煤礦井下定向鉆進(jìn)過(guò)程中測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究

梁 磊，紀(jì)海源

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

中國(guó)是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)量最多的國(guó)家，我國(guó)煤礦每年都會(huì)發(fā)生大量的災(zāi)害，其中，瓦斯災(zāi)害的影響最為顯著，煤層內(nèi)鉆孔排氣是世界上預(yù)防煤礦瓦斯災(zāi)害的最有效手段[1]。隨著采礦業(yè)的發(fā)展，鉆進(jìn)工作變得越來(lái)越復(fù)雜，水平和定向鉆進(jìn)的數(shù)量不斷增加。但在施工過(guò)程中，工程師無(wú)法直接觀察到施工進(jìn)度，為了保證正確的鉆進(jìn)程序，需要實(shí)時(shí)全面地了解鉆頭的方向和位置，及時(shí)改進(jìn)鉆進(jìn)角度和方式[2]。因此，隨鉆測(cè)量技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。隨鉆測(cè)量是一種將測(cè)量工具集成到鉆桿中，并提供實(shí)時(shí)信息以幫助引導(dǎo)鉆機(jī)的鉆進(jìn)技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于石油、建筑、采礦等行業(yè)。在隨鉆測(cè)量的幫助下，鉆進(jìn)變得更加容易操控。然而，由于地磁場(chǎng)很容易受到鐵礦石、電磁裝置等周圍環(huán)境的干擾，無(wú)線電發(fā)射機(jī)的信號(hào)穿透能力受到地層條件的影響，鉆頭的姿態(tài)信息難以準(zhǔn)確測(cè)量[3]，若鉆進(jìn)時(shí)使用了屏蔽磁強(qiáng)計(jì)所需的非磁力鉆柱，還會(huì)導(dǎo)致成本的增加[4]。因此，該隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制[5]，對(duì)隨鉆測(cè)量進(jìn)行系統(tǒng)性研究和改進(jìn)，對(duì)提高鉆進(jìn)技術(shù)具有重要意義。

1 隨鉆測(cè)量技術(shù)

隨鉆測(cè)量技術(shù)是一種在鉆進(jìn)過(guò)程中持續(xù)測(cè)量多種參數(shù)的技術(shù)[6]。這些參數(shù)與鉆頭的位置信息(鉆孔深度和軌跡)以及鉆頭的空間姿態(tài)[7]。其中，空間姿態(tài)包括螺距、工具面角、方位等，螺距反映鉆頭方向相對(duì)于水平面的傾角；工具面角，即鉆頭的角旋轉(zhuǎn)，當(dāng)鉆頭軸向偏移時(shí)，可反映下一步鉆軌跡的方向變化；方位指鉆頭軸線在水平面的垂直投影與參考方向(如正北)之間的夾角。如果這些參數(shù)實(shí)時(shí)可用，則可以方便地沿著預(yù)定義的軌跡控制鉆進(jìn)過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)量鉆位的空間姿態(tài)是隨鉆測(cè)量技術(shù)系統(tǒng)的基本功能[8]。

1.1 鉆進(jìn)工具

煤礦中使用的典型隨鉆測(cè)量鉆進(jìn)工具如圖1所示。它通常由可控鉆頭、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)和非磁性鉆桿組成，非磁性鉆桿主要用于屏蔽周圍環(huán)境中的磁干擾?？煽劂@頭如圖2所示，當(dāng)鉆頭前進(jìn)、旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆道將直線沿鉆桿軸線的方向移動(dòng)。當(dāng)需要改變鉆孔方向時(shí)，在隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的幫助下，可以旋轉(zhuǎn)鉆頭的斜面，使刀具的面角等于所需的值，由于鉆頭不旋轉(zhuǎn)，在反作用力的作用下，鉆頭軌跡會(huì)產(chǎn)生彎曲[9]。

