CN102803642B - 用于在自主采矿钻机上结合传感器的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自主钻机(200)，包括桅式井架(204)的托架、构造为沿着桅式井架(204)上下移动的旋转头(202)和无线传输系统。该无线传输系统包括安装在旋转头(202)上并配置为将无线信号发送至无线接收器(210)的无线发射器(208)。无线发射器(210)包括配置为与第一传感器接合的第一连接器(209)，其中该传感器测量至少一种操作参数。该无线传输系统还包括所述无线接收器(210)和显示单元(610)，所述无线接收器(210)配置为接收来自无线发射器(208)的无线信号，其中所述无线信号包括至少一种测量操作参数，显示单元(610)可操作地连接至无线接收器(210)并配置为显示测量操作参数。

Description

用于在自主采矿钻机上结合传感器的方法和系统

技术领域

本文中公开的实施方式主要涉及用在采矿工业中的设备。具体地，本文中公开的实施方式涉及用在表层采矿钻井中的设备。

背景技术

相对大的旋转钻机通常可以用在采矿工业中，用于在矿层和地层中钻孔。大的地钻机械，通常熟知为炮眼钻机，可以用在涉及绘制钻井图案、钻井炮眼和用爆炸物填充炮眼的工艺中。单独的爆炸图案通常可能由50个或更多个炮眼构成，每个炮眼包含用于根据需要使地层破裂所需要的测定量爆炸物。

图1示出了典型的炮眼钻机(100)，如在美国专利No.7,143,845中描述的。钻机(100)包括托架(102)、设置在托架(102)上的桅式井架(104)和安装在桅式井架(102)上的旋转头(106)，其中旋转头(106)旋转其上安装钻头的钻柱。旋转头例如可以通过液压驱动进给系统沿着桅式井架上升或下降。旋转头(106)包括形成内腔的壳体、驱动机构和设置在内腔中的旋转传动机构，用于旋转钻杆。旋转传动机构包括齿轮系统，其具有可操作地连接至马达的动力输入部和适于连接至钻杆的动力输出部。旋转传动机构可以包括形成动力输入部的一部分的抗振动惯性体，用于储存转动能以平衡旋转速度变化并阻止操作期间振动的产生。驾驶室(108)通常连接至托架(102)，并且可以包括用于操作钻机的控制装置(如，可编逻辑控制器，基于控制器区域网络(CAN)的装置等)，用于处理和显示从旋转头(106)上的传感器获得的数据。

此外，炮眼钻机(100)通常包括用来监控钻杆的旋转速度的转速表(未示出)。转速表为能够显示每分钟转数(RPM)的仪表。更具体地，转速表位于驾驶室(108)中，并接线连接至脉冲拾波器(PPU，pulse-pick up)。属于用于测量钻杆(未示出)的RPM的传感器类型的PPU通常可操作地连接至旋转头(106)，并测量钻入地中的钻杆的REM。

当旋转头沿着钻机的桅式井架上下移动时，脉冲拾波器(PPU)和位于驾驶室控制台中的转速表之间的配线必须随着旋转头移动。因此，当旋转头在桅式井架的长度上来回移动时，配线通常由于持续的弯曲而疲劳并失效。天气条件也影响配线的失效率。PPU配线寿命的提高可以通过拉动配线通过液压软管并牢固地固定它而实现。然而，即使采用这种附加支撑，配线由于疲劳而最终失效。由于配线的频繁失效，钻井通常在没有这种测量的情况下继续，其中钻机上的操作人员改为对RPM和钻入速度进行视觉观察。

然而，随着采矿工业向着自主(无人驾驶)钻井发展，将没有人在钻机上观察钻井。用于无线电转速表的数据线将需要更加可靠，因为这种操作参数的测量和监控对于自主钻井控制来说是必要的。具体地，对于自主钻机，重要的是，自主钻井控制系统知道所有的操作参数，如钻杆转动多快。

需要的是用于在表层钻机内的数据传输的更加可靠和耐用的方法。

附图说明

图1示出现有技术的采矿钻机。

图2示出根据本文中公开的一个或多个实施方式的具有无线传输系统的采矿钻机。

图3示出根据本文中公开的一个或多个实施方式的无线电转速表系统。

图4示出根据本文中公开的一个或多个实施方式的无线电转速表发射器的示例性布置。

图5示出根据本文中公开的一个或多个实施方式的无线电转速表发射器外壳。

图6示出根据本文中公开的一个或多个实施方式的激光深度计数器。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的具体实施方式。为了保持一致，各个图中相同的元件由相同的附图标记表示。

在本发明的实施方式的接下来的详细描述中，阐述了多个具体细节，以更完整地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说将明白，可以不采用这些具体细节实践本发明。在一些例子中，公知特征未详细描述，以避免不必要地使描述变复杂。

通常，本文中公开的实施方式提供了用于无线传输在采矿钻机上收集的数据的设备。更具体地，本公开的实施方式涉及与用于传送和接收由位于钻机上的传感器收集的数据的无线传输装置(发送和接收)一起使用的感测和测量仪器。

