隨鉆測量及其應用

張 佳 呂琦 程 海

(中煤科工集團西安研究院，陜西西安 710077)

0 概述

隨鉆測量是指在鉆進的同時連續不斷的檢測各種鉆孔或鉆頭的相關參數，這些參數主要包括定向軌跡描述（傾斜、方位、工具面）及地層特性測量（電阻率、自然伽馬、孔隙度等）[1]。在實際的鉆進施工過程中，由于煤巖層賦存狀況的變化、施工工藝等原因，會導致鉆進軌跡偏離原來的設計方向，出現測量誤差，從而誤導地質分析，產生多種安全隱患。因此，在鉆進過程中，需要能夠實時顯示鉆進軌跡的設備來指導鉆進方向，而隨鉆測量系統主要用于近水平定向鉆孔施工過程中的隨鉆監測，使鉆孔盡可能的按照設計的軌跡鉆進。

1 系統設計原理

隨鉆測量系統是由孔口監視器、專用電源及探管組成[2]，各部分之間通過專用電纜連接。該系統可隨鉆測量鉆孔的傾角、方位角、工具面等參數，同時可實現鉆孔參數、軌跡的實時顯示，便于操作人員隨時了解鉆孔的施工情況，能夠及時調整工具面方向和工藝參數；同時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；該系統結構緊湊，性能穩定，體積小，重量輕，外形美觀大方，操作使用簡潔方便。

隨鉆測量系統連接模塊如圖1所示：

圖1 孔口監視器及電源與探管連接模塊

其中，孔口監視器是整個測量系統的人機交互界面，通過監視器與探管之間進行信息交換，控制探管的工作狀態，接收探管的測量結果，并將測量結果以數據表格和圖形的方式表示出來，使得鉆孔盡可能的按照設計軌跡鉆進；同時將每次測量的結果以文件的形式記錄保存。

電源為孔口監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視器正常工作8小時。

探管主要完成對鉆孔空間軌跡的參數測量，并將測量到的數據用串行通信的方式發送至孔口監視器進行數據處理及實時顯示。探管的傾角測量范圍：-90o~90o，精度±0.2；方位角測量范圍 ：0o~360o，精度 ±1.5 ；工具面向角測量范圍 ：0o~360o，精度±1.5[2]。

2 系統結構

2.1 孔口監視器是隨鉆測量系統的主要組成部分，主要負責將探管采集到的數據進行分析處理，并顯示鉆孔參數和鉆孔軌跡等信息。孔口監視器主要包括硬件和軟件兩部分，孔口監視器硬件模塊如圖2所示，由中心控制板、液晶顯示器、鼠標、通信接口等組成。其中，中心控制板負責測量數據的處理、計算及存儲；液晶顯示器是人機交互的界面，操作人員可通過顯示器實時、直觀的了解鉆進軌跡；通信接口負責將探管采集到的數據傳輸至中心控制板。

圖2 孔口監視器硬件模塊

軟件模塊如圖3所示：系統控制部分控制應用程序的初始化過程，如加載上次采集的數據；探管通信用于檢測孔口監視器與探管之間的通信是否正常；數據采集負責采集探管測量到的傾角、方位角等信息；計算結果將每次的測量數據轉化為角度值；信息顯示負責將每次的測量結果顯示出來，并以曲線的形式成圖。隨鉆測量軟件具有操作界面友好、可操作性強、實時控制等優點。

圖3 軟件模塊圖

2.2 監視器電源模塊如圖4所示：該電源由鎳氫電池組供電，其中配有電池保護電路；整個電源主要由低壓差穩壓器組成分級穩壓電路，由觸發器及與非門組成開關電路控制整個電源電路的打開與關斷，該電源具有電路簡單、性能可靠等特點。

圖4 電源模塊

2.3 測量探管由儀器、電池筒及固定組件等組成[2]。在實際鉆時，測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，防止在測量過程中傳感器受到磁場的干擾產生的誤差，提高測量精度。電池筒使用密封膠密封，減少震動引起的不可靠。

3 應用實例

陜西亭南煤礦地處彬長煤田中部，煤質為低灰、低硫、低磷，高發熱量、高揮發粉的優質動力煤。開始鉆進前，操作人員根據具體施工情況，設置孔口監視器里的相關參數，如勘探線方位、開孔方位等。也可自行調整測量深度，每測量一次，探管都將測量鉆孔傾角、方位角，測量軟件保存本次計算結果，操作人員可實時、直觀的看到鉆桿的鉆進方向，從而判斷探管鉆進的方向是否符合預先的設計曲線。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量數據。(左右偏差：鉆孔軸線軌跡上的測量點向水平面投影后再向Y軸投影所得到的長度；上下偏差：鉆孔垂深，是指鉆孔軸線軌跡上的測量點相對于開孔點（孔口）的垂直深度。)表1的數據為亭南礦實測數據：

表1 隨鉆測量數據

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是設計曲線與測量曲線以左右偏差的方式成圖，圖6是設計曲線與測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或多個分支孔(二級分支)，測量軟件也可以再從二級分支孔中開出三級分支孔。需要注意的是，分支孔的開始位置必須和父支上的對應點有相同的的傾角、方位角的值。

從圖5及圖6可以看出，當測量曲線與設計曲線有較大的偏離時，通過調整測量參數，可有效減少偏離程度，也可通過調整測量深度，增加測量點，提高測量精度。

4 總結

隨鉆測量系統能夠按照設計軌跡進行鉆進監測，且能夠滿足實際應用需求。實際應用表明：(1) 孔口監視器可實時監測鉆孔鉆進軌跡且成圖直觀，性能穩定。(2) 儀器體積小，易攜帶，操作使用方便，能完全滿足監測隨鉆鉆孔軌跡的要求。(3) 由于隨鉆測量系統在煤礦井下使用，其環境是多粉塵、高濕、高熱[3]，因此對系統的使用有著一定的要求，且需要注意維護保養。若出現異常現象，停止使用，并將儀器返廠維修；平時不使用時，應將儀器放置在陰涼通風的地方。

[1] 徐濤,劉翠海,黃青斌.水平定向鉆進隨鉆測量系統研究與設計.儀器儀表學報[J].2009,(9):1976-1980.

[2] 孫榮軍.國產隨鉆測量定向鉆進系統在寧夏汝箕溝煤礦的應用.煤田地質與勘探[J].2011,(8).

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