谷麗東，汪凱斌，趙佳佳

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

煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)，為煤礦井下瓦斯抽采、水害防治及隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素探查等提供了有效技術(shù)手段[1]。鉆孔軌跡實(shí)時(shí)測(cè)控是煤礦井下定向鉆進(jìn)[2]的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，隨鉆測(cè)量系統(tǒng)和螺桿馬達(dá)則是實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡實(shí)時(shí)測(cè)控的核心設(shè)備[3]。隨鉆測(cè)量系統(tǒng)由于可實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)軌跡的實(shí)時(shí)測(cè)量與傳輸，更被譽(yù)為定向鉆進(jìn)的“眼睛”。依據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，隨鉆測(cè)量系統(tǒng)分為有纜式和無(wú)纜式2大類[4-5]。煤礦井下有纜隨鉆測(cè)量系統(tǒng)采用中心通纜式鉆桿作為信號(hào)傳輸通道，其存在以下問(wèn)題：①通纜鉆桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)和使用成本過(guò)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(guò)大時(shí)，可能導(dǎo)致信號(hào)傳輸故障；③鉆進(jìn)過(guò)程中需要不停地下鉆、起鉆，通纜鉆桿內(nèi)芯彈性接頭反復(fù)磨損，易于損壞或發(fā)生接觸故障。無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要包括基于泥漿脈沖的無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)和基于電磁傳輸?shù)臒o(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。泥漿脈沖隨鉆測(cè)量系統(tǒng)和電磁隨鉆測(cè)量系統(tǒng)在地面油氣鉆探領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，兩者均具有工作穩(wěn)定可靠，傳輸距離遠(yuǎn)，適用于普通鉆桿等優(yōu)點(diǎn)。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(dǎo)致地面無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法直接應(yīng)用于煤礦井下定向鉆進(jìn)施工中[6-7]。為此,研制開(kāi)發(fā)了一種礦用電磁煤炭工程隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

礦用電磁隨鉆測(cè)量系統(tǒng)由孔外設(shè)備和孔中儀器2個(gè)部分組成?？淄庠O(shè)備包括專用工控機(jī)及配套測(cè)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(cè)斜探管、無(wú)線傳輸探管及孔中發(fā)射天線等。礦用電磁隨鉆測(cè)量系統(tǒng)組成如圖1。

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

1.1 專用工控機(jī)及配套測(cè)量軟件

專用工控機(jī)采用外接防爆鍵盤進(jìn)行人機(jī)交互，采用本安型U盤進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出操作。專用工控機(jī)內(nèi)置電磁信號(hào)接收模塊進(jìn)行電磁波信號(hào)的采集和解調(diào)，除了具備常規(guī)計(jì)算機(jī)功能外，專用工控機(jī)還具有以下3個(gè)功能：①檢測(cè)測(cè)量探管；②接收孔內(nèi)上傳的電磁波信號(hào)；③檢波與解碼，獲得測(cè)量數(shù)據(jù)。

電磁信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)地層和鉆桿傳輸?shù)娇卓冢邮针姌O拾取該電磁信號(hào)后送專用工控機(jī)的電磁信號(hào)接收模塊進(jìn)行放大、濾波及AD采樣、解調(diào)及解碼，所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)RS485通信電路發(fā)送給工控機(jī)，進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理、軌跡顯示等。

配套的隨鉆測(cè)量軟件具有參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示、電磁信號(hào)波形及鉆孔軌跡顯示等功能，可以實(shí)時(shí)記錄測(cè)斜數(shù)據(jù)及深度數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡偏差，動(dòng)態(tài)顯示鉆孔軌跡測(cè)量結(jié)果及工具面向角調(diào)整，用于指導(dǎo)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(jī)。其中1路給工控機(jī)模塊供電，1路給工控機(jī)顯示屏供電，另外1路給電磁信號(hào)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(gè)電極必須要與煤層或鉆機(jī)緊密耦合以保證電磁信號(hào)的接收，并且2個(gè)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(cè)斜探管。測(cè)斜探管由測(cè)斜模塊、智能電源管理模塊及主控模塊組成，測(cè)斜模塊主要功能是在泥漿泵停止工作后（即停止鉆進(jìn)時(shí)）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(cè)量，通過(guò)三軸MEMS加速度計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)傾角和工具向角的測(cè)量，通過(guò)三軸磁通門或磁阻傳感器及加速計(jì)一起完成方位角的測(cè)量[8-10]；智能電源管理模塊采用流量與振動(dòng)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(cè)斜探管和無(wú)線傳輸發(fā)射模塊的供電，實(shí)現(xiàn)智能化測(cè)量與間歇工作，達(dá)到降低功耗，延長(zhǎng)工作時(shí)間，提高儀器智能程度的目的；主控模塊接收到測(cè)斜模塊測(cè)量數(shù)據(jù)后通過(guò)RS485通信模塊發(fā)送給無(wú)線傳輸探管。測(cè)斜模塊系統(tǒng)組成如圖2。

