礦用隨鉆動(dòng)態(tài)方位伽馬儀器的研制與應(yīng)用

陳 龍，陳 剛，張冀冠

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

順煤層瓦斯抽采鉆孔是目前最直接和有效的瓦斯治理方法，近年來，新興的近水平定向長鉆孔技術(shù)及配套裝備，使鉆孔在煤層中合理布置并延伸，達(dá)到常規(guī)鉆孔無法比擬的瓦斯抽采效果。

自然伽馬是進(jìn)行含煤地層識(shí)別的常用判識(shí)依據(jù)，不同含煤地層其自然伽馬變化范圍不同，鉆進(jìn)施工時(shí)可充分利用不同含煤地層的自然伽馬差異特性，結(jié)合孔口返渣情況識(shí)別巖性，從而指導(dǎo)定向鉆進(jìn)施工，實(shí)現(xiàn)鉆層地層的識(shí)別，提高鉆孔軌跡控制效率[1-3]。

國內(nèi)外自然伽馬測(cè)量技術(shù)與儀器主要應(yīng)用于石油鉆探領(lǐng)域，開發(fā)了全方位自然伽馬測(cè)量、多方位隨鉆靜態(tài)方位伽馬測(cè)量和多扇區(qū)旋轉(zhuǎn)成像隨鉆方位伽馬測(cè)量等系列產(chǎn)品。但由于煤礦井下防爆要求和特殊施工條件限制，石油領(lǐng)域開發(fā)的自然伽馬測(cè)量儀器不能直接用于煤礦井下定向鉆進(jìn)施工，主要原因?yàn)椋孩賰x器直徑較大，不適用于煤礦井下小口徑鉆進(jìn)；② 儀器長度較長，受煤礦井下寬巷道空間限制；③儀器需要電流、電壓較大，不滿足防爆要求[4-5]。

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司汪凱斌等開發(fā)出基于自然伽馬的礦用隨鉆測(cè)量儀器，實(shí)現(xiàn)了全方位自然伽馬測(cè)量和多方位隨鉆靜態(tài)方位伽馬測(cè)量，為定向鉆孔軌跡控制提供了一定參考依據(jù)[6-8]。但由于該儀器只能進(jìn)行滑動(dòng)鉆進(jìn)測(cè)量，不適用于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，不可實(shí)現(xiàn)方位成像，工作效率低。隨著煤礦井下定向鉆進(jìn)工藝由滑動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)向復(fù)合回轉(zhuǎn)定向鉆進(jìn)技術(shù)的轉(zhuǎn)變，儀器不能滿足復(fù)合回轉(zhuǎn)定向鉆進(jìn)時(shí)的自然伽馬動(dòng)態(tài)隨鉆測(cè)量要求。

針對(duì)以上問題，筆者研制了礦用動(dòng)態(tài)方位伽馬儀器，對(duì)儀器的測(cè)量原理、關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)、試驗(yàn)應(yīng)用等方面進(jìn)行介紹。

1 隨鉆方位伽馬原理

隨鉆方位自然伽馬原理與傳統(tǒng)自然伽馬測(cè)井原理基本相同，都是測(cè)量地層自然伽馬放射性強(qiáng)度。地層中放射性元素發(fā)射伽馬射線，晶體探測(cè)到自然伽馬射線并產(chǎn)生光子，光子被光電倍增管（PMT）加速后轉(zhuǎn)換成電脈沖，該電脈沖與其他定向參數(shù)信號(hào)被編碼成串行信號(hào)，通過有線或者無線傳輸方式傳輸至孔口設(shè)備，與井深數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配得到地層的實(shí)時(shí)伽馬曲線，從而判定煤層頂?shù)装?，指?dǎo)鉆進(jìn)軌跡調(diào)整，控制鉆具有效穿行于煤層最佳位置[9-11]。

常規(guī)自然伽馬測(cè)井儀器是利用一個(gè)伽馬探測(cè)器探測(cè)地層自然伽馬總放射性，而隨鉆方位伽馬測(cè)井是在鉆進(jìn)過程中利用一個(gè)或多個(gè)探測(cè)器探測(cè)，在數(shù)據(jù)采集時(shí)通過記錄不同探測(cè)器在不同扇區(qū)內(nèi)伽馬計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)方位測(cè)量。通過正演分析，可以得出，當(dāng)探測(cè)器在不同的界面位置和狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)扇區(qū)的伽馬曲線有著不同的形態(tài)。

