鉆孔深度測(cè)量?jī)x在方位伽馬測(cè)井中的應(yīng)用

王 嵐

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)是集定向測(cè)量、導(dǎo)向工具、地層地質(zhì)參數(shù)測(cè)量、隨鉆實(shí)時(shí)解釋等一體化的測(cè)量控制技術(shù)。地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)了隨鉆測(cè)井資料的重要工程價(jià)值[1]。方位伽馬測(cè)井參數(shù)是隨鉆測(cè)井資料解釋中的重要參數(shù)之一。在煤礦井下，為使鉆孔軌跡盡可能處于煤層之中，達(dá)到高效抽采瓦斯和順煤層探測(cè)地質(zhì)異常體的要求[2-3]，需要將隨鉆方位伽馬測(cè)井儀和定向鉆進(jìn)所用的隨鉆測(cè)量(MWD)系統(tǒng)結(jié)合在一起，完成對(duì)煤層、頂板及底板的巖性區(qū)分、判斷位置及距離，指導(dǎo)井下鉆機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)煤礦井下的地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)[4]。因此，隨鉆測(cè)井對(duì)于指導(dǎo)煤層氣抽采鉆孔的合理布置、提高煤層氣的抽采效率、保障煤炭資源安全高效開采等至關(guān)重要[5]。方位伽馬測(cè)量原理是根據(jù)伽馬傳感器接收到的底層伽馬射線強(qiáng)度，判斷地層中放射性元素的相對(duì)含量，從而判斷地層巖性[6]。借助方位伽馬測(cè)井資料可以解釋煤層、區(qū)分巖性、確定巖石泥質(zhì)含量、確定煤層厚度以及計(jì)算煤層灰分[7]。在隨鉆方位伽馬測(cè)井中，鉆孔深度數(shù)據(jù)是一項(xiàng)必不可少的測(cè)量參數(shù)，測(cè)井曲線深度的準(zhǔn)確性是保證測(cè)井解釋結(jié)果可靠的前提[8]。目前，在深度測(cè)量方面，煤炭行業(yè)尚沒有有效便捷的手段和方法來(lái)對(duì)鉆孔深度進(jìn)行檢測(cè)和施工驗(yàn)收[9-12]?，F(xiàn)有的煤礦井下長(zhǎng)鉆孔深度測(cè)量方法只能粗略計(jì)算出整個(gè)鉆孔的深度，測(cè)量的最小分辨率為單根鉆桿長(zhǎng)度，不滿足方位伽馬測(cè)井對(duì)深度的精細(xì)要求。

介紹的鉆孔深度測(cè)量?jī)x（簡(jiǎn)稱深度測(cè)量?jī)x）是基于光電編碼器原理，通過(guò)計(jì)算鉆桿的位移量來(lái)測(cè)量鉆孔深度。與目前市場(chǎng)上已有的鉆孔深度測(cè)量裝置相比，該深度測(cè)量?jī)x最小測(cè)量距離可精確到厘米，滿足隨鉆測(cè)井對(duì)深度精確測(cè)量的要求；另外，儀器內(nèi)部的時(shí)鐘可為每條深度數(shù)據(jù)提供實(shí)時(shí)的測(cè)量時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)與自然伽馬測(cè)量數(shù)據(jù)的匹配。該深度測(cè)量?jī)x在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果良好，取得防爆證后，作為礦用電磁波隨鉆方位伽馬測(cè)井系統(tǒng)的一部分，又在秦皇島撫寧一礦整合區(qū)以及黃玉川煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了滿意的試驗(yàn)效果。

1 測(cè)井系統(tǒng)組成及工作原理

礦用電磁波隨鉆方位伽馬測(cè)井系統(tǒng)分為孔口設(shè)備和孔中設(shè)備2部分，孔口設(shè)備包括本安型孔口控制器（含電磁波無(wú)線收發(fā)裝置和隨鉆測(cè)井監(jiān)控軟件）、礦用隔爆兼本安型電源和深度測(cè)量?jī)x；孔中設(shè)備包括測(cè)斜探管、方位伽馬測(cè)井探管、電磁波無(wú)線傳輸探管、絕緣短節(jié)及電池管。電磁波隨鉆伽馬測(cè)井系統(tǒng)組成框圖如圖1。

