CN114658355A - 煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统及方法，包括从头端至尾端依次相连的孔底自发电有线地质导向探管、双芯有缆钻杆和无线随钻送水器；孔底自发电有线地质导向探管中，磁力耦合转子与带磁旋转涡轮同轴相对套装设置，带磁旋转涡轮转动时在磁耦合作用下带动磁力耦合转子转动，磁力耦合转子与发电机的驱动轴相连带动发电机发电。本发明利用泥浆泵提供的钻进用高压水进行孔底自发电供电，供电能力强、供电电压稳定，满足多参数测量耗电需求，孔底自发电有线地质导向探管可长时间稳定工作，减少了频繁退钻。本发明相对传统有线传输方式，信号传输距离提升一倍以上，提升了数据传输效率。
Description
技术领域
本发明属于煤矿井下坑道钻探技术领域，涉及随钻测量系统，具体涉及一种煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统及方法。
背景技术
井下定向钻孔是煤矿灾害防治和地质勘查的重要技术手段，保障了煤矿安全高效开采。
随钻测量系统是定向钻进装备的重要组成部分，可对钻孔轨迹等参数进行实时精确测量、传输和计算，是实现定向钻进的基础和关键。目前开发了矿用有线随钻测量系统、矿用泥浆脉冲无线随钻测量系统和矿用电磁波无线随钻测量系统，在各类定向钻孔施工中应用广泛，但是存在以下技术不足：
(A)监测参数单一，不能实现随钻地层识别。目前矿用随钻测量系统主要测量钻孔轨迹参数进行钻孔空间定位，依据实钻轨迹与设计轨迹的偏差进行轨迹控制。但无法准确判断钻孔轨迹在目标地层中的相对位置，不能实现基于地层岩性的精确定向钻进。尤其是目标地层较薄或起伏较大时，钻孔极易穿出目标地层，目标地层钻遇率低，从而影响钻孔工程效果。
(B)有线供电功率小，电池供电工作时间受限。目前矿用随钻测量系统的孔内探管，主要采用孔口防爆计算机有线供电和孔底电池供电两种方式，其中受煤矿井下特殊防爆要求，孔口防爆计算机有线供电的功率小，仅能满足钻孔轨迹参数测量需求，不能满足多参数测量供电需求，且供电电压随孔深增加逐渐衰减，既影响探管的工作稳定性，又制约了探管使用深度；电池供电方式的孔内工作时间短，需要频繁退钻更换电池，不能满足长时间工作要求。
(C)间歇工作，静态测量，控制滞后。受孔内探管供电等多因素影响，目前矿用随钻测量系统主要采用间歇工作模式，钻进施工时，仪器休眠，不能掌握实时钻进情况；当前钻杆施工过程中不进行控制策略调整，当前钻杆施工完成后，测量钻孔轨迹静态参数，对下一根钻杆进行控制策略调整。
(D)有线传输距离受限，无线传输效率低，不能满足大量数据实时长距离传输需要。矿用随钻测量系统需要将孔内探管测量数据实时传输到孔口，孔内外信号传输主要有有线传输和无线传输两种方式。其中有线传输将测量信号载波在供电电压上，而现有的有线随钻测量系统主要采用孔口防爆计算机供电，需要先将电从孔口传输到孔底探管，再由孔底探管反向将信号传出至孔口，存在双向衰减，制约了信号传输距离。无线传输速率一般小于5bit/s，传输速度慢，不能满足大量数据实时传输需要。
(E)孔口有线传输故障率高。不论有线随钻测量系统，还是无线随钻测量系统，均采用有线传输方式将孔内探管长传的数据传递给防爆计算机，需要布置大量通信电缆，容易受钻探施工影响，发生破损、折断等，影响传输稳定性。尤其是有线随钻测量系统，其需要采用专用中心通缆送水器，将接收到的数据有线传输给孔口防爆计算机，中心通缆送水器内部设置有有线传输组件，既要满足旋转送水要求，又需要满足旋转信号有线传输要求，结构复杂，故障率高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统及方法，解决现有技术中的煤矿井下随钻测量系统的难以满足多参数测量耗电需求及其数据传输效率低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统，包括从头端至尾端依次相连的孔底自发电有线地质导向探管、双芯有缆钻杆和无线随钻送水器；
所述的孔底自发电有线地质导向探管包括探管外管，探管外管中同轴套装有探管内管，探管外管和探管内管之间为第一过水通道；所述的探管内管的头部外壁上设置有限位台阶，限位台阶上可转动式安装有带磁旋转涡轮；限位台阶的头端安装有过水固定套，过水固定套对带磁旋转涡轮进行轴向限位；
