地质超深钻孔自寻北陀螺测斜仪研制.pdf

3 6 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 0 1 4年第 4 1卷第 3期 地质超深钻孔自寻北陀螺测斜仪研制 周 策 r ，王 瑜 ，刘一民 ，陈文俊 ( 1 中国地质大学( 北京) 国土资源部深部地质钻探技术重点实验室， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 中国地质科学院探矿工艺研 究所， 四川 成都 6 1 0 0 8 1 ； 3 四川大学制造科学与工程学院， 四川 成都 6 1 0 0 6 5 ) 摘 要： 阐述 r解决在高达 2 8 0高温、 孔深 8 0 0 0 m环境的地质超深钻孔 自寻北陀螺测斜的技术问题 采用新型 低功耗耐高温电子元件集成电路、 隔热保温材料 ， 利用高温焊接技术、 密封技术、 隔热保温技术及自寻北陀螺测斜 技术， 研制在高温 、 高压钻孔环境中既能保证质量义能保证安全的钻孔测斜仪以及研究相应的测斜工艺技术方法。 关键词： 测斜仪； 陀螺 ； 加速度计； 地质超深钻孔 中图分类号： P 6 3 4 7 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 27 4 2 8 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 3 6 0 5 De v e lo p me n t o f t h e Au t o ma t ic No r t h - fi n d in g Gy r o s co p e I n clin o me t e r f o r S u p e r - d e e p Ge o lo g ica l Dr illin g Z HOU 。 。 ，W A NG Y u ， ， J ， Y i m i n ， C H E N We n n ( 1 K e y L a b o r a t o r y o n D e e p G e o d r i ll i n g T e ch n o l o g y o f Mi n i s t r y o f L a n d a n d R e s o u r ce s ，C h in a U n i v e r s it y o f G e o s cie n ce s ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 I n s t i t u t e o f E x p lo r a t i o n T e ch n o l o g y ，C A G S ， Che n g d u Sich ua n 61 0 081，Ch in a：3S ch o o l o f Ma n uf a ct u r in g S cie nce& En g ine e r in g，Sich ua n Un iv e r s it y，Ch e n g d u S i ch u a n 6 1 O 0 6 5Ch i n a ) Ab s t r a ct ：T h is t e x t e la b o r a t e s t h e t e ch n iq u e p r o b le ms o f a u t o ma t ic n o r t h fi n d in g g y r o s co p e s u r v e y f o r s u p e r d e e p g e o lo g ica l d r illin g in t he co nd it io n o f hig h t e mp e r a t ur e o f 28 0 C a n d d e pt h o f 8 0 00mNe w lo w p o we r a nd hig h t e mpe r a t u r e r e s is t a nce e le ct r ic co mp o n e n t s ，in t e g r a t e cir cu it s a n d h e a t ins ula t io n ma t e r ia l a r e a d o p t e d；a nd t h