CN206016797U - 测量模块及具有所述测量模块的矿井随钻测斜勘探系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测量模块及具有所述测量模块的矿井随钻测斜勘探系统。应用于矿井随钻测斜勘探系统的测量模块安装在钻头后方并通过钻杆推进，直接利用钻头破岩产生的振动作为震源。测量模块包括测量探管、安装于测量探管前后两端的无磁杆。测量探管用于孔内信号采集同时起到传动和过水作用。无磁杆用于隔离钻杆对测量探管产生的磁干扰，亦具有传动和过水作用。本实用新型可以随钻测量钻孔产状与钻头岩石动力作用谱，提供钻进空间轨迹与钻遇岩性，同步完成随钻勘探目的，实现“一孔多见”。

Description

测量模块及具有所述测量模块的矿井随钻测斜勘探系统

技术领域

本实用新型属于矿井工程钻探领域，特别是钻孔测斜与钻遇岩性判断的原位随钻测量，具体涉及一种应用于矿井随钻测斜勘探系统的测量模块、所述矿井随钻测斜勘探系统。

背景技术

随钻地震(SWD，Seismic While Drilling)是在传统地面地震测量方法和垂直地震剖面(VSP)基础上结合钻井工程发展起来的一项学科交叉的新技术。其原理是在钻进过程中利用钻头破岩的振动作为震源来获取多种地层参数，确定钻头在地震剖面上的位置并预测钻头前方地层压力情况，从而指导调整钻井方案以减少钻探风险，在油气勘探和开发领域处于研究与应用阶段。

随着煤矿深部开采，煤与瓦斯突出、突水等重大事故频发，迫切需要提高探查技术的施工效率和准确性。现行的技术手段主要分钻探和物探两大类，其中钻探因其施工简单、结果直观而在井巷施工生产中得以普遍应用，例如探煤钻孔、超前地质孔、探放水孔、水文孔、瓦斯抽排孔等。但钻探也存在诸多不足：(1)由于施工偏差、岩性变化、构造发育等因素，导致钻孔实际轨迹与设计出入较大，难以打到目标地层，从而无法较为准确的掌握目标区域的地质及水文情况，造成一定隐患；(2)钻探往往只是“一孔之见”，难以有效探查钻孔前方及周边一定范围内地额地质及水文情况；(3)常规钻探需要通过取芯才能进行岩性和地质构造的识别判断，工作量大、成本高，当地质条件较差时还会出现取芯率低，甚至存在钻井事故的风险；(4)同时井巷钻探施工中有大量非取芯钻孔，只是凭借经验来判断岩性，准确性不高，且缺乏连续性、记录性。钻孔质量检测作为煤矿钻探工艺控制的一个重要环节已经越来越受到重视，为此一批具有钻孔空间轨迹测量和钻孔内窥视功能的技术和仪器得到研制和应用，以了解钻孔空间方位、成孔质量、孔内构造及岩性等情况，但由于需要在钻孔施工完成后进行二次测量，信息获取相对滞后而造成时效性差，费工费时、成本增加。为改善这一问题，业内已提出随钻测斜的技术方案(如公开号为CN105735970A的实用新型专利)，即钻井期间利用孔内探管同步进行钻孔空间轨迹方位的测量，但仍然需要钻探施工完毕后导出数据成图，现场无法实时绘图显示，而且仅限于获取钻孔的空间方位轨迹。亦有技术方案提出采用类似地面随钻地震的方式(如公开号为CN204631261U的实用新型专利)，利用钻头震动信号作为震源，将检波器分别布置于钻杆顶端和侧帮，以探测侧帮及钻头前方的地质情况，但不具有随钻测斜的功能，将造成偏移成像结果难以与实际空间位置相对应，同时由于检波器远离钻头而靠近钻机(钻机振动、钻杆与孔壁摩擦碰撞等)，以至干扰影响严重，有效地震波信号被严重削弱。

