一种煤矿井下防爆型电磁波无线随钻测量系统及其使用方法

摘要

本发明涉及一种随钻测量系统，尤其是涉及一种煤矿井下防爆型电磁波无线随钻测量系统及其使用方法。本发明的煤矿井下防爆型电磁波无线随钻测量系统由孔内仪器和孔口仪器组成，其中孔内仪器包括测量短节1、充电电池筒2和发控短节3，孔口仪器包括接收天线4和防爆计算机5。系统工作时，利用孔内仪器实时测量钻孔孔内工程参数，然后采用电磁波无线传输方式通过钻杆柱和煤系地层将数据传输至孔口，由孔口接收天线接收后交由防爆计算机5进行处理和显示。本系统具有连续工作和间歇工作两种工作模式，以电磁波作为信号载体，采用电磁波脉冲作为数据传输方式，不需要通讯电缆即可对钻孔轨迹复测或钻孔孔内工程参数随钻测量，具有多用性、实时性和防爆特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种随钻测量系统，尤其是涉及一种煤矿井下防爆型 电磁波无线随钻测量系统及其使用方法。

背景技术

煤矿井下钻探施工是我国钻探技术领域的重要组成部分，是煤矿 井下瓦斯灾害、底板突水与冲击矿压等矿山建设与生产过程中安全灾 害的重要防治措施。煤矿井下钻探施工初期以回转钻进和稳定组合钻 具定向钻进为主，可以辅以单点测斜仪或多点测斜仪对钻孔进行复 测，从而在钻孔完成后对钻孔轨迹进行掌握，但是由于需要专门购置 测斜仪器，目前大部分常规钻孔未进行钻孔轨迹复测。

进入20世纪90年代以后，随着钻进工具、钻孔弯曲测量技术的 发展，特别是微电子学、微型计算机和航空航天技术的引用，煤矿井 下钻探技术得到了迅速发展，研制开发出了孔底马达随钻测量定向钻 进技术，该技术实现了对钻孔轨迹的实时测量和控制。

随钻测量系统是孔底马达随钻测量定向钻进技术得以实现的关 键。目前煤矿井下以有线随钻测量方式为主，通过特制的中心通缆式 钻杆作为信号传输通道，实现了双向通讯和信息实时上传。但随着煤 矿井下定向钻进技术的推广，现有技术的缺陷和不足逐渐暴露出来， 有线随钻测量系统信号长距离传输可靠性差、传输距离受到限制，此 外对钻杆等钻具要求较高。

随钻测量系统按信息传输介质的不同可分为有线式随钻测量和 无线式随钻测量。无线传输技术是解决以上问题的好办法，该技术目 前在石油钻探领域应用较多，且主要采用泥浆脉冲作为信号传输方 式，相应技术比较成熟。但是由于具有高湿度、大粉尘和瓦斯爆炸性 气体的煤矿井下，施工条件和环境相对较差，对仪器的电气性能、防 爆性能要求更高，施工工艺与钻探参数与石油钻井差别较大，不能直 接将地面石油钻探领域使用的随钻测量系统直接引用到煤矿井下钻 探施工中来，需要结合煤矿井下钻探的特点，研制出相应的无线随钻 测量系统。

但是在煤矿井下，随钻测量定向钻进技术仍处于发展阶段，具有 防爆特性的电磁波无线随钻测量系统的使用，还未见明确报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有有线随钻测量系统存在的不足及钻孔 轨迹复测的需要，提供一种结构简单紧凑，对钻杆等钻具要求较小， 功能齐全，既适合煤矿井下钻探工艺，又满足钻孔轨迹复测要求，且 整个系统采用防爆设计，能够在煤矿井下爆炸性气体环境下进行工作 的煤矿井下防爆型电磁波无线随钻测量系统及其使用方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种煤矿井下防爆型电磁波无线随钻测量系统，其特征在于：由 孔内仪器和孔口仪器组成，所有仪器均为防爆器件，所述孔内仪器包 括测量短节、发控短节和充电电池筒；所述孔口仪器包括接收天线和 防爆计算机。其中，充电电池筒位于测量短节与发控短节之间，发控 短节与接收天线无线连接，接收天线与防爆计算机进行连接。孔内仪 器主要功能为实时测量钻孔孔内工程参数并以无线电磁波方式将测 量数据发射至孔口；孔口仪器主要功能为对下入钻孔前的孔内仪器进 行设置，接收电磁波无线信号并进行处理、显示和管理。