e t e ch niq ue s o f hig h t e mp e r a t u r e w e ld in g，s e a lin g ，h ig h t e mp e r a t u r e r e s is t a n ce a n d a u t o ma t ic n o r t h fi n d in g gy r o s co p ic s u r v e y a r e u s e d t o d e v e lo p t h e b o r e h o le inclino me t e r wh ich ca n no t o nly e n s ur e t h e q u it y a n d s , ff e t y of t he bo r e ho le in hig h t e mpe r a t u r e a nd hig h p r e s s u r e e n v ir o n me nt a n d s e a r ch o u t t he r e la t e d t e chn o lo g ie s o r in clin a t io n s u rve y Ke y wo r ds：in clin o me t e r；gyr o s co pe；a e e e le r o me t e r ；s u pe r de e p g e o lo g ica l dr illing 1 问题的提出 钻孔测斜技术是我国地质勘查关键技术之一 ， 在我 国地质调查和国民经济其他领域有着广泛的应 用前景。但我国地勘现有钻孔测斜仪不能配套用于 将要开始或有的地区已经开始的地质超深钻孔勘探 和开发。现有地勘钻孔测斜仪适应 的工作环境温度 最大也只有 1 5 0 cIC， 需要研究设计在温度高达 2 8 0 、 孔深 8 0 0 0 m环境的地质超深钻孑 L 自寻北陀螺测 斜技术 ， 并保证安全测斜。 2 解决问题的可能性 新型低功耗 电子元件集成 电路发展 、 先进的焊 接技术、 密封材料技术、 隔热保温材料及隔热保温技 术 、 自寻北陀螺测斜技术提供 了研究地质超深钻孔 自寻北陀螺测斜技术的物质基础。表 1为几种常见 钻孔测斜方法精度对比， 从表 1 可以看出， 自寻北陀 螺测斜仪是适合地质超深钻孔测斜的最佳方案。 表 l 几种常见钻孔测斜方法对比 仪 器 篡 评 价 3 解决地质超深自寻北陀螺测斜仪技术方案 3 1 地质超深 自寻北陀螺测斜仪机芯组成设计 地质超深 自寻北陀螺测井仪主要部件选用三轴 陀螺( 一只动调陀螺和一只微机械陀螺 ) 、 三轴右英 加速度计、 一只步进电机， 一套数据采集处理模块 ， 一 套 D C D C电源， 一块数据存储模块及相关结构 件构成 ， 工作原理框图如图 l 所示 。 3 2 地质超深 自寻北陀螺测斜仪数学解算模型设 计 3 2 1 初始对准与倾角、 方位角测量 收稿 日期 ： 2 0 1 31 01 7； 修 回日期 ： 2 0 1 31 2 2 6 基金项 目： 本课题得到国土资源部深部地质钻探技术重点实验室开放课题 “ 深孔孔底钻探参数实时采集 关键技术研究” ( N L S D 2 0 1 2 0 1 ) 资助 作者简介： 周策( 1 9 6 5 一) ， 男( 汉族) ， 四川成都人， 中园地质大学( 北京) 闷土资源部深部地质钻探技术重点实验室， 中国地质科学院探矿工艺研 究所教授级 高级 工程师( 三级) ， 探矿工程专业 ， 从事地质灾害临测技术 0仪器的研究上作 ， 四川省成都市 一 环路北 段 l 号 4 4 9 7 3 0 5 8 8 q q co m。 2 0 1 4年第 4 l 卷第 3期 探矿工程 ( 岩土钻掘工程 ) 3 7 图 1 地质超深 自寻北陀螺测斜 仪组成 如图 2所示 ， O X Y Z为地心坐标 系， O E NU为 当 地地平坐标 系， O x y z系为仪表坐标 系， O x y z各轴 间 与 O E N U一致 。图中 O x y z系沿 轴旋转为方位角 ，这时没有倾斜变化 。 wy 图 2各 有 关 坐 标 系 不 葸 图 如图 3所示， 当测斜仪从孔 口沿井体运动， 令 O x Y U是 O x y z原在 O E U N上面坐标 系， O x y z坐标 系相对 O E NU和 O x Y U各轴都可能发生姿态变化。 