礦用電磁波隨鉆測量系統(tǒng)在定向鉆進(jìn)中的姿態(tài)校準(zhǔn)

王小波

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)過程中的主要災(zāi)害，破壞性大，給安全生產(chǎn)帶來很大隱患。利用鉆孔對煤層中的瓦斯進(jìn)行抽采是保障當(dāng)前煤礦安全的有效方法[1-3]。為了保證鉆孔按照設(shè)計軌跡進(jìn)行鉆進(jìn)，通常采用定向鉆進(jìn)技術(shù)，隨著技術(shù)發(fā)展，按照信號傳輸方式分為有線和無線兩種方式，無線傳輸方式近些年發(fā)展較為迅速。按信號原理又分為泥漿脈沖和無線電磁波，泥漿脈沖傳輸相對較遠(yuǎn)，適用于液動鉆進(jìn)；無線電磁波傳輸距離相比較近，但其除適用于液動鉆進(jìn)外，也可適用于空氣鉆進(jìn)。煤礦松軟煤層煤質(zhì)軟/破碎、透氣性較差，采用孔底液動螺桿鉆進(jìn)施工時，驅(qū)動液動螺桿馬達(dá)的高壓水也極容易造成鉆孔坍塌無法成孔[4-7]。無線電磁波技術(shù)可以彌補泥漿脈沖系統(tǒng)無法用于空氣鉆進(jìn)的不足[8-11]，是解決井下軟煤定向鉆進(jìn)，對工作面進(jìn)行瓦斯抽采的設(shè)備保障。

1 礦用無線電磁波隨鉆系統(tǒng)組成

礦用電磁波隨鉆測量系統(tǒng)分為孔口部分和孔中部分兩大部分。其中，孔口部分主要有用于控制系統(tǒng)各種指令、數(shù)據(jù)接發(fā)、運算處理以及數(shù)據(jù)成圖的礦用本安型控制器，給控制器供電的礦用隔爆兼本安型直流電源，用于接收鉆孔中發(fā)出信號的接收天線。孔中部分由下無磁鉆桿、無磁探管、礦用本安型電磁波隨鉆測量儀探管(安裝在無磁探管中)、絕緣短節(jié)、上無磁鉆桿組成。核心部分電磁波隨鉆測量探管由兩根電池組、電源智能管理單元、姿態(tài)測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?部分組成，如圖1所示。

圖1 無線電磁波測量系統(tǒng)Fig.1 Wireless electromagnetic wave measurement system

電池組主要給姿態(tài)測量單元和孔中測量信號發(fā)射供電。通過監(jiān)測鉆桿振動來識別鉆機是工作狀態(tài)還是停機狀態(tài)，用以控制數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)電源智能管理。測量單元主要用來測量鉆進(jìn)姿態(tài)，即傾角和方位角、工具面向角。數(shù)據(jù)傳輸單元主要是將姿態(tài)等信息通過調(diào)制轉(zhuǎn)換為低頻電磁波信號，經(jīng)內(nèi)部放大后，由絕緣短節(jié)輻射到地層[12]。

2 鉆孔軌跡測量原理

鉆孔軌跡即鉆頭在鉆進(jìn)過程中形成的空間鉆孔路徑。鉆探工程中常用空間一條線來描述鉆孔特征，其空間形態(tài)代表鉆孔的空間形態(tài)。鉆進(jìn)姿態(tài)包括傾角、方位角和工具面向角，通常姿態(tài)測量傾角軌跡軸線OP與水平面的銳夾角β表示傾斜角，如圖2所示。軌跡軸線在水平面上的投影與地球磁北方向順時針計量的夾角α即為磁方位角(磁方位角經(jīng)過大地磁偏角校正后為方位角)[13]。

圖2 軌跡姿態(tài)定義Fig.2 Trajectory attitude definition

在造斜組合鉆具中，將彎曲工具的兩個軸線組成的平面定義為工具面，工具面與鉛垂面夾角為工具面向角，順時針旋轉(zhuǎn)增加，如圖3所示。

圖3 姿態(tài)基本參數(shù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of basic attitude parameters

