郝世俊，褚志偉，李泉新，方 俊，陳 龍，劉建林

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦智能化是煤炭行業(yè)實(shí)現(xiàn)安全、綠色、智能、高效發(fā)展的核心技術(shù)支撐[1]。2020 年2 月，國(guó)家八部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，為加快煤礦智能化建設(shè)提供綱領(lǐng)性指引，對(duì)煤炭地質(zhì)保障技術(shù)提出了具體發(fā)展目標(biāo)：重點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)地質(zhì)探測(cè)技術(shù)攻關(guān)，通過(guò)智能鉆探和智能物探等技術(shù)手段，構(gòu)建面向智能開(kāi)采的透明工作面，為智能開(kāi)采提供高精度地質(zhì)導(dǎo)航[2]。

隨鉆測(cè)量技術(shù)作為煤礦井下智能鉆探的關(guān)鍵組成之一，在鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔軌跡參數(shù)(鉆孔傾角、方位角和螺桿鉆具工具面向角等)、鉆進(jìn)工程參數(shù)(鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速和振動(dòng)等)和鉆遇地層參數(shù)(巖性和含水率等)，可為鉆孔軌跡調(diào)整、鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化和鉆遇地層分析提供數(shù)據(jù)支持，有力保障高精度透明工作面的建設(shè)[3-4]。

現(xiàn)階段煤礦井下隨鉆測(cè)量以鉆孔軌跡參數(shù)測(cè)量為主，已廣泛應(yīng)用于瓦斯抽采、水害防治和隱蔽致災(zāi)因素探查等多類(lèi)型定向鉆孔施工[5-7]。代表性產(chǎn)品主要包括YHD2-2000 孔口供電隨鉆測(cè)量裝置、YHD3-3000礦用泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量裝置和YSDC 礦用電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量裝置。應(yīng)用YHD2-2000 孔口供電隨鉆測(cè)量裝置創(chuàng)造了煤礦井下中硬煤層順煤層鉆孔2 311 m 的孔深紀(jì)錄，采用YHD3-3000 礦用泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量裝置創(chuàng)造了煤礦井下中硬煤層順煤層鉆孔2 570 和3 353 m 的孔深新紀(jì)錄，利用YSDC 礦用電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量裝置創(chuàng)造了煤礦井下碎軟煤層順煤層鉆孔556 m 的孔深紀(jì)錄，有力支撐了煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備發(fā)展[8-11]。

同時(shí)，鉆進(jìn)工程參數(shù)和鉆遇地層參數(shù)測(cè)量技術(shù)也取得了一定進(jìn)展。鉆進(jìn)工程參數(shù)測(cè)量方面，李泉新等[12]開(kāi)發(fā)了煤礦井下首套YZD-15 礦用本安型隨鉆多參數(shù)測(cè)量裝置，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)孔底扭矩、鉆壓、內(nèi)外環(huán)空壓力、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等鉆進(jìn)工程參數(shù)。鉆遇地層參數(shù)測(cè)量方面，陳龍等[13]研制了煤礦井下首套YSG(A)礦用隨鉆動(dòng)態(tài)方位伽馬測(cè)井儀，采用屏蔽開(kāi)窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了單伽馬晶體的8 扇區(qū)分區(qū)測(cè)量，探測(cè)半徑最大為0.3 m；陳剛等[14]研究了隨鉆方位電磁波測(cè)井儀設(shè)計(jì)方案，通過(guò)正演模擬分析了源距、發(fā)射頻率、線圈安裝角度等儀器參數(shù)對(duì)信號(hào)響應(yīng)影響規(guī)律。

隨著煤礦井下智能鉆探技術(shù)的深入推進(jìn)和快速發(fā)展，現(xiàn)有隨鉆測(cè)量技術(shù)逐漸不能滿(mǎn)足智能化需求[15-16]。主要體現(xiàn)在以下方面：(1)隨鉆測(cè)量裝置安裝在螺桿鉆具后方，測(cè)點(diǎn)距離鉆頭一般在6 m 以上，測(cè)量存在一定的滯后性；(2)無(wú)線隨鉆測(cè)量裝置使用電池筒供電，受煤礦井下防爆要求限制電池筒電量，需要定期提鉆更換，續(xù)航能力低；(3)無(wú)線隨鉆測(cè)量裝置采用正脈沖方式傳輸孔底參數(shù)，傳輸速率≤0.5 b/s，無(wú)法滿(mǎn)足智能鉆探大數(shù)據(jù)量快速傳輸?shù)囊螅瑐鬏斔俾实汀?/p>