其中 。 是 O z 轴在水平面投影 与 O N轴 的夹角 ， 即方位角 ， 与 轴 的夹 角为工具面 向角 ， 与 O U的夹角为顶角 。 L Z ： 图3 在钻孔中任一点时的 O E N U ， O x y z 和 O x Y U坐标系 高温测井仪在测井过程中， 在任何点上、 任何时 候只要保持静止 ， 都可以实现初始对准 ， 计算方法如 F = 。 利用在静止条件下 ， 电机由 0 。 转动 9 O 。 、 l8 0 。 、 2 7 0 。 各位置采集 的数据清除陀螺零位后 ， 并利用 陀 螺加表 的数据 ， 计算 出 0 、 D y 轴 的地球 自转分量 to ， to ： tox ， tox C O S p ，+toy c o s t a y ， +to co s q ， t o y 一 =to x C O S x 。 y ，+toy c0 s y “ y ， + z c o s o z 。 y ， 式中： ， 、 ， 、 ， 分别为 O 、 0 ) ， 、 与 的 夹角 ； ， 、 ， 、 z o y 分别为 、 、 与 的 夹角。 由此可求 出方位角 ： o = t g ( to ， to ， ) 则工具面向角为： 酗=t g ( A Y A x )+t g ( to ， to ， ) 式中 ： 、 、 分别为 ， 】 ， ， Z向加速度 。 同样 由加表 、 陀螺可以求出 、 轴对 O x Y 的倾角 。 、 。 ， 以及欧拉角 0 。 、 7 。 ， 由此可求 出顶 角 和顶角方位角 ： o s i n C O S O 0 1 一 c0 s o s i n 。 o 一 1 s in a0 co ( ) 4 2 s ln 0十c0 s 0 s ln 。 在测井仪沿井体运动时 ， 以上述结果为起始值 ， 利用陀螺输出数据计算欧拉角求出： = l ( 1 co s O ) ( to co s t to s i n T ) d t + 0 0 =J ( to s i n T to C O S T ) d t + O o y=I to 一 t g O ( to co s T to s i n T ) d t + 0 并 由此 ， 可求 出动态过程中的 O 、 卢 ， 从而在运 动时求出顶角 、 方位角、 工具面向角 ： i= o + s i n 一 ( co s 1 一 c0 s O t s i n 卢 ) 砂 。 = o o + 砂 m+c。 s s i n a ,o c o s 3 , 酊 = 鲫 + 3 2 2 地质超深 自寻北陀螺测斜仪数学解算误差 分析 自寻北陀螺测斜仪常见的主要误差源中任何一 种都可归人下述 5类基本误差中的一类。 ( 1 ) 结构误差 ： 这种误差与全套系统结构有关 ， 比如测量平台上各元件的机械校准误差。 ( 2 ) 实际元件误差： 这是实际惯性仪表与其设 计性能间的偏差。 ( 3 ) 机械编排误差 ： 为 了简化系统整个系统机 3 8 探矿工程 ( 岩土钻掘工程 ) 2 0 1 4年第 4 1 卷第 3期 械编排时作了近似所产生的误差。 ( 4 ) 操作方法误差 ： 在特殊情 况下采用 的方 法 所产生的误差 ， 它包括精确校准时采用设备不够理 想出现的误差和装调仪表时方法不完善所引起的偏 差等。 ( 5 ) 由运动产生 的误差 ： 该误差与加速度 的变 化有关 ， 因此对运动状态下的测斜探管来说， 这一误 差主要取决于运 动过程 中运动 的次数及其持续 时 间。 上述各类误差都是单独考虑的， 因此需要对测 斜仪探管中的陀螺 、 加表参数误差专门的补偿 、 测量 丁艺过程 的补偿 以及测量数据 的数值分 析模 型拟 合。本文仅介绍陀螺加表参数误差补偿方法 。 3 2 3 地质超深 自寻北陀螺测斜仪数学解算陀螺 加表参数误差补偿方法选择 加速度计误差模型及误差系数 ： N A x= K + + K + NA Y=K + + +K NA z=K +K +K +KI 式 中： K 。 、 、 加 速 度 计 偏 置 ； K 、 K h、 K。 线加速度计 比例系数 ； K 、 K K x 、 K K 、 K 线加速度 计交叉耦 合 ； 、 Wy 、 I T z 线 加 速度计输入。 陀螺仪误差模型及误差系数 ： N =K 。 +K ( c J +K +K +k a x N v= 。 