圖1 電磁波隨鉆方位伽馬測(cè)井系統(tǒng)組成框圖

深度測(cè)量?jī)x探頭安裝在鉆機(jī)夾持器前方，鉆桿位移帶動(dòng)編碼器計(jì)數(shù)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將位移量轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖，經(jīng)過(guò)控制電路的轉(zhuǎn)換、計(jì)算，最終將鉆孔深度數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇卓诳刂破髦??？卓诳刂破魍ㄟ^(guò)專用電纜與深度測(cè)量?jī)x相連接，完成對(duì)深度測(cè)量?jī)x的供電、控制、數(shù)據(jù)傳輸及存儲(chǔ)。由于采用孔口隔爆電源供電，因此深度測(cè)量?jī)x的工作時(shí)間不受供電時(shí)間限制。在進(jìn)行隨鉆測(cè)井的過(guò)程中，孔中的測(cè)斜探管、伽馬測(cè)井探管分別將測(cè)得的信息經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，通過(guò)RS485總線傳送給無(wú)線傳輸探管，孔中的主控電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、放大，再通過(guò)無(wú)線電磁波傳輸?shù)姆绞綄y(cè)井信號(hào)傳輸?shù)娇卓?，孔口控制器中的電磁波無(wú)線收發(fā)裝置對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、放大后，將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232接口傳輸?shù)焦た貦C(jī)中。每次隨鉆測(cè)井監(jiān)控軟件接收完測(cè)斜數(shù)據(jù)和方位伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)后，會(huì)讀取1次深度數(shù)據(jù)，并將前后2個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的所有深度數(shù)據(jù)保存在孔口控制器內(nèi)的存儲(chǔ)器里。測(cè)井監(jiān)控軟件通過(guò)時(shí)間信息將測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與深度數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配、篩選，最終進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并成圖解釋。

2 深度測(cè)量?jī)x組成及主要技術(shù)指標(biāo)

深度測(cè)量?jī)x為隨鉆方位伽馬測(cè)井系統(tǒng)的深度測(cè)量部分，伽馬測(cè)井系統(tǒng)中的隔爆電源和孔口控制器分別給深度測(cè)量?jī)x供電及實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。深度測(cè)量探頭安裝在孔口鉆機(jī)夾持器前方，通過(guò)采集鉆桿位移信息轉(zhuǎn)換為鉆孔深度數(shù)據(jù)并記錄。探頭的結(jié)構(gòu)主要分為3部分：括儀器盒、計(jì)數(shù)軸支架和底座。儀器盒用于存放編碼器和控制電路板，計(jì)數(shù)軸支架通過(guò)軸承與編碼器計(jì)數(shù)軸相連接，底座部分根據(jù)配套鉆機(jī)設(shè)計(jì)，尺寸符合相應(yīng)鉆機(jī)安裝要求。

深度測(cè)量?jī)x探頭硬件電路包括編碼器模塊、穩(wěn)壓電路、鑒相電路、控制電路、時(shí)鐘電路以及通訊接口電路等,深度測(cè)量?jī)x探頭電路組成框圖如圖2。鑒相電路將編碼器輸出的2路相位差90°的2組脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為1路計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)PULSE和1路高/低電平信號(hào)RDIR。PULSE信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖送入單片機(jī)中的中斷口，RDIR信號(hào)送到單片機(jī)的I/O口來(lái)判斷鉆桿位移方向?？刂齐娐穼?shí)現(xiàn)對(duì)2路信號(hào)的采集、深度數(shù)據(jù)計(jì)算、測(cè)量控制、與上位機(jī)的通訊等功能。時(shí)鐘電路可為每條深度數(shù)據(jù)提供以秒為單位的實(shí)時(shí)時(shí)間，該時(shí)間與隨鉆測(cè)井探管的時(shí)間同步，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)時(shí)間匹配來(lái)獲取所需測(cè)點(diǎn)的深度數(shù)據(jù)，從而為測(cè)井資料解釋提供基礎(chǔ)深度依據(jù)。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485總線傳送給隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的孔口顯示控制器，操作簡(jiǎn)單方便。

