梁 磊，紀海源

(陜西工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 咸陽 712000)

中國是煤炭生產(chǎn)和消費量最多的國家，我國煤礦每年都會發(fā)生大量的災害，其中，瓦斯災害的影響最為顯著，煤層內(nèi)鉆孔排氣是世界上預防煤礦瓦斯災害的最有效手段[1]。隨著采礦業(yè)的發(fā)展，鉆進工作變得越來越復雜，水平和定向鉆進的數(shù)量不斷增加。但在施工過程中，工程師無法直接觀察到施工進度，為了保證正確的鉆進程序，需要實時全面地了解鉆頭的方向和位置，及時改進鉆進角度和方式[2]。因此，隨鉆測量技術受到了廣泛關注。隨鉆測量是一種將測量工具集成到鉆桿中，并提供實時信息以幫助引導鉆機的鉆進技術，已被廣泛應用于石油、建筑、采礦等行業(yè)。在隨鉆測量的幫助下，鉆進變得更加容易操控。然而，由于地磁場很容易受到鐵礦石、電磁裝置等周圍環(huán)境的干擾，無線電發(fā)射機的信號穿透能力受到地層條件的影響，鉆頭的姿態(tài)信息難以準確測量[3]，若鉆進時使用了屏蔽磁強計所需的非磁力鉆柱，還會導致成本的增加[4]。因此，該隨鉆測量系統(tǒng)的應用受到限制[5]，對隨鉆測量進行系統(tǒng)性研究和改進，對提高鉆進技術具有重要意義。

1 隨鉆測量技術

隨鉆測量技術是一種在鉆進過程中持續(xù)測量多種參數(shù)的技術[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于水平面的傾角；工具面角，即鉆頭的角旋轉(zhuǎn)，當鉆頭軸向偏移時，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)實時可用，則可以方便地沿著預定義的軌跡控制鉆進過程。一般來說，測量鉆位的空間姿態(tài)是隨鉆測量技術系統(tǒng)的基本功能[8]。

1.1 鉆進工具

煤礦中使用的典型隨鉆測量鉆進工具如圖1所示。它通常由可控鉆頭、隨鉆測量系統(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，當鉆頭前進、旋轉(zhuǎn)時，鉆道將直線沿鉆桿軸線的方向移動。當需要改變鉆孔方向時，在隨鉆測量系統(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，鉆頭軌跡會產(chǎn)生彎曲[9]。

圖1 典型的隨鉆測量鉆進工具Fig.1 Typical MWD drilling tools

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

1.2 隨鉆測量系統(tǒng)

隨鉆測量系統(tǒng)是基于不同的測量原理而設計的。典型隨鉆測量系統(tǒng)基于磁測量技術，其技術原理如圖3所示。該系統(tǒng)由地下鉆進單元和地面監(jiān)測單元2部分組成。前者用于測量鉆進參數(shù)，后者用于收集處理所測量的數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)，可以計算和顯示出鉆頭的姿態(tài)信息。但地磁場很容易受到鐵礦石、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磁場，但是，使用屏蔽強磁場所需的非磁力鉆柱，往往會導致成本的增加?；跓o線電定位原理的隨鉆測量系統(tǒng)在鉆進單元中有1個無線電發(fā)射機。地面監(jiān)測單元通常放置在鉆孔入口或鉆孔軌道上方的地面上，接收無線電信號，并通過無線電強度計算鉆頭的位置。由于無線電發(fā)射機的功率有限，無線電發(fā)射機的信號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，該隨鉆測量系統(tǒng)的應用受到限制。此外，鉆頭的空間姿態(tài)信息難以準確測量。

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

2 新型隨鉆測量系統(tǒng)設計

大多數(shù)隨鉆測量系統(tǒng)使用磁強計或單加速度計來測量鉆頭的姿態(tài)角度。然而，這些隨鉆測量系統(tǒng)在惡劣的鉆進條件下通常性能不令人滿意[11]。針對現(xiàn)有技術的一些缺陷，提出了一種基于慣性姿態(tài)測量理論的新型隨鉆測量系統(tǒng)[12]。該系統(tǒng)具有冗余的多傳感器的特性。為了提高隨鉆測量系統(tǒng)的性能，特別是姿態(tài)角度的測量精度，采用2個三軸加速度計作為冗余度來測量鉆頭的加速度。

