煤礦井下近鉆頭隨鉆測量技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

郝世俊，褚志偉，李泉新，方 俊，陳 龍，劉建林

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦智能化是煤炭行業(yè)實現(xiàn)安全、綠色、智能、高效發(fā)展的核心技術(shù)支撐[1]。2020 年2 月，國家八部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，為加快煤礦智能化建設(shè)提供綱領(lǐng)性指引，對煤炭地質(zhì)保障技術(shù)提出了具體發(fā)展目標(biāo)：重點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)地質(zhì)探測技術(shù)攻關(guān)，通過智能鉆探和智能物探等技術(shù)手段，構(gòu)建面向智能開采的透明工作面，為智能開采提供高精度地質(zhì)導(dǎo)航[2]。

隨鉆測量技術(shù)作為煤礦井下智能鉆探的關(guān)鍵組成之一，在鉆進(jìn)過程中實時監(jiān)測鉆孔軌跡參數(shù)(鉆孔傾角、方位角和螺桿鉆具工具面向角等)、鉆進(jìn)工程參數(shù)(鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速和振動等)和鉆遇地層參數(shù)(巖性和含水率等)，可為鉆孔軌跡調(diào)整、鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化和鉆遇地層分析提供數(shù)據(jù)支持，有力保障高精度透明工作面的建設(shè)[3-4]。

現(xiàn)階段煤礦井下隨鉆測量以鉆孔軌跡參數(shù)測量為主，已廣泛應(yīng)用于瓦斯抽采、水害防治和隱蔽致災(zāi)因素探查等多類型定向鉆孔施工[5-7]。代表性產(chǎn)品主要包括YHD2-2000 孔口供電隨鉆測量裝置、YHD3-3000礦用泥漿脈沖無線隨鉆測量裝置和YSDC 礦用電磁波無線隨鉆測量裝置。應(yīng)用YHD2-2000 孔口供電隨鉆測量裝置創(chuàng)造了煤礦井下中硬煤層順煤層鉆孔2 311 m 的孔深紀(jì)錄，采用YHD3-3000 礦用泥漿脈沖無線隨鉆測量裝置創(chuàng)造了煤礦井下中硬煤層順煤層鉆孔2 570 和3 353 m 的孔深新紀(jì)錄，利用YSDC 礦用電磁波無線隨鉆測量裝置創(chuàng)造了煤礦井下碎軟煤層順煤層鉆孔556 m 的孔深紀(jì)錄，有力支撐了煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備發(fā)展[8-11]。

同時，鉆進(jìn)工程參數(shù)和鉆遇地層參數(shù)測量技術(shù)也取得了一定進(jìn)展。鉆進(jìn)工程參數(shù)測量方面，李泉新等[12]開發(fā)了煤礦井下首套YZD-15 礦用本安型隨鉆多參數(shù)測量裝置，可以實時監(jiān)測孔底扭矩、鉆壓、內(nèi)外環(huán)空壓力、轉(zhuǎn)速、振動等鉆進(jìn)工程參數(shù)。鉆遇地層參數(shù)測量方面，陳龍等[13]研制了煤礦井下首套YSG(A)礦用隨鉆動態(tài)方位伽馬測井儀，采用屏蔽開窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了單伽馬晶體的8 扇區(qū)分區(qū)測量，探測半徑最大為0.3 m；陳剛等[14]研究了隨鉆方位電磁波測井儀設(shè)計方案，通過正演模擬分析了源距、發(fā)射頻率、線圈安裝角度等儀器參數(shù)對信號響應(yīng)影響規(guī)律。

隨著煤礦井下智能鉆探技術(shù)的深入推進(jìn)和快速發(fā)展，現(xiàn)有隨鉆測量技術(shù)逐漸不能滿足智能化需求[15-16]。主要體現(xiàn)在以下方面：(1)隨鉆測量裝置安裝在螺桿鉆具后方，測點(diǎn)距離鉆頭一般在6 m 以上，測量存在一定的滯后性；(2)無線隨鉆測量裝置使用電池筒供電，受煤礦井下防爆要求限制電池筒電量，需要定期提鉆更換，續(xù)航能力低；(3)無線隨鉆測量裝置采用正脈沖方式傳輸孔底參數(shù)，傳輸速率≤0.5 b/s，無法滿足智能鉆探大數(shù)據(jù)量快速傳輸?shù)囊?，傳輸速率低?/p>

