[0001] 本发明属于煤矿随钻测量技术领域，尤其是涉及一种适配矿用定向钻机的煤岩质量近钻头随钻评价装置。

[0002] 随着煤矿现代化水平的提高，煤炭开采对地质条件的依赖程度越来越高。煤矿安全生产是制约煤炭产能的主要因素之一，近些年，虽然煤矿安全生产形势已有大幅改进，但是巷道顶板冒落、冲击地压和瓦斯突出等事故时有发生，严重威胁煤矿的安全生产，其中地质条件掌握不足，超前地质预测不准是上述事故发生的关键诱因。因此，在不影响定向钻进工艺的情况完成随钻煤岩体性质的正确评价和煤岩体质量定量化表征是井下煤矿安全生产的前提。并且，超前定量预测煤岩强度等级，可有效提高煤岩采掘效率与优化水力压裂参数。

[0003] 目前，现有的煤岩体质量评价方法主要通过钻孔取芯配合室内强度试验获取。该方法获取的煤岩样脱离了工程地质环境，并且标准煤岩样在加工过程会对煤岩性造成不可避免的影响；钻孔取芯法费时费力，现场不易大范围实施。此外，现有的岩体质量分析系统，在围岩强度感知上大多停留于岩体表面，未深入岩体内部进行煤岩体等级预测。

[0004] 因此，需要设计一种适配矿用定向钻机的煤岩质量近钻头随钻评价装置，在定向钻进伸入待探测煤层内部的过程中获取随钻数据，并对随钻数据进行处理获取修正后的岩体基本质量指标,根据修正后的岩体基本质量指标进行煤岩体质量等级定量化判断，为保障后续煤矿安全高效生产、提高煤岩掘进效率与水力压裂参数优化等提供基础。

[0058] 如图1至图3所示的一种适配矿用定向钻机的煤岩质量近钻头随钻评价装置，包括依次可拆卸连接的PDC钻头1、近钻头随钻测量短节2、螺杆钻具3、随钻声波探测器4、轨迹测量探管5以及中心通缆钻杆6；

[0059] 所述近钻头随钻测量短节2包括筒体21、设置在筒体21靠近PDC钻头1一端的第一内螺纹连接部25和设置在筒体21另一端的第一外螺纹连接部26，以及设置在筒体21上的检测模块，所述第一内螺纹连接部25与PDC钻头1连接，所述第一外螺纹连接部26与螺杆钻具3连接；

[0060] 所述检测模块包括转速传感器24、正压力应变片22、旋转扭矩应变片23。

[0061] 本实施例中，所述筒体21的外侧壁上开设有容纳槽211，所述转速传感器24、正压力应变片22和旋转扭矩应变片23贴装在容纳槽211的底部，所述容纳槽211的底部设置有控制箱27，所述控制箱27内设置有电子线路板，所述电子线路板上集成有控制器271和与控制器271连接的数据传输模块272，所述转速传感器24、正压力应变片22和旋转扭矩应变片23均与控制器271连接。

[0062] 本实施例中，所述随钻声波探测器4包括依次螺纹连接的左连接筒41、左端无磁短节42、声波发射短节43、中间无磁短节44、声波接收短节45、右端无磁短节46和右连接筒47，所述左连接筒41的外侧壁设置有与螺杆钻具3的另一端连接的左连接外螺纹头411，所述右连接筒47的内侧部设置有右连接内螺纹头471，所述左连接筒41、左端无磁短节42、声波发射短节43、中间无磁短节44、声波接收短节45、右端无磁短节46和右连接筒47的内部均设置有中间通道48，所述右连接内螺纹头471与轨迹测量探管5的一端螺纹连接；

[0063] 所述声波发射短节43的外侧壁嵌设有声波发射器431，所述声波接收短节45的外侧壁嵌设声波接收器451和中间传输器49，所述声波发射器431和声波接收器451与中间传输器49连接，所述中间传输器49与数据传输模块272无线通信，所述中间传输器49与中心通缆钻杆6内的通信电缆一端头电连接，所述中心通缆钻杆6内通信电缆的另一端头与定向钻机上的计算机连接。

[0064] 本实施例中，实际使用时，所述容纳槽211上嵌设有卡块，以保护检测模块。

[0065] 本实施例中，实际使用时，所述PDC钻头1属于定向钻进PDC钻头，直径为89mm，具有良好的耐磨性与可靠性，钻头布置有出水口，钻进过程中水流能有效冲刷钻头，对其降温，提高钻进效率、增加钻头寿命

[0066] 本实施例中，实际使用时，螺杆钻具3是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具，可采用本领域常规结构。

[0067] 本实施例中，实际使用时，中心通缆钻杆6可参考本领域常规结构，中心通缆钻杆是定向钻进所使用的信号传输装置，也是保证定向钻进顺利实施的重要组成部分，既能实现中心通缆钻杆6内部通水，又能实现通信电缆的数据传输。

[0068] 如图4所示的一种适配矿用定向钻机的煤岩质量近钻头随钻评价装置的使用方法，步骤一、煤岩质量近钻头随钻评价装置的安装：

[0069] 步骤101、依次将PDC钻头1、近钻头随钻测量短节2、螺杆钻具3、随钻声波探测器4、轨迹测量探管5以及中心通缆钻杆6连接；

[0070] 步骤102、将中心通缆钻杆6与矿用定向钻机连接；

[0071] 步骤二、待探测煤层的钻进及数据采集：

[0072] 步骤201、定向钻机工作带动PDC钻头1沿待探测煤层钻进破岩，且在PDC钻头1沿待探测煤层破岩钻进的过程中，近钻头随钻测量短节2、螺杆钻具3、随钻声波探测器4、轨迹测量探管5以及中心通缆钻杆6随PDC钻头1同步伸入待探测煤层中；

