钻孔深度测量仪在方位伽马测井中的应用

王 岚

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

地质导向技术是集定向测量、导向工具、地层地质参数测量、随钻实时解释等一体化的测量控制技术。地质导向钻井技术的应用体现了随钻测井资料的重要工程价值[1]。方位伽马测井参数是随钻测井资料解释中的重要参数之一。在煤矿井下，为使钻孔轨迹尽可能处于煤层之中，达到高效抽采瓦斯和顺煤层探测地质异常体的要求[2-3]，需要将随钻方位伽马测井仪和定向钻进所用的随钻测量(MWD)系统结合在一起，完成对煤层、顶板及底板的岩性区分、判断位置及距离，指导井下钻机实时调整钻进参数，实现煤矿井下的地质导向钻进[4]。因此，随钻测井对于指导煤层气抽采钻孔的合理布置、提高煤层气的抽采效率、保障煤炭资源安全高效开采等至关重要[5]。方位伽马测量原理是根据伽马传感器接收到的底层伽马射线强度，判断地层中放射性元素的相对含量，从而判断地层岩性[6]。借助方位伽马测井资料可以解释煤层、区分岩性、确定岩石泥质含量、确定煤层厚度以及计算煤层灰分[7]。在随钻方位伽马测井中，钻孔深度数据是一项必不可少的测量参数，测井曲线深度的准确性是保证测井解释结果可靠的前提[8]。目前，在深度测量方面，煤炭行业尚没有有效便捷的手段和方法来对钻孔深度进行检测和施工验收[9-12]。现有的煤矿井下长钻孔深度测量方法只能粗略计算出整个钻孔的深度，测量的最小分辨率为单根钻杆长度，不满足方位伽马测井对深度的精细要求。

介绍的钻孔深度测量仪（简称深度测量仪）是基于光电编码器原理，通过计算钻杆的位移量来测量钻孔深度。与目前市场上已有的钻孔深度测量装置相比，该深度测量仪最小测量距离可精确到厘米，满足随钻测井对深度精确测量的要求；另外，仪器内部的时钟可为每条深度数据提供实时的测量时间，从而实现与自然伽马测量数据的匹配。该深度测量仪在实验室测试结果良好，取得防爆证后，作为矿用电磁波随钻方位伽马测井系统的一部分，又在秦皇岛抚宁一矿整合区以及黄玉川煤矿进行了现场试验，取得了满意的试验效果。

1 测井系统组成及工作原理

矿用电磁波随钻方位伽马测井系统分为孔口设备和孔中设备2部分，孔口设备包括本安型孔口控制器（含电磁波无线收发装置和随钻测井监控软件）、矿用隔爆兼本安型电源和深度测量仪；孔中设备包括测斜探管、方位伽马测井探管、电磁波无线传输探管、绝缘短节及电池管。电磁波随钻伽马测井系统组成框图如图1。

图1 电磁波随钻方位伽马测井系统组成框图

深度测量仪探头安装在钻机夹持器前方，钻杆位移带动编码器计数轴转动，将位移量转换为计数脉冲，经过控制电路的转换、计算，最终将钻孔深度数据传输到孔口控制器中。孔口控制器通过专用电缆与深度测量仪相连接，完成对深度测量仪的供电、控制、数据传输及存储。由于采用孔口隔爆电源供电，因此深度测量仪的工作时间不受供电时间限制。在进行随钻测井的过程中，孔中的测斜探管、伽马测井探管分别将测得的信息经过信号处理后，通过RS485总线传送给无线传输探管，孔中的主控电路对信号进行调制、放大，再通过无线电磁波传输的方式将测井信号传输到孔口，孔口控制器中的电磁波无线收发装置对信号进行解调、放大后，将得到的数据通过RS232接口传输到工控机中。每次随钻测井监控软件接收完测斜数据和方位伽马测井数据后，会读取1次深度数据，并将前后2个测点之间的所有深度数据保存在孔口控制器内的存储器里。测井监控软件通过时间信息将测井数据与深度数据进行匹配、筛选，最终进行数据处理并成图解释。

2 深度测量仪组成及主要技术指标

深度测量仪为随钻方位伽马测井系统的深度测量部分，伽马测井系统中的隔爆电源和孔口控制器分别给深度测量仪供电及实时显示测量数据。深度测量探头安装在孔口钻机夹持器前方，通过采集钻杆位移信息转换为钻孔深度数据并记录。探头的结构主要分为3部分：括仪器盒、计数轴支架和底座。仪器盒用于存放编码器和控制电路板，计数轴支架通过轴承与编码器计数轴相连接，底座部分根据配套钻机设计，尺寸符合相应钻机安装要求。

深度测量仪探头硬件电路包括编码器模块、稳压电路、鉴相电路、控制电路、时钟电路以及通讯接口电路等,深度测量仪探头电路组成框图如图2。鉴相电路将编码器输出的2路相位差90°的2组脉冲信号转换为1路计数脉冲信号PULSE和1路高/低电平信号RDIR。PULSE信号作为计数脉冲送入单片机中的中断口，RDIR信号送到单片机的I/O口来判断钻杆位移方向。控制电路实现对2路信号的采集、深度数据计算、测量控制、与上位机的通讯等功能。时钟电路可为每条深度数据提供以秒为单位的实时时间，该时间与随钻测井探管的时间同步，测井数据通过时间匹配来获取所需测点的深度数据，从而为测井资料解释提供基础深度依据。测量数据通过RS-485总线传送给随钻测井系统的孔口显示控制器，操作简单方便。

