CN112647926B - 长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器及测量方法，涉及采矿工程和钻孔参数测量技术领域，解决了长距离钻孔中钻头附近位置钻压和扭矩测量困难的技术问题。传感器的结构包括外壳体、胶筒、应变花、防水垫圈、电子仓和异形紧固螺母，还包括传感器电路单元，传感器电路单元配置在电子仓内，具体包括异形PCB电路板、电源、钻压扭矩测量桥路、信号调理桥路、单片机集成电路、二次转换电路、电源调理芯片和数据存储芯片。利用该传感器可以准确的感应钻孔附近的外力，外壳体内的应变花可以准确地输出监测信号，还可以提供密封保护，该测量方法还消除了弯曲应力及温度等因素对测量参数的影响，提高了钻压和扭矩的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及采矿工程和钻孔参数测量技术领域，尤其是一种用于长距离钻孔的钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器和测量方法。
背景技术
随着煤矿资源开采的发展和浅部煤矿可采储量的逐年减少，深部开采成为现下大部分煤矿开采的重点和难点。煤矿深部开采处于高地应力、高地温、高渗压的复杂力学环境，使得冲击地压、冒顶等严重的矿山动力灾害发生的频率和强度不断增加。冲击地压发生时会释放煤岩体中积压的大量能量，造成巷道破坏、工作面、顶板下沉等，因此，如何对冲击地压做出准确的预测以保证煤炭资源安全高效开采一直是煤矿生产亟待解决的问题。钻孔卸压常用于防治冲击地压的发生，其原理是利用施工钻孔的方法降低该区域的应力集中程度或改变该区域的煤体力学特性，如果可以在钻孔过程中实时获取钻压、扭矩等钻进参数，通过钻进参数反演煤体应力集中程度、判定冲击地压危险等级，就可以更好地评估煤岩体应力、监测预警及防治冲击地压，从而保证煤矿安全高效生产。
在钻机向煤岩体钻进的过程中，钻头处主要受到轴向压力、扭矩、弯矩、离心力等作用。理论上，钻杆所受的力和力矩可以简化为对钻杆施加的钻压、传递钻柱的扭矩、钻柱运动和孔底反作用力产生的弯曲力矩。由于测量短节位于近钻头处，弯矩作用对于测量短节应变量的影响较小，并且在测量电路设计中还需要对弯矩的影响进行补偿，故不考虑弯矩的作用。钻压、扭矩不仅在一定程度上决定了钻进效率，而且对钻具结构的运动状态、屈曲及其他性能都有着重要影响。因此钻压、扭矩参数的及时掌握和合理控制直接关系到煤矿生产施工安全、钻进效率高低及模型修正与参数优化。
有的钻进参数监测技术大多采用钻孔外测量仪器间接获取钻机尾部的钻压、扭矩等参数，但在工程孔的钻进过程中，钻杆受到煤屑的压力和摩擦，不规则孔壁对钻杆的摩擦力、以及钻杆的振动，钻机尾部参数与钻头处参数差异性很大；且当煤岩体破碎挤压钻杆，出现卡钻等严重的现象时，无法仅凭钻杆尾端测量仪器上的读数来判定此时真正加在钻头处的钻压与扭矩的大小。由此可见，钻杆尾端测量仪表存在测量不准确、推算结果可信度低以及传送数据时间存在延迟效应等问题，故通过钻孔近钻头处钻进参数的准确测量，对实际钻孔过程的实时数据进行分析、处理和对比，可以更为正确的指导钻孔过程。因此，在施工钻孔过程中，通过对钻杆不同位置处，特别是近钻头处对钻压、扭矩进行直接测量，可以获得更准确的孔底煤体应力数值和分布情况，进行卸压钻孔优化设计，取得更好的冲击地压防治效果。