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

4）無(wú)線傳輸探管。無(wú)線傳輸探管包括無(wú)線傳輸模塊及充電電池筒2部分。無(wú)線傳輸模塊具有數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制及發(fā)射功能，無(wú)線傳輸模塊將測(cè)斜探管送來(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù)及測(cè)量參數(shù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，為提高鉆孔內(nèi)電磁信號(hào)傳輸?shù)目乖肼暤哪芰?，采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，將曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)與高速偽隨機(jī)碼相乘獲得擴(kuò)頻序列，再將擴(kuò)頻序列以調(diào)相的方式調(diào)制到低頻載波上進(jìn)行發(fā)送。由于信息編碼與偽隨機(jī)碼不相關(guān)，接收端獲得含噪聲的擴(kuò)頻序列與同步偽隨機(jī)碼相乘后，再經(jīng)過(guò)曼徹斯特解碼，即可獲得測(cè)量數(shù)據(jù)。電池筒位于無(wú)線傳輸探管內(nèi)，充電電池筒給無(wú)線傳輸模塊和測(cè)斜模塊提供所需電源，實(shí)際使用時(shí)測(cè)量探管和無(wú)線傳輸探管對(duì)接在一起，通過(guò)專用接插件實(shí)現(xiàn)電氣及機(jī)械連接，組成整套孔內(nèi)測(cè)量探管，它是影響孔內(nèi)儀器工作時(shí)間的重要設(shè)備，由于測(cè)量模塊和無(wú)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(cè)量模塊和無(wú)線傳輸模塊供電。為實(shí)現(xiàn)本安電路的要求，充電電池筒內(nèi)設(shè)置了保護(hù)電路及充電電路。從孔內(nèi)到孔外數(shù)據(jù)處理及無(wú)線傳輸框圖如圖3。

圖3 測(cè)量數(shù)據(jù)處理及無(wú)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(cè)量系統(tǒng)采用間歇式工作，礦用電磁隨鉆測(cè)量系統(tǒng)工作原理如圖4。

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

將測(cè)斜探管和無(wú)線傳輸探管組裝在一起裝入無(wú)磁外管中下入施工鉆孔內(nèi)，安裝在測(cè)量短節(jié)中的智能電源管理單元檢測(cè)到泥漿泵停泵信號(hào)后，測(cè)量短節(jié)中的測(cè)斜模塊及無(wú)線傳輸發(fā)射模塊加電，測(cè)斜模塊開(kāi)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(wú)線傳輸控制模塊進(jìn)行編碼與調(diào)制，接著通過(guò)無(wú)線傳輸發(fā)射模塊將低頻電磁信號(hào)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(hào)送入專用工控機(jī)采集電磁波形并按照預(yù)先設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)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(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，為鉆孔軌跡實(shí)時(shí)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(dòng)，鉆機(jī)開(kāi)始定向鉆進(jìn)，測(cè)量探管中的智能電源管理單元檢測(cè)到泥漿泵的啟動(dòng)，隨之切斷測(cè)量探管及無(wú)線傳輸發(fā)射模塊的電源，無(wú)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(diǎn)

礦用電磁隨鉆測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物如圖5。

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

礦用電磁隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要性能參數(shù)為：①探管長(zhǎng)度：737 mm；②電池管長(zhǎng)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(cè)量范圍：0°～360°，測(cè)量精度1.2°；⑧傾角測(cè)量范圍：-90°～90°，測(cè)量精度0.2°；⑨工具面向角測(cè)量范圍：0°～360°，測(cè)量精度為1.2°。

礦用電磁隨鉆測(cè)量系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

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

2）擺脫了對(duì)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(duì)鉆桿結(jié)構(gòu)和絕緣密封方面的要求，提高了定向鉆進(jìn)用鉆桿強(qiáng)度和鉆孔施工的安全性。

3）采用新材料與新工藝制成高強(qiáng)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(hào)傳輸過(guò)程中采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行信號(hào)編解碼，較好地抑制了電磁干擾和噪聲，保證了信號(hào)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(dòng)給測(cè)斜模及無(wú)線傳輸發(fā)射模塊進(jìn)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(zhǎng)了孔內(nèi)儀器連續(xù)工作時(shí)間。