所述的探管内管中封装有磁力耦合转子、发电机、稳压电源模块、电阻率传感器、自然伽马传感器、方位角传感器、倾角传感器、数据测量控制模块和有线载波传输模块；所述的磁力耦合转子与带磁旋转涡轮同轴相对套装设置，带磁旋转涡轮转动时在磁耦合作用下带动磁力耦合转子转动，磁力耦合转子与发电机的驱动轴相连，带动发电机发电；发电机与稳压电源模块相连输电，稳压电源模块分别与电阻率传感器、自然伽马传感器、方位角传感器、倾角传感器和数据测量控制模块相连供电；
所述的电阻率传感器、自然伽马传感器、方位角传感器、倾角传感器分别与数据测量控制模块相连，数据测量控制模块与有线载波传输模块相连；所述的探管内管尾端为第一密封保护母接头，第一密封保护母接头内设置有第一双芯同轴公连接器；第一双芯同轴公连接器与有线载波传输模块相连。
本发明还包括以下技术特征：
优选的，所述的探管外管的头端和尾端均设置有母螺纹，母螺纹根部均设置有限位台阶孔；所述的探管内管的头端由安装在探管外管头端母螺纹根部的过水固定套支撑固定；所述的探管内管的尾端由安装在探管外管尾端母螺纹根部的过水锁紧母支撑固定。
具体的，所述的双芯有缆钻杆包括钻杆外管，钻杆外管内同轴设置有保护芯杆，钻杆外管和保护芯杆之间为第二过水通道；所述的保护芯杆的头端连接有第一密封保护公接头，第一密封保护公接头内设置有第一双芯同轴母连接器；所述的保护芯杆的尾端连接有第二密封保护母接头，第二密封保护母接头内设置有第二双芯同轴公连接器；所述的保护芯杆为中空结构，内部设置有双芯信号线，双芯信号线将第一双芯同轴母连接器和第二双芯同轴公连接器相连接。
优选的，所述的钻杆外管的头端为公螺纹，公螺纹根部设置有限位台阶且限位台阶内安装有第一过水支撑定位环，所述的第一密封保护公接头对第一支撑定位环进行限位；所述的钻杆外管的尾端为母螺纹，母螺纹根部设置有限位台阶且限位台阶内安装有第二过水支撑定位环，所述的第二密封保护母接头对第二过水支撑定位环进行限位；第一过水支撑定位环和第二过水支撑定位环将保护芯杆固定在钻杆外管内。
具体的，所述的无线随钻送水器包括送水器外管，送水器外管分为相连通的外管尾段和外管头段，所述的外管尾段的内部安装有能够转动的中空过水轴，中空过水轴内的中空通道为第三过水通道；中空过水轴的尾端伸出外管尾段的尾端且设置有转换接头；
所述的外管头段的外壁内开设有信号发射仓，信号发射仓上设置有压盖，信号发射仓的内部设置有相连的信号发射控制电路和第一蓝牙通讯电路；
所述的外管头段的内部设置有从头至尾孔径减小的台阶孔，台阶孔内安装有过水过线接头，过水过线接头通过中空螺栓与信号发射仓相连通；所述的过水过线接头内部设置有折线孔，折线孔的一端与中空螺栓相连通，折线孔的另一端连接有第二密封保护公接头；第二密封保护公接头内设置有第二双芯同轴母连接器；第二双芯同轴母连接器通过通讯电缆与信号发射控制电路相连。
优选的，所述的外管尾段的内部设置有从尾至头孔径减小的两级台阶孔，两级台阶孔内安装有中空过水轴；所述的中空过水轴外壁设置有环形凸台，环形凸台尾侧的中空过水轴上套装有第一滚动轴承，环形凸台头侧的中空过水轴上套装有第二滚动轴承，使得中空过水轴能够相对于送水器外管转动。
优选的，所述的第一滚动轴承的尾部端面上紧贴设置有套装在外管尾段内的密封胶塞，密封胶塞的尾部端面上紧贴设置有套装在外管尾段内的第一限位环；所述的第二滚动轴承的头部端面顶在两级台阶孔的台阶面上；所述的过水过线接头由与所述的外管头段连接的第二限位环进行轴向限位。
更优选的，所述的中空螺栓上设置有密封组合垫；
具体的，还包括与无线随钻送水器通过无线信号相连的孔口数据采集处理终端；所述的孔口数据采集处理终端包括主控板，所述的主控板上连接有降压供电模块、固定存储器、触摸屏和信号隔离电路；所述的信号隔离电路上连接有第二蓝牙通讯电路、防爆键盘和移动存储器。
本发明还保护一种煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量方法，其特征在于，该测量方法采用如上所述的煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统；
该方法具体包括以下步骤：
步骤一，系统连接：
依次连接定向钻头、螺杆马达、孔底自发电有线地质导向探管、双芯有缆钻杆、无线随钻送水器、输水管和泥浆泵；将双芯有缆钻杆安装在定向钻机上，将孔口数据采集处理终端安装在定向钻机的操作台处；
步骤二，孔底自发电：
开启泥浆泵，经由无线随钻送水器向钻孔内提供高压水；在高压水驱动下，孔底自发电有线地质导向探管中的带磁旋转涡轮转动，在磁耦合作用下带动磁力耦合转子转动，带动发电机发电；经稳压电源模块稳压处理后，为电阻率传感器、自然伽马传感器、方位角传感器、倾角传感器和数据测量控制模块供电。