圖2 深度測(cè)量?jī)x探頭電路組成框圖

深度記錄儀的探頭結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)難點(diǎn)，由于鉆桿與編碼器計(jì)數(shù)軸的接觸點(diǎn)不同或鉆機(jī)給進(jìn)力不同，都會(huì)影響鉆桿與編碼器計(jì)數(shù)軸的耦合性。若耦合性差，則會(huì)引起鉆桿在計(jì)數(shù)軸上打滑或偏移，從而影響對(duì)鉆桿位移量的測(cè)量，導(dǎo)致深度測(cè)量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確?？紤]到以上問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試，探頭結(jié)構(gòu)采用雙滾輪抱緊鉆桿的方式,深度測(cè)量?jī)x探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。V型設(shè)計(jì)的上滾輪為輔助滾輪，防止鉆桿移動(dòng)中產(chǎn)生偏移；下滾輪為計(jì)數(shù)軸，在計(jì)數(shù)軸上刻有橫槽增加摩擦力防止鉆桿打滑；在計(jì)數(shù)軸支架上增加彈簧結(jié)構(gòu)，從而提高鉆桿與計(jì)數(shù)軸的耦合性；底座部分與計(jì)數(shù)軸支架分開設(shè)計(jì)，根據(jù)不同鉆機(jī)分別設(shè)計(jì)不同尺寸的底座。

圖3 深度測(cè)量?jī)x探頭結(jié)構(gòu)示意圖

深度測(cè)量?jī)x探頭的主要技術(shù)指標(biāo)如下：①工作溫度：0～40 ℃；②測(cè)量距離：0～2 000 m；③ 最小分辨率：1 cm；④深度測(cè)量誤差：≤1%±15 cm；⑤重復(fù)性誤差：≤1%；⑥傳輸方式：RS485，主從式，雙極性，半雙工；⑦傳輸速率：9 600 bps；⑧質(zhì)量：11 kg。

3 應(yīng)用情況

前期深度測(cè)量?jī)x在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了多次室內(nèi)測(cè)試，功能和性能指標(biāo)都達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。為驗(yàn)證在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件下深度測(cè)量?jī)x與電磁波隨鉆方位伽馬測(cè)井系統(tǒng)協(xié)同工作的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)是否可靠，整個(gè)測(cè)井系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3.1 秦皇島撫寧一礦試驗(yàn)

本次試驗(yàn)鉆孔為勘探孔，均為地面垂直孔，以往勘查成果較系統(tǒng)的確定了區(qū)內(nèi)的地層層序，詳細(xì)劃分了含煤地層，可作為此次試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的參考依據(jù)。深度測(cè)量?jī)x安裝在孔口，鉆桿經(jīng)過(guò)探頭滾輪進(jìn)入孔中，測(cè)試時(shí)，伽馬探管每6 s采樣1次，深度測(cè)量?jī)x每5 cm記錄1組數(shù)據(jù)，測(cè)斜探管每次停鉆時(shí)，加電測(cè)量1組姿態(tài)參數(shù)，無(wú)線電磁波傳輸探管每1 min發(fā)射1次數(shù)據(jù)，其中對(duì)伽馬數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣發(fā)射。根據(jù)時(shí)間對(duì)伽馬數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣，再將接收到的深度數(shù)據(jù)通過(guò)時(shí)間信息與抽樣到的伽馬數(shù)據(jù)匹配在一起，最終完成圖表繪制。改鉆孔深度記錄儀最終記錄深度為707.46 m，下鉆75根鉆桿，前43根為9.56 m/根，后32根為9 m/根，前方儀器長(zhǎng)度為7 m，即下鉆鉆桿總長(zhǎng)度約為706.08 m，深度記錄儀記錄的絕對(duì)誤差為1.38 m，相對(duì)誤差為0.2%，滿足方位伽馬測(cè)井對(duì)深度的測(cè)試要求。

3.2 黃玉川試驗(yàn)

對(duì)秦皇島試驗(yàn)暴露出深度測(cè)量?jī)x存在的部分問(wèn)題，在隨鉆測(cè)井監(jiān)控軟件上做了相應(yīng)改進(jìn)優(yōu)化：

1）由于深度測(cè)量?jī)x內(nèi)部存儲(chǔ)容量有限，數(shù)據(jù)過(guò)多的情況下，新數(shù)據(jù)會(huì)覆蓋舊數(shù)據(jù)，容易造成深度數(shù)據(jù)丟失的情況。針對(duì)此問(wèn)題，在隨鉆測(cè)井監(jiān)控軟件中增加了深度數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)功能，即每次讀取完測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和深度數(shù)據(jù)后，自動(dòng)將數(shù)據(jù)保存在具備大存儲(chǔ)容量的孔口控制器中，并及時(shí)清空深度測(cè)量?jī)x內(nèi)部存儲(chǔ)器，以備后續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取。

