矿用电磁波随钻测量系统在定向钻进中的姿态校准

王小波

(中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中的主要灾害，破坏性大，给安全生产带来很大隐患。利用钻孔对煤层中的瓦斯进行抽采是保障当前煤矿安全的有效方法[1-3]。为了保证钻孔按照设计轨迹进行钻进，通常采用定向钻进技术，随着技术发展，按照信号传输方式分为有线和无线两种方式，无线传输方式近些年发展较为迅速。按信号原理又分为泥浆脉冲和无线电磁波，泥浆脉冲传输相对较远，适用于液动钻进；无线电磁波传输距离相比较近，但其除适用于液动钻进外，也可适用于空气钻进。煤矿松软煤层煤质软/破碎、透气性较差，采用孔底液动螺杆钻进施工时，驱动液动螺杆马达的高压水也极容易造成钻孔坍塌无法成孔[4-7]。无线电磁波技术可以弥补泥浆脉冲系统无法用于空气钻进的不足[8-11]，是解决井下软煤定向钻进，对工作面进行瓦斯抽采的设备保障。

1 矿用无线电磁波随钻系统组成

矿用电磁波随钻测量系统分为孔口部分和孔中部分两大部分。其中，孔口部分主要有用于控制系统各种指令、数据接发、运算处理以及数据成图的矿用本安型控制器，给控制器供电的矿用隔爆兼本安型直流电源，用于接收钻孔中发出信号的接收天线。孔中部分由下无磁钻杆、无磁探管、矿用本安型电磁波随钻测量仪探管(安装在无磁探管中)、绝缘短节、上无磁钻杆组成。核心部分电磁波随钻测量探管由两根电池组、电源智能管理单元、姿态测量和数据传输等4部分组成，如图1所示。

图1 无线电磁波测量系统Fig.1 Wireless electromagnetic wave measurement system

电池组主要给姿态测量单元和孔中测量信号发射供电。通过监测钻杆振动来识别钻机是工作状态还是停机状态，用以控制数据采集，实现电源智能管理。测量单元主要用来测量钻进姿态，即倾角和方位角、工具面向角。数据传输单元主要是将姿态等信息通过调制转换为低频电磁波信号，经内部放大后，由绝缘短节辐射到地层[12]。

2 钻孔轨迹测量原理

钻孔轨迹即钻头在钻进过程中形成的空间钻孔路径。钻探工程中常用空间一条线来描述钻孔特征，其空间形态代表钻孔的空间形态。钻进姿态包括倾角、方位角和工具面向角，通常姿态测量倾角轨迹轴线OP与水平面的锐夹角β表示倾斜角，如图2所示。轨迹轴线在水平面上的投影与地球磁北方向顺时针计量的夹角α即为磁方位角(磁方位角经过大地磁偏角校正后为方位角)[13]。

图2 轨迹姿态定义Fig.2 Trajectory attitude definition

在造斜组合钻具中，将弯曲工具的两个轴线组成的平面定义为工具面，工具面与铅垂面夹角为工具面向角，顺时针旋转增加，如图3所示。

图3 姿态基本参数示意图Fig.3 Schematic diagram of basic attitude parameters

姿态测量组件由三轴传感器和三轴重力加速度计组成，三个相互垂直的坐标轴分别安装加速度计和磁传感器，构成姿态测量系统，如图4所示。

图4 传感器安装示意图Fig.4 Schematic diagram of sensor installation

倾角β、方位角α和工具面角γ数值计算参照式(1)～(4)，加速度计和磁传感器分别测量不同方向上的重力分量和磁场分量[14-15]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Gx、Gy、Gz为重力加速度传感器所在轴的3个分量测量值；Bx、By、Bz为磁传感器测得地磁场的3个分量；G0为重力加速度值。

3 无线电磁波定向钻进技术

在无线电磁波随钻系统的使用过程中，需要专用的定向钻机、孔底螺杆马达和泥浆泵(空压机)、泡沫发生器等。利用加压泵提供高压水或空气进行排渣、泡沫发生器驱动孔底螺杆马达并对孔底仪器和钻头进行降温。施工中将测量轨迹与设计轨迹及时对比， 通过旋转钻具工具面来控制孔底螺杆马达方向，从而实现定向钻进功能，如图5所示。

图5 无线电磁波定向钻进示意图Fig.5 Schematic diagram of wireless electromagnetic directional drilling

