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专利号: 2012102834761
申请人: 中国地质大学(武汉)
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 土层或岩石的钻进;采矿
更新日期:2024-02-26
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种煤层气水平开采孔激光定向钻进钻具,其特征在于:包括激光发射头及其偏转控制部件、偏转执行部件和电路部分;

所述的激光发射头采用HIGHYAG系列产品;

所述的激光发射头偏转控制部件包含钻杆管接头、过渡管接头、控制部分连接件C、轴承盖A、光纤环A、轴承连接内环CA、电池盒、电路板支承座、轴承连接内环BB和集流环,所述的钻杆管接头与钻杆用螺纹连接,钻杆管接头与过渡管接头、外壳连接环E、外壳A、外壳连接环A、外壳B、外壳连接环B及外壳C采用螺纹顺序连接;所述的控制部分连接件C与轴承连接内环CA、控制部分底盘A、控制部分旋转环、控制部分底盘B、轴承连接外环BB、集流环固定连接件、控制部分连接件A和轴承连接内环CB也采用螺纹顺序连接;所述的轴承盖A固定于控制部分连接件C上,轴承盖A中安装有光纤环A,且用O型圈密封;所述的光纤环A固定住光纤,控制部分连接件C与光纤环A采用轴承BA连接,孔用轴承挡圈A安装在控制部分连接件C中,固定住光纤环A;所述的轴承连接内环CA与外壳连接环A用轴承CA连接;

所述的电池盒固定于控制部分底盘A与控制部分底盘B之间,偏重块固定于控制部分旋转环上;所述的电路板支承座固定于控制部分底盘A与控制部分底盘B之间,电路板支承座固定在电路板上,电路板支柱安装在电路板支承座与电路板之间;所述的轴承连接内环BB将光纤固定,轴承连接内环BB与轴承连接外环BB用轴承BB连接,孔用轴承挡圈B与孔用轴承挡圈C安装于轴承连接外环BB中,用于固定轴承BB;所述的集流环安装于集流环固定连接件中,集流环用圆锥销固定,轴承连接内环CB与外壳连接环B用轴承CB连接,密封环A安装于外壳连接环B与外壳连接环C之间;

所述的激光发射头偏转执行部件包含外壳连接环C、外壳D、内齿轮、步进电机和光纤连接头固定件,所述的外壳连接环C与外壳D、外壳连接环D和钻头顶环螺纹顺序连接,所述的内齿轮、内齿轮连接件、轴承连接外环CC、步进电机连接底盘B、激光器部分旋转环和轴承连接内环CC也采用螺纹顺序连接;所述的步进电机设有步进电机A和步进电机B,步进电机A用螺钉固定于轴承连接内环CB上,步进电机A与齿轮轴用联轴器A连接,齿轮轴与内齿轮啮合传动,轴承连接外环CC与外壳连接环C用轴承CC连接,集流环同步连接件固定于内齿轮连接件上,并与集流环连接,以保证集流环转子与内齿轮同步转动,钻头顶部密封环安装在外壳连接环D与钻头顶环之间;步进电机B固定于步进电机连接底盘B上,步进电机B与凸轮轴用联轴器B连接;所述的光纤连接头固定件设有光纤连接头固定件A、光纤连接头固定件B、光纤连接头固定件C和光纤连接头固定件D,其中光纤连接头固定件A与光纤连接头固定件B固定于激光发射头的一端,活动杆固定于光纤连接头固定件B上,并插入到凸轮轴的槽中,密封环B安装于步进电机连接底盘B与外壳连接环D之间,外壳连接环D与轴承连接内环CC用轴承CD连接;所述的光纤连接头固定件D固定在激光发射头的另一端,光纤连接头固定件D与旋转小轴用轴承A连接,旋转小轴安装于光纤连接头固定件C中,轴端盖固定于光纤连接头固定件C上,轴承盖B固定于光纤连接头固定件D上,光纤连接头固定件C固定于激光器部分旋转环上;

