礦用電磁隨鉆測量裝置及應用

谷麗東，汪凱斌，趙佳佳

（1.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719315；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦井下定向鉆進技術(shù)，為煤礦井下瓦斯抽采、水害防治及隱蔽致災地質(zhì)因素探查等提供了有效技術(shù)手段[1]。鉆孔軌跡實時測控是煤礦井下定向鉆進[2]的一項關(guān)鍵技術(shù)，隨鉆測量系統(tǒng)和螺桿馬達則是實現(xiàn)鉆孔軌跡實時測控的核心設(shè)備[3]。隨鉆測量系統(tǒng)由于可實現(xiàn)鉆進軌跡的實時測量與傳輸，更被譽為定向鉆進的“眼睛”。依據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，隨鉆測量系統(tǒng)分為有纜式和無纜式2大類[4-5]。煤礦井下有纜隨鉆測量系統(tǒng)采用中心通纜式鉆桿作為信號傳輸通道，其存在以下問題：①通纜鉆桿結(jié)構(gòu)復雜，生產(chǎn)和使用成本過高；②抗干擾能力差，通纜鉆桿內(nèi)芯與外殼之間的絕緣性要求高、內(nèi)芯及接頭的電阻要求低，任何一節(jié)鉆桿的絕緣不好或連接電阻過大時，可能導致信號傳輸故障；③鉆進過程中需要不停地下鉆、起鉆，通纜鉆桿內(nèi)芯彈性接頭反復磨損，易于損壞或發(fā)生接觸故障。無線隨鉆測量系統(tǒng)主要包括基于泥漿脈沖的無線隨鉆測量系統(tǒng)和基于電磁傳輸?shù)臒o線隨鉆測量系統(tǒng)。泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)和電磁隨鉆測量系統(tǒng)在地面油氣鉆探領(lǐng)域均有廣泛應用，兩者均具有工作穩(wěn)定可靠，傳輸距離遠，適用于普通鉆桿等優(yōu)點。但由于煤礦井下特殊的工況條件（有防爆要求、空間受限、鉆孔直徑小等），導致地面無線隨鉆測量系統(tǒng)無法直接應用于煤礦井下定向鉆進施工中[6-7]。為此,研制開發(fā)了一種礦用電磁煤炭工程隨鉆測量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

礦用電磁隨鉆測量系統(tǒng)由孔外設(shè)備和孔中儀器2個部分組成。孔外設(shè)備包括專用工控機及配套測量軟件、隔爆兼本安電源、接收天線及電極等；孔中儀器包括測斜探管、無線傳輸探管及孔中發(fā)射天線等。礦用電磁隨鉆測量系統(tǒng)組成如圖1。

圖1 礦用電磁隨鉆測量系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of mine-used EM-MWD system

1.1 專用工控機及配套測量軟件

專用工控機采用外接防爆鍵盤進行人機交互，采用本安型U盤進行數(shù)據(jù)導入導出操作。專用工控機內(nèi)置電磁信號接收模塊進行電磁波信號的采集和解調(diào)，除了具備常規(guī)計算機功能外，專用工控機還具有以下3個功能：①檢測測量探管；②接收孔內(nèi)上傳的電磁波信號；③檢波與解碼，獲得測量數(shù)據(jù)。

電磁信號接收模塊主要包括采集電路、解調(diào)電路及解碼電路?？變?nèi)發(fā)射信號經(jīng)過地層和鉆桿傳輸?shù)娇卓?，接收電極拾取該電磁信號后送專用工控機的電磁信號接收模塊進行放大、濾波及AD采樣、解調(diào)及解碼，所獲得的測量數(shù)據(jù)通過RS485通信電路發(fā)送給工控機，進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理、軌跡顯示等。

配套的隨鉆測量軟件具有參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲及顯示、電磁信號波形及鉆孔軌跡顯示等功能，可以實時記錄測斜數(shù)據(jù)及深度數(shù)據(jù)，計算實鉆軌跡與設(shè)計軌跡偏差，動態(tài)顯示鉆孔軌跡測量結(jié)果及工具面向角調(diào)整，用于指導鉆孔施工。

1.2 系統(tǒng)硬件

1）隔爆兼本安電源。隔爆兼本安電源將煤礦井下127 V交流電轉(zhuǎn)換為3路本安型直流電源供給專用工控機。其中1路給工控機模塊供電，1路給工控機顯示屏供電，另外1路給電磁信號接收模塊供電。

