随钻测量及其应用

张 佳 吕琦 程 海

(中煤科工集团西安研究院，陕西西安 710077)

0 概述

随钻测量是指在钻进的同时连续不断的检测各种钻孔或钻头的相关参数，这些参数主要包括定向轨迹描述（倾斜、方位、工具面）及地层特性测量（电阻率、自然伽马、孔隙度等）[1]。在实际的钻进施工过程中，由于煤岩层赋存状况的变化、施工工艺等原因，会导致钻进轨迹偏离原来的设计方向，出现测量误差，从而误导地质分析，产生多种安全隐患。因此，在钻进过程中，需要能够实时显示钻进轨迹的设备来指导钻进方向，而随钻测量系统主要用于近水平定向钻孔施工过程中的随钻监测，使钻孔尽可能的按照设计的轨迹钻进。

1 系统设计原理

随钻测量系统是由孔口监视器、专用电源及探管组成[2]，各部分之间通过专用电缆连接。该系统可随钻测量钻孔的倾角、方位角、工具面等参数，同时可实现钻孔参数、轨迹的实时显示，便于操作人员随时了解钻孔的施工情况，能够及时调整工具面方向和工艺参数；同时适用于煤矿井下瓦斯抽放孔、放水孔、超前勘探孔等钻孔施工，也适用于地面勘探孔，煤层气开采水平分支孔等钻孔施工；该系统结构紧凑，性能稳定，体积小，重量轻，外形美观大方，操作使用简洁方便。

随钻测量系统连接模块如图1所示：

图1 孔口监视器及电源与探管连接模块

其中，孔口监视器是整个测量系统的人机交互界面，通过监视器与探管之间进行信息交换，控制探管的工作状态，接收探管的测量结果，并将测量结果以数据表格和图形的方式表示出来，使得钻孔尽可能的按照设计轨迹钻进；同时将每次测量的结果以文件的形式记录保存。

电源为孔口监视器正常工作供电提供5V电压，并配有专用充电器。一次充满电后可使孔口监视器正常工作8小时。

探管主要完成对钻孔空间轨迹的参数测量，并将测量到的数据用串行通信的方式发送至孔口监视器进行数据处理及实时显示。探管的倾角测量范围：-90º~90º，精度±0.2；方位角测量范围 ：0º~360º，精度 ±1.5 ；工具面向角测量范围 ：0º~360º，精度±1.5[2]。

2 系统结构

2.1 孔口监视器是随钻测量系统的主要组成部分，主要负责将探管采集到的数据进行分析处理，并显示钻孔参数和钻孔轨迹等信息。孔口监视器主要包括硬件和软件两部分，孔口监视器硬件模块如图2所示，由中心控制板、液晶显示器、鼠标、通信接口等组成。其中，中心控制板负责测量数据的处理、计算及存储；液晶显示器是人机交互的界面，操作人员可通过显示器实时、直观的了解钻进轨迹；通信接口负责将探管采集到的数据传输至中心控制板。

图2 孔口监视器硬件模块

软件模块如图3所示：系统控制部分控制应用程序的初始化过程，如加载上次采集的数据；探管通信用于检测孔口监视器与探管之间的通信是否正常；数据采集负责采集探管测量到的倾角、方位角等信息；计算结果将每次的测量数据转化为角度值；信息显示负责将每次的测量结果显示出来，并以曲线的形式成图。随钻测量软件具有操作界面友好、可操作性强、实时控制等优点。

图3 软件模块图

2.2 监视器电源模块如图4所示：该电源由镍氢电池组供电，其中配有电池保护电路；整个电源主要由低压差稳压器组成分级稳压电路，由触发器及与非门组成开关电路控制整个电源电路的打开与关断，该电源具有电路简单、性能可靠等特点。

图4 电源模块

2.3 测量探管由仪器、电池筒及固定组件等组成[2]。在实际钻时，测量探管与上无磁钻杆、下无磁钻杆连接后使用。探管以无磁铜为原材料，防止在测量过程中传感器受到磁场的干扰产生的误差，提高测量精度。电池筒使用密封胶密封，减少震动引起的不可靠。

3 应用实例

陕西亭南煤矿地处彬长煤田中部，煤质为低灰、低硫、低磷，高发热量、高挥发粉的优质动力煤。开始钻进前，操作人员根据具体施工情况，设置孔口监视器里的相关参数，如勘探线方位、开孔方位等。也可自行调整测量深度，每测量一次，探管都将测量钻孔倾角、方位角，测量软件保存本次计算结果，操作人员可实时、直观的看到钻杆的钻进方向，从而判断探管钻进的方向是否符合预先的设计曲线。操作人员可自行选择以左右偏差或上下偏差的方式查看测量数据。(左右偏差：钻孔轴线轨迹上的测量点向水平面投影后再向Y轴投影所得到的长度；上下偏差：钻孔垂深，是指钻孔轴线轨迹上的测量点相对于开孔点（孔口）的垂直深度。)表1的数据为亭南矿实测数据：

表1 随钻测量数据

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

图5 以左右偏差方式成图

图6 以上下偏差方式成图

其中，图5是设计曲线与测量曲线以左右偏差的方式成图，图6是设计曲线与测量曲线以上下偏差的方式成图，曲线A1、A2、A3表示分支孔，分支孔是指在一支主孔的某些位置上开出一个或多个分支孔(二级分支)，测量软件也可以再从二级分支孔中开出三级分支孔。需要注意的是，分支孔的开始位置必须和父支上的对应点有相同的的倾角、方位角的值。

从图5及图6可以看出，当测量曲线与设计曲线有较大的偏离时，通过调整测量参数，可有效减少偏离程度，也可通过调整测量深度，增加测量点，提高测量精度。

4 总结

随钻测量系统能够按照设计轨迹进行钻进监测，且能够满足实际应用需求。实际应用表明：(1) 孔口监视器可实时监测钻孔钻进轨迹且成图直观，性能稳定。(2) 仪器体积小，易携带，操作使用方便，能完全满足监测随钻钻孔轨迹的要求。(3) 由于随钻测量系统在煤矿井下使用，其环境是多粉尘、高湿、高热[3]，因此对系统的使用有着一定的要求，且需要注意维护保养。若出现异常现象，停止使用，并将仪器返厂维修；平时不使用时，应将仪器放置在阴凉通风的地方。

[1] 徐涛,刘翠海,黄青斌.水平定向钻进随钻测量系统研究与设计.仪器仪表学报[J].2009,(9):1976-1980.

[2] 孙荣军.国产随钻测量定向钻进系统在宁夏汝箕沟煤矿的应用.煤田地质与勘探[J].2011,(8).

[3] 李明.矿用电子仪器的正确使用及维护.煤炭经济研究[J].2011,(6):98-99.