步骤三，孔内参数随钻测量与孔内外有线传输：
电阻率传感器、自然伽马传感器、方位角传感器和倾角传感器分别测量地层电阻率、地层自然伽马放射性、方位角和倾角数据，并传递给数据测量控制模块；数据测量控制模块利用有线载波传输模块，通过双芯有缆钻杆为无线随钻送水器供电，并将接收处理后的测量数据载波在供电电压上，实时传递给无线随钻送水器；
步骤四，孔外蓝牙无线传输：
无线随钻送水器的信号发射控制电路接收到孔内随钻测量数据后，控制第一蓝牙通讯电路将数据无线传输至孔口数据采集处理终端；
步骤五，数据处理显示：
孔口数据采集处理终端对测量数据进行处理和显示，实时更新地层模型和修正定向钻孔设计轨迹，供施钻人员决策参考，控制定向钻孔沿目标地层延伸。
步骤六，系统停止工作：
单根钻杆施工完后，停止钻进和供水，系统停止工作；拆掉无线随钻送水器，加接双芯有缆钻杆后，重新连上无线随钻送水器；
步骤七，完孔退钻：
重复步骤二至步骤六，进行定向钻孔施工，直至达到设计深度后，退出孔内钻具，完成钻孔施工。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明利用泥浆泵提供的钻进用高压水进行孔底自发电供电，供电能力强、供电电压稳定，满足多参数测量耗电需求，孔底自发电有线地质导向探管可长时间稳定工作，减少了频繁退钻。
(Ⅱ)本发明采用有线传输方式将孔内测量数据实时传输至孔口，传输速度可达9600bit/s，满足大数据量、多参数数据高效实时传输需要；同时孔底供电电压稳定，相对传统有线传输方式，信号传输距离提升一倍以上，提升了数据传输效率。
(Ⅲ)本发明在常规随钻测量系统监测的倾角、方位角等钻孔轨迹参数基础上，增加测量地层自然伽马放射性、地层电阻率等地层物性参数，实现了随钻地层识别和地质模型动态更新，指导定向钻孔沿目标地层精准延伸。
(Ⅳ)本发明在定向钻进过程中，可持续为孔底自发电有线地质导向探管供电，实时监测钻孔轨迹参数和地层物性参数动态变化情况，指导钻孔轨迹控制策略实时调整，提高了控制时效性。
(Ⅴ)本发明采用蓝牙无线传输方式，将测量数据传输给孔口数据采集处理终端组，简化了送水器结构，保障了数据传输稳定性。
附图说明
图1是本发明的煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统及其与定向钻进装备的连接示意图。
图2是孔底自发电有线地质导向探管的剖视结构示意图。
图3是探管内管中的各部件和模块之间的连接关系示意图。
图4是双芯有缆钻杆的剖视结构示意图。
图5是无线随钻送水器的剖视结构示意图。
图6孔口数据采集处理终端的连接示意图。
图中各个标号的含义为：1-孔底自发电有线地质导向探管，2-双芯有缆钻杆，无线随钻送水器，4-孔口数据采集处理终端，5-定向钻机，6-泥浆泵，7-定向钻头，8-螺杆马达，9-输水管，10-钻孔，11-地层；
101-探管外管，102-探管内管，103-第一过水通道，104-带磁旋转涡轮，105-过水固定套，106-磁力耦合转子，107-发电机，108-稳压电源模块，109-电阻率传感器，110-自然伽马传感器，111-方位角传感器，112-倾角传感器，113-数据测量控制模块，114-有线载波传输模块，115-第一密封保护母接头，116-第一双芯同轴公连接器，117-过水锁紧母；
201-钻杆外管，202-保护芯杆，203-第二过水通道，204-第一密封保护公接头，205-第一双芯同轴母连接器，206-第二密封保护母接头，207-第二双芯同轴公连接器，208-双芯信号线，209-第一过水支撑定位环，210-第二过水支撑定位环；
301-送水器外管，302-中空过水轴，303-第三过水通道，304-转换接头，305-信号发射仓，306-压盖，307-信号发射控制电路，308-第一蓝牙通讯电路，309-过水过线接头，310-中空螺栓，311-折线孔，312-第二密封保护公接头，313-第二双芯同轴母连接器，314-环形凸台，315-第一滚动轴承，316-第二滚动轴承，317-密封胶塞318-第一限位环，319-第二限位环，320-密封组合垫；
30101-外管尾段，30102-外管头段；
401-主控板，402-降压供电模块，403-固定存储器，404-触摸屏，405-信号隔离电路，406-第二蓝牙通讯电路，407-防爆键盘，408-移动存储器。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
