王小波

無線電磁波隨鉆測量系統(tǒng)姿態(tài)精度的影響因素分析

王小波

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦井下采用水力鉆進(jìn)方式進(jìn)行碎軟煤層瓦斯抽采時，容易出現(xiàn)塌孔、孔壁失穩(wěn)，電磁波隨鉆測量系統(tǒng)適用于氣體鉆進(jìn)，在碎軟煤層瓦斯抽采中逐步得到應(yīng)用。鉆孔軌跡的準(zhǔn)確性是影響碎軟煤層瓦斯抽采效果的關(guān)鍵，電磁波隨鉆測量系統(tǒng)使用中，出現(xiàn)軌跡測量精度不夠、誤差大的現(xiàn)象。為解決這一問題，分析測量系統(tǒng)從設(shè)計到應(yīng)用全過程中影響姿態(tài)精度的因素，列舉因素產(chǎn)生的原因及解決方案，重點(diǎn)針對鉆進(jìn)現(xiàn)場出現(xiàn)的電磁波系統(tǒng)精度問題進(jìn)行分析。通過現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)、分析曲線趨勢規(guī)律，確定造成誤差大的原因?yàn)闇y量短節(jié)與外無磁鉆桿不同軸，設(shè)計現(xiàn)場自校準(zhǔn)方法和流程要求。提出查表補(bǔ)償法和擬合函數(shù)法2種校準(zhǔn)方式，對2種方法的原理、方法選擇以及相關(guān)參數(shù)計算給出了說明。最后采用擬合函數(shù)法對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了校準(zhǔn)修正，修正后的姿態(tài)數(shù)據(jù)精度達(dá)到0.2°，解決了無線電磁波隨鉆測量系統(tǒng)在使用中的姿態(tài)精度不高問題，滿足碎軟煤層瓦斯抽采軌跡測量精度要求。

電磁波隨鉆測量；姿態(tài)測量精度；同軸誤差；測斜校正

煤礦井下煤與瓦斯突出、突水是煤礦生產(chǎn)過程中的主要災(zāi)害，在碎軟煤層中尤為突出，這類煤礦的數(shù)量很多，占比也很高[1]。利用近水平定向鉆孔抽采瓦斯、進(jìn)行探放水是保障煤礦安全的有效方法[2-3]。煤礦碎軟煤層煤質(zhì)軟、破碎、透氣性較差，順煤層鉆進(jìn)時煤層處于欠平衡狀態(tài)，尤其采用孔底液動螺桿定向鉆進(jìn)施工時，經(jīng)常出現(xiàn)坍塌卡鉆、沉渣卡鉆，造成卡鉆埋鉆事故[4-5]；采用水力驅(qū)動螺桿馬達(dá)的高壓水也極容易造成塌孔無法成孔[6-8]。針對碎軟煤層定向鉆進(jìn)遇到的問題，科技人員開展了大量的研究工作，在碎軟煤層鉆進(jìn)中，采用風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)[9]，解決上述問題，在淮南、淮北等礦區(qū)碎軟煤層中廣泛應(yīng)用，最深孔達(dá)到了400多m，已成為碎軟煤層鉆孔施工的主要技術(shù)，取得了良好的應(yīng)用效果。電磁波隨鉆測量技術(shù)既適用液動螺桿鉆進(jìn)，還適用風(fēng)動螺桿鉆進(jìn)，可以彌補(bǔ)液動隨鉆測量系統(tǒng)的不足，是解決鉆孔橫穿軟煤工作面的設(shè)備保障[10-11]。

電磁波隨鉆測量技術(shù)主要是依靠地層介質(zhì)和鉆桿來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在孔中將測量的數(shù)據(jù)加載到電磁波載波信號上，電磁波載波信號沿著地層和鉆桿向孔口傳播，在孔口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)[12-13]。

電磁波隨鉆測量技術(shù)的姿態(tài)測量精度直接決定了定向鉆孔的施工效果，姿態(tài)測量精度偏差大，會對鉆孔定向指導(dǎo)造成極大的影響。筆者將無線電磁波全過程影響姿態(tài)精度的因素逐條進(jìn)行論述分析，提出影響姿態(tài)精度的因素和相應(yīng)的解決對策方案，確保電磁波隨鉆測量系統(tǒng)的測量精度滿足定向鉆進(jìn)要求。

1 鉆孔姿態(tài)測量與定向鉆進(jìn)技術(shù)

圖1 鉆孔軌跡姿態(tài)

