基于传感器融合的水平定向钻机轨迹测量.pdf

doi 10.11857/j.issn.1674-5124.2019040008 基于传感器融合的水平定向钻机轨迹测量 杨阿兰1,2 1. 河南科技大学应用工程学院，河南 三门峡 472000; 2. 三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000 摘 要 矿用水平定向钻机进尺测量和轨迹跟踪的速度和准确性直接关系到开采效率和安全性。综合国内外研究现 状，以石壕煤矿井下断层为研究对象，提出采用分段积分测量进尺消除累积误差的孔口钻杆进尺测量方法，并利用模 式识别测量固定进尺修正加速度进尺。在此基础上，对孔底随钻姿态参数开展实时测量，获得每个测量点钻孔的方 位角、倾角以及深度。室内试验表明该方法在置信度为 95 时，工具角、俯仰角、方位角最大误差分别 为0.6、0.8和1.1。现场试验表明最大测量误差水平方向为 0.08 m，垂直方向为 0.15 m，末端钻孔俯仰角为 0.2，方位角为 0.5。 关键词 传感器融合; 随钻测量; 轨迹; 断层; 钻孔结构 中图分类号 TD421文献标志码 A文章编号 1674–5124202005–0039–06 Research on trajectory measurement of horizontal directional drilling rig based on sensor fusion YANG Alan1,2 1. College of Applied Engineering, Henan University of Science and Technology, Sanmenxia 472000, China; 2. Sanmenxia Polytechnic, Sanmenxia 472000, China Abstract The speed and accuracy of drilling footage measurement and trajectory tracking of horizontal directional drilling rig have great influence on mining efficiency and safety. Taking the underground faults in Shihao Coal Mine as the research object, the of measuring the drill rod footage with piecewise integral footage to eliminate accumulated errors was put forward. The acceleration feed was corrected by measuring fixed feed parameters with pattern recognition. On this basis, real-time measurement of bottom-hole while-drilling attitude parameters was carried out. And the azimuth angle, dip angle and depth of borehole were obtained at each measuring point. Laboratory tests show that the maximum errors of tool angle, pitch angle and azimuth angle are 0.6, 0.8, 1.1, when the confidence of the is 95. Field tests show that the maximum measurement error is 0.08 m in horizontal direction, 0.15 m in vertical direction, 0.2 in pitch and 0.5 in azimuth. Keywords sensor fusion; measurement while drilling; trajectory; fault; drilling structure 收稿日期 2019-04-02；收到修改稿日期 2019-06-29 作者简介 杨阿兰 1985-，女，陕西宝鸡市人，讲师，硕士，主要从事工程测量研究。 