煤礦井下EM-MWD儀器研制

康厚清

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

煤礦井下定向鉆進(jìn)是解決煤礦采空區(qū)瓦斯抽采問(wèn)題[1]、煤礦采空區(qū)探放水問(wèn)題[2]和煤礦斷層探測(cè)問(wèn)題[3]的重要技術(shù)手段。隨鉆測(cè)量傳輸是實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，而煤礦井下隨鉆測(cè)量傳輸方式主要是通纜鉆桿有線傳輸[4]。但通纜鉆桿加工成本高，而且鉆桿強(qiáng)度受到限制，影響鉆進(jìn)成本和安全性[4-5]。而電磁無(wú)線隨鉆測(cè)量(EM-MWD)傳輸利用普通鉆桿與地層作為傳輸信道[6]，無(wú)需專用通纜鉆桿，并且在地面石油鉆井應(yīng)用較為成熟，其傳輸距離可達(dá)3 500 m[7]，因此在煤礦井下隨鉆測(cè)量具有良好的應(yīng)用前景。

1 EM-MWD工作機(jī)理

石油EM-MWD主要采用垂直電激勵(lì)方式[8]，地面EM-MWD工作機(jī)理如圖1，絕緣天線將鉆桿分成電氣隔離的上下2部分，形成非對(duì)稱電偶極子。發(fā)射機(jī)將隨鉆測(cè)量信號(hào)進(jìn)行編碼和功率放大后加載在絕緣天線兩端形成沿鉆桿引導(dǎo)的超低頻周期激勵(lì)電流，該激勵(lì)電流在鉆機(jī)附近形成準(zhǔn)靜電場(chǎng)，從而在鉆機(jī)附近形成電位梯度。接收機(jī)采樣鉆桿與接收天線之間電壓差后處理、解調(diào)出隨鉆測(cè)量信號(hào)。

煤礦井下EM-MWD工作機(jī)理與地面EMMWD相似，煤礦井下EM-MWD工作機(jī)理如圖2，主要特點(diǎn)在于：①發(fā)射機(jī)本安設(shè)計(jì)，限制發(fā)射功率；②發(fā)射機(jī)外徑小，限制電池容量與工作時(shí)間；③絕緣天線外徑小，近水平鉆進(jìn)情況多，絕緣天線機(jī)械強(qiáng)度與耐磨性要求高；④接收天線布置位置受限，降低接收信號(hào)強(qiáng)度。

圖1 地面EM-MWD工作機(jī)理

圖2 煤礦井下EM-MWD工作機(jī)理

2 關(guān)鍵技術(shù)

研制的ZKG300煤礦井下EM-MWD儀器由發(fā)射機(jī)、無(wú)磁鉆桿、絕緣天線、孔口接收機(jī)、接收天線與防爆電腦組成。發(fā)射機(jī)安裝在無(wú)磁鉆桿內(nèi)，隨鉆測(cè)量鉆頭姿態(tài)信號(hào)，經(jīng)編碼及功率放大后加載在絕緣天線兩端進(jìn)行電磁無(wú)線傳輸。所有孔內(nèi)部件連接后整體總長(zhǎng)2.358 m?？卓诮邮諜C(jī)通過(guò)接收天線采樣微弱EM-MWD信號(hào)后進(jìn)行放大、濾波后傳輸給防爆電腦進(jìn)行解碼存儲(chǔ)，最終生成三維鉆孔軌跡圖形。針對(duì)煤礦井下EM-MWD特點(diǎn)，儀器研制關(guān)鍵部分是電池工作時(shí)間長(zhǎng)的發(fā)射機(jī)、耐磨性高的絕緣天線及高靈敏度接收機(jī)。