2）孔外接收天線與電極?？淄饨邮针姌O采用偶極子電極，2個電極必須要與煤層或鉆機緊密耦合以保證電磁信號的接收，并且2個電極之間的電阻值要大于5 kΩ。為減小外界電磁干擾接收天線采用2芯屏蔽線纜，屏蔽線纜要與接收電極緊密耦合。

3）測斜探管。測斜探管由測斜模塊、智能電源管理模塊及主控模塊組成，測斜模塊主要功能是在泥漿泵停止工作后（即停止鉆進時）完成鉆孔的方位角、傾角及工具面向角等姿態(tài)參數(shù)的測量，通過三軸MEMS加速度計來實現(xiàn)傾角和工具向角的測量，通過三軸磁通門或磁阻傳感器及加速計一起完成方位角的測量[8-10]；智能電源管理模塊采用流量與振動傳感器綜合判斷孔扣泥漿泵的工作狀態(tài)，以此為依據(jù)控制測斜探管和無線傳輸發(fā)射模塊的供電，實現(xiàn)智能化測量與間歇工作，達到降低功耗，延長工作時間，提高儀器智能程度的目的；主控模塊接收到測斜模塊測量數(shù)據(jù)后通過RS485通信模塊發(fā)送給無線傳輸探管。測斜模塊系統(tǒng)組成如圖2。

圖2 測斜模塊系統(tǒng)組成Fig.2 System composition of measurement module

4）無線傳輸探管。無線傳輸探管包括無線傳輸模塊及充電電池筒2部分。無線傳輸模塊具有數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制及發(fā)射功能，無線傳輸模塊將測斜探管送來的測量數(shù)據(jù)及測量參數(shù)進行曼徹斯特編碼，為提高鉆孔內(nèi)電磁信號傳輸?shù)目乖肼暤哪芰Γ捎弥苯有蛄袛U頻技術(shù)，將曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)與高速偽隨機碼相乘獲得擴頻序列，再將擴頻序列以調(diào)相的方式調(diào)制到低頻載波上進行發(fā)送。由于信息編碼與偽隨機碼不相關(guān)，接收端獲得含噪聲的擴頻序列與同步偽隨機碼相乘后，再經(jīng)過曼徹斯特解碼，即可獲得測量數(shù)據(jù)。電池筒位于無線傳輸探管內(nèi)，充電電池筒給無線傳輸模塊和測斜模塊提供所需電源，實際使用時測量探管和無線傳輸探管對接在一起，通過專用接插件實現(xiàn)電氣及機械連接，組成整套孔內(nèi)測量探管，它是影響孔內(nèi)儀器工作時間的重要設(shè)備，由于測量模塊和無線傳輸模塊電氣參數(shù)差別較大，充電電池筒采用2組鎳氫充電電池串聯(lián)構(gòu)成電池組，分別為測量模塊和無線傳輸模塊供電。為實現(xiàn)本安電路的要求，充電電池筒內(nèi)設(shè)置了保護電路及充電電路。從孔內(nèi)到孔外數(shù)據(jù)處理及無線傳輸框圖如圖3。

圖3 測量數(shù)據(jù)處理及無線傳輸框圖Fig.3 Block diagram of measurement data processing and wireless transmission

2 系統(tǒng)工作原理

礦用電磁隨鉆測量系統(tǒng)采用間歇式工作，礦用電磁隨鉆測量系統(tǒng)工作原理如圖4。

圖4 礦用電磁隨鉆測量系統(tǒng)工作原理Fig.4 Work principle of mine-used EM-MWD

將測斜探管和無線傳輸探管組裝在一起裝入無磁外管中下入施工鉆孔內(nèi)，安裝在測量短節(jié)中的智能電源管理單元檢測到泥漿泵停泵信號后，測量短節(jié)中的測斜模塊及無線傳輸發(fā)射模塊加電，測斜模塊開始采集鉆孔姿態(tài)數(shù)據(jù)，隨后將采集數(shù)據(jù)傳送給無線傳輸控制模塊進行編碼與調(diào)制，接著通過無線傳輸發(fā)射模塊將低頻電磁信號耦合到鉆桿和地層構(gòu)成的信道中[11-12]。地面電極接收到該低頻電磁信號送入專用工控機采集電磁波形并按照預先設(shè)定的規(guī)則進行相應的解調(diào)與解碼，將電磁變化波形轉(zhuǎn)化為鉆孔姿態(tài)數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)表格和軌跡曲線的方式進行存儲和顯示，為鉆孔軌跡實時調(diào)整提供依據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸和接收完成后，泥漿泵啟動，鉆機開始定向鉆進，測量探管中的智能電源管理單元檢測到泥漿泵的啟動，隨之切斷測量探管及無線傳輸發(fā)射模塊的電源，無線傳輸控制模塊處于等待狀態(tài)。

