CN105863616A - 一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻孔轨迹测量系统及方法，尤其是涉及一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量系统及方法。包括：用于实时采集和发送钻孔轨迹参数的孔内设备，以及用于实时接收孔内设备发送的钻孔轨迹参数，形成并显示钻孔轨迹曲线的孔口设备；所述孔内设备和孔口设备分别通过配对使用的防爆声波发生器和防爆声波接收器传递钻孔轨迹参数；因此，本发明具有如下优点：1.结构简单紧凑，尺寸小，适用于煤矿井下各种规格钻具；2.不改变煤矿井下钻探工艺，价格低廉；3.采用了防爆设计，能够在煤矿井下爆炸性气体环境下进行工作。

Description

一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种钻孔轨迹测量系统及方法，尤其是涉及一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量系统及方法。

背景技术

钻孔轨迹随钻测量是在钻井(孔)时，在钻进过程中实时测量钻井(孔)轨迹参数的技术简称。在公知技术中，钻孔轨迹随钻测量技术早已被人们所认识。钻孔轨迹随钻测量系统按照信号传输方式分为有线式和无线式。有线式相对简单、价格低廉，但需要在孔内设备和孔口设备之间连接一根电缆以便于信号的传输，可靠性差，对连接的钻具有特殊的要求，且无法实现回转钻井(孔)要求。无线式相对复杂、价格高，但不需要对现有的钻具进行改造。目前应用钻孔轨迹随钻测量系统较多的主要有石油钻探领域和煤矿井下钻探领域。其中，石油钻探领域在定向钻井时以无线式钻孔轨迹随钻测量系统为主，煤矿井下钻探领域以有线式钻孔轨迹随钻测量系统为主。近些年，随着技术的发展，一些科研院所也开始研制煤矿井下的无线式钻孔轨迹随钻测量系统。

石油钻探领域采用的钻孔轨迹测量随钻系统针对地面井的钻探施工设计，其孔径较大，施工的地层和环境较好；相对而言，具有高湿度、大粉尘和瓦斯爆炸性气体的煤矿井下，施工条件和环境相对较差，对仪器的电气性能、防爆性能要求更高，施工工艺及钻探参数与石油钻井差别较大，不能直接地将石油钻探领域使用的钻孔轨迹测量系统直接引用到煤矿井下钻孔施工中，需要结合煤矿井下钻探的特点，研制出相应的钻孔轨迹随钻测量系统。

同时，虽然一些科研院所开始研制煤矿井下无线式钻孔轨迹随钻测量系统，但采用的传输方式基本为泥浆脉冲式或电磁波式，具有体积庞大、工作时间短、传输信号慢、对钻井的稳定性要求高、对泥浆含砂量要求高等缺点，还无法应用在常规钻孔以及松软煤层钻孔方面。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的体积庞大、工作时间短、传输信号慢、对钻井的稳定性要求高、对泥浆含砂量要求高，无法应用在常规钻孔以及松软煤层钻孔领域的技术问题，提供了一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量系统及方法。该系统及方法结构简单紧凑，尺寸小，适用于煤矿井下各种规格钻具，不改变煤矿井下钻探工艺，价格低廉，且系统采用了防爆设计，能够在煤矿井下爆炸性气体环境下进行工作。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量系统，包括：

―孔内设备：用于实时采集和发送钻孔轨迹参数；

―孔口设备：用于实时接收孔内设备发送的钻孔轨迹参数，形成并显示钻孔轨迹曲线；

所述孔内设备和孔口设备分别通过配对使用的防爆声波发生器和防爆声波接收器传递钻孔轨迹参数；

其中，所述防爆声波发生器包括：

信号隔离电路，用于接收防爆无线短传接口传送的钻孔轨迹参数数据；

控制电路，与信号隔离电路和储能器相连，用于调制信号隔离电路接收的信号，以及控制储能器在积蓄到声波信号发送所需电能量后释放电能量；

驱动器，与控制电路和换能器相连，用于在控制电路根据接收到的信号的控制下向换能器输出不同的驱动电流；

换能器，与驱动器相连，用于接收驱动器输出的驱动电流并通过内部设置的永磁材料产生不同频率和幅值的声波信号，将所述声波信号放大后发送给防爆声波接收器；

电源隔离电路，与信号隔离电路、控制电路、储能器、驱动器相连并为其供电；

其中，所述防爆声波接收器负责接收声波信号并进行解调，将信号还原成钻孔轨迹参数后通过无线传输方式传递给分析终端。

优化的，上述的一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量系统，所述孔内设备包括用于实时采集钻孔轨迹参数，并将采集数据实时发送给防爆无线短传接口的防爆测量探管；