近鉆頭隨鉆測量能夠獲取鉆頭附近參數(shù)(最近測點(diǎn)距鉆頭距離≤0.5 m)，集成了近鉆頭多參數(shù)測量、渦輪連續(xù)發(fā)電和高速泥漿脈沖無線信號傳輸?shù)榷囗楆P(guān)鍵核心技術(shù)，可以滿足煤礦井下智能鉆探對隨鉆測量的技術(shù)需求[17]。目前，近鉆頭隨鉆測量主要應(yīng)用于地面石油與天然氣鉆井領(lǐng)域，煤礦井下還未見相關(guān)應(yīng)用[18]。因此，基于煤礦井下特殊應(yīng)用工況和隨鉆測量技術(shù)現(xiàn)狀，提出了近鉆頭隨鉆測量技術(shù)的研究思路，分析了需要重點(diǎn)攻克的技術(shù)難題，并預(yù)測了未來發(fā)展趨勢，以期為煤礦井下近鉆頭隨鉆測量技術(shù)研究提供一定的指導(dǎo)和參考，促進(jìn)煤礦井下智能鉆探技術(shù)發(fā)展。

1 地面近鉆頭隨鉆測量研究現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)簡介

近鉆頭隨鉆測量是地面石油與天然氣鉆井領(lǐng)域最具發(fā)展前景的高新技術(shù)之一，以近鉆頭井眼軌跡參數(shù)、地層地質(zhì)參數(shù)與鉆進(jìn)工程參數(shù)的隨鉆測量和高速傳輸、信息解釋、決策控制為主要技術(shù)特征，能有效提高油氣層鉆遇率，降低鉆井成本。近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)主要包括近鉆頭測量儀器、測傳螺桿鉆具、隨鉆測井儀器(LWD)、隨鉆測量儀器(MWD)和渦輪發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵單元，如圖1 所示。

圖1 近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of near-bit MWD system

1.2 研究現(xiàn)狀

為了提升近鉆頭隨鉆測量的技術(shù)水平，地面石油與天然氣鉆井領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者，從以下幾個方面開展了深入研究。

1)近鉆頭參數(shù)測量

Y.Yaslan[19]、C.Viens[20]、Zhang Majia[21]等分析了近鉆頭測量環(huán)境磁干擾因素，提出了徑向磁干擾校正方法，明顯提高了近鉆頭磁性傳感器的測量精度；謝夏等[22]提出了基于卡爾曼濾波算法以抑制低頻噪聲的動態(tài)井斜測量方法，提高了近鉆頭動態(tài)井斜的測量精度；宋曉健等[23]開發(fā)了基于數(shù)據(jù)融合的井眼軌跡參數(shù)動態(tài)測量方法，可以顯著降低旋轉(zhuǎn)、振動和磁干擾對近鉆頭動態(tài)井斜測量的影響；Sun Jian[24]、Mao Yanhui[25]、Wang Chao[26]等基于機(jī)器學(xué)習(xí)原理提出了近鉆頭巖性預(yù)測方法，進(jìn)一步提高了近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向的測量精度；李洪強(qiáng)等[27]研究了偏心條件下近鉆頭伽馬成像誤差特征，建立了伽馬成像圖譜環(huán)境校正方法，使近鉆頭伽馬成像測量結(jié)果更能反映鉆遇地層的真實情況。