实用新型内容

为解决上述背景技术中存在的不足，本实用新型提供一种应用于矿井随钻测斜勘探系统的测量模块、所述矿井随钻测斜勘探系统，本实用新型将随钻地震技术、测斜技术与钻探工程进行有机结合。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种应用于矿井随钻测斜勘探系统的测量模块，其安装在钻头后方并通过钻杆推进，直接利用钻头破岩产生的振动作为震源；所述测量模块包括测量探管、安装于测量探管前后两端的无磁杆；测量探管用于孔内信号采集同时起到传动和过水作用；无磁杆用于隔离钻杆对测量探管产生的磁干扰，亦具有传动和过水作用。

作为上述方案的进一步改进，测量探管包括测斜模块、测震模块；所述测斜模块用于测量方位角、倾角、横滚角，进而确定测量探管及钻头在钻孔内的空间方位和钻进轨迹；测震模块用于实时检测震动信号、观测由钻头破岩激发并经钻头/钻杆和钻孔围岩传播的地震直达波、反射波、绕射波信号。

优选地，测量探管还包括通讯模块，所述通讯模块用于实现测量探管与整个矿井随钻测斜勘探系统的通讯。

优选地，所述测斜模块采用高精度电子罗盘。

优选地，所述测震模块采用两组检波器组：一组为多分量检波器组，另一组为小排列检波器组；所述多分量检波器组用于实时检测震动信号，并通过阈值及时间控制所述测斜模块、所述小排列检波器组的开、关状态。

再优选地，所述小排列检波器组布置2-8个检波器作为非连续动态信号的测量，观测由钻头破岩激发并经钻头/钻杆和钻孔围岩传播的地震直达波、反射波、绕射波信号。

优选地，所述测斜模块、所述测震模块、所述通讯模块集成在一起使测量探管为一体结构。

本实用新型还提供一种矿井随钻测斜勘探系统；其包括测量模块；所述测量模块为上述任意应用于矿井随钻测斜勘探系统的测量模块。

作为上述方案的进一步改进，所述矿井随钻测斜勘探系统还包括通讯装置和手持式终端；通讯装置安装于孔外钻场实现测量探管与手持式终端之间的通讯。

本实用新型的有益效果如下：

(1)本实用新型可以随钻测量钻孔产状与钻头岩石动力作用谱，即时提供钻进空间轨迹与钻遇岩性，同步完成随钻勘探的目的，无需后续往复测量，及时评价钻探施工是否符合预期，能够极大缩减时间和工程量，节约生产成本；

(2)检波器内置于测量探管内，直接接收经由钻头/钻杆传输的震动信号，无需其他介质耦合，不受钻孔方位及角度的影响，施工便捷高效，且测量探管、无磁杆具有过水、传动功能，应用更为广泛；

(3)不仅可以检测钻机系统振动信号，还可直接利用钻头破岩作为震源，可以进行地震测井和勘探，由于远离外部环境干扰，且距孔周边异常体更近，信号信噪比将会提升；采用固定“源检距”的检波器组进行随钻连续、实时(动态)测量，相较于传统观测方式，地震记录信号更加丰富、一致性更好，有利于信号处理及提升空间分辨力；

(4)系统智能化程度高，能够实时监测钻头破岩的工作状态，实时预报钻头前方及钻孔周边岩性、构造发育情况，实时提供穿层钻孔连续岩性柱状，不仅可以实现“一孔多见”提高附加值，降低钻探施工风险，减少钻孔取芯工作量，而且还可以根据后续钻进揭露情况对预测结果进行及时校验，不断提高预测精确度，可实现超前探测，还可获得钻孔周边地震剖面；