远程控制的自主钻井，即无人钻机指的是所谓的遥控钻眼设备。自主采矿操作涉及例如可以采用摄像机从外面(例如地上、控制室)控制的无人钻机、装载车辆和其它采矿车辆的集合使用。由于在自主钻井系统中没有人的参与，因此必须感测数据并发射至远程计算装置，在远程计算装置中可以监控、分析和优化所述数据以控制和改进自主钻井过程。因此，例如，自主钻机可以包括引导钻机的导航系统、帮助远程控制器确定无人钻机的特定位置的标记、碰撞避免能力和允许钻机在没有人的情况下操作的多种其它部件。

此外，无人钻机需要高度可靠，以避免人的干预并能够从问题或故障中恢复、更换旧的零件并定期进行自主钻井系统及其所有部件的一般维护。而且，自主钻机要求便宜且有效的解决方案来收集数据并将数据发射至远程操作人员。这种解决方案要求软件控制钻机的硬件部件。所述软件必须能够引导钻机在选定的位置进行炮眼钻井、检测部件的故障和导航误差、记录/报告钻机的活动等。

图2示出根据本文中公开的一个或多个实施方式的包括无线传输系统的采矿钻机(200)。采矿钻机(200)包括桅式井架(204)、旋转头(202)、驾驶室(206)和无线传输系统。具体地，图2中示出的旋转头(202)已经部分地穿过桅式井架(204)并大体定位在桅式井架(204)的中间。钻杆(212)连接至旋转头(202)。采矿钻机(200)上的无线传输系统包括无线发射器(208)、连接器(209)和无线接收器(210)。

无线发射器(208)可以为能够将数据无线地发射至无线接收器(210)的任何装置，如本领域已知的的那些无线发射器。具体地，无线发射器(208)负责产生具有足够发射数据/信息的信号强度的输出信号。而且，无线发射器可以采用用于发射数据/信息的任何无线传输装置。例如，无线发射器(208)可以采用射频信号、超声波信号、声波信号、红外信号、微波信号或适合数据的无线传输的任何其它类型发射数据。

无线发射器(208)包括连接器(209)。该连接器构造为与感测和测量一个或多个运行参数(如每单位时间的转数、温度、深度、振动、转矩等)的感测仪器的连接器接合(即，配合)。当连接器(209)与传感器连接器接合时，无线发射器(208)获得由感测一起测量的数据。感测仪器例如可以为温度传感器、振动传感器、测量钻杆的每分钟转数的脉冲拾波器(PPU)传感器、测量如钻杆深度的激光传感器、或测量一个或多个操作参数的任何其它适合类型的感测仪器。本领域技术人员将认识到，无线发射器可以包括与多个传感器连接器接合的能力。例如，无线发射器可以包括构造为与多种类型的传感器连接器接合的多个连接器或通用连接器。

无线发射器(208)构造为将测量的数据发射至无线接收器(210)。虽然图2中未示出，但无线接收器(210)可以操作地连接至显示单元。无线接收器(210)和显示单元都可以位于驾驶室(206)中。在本文中公开的一个或多个实施方式中，无线接收器(210)采用电线物理地连接至显示单元。可替换地，无线接收器可以无线连接至显示单元，并且可以物理靠近显示单元。显示单元可以为允许监控和/或显示被发射的数据的任何工具，以便可以基于测量的数据采取措施。例如，显示单元可以为与计算装置相关联的输出装置，如可编程逻辑控制器或图形用户界面，和/或构造为显示特定类型的数据的特定仪器，如用于显示每分钟转数的转速表。

在本文中公开的一个或多个实施方式中，显示单元可以由操作用于用于钻机的控制系统的远程操作人员(或远程位置或远程钻机)监控和控制。因此，在钻机上收集并在显示单元上显示的数据可以用来操纵、控制和优化钻井。更具体地，例如，在其中钻机为自主钻机的情况中，远程操作人员可以监控显示单元以优化自主钻井。远程操作人员可以配置为采用摄像机传播观看自主钻机的驾驶室中的显示单元。可替换地，远程操作人员可以远程登录运行显示单元的计算装置。在该情况中，远程操作人员能够远程改变显示单元配置，并在显示单元上显示比所显示的默认信息多的相关信息。在本文中公开的一个或多个实施方式中，驾驶室(206)中的无线接收器(210)还可以包括将数据从驾驶室(206)发射至远程位置处的另一个接收器的功能性。例如，该无线接收器可以操作地连接至具有将数据发射至位于远程位置的第二接收器的能力的发射器。因此，数据可以直接发射至远程位置，而不显示在驾驶室中的显示单元上。在该情况中，可以随后在远程位置显示直接发射的数据，用于分析和/或监控。

