一種多功能隨鉆探測裝置及預測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多功能隨鉆探測裝置及預測方法。本發(fā)明包括信號采集模塊、信號預處理分析模塊、傳輸模塊和地面處理預測模塊四部分。通過鉆頭的振動加速度信息，與實例數(shù)據(jù)對比，預測地質(zhì)信息，根據(jù)持續(xù)時間和速度預測地質(zhì)區(qū)域大小。通過溫濕度傳感器和紅外傳感器對鉆頭所處地質(zhì)環(huán)境的溫度、濕度和地質(zhì)信息測量，根據(jù)持續(xù)時間和鉆頭速度或位置變化，預測溫度、濕度和地質(zhì)區(qū)域大小及位置。實現(xiàn)陀螺儀測量方位和磁強計測量方位優(yōu)勢互補，避免磁場異?；蛲勇輧x漂移嚴重時能夠測量出方位角，以及故障隔離。本發(fā)明的優(yōu)點在于體積小，抗振能力強，抗高溫，容錯能力強和可靠性高。
【專利說明】一種多功能隨鉆探測裝置及預測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及鉆頭信息測量和地質(zhì)環(huán)境探測領域，特別涉及鉆頭的運動信息和鉆頭所處地質(zhì)環(huán)境探測。
技術背景
[0002]在資源探測和開采中需要對鉆頭運動信息和鉆頭所處地質(zhì)環(huán)境探測，稱為隨鉆探測，如對煤礦掘進工作面遠處的瓦斯、水和熱等地質(zhì)環(huán)境信息探測，包括瓦斯、水和熱區(qū)域范圍大小以及在什么位置，并做出預測判斷發(fā)生瓦斯爆炸、突水、高溫災害的可能性，避免遭受災吾。
[0003]隨鉆探測系統(tǒng)包括探測裝置和預測方法。一般探測裝置包括測量模塊、傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。由于地質(zhì)環(huán)境變化復雜，需要測量更多的信息，導致測量模塊包括多種傳感器，如應力計、加速度計、陀螺儀、磁強計、(超)聲波儀和溫度計等，用于測量鉆頭的速度、位置、姿態(tài)運動信息和地質(zhì)環(huán)境信息及區(qū)域大小。傳輸模塊多采用無線電磁波或有線電信號模式等。數(shù)據(jù)處理多采用地面數(shù)據(jù)處理方法。目前隨鉆探測裝置體積較大無法滿足小鉆孔的隨鉆探測，地質(zhì)環(huán)境溫度高的時候無法工作。
[0004]由于鉆頭環(huán)境十分惡劣，尤其溫度高和沖擊振動厲害，因此機械式的傳感器，例如轉(zhuǎn)子式陀螺儀，如果使用，必須增加減震裝置，另外陀螺儀漂移嚴重，必須進行信號處理。地質(zhì)磁環(huán)境和地應力變化無常，磁強計和應力計測量將會時好時壞，則鉆頭方位角測量無法保證；通過超高頻電磁波和聲波測量地質(zhì)層變化，由于實際的地質(zhì)層界面不會十分清晰，可能導致較大測量誤差；同樣，電磁波無線或有線傳輸會受到干擾。采用多種傳感器優(yōu)點是信息多，如何實現(xiàn)優(yōu)勢互補，需要信號融合處理，但也會出現(xiàn)另外一個問題一故障的地方也就越多，如果出現(xiàn)某一傳感器出現(xiàn)異常，如何實現(xiàn)故障隔離，提高容錯能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種隨鉆探測裝置及預測方法，把MEMS慣性運動測量技術與地質(zhì)探測技術結(jié)合在一起，利用多傳感器實時測量鉆頭的運動狀態(tài)和地質(zhì)環(huán)境信息，實現(xiàn)多種預測判斷鉆頭運動信息和所處地質(zhì)環(huán)境及區(qū)域的方法，優(yōu)勢互補，故障隔離，避免電磁傳輸干擾，降低溫度影響，提高容錯能力和抗沖擊能力。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，所述裝置包括信號采集模塊、信號預處理分析模塊、傳輸模塊、地面處理預測模塊四部分，信號采集模塊和信號預處理分析模塊安裝在鉆頭處。
