鉆孔深度測量儀在方位伽馬測井中的應用

王 嵐

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

地質導向技術是集定向測量、導向工具、地層地質參數測量、隨鉆實時解釋等一體化的測量控制技術。地質導向鉆井技術的應用體現了隨鉆測井資料的重要工程價值[1]。方位伽馬測井參數是隨鉆測井資料解釋中的重要參數之一。在煤礦井下，為使鉆孔軌跡盡可能處于煤層之中，達到高效抽采瓦斯和順煤層探測地質異常體的要求[2-3]，需要將隨鉆方位伽馬測井儀和定向鉆進所用的隨鉆測量(MWD)系統結合在一起，完成對煤層、頂板及底板的巖性區分、判斷位置及距離，指導井下鉆機實時調整鉆進參數，實現煤礦井下的地質導向鉆進[4]。因此，隨鉆測井對于指導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重要[5]。方位伽馬測量原理是根據伽馬傳感器接收到的底層伽馬射線強度，判斷地層中放射性元素的相對含量，從而判斷地層巖性[6]。借助方位伽馬測井資料可以解釋煤層、區分巖性、確定巖石泥質含量、確定煤層厚度以及計算煤層灰分[7]。在隨鉆方位伽馬測井中，鉆孔深度數據是一項必不可少的測量參數，測井曲線深度的準確性是保證測井解釋結果可靠的前提[8]。目前，在深度測量方面，煤炭行業尚沒有有效便捷的手段和方法來對鉆孔深度進行檢測和施工驗收[9-12]。現有的煤礦井下長鉆孔深度測量方法只能粗略計算出整個鉆孔的深度，測量的最小分辨率為單根鉆桿長度，不滿足方位伽馬測井對深度的精細要求。

介紹的鉆孔深度測量儀（簡稱深度測量儀）是基于光電編碼器原理，通過計算鉆桿的位移量來測量鉆孔深度。與目前市場上已有的鉆孔深度測量裝置相比，該深度測量儀最小測量距離可精確到厘米，滿足隨鉆測井對深度精確測量的要求；另外，儀器內部的時鐘可為每條深度數據提供實時的測量時間，從而實現與自然伽馬測量數據的匹配。該深度測量儀在實驗室測試結果良好，取得防爆證后，作為礦用電磁波隨鉆方位伽馬測井系統的一部分，又在秦皇島撫寧一礦整合區以及黃玉川煤礦進行了現場試驗，取得了滿意的試驗效果。

1 測井系統組成及工作原理

礦用電磁波隨鉆方位伽馬測井系統分為孔口設備和孔中設備2部分，孔口設備包括本安型孔口控制器（含電磁波無線收發裝置和隨鉆測井監控軟件）、礦用隔爆兼本安型電源和深度測量儀；孔中設備包括測斜探管、方位伽馬測井探管、電磁波無線傳輸探管、絕緣短節及電池管。電磁波隨鉆伽馬測井系統組成框圖如圖1。

圖1 電磁波隨鉆方位伽馬測井系統組成框圖

深度測量儀探頭安裝在鉆機夾持器前方，鉆桿位移帶動編碼器計數軸轉動，將位移量轉換為計數脈沖，經過控制電路的轉換、計算，最終將鉆孔深度數據傳輸到孔口控制器中。孔口控制器通過專用電纜與深度測量儀相連接，完成對深度測量儀的供電、控制、數據傳輸及存儲。由于采用孔口隔爆電源供電，因此深度測量儀的工作時間不受供電時間限制。在進行隨鉆測井的過程中，孔中的測斜探管、伽馬測井探管分別將測得的信息經過信號處理后，通過RS485總線傳送給無線傳輸探管，孔中的主控電路對信號進行調制、放大，再通過無線電磁波傳輸的方式將測井信號傳輸到孔口，孔口控制器中的電磁波無線收發裝置對信號進行解調、放大后，將得到的數據通過RS232接口傳輸到工控機中。每次隨鉆測井監控軟件接收完測斜數據和方位伽馬測井數據后，會讀取1次深度數據，并將前后2個測點之間的所有深度數據保存在孔口控制器內的存儲器里。測井監控軟件通過時間信息將測井數據與深度數據進行匹配、篩選，最終進行數據處理并成圖解釋。