鉆孔軌跡即鉆頭在鉆進(jìn)過程中形成的空間鉆孔路徑。以測點(diǎn)為基礎(chǔ)繪制的鉆孔軌跡基本為折線，鉆孔軌跡與實(shí)際軌跡吻合程度取決于測點(diǎn)的密集程度。在造斜組合鉆具中，彎曲工具的2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，定義沿鉆進(jìn)方向順時針旋轉(zhuǎn)增加，如圖2中所示。

圖2 姿態(tài)基本參數(shù)

電磁波隨鉆測量系統(tǒng)的姿態(tài)測量組件是由三軸磁通門傳感器和三軸重力加速度計組成，3個相互垂直的坐標(biāo)軸分別安裝加速度傳感器和磁傳感器，構(gòu)成姿態(tài)測量系統(tǒng)，通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)確定唯一的鉆孔姿態(tài)參數(shù)[15-16]，如圖3所示。

圖3 傳感器安裝

式中：G、G、G為加速度傳感器所在軸的3個分量測量值，m/s2；B、B、B為地磁場的3個分量測量值，T；0為重力加速度值，m/s2。

定向鉆進(jìn)過程中，一般3 m或6 m測量一次鉆孔軌跡，軌跡計算時，將2個相鄰測點(diǎn)的姿態(tài)值的平均值作為進(jìn)尺的姿態(tài)值計算直線段，設(shè)測點(diǎn)P的坐標(biāo)(,,)，則其坐標(biāo)計算如下[18]。

式中：Δ為測點(diǎn)之間的距離，m；為主設(shè)計方位角，(°)。

定向鉆進(jìn)是通過改變造斜件螺桿彎角工具面來造斜，利用鉆孔造斜軌跡設(shè)計來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 造斜角分布

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，工具面調(diào)整到Ⅱ、Ⅲ區(qū)域里時，傾角減小[19-20]。當(dāng)工具面向角為0°或 180°時，造斜強(qiáng)度最大。當(dāng)工具面調(diào)整到Ⅰ、Ⅱ區(qū)域里時，方位向右，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，則左右強(qiáng)度最大。

2 設(shè)計精度影響因素與解決方案

無線電磁波隨鉆測量系統(tǒng)姿態(tài)測量精度影響因素可分為測量短節(jié)設(shè)計精度和系統(tǒng)應(yīng)用引入誤差精度。測量短節(jié)設(shè)計精度主要有以下方面：

①傳感器和基準(zhǔn)電源器件自身精度受到元器件制作時工藝不同引起的誤差，選擇不同的測量傳感器，其穩(wěn)定性、溫度特性、響應(yīng)時間及抗沖擊能力等都不同，這些差異都會影響傳感器測量精度。因此，設(shè)計時，應(yīng)優(yōu)先采用品牌較好的器件，必要時對批次進(jìn)行測試核準(zhǔn)。

②測斜儀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)誤差主要是由于測量系統(tǒng)傳感器敏感軸的不正交、與儀器坐標(biāo)軸不重合等因素引起的，不正交角和不重合角實(shí)際都是小角度，很難或幾乎不能通過測量確定，而且是非線性問題，通過分析，采用最優(yōu)化技術(shù)的無約束條件下多變量函數(shù)的尋優(yōu)方法，變量輪換法確定不正交角，單純形加速法確定不重合角，能有效地確定這些參數(shù)，從而達(dá)到校正精度[21]。

③隨機(jī)振動和采集不當(dāng)帶來的誤差由于測量傳感器在采集時，受到瞬間干擾或特殊振動等，使得采集到的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)從而帶來誤差。這種誤差需要建立采集樣點(diǎn)數(shù)據(jù)判別準(zhǔn)則和一次多樣點(diǎn)的方式采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行判別、剔除解決。具體是采用軟件設(shè)計同一點(diǎn)靜態(tài)下采集多次樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，對采集樣點(diǎn)異常點(diǎn)自動剔除，對采集樣點(diǎn)穩(wěn)定部分的數(shù)據(jù)再進(jìn)行均值處理，理論上，測量數(shù)據(jù)越多，準(zhǔn)確率越高。

④傳感器干擾傳感器在使用、運(yùn)輸過程中，尤其是磁傳感器抗磁干擾性能差，容易受到外界強(qiáng)磁環(huán)境影響，發(fā)生超差的情況。這種情況一般在測量短節(jié)設(shè)計時，在傳感器外圍增加消磁電路和采用誤差修正來解決外界對傳感器的影響。

