一种非开挖扩孔孔底泥浆压强与钻头扭矩的自动检测装置

摘要

本发明设计一种非开挖扩孔孔底泥浆压强与钻头扭矩的自动检测装置，由地下短节及地表接收处理设备组成，地下短节为一筒体，筒内为一圆柱体，其两端与筒体内壁贴合，圆柱体中部为一三棱锥体，在两个棱角上铣出一弧面上贴有应变片，在两根贴有应变片的棱之间的锥体面上，安装有压力传感器，在与筒体的间隙处分别安装有电路板和电源，中轴线上开设有通孔。优点在于其在保证足够强度的同时，提供应变片和压强传感器检测钻头扭矩、轴力与泥浆压强的最佳环境；采用无线电磁波的形式将采集数据上传至地面，确保实时准确获得地下钻头部位的真实工况，对水平定向钻进（HDD）施工中孔内情况的科学判断和合理调控施工参数提供依据，保障工程的安全高效。

说明书

技术领域

本发明涉及一种非开挖扩孔泥浆压强与钻头扭矩的自动检测装置。

背景技术

电力水平定向钻进铺管的主体工序之一是扩孔，它决定整个工程的效率和成败。而在扩孔作业中，钻头扭矩与孔底泥浆压强又是最为关键的待求控制参数。

获得钻头扭矩数据可以实时掌握扩孔的工作状况，才能科学地调整扩孔的关键操作参数。同时，孔底钻头扭矩值与钻机仪表显示扭矩值之差是计量钻杆摩擦与粘附的根本依据。孔底泥浆压强若大于地层临界冒浆压力，孔内钻井液会压裂地层导致冒浆甚至地面隆起；而孔底泥浆压力过小则会引起孔壁坍塌缩径。孔底泥浆压强也是分析环空是否被钻屑或坍塌物堵死的最直接的客观依据。

然而在现实扩孔施工中，目前大多数情况下只是通过地表的相关仪表和传感器间接判断钻头附近的泥浆压强与钻具所受扭矩，其与真实值往往相去甚远，即钻头扭矩与孔底泥浆压强却无法准确获知，为此需要研制一种孔底泥浆压强与钻头扭矩的自动检测装置。

发明内容

本发明的目的是解决目前在非开挖扩孔施工中仅通过地表传感器及仪表无法准确把握孔内真实工况这一难题，研制一种孔底泥浆压强与钻头扭矩的自动检测装置，其具备地下短节检测钻进参数并将信号编码调制，然后采集数据信号在地下存储器中进行备份，并以无线电磁波形式传输至地表接收设备进行解调。该地下短节具有新型三瓣式机械结构，在保证足够强度的同时，提供修正式组合应变片和压强传感器检测钻头扭矩与泥浆压强的最佳环境。本发明设计一种非开挖扩孔孔底泥浆压强与钻头扭矩的自动检测装置，其特征在于：由地下短节及地表接收处理设备组成，地下短节为一筒体结构，筒内为一圆柱体，圆柱体的两端与筒体内壁贴合，在圆柱体的中部为一三棱锥体，在三棱锥体的两个棱角上铣出一弧面，在弧面上贴有应变片，在两根贴有应变片的棱之间的锥体面上，安装有压力传感器，在另外两面锥面与筒体的间隙处分别安装有电路板和电源，三棱锥体的中轴线上开设有通孔。所述的两根棱角的弧面上贴有的应变片为扭矩应片和轴压应变片。所述的三棱锥体的头部位于筒体外侧，在头部位顶端设置一锥台。所述的三棱锥体的尾部位于筒体内侧，在尾部顶端开设有内沉孔，在内沉孔壁上开设有内螺纹。本发明的优点在于其地下短节具有新型机械结构，在保证足够强度的同时，提供应变片和压强传感器检测钻头扭矩、轴力与泥浆压强的最佳环境；采用无线电磁波的形式将采集数据上传至地面，确保实时准确获得地下钻头部位的真实工况，对水平定向钻进（HDD）施工中孔内情况的科学判断和合理调控施工参数提供依据，保障工程的安全高效。

附图说明

附图1为本发明的工作状态图。

附图2为本发明的地下短节的主体结构示意图。

附图3为本发明的地下短节的主体结构剖面图。

附图4为本发明的图3的AA剖面图。

附图5为本发明的电路原理图。

附图6为本发明的自动检测装置获得数据后的智能算法分析逻辑流程图。

具体实施方式

图中一种非开挖扩孔孔底泥浆压强与钻头扭矩的自动检测装置，其特征在于：由地下短节1及地表接收处理设备2组成，地下短节为一筒体3结构，筒体3内为一圆柱体4，圆柱体的两端与筒体内壁贴合，在圆柱体的中部为一三棱锥体5，在三棱锥体的两个棱角上铣出一弧面6，在弧面上贴有应变片，在两根贴有应变片的棱之间的锥体面7上，安装有压力传感器8，在另外两面锥面与筒体的间隙处分别安装有电路板9和电源10，三棱锥体的中轴线上开设有通孔11。所述的两根棱角的弧面上贴有的应变片为扭矩应片12和轴压应变片13。所述的圆柱体的头部位于筒体外侧，在头部位顶端设置一锥台14。所述的圆柱体的尾部位于筒体内侧，在尾部顶端开设有内沉孔15，在内沉孔壁上开设有内螺纹。凸出的锥尖12上开设有外螺纹（图中未画），用于接扩孔钻头16，右侧内沉孔上的内螺纹（图中未画）连接钻杆17。

该自动检测系统主要由地下短节及地表接收处理设备组成。其地下短节检测钻进参数并将信号编码调制，然后以无线电磁波18形式传输至地表接收设备进行解调，其工作原理示意图如图1所示。图中的分动器26是非开挖施工的常见机具，其作用在于当进行扩孔和铺管作业时，钻头一端的钻杆或待铺管道不会随另一端靠近钻机的回转钻杆一起转动，减少了施工作业的阻力，降低钻机的功率消耗以及管道的磨损。

地下短节机械结构包括主体（如图2所示）和外筒两部分，两部分之间可通过螺纹及锥面多道橡胶圈密封，防止泥浆进入，保护传感器及电路板。考虑到要便于电路板及传感器的安装，将短节主体设计为三瓣式结构，在保证足够强度的同时，提供应变片和压强传感器检测钻头扭矩与泥浆压强的最佳环境。

通过压力传感器、应变片分别检测泥浆压力、钻具扭矩参数，采用修正式组合应变片，通过两路数据计算比对验证，得到准确的扭矩参数。然后通过电路板对数据进行采集写入，并存储到存储器中，再经无线发射模块上传至地面无线接收模块，采集原理如图4所示。整个电路包括如下模块和电子元器件：内置电源19、压力传感器8、扭矩应片12和轴压应变片13、带A/D转换的单片机20、存储器21、无线发射模块22和无线接收模块23，图5中24部分的框内是地下，25部分框内是地面，具体智能算法分析逻辑流程图见图6。