CN111691867A - 一种用于测量钻机钻进过程中压力与扭力的装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量钻机在钻进过程中压力与扭力的装置及其使用方法，装置由钻杆、连接器、开孔器、钻头组成，主体为一连接器，连接器由上盖板、外壁、下盖板、内壁等组合形成一个密闭的腔室，其内部安装有扭力、压力测试模组，扭力、压力测试模组由应变片组、AD模块、存储模块、电源管理模块、电池组组成。应变片直接安装在连接器的内部，采用对称的全桥应变测量方式，实现了扭力、压力的直接测量，减少了测量误差，连接器可直接安装在现有工程钻机上，并保留了泥浆通道，可在水上、水下采用各种不同的钻探工艺进行测试工作，适应性强。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程勘察技术领域，具体涉及一种用于测量钻机在钻进过程中压力与扭力的装置及其使用方法。
背景技术
现阶段地质勘探行业中的岩土工程钻探，主要以鉴别地层、取样为目的，难以直接获取地层的物理力学指标，而地层的物理力学参数主要依赖于原位测试。原位测试主要包括圆锥动力触探试验、标准贯入试验、静力触探试验等，可获取砂土体的密实度等指标，其缺点是费时、费力、费财，且结果误差较大。已有研究表明，钻进过程中的扭力和压力，与地层的物理、力学指标密切相关。虽然近年来，出现了一些随钻监测的装置和方法，但这些装置大多通过测定油缸活塞上下面压力差的方法间接获取钻进过程中的钻压变化。由于油缸压力传递过程中受各种阻力影响，加之钻杆重力、摩擦力等一系列不确定因素，造成了这种方法测得的钻压误差较大。钻进过程中钻杆旋转与上下移动制约了钻进过程中扭力的测量，文献中尚未有直接的扭力测定方式。为克服以上缺点，现发明出一种用于测量钻机在钻进过程中压力与扭力的装置。
本装置安装在钻机开孔器上部，解决了钻机钻进工程中钻压和扭力测定问题，实现了钻进与原位测试同步进行，其优点主要体现为：在无需对钻机进行改装的情况下，可直接安装在现有工程钻机的开孔器上部，钻杆的下部，实现钻探过程中扭力和压力的测定工作，省时、省力、可连续测试、适用性强。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种用于测量钻机在钻进过程中压力与扭力的装置。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
一种用于测量钻机在钻进过程中压力与扭力的装置及其使用方法，包括钻杆、上盖板、外壁、下盖板、内壁、上腔室、开孔器外壁、下腔室、钻头，扭力与压力测试模组。
所述上盖板、外壁、下盖板、内壁、扭力与压力测试模组共同构成了连接器，所述钻杆下端与上盖板的上部啮合，所述上盖板底部和外壁连接，所述外壁和下盖板相连接，所述下盖板和内壁相连接，内壁与上盖板相连接，所述外壁和开孔器外壁相连接，所述开孔器外壁底部和钻头连接。
所述上腔室内设有压力与扭力模组，所述压力与扭力模组包括应变片组、AD模块、存储模块、电源管理模块、电池组，所述的应变片组由互成一定角度排列的应变片组构成，应变片不少于片，共组成两组全桥测量电路，第一组应变片水平、竖直排列，以测定压力，第二组倾斜°排列，以测定扭力。
优选地，所述上盖板为内螺纹体与外螺纹体的组合体，通过其上部的锥形内丝和下部的外丝可分别与钻杆和连接器相连，上盖板下部有凹槽，可将内壁嵌入。
优选地，所述外壁主体为一圆管，其外径与开孔器外径一致或略小于开孔器外径，上部有内丝，可与上盖板的下部外丝圆盘啮合，其中部壁薄安装有压力与扭力模组及密封固件，其壁厚根据外径、最大扭力、压力计算得到，下部设外丝与开孔器啮合，内部并设有法兰。
优选地，所述下盖板为一圆环，其通过固定螺丝与外壁的法兰相连，通过内丝与内壁相接，通过拆卸下盖板的方式，进行传感器的维护。
优选地，所述内壁为一圆管，其通过其下部的外丝与下盖板相连，并将上部卡入上盖板下部的卡槽中。
优选地，所述上盖板下部的卡槽设置有密封圈，下盖板与外壁的法兰之间有密封圈。
优选地，所述AD模块是低功耗位模数转换电路，存储模块为低功耗数据储备芯片，电池组为多个锂电池组合形成的电池组，电源管理模块包括倾斜开关、充放电管理芯片、稳压芯片，连接器仅处于工作角度时，才进行数据的采集、存储。
包括如下步骤：
使用前，首先旋开固定连接器下盖板上的固定螺丝，取下连接器的下盖板及内壁，对电池进行充电。充电完成后，检查防水圈，并固定下盖板。
使用时，首先将连接器旋入开孔器，接上钻杆，按照正常的钻探工艺进行钻探，传感器自动进行数据采集和存储工作。