[0007]所述信號采集模塊包括三軸加速計、三軸陀螺儀、三軸磁強計、溫濕度傳感器、紅外傳感器，放大和通道選擇開關部分?？紤]鉆頭所處的環(huán)境特別惡劣和小孔徑鉆井的使用，需提高抗沖擊能力和減小體積，傳感器均采用MEMS固態(tài)傳感器，包括集成了三軸加速計、三軸陀螺儀、三軸磁強計和溫度計的集成模塊。某通道信號異?；蝈e誤時可通過通道選擇開關關閉該信號。
[0008]所述集成模塊的三軸加速度計用以測量鉆頭的三個軸向上的加速度和振動信息。[0009]所述集成模塊的三軸陀螺儀用以測量鉆頭的三個軸向上的角速度。
[0010]所述集成模塊的三軸磁強計用以測量鉆頭的三個軸向上的磁場強度。
[0011]所述集成模塊的溫度計用以測量集成模塊的溫度，用于陀螺儀、加速度計和磁強計的溫度補償。
[0012]所述溫濕度傳感器用以測量鉆頭所處環(huán)境的濕度和溫度，如水環(huán)境和熱環(huán)境。
[0013]所述紅外傳感器用以測量地質(zhì)環(huán)境信息，如煤、油和氣等資源。
[0014]所述數(shù)據(jù)預處分析理模塊首先進行鉆頭的加速度信息、角速度、磁場強度、濕度、氣體濃度進行溫度補償，通過敏感到重力加速度的分量計算鉆頭的水平傾角，通過磁強計敏感的地球磁場分量計算方位角，同時作為使用陀螺儀信號計算姿態(tài)角初始值，然后利用四元數(shù)法解算姿態(tài)角(水平傾角和方位角)。同時通過線加速度的積分得到速度和位置變化改變信息。
[0015]通過分析傳感器信號變化特征實現(xiàn)故障隔離，包括軟隔離和硬隔離:(I)如果某傳感器無信號或輸出數(shù)據(jù)錯誤，在處理程序上標記該傳感器信號不可用，或在硬件上通過通道選擇開關直接關閉該傳感器信號；(2)如果是外界干擾影響造成的數(shù)據(jù)異常，在處理程序上也標記該傳感器信號不可用，或在硬件上通過通道選擇開關暫時關閉該傳感器信號。
[0016]傳感器信號優(yōu)勢互補實現(xiàn):水平傾角通過加速度計算即可，方位角可以磁強計和陀螺儀輸出的信號計算；磁強計主要受到異常磁場的干擾(如鐵磁或沙漿環(huán)境等)，陀螺儀主要受到漂移(尤其溫度漂移)的影響，當磁場異常時，采用陀螺儀信號計算方位角，如果磁場異常時間較長，陀螺漂移將會導致方位角誤差很大，因此需要對陀螺儀漂移估計，考慮預處理模塊的計算速度和計算能力，采用簡單估計的方法:在正常工作的條件下，可以對通過陀螺儀信號計算的方位角和磁強計信號計算的方位角作對比，反推漂移角速度。另外，為了防止環(huán)境溫度對傳感器影響嚴重，對信號采集模塊和預處理分析模塊涂上無磁性的隔熱材料，高溫時也能正常工作。
[0017]探測地質(zhì)環(huán)境及預測區(qū)域大小:當溫度、濕度和紅外傳感信號達到一定值時，開始記錄開始時間，然后記錄持續(xù)時間，結(jié)合鉆頭速度，考慮速度誤差因素，預測水環(huán)境、熱環(huán)境和資源環(huán)境區(qū)域大小；同時可以通過鉆頭鉆擊不同的物質(zhì)，鉆頭的振動加速度信號不同，對比實例數(shù)據(jù)并進行分析，據(jù)根據(jù)振動信號及持續(xù)時間判斷鉆擊的地質(zhì)環(huán)境及區(qū)域大小；綜合對比預測地質(zhì)環(huán)境及區(qū)域大小，并相互輔助驗證某傳感器信號是否異常。
[0018]最后將原始數(shù)據(jù)和預處理數(shù)據(jù)送到光纖接口。
[0019]為了防止地面處理預測模塊與鉆頭通信出現(xiàn)異常，所以信號預處理分析模塊需要自己能夠處理信息。
[0020]所述傳輸模塊為了避免受到外界干擾，尤其磁場的影響，采用耐溫光纖雙向通信，將原始數(shù)據(jù)和預處理分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫣幚砟K。