圖1 典型的隨鉆測(cè)量鉆進(jìn)工具Fig.1 Typical MWD drilling tools

圖2 可控鉆頭示意Fig.2 Schematic diagram of controllable bit

1.2 隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

隨鉆測(cè)量系統(tǒng)是基于不同的測(cè)量原理而設(shè)計(jì)的。典型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)基于磁測(cè)量技術(shù)，其技術(shù)原理如圖3所示。該系統(tǒng)由地下鉆進(jìn)單元和地面監(jiān)測(cè)單元2部分組成。前者用于測(cè)量鉆進(jìn)參數(shù)，后者用于收集處理所測(cè)量的數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)，可以計(jì)算和顯示出鉆頭的姿態(tài)信息。但地磁場(chǎng)很容易受到鐵礦石、電磁裝置等周圍環(huán)境的干擾，常常需要采用非磁力鉆屏蔽強(qiáng)磁場(chǎng)，但是，使用屏蔽強(qiáng)磁場(chǎng)所需的非磁力鉆柱，往往會(huì)導(dǎo)致成本的增加?；跓o(wú)線電定位原理的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)在鉆進(jìn)單元中有1個(gè)無(wú)線電發(fā)射機(jī)。地面監(jiān)測(cè)單元通常放置在鉆孔入口或鉆孔軌道上方的地面上，接收無(wú)線電信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線電強(qiáng)度計(jì)算鉆頭的位置。由于無(wú)線電發(fā)射機(jī)的功率有限，無(wú)線電發(fā)射機(jī)的信號(hào)穿透能力受到地層條件的影響，該系統(tǒng)不能用于地下深層環(huán)境[10]。因此，該隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制。此外，鉆頭的空間姿態(tài)信息難以準(zhǔn)確測(cè)量。

圖3 隨鉆測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)Fig.3 Technical block diagram of MWD system

2 新型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大多數(shù)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)使用磁強(qiáng)計(jì)或單加速度計(jì)來(lái)測(cè)量鉆頭的姿態(tài)角度。然而，這些隨鉆測(cè)量系統(tǒng)在惡劣的鉆進(jìn)條件下通常性能不令人滿意[11]。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的一些缺陷，提出了一種基于慣性姿態(tài)測(cè)量理論的新型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)[12]。該系統(tǒng)具有冗余的多傳感器的特性。為了提高隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的性能，特別是姿態(tài)角度的測(cè)量精度，采用2個(gè)三軸加速度計(jì)作為冗余度來(lái)測(cè)量鉆頭的加速度。

2.1 鉆進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨鉆測(cè)量系統(tǒng)由地下鉆進(jìn)設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備2部分組成。測(cè)量裝置安裝在鉆桿內(nèi)部，是隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的核心部件。它測(cè)量了鉆進(jìn)過(guò)程中必要的參數(shù)。地面監(jiān)測(cè)單元是數(shù)據(jù)處理和計(jì)算的核心，可以顯示鉆頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并存儲(chǔ)基本數(shù)據(jù)。

地下鉆進(jìn)系統(tǒng)主要包括鉆機(jī)、井下電機(jī)、高強(qiáng)度鉆桿、隨鉆測(cè)量?jī)x接入設(shè)備構(gòu)成，用于煤礦煤層內(nèi)定向鉆進(jìn)。定向鉆機(jī)通常是一種液壓水頭式鉆機(jī)，借助井下電機(jī)可以鉆進(jìn)水平的長(zhǎng)鉆孔[13]。鉆機(jī)有一套由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵，由以下部件組成：給料單元、液壓泵單元、操作員控制臺(tái)、電機(jī)、油箱、穩(wěn)定器、軌道總成、電磁啟動(dòng)器和水泵。主要部件用橡膠管相互連接，并安裝在軌道上。井下電機(jī)，也稱為正位移電動(dòng)機(jī)，可以將液體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在定向鉆取過(guò)程中，鉆頭切煤的動(dòng)力由井下電機(jī)提供，由于鉆柱不旋轉(zhuǎn)，因而鉆機(jī)提供的扭矩較低。高性能鋼絲桿是地下煤層內(nèi)定向鉆孔的必要條件，鉆頭和井下電機(jī)安裝在鉆桿的前端，通過(guò)該定向鉆孔，測(cè)量信息從井下電傳遞到井室內(nèi)[14]。鉆桿還為井下電機(jī)所需的高壓液體提供了一條通道。

