CN115450606A - 煤矿井下复合供电全工况多参数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复合供电全工况多参数随钻测量系统及方法，包括从头部至尾部依次相连的定向钻头、双向输出螺杆马达、复合供电多参数测量探管、有线传输钻杆和多功能旋转输送器；双向输出螺杆马达可在泥浆泵提供的高压水驱动下，正向驱动定向钻头孔底回转碎岩，反向驱动复合供电多参数测量探管发电；复合供电多参数测量探管采用自行发电供电和通过有线传输钻杆和多功能旋转输送器的传输进行有线供电的复合供电方式，在钻进工况下实时测量包括自然伽马和电阻率在内的地层物性参数数据，在停钻工况下实时测量包括倾角、方位角在内的钻孔轨迹参数数据，并通过有线传输钻杆和多功能旋转输送器的传输进行信号传输。
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复合供电全工况多参数随钻测量系统及方法。
背景技术
煤矿井下定向钻孔是进行矿井瓦斯抽采、水害防治、冲击低压防治、地质异常体探查等地质勘探与灾害防治的重要技术手段。
随钻测量系统是煤矿井下定向钻进装备的重要组成部分，主要包括孔口设备和孔内设备，其测量数据类型、工作模式、孔内工作时间等性能对定向钻进施工决策影响重大。目前，煤矿井下随钻测量系统主要以钻孔轨迹测量为主，具备有线供电、电池筒供电、涡轮发电机供电三种方式，采用间歇工作模式进行工作，存在以下技术不足：
(A)有线供电功率小，主要监测钻孔轨迹参数，功能单一。受煤矿井下特殊防爆要求，孔口设备为孔内设备有线供电的功率小，且供电电压随孔深增加逐渐衰减，仅能满足钻孔轨迹参数测量需求，不能满足地层物性参数测量供电需求，不具有随钻地层岩性识别功能，影响钻孔施工质量。
(B)电池筒供电容量受限，主要测量静态数据，测量和控制滞后。受煤矿井下特殊防爆要求，电池筒的供电容量受限，为满足长时间工作“一趟钻”施工要求，避免频繁退钻更换电池筒，目前均采用间歇工作模式，即钻进工况下孔内探管休眠，不监测钻孔数据和调整控制策略；当前钻杆施工完成后的停钻工况下，测量钻孔轨迹静态参数，对下一根钻杆进行控制策略调整，导致测量和控制滞后。
(C)涡轮发电机供电增加了钻进系统负载，主要测量动态数据，数据传输效率低。涡轮发电机供电工作时，其涡轮组件在钻进用冲洗液动能作用下高速旋转带动发电机发电，需要消耗大量冲洗液动能，加大了钻进系统负载。孔内探管动态测量时，受钻具回转、振动等影响，测量精度相对较低，需要利用静态测量数据进行校正；受煤矿井下特殊防爆要求，一般不允许电池筒充电，停钻停泵后，涡轮发电机不工作，无法为孔内探管供电，不能进行静态测量。此外，涡轮发电机一般与无线随钻测量系统进行配套使用，但无线传输效率低，双向通讯困难，不能满足大量数据实时长距离传输需要。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统及方法，解决现有技术中煤矿井下随钻测量系统中有线供电测量数据类型单一，电池筒供电不能动态测量以及孔底涡轮发电机供电不能静态测量的技术问题。
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：
一种煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统，包括从头部至尾部依次相连的定向钻头、螺杆马达、测量探管、有线传输钻杆和多功能旋转输送器，所述的多功能旋转输送器能够输送电能、信号和冲洗液，所述的多功能旋转输送器上连接有泥浆泵，所述的螺杆马达为双向输出螺杆马达，所述的测量探管为复合供电多参数测量探管。
所述的双向输出螺杆马达包括外部管串和内部管串，所述的外部管串串包括从尾部至头部依次相连的磁耦合外管、螺杆定子管、万向外管和传动外管；所述的内部管串包括从尾部至头部依次相连的磁耦合短节、第一柔性变向轴、螺杆转子、第二柔性变向轴和传动轴。
所述的磁耦合短节转动式安装在磁耦合外管内，螺杆转子转动式安装在螺杆定子管内，传动轴转动式安装在传动外管内，传动轴的头端伸出至传动外管的头端外用于安装定向钻头。
所述的螺杆转子的螺距与螺杆定子管的螺距相同，所述的螺杆转子的螺旋头数比螺杆定子管的螺旋头数少一个，所述的螺杆转子能够在泥浆泵提供的高压水冲击作用下在螺杆定子管内回转运动。
所述的复合供电多参数测量探管包括探管外管，探管外管中设置有探管内管，探管外管和探管内管之间为过流通道；所述的探管内管中设置有信号载波处理模块、数据测量控制模块、二次电源稳压模块、静态数据测量模块、动态数据测量模块、倾角传感器、方位角传感器、自然伽马传感器、电阻率传感器、发电电源稳压模块、发电机和内磁力耦合器。
所述的内磁力耦合器用于与所述的磁耦合短节进行磁耦合；所述的探管内管的尾端连接有线信号传输接头，所述的有线信号传输接头用于与有线传输钻杆相连进行传输。
本发明还具有如下技术特征：
所述的磁耦合短节包括中心轴；所述的中心轴的头端设置有与第一柔性变向轴连接的螺纹，中心轴的尾端设置有过渡圆台，过渡圆台上连接有磁耦合环。
所述的中心轴外部设置有定位环，中心轴和定位环之间由两组及以上支撑肋连接形成过流通道。
所述的双向输出螺杆马达与复合供电多参数测量探管连接时，复合供电多参数测量探管的探管内管的头端伸入双向输出螺杆马达的磁耦合环内，双向输出螺杆马达的磁耦合环与位于探管内管的头端的内磁力耦合器相对设置进行磁耦合。
所述的磁耦合外管内壁设置有一个限位台阶，所述的定位环的外壁设置有另一个限位台阶，限位台阶内安装有第一滚动轴承组；所述的磁耦合短节由第一滚动轴承组居中支撑在磁耦合外管内。