本领域技术人员将认识到，虽然图2示出了安装在旋转头(202)上或内的无线发射器(208)，但无线发射器(208)可以放置在钻机上的允许无线发射器(208)的连接器与传感器连接器接合的任何位置。因此，例如，取决于正收集的数据的类型，无线发射器(208)可以安装在桅式井架(204)的侧面、旋转头(208)的顶部或钻机上的任何适合位置。

而且，本领域技术人员将认识到，图2的无线传输系统不限于表层采矿钻机或炮眼钻井。例如，该无线传输系统还可以用在地下钻机、爆破钻机、水井和/或勘探钻机，其可以不在钻井之后爆破，而是可以钻孔，用于接近地中的某物。

无线电转速表系统

能够在自主采矿钻机中无线传输数据的示例性的感测和测量仪器是采用射频信号无线传输数据的无线电转速表系统。图3示出了根据本文中公开的一个或多个实施方式的远程操作的无线电转速表系统。具体地，图3示出了转速表发射器(302)、转速表接收器(304)、连接器(306)、电池(308)和转速表(310)。下文描述该无线电转速表系统的每一个前述部件。

在本文中公开的一个或多个实施方式中，转速表发射器(302)为采用射频波操作的无线发射器(如图2中示出的)。本领域技术人员将会认识到，可以采用任何可用的通信协议来便于通过转速表发射器进行数据的射频传输。转速表发射器(302)包括连接器(306)，其构造为接合(即，配合)与旋转头(图3中未示出)上的PPU传感器相关联的连接器。转速表发射器(302)随后(经由至PPU传感器的连接)从PPU传感器获得RPM测量值，并将包括RPM测量值的数据无线地转送至转速表接收器(304)。本领域技术人员将认识到，转速表发射器(302)可以以多种方式获得RPM测量值，并且本公开内容不限于与PPU传感器连接。例如，可以通过将涡轮流量计插入钻机的液压系统而测量RPM，其中该涡轮流量计能够测量供给至旋转头的油量。根据供给至旋转头的油量，可以采用本领域已知的方式计算钻杆的RPM。在该情况中，转速表发射器(302)可以用来将供给至旋转头的油量的测量值无线地转送至无线接收器。本领域技术人员将认识到，脉冲拾波器传感器可以采取光学传感器、机械传感器、激光传感器或任何其它适合的传感器。

在一个或多个实施方式中，采用电池(308)给转速表发射器供电。电池(308)可以为充电电池。在该情况中，电池充电器可以位于钻机的驾驶室中，其中当第二电池用来向转速表发射器(302)供电时第一电池充电。在一个或多个实施方式中，转速表发射器(302)包括用于节省电力的目的的休眠模式。本领域技术人员将认识到，还可以可替换方法给转速表发射器供电。例如，可以采用利用钻机的旋转头和/或其它部件中的液压马达作为电源的动力收获方法给转速表发射器供电。在下文讨论动力收获(Power harvesting)。

转速表发射器(302)配置为将无线电信号无线地发射至转速表接收器(304)。转速表接收器(304)配置为接收来自转速表发射器(302)的无线电信号。转速表接收器(304)可以位于钻机的驾驶室中，这有利于转速表接收器(304)的机器供电。可替换地，转速表接收器(304)可以位于驾驶室外侧或钻机上的任何位置。典型地，转速表接收器通常将接收旋转钻机的高达200RPM的数据；然而，它也可以比该范围大。

转速表接收器(304)操作地连接至标准转速表(310)。更具体地，转速表接收器(304)可以包括用于物理连接至标准转速表(310)的一个或多个连接器。可替换地，转速表接收器(304)可以有线连接至标准转速表(310)。转速表(310)配置为显示由PPU传感器测量并从转速表发射器(302)无线地转送至转速表接收器(304)的钻杆的RPM。标准转速表(310)可以由控制系统操作人员远程监控。远程操作人员可以采用显示在标准转速表上的每分钟转数数据控制、操纵和/或优化钻井。例如，特定的每分钟转数值可以作为自主钻井的目标预先确定，并且当存在减小或增加RPM可能有利的钻井条件的时候，远程操作人员或自主钻井控制系统可以干预自主钻井过程，以改变在钻机上的输入参数。

转速表发射器(302)和转速表接收器(304)可以配置为用于双向通信。例如，转速表接收器(304)可以包含用于将校准数据发射至转速表发射器(304)的发射器。而且，本领域技术人员将认识到，虽然在图3中示出了单个转速表发射器和单个转速表接收器，但可以存在多种可替换的无线电转速表系统配置。例如，无线电转速表系统可以包括单个转速表发射器和多个接收器，或者位于钻机上的多个位置的多个转速表发射器和配置为无线地接收来自每个转速表发射器的数据的转速表接收器。

本领域技术人员将认识到，本文中公开的实施方式不限于用于测量RPM数据的无线电转速表系统。例如，本文中公开的实施方式可以利用超声波转速表系统，其利用超声波信号无线地发射RPM测量值。