姿態(tài)測量組件由三軸傳感器和三軸重力加速度計組成，三個相互垂直的坐標(biāo)軸分別安裝加速度計和磁傳感器，構(gòu)成姿態(tài)測量系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 傳感器安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of sensor installation

傾角β、方位角α和工具面角γ數(shù)值計算參照式(1)～(4)，加速度計和磁傳感器分別測量不同方向上的重力分量和磁場分量[14-15]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Gx、Gy、Gz為重力加速度傳感器所在軸的3個分量測量值；Bx、By、Bz為磁傳感器測得地磁場的3個分量；G0為重力加速度值。

3 無線電磁波定向鉆進(jìn)技術(shù)

在無線電磁波隨鉆系統(tǒng)的使用過程中，需要專用的定向鉆機、孔底螺桿馬達(dá)和泥漿泵(空壓機)、泡沫發(fā)生器等。利用加壓泵提供高壓水或空氣進(jìn)行排渣、泡沫發(fā)生器驅(qū)動孔底螺桿馬達(dá)并對孔底儀器和鉆頭進(jìn)行降溫。施工中將測量軌跡與設(shè)計軌跡及時對比， 通過旋轉(zhuǎn)鉆具工具面來控制孔底螺桿馬達(dá)方向，從而實現(xiàn)定向鉆進(jìn)功能，如圖5所示。

圖5 無線電磁波定向鉆進(jìn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of wireless electromagnetic directional drilling

無線電磁波傳輸方式主要是依靠地層介質(zhì)來實現(xiàn)的，孔中部分將測量的數(shù)據(jù)加載到載波信號上，測量信號隨著載波信號向通過絕緣短節(jié)四周發(fā)射，孔口部分的接收天線將檢測到的電磁波中的測量信號卸載解碼、計算得到姿態(tài)測量數(shù)據(jù)。電磁波隨鉆系統(tǒng)的方位角測量精度不大于1.2°，傾角測量精度不大于0.2°。

在定向鉆進(jìn)的過程中，不同的軌跡點在空間上連續(xù)計算，形成鉆孔的軌跡曲線。將兩個相鄰測點的姿態(tài)值的平均值作為進(jìn)尺的姿態(tài)值計算直線段，計算見式(5)～(7)，設(shè)測點Pi的坐標(biāo)(Xi,Yi,Zi)，則Pi+1坐標(biāo)計算如下：

(5)

(6)

(7)

式中：ΔL為測點之間的距離。

改變螺桿彎角工具面來造斜，如圖6所示。按照常規(guī)定義，當(dāng)工具面調(diào)整到Ⅰ、Ⅳ區(qū)域里時，傾角增大，當(dāng)工具面調(diào)整到Ⅱ、Ⅲ區(qū)域里時，傾角減小。工具面向角為0°或 180°時的造斜強度最大。

圖6 造斜角分布示意圖Fig.6 Schematic diagram of build angle distribution

當(dāng)工具面調(diào)整到Ⅰ、Ⅱ區(qū)域里時，方位向右，當(dāng)工具面調(diào)整到Ⅲ、Ⅳ區(qū)域里時，方位角向左。當(dāng)工具面向角為90°或 270°時，左右造斜強度最大。

4 鉆進(jìn)中測量精度影響因素及分析校正

在淮北礦井實施無線電磁波定向鉆進(jìn)過程中，每3 m進(jìn)行一次測量，發(fā)現(xiàn)相鄰的測量點，有時存在傾角數(shù)據(jù)變化過大(近2°)?，F(xiàn)場兩個探管不同程度都存在相似現(xiàn)象，通常鉆孔傾角彎曲強度應(yīng)不大于0.05 rad/6 m(3°/6 m)；鉆孔方位角彎曲強度應(yīng)不大于0.035 rad/6 m(2°/6 m)[16]。現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)無法使用，不符合常規(guī)鉆進(jìn)要求，施工人員對測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性提出質(zhì)疑。