图2 深度测量仪探头电路组成框图

深度记录仪的探头结构为设计难点，由于钻杆与编码器计数轴的接触点不同或钻机给进力不同，都会影响钻杆与编码器计数轴的耦合性。若耦合性差，则会引起钻杆在计数轴上打滑或偏移，从而影响对钻杆位移量的测量，导致深度测量数据的不准确。考虑到以上问题，经过多次试验测试，探头结构采用双滚轮抱紧钻杆的方式,深度测量仪探头结构示意图如图3。V型设计的上滚轮为辅助滚轮，防止钻杆移动中产生偏移；下滚轮为计数轴，在计数轴上刻有横槽增加摩擦力防止钻杆打滑；在计数轴支架上增加弹簧结构，从而提高钻杆与计数轴的耦合性；底座部分与计数轴支架分开设计，根据不同钻机分别设计不同尺寸的底座。

图3 深度测量仪探头结构示意图

深度测量仪探头的主要技术指标如下：①工作温度：0～40 ℃；②测量距离：0～2 000 m；③ 最小分辨率：1 cm；④深度测量误差：≤1%±15 cm；⑤重复性误差：≤1%；⑥传输方式：RS485，主从式，双极性，半双工；⑦传输速率：9 600 bps；⑧质量：11 kg。

3 应用情况

前期深度测量仪在实验室进行了多次室内测试，功能和性能指标都达到了预定目标。为验证在现场应用条件下深度测量仪与电磁波随钻方位伽马测井系统协同工作的稳定性以及数据是否可靠，整个测井系统进行了现场试验。

3.1 秦皇岛抚宁一矿试验

本次试验钻孔为勘探孔，均为地面垂直孔，以往勘查成果较系统的确定了区内的地层层序，详细划分了含煤地层，可作为此次试验测试结果的参考依据。深度测量仪安装在孔口，钻杆经过探头滚轮进入孔中，测试时，伽马探管每6 s采样1次，深度测量仪每5 cm记录1组数据，测斜探管每次停钻时，加电测量1组姿态参数，无线电磁波传输探管每1 min发射1次数据，其中对伽马数据进行抽样发射。根据时间对伽马数据进行抽样，再将接收到的深度数据通过时间信息与抽样到的伽马数据匹配在一起，最终完成图表绘制。改钻孔深度记录仪最终记录深度为707.46 m，下钻75根钻杆，前43根为9.56 m/根，后32根为9 m/根，前方仪器长度为7 m，即下钻钻杆总长度约为706.08 m，深度记录仪记录的绝对误差为1.38 m，相对误差为0.2%，满足方位伽马测井对深度的测试要求。

3.2 黄玉川试验

对秦皇岛试验暴露出深度测量仪存在的部分问题，在随钻测井监控软件上做了相应改进优化：

1）由于深度测量仪内部存储容量有限，数据过多的情况下，新数据会覆盖旧数据，容易造成深度数据丢失的情况。针对此问题，在随钻测井监控软件中增加了深度数据自动存储功能，即每次读取完测井数据和深度数据后，自动将数据保存在具备大存储容量的孔口控制器中，并及时清空深度测量仪内部存储器，以备后续测量数据的存储和读取。

2）深度数据与测井数据通过时间相匹配，二者的时钟必须保持一致才能确保测量数据的真实可靠。由于煤矿井下可能存在突然断电现象，深度测量仪时间清零，电源恢复后，可能出现忘记“同步时间”的误操作，导致深度数据无法与测井数据相匹配。针对该现象，在随钻测井监控软件深度测量仪重新上电后初始化的操作中增加了自动同步时间功能，无需工作人员单独操作。

3）为防止人员的误操作，将深度测量系数写为固定值，将不能在随钻测井测量软件上任意修改。

对软件进行优化后，深度测量仪与随钻方位伽马测井系统又在陕北黄玉川煤矿进行了煤矿井下的实钻试验。黄玉川煤矿位于内蒙古准格尔煤田西南部，该区石炭-二叠系地层含7层，可采煤层为山西组4、5号煤层、太原组6上、6号和9号煤层。此次试验地层为太原组6上、6号煤层。6上煤层赋存于太原组顶部，顶底板岩性大部分为沙质泥岩、砂岩；6号煤层赋存于太原组中上部，顶底板岩性大部分为沙质泥岩、粉砂岩、粗砂岩[13]。

深度记录仪安装在定向钻机夹持器前方，取深度记录间隔为5 cm，伽马测量探管通过转接头与钻杆连接，借助定向钻机将随钻方位伽马仪器送入钻孔内，进钻时，钻杆位移同时记录深度变化值，通过测井软件将测量到的伽马值与深度值相匹配。本次试验打钻孔深410 m，总计测量深度为408 m，测量过程中，深度数据稳定，再未出现前期试验中发现的数据丢失、误操作等问题。测量结束后，测井软件对伽马数据及深度数据进行计算处理，最终生成伽马曲线与岩性剖面投影图(图略）。

4 结语

设计开发了矿用钻孔深度测量仪,研制的钻孔深度测量仪通过实验室测试与改进后，分别在秦皇岛抚宁一矿整合区与陕北黄玉川煤矿井下进行了现场试验，试验结果表明，深度测量仪操作简单，测量数据稳定、可靠，与方位伽马测井系统配合良好，可以满足随钻方位伽马测井系统对深度测量的要求。

尽管钻孔深度测量仪已经研制成功并且试验效果良好，但在几次现场试验中也暴露出个别问题。由于深度测量仪自身存储器容量较小，测量过程中需将深度数据保存在孔口控制器中，目前的操作方式只适用于随钻测量，若想应用于存储式测量，还需更换大容量存储芯片；深度测量仪时钟芯片为外部供电，未加纽扣电池，一旦断电，需要重新进行时间同步操作。这些问题将在后续的产品升级改造中进行改进和解决。