2)近鉆頭無線短傳

宋殿光等[28]基于等效理論建立了電流環(huán)和螺線環(huán)共用仿真模型，分析了無線短傳信號衰減特性，獲得了近鉆頭電磁無線短傳運(yùn)行特征與鉆進(jìn)工況的耦合關(guān)系，得出工作頻率為1～2 kHz；江濤[29]構(gòu)建了磁耦合通信電路等效模型，研究了發(fā)射線圈和接收線圈參數(shù)變化情況下無線短傳信號的傳輸特點(diǎn)，開發(fā)出適用性好、穩(wěn)定性強(qiáng)的近鉆頭磁耦合無線短傳技術(shù)；Tian Kaixiao[30]、Li Peng[31]等開發(fā)了近鉆頭聲波無線短傳技術(shù)，以壓縮聲波載體在鉆柱上傳輸近鉆頭測量數(shù)據(jù)，傳輸速率可超過100 b/s，實現(xiàn)了近鉆頭數(shù)據(jù)的高速傳輸。

3)近鉆頭隨鉆測量小型化

韋海瑞等[32]針對油氣和地質(zhì)勘探小口徑井眼施工技術(shù)需求，研究分析了電磁波無線傳輸、小直徑渦輪發(fā)電和MEMS 傳感器等關(guān)鍵技術(shù)，為外徑規(guī)格153 mm 以內(nèi)小型化近鉆頭隨鉆測量研究提供了技術(shù)思路；潘興明等[33]通過優(yōu)化設(shè)計電磁無線短傳線圈結(jié)構(gòu)、側(cè)壁單元艙體布局、測控電路整體方案，開發(fā)了適用于149～200 mm 井眼尺寸的小型化近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)，顯著縮短了測量零長，其中近鉆頭電阻率測點(diǎn)距鉆頭距離控制在0.5 m 以內(nèi)；A.AL-Awadh、J.Gremillion[34-35]等研究了小型化近鉆頭隨鉆測量儀器結(jié)構(gòu)布局方法，可以滿足薄油層長距離水平井精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)的技術(shù)要求。

1.3 國內(nèi)外代表性產(chǎn)品

地面石油與天然氣鉆井領(lǐng)域中貝克休斯、斯倫貝謝和哈利伯頓等國外知名油服企業(yè)均研發(fā)生產(chǎn)有近鉆頭隨鉆測量產(chǎn)品，作為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)關(guān)鍵配套裝備，已較為廣泛用于地面石油、天然氣和非常規(guī)油氣資源勘探與開發(fā)鉆井作業(yè)；中國石油天然氣集團(tuán)有限公司(簡稱中石油)、中國石油化工集團(tuán)有限公司(簡稱中石化)、中國海洋石油集團(tuán)有限公司(中海油)和北京六合偉業(yè)科技股份有限公司(簡稱六合偉業(yè))等國內(nèi)企業(yè)通過消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)研發(fā)經(jīng)驗，自主研發(fā)了適用于我國復(fù)雜鉆井工況的近鉆頭隨鉆測量產(chǎn)品，進(jìn)行了一定程度的現(xiàn)場推廣應(yīng)用，代表性產(chǎn)品見表1。

表1 石油和天然氣鉆探領(lǐng)域代表性近鉆頭產(chǎn)品Table 1 Representative near-bit products in oil and gas drilling

1)國外代表性產(chǎn)品

貝克休斯公司開發(fā)的Auto Trak G3，該系統(tǒng)由可旋轉(zhuǎn)的泥漿馬達(dá)和隨鉆測量傳感器組構(gòu)成，可用于地質(zhì)導(dǎo)向和地層評價[36]。其近鉆頭井斜傳感器位于鉆頭后面1 m 處，除了提供近鉆頭井斜角數(shù)據(jù)之外，還可提供包括方位、伽馬射線、多頻率探測深度的電阻率等井下參數(shù)，系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 Auto Trak G3 組成Fig.2 Composition of Auto Trak G3

2)國內(nèi)代表性產(chǎn)品

(1)中海油田服務(wù)股份有限公司NBIG

中海油田服務(wù)股份有限公司NBIG 近鉆頭測井系統(tǒng)有井斜測量、近鉆頭方位伽馬測量功能，直接與鉆頭連接，通過無線遙傳技術(shù)跨馬達(dá)傳輸，再通過掛接的Drilog?隨鉆測井系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳至地面，實現(xiàn)了對井眼的“近察”，有效提高了軌跡控制和地質(zhì)導(dǎo)向找油的主動性[37]。NBIG 分為上下2 個短節(jié)：上短節(jié)NBIGU和下短節(jié)NBIGD，如圖3 所示。NBIGD 為測量短節(jié)，位于鉆頭和馬達(dá)之間，NBIGU 為數(shù)據(jù)跨傳短節(jié)，可與中海油服的Drilog?隨鉆測井系統(tǒng)或其他廠家的MWD系統(tǒng)連接，將近鉆頭數(shù)據(jù)傳輸至地面。

