[發明專利]長距離鉆孔鉆桿鉆壓和扭矩同步測量的傳感器及測量方法

有效

• 申請號: 202011546639.1
• 申請日: 2020-12-24
• 公開（公告）號: CN112647926B
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發明（設計）人: 趙同彬;鄭雅華;趙志剛;邢明錄;張凱;尹延春;趙晨
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: E21B44/00
• 分類號: E21B44/00
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 張凱

本發明提供了一種長距離鉆孔鉆桿鉆壓和扭矩同步測量的傳感器及測量方法，涉及采礦工程和鉆孔參數測量技術領域，解決了長距離鉆孔中鉆頭附近位置鉆壓和扭矩測量困難的技術問題。傳感器的結構包括外殼體、膠筒、應變花、防水墊圈、電子倉和異形緊固螺母，還包括傳感器電路單元，傳感器電路單元配置在電子倉內，具體包括異形PCB電路板、電源、鉆壓扭矩測量橋路、信號調理橋路、單片機集成電路、二次轉換電路、電源調理芯片和數據存儲芯片。利用該傳感器可以準確的感應鉆孔附近的外力，外殼體內的應變花可以準確地輸出監測信號，還可以提供密封保護，該測量方法還消除了彎曲應力及溫度等因素對測量參數的影響，提高了鉆壓和扭矩的測量精度。

技術領域

本發明涉及采礦工程和鉆孔參數測量技術領域，尤其是一種用于長距離鉆孔的鉆桿鉆壓和扭矩同步測量的傳感器和測量方法。

背景技術

隨著煤礦資源開采的發展和淺部煤礦可采儲量的逐年減少，深部開采成為現下大部分煤礦開采的重點和難點。煤礦深部開采處于高地應力、高地溫、高滲壓的復雜力學環境，使得沖擊地壓、冒頂等嚴重的礦山動力災害發生的頻率和強度不斷增加。沖擊地壓發生時會釋放煤巖體中積壓的大量能量，造成巷道破壞、工作面、頂板下沉等，因此，如何對沖擊地壓做出準確的預測以保證煤炭資源安全高效開采一直是煤礦生產亟待解決的問題。鉆孔卸壓常用于防治沖擊地壓的發生，其原理是利用施工鉆孔的方法降低該區域的應力集中程度或改變該區域的煤體力學特性，如果可以在鉆孔過程中實時獲取鉆壓、扭矩等鉆進參數，通過鉆進參數反演煤體應力集中程度、判定沖擊地壓危險等級，就可以更好地評估煤巖體應力、監測預警及防治沖擊地壓，從而保證煤礦安全高效生產。

在鉆機向煤巖體鉆進的過程中，鉆頭處主要受到軸向壓力、扭矩、彎矩、離心力等作用。理論上，鉆桿所受的力和力矩可以簡化為對鉆桿施加的鉆壓、傳遞鉆柱的扭矩、鉆柱運動和孔底反作用力產生的彎曲力矩。由于測量短節位于近鉆頭處，彎矩作用對于測量短節應變量的影響較小，并且在測量電路設計中還需要對彎矩的影響進行補償，故不考慮彎矩的作用。鉆壓、扭矩不僅在一定程度上決定了鉆進效率，而且對鉆具結構的運動狀態、屈曲及其他性能都有著重要影響。因此鉆壓、扭矩參數的及時掌握和合理控制直接關系到煤礦生產施工安全、鉆進效率高低及模型修正與參數優化。

有的鉆進參數監測技術大多采用鉆孔外測量儀器間接獲取鉆機尾部的鉆壓、扭矩等參數，但在工程孔的鉆進過程中，鉆桿受到煤屑的壓力和摩擦，不規則孔壁對鉆桿的摩擦力、以及鉆桿的振動，鉆機尾部參數與鉆頭處參數差異性很大；且當煤巖體破碎擠壓鉆桿，出現卡鉆等嚴重的現象時，無法僅憑鉆桿尾端測量儀器上的讀數來判定此時真正加在鉆頭處的鉆壓與扭矩的大小。由此可見，鉆桿尾端測量儀表存在測量不準確、推算結果可信度低以及傳送數據時間存在延遲效應等問題，故通過鉆孔近鉆頭處鉆進參數的準確測量，對實際鉆孔過程的實時數據進行分析、處理和對比，可以更為正確的指導鉆孔過程。因此，在施工鉆孔過程中，通過對鉆桿不同位置處，特別是近鉆頭處對鉆壓、扭矩進行直接測量，可以獲得更準確的孔底煤體應力數值和分布情況，進行卸壓鉆孔優化設計，取得更好的沖擊地壓防治效果。

目前，關于鉆頭處工程參數的測量裝置大多采用開槽式的設計并在槽與槽之間加工導線孔進行連接，或者在裝置內多處開孔放置測量元件?，F有技術，包括中國專利(CN102839963B)公開了一種隨鉆鉆壓扭矩測量短節，短節在測量敏感區外部設有內小外大的四個環形槽密封，該短節通過橡膠硫化、玻璃鋼充注技術，實現傳感部分的多層密封，而實際保護套與應變片及轉換電路部分的密封較困難，且多層密封加工工藝復雜。中國專利(CN204002753U)公開了一種井下工程參數測量系統，測量系統采用兩段式結構，通信線圈通過骨架固定在鉆鋌本體上，鉆鋌本體上開若干個孔，各類測量元件放置于其中，然而在裝置中多處開孔會使得應力非線性分布且內部開孔加工困難。中國專利(CN201851102U)公開了一種鉆壓扭矩測傳裝置，裝置內固定一個芯軸，芯軸附近安裝傳感器、電池及脈沖器以傳輸數據，但目前隨鉆隨得鉆進參數一般用于巖性評估和定向鉆井，在停鉆的過程中對鉆進參數進行傳輸，如果在卸壓鉆孔過程中傳輸無線信號，其他影響因素干擾太強，有效信號容易湮沒。