⑤普通鋼質(zhì)鉆桿對測量短節(jié)的干擾 鋼質(zhì)鉆桿距離測量短節(jié)較近時，會使測量短節(jié)周圍的磁環(huán)境發(fā)生畸變，測量短節(jié)測量的精度也會受到影響。通常采用的辦法是增加上下無磁鉆桿，在設(shè)計時根據(jù)鉆桿的磁性情況以及測量短節(jié)對應(yīng)精度要求，確定無磁鉆桿配備長度，減少誤差。

⑥測量短節(jié)標(biāo)定在出廠時對測量短節(jié)進(jìn)行標(biāo)定，用于補(bǔ)償磁傳感器、加速度傳感器因安裝、漂移和隨機(jī)誤差等引入的誤差[22]。出廠測量短節(jié)標(biāo)定的精度要求、標(biāo)定現(xiàn)場磁環(huán)境、標(biāo)定臺架、標(biāo)定數(shù)據(jù)密度等都影響著數(shù)據(jù)的精度。這個環(huán)節(jié)是測量短節(jié)出廠前必備的環(huán)節(jié)，也是測量短節(jié)出廠前的綜合校準(zhǔn)環(huán)節(jié)。

以上6種影響因素采取合理的處置方法，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝定型后，也就確定了測量短節(jié)系統(tǒng)的重復(fù)誤差水平。

3 鉆場實(shí)鉆影響因素及數(shù)據(jù)分析

在煤礦井下現(xiàn)場實(shí)鉆時，測量短節(jié)與無磁鉆桿管間的同軸度也會影響探管測量精度，這些影響因素有的還導(dǎo)致較嚴(yán)重精度誤差，以往認(rèn)為測量短節(jié)精度就是軌跡測量精度，致使這部分誤差容易被忽視。當(dāng)這種情況嚴(yán)重時，測量結(jié)果會被判定為測量系統(tǒng)故障。這也就是常說的“孔中不準(zhǔn)，標(biāo)定架上準(zhǔn)”的原因。

如某礦井實(shí)施無線電磁波定向鉆進(jìn)作業(yè)，在鉆進(jìn)過程中，發(fā)現(xiàn)相鄰的不同測量點(diǎn)傾角數(shù)據(jù)變化過大。通常鉆孔傾角彎曲強(qiáng)度應(yīng)不大于0.05 rad/6 m (3°/6 m)；鉆孔方位角彎曲強(qiáng)度應(yīng)不大于0.035 rad/6 m(2°/6 m)?，F(xiàn)場測量數(shù)據(jù)不符合彎曲強(qiáng)度要求，鉆孔測量人員對測試數(shù)據(jù)分析后，質(zhì)疑無線電磁波隨鉆測量系統(tǒng)的可靠性。

測試人員收集原始數(shù)據(jù)、測試情況和井下工況條件。在井下鉆場，現(xiàn)有鉆孔深度(100 m)位置，鉆機(jī)處于未給進(jìn)狀態(tài)，連續(xù)多圈旋轉(zhuǎn)鉆具實(shí)施姿態(tài)數(shù)據(jù)測量?，F(xiàn)場采用感應(yīng)線圈接收方式，隨機(jī)停機(jī)，靜置測量了共26組不同工具面的傾角、方位角，數(shù)據(jù)見表1。

表1 同一位置不同工具面實(shí)測姿態(tài)數(shù)據(jù)

由于是隨機(jī)停機(jī)，不同圈數(shù)的工具面向角值也是隨機(jī)產(chǎn)生，實(shí)測數(shù)據(jù)在圖表中較為分散，不利于分析。因此，對所有的數(shù)據(jù)按照工具面向角數(shù)據(jù)從小到大進(jìn)行了排列，再按照工具面變化分別對傾角和方位角的數(shù)據(jù)變化趨勢進(jìn)行成圖，如圖5所示。

通過數(shù)據(jù)分析及曲線，可以看到：

① 盡管是不同圈數(shù)的數(shù)據(jù)，但傾角、方位角的誤差變化隨著工具面變化有著明顯的規(guī)律。即傾角在工具面向角70°時呈現(xiàn)低谷，在250°附近呈現(xiàn)高峰。方位角在工具面向角220°附近呈現(xiàn)低谷，在30°呈現(xiàn)高峰。波峰和波谷工具面相差約為180°，能夠呈現(xiàn)出較為明顯的規(guī)律和走勢。