2.1.1 鉆機(jī)的選擇設(shè)計(jì)

研究選用的鉆機(jī)為ZDY6000LD(A)型，該鉆機(jī)具有移動(dòng)方便、轉(zhuǎn)速范圍廣、扭矩大、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其主軸制動(dòng)功能通過(guò)一個(gè)夾緊裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，該裝置固定在旋轉(zhuǎn)器的主驅(qū)動(dòng)軸上，為開放式結(jié)構(gòu)，具有油壓夾緊、彈簧開啟的功能。該鉆機(jī)可滿足定向鉆孔、旋轉(zhuǎn)鉆孔、復(fù)合鉆孔的要求，并處理粘管、蓋管事故。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了負(fù)荷傳感、恒壓變量和比例先導(dǎo)控制液壓泵提供的壓力和流量，使其始終與機(jī)構(gòu)施加的負(fù)載相適應(yīng)。由于該液壓系統(tǒng)沒有冗余的壓力和流量，具有節(jié)能性、噪聲低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)[15]。

2.1.2 鉆桿的選擇設(shè)計(jì)

在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿已被拉動(dòng)、按壓、彎曲和扭曲?？紤]到深孔鉆孔和事故處理，鉆桿必須具有足夠的強(qiáng)度和延性，以防止較大的彎曲變形。為了有效地傳輸信號(hào)，電纜組件被密封，以抵抗水和壓力。電纜組件插件的設(shè)計(jì)盡可能小，以擴(kuò)大與鉆桿壁之間的尺寸，減少?zèng)_洗液的能量損失。最佳的材料和先進(jìn)的工藝保證了鉆桿的整體張力和扭轉(zhuǎn)。如圖4所示，與平鉆桿相比，所采用鉆桿具有以下優(yōu)點(diǎn)：穿孔大，鉆進(jìn)液的動(dòng)能損失減少；信號(hào)可以通過(guò)中央固定的電纜從井下傳輸?shù)绞覂?nèi)；抗拉強(qiáng)度高達(dá)1 000 kN，可滿足定向鉆、旋轉(zhuǎn)鉆、井下事故解決的要求。多年來(lái)在礦山的應(yīng)用已經(jīng)證明了鉆棒的性能。

圖4 帶有電纜組件的鉆桿Fig.4 Drill rod with cable assembly inserts

2.1.3 鉆頭設(shè)計(jì)

與正常鉆頭相比，定向鉆頭必須有利于偏轉(zhuǎn)，并且對(duì)側(cè)井具有很強(qiáng)的切割能力。此外，其使用壽命長(zhǎng)，綜合效益好。因此，在設(shè)計(jì)鉆頭的結(jié)構(gòu)和冠形時(shí)，必須考慮其所遵循的基本原則。鉆頭的冠處應(yīng)設(shè)計(jì)在類似的平面或凹的圓錐形內(nèi)，在這種情況下，鉆頭的側(cè)面非常尖銳，以加強(qiáng)側(cè)向切削，有利于在不影響軸向切削的情況下偏轉(zhuǎn)。冠處不能設(shè)計(jì)為凸圓錐形，因?yàn)闄M向切割能力很低，橫向切割巖石受到擾動(dòng)，所有這些都可避免偏轉(zhuǎn)。定向鉆頭應(yīng)設(shè)計(jì)為全面鉆頭。巖心可以保持孔的直接性，防止孔的偏轉(zhuǎn)。綜上所述，最后將鉆頭設(shè)計(jì)為凹形圓錐形無(wú)芯鉆頭，高差為5～6 mm，其示意如圖5所示。