钻探结束后，取下连接器，旋开下盖板的固定螺丝，取下连接器的下盖板及内壁，完成数据的下载工作，结合跟钻编录资料，即可完成数据的分析工作。
有益效果：(1)该装置实现了扭力、压力的直接测量，避免了通过油压、转速等方式进行估算产生的误差，可连续测量钻进过程中的扭力、压力参数，为岩土工程提供了一种全新的测试手段；(2)连接器安装在钻机的开孔器与钻杆之间，无需改变现有钻机结构，适应性强，安装方便，测试过程不增加钻机操作员的额外工作；(3)连接器中空设计，保留了泥浆通道，可在水上、水下采用各种不同的钻探工艺进行测试工作，适应性强；(4)可根据不同类型钻探设备，提供不同规格的连接件，满足不同勘探测试要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明测试装置的外结构示意图；
图2为本发明测试装置的内结构示意图；
图3为本发明测试装置的腔室结构放大示意图；
图4为本发明测试装置的内部连接器连接示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示，本发明为包括一种用于测量钻机在钻进过程中压力与扭力的装置及其使用方法，包括钻杆1、上盖板2、外壁3、下盖板4、内壁5、上腔室6、开孔器外壁7、下腔室8、钻头9，扭力与压力测试模组10。
上盖板2、外壁3、下盖板4、内壁5、扭力与压力测试模组10共同构成了连接器，钻杆1下端与上盖板2的上部啮合，上盖板2底部和外壁3连接，外壁3和下盖板4相连接，下盖板4和内壁5相连接，内壁5与上盖板2相连接，外壁3和开孔器外壁7相连接，开孔器外壁7底部和钻头9连接。
上腔室6内设有压力与扭力模组10，压力与扭力模组包括应变片组101、AD模块102、存储模块103、电源管理模块104、电池组105，的应变片组101由互成一定角度排列的应变片组构成，应变片不少于8片，共组成两组全桥测量电路，第一组应变片水平、竖直排列，以测定压力，第二组倾斜45°排列，以测定扭力。
其中，上盖板2为内螺纹体与外螺纹体的组合体，通过其上部的锥形内丝201和下部的外丝202可分别与钻杆和连接器相连，上盖板下部有凹槽203，可将内壁嵌入，外壁3主体为一圆管，其外径与开孔器外径一致或略小于开孔器外径，上部有内丝，可与上盖板的下部外丝圆盘啮合，其中部壁薄安装有压力与扭力模组10及密封固件11，其壁厚根据外径、最大扭力、压力计算得到，下部设外丝301与开孔器啮合，内部并设有法兰302，下盖板4为一圆环，其通过固定螺丝12与外壁的法兰302相连，通过内丝与内壁5相接，通过拆卸下盖板4的方式，进行传感器的维护，内壁5为一圆管，其通过其下部的外丝501与下盖板4相连，并将上部卡入上盖板2下部的卡槽203中，上盖板2下部的卡槽203设置有密封圈，下盖板4与外壁的法兰302之间有密封圈，AD模块102是低功耗24位模数转换电路，存储模块103为低功耗数据储备芯片，电池组105为多个锂电池组合形成的电池组，电源管理模块104包括倾斜开关、充放电管理芯片、稳压芯片，连接器仅处于工作角度时，才进行数据的采集、存储。
本实施例的一个具体应用为：
使用前，首先旋开固定连接器下盖板上的固定螺丝，取下连接器的下盖板及内壁，对电池进行充电。充电完成后，检查防水圈，并固定下盖板。
使用时，首先将连接器旋入开孔器，接上钻杆，按照正常的钻探工艺进行钻探，传感器自动进行数据采集和存储工作。
钻探结束后，取下连接器，旋开下盖板的固定螺丝，取下连接器的下盖板及内壁，完成数据的下载工作，结合跟钻编录资料，即可完成数据的分析工作。
本装置的主体为一连接器，上部设置内螺纹，可直接安装在钻杆下部，其下部设置外螺纹，可直接安装开孔器或取样器，这样设计的目的是在无需对钻机进行改装的情况下，直接安装在现有工程钻机上。
应变片直接安装在连接器外壁的内侧，靠近钻头，实现了扭力、压力的直接测量，减少了测量误差。同时，采用对称的全桥应变测量方式，可以消除不均匀受力的影响。
连接器由上盖板、外壁、下盖板、内壁等组合形成一个密闭的腔室，因此本传感器可以在水下工作。在保留了防水的充电、数据下载接口的同时，内部电路采用防水胶进行灌封。上盖板下部的卡槽设置有密封圈，下盖板与外壁之间也设置了密封圈，这种设计在保障防水的同时，减小了对扭力、压力测定的影响。另外连接器采用中空设计，保留了泥浆通道，可在水上、水下采用各种不同的钻探工艺进行测试工作，适应性强。
测量电路中设置倾斜开关，连接器仅处于工作角度时，才进行数据的采集、存储，一方面减少了数据采集、存储量，另一方面，延长了电池的使用时间。