所述的磁耦合环为环形结构，磁耦合环的外径大于中心轴的内径，磁耦合环的管壁径向设置有两组及以上排孔，每组排孔包括两个及以上孔，孔内均安装有强力磁铁。
所述的传动轴由锁紧环、第一推力轴承组、旋转密封塞、第二滚动轴承组和第二推力轴承组居中定位在传动外管内。
所述的传动轴的头端设置有与定向钻头连接的螺纹，传动轴的尾端设置有与第二柔性变向轴连接的螺纹，传动轴内部设置有轴向过流盲孔，轴向过流盲孔底部设置有一个及以上径向导流孔。
所述的探管内管的头端外壁上通过限位台阶安装有第一固定套；所述的有线信号传输接头上通过限位台阶安装有第二固定套；第一固定套和第二固定套上均开设有过流孔；所述的探管外管两端均设置有母螺纹，母螺纹根部均设置有锁紧螺纹；所述的第一固定套、第二固定套与探管外管的锁紧螺纹连接，将探管内管定位在探管外管中。
所述的数据测量控制模块分别与信号载波处理模块、二次电源稳压模块、静态数据测量模块和动态数据测量模块连接；所述的信号载波处理模块分别与二次电源稳压模块和有线信号传输接头连接；所述的静态数据测量模块分别与二次电源稳压模块、倾角传感器和方位角传感器连接；所述的动态数据测量模块与发电电源稳压模块、发电机和内磁力耦合器依次连接，所述的动态数据测量模块还与自然伽马传感器和电阻率传感器分别连接。
所述的多功能旋转输送器上连接有多功能数据采集处理终端，所述的多功能数据采集处理终端包括与电源模块相连的主控板，主控板上连接有固定存储器、触摸屏和信号隔离电路；信号隔离电路的输出端分别与恒压供电电路和移动存储器相连，恒压供电电路依次与信号载波电路、供电通讯接口和信号提取解调电路相连，信号提取解调电路与信号隔离电路的输入端相连。
本发明还保护一种煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量方法，该方法采用如上所述的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统。
所述的双向输出螺杆马达可在泥浆泵提供的高压水驱动下，正向驱动定向钻头孔底回转碎岩，反向驱动复合供电多参数测量探管发电。
所述的复合供电多参数测量探管采用自行发电供电和通过有线传输钻杆和多功能旋转输送器的传输进行有线供电的复合供电方式，在钻进工况下实时测量包括自然伽马和电阻率在内的地层物性参数数据，在停钻工况下实时测量包括倾角、方位角在内的钻孔轨迹参数数据，并通过有线传输钻杆和多功能旋转输送器的传输进行信号传输。
具体的，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、双向输出螺杆马达、复合供电多参数测量探管、有线传输钻杆和多功能旋转输送器，并将多功能旋转输送器与泥浆泵连接。
步骤二，钻进工况下地层物性参数动态测量：
开启泥浆泵，经由多功能旋转输送器向钻孔内提供高压水；在高压水驱动下，双向输出螺杆马达的螺杆转子回转，带动传动轴和磁耦合短节转动；利用传动轴正向驱动头端的定向钻头孔底回转碎岩，利用磁耦合短节引起复合供电多参数测量探管的内磁力耦合器同步转动，带动发电机发电；经发电电源稳压模块处理后，为动态数据测量模块供电，动态数据测量模块控制自然伽马传感器和电阻率传感器工作，并将测量的自然伽马和电阻率地层物性参数数据传输至数据测量控制模块；数据测量控制模块通过信号载波处理模块、有线信号传输接头、有线传输钻杆、多功能旋转输送器将数据传输。
步骤三，停钻工况下钻孔轨迹参数静态测量：
当单根钻杆钻进完成后或判断钻孔实钻轨迹靠近目标地层边界时，关闭泥浆泵，保持孔内复合供电多参数测量探管处于静止状态，通过多功能旋转输送器和有线传输钻杆为复合供电多参数测量探管中的数据测量控制模块、静态数据测量模块供电；静态数据测量模块控制倾角传感器和方位角传感器工作，并将测量的倾角和方位角钻孔轨迹参数数据传输至数据测量控制模块；数据测量控制模块通过信号载波处理模块、有线信号传输接头、有线传输钻杆和多功能旋转输送器将数据传输。
步骤四，定向钻进轨迹导航决策：
根据步骤二和步骤三的测量数据和处理结果，实时更新定向钻孔延伸方向上的三维地质模型，修正定向钻孔设计轨迹，给出实钻轨迹与设计轨迹偏差，进行轨迹导航决策，控制定向钻孔沿目标地层延伸‘’
步骤五，完孔退钻：
重复步骤二至步骤四进行定向钻孔施工，直至达到设计深度后，退出孔内钻具，完成钻孔施工。
进一步地，所述的多功能旋转输送器上连接有多功能数据采集处理终端，所述的多功能数据采集处理终端采用如上所述的多功能数据采集处理终端。所述的多功能数据采集处理终端用于为复合供电多参数测量探管提供电能，接收和处理复合供电多参数测量探管发送的测量数据。
该方法具体还包括以下步骤：
步骤一中，将多功能数据采集处理终端安装在定向钻机操作台处；多功能数据采集处理终端与多功能旋转输送器相连接。
步骤二中，多功能旋转输送器将数据传输至多功能数据采集处理终端，多功能数据采集处理终端对测量数据进行处理和显示，实时判断钻遇地层岩性。
步骤三中，根据步骤二中得到的钻遇地层岩性判断钻孔实钻轨迹是否靠近目标地层边界。
多功能数据采集处理终端通过多功能旋转输送器和有线传输钻杆为复合供电多参数测量探管中的数据测量控制模块、静态数据测量模块供电。
所述的有线传输钻杆和多功能旋转输送器将数据传输至多功能数据采集处理终端；多功能数据采集处理终端对测量数据进行处理和显示，获取实钻钻孔轨迹。
步骤二中，钻进工况下地层物性参数动态测量时，复合供电多参数测量探管自行发电为动态数据测量模块供电的同时，多功能数据采集处理终端通过多功能旋转输送器、有线传输钻杆为复合供电多参数测量探管的数据测量控制模块供电。
