一种高精度长距离的惯性气压波钻孔测深装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度长距离的惯性气压波钻孔测深装置及方法，所述装置包括钻孔口封堵硅胶垫和钻孔口拍击橡胶盘两部分，其中，所述钻孔口封堵硅胶垫包括开孔1、中空硅胶封堵环2和硅胶板3，所述硅胶板3为具有一定厚度的方形板，开孔1为圆形，位于硅胶板3的中心位置，开孔1周围设置环形中空硅胶封堵环2，所述中空硅胶封堵环2具有略高于硅胶板3平面的凸起；所述钻孔口拍击橡胶盘为圆形盖状物。本发明的钻孔测深方法为通过钻孔口拍击橡胶盘拍击所述钻孔口封堵硅胶垫所封堵的钻孔口，激发惯性气压冲击波，并通过记录并处理惯性气压波回波计算出钻孔深度。本发明的钻孔测深方法简单便捷，探测距离长，精度可达厘米级，大大优于现有技术的探测精度。
【专利说明】一种高精度长距离的惯性气压波钻孔测深装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于回波测距【技术领域】，涉及一种高精度长距离的惯性气压波钻孔测深装置及方法。
【背景技术】
[0002]煤矿井下为治理工作面瓦斯，需要打瓦斯抽采钻孔；为探放水需要打探放水钻孔。钻孔的深度是否达到设计要求，对于安全生产是非常关键的。此外在油田上，获知油井液位深度是保证抽油机安全、高效运转的重要依据。此时需要一种快捷准确的测量钻孔孔深或者获知钻井内液位深度的方法，以对钻孔深度进行检验。
[0003]目前测量钻孔深度有三种办法，一是敲击钻孔中钻杆的尾部激发出冲击波，通过检测钻杆回波来计算钻杆长度，此种方法依赖钻杆，在钻杆被钻孔内泥浆夹持时往往收不到钻杆回波，且在干孔测量能收到回波时，测量精度也有限(百米深度误差为米级)。二是在钻孔口激发出声波，通过声波在钻孔空气柱内的回波来计算钻孔深度。此种方法虽可测钻杆已拔出的裸孔，但因声波在钻孔中衰减厉害，测量深度有限。以上二种方法均基于回波测距，还有一种非回波测距式测量方法是在钻机上加装仪器，在钻进时直接记录进尺，结果较为准确但是测量麻烦。
[0004]综上所述，现有技术中测量钻孔深度的方法存在测量依赖钻杆，无法测量裸孔深度、或裸孔测量深度有限、精度有限、测量麻烦等问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有的测量钻孔深度方法存在的不足提供一种高精度长距离的惯性气压波钻孔测深装置及方法，解决测量依赖钻杆，无法测裸孔孔深、或裸孔测量深度有限、精度有限、测量麻烦的问题。
[0006]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:
[0007]—种高精度长距离的惯性气压波钻孔测深装置，包括钻孔口封堵硅胶垫和钻孔口拍击橡胶盘两部分，其中，所述钻孔口封堵硅胶垫包括开孔1、中空硅胶封堵环2和硅胶板3，所述硅胶板3为具有一定厚度的方形板，开孔I为圆形，位于硅胶板3的中心位置，开孔I周围设置圆形中空硅胶封堵环2，所述中空硅胶封堵环2具有略高于硅胶板3平面的凸起；所述钻孔口拍击橡胶盘为圆形盖状物，中心向外凸起，所述橡胶盘直径比钻孔口封堵硅胶垫的中空硅胶封堵环2直径略大。
[0008]其中，所述钻孔口封堵硅胶垫的中空硅胶封堵环2的尺寸与钻孔口尺寸相当，封堵严密，且封堵后形成的拍击面较为平直，避免钻孔口拍击橡胶盘与拍击面在拍击时无法紧密吻合，导致气压泄漏。
[0009]其中，所述钻孔口封堵硅胶垫厚度为IOmm以上。
[0010]其中，所述钻孔口拍击橡胶盘选用韧性强度大的橡胶，盘边沿设计一圈柔质橡胶圈，以增强拍击时的封堵效果。[0011]本发明同时公开了一种高精度长距离的惯性气压波钻孔测深方法，包括以下步骤:
