煤礦井下智能化鉆探配套鉆具研究進(jìn)展

高曉亮

(中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

近年來(lái)，煤礦企業(yè)提升生產(chǎn)效率的主要方式為提升裝備自動(dòng)化水平，推進(jìn)煤炭開采智能化。截至2021 年底，全國(guó)已建成智能化采掘工作面813 個(gè)，其中，采煤面477 個(gè)，掘進(jìn)面336 個(gè)。已有29 種煤礦機(jī)器人在370 余處礦井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦減人、提效、保障安全，促進(jìn)能源低碳轉(zhuǎn)型具有重要意義[1]。在煤礦井下瓦斯抽采、探放水以及沖擊地壓防治等鉆孔施工過(guò)程中，煤與瓦斯突出、頂?shù)装逵克透邲_擊低壓導(dǎo)致的頂板動(dòng)力災(zāi)害，成為威脅作業(yè)人員人身安全的主要危險(xiǎn)源。為保障作業(yè)人員安全，行之有效的方法是最大限度地減少危險(xiǎn)崗位作業(yè)人員，因此發(fā)展基于無(wú)人化或少人化煤礦井下智能化鉆探技術(shù)成為現(xiàn)階段亟需解決的問(wèn)題[2]。李泉新等[3-4]提出了煤礦智能化鉆探的發(fā)展路徑，即圍繞精準(zhǔn)導(dǎo)向系統(tǒng)與高精度隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，發(fā)展智能決策與自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦井下雙向通信、自主決策、自動(dòng)控制相集成的閉環(huán)鉆進(jìn)系統(tǒng)。王清峰等[5]提出從鉆孔設(shè)計(jì)、自主導(dǎo)航與定位、工況感知、質(zhì)量評(píng)估等方面實(shí)現(xiàn)智能化，依靠智能鉆孔機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)煤礦鉆探從設(shè)計(jì)到質(zhì)量評(píng)估的全過(guò)程智能化。

作為智能鉆探的主要組成部分，智能鉆探鉆具系統(tǒng)是以自動(dòng)化鉆探為基礎(chǔ)，對(duì)從鉆頭到孔口設(shè)備中的孔底破巖、定向鉆進(jìn)、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)傳輸?shù)冗^(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，并融合相關(guān)數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的平臺(tái)上進(jìn)行互動(dòng)，共享數(shù)據(jù)，并基于相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，依靠人工智能做出最優(yōu)決策，控制孔內(nèi)鉆具以調(diào)整鉆頭姿態(tài)、改變鉆進(jìn)軌跡、優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)鉆進(jìn)[5-6]。其主要包括智能化鉆頭、定向(導(dǎo)向)鉆具、智能化鉆桿、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)。通過(guò)分析智能鉆探鉆具系統(tǒng)的組成，從定向鉆具、測(cè)量系統(tǒng)與鉆桿鉆頭等方面對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行梳理、研究，查明煤礦井下智能化鉆探配套鉆具研究現(xiàn)狀，并通過(guò)對(duì)比分析，提出存在問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)。

1 定向鉆具

定向鉆具是智能鉆探鉆具系統(tǒng)的重要組成部分，起到控制鉆進(jìn)方向的作用，是智能鉆探鉆具系統(tǒng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目前常用的主要有螺桿馬達(dá)與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具。

1.1 螺桿馬達(dá)

螺桿馬達(dá)是一種容積式馬達(dá)，其依靠水力驅(qū)動(dòng)改變馬達(dá)內(nèi)部的容積驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。馬達(dá)前端設(shè)置彎接頭，用于鉆頭的定向，廣泛應(yīng)用于石油、地質(zhì)、煤炭等鉆探領(lǐng)域[7]。

經(jīng)過(guò)多年的研究，螺桿馬達(dá)技術(shù)已日趨成熟?，F(xiàn)階段關(guān)于螺桿馬達(dá)的研究，主要在于提高其轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等輸出性能、延長(zhǎng)使用壽命、開發(fā)特殊工藝及地層的新型螺桿馬達(dá)等。黃超[8]、陳欣[9]、趙娜[10]等采用數(shù)值分析方法，對(duì)螺桿馬達(dá)線形進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高線形連續(xù)光滑性能，降低了最大相對(duì)滑動(dòng)率與綜合曲線率，增大了過(guò)流面積。張士明[11]、陳逸珂[12]、邵增元[13]等通過(guò)分析定子襯套的熱應(yīng)力分布和位移變化規(guī)律，優(yōu)化橡膠襯套性能、加工工藝及配合間隙，提高馬達(dá)壽命。屈文濤等[14]為徹底解決橡膠襯套對(duì)螺桿馬達(dá)壽命的限制，設(shè)計(jì)了全金屬螺桿馬達(dá)，通過(guò)線型分析，選用普通內(nèi)擺線等距線型，同時(shí)將金屬螺桿馬達(dá)定、轉(zhuǎn)子間的配合關(guān)系由過(guò)盈配合改為間隙配合，并仿真分析了間隙值、鉆井液性能等參數(shù)對(duì)馬達(dá)性能的影響。