步骤二和步骤三中，多功能数据采集处理终端为复合供电多参数测量探管有线供电的方法为：通过多功能数据采集处理终端的恒压供电电路向复合供电多参数测量探管提供恒定电压的电源，经由信号载波电路、供电通讯接口、多功能旋转输送器、有线传输钻杆和有线信号传输接头传输至复合供电多参数测量探管的信号载波处理模块，由信号载波处理模块提取载波在供电电源上的控制指令后，将供电电源交由二次电源稳压模块进行稳压处理，由二次电源稳压模块为数据测量控制模块、静态数据测量模块供电。
步骤二和步骤三中，多功能数据采集处理终端与复合供电多参数测量探管之间采用有线传输方式进行双向信号传输，包括控制指令下传和测量数据上传两种模式：
控制指令下传模式：多功能数据采集处理终端的信号载波电路将控制指令载波在供电电源上，经由供电通讯接口、多功能旋转输送器、有线传输钻杆和有线信号传输接头传输至复合供电多参数测量探管的信号载波处理模块，由信号载波处理模块提取载波在供电电源上的控制指令，并将控制指令发送至数据测量控制模块，数据测量控制模块根据控制指令控制静态数据测量模块和动态数据测量模块工作。
测量数据上传模式：复合供电多参数测量探管的数据测量控制模块获得静态数据测量模块和动态数据测量模块测量的数据后，利用信号载波处理模块将测量数据载波在供电电源上，经由有线信号传输接头、有线传输钻杆和多功能旋转输送器传输至多功能数据采集处理终端的供电通讯接口，由信号提取解调电路提取载波在供电电源上的测量数据后，经由信号隔离电路传递至主控板，由主控板进行处理和显示。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明采用孔内探管自发电与孔口设备复合供电、钻进动态测量与停钻静态测量、地层物性参数与钻孔轨迹参数多参数测量、双向有线信号传输等技术手段，实现了全工况多参数随钻测量，为钻进过程精准控制提供了决策依据。
(Ⅱ)本发明根据钻进工况不同，采用不同的供电策略，即停钻工况下复合供电多参数测量探管采用多功能数据采集处理终端有线供电方式工作，钻进工况下复合供电多参数测量探管采用自行发电供电和多功能数据采集处理终端有线供电的复合供电方式工作，满足了孔内复合供电多参数测量探管全工况工作需要，实现了定向钻孔施工时全过程随钻测量。
(Ⅲ)本发明根据钻进工况不同，采用不同的数据测量策略，即停钻工况下复合供电多参数测量探管测量钻孔轨迹参数静态数据，提高钻孔轨迹空间定位精度；钻进工况下复合供电多参数测量探管测量地层物性参数动态数据，通过随钻地层岩性识别，获得钻孔实钻轨迹与目标地层的相对位置关系。动态测量数据与静态测量数据融合，及时调整钻孔轨迹控制策略，确保定向钻孔沿目标地层长距离延伸。
(Ⅳ)本发明充分利用定向钻进用螺杆马达回转动能，驱动复合供电多参数测量探管进行发电，简化了孔内发电仪器结构，避免额外增加钻进系统负载。
(Ⅴ)本发明采用有线传输方式进行孔内外双向信号传输，孔内探管控制简单，数据传输效率高，满足大数据量、多参数数据高效实时传输需要。
附图说明
图1是煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统的连接关系示意图。
图2是双向输出螺杆马达和复合供电多参数测量探管的连接关系示意图。
图3是双向输出螺杆马达的内部结构示意图。
图4是磁耦合短节的内部结构示意图。
图5是图4中A-A截面的结构示意图。
图6是图4中B-B截面的结构示意图。
图7是传动轴的内部结构示意图。
图8是复合供电多参数测量探管的内部结构示意图。
图9是复合供电多参数测量探管内各个模块之间的连接关系示意图。
图10是多功能数据采集处理终端内的各个模块之间的连接关系示意图。
图中各个标号的含义为：1-双向输出螺杆马达，2-复合供电多参数测量探管，3-有线传输钻杆，4-多功能旋转输送器，5-多功能数据采集处理终端，6-泥浆泵，7-定向钻头，8-定向钻机。
101-磁耦合外管，102-螺杆定子管，103-万向外管，104-传动外管，105-磁耦合短节，106-第一柔性变向轴，107-螺杆转子，108-第二柔性变向轴，109-传动轴，110-第一滚动轴承组，111-锁紧环，112-第一推力轴承组，113-旋转密封塞，114-第二滚动轴承组，115-第二推力轴承组。
201-探管外管，202-探管内管，203-信号载波处理模块，204-数据测量控制模块，205-二次电源稳压模块，206-静态数据测量模块，207-动态数据测量模块，208-倾角传感器，209-方位角传感器，210-自然伽马传感器，211-电阻率传感器，212-发电电源稳压模块，213-发电机，214-内磁力耦合器，215-有线信号传输接头，216-第一固定套，217-第二固定套。
10501-中心轴，10502-过渡圆台，10503-定位环，10504-支撑肋，10505-磁耦合环，10506-强力磁铁。
10901-轴向过流盲孔，10902-径向导流孔。
501-电源模块，502-主控板，503-固定存储器，504-触摸屏，505-信号隔离电路，506-信号提取解调电路，507-恒压供电电路，508-信号载波电路，509-供电通讯接口，510-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和设备，如无特殊说明，全部均采用现有技术中已知的部件和设备。例如内磁力耦合器、泥浆泵、定向钻头和定向钻机均采用本领域已知的设备。
本发明有鉴于背景技术中记载的缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，针对目前煤矿井下随钻测量系统有线供电测量数据类型单一、电池筒供电不能动态测量、孔底涡轮发电机供电不能静态测量等不足，研究设计出一种煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统及方法，以克服上述缺陷。