需要说明的是，本发明中的所有部件、设备、传感器、模块和电路，如无特殊说明，全部均采用现有技术中已知的部件、设备、传感器、模块和电路。例如定向钻机5、泥浆泵6、定向钻头7和螺杆马达8均采用现有技术中已知的设备。
基于背景技术中介绍的现有技术的情况，本发明针对目前煤矿井下随钻测量系统监测参数单一、测量数据不实时、孔内工作时间受限、数据传输效率低、传输距离有待提高等不足，研究设计出一种煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统及其使用方法，以克服上述缺陷。本发明采用多参数随钻动态测量、孔底自发电供电、孔内外单向有线传输、孔口蓝牙无线传输等技术手段，实现了随钻地层识别、实时控制策略调整、孔内探管长时间工作、孔内外高效长距离数据传输和孔口无故障稳定数据传输，为煤矿井下定向钻进施工提供了保障。
本发明的随钻测量系统包括孔底自发电有线地质导向探管、双芯有缆钻杆、无线随钻送水器、孔口数据采集处理终端，定向钻进过程中，孔底自发电有线地质导向探管在高压水驱动下自发电供电工作，实时测量钻孔轨迹参数和地层物性参数，通过双芯有缆钻杆将测量数据有线传输至无线随钻送水器，无线随钻送水器将测量数据蓝牙无线传输至孔口数据采集处理终端，由孔口数据采集处理终端进行处理显示。本发明采用多参数随钻动态测量、孔底自发电供电、孔内外单向有线传输、孔口蓝牙无线传输，实现了随钻地层识别、实时控制策略调整、孔内探管长时间工作、孔内外高效长距离数据传输和孔口无故障稳定数据传输，为煤矿井下定向钻进施工提供了决策依据。
本发明的煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统中：
孔底自发电有线地质导向探管1用于在钻进过程中实时测量包括倾角、方位角、地层自然伽马放射性、地层电阻率在内的钻孔轨迹参数和地层物性参数数据，并通过双芯有缆钻杆2将测量数据有线传输给无线随钻送水器3，并同时为孔口无线随钻送水器3远程供电。
双芯有缆钻杆2用于作为信号传输通道和供电通道，将孔底自发电有线地质导向探管1测量的数据传输至孔口无线随钻送水器3，同时为无线随钻送水器3供电。
无线随钻送水器3用于接收孔底自发电有线地质导向探管1传输的数据，并采用蓝牙无线传输方式，传输给孔口数据采集处理终端4。
孔口数据采集处理终端4用于接收和处理无线随钻送水器3发送的测量数据，供施钻人员决策参考。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统，如图1所示，包括从头端至尾端依次相连的孔底自发电有线地质导向探管1、双芯有缆钻杆2和无线随钻送水器3。
具体的，如图2和图3所示，孔底自发电有线地质导向探管1包括探管外管101，探管外管101中同轴套装有探管内管102，探管外管101和探管内管102之间为第一过水通道103；探管内管102的头部外壁上设置有限位台阶，限位台阶上可转动式安装有带磁旋转涡轮104；限位台阶的头端安装有过水固定套105，过水固定套105对带磁旋转涡轮104进行轴向限位。
探管内管102中封装有磁力耦合转子106、发电机107、稳压电源模块108、电阻率传感器109、自然伽马传感器110、方位角传感器111、倾角传感器112、数据测量控制模块113和有线载波传输模块114；磁力耦合转子106与带磁旋转涡轮104同轴相对套装设置，带磁旋转涡轮104转动时在磁耦合作用下带动磁力耦合转子106转动，磁力耦合转子106与发电机107的驱动轴相连带动发电机107发电；发电机107与稳压电源模块108相连输电，稳压电源模块108分别与电阻率传感器109、自然伽马传感器110、方位角传感器111、倾角传感器112和数据测量控制模块113相连供电。
电阻率传感器109、自然伽马传感器110、方位角传感器111、倾角传感器112分别与数据测量控制模块113相连，数据测量控制模块113与有线载波传输模块114相连；探管内管102尾端为第一密封保护母接头115，第一密封保护母接头115内设置有第一双芯同轴公连接器116；第一双芯同轴公连接器116与有线载波传输模块114相连。
本实施例中，带磁旋转涡轮104和磁力耦合转子106均采用已知的产品，带磁旋转涡轮104和磁力耦合转子106上均安装有永磁铁，在高压水驱动下，带磁旋转涡轮104转动，通过带磁旋转涡轮104和磁力耦合转子106上的永磁铁之间的磁耦合作用，带动磁力耦合转子106转动，磁力耦合转子106的转动带动发电机107发电。