其中，所述防爆测量探管包括用于检测钻孔过程中的振动情况和压力变化情况的工作状态监测单元，所述工作状态监测单元包括振动传感器、压力传感器、控制电路。

优化的，上述的一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量系统，所述的孔内设备包括：

防爆固定组件，用于将孔内设备的其它组件固定在无磁钻具中，并具有减震作用；

防爆测量探管，与防爆测量探管电池筒相连，用于实时采集钻孔轨迹参数，并将采集数据实时发送给防爆无线短传接口；

防爆无线短传接口，与防爆测量探管和防爆声波发生器电池筒相连，用于实时接收防爆测量探管发送的钻孔轨迹参数，并将钻孔轨迹参数通过防爆声波发生器电池筒内的通道传递给防爆声波发生器。

优化的，上述的一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量系统，所述防爆测量探管包括：依次连接的本安电源电路、数据采集单元、CPU控制器以及无线传输单元；分别与本安电源电路和数据采集单元相连的磁传感器和加速度传感器；与本安电源电路和CPU控制器相连的数据存储单元；所述本安电源电路还与CPU控制器和无线传输单元直接相连。

优化的，上述的一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量系统，所述孔口设备包括：

防爆电池组：与防爆声波接收器相连并为其供电；

防爆平板电脑：采用无线方式与防爆声波接收器相连，用于接收防爆声波接收器传送的钻孔轨迹参数，计算并显示钻孔轨迹曲线以及与设计轨道的偏差。

为了解决上述问题，根据本发明的另一方面，提供了一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量的方法，包括：

状态监测步骤，用于通过防爆测量探管的工作状态监测单元监测钻孔过程中的振动情况和压力变化情况；其中，当检测到泵压上升、振动增大时判定当前工作状态处于钻进状态；当监测到泵压下降、振动停止，确认处于停泵状态；

采集中止步骤，用于在钻进状态下，利用防爆测量探管内的无线传输单元向防爆无线短传接口发送停止信号；并由防爆无线短传接口将停止信号传递给防爆声波发生器，通知防爆声波发生器停止储能器积蓄电能量，并关断防爆声波发生器的驱动器输出通道，停止声波信号发送；

采集开始步骤，用于在停泵状态下，采集并发送钻孔轨迹参数；

其中，所述采集开始步骤进一步包括以下子步骤：

参数采集子步骤，由防爆测量探管采集并利用无线传输单元向防爆无线短传接口传送钻孔轨迹参数信号；

能量蓄积子步骤，由防爆声波发生器从防爆无线短传接口接收钻孔轨迹参数信号，并控制防爆声波发生器的储能器在积蓄满声波信号发送所需的电能量后释放电能量；

声波传输子步骤，由防爆声波发生器的控制电路据接收到的钻孔轨迹参数数值控制驱动器向换能器传输驱动电流，通过换能器通过内部的永磁材料产生不同频率和幅值的声波信号，并通过连接的钻杆发送到孔口。

优化的，上述的一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量的方法，还包括：

数据处理步骤，用于通过孔口设备接收钻孔轨迹参数，并计算出当前钻孔深度的钻孔轨迹数据，显示当前钻孔深度的钻孔轨迹曲线以及与设计轨道的偏差；

施工调整步骤，用于由钻孔施工人员根据钻孔轨迹曲线以及与设计轨道的偏差调整钻孔施工方案，从而实现实际钻孔轨迹基本沿着设计轨道延伸。

优化的，上述的一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量的方法，还包括：

测量准备步骤，用于根据钻具规格和尺寸选择配套的防爆固定组件并将孔内设备进行组装后固定在钻具中。

因此，本发明具有如下优点：

1.结构简单紧凑，尺寸小，安装、操作简便，价格低廉；

2.采用声波传输方式，不使用电缆，不改变目前常规的煤矿井下钻孔工艺，在钻孔过程实时采集和传输钻孔轨迹参数，利于及时发现钻孔轨迹与设计轨道的偏差，并及时调整施工方案；

3.适用于煤矿井下钻孔所使用的不同规格及尺寸的钻具，具有通用性、防爆性。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图。

图2为图1中防爆测量探管的结构原理示意图。

图3为图1中防爆声波发生器的结构原理示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

图中，防爆固定组件1、防爆测量探管电池筒2、防爆测量探管3、防爆无线短传接口4、防爆声波发生器电池筒5、防爆声波发生器6、防爆声波接收器7、防爆平板电脑8、防爆电池组9、加速度传感器31、磁传感器32、CPU控制器33、数据采集单元34、本安电源电路35、无线传输单元36、数据存储单元37、工作状态监控单元38、信号隔离电路61、电源隔离电路62、控制电路63、储能器64、驱动器65、换能器66。

