煤矿井下防爆型泥浆脉冲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泥浆脉冲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泥浆脉冲无线随钻测量系统由孔内组件和孔口组件组成，其中孔内组件包括防爆探管、防爆电池筒、防爆脉冲发生器，孔口组件包括防爆压力变送器和防爆计算机等，系统可以在煤矿井下钻进施工过程中，利用孔内仪器实时测量钻孔轨迹参数(倾角和方位角)和定向钻具状态参数(工具面向角)等孔内工程参数，然后通过水力通道无线传输数据至孔口仪器，由孔口防爆计算机进行处理和显示。本系统以泥浆作为信号载体，采用泥浆脉冲作为数据传输方式，不使用电缆，即可用于定向钻进，又可用于回转钻进，具有实时性和防爆特性。

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泥浆脉冲 无线随钻测量系统及其使用方法。

背景技术

随钻测量是在钻井(孔)过程中实现井下(孔内)信息的实时测量和上传 的技术简称。在公知技术中，钻孔随钻测量技术早已被人们所认识。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。目前应 用随钻测量系统较多的主要有石油钻探领域和煤矿井下钻探领域。其中石油钻 探领域以无线随钻测量系统应用最多，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；煤矿井下钻探施工领域则以有线随钻测量方式为主，虽然 起步较晚，但近些年来发展较快，推广应用越来越广泛。

随着煤矿井下随钻测量技术的推广，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，此外对对钻 杆等钻具要求较高。无线传输是解决以上问题的好办法。但是由于地面石油钻 探领域使用的随钻测量系统和装备都是针对地面井的钻探施工设计的，其孔径 较大，施工的地层和环境较好；相对而言，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，随钻测量技术仍处于发展阶段，具有防爆特性的无线随 钻测量系统的使用，还未见明确报道。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种结构简单紧凑， 尺寸较小，对钻杆等钻具要求较少，适合煤矿井下钻探工艺，且整个系统采用 了防爆设计，能够在煤矿井下爆炸性气体环境下进行工作的一种煤矿井下防爆 型泥浆脉冲无线随钻测量系统及其使用方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种煤矿井下防爆型泥浆脉冲无线随钻测量系统，其特征在于，包括：

一孔内组件：用于实时测量钻孔轨迹参数和定向钻具状态参数；

一孔口组件：通过无线传输接收孔内组件实时测量的钻孔轨迹参数和定向 钻具状态参数并对其进行处理和显示。

在上述的一种煤矿井下防爆型泥浆脉冲无线随钻测量系统，所述的孔内组 件包括：

防爆探管：用于检测孔内工程参数，所述孔内工程参数包括：钻孔轨迹参 数即倾角和方位角、定向钻具状态参数即工具面向角、地层参数即磁场强度和 温度；

防爆脉冲发生器：接收到防爆探管检测的孔内工程参数数据后，按预先设 定的编码规则，将接收到的数据调制成压力脉冲信号，通过调节钻杆内水力通 道的流道面积，调节泥浆在钻杆中的流动阻力，在泥浆泵的出水口产生相应的 压力脉冲，并同时将调制的压力脉冲信号发送至孔口组件；

以及分别与防爆探管和防爆脉冲发生器电连接的防爆电池筒：为所述防爆 探管和防爆脉冲发生器供电。

在上述的一种煤矿井下防爆型泥浆脉冲无线随钻测量系统，所述的孔口组 件包括：

防爆压力变送器：设置在孔口，接收防爆脉冲发生器发送的泥浆脉冲无线 信号；

防爆计算机：接收防爆压力变送器传送的泥浆脉冲无线信号按预先设定 的编码规则对压力脉冲信号进行解调，得出正确的钻孔轨迹和定向钻具状态数 据并显示出该正确的钻孔轨迹和定向钻具状态数据。

在上述的一种煤矿井下防爆型泥浆脉冲无线随钻测量系统，所述防爆探管 由加速度传感器、磁传感器、CPU控制器、数据采集单元、本安电源电路、信 号传输单元组成，所述本安电源电路、数据采集单元、CPU控制器以及信号传 输单元依次连接；所述加速度传感器分别与本安电源电路和数据采集单元连接； 所述磁传感器分别与本安电源电路和数据采集单元连接，所述本安电源电路还 分别与CPU控制器和信号传输单元连接。

在上述的一种煤矿井下防爆型泥浆脉冲无线随钻测量系统，所述的防爆脉 冲发生器由CPU控制器、流道检测单元、驱动电路、流道控制单元、信号接收 单元组成，所述CPU控制器、驱动电路以及流道控制单元依次连接；所述流道 检测单元与CPU控制器连接；所述信号接收单元与CPU控制器连接。