2 深度測量儀組成及主要技術指標

深度測量儀為隨鉆方位伽馬測井系統的深度測量部分，伽馬測井系統中的隔爆電源和孔口控制器分別給深度測量儀供電及實時顯示測量數據。深度測量探頭安裝在孔口鉆機夾持器前方，通過采集鉆桿位移信息轉換為鉆孔深度數據并記錄。探頭的結構主要分為3部分：括儀器盒、計數軸支架和底座。儀器盒用于存放編碼器和控制電路板，計數軸支架通過軸承與編碼器計數軸相連接，底座部分根據配套鉆機設計，尺寸符合相應鉆機安裝要求。

深度測量儀探頭硬件電路包括編碼器模塊、穩壓電路、鑒相電路、控制電路、時鐘電路以及通訊接口電路等,深度測量儀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組脈沖信號轉換為1路計數脈沖信號PULSE和1路高/低電平信號RDIR。PULSE信號作為計數脈沖送入單片機中的中斷口，RDIR信號送到單片機的I/O口來判斷鉆桿位移方向。控制電路實現對2路信號的采集、深度數據計算、測量控制、與上位機的通訊等功能。時鐘電路可為每條深度數據提供以秒為單位的實時時間，該時間與隨鉆測井探管的時間同步，測井數據通過時間匹配來獲取所需測點的深度數據，從而為測井資料解釋提供基礎深度依據。測量數據通過RS-485總線傳送給隨鉆測井系統的孔口顯示控制器，操作簡單方便。

圖2 深度測量儀探頭電路組成框圖

深度記錄儀的探頭結構為設計難點，由于鉆桿與編碼器計數軸的接觸點不同或鉆機給進力不同，都會影響鉆桿與編碼器計數軸的耦合性。若耦合性差，則會引起鉆桿在計數軸上打滑或偏移，從而影響對鉆桿位移量的測量，導致深度測量數據的不準確。考慮到以上問題，經過多次試驗測試，探頭結構采用雙滾輪抱緊鉆桿的方式,深度測量儀探頭結構示意圖如圖3。V型設計的上滾輪為輔助滾輪，防止鉆桿移動中產生偏移；下滾輪為計數軸，在計數軸上刻有橫槽增加摩擦力防止鉆桿打滑；在計數軸支架上增加彈簧結構，從而提高鉆桿與計數軸的耦合性；底座部分與計數軸支架分開設計，根據不同鉆機分別設計不同尺寸的底座。

圖3 深度測量儀探頭結構示意圖

深度測量儀探頭的主要技術指標如下：①工作溫度：0～40 ℃；②測量距離：0～2 000 m；③ 最小分辨率：1 cm；④深度測量誤差：≤1%±15 cm；⑤重復性誤差：≤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質量：11 kg。

3 應用情況

前期深度測量儀在實驗室進行了多次室內測試，功能和性能指標都達到了預定目標。為驗證在現場應用條件下深度測量儀與電磁波隨鉆方位伽馬測井系統協同工作的穩定性以及數據是否可靠，整個測井系統進行了現場試驗。

