CN103775077A

CN103775077A - 一种多功能随钻探测装置及预测方法

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Publication number: CN103775077A
Application number: CN201410044477.XA
Authority: CN
Inventors: 杨金显; 陈超; 张颖; 李志鹏
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2034-02-07
Also published as: CN103775077B

Abstract

本发明公开了一种多功能随钻探测装置及预测方法。本发明包括信号采集模块、信号预处理分析模块、传输模块和地面处理预测模块四部分。通过钻头的振动加速度信息，与实例数据对比，预测地质信息，根据持续时间和速度预测地质区域大小。通过温湿度传感器和红外传感器对钻头所处地质环境的温度、湿度和地质信息测量，根据持续时间和钻头速度或位置变化，预测温度、湿度和地质区域大小及位置。实现陀螺仪测量方位和磁强计测量方位优势互补，避免磁场异常或陀螺仪漂移严重时能够测量出方位角，以及故障隔离。本发明的优点在于体积小，抗振能力强，抗高温，容错能力强和可靠性高。

Description

一种多功能随钻探测装置及预测方法

技术领域

本发明涉及钻头信息测量和地质环境探测领域，特别涉及钻头的运动信息和钻头所处地质环境探测。

技术背景

在资源探测和开采中需要对钻头运动信息和钻头所处地质环境探测，称为随钻探测，如对煤矿掘进工作面远处的瓦斯、水和热等地质环境信息探测，包括瓦斯、水和热区域范围大小以及在什么位置，并做出预测判断发生瓦斯爆炸、突水、高温灾害的可能性，避免遭受灾害。

随钻探测系统包括探测装置和预测方法。一般探测装置包括测量模块、传输模块和数据处理模块。由于地质环境变化复杂，需要测量更多的信息，导致测量模块包括多种传感器，如应力计、加速度计、陀螺仪、磁强计、（超）声波仪和温度计等，用于测量钻头的速度、位置、姿态运动信息和地质环境信息及区域大小。传输模块多采用无线电磁波或有线电信号模式等。数据处理多采用地面数据处理方法。目前随钻探测装置体积较大无法满足小钻孔的随钻探测，地质环境温度高的时候无法工作。

由于钻头环境十分恶劣，尤其温度高和冲击振动厉害，因此机械式的传感器，例如转子式陀螺仪，如果使用，必须增加减震装置，另外陀螺仪漂移严重，必须进行信号处理。地质磁环境和地应力变化无常，磁强计和应力计测量将会时好时坏，则钻头方位角测量无法保证；通过超高频电磁波和声波测量地质层变化，由于实际的地质层界面不会十分清晰，可能导致较大测量误差；同样，电磁波无线或有线传输会受到干扰。采用多种传感器优点是信息多，如何实现优势互补，需要信号融合处理，但也会出现另外一个问题——故障的地方也就越多，如果出现某一传感器出现异常，如何实现故障隔离，提高容错能力。

发明内容

本发明的目的在于提出一种随钻探测装置及预测方法，把MEMS惯性运动测量技术与地质探测技术结合在一起，利用多传感器实时测量钻头的运动状态和地质环境信息，实现多种预测判断钻头运动信息和所处地质环境及区域的方法，优势互补，故障隔离，避免电磁传输干扰，降低温度影响，提高容错能力和抗冲击能力。

为了实现上述目的，所述装置包括信号采集模块、信号预处理分析模块、传输模块、地面处理预测模块四部分，信号采集模块和信号预处理分析模块安装在钻头处。

所述信号采集模块包括三轴加速计、三轴陀螺仪、三轴磁强计、温湿度传感器、红外传感器，放大和通道选择开关部分。考虑钻头所处的环境特别恶劣和小孔径钻井的使用，需提高抗冲击能力和减小体积，传感器均采用MEMS固态传感器，包括集成了三轴加速计、三轴陀螺仪、三轴磁强计和温度计的集成模块。某通道信号异常或错误时可通过通道选择开关关闭该信号。