圖3 NBIG 組成Fig.3 Composition of NBIG

(2)北京六合偉業(yè)公司XZ-NBMS

XZ-NBMS 型近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)由北京六合偉業(yè)和西部鉆探工程院共同開發(fā)，包括測量鉆鋌和接收鉆鋌兩部分，測量鉆鋌在螺桿和鉆頭之間，實時測量近鉆頭處的動態(tài)方位伽馬數(shù)據(jù)和井斜數(shù)據(jù)，并通過無線電磁波傳輸給連接在螺桿上端的接收鉆鋌，近鉆頭測量參數(shù)隨即通過MWD 系統(tǒng)傳輸?shù)降孛鎇38]。XZ-NBMS型近鉆頭系統(tǒng)包括地面設(shè)備部分和井下工具部分，如圖4 所示。地面設(shè)備部分包括：壓力傳感器、無線收發(fā)主機(jī)、無線傳感器主機(jī)、司鉆顯示器、數(shù)據(jù)處理儀。井下工具部分包括：近鉆頭測量短節(jié)(發(fā)射短節(jié))、近鉆頭接收短節(jié)(帶無線發(fā)射機(jī)芯)、無線通信短節(jié)(帶MWD循環(huán)套)、MWD。

圖4 XZ-NBMS 組成Fig.4 Composition of XZ-NBMS

1.4 現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下的局限性

現(xiàn)有地面石油與天然氣鉆探領(lǐng)域近鉆頭隨鉆測量產(chǎn)品無法直接應(yīng)用于煤礦井下，局限性主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1)防爆要求

煤礦井下鉆探施工處于瓦斯和粉塵爆炸性環(huán)境中，對儀器設(shè)備的電氣性能和防爆性能要求高，儀器設(shè)備必須進(jìn)行特殊防爆設(shè)計并獲得煤安認(rèn)證才能在井下使用；現(xiàn)有的近鉆頭隨鉆測量產(chǎn)品功率高，電氣結(jié)構(gòu)部分不能滿足井下防爆要求，無法直接應(yīng)用于煤礦井下[39]。

2)規(guī)格尺寸

煤礦井下常用隨鉆測量儀器整體外徑為73 mm和89 mm，然而現(xiàn)有的近鉆頭隨鉆測量產(chǎn)品外徑一般在133 mm 以上(六合偉業(yè)XZ-NBMS 外徑≥133 mm，中海油NBIG 外徑≥172 mm)，現(xiàn)有產(chǎn)品尺寸規(guī)格大，不能直接用于井下鉆孔施工。

3)技術(shù)限制

現(xiàn)有的近鉆頭隨鉆測量產(chǎn)品涉及機(jī)、電、液和控等多學(xué)科交叉，通過伽馬、電阻率、電磁波和中子密度等測井技術(shù)獲取鉆井參數(shù)，利用渦輪發(fā)電機(jī)供電，采用高速泥漿脈沖傳輸近鉆頭測量信息，技術(shù)集成度高，為石油與天然氣地質(zhì)導(dǎo)向和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井裝備系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分[40]。目前，煤礦井下定向鉆探處于以鉆孔軌跡測量為主的幾何導(dǎo)向階段，技術(shù)集成度低，短期內(nèi)無法引進(jìn)消化吸收現(xiàn)有的近鉆頭隨鉆測量技術(shù)。

2 煤礦井下近鉆頭隨鉆測量技術(shù)研究現(xiàn)狀

在充分借鑒地面石油與天然氣鉆探領(lǐng)域近鉆頭隨鉆測量技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，依托煤礦井下現(xiàn)有隨鉆測量技術(shù)，總結(jié)提出了煤礦井下近鉆頭隨鉆測量技術(shù)的研究思路，分析了煤礦井下近鉆頭隨鉆測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

