CN219034695U - 一种煤矿井下定向千米钻机智能钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种煤矿井下定向千米钻机智能钻头，涉及智能钻头技术领域，包括：钻杆、螺杆马达和钻头末端；钻杆上安装有中继短节与第一压力传感器；中继短节上的第一控制器与第一压力传感器电性连接；钻头末端开设有电子密封舱；电子密封舱内的第二控制器分别与电子密封舱内的角速度传感器、第二压力传感器、钻头末端的力学传感器电性连接；第一控制器与第二控制器电性连接，并且第一控制器与上位机进行数据交互。本实用新型的有益效果是，可以在钻进过程的同时测量钻进压力、螺杆马达前后的钻井液体水压以及钻头旋转速度，并将信息发送至上位机，能够及时获取相关钻进信息，方便根据钻进信息跟踪设计钻进轨迹。

Description

一种煤矿井下定向千米钻机智能钻头

技术领域

本实用新型涉及智能钻头技术领域，更具体的说是涉及一种煤矿井下定向千米钻机智能钻。

背景技术

目前，随着我国煤炭事业的发展，矿用水平定向钻机的应用也越来越广泛，钻井轨迹跟踪设计轨迹显得尤为重要。在跟随设计轨迹的过程中，钻头当前信息的获取成为实钻轨迹跟踪设计轨迹的重要途经。

但是，钻进轨迹的预测与控制受到诸如钻井液水压、钻头切向力、钻进速度、钻头旋转速度等多方面的影响，现有技术如专利名称为大直径聚晶金刚石钻头加螺杆钻具，申请人为上海中盟石油天然气有限公司的中国专利CN200820060857.2，该专利中螺杆钻具与大直径聚晶金刚石钻头直接连接，再在螺杆钻具上面连接常规钻具的新型钻具，提高钻井速度，缩短钻井时间，其中，钻头在钻井液的带动下发生强烈旋转从而带动钻杆前进，当钻井液通过旁通阀被进入螺杆钻具马达时，会在螺杆钻具马达的出口处产生压力差，但难以获取相关钻进信息，为跟踪设计轨迹带来诸多不便。

因此，如何设计一种能够测量钻进压力、钻井液体水压以及钻头旋转速度的智能钻头是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种煤矿井下定向千米钻机智能钻头，能够测量钻进压力、螺杆马达前后钻井液水压以及钻头旋转速度，并且将数据通过无线传输的方式发送至钻杆部分。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种煤矿井下定向千米钻机智能钻头，包括：钻杆、螺杆马达和钻头末端；

所述钻杆上安装有中继短节与第一压力传感器；

所述中继短节上安装有第一控制器，所述第一控制器与所述第一压力传感器电性连接；

所述钻头末端设置有力学传感器；

所述钻头末端开设有电子密封舱；

所述电子密封舱内设置有第二控制器、角速度传感器和第二压力传感器，所述第二控制器分别与所述角速度传感器、所述第二压力传感器、所述力学传感器电性连接；

所述第一控制器与所述第二控制器电性连接，并且所述第一控制器与上位机进行数据交互。

由螺杆马达前端设置的第二压力传感器与螺杆马达后端设置的第一压力传感器完成对螺杆马达前后钻井液水压的测量；由角速度传感器和力学传感器完成对钻头转速和钻头末端处钻压的测量。

进一步地，所述第二控制器内设置有第二信号收发器、第二存储器、第二电源管理模块和第二信号采集与处理模块；所述第二信号收发器、第二存储器、第二电源管理模块和第二信号采集与处理模块电性连接。由第二信号采集与处理模块完成对第二压力传感器、力学传感器和角速度传感器的信息采集与处理，计算当前钻头所处位置；并将数据打包通过第二信号收发器发送至中继短节。

进一步地，所述第一控制器内设置有第一信号收发器、第一存储器、第一电源管理模块和第一信号采集与处理模块；所述第一信号收发器、第一存储器、第一电源管理模块和第一信号采集与处理模块电性连接；其中，第一信号收发器接收来自第二信号收发器的数据，通过第一信号采集与处理模块采集第一压力传感器的信息，对信息进行处理，并将处理完成后的数据由钻杆中心穿缆传输至上位机。