2）深度數(shù)據(jù)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)時(shí)間相匹配，二者的時(shí)鐘必須保持一致才能確保測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。由于煤礦井下可能存在突然斷電現(xiàn)象，深度測(cè)量?jī)x時(shí)間清零，電源恢復(fù)后，可能出現(xiàn)忘記“同步時(shí)間”的誤操作，導(dǎo)致深度數(shù)據(jù)無(wú)法與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)相匹配。針對(duì)該現(xiàn)象，在隨鉆測(cè)井監(jiān)控軟件深度測(cè)量?jī)x重新上電后初始化的操作中增加了自動(dòng)同步時(shí)間功能，無(wú)需工作人員單獨(dú)操作。

3）為防止人員的誤操作，將深度測(cè)量系數(shù)寫為固定值，將不能在隨鉆測(cè)井測(cè)量軟件上任意修改。

對(duì)軟件進(jìn)行優(yōu)化后，深度測(cè)量?jī)x與隨鉆方位伽馬測(cè)井系統(tǒng)又在陜北黃玉川煤礦進(jìn)行了煤礦井下的實(shí)鉆試驗(yàn)。黃玉川煤礦位于內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤田西南部，該區(qū)石炭-二疊系地層含7層，可采煤層為山西組4、5號(hào)煤層、太原組6上、6號(hào)和9號(hào)煤層。此次試驗(yàn)地層為太原組6上、6號(hào)煤層。6上煤層賦存于太原組頂部，頂?shù)装鍘r性大部分為沙質(zhì)泥巖、砂巖；6號(hào)煤層賦存于太原組中上部，頂?shù)装鍘r性大部分為沙質(zhì)泥巖、粉砂巖、粗砂巖[13]。

深度記錄儀安裝在定向鉆機(jī)夾持器前方，取深度記錄間隔為5 cm，伽馬測(cè)量探管通過(guò)轉(zhuǎn)接頭與鉆桿連接，借助定向鉆機(jī)將隨鉆方位伽馬儀器送入鉆孔內(nèi)，進(jìn)鉆時(shí)，鉆桿位移同時(shí)記錄深度變化值，通過(guò)測(cè)井軟件將測(cè)量到的伽馬值與深度值相匹配。本次試驗(yàn)打鉆孔深410 m，總計(jì)測(cè)量深度為408 m，測(cè)量過(guò)程中，深度數(shù)據(jù)穩(wěn)定，再未出現(xiàn)前期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟失、誤操作等問(wèn)題。測(cè)量結(jié)束后，測(cè)井軟件對(duì)伽馬數(shù)據(jù)及深度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，最終生成伽馬曲線與巖性剖面投影圖(圖略）。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)開發(fā)了礦用鉆孔深度測(cè)量?jī)x,研制的鉆孔深度測(cè)量?jī)x通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與改進(jìn)后，分別在秦皇島撫寧一礦整合區(qū)與陜北黃玉川煤礦井下進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，深度測(cè)量?jī)x操作簡(jiǎn)單，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，與方位伽馬測(cè)井系統(tǒng)配合良好，可以滿足隨鉆方位伽馬測(cè)井系統(tǒng)對(duì)深度測(cè)量的要求。

盡管鉆孔深度測(cè)量?jī)x已經(jīng)研制成功并且試驗(yàn)效果良好，但在幾次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中也暴露出個(gè)別問(wèn)題。由于深度測(cè)量?jī)x自身存儲(chǔ)器容量較小，測(cè)量過(guò)程中需將深度數(shù)據(jù)保存在孔口控制器中，目前的操作方式只適用于隨鉆測(cè)量，若想應(yīng)用于存儲(chǔ)式測(cè)量，還需更換大容量存儲(chǔ)芯片；深度測(cè)量?jī)x時(shí)鐘芯片為外部供電，未加紐扣電池，一旦斷電，需要重新進(jìn)行時(shí)間同步操作。這些問(wèn)題將在后續(xù)的產(chǎn)品升級(jí)改造中進(jìn)行改進(jìn)和解決。