小直径测斜仪的应用研究

周策,陈文俊,刘一民,汤国起

(中国地质科学院探矿工艺研究所,四川成都 610081)

小直径测斜仪的应用研究

周策,陈文俊,刘一民,汤国起

(中国地质科学院探矿工艺研究所,四川成都 610081)

介绍了研制的深孔用小直径测斜仪的构成、数据计算过程及处理原理、仪器的机械结构、测斜工艺流程及野外试验情况。

深孔;小直径测斜仪;数据处理

0 前言

钻孔测斜技术是我国地质勘查关键技术之一,在我国地质调查和国民经济其他领域有着广泛的应用前景,特别是我国地质勘查,需打很多钻孔才能评价和确定矿产储量。而我国地勘现用钻孔测斜仪不能配套用于将要开始或有的地区已经开始的深部找矿勘探需求,现用钻孔测斜仪外径都大,均不能通过现场常规钻探所用钻杆内径,不能用钻杆保护进行钻孔测斜,将面临中深部裸眼钻孔测斜不安全性和风险,且地勘现用钻孔测斜仪没有考虑与钻探工艺相结合多功能多用性。现用钻孔测斜仪不能融合定向钻进、定向取心和绳索取心测斜等多种钻探工艺测斜和定向的需求。小直径测斜技术不仅可避免事故,操作简单,还可在钻进回次下钻过程中,测斜仪下入钻杆内进行测斜,因此节约测量时间,提高测斜效益,增加钻进的时间,提高效率和质量,保证快速钻探的需求,融合定向钻进、定向取心和绳索取心测斜等多种钻探工艺测斜和定向的需求。

1 CXJ型小直径测斜仪构成

本系统由传感器和单片机为核心组成,原理结构框图如下图1。

(1)测量传感器有三维加速度计和三维磁阻计,用于测量顶角、方位角、工具面向角,电压传感器用于电源的监控;

(2)单片机用于数据采集与初步处理;

图1 CXJ测斜仪原理结构框图

(3)数据存储器用于数据存储;

(4)笔记本电脑用于地面数据提取与处理。

2 数据计算处理过程原理

2.1 坐标系与角度定义

(1)坐标系:原始位置两个坐标系重合,α=0,θ =0,β=0,如图2所示。

图2 坐标系

(2)倾角:OZ与OD之间的夹角θ,即平面OXY与OEN之间的夹角。沿Y轴逆时针旋转为正,即向下为正。

(3)方位角:OED平面与OYZ平面之间的夹角α,从北向东转为正。沿Z轴顺时针旋转。

(4)工具面角:OZD平面与OXZ平面之间的夹角β,沿X轴顺时针为正。

2.2 采集数据处理

(1)找出Axmin,Axmax;Aymin,Aymax;Azmin,Azmax;

(2)计算:ΔAx,ΔAy,ΔAz

(3)修正Ay与Az:

其中:Ky=ΔAx/ΔAy,Y0=Axmin-KyAymin

同理:Azn=KzAz+Z0

其中:Kz=ΔAx/ΔAz,Z0=Axmin-KzAzmin

(4)求中心偏移值:

(5)测量值中心偏移:

(6)Mx,My,Mz的计算:

①将Mx,My,Mz在水平状态(AS-Z最大时)下旋转一周,得到Mx-max,Mx-min;My-max,My-min。在垂直状态(AS-X最大时)下旋转一周,得到Mz-max, Mz-min。并由此计算出△Mx,△My,△Mz,并找出其中最大的为△Mmax。

③若实际测量值为MMx,MMy,MMz,则修正后的值为Mx,My,Mz,计算如下:

(7)按照映射关系给GX,GY,GZ,HX,HY,HZ赋值,即将A3nn或-A3nn赋给G3;将M3或-M3赋给H3(按照平面放置映射,即:Hx=-Mx,Hy=My,Hz=Mz;Gx=-Ax,Gy=Ay,Gz=Az)

(8)计算模:

(9)求归一化值:

(10)计算顶角:

(11)计算工具面角:

βG根据Gy与Gz情况计算为0～360°,计算如下:

(12)计算方位角:

3 小直径钻孔测斜仪机械结构

小直径钻孔测斜仪组装图见图3。

图3 小直径钻孔测斜仪组装图

4 测斜仪人机界面

测斜仪人机界见图4,主要作用是读取数据、保存数据、处理数据,最终计算求得钻孔顶角、方位角、工具面向角。

5 测斜工艺流程

测斜工艺流程见图5,主要有两种测量方式:

(1)从孔口在钻杆内投入探头量测,并将测得的数据存入存储器内;

图4 测斜仪人机界面图

图5 测斜工艺流程图

(2)探头随钻杆下入孔内,并将测得的数据存入存储器内。

最后在地面由电脑读取数据。也可直接采用有线直接由电脑量测。

6 野外试验

为了为由中南勘测设计研究院设计施工的湖南省洪江市托口镇托口电站三号试验钻孔测斜定向提供重要的科学依据,采用我所研制的CXJ-1型小直径深孔测斜仪。其技术参数如下:

(1)外径18 mm;

(2)钻孔顶角测量范围和精度:0～90°,≤± 0.5°;

(3)钻孔方位角测量范围和精度:0～360°,≤5° (顶角≤5°),≤2°(顶角>5°);

(4)测量方式:回次钻进下钻过程中送入或投入测斜探管,用钢绳或用打捞器在钻杆内下放及上拉探管进行单、多点测量;

(5)记录方式:信息存储读取用存储卡或手提电脑直接读数和作图;

(6)最大孔深:2000 m;

(7)适用温度:-10～50℃。

托口电站三号试验钻孔测斜结果,完全满足工程设计要求。其测斜是可行的,有相当的适用性,解决了现场对测斜的要求。

[1] 周策,肖圣泗,汤国起.CQ型光电多点连续测斜仪的研制[J].探矿工程,1999,(1)

[2] 周策,赵燕来,李忠.存储式压电陀螺测斜仪的应用[J].探矿工程,2002,(1).

[3] 周策,陈文俊.时空多点连续定向取心技术应用研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2004,31(8).

Application Study on Small Diameter Deviation Inclinometer

ZHOU Ce,CHEN Wen-jun,LIU Yi-min,TANG Guo-qi(The Institute of Exploration Technology of CAGS,Chengdu Sichuan 610081,China)

The paper introduced the small diameter deviation inclinometer for deep hole about its composition,data calcula-tion process&treatment principle,instrument structure,deviation measuring process and the field test.

deep hole;s mall diameter deviation inclinometer;data processing

P634.7

A

1672-7428(2010)12-0029-03

2010-09-10

周策(1965-),男(汉族),四川成都人,中国地质科学院探矿工艺研究所教授级高级工程师,探矿工程专业,从事钻探和地质灾害机电仪器仪表设备研制开发工作,四川省成都市一环路北二段1号。