本发明的随钻测量系统包括双向输出螺杆马达、复合供电多参数测量探管、有线传输钻杆、多功能输送器、多功能数据采集处理终端。系统分钻进和停钻两种工况进行使用，当处于钻进工况时，泥浆泵开启，双向输出螺杆马达驱动复合供电多参数测量探管发电，复合供电多参数测量探管采用自行发电供电和多功能数据采集处理终端有线供电的复合供电方式工作，测量地层物性参数动态数据；当处于停钻工况时，泥浆泵关闭，双向输出螺杆马达停止工作，复合供电多参数测量探管采用多功能数据采集处理终端有线供电方式工作，测量钻孔轨迹参数静态数据。本发明采用孔内探管自发电与孔口设备复合供电、钻进动态测量与停钻静态测量、地层物性参数与钻孔轨迹参数多参数测量、双向有线信号传输等技术手段，实现了全工况多参数随钻测量，为钻进过程精准控制提供了决策依据。
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复合供电全工况多参数随钻测量系统，如图1和图2所示，包括从头部至尾部依次相连的定向钻头7、螺杆马达、测量探管、有线传输钻杆3和多功能旋转输送器4，多功能旋转输送器4能够输送电能、信号和冲洗液，多功能旋转输送器4上连接有泥浆泵6，螺杆马达为双向输出螺杆马达1，测量探管为复合供电多参数测量探管2。
如图3所示，双向输出螺杆马达1包括外部管串和内部管串，外部管串串包括从尾部至头部依次相连的磁耦合外管101、螺杆定子管102、万向外管103和传动外管104；内部管串包括从尾部至头部依次相连的磁耦合短节105、第一柔性变向轴106、螺杆转子107、第二柔性变向轴108和传动轴109。
磁耦合短节105转动式安装在磁耦合外管101内，螺杆转子107转动式安装在螺杆定子管102内，传动轴109转动式安装在传动外管104内，传动轴109的头端伸出至传动外管104的头端外用于安装定向钻头7。
螺杆转子107的螺距与螺杆定子管102的螺距相同，螺杆转子107的螺旋头数比螺杆定子管102的螺旋头数少一个，螺杆转子107能够在泥浆泵6提供的高压水冲击作用下在螺杆定子管102内回转运动。
如图8所示，复合供电多参数测量探管2包括探管外管201，探管外管201中设置有探管内管202，探管外管201和探管内管202之间为过流通道；探管内管202中设置有信号载波处理模块203、数据测量控制模块204、二次电源稳压模块205、静态数据测量模块206、动态数据测量模块207、倾角传感器208、方位角传感器209、自然伽马传感器210、电阻率传感器211、发电电源稳压模块212、发电机213和内磁力耦合器214。
内磁力耦合器214用于与磁耦合短节105进行磁耦合；探管内管202的尾端连接有线信号传输接头215，有线信号传输接头215用于与有线传输钻杆3相连进行传输。
本实施例中，有线传输钻杆3采用本领域已知的有线传输钻杆，例如采用申请公布号为CN 110905422 A的中国发明专利中公开的“随钻测量用多通道并联式穿线钻杆”；或者例如采用申请公布号为CN 101082268 A的中国发明专利中公开的“中心通缆式高强度大通孔钻杆”。
本实施例中，多功能旋转输送器4采用本领域已知的多功能旋转输送器。例如采用申请公布号为CN 114991761 A的中国发明专利中公开的“煤矿井下电能、信号和冲洗液多功能旋转输送器”；或者例如采用申请公布号为CN114876456A的中国发明专利中公开的“煤矿井下密封插接有线信号传输旋转送水器”。
作为本实施例的一种优选方案，如图4至图6所示，磁耦合短节105包括中心轴10501；中心轴10501的头端设置有与第一柔性变向轴106连接的螺纹，中心轴10501的尾端设置有过渡圆台10502，过渡圆台10502上连接有磁耦合环10505。
中心轴10501外部设置有定位环10503，中心轴10501和定位环10503之间由两组及以上支撑肋10504连接形成过流通道。
双向输出螺杆马达1与复合供电多参数测量探管2连接时，复合供电多参数测量探管2的探管内管202的头端伸入双向输出螺杆马达1的磁耦合环10505内，双向输出螺杆马达1的磁耦合环10505与位于探管内管202的头端的内磁力耦合器214相对设置进行磁耦合。
进一步优选的，如图4至图6所示，磁耦合外管101内壁设置有一个限位台阶，定位环10503的外壁设置有另一个限位台阶，限位台阶内安装有第一滚动轴承组110；磁耦合短节105由第一滚动轴承组110居中支撑在磁耦合外管101内。
进一步优选的，如图4至图6所示，磁耦合环10505为环形结构，磁耦合环10505的外径大于中心轴10501的内径，磁耦合环10505的管壁径向设置有两组及以上排孔，每组排孔包括两个及以上孔，孔内均安装有强力磁铁10506。
本实施例中，万向外管103优选为弯管，也可为直管。
作为本实施例的一种优选方案，如图3所示，传动轴109由锁紧环111、第一推力轴承组112、旋转密封塞113、第二滚动轴承组114和第二推力轴承组115居中定位在传动外管104内。
作为本实施例的一种优选方案，如图7所示，传动轴109的头端设置有与定向钻头7连接的螺纹，传动轴109的尾端设置有与第二柔性变向轴108连接的螺纹，传动轴109内部设置有轴向过流盲孔10901，轴向过流盲孔10901底部设置有一个及以上径向导流孔10902。
作为本实施例的一种优选方案，如图8所示，探管内管202的头端外壁上通过限位台阶安装有第一固定套216；有线信号传输接头215上通过限位台阶安装有第二固定套217；第一固定套216和第二固定套217上均开设有过流孔；探管外管201两端均设置有母螺纹，母螺纹根部均设置有锁紧螺纹；第一固定套216、第二固定套217与探管外管201的锁紧螺纹连接，将探管内管202定位在探管外管201中。
