矿用煤层气抽采定向千米钻机钻孔孔壁松散度测量传感器制造技术

本发明专利技术提供一种矿用煤层气抽采定向千米钻机钻孔孔壁松散度测量传感器，结构包括电极、不锈钢探管、传感器主电板及电池；其中，不锈钢探管，表面开出深度一致但宽度不一的环形凹槽用来安装电极，传感器的不锈钢外壳通过首尾两端的螺纹丝口与不锈钢探杆紧密固定；电极用空心插销将其固定在传感器外壳上，除外侧面以外的所有面都用绝缘材料包裹，导线通过空心插销与传感器主电路板连接。本发明专利技术所给出的传感器能够在直径10cm左右的钻孔内测量钻孔孔壁介质松散程度，在数千米长的钻孔内由蓄电池供电完成连续测算，评估钻杆及钻孔当前状态，提高了千米钻机钻孔孔内状态检测自动化水平。提高了千米钻机钻孔孔内状态检测自动化水平。提高了千米钻机钻孔孔内状态检测自动化水平。

【技术实现步骤摘要】
矿用煤层气抽采定向千米钻机钻孔孔壁松散度测量传感器


[0001]本专利技术涉及一种钻孔孔壁周围煤层松散度的测量装置，尤其是一种用于矿用煤层气抽采定向千米钻机钻孔孔壁松散度测量的随钻孔内状态监测装置。

技术介绍

[0002]煤层中物质分布比较复杂，各种矿物质层的性质直接影响煤层气的抽采，通过松散度参数对煤层气抽采定向千米钻机钻孔孔壁状态进行识别，能够根据实时数据判断此时钻孔周围煤层松散程度，及时发现塌孔、缩颈等潜在危险。
[0003]钻孔孔壁状态，即松散度的分析通常以介质电阻率为基础，对各种情况下的电阻率参数进行处理进而表征钻孔孔壁介质松散程度。当前基于电阻率的钻孔孔壁状态测量方法主要有侧向法和感应法两种。感应法测电阻率主要依靠钻杆内磁通的变化进行测量，结合感应电位的变化对岩层电阻率进行估算；侧向法则是直接将电极与孔壁岩层接触，通过测量电极回馈的电压电流信号对所在位置煤层电阻率进行计算。由于岩壁矿物质的性质较为复杂，不同物质的电阻率值范围会有交叉，同种物质不同环境下电阻率也不尽相同，导致基于电阻率的钻孔孔壁状态检测技术仍有待进一步完善。
[0004]国外的钻孔孔壁测量设备主要以感应法为主，多应用于石油测井。国内如中国石化工程院自主研发的随钻高分辨率电阻率成像系统，也主要用于石油探测。虽然，矿用煤层气抽采用水平千米定向钻机最初由石油定向钻机延伸而来，但是其运行工况与石油钻探又有显著的区别。煤层气抽采钻孔不仅距离长，孔径较小，而且存在孔内瓦斯突出危险。钻孔孔壁状态测量设备需要面临安装空间狭小、安全限制要求高、测量环境恶劣等问题。因此，以上钻孔孔壁状态测量设备不仅不能采集煤层气抽采定向千米钻机钻孔孔壁周围煤岩数据，无法直接移植于煤层气抽采用钻孔孔壁状态的检测，而且也无法满足煤层气抽采工况环境。
[0005]在与本专利相关的随钻测量研究成果中，由杜海洋等人专利技术的一种用于侧向电阻率的随钻装置，其适用于泥浆电阻率大大低于周围地层电阻率的地层、油基泥浆以及100欧米以上的高阻地层；开发环境为常规选用盐水泥浆的海上钻井开发或非常规页岩气开发，其适用范围和开发环境与煤层钻井有很大不同。此外，在地层探测方面由吕海川等人专利技术的一种随钻视电阻率测量工具及方法中，该方法虽然适用于陆地钻探，但针对煤矿井下的电压电流等级等安全问题以及对采回数据的进一步挖掘和利用还需要进一步解决。因此，本专利为针对煤矿井下泥浆类别和陆地钻探环境以及对电流电压和采回数据等的控制处理专利技术的一种适用于煤矿钻井的专利。

