[發明專利]一種多功能隨鉆探測裝置及預測方法

有效

• 申請號: 201410044477.X
• 申請日: 2014-02-07
• 公開（公告）號: CN103775077A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 楊金顯;陳超;張穎;李志鵬
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: E21B49/00
• 分類號: E21B49/00;E21B47/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及鉆頭信息測量和地質環境探測領域，特別涉及鉆頭的運動信息和鉆頭所處地質環境探測。

技術背景

在資源探測和開采中需要對鉆頭運動信息和鉆頭所處地質環境探測，稱為隨鉆探測，如對煤礦掘進工作面遠處的瓦斯、水和熱等地質環境信息探測，包括瓦斯、水和熱區域范圍大小以及在什么位置，并做出預測判斷發生瓦斯爆炸、突水、高溫災害的可能性，避免遭受災害。

隨鉆探測系統包括探測裝置和預測方法。一般探測裝置包括測量模塊、傳輸模塊和數據處理模塊。由于地質環境變化復雜，需要測量更多的信息，導致測量模塊包括多種傳感器，如應力計、加速度計、陀螺儀、磁強計、（超）聲波儀和溫度計等，用于測量鉆頭的速度、位置、姿態運動信息和地質環境信息及區域大小。傳輸模塊多采用無線電磁波或有線電信號模式等。數據處理多采用地面數據處理方法。目前隨鉆探測裝置體積較大無法滿足小鉆孔的隨鉆探測，地質環境溫度高的時候無法工作。

由于鉆頭環境十分惡劣，尤其溫度高和沖擊振動厲害，因此機械式的傳感器，例如轉子式陀螺儀，如果使用，必須增加減震裝置，另外陀螺儀漂移嚴重，必須進行信號處理。地質磁環境和地應力變化無常，磁強計和應力計測量將會時好時壞，則鉆頭方位角測量無法保證；通過超高頻電磁波和聲波測量地質層變化，由于實際的地質層界面不會十分清晰，可能導致較大測量誤差；同樣，電磁波無線或有線傳輸會受到干擾。采用多種傳感器優點是信息多，如何實現優勢互補，需要信號融合處理，但也會出現另外一個問題——故障的地方也就越多，如果出現某一傳感器出現異常，如何實現故障隔離，提高容錯能力。

發明內容

?本發明的目的在于提出一種隨鉆探測裝置及預測方法，把MEMS慣性運動測量技術與地質探測技術結合在一起，利用多傳感器實時測量鉆頭的運動狀態和地質環境信息，實現多種預測判斷鉆頭運動信息和所處地質環境及區域的方法，優勢互補，故障隔離，避免電磁傳輸干擾，降低溫度影響，提高容錯能力和抗沖擊能力。

為了實現上述目的，所述裝置包括信號采集模塊、信號預處理分析模塊、傳輸模塊、地面處理預測模塊四部分，信號采集模塊和信號預處理分析模塊安裝在鉆頭處。

所述信號采集模塊包括三軸加速計、三軸陀螺儀、三軸磁強計、溫濕度傳感器、紅外傳感器，放大和通道選擇開關部分。考慮鉆頭所處的環境特別惡劣和小孔徑鉆井的使用，需提高抗沖擊能力和減小體積，傳感器均采用MEMS固態傳感器，包括集成了三軸加速計、三軸陀螺儀、三軸磁強計和溫度計的集成模塊。某通道信號異常或錯誤時可通過通道選擇開關關閉該信號。

所述集成模塊的三軸加速度計用以測量鉆頭的三個軸向上的加速度和振動信息。

所述集成模塊的三軸陀螺儀用以測量鉆頭的三個軸向上的角速度。

所述集成模塊的三軸磁強計用以測量鉆頭的三個軸向上的磁場強度。

所述集成模塊的溫度計用以測量集成模塊的溫度，用于陀螺儀、加速度計和磁強計的溫度補償。

所述溫濕度傳感器用以測量鉆頭所處環境的濕度和溫度，如水環境和熱環境。

所述紅外傳感器用以測量地質環境信息，如煤、油和氣等資源。

所述數據預處分析理模塊首先進行鉆頭的加速度信息、角速度、磁場強度、濕度、氣體濃度進行溫度補償，通過敏感到重力加速度的分量計算鉆頭的水平傾角，通過磁強計敏感的地球磁場分量計算方位角，同時作為使用陀螺儀信號計算姿態角初始值，然后利用四元數法解算姿態角(水平傾角和方位角)。同時通過線加速度的積分得到速度和位置變化改變信息。

通過分析傳感器信號變化特征實現故障隔離，包括軟隔離和硬隔離：(1)如果某傳感器無信號或輸出數據錯誤，在處理程序上標記該傳感器信號不可用，或在硬件上通過通道選擇開關直接關閉該傳感器信號；(2)如果是外界干擾影響造成的數據異常，在處理程序上也標記該傳感器信號不可用，或在硬件上通過通道選擇開關暫時關閉該傳感器信號。