作为本实施例的一种优选方案，如图9所示，数据测量控制模块204分别与信号载波处理模块203、二次电源稳压模块205、静态数据测量模块206和动态数据测量模块207连接；信号载波处理模块203分别与二次电源稳压模块205和有线信号传输接头215连接；静态数据测量模块206分别与二次电源稳压模块205、倾角传感器208和方位角传感器209连接；动态数据测量模块207与发电电源稳压模块212、发电机213和内磁力耦合器214依次连接，动态数据测量模块207还与自然伽马传感器210和电阻率传感器211分别连接。
本实施例中，复合供电多参数测量探管2中的上述所有模块均采用本领域已知的常用模块。
实施例2：
本实施例给出一种煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量方法，该方法采用实施例1中给出的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统。
双向输出螺杆马达1可在泥浆泵6提供的高压水驱动下，正向驱动定向钻头7孔底回转碎岩，反向驱动复合供电多参数测量探管2发电。
复合供电多参数测量探管2采用自行发电供电和通过有线传输钻杆3和多功能旋转输送器4的传输进行有线供电的复合供电方式，在钻进工况下实时测量包括自然伽马和电阻率在内的地层物性参数数据，在停钻工况下实时测量包括倾角、方位角在内的钻孔轨迹参数数据，并通过有线传输钻杆3和多功能旋转输送器4的传输进行信号传输。
具体的，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、双向输出螺杆马达1、复合供电多参数测量探管2、有线传输钻杆3和多功能旋转输送器4，并将多功能旋转输送器4与泥浆泵6连接。
步骤二，钻进工况下地层物性参数动态测量：
开启泥浆泵6，经由多功能旋转输送器4向钻孔内提供高压水；在高压水驱动下，双向输出螺杆马达1的螺杆转子107回转，带动传动轴109和磁耦合短节105转动；利用传动轴109正向驱动头端的定向钻头7孔底回转碎岩，利用磁耦合短节105引起复合供电多参数测量探管2的内磁力耦合器214同步转动，带动发电机213发电；经发电电源稳压模块212处理后，为动态数据测量模块207供电，动态数据测量模块207控制自然伽马传感器210和电阻率传感器211工作，并将测量的自然伽马和电阻率地层物性参数数据传输至数据测量控制模块204；数据测量控制模块204通过信号载波处理模块203、有线信号传输接头215、有线传输钻杆3、多功能旋转输送器4将数据传输。
步骤三，停钻工况下钻孔轨迹参数静态测量：
当单根钻杆钻进完成后或判断钻孔实钻轨迹靠近目标地层边界时，关闭泥浆泵6，保持孔内复合供电多参数测量探管2处于静止状态，通过多功能旋转输送器4和有线传输钻杆3为复合供电多参数测量探管2中的数据测量控制模块204、静态数据测量模块206供电；静态数据测量模块206控制倾角传感器208和方位角传感器209工作，并将测量的倾角和方位角钻孔轨迹参数数据传输至数据测量控制模块204；数据测量控制模块204通过信号载波处理模块203、有线信号传输接头215、有线传输钻杆3和多功能旋转输送器4将数据传输；
步骤四，定向钻进轨迹导航决策：
根据步骤二和步骤三的测量数据和处理结果，实时更新定向钻孔延伸方向上的三维地质模型，修正定向钻孔设计轨迹，给出实钻轨迹与设计轨迹偏差，进行轨迹导航决策，控制定向钻孔沿目标地层延伸‘’
步骤五，完孔退钻：
重复步骤二至步骤四进行定向钻孔施工，直至达到设计深度后，退出孔内钻具，完成钻孔施工。
实施例3：
本实施例给出一种基于实施例2的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量方法，本实施例包括实施例2中的全部内容，在实施例2的基础上，本实施例还进一步包括以下内容。
本实施例中，如图10所示，多功能旋转输送器4上连接有多功能数据采集处理终端5，多功能数据采集处理终端5包括与电源模块501相连的主控板502，主控板502上连接有固定存储器503、触摸屏504和信号隔离电路505；信号隔离电路505的输出端分别与恒压供电电路507和移动存储器510相连，恒压供电电路507依次与信号载波电路508、供电通讯接口509和信号提取解调电路506相连，信号提取解调电路506与信号隔离电路505的输入端相连。
本实施例中，多功能数据采集处理终端5中的上述所有模块、主控板和电路均采用本领域已知常用的模块、主控板和电路。
多功能数据采集处理终端5用于为复合供电多参数测量探管2提供电能，接收和处理复合供电多参数测量探管2发送的测量数据。
本实施例中，该方法具体还包括以下步骤：
步骤一中，将多功能数据采集处理终端5安装在定向钻机8操作台处；多功能数据采集处理终端5与多功能旋转输送器4相连接。
步骤二中，多功能旋转输送器4将数据传输至多功能数据采集处理终端5，多功能数据采集处理终端5对测量数据进行处理和显示，实时判断钻遇地层岩性。
步骤三中，根据步骤二中得到的钻遇地层岩性判断钻孔实钻轨迹是否靠近目标地层边界。
多功能数据采集处理终端5通过多功能旋转输送器4和有线传输钻杆3为复合供电多参数测量探管2中的数据测量控制模块204、静态数据测量模块206供电。
有线传输钻杆3和多功能旋转输送器4将数据传输至多功能数据采集处理终端5；多功能数据采集处理终端5对测量数据进行处理和显示，获取实钻钻孔轨迹。
作为本实施例的一种优选方案，步骤二中，钻进工况下地层物性参数动态测量时，复合供电多参数测量探管2自行发电为动态数据测量模块207供电的同时，多功能数据采集处理终端5通过多功能旋转输送器4、有线传输钻杆3为复合供电多参数测量探管2的数据测量控制模块204供电。
