CN117684960A - 一种煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统及方法，包括依次相接的旋转阀短接、正脉冲短接、驱动短接和电路转换接头，电路转换接头后端依次连接电池筒短接和随钻测量短接；驱动短接能控制正脉冲短接中的活塞动作以控制封堵或打开锥形流道产生压力正脉冲；随钻测量短接采集模块能采集测量参数，随钻测量短接主控模块能控制旋转阀短接内伺服电机工作，以使旋转阀短接内的定子过流通道和转子过流通道重叠面积发生周期性变化，形成泥浆连续脉冲。本发明将正脉冲及连续脉冲发生装置集成到一起，能实现正脉冲短接、旋转阀短接独立工作，满足小数据量上传的同时满足大数据量上传，正脉冲短接、旋转阀短接交替工作有效降低了系统功耗。

Description

一种煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统及方法

技术领域

本发明属于随钻测量技术领域，具体涉及一种煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统及方法。

背景技术

煤矿井下定向钻进施工是进行瓦斯治理与抽采、水害防治、地质构造探查和火灾治理等重要途径和安全保障措施，而随钻测量系统是实现定向钻孔准确、高效施工的关键装备。随着煤矿开采水平的提高、地质条件日趋复杂及煤矿智能化、透明化建设的推进，对钻孔轨迹测量的精确性、钻进工程参数测量的多样性、地质参数测量的实时性提出了更高的要求，单一的轨迹参数测量已经不能满足煤矿智能化、透明化建设要求。

透明工作面建设、智能钻探、煤岩层识别、地质异常体辨识作为煤矿智能化建设关键环节，需要通过施工定向钻孔获取的钻孔轨迹参数(方位、倾角、工具面)、钻进工程参数(扭矩、钻压、振动、温度、转速、内外环空压力)、地质参数(方位伽马、电阻率)等多种类型参数支撑，目前煤矿井下钻探施工领域则以有线随钻测量、泥浆正脉冲随钻测量方式为主，主要通过测量钻孔轨迹参数(方位、倾角、工具面)来指导定向钻孔施工，但是有线随钻测量系统信号长距离传输可靠性差，传输距离受限，此外对钻具要求较高。而泥浆正脉冲发生器虽然克服了有线随钻测量系统存在的问题，但是传输速率较低，随着技术的发展，两者均不能满足大数据量传输的需要。连续波泥浆脉冲随钻测量系统的优点是传输速度快，可以满足大数据量传输需求，是目前研发的重点。但是连续波泥浆脉冲随钻测量系统在石油领域相对成熟，煤矿井下钻探领域还属空白，未见相关的仪器、论文、报道。由于煤矿井下钻探的特殊性，孔径大小和“煤安”要求限制了石油类仪器在煤矿井下使用的可能性。

并且随着各类型测量仪器的不断集成，获取参数类型多样，但并不需要所有类型参数同时上传，而是根据实际需求选择所需的参数类型，因此多类型参数上传主要以交替(小数据量)或者组合(大数据量)的方式上传，此外泥浆脉冲随钻测量系统普遍采用孔底供电形式，受钻具尺寸、“煤安”要求限制，电池容量不能无限制扩容，泥浆正脉冲随钻测量系统虽然功耗较小可以实现小数据量上传但是无法满足大数据量上传；连续脉冲随钻测量系统可以实现大、小数据量上传，但是存在小数据量上传功耗较大的问题，无法保证使用周期。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统及方法，解决上述数据上传以及功耗大等问题。

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：

一种煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统，包括依次相接的旋转阀短接、正脉冲短接、驱动短接和电路转换接头；

所述旋转阀短接包括旋转阀外管，以及设在旋转阀外管内且依次相连的电路转换器、电机箱体、万向轴、定子和转子；电机箱体内设有伺服电机，定子上设有多个定子过流通道，转子上设有多个转子过流通道；

所述正脉冲短接包括正脉冲外管，以及设在正脉冲外管内的活塞外套、活塞缸体、活塞外管、活塞上端盖、弹簧、活塞、导流环支座、导流环和过滤接头；所述过滤接头前端与转子相连，过滤接头后端与导流环的中心过流通道连通，导流环和导流环支座之间能围成锥形流道；活塞前端连通导流环的中心过流通道，活塞后端深入由活塞缸体、活塞外管和活塞上端盖围成的活塞腔体内，活塞后端与活塞腔体内的弹簧接触；