目前，关于钻头处工程参数的测量装置大多采用开槽式的设计并在槽与槽之间加工导线孔进行连接，或者在装置内多处开孔放置测量元件。现有技术，包括中国专利(CN102839963B)公开了一种随钻钻压扭矩测量短节，短节在测量敏感区外部设有内小外大的四个环形槽密封，该短节通过橡胶硫化、玻璃钢充注技术，实现传感部分的多层密封，而实际保护套与应变片及转换电路部分的密封较困难，且多层密封加工工艺复杂。中国专利(CN204002753U)公开了一种井下工程参数测量系统，测量系统采用两段式结构，通信线圈通过骨架固定在钻铤本体上，钻铤本体上开若干个孔，各类测量元件放置于其中，然而在装置中多处开孔会使得应力非线性分布且内部开孔加工困难。中国专利(CN201851102U)公开了一种钻压扭矩测传装置，装置内固定一个芯轴，芯轴附近安装传感器、电池及脉冲器以传输数据，但目前随钻随得钻进参数一般用于岩性评估和定向钻井，在停钻的过程中对钻进参数进行传输，如果在卸压钻孔过程中传输无线信号，其他影响因素干扰太强，有效信号容易湮没。
所以，现有技术中，钻杆钻压扭矩测量传感器存在以下问题：钻杆受到弯矩作用易使水或泥浆侵入测量元件导致测量电路无法正常工作，传感器元件容易因为密封失效而无法工作；传感器采用开槽的设计，槽之间需要开设导线孔连接，而导线孔加工困难，需要分别加工后焊接为整体；随钻测量一般用于岩性评估和定向钻进，随钻测量时无线传输信号干扰较强，有效信号容易湮没。为此需要对现有的传感器结构，以及测量的方法做进一步的改进。
发明内容
为了解决长距离钻孔中钻头附近位置钻压和扭矩测量困难的技术问题，简化传感器的结构，方便传感器的加工，提高其测量精度和适用范围，本发明提供了一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器及测量方法，具体的技术方案如下。
一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器，包括外壳体、胶筒、应变花、防水垫圈、电子仓和异形紧固螺母，所述外壳体在中部具有导流口和环形安装槽，粘贴有应变花的胶筒固定设置在环形安装槽内，胶筒和安装槽的筒壁之间设置有连接层；2个防水垫圈分别设置在环形安装槽的开口位置，以及电子仓和胶筒之间；所述异形紧固螺母装配在环形安装槽的开口位置，外壳体的两端设置有安装部；还包括传感器电路单元，所述传感器电路单元配置在电子仓内，传感器电路单元包括异形PCB电路板、电源、钻压测量桥路、扭矩测量桥路、信号调理桥路、单片机集成电路、二次转换电路、电源调理芯片和数据存储芯片；所述钻压测量桥路和扭矩测量桥路设置在胶筒上，并且通过导线与异形PCB电路板相连，信号调理桥路接收并放大、过滤来自测量桥路和扭矩测量桥路的电信号；所述信号调理桥路和单片机集成电路相连，单片机集成电路将电信号转换为数字信号；所述二次转换电路和信号调理桥路相连，二次转换电路和数据存储芯片相连；所述电源配置有电源调理芯片并为传感器电路单元提供稳定电压。
优选的是，连接层由液态胶制作而成，连接层将外壳体、胶筒和应变花粘结为整体，形成应变场监测区域。
优选的是，环形安装槽的开口处设有螺纹，异形紧固螺母和环形安装槽的螺纹相互配合，异形紧固螺母压紧防水垫圈并封堵环形安装槽的开口。
优选的是，电子仓和胶筒之间的防水垫圈上设置有导线孔，应变花连接的导线穿过导线孔和传感器电路单元相连。
优选的是，应变花沿胶筒表面绕设并粘贴，钻压测量桥路中应变花分别沿胶筒轴向和圆周方向粘贴，扭矩测量桥路中应变花与胶筒中线呈45°角粘贴。
一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩测量方法，利用上述的一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器，步骤包括：
S1.将长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器安装至钻机的钻杆上；