5）該系統(tǒng)適用于煤礦井下滑動(dòng)定向鉆進(jìn)、復(fù)合定向鉆進(jìn)及常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)等工藝方法，提高了定向鉆進(jìn)適用地層范圍，且可用于常規(guī)鉆孔軌跡的隨鉆測(cè)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(yīng)檢查專用工控機(jī)、隔爆兼本安電源、測(cè)斜探管、無(wú)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(kāi)始測(cè)量之前，應(yīng)根據(jù)需要在工控機(jī)上安裝的隨鉆測(cè)量軟件中設(shè)置相關(guān)參數(shù)（鉆孔信息、設(shè)計(jì)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(cè)量數(shù)據(jù)。完成設(shè)置后可進(jìn)行模擬測(cè)試，將測(cè)斜探管按已知方位放置并與無(wú)線傳輸探管對(duì)接，孔口接收天線與無(wú)線傳輸探管發(fā)射極相接，重復(fù)接收測(cè)量探管發(fā)射數(shù)據(jù)3次，3次測(cè)量數(shù)據(jù)一致，確定探管工作正常，可進(jìn)行井下測(cè)量作業(yè)。

2）孔口設(shè)備連接。將專用工控機(jī)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(jī)的電源接口相接。將孔口專用工控機(jī)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(jī)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(hào)接收效果，接收電極采用導(dǎo)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(shí)，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(cè)量探管組裝。將測(cè)斜短節(jié)引線接口和無(wú)線傳輸短節(jié)引線接口對(duì)接且螺紋擰緊，組成孔中測(cè)量探管。將測(cè)量探管安裝到無(wú)磁外管中并通過(guò)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(wú)磁外管相連，組成整個(gè)孔內(nèi)儀器總成。為保證磁測(cè)斜儀測(cè)量精度，通常在孔內(nèi)儀器前端加裝3 m長(zhǎng)的無(wú)磁鉆桿。

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

5 井下試驗(yàn)

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

此次試驗(yàn)地層為太原組6上煤層及6號(hào)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(hào)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(duì)含水體進(jìn)行超前治理，避免后期發(fā)生水害事故。試驗(yàn)裝備為ZDY6000LD型履帶式全液壓坑道定向鉆機(jī)、3NB-320型往復(fù)式泥漿泵和準(zhǔn)73 mm常規(guī)外平鉆桿及YSDGC電磁隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。該鉆孔從二水平主運(yùn)輸大巷6上煤開(kāi)孔連續(xù)鉆進(jìn)至二水平待掘輔運(yùn)大巷的6煤底板終孔，開(kāi)孔點(diǎn)與終孔點(diǎn)之間垂直落差約25 m，鉆孔深度408 m。開(kāi)孔點(diǎn)在6上煤層中，開(kāi)孔位置距6上煤底板1.5 m，開(kāi)孔角度約為-3°。該孔先后穿過(guò)6上煤、6上煤底板、6煤及6煤底板，本次鉆孔施工實(shí)鉆軌跡剖面如圖6。鉆孔施工過(guò)程中分別采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)和復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)，整個(gè)施工過(guò)程中電磁隨鉆測(cè)量系統(tǒng)工作正常，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、無(wú)線傳輸可靠。

圖6 試驗(yàn)鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面圖Fig.6 Drilling trajectory profile of the experimental drilling hole

6 結(jié)語(yǔ)

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

2）礦用電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，采用電磁波作為信號(hào)傳輸方式，鉆孔內(nèi)有無(wú)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(hào)傳輸。相比于近幾年新出現(xiàn)的基于泥漿脈沖無(wú)線傳輸?shù)碾S鉆測(cè)量裝置，電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)不但適用于基于泥漿液驅(qū)動(dòng)的定向鉆進(jìn)，也適用于基于空氣驅(qū)動(dòng)的定向鉆進(jìn)，有效地拓寬了煤礦井下隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)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(jī)、傳輸帶、鉆機(jī)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(rèn)證要求孔內(nèi)儀器發(fā)射功率受限，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，必須抑制工頻干擾和隨機(jī)噪聲，在實(shí)際施工中孔口接收電極的安裝與使用對(duì)孔中電磁信號(hào)的接收效果有重要影響，通常將2個(gè)或3個(gè)接收電極并聯(lián)以增強(qiáng)信號(hào)接收，同時(shí)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(hào)被屏蔽。