本实施例中，稳压电源模块108、数据测量控制模块113和有线载波传输模块114均采用已知的模块。
作为本实施例的一种优选方案，探管外管101的头端和尾端均设置有母螺纹，母螺纹根部均设置有限位台阶孔；探管内管102的头端由安装在探管外管101头端母螺纹根部的过水固定套105支撑固定；探管内管102的尾端由安装在探管外管101尾端母螺纹根部的过水锁紧母117支撑固定。使得探管内管102和探管外管101之间的安装更加稳固。本实施例中，过水固定套105和过水锁紧母117均采用已知的产品，其上均设置有过水孔，使得水流能够顺利通过。
具体的，如图4所示，双芯有缆钻杆2包括钻杆外管201，钻杆外管201内同轴设置有保护芯杆202，钻杆外管201和保护芯杆202之间为第二过水通道203；保护芯杆202的头端连接有第一密封保护公接头204，第一密封保护公接头204内设置有第一双芯同轴母连接器205；保护芯杆202的尾端连接有第二密封保护母接头206，第二密封保护母接头206内设置有第二双芯同轴公连接器207；保护芯杆202为中空结构，内部设置有双芯信号线208，双芯信号线208将第一双芯同轴母连接器205和第二双芯同轴公连接器207相连接。
作为本实施例的一种优选方案，钻杆外管201的头端为公螺纹，公螺纹根部设置有限位台阶且限位台阶内安装有第一过水支撑定位环209，第一密封保护公接头204对第一支撑定位环209进行限位；钻杆外管201的尾端为母螺纹，母螺纹根部设置有限位台阶且限位台阶内安装有第二过水支撑定位环210，第二密封保护母接头206对第二过水支撑定位环210进行限位；第一过水支撑定位环209和第二过水支撑定位环210将保护芯杆202固定在钻杆外管201内。使得保护芯杆202和钻杆外管201之间的安装更加稳固。本实施例中，第一支撑定位环209和第二过水支撑定位环210均采用已知的产品，其上均设置有过水孔，使得水流能够顺利通过。
具体的，如图5所示，无线随钻送水器3包括送水器外管301，送水器外管301分为相连通的外管尾段30101和外管头段30102，外管尾段30101的内部安装有能够转动的中空过水轴302，中空过水轴302内的中空通道为第三过水通道303；中空过水轴302的尾端伸出外管尾段30101的尾端且设置有转换接头304。
外管头段30102的外壁内开设有信号发射仓305，信号发射仓305上设置有压盖306，信号发射仓305的内部设置有相连的信号发射控制电路307和第一蓝牙通讯电路308。
外管头段30102的内部设置有从头至尾孔径减小的台阶孔，台阶孔内安装有过水过线接头309，过水过线接头309通过中空螺栓310与信号发射仓305相连通；过水过线接头309内部设置有折线孔311，折线孔311的一端与中空螺栓310相连通，折线孔311的另一端连接有第二密封保护公接头312；第二密封保护公接头312内设置有第二双芯同轴母连接器313；第二双芯同轴母连接器313通过通讯电缆与信号发射控制电路307相连。
本实施例中，过水过线接头309采用已知的产品，其上设置有过水孔，使得水流能够顺利通过。
本实施例中，信号发射控制电路307和第一蓝牙通讯电路308均采用现有技术中已知的产品。
作为本实施例的一种优选方案，外管尾段30101的内部设置有从尾至头孔径减小的两级台阶孔，两级台阶孔内安装有中空过水轴302；中空过水轴302外壁设置有环形凸台314，环形凸台314尾侧的中空过水轴302上套装有第一滚动轴承315，环形凸台314头侧的中空过水轴302上套装有第二滚动轴承316，使得中空过水轴302能够相对于送水器外管301转动。
进一步优选的，第一滚动轴承315的尾部端面上紧贴设置有套装在外管尾段30101内的密封胶塞317，密封胶塞317的尾部端面上紧贴设置有套装在外管尾段30101内的第一限位环318；第二滚动轴承316的头部端面顶在两级台阶孔的台阶面上；过水过线接头309由与外管头段30102连接的第二限位环319进行轴向限位。
进一步优选的，中空螺栓310上设置有密封组合垫320，便于更好地实现密封。
本实施例中，外管头段30102的端部设置为与钻杆外管201的尾端的母螺纹相配合的公螺纹。
