CN111322060A - 一种煤矿井下钻孔深度计量方法 - Google Patents

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王信文
燕斌
田小超
刘京科
樊依林
刘耀波
代晨昱
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Abstract

本发明涉及一种计量方法及系统，属于煤矿开采技术领域，具体是涉及一种煤矿井下钻孔深度计量方法及系统。本发明既对钻孔深度待计量位置的钻具姿态参数进行利用(主要是倾角和对应测量时间)；同时也对当前位置测点处钻井液静压力进行测量。钻井液静压力测量是利用送水泵压力已卸，但送水器尚未卸下的这一时间段内，测量钻杆内钻井液形成的静压力，该时刻钻井液静压力只和当前位置与传感器所在水平面的高度有关，从而通过计算求得该测点位置的高差，结合所测姿态信息中的倾角，推出对应的孔深增量，并进行累加计算得到当前位置孔深。

Description

一种煤矿井下钻孔深度计量方法
技术领域
本发明涉及一种计量方法及系统，属于煤矿开采技术领域，具体是涉及一种煤矿井下钻孔深度计量方法及系统。
背景技术
钻孔轨迹决定主要包含三个姿态参数和一个钻孔深度的信息；钻孔姿态的三个参数(倾角、工具面向角、方位角)通常采用一个三轴加速度传感器和一个三轴磁性传感器来解算；然而钻孔深度通常采用人工计数钻杆的方法，该方法会造成以下不利的因素：1)计数效率的低下；2)易造成疲劳，给钻孔深度计量造成误差；3)易造成计量深度不准确，影响钻孔轨迹使其与设计轨迹存在偏差，无法到达目的层，导致瓦斯抽采有空白带，形成瓦斯聚积，带来潜在危害。
针对以上人工计数方法存在的问题，现有技术对钻孔深度的计量方法改进主要有以下几种：
1)利用钻场视频监控系统，计量钻杆深度信息；
2)敲击钻孔中钻杆的尾部激发出冲击波,通过检测钻杆回波来计算钻杆长度；
3)钻孔孔口位置激发出声波,通过声波在钻孔空气柱内的回波来计算钻孔中钻杆长度，从而实现钻孔深度的测量；
对于上述改进方法，钻场视频监控系统统计钻杆深度方法需要配备专人在特定时间进行监测统计，其局限性大，费时、费力；敲击孔中钻杆尾部的冲击波方法和孔外激发声波的方法均属弹性波回波测距原理，该方法易受钻场外界环境影响，应用效果并不理想。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
本发明的目的是解决目前现有的钻孔深度计量方法应用效果不理想及使用不便的问题。本发明既对钻孔深度待计量位置的钻具姿态参数进行利用(主要是倾角和对应测量时间)；同时也对当前位置测点处钻井液压力进行测量。钻井液压力测量是利用送水泵压力已卸，但送水器尚未卸下的这一时间段内，测量钻杆内钻井液形成的静压力，该时刻钻井液静压力只和当前位置与传感器所在水平面的高度有关，从而通过计算求得该测点位置的高差，结合所测姿态信息中的倾角，推出对应的孔深增量，并进行累加计算得到当前位置孔深。
为解决上述问题，本发明的方案是：
一种煤矿井下钻孔深度计量方法，包括：
于各测点位置分别测量关闭送水泵并且尚未卸下送水器时钻杆内剩余钻井液的静液柱压力F，基于所述静液柱压力F计算各测点位置对应高程H；
基于相邻两测点的高程差ΔH以及相邻两测点中的后一测点的轨迹切线与水平面最小夹角θB来计算相邻两测点间的相对钻孔深度ΔL。
优选的，上述的一种煤矿井下钻孔深度计量方法，基于下式计算各测点位置对应高程：
Figure BDA0002408606670000031
其中，k＝ρgS为常数；
式中，S为液面面积,单位m2；ρ为钻井液密度；g为重力加速度。
优选的，上述的一种煤矿井下钻孔深度计量方法，基于下式计算相邻测点的相对钻孔深度：
ΔL＝ΔH×sin-1(θB)。
优选的，上述的一种煤矿井下钻孔深度计量方法，累加各相邻测量间的相对钻孔深度ΔL得到钻孔的绝对深度。
优选的，上述的一种煤矿井下钻孔深度计量方法，通过单向三通送水器连接送水胶管与钻杆，并在单向三通送水器的旁路上连接压力传感器，基于该压力传感器测量静液柱压力F。
因此，本发明的有益效果是：在随钻过程中就完成了钻孔姿态测量，在实时监测的钻井液压力数据中可提取静液柱压力，两者结合可准确进行深度计算，简单方便，不用增加额外工作量及应用成本，能防止深度误报情况。
附图说明
并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。
图1钻孔深度测量计算过程流程图
图2安装压力传感器的单向三通送水器示意图
图2中，1.单向三通送水器主体，2.送水器与钻杆连接公口，3.送水器胶管接口，4.压力传感器，5.胶管，6.孔口同步机。
图3钻孔深度计算过程示意图；
图3中，a图为钻孔轨迹在经过测量孔段的铅垂面上的投影，b图为钻孔轨迹在水平面上的投影，A、B是任意相邻两个钻孔深度计量点，A`、B`分别是A、B两个计量点在水平面上的投影。
将参照附图描述本发明的实施例。
具体实施方式
实施例
本实施例，提供了一种煤矿井下钻孔深度计量方法，包括：
