線傳輸系統能夠進行雙向通信，並且其中所述無線發射器接收來自所述無線接收器的校準數據。
31.根據權利要求29所述的方法，其中所述至少一個部件為振動組件。
32.根據權利要求29所述的方法，其中所述無線發射器採用動力收穫從驅動旋轉頭的驅動機構獲得電力或動力。
33.採礦鑽機(200)，包括 託架，包括桅式井架(204)； 旋轉頭(202)，構造為沿著桅式井架(204)上下移動； 無線傳輸系統，包括 無線發射器(208)，安裝在旋轉頭(202)上並配置為將無線信號傳輸至無線接收器(210)，其中該無線發射器(210)包括配置為與第一傳感器接合的第一連接器(209)，其中該第一傳感器直接位於旋轉頭的下面並配置為測量至少一個操作參數； 所述無線接收器(210)，配置為接收來自無線發射器(208)的無線信號，其中所述無線信號包括至少一個測量的操作參數， 其中所述至少一個操作參數顯示在操作地連接至無線接收器(210)的顯示單元(610)上用於分析， 其中在採用採礦鑽機(200)鑽井時所述第一傳感器一直保持在無線傳輸系統的傳輸範圍內。
34.一種採礦鑽機(200)，包括 託架，包括桅式井架(204)； 旋轉頭(202)，構造為沿著桅式井架(204)上下移動； 無線傳輸系統，包括 無線發射器(208)，安裝在旋轉頭(202)上並配置為將無線信號傳輸至無線接收器(210)，其中該無線發射器(208)包括配置為與第一傳感器接合的第一連接器(209)，其中該傳感器測量至少一個操作參數； 所述無線接收器(210)，配置為接收來自無線發射器(208)的無線信號，其中所述無線信號包括至少一個測量的操作參數， 其中所述至少一個操作參數顯示在操作地連接至無線接收器(210)的顯示單元(610)上用於分析，和 鑽柱(212)，包括能夠採用被傳輸的無線信號作為雙向通信的結果而被改變、被重新配置或被復位的部件。
全文摘要
本發明提供了一種自主鑽機(200)，包括包括桅式井架(204)的託架、構造為沿著桅式井架(204)上下移動的旋轉頭(202)和無線傳輸系統。該無線傳輸系統包括安裝在旋轉頭(202)上並配置為將無線信號發送至無線接收器(210)的無線發射器(208)。無線發射器(210)包括配置為與第一傳感器接合的第一連接器(209)，其中該傳感器測量至少一種操作參數。該無線傳輸系統還包括所述無線接收器(210)和顯示單元(610)，所述無線接收器(210)配置為接收來自無線發射器(208)的無線信號，其中所述無線信號包括至少一種測量操作參數，顯示單元(610)可操作地連接至無線接收器(210)並配置為顯示測量操作參數。
文檔編號E21B3/04GK102803642SQ201080029707
公開日2012年11月28日 申請日期2010年5月10日 優先權日2009年5月8日
發明者格蘭特·菲爾德 申請人:山特維克智慧財產權公司