RU | ENG
Общество с ограниченной ответственностью "Тренд"

Внимание! Сайт переехал на новый адрес: http://azgeotrend.ru/


  • Статья в журнале. 100 Ежегодная встреча SIM. Монреаль, Канада, май, 1998
  • Заключение на совместную научно-исследовательскую работу по траекторным измерениям скважин в LKAB
  • Патенты и награды

  • Статья в журнале. 100 Ежегодная встреча SIM. Монреаль, Канада, май, 1998
    Авторы: E.Belov, O.Ramirez, K.Wikstrom, T.Halonen, W.Hustrulid

    Измерение отклонений взрывных скважин на LKAB с использованием гироскопического инклинометра

    Аннотация: В статье приведено описание устройства и метода для измерения траекторий скважин диаметром до 95 мм. Путем сравнения фактической траектории с заданным положением может быть определено отклонение скважины. При знании положения взрывной скважины можно эффективнее проектировать зарядку скважины, последовательность операций и временные зависимости. Конечный результат - это лучшее проведение взрыва и качественное обрушение породы. Научно-исследовательские и опытно конструкторские работы проводились в период 1997-1998 г. специалистами отдела НИОКР Миасского Филиала ЮУрГУ (Миасс, Россия), фирм "Геофизика" (Уфа, Россия) и LKAB (Швеция). Большинство полевых испытаний проведено в шахте LKAB Malmberget, Kiruna.

    Введение

    Знание истинной траектории для взрывных скважин важно при планировании мощности заряда скважины, определении последовательности и очередности взрывов. Наибольшая длина скважин, используемых при крупномасштабном обрушивании породы на шахтах LKAB, достигает 50 м или больше. Так как типовое проектируемое расстояние между веерами составляет 3 м, относительно небольшое отклонение скважины может привести к пересечению скважин различных вееров. Истиное расстояние между скважинами может варьироваться от 0 до 6 метров, что неблагоприятно влияет на обрушивание. Это, в свою очередь, влияет на выход пород из веера. Кроме того, эффективное обрушивание означает, что количество избыточной энергии, которая преобразуется в сейсмические волны, воздействующие на людей, жилые и производственны строения и коммуникации, минимизировано. Также увеличивается вероятность того, что все скважины сдетонируют, уменьшая таким образом воздействие на окружающую среду, связанную с выпуском нитратов в систему вод шахты. В течение нескольких лет сотрудники LKAB оценивали несколько различных систем для определения положения взрывных скважин. В настоящее время там используется система на базе комплекса зеркал. В то время как зеркало подается в скважину, определяется (1) дистанция на которой исчезает отражение лампы и (2) направление отклонения. Используя это, вместе с начальными направлениями скважины, измеренными инспектором шахты, могут быть определены грубые параметры положения скважины. Тот факт, что железная руда это магнетит (и, следовательно, является магнитной), означает, что более продвинутые методы (например, определение азимута при помощи компаса) не могут быть использованы.

    Разработанный гироинклинометр принципиально отличается от остальных устройств исследования скважин. Актуальные измерения выполняются с использованием (1) гироскопа, для измерения азимутального угла, (2) одного или двух акселерометров для получения зенитного угла (угол относительно вертикали в пространстве x, y, z) и (3) вращающегося счетчика, работающего в контакте с обсадной трубой для измерения длины скважины. Метод применим для измерения в скважинах диаметром более 95 мм в любых горных породах. Этот инструмент был протестирован в нескольких подуровнях на шахтах LKAB в северной Швеции.

    Системы измерения

    Гироинклинометр состоит из:

  • Скважинного прибора
  • Кабеля связи скважинного прибора с интерфейсным устройством
  • Интерфейсного устройства, которое обеспечивает питание скважинного инструмента и связь с персональным компьютером
  • Мобильного персонального компьютера (notebook)
  • Ключевой элемент прибора - гироскоп. Гироскоп состоит из ротора, расположенного на подвижном каркасе. Когда ротор вращается с высокой угловой скоростью ось, на которой он вращается, продолжает указывать то же направление, вне зависимости от изменения положения каркаса. Эта ось называется осью вращения. В гирокомпасе ось вращения автоматически позиционируется параллельно оси вращения Земли. Ротор приводится в движение электрическим двигателем, и укреплен как маятник. Гирокомпас всегда показывает истинный север. Информация о направлении отображается на индикаторе гирокомпаса.