近鉆頭隨鉆測(cè)量能夠獲取鉆頭附近參數(shù)(最近測(cè)點(diǎn)距鉆頭距離≤0.5 m)，集成了近鉆頭多參數(shù)測(cè)量、渦輪連續(xù)發(fā)電和高速泥漿脈沖無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)榷囗?xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，可以滿(mǎn)足煤礦井下智能鉆探對(duì)隨鉆測(cè)量的技術(shù)需求[17]。目前，近鉆頭隨鉆測(cè)量主要應(yīng)用于地面石油與天然氣鉆井領(lǐng)域，煤礦井下還未見(jiàn)相關(guān)應(yīng)用[18]。因此，基于煤礦井下特殊應(yīng)用工況和隨鉆測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀，提出了近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)的研究思路，分析了需要重點(diǎn)攻克的技術(shù)難題，并預(yù)測(cè)了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以期為煤礦井下近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)研究提供一定的指導(dǎo)和參考，促進(jìn)煤礦井下智能鉆探技術(shù)發(fā)展。

1 地面近鉆頭隨鉆測(cè)量研究現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

近鉆頭隨鉆測(cè)量是地面石油與天然氣鉆井領(lǐng)域最具發(fā)展前景的高新技術(shù)之一，以近鉆頭井眼軌跡參數(shù)、地層地質(zhì)參數(shù)與鉆進(jìn)工程參數(shù)的隨鉆測(cè)量和高速傳輸、信息解釋、決策控制為主要技術(shù)特征，能有效提高油氣層鉆遇率，降低鉆井成本。近鉆頭隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要包括近鉆頭測(cè)量?jī)x器、測(cè)傳螺桿鉆具、隨鉆測(cè)井儀器(LWD)、隨鉆測(cè)量?jī)x器(MWD)和渦輪發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵單元，如圖1 所示。

圖1 近鉆頭隨鉆測(cè)量系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of near-bit MWD system

1.2 研究現(xiàn)狀

為了提升近鉆頭隨鉆測(cè)量的技術(shù)水平，地面石油與天然氣鉆井領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者，從以下幾個(gè)方面開(kāi)展了深入研究。

1)近鉆頭參數(shù)測(cè)量

Y.Yaslan[19]、C.Viens[20]、Zhang Majia[21]等分析了近鉆頭測(cè)量環(huán)境磁干擾因素，提出了徑向磁干擾校正方法，明顯提高了近鉆頭磁性傳感器的測(cè)量精度；謝夏等[22]提出了基于卡爾曼濾波算法以抑制低頻噪聲的動(dòng)態(tài)井斜測(cè)量方法，提高了近鉆頭動(dòng)態(tài)井斜的測(cè)量精度；宋曉健等[23]開(kāi)發(fā)了基于數(shù)據(jù)融合的井眼軌跡參數(shù)動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，可以顯著降低旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)和磁干擾對(duì)近鉆頭動(dòng)態(tài)井斜測(cè)量的影響；Sun Jian[24]、Mao Yanhui[25]、Wang Chao[26]等基于機(jī)器學(xué)習(xí)原理提出了近鉆頭巖性預(yù)測(cè)方法，進(jìn)一步提高了近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向的測(cè)量精度；李洪強(qiáng)等[27]研究了偏心條件下近鉆頭伽馬成像誤差特征，建立了伽馬成像圖譜環(huán)境校正方法，使近鉆頭伽馬成像測(cè)量結(jié)果更能反映鉆遇地層的真實(shí)情況。

2)近鉆頭無(wú)線短傳

宋殿光等[28]基于等效理論建立了電流環(huán)和螺線環(huán)共用仿真模型，分析了無(wú)線短傳信號(hào)衰減特性，獲得了近鉆頭電磁無(wú)線短傳運(yùn)行特征與鉆進(jìn)工況的耦合關(guān)系，得出工作頻率為1～2 kHz；江濤[29]構(gòu)建了磁耦合通信電路等效模型，研究了發(fā)射線圈和接收線圈參數(shù)變化情況下無(wú)線短傳信號(hào)的傳輸特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出適用性好、穩(wěn)定性強(qiáng)的近鉆頭磁耦合無(wú)線短傳技術(shù)；Tian Kaixiao[30]、Li Peng[31]等開(kāi)發(fā)了近鉆頭聲波無(wú)線短傳技術(shù)，以壓縮聲波載體在鉆柱上傳輸近鉆頭測(cè)量數(shù)據(jù)，傳輸速率可超過(guò)100 b/s，實(shí)現(xiàn)了近鉆頭數(shù)據(jù)的高速傳輸。