所述集成模块的三轴加速度计用以测量钻头的三个轴向上的加速度和振动信息。

所述集成模块的三轴陀螺仪用以测量钻头的三个轴向上的角速度。

所述集成模块的三轴磁强计用以测量钻头的三个轴向上的磁场强度。

所述集成模块的温度计用以测量集成模块的温度，用于陀螺仪、加速度计和磁强计的温度补偿。

所述温湿度传感器用以测量钻头所处环境的湿度和温度，如水环境和热环境。

所述红外传感器用以测量地质环境信息，如煤、油和气等资源。

所述数据预处分析理模块首先进行钻头的加速度信息、角速度、磁场强度、湿度、气体浓度进行温度补偿，通过敏感到重力加速度的分量计算钻头的水平倾角，通过磁强计敏感的地球磁场分量计算方位角，同时作为使用陀螺仪信号计算姿态角初始值，然后利用四元数法解算姿态角(水平倾角和方位角)。同时通过线加速度的积分得到速度和位置变化改变信息。

通过分析传感器信号变化特征实现故障隔离，包括软隔离和硬隔离：(1)如果某传感器无信号或输出数据错误，在处理程序上标记该传感器信号不可用，或在硬件上通过通道选择开关直接关闭该传感器信号；(2)如果是外界干扰影响造成的数据异常，在处理程序上也标记该传感器信号不可用，或在硬件上通过通道选择开关暂时关闭该传感器信号。

传感器信号优势互补实现：水平倾角通过加速度计算即可，方位角可以磁强计和陀螺仪输出的信号计算；磁强计主要受到异常磁场的干扰(如铁磁或沙浆环境等)，陀螺仪主要受到漂移(尤其温度漂移)的影响，当磁场异常时，采用陀螺仪信号计算方位角，如果磁场异常时间较长，陀螺漂移将会导致方位角误差很大，因此需要对陀螺仪漂移估计，考虑预处理模块的计算速度和计算能力，采用简单估计的方法：在正常工作的条件下，可以对通过陀螺仪信号计算的方位角和磁强计信号计算的方位角作对比，反推漂移角速度。另外，为了防止环境温度对传感器影响严重，对信号采集模块和预处理分析模块涂上无磁性的隔热材料，高温时也能正常工作。

探测地质环境及预测区域大小：当温度、湿度和红外传感信号达到一定值时，开始记录开始时间，然后记录持续时间，结合钻头速度，考虑速度误差因素，预测水环境、热环境和资源环境区域大小；同时可以通过钻头钻击不同的物质，钻头的振动加速度信号不同，对比实例数据并进行分析，据根据振动信号及持续时间判断钻击的地质环境及区域大小；综合对比预测地质环境及区域大小，并相互辅助验证某传感器信号是否异常。

最后将原始数据和预处理数据送到光纤接口。

为了防止地面处理预测模块与钻头通信出现异常，所以信号预处理分析模块需要自己能够处理信息。

所述传输模块为了避免受到外界干扰，尤其磁场的影响，采用耐温光纤双向通信，将原始数据和预处理分析数据传输到地面处理模块。

所述地面处理预测模块包括高性能的计算机和存储器，与数据预处理分析模块处理数据流程是一样的，只是处理的方法不同，因为不受计算量和处理能力的限制，采用时间序列分析和卡尔曼滤波联合的处理算法，估计陀螺仪漂移，预测并做出判断钻头运动信息和地质环境及区域大小，然后把这些数据通过光纤传输到数据预处理分析模块，并同时保存到存储器，可作为实例数据和事故分析。

本发明的优点在于，⑴采用固态或集成的数据采集模块，体积小，抗振动能力强；⑵采用无磁性材料涂层，即使高温下也能够工作；⑶即可通过钻头运动速度、地质环境信息持续时间预测地质环境区域大小，也可单独通过振动加速度和持续时间判断地质环境及区域大小，也可综合判断地质环境及区域大小；⑷实现陀螺仪测量方位和磁强计测量方位优势互补，避免磁场异常和陀螺仪漂移严重时能够测量出方位角；⑸通过分析传感器信号实现故障隔离；⑹预测处理结果两个以上，容错能力强；⑺实现多种地质资源的探测，尤其适用于小钻孔的随钻探测。

附图说明

图1 为本发明的结构模块图；

图2 为本发明的方位角计算流程图；

图3 为水平倾角、速度、位置和地质及区域大小预测流程图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1所示，本装置包括信号采集模块11、信号预处理分析模块12、传输模块13和地面处理预测模块14。