技术实现思路

[0006]为了解决现有岩层电阻率测量仪器在煤层钻井应用的问题，以及在煤层气抽采定向千米钻机钻孔空间狭小和测量困难问题，本专利技术通过CPU控制电路输出多种频率的电压信号，结合不同频率下被测物质的松散程度，实现对煤层气抽采定向千米钻机钻孔孔壁煤
岩松散程度的评价。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：提供一种矿用煤层气抽采定向千米钻机钻孔孔壁松散度测量传感器，所述矿用煤层气抽采定向千米钻机钻孔孔壁松散度测量传感器主要由电极、不锈钢探管、传感器主电板和电池组成。
[0008]所述电极，其位置根据本传感器的外壳设计要求分布，选用铜制的环状结构，每个电极两侧开孔；根据电极所完成工作的不同和连接方式的区别将其分为四部分，且每一部分的两个电极之间相互连接，具体分为两个屏蔽电极、两个测量外电极、两个测量内电极和一个发射电电极，其中测量外电极和内电极组成监督电极。
[0009]所述不锈钢探管，是将传感器的不锈钢外壳通过首尾两端的螺纹丝口与不锈钢探杆紧密固定；在使用时，传感器的整个结构被周围岩层包裹，不锈钢探管表面开出深度一致但宽度不一的环形凹槽用来安装电极，这些凹槽的位置需要满足一定的分布参数，该参数由下式计算得出：式中，γ为凹槽位置分布参数，D0为电极4和1#屏蔽电极1中心距；D1和D2分别为电极4和1#测量外电极2、1#测量内电极3之间的中心距。适合本传感器的取值范围为2.5
‑
3，铜制的电极按照设计的距离安装在传感器不锈钢探管外壳外侧的凹槽内，通过电极两侧开孔，用空心插销将其固定在传感器外壳上，除外侧面以外的所有面都用绝缘材料包裹，导线通过空心插销与传感器主电路板连接；各个电极在其位置满足分布参数的前提下，要求两个屏蔽电极宽度相同且介于6
‑
8cm，其余电极可取相同宽度且介于2
‑
3cm。
[0010]所述传感器主电板包括CPU、电源模块、通讯模块、电压调理电路、ADC、DAC、相位检测模块和电压转换电路；其中，ADC模块与DAC模块则集成在单片机内部，DAC输出与调理电路通过CPU的模拟量输出通道连接，电压调理电路输出与屏蔽电极连接，发射电极与相位检测模块通过导线相连接，监督电极引出导线分两路与相位检测和电压转换电路接通，一路经相位检测计算后通过I/O口与单片机相连，另一路经电压转换电路处理后与CPU模拟量采集通道连接；通讯模块的一端与CPU的USART接口连接，另一端与通电铜缆和不锈钢探管连接。
[0011]所述CPU模块为以STM32F103RCT6为中心的最小系统，用于控制输出交流电压信号的波形形状和频率，处理采集到的信号，完成通信功能。
[0012]所述电源模块根据传感器主电路板各个芯片的供电要求，将电池提供的+12V直流电压变换为直流
±
12V、+5V和+3.3V，为传感器主电板上各芯片供电。
[0013]所述通讯模块是基于RS485通信芯片的串行通讯电路，其作用是将CPU的数据转换为标准RS485信号。
[0014]所述电压调理电路由由直流偏置电路和放大电路两部分组成，其器件参数是结合本传感器D/A输出特性以及输出信号要求设置，偏置电路和放大电路的5532芯片需配合特定阻值的电阻，将CPU输出正弦波信号转换为测量需要的
±
5V正弦信号，传输到发射电极。
[0015]所述ADC模块和DAC模块由CPU集成，DAC模块与电压调理电路连接，用于将CPU发出的数字信号转换为正弦波信号ADC模块与电压转换电路连接，用于将监督电极采集到的电
压信号电压转换为数字量。
[0016]所述相位检测电路一端接电压调理电路发出的
±