等壁厚螺桿馬達(dá)是螺桿鉆具行業(yè)的前沿技術(shù)之一，等壁厚螺桿馬達(dá)定子橡膠層的厚度是均勻地硫化在定子外殼的螺旋曲面上的，如圖1 所示，由于橡膠層厚度均勻，等壁厚螺桿馬達(dá)具備以下優(yōu)點(diǎn)[15]：一方面，等壁厚螺桿馬達(dá)具備更好的熱傳遞性能，解決了常規(guī)螺桿馬達(dá)由于散熱不及時(shí)導(dǎo)致的橡膠襯套熱損傷問(wèn)題，同時(shí)能適應(yīng)更高的孔內(nèi)溫度；另一方面等壁厚保證橡膠膨脹均勻，即使高溫條件，馬達(dá)線形也能夠得到一定保證。韓傳軍[16]、祝效華[17]、郝榮明[18]、王可[19]等對(duì)等壁厚螺桿馬達(dá)襯套進(jìn)行了分析試驗(yàn)，并建立了相關(guān)的力學(xué)計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)等壁厚螺桿馬達(dá)橡膠襯套具備更好的抗壓能力及密封性能。

煤礦領(lǐng)域多針對(duì)不同鉆進(jìn)工藝對(duì)螺桿馬達(dá)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。劉建林等[20]針對(duì)煤礦定向鉆進(jìn)特點(diǎn)，結(jié)合等壁厚螺桿馬達(dá)優(yōu)點(diǎn)，研制了礦用?73 mm 等壁厚螺桿馬達(dá)，經(jīng)測(cè)試其性能較常規(guī)螺桿馬達(dá)顯著提升；張杰等[21]針對(duì)碎軟煤層空氣鉆進(jìn)特點(diǎn)，開發(fā)了軟煤鉆進(jìn)用空氣螺桿馬達(dá)，其啟動(dòng)壓力低，輸出效率高，滿足了軟煤空氣定向鉆進(jìn)需求，并在各大礦區(qū)進(jìn)行了推廣，取得了良好的應(yīng)用效果；王四一等[22]針對(duì)常規(guī)單彎螺桿馬達(dá)鉆進(jìn)硬巖層時(shí)效率低的問(wèn)題，采用在馬達(dá)萬(wàn)向軸與鉆頭之間增加沖擊機(jī)構(gòu)的方法，研制了沖擊螺桿馬達(dá)，其具有沖擊和定向雙重功能，鉆進(jìn)效率較常規(guī)單彎螺桿馬達(dá)提高20%～30%，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 沖擊螺桿馬達(dá)結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of the structure of the impact screw motor

1.2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是20 世紀(jì)90 年代作為替代螺桿馬達(dá)研發(fā)的一種新型定向鉆井工具，與螺桿馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)定向相比，其鉆進(jìn)時(shí)鉆具整體旋轉(zhuǎn)，有效解決了滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆孔清洗不好，易形成巖粉墊、鉆桿落在孔壁下方、摩擦阻力大、鉆壓傳遞困難、易發(fā)生卡鉆等問(wèn)題。目前，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的應(yīng)用主要集中于石油領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外各大油服公司都相繼開發(fā)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具，主要包括推靠式和指向式兩種[23]。

1)推靠式

推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具的工作原理如圖3 所示，其偏置裝置通常由液壓驅(qū)動(dòng)，在鉆井過(guò)程中，液壓缸向?qū)蛞砝呤┘油屏ψ饔糜诰?，井壁?duì)翼肋的反作用力的合力使鉆頭發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而控制鉆井軌跡。當(dāng)鉆頭傾角和方位角與預(yù)設(shè)一致時(shí)，導(dǎo)向翼肋保持恒定的伸縮長(zhǎng)度，不再對(duì)井壁施加推力，井眼曲率不發(fā)生改變。

圖3 推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏置原理Fig.3 Bias principle of push to bit RSS