具体的，如图6所示，还包括与无线随钻送水器3通过无线信号相连的孔口数据采集处理终端4；孔口数据采集处理终端4包括主控板401，主控板401上连接有降压供电模块402、固定存储器403、触摸屏404和信号隔离电路405；信号隔离电路405上连接有第二蓝牙通讯电路406、防爆键盘407和移动存储器408。本实施例中，主控板401、降压供电模块402、固定存储器403、触摸屏404、信号隔离电路405、第二蓝牙通讯电路406、防爆键盘407和移动存储器408均采用现有技术中已知的产品。
实施例2：
本实施例给出一种煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量方法，该测量方法采用实施例1中给出的煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统。
该方法具体包括以下步骤：
步骤一，系统连接：
依次连接定向钻头7、螺杆马达8、孔底自发电有线地质导向探管1、双芯有缆钻杆2、无线随钻送水器3、输水管9和泥浆泵6；将双芯有缆钻杆2安装在定向钻机5上，将孔口数据采集处理终端4安装在定向钻机5的操作台处；
本实施例中，定向钻头7与螺杆马达8相连，螺杆马达8与自发电有线地质导向探管1的头端的母螺纹相连。发电有线地质导向探管1的第一密封保护母接头115和第一双芯同轴公连接器116分别与双芯有缆钻杆2的第一密封保护公接头204和第一双芯同轴母连接器205对应相连。双芯有缆钻杆2的第二密封保护母接头206和第二双芯同轴公连接器207分别与无线随钻送水器3的第二密封保护公接头312和第二双芯同轴母连接器313对应相连。无线随钻送水器3的转换接头304与输水管9相连，输水管9与泥浆泵6相连。第一密封保护公接头204和第二密封保护公接头312上均设置有密封圈。
步骤二，孔底自发电：
开启泥浆泵6，经由无线随钻送水器3向钻孔内提供高压水；在高压水驱动下，孔底自发电有线地质导向探管1中的带磁旋转涡轮104转动，在磁耦合作用下带动磁力耦合转子106转动，带动发电机107发电；经稳压电源模块108稳压处理后，为电阻率传感器109、自然伽马传感器110、方位角传感器111、倾角传感器112和数据测量控制模块113供电。
本实施例中，高压水依次通过无线随钻送水器3的第三过水通道303和过水过线接头309，然后经过双芯有缆钻杆2的第二过水支撑定位环210、第二过水通道203和第一过水支撑定位环209，最后经过孔底自发电有线地质导向探管1的过水锁紧母117、第一过水通道103和过水固定套105，高压水在第一过水通道103中驱动带磁旋转涡轮104转动。
步骤三，孔内参数随钻测量与孔内外有线传输：
电阻率传感器109、自然伽马传感器110、方位角传感器111和倾角传感器112分别测量地层电阻率、地层自然伽马放射性、方位角和倾角数据，并传递给数据测量控制模块113；数据测量控制模块113利用有线载波传输模块114，通过双芯有缆钻杆2为无线随钻送水器3供电，并将接收处理后的测量数据载波在供电电压上，实时传递给无线随钻送水器3。
步骤四，孔外蓝牙无线传输：
无线随钻送水器3的信号发射控制电路307接收到孔内随钻测量数据后，控制第一蓝牙通讯电路308将数据无线传输至孔口数据采集处理终端4。
步骤五，数据处理显示：
孔口数据采集处理终端4对测量数据进行处理和显示，实时更新地层模型和修正定向钻孔设计轨迹，供施钻人员决策参考，控制定向钻孔沿目标地层延伸。
步骤六，系统停止工作：
单根钻杆施工完后，停止钻进和供水，系统停止工作；拆掉无线随钻送水器3，加接双芯有缆钻杆2后，重新连上无线随钻送水器3。
步骤七，完孔退钻：
重复步骤二至步骤六，进行定向钻孔施工，直至达到设计深度后，退出孔内钻具，完成钻孔施工。
Claims (9)
1.一种煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统，其特征在于，包括从头端至尾端依次相连的孔底自发电有线地质导向探管(1)、双芯有缆钻杆(2)和无线随钻送水器(3)；
所述的孔底自发电有线地质导向探管(1)包括探管外管(101)，探管外管(101)中同轴套装有探管内管(102)，探管外管(101)和探管内管(102)之间为第一过水通道(103)；所述的探管内管(102)的头部外壁上设置有限位台阶，限位台阶上可转动式安装有带磁旋转涡轮(104)；限位台阶的头端安装有过水固定套(105)，过水固定套(105)对带磁旋转涡轮(104)进行轴向限位；