[0021]所述地面處理預測模塊包括高性能的計算機和存儲器，與數(shù)據(jù)預處理分析模塊處理數(shù)據(jù)流程是一樣的，只是處理的方法不同，因為不受計算量和處理能力的限制，采用時間序列分析和卡爾曼濾波聯(lián)合的處理算法，估計陀螺儀漂移，預測并做出判斷鉆頭運動信息和地質(zhì)環(huán)境及區(qū)域大小，然后把這些數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)綌?shù)據(jù)預處理分析模塊，并同時保存到存儲器，可作為實例數(shù)據(jù)和事故分析。[0022]本發(fā)明的優(yōu)點在于，⑴采用固態(tài)或集成的數(shù)據(jù)采集模塊，體積小，抗振動能力強；⑵采用無磁性材料涂層，即使高溫下也能夠工作；⑶即可通過鉆頭運動速度、地質(zhì)環(huán)境信息持續(xù)時間預測地質(zhì)環(huán)境區(qū)域大小，也可單獨通過振動加速度和持續(xù)時間判斷地質(zhì)環(huán)境及區(qū)域大小，也可綜合判斷地質(zhì)環(huán)境及區(qū)域大小M)實現(xiàn)陀螺儀測量方位和磁強計測量方位優(yōu)勢互補，避免磁場異常和陀螺儀漂移嚴重時能夠測量出方位角；(5)通過分析傳感器信號實現(xiàn)故障隔離；(6)預測處理結(jié)果兩個以上，容錯能力強；(7)實現(xiàn)多種地質(zhì)資源的探測，尤其適用于小鉆孔的隨鉆探測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)模塊圖；
圖2為本發(fā)明的方位角計算流程圖；
圖3為水平傾角、速度、位置和地質(zhì)及區(qū)域大小預測流程圖。
【具體實施方式】
[0024]以下結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的【具體實施方式】。如圖1所示，本裝置包括信號采集模塊11、信號預處理分析模塊12、傳輸模塊13和地面處理預測模塊14。
[0025]信號采集模塊中的集成模塊111采用GY-9150，芯片內(nèi)置16bit AD轉(zhuǎn)換器，16位數(shù)據(jù)輸出(磁場13位)，直接數(shù)字IIC接口，陀螺儀測量范圍可調(diào):±250、±500、±1000和±2000 °/s，加速度測量范圍:±2、±4、±8、±16g，磁場測量范圍:±1200uT。加速度計最大測量精度為0.06mg,陀螺儀最大測量精度為0.008 0 /s，磁強計測量精度為0.02uT,內(nèi)置了 MEMS溫度傳感器，很高的熱穩(wěn)定性(易于溫度補償)和緊密的偏移量容限，可抗IOOOOg的沖擊抗振(避免鉆頭鉆到巖石等堅硬的物體上使傳感器損壞)，噪聲非常低(測量的信號為真實的信號)、價格低，功耗低和體積小(4mmX4mmX 1.5mm)。
[0026]溫濕度傳感器采用MEMS Si7002型數(shù)字相對溫濕度傳感器，溫度精度±0.3°C，濕度±2% RH，具有低功耗，高精度，高可靠性(為了抗振)，高溫度穩(wěn)定性(溫度每變化
0.TC,將產(chǎn)生0.5% RH的濕度變化，易于補償溫度漂移)，體積小(4mmX4mm QFN封裝)。
[0027]紅外傳感器采用MEMS IRS-A200ST01-R1型紅外傳感器，表面貼裝，采用陶瓷材料制作，溫度特性好，抗振動能力強，靈敏度高，抗電磁波噪聲體積小(6.7mm X 5.7mm X 2.6mm)。
[0028]數(shù)據(jù)預處理分析模塊采用基于TMS320C6713核心處理芯片，實現(xiàn)信號陀螺儀估計、鉆頭運動信息和地質(zhì)環(huán)境及區(qū)域預測。通過分析傳感器信號實現(xiàn)故障隔離:(I)如果某傳感器無信號或輸出數(shù)據(jù)錯誤，直接把該傳感器信號屏蔽掉；(2)如果是外界干擾影響造成的數(shù)據(jù)異常，把該傳感器信號該時段的信號屏蔽掉。即可通過加速度振動探測地質(zhì)信息，也可通過傳感器探測地質(zhì)信息，也可綜合探測地質(zhì)信息；對于鉆頭的姿態(tài)解算，包括通過加速度計算水平傾角，通過角速度解算出方位角，也可通過強感應強度計算方位角，也可綜合估計出方位角，實現(xiàn)傳感器的優(yōu)勢互補，即使某一傳感器出現(xiàn)故障也能工作，容錯能力強。