S2.启动钻机，传感器的外壳体随钻杆转动，外壳体受到轴向压力和扭矩作用；
S3.传感器的应变花将监测信息传输至传感器电路单元；
S4.传感器电路单元处理监测信息并确定钻压和扭矩参数并存储；
S5.停止钻进取出传感器和钻杆。
进一步优选的是，外壳体的轴向应变、径向应变与钻压、扭矩线性相关，所述胶筒沿圆周四等分，在四个部分分别设置应变花。
进一步优选的是，轴向压力P的计算为：
式中σ为外壳体所受应力；E为外壳体的弹性模量，A为外壳体的横截面积，μ为外壳体的泊松比，εdP为轴向加压的传感器应变读数，D为外壳体的外径，d为外壳体的内径；
扭矩T的计算为：
式中εdT为扭转加压的传感器应变读数。
一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器，包括外壳体、胶筒、应变花、防水垫圈、电子仓和异形紧固螺母，所述外壳体在中部具有导流口和环形安装槽，粘贴有应变花的胶筒固定设置在环形安装槽内，胶筒和安装槽的筒壁之间设置有连接层；防水垫圈设置在环形安装槽的开口位置；所述异形紧固螺母装配在环形安装槽的开口位置，外壳体的两端设置有安装部；所述防水垫圈和环形安装槽的内壁上设置有直角形的导线孔，导线连接应变花并穿过导线孔从导流口引出，导线与万向联轴器相连接并将信号传输至拉线式集流器中，拉线式集流器连接动态电阻应变仪。
一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩测量方法，其特征在于，利用上的一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器，步骤包括：
S1.将长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器安装至钻机的钻杆上；
S2.启动钻机，传感器的外壳体随钻杆转动，外壳体受到轴向压力和扭矩作用；
S3.传感器的应变花将监测信息传输至动态电阻应变仪；
S4.动态电阻应变仪实时确定钻压和扭矩参数并存储；
S5.停止钻进取出传感器和钻杆。
本发明提供的一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器及测量方法，其有益效果包括：
(1)用于长距离钻孔的钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器，通过外壳体传递来自钻孔孔壁的外力，外壳体达到相对的静平衡，自身会产生相应的形变；外壳体为嵌套式结构，传感器部分放置在密封的环形安装槽内；外壳体可以通过车床车削加工而成，不需要开槽制作更加方便，并且外壳体为传感器部件提供了良好的密封环境和保护。
(2)传感器的外壳体通过异形紧固螺母密封外壳体的环形安装槽，螺纹连接的方式使组装更加简便；环形安装槽内部的安装结构不仅保证了应变花所处应力环境的密封性，还能够有效地传递变形，实现精确的测量。
(3)通过合理的布置应变花的安装方式，钻压测量桥路和扭矩测量桥路分别对钻压和扭矩进行监测，并且其消除了随钻测量过程中弯曲应力和温度等因素的影响，另外传感器电路单元的布置提高了测量的精度。
(4)长距离钻孔钻杆钻压和扭矩测量方法可以根据数据传输方式的不同分为存储式监测和在线式监测，具体可以根据现场需要进行选择，其中存储式监测不需要布置导线，减少了数据传输的成本，并且还具有改造方便适用范围广、维修方便等优点；另外存储式监测还避免了信号传输过程中的衰减导致的监测误差，监测参数更加准确。在线式监测可以实现实时的数据传输，数据采集信号稳定，保证了随钻测量的需要，可以用于实时分析数据，并实现煤体应力的随钻测量反演以及冲击地压危险的实时评估。