所述驱动短接中设有电磁阀，其能控制正脉冲短接中的活塞动作，以控制封堵或打开锥形流道，从而控制产生压力正脉冲；

所述旋转阀短接前端依次连接多个钻杆、送水器、压力变送器、孔口防爆计算机；所述电路转换接头后端依次连接电池筒短接、随钻测量短接；随钻测量短接包括采集模块和主控模块，采集模块能采集钻孔轨迹参数、钻进工程参数和地质参数，主控模块能对采集的参数进行编码调制并能控制旋转阀短接内伺服电机工作，以通过控制转子转动使定子过流通道和转子过流通道重叠面积发生周期性变化，形成泥浆连续脉冲；主控模块还能控制驱动短接内部电磁阀动作，形成泥浆正脉冲。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述电路转换器包括外环和内环，外环固定于旋转阀外管内壁，内环和外环之间连有过线桥，相邻过线桥之间为扇形过流通道，内环前后两端分别装有端盖和中心航插，外环上套设第二导环，过线桥内的第二绝缘导线连接第二导环和中心航插。

具体的，所述电机箱体包括圆柱状电机保护壳及其内的伺服电机；电机保护壳外壁设有多个矩形限位块，矩形限位块端部设有限位孔，电机保护壳通过限位孔及其内的固定螺栓限位于旋转阀外管内壁；伺服电机内置减速器，伺服电机与电机保护壳轴向硬链接，伺服电机的主轴穿过电机保护壳后端且主轴与电机保护壳后端部动密封，伺服电机接线端与电机保护壳前端航插连接，前端航插与中心航插配接；

所述万向轴前端连接伺服电机的主轴，后端连接转子的前端，以将伺服电机动力稳定传递至转子。

具体的，所述定子为盘状结构，定子通过其外壁的多个定位孔和螺栓限位固定于旋转阀外管内壁；定子中心设有中心通孔，转子能穿过中心通孔，定子上设有呈90°圆周均布的四个定子过流通道，定子过流通道呈扇形，定子过流通道靠近冲洗液流入端轮廓做5mm倒角处理，使其形成具有导流作用的导流槽结构；

所述转子包括由外至内布设的转子轴承外环、轴承球和转子轴承内盘，转子轴承内盘上设有多个转子过流通道；转子轴承内盘中心为传动轴，传动轴前端与万向轴相连，传动轴后端设有中心定位孔。

具体的，所述旋转阀外管包括旋转阀外管壳体，旋转阀外管壳体壁内设有通线孔，通线孔内设有第三绝缘导线，第三绝缘导线前后两端分别连接嵌在旋转阀外管壳体内壁的第四导环和第三导环；

电路转换器与旋转阀外管配接后，第二导环与第四导环压紧，从而使第二绝缘导线与所述第三绝缘导线导通。

具体的，所述过滤接头为中空结构，过滤接头前端设有定位凸台以插接配合中心定位孔，后端设有过滤器出水口，过滤接头侧壁设有多个过滤孔，能有效过滤直径≥1mm的固体颗粒，冲洗液从过滤接头外壁流入并沿过滤器出水口流出；过滤接头后端连接导流环；

具体的，所述导流环设在正脉冲外管内壁台阶面上并通过旋转阀外管顶紧，导流环中心设有中心过流通道，中心过流通道与过滤接头的过滤器出水口连通；导流环前部为圆盘状，导流环后部为锥形凸台；导流环前部设有导流环过流通道；所述导流环支座中心设有锥形通孔；导流环前部后端面压紧导流环支座前端面，使导流环后部与导流环支座的锥形通孔组合形成锥形流道，锥形流道出口成弧状；

所述导流环支座后端依次为活塞外套、活塞、活塞上端盖、活塞外管、弹簧、活塞缸体；活塞前端穿过活塞外套并深入导流环中心过流通道；活塞后端位于活塞腔体并顶至弹簧；正常状态下，活塞顶紧活塞上端盖内端面，此时活塞的活塞头堵住锥形流道出口，活塞为中空结构使冲洗液沿中心过流通道流经活塞进入活塞腔体中；当活塞顶至活塞缸体外端面，此时活塞的活塞头完全打开锥形流道出口。

具体的，所述活塞缸体为筒状结构，活塞杆缸体周向设有均布的定位巴掌，定位巴掌上均设有螺栓孔，活塞缸体内为活塞腔体，活塞缸体尾部为驱动短接连接端，驱动短接连接端用于配接驱动短接内部仪器串驱动头。

