隨鉆測(cè)振在井下鉆孔鉆進(jìn)監(jiān)控中的應(yīng)用

李輝峰

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

瓦斯抽采是煤礦治理瓦斯災(zāi)害的重要技術(shù)措施，尤其是針對(duì)高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的低滲透煤層，需要施工大量的鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采[1-2]。鉆孔的巖性識(shí)別及深度標(biāo)定對(duì)瓦斯抽采非常重要。目前鉆孔鉆進(jìn)監(jiān)控缺少有效技術(shù)手段，采用耳聽(tīng)目識(shí)判斷鉆進(jìn)情況缺乏準(zhǔn)確性、連續(xù)性和記錄性。隨鉆振動(dòng)(沖擊參數(shù))監(jiān)測(cè)早期應(yīng)用于石油鉆探領(lǐng)域[3-4]，將振動(dòng)傳感器安裝固定在鉆柱上對(duì)振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。本文將隨鉆測(cè)振方法應(yīng)用于井下抽采鉆孔施工監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)和巖性識(shí)別。

1 隨鉆測(cè)振原理與儀器

1.1 隨鉆測(cè)振原理

1) 鉆桿振動(dòng)。鉆孔施工過(guò)程中，鉆桿振動(dòng)包括縱向振動(dòng)、橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[5]。鉆桿縱向振動(dòng)是鉆頭縱向受壓引起的，包括鉆頭重力、鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)破煤/巖反向作用力等。鉆桿橫向振動(dòng)與鉆桿的彎曲共振(“弦”振)有關(guān)，共振是引起鉆具弓狀彎曲的主要原因，能夠造成鉆桿的偏磨，縮短鉆柱使用壽命甚至誘發(fā)鉆柱斷裂引發(fā)事故。鉆桿扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是煤/巖破碎過(guò)程中鉆桿與鉆孔內(nèi)破碎巖石相互作用導(dǎo)致鉆桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)，尤其遇到是堅(jiān)硬煤巖，鉆桿與鉆孔表面間的摩擦更加劇烈，特別容易引起鉆柱粘滑。

2) 振動(dòng)信號(hào)分析。鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中振動(dòng)信號(hào)是連續(xù)、長(zhǎng)延時(shí)、非可控的振源，屬于連續(xù)非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是成本低、可連續(xù)采集。鉆進(jìn)過(guò)程振動(dòng)監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)在于煤/巖性信息和鉆機(jī)自身產(chǎn)生的噪聲，以及確定不同巖性優(yōu)勢(shì)頻譜。隨鉆測(cè)振的重點(diǎn)是提取反映地層變化的反射波信號(hào)，通過(guò)反射波信號(hào)分析，將鉆孔前方地質(zhì)條件細(xì)分，表征出裂隙發(fā)育帶、瓦斯富集區(qū)、沖刷帶等小的地質(zhì)構(gòu)造。

3) 振動(dòng)信號(hào)采集。信號(hào)采集系統(tǒng)包括測(cè)量裝置、接收主機(jī)以及電子計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。振動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置包括電源、振動(dòng)傳感器和WIFI無(wú)線發(fā)射器3個(gè)模塊，并且集成在一個(gè)采集盒。采集盒中的WIFI無(wú)線發(fā)射器與主機(jī)無(wú)線接收器能夠?qū)崿F(xiàn)雙向聯(lián)系，指令發(fā)出后，采集裝置開(kāi)始采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)保存在主機(jī)中，并開(kāi)始實(shí)時(shí)頻譜分析。

1.2 隨鉆測(cè)振儀器

隨鉆測(cè)振儀器(如圖1所示)主要用于鉆探過(guò)程的隨鉆三分量震動(dòng)測(cè)量和軌跡測(cè)量，通過(guò)鉆頭與巖層的動(dòng)力反應(yīng)譜分析，可以進(jìn)行鉆遇巖性判斷與鉆探工程驗(yàn)收等功能。適用于瓦斯抽排孔、水文孔、地質(zhì)探查孔等鉆孔施工過(guò)程的巖性與構(gòu)造識(shí)別、鉆孔軌跡測(cè)量和鉆探過(guò)程驗(yàn)收管理。

圖1 隨鉆測(cè)振儀器

2 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)為王莊煤礦9102工作面，埋深360～552 m，煤層平均厚度6.6 m，共布置運(yùn)巷、風(fēng)巷、高抽巷三條巷道。運(yùn)巷長(zhǎng)3 423 m，風(fēng)巷長(zhǎng)3 364 m，高抽巷長(zhǎng)3 282 m。切眼長(zhǎng)259 m。工作面整體為下山回采，距9102風(fēng)巷開(kāi)口處1 410 m存在斷層F317，H=8.5 m、∠40°，距9102運(yùn)巷開(kāi)口處2 015 m存在斷層F317，H=8.5 m、∠40°。3號(hào)煤層具有爆炸性，屬不易自燃煤層，頂?shù)装鍘r性較好?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試鉆孔為風(fēng)巷高位抽采鉆孔。

3 抽采鉆孔測(cè)振試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

在9102工作面風(fēng)巷高位抽采鉆孔鉆進(jìn)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)。本次隨鉆測(cè)振實(shí)驗(yàn)為鉆孔隨鉆測(cè)振。將測(cè)振傳感器固定在鉆桿上送入鉆孔，采用三分量加速度傳感器接收鉆機(jī)及鉆頭鉆進(jìn)的振動(dòng)信號(hào)，如圖2所示。試驗(yàn)中記錄鉆機(jī)在停機(jī)、空轉(zhuǎn)、正常鉆進(jìn)、倒尺、推送鉆桿、敲擊鉆桿、進(jìn)尺、抽送鉆桿等不同工作狀態(tài)下的時(shí)間信息，以便對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析與時(shí)深轉(zhuǎn)換。