所述的电路部分安装在电路板上,包括控制电路、钻具状态检测电路、钻进深度信号接收电路、步进电机驱动电路、电量检测电路和电源稳压电路。

2.根据权利要求1所述的一种煤层气水平开采孔激光定向钻进钻具,其特征在于:所述的步进电机A选择型号35BY48B04四相步进电机;步进电机B选择型号42BY48HJ75四相减速步进电机。

3.根据权利要求1所述的一种煤层气水平开采孔激光定向钻进钻具,其特征在于:所述的控制电路设有一个微处理器电路,并由微处理器电路分别连接钻具状态检测电路、钻进深度信号接收电路、步进电机驱动电路、电量检测电路和电源稳压电路;

所述的微处理器电路中采用了MSP430F149单片机,还设置了开关S1、振荡器Y1和振荡器Y2,其中开关S1为复位键,MSP430F149中的低速时钟是由LFXT1振荡器Y1构成,工作模式是32768Hz低频模式,Y1通过微处理器XIN和XOUT两个引脚与微处理器连接,高速时钟是由XT2振荡器Y2构成,工作频率8MHz,通过XT2IN和XT2OUT引脚与微处理器连接; 所述的钻具状态检测电路设有ZCC212N-TTL电子罗盘和SCA60C倾角传感器,钻具状态检测电路用于检测钻头倾角和方位角;

所述的钻进深度信号接收电路设有MAX3232芯片,MAX3232芯片的第10引脚T2IN、第

9引脚R2OUT分别与微处理器的第32引脚P3.4、第33引脚P3.5连接,其作为串口接收电路,将地面上的收集到的钻进深度信号接收到微处理器中进行处理;

所述的步进电机驱动电路通过两个相同的驱动电路分别驱动两个步进电机,电路采用TLP521-4和L298N芯片;

所述的电量检测电路设有LM339芯片,用于检测电源电量;

所述的电源稳压电路采用芯片7805和芯片1117将电压稳压成3.3V,采用芯片7812和芯片7805将电压分别稳压在12V和5V。

4.一种应用权利要求1所述的煤层气水平开采孔激光定向钻进钻具的钻进方法,其特征在于:具体操作步骤如下:

⑴准备好所述的煤层气水平开采孔激光定向钻进钻具,同时准备好与钻具配套的钻杆,所述的钻杆是在钻杆外壳上每隔5m设有一增厚铁环;

⑵将钻具下放到煤岩需要钻井的位置,开始钻进时,开启辅助气流泵,边钻进边让辅助气流将岩屑带走;

⑶钻进时由深度信号接收电路通过HMC1021Z型磁阻传感器,检测在钻杆外壳每隔5m设有的增厚铁环的磁阻,判断是否已钻进5m,计算钻进深度,当磁阻信号检测到之后,通过连接在地面上硬件电路处理信号,信号由232-485转换器输出,经钻杆内部,再由485-232转换器,输出到钻头顶部处钻具内的硬件电路上;每钻进5m深度,微处理器接收到钻具底部的触发脉冲信号时,提示钻进深度增加5m;同时微处理器控制电子罗盘和倾角传感器收集方位角、倾斜角信号进行处理,判断是否与设定的值一致;

⑷当微处理器监测到钻进实际轨迹与设定轨迹不一致时,微处理器调整步进电机A,内齿轮旋转,带动整个激光发射头旋转,到达指定位置,然后,微处理器调整步进电机B,凸轮旋转,带动激光发射头偏转,到达指定位置,一直到钻头偏转完成;

⑸完成钻头偏转后,微处理器调整步进电机B,凸轮旋转到初始位置,然后,微处理器再调整步进电机A,内齿轮旋转到初始位置,等待实际轨迹和预定轨迹不一致的信号出现,如此循环调整,直到钻进结束。