具体的，所述电路转换接头为双母结构，包括电路转换接头缸体，电路转换接头缸体一侧外壁设有三个呈120°圆周均布的过线孔，过线孔沟通电路转换接头缸体一侧外壁端面及中心通孔，过线孔中均设有第一绝缘导线，电路转换接头缸体一侧外壁端面设有第一导环，第一导环连接第一绝缘导线，中心通孔一端设有航空插头，中心通孔另一端设有电池接头，第一导环通过第一绝缘导线连接电池接头，电池接头通过第一绝缘导线连接航空插头。

一种所述的煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统的工控方法，步骤如下：控制泥浆泵注水压力值，当压力信号大于设定值K1且小于K2时，采用模式一进行数据采集，当压力信号大于设定值K2时，采用模式二进行数据采集，其中模式一只进行钻孔轨迹参数测量，模式二除了采集钻孔轨迹参数外还采集钻进工程参数、地质参数，具体参数类别根据随钻测量短接集成的采集模块种类决定；

模式一：采集模块采集钻孔轨迹参数，主控模块控制伺服电机控制转子旋转，转子旋转过程中，定子过流通道与转子过流通道流道重叠面积发生变化，记录ΔP_Max即定子过流通道与转子过流通道流道重叠面积最大位置，并且制动伺服电机传动轴在此位置，该过程为伺服电机自检调零过程；此时驱动短接内电磁阀发送控制信号，驱动电磁阀小阀头动作从而控制正脉冲短接活塞动作，按照特定编码封堵和打开导流环与导流环支座组合形成的锥形流道，从而产生压力正脉冲；

模式二：采集模块采集钻孔轨迹参数的同时采集钻进工程参数、地质参数，主控模块对采集的数据进行编码、调制，此时主控模块同样控制伺服电机执行自检调零过程后，按照特定编码控制伺服电机驱动转子旋转，定子过流通道与转子过流通道流道重叠面积发生周期性变化，形成泥浆连续脉冲。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明复合型泥浆脉冲随钻测量系统通过侧壁布线形式将正脉冲及连续脉冲发生装置集成到一起，可以实现正脉冲短接、旋转阀短接独立工作，满足小数据量上传的同时满足大数据量上传，正脉冲短接、旋转阀短接交替工作有效降低了系统功耗。

本发明系统适合井下多种施工工况，可以通过正脉冲上传钻孔轨迹参数指导常规定向钻进施工，同时可以通过连续脉冲上传钻孔轨迹参数、钻进工程参数及地质参数等多类型参数，可以有效指导本煤层定向钻孔、探放水孔、地质异常体探查孔等多类型定向钻孔施工。

本发明系统具有两种工作模式，通过控制供水压力进行模式选择，从而实现不同工况条件下的模式切换，该流程操作简单。

附图说明

图1是本发明系统整体连接示意图；

图2是本发明系统的脉冲发生器组件剖视图；

图3是本发明系统的脉冲发生器组件电路转换器主视图；

图4是本发明系统的脉冲发生器组件电路转换器B-B剖视图；

图5是本发明系统的脉冲发生器组件A-A剖视图；

图6是本发明系统的脉冲发生器组件定子主视图；

图7是本发明系统的脉冲发生器组件定子C-C剖视图；

图8是本发明系统的脉冲发生器组件转子主视图；

图9是本发明系统的脉冲发生器组件转子D-D剖视图；

图10是本发明系统的旋转阀短接侧壁过线外管剖视图；

图11是本发明系统的脉冲发生器组件过滤接头剖视图；

图12是本发明系统的脉冲发生器组件导流环主视图；

图13是本发明系统的脉冲发生器组件导流环E-E剖视图；

图14是本发明系统的脉冲发生器组件下缸体主视图；

图15是本发明系统的脉冲发生器组件下缸体F-F剖视图；

图16是本发明系统的电路转换接头剖视图；

图17是本发明系统使用方法流程图。

图中各个标号的含义为：

1.旋转阀短接，2.正脉冲短接，3.驱动短接，4.电路转换接头；

101.电路转换器，102.电机箱体，103.定子，104.转子，105.旋转阀外管，106.万向轴；

201.过滤接头，202.导流环，203.导流环支座，204.活塞，205.活塞上端盖，206.活塞外管，207.活塞缸体，208.弹簧，209.活塞外套，210.正脉冲外管；