所述的探管内管(102)中封装有磁力耦合转子(106)、发电机(107)、稳压电源模块(108)、电阻率传感器(109)、自然伽马传感器(110)、方位角传感器(111)、倾角传感器(112)、数据测量控制模块(113)和有线载波传输模块(114)；所述的磁力耦合转子(106)与带磁旋转涡轮(104)同轴相对套装设置，带磁旋转涡轮(104)转动时在磁耦合作用下带动磁力耦合转子(106)转动，磁力耦合转子(106)与发电机(107)的驱动轴相连，带动发电机(107)发电；发电机(107)与稳压电源模块(108)相连输电，稳压电源模块(108)分别与电阻率传感器(109)、自然伽马传感器(110)、方位角传感器(111)、倾角传感器(112)和数据测量控制模块(113)相连供电；
所述的电阻率传感器(109)、自然伽马传感器(110)、方位角传感器(111)、倾角传感器(112)分别与数据测量控制模块(113)相连，数据测量控制模块(113)与有线载波传输模块(114)相连；所述的探管内管(102)尾端为第一密封保护母接头(115)，第一密封保护母接头(115)内设置有第一双芯同轴公连接器(116)；第一双芯同轴公连接器(116)与有线载波传输模块(114)相连。
2.如权利要求1所述的煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统，其特征在于，所述的无线随钻送水器(3)包括送水器外管(301)，送水器外管(301)分为相连通的外管尾段(30101)和外管头段(30102)，所述的外管尾段(30101)的内部安装有能够转动的中空过水轴(302)，中空过水轴(302)内的中空通道为第三过水通道(303)；中空过水轴(302)的尾端伸出外管尾段(30101)的尾端且设置有转换接头(304)；
所述的外管头段(30102)的外壁内开设有信号发射仓(305)，信号发射仓(305)上设置有压盖(306)，信号发射仓(305)的内部设置有相连的信号发射控制电路(307)和第一蓝牙通讯电路(308)；
所述的外管头段(30102)的内部设置有从头至尾孔径减小的台阶孔，台阶孔内安装有过水过线接头(309)，过水过线接头(309)通过中空螺栓(310)与信号发射仓(305)相连通；所述的过水过线接头(309)内部设置有折线孔(311)，折线孔(311)的一端与中空螺栓(310)相连通，折线孔(311)的另一端连接有第二密封保护公接头(312)；第二密封保护公接头(312)内设置有第二双芯同轴母连接器(313)；第二双芯同轴母连接器(313)通过通讯电缆与信号发射控制电路(307)相连。
3.如权利要求2所述的煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统，其特征在于，所述的外管尾段(30101)的内部设置有从尾至头孔径减小的两级台阶孔，两级台阶孔内安装有中空过水轴(302)；所述的中空过水轴(302)外壁设置有环形凸台(314)，环形凸台(314)尾侧的中空过水轴(302)上套装有第一滚动轴承(315)，环形凸台(314)头侧的中空过水轴(302)上套装有第二滚动轴承(316)，使得中空过水轴(302)能够相对于送水器外管(301)转动。
4.如权利要求3所述的煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统，其特征在于，所述的第一滚动轴承(315)的尾部端面上紧贴设置有套装在外管尾段(30101)内的密封胶塞(317)，密封胶塞(317)的尾部端面上紧贴设置有套装在外管尾段(30101)内的第一限位环(318)；所述的第二滚动轴承(316)的头部端面顶在两级台阶孔的台阶面上；所述的过水过线接头(309)由与所述的外管头段(30102)连接的第二限位环(319)进行轴向限位。
5.如权利要求1所述的煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统，其特征在于，所述的双芯有缆钻杆(2)包括钻杆外管(201)，钻杆外管(201)内同轴设置有保护芯杆(202)，钻杆外管(201)和保护芯杆(202)之间为第二过水通道(203)；所述的保护芯杆(202)的头端连接有第一密封保护公接头(204)，第一密封保护公接头(204)内设置有第一双芯同轴母连接器(205)；所述的保护芯杆(202)的尾端连接有第二密封保护母接头(206)，第二密封保护母接头(206)内设置有第二双芯同轴公连接器(207)；所述的保护芯杆(202)为中空结构，内部设置有双芯信号线(208)，双芯信号线(208)将第一双芯同轴母连接器(205)和第二双芯同轴公连接器(207)相连接。