[0073] 步骤202、在PDC钻头1沿待探测煤层破岩钻进的过程中，转速传感器24、正压力应变片22和旋转扭矩应变片23分别进行检测，并将各个采样时刻检测到的转速、正压力和扭矩传输至控制器271，控制器271经过数据传输模块272无线发送转速、正压力和扭矩数据，中间传输器49接收转速、正压力和扭矩数据并通过中心通缆钻杆6内的通信电缆发送至定向钻机上的计算机；

[0074] 同时，中间传输器49控制声波发射器431发射声波信号，声波信号经过待探测煤层反射至声波接收器451，声波接收器451接收到发射的声波信号并发送至中间传输器49；

[0075] 步骤三、待探测煤层的煤岩质量评价指标获取：

[0076] 步骤A、中间传输器49将声波发射器431和声波接收器451的间距记作ΔL，将声波接收器451发射的时间和声波接收器451接收的时间的时间差记作Δt，并发送至计算机；计算机根据 得到待探测煤层的岩体弹性纵波速Vpm；

[0077] 步骤B、采用计算机根据 得到可钻性指标Id；其中，D表示钻孔直径，Fi表示钻进过程第i个采样时刻的正压力，Mi表示钻进过程第i个采样时刻的扭矩，vi表示钻进过程第i个采样时刻的钻进速度，ωi表示钻头角速度，且ωi＝2π×Ni，Ni表示钻进过程第i个采样时刻的转速，λ表示第一系数，α表示第二系数，β表示第三系数；

[0078] 步骤C、采用计算机根据 得到钻进过程第i个采样时刻的岩石饱和单轴抗压强度Rc(i)；其中，π表示圆周率，Ni表示钻进过程第i个采样时刻的转速，Mi表示钻进过程第i个采样时刻的扭矩，R表示PDC钻头半径，μ表示钻头切削齿与孔底的摩擦因数；

[0079] 步骤D、采用计算机根据公式 得到岩体完整性系数Kv；其中，Vpm表示岩体弹性纵波速度，Vpr表示岩石弹性纵波速度；

[0080] 步骤E、采用计算机根据公式 得到钻孔口处实测指数dc0；其中，v0表示钻孔口处的钻进速度；N0表示钻孔口处的转速；W0表示钻孔口处的正压力，ρn表示水密度；ρm表示所使用的钻井液密度；

[0081] 步骤F、采用计算机根据公式 得到钻进过程第i个采样时刻的随钻实测指数dc(i)；其中，vi表示钻进过程第i个采样时刻的钻进速度；Ni表示钻进过程第i个采样时刻的转速；Wi表示钻进过程第i个采样时刻的钻压，即Wi＝Fi；

[0082] 步骤G、采用计算机根据公式 得到修正的地层压力影响系数Kd；

[0083] 步骤H、采用计算机根据公式BQ＝100Kd+3Rc(i)+250Kv，得到修正的岩体基本质量指标BQ。

[0084] 本实施例中，步骤H,具体过程如下：

[0085] 当Rc(i)>90Kv+30时，令Rc(i)＝90Kv+30代入步骤H的公式计算修正的岩体基本质量指标BQ；

[0086] 当Kv>0.04Rc(i)+0.4时，令Kv＝0.04Rc(i)+0.4代入步骤H的公式计算修正的岩体基本质量指标BQ。

[0087] 本实施例中，实际使用时，步骤202中采集频率为1s/次。

[0088] 本实施例中，实际使用时，λ表示第一系数，且λ取值为1，α表示第二系数，且α取值为1，β表示第三系数，且β取值为0.4。

[0089] 本实施例中，实际使用时，钻头切削齿与孔底的摩擦因数μ取值为0.21。

[0090] 本实施例中，通过可钻性指标Id区分地层岩性，具体判别条件如下所示：

[0091]

[0092] 本实施例中，待探测煤层为煤岩，则岩石弹性纵波速度Vpr取值为2000km/s。

[0093] 本实施例中，实际使用时，轨迹测量探管5，可采用本领域常规结构。

[0094] 本实施例中，实际使用时，如图5所示修正的岩体基本质量指标BQ分级图解法原理示意图，其横轴为岩体完整性系数Kv，纵轴为岩石饱和单轴抗压强度下的修正的岩体基本质量指标BQ。

[0095] 本实施例中，实际使用时，通过轨迹测量探管5可以获取钻孔轨迹，可以根据采样时刻将钻孔轨迹和修正的岩体基本质量指标联系起来，从而获取钻孔轨迹上各处的修正的岩体基本质量指标。

[0096] 综上所述，本发明结构简单，设计合理，在定向钻进伸入待探测煤层内部的过程中获取随钻数据，并对随钻数据进行处理获取修正后的岩体基本质量指标,根据修正后的岩体基本质量指标进行煤岩体质量等级定量化判断，为保障后续煤矿安全高效生产、提高煤岩掘进效率与水力压裂参数优化等提供基础。

[0097] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。