第 46 卷 第 5 期中国测试Vol.46 No.5 2020 年 5 月CHINA MEASUREMENT TESTMay, 2020 万方数据 0 引 言 随着我国综采技术不断进步，煤炭开采率也显 著提升。目前，近水平钻进机械主要为普通回转钻 机和水平定向千米钻机。普通回转钻机体积小易操 作但不能进行有效测量和绘制钻孔轨迹，勘探距离 通常在 100 m 以下；水平定向千米钻机钻进距离 长，可以定向控制轨迹，但施工所需空间较大，钻孔 壁面欠光滑。钻孔轨迹跟踪的速度和准确性直接关 系到开采效率和安全性，主要用于地质勘探、水害 防治以及煤矿井下瓦斯抽采等钻孔工程[1-2]。我国 钻探机械设备的性能已经不低于发达国家，但是在 轨迹测量、跟踪等方面仍有较大差距，国内关于井 下超深钻孔轨迹测量方面的文献还不多见，还未形 成完善的技术体系。现有普通回转钻机并不能实现 钻孔空间轨迹测量。因此，研究井下水平定向钻机 轨迹测量与跟踪变得尤为重要。石智军[3]以定向 钻进基础理论为依据，通过定义钻孔轨迹基本参 数，形成了一套钻孔轨迹计算方法。丛皖平[4]分析 了水平定向钻孔轨迹的基本要素，提出一种钻孔轨 迹数据处理方法。Wang[5]根据定向钻造斜规律，归 纳了满足不同钻孔轨迹控制需求的工具面组合。普 通回转钻机依靠钻杆传送扭矩驱动钻头工作，其钻 具姿态数据不能靠钻杆中心设置电缆的方式传输， 只能等钻进完成后通过人工测量获取。本文在不改 变钻具的前提下，提出一种孔底随钻姿态参数和孔 口钻杆进尺参数测量方法，进而完成随钻空间轨迹 测量的离线式数据同步方法。 1 孔口钻杆进尺参数测量 钻孔轨迹是指连续时间微元中姿态及微元长度 的变化。要形成钻孔轨迹需要对整个曲线段开展测 量，得到各测点的距离差和姿态。为获得连续的轨 迹空间曲线，需要在近钻头处安装姿态航向参考系 统（attitude and heading reference system, AHRS）。 在钻机处安装进尺记录设备或传感器，得到每个时 间单元姿态及长度的变化。由水平定向钻施工艺可 知，钻机轨迹主要由孔口钻杆进尺参数和钻具姿态 决定，而钻具姿态主要表现为倾角和方位角。本文 计算时采用地理坐标系，钻机重心为坐标原点，X 轴 正向取正北方向，Y 轴正向取正东方向，Z 轴正向取 垂直 XY 平面向下。钻孔的剖面图通过钻孔的垂直 深度和钻孔轨迹轴线的水平方向位移绘制，能够有 效地指导后续施工作业。 1.1 钻进过程状态识别 钻杆旋转钻进和非旋转状态下的前进后退，均 会导致震动[6]，因此采用震动传感器对钻杆基本运 动状态进行识别。加速度传感器作为 AHRS 的一 个组件，对其输出值进行了深度解析，计算出更多 参数。对于系统状态识别而言，加速度参数仅在沿 钻杆钻进方向轴的加速度有意义，其取值为零 0、 负值 − 和正值 。在随钻测量状态识别中，陀螺 仪仅在沿 X 轴旋转量有意义，其取值为停转 0、 反转 − 和正转 。将震动传感器、加速度传感器 和陀螺仪数据进行融合，如表 1 所示。其中，停机 表示系统处于暂停状态，有钻杆平动，动力头不旋 转；旋转后退表示动力头旋转，同时拽出钻杆；平退 表示仅拽出钻杆，动力头不旋转；旋转钻进表示钻 杆正常给进，钻机动力头旋转；平推表示仅给进钻 杆，动力头不旋转。 表 1 系统工作状态 系统状态状态代码陀螺仪加速度传感器 震动传感器 停机 S 0 00 旋转后退 B1/−−1 平退 B20 −1 旋转钻进 F1/−1 平推 F20 1 1.2 传统方法 传统方法采用状态信息计算每段进尺和基础进 尺的平均钻进速度[7-8]。进尺流程为1）钻机闸瓦抱 紧前端钻杆，动力头后退；2）动力头主轴通孔后部 装入钻杆，用时 812 s；3）钻杆旋转前进，新装入钻 杆与前部钻杆拧紧，动力头带动整体钻杆旋转钻 进；4）动力头到进程最前端，停止旋转用时 120300 s； 5）重复过程 1）。