    Функционально устройство состоит из нескольких систем:

  • Система управления приводом гироскопа
  • Система обратной связи акселерометра
  • Система поиска и приведения в апсидальную плоскость
  • Система электрического арретирования чувствительного элемента
  • Система преобразования первичного питания во вторичное
  • Система преобразования аналоговой информации в кодовую
  • Система передачи информации между скважинным прибором и персональным компьютером (notebook)
  • Гироинклинометр обладает следующими техническими характеристиками:

    Диапазон измерения зенитного угла0.5°-179.5°
    Погрешность измерения азимута±1°
    Погрешность измерения зенитного угла±0.1°
    Длина2000 мм
    Вес17 кг
    Диаметр95 мм
    Напряжение питания220В
    Входное напряжение скважинного инструмента27В ±3В
    Потребление электроэнергии50 Вт

    Скважинный инструмент располагается на калибровочном устройстве. Калибровка выполняется периодически в ручном режиме.

    Техника измерений

    Инспектор шахты определяет исходные координаты (X1, Y1, Z1) устья скважины. С помощью помещенного в скважину Угломера1, начальные измерения

  • расстояния (D1)
  • зенитного угла (Q1)
  • азимутального угла (A1)
  • используются для определения исходного направления скважины. Эти измерения необходимы, так как теперь можно исследовать погрешности бурения. Затем инструмент продвигается в скважину на расстояние L1. Используя значения L1, Q1 и A1 вычисляются координаты второй точки (X2, Y2, Z2). Измеряются зенитный и азимутальный углы Q2 и A2 соответственно. Затем инструмент продвигается в скважину на дополнительное расстояние L2. Координаты этой точки вычисляются с использованием координат предыдущей точки (X2, Y2, Z2) и длины (L2), плюс зенитный (Q2) и азимутальный (A2) углы. Данный процесс продолжается по ходу скважины. Очевидно, что измерения можно проводить в обратном порядке: начать с конца скважины и осуществлять замеры при выводе инструмента.

    Из-за высокоточных компонентов и малых габаритов, необходимых для скважин небольшого диаметра прибор достаточно дорогостоящ. Следовательно, должны быть приняты меры предосторожности во избежания заклинивания в скважине. При использовании на шахтах LKAB, номинальный диаметр скважины 115 мм и нормальный внешний диаметр прибора 95 мм. Это означает, что номинальный радиальный зазор составляет 10 мм. Процедура, используемая для минимизации вероятности заклинивания инструмента в скважине, состоит в использовании метровой стальной заглушки диаметром 96 мм, подающейся в скважину первой и подающейся на всю глубину скважины. Эта процедура выполняется для всех измеряемых скважин. Инструмент подается только если известно, что скважина свободна от засорений. Кроме того, перед подачей в скважину инструмент помещают в тонкую стальную трубу (гильза) с внутренним диаметром 95 мм, и наружным диаметром 97 мм. Идея заключается в том, что если внешняя труба застрянет, то останется возможность извлечь инструмент. Очевидно, что проблема заклинивания инструмента уменьшается с увеличением диаметра скважины.

    Скважинный прибор очень чувствителен к малым изменениям угловой скорости вращения Земли. Следовательно, инструмент должен оставаться в стационарном положении во время проведения замеров.

    Виброударные нагрузки на прибор во время использования (установка в скважину, перемещение по скважине, другие операции) не должны превышать 10-15 g. Для защиты устройства от подобных воздействий инклинометр оборудован специальными амортизаторами. Они размещены в специальной защитной трубе, чтобы облегчить вставку в скважину.

    Устройство подается в скважину на конце специального полиэтиленового шланга (диаметр 50 мм). Расстояние, на которое подается труба, измеряется при помощи специального вращательного датчика перемещения. Точность составляет ±0.1 м.

    Гироскоп работает в свободном режиме, что улучшает точность и чувствительность. Измерения проводятся после того, как гироскоп установлен в апсидальной плоскости. Для получения оптимальных результатов используются методы фильтрации. Время измерений в любой точке траектории не превышает двух минут. Количество точек измерения по длине скважины неограниченно. Измерения проводятся и представляются в реальном масштабе времени. Это позволяет определить общее отклонение скважины и/или детально оценить любой конкретный сегмент скважины.

    Типовые результаты

    Траектория скважины определяется относительно географической системы координат. Компьютер обрабатывает результаты и представляет их в шахтной системе координат, используемой LKAB.

    В таблице 1 представлены результаты нескольких реальных измерений, проведенных для одного из вееров на шахте LKAB Malmberget. Как видно из таблицы, результаты приведены как в географической системе координат (зенит, азимут и глубина), так и в шахтной системе координат (x, y, z). Полученные результаты сравниваются с проектным заданием, определенным Microstation и оценивается отклонение как функция от глубины. Реальное положение скважин может быть представлено различными способами так, чтобы оценить результаты взрыва. Отображается горизонтальный срез вдоль набора вееров, определенный по результатам замеров с помощью Угломера. Этот срез взят на расстоянии 30 м над уровнем выработки. Как видно, в данном случае бурение проведено успешно. Проектное значение для вееров составляет 3 м, в то время как реальное значение колеблется в пределах от 2 до 5 метров.