401.电路转换接头缸体，402.第一绝缘导线，403.第一导环，404.航空插头，405.电池接头；

1011.中心航插，1012.扇形过流通道，1013.端盖，1014.第二导环，1015.第二绝缘导线；

1021.电机保护壳，1022.固定螺栓；

1031.定子过流通道，1032.中心通孔，1033.定位孔；

1041.转子轴承外环，1042.转子轴承内盘，1043.轴承球，1044.转子过流通道，1045.传动轴，1046.中心定位孔，1047.挡环；

1051.旋转阀外管壳体，1052.第三导环，1053.第四导环，1054.壳体定位孔，1055.第三绝缘导线；

2011.定位凸台，2012.过滤孔，2013.过滤器出水口；

2021.导流环过流通道，2022.锥形凸台，2023.中心过流通道；

2071.定位巴掌，2072.螺栓孔，2073.活塞腔体，2074.驱动短接连接端。

具体实施方式

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：

如图1至图16所示，本实施例提供一种煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统，包括依次相接的旋转阀短接1、正脉冲短接2、驱动短接3和电路转换接头4。

旋转阀短接1包括旋转阀外管105，以及设在旋转阀外管105内且依次相连的电路转换器101、电机箱体102、万向轴106、定子103和转子104；电机箱体102内设有伺服电机，定子103上设有多个定子过流通道1031，转子104上设有多个转子过流通道1044。

正脉冲短接2包括正脉冲外管210，以及设在正脉冲外管210内的活塞外套209、活塞缸体207、活塞外管206、活塞上端盖205、弹簧208、活塞204、导流环支座203、导流环202和过滤接头201；过滤接头201前端与转子104相连，过滤接头201后端与导流环202的中心过流通道2023连通，导流环202和导流环支座203之间能围成锥形流道；活塞204前端连通导流环202的中心过流通道2023，活塞204后端深入由活塞缸体207、活塞外管206和活塞上端盖205围成的活塞腔体2073内，活塞204后端与活塞腔体2073内的弹簧208接触；活塞204能轴向往复运动，且活塞204能封堵或打开锥形流道。

驱动短接3中设有电磁阀，其能控制正脉冲短接2中的活塞204动作，以控制封堵或打开导流环202与导流环支座203之间的锥形流道，从而控制产生压力正脉冲。具体的，锥形流道打开时，液流畅通压力值是稳定值，当锥形流道关闭时，压力升高，锥形流道交替开关产生的压力脉冲为正脉冲。

当不开泵时，活塞靠弹簧顶推力封堵锥形流道；开泵且不发脉冲信号时，通过流体压力差使得活塞右移一段距离，直至弹簧的力与阀头的作用力相平衡，此时锥形流道打开一定面积，不再增大；驱动短接为常规产品，该驱动短接内部有电磁阀结构，会根据特定编码规则伸出或收回电磁阀阀头，当开泵且发脉冲信号时，驱动短接内部电磁阀关闭(即伸出电磁阀阀头)，此时，活塞下端密闭腔不再与低压区连通，通过中心孔与高压区连通，活塞下端面受高压作用从而使活塞上移减小锥形流道面积，从而系统压力升高，当电磁阀阀头打开通道后，活塞下移，压力恢复正常，即产生一个正脉冲。

泥浆泵开泵后液流流入，分别沿着锥形流道及过滤接头流入活塞内通道，当不发送脉冲时，驱动短接内部的电磁阀属于打开状态(即收回电磁阀阀头)，导致活塞下端腔体为低压区，活塞头上端压力高于下端，液流流入锥形流道推动活塞右移打开锥形流道；锥形流道流出的液体流经活塞缸体和正脉冲外管之间的环隙。

旋转阀短接1前端依次连接多个钻杆、送水器、压力变送器、孔口防爆计算机；电路转换接头4后端依次连接电池筒短接、随钻测量短接；电池筒短接能为复合型泥浆脉冲随钻测量系统供电；随钻测量短接包括采集模块和主控模块，采集模块能采集钻孔轨迹参数、钻进工程参数和地质参数，主控模块能对采集的参数进行编码调制并能控制旋转阀短接1内伺服电机工作，以通过控制转子104转动使定子过流通道1031和转子过流通道1044重叠面积发生周期性变化，形成泥浆连续脉冲；主控模块还能控制驱动短接3内部电磁阀动作，形成泥浆正脉冲。

电路转换器101包括外环和内环，外环固定于旋转阀外管105内壁，内环和外环之间连有过线桥，相邻过线桥之间为扇形过流通道1012，内环前后两端分别装有端盖1013和中心航插1011，外环上套设第二导环1014，过线桥内的第二绝缘导线1015连接第二导环1014和中心航插1011；具体的，本实施例中，外环和内环均与旋转阀外管105同轴，过线桥沿外环径向布设，三个过线桥沿周向均布。