上盖板上部内螺纹体采用轴向剖面牙型角为60°的右旋圆锥螺纹，其规格可为φ42、φ50、φ63，螺纹距5.08mm或6.35mm，外壁的外径为73mm、89mm、108mm、127mm，可以采用转接头进行变径，其壁厚8mm，中部壁厚2.5～3.0mm，下盖板厚度为5mm，内壁直径与钻杆直径一致，壁厚3mm，腔室采用柔性密封胶进行灌注，应变片采用8个应变片互成45°排列，相隔90°的4个为一组，共组成两组全桥测量电路，第一组水平、竖直排列，以测定压力，第二组倾斜45°排列，以测定扭力，测量电路中设置倾斜开关，连接器仅处于工作角度时，进行数据的采集、存储。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料过着特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.一种用于测量钻机在钻进过程中压力与扭力的装置及其使用方法，其特征在于：包括钻杆(1)、上盖板(2)、外壁(3)、下盖板(4)、内壁(5)、上腔室(6)、开孔器外壁(7)、下腔室(8)、钻头(9)，扭力与压力测试模组(10)；
所述上盖板(2)、外壁(3)、下盖板(4)、内壁(5)、扭力与压力测试模组(10)共同构成了连接器，所述钻杆(1)下端与上盖板(2)的上部啮合，所述上盖板(2)底部和外壁(3)连接，所述外壁(3)和下盖板(4)相连接，所述下盖板(4)和内壁(5)相连接，内壁(5)与上盖板(2)相连接，所述外壁(3)和开孔器外壁(7)相连接，所述开孔器外壁(7)底部和钻头(9)连接；
所述上腔室(6)内设有压力与扭力模组(10)，所述压力与扭力模组包括应变片组(101)、AD模块(102)、存储模块(103)、电源管理模块(104)、电池组(105)，所述的应变片组(101)由互成一定角度排列的应变片组构成，应变片不少于8片，共组成两组全桥测量电路，第一组应变片水平、竖直排列，以测定压力，第二组倾斜45°排列，以测定扭力。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量钻机在钻进过程中压力与扭力的装置，其特征在于：所述上盖板(2)为内螺纹体与外螺纹体的组合体，通过其上部的锥形内丝(201)和下部的外丝(202)可分别与钻杆和连接器相连，上盖板下部有凹槽(203)，可将内壁嵌入。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量钻机在钻进过程中压力与扭力的装置，其特征在于：所述外壁(3)主体为一圆管，其外径与开孔器外径一致或略小于开孔器外径，上部有内丝，可与上盖板的下部外丝圆盘啮合，其中部壁薄安装有压力与扭力模组(10)及密封固件(11)，其壁厚根据外径、最大扭力、压力计算得到，下部设外丝(301)与开孔器啮合，内部并设有法兰(302)。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量钻机在钻进过程中压力与扭力的装置，其特征在于：所述下盖板(4)为一圆环，其通过固定螺丝(12)与外壁的法兰(302)相连，通过内丝与内壁(5)相接，通过拆卸下盖板(4)的方式，进行传感器的维护。
5.根据权利要求1所述的一种用于测量钻机在钻进过程中压力与扭力的装置，其特征在于：所述内壁(5)为一圆管，其通过其下部的外丝(501)与下盖板(4)相连，并将上部卡入上盖板(2)下部的卡槽(203)中。
6.根据权利要求1所述的一种用于测量钻机在钻进过程中压力与扭力的装置，其特征在于：所述上盖板(2)下部的卡槽(203)设置有密封圈，下盖板(4)与外壁的法兰(302)之间有密封圈。
7.根据权利要求1所述的一种用于测量钻机在钻进过程中压力与扭力的装置，其特征在于：所述AD模块(102)是低功耗24位模数转换电路，存储模块(103)为低功耗数据储备芯片，电池组(105)为多个锂电池组合形成的电池组，电源管理模块(104)包括倾斜开关、充放电管理芯片、稳压芯片，连接器仅处于工作角度时，才进行数据的采集、存储。
8.一种用于测量钻机在钻进过程中压力与扭力的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1：使用前，首先旋开固定连接器下盖板上的固定螺丝，取下连接器的下盖板及内壁，对电池进行充电。充电完成后，检查防水圈，并固定下盖板。
步骤S2：使用时，首先将连接器旋入开孔器，接上钻杆，按照正常的钻探工艺进行钻探，传感器自动进行数据采集和存储工作。
步骤S3：钻探结束后，取下连接器，旋开下盖板的固定螺丝，取下连接器的下盖板及内壁，完成数据的下载工作，结合跟钻编录资料，即可完成数据的分析工作。
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