圖5 凹形圓錐形無(wú)心鉆頭Fig.5 Schematic diagram of concave conical coreless drill bit

2.2 實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦井下定向鉆隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可測(cè)量工具面的傾角、方位角、夾角等主要鉆孔參數(shù)。這些參數(shù)可以顯示在室內(nèi)空氣顯示器的屏幕上，以便鉆機(jī)了解井下情況，調(diào)整鉆孔方向。隨鉆測(cè)量?jī)x器由室內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置和井下測(cè)量單元組成。這2個(gè)裝置都是靈敏的精密電子設(shè)備。

2.2.1 井下測(cè)量單元

井下測(cè)量單元是鉆進(jìn)和設(shè)計(jì)軌跡的關(guān)鍵。井下測(cè)量裝置安裝在1根特殊的非磁性棒內(nèi)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用了抗振的方法來(lái)提高其可靠性，以滿足礦業(yè)生產(chǎn)的嚴(yán)格要求。在測(cè)管中使用加速度計(jì)和通量傳感器來(lái)降低溫度漂移，提高其穩(wěn)定性和精度。測(cè)量單元由微控制器、三軸加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、溫度傳感器和通信裝置組成，如圖6所示。C8051F120微控制器作為鉆進(jìn)單元的核心，執(zhí)行控制命令，向傳感器發(fā)送控制信號(hào)，并完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。其中集成了2個(gè)可編程視聽轉(zhuǎn)換器將傳感器的輸出被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。然后，處理后的數(shù)據(jù)等基本信息通過(guò)通用異步接收器/發(fā)射器(UART)模塊發(fā)送到通信設(shè)備。利用2種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)電容式加速度計(jì)LIS3L06AL實(shí)現(xiàn)輸出鉆頭的加速度，每個(gè)芯片的測(cè)量范圍為62g～66g，其輸出電壓與加速度呈線性關(guān)系。LIS3L06AL具有尺寸小、電路簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。采用HMC1053磁強(qiáng)計(jì)來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向和大小。HMC1053是一種高性能的磁阻傳感器，可用于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境。在該系統(tǒng)中，通過(guò)計(jì)算了磁阻傳感器的3個(gè)地磁分量來(lái)獲得鉆頭的方位。為了對(duì)加速度計(jì)的輸出提供溫度補(bǔ)償，采用DS18B201線數(shù)字溫度計(jì)來(lái)測(cè)量鉆井過(guò)程中系統(tǒng)的溫度。通信模塊采用電力線載波通信方式。在這種通信方法中，調(diào)制后的信號(hào)在直流電力線中被疊加和傳輸，只需要2條電源線，從而可以提高系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能。該通信模塊由P485收發(fā)器IC、P111電源線媒體接口作為輸出功率放大器等輔助組件組成。由于電力線載波通信接口引起的電磁噪聲可能會(huì)使傳感器和微控制器受到電磁噪聲的影響，因此，通信模塊應(yīng)在接地的金屬外殼中進(jìn)行屏蔽。此外，為了保證測(cè)量精度，在鉆機(jī)中加入了提供穩(wěn)定模擬數(shù)字電源的高精度功率模塊。

圖6 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.6 Design block diagram of measurement system

2.2.2 室內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置

室內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置由一臺(tái)防爆計(jì)算機(jī)及其軟件組成。在煤礦中進(jìn)行鉆探的環(huán)境對(duì)所使用的電子設(shè)備有嚴(yán)格的限制，主要由于密閉空間中存在煤塵和氣體以及爆炸的可能性。因此，所有設(shè)備都必須防爆才能安全操作。與普通計(jì)算機(jī)不同，防爆計(jì)算機(jī)具有防火、不露鋁、防火防靜電等特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)由電源、主板、液晶顯示屏、硬盤、信號(hào)采集板和鍵盤組成，在這些組件中，使用信號(hào)采集板來(lái)接收井下模擬信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這些電子元件被組裝并放置在一個(gè)防火外殼中。為了方便地下操作，研制了一種固有的安全無(wú)線鍵盤。為滿足防爆和通信的需要，采用了隔爆外殼和固有安全的防護(hù)類型，計(jì)算機(jī)也更加笨重及昂貴，計(jì)算機(jī)采用TFT彩色液晶顯示屏，其質(zhì)量為38 kg。在鉆進(jìn)過(guò)程中，隨鉆測(cè)量單元將井下信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，并最終顯示在屏幕上。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