根據(jù)導(dǎo)向工具外筒是否旋轉(zhuǎn)，推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)分為動(dòng)態(tài)推靠式和靜態(tài)推靠式兩種。動(dòng)態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)以斯倫貝謝公司的PowerDrive 系統(tǒng)為代表。斯倫貝謝公司推出了一種近鉆頭導(dǎo)向系統(tǒng)(NeoSteer At-Bit Steerable System,ABSS)，采用全旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)推靠式導(dǎo)向機(jī)理，但推靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接作用在鉆頭處，使鉆頭姿態(tài)調(diào)整更為容易。近鉆頭推靠式工具有兩種結(jié)構(gòu)：一種是導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與鉆頭分離式 NeoSteerCLx ABSS，另一種是導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與鉆頭一體式 NeoSteer CL ABSS，如圖4 所示。

圖4 NeoSteer 近鉆頭導(dǎo)向系統(tǒng)Fig.4 NeoSteer ABSS

靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)以貝克休斯公司的AutoTrak 系統(tǒng)為代表。AutoTrak 系統(tǒng)的外套不旋轉(zhuǎn)，依靠旋轉(zhuǎn)心軸連接鉆桿鉆頭，傳遞鉆壓扭矩。不旋轉(zhuǎn)外套上設(shè)置有推靠機(jī)構(gòu)，并具備決策和控制功能。AutoTrak 系統(tǒng)的不旋轉(zhuǎn)扶正器滑套鉆進(jìn)中相對(duì)靜止，確保鉆頭可以沿著特定的方向鉆進(jìn)。目前其較為先進(jìn)的AutoTrack Curve 系統(tǒng)在傳統(tǒng)導(dǎo)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及水力參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，增大了導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的適應(yīng)性，對(duì)不同地層均能提高其造斜能力，能夠?qū)崿F(xiàn)用一套鉆具、一趟鉆鉆穿造斜段、穩(wěn)斜段、著陸段和水平段。

2)指向式

指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)以哈里伯頓公司的GeoPilot 為代表，其偏置原理如圖5 所示。該系統(tǒng)不依賴偏移鉆頭進(jìn)行轉(zhuǎn)向，也不旋轉(zhuǎn)外筒。依靠中間的一組偏心環(huán)偏置旋轉(zhuǎn)心軸，使鉆頭具有與井眼軸不一致的傾斜角，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向效果[24]。

圖5 指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)組成及偏置原理Fig.5 Bias principle and compose of point to bit RSS

2021 年，哈里伯頓公司發(fā)布了iCruise 智能旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)更新了更先進(jìn)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，能夠適應(yīng)更高溫度，且轉(zhuǎn)向動(dòng)力更大，轉(zhuǎn)速可達(dá)400 r/min，造斜率可達(dá)18(°)/30 m。該智能旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)配備6 個(gè)高速處理器，可進(jìn)行三刀面測(cè)量，測(cè)量速度可達(dá)1 000 次/s，配合LOGIX 自動(dòng)化鉆井平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)鉆井，提供更快、一致和可重復(fù)的鉆井功能。

國(guó)內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的研究單位以中海油、中石油、中石化以及相關(guān)高校為主，相關(guān)研究以靜態(tài)推靠式為主，大多處于樣機(jī)試制階段，具體研究單位及相關(guān)樣機(jī)參數(shù)見表1。

表1 國(guó)內(nèi)各旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀Table 1 Status of rotary steerable systems in China

煤礦井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)起步晚，研究相對(duì)較少，主要是石油行業(yè)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的小型化。“十三五”期間，中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司研制了國(guó)內(nèi)首套煤礦井下用小直徑旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，采用推靠式結(jié)構(gòu)，造斜率22(°)/100 m，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下鉆孔軌跡的自動(dòng)糾偏，該系統(tǒng)在內(nèi)蒙古唐家會(huì)煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，完成了2 個(gè)800 m 鉆孔。袁子航[25]結(jié)合礦用小直徑旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)軌跡控制技術(shù)展開研究，為小直徑旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦井下定向鉆孔施工提供了技術(shù)支持。