3)近鉆頭隨鉆測(cè)量小型化

韋海瑞等[32]針對(duì)油氣和地質(zhì)勘探小口徑井眼施工技術(shù)需求，研究分析了電磁波無(wú)線傳輸、小直徑渦輪發(fā)電和MEMS 傳感器等關(guān)鍵技術(shù)，為外徑規(guī)格153 mm 以?xún)?nèi)小型化近鉆頭隨鉆測(cè)量研究提供了技術(shù)思路；潘興明等[33]通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)電磁無(wú)線短傳線圈結(jié)構(gòu)、側(cè)壁單元艙體布局、測(cè)控電路整體方案，開(kāi)發(fā)了適用于149～200 mm 井眼尺寸的小型化近鉆頭隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，顯著縮短了測(cè)量零長(zhǎng)，其中近鉆頭電阻率測(cè)點(diǎn)距鉆頭距離控制在0.5 m 以?xún)?nèi)；A.AL-Awadh、J.Gremillion[34-35]等研究了小型化近鉆頭隨鉆測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)布局方法，可以滿(mǎn)足薄油層長(zhǎng)距離水平井精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)的技術(shù)要求。

1.3 國(guó)內(nèi)外代表性產(chǎn)品

地面石油與天然氣鉆井領(lǐng)域中貝克休斯、斯倫貝謝和哈利伯頓等國(guó)外知名油服企業(yè)均研發(fā)生產(chǎn)有近鉆頭隨鉆測(cè)量產(chǎn)品，作為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)關(guān)鍵配套裝備，已較為廣泛用于地面石油、天然氣和非常規(guī)油氣資源勘探與開(kāi)發(fā)鉆井作業(yè)；中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)中石油)、中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)中石化)、中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司(中海油)和北京六合偉業(yè)科技股份有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)六合偉業(yè))等國(guó)內(nèi)企業(yè)通過(guò)消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，自主研發(fā)了適用于我國(guó)復(fù)雜鉆井工況的近鉆頭隨鉆測(cè)量產(chǎn)品，進(jìn)行了一定程度的現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用，代表性產(chǎn)品見(jiàn)表1。

表1 石油和天然氣鉆探領(lǐng)域代表性近鉆頭產(chǎn)品Table 1 Representative near-bit products in oil and gas drilling

1)國(guó)外代表性產(chǎn)品

貝克休斯公司開(kāi)發(fā)的Auto Trak G3，該系統(tǒng)由可旋轉(zhuǎn)的泥漿馬達(dá)和隨鉆測(cè)量傳感器組構(gòu)成，可用于地質(zhì)導(dǎo)向和地層評(píng)價(jià)[36]。其近鉆頭井斜傳感器位于鉆頭后面1 m 處，除了提供近鉆頭井斜角數(shù)據(jù)之外，還可提供包括方位、伽馬射線、多頻率探測(cè)深度的電阻率等井下參數(shù)，系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 Auto Trak G3 組成Fig.2 Composition of Auto Trak G3

2)國(guó)內(nèi)代表性產(chǎn)品

(1)中海油田服務(wù)股份有限公司NBIG

中海油田服務(wù)股份有限公司NBIG 近鉆頭測(cè)井系統(tǒng)有井斜測(cè)量、近鉆頭方位伽馬測(cè)量功能，直接與鉆頭連接，通過(guò)無(wú)線遙傳技術(shù)跨馬達(dá)傳輸，再通過(guò)掛接的Drilog?隨鉆測(cè)井系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳至地面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井眼的“近察”，有效提高了軌跡控制和地質(zhì)導(dǎo)向找油的主動(dòng)性[37]。NBIG 分為上下2 個(gè)短節(jié)：上短節(jié)NBIGU和下短節(jié)NBIGD，如圖3 所示。NBIGD 為測(cè)量短節(jié)，位于鉆頭和馬達(dá)之間，NBIGU 為數(shù)據(jù)跨傳短節(jié)，可與中海油服的Drilog?隨鉆測(cè)井系統(tǒng)或其他廠家的MWD系統(tǒng)連接，將近鉆頭數(shù)據(jù)傳輸至地面。