v +K v 十K +K v +k a y y N =K 。 +K +K +K + 式 中： K 、 K 、 陀螺零位 ； 、 K 、 K 。 陀螺比例系数 ； K 、 K 、 K 、 K 、 K 、 K 陀 螺交叉耦合 ； K K 、 K 陀螺对加速度计的敏 感系数 ； 、 、 输入角速率。 有关 K的系数都是温度 的函数。在考虑 温度 变化时上述有关 的 K要加上 A K ， A K 是温度引起 的变化。 KT=K 式 中： 温度系数 ， 卜温度变化量 。 3 3 地质超深 自寻北陀螺测斜仪技术方案设计 3 3 1 技术方案设计分析 地质超深 自寻北 陀螺测斜仪要在 2 8 0 高温 、 8 0 0 0 m孔深环境下使用， 采用常规钻孔测斜仪的方 法 ， 需要解决耐 2 8 0 o C高温的传感器 、 集成 电路 片 和配套的电子元件 ， 这些耐高温 的器件国内外都难 购到。另需高温测井 电缆， 一般 高温 电缆只能承受 2 0 0 o C 高温， 并且要配套电缆绞车 ， 此套系统不仅价 格昂贵 ， 而且现场操作极为麻烦 ， 费时费力。 ( 1 ) 本技术方案是采用新材料和新方法研制新 型超真空绝热无磁保温瓶( 图 4 ) ， 当外部环境温度 为 2 8 0时 ， 保温瓶 内部温升小于 6 0 c = 。 堵 头 箍 隔热管 J I： 槽沉 头螺钉 瓶 体 败热体 r 吸热体 护 1 ； 嘏 一 l l 1 l 一 J I I I J I l6 6( ) l6( ) 【 6 2 5 7( ) 2 6 25 【 l l l I l l7 8 ( ) 图 4 超真 空绝热无磁保温瓶结构示意图 ( 2 ) 将钻孔测斜仪芯片 、 电路板 以及 电池置放 其中进行绝热保温。这样测斜仪的部件以及电池都 不易被高温损坏。总体设计加工一个孔下测斜探管 ( 图 5 ) 。保温瓶 、 钻孔测斜仪 以及 电池均置放其 中。 测斜时将孔下测斜探管与钻杆连接或采用钢丝绳打 捞器连接( 绳索取心钻进工艺) 下孔测斜。 ( 3 ) 保温瓶中的钻孔测斜仪( 图5 ) 采集数据方 式设计为存储式 ， 下孔测斜探管可按规范分段进行 全程测量， 其测量数据存储在测斜仪电路中， 测斜探 管提到地面时， 将存储 的测斜信号取 出采用有线或 无线方式送 到便携式 电脑 回放读取钻孔 测斜 的数 据。由于测斜探管设置可外接充电和取信号装置， 探管提到地面后无须拆卸 ， 可避免测斜探管在高温 下操作和保持长期稳定工作。 3 3 2 保温瓶温度设计核算 采用新材料和新方法研制新型超真空绝热无磁 保温瓶 ( 图4 ) ， 当外部环境温度为 2 8 0时 ， 保温瓶 内部温升小于 6 0。 由比热容的公式 ： Q=croa t 式 中： Q 热 量 ， J ； c 比 热 容 ， J ( k g ) ； m质量 ， k g ； 温差， 。 2 0 1 4年第4 1 卷第 3 期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 3 9 if f f i ， ， ， ，一 一 ， ， ， I ， 一 。 ， _ 幺矗x xKx xxKX ， ( x xK xx X X,vx x q P q Y XXX XXX ) Y v W,XX XX XXXX K XX XXXX U v X XP K Y Y O I 一 日 x 啪 l f l I 一 一 0 、 e | x ， e c 0时为吸热 ， Q 0时为放热 。 吸热时： t =Q cm+ 放热时 ： t = 一Q cm 一 般钢铁的比热容 C = 4 6 0 J ( k g ) 。 初温可没定为保温瓶 内部温升 6 0 ， 即 = 6 0 。 地质超 深 自寻北 陀螺测斜 仪探 管质 量 m =5 k g。 仪器功率 4 8 W， 那么每小 时发热量 4 8 W X 3 6 0 0 S=1 7 2 8 0 J 。 工作 8 h ， 发热量 Q= 8 X 1 7 2 8 0=1 3 8 2 4 0 J 。 吸热时： t =Q ( C m)+ =1 3 8 2 4 0 ( 4 6 0 X 5 )+ 6 0=1 2 0 。 因此设计的地质超深 自寻北陀螺测斜仪机芯探 管最大耐温应在 1 2 0 o C。 当然也可在超真空绝热无磁保温瓶 内灌入高温 吸热硅油材料 ， 降低发热产生的温升。 