进一步地，所述第一信号采集与处理模块为每10秒采样一次，采集结束后进入休眠状态。

进一步地，所述第一控制器与所述第一信号收发器通过SPI连接。

进一步地，所述第二信号采集与处理模块为每10秒采样一次，采集结束后进入休眠状态。

进一步地，所述第二控制器与所述第二信号收发器通过SPI连接。

信号采集与处理模块的采样时间按可选择每10秒采样一次，采集结束后进入休眠状态，以节省电能。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开了一种煤矿井下定向千米钻机智能钻头，包括：钻杆、螺杆马达和钻头末端；钻杆上安装有中继短节与第一压力传感器；中继短节上安装有第一控制器，第一控制器与第一压力传感器电性连接；钻头末端设置有力学传感器；钻头末端开设有电子密封舱；电子密封舱内设置有第二控制器、角速度传感器和第二压力传感器，第二控制器分别与角速度传感器、第二压力传感器、力学传感器电性连接；第一控制器与第二控制器电性连接，并且第一控制器与上位机进行数据交互。本实用新型通过螺杆马达前端的第二压力传感器、螺杆马达后端的第一压力传感器、力学传感器和角速度传感器分别获取螺杆马达前后的水压信号、钻头末端钻进压力信号和钻头转速的角速度信号；在电子密封舱内部完成对螺杆马达前水压信号、钻头末端钻进压力信号和钻头角速度信号的采集以及数据处理和传输；中继短节部分完成对螺杆马达后水压信号的采集，并接收来自电子密封舱的信息，将处理完成后的数据与接收到的数据一起由钻杆中心穿缆传输至上位机；本实用新型的有益效果是，可以在钻进过程的同时测量钻进压力、螺杆马达前后的钻井液体水压以及钻头旋转速度，并将信息发送至上位机，能够及时获取相关钻进信息，方便根据钻进信息跟踪设计钻进轨迹。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型智能钻头的结构示意图；

图2为本实用新型电子密封舱或中继短节的结构示意图；

图3为本实用新型的硬件电路图。

其中，钻杆-1、螺杆马达-2、电子密封舱-3、钻头末端-4、中继短节-5、第一压力传感器-6、角速度传感器-7、第二压力传感器-8、力学传感器-9。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开了一种煤矿井下定向千米钻机智能钻头，如图1所示，包括：钻杆1、螺杆马达2和钻头末端4；

所述钻杆1上安装有中继短节5与第一压力传感器6；

所述中继短节5上安装有第一控制器，所述第一控制器与所述第一压力传感器6电性连接；

所述钻头末端4设置有力学传感器9；

所述钻头末端4开设有电子密封舱3；

所述电子密封舱3内设置有第二控制器、角速度传感器7和第二压力传感器8，所述第二控制器分别与所述角速度传感器7、所述第二压力传感器8、所述力学传感器9电性连接；

所述第一控制器与所述第二控制器电性连接，并且所述第一控制器与上位机进行数据交互。

其中，由螺杆马达2前端设置的第二压力传感器8与螺杆马达2后端设置的第一压力传感器6完成对螺杆马达2前后钻井液水压的测量；由角速度传感器7和力学传感器9完成对钻头转速和钻头末端钻压的测量。

在实用新型的一个实施例中，第二控制器内设置有第二信号收发器、第二存储器、第二电源管理模块和第二信号采集与处理模块；第二信号收发器、第二存储器、第二电源管理模块和第二信号采集与处理模块电性连接。由第二信号采集与处理模块完成对螺杆马达2前端设置的第二压力传感器8、力学传感器9和角速度传感器7的信息采集与处理，计算当前钻头所处位置；并通过第二信号收发器将数据发送到第一信号收发器。