測試人員在井下鉆進(jìn)現(xiàn)場按照正常的數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，改變方式采用同一位置連續(xù)多圈旋轉(zhuǎn)，隨機停機在不同工具面進(jìn)行傾角、方位角測量。測試概況：測試鉆孔深度約100 m；液動驅(qū)動傳輸方式；鉆機處于未給進(jìn)狀態(tài)空轉(zhuǎn)鉆具；采用線圈接收信號，隨機停機測量數(shù)據(jù)，泄壓后靜態(tài)測量了26組數(shù)據(jù)，實測數(shù)據(jù)見表1。

表1 同位置不同工具面實測姿態(tài)數(shù)據(jù)Table 1 Measured attitude data of different tool surfaces in the same position (°)

由于是隨機實測數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)圖表中工具面取值較為分散。為了便于分析，對所有的數(shù)據(jù)按工具面從小到大排列，分別對傾角和方位角的數(shù)據(jù)的變化繪圖，如圖7和圖8所示。

圖7 同位置不同工具面的傾角變化Fig.7 Inclination changes of different tool faces in the same position

圖8 同位置不同工具面的方位角變化Fig.8 Azimuth variation of different tool faces in the same position

通過曲線可以看出，正常的傾角數(shù)據(jù)和方位角數(shù)據(jù)都不應(yīng)該隨工具面向角變化而變化。實測數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，其變化有明顯的規(guī)律，判定原由是由于無磁鉆桿與測量探管不同軸造成。

分析造成上述情況的原因：一是測量探管固定到無磁鉆桿的橡膠支架，在長時間使用后發(fā)生磨損，出現(xiàn)松動；二是無磁鉆桿受到鉆機的扭距和推進(jìn)力發(fā)生形變，測量探管和無磁鉆桿直線度、同軸度不一致。這兩種情況都會使測量探管的測量數(shù)據(jù)變化，大于常規(guī)無磁鉆桿彎度，測量數(shù)據(jù)也會給軌跡設(shè)計造成誤導(dǎo)。

針對上述問題，必要情況下需及時更換或修復(fù)尺寸發(fā)生變化的部件。為了滿足精度要求，需改進(jìn)鉆進(jìn)工藝，在開孔完成后正式鉆進(jìn)前，對電磁波測量系統(tǒng)的孔中部分進(jìn)行校準(zhǔn)，即原地多圈轉(zhuǎn)動鉆具，測量不同工具面時的傾角和方位角的數(shù)據(jù)，對孔中測量部分進(jìn)行二次標(biāo)定，整理對應(yīng)變化關(guān)系。補償表的基值是數(shù)據(jù)波動的中心值，基值減去校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表中不同工具面的傾角和方位角得到的數(shù)值為補償值。制作標(biāo)定表時，工具面每隔20°采用四舍五入或差值方式得到標(biāo)定值，如表2所示。

表2 不同工具面姿態(tài)補償數(shù)據(jù)Table 2 Attitude compensation data of different tool faces (°)

根據(jù)補償數(shù)據(jù)表繪制出對應(yīng)的變化趨勢圖，見圖9，圖中可以看出補償值與姿態(tài)變化趨勢互補。實際測量時，根據(jù)工具面位置查表就近選擇補償值，在實測值上加補償值即可得到姿態(tài)實際值。這種修正方法，對測點的均勻度和數(shù)據(jù)密度有一定要求，測點均勻度和數(shù)據(jù)多少決定了修正的精度高低。

圖9 不同工具面補償變化趨勢Fig.9 Compensation change trend of different tool faces

5 結(jié)語

無線電磁波系統(tǒng)在井下施工時，發(fā)現(xiàn)的傾角方位角變化大，并非系統(tǒng)精度問題，通過現(xiàn)場原鉆孔采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算成圖，找到了數(shù)據(jù)變化大的原因并給出了建議措施。給出的措施能夠有效提高測量系統(tǒng)在實鉆中的測量精度，能提高定向鉆進(jìn)效果。通過實際采集的數(shù)據(jù)分析，也驗證了無線電磁波測量系統(tǒng)自身精度滿足設(shè)計要求。