圖3 NBIG 組成Fig.3 Composition of NBIG

(2)北京六合偉業(yè)公司XZ-NBMS

XZ-NBMS 型近鉆頭隨鉆測(cè)量系統(tǒng)由北京六合偉業(yè)和西部鉆探工程院共同開(kāi)發(fā)，包括測(cè)量鉆鋌和接收鉆鋌兩部分，測(cè)量鉆鋌在螺桿和鉆頭之間，實(shí)時(shí)測(cè)量近鉆頭處的動(dòng)態(tài)方位伽馬數(shù)據(jù)和井斜數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線電磁波傳輸給連接在螺桿上端的接收鉆鋌，近鉆頭測(cè)量參數(shù)隨即通過(guò)MWD 系統(tǒng)傳輸?shù)降孛鎇38]。XZ-NBMS型近鉆頭系統(tǒng)包括地面設(shè)備部分和井下工具部分，如圖4 所示。地面設(shè)備部分包括：壓力傳感器、無(wú)線收發(fā)主機(jī)、無(wú)線傳感器主機(jī)、司鉆顯示器、數(shù)據(jù)處理儀。井下工具部分包括：近鉆頭測(cè)量短節(jié)(發(fā)射短節(jié))、近鉆頭接收短節(jié)(帶無(wú)線發(fā)射機(jī)芯)、無(wú)線通信短節(jié)(帶MWD循環(huán)套)、MWD。

圖4 XZ-NBMS 組成Fig.4 Composition of XZ-NBMS

1.4 現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下的局限性

現(xiàn)有地面石油與天然氣鉆探領(lǐng)域近鉆頭隨鉆測(cè)量產(chǎn)品無(wú)法直接應(yīng)用于煤礦井下，局限性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1)防爆要求

煤礦井下鉆探施工處于瓦斯和粉塵爆炸性環(huán)境中，對(duì)儀器設(shè)備的電氣性能和防爆性能要求高，儀器設(shè)備必須進(jìn)行特殊防爆設(shè)計(jì)并獲得煤安認(rèn)證才能在井下使用；現(xiàn)有的近鉆頭隨鉆測(cè)量產(chǎn)品功率高，電氣結(jié)構(gòu)部分不能滿(mǎn)足井下防爆要求，無(wú)法直接應(yīng)用于煤礦井下[39]。

2)規(guī)格尺寸

煤礦井下常用隨鉆測(cè)量?jī)x器整體外徑為73 mm和89 mm，然而現(xiàn)有的近鉆頭隨鉆測(cè)量產(chǎn)品外徑一般在133 mm 以上(六合偉業(yè)XZ-NBMS 外徑≥133 mm，中海油NBIG 外徑≥172 mm)，現(xiàn)有產(chǎn)品尺寸規(guī)格大，不能直接用于井下鉆孔施工。

3)技術(shù)限制

現(xiàn)有的近鉆頭隨鉆測(cè)量產(chǎn)品涉及機(jī)、電、液和控等多學(xué)科交叉，通過(guò)伽馬、電阻率、電磁波和中子密度等測(cè)井技術(shù)獲取鉆井參數(shù)，利用渦輪發(fā)電機(jī)供電，采用高速泥漿脈沖傳輸近鉆頭測(cè)量信息，技術(shù)集成度高，為石油與天然氣地質(zhì)導(dǎo)向和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井裝備系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分[40]。目前，煤礦井下定向鉆探處于以鉆孔軌跡測(cè)量為主的幾何導(dǎo)向階段，技術(shù)集成度低，短期內(nèi)無(wú)法引進(jìn)消化吸收現(xiàn)有的近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)。

2 煤礦井下近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀

在充分借鑒地面石油與天然氣鉆探領(lǐng)域近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依托煤礦井下現(xiàn)有隨鉆測(cè)量技術(shù)，總結(jié)提出了煤礦井下近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)的研究思路，分析了煤礦井下近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

2.1 研究思路

根據(jù)煤礦井下特殊的應(yīng)用環(huán)境，提出了煤礦井下近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)的研究思路，如圖5 所示。