1）發(fā)射頻率。針對(duì)EM-MWD發(fā)射頻率及最大可傳輸距離問(wèn)題，廣大學(xué)者對(duì)傳輸信道進(jìn)行了大量的分析。文獻(xiàn)[4,8-12]分析了傳輸信道、地形分層特性，經(jīng)過(guò)理論分析計(jì)算與驗(yàn)證、試驗(yàn)測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，EM-MWD工作頻率范圍主要在5～20 Hz，傳輸距離可達(dá)3 000～5 000 m。文獻(xiàn)[4]指出適宜開(kāi)展煤礦井下EM-MWD的條件是電磁發(fā)射信號(hào)頻率不高于30 Hz且近水平電磁信號(hào)傳輸距離不長(zhǎng)于2 000 m。根據(jù)文獻(xiàn)[4]對(duì)不同頻率的衰減計(jì)算結(jié)果分析，發(fā)射頻率在10 Hz以下使用范圍最寬，與地面石油EM-MWD特性一致。根據(jù)地面模擬多種高、中、低地層阻抗傳輸試驗(yàn)結(jié)果，綜合地面及井下EM-MWD傳輸理論分析，本儀器發(fā)射頻率采用6.25 Hz和12.5 Hz。

2）編碼方式。傳統(tǒng)隨鉆測(cè)量信號(hào)編碼方式采用二進(jìn)制相移鍵控(BPSK）方式，連續(xù)發(fā)射，大量消耗電池電量。而差分脈沖位置調(diào)制（DPPM）編碼占空比很小[13]，僅在脈沖信號(hào)發(fā)生期發(fā)射EM-MWD載波，在沒(méi)有脈沖信號(hào)期間停止發(fā)射，可極大延長(zhǎng)電池有效工作時(shí)間。

3）發(fā)射機(jī)省電設(shè)計(jì)。發(fā)射機(jī)外徑25 mm，采用8節(jié)AA型Ni-MH電池供電。發(fā)射機(jī)整體電路框圖如圖3。低功耗MCU對(duì)整個(gè)發(fā)射機(jī)電路進(jìn)行管理，采集和計(jì)算微功耗MEMS傳感器數(shù)據(jù)、信號(hào)編碼、發(fā)射板電源管理及發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路管理，使發(fā)射機(jī)在不同工況下進(jìn)入省電模式與休眠模式。當(dāng)鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)發(fā)射機(jī)進(jìn)入省電模式，僅MCU與MEMS傳感器供電進(jìn)行隨鉆監(jiān)測(cè)與測(cè)量；當(dāng)鉆機(jī)長(zhǎng)時(shí)間不工作時(shí)整個(gè)發(fā)射機(jī)進(jìn)入休眠模式，MCU進(jìn)入極低功耗運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)μA級(jí)MEMS震動(dòng)傳感器，最大限度的延長(zhǎng)電池工作時(shí)間。發(fā)射機(jī)工作流程如圖4。

圖3 發(fā)射機(jī)電路框圖

圖4 發(fā)射機(jī)工作流程圖

4）絕緣天線。絕緣天線是煤礦井下EM-MWD儀器的關(guān)鍵部件，分為上、下2節(jié)，中間采用螺紋絕緣連接，中間部分內(nèi)、外部加工、噴涂高強(qiáng)度絕緣材料。它不僅要求具有普通鉆桿的強(qiáng)度，同時(shí)還要求絕緣、耐磨。經(jīng)與多家企業(yè)多次合作開(kāi)發(fā)并經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及改進(jìn)，采用特殊材料、特殊工藝、精心制作，并在絕緣外層涂覆多層金剛砂提高耐磨性，最終研制出高強(qiáng)度、高耐磨性的φ73 mm小尺寸絕緣天線，螺紋絕緣層厚度僅為0.1 mm，內(nèi)絕緣層厚度1 mm，外絕緣層厚度3 mm，絕緣電阻2 MΩ，抗扭強(qiáng)度4 kN·m。

