CN113027356A - 一种井下开采随钻测量无线传输钻杆及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种井下开采随钻测量无线传输钻杆及其应用。本发明的井下开采随钻测量无线传输钻杆，包括中空钻杆和信号传输通道，信号传输通道围设在中空钻杆外部且长度短于中空钻杆，中空钻杆自信号传输通道向外伸出的部分形成连接部。本发明的井下开采随钻测量无线传输钻杆能够实现随钻数据实时同步无线传输，保证了数据传输的效率和稳定性，减少了施工人员的工作量，提高了工作效率。

Description

一种井下开采随钻测量无线传输钻杆及其应用

技术领域

本发明涉及井下开采数据测量技术领域，尤其是涉及一种井下开采随钻测量无线传输钻杆及其应用。

背景技术

在煤矿的开采中，对于钻杆行进轨迹的测量数据大多是通过通缆的钻杆进行传输，然而通缆式钻杆在钻进过程中易出现电缆和钻杆之间安装不当、内芯短接、断接等情况，严重影响了通缆式钻杆的正常通信。

为了解决上述问题，急需确定故障点的位置。目前，通常是通过从孔口逐节拆卸钻杆来确定故障点的位置，该方式较为烦琐，从而导致效率低下。同时，上述情况会加大施工人员的工作量，从而拖慢工程进度，此外还会存在一定的安全隐患，因此通缆钻杆的利用效率较低，具有一定的局限性。对于无线传输来说，其只需保持传输模块的数量，一旦发生故障，可以迅速找出原因，恢复线路的正常运行。无线数据传输只需将新设备和无线号码传输无线电连接，即可实现系统的扩展，具有较好的可扩展性。

因此，开发一种井下开采随钻测量无线传输钻杆及其实施方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种井下开采随钻测量无线传输钻杆及其应用，该井下开采随钻测量无线传输钻杆能够实现随钻数据实时同步无线传输，保证了数据传输的效率和稳定性，减少了施工人员的工作量，提高了工作效率。

本发明提供一种井下开采随钻测量无线传输钻杆，包括中空钻杆和信号传输通道，信号传输通道围设在中空钻杆外部且长度短于中空钻杆，中空钻杆自信号传输通道向外伸出的部分形成连接部。

在本发明的井下开采随钻测量无线传输钻杆中，中空钻杆的中空层可以为常规煤炭钻探中所用的钻杆，其用以确保煤炭钻探中泥浆和冷却液的输送；外围信号传输通道可以设计为包裹于中空钻杆中空层外围的环绕中空层，外围的环绕中空层短于内部的中空钻杆中空层，避免单管传输的空气稀薄，以满足信号传输的稳定性。

上述井下开采随钻测量无线传输钻杆采用双通道形式，各通道独立工作，互不干扰，避免了泥浆和空气的混合；该钻杆将数据无线传输和钻杆相结合，不仅实现了对钻杆行进轨迹和外部环境的数据实时准确接收，同时可以避免通缆钻杆的弊端，还可以减少操作判断的失误和返工，从而大大提高了工作效率。

本发明的井下开采随钻测量无线传输钻杆可用于井下开采随钻数据无线传输，其可在煤炭深部高地压复杂环境中使用，且是一种以空气为介质的电磁波传输方式。电磁波沿钻杆内部传输时，考虑钻杆内壁的导体损耗和钻杆内空气的介质损耗；电磁波以空气为介质在钻杆内部传输时钻杆内由空气引起的损耗远小于钻杆金属内壁引起的导体损耗，通常情况可忽略，故电磁波在钻杆内以空气为介质传输时的传输损耗仅为导体衰减。

导体衰减受钻杆管径的影响，钻杆管径对导体衰减的影响主要表现为在相同的电磁波传输频率下，钻杆内管道管径越大，各个模式的截止频率越低，电磁波所能传输的模式越多，电磁波的衰减常数随着管径的增大而减小。经研究发现，将中空钻杆的管径设置为≥60mm，优选为60-120mm，能够大大降低传输损耗，进而良好地满足实际应用需求。

此外，导体衰减还受管壁粗糙度的影响。管壁粗糙度对导体衰减的影响，表现为粗糙度的增加会导致导体衰减常数的增加，但增加到一定限值后会趋于平稳；进一步地，通过将中空钻杆的内壁粗糙度设置为≤1.6，可降低粗糙度的影响。

在本发明的井下开采随钻测量无线传输钻杆中，还可以在信号传输通道外围设置辅助件；对辅助件的类型和设置方式不作严格，可根据实际需要合理设置，辅助件例如可以包括无线网络中继器和信号增强器中的至少一种。

本发明还提供一种井下开采随钻测量无线传输钻杆组件，包括两个以上的井下开采随钻测量无线传输钻杆，相邻两个井下开采随钻测量无线传输钻杆通过连接头连接。连接头主要为钻杆之间的无缝连接提供保证，一方面保证钻探工作稳定有效进行，另一方面确保密闭性，保证信息的实时无损传输。