电机箱体102包括圆柱状电机保护壳1021及其内的伺服电机；电机保护壳1021外壁设有多个矩形限位块，矩形限位块端部设有限位孔，电机保护壳1021通过限位孔及其内的固定螺栓1022限位于旋转阀外管105内壁；本实施例中，矩形限位块有三个并沿电机保护壳1021外壁圆周均布；伺服电机内置减速器，伺服电机与电机保护壳1021轴向硬链接，伺服电机的主轴穿过电机保护壳1021后端且主轴与电机保护壳1021后端部动密封，伺服电机接线端与电机保护壳1021前端航插连接，前端航插与中心航插1011配接；万向轴106前端连接伺服电机的主轴，后端连接转子104的前端，以将伺服电机动力稳定传递至转子104。

定子103为盘状结构，定子103通过其外壁的多个定位孔1033和螺栓限位固定于旋转阀外管105内壁；本实施例中，定位孔1033有三个并沿定子103外壁圆周均布；定子103中心设有中心通孔1032，转子104能穿过中心通孔1032，定子103上设有呈90°圆周均布的四个定子过流通道1031，定子过流通道1031呈扇形，定子过流通道1031靠近冲洗液流入端轮廓做5mm倒角处理，使其形成具有导流作用的导流槽结构。

转子104包括由外至内布设的转子轴承外环1041、轴承球1043和转子轴承内盘1042，转子轴承内盘1042上设有多个转子过流通道1044；转子轴承内盘1042中心为传动轴1045，传动轴1045前端与万向轴106相连，传动轴1045后端设有中心定位孔1046；传动轴1045与万向轴106机械连接，且通过调整万向轴106与传动轴1045的连接深度控制转子104与定子103之间的距离，距离可调范围控制在2～5mm，从而控制压力脉冲幅值。转子轴承外环1041、轴承球1043、转子轴承内盘1042装配完成之后在冲洗液流入一侧的转子轴承外环1041端面焊接挡环1047，其主要作用是防止冲洗液沿着轴承球1043之间的缝隙卸压。中心定位孔1046与正脉冲短接2上部的过滤接头201配合连接，过滤接头201对转子104起到径向支撑作用，转子104外部的轴承结构起到径向限位的作用同时也能保证转子1044平稳旋转。

旋转阀外管105包括旋转阀外管壳体1051，旋转阀外管壳体1051壁内设有通线孔，通线孔内设有第三绝缘导线1055，第三绝缘导线1055前后两端分别连接嵌在旋转阀外管壳体1051内壁的第四导环1053和第三导环1052；具体的，旋转阀外管105采用侧壁布线结构，旋转阀外管壳体1051内壁设有三个呈120°圆周均布的通线孔，通线孔中均设有第三绝缘导线1055，第三绝缘导线1055两端分别连接第三导环1052、第四导环1053；旋转阀外管壳体1051侧壁有两组壳体定位孔1054，两组壳体定位孔1054均为三个且呈120°圆周均布，一组壳体定位孔1054用于限位固定电机保护壳1021，另一组壳体定位孔1054用于限位固定定子103。

电路转换器101与旋转阀外管105配接后，第二导环1014与第四导环1053压紧，从而使第二绝缘导线1015与第三绝缘导线1055导通，导通后能用于给电机供电。同样地，正脉冲外管210及驱动短接3外管均采用同种布线原则，通过外管之间的配合连接使得各自的导环端面相互压紧从而导通线路。

过滤接头201为中空结构，过滤接头201前端设有定位凸台2011以插接配合中心定位孔1046，后端设有过滤器出水口2013，过滤接头201侧壁设有多个过滤孔2012，能有效过滤直径≥1mm的固体颗粒，冲洗液从过滤接头201外壁流入并沿过滤器出水口2013流出；过滤接头201后端连接导流环202。

导流环202设在正脉冲外管210内壁台阶面上并通过旋转阀外管105顶紧，导流环202中心设有中心过流通道2023，中心过流通道2023与过滤接头201的过滤器出水口2013连通；导流环202前部为圆盘状，导流环202后部为锥形凸台2022；导流环202前部设有三个呈120°圆周均布的导流环过流通道2021；导流环支座203中心设有锥形通孔；导流环202前部后端面压紧导流环支座203前端面，使导流环202后部与导流环支座203的锥形通孔组合形成锥形流道，锥形流道出口成弧状。