圖1 模擬的儀器是穿過不同地層時(shí)上下界面伽馬曲線特征，其中煤層為低放射性儲(chǔ)層，上下圍巖為高放射性地層。

如圖1a 所示，在儀器靠近煤巖界面時(shí)，下伽馬計(jì)數(shù)值先變小，上伽馬計(jì)數(shù)值后變小，在進(jìn)入同一層位后上下伽馬計(jì)數(shù)值相近，說明儀器由高放射性圍巖進(jìn)入低放射性儲(chǔ)層，且儀器下方先進(jìn)入低放射性儲(chǔ)層；所以該圖表示儀器是在巖層中鉆進(jìn)后從煤層頂板進(jìn)入煤層。同理圖1b 曲線表示儀器是從煤層頂板穿出進(jìn)入圍巖。

圖1 上下方位伽馬計(jì)數(shù)曲線關(guān)系Fig.1 Gamma counting curves of the upper and lower azimuth

2 方位伽馬儀器設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

儀器的電氣連接框圖如圖2 所示?？卓谟?jì)算機(jī)通過載波變換，將控制命令調(diào)制在直流信號(hào)上，探管收到載波信號(hào)后，進(jìn)行整流濾波，將直流載波轉(zhuǎn)換為電源部分和信號(hào)部分。電源模塊經(jīng)過升壓穩(wěn)壓后，為后續(xù)的主控板和伽馬傳感器供電；主控板采集孔口計(jì)算機(jī)下發(fā)的控制指令完成相應(yīng)的操作，并將采集到的信息再通過載波變換傳輸給孔口計(jì)算機(jī)。

圖2 儀器電氣框圖Fig.2 Electrical block diagram of the instrument

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于鉆孔內(nèi)煤巖界面區(qū)分的目的及煤礦井下實(shí)際工況條件，設(shè)計(jì)了具有多個(gè)方向探測(cè)能力的隨鉆動(dòng)態(tài)方位伽馬測(cè)井儀結(jié)構(gòu)。伽馬探測(cè)器安裝于隨鉆動(dòng)態(tài)方位伽馬測(cè)井儀骨架之上，閃爍晶體和光電倍增管均以鎢銅鎳合金為屏蔽外殼。鎢鎳合金密度比鉛高，其吸收射線的能力比鉛高30%～40%。在鎢鎳合金上鏤空75°的窗，以使得伽馬探測(cè)器可以接收開窗方向來的γ射線，而無法接收其他方向來的伽馬射線。

將伽馬探測(cè)器分為8 個(gè)扇區(qū)，根據(jù)不同扇區(qū)的伽馬脈沖計(jì)數(shù)值大小分辨方位特性?？筛鶕?jù)不同扇區(qū)組合形成最多8 個(gè)方向的方位伽馬特征值。這樣隨鉆動(dòng)態(tài)方位伽馬測(cè)井儀可用于煤礦井下順煤層鉆進(jìn)時(shí)煤層頂?shù)装宸纸缑娴奶綔y(cè)與識(shí)別。如圖3 所示。

圖3 方位伽馬屏蔽開窗結(jié)構(gòu)Fig.3 Azimuth gamma shielding window structure

2.3 電路設(shè)計(jì)

2.3.1 載波模塊設(shè)計(jì)

采用低壓直流載波模式進(jìn)行孔口和孔底探管的供電和數(shù)據(jù)傳輸。直流載波耦合方式有電容耦合、電感耦合和直接耦合等方式，考慮到煤礦井下安全性要求，無法使用大容量的電容和電感，采用了直接耦合的方式。筆者采用PWBS752 和PWBS331 直流電力載波專用的調(diào)制解調(diào)芯片，配合外圍耦合電路，實(shí)現(xiàn)低壓直流載波模塊的設(shè)計(jì)。傳輸速率可到9 600 bit/s，可實(shí)現(xiàn)孔底多扇區(qū)方位伽馬數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

2.3.2 主控板設(shè)計(jì)

主控板完成伽馬傳感器脈沖信號(hào)采集，動(dòng)態(tài)鉆進(jìn)條件下探管的姿態(tài)信息測(cè)量。

隨鉆動(dòng)態(tài)方位伽馬儀器為旋轉(zhuǎn)測(cè)量方式，相對(duì)于靜態(tài)測(cè)量，需要考慮實(shí)際過程中旋轉(zhuǎn)帶來的離心加速度和鉆進(jìn)帶來的振動(dòng)加速度的影響。采用的慣性測(cè)量單元為MTI-3-8A7G6T，包含了3 個(gè)單軸的加速度計(jì)、3 個(gè)單軸的MEMS 陀螺儀和3 個(gè)單軸的磁力計(jì)。主要用來測(cè)量儀器的三軸姿態(tài)角以及加速度（或角速率）等工作。