本发明对连接头的具体结构不作严格限制；具体地，连接头可以包括连接杆，连接杆的两端可以分别与相邻两个井下开采随钻测量无线传输钻杆的连接部可拆卸式连接。对可拆卸式连接不作严格限制，例如可以采用螺纹连接等常规方式；此时，可以在中空钻杆的连接部和连接杆上设置相互配合的螺纹。

进一步地，连接头还可以包括设置在连接杆外部的扣环，扣环扣设在相邻两个井下开采随钻测量无线传输钻杆的信号传输通道上，以保证外围信号传输通道的密封紧闭性，在保证正常钻杆连接和使用的同时，满足外围信号传输通道的密封紧闭性，保证信号有效传输。

本发明对扣环的具体结构不作严格限制；具体地，扣环可以由两个扣体围设而成，两个扣体的一端通过铰接结构铰接，两个扣体的另一端通过扣接结构扣接。此外，扣体可以采用软卧垫层。

本发明还提供上述井下开采随钻测量无线传输钻杆或上述井下开采随钻测量无线传输钻杆组件在井下开采随钻测量无线传输中的应用。

本发明的实施，至少具有以下优势：

1、本发明的井下开采随钻测量无线传输钻杆采用双通道形式，各通道独立工作，互不干扰，避免了泥浆和空气的混合，保证了信号无线传输在钻杆中的稳定有效传输，经济利用率高；

2、本发明的井下开采随钻测量无线传输钻杆组件采用连接头对钻杆进行连接，有效保证了信号通道和钻杆与钻杆之间的紧密连接，进而保证了钻探工作的工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明一实施方式的井下开采随钻测量无线传输钻杆的结构示意图；

图2为本发明一实施方式的井下开采随钻测量无线传输钻杆与连接头的组装结构示意图；

图3为本发明一实施方式的井下开采随钻测量无线传输钻杆组件的俯视图；

图4为试验例的钻孔设计平面图；

图5为试验例的钻孔设计剖面图；

图6为试验例的钻孔轨迹实测平面图；

图7为试验例的钻孔轨迹实测剖面图；

图8为对照例的钻孔设计平面图；

图9为对照例的钻孔设计剖面图；

图10为对照例的钻孔轨迹实测平面图；

图11为对照例的钻孔轨迹实测剖面图。

附图标记说明：

1：中空钻杆；2：信号传输通道；3：连接部；4：连接头；5：铰接结构；6：扣接结构；7：辅助件。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种井下开采随钻测量无线传输钻杆，包括中空钻杆1和信号传输通道2，信号传输通道2围设在中空钻杆1外部且长度短于中空钻杆1，中空钻杆1自信号传输通道2向外伸出的部分形成连接部3。

中空钻杆1的中空层主要用于确保煤炭钻探中泥浆和冷却液的输送，其可以采用常规煤炭钻探中所用的钻杆结构；外围的信号传输通道2可以设计为包裹于中空钻杆1的中空层外围的环绕中空层，外围的环绕中空层短于内部的中空钻杆1的中空层，避免了单管传输的空气稀薄，满足了信号传输的稳定性。

上述井下开采随钻测量无线传输钻杆采用双通道形式，内部通道用于泥浆和冷却液的输送，外部通道用于空气流通，各通道独立工作，互不干扰，避免了泥浆与空气的混合。此外，中空钻杆1自信号传输通道2向外伸出部分所形成的连接部3主要用于相邻井下开采随钻测量无线传输钻杆之间的连接，连接部3可以常规方式进行设置，只要便于多个钻杆之间的相互连接即可，例如可以设置为螺纹连接等。

本实施例的井下开采随钻测量无线传输钻杆将数据无线传输和钻杆相结合，不仅实现了对钻杆行进轨迹和外部环境的数据实时准确接收，同时可以避免通缆钻杆的弊端，还可以减少操作判断的失误和返工，从而大大提高了工作效率。

本实施例的井下开采随钻测量无线传输钻杆可用于井下开采随钻数据无线传输，其可在煤炭深部高地压复杂环境中使用，且是一种以空气为介质的电磁波传输方式。电磁波沿钻杆内部传输时，考虑钻杆内壁的导体损耗和钻杆内空气的介质损耗；电磁波以空气为介质在钻杆内部传输时钻杆内由空气引起的损耗远小于钻杆金属内壁引起的导体损耗，通常情况可忽略，故电磁波在钻杆内以空气为介质传输时的传输损耗仅为导体衰减。