此外，本领域技术人员将认识到，单个无线发射器可以用来无线地发射除RPM测量值以外的或代替RPM测量值的不同类型的数据。因此，转速表发射器可以为包括连接至多种类型的传感器的多个连接器的普通无线发射器。可替换地，钻机可以利用多个无线发射器，其中的一个为用于发射RPM测量值的转速表发射器，而其它无线发射器用来发射温度数据、振动数据、转矩、压力或任何其它适合的值。不管采用多少个无线发射器，用于无线传输自主钻机有关的数据的基本设置将类似。具体地，传感器连接至无线发射器上的连接器，由传感器获得数据被转送至无线发射器，随后转送至对应的无线接收器。连接至无线发射器的传感器的类型可以根据正在测量的操作参数而改变。

图4示出了根据本文中公开的一个或多个实施方式的旋转头(402)的顶视图和转速表发射器的示例性布置。在图4中，转速表发射器示出为装入外壳(404)中，以下在图5中详细描述该外壳。整个转速表发射器外壳(404)可以采用任何类型的连接器安装在旋转头上。例如，可以采用顶盖螺钉、一种或多种类型的粘合剂、螺杆、焊接支架和/或任何组合安装转速表发射器外壳。

图5示出了转速表发射器外壳(500)的示例性设计。转速表发射器外壳(500)可以被设计为保护转速表发射器免受天气条件、由发射器安装至上的旋转头的行进运动引起的磨损、以及其它保护性条件的影响。因此，外壳(500)可以为配置用以容纳发射器电路板(502)和电池(504)的硬质外壳。例如，外壳可以为具有防水顶盖的磨制尼龙外壳。此外，外壳(500)便于在要求发射器的现场编程的场合中简单且快速地更换电池以及快速接近发射器电路板(502)。用于与PPU传感器连接的连接器也可以是防水的。

本领域技术人员将认识到，转速表发射器的安装系统和外壳可以是通用的，使得转速表发射器可以装配至任何类型的旋转头。可替换地，转速表发射器(或普通无线发射器)可以安装在旋转头的内侧，并且可以包括位于旋转头外侧的检修孔盖板以接近发射器。而且，虽然图5中未示出，但转速表接收器还具有与转速表接收器相关联的接收器电路板，其安装在驾驶室中的主控制台的后面，这要求最少的保护。发射器电路板和接收器电路板都可以设计为消耗最少的功率，具有约25米的范围，并且与其它频带的干扰最小。

动力收获技术

除了或代替使用充电电池给转速表发射器(或任何无线发射器)供电之外，本公开内容的实施方式涉及从钻机的现有部件中收获功率，以消除更换用完的电池的需求和/或对电池供电的转速表发射器的需求。例如，旋转头中的驱动机构可以用来产生向转速表发射器供电的功率。更具体地，旋转头上的诸如液压马达、电动机之类的驱动机构可以向发电机供给动力。被供给动力的发电机随后可以将电力供给至转速表发射器，在一个或多个实施方式中转速表发射器位于旋转头上。在本公开内容的另一个实施方式中，其中驱动机构为液压马达，该液压马达上的机械轴可以用来驱动发电机以对转速表发射器中的电池进行充电。此外，该发电机可以位于钻头中的电池进行充电，这将消除由如监控自主钻机的远程操作人员手动对电池进行充电或取出电池的需求。

可替换地，在本文中公开的一个或多个实施方式中，可以采用间歇式电源收获功率。例如，转速表发射器可以在每次旋转头行进至桅式井架的顶部时间歇式地或断续地连接至例如位于桅式井架的顶部的诸如电池充电器之类的电源。可替换地，电源可以位于旋转头的行进路径中的任何位置，并且转速表发射器(或安装在旋转头上或内的任何无线发射器)可以在每次旋转头到达桅式井架上的电源的位置时简单地连接以获得电力。本领域技术人员将认识到，由转速表发射器收集的数据可以在转速表发射器连接至间歇式电源时卸下。因此，可以同时地获得电力和卸载在钻井过程期间收集的数据。

可替换地，可以采用太阳能或不必要源于钻机的部件的其它电源收集功率。

钻柱感测和测量

在采矿钻机中，可以处理并实时显示由包含在钻机上的钻柱内的不必在井下行进的工具和部件产生的传感器信息。钻柱中邻近或靠近旋转头设置的这种工具和部件不行进到钻机平台之下，并且因此能够一直保留在无线传输系统的传输范围内。

例如，在本文中公开的一个或多个实施方式中，振动组件可以用来检测旋转头正下方的三轴振动。由振动组件测量的传感器信息可以经由位于振动组件上的发射器发送并通过为无线电转速表系统的一部分的接收器接收。来自振动组件的传感器信息可以可替换地被发送至位于钻机上的任何位置处的接收器。在又一种实施方式中，振动组件可以具有位于振动组件的环面内侧的直接硬线数据传输器(link)，以连接至无线电转速表系统并采用无线电转速表发射器将振动数据发送至驾驶室中或钻机外的信号源。在一个或多个实施方式中，振动组件也可以利用动力收获机制获得电力。例如，振动组件可以从被设计为经由旋转头将动力发射至振动组件的集流环(slip ring)布置收获功率。