5）信號(hào)接收。煤礦井下EM-MWD發(fā)射機(jī)需本安防爆，發(fā)射功率小于5 W，發(fā)射信號(hào)通過(guò)普通鉆桿與高電阻率的煤巖層傳輸后，在鉆機(jī)附近形成的電位梯度小，同時(shí)接收天線布置空間受限，接收信號(hào)微弱；井下工作環(huán)境電氣噪聲與干擾較大，信擾比低。根據(jù)圖2煤礦井下EM-MWD工作機(jī)理，接收信號(hào)經(jīng)過(guò)放大與低通濾波后采用RLS自適應(yīng)濾波算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，濾除工頻干擾與鉆機(jī)工作的非穩(wěn)態(tài)干擾，實(shí)現(xiàn)了信擾比在-100 dB下信號(hào)提取。提取后的信號(hào)根據(jù)進(jìn)行解碼存儲(chǔ)后發(fā)送給軌跡軟件生成實(shí)時(shí)三維軌跡。接收信號(hào)處理框圖如圖5。

圖5 接收信號(hào)處理框圖

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

ZKG300 EM-MWD儀器首先進(jìn)行電磁無(wú)線隨鉆傳輸基本功能試驗(yàn)。在黑龍江某礦有1個(gè)已知檢驗(yàn)鉆孔貫穿2條巷道，通過(guò)井下地質(zhì)測(cè)量已經(jīng)確定鉆通孔兩端空間位置進(jìn)而知道鉆孔直線軌跡。選用發(fā)射頻率6.25 Hz，采用φ63 mm普通鉆桿推進(jìn)，鉆孔長(zhǎng)75 m。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程接收機(jī)解碼信號(hào)清晰，信噪比質(zhì)量很好，EM-MWD隨鉆測(cè)量軌跡與實(shí)際鉆孔直線軌跡一致性很好。隨后在該礦進(jìn)行新開(kāi)孔EMMWD隨鉆測(cè)量實(shí)驗(yàn)，選用發(fā)射頻率6.25 Hz，開(kāi)孔傾角5°，方位角263°，用φ63 mm普通鉆桿在巖層巷道中鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)至98 m位置時(shí)，信號(hào)突然減弱，繼續(xù)鉆進(jìn)，信號(hào)減弱至不能正確解碼。退鉆后發(fā)現(xiàn)，絕緣天線外絕緣層磨損，絕緣電阻降低，導(dǎo)致發(fā)射信號(hào)衰減過(guò)大。經(jīng)與合作廠家多次研究試驗(yàn)后采用涂覆多層金剛砂工藝提高絕緣天線耐磨性。改進(jìn)后的絕緣天線繼續(xù)在該礦和國(guó)內(nèi)其他4個(gè)礦區(qū)分別進(jìn)行了近水平和大傾角的全方位EM-MWD隨鉆測(cè)量試驗(yàn)，巖層鉆進(jìn)試驗(yàn)了420 m隨鉆測(cè)量，煤層鉆進(jìn)試驗(yàn)了310 m隨鉆測(cè)量。在黑龍江某次試驗(yàn)晚班鉆進(jìn)71 m時(shí)鉆機(jī)部件發(fā)生故障，鉆機(jī)停止工作，需等待早班工作人員攜帶更換部件下井維修，儀器進(jìn)入休眠狀態(tài)；鉆機(jī)正常工作后儀器退出休眠狀態(tài)開(kāi)始正常工作并直至鉆完孔210 m。

4 結(jié)語(yǔ)

研制的ZKG300煤礦井下EM-MWD儀器采用普通鉆桿與煤巖層作為傳輸介質(zhì)，無(wú)需專用通纜鉆桿進(jìn)行隨鉆測(cè)量傳輸。儀器適合井下常用φ63 mm與φ73 mm鉆桿，φ73 mm小直徑絕緣天線機(jī)械強(qiáng)度與耐磨性達(dá)到隨鉆測(cè)量實(shí)用要求。

需進(jìn)一步研究煤礦井下EM-MWD傳輸信道特性，開(kāi)發(fā)相應(yīng)EM-MWD技術(shù)，在本安發(fā)射功率限制條件下提高傳輸距離。還需進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)射機(jī)電池及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高儀器工作時(shí)間至7～10 d。