(5)本实用新型信号测量中通过设定阈值触发来调控相关模块工作状态，更科学高效的采集记录相关数据，不仅有助于提高有效数据占比，还能大为降低系统功耗；

(6)能够实现综合随钻测量和钻探过程状态参数的连续记录，具有类似飞机“黑匣子”的功能，从而实现对钻探工程进行更为科学的评价管理。

附图说明

图1：本实用新型实施例1中矿井随钻测斜勘探系统结构示意图；

图2：本实用新型实施例1中测量探管测震模块结构示意图；

图3：本实用新型随钻测量应用示意图；

图4：随钻测量震动信号时域图；

图5：随钻测量钻进耗时图；

图6：随钻测量钻进转速图；

图7：随钻测量震动信号频谱图；

图中：1-手持式终端；2-通讯装置；3-无磁杆；4-测量探管；4-1-测震模块；5-钻头；6-钻杆；7-钻场；8-隐伏构造。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型公开的矿井随钻测斜勘探系统及测量方法。所述矿井随钻测斜勘探系统包括测量模块、通讯装置和手持式终端测。所述测量模块安装于钻头后方，包括测量探管、安装于测量探管前后两端的无磁杆。测量探管包括测斜模块、测震模块、通讯模块，测量探管为一整体，使用时不可拆卸。无磁杆安装于测量探管的前后端，以隔开钻杆磁干扰，可拆卸。通讯装置安装于孔外钻场内，作为手持式终端与测量探管的“通讯桥”，实现测量探管与手持式终端的无线通讯。手持式终端具有钻孔进尺打点功能、数据解编、处理、显示与管理功能等功能。本实用新型不仅可以随钻测量钻孔产状与钻头岩石动力作用谱，即时提供钻进空间轨迹与钻遇岩性，还可以检测钻机系统的振动信号以分析评价其工作状态，直接利用钻头破岩作为震源，接收经由地层、钻头/钻杆传送的直达波、反射波、绕射波，通过方差分析、能量分析、耗时分析、频谱分析、速度分析及波场变换和偏移成像技术，可以实时获取钻动破岩震动信号的频率、波速特征和钻孔侧向及前方的偏移剖面，从而评价钻进过程中岩性变化、钻孔周边及前方的地质构造发育情况，实现“一孔多见”，同时通过对钻探过程状态参数的连续测量，具有“黑匣子”功能，实现对钻探工程更加科学的评价管理。

下面结合附图对本实用新型进行详细展开说明。

实施例1

如图1所示，本实施例的矿井随钻测斜勘探系统包括测量模块、通讯装置2和手持式终端1。所述测量模块安装于钻头5后方并通过钻杆6推进，直接利用钻头5破岩产生的振动作为震源。

所述测量模块包括测量探管4、安装于测量探管4前后两端的无磁杆3。测量探管4用于孔内信号采集同时起到传动和过水作用，无磁杆3用于隔离钻杆6对测量探管4产生的磁干扰，亦具有传动和过水作用。通讯装置2安装于孔外钻场实现测量探管4与手持式终端1之间的通讯。

测量探管4包括测斜模块、测震模块4-1、通讯模块，测量探管为一整体，使用时不可拆卸。无磁杆3安装于测量探管4的前、后端，可拆卸。通讯装置2安装于孔外钻场7内，作为手持式终端1与测量探管4的“通讯桥”，实现测量探管4与手持式终端1的无线通讯。手持式终端1具有钻孔进尺打点功能，通过蓝牙/WIFI等技术与通讯装置2进行无线通讯，对测量探管4进行参数设置和工作状态控制，对测量探管4回传数据进行数据解编、处理、显示与管理等功能，能够实时显示钻孔产状信息和钻进空间轨迹，根据地震记录的相关处理结果实时监测钻机系统工作状态，预测钻进过程中岩性变化、钻孔周边及前方地质构造发育情况。故，所述测斜模块用于测量方位角、倾角、横滚角，进而确定测量探管4及钻头5在钻孔内的空间方位和钻进轨迹；所述测震模块4-1用于实时检测震动信号、观测由钻头破岩激发并经钻头/钻杆和钻孔围岩传播的地震直达波、反射波、绕射波信号；所述通讯模块用于实现测量探管4与通讯装置2之间的通讯。

实施例2

如图2所示，所述测震模块4-1采用两组检波器组，三分量检波器组和小排列检波器组。其中三分量检波器组用于实时检测震动信号，并通过阈值及时间控制测斜模块、小排列检波器组的开、关状态，而小排列检波器组，布置6个检波器，道间距0.05-0.3m，作为非连续动态信号的测量，观测由钻头5破岩激发并经钻头5/钻杆6和钻孔围岩传播的地震直达波、反射波、绕射波等信号。