2.1 研究思路

根據(jù)煤礦井下特殊的應(yīng)用環(huán)境，提出了煤礦井下近鉆頭隨鉆測量技術(shù)的研究思路，如圖5 所示。

圖5 煤礦井下近鉆頭隨鉆測量技術(shù)研究思路Fig.5 Research ideas of near-bit MWD in underground coal mine

首先進(jìn)行了總體研究思路的規(guī)劃，重點(diǎn)解決結(jié)構(gòu)小型化、儀器單元化、防爆模塊化、測量協(xié)同化和控制整體化的研發(fā)難題[41-43]。其中，結(jié)構(gòu)小型化需要考慮儀器外徑控制在89 mm 以內(nèi)時，在保證結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度的情況下，如何將傳感器、電路板、供電模塊等布置在緊湊結(jié)構(gòu)布局中；儀器單元化即根據(jù)儀器的功能進(jìn)行單元化開發(fā)，主要包括近鉆頭測量儀器、渦輪供電儀器和隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸儀器；防爆模塊化即進(jìn)行儀器本安型和隔爆型綜合防爆模塊化設(shè)計，以滿足煤礦井下防爆要求；測量協(xié)同化需要解決近鉆頭儀器參數(shù)測量，與螺桿鉆具后端常規(guī)儀器參數(shù)測量的協(xié)同化，既要保證2 種儀器參數(shù)測量的獨(dú)立性，又要進(jìn)行參數(shù)的融合利用；控制整體化即進(jìn)行儀器測量、供電、信號傳輸和雙向通信的整體監(jiān)測和控制，以提高運(yùn)行效率。

在完成總體研究思路規(guī)劃的基礎(chǔ)上，依次進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)、關(guān)鍵模塊研制和關(guān)鍵性能測試，從而基本實現(xiàn)煤礦井下近鉆頭隨鉆測量技術(shù)的整體開發(fā)。

2.2 研究現(xiàn)狀

在總結(jié)提煉煤礦井下近鉆頭隨鉆測量技術(shù)研究思路的基礎(chǔ)上，分析探討了煤礦井下近鉆頭測量儀器、測傳智能螺桿鉆具、渦輪穩(wěn)定發(fā)電裝置和隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)裝置的研究現(xiàn)狀。

1)近鉆頭測量儀器

現(xiàn)階段煤礦井下還未見近鉆頭測量儀器的相關(guān)研究，現(xiàn)有的隨鉆測量儀器按照信號傳輸方式不同可以劃分為有線隨鉆測量裝置、泥漿脈沖無線隨鉆測量裝置和電磁波無線隨鉆測量裝置，均布置在螺桿鉆具后方，且由于使用磁性傳感器測量鉆孔方位角，為了消除螺桿鉆具的磁性干擾，需要在測量探管和螺桿鉆具之間使用下無磁鉆桿(長度≥3 m)，造成測點(diǎn)距離鉆頭一般在6 m 以上，如圖6 所示，鉆孔參數(shù)測量存在一定的滯后性。

圖6 煤礦井下隨鉆測量鉆進(jìn)裝備組成Fig.6 Composition of drilling equipment for measurement while drilling in underground coal mine

陀螺傳感器不依賴地磁場，鉆孔方位角測量精度不受螺桿鉆具磁性干擾的影響，可以不使用下無磁鉆桿，可將測量探管到鉆頭的距離縮短至3 m 左右，提高測量的時效性。陀螺隨鉆測量在地面石油與天然氣鉆探領(lǐng)域已開展了一定的推廣和應(yīng)用[44-46]。煤礦井下方面陀螺傳感器主要用于鉆孔開孔定向，燕斌等[46]采用單軸光纖陀螺和MEMS 陀螺進(jìn)行姿態(tài)解算和濾波處理，研發(fā)了一種適用于煤礦井下鉆機(jī)開孔的定向儀；隨鉆測量方面只進(jìn)行了陀螺隨鉆測量方法的研究，叢琳等[47]采用UKF 濾波方法分析了陀螺隨鉆測量誤差分布特征，為煤礦井下陀螺隨鉆測量的研發(fā)提供了技術(shù)指導(dǎo)，但還未見陀螺隨鉆測量產(chǎn)品的成功應(yīng)用案例。

