矿用随钻轨迹测量装置的设计

2015-03-27天地常州自动化股份有限公司单成伟

电子世界 2015年19期

天地（常州）自动化股份有限公司单成伟

引言

目前我国煤矿井下的钻孔大多采用传统回转钻进工艺技术施工，存在施工精度低、钻孔轨迹不可控、钻孔深度小、无效进尺多、钻孔利用率低等缺点，导致单孔瓦斯抽采效率低、钻进工作量大、采掘成本高，无法适应高效综采技术要求[1]。钻孔轨迹的随钻定向测量是进行导向孔施工的关键技术之一。煤矿井下近水平随钻测量定向钻进技术可以实现对钻孔轨迹的精确控制，保证钻孔轨迹在目的层中的有效延伸，并可进行分支孔施工，具有钻进效率高、一孔多用，集中抽采等优点，增加了煤层瓦斯有效抽采距离，目前已成为国内外瓦斯高效抽采的主要技术途径，并逐渐开始应用到地质构造探测和探放水等领域。

针对定向钻进的极大优势及钻探施工对测量精度的要求，本文设计了一种基于三轴加速度计和磁阻传感器的随钻轨迹测量装置。该装置可实时监测倾角、方位角、工具面向角等位置信息，实现对钻孔轨迹的实时测量和纠偏，能有效提高钻井效率，避免井下事故的发生。

1 装置组成及设计要求

随钻轨迹测量装置主要由孔口计算机、测量短节、供电电池筒及装置测量软件组成，如图1所示。该装置通过供电电池筒给测量短节提供本安电源，测量短节将实时采集的姿态信息包括倾角、方位角、工具面向角发送给孔口计算机。

图1 随钻测量装置组成

装置主要测量精度要求如表一所示：

表一

2 装置设计

2.1 测量短节设计

测量短节由MCU芯片、传感器模块、通讯电路、本安电源等组成，如图2所示。

图2 测量短节硬件组成

运算模块是以MKL15Z12VLH4单片机为核心的最小运算系统，其具有强大的数据处理能力和高运行速度，同时，由于其功耗较低，考虑到要计算得到倾角、方位角及工具面向角可能涉及到较为复杂的运算，且具有一定实时性要求，因此将其作为测量短节控制核心。

传感器模块由磁阻传感器、三轴加速度计以及温度传感器组成。为了实现装置的小型化、高精度以及低功耗，采取AMR技术生产的HMC2003。它是一种用于测量低磁场强度的三轴磁性传感器混合电路组件，可检测到40μG的磁场强度，能实现宽范围的地磁测量，适用于强磁场地质环境[2]。测量短节采用3个石英挠性加速度传感器测量地球重力加速度，具有线性度高，温漂小、重复性好、抗冲击性强等特点。

通信模块负责测量短节与孔口计算机的相互通讯。测量短节与孔口计算机之间的通信距离最长可达1500m，且为单串行总线。为保证信号不失真且支持长距离，采用曼彻斯特编码传输。由于信号传输的介质是单线的，不能全双工通信，所以增加方向控制，如图3所示。

表2 实验数据

图3 通信模块整体设计

2.2 测量软件设计

测量软件主要用于对测量参数进行计算、显示、钻孔轨迹绘制、存储及导出等功能，测量短节获取钻孔轨迹点数据[3]，获取测点数据包含倾角、方位角、工具面向角、电池电压、温度等信息，通过时间比对筛选，得到钻孔轨迹数据以及设备的当前工作状态信息。测量软件按照功能模块可分为数据预处理、数据计算、绘图、数据报告等，如图4所示。

图4 测试软件功能模块

3 实验结果及分析

实验在室温空旷环境下进行，实验平台选用JJG-2测斜仪和ZZQ-1自转器组成的无磁转台。实验数据见表2。表中的Gx、Gy、Gz是经过惯性组件标定算法[4]校准后得到的三轴加速度计数据，单位为9.8*m/s2（g）；Bx、By、Bz是经过椭圆拟合算法[5]校准后得到的磁阻传感器数据，单位为79.58*A/m（Gauss）。，，为测量偏差值。