圖5 煤礦井下近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)研究思路Fig.5 Research ideas of near-bit MWD in underground coal mine

首先進(jìn)行了總體研究思路的規(guī)劃，重點(diǎn)解決結(jié)構(gòu)小型化、儀器單元化、防爆模塊化、測(cè)量協(xié)同化和控制整體化的研發(fā)難題[41-43]。其中，結(jié)構(gòu)小型化需要考慮儀器外徑控制在89 mm 以?xún)?nèi)時(shí)，在保證結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度的情況下，如何將傳感器、電路板、供電模塊等布置在緊湊結(jié)構(gòu)布局中；儀器單元化即根據(jù)儀器的功能進(jìn)行單元化開(kāi)發(fā)，主要包括近鉆頭測(cè)量?jī)x器、渦輪供電儀器和隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸儀器；防爆模塊化即進(jìn)行儀器本安型和隔爆型綜合防爆模塊化設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足煤礦井下防爆要求；測(cè)量協(xié)同化需要解決近鉆頭儀器參數(shù)測(cè)量，與螺桿鉆具后端常規(guī)儀器參數(shù)測(cè)量的協(xié)同化，既要保證2 種儀器參數(shù)測(cè)量的獨(dú)立性，又要進(jìn)行參數(shù)的融合利用；控制整體化即進(jìn)行儀器測(cè)量、供電、信號(hào)傳輸和雙向通信的整體監(jiān)測(cè)和控制，以提高運(yùn)行效率。

在完成總體研究思路規(guī)劃的基礎(chǔ)上，依次進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)、關(guān)鍵模塊研制和關(guān)鍵性能測(cè)試，從而基本實(shí)現(xiàn)煤礦井下近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)的整體開(kāi)發(fā)。

2.2 研究現(xiàn)狀

在總結(jié)提煉煤礦井下近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)研究思路的基礎(chǔ)上，分析探討了煤礦井下近鉆頭測(cè)量?jī)x器、測(cè)傳智能螺桿鉆具、渦輪穩(wěn)定發(fā)電裝置和隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)裝置的研究現(xiàn)狀。

1)近鉆頭測(cè)量?jī)x器

現(xiàn)階段煤礦井下還未見(jiàn)近鉆頭測(cè)量?jī)x器的相關(guān)研究，現(xiàn)有的隨鉆測(cè)量?jī)x器按照信號(hào)傳輸方式不同可以劃分為有線隨鉆測(cè)量裝置、泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量裝置和電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量裝置，均布置在螺桿鉆具后方，且由于使用磁性傳感器測(cè)量鉆孔方位角，為了消除螺桿鉆具的磁性干擾，需要在測(cè)量探管和螺桿鉆具之間使用下無(wú)磁鉆桿(長(zhǎng)度≥3 m)，造成測(cè)點(diǎn)距離鉆頭一般在6 m 以上，如圖6 所示，鉆孔參數(shù)測(cè)量存在一定的滯后性。

圖6 煤礦井下隨鉆測(cè)量鉆進(jìn)裝備組成Fig.6 Composition of drilling equipment for measurement while drilling in underground coal mine

陀螺傳感器不依賴(lài)地磁場(chǎng)，鉆孔方位角測(cè)量精度不受螺桿鉆具磁性干擾的影響，可以不使用下無(wú)磁鉆桿，可將測(cè)量探管到鉆頭的距離縮短至3 m 左右，提高測(cè)量的時(shí)效性。陀螺隨鉆測(cè)量在地面石油與天然氣鉆探領(lǐng)域已開(kāi)展了一定的推廣和應(yīng)用[44-46]。煤礦井下方面陀螺傳感器主要用于鉆孔開(kāi)孔定向，燕斌等[46]采用單軸光纖陀螺和MEMS 陀螺進(jìn)行姿態(tài)解算和濾波處理，研發(fā)了一種適用于煤礦井下鉆機(jī)開(kāi)孔的定向儀；隨鉆測(cè)量方面只進(jìn)行了陀螺隨鉆測(cè)量方法的研究，叢琳等[47]采用UKF 濾波方法分析了陀螺隨鉆測(cè)量誤差分布特征，為煤礦井下陀螺隨鉆測(cè)量的研發(fā)提供了技術(shù)指導(dǎo)，但還未見(jiàn)陀螺隨鉆測(cè)量產(chǎn)品的成功應(yīng)用案例。