导流环支座203后端依次为活塞外套209、活塞204、活塞上端盖205、活塞外管206、弹簧208、活塞缸体207；活塞204前端穿过活塞外套209并深入导流环202中心过流通道2023；活塞204后端位于活塞腔体2073并顶至弹簧208；正常状态下，活塞204顶紧活塞上端盖205内端面，此时活塞204的活塞204头堵住锥形流道出口，活塞204为中空结构使冲洗液沿中心过流通道2023流经活塞204进入活塞腔体2073中；活塞204能在腔体中自由移动一定距离，该距离为活塞上端盖205内端面到活塞缸体207外端面之间的间距，当活塞204顶至活塞缸体207外端面，此时活塞204的活塞204头完全打开锥形流道出口。

活塞缸体207为筒状结构，活塞204杆缸体周向设有三个呈120°圆周均布的定位巴掌2071，定位巴掌2071上均设有螺栓孔2072，活塞缸体207内为活塞腔体2073，活塞缸体207尾部为驱动短接连接端2074，驱动短接连接端2074用于配接驱动短接3内部仪器串驱动头。

电路转换接头4为双母结构，其作用是将侧壁布线结构转变为中心过线结构，从而配接后部电池筒短接内置的电池筒，使其可对上部驱动短接内部电磁阀及旋转阀短接1内部伺服电机供电；电路转换接头4包括电路转换接头缸体401，电路转换接头缸体401一侧外壁设有三个呈120°圆周均布的过线孔，过线孔沟通电路转换接头缸体401一侧外壁端面及中心通孔1032，过线孔中均设有第一绝缘导线402，电路转换接头缸体401一侧外壁端面设有第一导环403，第一导环403连接第一绝缘导线402，中心通孔1032一端设有航空插头404，中心通孔1032另一端设有电池接头405，第一导环403通过第一绝缘导线402连接电池接头405，电池接头405通过第一绝缘导线402连接航空插头404。

第一导环403、第二导环1014、第三导环1052及其他管体中涉及的导环与管体接触部分均做绝缘处理，可以在安装导环过程中对绝缘面涂抹绝缘胶进行处理。

实施例2：

本实施例提供一种权利要求1的煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统的工控方法，如图17所示，随钻测量短接不限于钻孔轨迹参数的采集，还可包括钻进工程参数采集(温度、转速、振动、钻具内部压力、钻具外部压力、扭矩、钻压等)、地质参数采集(伽马值、电阻率等)，介于上述多种类型数据采集工况下，为实现同一钻孔施工中需要交替采集不同种类及数量参数的情况下，具体步骤如下：控制泥浆泵注水压力值，当主控模块内部压力传感器采集的压力信号大于设定值K1且小于K2时，主控板采用模式一进行数据采集，当主控模块内部压力传感器采集的压力信号大于设定值K2时，主控板采用模式二进行数据采集，其中模式一只进行钻孔轨迹参数测量(方位、倾角、工具面)，模式二除了采集钻孔轨迹参数外还采集钻进工程参数、地质参数，具体参数类别根据随钻测量短接集成的采集模块种类决定。

具体包括以下模式：

模式一：采集模块采集钻孔轨迹参数(方位、倾角、工具面)，主控模块对采集的数据进行编码、调制，此时主控模块首先向电机驱动模块发送控制信号驱动伺服电机工作，伺服电机控制转子旋转，转子旋转过程中，定子过流通道与转子过流通道流道重叠面积发生变化，电机驱动模块记录ΔP_Max最大的位置(即定子过流通道与转子过流通道流道重叠面积最大位置)，并且制动伺服电机传动轴在此位置，该过程为伺服电机自检调零过程；此时控制模块向驱动短接内电磁阀发送控制信号，驱动电磁阀小阀头动作从而控制正脉冲短接活塞动作，按照特定编码封堵和打开导流环的锥形面与导流环支座的锥形面组合形成的锥形流道，从而产生压力正脉冲；

模式二：采集模块采集钻孔轨迹参数(方位、倾角、工具面)的同时采集钻进工程参数(温度、转速、振动、钻具内部压力、钻具外部压力、扭矩、钻压等)、地质参数(伽马值、电阻率等)，主控模块对采集的数据进行编码、调制，此时主控模块同样向电机驱动模块发送控制信号驱动伺服电机执行自检调零过程后，按照特定编码控制伺服电机驱动转子旋转，定子过流通道与转子过流通道流道重叠面积发生周期性变化，形成泥浆连续脉冲。

Claims (10)

1.一种煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统，其特征在于，包括依次相接的旋转阀短接(1)、正脉冲短接(2)、驱动短接(3)和电路转换接头(4)；

所述旋转阀短接(1)包括旋转阀外管(105)，以及设在旋转阀外管(105)内且依次相连的电路转换器(101)、电机箱体(102)、万向轴(106)、定子(103)和转子(104)；电机箱体(102)内设有伺服电机，定子(103)上设有多个定子过流通道(1031)，转子(104)上设有多个转子过流通道(1044)；