2 隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

隨鉆測(cè)量系統(tǒng)是指在鉆具上布設(shè)各種傳感器，實(shí)現(xiàn)在鉆進(jìn)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種地層參數(shù)、鉆井參數(shù)的系統(tǒng)。目前常用的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)兩大部分組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為一段安裝在近鉆頭端的無(wú)磁短節(jié)，以防止磁性元件對(duì)內(nèi)部測(cè)量元件的干擾。通過(guò)無(wú)磁短節(jié)內(nèi)的各測(cè)量元件，采集鉆進(jìn)需要的相關(guān)數(shù)據(jù)。信號(hào)傳輸系統(tǒng)在鉆進(jìn)過(guò)程中將采集的數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)有線或者無(wú)線的方式傳輸?shù)娇卓?，通過(guò)孔口數(shù)據(jù)分析，反饋給操作人員進(jìn)行判斷，從而實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過(guò)程的隨鉆測(cè)量。圖6 為貝克休斯Auto-Trak G3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量模塊。

圖6 貝克休斯AutoTrak G3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量模塊Fig.6 Measurement module of AutoTrak G3 RSS of Baker Hughes

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

目前石油行業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，測(cè)量的數(shù)據(jù)較多，主要包括地層參數(shù)、工程參數(shù)以及軌跡參數(shù)三大類，具體測(cè)量參數(shù)如圖7 所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集分類Fig.7 Classification of data collection

國(guó)外大型油服公司的隨鉆測(cè)量產(chǎn)品主要有8 種約20 個(gè)系列，能夠測(cè)量的參數(shù)達(dá)30 多項(xiàng)，可以滿足各種井身結(jié)構(gòu)及鉆井方式的需要。貝克休斯公司的NaviGator 系統(tǒng)，可以測(cè)量井斜、電阻率、方位、伽馬射線等參數(shù)。斯倫貝謝公司的 EcoScope 系統(tǒng)，主要用于測(cè)量鉆頭參數(shù)，包括鉆孔直徑、環(huán)空壓力、振動(dòng)等工程參數(shù)，同時(shí)可監(jiān)測(cè)地層密度、孔隙度以及伽馬射線、電阻率等參數(shù)。哈利伯頓公司的 ABI 系統(tǒng)，也能實(shí)現(xiàn)近鉆頭處的井斜、伽馬、電阻率等參數(shù)的測(cè)量[26]。

煤礦井下隨鉆測(cè)量系統(tǒng)一般僅對(duì)傾斜、方位、工具面等空間軌跡參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，逐步加入了伽馬地層識(shí)別功能。石智軍[27]、劉京科[28]等采用靜態(tài)方位伽馬方式，比對(duì)含煤地層自然伽馬，識(shí)別煤層與巖層的分界面，以指導(dǎo)順煤層鉆進(jìn)。西安研究院在靜態(tài)伽馬基礎(chǔ)上，采用動(dòng)態(tài)方位伽馬進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)復(fù)合鉆進(jìn)工況下動(dòng)態(tài)方位伽馬數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與成像，可實(shí)時(shí)辨認(rèn)地層分界，為導(dǎo)向鉆進(jìn)提供依據(jù)。

2.2 信號(hào)傳輸系統(tǒng)

隨鉆測(cè)量的信號(hào)傳輸方式分為有線、無(wú)線兩大類。有線傳輸主要是采用通纜鉆桿，無(wú)線傳輸主要有泥漿脈沖、電磁波、聲波、光纖等技術(shù)[29-30]。其中，聲波通信傳輸速率高，但鉆桿對(duì)聲波的衰減比較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸；光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)目前尚處于理論研究階段[31]，應(yīng)用比較成熟的無(wú)線傳輸為泥漿脈沖和電磁波傳輸。

1)有線傳輸

有線信號(hào)傳輸系統(tǒng)主要通過(guò)在鉆桿中埋設(shè)的纜線傳遞數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳輸可靠，傳輸速度快，傳輸數(shù)據(jù)量大，西安研究院通過(guò)多年技術(shù)積累，研制了多種型號(hào)有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)[32]，其供電方式也由電池供電轉(zhuǎn)變?yōu)榭卓诜辣?jì)算機(jī)供電，目前煤礦有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)實(shí)鉆最大傳輸距離達(dá)2 311 m[33]。

2)泥漿脈沖傳輸

泥漿脈沖式信號(hào)傳輸系統(tǒng)，采用泥漿脈沖發(fā)生器將測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為泥漿壓力的變化，進(jìn)而傳遞到孔口，如圖8 所示，高壓和低壓分別代表“0”“1”二進(jìn)制信號(hào)，在石油和天然氣鉆探領(lǐng)域應(yīng)用比較成熟。近年來(lái)，為了解決煤礦井下有線信號(hào)傳輸技術(shù)存在的必須配備通纜鉆桿從而導(dǎo)致鉆桿強(qiáng)度低、通水量小的問(wèn)題，泥漿脈沖無(wú)線傳輸技術(shù)被引入到煤礦井下。西安研究院研發(fā)了泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)[34]，可與常規(guī)普通鉆桿配套使用，測(cè)量精度達(dá)到了有線隨鉆測(cè)量技術(shù)同等技術(shù)水平[35]，目前煤礦井下泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)實(shí)鉆最大傳輸距離達(dá)3 353 m。