其中，所述测量短节结构上由定位头、下绝缘环、测量电路仓和 连接头依次连接组成，定位头用于与绝缘短节以下无磁外管连接固 定；连接头用于与充电电池筒连接，下绝缘环位于定位头和测量电路 仓之间，长度不限，用于将仪器本体与定位头隔开。所述测量短节用 于检测孔内工程参数，即倾角、方位角、工具面向角、磁场强度、电 压和温度等；作为电磁波信号发射的一个电极，该电极将信号通过绝 缘短节下部钻杆柱传递给煤系地层并上传至孔口。

其中，所述发控短节电气上由CPU控制器、压力检测单元、压 力传感器、驱动单元、发射单元、发射限流单元、存储单元、隔离单 元和电池监测单元等组成，所述的CPU控制器分别与压力检测单元、 驱动单元、发射限流单元、存储单元、隔离单元和电池监测单元连接； 所述的压力传感器与压力检测单元连接，所述的发射单元分别与驱动 单元和发射限流单元连接。结构上由连接头、发控电路仓、上绝缘环、 压力传感器仓和固定组件依次连接组成，连接头和固定组件分别位于 两端，连接头用于与充电电池筒连接，固定组件用于将仪器与绝缘短 节以上无磁外管连接固定，发控电路仓用于安装发控电路板，压力传 感器仓用于安装压力传感器，上绝缘环用于将发控电路仓与压力传感 器仓隔开，长度大于10cm，从而使压力传感器仓和固定组件作为电 磁波信号发射的一个电极，仪器使用时，绝缘环应和外管绝缘短节径 向位置相同。

所述发控短节用于控制所有孔内仪器的工作状态，根据测量需要 控制测量短节和防爆压力传感器启停；在接收到测量短节检测的孔内 工程参数后，按预定的编码规则将数据调制成电流信号并通过仪器两 端发射到钻杆柱和煤系地层；作为电磁波信号发射的一个电极，该电 极将信号通过绝缘短节上部钻杆柱上传至孔口钻探装备；

其中，所述充电电池筒由两组镍氢可充电电池组和各自的保护电 路组成，两端分别与测量短节和发控短节连接，用于为测量短节和发 控短节单独供电。两组电池组容量、电压和工作电流均不相同，可集 中进行充电。

其中，所述接收天线由两根铜棒组成，其中一根与孔口钻探装备 连接，另一根插入在离孔口一定距离的煤系地层中，分别用于接收孔 内仪器通过钻杆柱和煤系地层发射至孔口的电磁波无线信号。

其中，所述防爆计算机通过安装在其内的信号采集电路板采集接 收天线传递来的电磁波无线信号，采用放大、滤波和解码等方法对信 号进行处理后，将解调后的孔内工程参数按照通讯协议发送给数据处 理软件，进行计算、显示、绘图和管理。

其中，所述煤矿井下防爆型电磁波无线随钻测量系统具有连续工 作和间歇工作两种工作模式，当用于钻孔轨迹复测时，可采用连续工 作模式时；当用于煤矿井下钻探施工时随钻测量时，可采用间歇工作 模式；当先进行钻孔轨迹复测，然后进行钻探施工时随钻测量时，可 混合使用两种工作模式。

