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的制作方法

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.在与本专利相关的随钻测量研究成果中，由杜海洋等人发明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发明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发明的一种适用于煤矿钻井的专利。


技术实现要素：

6.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，本发明通过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。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案是：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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.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。
18.本发明的具体实现过程为：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测得的相位差进行匹配，将阻抗值转换为电阻和电抗两个标准模拟量信号传输到cpu，cpu将阻抗值与其对应频率进行匹配，对应数据库中各种频率下介质的阻抗参数范围得到孔壁介质状态，进而判断此时介质的松散程度，评估当前孔壁所处的状态。每次测量前设定该地区煤层介质阻抗标准范围，作为数据的警示标志，通过通电铜缆将测量数据上传至上位机系统，并在上位机界面显示测量结果和评估状态，并将测量结果和评估状态传输给专家系统系统进一步挖掘利用。
19.本发明所述的千米钻机钻孔孔壁松散度评估方法为结合测量理论自行总结验证的一种测量标准：根据介质松散程度在不同频率下的表征，对实测过程中孔壁介质的松散程度对其进行分类：介质稳定l≤-5、良好-5≤l≤-3、正常-3≤l≤-1、较差-1《l≤0、危险0《l≤1、故障l》1，共6种类型。然后，判断松散度值l所处范围，即可得出当前孔壁松散程度为介质稳定、良好、正常、较差、危险或故障。
20.本发明的有益效果是：采用外电极-内主板，与探杆结合一体的结构，将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、测量电极组成介质松散度传感器，该传感器能够在直径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，传感器电路设计均满足井下安全标准，能够与上位机通信将井下情况即时传回，提高了千米钻机钻孔孔内状态检测自动化水平。
附图说明
21.图1是本发明矿用瓦斯抽采定向千米钻机钻孔孔壁松散度测量传感器；图2是本发明定向千米钻机钻孔孔壁松散度测量传感器电路图；图3是本发明电压调理模块电路图；图4是本发明相位检测模块电路图；图5是本发明电压转换电路电路图；图6是本发明电源电路；图7是本发明传感器的安装模型图；图中：1、1#屏蔽电极；2、1#测量外电极；3、1#测量内电极；4、发射电极；5、2#测量内电极；6、2#测量外电极；7、2#屏蔽电极；8、绝缘垫；9、不锈钢探管；10、传感器外壳；11、电池；12、传感器主电路板；13、供电铜缆；14、输入接口；15、输出接口。
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。
23.如图1所示，本发明所提供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，是在现有技术的基础上，针对矿用煤层气抽采定向千米钻机钻孔孔壁状态实现在线监测所设计的传感器，其结构主要包括：电极1～7、不锈钢探管9、传感器主电路板12、电池11。电极1～7分别为1#屏蔽电极1、1#测量外电极2、1#测量内电极3、发射电极4、2#测量内电极5、2#测量外电极6、2#屏蔽电极7，所有电极嵌套在不锈钢探管外侧的凹槽内，并通过与绝缘垫8相同的绝缘隔离。测量内电极3、4和测量外电极5、6为传感器的两对监督电极，下文中均以监督电极代替。1#屏蔽电极1、1#测量外电极2、1#测量内电极3、发射电极4、2#测量内电极5、2#测量外电极6、2#屏蔽电极7分别通过电线与传感器主电路板12相连接。传感器主电路板12和电池11安装在传感器外壳10中，并使用密封胶胶封。传感器主电路板12的电源线正极与供电铜缆13连接，负极与不锈钢探管9连接。供电铜缆13的两端分别与输入接口14和输出接口15连接；锂电池11的输出电压为+12vdc。
24.上述结构中，传感器主电路板由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组成，如图2所示；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，调理电路输出与1#屏蔽电极1和2#屏蔽电极7连接，发射电极4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。
25.通讯模块是基于rs485通信芯片的串行通讯电路，其一端与cpu的usart接口连接，另一端与通电铜缆和不锈钢探管连接。cpu发出数据包，经由通讯模块处理转换为标准rs485信号，通过供电铜缆与其他设备通信。
26.如图3所示，所述电压调理电路由直流偏置电路和放大电路两部分组成。其中直流偏置电路作用时将cpu输出模拟量与直流偏置电压耦合，该电路由分压电阻r1和r2、运算放大器q1、比例电阻r3～r6和电阻r7组成。分压电阻r1和r2串联，串联后的一端接+5v直流电压，另一端接地，中间引出电压与比例电阻r3连接；r3另一端接运算放大器q1的负输入端，并经过r4与q1输出端连接。q1负输入端经r5与地线连接，q1正输入端分两路，一路经过电阻r6与cpu的dac输出通道vi连接，另一路经电阻r7与地线连接。运算放大器q2的负输入端经电阻r8与运放q1的输出连接，q2的正输入端经电阻r9与大地连接，q2输出端和负输入端之间接电阻r
