隨鉆測(cè)量及其應(yīng)用

張 佳 呂琦 程 海

(中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西西安 710077)

0 概述

隨鉆測(cè)量是指在鉆進(jìn)的同時(shí)連續(xù)不斷的檢測(cè)各種鉆孔或鉆頭的相關(guān)參數(shù)，這些參數(shù)主要包括定向軌跡描述（傾斜、方位、工具面）及地層特性測(cè)量（電阻率、自然伽馬、孔隙度等）[1]。在實(shí)際的鉆進(jìn)施工過程中，由于煤巖層賦存狀況的變化、施工工藝等原因，會(huì)導(dǎo)致鉆進(jìn)軌跡偏離原來的設(shè)計(jì)方向，出現(xiàn)測(cè)量誤差，從而誤導(dǎo)地質(zhì)分析，產(chǎn)生多種安全隱患。因此，在鉆進(jìn)過程中，需要能夠?qū)崟r(shí)顯示鉆進(jìn)軌跡的設(shè)備來指導(dǎo)鉆進(jìn)方向，而隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要用于近水平定向鉆孔施工過程中的隨鉆監(jiān)測(cè)，使鉆孔盡可能的按照設(shè)計(jì)的軌跡鉆進(jìn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

隨鉆測(cè)量系統(tǒng)是由孔口監(jiān)視器、專用電源及探管組成[2]，各部分之間通過專用電纜連接。該系統(tǒng)可隨鉆測(cè)量鉆孔的傾角、方位角、工具面等參數(shù)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)鉆孔參數(shù)、軌跡的實(shí)時(shí)顯示，便于操作人員隨時(shí)了解鉆孔的施工情況，能夠及時(shí)調(diào)整工具面方向和工藝參數(shù)；同時(shí)適用于煤礦井下瓦斯抽放孔、放水孔、超前勘探孔等鉆孔施工，也適用于地面勘探孔，煤層氣開采水平分支孔等鉆孔施工；該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，體積小，重量輕，外形美觀大方，操作使用簡(jiǎn)潔方便。

隨鉆測(cè)量系統(tǒng)連接模塊如圖1所示：

圖1 孔口監(jiān)視器及電源與探管連接模塊

其中，孔口監(jiān)視器是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，通過監(jiān)視器與探管之間進(jìn)行信息交換，控制探管的工作狀態(tài)，接收探管的測(cè)量結(jié)果，并將測(cè)量結(jié)果以數(shù)據(jù)表格和圖形的方式表示出來，使得鉆孔盡可能的按照設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)；同時(shí)將每次測(cè)量的結(jié)果以文件的形式記錄保存。

電源為孔口監(jiān)視器正常工作供電提供5V電壓，并配有專用充電器。一次充滿電后可使孔口監(jiān)視器正常工作8小時(shí)。

探管主要完成對(duì)鉆孔空間軌跡的參數(shù)測(cè)量，并將測(cè)量到的數(shù)據(jù)用串行通信的方式發(fā)送至孔口監(jiān)視器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及實(shí)時(shí)顯示。探管的傾角測(cè)量范圍：-90o~90o，精度±0.2；方位角測(cè)量范圍 ：0o~360o，精度 ±1.5 ；工具面向角測(cè)量范圍 ：0o~360o，精度±1.5[2]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 孔口監(jiān)視器是隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的主要組成部分，主要負(fù)責(zé)將探管采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并顯示鉆孔參數(shù)和鉆孔軌跡等信息?？卓诒O(jiān)視器主要包括硬件和軟件兩部分，孔口監(jiān)視器硬件模塊如圖2所示，由中心控制板、液晶顯示器、鼠標(biāo)、通信接口等組成。其中，中心控制板負(fù)責(zé)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算及存儲(chǔ)；液晶顯示器是人機(jī)交互的界面，操作人員可通過顯示器實(shí)時(shí)、直觀的了解鉆進(jìn)軌跡；通信接口負(fù)責(zé)將探管采集到的數(shù)據(jù)傳輸至中心控制板。

圖2 孔口監(jiān)視器硬件模塊

軟件模塊如圖3所示：系統(tǒng)控制部分控制應(yīng)用程序的初始化過程，如加載上次采集的數(shù)據(jù)；探管通信用于檢測(cè)孔口監(jiān)視器與探管之間的通信是否正常；數(shù)據(jù)采集負(fù)責(zé)采集探管測(cè)量到的傾角、方位角等信息；計(jì)算結(jié)果將每次的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為角度值；信息顯示負(fù)責(zé)將每次的測(cè)量結(jié)果顯示出來，并以曲線的形式成圖。隨鉆測(cè)量軟件具有操作界面友好、可操作性強(qiáng)、實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 軟件模塊圖