附图说明
图1是胶筒和应变花的结构示意图；
图2是钻压测量桥路的连接示意图；
图3是扭矩测量桥路的连接示意图；
图4是外壳体的结构示意图；
图5是长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器的内部结构示意图；
图6是传感器电路单元的连接结构示意图；
图7是传感器的剖面结构示意图；
图8是实施例2中的传感器剖面结构示意图；
图9是钻机的结构示意图；
图10是监测数据的处理流程图；
图11是实施例2中的监测数据处理流程图；
图中：1-外壳体；2-胶筒；3-电子仓；4-导线；5-防水垫圈；6-导线孔；7-异形紧固螺母；8-应变花；9-连接层；10-导流口；11-密封圈；12-螺纹接头；13-钻压测量桥路；14-扭矩测量桥路；15-异形PCB电路板；16-信号调理电路；17-单片机集成电路；18-二次转换电路；19-数据存储芯片；20-电池；21-电源调理芯片；22-拉线式集流器；23-万向联轴器；24-动态电阻应变仪；25-钻机；26-钻杆；27-钻头；28-测量传感器。
具体实施方式
结合图1至图11所示，本发明提供的一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器及测量方法的具体实施方式如下。
实施例1
一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器，包括外壳体1、胶筒2、应变花8、防水垫圈5、电子仓3和异形紧固螺母7。传感器可以安装于长距离钻机的钻杆上，并靠近钻头布置，钻机25开动后，带动钻杆螺纹接头12连接的传感器的外壳体1旋转，钻机25钻进时钻头切削煤体，传感器的外壳体受到轴向压力和扭矩的作用，通过胶筒2上外贴的应变花测定外壳内壁的压扭变形，应变花8测定的应变信号由导线通过导线孔连接至电子仓的传感器电路单元。测得的钻压扭矩信号经过传感器电路单元处理后进行存储，起钻后取出电子仓3即可对数据进行回放，利用计算机分析钻进过程中工程参数的变化规律。
外壳体1在中部具有导流口10和环形安装槽，粘贴有应变花的胶筒2固定设置在环形安装槽内，胶筒2和环形安装槽的筒壁之间设置有连接层9，连接层9可以使用胶水，将胶筒和应变花固定在环形安装槽内。2个防水垫圈分别设置在环形安装槽的开口位置，以及电子仓3和胶筒2之间，电子仓3的位置用于放置传感器电路单元，电子仓在环形安装槽内。异形紧固螺母7装配在环形安装槽的开口位置，异形紧固螺母7的直径略大于环形安装槽的直径，从而保证密封严密。外壳体1的两端设置有安装部，从而方便传感器和钻杆的安装固定。其还包括传感器电路单元，传感器电路单元配置在电子仓3内，传感器电路单元包括异形PCB电路板15、电源20、钻压测量桥路13、扭矩测量桥路14、信号调理桥路16、单片机集成电路17、二次转换电路18、电源调理芯片21和数据存储芯片19。钻压测量桥路13和扭矩测量桥路14设置在胶筒上，并且通过导线与异形PCB电路板15相连，信号调理桥路16接收并放大、过滤来自测量桥路和扭矩测量桥路的电信号。信号调理桥路16和单片机集成电路17相连，单片机集成电路将电信号转换为数字信号。二次转换电路18和信号调理桥路16相连，二次转换电路18和数据存储芯片19相连。电源20配置有电源调理芯片21并为传感器电路单元提供稳定电压。
外壳体1承受钻进时钻机及钻孔附近所产生的外力，并对外力产生反作用力，达到相对静平衡；外壳体1在环形安装槽内形成了应变区，方便的感应形变，保证输出参数与钻压扭矩之间的线性关系，让粘贴在应变区的电阻应变片可以输出准确的应变电信号；外壳体1的结构采用整体加工，具有良好密封性，对内部测量元件和电路实现很好的密封和保护。弹性体外壳中间为中空设计，主要用于降低钻头处由于高速旋转钻进产生的高温，即压风或通水的降温制冷通道，还可用于固定胶筒2、防水垫圈5等，从而保证对传感器整体进行密封及固定；密封圈11的设置能够用于防止外部的水或煤粉的侵入。