2)測(cè)傳智能螺桿鉆具

現(xiàn)階段煤礦井下還未見(jiàn)測(cè)傳智能螺桿鉆具的相關(guān)研究，現(xiàn)有螺桿鉆具的研究集中在提高碎巖效率方面[48]。王四一等[49]針對(duì)常規(guī)單彎螺桿鉆具破碎硬巖層效率低、鉆頭和鉆具易損壞的問(wèn)題，研制了具有沖擊和定向雙重功能沖擊螺桿鉆具，鉆進(jìn)效率較常規(guī)單彎螺桿鉆具提高20%～30%[27]；劉建林等[50]針對(duì)?73 mm 規(guī)格液動(dòng)螺桿鉆具回轉(zhuǎn)扭矩低的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了礦用?73 mm等壁厚螺桿鉆具，最大扭矩超過(guò)600 N·m，與同規(guī)格常規(guī)螺桿鉆具相比可提高1 倍左右；陳沁東等[51]針對(duì)頂板高位大直徑定向鉆孔分級(jí)擴(kuò)孔綜合效率低、鉆具安全性差等問(wèn)題，研制了雙級(jí)雙速擴(kuò)孔螺桿鉆具，實(shí)現(xiàn)了鉆孔由?120 mm 一次擴(kuò)孔至?200 mm。

3)渦輪穩(wěn)定發(fā)電裝置

現(xiàn)階段煤礦井下已開(kāi)展渦輪穩(wěn)定發(fā)電裝置的相關(guān)研究，研制出了礦用小直徑渦輪發(fā)電機(jī)的樣機(jī)，結(jié)構(gòu)組成如圖7 所示。陳龍等[52]針對(duì)孔內(nèi)電池供電儀器續(xù)航能力有限的問(wèn)題，研制了一種礦用小功率泥漿渦輪發(fā)電機(jī)，室內(nèi)測(cè)試結(jié)果表明輸出功率在10 W 以上，可以滿(mǎn)足現(xiàn)有隨鉆測(cè)量?jī)x器供電的需求；張冀冠等[53]采用隔爆兼本安型防爆形式和磁耦合驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)方式，研制了具有充電自關(guān)斷和自恢復(fù)、發(fā)電過(guò)程和電池信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、充放電雙重保護(hù)等功能的礦用小直徑渦輪發(fā)電機(jī)，溫升測(cè)試和發(fā)電性能試驗(yàn)結(jié)果表明，可以滿(mǎn)足煤礦井下防爆和孔內(nèi)儀器供電的要求。

圖7 礦用小直徑渦輪發(fā)電機(jī)組成Fig.7 Composition of small-diameter turbine generator for underground coal mine

4)隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸技術(shù)

(1)有線載波雙向通信

煤礦井下現(xiàn)有的隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸技術(shù)主要為有線載波雙向通信，其采用直接耦合載波方法，通過(guò)載波傳輸速率、載波電壓和載波電流自主匹配，進(jìn)行直流載波供電技術(shù)高轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)了孔口和孔內(nèi)的雙向載波高效通信，信號(hào)傳輸速率可達(dá)到9 000 b/s 以上，如圖8 所示。

圖8 煤礦井下有線載波雙向通信原理Fig.8 Principle of bidirectional wireline carrier communication in underground coal mine

方俊[54]、陳龍[55]等通過(guò)設(shè)計(jì)穩(wěn)定恒壓源、信號(hào)高效編解碼和二次供電模式，開(kāi)發(fā)了一種以孔口防爆計(jì)算機(jī)為供電源的有線載波通信技術(shù)，傳輸距離超過(guò)1 800 m；高珺等[56]以中心通纜鉆桿為傳輸通道，將隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)直接加載的方式耦合到低壓直流電力線回路，實(shí)現(xiàn)了低壓直流載波通信。