本发明同时公开了一种煤矿井下防爆型电磁波无线随钻测量系 统的使用方法，其工作步骤包括：

步骤一，每次孔内仪器下入钻孔之前，连接防爆计算机对仪器延 迟开启时间和工作模式切换时间等进行设置；

步骤二，孔内仪器下入孔内时先处于关闭状态，当达到设置的延 迟开启时间后进入连续工作状态：由发控短节启动测量短节进行连续 孔内工程参数测量，压力传感器不开启；测量短节将检测到的参数发 送给发控短节，发控短节按预先设定的编码规则将接收到的数据由仪 器两端通过绝缘短节上部钻杆柱和绝缘短节下部钻杆柱以电磁波无 线方式连续发射出去；安装在孔口附近煤系地层中及孔口钻探装备上 的接收天线采集上传的电磁波信号并通过有线方式传递给防爆计算 机中的信号采集板，信号采集板按预先设定的编码规则对信号进行解 调，得出正确的孔内工程参数数据后，通过防爆计算机内数据处理软 件在屏幕上进行显示；

步骤三，当系统工作时间达到设置的工作模式切换时间时，关闭 测量短节数据测量，停止发控短节无线发射，打开压力传感器，进入 间歇工作模式工作；

步骤四，压力传感器连续检测泵压信号并传递给发控短节，发控 短节根据泵压信号判断泥浆泵工作状态，并控制测量短节实时采集钻 孔孔内工程参数；测量短节将检测到的参数发送给发控短节，发控短 节按预先设定的编码规则将接收到的数据由仪器两端通过绝缘短节 上部钻杆柱和绝缘短节下部钻杆柱以电磁波无线方式连续发射出去； 安装在孔口煤系地层中及孔口钻探装备上的接收天线采集上传的电 磁波信号并通过有线方式传递给防爆计算机中的信号采集板，信号采 集板按预先设定的编码规则对信号进行解调，得出正确的孔内工程参 数数据后，通过防爆计算机内数据处理软件在屏幕上进行显示；发射 次数达到设定次数值后测量短节停止工作，发控短节停止发射，压力 传感器继续连续检测泵压情况，等待下一个数据发射命令。

其中，孔内仪器处于连续工作状态时，测量短节连续测量孔内工 程参数，发控短节连续发射数据，压力传感器不开启；孔内仪器处于 连续工作状态时，压力传感器一直工作，发控短节和测量短节间歇工 作。连续工作模式开始时间和持续时间，可根据钻孔轨迹复测需要确 定；当设置的延迟开启时间等于工作模式切换时间时，相当于直接进 入间歇工作模式；当设置的延迟开启时间略小于工作模式切换时间 时，可用该时间进行孔口工具面校正或钻孔开新孔操作；当时间达到 工作模式切换时间时，仪器进行状态切换，进入间歇工作模式。

有益效果

本发明的煤矿井下防爆型电磁波无线随钻测量系统具有以下优 点：结构简单紧凑，对钻杆等钻具要求较小，功能齐全，既适合煤矿 井下钻探工艺，又满足钻孔轨迹复测要求，且整个系统采用防爆设计， 能够在煤矿井下爆炸性气体环境下进行工作。

附图说明

图1为本发明的防爆型电磁波无线随钻测量系统的结构原理示 意图；

图2为测量短节的结构原理示意图；

图3为发控短节的电气原理示意图；

图4为发控短节的结构原理示意图。

其中，1为测量短节；2为充电电池筒；3为发控短节；4为接收 天线；5为防爆计算机；6为定位头；7为下绝缘环；8为测量电路仓； 9为连接头；10为CPU控制器；11为压力检测单元；12为压力传感 器；13为驱动单元；14为发射单元；15为发射限流单元；16为存储 单元；17为隔离单元；18为电池监测单元；19为连接头；20为发控 电路仓；21为上绝缘环；22为压力传感器仓；23为固定组件。