5V正弦信号，另一端接电极测量到的信号，将两种信号通过整形电路与异或门电路进行调整，整形电路芯片LM311将正弦信号转换为方波信号，整形后将两路输出连接至异或门电路，将监督电极测量到的电压与发射信号进行比较，得到两者之间的相位差。
[0017]所述电压转换电路接在ADC转换模块之外，用于将监督电极采集的电压预先处理，电压转换采用芯片LM7332，配合特定阻值电阻，将电压幅值转换为单片机能够采集的电压范围0～3.3V之内。
[0018]本专利技术的具体实现过程为：在千米钻机马达钻杆后端安装孔壁松散度传感器，通过嵌套安装于不锈钢探管外的七个电极，经模拟量调理电路测量探杆周围孔壁介质的阻抗，并将阻抗值与相位检测电路本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.矿用煤层气抽采定向千米钻机钻孔孔壁松散度测量传感器，其特征在于：所述测量传感器，由主要由电极、不锈钢探管、传感器主电板和电池组成；所述不锈钢探管，是将传感器的不锈钢外壳通过首尾两端的螺纹丝口与不锈钢探杆紧密固定；在使用时，传感器的整个结构被周围岩层包裹，不锈钢探管表面开出深度一致但宽度不一的环形凹槽用来安装电极；所述电极，选用铜制的环状结构，每个电极两侧开孔；铜制的电极按照设计的距离安装在传感器不锈钢探管外壳外侧的凹槽内；通过电极两侧开孔，用空心插销将其固定在传感器外壳上，除外侧面以外的所有面都用绝缘材料包裹，导线通过空心插销与传感器主电路板连接；根据电极所完成工作的不同和连接方式的区别将其分为四部分，且每一部分的两个电极之间相互连接，具体分为两个屏蔽电极、两个测量外电极、两个测量内电极和一个发射电电极，其中测量外电极和内电极组成监督电极；所述传感器主电板包括CPU、电源模块、通讯模块、电压调理电路、ADC、DAC、相位检测模块和电压转换电路；其中，ADC模块与DAC模块则集成在单片机内部，DAC输出与调理电路通过CPU的模拟量输出通道连接，电压调理电路输出与屏蔽电极连接，发射电极与相位检测模块通过导线相连接，监督电极引出导线分两路与相位检测模块和电压转换电路接通，一路经相位检测模块计算后通过I/O口与单片机相连，另一路经电压转换电路处理后与CPU模拟量采集通道连接；通讯模块的一端与CPU的USART接口连接，另一端与通电铜缆和不锈钢探管连接；所述电源模块根据传感器主电路板各个芯片的供电要求，将电池提供的+12V直流电压变换为直流
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12V、+5V和+3.3V，为传感器主电板上各芯片供电。2.根据权利要求1所述的矿用煤层气抽采定向千米钻机钻孔孔壁松散度测量传感器，其特征在于：所述不锈钢探管表面的环形凹槽，需要满足一定的分布参数，该参数由下式计算得出：式中，γ为凹槽位置分布参数，D0为电极4和1#屏蔽电极1中心距；D1和D2分别为电极4和1#测量外电极2、1#测量内电极3之间的中心距。适合本传感器的取值范围为2.5
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3。3.根据权利要求1或2所述的矿用煤层气抽采定向千米钻机钻孔孔壁松散度测量传感器，其特征在于：所述电极在其位置满足分布参数的前提下，要求两个屏蔽电极宽度相同且介于6
‑
8cm...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷志鹏，李杰，宋建成，杜建荣，栗林波，任瑞斌，王飞宇，向学艺，石港，程瑞，何庆辉，李蔚，张景春，
申请(专利权)人：山西金鼎高宝钻探有限责任公司，
类型：发明
国别省市：