(2)高速泥漿無(wú)線脈沖通信

高速泥漿無(wú)線脈沖是指連續(xù)波泥漿脈沖，利用往復(fù)震蕩的擺動(dòng)閥或連續(xù)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)閥產(chǎn)生連續(xù)脈沖信號(hào)，最高數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到40 b/s[57-58]。現(xiàn)階段煤礦井下還未見(jiàn)高速泥漿無(wú)線脈沖的相關(guān)研究，現(xiàn)有研究集中在正脈沖隨鉆測(cè)量，傳輸速率一般在1 b/s 以?xún)?nèi)[59]。李泉新等[60]基于正脈沖產(chǎn)生原理，提出了電磁閥+流道控制閥的脈沖信號(hào)發(fā)生裝置，如圖9 所示，最大信號(hào)傳輸深度超過(guò)3 000 m；方俊等[61]建立了煤礦井下正脈沖信號(hào)傳輸模型，分析了信號(hào)傳輸速率、信號(hào)發(fā)生頻率、孔深和鉆柱內(nèi)徑等因素對(duì)脈沖信號(hào)強(qiáng)度的影響規(guī)律。

圖9 脈沖發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of pulse generator

(3)無(wú)線電磁波通信

煤礦井下無(wú)線電磁波隨鉆測(cè)量以電磁波為信號(hào)載體，利用含煤地層和鉆柱為通道傳輸孔底測(cè)量數(shù)據(jù)，信號(hào)傳輸速率可達(dá)到50 b/s。

連杰等[62-63]基于小信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量?jī)x器用孔口處理終端，實(shí)現(xiàn)了傳輸距離500 m 以?xún)?nèi)微弱信號(hào)的準(zhǔn)確接收；張騁[64]借助等效傳輸線方法，建立了煤礦井下電磁波傳輸模型，分析了發(fā)射頻率、含煤地層電阻率、鉆桿電阻率等因素對(duì)電磁波信號(hào)的影響規(guī)律；汪凱斌[65]針對(duì)碎軟煤層氣動(dòng)定向鉆進(jìn)隨鉆測(cè)量的技術(shù)需求，開(kāi)發(fā)了YSDC 礦用電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量?jī)x器，傳輸深度超過(guò)500 m。

3 煤礦井下近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

在煤礦智能化建設(shè)大背景下，作為煤礦安全高效智能開(kāi)采關(guān)鍵地質(zhì)保障的智能鉆探技術(shù)，也得到了較快的發(fā)展[66]。以自動(dòng)化鉆機(jī)、隨鉆參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和礦用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)為主的智能鉆探技術(shù)裝備成功研發(fā)，推動(dòng)了煤礦智能化的發(fā)展[67-68]。近鉆頭參數(shù)測(cè)量可獲取鉆頭附近更具實(shí)效性多類(lèi)型信息，可為智能鉆探自主鉆進(jìn)決策提供可靠的數(shù)據(jù)支持。因此，面對(duì)新一輪能源革命和產(chǎn)業(yè)變革，煤礦井下鉆探技術(shù)裝備與5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)加速融合，對(duì)近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)提出了進(jìn)一步發(fā)展要求。

3.1 近鉆頭多參數(shù)一體化測(cè)量技術(shù)

地層參數(shù)測(cè)量方面，研制由閃爍體和光電倍增管組成的自然伽馬探測(cè)器，設(shè)計(jì)屏蔽外管開(kāi)窗結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)特性方向的自然伽馬探測(cè)[69]；采用電磁波式電阻率測(cè)量方法，建立含煤地層電磁波電阻率測(cè)量模型，實(shí)現(xiàn)含煤地層電阻率參數(shù)的測(cè)量。工程參數(shù)測(cè)量方面，搭建合適的電阻應(yīng)變橋，采用電阻應(yīng)變計(jì)電測(cè)法測(cè)量扭矩和鉆壓，提高檢測(cè)的靈敏度；應(yīng)用壓力、陀螺、加速度和溫度等傳感器進(jìn)行內(nèi)外環(huán)空壓力、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、溫度等參數(shù)的測(cè)量。

開(kāi)發(fā)集成鉆孔軌跡參數(shù)、鉆進(jìn)工程參數(shù)和鉆遇地層參數(shù)3 種類(lèi)型信息的近鉆頭一體化測(cè)量方法，采用測(cè)量單元模塊化的技術(shù)方案，解決多種類(lèi)型參數(shù)融合測(cè)量的難題，在保證多參數(shù)測(cè)量獨(dú)立性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多參數(shù)的融合利用。