导体衰减受钻杆管径的影响，钻杆管径对导体衰减的影响主要表现为在相同的电磁波传输频率下，钻杆内管道管径越大，各个模式的截止频率越低，电磁波所能传输的模式越多，电磁波的衰减常数随着管径的增大而减小。本实施例将中空钻杆1的管径设置为≥60mm，优选为60-120mm，能够大大降低传输损耗，进而良好地满足实际应用需求。

此外，导体衰减还受管壁粗糙度的影响。管壁粗糙度对导体衰减的影响，表现为粗糙度的增加会导致导体衰减常数的增加，但增加到一定限值后会趋于平稳。本实施例通过将中空钻杆1的内壁粗糙度设置为Ra≤1.6，可降低粗糙度的影响。

在本实施例的井下开采随钻测量无线传输钻杆中，还可以在信号传输通道2外围设置辅助件7；对辅助件7的类型和设置方式不作严格，可根据实际需要合理设置，辅助件7例如可以包括无线网络中继器和信号增强器中的至少一种，可以在合适距离的钻杆处通过安装中继器等辅助件7来加强信号强度，延长距离。

本实施例的井下开采随钻测量无线传输钻杆结构简单，其采用双通道形式，避免了泥浆和空气的混合；同时，通过将数据无线传输和钻杆相结合，不仅实现了对钻杆行进轨迹和外部环境的数据实时准确接受，同时可以避免通缆钻杆的弊端，还可以减少操作判断的失误和返工，从而大大提高了工作效率。该井下开采随钻测量无线传输钻杆能够在煤炭深部高地压复杂环境中稳定工作，并且实时、准确地传输数据，提高了煤炭工作的安全性。

实施例2

结合图1至图3所示，本实施例提供一种井下开采随钻测量无线传输钻杆组件，包括两个以上的井下开采随钻测量无线传输钻杆，相邻两个井下开采随钻测量无线传输钻杆通过连接头4连接。

在本实施例的井下开采随钻测量无线传输钻杆组件中，连接头4主要为钻杆之间的无缝连接提供保证，一方面保证钻探工作稳定有效进行，另一方面确保密闭性，保证信息的实时无损传输。

本实施例对连接头4的具体结构不作严格限制；具体地，连接头4可以包括连接杆，连接杆的两端可以分别与相邻两个井下开采随钻测量无线传输钻杆的连接部3可拆卸式连接。对可拆卸式连接不作严格限制，例如可以采用螺纹连接等常规方式；此时，可以在中空钻杆1的连接部3和连接杆上设置相互配合的螺纹。

进一步地，连接头4还可以包括设置在连接杆外部的扣环，扣环扣设在相邻两个井下开采随钻测量无线传输钻杆的信号传输通道2上，以保证外围的信号传输通道2的密封紧闭性，在保证正常钻杆连接和使用的同时，满足外围信号传输通道2的密封紧闭性，保证信号有效传输。

本实施例对扣环的具体结构不作严格限制；具体地，扣环可以由两个扣体围设而成，两个扣体的一端通过铰接结构5铰接，两个扣体的另一端通过扣接结构6扣接，铰接结构5和扣接结构6可以采用常规结构。此外，扣体可以采用软卧垫层等。

本实施例的井下开采随钻测量无线传输钻杆组装实施方法步骤如下：

1)根据需要选择合适的井下开采随钻测量无线传输钻杆；

2)在井下开采随钻测量无线传输钻杆上安装连接头4，将连接头4的一端与井下开采随钻测量无线传输钻杆的连接部3顺螺纹方向旋转至稳定状态；

3)将扣环与井下开采随钻测量无线传输钻杆的外层中空层(即信号传输通道2)锁定扣紧以保证气密性；

4)连接下一个井下开采随钻测量无线传输钻杆，顺螺纹方向将下一个井下开采随钻测量无线传输钻杆的连接部3与连接头4的另一端旋转至稳定状态；

5)将扣环与下一个井下开采随钻测量无线传输钻杆的外层中空层(即信号传输通道2)扣紧锁定。

本实施例的井下开采随钻测量无线传输钻杆组件采用连接头4对钻杆进行连接，有效保证了信号通道和钻杆与钻杆之间的紧密连接，进而保证了钻探工作的工作效率。

试验例钻孔试验

1、主要仪器设备

矿用履带式液压回转钻机、矿用随钻测斜仪一套、1.5米无线专用钻杆150根(即实施例1钻杆，其中：传输杆径φ73mm、内壁粗糙度Ra1.6、电磁频率2.4G)、φ73螺杆钻具1根配套φ98mm钻头。

2、钻孔设计施工参数

开孔参数：钻机队于3月7日二班用φ98mm钻头开孔，开孔定向仪所测开孔方位180°，开孔倾角0.8°，开孔高度1.65米，开孔深度为8米。

设计参数：开孔位置底板标高1049.368，孔高距底板1.6米，开孔点标高1050.968；贯穿点位置底板标高1052.54，孔高距底板0.8米，贯通点标高1053.34米，设计方位177.86°，高差2.372，开孔倾角0.72°，孔深188.45米。