井下感测和测量

在为例如放置在移动板上的移动式钻机的采矿钻机中，可以处理并半实时显示由钻机上的井下工具和部件产生的传感器信息。这是因为，采矿涉及在短期时间内钻多个炮眼，并且随后例如采用爆炸物使钻出的炮眼爆裂。因此，钻杆插入地中并随后非常快地拔出。结果，可以半实时地转送地面和井下测量值。这是由于，采矿涉及炮眼钻井，其为生产煤层的钻井，炮眼通常为50个或更多个，大多数炮眼在10～70米的范围内。因此，相对快地(与油气钻井系统相比)钻每个炮眼，并且在钻出炮眼之后几乎立即(如，对每个单个炮眼来说在60分钟内)获得信息。

例如，钻炮眼之后的地层测井信息可以转送至矿山地质功能元件，用于规划在整个图案钻井之后进行的爆破操作。通过半实时获得这种信息，矿山地质学家可以获得领先(head-start)。对于诸如振动之类的传感器信息，这种信息可以用作用于规划如何钻井下一系列炮眼的自主钻井控制逻辑的输入。因此，可以半实时地获得涉及井下测量的所收集信息的部分。根据本文中公开的实施方式的感测和测量的数据的无线传输进一步便于用自主采矿钻机收集的数据进行半实时处理和分析。

本公开内容的实施方式还涉及采用无线传输系统转送从钻柱中的钻柱工具和部件收集的数据。例如，放置在钻柱中的振动传感器组件可以测量钻柱内的振动。放置在钻柱中的工具和部件(其可以进入或可以不进入炮眼)中并在井下使用的其它传感器可以为转矩传感器、压力传感器、温度传感器，和/或用来测量井下磁场的磁力计。例如，转矩或振动传感器组件可以位于旋转头的正下方并且可以进入炮眼，且可以与无线发射器保持一直通信(即，实时传递数据)。在该情况中，位于旋转头正下方的传感器可以具有它们自己的无线传输装置，或者可以电耦合至无线电转速表系统中使用的相同无线发射器。这种传感器也可以配置为用于双向通信。此外，可以在钻井期间进行数据的记录，即地层测井。例如，数据的记录可能涉及超声波和声波记录、伽马记录和电阻或阻力系数记录。在岩层测井中，能够记录的传感器或工具可以位于钻头和/或钻杆和/或组件中。

在本文中公开的一个或多个实施方式中，当将钻杆从地下拔出时，也可以采用上述无线传输系统转送所记录的数据。在一个或多个实施方式中，分离的接收器(即，除接收地面数据的其他接收器)可以配置为接收井下测量的数据。对于井下测量值，无线发射器的位置可以与诸如无线电转速表系统之类的其它感测和测量系统不同。例如，对于井下感测，无线发射器可以位于钻杆末端处的钻头的后面的组件上。在该情况中，当将钻头拔出钻孔时，发射器变为处于无线接收器的范围之内，并且可以发射收集到的数据。因此，根据正在进行测量的类型，可以改变无线发射器的位置和与何时无线传输数据相关的时帧。

而且，在本文中公开的一个或多个实施方式中，采用无线传输系统的井下感测还可以包括双向通信，使得校准数据或任何其它适合类型的数据可以在最初被发射至位于钻杆中或旋转头正下方的无线发射器。该数据可以用来校准或配置用于井下感测的一个或多个部件。随后，井下操作期间收集的数据也可以如上文描述的那样传递或发射，产生双向通信。此外，双向通信也可以用来配置钻孔之间的部件/工具。例如，当在钻出第一个孔或炮眼之后将包含传感器或程序逻辑的井下工具从地下拔出时，双向通信对发射数据以改变用于钻井下一个炮眼的传感器或程序逻辑元件设置会是有用的。因此，通过采用无线发射器和接收器的双向通信可以为每个钻井的炮眼优化钻井。

在一个这种实施方式中，伽马组件被放置在钻柱的末端处的钻头的正上方。伽马组件用来表征岩层或地层并包含给伽马组件供电的电池组。为了防止电池上的不必要的泄漏，当伽马组件被从炮眼中拔出并变为位于该发射器的范围内时，来自例如位于旋转头上的发射器的双-横向通信可以将信号发射至伽马组件以进入休眠模式。该信号将指示伽马组件保持休眠模式，直到在炮眼图案的钻井过程中重新启动伽马组件。这将通过电池电力的保存而延长伽马工具的操作周期。

在另一个这种实施方式，井下转矩组件放置在钻柱的末端处的钻头的正上方。转矩组件包含钻头正上方的测量转矩的传感器。转矩组件还可以配置有一种装置，该装置允许某种转动滑移，以防止在由传感器检测到的预设转矩极限条件下对钻头切割结构的损坏。这种井下转矩组件可以采用粘性离合联接装置，以启动转动滑移。由传感器检测到的预设转矩极限可以在从井下撤出时通过来自例如位于旋转头上的发射器的双向通信重新设置。更具体地，可以进行转矩极限的重新设置以优化在其中在较高的转矩重设值下不太可能受损的较软岩层中的钻井。