2.3.3 基于互補(bǔ)濾波的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法

隨鉆動(dòng)態(tài)方位伽馬測(cè)量需要儀器在旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)的過程中，測(cè)量出接收到每個(gè)伽馬探測(cè)器的脈沖信號(hào)時(shí)的屏蔽殼體開窗方向?qū)?yīng)的工具面向角。傳統(tǒng)的測(cè)量方式僅適用加速度傳感器，由于旋轉(zhuǎn)過程中的離心力和振動(dòng)帶來的影響，測(cè)量得到的三軸加速度分量誤差較大，無法準(zhǔn)確計(jì)算出當(dāng)前的工具面向角[12-15]。

陀螺儀自身存在低頻誤差，在使用陀螺儀計(jì)算時(shí)，會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差。通過加速度計(jì)直接測(cè)量鉆具重力加速度，這種方法在鉆頭靜止或者緩慢運(yùn)動(dòng)時(shí)，即無外部加速度干擾時(shí)，能準(zhǔn)確測(cè)量重力加速度，且無累計(jì)誤差，但是鉆具在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，即存在離心加速度、振動(dòng)加速度等非重力加速度干擾時(shí)，加速度計(jì)測(cè)量誤差較大。因此，可以利用這兩種測(cè)量方法在頻率上互補(bǔ)的特性，通過設(shè)計(jì)互補(bǔ)濾波器融合這2 種傳感器的數(shù)據(jù)[16]，提高重力加速度的測(cè)量精度和抗噪聲能力。

三軸MEMS 陀螺儀的輸出模型為：

式中：yk為陀螺儀傳感器輸出值；ωk為鉆具的真實(shí)角速度；vg為陀螺儀的低頻噪聲；bk為陀螺儀的零偏。以上陀螺儀測(cè)量變量單位均為rad/s。

三軸MEMS 加速度計(jì)測(cè)量信息包括鉆具重力加速度、鉆具振動(dòng)加速度以及測(cè)量噪聲，可建模為：

式中：fk為加速度傳感器輸出；gk為鉆具各軸的重力分量；va為加速度計(jì)的高頻噪聲，這里主要是由鉆具的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)引起的。加速度計(jì)測(cè)量變量單位均為m/s2。

設(shè)計(jì)低通濾波器FL（s）和高通濾波器FH（s）如下：

FL（s）和FH（s）構(gòu)成了互補(bǔ)濾波器，其中，取濾波傳遞函數(shù)C（s）為：

式中：s是頻率變量，Hz；kp為一個(gè)可調(diào)的設(shè)定系數(shù)，用來決定互補(bǔ)濾波器的截止頻率，其大小決定了互補(bǔ)濾波器的截止頻率；ki是積分環(huán)節(jié)的系數(shù)。

讓加速度計(jì)信號(hào)通過FL（s），讓陀螺儀信號(hào)通過FH（s），最后再將通過互補(bǔ)濾波器的信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，得到互補(bǔ)濾波后的重力加速度為g(s)，m/s2：

由式（6）得到本文互補(bǔ)濾波器模型如圖4 所示：

圖4 互補(bǔ)濾波器模型Fig.4 Complementary filter model

為了檢驗(yàn)算法的準(zhǔn)確性，以儀器的x軸作為旋轉(zhuǎn)軸，將儀器水平放置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，即井斜角為0°。調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速為155 r/min，將提取后的重力加速度和加速度計(jì)的原始加速度做對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖5a 所示。振動(dòng)試驗(yàn)將儀器z軸朝上，井斜角為-7.4°，工具面向角為0°的姿態(tài)放置在振動(dòng)臺(tái)上。調(diào)整振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)幅度為50 m/s2，10～150 Hz 掃頻振動(dòng)，分別運(yùn)行本文方法和基于Kalman 框架的重力加速度提取算法[15]計(jì)算得到的井斜角和工具面向角，對(duì)比結(jié)果如圖5b所示。

從圖5a 可以看出，本文算法可以克服旋轉(zhuǎn)過程中的振動(dòng)和離心加速度干擾，將重力加速度信號(hào)提取出來。

從圖5b 可以看出，使用加速度傳感器原始信號(hào)計(jì)算得出的井斜角在振動(dòng)過程中偏移0.3°，工具面向角偏移0.5°，使用基于Kalman 濾波框架的重力加速度提取算法和本文提出的算法，井斜角計(jì)算穩(wěn)定，工具面向角偏移控制在0.1°以內(nèi)。但由于主控板單片機(jī)沒有浮點(diǎn)計(jì)算單元，而Kalman 濾波框架算法需要進(jìn)行矩陣乘法和矩陣求逆的計(jì)算，所以該算法在單片機(jī)中的運(yùn)算結(jié)果更快，更適合工程應(yīng)用。