井下钻机退钻杆过程为1）动力头 后拽钻杆至行程末端；2）动力头抱紧后端钻杆反 转；3）前端钻杆和后端钻杆脱开后，动力头停转，动 力头前进到行程前端，抱紧前端钻杆；4）重复过程 1）[3]。钻杆加减操作判断如表 2 所示。 在获取到进尺的基础上，钻进平均速度 V ∆S/∆t1 式中∆t两次加钻杆之间除去停机的时间，h； ∆S单节钻杆长度，m； V钻进平均速度，m/h。 40中国测试2020 年 5 月 万方数据 钻进主要分为加速阶段，匀速运动阶段和减 速 3 个阶段。每次钻机均从 0 钻进速度开始，以 vt00；由钻杆计数测量得到的基础进尺 st0 为基 础数据。加速度传感器最高采样频率为 200 Hz。 t 时刻钻进速度为 vn n ∑ i1 ai−1ai 2 ∆t2 其中 a 为钻进加速度，m/s2。 t 时刻进尺为 sn n ∑ i1 vi−1vi 2 ∆t3 ∆t 1/f4 1.3 本文方法 本文采用分段积分测量进尺消除累积误差。为 简化系统资源和系统运算量，将计算结果存入缓 存，根据加速度传感器 X 轴采样迭代计算式 5 6，得到进尺值和钻进速度值[9]。 vn vn−1 anan−1 2 ∆t5 sn sn−1 vnvn−1 2 ∆t6 由于加速度传感器存在随机漂移问题，导致进 尺值存在一定误差[10]。本文采用两种办法进行修 正，一种是分段积分测量进尺消除累积误差，将加 速度二次积分的进尺分段，任意时刻的进尺为分段 加速度二次积分进尺和基础进尺的和，总体降低了 加速度传感器的累积误差。另一种是用模式识别测 量的固定进尺对加速度进尺进行修正，公式如下 SI r Si Sa 7 式中Sa累积分段进尺，m； r固定进尺增量，m； Sii 点测量的加速度进尺，m； SIi 点的校正后进尺，m。 1.4 实验验证 基于随钻测量实验台和上述算法，通过可移 动旋转台对状态识别进行测试[11]。状态识别结 果，如表 3 所示。由识别结果可知测量系统对简 单状态 停机、运动 的误判率为 0，对其他复杂 状态 平退、平推、旋转后退、旋转钻进 的误判率 最高为 2.7。误判的原因为陀螺仪震动会产生角 速度误差。 表 3 状态识别结果 项目实验次数/次检测次数/次误判率/ 平退 75 73 2.7 平推 75 74 1.3 旋转后退 75 74 1.3 旋转钻进 75 75 0 停机 3003000 运动 3003000 利用旋转平台模拟钻进过程，对进尺测量算法 进行评估。实验过程如下将测量短节固定于旋转 轴上；模拟旋转钻进、平退、旋转后退、平推等过程； 连续前进 20 个长度后，完成一次钻进过程。本文 测量方法、传统测量方法和实验测量得到的累积进 尺，如图 1 所示。可以看出，本文算法可以有效判 断钻机钻进状态，利用加速度传感器能够实现孔口 钻杆进尺参数的精确测量。 传统方法本文方法试验测量值 16 000 14 000 12 000 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0 50100150200 进尺/mm 钻杆个数 图 1 钻杆进尺参数对比 表 2 钻杆加减操作判断 总状态前状态停机时间/s 持续时间/s 钻杆操作当前状态 钻进 F1885F1 F1 任意 855F1/F2 F2 任意 655−B1/B2 B1 任意 635−B1/B2 B2 任意 35 无 B1/B2 其他 F/B 任意 25 无 F/B 第 46 卷 第 5 期杨阿兰基于传感器融合的水平定向钻机轨迹测量41 万方数据 2 孔底随钻姿态参数测量 2.1 钻孔轨迹表征参数 钻孔轨迹应该综合考虑钻机的性能参数、地层 构造、地质情况等多方面因素，实际工程中钻孔孔 深应低于钻机标注的最大钻进深度的 80[12]。钻 孔倾角的设计应综合衡量煤层走向与钻孔的方位角 情况而定。钻孔的视倾角与真倾角之间需进行相关 换算，换算关系为 tanθ2 cosξtanθ18 式中ξ视倾角与真倾角二者之间的夹角，； θ1真倾角，； θ2视倾角，。 