矿用随钻动态方位伽马仪器的研制与应用

陈 龙，陈 刚，张冀冠

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

顺煤层瓦斯抽采钻孔是目前最直接和有效的瓦斯治理方法，近年来，新兴的近水平定向长钻孔技术及配套装备，使钻孔在煤层中合理布置并延伸，达到常规钻孔无法比拟的瓦斯抽采效果。

自然伽马是进行含煤地层识别的常用判识依据，不同含煤地层其自然伽马变化范围不同，钻进施工时可充分利用不同含煤地层的自然伽马差异特性，结合孔口返渣情况识别岩性，从而指导定向钻进施工，实现钻层地层的识别，提高钻孔轨迹控制效率[1-3]。

国内外自然伽马测量技术与仪器主要应用于石油钻探领域，开发了全方位自然伽马测量、多方位随钻静态方位伽马测量和多扇区旋转成像随钻方位伽马测量等系列产品。但由于煤矿井下防爆要求和特殊施工条件限制，石油领域开发的自然伽马测量仪器不能直接用于煤矿井下定向钻进施工，主要原因为：①仪器直径较大，不适用于煤矿井下小口径钻进；② 仪器长度较长，受煤矿井下宽巷道空间限制；③仪器需要电流、电压较大，不满足防爆要求[4-5]。

中煤科工集团西安研究院有限公司汪凯斌等开发出基于自然伽马的矿用随钻测量仪器，实现了全方位自然伽马测量和多方位随钻静态方位伽马测量，为定向钻孔轨迹控制提供了一定参考依据[6-8]。但由于该仪器只能进行滑动钻进测量，不适用于回转钻进，不可实现方位成像，工作效率低。随着煤矿井下定向钻进工艺由滑动定向钻进技术向复合回转定向钻进技术的转变，仪器不能满足复合回转定向钻进时的自然伽马动态随钻测量要求。

针对以上问题，笔者研制了矿用动态方位伽马仪器，对仪器的测量原理、关键设计技术、试验应用等方面进行介绍。

1 随钻方位伽马原理

随钻方位自然伽马原理与传统自然伽马测井原理基本相同，都是测量地层自然伽马放射性强度。地层中放射性元素发射伽马射线，晶体探测到自然伽马射线并产生光子，光子被光电倍增管（PMT）加速后转换成电脉冲，该电脉冲与其他定向参数信号被编码成串行信号，通过有线或者无线传输方式传输至孔口设备，与井深数据进行匹配得到地层的实时伽马曲线，从而判定煤层顶底板，指导钻进轨迹调整，控制钻具有效穿行于煤层最佳位置[9-11]。

常规自然伽马测井仪器是利用一个伽马探测器探测地层自然伽马总放射性，而随钻方位伽马测井是在钻进过程中利用一个或多个探测器探测，在数据采集时通过记录不同探测器在不同扇区内伽马计数实现方位测量。通过正演分析，可以得出，当探测器在不同的界面位置和状态时，对应扇区的伽马曲线有着不同的形态。

图1 模拟的仪器是穿过不同地层时上下界面伽马曲线特征，其中煤层为低放射性储层，上下围岩为高放射性地层。

如图1a 所示，在仪器靠近煤岩界面时，下伽马计数值先变小，上伽马计数值后变小，在进入同一层位后上下伽马计数值相近，说明仪器由高放射性围岩进入低放射性储层，且仪器下方先进入低放射性储层；所以该图表示仪器是在岩层中钻进后从煤层顶板进入煤层。同理图1b 曲线表示仪器是从煤层顶板穿出进入围岩。

图1 上下方位伽马计数曲线关系Fig.1 Gamma counting curves of the upper and lower azimuth

2 方位伽马仪器设计

2.1 整体设计

仪器的电气连接框图如图2 所示。孔口计算机通过载波变换，将控制命令调制在直流信号上，探管收到载波信号后，进行整流滤波，将直流载波转换为电源部分和信号部分。电源模块经过升压稳压后，为后续的主控板和伽马传感器供电；主控板采集孔口计算机下发的控制指令完成相应的操作，并将采集到的信息再通过载波变换传输给孔口计算机。