圖8 泥漿脈沖發(fā)生器原理Fig.8 Schematic of mud pulse generator

3)無(wú)線電磁波傳輸

無(wú)線電磁波信號(hào)傳輸系統(tǒng)是利用電磁波作為媒介，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，主要由孔內(nèi)測(cè)量?jī)x器和孔口接收裝置組成，測(cè)量原理如圖9 所示。該技術(shù)不依賴通纜鉆桿和流體介質(zhì)，具有傳輸速率高，可用于氣體鉆進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，在石油領(lǐng)域應(yīng)用成熟，最大垂直傳輸深度可到3 000 m 以上。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)王家豪基于經(jīng)典電磁理論，建立了井下EM-MWD 電磁傳輸信道模型，結(jié)合煤層及煤層圍巖電性，運(yùn)用等效傳輸線法，計(jì)算了孔口接收電極間信號(hào)電壓，包括煤巖層導(dǎo)電性、發(fā)射信號(hào)頻率、鉆桿電阻率、鉆桿長(zhǎng)度對(duì)接收信號(hào)電壓的影響規(guī)律。西安研究院、重慶研究院、河南理工大學(xué)[36]等單位研發(fā)了電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用孔內(nèi)鉆具與地層作為無(wú)線信號(hào)傳輸介質(zhì)，不再依靠通纜鉆桿傳輸，可用于空氣鉆進(jìn)工藝，為我國(guó)碎軟煤層定向鉆進(jìn)提供了新的技術(shù)方法。但由于煤礦井下防爆要求，功率受限，接收信號(hào)易受地層及周邊設(shè)備電磁干擾，井下傳輸距離有限，一般適用于500 m 以內(nèi)的定向鉆孔施工。

圖9 電磁波傳輸Fig.9 Schematic diagram of EM-MWD transmission

3 智能化鉆桿與鉆頭

3.1 智能化鉆桿

在鉆探施工中，鉆桿不僅起到傳遞鉆壓、扭矩，提供鉆井液通道的作用[37-38]，在有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)中，還具有傳遞信號(hào)的功能。目前對(duì)智能化鉆桿的研究，多特指為通纜鉆桿，即在鉆桿中孔或側(cè)壁嵌入纜線，以實(shí)現(xiàn)電能和信息的傳輸。根據(jù)鉆桿接頭連接傳導(dǎo)方式的不同可分為磁耦合連接和接觸連接。

1)磁耦合連接

美國(guó)Intelliserv 公司最早提出了智能化鉆桿的概念，2003 年，J.J.Michael 等[39-40]研制了一種通纜鉆桿，如圖10 所示，該鉆桿在鉆桿內(nèi)壁上埋設(shè)有導(dǎo)線，接頭處連接導(dǎo)電環(huán)，兩導(dǎo)電環(huán)連接后采用磁感應(yīng)傳遞信號(hào)。

胡永建等[41-42]研制了一種磁耦合有纜鉆桿，其傳輸速率達(dá)到 100 kb/s，并通過(guò)信道建模與模擬分析等方式對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，目前已經(jīng)在吉林油田、大慶油田等進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2)接觸連接

石崇東等[43]提出了智能化鉆桿的方案，通過(guò)金屬面密封或彈性元件連接置于鉆桿內(nèi)的銅導(dǎo)線，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)鉆具的有線導(dǎo)通。劉選朝等[44]采用有線接觸連接方式設(shè)計(jì)了智能化鉆桿的電力與信息傳輸系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電力與信息的同線同步傳輸。