2)測傳智能螺桿鉆具

現(xiàn)階段煤礦井下還未見測傳智能螺桿鉆具的相關(guān)研究，現(xiàn)有螺桿鉆具的研究集中在提高碎巖效率方面[48]。王四一等[49]針對常規(guī)單彎螺桿鉆具破碎硬巖層效率低、鉆頭和鉆具易損壞的問題，研制了具有沖擊和定向雙重功能沖擊螺桿鉆具，鉆進(jìn)效率較常規(guī)單彎螺桿鉆具提高20%～30%[27]；劉建林等[50]針對?73 mm 規(guī)格液動螺桿鉆具回轉(zhuǎn)扭矩低的問題，開發(fā)了礦用?73 mm等壁厚螺桿鉆具，最大扭矩超過600 N·m，與同規(guī)格常規(guī)螺桿鉆具相比可提高1 倍左右；陳沁東等[51]針對頂板高位大直徑定向鉆孔分級擴(kuò)孔綜合效率低、鉆具安全性差等問題，研制了雙級雙速擴(kuò)孔螺桿鉆具，實現(xiàn)了鉆孔由?120 mm 一次擴(kuò)孔至?200 mm。

3)渦輪穩(wěn)定發(fā)電裝置

現(xiàn)階段煤礦井下已開展渦輪穩(wěn)定發(fā)電裝置的相關(guān)研究，研制出了礦用小直徑渦輪發(fā)電機(jī)的樣機(jī)，結(jié)構(gòu)組成如圖7 所示。陳龍等[52]針對孔內(nèi)電池供電儀器續(xù)航能力有限的問題，研制了一種礦用小功率泥漿渦輪發(fā)電機(jī)，室內(nèi)測試結(jié)果表明輸出功率在10 W 以上，可以滿足現(xiàn)有隨鉆測量儀器供電的需求；張冀冠等[53]采用隔爆兼本安型防爆形式和磁耦合驅(qū)動電機(jī)結(jié)構(gòu)方式，研制了具有充電自關(guān)斷和自恢復(fù)、發(fā)電過程和電池信息實時監(jiān)測、充放電雙重保護(hù)等功能的礦用小直徑渦輪發(fā)電機(jī)，溫升測試和發(fā)電性能試驗結(jié)果表明，可以滿足煤礦井下防爆和孔內(nèi)儀器供電的要求。

圖7 礦用小直徑渦輪發(fā)電機(jī)組成Fig.7 Composition of small-diameter turbine generator for underground coal mine

4)隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸技術(shù)

(1)有線載波雙向通信

煤礦井下現(xiàn)有的隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸技術(shù)主要為有線載波雙向通信，其采用直接耦合載波方法，通過載波傳輸速率、載波電壓和載波電流自主匹配，進(jìn)行直流載波供電技術(shù)高轉(zhuǎn)化效率，實現(xiàn)了孔口和孔內(nèi)的雙向載波高效通信，信號傳輸速率可達(dá)到9 000 b/s 以上，如圖8 所示。

圖8 煤礦井下有線載波雙向通信原理Fig.8 Principle of bidirectional wireline carrier communication in underground coal mine

方俊[54]、陳龍[55]等通過設(shè)計穩(wěn)定恒壓源、信號高效編解碼和二次供電模式，開發(fā)了一種以孔口防爆計算機(jī)為供電源的有線載波通信技術(shù)，傳輸距離超過1 800 m；高珺等[56]以中心通纜鉆桿為傳輸通道，將隨鉆測量數(shù)據(jù)通過直接加載的方式耦合到低壓直流電力線回路，實現(xiàn)了低壓直流載波通信。