2.1 鉆進系統(tǒng)設計

隨鉆測量系統(tǒng)由地下鉆進設備和監(jiān)控設備2部分組成。測量裝置安裝在鉆桿內(nèi)部，是隨鉆測量系統(tǒng)的核心部件。它測量了鉆進過程中必要的參數(shù)。地面監(jiān)測單元是數(shù)據(jù)處理和計算的核心，可以顯示鉆頭的運動狀態(tài)，并存儲基本數(shù)據(jù)。

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

2.1.1 鉆機的選擇設計

研究選用的鉆機為ZDY6000LD(A)型，該鉆機具有移動方便、轉(zhuǎn)速范圍廣、扭矩大、適應性強等優(yōu)點，其主軸制動功能通過一個夾緊裝置來實現(xiàn)，該裝置固定在旋轉(zhuǎn)器的主驅(qū)動軸上，為開放式結構，具有油壓夾緊、彈簧開啟的功能。該鉆機可滿足定向鉆孔、旋轉(zhuǎn)鉆孔、復合鉆孔的要求，并處理粘管、蓋管事故。液壓系統(tǒng)的設計采用了負荷傳感、恒壓變量和比例先導控制液壓泵提供的壓力和流量，使其始終與機構施加的負載相適應。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[15]。

2.1.2 鉆桿的選擇設計

在鉆進過程中，鉆桿已被拉動、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度和延性，以防止較大的彎曲變形。為了有效地傳輸信號，電纜組件被密封，以抵抗水和壓力。電纜組件插件的設計盡可能小，以擴大與鉆桿壁之間的尺寸，減少沖洗液的能量損失。最佳的材料和先進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：穿孔大，鉆進液的動能損失減少；信號可以通過中央固定的電纜從井下傳輸?shù)绞覂?nèi)；抗拉強度高達1 000 kN，可滿足定向鉆、旋轉(zhuǎn)鉆、井下事故解決的要求。多年來在礦山的應用已經(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 鉆頭設計

與正常鉆頭相比，定向鉆頭必須有利于偏轉(zhuǎn)，并且對側(cè)井具有很強的切割能力。此外，其使用壽命長，綜合效益好。因此，在設計鉆頭的結構和冠形時，必須考慮其所遵循的基本原則。鉆頭的冠處應設計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)。冠處不能設計為凸圓錐形，因為橫向切割能力很低，橫向切割巖石受到擾動，所有這些都可避免偏轉(zhuǎn)。定向鉆頭應設計為全面鉆頭。巖心可以保持孔的直接性，防止孔的偏轉(zhuǎn)。綜上所述，最后將鉆頭設計為凹形圓錐形無芯鉆頭，高差為5～6 mm，其示意如圖5所示。

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

2.2 實時測量系統(tǒng)設計

煤礦井下定向鉆隨鉆測量系統(tǒng)可測量工具面的傾角、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，以便鉆機了解井下情況，調(diào)整鉆孔方向。隨鉆測量儀器由室內(nèi)監(jiān)測裝置和井下測量單元組成。這2個裝置都是靈敏的精密電子設備。

2.2.1 井下測量單元

井下測量單元是鉆進和設計軌跡的關鍵。井下測量裝置安裝在1根特殊的非磁性棒內(nèi)，在設計時采用了抗振的方法來提高其可靠性，以滿足礦業(yè)生產(chǎn)的嚴格要求。在測管中使用加速度計和通量傳感器來降低溫度漂移，提高其穩(wěn)定性和精度。測量單元由微控制器、三軸加速度計、磁強計、溫度傳感器和通信裝置組成，如圖6所示。C8051F120微控制器作為鉆進單元的核心，執(zhí)行控制命令，向傳感器發(fā)送控制信號，并完成數(shù)據(jù)處理任務。其中集成了2個可編程視聽轉(zhuǎn)換器將傳感器的輸出被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后，處理后的數(shù)據(jù)等基本信息通過通用異步接收器/發(fā)射器(UART)模塊發(fā)送到通信設備。利用2種微機電系統(tǒng)(MEMS)電容式加速度計LIS3L06AL實現(xiàn)輸出鉆頭的加速度，每個芯片的測量范圍為62g～66g，其輸出電壓與加速度呈線性關系。LIS3L06AL具有尺寸小、電路簡單、功耗低等優(yōu)點。采用HMC1053磁強計來測量地球磁場的方向和大小。HMC1053是一種高性能的磁阻傳感器，可用于強磁場環(huán)境。在該系統(tǒng)中，通過計算了磁阻傳感器的3個地磁分量來獲得鉆頭的方位。為了對加速度計的輸出提供溫度補償，采用DS18B201線數(shù)字溫度計來測量鉆井過程中系統(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，通信模塊應在接地的金屬外殼中進行屏蔽。此外，為了保證測量精度，在鉆機中加入了提供穩(wěn)定模擬數(shù)字電源的高精度功率模塊。