6.如权利要求5所述的煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统，其特征在于，所述的钻杆外管(201)的头端为公螺纹，公螺纹根部设置有限位台阶且限位台阶内安装有第一过水支撑定位环(209)，所述的第一密封保护公接头(204)对第一支撑定位环(209)进行限位；所述的钻杆外管(201)的尾端为母螺纹，母螺纹根部设置有限位台阶且限位台阶内安装有第二过水支撑定位环(210)，所述的第二密封保护母接头(206)对第二过水支撑定位环(210)进行限位；第一过水支撑定位环(209)和第二过水支撑定位环(210)将保护芯杆(202)固定在钻杆外管(201)内。
7.如权利要求1所述的煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统，其特征在于，还包括与无线随钻送水器(3)通过无线信号相连的孔口数据采集处理终端(4)；所述的孔口数据采集处理终端(4)包括主控板(401)，所述的主控板(401)上连接有降压供电模块(402)、固定存储器(403)、触摸屏(404)和信号隔离电路(405)；所述的信号隔离电路(405)上连接有第二蓝牙通讯电路(406)、防爆键盘(407)和移动存储器(408)。
8.如权利要求1所述的煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统，其特征在于，所述的探管外管(101)的头端和尾端均设置有母螺纹，母螺纹根部均设置有限位台阶孔；所述的探管内管(102)的头端由安装在探管外管(101)头端母螺纹根部的过水固定套(105)支撑固定；所述的探管内管(102)的尾端由安装在探管外管(101)尾端母螺纹根部的过水锁紧母(117)支撑固定。
9.一种煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量方法，其特征在于，该测量方法采用如权利要求1至8任一项所述的煤矿井下孔底自发电有线地质导向随钻测量系统；
该方法具体包括以下步骤：
步骤一，系统连接：
依次连接定向钻头(7)、螺杆马达(8)、孔底自发电有线地质导向探管(1)、双芯有缆钻杆(2)、无线随钻送水器(3)、输水管(9)和泥浆泵(6)；将双芯有缆钻杆(2)安装在定向钻机(5)上，将孔口数据采集处理终端(4)安装在定向钻机(5)的操作台处；
步骤二，孔底自发电：
开启泥浆泵(6)，经由无线随钻送水器(3)向钻孔内提供高压水；在高压水驱动下，孔底自发电有线地质导向探管(1)中的带磁旋转涡轮(104)转动，在磁耦合作用下带动磁力耦合转子(106)转动，带动发电机(107)发电；经稳压电源模块(108)稳压处理后，为电阻率传感器(109)、自然伽马传感器(110)、方位角传感器(111)、倾角传感器(112)和数据测量控制模块(113)供电；
步骤三，孔内参数随钻测量与孔内外有线传输：
电阻率传感器(109)、自然伽马传感器(110)、方位角传感器(111)和倾角传感器(112)分别测量地层电阻率、地层自然伽马放射性、方位角和倾角数据，并传递给数据测量控制模块(113)；数据测量控制模块(113)利用有线载波传输模块(114)，通过双芯有缆钻杆(2)为无线随钻送水器(3)供电，并将接收处理后的测量数据载波在供电电压上，实时传递给无线随钻送水器(3)；
步骤四，孔外蓝牙无线传输：
无线随钻送水器(3)的信号发射控制电路(307)接收到孔内随钻测量数据后，控制第一蓝牙通讯电路(308)将数据无线传输至孔口数据采集处理终端(4)；
步骤五，数据处理显示：
孔口数据采集处理终端(4)对测量数据进行处理和显示，实时更新地层模型和修正定向钻孔设计轨迹，供施钻人员决策参考，控制定向钻孔沿目标地层延伸；
步骤六，系统停止工作：
单根钻杆施工完后，停止钻进和供水，系统停止工作；拆掉无线随钻送水器(3)，加接双芯有缆钻杆(2)后，重新连上无线随钻送水器(3)；
步骤七，完孔退钻：
重复步骤二至步骤六，进行定向钻孔施工，直至达到设计深度后，退出孔内钻具，完成钻孔施工。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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