钻孔施工参数见下表1。

表1 2#定向钻孔设计参数表

3、试验结果

钻孔参数对比情况见下表2。

表2 2#钻孔参数施工对比

钻孔施工参数修正情况见下表3。

表3 2#钻孔施工参数修正表

本试验例钻孔设计平面图和钻孔设计剖面图分别见图4、图5；钻孔轨迹实测平面图和钻孔轨迹实测剖面图分别见图6、图7。

2#钻孔设计孔深188.42m，实际孔深189m，终孔位置左右偏差在0.5米以内，方位符合设计要求。由于实际方位已考虑磁偏角影响，说明磁偏角测量较为准确。垂直方向上因为实际倾角比设计倾角偏大0.38°，对应垂直位移理论应增加1.25米，实际贯通点位置向上偏差为0.85米，即垂直偏差估算为0.4米，在可允许偏差范围之内，已达到钻孔精确定向的效果。

试验结果表明：上述定向钻孔试验现场实测钻孔轨迹与设计轨迹基本吻合，说明本发明的钻杆选用符合实际预期。

对照例钻孔试验

1、主要仪器设备

矿用履带式液压回转钻机、矿用随钻测斜仪一套、1.5米无线专用钻杆150根(即实施例1钻杆：传输杆径φ60mm、内壁粗糙度Ra3.2、电磁波频率1.5G)、φ98mm钻头。

2、钻孔设计施工参数

开孔参数：钻机队于3月3日二班用φ98mm钻头开孔，开孔定向仪所测开孔方位180°，开孔倾角0.8°，开孔高度1.65米，开孔深度为8米。

设计参数：开孔位置底板标高1049.368，孔高距底板1.6米，开孔点标高1050.968；贯穿点位置底板标高1052.54，孔高距底板0.8米，贯通点标高1053.34米，设计方位177.86°，高差2.372，开孔倾角0.72°，孔深188.45米。

钻孔施工参数见下表1。

表4 1#钻孔设计参数表

方位/°	开孔倾角/°	孔深/m	高差/m	水平距离/m
					179.98	0.77	175.02	2.34	175

3、试验结果

钻孔参数对比情况见下表2。

表5 1#钻孔参数施工对比

钻孔施工参数修正情况见下表3。

表6 1#钻孔施工参数修正表

本对照例钻孔设计平面图和钻孔设计剖面图分别见图8、图9；钻孔轨迹实测平面图和钻孔轨迹实测剖面图分别见图10、图11。

结果表明：选用上述对照钻杆参数的定向钻孔试验现场实测钻孔轨迹与设计轨迹不吻合，说明该对照钻杆选用不符合实际预期。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种井下开采随钻测量无线传输钻杆，其特征在于，包括中空钻杆和信号传输通道，信号传输通道围设在中空钻杆外部且长度短于中空钻杆，中空钻杆自信号传输通道向外伸出的部分形成连接部。

2.根据权利要求1所述的井下开采随钻测量无线传输钻杆，其特征在于，中空钻杆的管径≥60mm，优选为60-120mm。

3.根据权利要求1所述的井下开采随钻测量无线传输钻杆，其特征在于，中空钻杆的内壁粗糙度≤1.6。

4.根据权利要求1所述的井下开采随钻测量无线传输钻杆，其特征在于，在信号传输通道外围还设有辅助件，辅助件包括无线网络中继器和信号增强器中的至少一种。

5.一种井下开采随钻测量无线传输钻杆组件，其特征在于，包括两个以上权利要求1-4任一所述的井下开采随钻测量无线传输钻杆，相邻两个井下开采随钻测量无线传输钻杆通过连接头连接。

6.根据权利要求5所述的井下开采随钻测量无线传输钻杆组件，其特征在于，连接头包括连接杆，连接杆的两端分别与相邻两个井下开采随钻测量无线传输钻杆的连接部可拆卸式连接。

7.根据权利要求6所述的井下开采随钻测量无线传输钻杆组件，其特征在于，连接头还包括设置在连接杆外部的扣环，扣环扣设在相邻两个井下开采随钻测量无线传输钻杆的信号传输通道上。

8.根据权利要求7所述的井下开采随钻测量无线传输钻杆组件，其特征在于，扣环由两个扣体围设而成，两个扣体的一端通过铰接结构铰接，两个扣体的另一端通过扣接结构扣接。

9.根据权利要求8所述的井下开采随钻测量无线传输钻杆组件，其特征在于，扣体采用软卧垫层。

10.权利要求1-4任一所述的井下开采随钻测量无线传输钻杆或权利要求5-9任一所述的井下开采随钻测量无线传输钻杆组件在井下开采随钻测量无线传输中的应用。

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