[0029]對信號米集模塊中的集成模塊GY-9150和預處理分析模塊噴上一層無磁性的氣凝膠隔熱材料，降低環(huán)境溫度對陀螺儀、加速度計和磁強計的影響，防止磁干擾；另外使用環(huán)氧樹脂黏合劑加固采集模塊和預處理分析模塊電路，提高抗振能力和可靠性。[0030]傳輸模塊米用耐溫光纖雙向通信。
[0031]地面處理預測模塊包括高性能四核計算機和存儲器。與數(shù)據(jù)預處理分析模塊預測處理數(shù)據(jù)流程是一樣的，只是處理的方法不同，因為不受計算量和處理能力的限制，采用時間序列分析和強跟蹤卡爾曼濾波的處理算法，估計陀螺儀漂移，預測并做出判斷鉆頭運動信息和地質(zhì)環(huán)境及區(qū)域大小，然后把這些數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)綌?shù)據(jù)預處理分析模塊，并同時保存到存儲器，以備實例數(shù)據(jù)和事故分析。
[0032]如圖2和圖3，對于預測處理分析方法，首先初始化裝置，包括鉆頭運動數(shù)據(jù)(速度、位置和方位角)、地質(zhì)實例數(shù)據(jù)(水、熱、氣、煤和油等實例數(shù)據(jù))、設置慣性坐標系和鉆頭動坐標系；通過加速度計實時測量鉆頭的運動加速度
,采用內(nèi)置的溫度計輸出的溫度進行數(shù)據(jù)溫度補償，去除常值偏差。根據(jù)通過敏感至幢力加速度的分量計算鉆頭的水平傾角爲和，根據(jù)加速度計誤差估計探測裝置的水平傾角多和7。通過積分得到速度T和位置P ,考慮位置誤差特性，預測位置變化ΔΡ。對陀螺儀和磁強計實時輸出的角速度44，禹和強感應強度Af2,馬,M2 ,采用內(nèi)
置的溫度計輸出的溫度進行數(shù)據(jù)溫度補償，去除常值偏差，進行陀螺儀漂移估計和判斷分析磁場數(shù)據(jù)是否正常，使用加速度計計算的傾角和初始化方位角作為姿態(tài)的初始值，采用
四元數(shù)法進行姿態(tài)解算出方位角^和水平傾角爲和.Yg ,由于通過加速度計算的水平傾角.?和tk要比爲和精度要高，所以只需分離出方位角^即可，如果磁場數(shù)據(jù)短時異常，直接使用作為鉆頭的方位角0，如果磁場數(shù)據(jù)長時異常，通過漂移估計方位誤差瑪,對^補償后作為鉆頭的方位角4如果陀螺儀漂移嚴重，通過磁強計敏感的地球磁場分量計算方位角,直接作為鉆頭的方位角f如果陀螺儀和磁強計輸出正常，則
對各和&M進行間序列分析和卡爾曼濾波，估計出鉆頭的方位角0。
[0033]分析鉆頭振動加速度信號的特征，對比鉆進不同地質(zhì)環(huán)境時的實例數(shù)據(jù)，并進行自相關和互相關分析，判斷地質(zhì)信息，結(jié)合該振動信號的持續(xù)時間和鉆頭速度K，計算FxAli地質(zhì)環(huán)境區(qū)域大小，考慮速度誤差特性和位置誤差特性，預測地質(zhì)區(qū)域大小及位置。
[0034]通過溫濕度傳感器實時采集鉆頭所處環(huán)境的溫度和濕度信，對濕度信號進行溫度補償，當濕度數(shù)據(jù)或溫度數(shù)據(jù)達到臨界值時，對比水和熱實例數(shù)據(jù)(濕度和溫度臨界值:達
到這個值時說明進入了水環(huán)境和熱環(huán)境)，說明有水或熱，記錄持續(xù)時間△、，結(jié)合鉆頭的
速度匕，通過計算范圍大小，考慮速度誤差特性和位置誤差特性，預測水和熱地質(zhì)區(qū)域大小及位置。
[0035]分析以上預測地質(zhì)環(huán)境及區(qū)域大小，并綜合預測做出判斷。
[0036]紅外傳感器實時測量鉆頭所處環(huán)境的地質(zhì)信號，對紅外傳感器信號進行溫度補償，根據(jù)紅外信號特征，對比地質(zhì)實例數(shù)據(jù)和相關分析，分析鉆頭所處環(huán)境物質(zhì)成分，記錄持續(xù)時間δ(6 ,結(jié)合鉆頭的速度G ,通過6 y'tdk計算范圍大小，考慮速度誤差特性和位置誤差特性，預測地質(zhì)區(qū)域大小及位置。以探測地質(zhì)瓦斯為例說明:通過對實測的紅外信號特征分析，與已知的地質(zhì)瓦斯紅外特征對比和相關分析，判斷有無瓦斯，如果有，記錄持續(xù)時間，可計算瓦斯區(qū)域大小，進而可預測瓦斯區(qū)域大小及位置。