(2)高速泥漿無線脈沖通信

高速泥漿無線脈沖是指連續(xù)波泥漿脈沖，利用往復(fù)震蕩的擺動閥或連續(xù)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)閥產(chǎn)生連續(xù)脈沖信號，最高數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到40 b/s[57-58]。現(xiàn)階段煤礦井下還未見高速泥漿無線脈沖的相關(guān)研究，現(xiàn)有研究集中在正脈沖隨鉆測量，傳輸速率一般在1 b/s 以內(nèi)[59]。李泉新等[60]基于正脈沖產(chǎn)生原理，提出了電磁閥+流道控制閥的脈沖信號發(fā)生裝置，如圖9 所示，最大信號傳輸深度超過3 000 m；方俊等[61]建立了煤礦井下正脈沖信號傳輸模型，分析了信號傳輸速率、信號發(fā)生頻率、孔深和鉆柱內(nèi)徑等因素對脈沖信號強(qiáng)度的影響規(guī)律。

圖9 脈沖發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of pulse generator

(3)無線電磁波通信

煤礦井下無線電磁波隨鉆測量以電磁波為信號載體，利用含煤地層和鉆柱為通道傳輸孔底測量數(shù)據(jù)，信號傳輸速率可達(dá)到50 b/s。

連杰等[62-63]基于小信號檢測技術(shù)，設(shè)計了電磁波無線隨鉆測量儀器用孔口處理終端，實現(xiàn)了傳輸距離500 m 以內(nèi)微弱信號的準(zhǔn)確接收；張騁[64]借助等效傳輸線方法，建立了煤礦井下電磁波傳輸模型，分析了發(fā)射頻率、含煤地層電阻率、鉆桿電阻率等因素對電磁波信號的影響規(guī)律；汪凱斌[65]針對碎軟煤層氣動定向鉆進(jìn)隨鉆測量的技術(shù)需求，開發(fā)了YSDC 礦用電磁波無線隨鉆測量儀器，傳輸深度超過500 m。

3 煤礦井下近鉆頭隨鉆測量技術(shù)發(fā)展趨勢

在煤礦智能化建設(shè)大背景下，作為煤礦安全高效智能開采關(guān)鍵地質(zhì)保障的智能鉆探技術(shù)，也得到了較快的發(fā)展[66]。以自動化鉆機(jī)、隨鉆參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)和礦用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)為主的智能鉆探技術(shù)裝備成功研發(fā)，推動了煤礦智能化的發(fā)展[67-68]。近鉆頭參數(shù)測量可獲取鉆頭附近更具實效性多類型信息，可為智能鉆探自主鉆進(jìn)決策提供可靠的數(shù)據(jù)支持。因此，面對新一輪能源革命和產(chǎn)業(yè)變革，煤礦井下鉆探技術(shù)裝備與5G、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)加速融合，對近鉆頭隨鉆測量技術(shù)提出了進(jìn)一步發(fā)展要求。

3.1 近鉆頭多參數(shù)一體化測量技術(shù)

地層參數(shù)測量方面，研制由閃爍體和光電倍增管組成的自然伽馬探測器，設(shè)計屏蔽外管開窗結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)特性方向的自然伽馬探測[69]；采用電磁波式電阻率測量方法，建立含煤地層電磁波電阻率測量模型，實現(xiàn)含煤地層電阻率參數(shù)的測量。工程參數(shù)測量方面，搭建合適的電阻應(yīng)變橋，采用電阻應(yīng)變計電測法測量扭矩和鉆壓，提高檢測的靈敏度；應(yīng)用壓力、陀螺、加速度和溫度等傳感器進(jìn)行內(nèi)外環(huán)空壓力、轉(zhuǎn)速、振動、溫度等參數(shù)的測量。

開發(fā)集成鉆孔軌跡參數(shù)、鉆進(jìn)工程參數(shù)和鉆遇地層參數(shù)3 種類型信息的近鉆頭一體化測量方法，采用測量單元模塊化的技術(shù)方案，解決多種類型參數(shù)融合測量的難題，在保證多參數(shù)測量獨(dú)立性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多參數(shù)的融合利用。

3.2 近鉆頭參數(shù)動態(tài)監(jiān)測技術(shù)