所述正脉冲短接(2)包括正脉冲外管(210)，以及设在正脉冲外管(210)内的活塞外套(209)、活塞缸体(207)、活塞外管(206)、活塞上端盖(205)、弹簧(208)、活塞(204)、导流环支座(203)、导流环(202)和过滤接头(201)；所述过滤接头(201)前端与转子(104)相连，过滤接头(201)后端与导流环(202)的中心过流通道(2023)连通，导流环(202)和导流环支座(203)之间能围成锥形流道；活塞(204)前端连通导流环(202)的中心过流通道(2023)，活塞(204)后端深入由活塞缸体(207)、活塞外管(206)和活塞上端盖(205)围成的活塞腔体(2073)内，活塞(204)后端与活塞腔体(2073)内的弹簧(208)接触；

所述驱动短接(3)中设有电磁阀，其能控制正脉冲短接(2)中的活塞(204)动作，以控制封堵或打开锥形流道，从而控制产生压力正脉冲；

所述旋转阀短接(1)前端依次连接多个钻杆、送水器、压力变送器、孔口防爆计算机；所述电路转换接头(4)后端依次连接电池筒短接、随钻测量短接；随钻测量短接包括采集模块和主控模块，采集模块能采集钻孔轨迹参数、钻进工程参数和地质参数，主控模块能对采集的参数进行编码调制并能控制旋转阀短接(1)内伺服电机工作，以通过控制转子(104)转动使定子过流通道(1031)和转子过流通道(1044)重叠面积发生周期性变化，形成泥浆连续脉冲；主控模块还能控制驱动短接(3)内部电磁阀动作，形成泥浆正脉冲。

2.如权利要求1所述的煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统，其特征在于，所述电路转换器(101)包括外环和内环，外环固定于旋转阀外管(105)内壁，内环和外环之间连有过线桥，相邻过线桥之间为扇形过流通道(1012)，内环前后两端分别装有端盖(1013)和中心航插(1011)，外环上套设第二导环(1014)，过线桥内的第二绝缘导线(1015)连接第二导环(1014)和中心航插(1011)。

3.如权利要求2所述的煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统，其特征在于，所述电机箱体(102)包括圆柱状电机保护壳(1021)及其内的伺服电机；电机保护壳(1021)外壁设有多个矩形限位块，矩形限位块端部设有限位孔，电机保护壳(1021)通过限位孔及其内的固定螺栓(1022)限位于旋转阀外管(105)内壁；伺服电机内置减速器，伺服电机与电机保护壳(1021)轴向硬链接，伺服电机的主轴穿过电机保护壳(1021)后端且主轴与电机保护壳(1021)后端部动密封，伺服电机接线端与电机保护壳(1021)前端航插连接，前端航插与中心航插(1011)配接；

所述万向轴(106)前端连接伺服电机的主轴，后端连接转子(104)的前端，以将伺服电机动力稳定传递至转子(104)。

4.如权利要求1所述的煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统，其特征在于，所述定子(103)为盘状结构，定子(103)通过其外壁的多个定位孔(1033)和螺栓限位固定于旋转阀外管(105)内壁；定子(103)中心设有中心通孔(1032)，转子(104)能穿过中心通孔(1032)，定子(103)上设有呈90°圆周均布的四个定子过流通道(1031)，定子过流通道(1031)呈扇形，定子过流通道(1031)靠近冲洗液流入端轮廓做5mm倒角处理，使其形成具有导流作用的导流槽结构；

所述转子(104)包括由外至内布设的转子轴承外环(1041)、轴承球(1043)和转子轴承内盘(1042)，转子轴承内盘(1042)上设有多个转子过流通道(1044)；转子轴承内盘(1042)中心为传动轴(1045)，传动轴(1045)前端与万向轴(106)相连，传动轴(1045)后端设有中心定位孔(1046)。

5.如权利要求1所述的煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统，其特征在于，所述旋转阀外管(105)包括旋转阀外管壳体(1051)，旋转阀外管壳体(1051)壁内设有通线孔，通线孔内设有第三绝缘导线(1055)，第三绝缘导线(1055)前后两端分别连接嵌在旋转阀外管壳体(1051)内壁的第四导环(1053)和第三导环(1052)；

电路转换器(101)与旋转阀外管(105)配接后，第二导环(1014)与第四导环(1053)压紧，从而使第二绝缘导线(1015)与所述第三绝缘导线(1055)导通。