圖5 同一位置不同工具面姿態(tài)變化

②按照不同時刻測量的數(shù)據(jù)來分析，不同圈數(shù)相近工具面向角測點(diǎn)的傾角最大誤差不超過0.1°(工具面向角62.8°和71.6°)，方位角最大誤差為0.2°(工具面向角234.5°和236°)?？梢钥闯觯瑹o線電磁波系統(tǒng)的重復(fù)測量精度對照本文表述的6種設(shè)計誤差，補(bǔ)償處理較好，完全滿足無線電磁波測量系統(tǒng)設(shè)計需求。

針對圖5中的測點(diǎn)變化趨勢，分析造成上述原因，初步判定是由于外鉆桿與測量短節(jié)不同軸造成，不同軸會使圖2和圖3所示模型中的軸不垂直于軸與軸的平面。此時，利用式(1)—式(7)計算得出的姿態(tài)和軌跡變化量也就不準(zhǔn)確。

現(xiàn)場提鉆查看測量系統(tǒng)，測量短節(jié)與無磁鉆桿四周受力不均，拆裝時有憋勁情況，主要原因是無磁鉆桿變形或內(nèi)部的測量短節(jié)變形，因此，測量短節(jié)與無磁鉆桿的同軸度已經(jīng)無法保證。

4 姿態(tài)數(shù)據(jù)誤差修正

根據(jù)上述分析，數(shù)據(jù)修正主要依據(jù)傾角、方位角的變化趨勢，綜合考慮變形的原因，建議在無線電磁波測量系統(tǒng)測量工藝中，增加現(xiàn)場校準(zhǔn)環(huán)節(jié)。校準(zhǔn)是在鉆孔開孔完成后，將電磁波探管隨鉆進(jìn)入孔中，正式鉆進(jìn)前，對無線電磁波探管姿態(tài)測量進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方法是在不給進(jìn)情況下，在同一鉆孔深度(>10 m)，旋轉(zhuǎn)鉆具，在工具面向角0°～360°范圍內(nèi)多次測量傾角、方位角，記錄并建立姿態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表。建議標(biāo)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表中測點(diǎn)數(shù)不少于12個點(diǎn)，且盡可能均勻分布到鉆桿軸向垂直平面的4個象限(即約每30°，布置1個測點(diǎn))?？紤]到現(xiàn)場情況和操作人員的技術(shù)能力，數(shù)據(jù)修正方式可選擇查表補(bǔ)償法和擬合函數(shù)法。

查表補(bǔ)償法是根據(jù)姿態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表，建立工具面的補(bǔ)償表。補(bǔ)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)值確定為補(bǔ)償值。正常實(shí)鉆測量時，根據(jù)工具面的位置就近查表，在測量的數(shù)值上加補(bǔ)償值即可進(jìn)行誤差修正。這種修正方法，對測點(diǎn)的均勻度和數(shù)據(jù)要求較高，測點(diǎn)均勻度和數(shù)據(jù)多少決定了修正的精度高低。該方法雖然操作難度小，但每次需要查表校準(zhǔn)。

擬合函數(shù)法是利用數(shù)據(jù)波動規(guī)律建立補(bǔ)償函數(shù)，無磁鉆桿和測量短節(jié)不同軸具有旋轉(zhuǎn)特性，其規(guī)律與正弦函數(shù)較為接近，因此，采用擬合正弦函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。傾角、方位角修正函數(shù)的基本幅值為傾角、方位角各自變化的平均值，當(dāng)標(biāo)定點(diǎn)在工具面0°～360°范圍內(nèi)分布均勻波峰波谷明顯可見時，也可采用1/2波峰和波谷差值。傾角、方位角誤差波動值分別按照下面公式計算。

初相角的選擇是利用角度變化趨勢選定，初相角初步選定后，利用建立的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，選擇修正后的幅度變化最小時的相角作為函數(shù)的初相角。基值、波動值、初相角確定后，修正函數(shù)也就確定。

擬合函數(shù)法技術(shù)分析難度稍大，但函數(shù)確定后，可以導(dǎo)入到定向鉆進(jìn)軌跡設(shè)計計算表中，直接按照設(shè)計軌跡進(jìn)行定向鉆進(jìn)，不再需要其他干預(yù)。