信号采集模块中的集成模块111采用GY-9150，芯片内置16bit AD转换器，16位数据输出(磁场13位)，直接数字IIC接口，陀螺仪测量范围可调：±250、±500、±1000 和±2000^ｏ/s，加速度测量范围：±2、±4、±8、±16g，磁场测量范围：±1200uT。加速度计最大测量精度为0.06mg，陀螺仪最大测量精度为0.008^ｏ/s，磁强计测量精度为0.02uT，内置了MEMS温度传感器，很高的热稳定性(易于温度补偿)和紧密的偏移量容限，可抗10000g的冲击抗振(避免钻头钻到岩石等坚硬的物体上使传感器损坏)，噪声非常低(测量的信号为真实的信号)、价格低，功耗低和体积小(4mm×4mm×1.5mm)。

温湿度传感器采用MEMS Si7002型数字相对温湿度传感器，温度精度±0.3℃，湿度±2％RH，具有低功耗，高精度，高可靠性(为了抗振)，高温度稳定性(温度每变化0.1℃，将产生0.5％RH的湿度变化，易于补偿温度漂移)，体积小(4mm×4mm QFN封装)。

红外传感器采用MEMS IRS-A200ST01-R1型红外传感器，表面贴装，采用陶瓷材料制作，温度特性好，抗振动能力强，灵敏度高，抗电磁波噪声体积小(6.7mm×5.7mm×2.6mm)。

数据预处理分析模块采用基于TMS320C6713核心处理芯片，实现信号陀螺仪估计、钻头运动信息和地质环境及区域预测。通过分析传感器信号实现故障隔离：(1)如果某传感器无信号或输出数据错误，直接把该传感器信号屏蔽掉；(2)如果是外界干扰影响造成的数据异常，把该传感器信号该时段的信号屏蔽掉。即可通过加速度振动探测地质信息，也可通过传感器探测地质信息，也可综合探测地质信息；对于钻头的姿态解算，包括通过加速度计算水平倾角，通过角速度解算出方位角，也可通过强感应强度计算方位角，也可综合估计出方位角，实现传感器的优势互补，即使某一传感器出现故障也能工作，容错能力强。

对信号采集模块中的集成模块GY-9150和预处理分析模块喷上一层无磁性的气凝胶隔热材料，降低环境温度对陀螺仪、加速度计和磁强计的影响，防止磁干扰；另外使用环氧树脂黏合剂加固采集模块和预处理分析模块电路，提高抗振能力和可靠性。

传输模块采用耐温光纤双向通信。

地面处理预测模块包括高性能四核计算机和存储器。与数据预处理分析模块预测处理数据流程是一样的，只是处理的方法不同，因为不受计算量和处理能力的限制，采用时间序列分析和强跟踪卡尔曼滤波的处理算法，估计陀螺仪漂移，预测并做出判断钻头运动信息和地质环境及区域大小，然后把这些数据通过光纤传输到数据预处理分析模块，并同时保存到存储器，以备实例数据和事故分析。

如图2和图3，对于预测处理分析方法，首先初始化装置，包括钻头运动数据(速度、位置和方位角)、地质实例数据(水、热、气、煤和油等实例数据)、设置惯性坐标系和钻头动坐标系；通过加速度计实时测量钻头的运动加速度

，采用内置的温度计输出的温度进行数据温度补偿，去除常值偏差。根据通过敏感到重力加速度的分量

计算钻头的水平倾角和

，根据加速度计误差估计探测装置的水平倾角

和

。通过积分得到速度

和位置，考虑位置误差特性，预测位置变化

。对陀螺仪和磁强计实时输出的角速度

和强感应强度

，采用内置的温度计输出的温度进行数据温度补偿，去除常值偏差，进行陀螺仪漂移估计和判断分析磁场数据是否正常，使用加速度计计算的倾角和初始化方位角作为姿态的初始值，采用四元数法进行姿态解算出方位角

