一种煤矿井下多信道随钻测量地质导向系统与施工方法技术方案

本发明专利技术公开了一种煤矿井下多信道随钻测量地质导向系统与施工方法，包括孔内装置和孔口装置，孔内装置包括控制单元以及与其相连接的绝缘短节、地质测量单元、电磁波传输单元、泥浆脉冲传输单元、有线传输单元和钻杆供电单元；孔口装置包括压力监测器、信号接收电极、显示器和信号传输线路；地质测量单元、控制单元、电磁波传输单元、泥浆脉冲传输单元、有线传输单元和钻杆供电单元均安装在钻具系统的无磁钻杆内；压力监测器安装在泥浆泵的出液口，信号接收电极安装在孔口煤壁中。本发明专利技术在深孔钻进中随钻测量信号传输稳定性显著提高。同时，深孔钻进过程中钻孔轨迹调整速度快。无需开分支探测煤层顶底板，钻进效率显著提高且施工风险低。险低。险低。

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿井下多信道随钻测量地质导向系统与施工方法


[0001]本专利技术属于煤矿井下坑道钻进领域，具体涉及一种煤矿井下多信道随钻测量地质导向系统与施工方法。

技术介绍

[0002]顺煤层定向钻孔是煤层瓦斯抽采的有效技术途径之一。目前，煤矿井下主要采用有线随钻测量系统进行顺煤层定向钻孔施工，为了保证钻孔轨迹在煤层中延伸，钻进过程中需要每隔适当的距离向煤层顶底板开分支以预测煤层边界，该钻孔施工技术存在几点问题：
①
深孔钻进中有线随钻测量信号传输可靠性低，在深孔钻进中的应用受限；
②
向煤层顶底板开分支探测煤层边界会增加钻孔复杂程度，提高施工风险，降低钻进效率。
[0003]为此，本专利技术的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合从事相关产业的经验和成果，针对应用有线随钻测量系统施工顺煤层定向钻孔存在的不足，研究设计出一种煤矿井下多信道随钻测量地质导向系统与使用方法，以克服上述缺陷。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于，提供一种煤矿井下多信道随钻测量地质导向系统与施工方法，以解决针对有线随钻测量系统用于顺煤层定向钻孔施工时深孔钻进中信号传输稳定性差，开分支探顶底板作业会提高施工风险及降低钻进效率的技术问题。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案予以解决：
[0006]一种煤矿井下多信道随钻测量地质导向系统，包括孔内装置和孔口装置，所述孔内装置包括控制单元以及与其相连接的绝缘短节、地质测量单元、电磁波传输单元、泥浆脉冲传输单元、有线传输单元和钻杆供电单元；所述孔口装置包括压力监测器、信号接收电极、显示器和信号传输线路；其中，所述地质测量单元、控制单元、电磁波传输单元、泥浆脉冲传输单元、有线传输单元和钻杆供电单元均安装在钻具系统的无磁钻杆内；所述压力监测器安装在泥浆泵的出液口，通过信号传输线路连接显示器，接收泥浆脉冲传输单元发来的泥浆脉冲信号发给显示器；所述信号接收电极安装在孔口煤壁中，信号传输线路的两端分别连接信号接收电极和中心通缆钻杆，两端组成了电磁波信号接收终端，用于接收电磁波传输单元发射的电磁波信号；所述显示器通过信号传输线路与孔口中心通缆钻杆中的线缆连接，以接收有线传输单元发射的有线测量信号；
[0007]所述地质测量单元包括钻孔轨迹参数测量模块和自然伽马测量模块，所述钻孔轨迹参数测量模块用于测量钻孔轨迹参数，所述自然伽马测量模块用于测量煤系地层自然伽马信息；地质测量单元与泥浆脉冲传输单元、有线传输单元分别连接；
[0008]所述控制单元用于控制孔内参数测量、供电和信号发射方式，也用于监测显示器向孔内装置的供电情况，监测孔内装置的转速；
[0009]所述有线传输单元通过钻杆供电单元和中心通缆钻杆形成的有线信道传输有线
测量信号，传输地质测量单元测量的钻孔轨迹参数和煤系地层自然伽马信息；有线传输单元连接中心通缆钻杆的中心通缆以及侧壁；
[0010]所述泥浆脉冲传输单元用于发射泥浆脉冲信号，传输地质测量单元测量的钻孔轨迹参数和煤系地层自然伽马信息；