一种煤矿井下防爆型泥浆脉冲无线随钻测量系统的使用方法，其特征在于， 包括以下步骤：

步骤1，在钻进过程中，防爆脉冲发生器检测到泥浆泵开泵信号后，控制 防爆探管实时采集钻孔轨迹参数和定向钻具状态参数等孔内工程参数数据并传 递给防爆脉冲发生器；

步骤2，防爆脉冲发生器接收到检测到的孔内工程参数数据后，按预先设 定的编码规则，将接收到的数据调制成压力脉冲信号，通过调节钻杆内水力通 道的流道面积，调节泥浆在钻杆中的流动阻力，在泥浆泵的出水口产生相应的 压力脉冲；

步骤3，安装在泥浆泵的出水口处的防爆压力变送器采集压力脉冲信号并 通过有线方式传递到防爆计算机，防爆计算机内系统软件按预先设定的编码规 则对压力脉冲信号进行解调，得出正确的钻孔轨迹和定向钻具状态数据，并通 过防爆计算机的屏幕进行显示。

因此，本发明具有如下优点：结构简单紧凑，尺寸较小，对钻杆等钻具要 求较少，适合煤矿井下钻探工艺，且整个系统采用了防爆设计，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为本发明的结构原理示意图。

图2为图1中防爆探管的结构原理示意图。

图3为图1中防爆脉冲发生器的结构原理示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。 其中，防爆探管1、防爆电池筒2、防爆脉冲发生器3、防爆压力变送器4、防 爆计算机5、加速度传感器11、磁传感器12、CPU控制器13、数据采集单元14、 本安电源电路15、信号传输单元16、CPU控制器21、流道检测单元22、驱动 电路23、流道控制单元24、信号接收单元25。

实施例：

参见图1，本发明由防爆探管1、防爆电池筒2、防爆脉冲发生器3、防爆 压力变送器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。防爆脉冲发生器3检测到开泵信号后，控制防爆探管1采集 钻孔轨迹参数(倾角、方位角)和定向钻具状态参数(工具面向角)等孔内工 程参数数据，防爆脉冲发生器3接收到防爆探管1检测的孔内工程参数数据后， 按预先设定的编码规则，根据孔内工程参数数据调节钻杆内水力通道的流道面 积，流道面积的改变会产生流阻的变化，从而在泥浆泵的出口产生压力脉冲信 号，安装在泥浆泵的出水口处的防爆压力变送器4采集压力脉冲信号并传递到 防爆计算机5，由防爆计算机5中的系统软件按预先设定的编码规则对压力脉 冲信号进行解调，得出正确的孔内工程参数数据，并通过防爆计算机5的屏幕 进行显示。

参见图2，防爆探管采用无磁铜或无磁不锈钢材料为外壳，由加速度传感 器11、磁传感器12、CPU控制器13、数据采集单元14、本安电源电路15、信 号传输单元16组成。加速度传感器11能够敏感重力加速度信号，磁传感器12 能够敏感地磁场信号，可测量出防爆探管所处位置的重力加速度值和地磁场强 度值，从而计算出倾角、方位角、工具面向角等孔内工程参数数据。本安电源 电路15保证其电源部分在短路、开路状态下具有防爆特性，不会产生火花。信 号传输单元16负责将采集并处理完成的孔内工程参数数据传递到防爆脉冲发 生器。

参见图3，防爆脉冲发生器采用隔爆设计，由CPU控制器21、流道检测单 元22、驱动电路23、流道控制单元24、信号接收单元25组成，通过控制钻杆 内水力通道的流道面积，从而将检测的孔内工程参数数据发送出去。流道检测 单元22通过检测钻杆内泥浆压力脉动情况确定泥浆泵的工作状态，驱动电路 23负责给流道控制单元提供足够的电源，流道控制单元24负责控制钻杆内水 力通道的流道面积，从而改变流阻，引起泥浆泵出水口泵压的变化。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属 技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采 用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定 义的范围。

尽管本文较多地使用了防爆探管1、防爆电池筒2、防爆脉冲发生器3、防 爆压力变送器4、防爆计算机5、加速度传感器11、磁传感器12、CPU控制器 13、数据采集单元14、本安电源电路15、信号传输单元16、CPU控制器21、 流道检测单元22、驱动电路23、流道控制单元24、信号接收单元25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。