于各测点位置分别测量关闭送水泵并且尚未卸下送水器时钻杆内剩余钻井液的静液柱压力F，基于所述静液柱压力F计算各测点位置对应高程H；
基于相邻两测点的高程差ΔH以及相邻两测点中的后一测点的轨迹切线与水平面最小夹角θB来计算相邻两测点间的相对钻孔深度ΔL。
下面结合附图1-3对本发明实施例作进一步说明。
如图1所示，给出了钻孔深度计量过程流程图。
本发明的具体实施步骤是：
步骤1，孔口同步机及孔中测量探管分别上电，并由孔口同步机为测量探管下发系统时间，进行时间同步操作。
步骤2，按照图2结构所示，将单向三通送水器主体1与孔中钻杆尾部连接，开启水泵带压送水，待钻井液从孔口返回即可开始钻进施工，随钻轨迹仪孔中测量探管实时记录钻具姿态参数及对应测量时间并存于测量探管内；压力传感器实时记录钻井液压力并记录每个测点对应时间。
步骤3，钻井液压力测量是在关闭送水泵之后，尚未卸下送水器之前的这一段时间内，因采用单向三通送水器，压力测量传感器测量的压力为钻杆内剩余钻井液在相应测点位置处对应静液柱压力F，并同时记录测量时间于孔口同步机内；
本实施例中所测钻井液静压力F是指在外界送水泵给定泵压已关闭后一段时间内钻柱内剩余的钻井液由于重力所形成的静压力，因此在孔口三通位置处必须形成一个封闭环境以使静压形成。
在其它实施例中，也可以采用双通结构。此时，应该在如图2所示左侧位置(传感器左侧)有球阀可以关闭水流通道从而形成能够产生静压力的封闭环境。
步骤4，在孔口同步机内，通过压力公式(1)及压强公式(2)联立推算出当前测点处对应高程H。
F＝pS (1)
p＝ρgH (2)
由式(1)及式(2)可推算出：
H＝F/k，其中，k＝ρgS为常数。 (3)
式中，p为液面压强，单位pa；S为液面面积,单位m2；ρ为钻井液密度，一般井下钻井液多为水，密度1000kg/m^3；g为重力加速度，一般取国际标准值9.80m/s2；
步骤5，基于相邻两测点的高程差ΔH以及相邻两测点中的后一测点的轨迹切线与水平面最小夹角θB来计算相邻两测点间的相对钻孔深度ΔL
例如，欲求B点处的钻孔深度，根据孔中测量探管姿态参数测量结果，可知B点处的倾角(该测点轨迹切线与水平面最小夹角)为θB,如图3(a)所示；从压力传感器测量结果可知B点处对应孔外静液压力FB,依据公式(3)计算可得B点处高程为HBm，同理根据公式(3)及上一测点A点的孔外静液压力FA，计算可得B点处高程为HAm,由此可求得当前测点B点与上一测点A点高差ΔH＝(HB-HA)m；如图3(b)所示，以ΔH＝(HB-HA)为直角三角形一直角边，以测点B到测点A所在铅垂线的距离为直角三角形一条直角边，建立直角三角形，根据几何知识推断可知，直角三角形的斜边与其中一条直角边夹角θ等于θB。根据式(4)可计算斜边长度ΔL，以ΔL即可近似计量为从测点A到测点B的钻孔深度。
ΔL＝ΔH×sin-1(θB) (4)
当前测点B点处的深度L即为A点出钻孔深度(LA为之前各测点处钻孔深度增量ΔL累加)LA与B点处钻孔深度增量之和，，如式(5)所示。
L＝LA+ΔL (5)
从上述描述可知，本实施例在随钻过程中就完成了钻孔姿态测量，在实时监测的钻井液压力数据中可提取静液柱压力，两者结合可准确进行深度计算，简单方便，不用增加额外工作量及应用成本，能防止深度误报情况。
注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (5)

1.一种煤矿井下钻孔深度计量方法，其特征在于，包括：
于各测点位置分别测量关闭送水泵并且尚未卸下送水器时钻杆内剩余钻井液的静液柱压力F，基于所述静液柱压力F计算各测点位置对应高程H；
基于相邻两测点的高程差ΔH以及相邻两测点中的后一测点的轨迹切线与水平面最小夹角θB来计算相邻两测点间的相对钻孔深度ΔL。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下钻孔深度计量方法，其特征在于，基于下式计算各测点位置对应高程：
Figure FDA0002408606660000011
其中，k＝ρgS为常数；
式中，S为液面面积,单位m2；ρ为钻井液密度；g为重力加速度。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下钻孔深度计量方法，其特征在于，基于下式计算相邻测点的相对钻孔深度：
ΔL＝ΔH×sin-1(θB)。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下钻孔深度计量方法，其特征在于，累加各相邻测量点的相对钻孔深度ΔL得到钻孔的绝对深度。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下钻孔深度计量方法，其特征在于，通过单向三通送水器连接送水胶管与钻杆，并在单向三通送水器的旁路上连接压力传感器，基于该压力传感器测量静液柱压力F。
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