[0011]所述电磁波传输单元利用绝缘短节阻隔形成的信号发射两极，用于发射电磁波信号；
[0012]所述钻杆供电单元用于将中心通缆钻杆内冲洗液的液压能转化为电能为孔内装置供电，并在孔内装置无需供电时储存电能；
[0013]所述无磁钻杆用于为地质测量单元提供无磁的测量环境；
[0014]所述压力监测器用于监测泥浆泵出液口压力变化，并用于接收泥浆脉冲传输单元发射的泥浆脉冲信号，通过信号传输线路向显示器传输。
[0015]进一步的，所述信号接收电极一端插入孔口处的煤壁中，另一端通过信号传输线路与显示器连接，所述显示器通过信号传输线路与孔口中心通缆钻杆外壁连接，显示器通过监测信号接收电极和孔口中心通缆钻杆外壁之间的电压，可接收电磁波传输单元发射的电磁波信号。
[0016]进一步的，所述钻杆供电单元包括壳体，壳体内部依次安装有定子涡轮、转子涡轮、发电组件、控制组件、储能组件、侧壁电缆、中心过线组件。其中，定子涡轮内壁均匀设有多个导流叶片，导流叶片的切线方向与冲洗液流向有一定的角度；转子涡轮通过周向设置的轴承可转动地安装在壳体内壁，转子涡轮内壁均匀设有多个导流叶片，导流叶片的切线方向与冲洗液流向有一定的角度；发电组件通过传动轴与转子涡轮连接，由转子涡轮带动回转，以产生电能；控制组件用于监测发电组件的工作状态；储能组件用于储存电能；中心过线组件为线缆，其两端分别连接线传输单元和中心通缆钻杆的中心通缆；侧壁电缆连接中心通缆，用于向孔内装置传输电能。
[0017]进一步的，所述定子涡轮的导流叶片的切线方向与冲洗液流向的夹角为20～30
°
。
[0018]进一步的，所述转子涡轮的导流叶片的切线方向与冲洗液流向的夹角为40～50
°
。
[0019]进一步的，所述定子涡轮与壳体的内壁过盈配合，转子涡轮周向设置的轴承采用螺纹连接方式安装于壳体内壁，发电组件采用发电机，储能组件采用可充电电池组。
[0020]另一方面，本专利技术给出了一种采用上述本专利技术的煤矿井下多信道随钻测量地质导向系统进行顺煤层定向钻孔的施工方法，包括以下步骤：
[0021]步骤1：在近水平定向钻孔浅孔段钻进过程中，利用泥浆泵向孔内泵送冲洗液，驱动钻杆供电单元为孔内装置供电；同时，地质测量单元实时测量钻孔轨迹参数和煤系地层自然伽马信息，并利用有线传输单元向孔口发送有线测量信号；显示器通过信号传输线路接收有线测量信号并将其处理后显示钻孔轨迹参数和自然伽马信息，用以监测钻孔轨迹和煤层顶底板的相对距离，保持钻孔轨迹在煤层中部延伸；其中，所述浅孔段是指有线传输单元信号传输能力稳定的孔段；
[0022]步骤2：控制单元实时监测孔口的显示器是否向孔内装置供电，是则继续采用有线传输单元进行信号传输，并保持实时监测，否则，判断已进入深孔段，则有线传输单元信号传输能力不够稳定，此时进入步骤3；
[0023]步骤3：控制单元根据钻机的转速以及转速保持时间进行电磁波传输单元和泥浆
脉冲传输单元的切换；具体是：控制单元的工作模式监控电路实时监测孔内装置的转速，当监测转速达到转速阀值A且监测转速保持时间达到阀值C时，利用泥浆脉冲传输单元传输测量信号，进入步骤进行近水平定向钻孔深孔段施工；当监测转速达到阀值B且监测转速保持时间达到阀值C时，利用电磁波传输单元传输测量信号，进入步骤5进行近水平定向钻孔深孔段施工。
[0024]进一步的，所述步骤3中，转速阀值B为转速阀值A的两倍。
[0025]进一步的，所述步骤4的进行近水平定向钻孔深孔段施工的具体操作如下：
[0026]在近水平定向钻孔深孔段钻进过程中，利用泥浆泵向孔内泵送冲洗液，驱动钻杆供电单元为孔内装置供电，同时，地质测量单元实时测量钻孔轨迹参数和煤系地层自然伽马信息，并利用泥浆脉冲传输单元向孔口发送泥浆脉冲信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下多信道随钻测量地质导向系统，其特征在于，包括孔内装置(1.1)和孔口装置(1.2)，所述孔内装置(1.1)包括控制单元(5)以及与其相连接的绝缘短节(3)、地质测量单元(4)、电磁波传输单元(6)、泥浆脉冲传输单元(7)、有线传输单元(8)和钻杆供电单元(10)；所述孔口装置(1.2)包括压力监测器(13)、信号接收电极(14)、显示器(15)和信号传输线路