煤礦井下定向鉆進(jìn)用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)自研發(fā)之初便采用通纜鉆桿傳輸信號(hào)和電能，目前通纜鉆桿技術(shù)日趨成熟，廣泛應(yīng)用于煤礦井下定向鉆進(jìn)施工中。田東莊[45]、燕南飛[46-47]、呂晉軍[48]等通過(guò)對(duì)定向鉆進(jìn)配套鉆具工作條件分析，研制了中心通纜鉆桿，并廣泛應(yīng)用于煤礦井下有線隨鉆測(cè)量施工。朱寧[49]針對(duì)空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)需要低壓耗、大風(fēng)量驅(qū)動(dòng)空氣螺桿和高效排渣要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆桿間信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了大風(fēng)量有線隨鉆測(cè)量螺旋鉆桿，滿足了空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)要求。馬少明等[50]發(fā)明了一種隨鉆測(cè)量用多通道并聯(lián)式穿線鉆桿，如圖11 所示，該鉆桿通過(guò)多個(gè)并聯(lián)式的電纜通道實(shí)現(xiàn)孔底供電和信號(hào)傳輸?shù)姆蛛x，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

圖11 多通道并聯(lián)式穿線鉆桿Fig.11 Schematic diagram of multi-channel parallel threading drill pipe

3.2 智能化鉆頭

智能化鉆頭主要是指鉆頭在破巖過(guò)程中能夠獲取自身工作狀態(tài)參數(shù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析與處理，調(diào)整自身形態(tài)與鉆進(jìn)參數(shù)，更好地適應(yīng)孔底環(huán)境與鉆遇地層，以期獲得最優(yōu)鉆進(jìn)效率[51-52]。A.Leseultre 等[53]提出了一種多傳感器的鉆頭，可在鉆進(jìn)過(guò)程中采集鉆進(jìn)參數(shù)，感知孔底環(huán)境，為其自身形態(tài)調(diào)整奠定了基礎(chǔ)。A.L.Sinor 等[54]提出了一種可以調(diào)整切削齒單齒加載力的鉆頭，鉆進(jìn)過(guò)程中可調(diào)整切削深度以適應(yīng)地層特性。王以法[55]構(gòu)想了一種具備參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)分析處理與通信以及自身形態(tài)控制的智能化鉆頭。以上鉆頭目前處于概念階段，未進(jìn)行試制與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。貝克休斯公司發(fā)布的TerrAdapt 鉆頭是行業(yè)內(nèi)第一款自適應(yīng)鉆頭，如圖12 所示，該鉆頭通過(guò)安裝在冠部的機(jī)械卵形元件，可以根據(jù)鉆遇地層特性調(diào)節(jié)切削齒的切削深度，以最優(yōu)切削深度，防止鉆頭振動(dòng)、黏滑和孔底巖石對(duì)鉆頭的沖擊，從而獲取最優(yōu)鉆速與最長(zhǎng)鉆頭壽命[56]。哈里伯頓公司也推出了自適應(yīng)鉆頭-CruzerTM 深切削滾珠元件鉆頭，具備根據(jù)孔內(nèi)參數(shù)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)的功能，可采用低扭矩實(shí)現(xiàn)高機(jī)械鉆速鉆進(jìn)[57]。

圖12 TerrAdapt 自適應(yīng)智能化鉆頭Fig.12 TerrAdapt adaptive intelligent drill bit

吳澤兵等[58]采用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法建立了巖性識(shí)別模型，并設(shè)計(jì)了一種新型可伸縮式 PDC-孕鑲金剛石耦合仿生智能化鉆頭，通過(guò)仿真分析表明BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)巖性的識(shí)別精度非常高，有利于合理選擇鉆頭類型、及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)和提高鉆井效率。

4 存在不足與發(fā)展趨勢(shì)

目前智能鉆探鉆具系統(tǒng)仍處于發(fā)展初期，諸多關(guān)鍵基礎(chǔ)理論與核心技術(shù)尚待突破。其中，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的智能鉆探鉆具技術(shù)研究已取得了一定進(jìn)展，以三大油服為主導(dǎo)的智能閉環(huán)鉆具系統(tǒng)已初具規(guī)模，取得較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，驗(yàn)證了智能鉆井技術(shù)的可行性和適應(yīng)性。國(guó)內(nèi)仍處于起步階段，智能化鉆探鉆具研究水平與國(guó)外存在一定差距，但是以中石油、中石化、中海油為主導(dǎo)的大企業(yè)已聯(lián)合高校開發(fā)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，并日趨成熟，但是在閉環(huán)智能鉆進(jìn)系統(tǒng)集成方面還亟待攻關(guān)。