测量传感器28的主要结构分为两部分，其中第一部分为外壳体1和异形紧固螺母7，第二部分为连接层9、应变花8和防水垫圈5。存储式压扭传感器在第二部分设置一个电子仓3和一个防水垫圈5。存储式传感器的第二部分中，应变花8贴在胶筒外壁上，应变花即2个以上应变片的组合，在第一个防水垫圈上开设导线孔，应变花8的电阻丝与导线连接，导线通过导线孔6与传感器电路单元连接。加工好外壳体之后，在外壳体1的内部注胶，立即将胶筒2等结构推入外壳体中，通过注胶将应变花8和外壳体1内壁紧密连接、形成整体，通过应变花8测定外壳体内壁的压扭变形，由异形紧固螺母将第二部分与外壳连接成整体。
连接层9由液态胶制作而成，连接层将外壳体、胶筒和应变花粘结为整体，形成应变场监测区域。环形安装槽的开口处设有螺纹，异形紧固螺母7和环形安装槽的螺纹相互配合，异形紧固螺母压紧防水垫圈并封堵环形安装槽的开口。电子仓3和胶筒2之间的防水垫圈上设置有导线孔，应变花连接的导线4穿过导线孔和传感器电路单元相连。外壳体的两端设置有安装部为螺纹结构、插销结构或螺栓连接结构，根据具体的安装方式可以调整嵌套外壳两端的结构；设置螺纹接头12和钻杆26的螺纹可以相互配合，从而方便安装。
应变花8沿胶筒表面绕设并粘贴，钻压测量桥路13中应变花分别沿胶筒轴向和圆周方向粘贴，扭矩测量桥路14中应变花与胶筒中线呈45°角粘贴。其中，应变花沿胶筒表面0～360°展开，钻压测量桥路的应变花沿着0°、90°的粘贴方式测量钻压，扭矩测量桥路的应变片沿着±45°的粘贴方式来测量扭矩；传感器的原理符合材料力学中的拉压、扭转测量原理，钻压测量桥路和扭矩测量桥路是增加零点调整的惠斯登电桥，用于调节应变花粘贴过程产生的初始应力不平衡的影响，通过将间隔180°的两个相同的电阻串联接在一个桥臂、将相隔45°的应变片接入相邻桥臂中，抵消温度及弯矩作用对测量结果的影响，实现钻压扭矩的精确测量。
长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器结构的加工装配过程包括：(1)加工外壳体时，将一段H13钢材料的圆柱体上下两端利用车床车出两个外圆环筒壁，外圆环筒壁之间为环形安装槽，中部部分用车床车薄，在外壳体的内部区域加工出一个制冷通风的导流口，并在环形安装槽的开口加工与异形紧固螺母配套的螺纹，最后利用车床在外壳体内部加工出一个有底的空圆柱区域用于放置测量元件等；(2)完成外壳体的加工后，在外壳体内部注入液态胶，立即将粘贴有应变花的胶筒推入环形安装槽内，由注入的液态胶将应变花和环形安装槽的内壁紧密连接、形成整体，通过应变花测定外壳体的压扭变形；(3)利用异形紧固螺母将防水垫圈压紧，传感器连接成整体。测量传感器的两个部分通过注入的液态胶和异形紧固螺母连接固定，且两个部分均采用外加工方式，整体装配简单方便。
一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩测量方法，利用上述的一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器，步骤包括：
S1.将长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器安装至钻机的钻杆上；
S2.启动钻机，传感器的外壳体随钻杆转动，外壳体受到轴向压力和扭矩作用；
S3.传感器的应变花将监测信息传输至传感器电路单元；