3 系統(tǒng)的性能參數(shù)和技術(shù)特點

礦用電磁隨鉆測量系統(tǒng)實物如圖5。

圖5 礦用電磁隨鉆測量系統(tǒng)實物Fig.5 Physical figure of mine-used EM-MWD system

礦用電磁隨鉆測量系統(tǒng)主要性能參數(shù)為：①探管長度：737 mm；②電池管長度：1 600 mm；③外徑：42 mm；④耐水壓：>12 MPa；⑤傳輸距離：≥500 m；⑥傳輸速率：50 bit/s；⑦方位角測量范圍：0°～360°，測量精度1.2°；⑧傾角測量范圍：-90°～90°，測量精度0.2°；⑨工具面向角測量范圍：0°～360°，測量精度為1.2°。

礦用電磁隨鉆測量系統(tǒng)具有如下特點：

1）采用電磁波傳輸方式，以鉆孔周圍地層和鉆桿為信號傳輸通道，以低頻電磁波為信號載體，信號傳輸不受有無鉆井液及鉆井液壓力變化的影響，信號傳輸穩(wěn)定、可靠。

2）擺脫了對傳統(tǒng)的中心通纜式鉆桿的依賴，只需與各種類型的常規(guī)鉆桿配套使用，降低了對鉆桿結(jié)構(gòu)和絕緣密封方面的要求，提高了定向鉆進用鉆桿強度和鉆孔施工的安全性。

3）采用新材料與新工藝制成高強度、高絕緣性、高發(fā)射效率的偶極子發(fā)射天線，提高了系統(tǒng)的發(fā)射效率，電磁信號傳輸過程中采用直接序列擴頻技術(shù)進行信號編解碼，較好地抑制了電磁干擾和噪聲，保證了信號傳輸?shù)目煽颗c穩(wěn)定，煤礦井下鉆孔內(nèi)可靠傳輸距離大于500 m。

4）孔內(nèi)儀器采用智能電源管理單元，根據(jù)泥漿泵工作狀態(tài)自動給測斜模及無線傳輸發(fā)射模塊進行供電或斷電，這種智能化的間歇工作模式，降低了儀器功耗，延長了孔內(nèi)儀器連續(xù)工作時間。

5）該系統(tǒng)適用于煤礦井下滑動定向鉆進、復合定向鉆進及常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進等工藝方法，提高了定向鉆進適用地層范圍，且可用于常規(guī)鉆孔軌跡的隨鉆測控。

4 系統(tǒng)的使用與操作

1）系統(tǒng)檢查與設(shè)置。系統(tǒng)使用前應檢查專用工控機、隔爆兼本安電源、測斜探管、無線傳輸探管、充電電池筒電量、孔內(nèi)發(fā)射天線（絕緣短節(jié)）等部件能正常工作。開始測量之前，應根據(jù)需要在工控機上安裝的隨鉆測量軟件中設(shè)置相關(guān)參數(shù)（鉆孔信息、設(shè)計軌跡、磁偏角等），保證孔內(nèi)儀器狀態(tài)和孔口軟件設(shè)置參數(shù)一致，確保能正確解調(diào)隨鉆測量數(shù)據(jù)。完成設(shè)置后可進行模擬測試，將測斜探管按已知方位放置并與無線傳輸探管對接，孔口接收天線與無線傳輸探管發(fā)射極相接，重復接收測量探管發(fā)射數(shù)據(jù)3次，3次測量數(shù)據(jù)一致，確定探管工作正常，可進行井下測量作業(yè)。

2）孔口設(shè)備連接。將專用工控機固定在操作人員容易觀察、方便使用的地方，隔爆兼本安電源接入井下防爆電柜中，隔爆兼本安電源輸出線與孔口專用工控機的電源接口相接。將孔口專用工控機天線接口和孔口接收天線相接，孔口接收天線的一極與鉆機的某一固定部件相接，要求緊密、接觸電阻盡可能小，孔口接收天線另一極與接收電極緊密相接。為了保證良好的電磁信號接收效果，接收電極采用導電性好的銅材質(zhì)制作，將接收電極固定在煤層頂板或底板（埋深不小于2 m），要求接收電極與煤層頂板或底板直接接觸、緊密耦合。布置接收電極時，注意接收電極和煤層頂板和底板的錨桿或錨網(wǎng)不能有任何接觸。