[0012](I)选择适合钻孔尺寸的钻孔口封堵硅胶垫，将其覆盖于待测钻孔上，确保钻孔口封堵硅胶垫的孔壁封堵环与钻孔壁之间紧密接触，气密性良好；
[0013](2)将钻孔测深仪的探头放入钻孔口，以钻孔口拍击橡胶盘拍击钻孔口封堵硅胶垫，冲击钻孔内空气柱，激发惯性气压冲击波；
[0014](3)记录惯性气压波回波，经数据处理选定拍击时刻与惯性气压波回波时刻，计算回波时延，据此及环境温度计算出钻孔深度。
[0015]其中，所述钻孔口拍击橡胶盘在拍击后要停留足够长的时间，保证首次回波及多次回波都被顺利接收到，再撤开橡胶盘。
[0016]技术原理:本发明激发的所述惯性气压冲击波，其原理是:钻孔内的空气可视为内径较为均匀而四周封闭的空气柱，当用尺寸超过孔口的凹碟状弹性材料迅速拍击钻孔口并封住孔口时，钻孔口处的空气会受到一个瞬时冲击压，此冲击压沿着钻孔做一维传播，由于孔壁的密封，传播损耗是很小的。冲击压在以音速传播到钻孔底部时，这时分两种情况:
1.若钻孔底部封闭，会因钻孔底部的阻挡而使气柱底端形成局部高气压，然后在气压差的作用下，冲击压会以音速顺着气柱回弹传播，在孔口被仪器检测到；2.若钻孔底部开放，与大气联通，冲击压在惯性力的作用下裹挟空气冲出钻孔，会导致钻孔内气压下降，随后外界空气在压力差的作用下回灌钻孔，形成新的冲击压，并以音速回传至钻孔口，被仪器检测到。计算出拍击时刻与气压波回波时刻的时差，再输入环境温度，就可根据声速(V)与温度(T)的关系式:V= 331 *√273计算出较为准确的声波速度，进而得出较为准
确的钻孔深度。
[0017]有益效果
[0018]与现有技术相比，本发明可以直接测量钻杆已拔出的裸孔孔深，还可以测量两端均开放的管道的长度；在孔壁封闭性好，内径足够粗(5cm以上效果尤佳)且比较均匀的情况下，探测深度可达300m以上，远超现有的基于回波的钻孔测深法，精度可达厘米级，大大优于现有技术的探测精度；探测方法简单便捷。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的钻孔口封堵硅胶垫的结构图；
[0020]图2为本发明的钻孔口拍击橡胶盘的正视图；
[0021]图3为本发明的钻孔口拍击橡胶盘的侧视图；
[0022]图4为本发明的钻孔口拍击橡胶盘的斜视图；
[0023]图5为利用本发明的钻孔测深方法对一段长度为54米的钻杆测量其空气柱长度的回波数据。
[0024]图中，I为开孔；2为中空硅胶封堵环；3为硅胶板。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。[0026]一种高精度长距离的惯性气压波钻孔测深装置，包括钻孔口封堵硅胶垫和钻孔口拍击橡胶盘两部分，其中，所述钻孔口封堵硅胶垫包括开孔1、中空硅胶封堵环2和硅胶板3，所述硅胶板3为具有一定厚度的方形板，开孔I为圆形，位于硅胶板3的中心位置，开孔I周围设置圆形中空硅胶封堵环2，所述中空硅胶封堵环2具有略高于硅胶板3平面的凸起；所述钻孔口拍击橡胶盘为圆形盖状物，中心向外凸起，所述橡胶盘直径比钻孔口封堵硅胶垫的中空硅胶封堵环2直径略大。
[0027]其中，所述钻孔口封堵硅胶垫的中空硅胶封堵环2的尺寸与钻孔口尺寸相当，封堵严密，且封堵后形成的拍击面较为平直，避免钻孔口拍击橡胶盘与拍击面在拍击时无法紧密吻合，导致气压泄漏。
[0028]其中，所述钻孔口封堵硅胶垫厚度为IOmm以上。
[0029]其中，所述钻孔口拍击橡胶盘选用韧性强度大的橡胶，盘边沿设计一圈柔质橡胶圈，以增强拍击时的封堵效果。