表2 姿態(tài)數(shù)據(jù)修正前后對比

修正后的傾角、方位角隨工具面向角變化趨勢，如圖6所示。

圖6 姿態(tài)數(shù)據(jù)修正前后對比

從表2和圖6中可以看出，補(bǔ)償后傾角精度達(dá)到±0.2°，方位角精度達(dá)到±0.2°。傾角、方位角在同一位置變化很小，基本不受工具面旋轉(zhuǎn)的影響。補(bǔ)償后的現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)達(dá)到了定向鉆進(jìn)的精度要求。

5 結(jié)論

a.明確了無線電磁波隨鉆測量系統(tǒng)出廠前器件自身精度、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)誤差、隨機(jī)振動和采集不當(dāng)、傳感器干擾、普通鉆桿干擾、測量短節(jié)標(biāo)定等的6種影響因素，并給出了相應(yīng)的處理方法。

b.根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)不同工具面傾角和方位角數(shù)據(jù)具有明顯的旋轉(zhuǎn)變化規(guī)律，確定誤差原因是測量短節(jié)與無磁鉆桿不同軸造成的；根據(jù)數(shù)據(jù)特性提出現(xiàn)場校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集方法和技術(shù)要求。通過數(shù)據(jù)分析，糾正短節(jié)精度就是鉆孔測量精度的錯誤認(rèn)識。針對不同軸問題，建議在現(xiàn)場儀器組裝完成入孔后，對孔中測量部分進(jìn)行校正，確保儀器測量精度。

c.根據(jù)不同軸造成的因素精度考慮到鉆場的條件和操作人員的技術(shù)能力，提出查表補(bǔ)償法和擬合函數(shù)法兩種修正方法，就補(bǔ)償方法和計算給出說明。現(xiàn)場人員依據(jù)情況選擇合適的校準(zhǔn)方法，能夠使得測量的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。傾角和方位角校準(zhǔn)修正后，精度均控制在±0.2°，滿足碎軟煤層軌跡控制精度要求。

d.本次在無線電磁波隨鉆測量施工工藝上，增加校準(zhǔn)流程對不同軸進(jìn)行補(bǔ)償，但主要依靠人員手動事后去補(bǔ)償，僅解決了施工現(xiàn)場遇到的問題，沒有達(dá)到主動預(yù)防目的，后續(xù)將在測量軟件中增加現(xiàn)場實(shí)測前自標(biāo)定環(huán)節(jié)，完成入孔后自動標(biāo)定，提高隨鉆測量精度。

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Factors affecting the attitude accuracy of wireless electromagnetic wave MWD system

WANG Xiaobo

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

In broken soft coal seams of coal mine where hydraulic driving directional drilling is used, hole collapse and hole wall instability are easy to occur. Electromagnetic wave measurement while drilling system is suitable for gas driving drilling, so it is widely used in broken soft coal seams. The accuracy of drilling trajectory is the key to gas drainage effect in broken soft coal seams. In the use of electromagnetic wave measurement while drilling system, the phenomenon of insufficient accuracy and large error of trajectory measurement appears irregularly. In order to solve this problem, this paper analyzes all the factors that affect the attitude accuracy of wireless electromagnetic wave MWD system from design to application, lists the influence sources and treatment schemes one by one, and focuses on the accuracy problems of electromagnetic wave MWD system in drilling field. By collecting data and analyzing the trend of the curves, the causes of the problems are determined, and the self calibration method and process requirements are designed. At the same time, two calibration methods of look-up table compensation method and fitting function method are given, and the principle, method selection and related parameter calculation of the two methods are explained. Finally, the fitting function method is used to calibrate and correct the measured data, and the accuracy of the corrected attitude data was better than 0.2°, which solved the problem of poor attitude accuracy of the wireless electromagnetic wave MWD system and met the requirements of the measurement accuracy of gas extraction trajectory in broken soft coal seams.

electromagnetic wave measurement while drilling; attitude measurement accuracy; coaxial error; inclination correction

語音講解

TD76

A

1001-1986(2021)06-0258-07

2021-03-09；

2021-07-18

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2018XAYZD03)

王小波，1978年生，男，陜西咸陽人，碩士，副研究員，從事礦用物探儀器技術(shù)開發(fā)研究工作. E-mail：wangxiaobo@cctegxian.com

王小波. 無線電磁波隨鉆測量系統(tǒng)姿態(tài)精度的影響因素分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(6)：258–264. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.031

WANG Xiaobo. Factors affecting the attitude accuracy of wireless electromagnetic wave MWD system[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：258–264. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.031

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(責(zé)任編輯 聶愛蘭)