多工况模拟的煤矿用声波传输试验装置及方法与流程

本发明属于检测，涉及一种多工况模拟的煤矿用声波传输试验装置及方法。

背景技术：

1、在综合机械化采煤工艺快速发展的当下，工作面的推进速度逐步加快，使煤矿瓦斯涌出速度急剧增加，采空区瓦斯涌出加剧。定向钻孔成了治理煤矿瓦斯超限主要途径之一，而定向钻进的核心是随钻测量系统，测量系统的传输效率决定了定向钻孔的施工进度。现在常用的煤矿井下随钻测量系统有：基于通缆钻杆的有线测量系统、基于钻井液夜里变化的泥浆脉冲测量系统以及基于岩层的电磁波技术。

2、基于煤矿井下随钻测量系统的不同，现有井下数据传输技术主要有有线传输和无线传输两种。有线传输方式包括电缆传输方式、特种钻杆传输方式和光纤传输方式，虽然有线传输方式传输速率可达1mbit/s，但是制作材料和实施工艺的成本很高，且不适用于复合钻进。无线传输方式包括泥浆脉冲、电磁波和声波等传输方式；目前以钻井液为介质的泥浆脉冲传输使用范围较广，但传输速率只有0.5～5bit/s，泥浆脉冲技术传输速率较慢，且在孔内发生塌孔、抱钻等事故时，难以传出数据；电磁波传输是以地层为传输介质，不需要泥浆循环，传输速率为1～12bit/s，但是极易受到地层中的磁场干扰，可靠性不高；声波传输是利用声波经过钻杆来传输信号，可显著提高数据传输速率，使无线随钻数据传输速率提高到100bit/s，但是受钻井噪声的干扰很大，目前该传输方式尚未应用到生产实践中。在钻探过程中，钻杆是必不可少的配件，且连续钻杆具有较好的声波通频带，是一种很好的信号传递介质，若能够将声波传输技术用于井下数据传输，将能够很好的解决井下数据传输成本高、速度慢、可靠性不高的问题。

3、声波在钻杆中的传播形式被分为弯曲波、横波和纵波，其中弯曲波传输速率慢易被分散，衰减较为厉害，不利于信号传输，与横波相比，纵波更容易越过钻杆接头。声波在钻杆中的传输过程不仅向前传播而且向周围扩散，在向周围扩散过程中，其信号强度将逐渐衰减，造成信号衰减的主要原因包括声波频率、钻杆接头和周围介质的阻尼。声波信号在传输过程中容易受到孔内情况的影响比如塌孔、钻杆受力等；在信号解码时容易受到来自钻场的各种振动信号干扰，从而导致信号解码出现异常，这将极大的影响到随钻数据的传输，而这些影响因素通过理论计算、数值仿真难以获得较好的结果。因此针对不同工况进行模拟试验来获得声波传输实验数据是十分有必要的，从而为声波传输技术应用到生产实践中提供理论支持。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多工况模拟的煤矿用声波传输试验装置及方法，以模拟孔内畅通(无事故)、压杆(有事故)、钻杆轴向受力(钻孔轨迹变化较大)等工况下声波传输信号的衰减情况。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种多工况模拟的煤矿用声波传输试验装置，该试验装置为模块化设计，包括用于检测声波传输的测量短节和用于模拟井下声波发射的声波发射短节，还包括用于模拟钻杆悬空工况的空管短节、用于模拟钻杆在岩孔中钻进工况的岩孔短节、用于模拟煤泥包裹钻杆工况的煤泥短节、用于模拟岩层对钻杆施加应力工况的径向力短节以及用于模拟孔内事故工况的事故模拟短节中的一节或多节，所述测量短节、空管短节、岩孔短节、煤泥短节、径向力短节以及事故模拟短节根据试验需求组合串联为多种串联长节；

4、所述串联长节至少具有一个位于串联长节端头的测量短节，并在所述串联长节的端尾串联声波发射短节。

5、进一步地，所述空管短节包括第一快开式外壳，所述第一快开式外壳包括通过铰链连接的上壳和下壳，并在所述第一快开式外壳的两端均布置有挡板，且所述挡板上设置有供钻杆沿第一快开式外壳轴向贯穿的开孔。

6、进一步地，所述岩孔短节包括第一快开式外壳和岩石填充层，所述岩石填充层布置在所述第一快开式外壳的内腔中，且所述岩石填充层中具有沿第一快开式外壳轴向布置的孔道，以容纳钻杆。

7、进一步地，所述煤泥短节包括第二快开式外壳，所述第二快开式外壳包括通过铰链连接的上壳和下壳，并在所述第二快开式外壳的两端均布置有挡板，且所述挡板上设置有供钻杆沿第二快开式外壳轴向贯穿的开孔；

8、在所述第二快开式外壳的上壳或下壳上设置有加注口，并通过所述加注口向第二快开式外壳中加注第一填料，以包裹钻杆。优选地，所述第一填料为煤泥。

9、进一步地，所述径向力短节包括第三快开式外壳，所述第三快开式外壳包括通过铰链连接的上壳和下壳，并在所述第三快开式外壳的两端均布置有挡板，且所述挡板上设置有供钻杆沿第三快开式外壳轴向贯穿的开孔；