試驗(yàn)高位抽采鉆孔隨鉆孔內(nèi)三分量時(shí)域振動(dòng)信號(hào)，如圖3，依據(jù)36組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提取的各時(shí)段正常鉆進(jìn)信號(hào)如圖4，正常鉆進(jìn)時(shí)域信號(hào)，如圖5，結(jié)合每次倒尺鉆進(jìn)0.75 m，孔深共27 m。

圖5 正常鉆進(jìn)時(shí)域信號(hào)

對(duì)圖5正常鉆進(jìn)時(shí)域信號(hào)做能量分析，如圖6，選取敏感的巖性方向Y方向(軸向)。從圖6可以看出，鉆進(jìn)深度12.0～14.0 m，能量都在逐漸變大，然后趨于逐漸平穩(wěn)狀態(tài)，據(jù)此分析在此巖性發(fā)生了很大程度上的改變，在鉆進(jìn)煤層過(guò)程中遇到小斷層構(gòu)造煤，巖性發(fā)生了變化，由相對(duì)較軟的煤層過(guò)渡到堅(jiān)硬的巖石，振動(dòng)信號(hào)幅度變化較大，導(dǎo)致能量和方差較大；鉆進(jìn)深度19.0～23.0 m，能量較前后在一定程度上逐漸增大，據(jù)此分析由于鉆進(jìn)過(guò)程中巖性發(fā)生較大變化(軟煤到硬巖)，振動(dòng)信號(hào)幅度發(fā)生一定程度的增大，導(dǎo)致能量也發(fā)生一定程度的增大，鉆進(jìn)深度23.0～27.0 m，能量較前后在一定程度上逐漸減小，在鉆進(jìn)的過(guò)程中從較硬的砂巖中穿過(guò)，鉆進(jìn)到較軟的泥巖，振動(dòng)信號(hào)幅度發(fā)生一定程度的減小，導(dǎo)致能量也發(fā)生一定程度的減小。

圖6 鉆進(jìn)信息能量

對(duì)鉆進(jìn)信息進(jìn)行時(shí)域特征分析得到鉆進(jìn)耗時(shí)圖，如圖7。從圖中可以看出，19.0～23.0 m和23.0～27.0 m的深度，耗時(shí)相對(duì)變長(zhǎng)，推測(cè)在這兩處巖性都發(fā)生一定程度的變化。圖8為鉆進(jìn)過(guò)程中鉆速變化圖，鉆機(jī)在鉆進(jìn)時(shí)一直保持均勻速度持續(xù)鉆進(jìn)，在12.0～14.0 m位置，煤層中突然遇到小斷層，巖性突然發(fā)生變化，導(dǎo)致鉆速提高。

圖7 耗時(shí)

圖8 鉆速

圖9為孔內(nèi)測(cè)震三分量頻譜圖，橫軸為鉆進(jìn)深度，縱軸從上到下依次為X、Y、Z三個(gè)分量，因?yàn)樽隽宋募w一化，Y分量作為軸向，能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于切割方向X和Z。此時(shí)挑選Z分量作為分析分量，從圖中可以看出，Z分量頻譜圖在深度為12.0～14.0 m高低頻成分都有，其中低頻成分為環(huán)境背景和鉆機(jī)固有振動(dòng)頻率； 175～250 Hz和500～600 Hz成分能量很強(qiáng)為鉆進(jìn)巖性的響應(yīng)頻率，在12.0～14.0 m除了兩個(gè)主頻響應(yīng)，還存在更高的一些頻率段，例如700～750 Hz和850～900 Hz，鉆進(jìn)時(shí)在遇到一些較硬的巖石，會(huì)出現(xiàn)許多高頻的信號(hào)，由此分析深度為12.0～14.0 m巖性發(fā)生變化。同理也可以看出，在19.0～23.0 m，23.0～27.0 m巖性分別變化的情況。最終可得出結(jié)論：0～12 m為煤層，12.0～14.0 m為煤層內(nèi)的小斷層構(gòu)造，12.0～19 m為煤層，在19.0～23.0 m為煤層向粉砂巖過(guò)渡的分層，23.0～27.0 m為粉砂巖向泥巖過(guò)渡，分層巖性發(fā)生了明顯的改變。Z分量為鉆頭切割巖石的方向，對(duì)鉆進(jìn)巖性變化比較敏感，巖性變化在信號(hào)譜上明顯差異，從實(shí)際距離來(lái)看，孔內(nèi)隨鉆對(duì)于控制巖性變化區(qū)域更為準(zhǔn)確，分辨率更高。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨鉆測(cè)振是通過(guò)鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)鉆桿振動(dòng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與信號(hào)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔巖性和鉆進(jìn)狀態(tài)識(shí)別。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，利用方差分析、能量分析、耗時(shí)分析、鉆速分析和頻譜分析對(duì)鉆孔隨鉆測(cè)振數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，試驗(yàn)結(jié)果與礦井鉆孔巖性柱狀圖吻合，表明隨鉆測(cè)振方法能夠有效應(yīng)用于井下抽采鉆孔鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)，可為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及鉆孔管理提供技術(shù)保障。