3.2 近鉆頭參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

鉆進(jìn)過(guò)程中離心、振動(dòng)和沖擊等因素會(huì)影響近鉆頭參數(shù)測(cè)量精度。采用高通濾波算法消除鉆柱回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心緩慢變化信號(hào)干擾；開(kāi)發(fā)高通和低通組合濾波方法濾除振動(dòng)隨機(jī)信號(hào)干擾；研究基于相關(guān)檢測(cè)的噪聲提取方法消除沖擊隨機(jī)信號(hào)干擾；開(kāi)發(fā)軸向和徑向可靠減振機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步降低干擾因素的影響程度。在消除離心、振動(dòng)和沖擊等因素干擾的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)近鉆頭參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為鉆進(jìn)狀態(tài)分析與優(yōu)化調(diào)控提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐。

3.3 近鉆頭旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)

研發(fā)近鉆頭參數(shù)測(cè)量和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向協(xié)同鉆進(jìn)系統(tǒng)，完善提升礦用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置性能和穩(wěn)定性，通過(guò)關(guān)鍵部件自主研發(fā)降低裝置的使用維護(hù)成本；將近鉆頭測(cè)量?jī)x器布置在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置和鉆頭之間，近鉆頭測(cè)量?jī)x器為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置提供工作模式調(diào)整的決策依據(jù)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置為近鉆頭測(cè)量?jī)x器提供供電和信號(hào)傳輸通道。

3.4 近鉆頭自適應(yīng)鉆進(jìn)技術(shù)

依托鉆孔軌跡參數(shù)、鉆進(jìn)工程參數(shù)和鉆遇地層參數(shù)的一體化測(cè)量，研究鉆孔軌跡智能優(yōu)化與控制方法，建立鉆孔軌跡、含煤地層與鉆進(jìn)參數(shù)間的耦合作用規(guī)律，基于先進(jìn)的人工智能算法，對(duì)近鉆頭多參數(shù)進(jìn)行反演分析，建立智能鉆探專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取鉆孔軌跡和鉆進(jìn)參數(shù)最優(yōu)調(diào)控策略，研究孔口終端和孔底儀器的雙向高效通信方法，開(kāi)發(fā)近鉆頭自適應(yīng)鉆進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能鉆探鉆進(jìn)過(guò)程的閉環(huán)控制。

4 結(jié)論

a.近鉆頭隨鉆測(cè)量能夠獲取鉆頭附近鉆孔軌跡參數(shù)、鉆進(jìn)工程參數(shù)和鉆遇地層參數(shù)，具有參數(shù)測(cè)量時(shí)效性好、孔內(nèi)續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)和信號(hào)傳輸速率高等顯著優(yōu)勢(shì)，可以滿(mǎn)足煤礦井下智能鉆探對(duì)隨鉆測(cè)量技術(shù)需求。

b.根據(jù)煤礦井下特殊的應(yīng)用環(huán)境，依托煤礦井下現(xiàn)有隨鉆測(cè)量技術(shù)，提出了煤礦井下近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)的研究思路，通過(guò)依次進(jìn)行總體研發(fā)思路制定、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、關(guān)鍵模塊研制和關(guān)鍵性能測(cè)試，重點(diǎn)攻克近鉆頭參數(shù)測(cè)量、跨螺桿鉆具供電和信號(hào)傳輸、小直徑渦輪穩(wěn)定發(fā)電、隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)燃夹g(shù)難題，基本實(shí)現(xiàn)煤礦井下近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)的研發(fā)。

c.分析探討了煤礦井下近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀，現(xiàn)階段已順利研發(fā)礦用小直徑渦輪發(fā)電機(jī)；隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸方面具有有線載波雙向通信和無(wú)線電磁波通信2 種技術(shù)；近鉆頭測(cè)量?jī)x器、測(cè)傳智能螺桿鉆具和高速泥漿脈沖無(wú)線傳輸裝置未見(jiàn)相關(guān)研究，需要集中優(yōu)勢(shì)資源進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

d.面對(duì)新一輪能源革命和產(chǎn)業(yè)變革，可以從近鉆頭多參數(shù)一體化測(cè)量、近鉆頭參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、近鉆頭旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)和近鉆頭自適應(yīng)鉆進(jìn)等方面入手，推動(dòng)煤礦井下近鉆頭隨鉆測(cè)量與5G 通信、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的融合發(fā)展，促進(jìn)煤礦井下近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)的升級(jí)換代，以期提升煤礦井下智能鉆探的技術(shù)水平。