以图3-图7为例来说明涉及一种基于本实用新型系统的构成、特点和钻探施工提出的一种适用的随钻测量方法，具体步骤如下：

(1)开机：启动手持式终端1、通讯装置2、测量探管4，然后对测量探管4进行参数配置；

(2)设备组装：将无磁杆3分别安装于测量探4管前后端，即罗盘模块所在的位置定义为探管前端，并整体安装于钻头5后方，至少连接一根钻杆6，通过钻机钻进推送；将通信装置2放置于钻机附近；

(3)数据采集：

a.启动钻机，将测量探管4推送至初始测量位置，并通过手持式终端1给测量探管4下发“开启测量模式”指令。此后测量探管4内置测震模块4-1中的多分量检波器组将实时检测震动信号，当连续一定时间段内信号幅值未达到阈值a₁时，开启测量探管4内的测斜模块，其中测斜模块将按照设定的时间间隔进行测量，直到超过阈值a₁时则被关闭，即钻杆6连续、高速旋转时，电子罗盘角度测量误差大，因此暂停工作；当连续某时间段信号幅值达到阈值a₂时，小排列检波器组将会启动并连续采集设定时间内的震动信号，否则将会被关闭，所有符合要求的信号将被记录，并进行底层处理，其中小排列检波器组对应的为时域地震波数据；而对于多分量检波器组采集的信号则需提取其频谱特征值，所有数据将经由通讯模块、通讯装置2回传给手持式终端1。

b.在停转状态下启动手持式控制终端1上测量软件中的进尺打点功能，进尺表示测量探管/钻头的钻进深度，记录当前测量探管4/钻头5所在位置的时间点和对应深度，同时给测量探管4下发数据回传指令，被测量探管4记录的符合要求的测斜数据将先行回传，并反馈“测斜数据回传成功，即刻进行下一步测量”，被测量探管4记录的符合要求的小排列地震波数据亦被回传，并予以反馈，当钻进一定深度而停转时，此刻该时间段内的多分量实时检测信号的频谱参数将被回传，并反馈“检查钻机并进行下一段测量”。由于测量探管4所采集的测斜数据和地震数据均包含时间属性，所以通过手持式终端1，按照打点时间自动进行筛选。手持式终端1将基于测斜数据可以提供当前钻孔产状、动态绘制测量探管4/钻头5的空间轨迹；基于时域波形(图4)、耗时分析(图5)、钻速分析(图6)来评价钻头、钻机的运行状态及钻遇岩性；基于地震数据利用方差分析、能量分析、速度分析、频率分析(图7)等来预测钻进过程中岩性变化的情况，利用波场变换和空间偏移成像技术给出钻头5前方及周边的偏移剖面，预测构造发育情况。通过即时评价钻进状态及质量和周边地质情况，指导下一步的工作安排。

注意：①进行打点操作时，如果是钻进状态，则自动在相应编号上加注“+”退钻加注“-”；②由于钻杆6需要按节加装，因此实际随随钻可按每节钻杆分段施工。

c.第一段测量完毕后，加装钻杆6并推进至下一待测区段，重复b步骤中的操作，直到完成整个随钻测量工作，通过给测量探管4下发“停止测量模式”并依次退出钻杆6、测量探管4、钻头5等部件。

(4)数据处理：手持式终端1于现场可实时提供随钻测量的初步结果，如想做进一步处理和分析，可将手持终端1和测量探管中4的数据导入PC专用处理分析平台进行有关处理：根据记录的时间、进尺、角度信息建立空间坐标系统，数据提取及拼接，并基于此设置所有地震记录的空间方位坐标等参数；利用方差分析、能量分析、耗时分析、钻速分析和频谱分析对随钻测震数据进行处理，来综合分析评价钻进过程中的岩性变化特征，钻进过程的工作状态等；利用反射波、绕射波提取技术和空间偏移成像技术处理可分别得到钻孔前方和侧向的偏移成像图，以分辨钻头前方及钻孔周边的隐伏构造8。根据钻探揭露情况优化处理参数和建立解释标准，以期实现矿井随钻的综合性、智能化精细测量。

结合两个实施例可知，本实用新型将随钻地震技术、测斜技术与钻探工程有机相结合，并应用于矿井随钻测斜及勘探，主要凸显的创新点为：

1、随钻测量钻孔产状与钻头岩石动力作用谱，即时提供钻进空间轨迹与钻遇岩性，同步完成随钻勘探的目的，无需后续往复测量；随钻地震勘探，无需其他介质耦合、施工便捷高效；