3 4 地质超深 自寻北陀螺测斜仪测量工艺设计 3 4 1 数据存储 通过测井仪内设置的数据存储模块， 可以将测 井的数据存储起来 ， 同到地面后进行重放 。 3 4 2 零速校正 如果 测井仪工作 时问长 ， 可以通过在井 内任何 位置停( 5 rai n ) 下来进行零速校正 ， 消除顶角 、 顶角 方位角 ， 工具面向角积累的误差 。 3 4 3 点工作方式 测井仪可以停止在井内任何点进行测量。 3 4 4 连续测量方式 测斜仪可以在孔 内连续工作 ， 记录下 时 间、 顶 角 、 方位角 、 工具面向角的连续变化。地面记录下时 问 、 孔深。 3 4 5 数据输出读取方式 ( 2 ) 记录存储方式 回放数据串口R S 2 3 2 ， 按通讯协议执行， 将地 面记录时间、 孑 L 深与孔 内连续工作 记录下时间 、 顶 角 、 顶角方位角 、 工具面 向角对应 的时空关系， 获取 测量钻孔不同孔深位置 的时问 、 孔深 、 顶角 、 顶角方 位角 、 工具面向角 ； 可连续存储 8 h内的工作数据。 3 4 6 本设计特点 ( 1 ) 能 自动完成顶角 、 顶角方位 角 、 工具面向角 的初始对准 。 ( 2 ) 在测量过程中可用零速校正清除测量过程 中积累误差 。 ( 3 ) 数据可以存储 。 ( 4 ) 设计方 案选 用的耐 高温器件可靠性高 ， 使 用寿命长。能在 1 2 0 o C的环境条件下工作。 ( 5 ) 设计 的该仪 器具 有 良好 的环境适应性 、 耐 冲击 、 振动。 ( 6 ) 可连续测量 ， 也可定点测量。 ( 7 ) 不受磁干扰 ， 在有磁铁矿， 地磁异常的情况 下 ， 也能正常工作。 4 地质超深 自寻北陀螺测斜仪测试 选择 了校验台测试及钻孔中测量易产生的故障 温度 、 压力 、 冲击 、 振 动。 ( 1 ) 研制的地质超深 白寻北陀螺测斜仪采用数 字多用表 、 万能分度头和 J J G一2型测斜仪校验 台等 仪器设备、 调试和标定。表2为地质超深钻孑 L 自寻 北陀螺测斜仪器倾角和方位角值测试表。 ( 2 ) 高温贮存 ： 仪器应能经受 +2 8 0 cC、 2 4 h的 高温贮存试验 ， 试验后逐渐 恢复至常温 。 ( 3 ) 高温工作： 产品在 + 2 8 0 c c 环境下能正常工 作 。 ( 4 ) 密封压力试验： 将探头放在密封试压容器内 4 0 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 2 0 1 4年第 4 1卷第 3期 结论： 倾角为8 5 。 o 。 时方位角误差最大值为 1 9 。 ， 倾角 9 0 。 0 。 最大误差 + 0 1 8 。 一 0 2 0 。 密封加水压 ， 压力 8 0 M P a ， 持续时间 2 h 。 ( 5 ) 冲击试验 ： 产 品轴向冲击加速度为 7 0 g、 持 续时间 5 8 m s ， 共 冲击 1 次 。 ( 6 ) 振动试验 ： 仪器在频率 1 0 2 0 0 H z ， 加速度 1 0 g条件下 ， 工作 3 ra in 。 5 结语 ( 1 ) 随着地质超深地质勘探工作 的发展 ， 对钻 进工艺和钻孔测斜技术提 出了更高的要求 ， 现有的 地勘钻孔测斜技 术 已不能满 足温 度高达 2 8 0 、 8 0 0 0 m孔深地层环境的钻孔测斜要求， 需研制适合 上述工作环境的地质超深地勘钻孔测斜仪器和技术 方法。 ( 2 ) 研制在地质超深钻孔 中既能保证质量又能 保证安全的钻孔测斜仪以及研究相应的测试工艺技 术方法， 是地质超深钻孑 L 勘探 和开发不可缺少关键 技术 。 ( 3 ) 勘探和开采钻孔如不能测量孔斜质量或者 i 9 1 4 量质量不可靠将会带来不可估量 的损失 ， 甚至可 能影响整个勘探和开发系统的成败。 ( 4 ) 本项技术的成功不仅填补 了地质超深钻孔 测斜 的空白， 而且还 可用于其他特种钻孔勘探 ， 如为 地下干热岩地质钻探找矿和开采的钻孑 L 孔斜质量的 测量提供技术支撑。 参考文献： l 1 j 蔡春龙 ， 刘樊 ， 刘 薇 ME MS仪表惯性 组合 导航系统 发 展现 状 趋势 J 中国惯性技术学报 ， 2 0 0 9 ， 1 7 ( 5 ) 2 郭帅 ， 栾一 秀， 袁洪 波 ， 等 动调式 陀螺 测