圖5 重力加速度提取算法運(yùn)算結(jié)果Fig.5 Results of the gravity acceleration extraction algorithm

3 試 驗(yàn)

3.1 地面性能測(cè)試

為驗(yàn)證儀器的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了旋轉(zhuǎn)測(cè)試平臺(tái)，如圖6a 所示。使用減速電機(jī)帶動(dòng)探管旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速控制在30～160 r/min，用已進(jìn)行過放射性傳遞的黃布包模擬不同的放射性地層，進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用了2 套不同放射性的黃布包模擬地層，一層放射性為150 API；另一層放射性250 API。

將黃布包放置在儀器下方，調(diào)整黃布包距離逐漸靠近儀器，模擬儀器從煤層中延底板靠近第一層放射性地層；將黃布包包裹住儀器模擬儀器進(jìn)入第一層地層；將黃布包至于儀器上方，調(diào)整黃布包距離逐漸靠近儀器，模擬儀器從煤層中延頂板靠近第一層放射性地層，進(jìn)入并返回。以同樣順序模擬儀器進(jìn)入并返回第二套地層。

測(cè)量結(jié)果如圖6b 所示。實(shí)物模擬結(jié)果可以看出，儀器通信正常、數(shù)據(jù)測(cè)量穩(wěn)定，測(cè)量得到的上下伽馬能正確反映出模擬地層放射性變化規(guī)律。

圖6 地面試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.6 Ground test results

3.2 井下工業(yè)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證儀器在井下實(shí)際工作性能，在山西省晉城市寺河礦進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)位置在寺河礦西區(qū)3 號(hào)煤層，試驗(yàn)孔是W33092 巷27 號(hào)千米鉆場16 號(hào)底板分支孔。

本次試驗(yàn)鉆孔從煤層開孔，鉆孔深度152 m，鉆孔113 m 處進(jìn)入巖層。伽馬測(cè)量統(tǒng)計(jì)周期間隔為16 s 每次，數(shù)據(jù)采集過程為動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)測(cè)量。在煤層和巖層中測(cè)量間隔為6 m。為保證測(cè)量準(zhǔn)確性，在靠近煤巖界面處，測(cè)量間隔為1 m。圖7a 為軟件測(cè)量界面，圖7b為上下伽馬測(cè)量曲線，其中上伽馬采用0 和7 扇區(qū)計(jì)數(shù)值，下伽馬采用3 和4 扇區(qū)計(jì)數(shù)值。

從圖7b 中可以看出，儀器在靠近煤層底板巖層時(shí)，伽馬值快速增大，而且由圖7b 能夠明顯顯示出遇到界面時(shí)下伽馬先于上伽馬變大，該特征為低放射性地層鉆遇下方高放射性地層的關(guān)鍵特征。

圖7c 為鉆孔軌跡地層巖性剖面，圖中對(duì)應(yīng)軌跡鉆進(jìn)底板深度處伽馬值突變?cè)龃?，與地層巖性變化相吻合。

圖7 上下伽馬曲線和鉆孔軌跡地層巖性Fig.7 Upper and lower gamma curves and borehole trajectory stratigraphic lithology maps

4 結(jié) 論

a.介紹了動(dòng)態(tài)方位伽馬測(cè)量原理，研制了一套煤礦井下隨鉆動(dòng)態(tài)方位伽馬儀器，可滿足復(fù)合回轉(zhuǎn)定向鉆進(jìn)時(shí)的自然伽馬動(dòng)態(tài)隨鉆測(cè)量要求，為煤礦井下瓦斯治理鉆孔施工提供了新設(shè)備。

b.儀器采用高密度合金開窗結(jié)構(gòu)，接收開窗扇區(qū)的伽馬射線，屏蔽其他方向的伽馬射線，根據(jù)不同扇區(qū)伽馬計(jì)數(shù)分辨方位特性。

c.根據(jù)加速度傳感器和陀螺儀不同的頻率特性，讓加速度計(jì)信號(hào)通過低通濾波器，讓陀螺儀信號(hào)通過高通濾波器，再通過互補(bǔ)濾波器得到歸一化的重力加速度，降低了鉆進(jìn)過程中振動(dòng)和離心加速度的影響。

d.通過地面和井下工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證了儀器的準(zhǔn)確性，下一步工作降低儀器功耗，提高儀器直流載波傳輸距離；降低多扇區(qū)伽馬的統(tǒng)計(jì)時(shí)間，優(yōu)化儀器操作。