作为本实施例的一种优选方案，步骤二和步骤三中，多功能数据采集处理终端5为复合供电多参数测量探管2有线供电的方法为：通过多功能数据采集处理终端5的恒压供电电路507向复合供电多参数测量探管2提供恒定电压的电源，经由信号载波电路508、供电通讯接口509、多功能旋转输送器4、有线传输钻杆3和有线信号传输接头215传输至复合供电多参数测量探管2的信号载波处理模块203，由信号载波处理模块203提取载波在供电电源上的控制指令后，将供电电源交由二次电源稳压模块205进行稳压处理，由二次电源稳压模块205为数据测量控制模块204、静态数据测量模块206供电。
作为本实施例的一种优选方案，步骤二和步骤三中，多功能数据采集处理终端5与复合供电多参数测量探管2之间采用有线传输方式进行双向信号传输，包括控制指令下传和测量数据上传两种模式：
控制指令下传模式：多功能数据采集处理终端5的信号载波电路508将控制指令载波在供电电源上，经由供电通讯接口509、多功能旋转输送器4、有线传输钻杆3和有线信号传输接头215传输至复合供电多参数测量探管2的信号载波处理模块203，由信号载波处理模块203提取载波在供电电源上的控制指令，并将控制指令发送至数据测量控制模块204，数据测量控制模块204根据控制指令控制静态数据测量模块206和动态数据测量模块207工作。
测量数据上传模式：复合供电多参数测量探管2的数据测量控制模块204获得静态数据测量模块206和动态数据测量模块207测量的数据后，利用信号载波处理模块203将测量数据载波在供电电源上，经由有线信号传输接头215、有线传输钻杆3和多功能旋转输送器4传输至多功能数据采集处理终端5的供电通讯接口509，由信号提取解调电路506提取载波在供电电源上的测量数据后，经由信号隔离电路505传递至主控板502，由主控板502进行处理和显示。
Claims (15)
1.一种煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统，包括从头部至尾部依次相连的定向钻头(7)、螺杆马达、测量探管、有线传输钻杆(3)和多功能旋转输送器(4)，所述的多功能旋转输送器(4)能够输送电能、信号和冲洗液，所述的多功能旋转输送器(4)上连接有泥浆泵(6)，其特征在于，所述的螺杆马达为双向输出螺杆马达(1)，所述的测量探管为复合供电多参数测量探管(2)；
所述的双向输出螺杆马达(1)包括外部管串和内部管串，所述的外部管串串包括从尾部至头部依次相连的磁耦合外管(101)、螺杆定子管(102)、万向外管(103)和传动外管(104)；所述的内部管串包括从尾部至头部依次相连的磁耦合短节(105)、第一柔性变向轴(106)、螺杆转子(107)、第二柔性变向轴(108)和传动轴(109)；
所述的磁耦合短节(105)转动式安装在磁耦合外管(101)内，螺杆转子(107)转动式安装在螺杆定子管(102)内，传动轴(109)转动式安装在传动外管(104)内，传动轴(109)的头端伸出至传动外管(104)的头端外用于安装定向钻头(7)；
所述的螺杆转子(107)的螺距与螺杆定子管(102)的螺距相同，所述的螺杆转子(107)的螺旋头数比螺杆定子管(102)的螺旋头数少一个，所述的螺杆转子(107)能够在泥浆泵(6)提供的高压水冲击作用下在螺杆定子管(102)内回转运动；
所述的复合供电多参数测量探管(2)包括探管外管(201)，探管外管(201)中设置有探管内管(202)，探管外管(201)和探管内管(202)之间为过流通道；所述的探管内管(202)中设置有信号载波处理模块(203)、数据测量控制模块(204)、二次电源稳压模块(205)、静态数据测量模块(206)、动态数据测量模块(207)、倾角传感器(208)、方位角传感器(209)、自然伽马传感器(210)、电阻率传感器(211)、发电电源稳压模块(212)、发电机(213)和内磁力耦合器(214)；
所述的内磁力耦合器(214)用于与所述的磁耦合短节(105)进行磁耦合；所述的探管内管(202)的尾端连接有线信号传输接头(215)，所述的有线信号传输接头(215)用于与有线传输钻杆(3)相连进行传输。
2.如权利要求1所述的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统，其特征在于，所述的磁耦合短节(105)包括中心轴(10501)；所述的中心轴(10501)的头端设置有与第一柔性变向轴(106)连接的螺纹，中心轴(10501)的尾端设置有过渡圆台(10502)，过渡圆台(10502)上连接有磁耦合环(10505)；
所述的中心轴(10501)外部设置有定位环(10503)，中心轴(10501)和定位环(10503)之间由两组及以上支撑肋(10504)连接形成过流通道；
所述的双向输出螺杆马达(1)与复合供电多参数测量探管(2)连接时，复合供电多参数测量探管(2)的探管内管(202)的头端伸入双向输出螺杆马达(1)的磁耦合环(10505)内，双向输出螺杆马达(1)的磁耦合环(10505)与位于探管内管(202)的头端的内磁力耦合器(214)相对设置进行磁耦合。
3.如权利要求2所述的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统，其特征在于，所述的磁耦合外管(101)内壁设置有一个限位台阶，所述的定位环(10503)的外壁设置有另一个限位台阶，限位台阶内安装有第一滚动轴承组(110)；所述的磁耦合短节(105)由第一滚动轴承组(110)居中支撑在磁耦合外管(101)内。