激光深度计数器

如上所述，在自主钻机上任何类型的传感器或发送和测量仪器可以采用上文在图2中描述的无线传输系统的功能。图6示出了根据本文中公开的一个或多个实施方式的激光深度计数器。该激光深度计数器(600)为可以在自主钻机上采用无线传输系统的感测和测量仪器/工具的一个示例，并且并不意味着限制本发明的范围。

具体地，图6示出了一种自主钻机，其包括激光深度计数器(600)、桅式井架(604)、旋转头(606)、驾驶室(608)和显示单元(610)。在下文描述激光深度计数器的前述部件中的每一个。在本文中公开的一个或多个实施方式中，激光深度计数器(600)配置为进行可以用来计算钻杆的深度的测量。

激光深度计数器(600)包括采用激光器(603)的激光测距仪(602)。激光器(603)采用激光束确定至反射目标(如，旋转头)的距离。激光测距仪(602)可以根据“飞行时间”原理通过朝向目标发送窄束形式的激光脉冲并测量该脉冲由目标反射并返回发送装置经过的时间而进行操作。所获得的时间测量值随后用来计算目标的位移。当旋转头(606)沿着桅式井架(604)上下移动时，向下瞄准旋转头(606)并固定在桅式井架(604)的顶部处的激光器(603)测量旋转头(606)的位移。之间的距离范围。当旋转头(606)在桅式井架(604)上来回移动时安装在桅式井架(604)的顶部处的激光器(603)至旋转头(606)之间的距离的范围是由激光测距仪(602)收集的原始数据。该原始数据可以采用钻机上的无线传输系统转送，随后可以用来采用本领域已知的方法计算钻孔的深度以及钻头随着时间的钻入速度。

更具体地，如上所述，无线发射器(未示出)可以操作地连接至激光测距仪(602)。无线发射器在采用激光深度计数器的自主钻机中的位置可以与有关无线电转速表系统示出的位置不同。例如，对于激光深度计数器测量，无线发射器可以位于桅式井架的侧面上、与激光测距仪一起位于桅式井架的顶部上或位于钻机上的任何适合的位置。为了与激光测距仪(602)接合，无线发射器可以包括配置为与激光测距仪上的连接器配合的连接器。由激光测距仪(602)测量的位移范围可以由无线发射器获得并发射至无线传输系统的无线接收器。

本领域技术人员将认识到，可以采用公知的方法处理由激光测距仪产生的原始数据，如，可以采用已知的滤波装置对该数据进行滤波。原始数据可以被平均或以其它方式进行处理，以提高精度或原始数据有效性。

而且，本领域技术人员将认识到，虽然激光器示出为定位在桅式井架的顶部，但本发明的实施方式不限于激光测距仪的该位置。例如，在可替换实施方式中，激光测距仪可以定位在桅式井架的底部，在该情况中激光测距仪可以向上瞄准旋转头。此外，激光测距仪可以定位在旋转头本身上，在桅式井架的侧面上，在驾驶室中(在该情况中三角函数可以用来计算旋转头的距离范围)，或者在自主钻机上的任何其它适合位置。如果激光深度计数器设置为无线传输位移数据，则将会有利的是将激光测距仪定位在旋转头上，使得激光深度计数器可以共用无线传输系统的部件，如无线发射器和电源。

继续参照图6，无线接收器可以操作地连接至容纳在驾驶室(608)中的显示单元(610)，如具有输出显示的计算装置或可编程逻辑控制器。显示单元配置为显示由激光测距仪测量并由无线发射器传送的数据。此外，深度显示单元可以由操作人员操作以示出/显示在精密自主钻机中有用的各种操作参数。

在激光深度计数器用于井下感测的场合中，激光深度计数器和扫描装置可以都可以将数据转送至在自主钻机上采用的无线传输系统。多个无线发射器和接收器可以用于此目的。例如，第一无线发射器可以经由连接器连接至扫描装置，而第二无线发射器可以连接至激光测距仪。第一和第二无线发射器可以将数据发射至驾驶室中的单个无线接收器。可替换地，可以具有多个无线接收器，每个无线接收器都连接至显示单元。

虽然已经参照有限数量的实施方式描述了本发明，但在受益于本公开的内容的情况下，本领域技术人员将认识到，可以想出不偏离本发明的如在此公开的范围的其它实施方式。因此，本发明的保护范围应当仅由随附权利要求限制。

通过引用将本申请要求其优先权的美国临时专利申请No.61/176,653的公开内容结合于此。

Claims (32)