图2 仪器电气框图Fig.2 Electrical block diagram of the instrument

2.2 结构设计

基于钻孔内煤岩界面区分的目的及煤矿井下实际工况条件，设计了具有多个方向探测能力的随钻动态方位伽马测井仪结构。伽马探测器安装于随钻动态方位伽马测井仪骨架之上，闪烁晶体和光电倍增管均以钨铜镍合金为屏蔽外壳。钨镍合金密度比铅高，其吸收射线的能力比铅高30%～40%。在钨镍合金上镂空75°的窗，以使得伽马探测器可以接收开窗方向来的γ射线，而无法接收其他方向来的伽马射线。

将伽马探测器分为8 个扇区，根据不同扇区的伽马脉冲计数值大小分辨方位特性。可根据不同扇区组合形成最多8 个方向的方位伽马特征值。这样随钻动态方位伽马测井仪可用于煤矿井下顺煤层钻进时煤层顶底板分界面的探测与识别。如图3 所示。

图3 方位伽马屏蔽开窗结构Fig.3 Azimuth gamma shielding window structure

2.3 电路设计

2.3.1 载波模块设计

采用低压直流载波模式进行孔口和孔底探管的供电和数据传输。直流载波耦合方式有电容耦合、电感耦合和直接耦合等方式，考虑到煤矿井下安全性要求，无法使用大容量的电容和电感，采用了直接耦合的方式。笔者采用PWBS752 和PWBS331 直流电力载波专用的调制解调芯片，配合外围耦合电路，实现低压直流载波模块的设计。传输速率可到9 600 bit/s，可实现孔底多扇区方位伽马数据的实时传输。

2.3.2 主控板设计

主控板完成伽马传感器脉冲信号采集，动态钻进条件下探管的姿态信息测量。

随钻动态方位伽马仪器为旋转测量方式，相对于静态测量，需要考虑实际过程中旋转带来的离心加速度和钻进带来的振动加速度的影响。采用的惯性测量单元为MTI-3-8A7G6T，包含了3 个单轴的加速度计、3 个单轴的MEMS 陀螺仪和3 个单轴的磁力计。主要用来测量仪器的三轴姿态角以及加速度（或角速率）等工作。

2.3.3 基于互补滤波的动态测量方法

随钻动态方位伽马测量需要仪器在旋转和振动的过程中，测量出接收到每个伽马探测器的脉冲信号时的屏蔽壳体开窗方向对应的工具面向角。传统的测量方式仅适用加速度传感器，由于旋转过程中的离心力和振动带来的影响，测量得到的三轴加速度分量误差较大，无法准确计算出当前的工具面向角[12-15]。

陀螺仪自身存在低频误差，在使用陀螺仪计算时，会产生累计误差。通过加速度计直接测量钻具重力加速度，这种方法在钻头静止或者缓慢运动时，即无外部加速度干扰时，能准确测量重力加速度，且无累计误差，但是钻具在高动态环境下，即存在离心加速度、振动加速度等非重力加速度干扰时，加速度计测量误差较大。因此，可以利用这两种测量方法在频率上互补的特性，通过设计互补滤波器融合这2 种传感器的数据[16]，提高重力加速度的测量精度和抗噪声能力。

三轴MEMS 陀螺仪的输出模型为：

式中：yk为陀螺仪传感器输出值；ωk为钻具的真实角速度；vg为陀螺仪的低频噪声；bk为陀螺仪的零偏。以上陀螺仪测量变量单位均为rad/s。

三轴MEMS 加速度计测量信息包括钻具重力加速度、钻具振动加速度以及测量噪声，可建模为：

式中：fk为加速度传感器输出；gk为钻具各轴的重力分量；va为加速度计的高频噪声，这里主要是由钻具的振动和旋转引起的。加速度计测量变量单位均为m/s²。

设计低通滤波器FL（s）和高通滤波器FH（s）如下：

FL（s）和FH（s）构成了互补滤波器，其中，取滤波传递函数C（s）为：

式中：s是频率变量，Hz；kp为一个可调的设定系数，用来决定互补滤波器的截止频率，其大小决定了互补滤波器的截止频率；ki是积分环节的系数。

让加速度计信号通过FL（s），让陀螺仪信号通过FH（s），最后再将通过互补滤波器的信号进行归一化处理，得到互补滤波后的重力加速度为g(s)，m/s2：

由式（6）得到本文互补滤波器模型如图4 所示：

图4 互补滤波器模型Fig.4 Complementary filter model

为了检验算法的准确性，以仪器的x轴作为旋转轴，将仪器水平放置在旋转台上，即井斜角为0°。调整旋转台的转速为155 r/min，将提取后的重力加速度和加速度计的原始加速度做对比，对比结果如图5a 所示。振动试验将仪器z轴朝上，井斜角为-7.4°，工具面向角为0°的姿态放置在振动台上。调整振动台的振动幅度为50 m/s2，10～150 Hz 扫频振动，分别运行本文方法和基于Kalman 框架的重力加速度提取算法[15]计算得到的井斜角和工具面向角，对比结果如图5b所示。