钻孔轨迹的方位角应主要考虑以下因素1）开 孔方位要求准确，且钻孔方位角满足设计要求；2）多 个钻孔应避免发生窜孔现象；3）为避免盲区的出 现，多个钻孔可以共同覆盖设计区域。 2.2 测量方法 在钻孔期间，钻进一定距离需进行一次参数测 量，获得每个测量点钻孔的方位角、钻孔的倾角以 及钻孔的深度。选用“平均角法”对钻孔空间轴线坐 标值进行计算[9]，为进一步增加钻孔空间轴线轨迹 计算的精度。 绘图法在钻孔轨迹设计中较为常见，包含两个 方向的投影图，垂直方向的投影图其纵坐标代表垂 直方向上的偏差，而横坐标代表水平方向上的位移[10]； 水平方向的投影图其纵坐标代表钻孔的左右位移， 横坐标代表钻孔在水平方向上的位移。该方法能够 比较直观地观察钻孔轨迹的空间方位，具有一定的 优势，实现钻孔参数的调整。根据曲率半径对曲线 段的参数进行设计 R 180 Kπ 1080 πθ 9 式中R钻孔曲线段曲率半径，m； θ钻孔方位的变化角度，； K钻孔方位造斜曲率，/m。 3 系统验证研究 3.1 精度测试分析 随机转动万向测量架，将仪器度数与采集测量 架度数进行对比。各姿态角误差概率分布，如图 2 所示。可以看出，工具角、俯仰角、方位角误差为 0 的概率分别为 68、42 和 35；置信度为 95 的 情况下，工具角、俯仰角、方位角误差分别在0.6、 0.8和1.1之内。 −2.0 −1.5 −1.0 −0.500.51.01.52.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 概率 误差/ 工具角 俯仰角 方位角 图 2 各姿态角误差概率分布 在地面选择一个原始曲线，分别使用本算法和 精密罗盘进行测量。结果对比如图 3 所示。可以看 出，本文算法得到的测量数据同实验值基本吻合。 481216200 5 10 15 20 Y/m X/m 实验值 本文方法 图 3 结果对比图 3.2 井下实验分析 在石壕煤矿进行了 3 次井下随钻测量实验， 1钻孔设计进尺 10.4 m、开孔的方位角 275、俯仰 角为 29；2钻孔设计进尺为 25 m、俯仰角为 9、开 孔方位角为 288；3钻孔设计进尺 55 m，俯仰角为 4、开孔方位角 65，孔口距巷道顶部、左、右壁的距 离分别为 2.50 m，2.35 m 和 2.56 m，沿巷道掘进方 向的钻孔，完成对岩层的钻孔贯通。1、2钻孔实 测统计，如表 4 所示。 应用开发的配套工具对 1和 2钻孔成图，如 图 4 所示。将钻孔设计轨迹与本文方法结果结合分 析可知，设计钻孔方位角大于地层倾向时，施工钻 孔轨迹就会逐渐向下、向左偏斜。 3钻孔本文方法轨迹，如图 5 所示，可以看出 孔轨迹的进尺由 20 m 处开始偏上。经对比，本文 方法结果与钻孔设计轨迹数据基本吻合，误差在水 42中国测试2020 年 5 月 万方数据 平向只有 0.08 m，垂直方向上只有 0.15 m。末端钻 孔俯仰角为 4，方位角为 65.5，与实钻终孔俯仰角 4.2以及方位角 65基本一致。 表 4 1、2钻孔实测统计表 钻孔号参数 1钻孔2钻孔 俯仰角方位角俯仰角方位角 设计 29 275 9 288 起测点 28.89273.158.91293.31 终测点 28.89262.898.55293.31 偏移值 1.8 −9.9 1.0811.7 平均值 29.43267.127.92290.88 最大值 30.96275.768.82295.65 最小值 30.96261.637.2 289.44 0510152025 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Z/m X/m 1钻孔设计轨迹1钻孔本文方法轨迹 2钻孔设计轨迹2钻孔本文方法轨迹 4 m 8 mY 图 4 钻孔对比图 02040 0.4 0.8 1.2 1.6 1 m Z/m X/m Y 0.5 m 65.5 图 5 3钻孔本文方法轨迹 3.3 应用效果分析 将上述轨迹跟踪技术及配套定向钻进装备在石 壕煤矿井下 DF35 断层随钻测量定向钻孔设计施工 进行应用。施工探顶板孔 6 个，分别为 D1、D2、 D2-1、D3、D4、D5；探测断层面 5 个，分别为 D6、 D7、D8、D9、X1。