①
～
③
；其中，所述地质测量单元(4)、控制单元(5)、电磁波传输单元(6)、泥浆脉冲传输单元(7)、有线传输单元(8)和钻杆供电单元(10)均安装在钻具系统的无磁钻杆(9)内；所述压力监测器(13)安装在泥浆泵(12)的出液口，通过信号传输线路
②
连接显示器(15)，接收泥浆脉冲传输单元(7)发来的泥浆脉冲信号发给显示器(15)；所述信号接收电极(14)安装在孔口煤壁中，信号传输线路
③
的两端分别连接信号接收电极(14)和中心通缆钻杆(11)，两端组成了电磁波信号接收终端，用于接收电磁波传输单元(6)发射的电磁波信号；所述显示器(15)通过信号传输线路
①
与孔口中心通缆钻杆(11)中的线缆连接，以接收有线传输单元(8)发射的有线测量信号；所述地质测量单元(4)包括钻孔轨迹参数测量模块和自然伽马测量模块，所述钻孔轨迹参数测量模块用于测量钻孔轨迹参数，所述自然伽马测量模块用于测量煤系地层自然伽马信息；地质测量单元(4)与泥浆脉冲传输单元(7)、有线传输单元(8)分别连接；所述控制单元(5)用于控制孔内参数测量、供电和信号发射方式，也用于监测显示器(15)向孔内装置(1.1)的供电情况，监测孔内装置(1.1)的转速；所述有线传输单元(8)通过钻杆供电单元(10)和中心通缆钻杆(11)形成的有线信道传输有线测量信号，传输地质测量单元(4)测量的钻孔轨迹参数和煤系地层自然伽马信息；有线传输单元(8)连接中心通缆钻杆(11)的中心通缆以及侧壁；所述泥浆脉冲传输单元(7)用于发射泥浆脉冲信号，传输地质测量单元(4)测量的钻孔轨迹参数和煤系地层自然伽马信息；所述电磁波传输单元(6)利用绝缘短节(3)阻隔形成的信号发射两极，用于发射电磁波信号，传输地质测量单元(4)测量的钻孔轨迹参数和煤系地层自然伽马信息；所述钻杆供电单元(10)用于将中心通缆钻杆(11)内冲洗液的液压能转化为电能为孔内装置(1.1)供电，并在孔内装置(1.1)无需供电时储存电能；所述无磁钻杆(9)用于为地质测量单元(4)提供无磁的测量环境；所述压力监测器(13)用于监测泥浆泵(12)出液口压力变化，并用于接收泥浆脉冲传输单元(7)发射的泥浆脉冲信号，通过信号传输线路
②
向显示器(15)传输。2.如权利要求1所述的煤矿井下多信道随钻测量地质导向系统，其特征在于，所述信号接收电极(14)一端插入孔口处的煤壁中，另一端通过信号传输线路
③
与显示器(15)连接，所述显示器(15)通过信号传输线路
③
与孔口中心通缆钻杆(11)外壁连接，显示器(15)通过监测信号接收电极(14)和孔口中心通缆钻杆(11)外壁之间的电压，可接收电磁波传输单元(6)发射的电磁波信号。3.如权利要求1所述的煤矿井下多信道随钻测量地质导向系统，其特征在于，所述钻杆供电单元(10)包括壳体(101)，壳体(101)内部依次安装有定子涡轮(102)、转子涡轮(103)、发电组件(105)、控制组件(106)、储能组件(107)、侧壁电缆(108)、中心过线组件(109)，其中，定子涡轮(102)内壁均匀设有多个导流叶片，导流叶片的切线方向与冲洗液流向有一定的角度；转子涡轮(103)通过周向设置的轴承(104)可转动地安装在壳体(101)内壁，转子涡
轮(103)内壁均匀设有多个导流叶片，导流叶片的切线方向与冲洗液流向有一定的角度；发电组件(105)通过传动轴与转子涡轮(103)连接，由转子涡轮(103)带动回转，以产生电能；控制组件(106用于监测发电组件(105)的工作状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：李泉新，褚志伟，方俊，刘建林，许超，刘飞，姜磊，
申请(专利权)人：中煤科工集团西安研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：