4.如权利要求2所述的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统，其特征在于，所述的磁耦合环(10505)为环形结构，磁耦合环(10505)的外径大于中心轴(10501)的内径，磁耦合环(10505)的管壁径向设置有两组及以上排孔，每组排孔包括两个及以上孔，孔内均安装有强力磁铁(10506)。
5.如权利要求1所述的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统，其特征在于，所述的传动轴(109)由锁紧环(111)、第一推力轴承组(112)、旋转密封塞(113)、第二滚动轴承组(114)和第二推力轴承组(115)居中定位在传动外管(104)内。
6.如权利要求1所述的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统，其特征在于，所述的传动轴(109)的头端设置有与定向钻头(7)连接的螺纹，传动轴(109)的尾端设置有与第二柔性变向轴(108)连接的螺纹，传动轴(109)内部设置有轴向过流盲孔(10901)，轴向过流盲孔(10901)底部设置有一个及以上径向导流孔(10902)。
7.如权利要求1所述的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统，其特征在于，所述的探管内管(202)的头端外壁上通过限位台阶安装有第一固定套(216)；所述的有线信号传输接头(215)上通过限位台阶安装有第二固定套(217)；第一固定套(216)和第二固定套(217)上均开设有过流孔；所述的探管外管(201)两端均设置有母螺纹，母螺纹根部均设置有锁紧螺纹；所述的第一固定套(216)、第二固定套(217)与探管外管(201)的锁紧螺纹连接，将探管内管(202)定位在探管外管(201)中。
8.如权利要求1所述的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统，其特征在于，所述的数据测量控制模块(204)分别与信号载波处理模块(203)、二次电源稳压模块(205)、静态数据测量模块(206)和动态数据测量模块(207)连接；所述的信号载波处理模块(203)分别与二次电源稳压模块(205)和有线信号传输接头(215)连接；所述的静态数据测量模块(206)分别与二次电源稳压模块(205)、倾角传感器(208)和方位角传感器(209)连接；所述的动态数据测量模块(207)与发电电源稳压模块(212)、发电机(213)和内磁力耦合器(214)依次连接，所述的动态数据测量模块(207)还与自然伽马传感器(210)和电阻率传感器(211)分别连接。
9.如权利要求1所述的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统，其特征在于，所述的多功能旋转输送器(4)上连接有多功能数据采集处理终端(5)，所述的多功能数据采集处理终端(5)包括与电源模块(501)相连的主控板(502)，主控板(502)上连接有固定存储器(503)、触摸屏(504)和信号隔离电路(505)；信号隔离电路(505)的输出端分别与恒压供电电路(507)和移动存储器(510)相连，恒压供电电路(507)依次与信号载波电路(508)、供电通讯接口(509)和信号提取解调电路(506)相连，信号提取解调电路(506)与信号隔离电路(505)的输入端相连。
10.一种煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量方法，其特征在于，该方法采用如1至8任一项所述的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量系统；
所述的双向输出螺杆马达(1)可在泥浆泵(6)提供的高压水驱动下，正向驱动定向钻头(7)孔底回转碎岩，反向驱动复合供电多参数测量探管(2)发电；
所述的复合供电多参数测量探管(2)采用自行发电供电和通过有线传输钻杆(3)和多功能旋转输送器(4)的传输进行有线供电的复合供电方式，在钻进工况下实时测量包括自然伽马和电阻率在内的地层物性参数数据，在停钻工况下实时测量包括倾角、方位角在内的钻孔轨迹参数数据，并通过有线传输钻杆(3)和多功能旋转输送器(4)的传输进行信号传输。
11.如权利要求10所述的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量方法，其特征在于，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)、双向输出螺杆马达(1)、复合供电多参数测量探管(2)、有线传输钻杆(3)和多功能旋转输送器(4)，并将多功能旋转输送器(4)与泥浆泵(6)连接；
步骤二，钻进工况下地层物性参数动态测量：
开启泥浆泵(6)，经由多功能旋转输送器(4)向钻孔内提供高压水；在高压水驱动下，双向输出螺杆马达(1)的螺杆转子(107)回转，带动传动轴(109)和磁耦合短节(105)转动；利用传动轴(109)正向驱动头端的定向钻头(7)孔底回转碎岩，利用磁耦合短节(105)引起复合供电多参数测量探管(2)的内磁力耦合器(214)同步转动，带动发电机(213)发电；经发电电源稳压模块(212)处理后，为动态数据测量模块(207)供电，动态数据测量模块(207)控制自然伽马传感器(210)和电阻率传感器(211)工作，并将测量的自然伽马和电阻率地层物性参数数据传输至数据测量控制模块(204)；数据测量控制模块(204)通过信号载波处理模块(203)、有线信号传输接头(215)、有线传输钻杆(3)、多功能旋转输送器(4)将数据传输；