2.2 監(jiān)視器電源模塊如圖4所示：該電源由鎳氫電池組供電，其中配有電池保護(hù)電路；整個(gè)電源主要由低壓差穩(wěn)壓器組成分級(jí)穩(wěn)壓電路，由觸發(fā)器及與非門組成開關(guān)電路控制整個(gè)電源電路的打開與關(guān)斷，該電源具有電路簡(jiǎn)單、性能可靠等特點(diǎn)。

圖4 電源模塊

2.3 測(cè)量探管由儀器、電池筒及固定組件等組成[2]。在實(shí)際鉆時(shí)，測(cè)量探管與上無磁鉆桿、下無磁鉆桿連接后使用。探管以無磁銅為原材料，防止在測(cè)量過程中傳感器受到磁場(chǎng)的干擾產(chǎn)生的誤差，提高測(cè)量精度。電池筒使用密封膠密封，減少震動(dòng)引起的不可靠。

3 應(yīng)用實(shí)例

陜西亭南煤礦地處彬長(zhǎng)煤田中部，煤質(zhì)為低灰、低硫、低磷，高發(fā)熱量、高揮發(fā)粉的優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤。開始鉆進(jìn)前，操作人員根據(jù)具體施工情況，設(shè)置孔口監(jiān)視器里的相關(guān)參數(shù)，如勘探線方位、開孔方位等。也可自行調(diào)整測(cè)量深度，每測(cè)量一次，探管都將測(cè)量鉆孔傾角、方位角，測(cè)量軟件保存本次計(jì)算結(jié)果，操作人員可實(shí)時(shí)、直觀的看到鉆桿的鉆進(jìn)方向，從而判斷探管鉆進(jìn)的方向是否符合預(yù)先的設(shè)計(jì)曲線。操作人員可自行選擇以左右偏差或上下偏差的方式查看測(cè)量數(shù)據(jù)。(左右偏差：鉆孔軸線軌跡上的測(cè)量點(diǎn)向水平面投影后再向Y軸投影所得到的長(zhǎng)度；上下偏差：鉆孔垂深，是指鉆孔軸線軌跡上的測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于開孔點(diǎn)（孔口）的垂直深度。)表1的數(shù)據(jù)為亭南礦實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：

表1 隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)

19 561 -3.9 7.3 20 591 -4.4 4.8 21 624 -4.6 0.6 22 654 -3.2 -1.6 23 684 -4.7 -1.6

圖5 以左右偏差方式成圖

圖6 以上下偏差方式成圖

其中，圖5是設(shè)計(jì)曲線與測(cè)量曲線以左右偏差的方式成圖，圖6是設(shè)計(jì)曲線與測(cè)量曲線以上下偏差的方式成圖，曲線A1、A2、A3表示分支孔，分支孔是指在一支主孔的某些位置上開出一個(gè)或多個(gè)分支孔(二級(jí)分支)，測(cè)量軟件也可以再從二級(jí)分支孔中開出三級(jí)分支孔。需要注意的是，分支孔的開始位置必須和父支上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)有相同的的傾角、方位角的值。

從圖5及圖6可以看出，當(dāng)測(cè)量曲線與設(shè)計(jì)曲線有較大的偏離時(shí)，通過調(diào)整測(cè)量參數(shù)，可有效減少偏離程度，也可通過調(diào)整測(cè)量深度，增加測(cè)量點(diǎn)，提高測(cè)量精度。

4 總結(jié)

隨鉆測(cè)量系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)，且能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。實(shí)際應(yīng)用表明：(1) 孔口監(jiān)視器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔鉆進(jìn)軌跡且成圖直觀，性能穩(wěn)定。(2) 儀器體積小，易攜帶，操作使用方便，能完全滿足監(jiān)測(cè)隨鉆鉆孔軌跡的要求。(3) 由于隨鉆測(cè)量系統(tǒng)在煤礦井下使用，其環(huán)境是多粉塵、高濕、高熱[3]，因此對(duì)系統(tǒng)的使用有著一定的要求，且需要注意維護(hù)保養(yǎng)。若出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，停止使用，并將儀器返廠維修；平時(shí)不使用時(shí)，應(yīng)將儀器放置在陰涼通風(fēng)的地方。

[1] 徐濤,劉翠海,黃青斌.水平定向鉆進(jìn)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì).儀器儀表學(xué)報(bào)[J].2009,(9):1976-1980.

[2] 孫榮軍.國產(chǎn)隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)系統(tǒng)在寧夏汝箕溝煤礦的應(yīng)用.煤田地質(zhì)與勘探[J].2011,(8).

[3] 李明.礦用電子儀器的正確使用及維護(hù).煤炭經(jīng)濟(jì)研究[J].2011,(6):98-99.