4.1 存在不足

煤礦井下智能鉆探主要用于巷道內(nèi)近水平鉆進(jìn)，鉆具尺寸小、鉆孔彎曲度大、鉆遇地層更為破碎，同時(shí)要求相關(guān)元器件具備防爆功能，石油行業(yè)先進(jìn)成熟技術(shù)難以直接應(yīng)用，因此需要突破智能鉆探關(guān)鍵鉆具技術(shù)，形成以導(dǎo)向鉆具、隨鉆測(cè)量鉆具、智能化鉆桿與智能化鉆頭為核心鉆具的智能鉆具體系，為煤礦井下鉆探智能化、無(wú)人化提供技術(shù)支撐。對(duì)標(biāo)石油行業(yè)，在定向鉆具、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、鉆桿鉆頭研究方面存在以下不足。

(1)煤礦井下定向鉆具目前主要以螺桿馬達(dá)為主，創(chuàng)新發(fā)展方面主要針對(duì)螺桿馬達(dá)的個(gè)性化改型、定制，對(duì)螺桿馬達(dá)的線形設(shè)計(jì)、橡膠襯套的抗疲勞、增強(qiáng)壽命研究相對(duì)較少；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)方面僅西安研究院研制了小尺寸推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，對(duì)不同類型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，未進(jìn)行適用性研究與小型化改型。

(2)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集方面除了鉆孔軌跡參數(shù)、工具面參數(shù)，目前僅進(jìn)行了煤巖交接面的伽馬識(shí)別，采集的參數(shù)較少，對(duì)于傳輸方式，大多依靠傳統(tǒng)的泥漿脈沖、有線以及無(wú)線電磁波的傳輸方式，泥漿脈沖存在數(shù)據(jù)量小，依靠水的缺點(diǎn)，無(wú)線電磁波傳輸距離局限在500 m 的缺陷。

(3)智能化鉆桿研究主要集中在通纜鉆桿的優(yōu)化改進(jìn)方面，未對(duì)電磁耦合等新型傳輸方式開展研究，另外對(duì)鉆桿自身狀態(tài)監(jiān)測(cè)未進(jìn)行研究；智能化鉆頭方面研究投入過(guò)少，對(duì)鉆頭破巖指導(dǎo)相對(duì)較少，不能指導(dǎo)鉆機(jī)端對(duì)鉆頭破巖參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 發(fā)展趨勢(shì)

借鑒石油行業(yè)智能鉆井鉆具系統(tǒng)發(fā)展方向，煤炭行業(yè)一方面應(yīng)開展基于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的閉環(huán)智能鉆進(jìn)鉆具系統(tǒng)，同時(shí)應(yīng)根據(jù)本行業(yè)需求，在煤礦井下瓦斯抽采、探放水、沖擊地壓防治等鉆探施工中，加入孔內(nèi)瓦斯監(jiān)測(cè)、煤礦水害超前探測(cè)以及地層應(yīng)力監(jiān)測(cè)等方面內(nèi)容，進(jìn)一步保障煤礦鉆探安全、綠色、高效施工，具體表現(xiàn)在以下方面：

(1)開展以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?yàn)橹?，多種定向鉆具并存的定向鉆具研究。從現(xiàn)有技術(shù)來(lái)看，智能鉆探鉆具系統(tǒng)的核心依舊是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，煤礦井下鉆探以水平、近水平鉆孔為主，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)在防止巖屑沉積，超深鉆孔鉆壓傳遞等方面較滑動(dòng)鉆探具備較大優(yōu)勢(shì)，因此，應(yīng)開展高精度旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具的研制，以此為基礎(chǔ)配合隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，形成孔口與孔底雙向通信的全閉環(huán)智能鉆探鉆具系統(tǒng)。另外，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的研究并非一蹴而就，煤礦井下定向鉆進(jìn)在一個(gè)時(shí)期內(nèi)，主要定向方式應(yīng)該以螺桿馬達(dá)為主，因此，應(yīng)繼續(xù)開展螺桿馬達(dá)的研究，一方面，針對(duì)煤礦井下地層特點(diǎn)，開展螺桿馬達(dá)線形優(yōu)化，提升螺桿馬達(dá)能力與適用性。另一方面，優(yōu)化螺桿馬達(dá)襯套橡膠性能，開展全金屬螺桿馬達(dá)研究，提升螺桿馬達(dá)使用壽命。