步骤三，停钻工况下钻孔轨迹参数静态测量：
当单根钻杆钻进完成后或判断钻孔实钻轨迹靠近目标地层边界时，关闭泥浆泵(6)，保持孔内复合供电多参数测量探管(2)处于静止状态，通过多功能旋转输送器(4)和有线传输钻杆(3)为复合供电多参数测量探管(2)中的数据测量控制模块(204)、静态数据测量模块(206)供电；静态数据测量模块(206)控制倾角传感器(208)和方位角传感器(209)工作，并将测量的倾角和方位角钻孔轨迹参数数据传输至数据测量控制模块(204)；数据测量控制模块(204)通过信号载波处理模块(203)、有线信号传输接头(215)、有线传输钻杆(3)和多功能旋转输送器(4)将数据传输；
步骤四，定向钻进轨迹导航决策：
根据步骤二和步骤三的测量数据和处理结果，实时更新定向钻孔延伸方向上的三维地质模型，修正定向钻孔设计轨迹，给出实钻轨迹与设计轨迹偏差，进行轨迹导航决策，控制定向钻孔沿目标地层延伸‘’
步骤五，完孔退钻：
重复步骤二至步骤四进行定向钻孔施工，直至达到设计深度后，退出孔内钻具，完成钻孔施工。
12.如权利要求11所述的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量方法，其特征在于，所述的多功能旋转输送器(4)上连接有多功能数据采集处理终端(5)，所述的多功能数据采集处理终端(5)包括与电源模块(501)相连的主控板(502)，主控板(502)上连接有固定存储器(503)、触摸屏(504)和信号隔离电路(505)；信号隔离电路(505)的输出端分别与恒压供电电路(507)和移动存储器(510)相连，恒压供电电路(507)依次与信号载波电路(508)、供电通讯接口(509)和信号提取解调电路(506)相连，信号提取解调电路(506)与信号隔离电路(505)的输入端相连；
所述的多功能数据采集处理终端(5)用于为复合供电多参数测量探管(2)提供电能，接收和处理复合供电多参数测量探管(2)发送的测量数据；
该方法具体还包括以下步骤：
步骤一中，将多功能数据采集处理终端(5)安装在定向钻机(8)操作台处；多功能数据采集处理终端(5)与多功能旋转输送器(4)相连接；
步骤二中，多功能旋转输送器(4)将数据传输至多功能数据采集处理终端(5)，多功能数据采集处理终端(5)对测量数据进行处理和显示，实时判断钻遇地层岩性；
步骤三中，根据步骤二中得到的钻遇地层岩性判断钻孔实钻轨迹是否靠近目标地层边界；
多功能数据采集处理终端(5)通过多功能旋转输送器(4)和有线传输钻杆(3)为复合供电多参数测量探管(2)中的数据测量控制模块(204)、静态数据测量模块(206)供电；
所述的有线传输钻杆(3)和多功能旋转输送器(4)将数据传输至多功能数据采集处理终端(5)；多功能数据采集处理终端(5)对测量数据进行处理和显示，获取实钻钻孔轨迹。
13.如权利要求12所述的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量方法，其特征在于，步骤二中，钻进工况下地层物性参数动态测量时，复合供电多参数测量探管(2)自行发电为动态数据测量模块(207)供电的同时，多功能数据采集处理终端(5)通过多功能旋转输送器(4)、有线传输钻杆(3)为复合供电多参数测量探管(2)的数据测量控制模块(204)供电。
14.如权利要求12所述的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量方法，其特征在于，步骤二和步骤三中，多功能数据采集处理终端(5)为复合供电多参数测量探管(2)有线供电的方法为：通过多功能数据采集处理终端(5)的恒压供电电路(507)向复合供电多参数测量探管(2)提供恒定电压的电源，经由信号载波电路(508)、供电通讯接口(509)、多功能旋转输送器(4)、有线传输钻杆(3)和有线信号传输接头(215)传输至复合供电多参数测量探管(2)的信号载波处理模块(203)，由信号载波处理模块(203)提取载波在供电电源上的控制指令后，将供电电源交由二次电源稳压模块(205)进行稳压处理，由二次电源稳压模块(205)为数据测量控制模块(204)、静态数据测量模块(206)供电。
15.如权利要求12所述的煤矿井下复合供电全工况多参数随钻测量方法，其特征在于，步骤二和步骤三中，多功能数据采集处理终端(5)与复合供电多参数测量探管(2)之间采用有线传输方式进行双向信号传输，包括控制指令下传和测量数据上传两种模式：
控制指令下传模式：多功能数据采集处理终端(5)的信号载波电路(508)将控制指令载波在供电电源上，经由供电通讯接口(509)、多功能旋转输送器(4)、有线传输钻杆(3)和有线信号传输接头(215)传输至复合供电多参数测量探管(2)的信号载波处理模块(203)，由信号载波处理模块(203)提取载波在供电电源上的控制指令，并将控制指令发送至数据测量控制模块(204)，数据测量控制模块(204)根据控制指令控制静态数据测量模块(206)和动态数据测量模块(207)工作；
测量数据上传模式：复合供电多参数测量探管(2)的数据测量控制模块(204)获得静态数据测量模块(206)和动态数据测量模块(207)测量的数据后，利用信号载波处理模块(203)将测量数据载波在供电电源上，经由有线信号传输接头(215)、有线传输钻杆(3)和多功能旋转输送器(4)传输至多功能数据采集处理终端(5)的供电通讯接口(509)，由信号提取解调电路(506)提取载波在供电电源上的测量数据后，经由信号隔离电路(505)传递至主控板(502)，由主控板(502)进行处理和显示。
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