6.如权利要求4所述的煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统，其特征在于，所述过滤接头(201)为中空结构，过滤接头(201)前端设有定位凸台(2011)以插接配合中心定位孔(1046)，后端设有过滤器出水口(2013)，过滤接头(201)侧壁设有多个过滤孔(2012)，能有效过滤直径≥1mm的固体颗粒，冲洗液从过滤接头(201)外壁流入并沿过滤器出水口(2013)流出；过滤接头(201)后端连接导流环(202)。

7.如权利要求1所述的煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统，其特征在于，所述导流环(202)设在正脉冲外管(210)内壁台阶面上并通过旋转阀外管(105)顶紧，导流环(202)中心设有中心过流通道(2023)，中心过流通道(2023)与过滤接头(201)的过滤器出水口(2013)连通；导流环(202)前部为圆盘状，导流环(202)后部为锥形凸台(2022)；导流环(202)前部设有导流环过流通道(2021)；所述导流环支座(203)中心设有锥形通孔；导流环(202)前部后端面压紧导流环支座(203)前端面，使导流环(202)后部与导流环支座(203)的锥形通孔组合形成锥形流道，锥形流道出口成弧状；

所述导流环支座(203)后端依次为活塞外套(209)、活塞(204)、活塞上端盖(205)、活塞外管(206)、弹簧(208)、活塞缸体(207)；活塞(204)前端穿过活塞外套(209)并深入导流环(202)中心过流通道(2023)；活塞(204)后端位于活塞腔体(2073)并顶至弹簧(208)；正常状态下，活塞(204)顶紧活塞上端盖(205)内端面，此时活塞(204)的活塞(204)头堵住锥形流道出口，活塞(204)为中空结构使冲洗液沿中心过流通道(2023)流经活塞(204)进入活塞腔体(2073)中；当活塞(204)顶至活塞缸体(207)外端面，此时活塞(204)的活塞(204)头完全打开锥形流道出口。

8.如权利要求1所述的煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统，其特征在于，所述活塞缸体(207)为筒状结构，活塞(204)杆缸体周向设有均布的定位巴掌(2071)，定位巴掌(2071)上均设有螺栓孔(2072)，活塞缸体(207)内为活塞腔体(2073)，活塞缸体(207)尾部为驱动短接连接端(2074)，驱动短接连接端(2074)用于配接驱动短接(3)内部仪器串驱动头。

9.如权利要求1所述的煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统，其特征在于，所述电路转换接头(4)为双母结构，包括电路转换接头缸体(401)，电路转换接头缸体(401)一侧外壁设有三个呈120°圆周均布的过线孔，过线孔沟通电路转换接头缸体(401)一侧外壁端面及中心通孔(1032)，过线孔中均设有第一绝缘导线(402)，电路转换接头缸体(401)一侧外壁端面设有第一导环(403)，第一导环(403)连接第一绝缘导线(402)，中心通孔(1032)一端设有航空插头(404)，中心通孔(1032)另一端设有电池接头(405)，第一导环(403)通过第一绝缘导线(402)连接电池接头(405)，电池接头(405)通过第一绝缘导线(402)连接航空插头(404)。

10.一种权利要求1所述的煤矿井下复合型泥浆脉冲随钻测量系统的工控方法，其特征在于，步骤如下：控制泥浆泵注水压力值，当压力信号大于设定值K1且小于K2时，采用模式一进行数据采集，当压力信号大于设定值K2时，采用模式二进行数据采集，其中模式一只进行钻孔轨迹参数测量，模式二除了采集钻孔轨迹参数外还采集钻进工程参数、地质参数，具体参数类别根据随钻测量短接集成的采集模块种类决定；

模式一：采集模块采集钻孔轨迹参数，主控模块控制伺服电机控制转子旋转，转子旋转过程中，定子过流通道与转子过流通道流道重叠面积发生变化，记录ΔP_Max即定子过流通道与转子过流通道流道重叠面积最大位置，并且制动伺服电机传动轴在此位置，该过程为伺服电机自检调零过程；此时驱动短接内电磁阀发送控制信号，驱动电磁阀小阀头动作从而控制正脉冲短接活塞动作，按照特定编码封堵和打开导流环与导流环支座组合形成的锥形流道，从而产生压力正脉冲；

模式二：采集模块采集钻孔轨迹参数的同时采集钻进工程参数、地质参数，主控模块对采集的数据进行编码、调制，此时主控模块同样控制伺服电机执行自检调零过程后，按照特定编码控制伺服电机驱动转子旋转，定子过流通道与转子过流通道流道重叠面积发生周期性变化，形成泥浆连续脉冲。