具体实施方式

下面通过实施例，结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。

实施例：

参见图1，本发明由测量短节1、充电电池筒2、发控短节3、接 收天线4、防爆计算机5组成，全部采用防爆设计，可应用于煤矿井 下爆炸性气体环境中。孔内仪器（测量短节1、充电电池筒2和发控 短节3）下入钻孔前进行参数设置；下入钻孔后先处于关闭状态，然 后根据设置情况进入连续工作模式，该模式主要用于钻孔轨迹复测： 发控短节3控制测量短节1测量孔内工程参数，发控短节3读取孔内 工程参数数据并以无线电磁波方式进行发射，压力传感器12不开启， 此过程循环进行至达到设定的连续工作时间为止；当仪器连续工作时 间达到设定值后，进入间歇工作模式，该模式主要用于钻探施工时随 钻测量：压力传感器12一直工作，发控短节3根据压力传感器12检 测的泵压情况判断泥浆泵工作状态，开启测量短节1测量孔内工程参 数，并进行电磁波发射孔内工程参数数据，当发射次数达到设定次数 时，停止测量短节1数据测量和发控短节3数据发射，压力传感器继 续连续检测泵压情况，等待下一个数据发射命令。连续工作模式和间 歇工作模式无线电磁波发射时，发控短节3按预先设定的编码规则将 接收到的数据通过与上部钻杆连接的仪器端和与下部钻杆连接的仪 器端以电磁波无线方式发射出去；安装在孔口煤系地层中及孔口钻探 装备上的接收天线采集上传的电磁波信号并通过有线方式传递给防 爆计算机中的信号采集板，信号采集板按预先设定的编码规则对信号 进行解调，得出正确的孔内工程参数数据后，通过防爆计算机内数据 处理软件在屏幕上进行显示。

参见图2，测量短节采用无磁铜或无磁不锈钢材料为外壳，结构 上由定位头6、下绝缘环7、测量电路仓8和连接头9依次连接组成， 定位头6用于与绝缘短节以下无磁外管连接固定，连接头9用于与充 电电池筒3连接，下绝缘环7位于定位头6和测量电路仓8之间，长 度不限，用于将仪器主体与定位头隔开，从而使定位头作为电磁波信 号发射的一个电极。数据发射时，发控短节3上的发射信号由测量短 节1和充电电池筒2中预设的电缆线到达定位头后通过绝缘短节以下 无磁外管和钻杆柱发射至煤系地层中，并上传至孔口。

参见图3，发控短节3采用防爆设计，电气上由CPU控制器10、 压力检测单元11、压力传感器12、驱动单元13、发射单元14、发射 限流单元15、存储单元16、隔离单元17和电池监测单元18等组成。 发控短节3通过压力传感器12检测钻杆内环空间中泥浆压力脉动情 况，由压力检测单元11采集压力传感器信号并传递给CPU控制器10 判断出泥浆泵的工作状态；然后根据泥浆泵工作状态通过隔离单元 17控制测量短节1进行参数测量和数据交换；接收到测量探管发送 的孔内工程参数数据后，控制驱动单元13和发射单元14以电磁波方 式将数据发射出去，数据无线发射时，发射限流单元15监控发射电 流使其不超过煤安要求。存储单元16用于存储仪器设置信息和测量 短节发送过来的钻孔孔内工程参数等；电池监测单元18用于监测充 电电池筒的电量，以了解仪器工作状态。

参见图4，发控短节3结构上由连接头19、发控电路仓20、上 绝缘环21、压力传感器仓22和固定组件23依次连接组成，连接头 19和固定组件23分别位于两端，连接头19用于与充电电池筒2连 接，固定组件23用于将仪器与无磁外管连接固定；发控电路仓20用 于安装发控电路板；压力传感器仓22用于安装压力传感器；上绝缘 环21用于将仪器主体与压力传感器仓22隔开，长度大于10cm，从 而使压力传感器仓22和固定组件23作为电磁波信号发射的一个电 极，仪器使用时，绝缘环21应和外管绝缘短节径向位置相同。

尽管本文较多地使用了测量短节1、充电电池筒2、发控短节3、 接收天线4、防爆计算机5、定位头6，下绝缘环7、测量电路仓8、 连接头9、CPU控制器10、压力检测单元11、压力传感器12、驱动 单元13、发射单元14、发射限流单元15、存储单元16、隔离单元 17、电池监测单元18、连接头19、发控电路仓20、上绝缘环21、压 力传感器仓22、固定组件23等术语，但并不排除使用其它术语的可 能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质； 把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明 所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于本发明所属技术领域的 普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的 变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所 引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。