2、内置检波器模块的测量探管安装靠近钻头后方，不仅可以检测钻机系统的振动信号以分析评价其运行状态，还以直接利用钻头破岩震动信号作为激发震源以实现地震测井和勘探，由于远离外部干扰，而且距钻孔周边异常地质体更近，从而提高了信号信噪比；此外，采用固定“源检距”的检波器组进行随钻连续、实时(动态)测量，相较于传统观测方式，地震记录信号更加丰富、一致性更好，有利于信号处理及提升空间分辨力；

3、系统智能化程度高，能够实时监测钻头破岩的工作状态，实时预报钻头前方及钻孔周边岩性、构造发育情况，实时提供穿层钻孔连续岩性柱状，不仅可以实现“一孔多见”提高附加值，降低钻探施工风险，减少钻孔取芯工作量，而且还可以根据后续钻进揭露情况对预测结果进行及时校验，不断提高预测精确度；

4、信号测量中通过设定阈值触发来调控相关模块工作状态，更科学高效的采集记录相关数据，不仅有助于提高有效数据占比，还能大为降低系统功耗；

5、能够实现综合随钻测量和钻探过程状态参数的连续记录，具有类似飞机“黑匣子”的功能，从而实现对钻探工程进行更为科学的评价管理。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于矿井随钻测斜勘探系统的测量模块，其特征在于：其安装在钻头(5)后方并通过钻杆(6)推进，直接利用钻头(5)破岩产生的振动作为震源；所述测量模块包括测量探管(4)、安装于测量探管(4)前后两端的无磁杆(3)；测量探管(4)用于孔内信号采集同时起到传动和过水作用；无磁杆(3)用于隔离钻杆(6)对测量探管(4)产生的磁干扰，亦具有传动和过水作用。

2.如权利要求1所述的应用于矿井随钻测斜勘探系统的测量模块，其特征在于：测量探管(4)包括测斜模块、测震模块(4-1)；所述测斜模块用于测量方位角、倾角、横滚角，进而确定测量探管(4)及钻头(5)在钻孔内的空间方位和钻进轨迹；测震模块(4-1)用于实时检测震动信号、观测由钻头破岩激发并经钻头/钻杆和钻孔围岩传播的地震直达波、反射波、绕射波信号。

3.如权利要求2所述的应用于矿井随钻测斜勘探系统的测量模块，其特征在于：测量探管(4)还包括通讯模块，所述通讯模块用于实现测量探管(4)与整个矿井随钻测斜勘探系统的通讯。

4.如权利要求2所述的应用于矿井随钻测斜勘探系统的测量模块，其特征在于：所述测斜模块采用高精度电子罗盘。

5.如权利要求2所述的应用于矿井随钻测斜勘探系统的测量模块，其特征在于：所述测震模块采用两组检波器组：一组为多分量检波器组，另一组为小排列检波器组；所述多分量检波器组用于实时检测震动信号，并通过阈值及时间控制所述测斜模块、所述小排列检波器组的开、关状态。

6.如权利要求5所述的应用于矿井随钻测斜勘探系统的测量模块，其特征在于：所述小排列检波器组布置2-8个检波器作为非连续动态信号的测量，观测由钻头破岩激发并经钻头/钻杆和钻孔围岩传播的地震直达波、反射波、绕射波信号。

7.如权利要求3所述的应用于矿井随钻测斜勘探系统的测量模块，其特征在于：所述测斜模块、所述测震模块(4-1)、所述通讯模块集成在一起使测量探管(4)为一体结构。

8.一种矿井随钻测斜勘探系统；其包括测量模块；其特征在于：所述测量模块为如权利要求1至7中任意一项所述的应用于矿井随钻测斜勘探系统的测量模块。

9.如权利要求8所述的矿井随钻测斜勘探系统，其特征在于：所述矿井随钻测斜勘探系统还包括通讯装置(2)和手持式终端(1)；通讯装置(2)安装于孔外钻场实现测量探管(4)与手持式终端(1)之间的通讯。