10
，整个电压理调电路的输出v
out
与监督电极和相位检测电路连接。
27.相位检测电路的作用是计算电极发出电压信号与采集信号之间的相位差，如图4所示，该电路由整形电路和计算电路两部分组成。整形电路包括开关二极管d1～d4、电阻r
11
～r
14
、电压比较器u1和u2。监督电极采集信号v
in
和电阻r
11
连接，然后与并联有一对反并联的二极管d1、d2的电压比较器u1一端连接。调理电路输出以相同的方式与r
12
、d3、d4以及电压比较器u2连接。最后，两个电压比较器输出端分别接上拉电阻r
13
和r
14
。计算电路用于计算两个电压比较器输出值的差值，整形电路的两路输出与计算芯片u3连接，芯片输出端与cpu的i/o接口连接，再由cpu完成后续的运算处理工作。
28.图5的电路为电压转换电路，其作用是将监督电极上采集的电压转换成adc模块可以处理的范围。该电路由运算放大器q3和三个电阻r
15
、r
16
、r
17
组成，输入电压经过分压电阻r15
、r
16
分压后与远算放大器q3输入端连接，电路信号输出端经电阻r
17
与cpu的adc模拟量输入通道连接。
29.cpu及各部分电路的供电电压不同，电源电路结构如图6所示，该电路由+12vdc转+5vdc电路和+12vdc转
±
12vdc电路两部分组成。+12vdc转+5vdc电路由电容c1～c7、电阻r
18
～r
22
、电感l1和直流转换芯片u4组成，电源端+12vdc直流输入电压与相互并联的电容c1、c2、c3一端连接，三个电容的另一端接地，+12vdc直流输入电压还与直流转换芯片u4的8号引脚连接。直流转换芯片u4的3号引脚通过保护电阻r
18
和电压输入端连接，4号引脚与大地相连，7号引脚通过电阻r
19
和接地端接地，2号引脚经电容c4与1号引脚连接，1号引脚与电感l1连接，5号引脚与分压电阻r
20
和r
21
中间引出线连接，6号引脚经电容c5和电阻r
22
组成的rc串联电路接地。电感l1输出+5vdc电压。电容c6和c7并联，一端与+5vdc输出相连，另一端接地。+12vdc转
±
12v电路由升压芯片u5、电阻r
23
和r
24
、电压互感器l2、二极管d5和d6和电容c8～c
14
组成。+12vdc输入电压与升压芯片u5的2号引脚连接，同时连接一对并联的电容c8和c9，并联电容末端接地；u5的3号引脚与分压电阻r
23
和r
24
的中点连接，u5的7号和8号引脚都接地，5号和6号引脚连接后输出与电压互感器l2的a端异同名端连接。电压互感器l2的a绕组的同名端与+12vdc输入电压连接，b绕组同名端接地、异名端经电容c
10
与c绕组的异名端连接再与二极管d5正极连接，c绕组的同名端为+12vout输出，输出+12vdc电压，该输出端经电容c
11
与大地连接。电容c
12
一端接升压芯片u5的5号引脚，另一端与电压互感器l2的b绕组异名端连接，然后连接到二极管d6的正极。二极管d2的输出-12vout为-12vdc电压输出，该输出端接一对并联的电容c
13
和c
14
，并联电容组另一端接地。
30.如附图7所示，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，整个结构周围被岩层包裹，铜制的测量电极1-7按照设计的距离分布在传感器外侧，每个电极两侧开孔，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主板连接。除此之外，所有的插销在引入导线后都进行胶封，对外界严格密封，传感器最中心的位置放置测量电路主板，探杆内部有液压液体经过，电源和主板集成在细长的圆柱体控制腔内，周围由橡胶支架固定，通信铜缆穿过腔体、电极导线从一端进入，再将控制腔两端胶封密闭与探杆中的液体环境隔绝。控制腔内的工作方式如图2所示，电源模块将蓄电池提供的直流12v电压转换后向cpu和各个子模块芯片供电，由cpu产生的一个正弦信号(频率可在1khz的整数倍调节)经过电压调理电路转换为
±
5v正弦信号，该正弦信号同时流向发射电极4和1#屏蔽电极1和2#屏蔽电极7；发射出去的
±
5v正弦信号流经经过外围介质后传回监督电极(1#测量外电极2、1#测量内电极3、2#测量内电极5、2#测量外电极6组合而成)，监督电极测量到的电压将传回至相位检测电路和电压转换电路进行运算。相位检测电路将监督电极测量到的电压与发射信号进行处理得到两者之间的相位差，电压转换电路将监督电极测量到的电压进行抬升后传到cpu的adc模块进行转换，计算得到孔壁介质阻抗的压降um，然后将发射电极的电流值i0与该压降um带入计算公式即可得到测量时传感器周围介质的松散程度根据传感器测得数据，将各个参数带入计算公式如下所示：
式中，λ为煤层介质的阻抗，其值表示当前被测钻孔孔壁介质的阻抗信息，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，然后根据测量所得相位差θ对其进行分离，得到电阻ρr和ρ
x
两部分，然后根据不同频率下两个参数的变化特征再进一步细化分析，将松散度值l进行界定，介质松散度计算公式如下所示：式中ρr和ρ
x
分别为阻抗值经相位差分离的实部和虚部；k为频率系数，本传感器设置频率均为1khz的整数倍，倍数即为k值。
31.根据松散度l划分的数值范围从低到高可以将孔壁状态分为6类：介质稳定l≤-5、良好-5≤l≤-3、正常-3≤l≤-1、较差-1《l≤0、危险0《l≤1、故障l》1共6种类型，不同频率下对介质松散度分别比对，可以得到频域范围内更为详细的结果。
32.随着传感器周围介质种类和性质的变化，煤岩松散度在不同频段下的数值会有明显改变。由于钻孔内部存在钻井液流动，当传感器周围岩层裂缝或者坍塌时，钻井液的加入会使煤层导电性能显著增强，其松散度值快速降低，达到报警阀值，向上位机发出报警信息。一般正常的钻进过程中，不会有钻井液长时间滞留在传感器附近，因此煤层松散度值不会低于预警阀值，且能够对周围介质数据进行采集，利用松散度值将钻孔煤岩状态分为以上六类。