从图5a 可以看出，本文算法可以克服旋转过程中的振动和离心加速度干扰，将重力加速度信号提取出来。

从图5b 可以看出，使用加速度传感器原始信号计算得出的井斜角在振动过程中偏移0.3°，工具面向角偏移0.5°，使用基于Kalman 滤波框架的重力加速度提取算法和本文提出的算法，井斜角计算稳定，工具面向角偏移控制在0.1°以内。但由于主控板单片机没有浮点计算单元，而Kalman 滤波框架算法需要进行矩阵乘法和矩阵求逆的计算，所以该算法在单片机中的运算结果更快，更适合工程应用。

图5 重力加速度提取算法运算结果Fig.5 Results of the gravity acceleration extraction algorithm

3 试 验

3.1 地面性能测试

为验证仪器的准确性，在实验室内搭建了旋转测试平台，如图6a 所示。使用减速电机带动探管旋转，转速控制在30～160 r/min，用已进行过放射性传递的黄布包模拟不同的放射性地层，进行了模拟实验。实验使用了2 套不同放射性的黄布包模拟地层，一层放射性为150 API；另一层放射性250 API。

将黄布包放置在仪器下方，调整黄布包距离逐渐靠近仪器，模拟仪器从煤层中延底板靠近第一层放射性地层；将黄布包包裹住仪器模拟仪器进入第一层地层；将黄布包至于仪器上方，调整黄布包距离逐渐靠近仪器，模拟仪器从煤层中延顶板靠近第一层放射性地层，进入并返回。以同样顺序模拟仪器进入并返回第二套地层。

测量结果如图6b 所示。实物模拟结果可以看出，仪器通信正常、数据测量稳定，测量得到的上下伽马能正确反映出模拟地层放射性变化规律。

图6 地面试验测试结果Fig.6 Ground test results

3.2 井下工业性试验

为验证仪器在井下实际工作性能，在山西省晋城市寺河矿进行了井下工业性试验。试验位置在寺河矿西区3 号煤层，试验孔是W33092 巷27 号千米钻场16 号底板分支孔。

本次试验钻孔从煤层开孔，钻孔深度152 m，钻孔113 m 处进入岩层。伽马测量统计周期间隔为16 s 每次，数据采集过程为动态旋转测量。在煤层和岩层中测量间隔为6 m。为保证测量准确性，在靠近煤岩界面处，测量间隔为1 m。图7a 为软件测量界面，图7b为上下伽马测量曲线，其中上伽马采用0 和7 扇区计数值，下伽马采用3 和4 扇区计数值。

从图7b 中可以看出，仪器在靠近煤层底板岩层时，伽马值快速增大，而且由图7b 能够明显显示出遇到界面时下伽马先于上伽马变大，该特征为低放射性地层钻遇下方高放射性地层的关键特征。

图7c 为钻孔轨迹地层岩性剖面，图中对应轨迹钻进底板深度处伽马值突变增大，与地层岩性变化相吻合。

图7 上下伽马曲线和钻孔轨迹地层岩性Fig.7 Upper and lower gamma curves and borehole trajectory stratigraphic lithology maps

4 结 论

a.介绍了动态方位伽马测量原理，研制了一套煤矿井下随钻动态方位伽马仪器，可满足复合回转定向钻进时的自然伽马动态随钻测量要求，为煤矿井下瓦斯治理钻孔施工提供了新设备。

b.仪器采用高密度合金开窗结构，接收开窗扇区的伽马射线，屏蔽其他方向的伽马射线，根据不同扇区伽马计数分辨方位特性。

c.根据加速度传感器和陀螺仪不同的频率特性，让加速度计信号通过低通滤波器，让陀螺仪信号通过高通滤波器，再通过互补滤波器得到归一化的重力加速度，降低了钻进过程中振动和离心加速度的影响。

d.通过地面和井下工业性试验验证了仪器的准确性，下一步工作降低仪器功耗，提高仪器直流载波传输距离；降低多扇区伽马的统计时间，优化仪器操作。