[0030]本发明同时公开了一种高精度长距离的惯性气压波钻孔测深方法，包括以下步骤:
[0031 ] (I)选择适合钻孔尺寸的钻孔口封堵硅胶垫，将其覆盖于待测钻孔上，确保钻孔口封堵硅胶垫的孔壁封堵环与钻孔壁之间紧密接触，气密性良好；
[0032](2)将钻孔测深仪的探头放入钻孔口，拍击钻孔口拍击橡胶盘，以冲击钻孔口封堵硅胶垫，激发惯性气压冲击波；
[0033](3)记录惯性气压波回波，经数据处理选定拍击时刻与惯性气压波回波时刻，计算回波时延，据此及环境温度计算出钻孔深度。
[0034]其中，所述钻孔口拍击橡胶盘在拍击后要停留足够长的时间，保证首次回波及多次回波都被顺利接收到，再撤开橡胶盘。
[0035]实施例1:
[0036]对一段紧密衔接，总长为54米的钻杆，应用本发明的钻孔测深方法测量其内部空气柱的长度，测试数据波形如图5所示。
[0037]图5中试验数据共产生四次肉眼可辨的回波，其中一次回波的幅度与激发波的幅度相比仅有少量衰减，第四次回波已较难辨识。从传播长度上来看，一次回波传播了 108m，四次回波传播了 432m。考虑到多次回波在传播方向转折时存在较大能量损耗，因此在用一次回波测孔深时，本发明的方法所能探测的钻孔深度稳稳超过300m，完全满足煤矿需求。在条件有利的情况下，探测深度甚至有希望突破500m，若改进激发及接收装置，在接收惯性气压波的回波时通过缩径进行局部强度放大，探测深度有望延伸至IOOOm以上。
[0038]读取图5中数据的激发波及各次回波的时刻，并计算各次回波所代表的钻杆长度，得出下表:
[0039]表154米钻杆的激发波与各次回波的时刻及计算出的钻杆长度
【权利要求】
1.一种高精度长距离的惯性气压波钻孔测深装置，其特征在于:包括钻孔口封堵硅胶垫和钻孔口拍击橡胶盘两部分，其中，所述钻孔口封堵硅胶垫包括开孔(I )、中空硅胶封堵环(2)和硅胶板(3)，所述硅胶板(3)为具有一定厚度的方形板，开孔(I)为圆形，位于硅胶板(3)的中心位置，开孔(I)周围设置环形中空硅胶封堵环(2)，所述中空硅胶封堵环(2)具有略高于硅胶板(3)平面的凸起；所述钻孔口拍击橡胶盘为圆形盖状物，中心向外凸起，所述橡胶盘直径比钻孔口封堵硅胶垫的中空硅胶封堵环(2 )直径略大。
2.如权利要求1所述的惯性气压波钻孔测深装置，其特征在于:所述钻孔口封堵硅胶垫的中空硅胶封堵环(2 )的尺寸与钻孔口尺寸相当。
3.如权利要求1所述的惯性气压波钻孔测深装置，其特征在于:所述钻孔口封堵硅胶垫厚度为IOmm以上。
4.如权利要求1所述的惯性气压波钻孔测深装置，其特征在于:所述钻孔口拍击橡胶盘选用韧性强度大的橡胶，盘边沿设计一圈柔质橡胶圈，以增强拍击时的封堵效果。
5.一种高精度长距离的惯性气压波钻孔测深的方法，其特征在于:包括以下步骤， (1)选择适合钻孔尺寸的钻孔口封堵硅胶垫，将其覆盖于待测钻孔上，确保钻孔口封堵硅胶垫的孔壁封堵环与钻孔壁之间紧密接触，气密性良好； (2)将钻孔测深仪的探头放入钻孔口，以钻孔口拍击橡胶盘拍击钻孔口封堵硅胶垫，冲击钻孔内空气柱，激发惯性气压冲击波； (3)记录惯性气压波回波，经数据处理选定拍击时刻与惯性气压波回波时刻，计算回波时延，据此及环境温度计算出钻孔深度。
6.如权利要求5所述的惯性气压波钻孔测深的方法，其特征在于:拍击所述钻孔口拍击橡胶盘后要停留足够长的时间，保证首次回波及多次回波都被顺利接收到，再撤开橡胶盘。
【文档编号】E21B47/04GK103452546SQ201310415194
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】覃思, 胡继武, 程建远 申请人:中煤科工集团西安研究院有限公司