(2)開展具備煤礦特色的孔內(nèi)多參數(shù)監(jiān)測(cè)與多種傳輸方式并存的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)研究。隨鉆數(shù)據(jù)采集方面，除應(yīng)對(duì)鉆孔軌跡、工具面等鉆孔參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，還應(yīng)對(duì)鉆具工作狀態(tài)、地層參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為智能鉆探?jīng)Q策系統(tǒng)提供依據(jù)，進(jìn)而自動(dòng)優(yōu)化鉆孔軌跡與鉆進(jìn)參數(shù)。另外，煤礦智能鉆探施工主要針對(duì)瓦斯抽采、探放水、沖擊地壓防治等方面，因此，在隨鉆測(cè)量系統(tǒng)方面，應(yīng)在近鉆頭端增加瓦斯監(jiān)測(cè)、地下水超前探測(cè)以及地層壓力感知功能，并及時(shí)反饋給智能鉆探系統(tǒng)，防止鉆探事故及災(zāi)害的發(fā)生。在孔內(nèi)信號(hào)傳輸方面，一方面應(yīng)持續(xù)優(yōu)化現(xiàn)有有線傳輸方式，開展獨(dú)立多通道傳輸方式研究，實(shí)現(xiàn)孔口與孔底的雙向通信，為智能鉆探的實(shí)現(xiàn)提供通信基礎(chǔ)；另一方面，應(yīng)針對(duì)常規(guī)鉆進(jìn)和空氣鉆進(jìn)，分別開展高速無(wú)線傳輸技術(shù)。通過(guò)優(yōu)化泥漿脈沖發(fā)生器及相關(guān)元件，提高泥漿脈沖傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與數(shù)據(jù)傳輸效率；通過(guò)聲波、電磁波傳輸技術(shù)的研究，以更高精度、更快速度地傳遞日趨增大的數(shù)據(jù)量，并通過(guò)增加中繼器等方式，提高其傳輸距離，進(jìn)而滿足更深空氣鉆進(jìn)的需求。

(3)開展具備自身性能監(jiān)測(cè)的智能化鉆桿與破巖參數(shù)監(jiān)測(cè)的智能化鉆頭。由于煤礦近水平施工特點(diǎn)，鉆桿尺寸小，受力復(fù)雜，更容易出現(xiàn)斷鉆、埋鉆等事故，因此，應(yīng)開展鉆桿自身狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆桿受力狀態(tài)、疲勞程度等，及時(shí)更換或調(diào)整鉆桿狀態(tài)，防止因斷鉆導(dǎo)致孔內(nèi)鉆具系統(tǒng)掉落等事故發(fā)生。鉆頭是鉆具系統(tǒng)的最前端，其工作表現(xiàn)直接影響鉆探施工效率。因此，應(yīng)開發(fā)具備自身工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)并能及時(shí)調(diào)整的智能化鉆頭，一方面監(jiān)測(cè)地層、溫度、沖洗液以及鉆壓、轉(zhuǎn)速等鉆頭端數(shù)據(jù)，另一方面監(jiān)測(cè)自身工作溫度、切削齒狀態(tài)及自身受力狀態(tài)，并根據(jù)以上數(shù)據(jù)調(diào)整切削齒，滿足不同工作狀態(tài)需求，進(jìn)而提高鉆進(jìn)效率與壽命。

5 結(jié)論

a.目前，煤礦井下智能化鉆具研究處于起步階段，定向鉆具以螺桿馬達(dá)為主，主要研究集中于螺桿馬達(dá)的線形設(shè)計(jì)、定子橡膠抗疲勞研究與不同工藝個(gè)性化定制；隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)參數(shù)較少，以軌跡參數(shù)為主，數(shù)據(jù)傳輸以有線與泥漿脈沖方式為主；智能化鉆桿研究主要為通纜鉆桿的優(yōu)化與改進(jìn)，智能化鉆頭的研究尚未開展。

b.煤礦井下智能化鉆探用配套鉆具的發(fā)展應(yīng)從以下方面展開：開展多種結(jié)構(gòu)形式的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具研究，豐富煤礦井下隨鉆測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)種類，針對(duì)不同鉆進(jìn)工藝開展與之相適用的不同數(shù)據(jù)傳輸方式并增大其傳輸距離與傳輸速度，完善具備高速傳輸通道的智能化鉆桿與自適應(yīng)智能化鉆頭的研究。

c.根據(jù)煤礦鉆孔施工需求，煤礦井下智能鉆進(jìn)配套鉆具系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)解決以下問(wèn)題：多結(jié)構(gòu)形式近鉆頭端旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具的設(shè)計(jì)開發(fā)，具備鉆進(jìn)過(guò)程中瓦斯、地下水、地應(yīng)力等多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)，具有自身工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)的智能化鉆桿、智能化鉆頭研發(fā)，最終形成具備雙向通信、能夠根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析、優(yōu)化、決策的閉環(huán)鉆進(jìn)系統(tǒng)。