S4.传感器电路单元处理监测信息并确定钻压和扭矩参数并存储；
S5.停止钻进取出传感器和钻杆。
其中，外壳体的轴向应变、径向应变与钻压、扭矩线性相关，胶筒沿圆周四等分，在四个部分分别设置应变花。
在钻进过程中，在轴向推力和切削扭矩的作用下会使钻杆分别产生轴向应变和径向应变，钻压、扭矩分别与轴向应变和径向应变存在着对应关系，因此可通过测量轴向应变和径向应变的方法来计算得到轴向推力和切削扭矩。在弹性范围内，外壳体的轴向应变和径向应变与钻压、扭矩呈线性关系。传感器测量轴向应变和径向应变的方法是将应变花粘贴在传感器环形安装槽内壁的四等分圆周上，测量传感器采用应变花组成全桥电路的方式，以此抵消温度变化对测量结果的影响。钻压测量桥路、扭矩测量桥路中的A、C为输入端，接直流电源，输入电压为UAC；钻压测量桥路、扭矩测量桥路中的B、D为输出端，输出电压为U0，桥路中各桥臂的电阻为R1-R12依次表示，对应的应变值为ε1-ε12依次表示。轴向应变为ε，与轴线成45°方向上的线应变为ε45，温度变化引起的应变为εt，各个桥臂的应变为：
ε1＝ε4＝ε7＝ε10＝με+εt
ε3＝ε6＝ε9＝ε12＝-ε+εt
ε2＝ε8＝ε45+εt
ε5＝ε11＝-ε45+εt
钻机轴向加压时传感器的应变读数应变为εdP，钻机扭转加压时传感器的应变读数εdT，εdP、εdT分别由钻压测量桥路、扭矩测量桥路读出，并且其关系为：
钻机轴向加压时传感器的应变读数应变εdP＝εAB-εBC+εCD-εAD＝-2(1+μ)ε；
钻机扭转加压时传感器的应变读数εdT＝ε1-ε2+ε3-ε4＝4ε45；
轴线成45°方向上的线应变为：
式中σ为外壳体所受应力；E为外壳体的弹性模量，A为外壳体的横截面积，μ为外壳体的泊松比，D为外壳体的外径，d为外壳体的内径，τmax为传感器所受最大剪应力；
轴向压力P的计算为：
式中σ为外壳体所受应力；E为外壳体的弹性模量，A为外壳体的横截面积，μ为外壳体的泊松比，εdP为轴向加压的传感器应变读数，D为外壳体的外径，d为外壳体的内径；
扭矩T的计算为：
式中εdT为扭转加压的传感器应变读数。
应变花组成的钻压测量桥路和扭矩测量桥路用于测定传感器外壳体压扭变形，应变花测定的应变信号由导线通过导线孔连接至电子仓的PCB电路板。由于钻压、扭矩测量桥路输出为几微伏到几十毫伏之间的信号，且钻孔时受高温、高压、剧烈振动等影响，因此需要利用信号调理电路对测量桥路输出的信号进行处理，经其放大、滤波等处理可以得到标准的信号。经过信号调理电路后的标准信号通过单片机集成电路中的A/D转化器将钻压和扭矩作用产生的模拟信号转换成数字信号，单片机集成电路对信号进行分析处理。将单片机集成电路处理好的数据通过二次转换电路进行转换，转换后的数据在数据存储芯片中进行存储。钻压扭矩测量装置采用电池供电，电池在整个钻进过程中持续为各部分电路进行供电，由于装置中采用的是低功耗单片机，故需选用电源调理芯片以提供稳定的电压。测得的钻压扭矩信号经过电子仓处理后进行存储，起钻后取出电子仓即可对数据进行回放，利用计算机分析钻进过程中工程参数的变化规律。
实施例2
一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器，包括外壳体1、胶筒2、应变花8、防水垫圈5、电子仓3和异形紧固螺母7。外壳体1在中部具有导流口和环形安装槽，粘贴有应变花8的胶筒固定设置在环形安装槽内，胶筒2和环形安装槽的筒壁之间设置有连接层9。防水垫圈设置在环形安装槽的开口位置。异形紧固螺母7装配在环形安装槽的开口位置，外壳体1的两端设置有安装部。防水垫圈5和环形安装槽的内壁上设置有导线孔6，导线孔6呈直角设置。