第一控制器内设置有第一信号收发器、第一存储器、第一电源管理模块和第一信号采集与处理模块；第一信号收发器、第一存储器、第一电源管理模块和第一信号采集与处理模块电性连接。第一信号收发器接收来自第二信号收发器的数据，通过第一信号采集与处理模块采集螺杆马达2后端设置的第一压力传感器6的信息，对信息进行处理，并将处理完成后的数据与接收到的数据一起由钻杆中心穿缆传输至上位机。

第一信号采集与处理模块为每10秒采样一次，采集结束后进入休眠状态；所述第一控制器与所述第一信号收发器通过SPI连接。所述第二信号采集与处理模块为每10秒采样一次，采集结束后进入休眠状态；所述第二控制器与所述第二信号收发器通过SPI连接。信号采集与处理模块的采样时间按可选择每10秒采样一次，采集结束后进入休眠状态，以节省电能。

在电源管理模块中，电源部分采用9-12VDC可充电高密度锂电池，锂电池经DC/DC转换器转换为系统各部分所需要的电压，供整个系统正常工作。

在本实用新型的另一个实施例中，如图3所示，硬件电路部分为基于意法半导体的STM32F405RGT6单片机，包括A/D接口、FSMC接口、SPI接口1、SPI接口2、电源管理、程序下载接口、实时时间(RTC)，其中，A/D接口通过信号调理电路连接传感器，对采集到的信号进行处理；电源管理包括DC/DC转换器。信号收发器为ALK8266WIFI高速模组，通过信号收发器完成电子密封舱与中继短节之间的数据传输，实现单片机高速WIFI通信传输；电源部分采用9-12VDC可充电高密度锂电池经DC/DC转换器转换为系统各部分所需要的电压，供整个系统正常工作，所有器件选型和单片机工作状态都以低功耗作为先决条件。

本实用新型可以在钻进过程的同时测量钻进压力、螺杆马达前后的钻井液体水压以及钻头旋转速度，并将信息发送至上位机，能够及时获取相关钻进信息，方便根据钻进信息跟踪设计钻进轨迹。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种煤矿井下定向千米钻机智能钻头，其特征在于，包括：依次连接的钻杆(1)、螺杆马达(2)和钻头末端(4)；

所述钻杆(1)上安装有中继短节(5)与第一压力传感器(6)；

所述中继短节(5)上安装有第一控制器，所述第一控制器与所述第一压力传感器(6)电性连接；

所述钻头末端(4)设置有力学传感器(9)；

所述钻头末端(4)开设有电子密封舱(3)；

所述电子密封舱(3)内设置有第二控制器、角速度传感器(7)和第二压力传感器(8)，所述第二控制器分别与所述角速度传感器(7)、所述第二压力传感器(8)、所述力学传感器(9)电性连接；

所述第一控制器与所述第二控制器电性连接，并且所述第一控制器与上位机进行数据交互。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下定向千米钻机智能钻头，其特征在于，所述第一控制器内设置有第一信号收发器、第一存储器、第一电源管理模块和第一信号采集与处理模块；所述第一信号收发器、所述第一存储器、所述第一电源管理模块和所述第一信号采集与处理模块电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下定向千米钻机智能钻头，其特征在于，所述第二控制器内设置有第二信号收发器、第二存储器、第二电源管理模块和第二信号采集与处理模块；所述第二信号收发器、所述第二存储器、所述第二电源管理模块和所述第二信号采集与处理模块电性连接。

4.根据权利要求2所述的一种煤矿井下定向千米钻机智能钻头，其特征在于，所述第一信号采集与处理模块为每10秒采样一次，采集结束后进入休眠状态。

5.根据权利要求2所述的一种煤矿井下定向千米钻机智能钻头，其特征在于，所述第一控制器与所述第一信号收发器通过SPI连接。

6.根据权利要求3所述的一种煤矿井下定向千米钻机智能钻头，其特征在于，所述第二信号采集与处理模块为每10秒采样一次，采集结束后进入休眠状态。

7.根据权利要求3所述的一种煤矿井下定向千米钻机智能钻头，其特征在于，所述第二控制器与所述第二信号收发器通过SPI连接。

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