[发明专利]长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器及测量方法

说明书

本发明提供了一种长距离钻孔钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器及测量方法，涉及采矿工程和钻孔参数测量技术领域，解决了长距离钻孔中钻头附近位置钻压和扭矩测量困难的技术问题。传感器的结构包括外壳体、胶筒、应变花、防水垫圈、电子仓和异形紧固螺母，还包括传感器电路单元，传感器电路单元配置在电子仓内，具体包括异形PCB电路板、电源、钻压扭矩测量桥路、信号调理桥路、单片机集成电路、二次转换电路、电源调理芯片和数据存储芯片。利用该传感器可以准确的感应钻孔附近的外力，外壳体内的应变花可以准确地输出监测信号，还可以提供密封保护，该测量方法还消除了弯曲应力及温度等因素对测量参数的影响，提高了钻压和扭矩的测量精度。

技术领域

本发明涉及采矿工程和钻孔参数测量技术领域，尤其是一种用于长距离钻孔的钻杆钻压和扭矩同步测量的传感器和测量方法。

背景技术

随着煤矿资源开采的发展和浅部煤矿可采储量的逐年减少，深部开采成为现下大部分煤矿开采的重点和难点。煤矿深部开采处于高地应力、高地温、高渗压的复杂力学环境，使得冲击地压、冒顶等严重的矿山动力灾害发生的频率和强度不断增加。冲击地压发生时会释放煤岩体中积压的大量能量，造成巷道破坏、工作面、顶板下沉等，因此，如何对冲击地压做出准确的预测以保证煤炭资源安全高效开采一直是煤矿生产亟待解决的问题。钻孔卸压常用于防治冲击地压的发生，其原理是利用施工钻孔的方法降低该区域的应力集中程度或改变该区域的煤体力学特性，如果可以在钻孔过程中实时获取钻压、扭矩等钻进参数，通过钻进参数反演煤体应力集中程度、判定冲击地压危险等级，就可以更好地评估煤岩体应力、监测预警及防治冲击地压，从而保证煤矿安全高效生产。

在钻机向煤岩体钻进的过程中，钻头处主要受到轴向压力、扭矩、弯矩、离心力等作用。理论上，钻杆所受的力和力矩可以简化为对钻杆施加的钻压、传递钻柱的扭矩、钻柱运动和孔底反作用力产生的弯曲力矩。由于测量短节位于近钻头处，弯矩作用对于测量短节应变量的影响较小，并且在测量电路设计中还需要对弯矩的影响进行补偿，故不考虑弯矩的作用。钻压、扭矩不仅在一定程度上决定了钻进效率，而且对钻具结构的运动状态、屈曲及其他性能都有着重要影响。因此钻压、扭矩参数的及时掌握和合理控制直接关系到煤矿生产施工安全、钻进效率高低及模型修正与参数优化。

有的钻进参数监测技术大多采用钻孔外测量仪器间接获取钻机尾部的钻压、扭矩等参数，但在工程孔的钻进过程中，钻杆受到煤屑的压力和摩擦，不规则孔壁对钻杆的摩擦力、以及钻杆的振动，钻机尾部参数与钻头处参数差异性很大；且当煤岩体破碎挤压钻杆，出现卡钻等严重的现象时，无法仅凭钻杆尾端测量仪器上的读数来判定此时真正加在钻头处的钻压与扭矩的大小。由此可见，钻杆尾端测量仪表存在测量不准确、推算结果可信度低以及传送数据时间存在延迟效应等问题，故通过钻孔近钻头处钻进参数的准确测量，对实际钻孔过程的实时数据进行分析、处理和对比，可以更为正确的指导钻孔过程。因此，在施工钻孔过程中，通过对钻杆不同位置处，特别是近钻头处对钻压、扭矩进行直接测量，可以获得更准确的孔底煤体应力数值和分布情况，进行卸压钻孔优化设计，取得更好的冲击地压防治效果。

目前，关于钻头处工程参数的测量装置大多采用开槽式的设计并在槽与槽之间加工导线孔进行连接，或者在装置内多处开孔放置测量元件。现有技术，包括中国专利(CN102839963B)公开了一种随钻钻压扭矩测量短节，短节在测量敏感区外部设有内小外大的四个环形槽密封，该短节通过橡胶硫化、玻璃钢充注技术，实现传感部分的多层密封，而实际保护套与应变片及转换电路部分的密封较困难，且多层密封加工工艺复杂。中国专利(CN204002753U)公开了一种井下工程参数测量系统，测量系统采用两段式结构，通信线圈通过骨架固定在钻铤本体上，钻铤本体上开若干个孔，各类测量元件放置于其中，然而在装置中多处开孔会使得应力非线性分布且内部开孔加工困难。中国专利(CN201851102U)公开了一种钻压扭矩测传装置，装置内固定一个芯轴，芯轴附近安装传感器、电池及脉冲器以传输数据，但目前随钻随得钻进参数一般用于岩性评估和定向钻井，在停钻的过程中对钻进参数进行传输，如果在卸压钻孔过程中传输无线信号，其他影响因素干扰太强，有效信号容易湮没。