[0037]最后說明的是以上實施案例僅用于說明本發(fā)明的技術方案而非限制，可以對本發(fā)明進行修改或更換，而不脫離本技術方案的范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
【權(quán)利要求】
1.一種多功能隨鉆探測裝置及預測方法，其特征在于信號采集模塊均采用MEMS固態(tài)傳感器，對信號采集模塊中的集成模塊噴上一層無磁性的隔熱材料，使用黏合劑加固采集模塊和預處理分析模塊。
2.一種多功能隨鉆探測裝置及預測方法，其特征在于鉆頭的方位角測量和地質(zhì)環(huán)境及區(qū)域大小預測方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多功能隨鉆探測裝置及預測方法，其特征在于如果磁場數(shù)據(jù)短時異常，直接使用陀螺儀輸出的數(shù)據(jù)解算方位角4,作為鉆頭的方位角A如果磁場數(shù)據(jù)長時異常，通過陀螺漂移估計方位誤差.5?,對^補償后作為鉆頭的方位角β ;如果陀螺儀漂移嚴重，通過磁強計敏感的地球磁場分量M2M1M2計算方位角& ,作為鉆頭的方位角P,如果陀螺儀和磁強計輸出正常，則對4和仏進行間序列分析和卡爾曼濾波估計出鉆頭的方位角&。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多功能隨鉆探測裝置及預測方法，其特征在于通過分析鉆頭振動加速度信號，對比鉆進不同地質(zhì)環(huán)境時的實例數(shù)據(jù)，并進行自相關和互相關分析，判斷地質(zhì)信息，結(jié)合該振動信號的持續(xù)時間Δ?和鉆頭速度K,計算Fxilz地質(zhì)環(huán)境區(qū)域大小，考慮速度誤差 特性和位置誤差特性，預測地質(zhì)區(qū)域大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多功能隨鉆探測裝置及預測方法，其特征在于通過溫濕度傳感器實時采集鉆頭所處環(huán)境的溫度和濕度信號，當濕度或溫度信號達到臨界值時，對比水和熱實例數(shù)據(jù)，記錄持續(xù)時間,結(jié)合鉆頭的速度匕，通過計算范圍大小，考慮速度誤差特性和位置誤差特性，預測水和熱地質(zhì)區(qū)域大小。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多功能隨鉆探測裝置及預測方法，其特征在于通過紅外傳感器實時測量鉆頭所處環(huán)境的地質(zhì)信號，根據(jù)紅外信號特征，對比地質(zhì)實例數(shù)據(jù)和相關分析，分析鉆頭所處環(huán)境物質(zhì)成分，記錄持續(xù)時間，結(jié)合鉆頭的速度通過匕Χ--,計算范圍大小，考慮速度誤差特性和位置誤差特性，預測地質(zhì)區(qū)域大小。
7.一種多功能隨鉆探測裝置及預測方法，其特征在于即可通過角速度解算出方位角，也可通過強場強度計算方位角，也可綜合估計出方位角；即可單獨通過加速度振動探測地質(zhì)信息及區(qū)域，也可通過紅外傳感器信號探測地質(zhì)信息及區(qū)域，也可綜合探測地質(zhì)信息及區(qū)域。
8.一種多功能隨鉆探測裝置及預測方法，其特征在于故障的軟、硬隔離:(1)根據(jù)信號特征和相互輔助對比判斷某傳感器是否無信號或輸出數(shù)據(jù)錯誤，在處理程序上標記該傳感器信號不可用，或在硬件上通過通道選擇開關直接關閉該傳感器信號；(2)如果干擾影響造成的數(shù)據(jù)異常，在處理程序上也標記該傳感器信號不可用，或在硬件上暫時關閉該傳感器信號。
【文檔編號】E21B47/12GK103775077SQ201410044477
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月7日
【發(fā)明者】楊金顯, 陳超, 張穎, 李志鵬 申請人:河南理工大學