3.1 秦皇島撫寧一礦試驗

本次試驗鉆孔為勘探孔，均為地面垂直孔，以往勘查成果較系統的確定了區內的地層層序，詳細劃分了含煤地層，可作為此次試驗測試結果的參考依據。深度測量儀安裝在孔口，鉆桿經過探頭滾輪進入孔中，測試時，伽馬探管每6 s采樣1次，深度測量儀每5 cm記錄1組數據，測斜探管每次停鉆時，加電測量1組姿態參數，無線電磁波傳輸探管每1 min發射1次數據，其中對伽馬數據進行抽樣發射。根據時間對伽馬數據進行抽樣，再將接收到的深度數據通過時間信息與抽樣到的伽馬數據匹配在一起，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，前方儀器長度為7 m，即下鉆鉆桿總長度約為706.08 m，深度記錄儀記錄的絕對誤差為1.38 m，相對誤差為0.2%，滿足方位伽馬測井對深度的測試要求。

3.2 黃玉川試驗

對秦皇島試驗暴露出深度測量儀存在的部分問題，在隨鉆測井監控軟件上做了相應改進優化：

1）由于深度測量儀內部存儲容量有限，數據過多的情況下，新數據會覆蓋舊數據，容易造成深度數據丟失的情況。針對此問題，在隨鉆測井監控軟件中增加了深度數據自動存儲功能，即每次讀取完測井數據和深度數據后，自動將數據保存在具備大存儲容量的孔口控制器中，并及時清空深度測量儀內部存儲器，以備后續測量數據的存儲和讀取。

2）深度數據與測井數據通過時間相匹配，二者的時鐘必須保持一致才能確保測量數據的真實可靠。由于煤礦井下可能存在突然斷電現象，深度測量儀時間清零，電源恢復后，可能出現忘記“同步時間”的誤操作，導致深度數據無法與測井數據相匹配。針對該現象，在隨鉆測井監控軟件深度測量儀重新上電后初始化的操作中增加了自動同步時間功能，無需工作人員單獨操作。

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

對軟件進行優化后，深度測量儀與隨鉆方位伽馬測井系統又在陜北黃玉川煤礦進行了煤礦井下的實鉆試驗。黃玉川煤礦位于內蒙古準格爾煤田西南部，該區石炭-二疊系地層含7層，可采煤層為山西組4、5號煤層、太原組6上、6號和9號煤層。此次試驗地層為太原組6上、6號煤層。6上煤層賦存于太原組頂部，頂底板巖性大部分為沙質泥巖、砂巖；6號煤層賦存于太原組中上部，頂底板巖性大部分為沙質泥巖、粉砂巖、粗砂巖[13]。

深度記錄儀安裝在定向鉆機夾持器前方，取深度記錄間隔為5 cm，伽馬測量探管通過轉接頭與鉆桿連接，借助定向鉆機將隨鉆方位伽馬儀器送入鉆孔內，進鉆時，鉆桿位移同時記錄深度變化值，通過測井軟件將測量到的伽馬值與深度值相匹配。本次試驗打鉆孔深410 m，總計測量深度為408 m，測量過程中，深度數據穩定，再未出現前期試驗中發現的數據丟失、誤操作等問題。測量結束后，測井軟件對伽馬數據及深度數據進行計算處理，最終生成伽馬曲線與巖性剖面投影圖(圖略）。

4 結語

設計開發了礦用鉆孔深度測量儀,研制的鉆孔深度測量儀通過實驗室測試與改進后，分別在秦皇島撫寧一礦整合區與陜北黃玉川煤礦井下進行了現場試驗，試驗結果表明，深度測量儀操作簡單，測量數據穩定、可靠，與方位伽馬測井系統配合良好，可以滿足隨鉆方位伽馬測井系統對深度測量的要求。

盡管鉆孔深度測量儀已經研制成功并且試驗效果良好，但在幾次現場試驗中也暴露出個別問題。由于深度測量儀自身存儲器容量較小，測量過程中需將深度數據保存在孔口控制器中，目前的操作方式只適用于隨鉆測量，若想應用于存儲式測量，還需更換大容量存儲芯片；深度測量儀時鐘芯片為外部供電，未加紐扣電池，一旦斷電，需要重新進行時間同步操作。這些問題將在后續的產品升級改造中進行改進和解決。