探討煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術(shù)

劉志國

摘要：煤礦隨鉆測量 （MWD） 技術(shù)可在坑道鉆探過程中捕獲坑道參數(shù)，包括坑道深度、穿透率、沖擊壓力、轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)壓力（扭矩）、進給壓力（推力）、穩(wěn)定器壓力（阻尼）、沖洗壓力（沖洗液）和沖洗流量（沖洗液）等。在現(xiàn)代鉆機上，這些參數(shù)與特定的鉆孔操作設(shè)置相關(guān)聯(lián)，例如隧道編號、孔編號、3D 空間中的孔位置、隧道截面、采樣間隔、日期和時間戳，能夠客觀可靠地評估隧道前方的巖體狀況，確定礦頂?shù)膸r體條件。但在具體的實踐中，煤礦隨鉆測量常常面臨諸多問題，平穩(wěn)可靠的標(biāo)準(zhǔn)化過程需要鉆機控制系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置和隨鉆操作程序的標(biāo)準(zhǔn)化。為此，本文借助探討煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術(shù)，為相關(guān)從業(yè)人員的研究和實踐提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：隨鉆測量;泥漿脈沖;復(fù)合鉆進;復(fù)合排渣;定向鉆進

1.煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術(shù)原理

泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術(shù)，是基于泥漿脈沖無線隨鉆測量和復(fù)合定向鉆進，發(fā)展起來的一種煤礦井下新型定向鉆進技術(shù)，其以高壓沖洗液為動力和排渣介質(zhì)，驅(qū)動液動螺桿馬達回轉(zhuǎn)碎巖鉆進，并攜帶鉆進中產(chǎn)生的鉆渣;鉆進過程中泥漿脈沖無線隨鉆測量裝置測量鉆孔傾角、方位角和液動螺桿馬達工具面向角等參數(shù)，以壓力脈沖為信號載體，以鉆桿內(nèi)沖洗液為信號傳輸通道，向孔口傳輸孔內(nèi)測量數(shù)據(jù);孔口依據(jù)接收到的測量數(shù)據(jù)進行鉆孔軌跡的調(diào)整;鉆機提供鉆進給進力、回轉(zhuǎn)力和液動螺桿馬達工具面向角調(diào)整動力等;泵車向孔內(nèi)提供高壓沖洗液。值得注意的是，泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術(shù)記錄的MWD數(shù)據(jù)受到操作因素的顯著影響，例如鉆機和煤礦鉆具的特定設(shè)置、鉆孔深度、套環(huán)工藝和連接鉆桿的延伸，以及鉆孔過程的影響，例如孔環(huán)或延長桿連接。[1]上述過程應(yīng)通過去除鉆孔套環(huán)和延長桿耦合數(shù)據(jù)過濾 MWD 數(shù)據(jù);使用線性回歸進行歸一化，以消除鉆孔深度和（進給）壓力相關(guān)的操作偏差;去除具有不切實際值的異常值。

2.煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術(shù)分析

煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術(shù)主要有三部分組成，分別是測量技術(shù)、鉆機技術(shù)和排渣技術(shù)。具體論述如下：

首先，在測量方面，泥漿脈沖信號系統(tǒng)由脈沖信號和匹配發(fā)生器系統(tǒng)組成。射頻發(fā)生器和匹配系統(tǒng)都位于一體式脈沖發(fā)生器內(nèi)。匹配系統(tǒng)將高壓沖洗液的阻抗調(diào)整為射頻發(fā)生器的輸出阻抗（50 Ω）。同軸開關(guān)允許將射頻功率引導(dǎo)到量熱負(fù)載以進行校準(zhǔn)和測試，并一次使用一個或兩個發(fā)生器進行操作。當(dāng)兩臺一體式脈沖發(fā)生器運行時，還需要一個解耦器。這對于消除兩脈沖之間的射頻功率流是必需的（0，0） 或偶極子 （0，π），因為射頻功率流與 sin（Δ φ ）成正比，其中 Δ φ是兩條脈沖之間的相位差。[2]在操作期間，高壓沖洗液位于靠近最后一個閉合通量表面的位置。當(dāng)高壓沖洗液不使用時，它會縮回到管道內(nèi)的初始停放位置。

其次，在鉆機方面，采用的是雙動力復(fù)合定向鉆進。鉆頭的設(shè)置決定了最大沖洗液流量，在 25 bar 的壓力下，當(dāng)前的泵容量可能達到 400 L/min 的總沖洗液流量。基于這一限制，使用 Epiroc TC42 棒;導(dǎo)桿的內(nèi)徑為 17 mm，長度為6.1 m，速度桿的內(nèi)徑為 14.5 mm，長度為3.1 m。在鉆井過程中，導(dǎo)向桿和延長桿（速度桿）會導(dǎo)致沖洗液壓損失。在最大沖洗液流量 （200 L/min） 下，由于摩擦導(dǎo)致的壓降對于導(dǎo)向桿為 5.8 bar，對于每個速度桿為 6.2 bar。由于泵通常產(chǎn)生 25 bar 的沖洗液壓，當(dāng)使用較長的鉆柱時，必須減少鉆桿中的摩擦損失。