1.一种自主钻机(200)，包括：

托架，包括桅式井架(204)；

旋转头(202)，构造为沿着桅式井架(204)上下移动；和

无线传输系统，包括：

无线发射器(208)，安装在旋转头(202)上并配置为将无线信号发送至无线接收器(210)，其中无线发射器(208)包括配置为与第一传感器接合的第一连接器(209)，其中所述传感器测量至少一个操作参数；

所述无线接收器(210)，配置为接收来自无线发射器(208)的无线信号，其中所述无线信号包括至少一个测量的操作参数；和

显示单元(610)，操作地连接至无线接收器(210)并配置为显示测量的操作参数。

2.根据权利要求1所述的自主钻机(200)，其中无线接收器(210)位于钻机的驾驶室(206)中。

3.根据权利要求2所述的自主钻机(200)，其中无线接收器(210)包括从钻机发射信号至位于远程位置的第二接收器的功能。

4.根据权利要求1所述的自主钻机(200)，其中无线传输系统为射频传输系统。

5.根据权利要求1所述的自主钻机(200)，其中无线传输系统为超声波传输系统。

6.根据权利要求1所述的自主钻机(200)，其中无线发射器(208)包括配置为与第二传感器接合的第二连接器。

7.根据权利要求6所述的自主钻机(200)，其中第一传感器测量操作地连接至旋转头(202)的钻杆(212)的每单位时间转数，并且其中第二传感器测量钻杆(212)的振动。

8.根据权利要求1所述的自主钻机，其中第一传感器为配置为测量旋转头(202)的位移的激光深度计数器。

9.一种自主钻机(200)，包括：

托架，包括桅式井架(204)；

旋转头(202)，构造为沿着桅式井架(204)上下移动；和

无线电转速表系统，包括：

转速表发射器(302)，配置为与旋转头一起移动并配置为将无线无线电信号发送至转速表接收器(304)，其中转速表发射器包括配置为与脉冲拾波器(PPU)传感器接合的连接器(306)，其中PPU传感器测量钻杆(212)的每单位时间转数；

所述转速表接收器(304)，配置为接收来自转速表发射器(302)的无线信号，其中所述无线信号包括测量到的钻杆(212)的每分钟转数；和

转速表(310)，操作地连接至接收器(304)并配置为显示测量到的每分钟转数。

10.一种自主采矿钻机(200)中的无线电转速表系统，包括：

转速表发射器(302)，配置为将无线无线电信号发送至转速表接收器(304)，其中转速表发射器(302)包括连接器(306)，所述连接器配置为与自主钻机(200)的旋转头(202)上的脉冲拾波器(PPU)传感器接合，其中PPU传感器测量钻杆(212)的每分钟转数，其中所述无线信号包括测量到的所述每分钟转数；

所述转速表接收器(304)，配置为接收来自转速表发射器(302)的无线信号；和

转速表(310)，操作地连接至转速表接收器(304)并配置为显示测量到的每分钟转数。

11.根据权利要求10所述的无线电转速表系统，其中使用安装在自主采矿钻机(200)的桅式井架上的光学传感器以光学方式测量钻杆(212)的每分钟转数。

12.根据权利要求10所述的无线电转速表系统，其中转速表发射器(302)是电池运行的，其中至少一个电池(308)是能够充电的。

13.根据权利要求12所述的无线电转速表系统，其中电池充电器位于钻机(200)的驾驶室(206)中。

14.根据权利要求12所述的无线电转速表系统，其中电池充电器是位于桅式井架(204)的间歇式电源。

15.根据权利要求12所述的无线电转速表系统，其中转速表发射器(302)被包围在固体外壳(500)中，并且其中固体外壳(500)包括配置为容纳所述转速表发射器(302)和所述至少一个电池(308)的传输电路板(502)。

16.根据权利要求15所述的无线电转速表系统，其中包括转速表发射器(302)的所述固体外壳(500)安装在钻机的旋转头(202)上。

17.根据权利要求10所述的无线电转速表系统，其中无线电转速表发射器(302)由液压驱动的发电机供电，该发电机从与旋转头(202)相关联的液压马达获得动力。

18.根据权利要求10所述的无线电转速表系统，其中无线电转速表发射器(302)由机械地驱动的发电机供电，该发电机从与旋转头(202)相关联的液压马达上的机械轴获得动力。

19.根据权利要求10所述的无线电转速表系统，由钻机上的驱动机构供给动力的发电机配置为给无线电转速表发射器(302)的电池(308)充电。

20.一利使用在自主钻机中采用的无线电转速表系统的方法，包括下述步骤：

通过无线电转速表发射器获得由配置为测量钻杆的每分钟转数的传感器测量的数据，

其中无线电转速表发射器操作地连接至传感器并位于自主钻机的旋转头上；

将测量到的每分钟转数无线地传输至无线电转速表接收器；以及

在转速表上显示传感器数据，用于由远程操作人员分析。

21.根据权利要求20所述的方法，其中通过从由充电电池和液压驱动的发电机组成的组中选择的一种给无线电转速表发射器供电，该发电机从与旋转头相关联的液压马达获得动力。