鉆進(jìn)過程中離心、振動和沖擊等因素會影響近鉆頭參數(shù)測量精度。采用高通濾波算法消除鉆柱回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心緩慢變化信號干擾；開發(fā)高通和低通組合濾波方法濾除振動隨機(jī)信號干擾；研究基于相關(guān)檢測的噪聲提取方法消除沖擊隨機(jī)信號干擾；開發(fā)軸向和徑向可靠減振機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步降低干擾因素的影響程度。在消除離心、振動和沖擊等因素干擾的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)近鉆頭參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測，為鉆進(jìn)狀態(tài)分析與優(yōu)化調(diào)控提供實時數(shù)據(jù)支撐。

3.3 近鉆頭旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)

研發(fā)近鉆頭參數(shù)測量和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向協(xié)同鉆進(jìn)系統(tǒng)，完善提升礦用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置性能和穩(wěn)定性，通過關(guān)鍵部件自主研發(fā)降低裝置的使用維護(hù)成本；將近鉆頭測量儀器布置在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置和鉆頭之間，近鉆頭測量儀器為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置提供工作模式調(diào)整的決策依據(jù)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置為近鉆頭測量儀器提供供電和信號傳輸通道。

3.4 近鉆頭自適應(yīng)鉆進(jìn)技術(shù)

依托鉆孔軌跡參數(shù)、鉆進(jìn)工程參數(shù)和鉆遇地層參數(shù)的一體化測量，研究鉆孔軌跡智能優(yōu)化與控制方法，建立鉆孔軌跡、含煤地層與鉆進(jìn)參數(shù)間的耦合作用規(guī)律，基于先進(jìn)的人工智能算法，對近鉆頭多參數(shù)進(jìn)行反演分析，建立智能鉆探專家數(shù)據(jù)庫，獲取鉆孔軌跡和鉆進(jìn)參數(shù)最優(yōu)調(diào)控策略，研究孔口終端和孔底儀器的雙向高效通信方法，開發(fā)近鉆頭自適應(yīng)鉆進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)智能鉆探鉆進(jìn)過程的閉環(huán)控制。

4 結(jié)論

a.近鉆頭隨鉆測量能夠獲取鉆頭附近鉆孔軌跡參數(shù)、鉆進(jìn)工程參數(shù)和鉆遇地層參數(shù)，具有參數(shù)測量時效性好、孔內(nèi)續(xù)航時間長和信號傳輸速率高等顯著優(yōu)勢，可以滿足煤礦井下智能鉆探對隨鉆測量技術(shù)需求。

b.根據(jù)煤礦井下特殊的應(yīng)用環(huán)境，依托煤礦井下現(xiàn)有隨鉆測量技術(shù)，提出了煤礦井下近鉆頭隨鉆測量技術(shù)的研究思路，通過依次進(jìn)行總體研發(fā)思路制定、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、關(guān)鍵模塊研制和關(guān)鍵性能測試，重點(diǎn)攻克近鉆頭參數(shù)測量、跨螺桿鉆具供電和信號傳輸、小直徑渦輪穩(wěn)定發(fā)電、隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)燃夹g(shù)難題，基本實現(xiàn)煤礦井下近鉆頭隨鉆測量技術(shù)的研發(fā)。

c.分析探討了煤礦井下近鉆頭隨鉆測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀，現(xiàn)階段已順利研發(fā)礦用小直徑渦輪發(fā)電機(jī)；隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸方面具有有線載波雙向通信和無線電磁波通信2 種技術(shù)；近鉆頭測量儀器、測傳智能螺桿鉆具和高速泥漿脈沖無線傳輸裝置未見相關(guān)研究，需要集中優(yōu)勢資源進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

d.面對新一輪能源革命和產(chǎn)業(yè)變革，可以從近鉆頭多參數(shù)一體化測量、近鉆頭參數(shù)動態(tài)監(jiān)測、近鉆頭旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)和近鉆頭自適應(yīng)鉆進(jìn)等方面入手，推動煤礦井下近鉆頭隨鉆測量與5G 通信、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的融合發(fā)展，促進(jìn)煤礦井下近鉆頭隨鉆測量技術(shù)的升級換代，以期提升煤礦井下智能鉆探的技術(shù)水平。