实施例：

参见图1，本发明由防爆固定组件1、防爆测量探管电池筒2、防爆测量探管3、防爆无线短传接口4、防爆声波发生器电池筒5、防爆声波发生器6、防爆声波接收器7、防爆平板电脑8、防爆电池组9组成，全部采用防爆设计，可应用于煤矿井下爆炸性气体环境中。在钻孔前，根据钻具规格选择相配套的防爆固定组件1，然后通过防爆固定组件1将防爆测量探管电池筒2、防爆测量探管3、防爆无线短传接口4、防爆声波发生器电池筒5、防爆声波发生器6固定在钻具中。开始进行钻孔，每钻完一根钻具，停泵，孔内设备开始采集并实时发送钻孔轨迹参数。通过孔口设备接收钻孔轨迹参数，并计算出钻孔轨迹数据，并显示钻孔轨迹曲线，以及与设计轨道的偏差。钻孔施工人员根据钻孔轨迹曲线，以及与设计轨道的偏差及时调整钻孔施工方案

参见图2，防爆测量探管3采用无磁铜或无磁不锈钢为外壳，由加速度传感器31、磁传感器32、CPU控制器33、数据采集单元34、本安电源电路35、无线传输单元36、数据存储单元37、工作状态监控单元38组成。加速度传感器31能够敏感重力加速度信号，磁传感器32能够敏感地磁场信号，并通过数据采集单元34进行采集、CPU控制器33进行计算，可测量出防爆测量探管3所处位置的重力加速度值和地磁场强度值，从而计算出倾角、方位角等钻孔轨迹参数，然后通过CPU控制器33保存在数据存储单元37中。本安电源电路35保证其在短路、开路状态下具有防爆特性，不会产生火花。无线传输单元36负责与防爆无线短传接口4进行数据交换。工作状态监控状态38由压力传感器、振动传感器和控制电路组成，监控当前的钻孔作业状态是处于开泵钻进状态还是停泵状态，其中，压力传感器检测孔底压力变化情况，振动传感器检测孔内设备在井底的振动情况。处于开泵钻进状态时，压力传感器检测孔底压力升高，振动传感器检测孔内设备处于振动状态，控制电路根据传感器的输出信号通知CPU控制器33通过无线传输单元36向防爆无线短传接口4发送停止信号，从而停止防爆声波发生器6停止发送声波信号。处于停泵状态时，压力传感器检测孔底压力降低，振动传感器检测孔内设备处于静止状态，制电路根据传感器的输出信号通知CPU控制器33可以采集钻孔轨迹参数，CPU控制器33通过数据采集单元34采集加速度传感器31、磁传感器32的输出信号，并经过计算得出钻孔轨迹参数，然后通过无线传输单元36向防爆无线短传接口4发送钻孔轨迹参数，并最终由防爆声波发生器将钻孔轨迹参数以声波形式通过连接的钻杆发送给孔口的防爆声波接收器7。

参见图3，防爆声波发生器3采用无磁铜或无磁不锈钢为外壳，由信号隔离电路61、电源隔离电路62、控制电路63、储能器64、驱动器65、换能器66组成。信号隔离电路61将防爆无线短传接口4传送过来的数据或指令信息通过隔离电压超过1500V的隔离电路转换成串行信号。电源隔离电路62将防爆声波发生器电池筒的输出电源通过隔离电压超过2500V的隔离电路转换成标准直流电源。控制电路63将信号隔离电路61传送过来的串行信号进行解码，若是停止指令，停止电源隔离电路62向储能器64蓄电，同时关闭驱动器65的输出，从而停止声波发送；若是钻孔轨迹参数信号，控制电路63控制电源隔离电路62向储能器64蓄电，当到储能器(64)电能量充满时，控制储能器64释放电能量，并根据接收到的钻孔轨迹参数数值控制驱动器65产生不同的驱动电流，驱动器65将不同的驱动电流传输到换能器66，换能器66通过内部的永磁材料产生不同频率和幅值的声波信号，并通过连接的钻具发送给孔口设备中的防爆声波接收器7。

在停泵状态下控制CPU控制器33采集钻孔轨迹参数，并控制无线传输单元36向防爆无线短传接口4发送数据。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了防爆固定组件1、防爆测量探管电池筒2、防爆测量探管3、防爆无线短传接口4、防爆声波发生器电池筒5、防爆声波发生器6、防爆声波接收器7、防爆平板电脑8、防爆电池组9、加速度传感器31、磁传感器32、CPU控制器33、数据采集单元34、本安电源电路35、无线传输单元36、数据存储单元37、工作状态监控单元38、信号隔离电路61、电源隔离电路62、控制电路63、储能器64、驱动器65、换能器66等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语，是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量系统，包括：