22.根据权利要求20所述的方法，其中从安装在桅式井架上的位置处的间歇式电源产生电力，其中旋转头在每次旋转头移动至桅式井架上的所述位置时连接至所述间歇式电源。

23.根据权利要求22所述的方法，其中在旋转头连接至所述间歇式电源的同时卸载由无线电转速表发射器收集的数据。

24.一种钻机(200)，包括：

托架，包括桅式井架(204)；

旋转头(202)，构造为沿着桅式井架(204)上下移动，其中采用液压能量向旋转头(202)供给动力；和

无线电转速表系统，包括：

转速表发射器(302)，配置为与旋转头一起移动并配置为将无线无线电信号发送至转速表接收器(304)，其中转速表发射器(302)包括配置为与脉冲拾波器(PPU)传感器接合的连接器(306)，其中PPU传感器测量钻杆(212)的每单位时间转数；

所述转速表接收器(304)，配置为接收来自转速表发射器(302)的无线信号，其中所述无线信号包括测量到的钻杆(212)的每单位时间转数；和

转速表(310)，操作地连接至转速表接收器(304)并配置为显示测量到的每单位时间转数。

25.根据权利要求24所述的钻机，其中所述液压能量用来给配置成向转速表发射器(302)供电的电池(308)充电。

26.一种钻机(200)，包括：

托架，包括桅式井架(204)；

旋转头(202)，构造为沿着桅式井架(204)上下移动；和

无线电转速表系统，包括：

转速表发射器(302)，配置为与旋转头(202)一起移动并配置为将无线无线电信号发送至转速表接收器(304)，其中转速表发射器(302)包括配置为与配置为测量钻机(200)的操作参数的传感器接合的连接器(306)；

所述转速表接收器(304)，配置为：

接收来自转速表发射器(302)的无线信号，其中所述无线信号包括测量到的操作参数，和

将测量到的操作参数传输至远程位置，

其中测量到的操作参数显示在位于远程位置的显示单元(610)上，或用作至配置为优化由钻机(200)进行的钻井的控制系统的输入。

27.一种采矿钻机(200)，包括：

托架，包括桅式井架(204)；

旋转头(202)，构造为沿着桅式井架(204)上下移动；和

安装至旋转头或与旋转头一起移动的单元，该单元包含无线电转速表系统，该无线电转速表系统包括配置为采用无线射频信号进行通信的转速表接收器(304)和转速表发射器(302)，

其中该单元配置为采用动力收获自供电，

其中采用液压能量执行动力收获以便直接向转速表发射器(302)供电或对配置为向该单元供电的电池进行充电。

28.一种使用在采矿钻机中采用以在钻井过程期间收集数据的无线发射器系统的方法，包括下述步骤：

将操作地连接至旋转头的钻柱插入井下，其中所述钻柱包括至少一个部件，所述至少一个部件包括用于在井下测量数据的传感器和操作地连接至所述传感器的无线发射器；

通过无线发射器收集由所述至少一个传感器在钻井过程期间测量的数据；

将钻柱从井下撤出；以及

在撤出钻柱之后，将收集到的数据无线地传输至无线接收器；

其中所述无线发射器采用动力收获从驱动旋转头的驱动机构获得电力或动力。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述无线传输系统能够进行双向通信，并且其中所述无线发射器接收来自所述无线接收器的校准数据。

30.根据权利要求28所述的方法，其中所述至少一个部件为振动组件。

31.采矿钻机(200)，包括：

托架，包括桅式井架(204)；

旋转头(202)，构造为沿着桅式井架(204)上下移动；

无线传输系统，包括：

无线发射器(208)，安装在旋转头(202)上并配置为将无线信号传输至无线接收器(210)，其中该无线发射器(208)包括配置为与第一传感器接合的第一连接器(209)，其中该第一传感器直接位于旋转头的下面并配置为测量至少一个操作参数；

所述无线接收器(210)，配置为接收来自无线发射器(208)的无线信号，其中所述无线信号包括至少一个测量的操作参数，

其中所述至少一个操作参数显示在操作地连接至无线接收器(210)的显示单元(610)上用于分析，

其中在采用采矿钻机(200)钻井时所述第一传感器一直保持在无线传输系统的传输范围内。

32.一种采矿钻机(200)，包括：

托架，包括桅式井架(204)；

旋转头(202)，构造为沿着桅式井架(204)上下移动；

无线传输系统，包括：

无线发射器(208)，安装在旋转头(202)上并配置为将无线信号传输至无线接收器(210)，其中该无线发射器(208)包括配置为与第一传感器接合的第一连接器(209)，其中该传感器测量至少一个操作参数；

所述无线接收器(210)，配置为接收来自无线发射器(208)的无线信号，其中所述无线信号包括至少一个测量的操作参数，

其中所述至少一个操作参数显示在操作地连接至无线接收器(210)的显示单元(610)上用于分析，和

钻柱，包括能够采用被传输的无线信号作为双向通信的结果而被改变、被重新配置或被复位的部件。