10、在所述第三快开式外壳的径向上设有两个相对布置液压缸，所述液压缸插入第三快开式外壳中，并在液压缸的端头设有加力卡瓦，以夹持钻杆。

11、进一步地，所述事故模拟短节包括第四快开式外壳，所述第四快开式外壳包括通过铰链连接的上壳和下壳，并在所述第四快开式外壳的两端均布置有挡板，且所述挡板上设置有供钻杆沿第四快开式外壳轴向贯穿的开孔；

12、在所述第四快开式外壳内设有抱紧卡瓦，并在所述抱紧卡瓦内填充有第二填料，且所述第二填料中具有供钻杆通过的孔道；在所述抱紧卡瓦上套设有胶套，并在所述第四快开式外壳上设有注液口，以向第四快开式外壳与胶套之间注入液压油或高压水，进而使得液压油或高压水挤压胶套，并通过胶套向抱紧卡瓦施加压力，促使抱紧卡瓦夹紧第二填料与钻杆。

13、进一步地，所述测量短节包括第五快开式外壳和信号采集杆，所述第五快开式外壳包括通过铰链连接的上壳和下壳，并在所述第五快开式外壳的两端均布置有挡板，且所述挡板上设置有供信号采集杆沿第五快开式外壳轴向贯穿的开孔；

14、所述信号采集杆沿轴向布置在所述第五快开式外壳内，并在其两端设有用于连接钻杆的螺纹，所述信号采集杆上设有信号采集装置以采集并转换声波信号，在所述第五快开式外壳上设有测量接口，且所述测量接口通过电线与信号采集装置和信号处理装置连接。

15、进一步地，所述声波发射短节包括第六快开式外壳和信号发射杆，所述第六快开式外壳包括通过铰链连接的上壳和下壳，并在所述第六快开式外壳的两端均布置有挡板，且所述挡板上设置有供信号发射杆沿第五快开式外壳轴向贯穿的开孔；

16、所述信号发射杆沿轴向布置在所述第五快开式外壳内，并在其两端设有用于连接钻杆的螺纹，所述信号发射杆的内腔设有声波轴向发射器，并在外壁上嵌入声波径向发射器，在所述第六快开式外壳上设有信号接口，且所述信号接口通过电线与声波轴向发射器、声波径向发射器以及信号处理装置连接。

17、进一步地，还包括调节支架，所述调节支架包括可调节支架、半圆抱箍、调节螺栓以及车轮，所述车轮布置在可调节支架的底部，所述半圆抱箍通过调节螺栓安装在可调节支架的顶部，以用于支撑各短节，并通过所述调节螺栓调节所述半圆抱箍的高度，进而对各个短节进行调平。

18、一种多工况模拟的煤矿用声波传输试验方法，提供所述的多工况模拟的煤矿用声波传输试验装置，该方法包括以下步骤：

19、试验准备：根据试验需求将所述测量短节、空管短节、岩孔短节、煤泥短节、径向力短节、事故模拟短节以及声波发射短节组合成对应的串联长节，且各个短节之间通过各个短节中对应的快开式外壳的彼此连接以实现串联，并在所述空管短节、岩孔短节、煤泥短节、径向力短节以及事故模拟短节中均设有钻杆，且各根钻杆、信号采集杆以及信号发射杆根据串联长节的顺序依次连接形成钻柱；

20、试验开始：通过液压缸对径向力短节中的钻杆施加径向力，使钻杆产生径向变形，以模拟岩层对钻杆施加应力工况；

21、通过注液口向事故模拟短节中注入液压油或高压水，以对事故模拟短节内的胶套施加压力，压力作用在抱紧卡瓦和第二填料上，从而模拟孔内塌孔的工况；

22、通过加料口向煤泥短节中添加第一填料，模拟钻杆被第一填料覆盖的工况；

23、信号处理装置控制声波发射发射短节中信号发射杆上的声波轴向发射器和声波径向发射器发出声波发射信号，声波发射信号经钻柱传输至测量短节中的信号采集杆，信号采集装置将声波转换为电信号，并通过电线传输至信号接口，再通过信号接口传输至信号处理装置进行分析处理。

24、本发明的有益效果在于：

25、本发明提供的一种多工况模拟的煤矿用声波传输试验装置及方法，为检验煤矿井下声波传输过程的衰减情况提供了一种安全可靠、方便快捷的试验装置，并且该试验装置采用模块化设计，能根据试验要求自行组装、搭配，从而实现(模拟)各种工况下声波在钻杆中传输的衰减情况，能够为声波传输技术应用到生产实践中提供理论支持，进而加快声波传输技术应用到生产实践的进展。

26、其次，在将声波轴向发射器或声波径向发射器设为管内待检设备时，该试验装置还能够作为管内待检设备的性能检测装置，从而准确评估该管内待检设备发出声波在不同工况下的衰减特性，进而判断该管内待检设备的声波传输性能。

27、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。