圖6 測量系統(tǒng)設計框圖Fig.6 Design block diagram of measurement system

2.2.2 室內(nèi)監(jiān)測裝置

室內(nèi)監(jiān)測裝置由一臺防爆計算機及其軟件組成。在煤礦中進行鉆探的環(huán)境對所使用的電子設備有嚴格的限制，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，所有設備都必須防爆才能安全操作。與普通計算機不同，防爆計算機具有防火、不露鋁、防火防靜電等特點。計算機由電源、主板、液晶顯示屏、硬盤、信號采集板和鍵盤組成，在這些組件中，使用信號采集板來接收井下模擬信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這些電子元件被組裝并放置在一個防火外殼中。為了方便地下操作，研制了一種固有的安全無線鍵盤。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類型，計算機也更加笨重及昂貴，計算機采用TFT彩色液晶顯示屏，其質(zhì)量為38 kg。在鉆進過程中，隨鉆測量單元將井下信息傳輸?shù)接嬎銠C中進行處理，并最終顯示在屏幕上。

2.3 軟件設計

為了顯示測量數(shù)據(jù)和引導鉆具，隨鉆測量需要使用軟件來處理數(shù)字信號，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)設置4個功能模塊組成：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軌跡；③數(shù)據(jù)管理模塊管理實時和歷史數(shù)據(jù)；④系統(tǒng)設置模塊用于設置系統(tǒng)和傳感器的參數(shù)。

圖7 軟件的模塊Fig.7 Modules of software

實時測量程序的流程如圖8所示。測量和調(diào)整工具面是此過程中的2個關鍵步驟。在測量步驟中，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)生成的軌跡與設計軌跡的差值進行調(diào)整。

圖8 實時測量的流程Fig.8 Flowchart of real-time measuring

3 應用效果分析

該項目的成果已經(jīng)應用于中國某煤礦，經(jīng)實踐驗證，該系統(tǒng)有以下3個優(yōu)點：①與常規(guī)鉆機相比，故障率降低了60%，鉆進效率降低了2～3倍，具有功率大、工作可靠、移動方便等優(yōu)點。②帶電纜組件插入件的鉆桿強度高，具有可靠的信號傳輸能力。③隨鉆測量系統(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參數(shù)、開停泵參數(shù)、測量參數(shù)及歷史測量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行實時保存，這為操作人員實現(xiàn)調(diào)整鉆頭的鉆進方向，確保鉆進軌跡與設計軌跡更加一致提供了重要數(shù)據(jù)和方向指導。

4 結論

定向鉆進系統(tǒng)在煤層內(nèi)鉆進的實施中發(fā)揮了重要作用。首先介紹了隨鉆測量技術原理、發(fā)展歷史以及當前傳統(tǒng)隨鉆測量技術，但由于地磁場很容易受到鐵礦石、電磁裝置等周圍環(huán)境的干擾，隨鉆測量技術的應用受到限制。MWD系統(tǒng)中引入了1個三軸加速度計和1個三軸陀螺儀用于測量鉆頭的加速度和角旋轉(zhuǎn)，設計了一種由防爆計算機和鉆進裝備組成的地下測井下定向鉆隨鉆測量系統(tǒng)，并設計相應的軟件系統(tǒng)。通過軟件處理和室內(nèi)監(jiān)測器的顯示，操作人員能夠調(diào)整鉆頭的鉆進方向，確保鉆進軌跡與設計軌跡更加一致。該隨鉆測量技術已經(jīng)集成到定向鉆進系統(tǒng)中，并應用于我國許多煤礦。應用結果表明，系統(tǒng)具有較高的可靠性和有效性。