导线4连接应变花并穿过导线孔从导流口10引出，导流口10主要用于钻孔过程的进水与通风，密封圈11用于防止外部的水或煤粉的侵入。导线4与万向联轴器相连接并将信号传输至拉线式集流器中，拉线式集流器22连接动态电阻应变仪。其中拉线式集流器22是利用铜线制作的拉线与固定不动铜环之间的滑动接触传递应变信号，拉线式集流器22一般适用于轴线速度不高，短期使用的场合。拉线式集流器22的制作简单，使用方便且效果好，可以很方便安装在被测的旋转轴上，即安装在测量传感器和动态电阻应变仪之间；万向联轴器和拉线式集流器联接，万向联轴器23最大的特点是：其结构有较大的角向补偿能力，结构紧凑，传动效率高；钻头27所受的钻压扭矩通过测量传感器将信号通过钻杆上的导线与动态电阻应变仪相连，实时获取钻进参数并进行分析。
有线传输压扭传感器的应变花贴在固态胶筒外壁上，同样加工好外壳后，在外壳内部注胶，立即将第二部分推入外壳后拧上异形紧固螺母；第二部分中，需要在防水垫圈上开直角导线孔，与内环上的孔对接，应变花连接出的防水导线通过垫圈与内环上的导线孔从导流口引出，与传感器外的万向联轴器连接后再与拉线式集流器相接，由拉线式集流器将测得的钻压扭矩电信号传到动态电阻应变仪上。注胶的作用是将应变花和外壳内壁紧密连接、形成整体，通过应变花测定外壳内壁的压扭变形；异形紧固螺母的作用则是将第二部分与外壳连接成整体。测量传感器的两个部分通过注胶和异形紧固螺母连接，且两个部分均采用外加工方式，整体装配简单方便。
一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩测量方法，其特征在于，利用上的一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器，步骤包括：
S1.将长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器安装至钻机的钻杆上；
S2.启动钻机，传感器的外壳体随钻杆转动，外壳体受到轴向压力和扭矩作用；
S3.传感器的应变花将监测信息传输至动态电阻应变仪；
S4.动态电阻应变仪实时确定钻压和扭矩参数并存储；
S5.停止钻进取出传感器和钻杆。
有线压扭传感器提供在线式监测测量方法：钻机开动后，带动通过螺纹接头连接钻杆的测量传感器，使钻头在旋转钻进时，通过胶筒上外贴的应变花组成的钻压测量桥路和扭矩测量桥路测定测量传感器内壁的压扭变形，应变花上电阻丝所接导线通过防水垫圈上的直角导线孔和内环上的孔引至导流口，连接孔外的万向联轴器和拉线式集流器，与钻机外的万向轴连器和拉线式集流器连接。万向联轴器是用于联接不同机构中的两根轴(主动轴和从动轴)使之共同旋转，以传递扭矩的机械零件，联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。拉线式集流器用来传递旋转构件应变信号的元件，安装在旋转构件上的电阻应变计和测量仪器之间，是利用铜线制作的拉线与固定不动铜环之间的滑动接触传递应变信号。拉线式集流器再与动态电阻应变仪相连，从而将测得的钻压扭矩信号传输到孔外。输出的钻压扭矩信号经过低通滤波器后得到与桥路输出成线性的直流信号，通过A/D采集卡可将钻压扭矩的模拟信号转化为数字信号对测得数据进行处理，最后将处理好的测量数据传输到计算机上进行分析，研究钻进过程中工程参数的变化规律。