和水平倾角和，由于通过加速度计算的水平倾角

和

要比

和

精度要高，所以只需分离出方位角

即可，如果磁场数据短时异常，直接使用作为钻头的方位角

，如果磁场数据长时异常，通过漂移估计方位误差

，对

补偿后作为钻头的方位角。如果陀螺仪漂移严重，通过磁强计敏感的地球磁场分量

计算方位角，直接作为钻头的方位角

；如果陀螺仪和磁强计输出正常，则对

和

进行间序列分析和卡尔曼滤波，估计出钻头的方位角

。

分析钻头振动加速度信号的特征，对比钻进不同地质环境时的实例数据，并进行自相关和互相关分析，判断地质信息，结合该振动信号的持续时间

和钻头速度，计算

地质环境区域大小，考虑速度误差特性和位置误差特性，预测地质区域大小及位置。

通过温湿度传感器实时采集钻头所处环境的温度和湿度信，对湿度信号进行温度补偿，当湿度数据或温度数据达到临界值时，对比水和热实例数据(湿度和温度临界值：达到这个值时说明进入了水环境和热环境)，说明有水或热，记录持续时间

，结合钻头的速度，通过

计算范围大小，考虑速度误差特性和位置误差特性，预测水和热地质区域大小及位置。

分析以上预测地质环境及区域大小，并综合预测做出判断。

红外传感器实时测量钻头所处环境的地质信号，对红外传感器信号进行温度补偿，根据红外信号特征，对比地质实例数据和相关分析，分析钻头所处环境物质成分，记录持续时间，结合钻头的速度

，通过

计算范围大小，考虑速度误差特性和位置误差特性，预测地质区域大小及位置。以探测地质瓦斯为例说明：通过对实测的红外信号特征分析，与已知的地质瓦斯红外特征对比和相关分析，判断有无瓦斯，如果有，记录持续时间，可计算瓦斯区域大小，进而可预测瓦斯区域大小及位置。

最后说明的是以上实施案例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，可以对本发明进行修改或更换，而不脱离本技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种多功能随钻探测装置及预测方法，其特征在于信号采集模块均采用MEMS固态传感器，对信号采集模块中的集成模块喷上一层无磁性的隔热材料，使用黏合剂加固采集模块和预处理分析模块。

2.一种多功能随钻探测装置及预测方法，其特征在于钻头的方位角测量和地质环境及区域大小预测方法。

3.根据权利要求2所述的一种多功能随钻探测装置及预测方法，其特征在于如果磁场数据短时异常，直接使用陀螺仪输出的数据解算方位角

，作为钻头的方位角

，如果磁场数据长时异常，通过陀螺漂移估计方位误差

，对

补偿后作为钻头的方位角

；如果陀螺仪漂移严重，通过磁强计敏感的地球磁场分量

计算方位角

，作为钻头的方位角

，如果陀螺仪和磁强计输出正常，则对

和

进行间序列分析和卡尔曼滤波估计出钻头的方位角

。

4.根据权利要求2所述的一种多功能随钻探测装置及预测方法，其特征在于通过分析钻头振动加速度信号，对比钻进不同地质环境时的实例数据，并进行自相关和互相关分析，判断地质信息，结合该振动信号的持续时间

和钻头速度

，计算

地质环境区域大小，考虑速度误差特性和位置误差特性，预测地质区域大小。

5.根据权利要求2所述的一种多功能随钻探测装置及预测方法，其特征在于通过温湿度传感器实时采集钻头所处环境的温度和湿度信号，当湿度或温度信号达到临界值时，对比水和热实例数据，记录持续时间

，结合钻头的速度

，通过

计算范围大小，考虑速度误差特性和位置误差特性，预测水和热地质区域大小。

6.根据权利要求2所述的一种多功能随钻探测装置及预测方法，其特征在于通过红外传感器实时测量钻头所处环境的地质信号，根据红外信号特征，对比地质实例数据和相关分析，分析钻头所处环境物质成分，记录持续时间

，结合钻头的速度

，通过

计算范围大小，考虑速度误差特性和位置误差特性，预测地质区域大小。

7.一种多功能随钻探测装置及预测方法，其特征在于即可通过角速度解算出方位角，也可通过强场强度计算方位角，也可综合估计出方位角；即可单独通过加速度振动探测地质信息及区域，也可通过红外传感器信号探测地质信息及区域，也可综合探测地质信息及区域。

8.一种多功能随钻探测装置及预测方法，其特征在于故障的软、硬隔离：(1) 根据信号特征和相互辅助对比判断某传感器是否无信号或输出数据错误，在处理程序上标记该传感器信号不可用，或在硬件上通过通道选择开关直接关闭该传感器信号；(2)如果干扰影响造成的数据异常，在处理程序上也标记该传感器信号不可用，或在硬件上暂时关闭该传感器信号。