部分实测断层面探测钻孔参数， 如表 5 所示。 表 5 部分实测断层面探测钻孔参数 孔号 视平移/m 垂深/m 水平投影 长度/m 方位角/ 倾角/ 测深/m D6 559.665.41575.48266.012.56 576.18 565.585.60581.42265.911.29 582.12 571.505.62587.36267.00−0.90588.06 577.435.52593.30266.81−0.99594.00 583.365.44599.24267.59−0.80599.94 D7 536.084.98551.73263.040.30 552.42 541.994.99557.67266.10−0.20558.36 547.914.97563.61264.53−0.20564.30 553.814.96569.55264.330.00 570.24 512.495.08527.97263.84−0.99528.66 D8 524.304.50539.83264.71−3.77540.54 530.204.15545.76266.10−2.97546.48 536.113.87551.69264.92−2.48552.42 542.033.63557.63267.30−1.89558.36 547.963.34563.56268.18−3.96564.30 D9 506.635.87522.05266.013.06 522.72 512.546.27527.97269.074.63 528.66 518.466.75533.89268.684.54 534.60 524.387.30539.81271.265.94 540.54 530.287.96545.71272.256.73 546.48 X1 483.072.28498.17268.29−4.46498.96 488.991.82504.09269.87−4.16504.90 494.901.32510.01267.19−5.54510.84 500.790.69515.92264.43−6.44516.78 506.650.04521.82263.04−6.14522.72 断层形成过程中，煤层受到强烈剪切作用形成 破碎带。在构造运动中煤层的破碎程度最大。 DF35 断层为一倾角 55，断距 035 m 的大型正断 层。在构造应力的作用下，DF29 断层下盘相对上 升，上盘相对下降，距离断层越近煤体结构破坏程 度愈大，煤层结构性差，易出现卡钻、憋泵、塌孔等 现象。通过对比 D6D9 的钻进难易情况，D9 在钻 进至 590 m 时，煤层中下部有块状泥岩返出，同时 卡钻、塌孔严重，初步判定该孔已钻遇DF35 断层。D6 第 46 卷 第 5 期杨阿兰基于传感器融合的水平定向钻机轨迹测量43 万方数据 钻进至 621 m 时，煤层下部有粉末状煤泥返出，初 步判定断层存在，断层走向 SW238SW249。通 过分析 D1、D2、D2-1、D3、D4、D5 孔和 D9 孔的投 影轨迹长度和钻孔资料，将断层面下盘岩性定位为 泥岩，断层预想剖面图，如图 6 所示。 D1 D4 D2 D3 D5 图 6 实钻钻孔轨迹垂直剖面图 4 结束语 针对煤矿井下定向钻孔的特点，形成了完整的 轨迹测量方法。实践证明该方法具有易操作、效率 高等优点。同时该钻孔轨迹设计方法能够通过计算 机软件程序实现，可有效提高设计效率，减少设计 工作量。试验表明1）该方法在置信度为 95 时， 工具角、俯仰角、方位角最大误差分别为0.6、 0.8和1.1。2）最大测量误差水平方向为 0.08 m， 垂直方向为 0.15 m，末端钻孔俯仰角为 0.2，方位 角为 0.5。近水平定向钻进技术，可对钻孔轨迹进 行精确控制和实时测量，增加了煤层回采率，同时 有效提升了煤矿企业事故治理能力，进而保障了煤 炭企业的高效开采。同时可对煤矿井下老空水探 放、顶板水探放和地质异常体钻施工提供参考。 参考文献 姚宁平, 张杰, 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