為了顯示測(cè)量數(shù)據(jù)和引導(dǎo)鉆具，隨鉆測(cè)量需要使用軟件來(lái)處理數(shù)字信號(hào)，生成鉆道，調(diào)整工具面。如圖7所示，軟件由數(shù)據(jù)通信、圖形顯示、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)設(shè)置4個(gè)功能模塊組成：①數(shù)據(jù)通信模塊用于處理軟硬件之間的通信；②圖形顯示模塊可以生成鉆進(jìn)軌跡；③數(shù)據(jù)管理模塊管理實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)；④系統(tǒng)設(shè)置模塊用于設(shè)置系統(tǒng)和傳感器的參數(shù)。

圖7 軟件的模塊Fig.7 Modules of software

實(shí)時(shí)測(cè)量程序的流程如圖8所示。測(cè)量和調(diào)整工具面是此過(guò)程中的2個(gè)關(guān)鍵步驟。在測(cè)量步驟中，得到了工具面的傾角、方位角和角度，并根據(jù)孔的深度生成鉆孔軌跡。根據(jù)生成的軌跡與設(shè)計(jì)軌跡的差值進(jìn)行調(diào)整。

圖8 實(shí)時(shí)測(cè)量的流程Fig.8 Flowchart of real-time measuring

3 應(yīng)用效果分析

該項(xiàng)目的成果已經(jīng)應(yīng)用于中國(guó)某煤礦，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該系統(tǒng)有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①與常規(guī)鉆機(jī)相比，故障率降低了60%，鉆進(jìn)效率降低了2～3倍，具有功率大、工作可靠、移動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)。②帶電纜組件插入件的鉆桿強(qiáng)度高，具有可靠的信號(hào)傳輸能力。③隨鉆測(cè)量系統(tǒng)精度高，水平偏差小于孔深的5‰，垂直偏差小于孔深的1‰，可以得到整套軟件的相關(guān)參數(shù)、開停泵參數(shù)、測(cè)量參數(shù)及歷史測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存，這為操作人員實(shí)現(xiàn)調(diào)整鉆頭的鉆進(jìn)方向，確保鉆進(jìn)軌跡與設(shè)計(jì)軌跡更加一致提供了重要數(shù)據(jù)和方向指導(dǎo)。

4 結(jié)論

定向鉆進(jìn)系統(tǒng)在煤層內(nèi)鉆進(jìn)的實(shí)施中發(fā)揮了重要作用。首先介紹了隨鉆測(cè)量技術(shù)原理、發(fā)展歷史以及當(dāng)前傳統(tǒng)隨鉆測(cè)量技術(shù)，但由于地磁場(chǎng)很容易受到鐵礦石、電磁裝置等周圍環(huán)境的干擾，隨鉆測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用受到限制。MWD系統(tǒng)中引入了1個(gè)三軸加速度計(jì)和1個(gè)三軸陀螺儀用于測(cè)量鉆頭的加速度和角旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)了一種由防爆計(jì)算機(jī)和鉆進(jìn)裝備組成的地下測(cè)井下定向鉆隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。通過(guò)軟件處理和室內(nèi)監(jiān)測(cè)器的顯示，操作人員能夠調(diào)整鉆頭的鉆進(jìn)方向，確保鉆進(jìn)軌跡與設(shè)計(jì)軌跡更加一致。該隨鉆測(cè)量技術(shù)已經(jīng)集成到定向鉆進(jìn)系統(tǒng)中，并應(yīng)用于我國(guó)許多煤礦。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的可靠性和有效性。