最后，在排渣方面，采用的是雙動力復(fù)合排渣。利用沖洗液紊流水力排渣方式將較細(xì)巖屑懸浮，旋轉(zhuǎn)流場形成周向水流將沉淀巖屑床中的較粗巖屑攪動并懸浮在沖洗液中，在沖洗液正循環(huán)將懸浮的巖屑向孔外推送;利用鉆桿回轉(zhuǎn)機械排渣方式提高巖屑向孔外推送速度，利用同時鉆桿外表面異形結(jié)構(gòu)對巖屑進行磨削和攪拌，使高壓沖洗液能順利將巖屑帶出孔外，防止卡、埋鉆事故的發(fā)生，實現(xiàn)高效復(fù)合排渣。[3]

3.煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術(shù)應(yīng)用

煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術(shù)的實際應(yīng)用數(shù)據(jù)，是按設(shè)定的間隔收集的，范圍從2厘米到10厘米，但 MWD 數(shù)據(jù)的最大采樣率受到采樣頻率的限制。在 Epiroc 鉆頭的情況下，這被限制為每秒 2.5 個樣本。對于這項研究，測量間隔設(shè)置為2厘米，樣本的收集間隔在 2 厘米和 3 厘米之間。記錄的 MWD 數(shù)據(jù)存儲在單獨文件中。該日志文件包含鉆孔編號、鉆孔類型、吊桿編號（煤礦鉆具）、隧道斷面編號、領(lǐng)口位置、瞭望臺和設(shè)置采樣間隔。它還具有鉆機序列號和鉆機控制系統(tǒng) （RCS） 版本，以及使用的隧道名稱和導(dǎo)航類型。

在本研究中，煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術(shù)數(shù)據(jù)包括以下 MWD 參數(shù)：孔深 [mm]、穿透率 [dm/min]（鉆孔速度，PR）、錘壓 [bar]（沖擊壓力，PP）、進給壓力 [bar] （推力，F(xiàn)P），阻尼壓力 [bar]（反沖或反作用壓力，DP），轉(zhuǎn)速 [r/min]（每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，RS），旋轉(zhuǎn)壓力 [bar]（扭矩，RP），沖洗液流量 [L /min]（沖洗流量，WF），沖洗液壓 [bar]（沖洗壓力，WP）和時間 [HH：MM：SS]（時間戳）。

在進行具體分析時，首先對每個 MWD 參數(shù)的數(shù)據(jù)平均值進行數(shù)值比較;其次，進行主成分分析（PCA）來評估原始MWD參數(shù)的結(jié)構(gòu)和變量之間的相互作用。PCA 用于減少數(shù)據(jù)噪聲、簡化數(shù)據(jù)集、檢測異常值以及評估輸入?yún)?shù)之間的相關(guān)性，主要目的是獲得在多維數(shù)據(jù)空間中無法在單個變量中觀察到的有向線或平面;最后，分析比較不同煤礦鉆具與鉆孔深度相關(guān)的MWD回歸線。結(jié)果顯示，煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術(shù)鉆進安全性高;綜合鉆進效率提升;適合復(fù)雜煤巖層高效鉆進，值得在實踐中推廣和應(yīng)用。

4.結(jié)語

綜上所述，煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進是現(xiàn)階段煤礦井下鉆探業(yè)務(wù)中十分重要的技術(shù)之一。對于該技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用有助于煤礦井下定向鉆孔的開展，在原有技術(shù)基礎(chǔ)上，更好的、更安全、更高效地實現(xiàn)定向鉆孔施工。在此期間，把握好該技術(shù)的關(guān)鍵要點，有助于拓展該技術(shù)的應(yīng)用場景。

參考文獻

[1]王鮮，李泉新，許超，方俊.頂板復(fù)雜巖層無線隨鉆測量復(fù)合定向鉆進技術(shù)[J].煤礦安全，2019，50（09）：88-91.DOI：10.13347/j.cnki.mkaq.2019.09.022.

[2]石智軍，姚克，姚寧平，李泉新，田宏亮，田東莊，王清峰，殷新勝，劉飛.我國煤礦井下坑道鉆探技術(shù)裝備40年發(fā)展與展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2020，48（04）：1-34.DOI：10.13199/j.cnki.cst.2020.04.001.

[3]石智軍，許超，李泉新，陳殿賦，郝世俊，姚克.煤礦井下2570 m順煤層超深定向孔高效成孔關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2020，48（01）：196-201. DOI：10.13199/j.cnki.cst.2020.01.025.