[发明专利]一种多功能随钻探测装置及预测方法

说明书

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。