3）孔中測量探管組裝。將測斜短節(jié)引線接口和無線傳輸短節(jié)引線接口對接且螺紋擰緊，組成孔中測量探管。將測量探管安裝到無磁外管中并通過外殼內(nèi)的鍵槽和支撐零件固定，最后再將絕緣短節(jié)與儀器無磁外管相連，組成整個孔內(nèi)儀器總成。為保證磁測斜儀測量精度，通常在孔內(nèi)儀器前端加裝3 m長的無磁鉆桿。

4）裝置使用。在孔口將鉆頭、螺桿馬達、無磁鉆桿及孔內(nèi)儀器總成等依次連接，進行工具面修正。然后在絕緣短節(jié)后端連接鉆進用鉆桿，將孔中儀器下入孔底。定向鉆進時，孔中儀器根據(jù)泥漿泵工作狀態(tài)，發(fā)送測量數(shù)據(jù)及參數(shù)，孔口顯示實時測量得方位角、傾角、工具面向角及鉆孔軌跡等信息，用于指導鉆機操作人員調(diào)整孔底馬達彎頭指向，從而達到鉆孔軌跡的調(diào)整，完成定向鉆進施工任務(wù)。

5 井下試驗

礦用電磁隨鉆測量系統(tǒng)在神華億利能源公司黃玉川煤礦進行了現(xiàn)場試驗，成功完成了孔深408 m隨鉆試驗，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性[13-14]。

此次試驗地層為太原組6上煤層及6號煤層。6上煤層賦存于太原組頂部，頂?shù)装鍘r性大部分為砂質(zhì)泥巖、砂巖。6號煤層賦存與太原組中上部，頂?shù)装鍘r性大部分為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、粗砂巖[15]。礦井水文物探探查顯示6煤底板含砂巖裂隙-孔隙水，因而決定提前從6上煤層施工6煤底板水疏放定向孔對含水體進行超前治理，避免后期發(fā)生水害事故。試驗裝備為ZDY6000LD型履帶式全液壓坑道定向鉆機、3NB-320型往復式泥漿泵和準73 mm常規(guī)外平鉆桿及YSDGC電磁隨鉆測量系統(tǒng)。該鉆孔從二水平主運輸大巷6上煤開孔連續(xù)鉆進至二水平待掘輔運大巷的6煤底板終孔，開孔點與終孔點之間垂直落差約25 m，鉆孔深度408 m。開孔點在6上煤層中，開孔位置距6上煤底板1.5 m，開孔角度約為-3°。該孔先后穿過6上煤、6上煤底板、6煤及6煤底板，本次鉆孔施工實鉆軌跡剖面如圖6。鉆孔施工過程中分別采用滑動定向鉆進和復合定向鉆進技術(shù)，整個施工過程中電磁隨鉆測量系統(tǒng)工作正常，測量數(shù)據(jù)準確、無線傳輸可靠。

圖6 試驗鉆孔實鉆軌跡剖面圖Fig.6 Drilling trajectory profile of the experimental drilling hole

6 結(jié)語

1）礦用電磁隨鉆測量系統(tǒng)滿足煤礦井下各類煤層和巖層孔定向鉆進施工需要，革新了煤礦井下現(xiàn)有的隨鉆測量信號傳輸方式，配套常規(guī)鉆桿使用，大大降低了定向鉆進裝備成本，提高了鉆井效率和鉆進安全性，為煤礦井下隨鉆測量提供了新的技術(shù)與裝備。

2）礦用電磁波隨鉆測量系統(tǒng)，采用電磁波作為信號傳輸方式，鉆孔內(nèi)有無泥漿液及泥漿液壓力變化是否穩(wěn)定等都不影響電磁波信號傳輸。相比于近幾年新出現(xiàn)的基于泥漿脈沖無線傳輸?shù)碾S鉆測量裝置，電磁波隨鉆測量系統(tǒng)不但適用于基于泥漿液驅(qū)動的定向鉆進，也適用于基于空氣驅(qū)動的定向鉆進，有效地拓寬了煤礦井下隨鉆測量系統(tǒng)的應用范圍。

3）由于存在大量錨網(wǎng)及錨桿等金屬物體，又有采煤機、傳輸帶、鉆機等多種用電設(shè)備，煤礦井下電磁干擾和噪聲很大，而防爆認證要求孔內(nèi)儀器發(fā)射功率受限，為了實現(xiàn)遠距離通信，必須抑制工頻干擾和隨機噪聲，在實際施工中孔口接收電極的安裝與使用對孔中電磁信號的接收效果有重要影響，通常將2個或3個接收電極并聯(lián)以增強信號接收，同時保持各接收電極與井下金屬錨桿或錨網(wǎng)不能有任何接觸，以避免電磁信號被屏蔽。