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩测量方法，其特征在于，利用一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器，包括外壳体、胶筒、应变花、防水垫圈、电子仓和异形紧固螺母，所述外壳体在中部具有导流口和环形安装槽，粘贴有应变花的胶筒固定设置在环形安装槽内，胶筒和安装槽的筒壁之间设置有连接层；2个防水垫圈分别设置在环形安装槽的开口位置，以及电子仓和胶筒之间；所述异形紧固螺母装配在环形安装槽的开口位置，外壳体的两端设置有安装部；还包括传感器电路单元，所述传感器电路单元配置在电子仓内，传感器电路单元包括异形PCB电路板、电源、钻压测量桥路、扭矩测量桥路、信号调理桥路、单片机集成电路、二次转换电路、电源调理芯片和数据存储芯片；所述钻压测量桥路和扭矩测量桥路设置在胶筒上，并且通过导线与异形PCB电路板相连，信号调理桥路接收并放大、过滤来自测量桥路和扭矩测量桥路的电信号；所述信号调理桥路和单片机集成电路相连，单片机集成电路将电信号转换为数字信号；所述二次转换电路和信号调理桥路相连，二次转换电路和数据存储芯片相连；所述电源配置有电源调理芯片并为传感器电路单元提供稳定电压；所述连接层由液态胶制作而成，连接层将外壳体、胶筒和应变花粘结为整体，形成应变场监测区域；所述环形安装槽的开口处设有螺纹，异形紧固螺母和环形安装槽的螺纹相互配合，异形紧固螺母压紧防水垫圈并封堵环形安装槽的开口；所述电子仓和胶筒之间的防水垫圈上设置有导线孔，应变花连接的导线穿过导线孔和传感器电路单元相连；所述应变花沿胶筒表面绕设并粘贴，钻压测量桥路中应变花分别沿胶筒轴向和圆周方向粘贴，扭矩测量桥路中应变花与胶筒中线呈45°角粘贴；
步骤包括：
S1.将长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器安装至钻机的钻杆上；
S2.启动钻机，传感器的外壳体随钻杆转动，外壳体受到轴向压力和扭矩作用；
S3.传感器的应变花将监测信息传输至传感器电路单元；
S4.传感器电路单元处理监测信息并确定钻压和扭矩参数并存储；
S5.停止钻进取出传感器和钻杆；
所述外壳体的轴向应变、径向应变与钻压、扭矩线性相关，所述胶筒沿圆周四等分，在四个部分分别设置应变花；
所述轴向压力P的计算为：
式中σ为外壳体所受应力；E为外壳体的弹性模量，A为外壳体的横截面积，μ为外壳体的泊松比，εdP为轴向加压的传感器应变读数，D为外壳体的外径，d为外壳体的内径；
扭矩T的计算为：
式中εdT为扭转加压的传感器应变读数。
2.一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩测量方法，其特征在于，利用一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器，包括外壳体、胶筒、应变花、防水垫圈、电子仓和异形紧固螺母，所述外壳体在中部具有导流口和环形安装槽，粘贴有应变花的胶筒固定设置在环形安装槽内，胶筒和安装槽的筒壁之间设置有连接层；防水垫圈设置在环形安装槽的开口位置；所述异形紧固螺母装配在环形安装槽的开口位置，外壳体的两端设置有安装部；所述防水垫圈和环形安装槽的内壁上设置有直角形的导线孔，导线连接应变花并穿过导线孔从导流口引出，导线与万向联轴器相连接并将信号传输至拉线式集流器中，拉线式集流器连接动态电阻应变仪，步骤包括：
S1.将长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器安装至钻机的钻杆上；
S2.启动钻机，传感器的外壳体随钻杆转动，外壳体受到轴向压力和扭矩作用；
S3.传感器的应变花将监测信息传输至动态电阻应变仪；
S4.动态电阻应变仪实时确定钻压和扭矩参数并存储；
S5.停止钻进取出传感器和钻杆。
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