    Рисунок 4 иллюстрирует начальное (s) и конечное (e) положения 8 скважин, пробуренных вокруг участка. Данный участок является первым шагом в создании открытой полости, необходимой для создания пространства подуровня рядом с несущей стеной. Средняя длина скважины в данном случае составляет 29 метров. Скважины 3 и 8 были запланированы как первые при подрыве для данного участка. Как видно, в соответствии с отклонениями скважин, последовательность взрывов должна быть пересмотрена.

    Перспектива применения метода

    Ниже приведены возможные сферы применения рассмотренного прибора:

  • Улучшение прямого бурения скважин. Машины различной конструкции могут быть протестированы на прямоту бурения скважин с использованием Угломера 1. Может быть выбрана комбинация рабочих параметров, при которой производятся наиболее прямые скважины
  • Выдача конкретного набора пробуренных скважин, например для очистных камер; шаблон минирования может быть скорректирован с учетом данных обследования положения скважин
  • Определения положения самых длинных скважин в веерах подуровня может предоставить ценную информацию для минирования и подрыва скважин
  • В настоящее время, применение данного метода для LKAB наиболее эффективно при измерении скважин открывающих пространственные очистные камеры. Эти скважины должны быть тщательно спозиционированы, иначе требуемый участок не будет открыт, как запланировано. В худшем случае, необходимо будет разработать новый участок с повторением всей процедуры. При знании положения скважин можно осуществлять планирование последовательности подрыва и определять необходимость бурения дополнительных скважин.


    Заключение на совместную научно-исследовательскую работу по траекторным измерениям скважин в LKAB.

    В период 1998 по 2000 годы на территории фирмы LKAB (Malmberget, Kiruna, Sweden) проводились измерения траектории железорудных скважин гироскопическим инклинометром ИГМ95, разработки фирм НПФ “Геофизика”, “Идель” (г. Уфа, Башкортостан, Россия).

    Испытания проводились в очень жестких условиях железорудных шахт с искаженным магнитным полем на широте полярного круга. Так как измерения проводились для восходящих скважин диаметром 115 мм, то вероятность механического ударного воздействия была намного выше, чем для нефтяных и газовых скважин. Поэтому, дополнительно принимались меры по защите инклинометра от ударных воздействий, особенно в момент входа и выхода прибора на устье скважины.

    Благодаря принятым оригинальным техническим решениям по приборному составу и программному обеспечению, удалось эффективно и с высокой точностью измерить основные параметры траектории скважин (азимут, зенитный угол, пройденный путь). Точечный режим измерения с эффектом гирокомпасирования позволили до минимума сократить накапливающуюся погрешность измерения.

    Результаты измерений из географической системы координат (Q, A) трансформировались в шахтную систему координат (x, y, z) и использовались в технологическом процессе добычи железной руды в LKAB, в том числе :

  • для уменьшения выхода пустой породы
  • для эффективного вскрытия (Slit’s) на начальном этапе добычи железной руды в каждом штреке
  • для эффективного планирования режима взрывов при веерном обрушивании породы
  • для оценки качества новых современных методов виброударного бурения
  • Проделанная работа была очень полезна, накоплен богатый опыт, который может быть использован в перспективных аналогичных разработках.


    Патенты:

  • Способ определения угловой ориентации скважин гироскопическим инклинометром. Патент на изобретение № 2387828 с приоритетом от 22.10.2008г.
  • Гироскопический инклинометр. Патент № 92722 на полезную модель с приоритетом от 28.09.2009г.
  • Гироскопический инклинометр. Патент № 108604 на полезную модель с приоритетом от 07.02.2011г.
  • Двухосный динамический стенд. Патент на изобретение № 111634 от 26.07.2011г.
  • Награды:

  • Медаль ВВЦ «Лауреат ВВЦ», удостоверение 1095 от 14.10.2008 г., г. Москва.
  • Диплом с медалью за «Навигационную геофизическую систему» на выставке ВВЦ «Изделия и технологии двойного назначения», г. Москва, 2008 г.
  • Диплом 12 Международного промышленного форума «Российский промышленник – 2008г», г. С-Петербург, 25.09.2008г.
  • Диплом «Южно-Уральского инновационного форума», г. Челябинск, 24.12.2009г.