―孔内设备：用于实时采集和发送钻孔轨迹参数；

―孔口设备：用于实时接收孔内设备发送的钻孔轨迹参数，形成并显示钻孔轨迹曲线；

其特征在于，所述孔内设备和孔口设备分别通过配对使用的防爆声波发生器和防爆声波接收器传递钻孔轨迹参数；

其中，所述防爆声波发生器包括：

信号隔离电路，用于接收防爆无线短传接口传送的钻孔轨迹参数数据；

控制电路，与信号隔离电路和储能器相连，用于调制信号隔离电路接收的信号，以及控制储能器在积蓄到声波信号发送所需电能量后释放电能量；

驱动器，与控制电路和换能器相连，用于在控制电路根据接收到的信号的控制下向换能器输出不同的驱动电流；

换能器，与驱动器相连，用于接收驱动器输出的驱动电流并通过内部设置的永磁材料产生不同频率和幅值的声波信号，将所述声波信号放大后发送给防爆声波接收器；

电源隔离电路，与信号隔离电路、控制电路、储能器、驱动器相连并为其供电；

其中，所述防爆声波接收器负责接收声波信号并进行解调，将信号还原成钻孔轨迹参数后通过无线传输方式传递给分析终端。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量系统，其特征在于，所述孔内设备包括用于实时采集钻孔轨迹参数，并将采集数据实时发送给防爆无线短传接口的防爆测量探管；

其中，所述防爆测量探管包括用于检测钻孔过程中的振动情况和压力变化情况的工作状态监测单元，所述工作状态监测单元包括振动传感器、压力传感器、控制电路。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量系统，其特征在于，所述的孔内设备包括：

防爆固定组件，用于将孔内设备的其它组件固定在无磁钻具中，并具有减震作用；

防爆测量探管，与防爆测量探管电池筒相连，用于实时采集钻孔轨迹参数，并将采集数据实时发送给防爆无线短传接口；

防爆无线短传接口，与防爆测量探管和防爆声波发生器电池筒相连，用于实时接收防爆测量探管发送的钻孔轨迹参数，并将钻孔轨迹参数通过防爆声波发生器电池筒内的通道传递给防爆声波发生器。

4.根据权利要求3所述的一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量系统，其特征在于，所述防爆测量探管包括：依次连接的本安电源电路、数据采集单元、CPU控制器以及无线传输单元；分别与本安电源电路和数据采集单元相连的磁传感器和加速度传感器；与本安电源电路和CPU控制器相连的数据存储单元；所述本安电源电路还与CPU控制器和无线传输单元直接相连。

5.根据权利要求3所述的一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量系统，其特征在于，所述孔口设备包括：

防爆电池组：与防爆声波接收器相连并为其供电；

防爆平板电脑：采用无线方式与防爆声波接收器相连，用于接收防爆声波接收器传送的钻孔轨迹参数，计算并显示钻孔轨迹曲线以及与设计轨道的偏差。

6.一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量的方法，其特征在于，包括：

状态监测步骤，用于通过防爆测量探管的工作状态监测单元监测钻孔过程中的振动情况和压力变化情况；其中，当检测到泵压上升、振动增大时判定当前工作状态处于钻进状态；当监测到泵压下降、振动停止，确认处于停泵状态；

采集中止步骤，用于在钻进状态下，利用防爆测量探管内的无线传输单元向防爆无线短传接口发送停止信号；并由防爆无线短传接口将停止信号传递给防爆声波发生器，通知防爆声波发生器停止储能器积蓄电能量，并关断防爆声波发生器的驱动器输出通道，停止声波信号发送；

采集开始步骤，用于在停泵状态下，采集并发送钻孔轨迹参数；

其中，所述采集开始步骤进一步包括以下子步骤：

参数采集子步骤，由防爆测量探管采集并利用无线传输单元向防爆无线短传接口传送钻孔轨迹参数信号；

能量蓄积子步骤，由防爆声波发生器从防爆无线短传接口接收钻孔轨迹参数信号，并控制防爆声波发生器的储能器在积蓄满声波信号发送所需的电能量后释放电能量；

声波传输子步骤，由防爆声波发生器的控制电路据接收到的钻孔轨迹参数数值控制驱动器向换能器传输驱动电流，通过换能器通过内部的永磁材料产生不同频率和幅值的声波信号，并通过连接的钻杆发送到孔口。

7.根据权利要求6所述的一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量的方法，其特征在于，还包括：

数据处理步骤，用于通过孔口设备接收钻孔轨迹参数，并计算出当前钻孔深度的钻孔轨迹数据，显示当前钻孔深度的钻孔轨迹曲线以及与设计轨道的偏差；

施工调整步骤，用于由钻孔施工人员根据钻孔轨迹曲线以及与设计轨道的偏差调整钻孔施工方案，从而实现实际钻孔轨迹基本沿着设计轨道延伸。

8.根据权利要求6所述的一种煤矿井下防爆钻孔轨迹声波随钻测量的方法，其特征在于，还包括：

测量准备步骤，用于根据钻具规格和尺寸选择配套的防爆固定组件并将孔内设备进行组装后固定在钻具中。