无线电磁波传输方式主要是依靠地层介质来实现的，孔中部分将测量的数据加载到载波信号上，测量信号随着载波信号向通过绝缘短节四周发射，孔口部分的接收天线将检测到的电磁波中的测量信号卸载解码、计算得到姿态测量数据。电磁波随钻系统的方位角测量精度不大于1.2°，倾角测量精度不大于0.2°。

在定向钻进的过程中，不同的轨迹点在空间上连续计算，形成钻孔的轨迹曲线。将两个相邻测点的姿态值的平均值作为进尺的姿态值计算直线段，计算见式(5)～(7)，设测点Pi的坐标(Xi,Yi,Zi)，则Pi+1坐标计算如下：

(5)

(6)

(7)

式中：ΔL为测点之间的距离。

改变螺杆弯角工具面来造斜，如图6所示。按照常规定义，当工具面调整到Ⅰ、Ⅳ区域里时，倾角增大，当工具面调整到Ⅱ、Ⅲ区域里时，倾角减小。工具面向角为0°或 180°时的造斜强度最大。

图6 造斜角分布示意图Fig.6 Schematic diagram of build angle distribution

当工具面调整到Ⅰ、Ⅱ区域里时，方位向右，当工具面调整到Ⅲ、Ⅳ区域里时，方位角向左。当工具面向角为90°或 270°时，左右造斜强度最大。

4 钻进中测量精度影响因素及分析校正

在淮北矿井实施无线电磁波定向钻进过程中，每3 m进行一次测量，发现相邻的测量点，有时存在倾角数据变化过大(近2°)。现场两个探管不同程度都存在相似现象，通常钻孔倾角弯曲强度应不大于0.05 rad/6 m(3°/6 m)；钻孔方位角弯曲强度应不大于0.035 rad/6 m(2°/6 m)[16]。现场测量数据无法使用，不符合常规钻进要求，施工人员对测量系统的准确性提出质疑。

测试人员在井下钻进现场按照正常的数据采集方式进行数据采集，改变方式采用同一位置连续多圈旋转，随机停机在不同工具面进行倾角、方位角测量。测试概况：测试钻孔深度约100 m；液动驱动传输方式；钻机处于未给进状态空转钻具；采用线圈接收信号，随机停机测量数据，泄压后静态测量了26组数据，实测数据见表1。

表1 同位置不同工具面实测姿态数据Table 1 Measured attitude data of different tool surfaces in the same position (°)

由于是随机实测数据，因此在数据图表中工具面取值较为分散。为了便于分析，对所有的数据按工具面从小到大排列，分别对倾角和方位角的数据的变化绘图，如图7和图8所示。

图7 同位置不同工具面的倾角变化Fig.7 Inclination changes of different tool faces in the same position

图8 同位置不同工具面的方位角变化Fig.8 Azimuth variation of different tool faces in the same position

通过曲线可以看出，正常的倾角数据和方位角数据都不应该随工具面向角变化而变化。实测数据发生了变化，其变化有明显的规律，判定原由是由于无磁钻杆与测量探管不同轴造成。

分析造成上述情况的原因：一是测量探管固定到无磁钻杆的橡胶支架，在长时间使用后发生磨损，出现松动；二是无磁钻杆受到钻机的扭距和推进力发生形变，测量探管和无磁钻杆直线度、同轴度不一致。这两种情况都会使测量探管的测量数据变化，大于常规无磁钻杆弯度，测量数据也会给轨迹设计造成误导。

针对上述问题，必要情况下需及时更换或修复尺寸发生变化的部件。为了满足精度要求，需改进钻进工艺，在开孔完成后正式钻进前，对电磁波测量系统的孔中部分进行校准，即原地多圈转动钻具，测量不同工具面时的倾角和方位角的数据，对孔中测量部分进行二次标定，整理对应变化关系。补偿表的基值是数据波动的中心值，基值减去校准数据表中不同工具面的倾角和方位角得到的数值为补偿值。制作标定表时，工具面每隔20°采用四舍五入或差值方式得到标定值，如表2所示。

表2 不同工具面姿态补偿数据Table 2 Attitude compensation data of different tool faces (°)

根据补偿数据表绘制出对应的变化趋势图，见图9，图中可以看出补偿值与姿态变化趋势互补。实际测量时，根据工具面位置查表就近选择补偿值，在实测值上加补偿值即可得到姿态实际值。这种修正方法，对测点的均匀度和数据密度有一定要求，测点均匀度和数据多少决定了修正的精度高低。

图9 不同工具面补偿变化趋势Fig.9 Compensation change trend of different tool faces

5 结语

无线电磁波系统在井下施工时，发现的倾角方位角变化大，并非系统精度问题，通过现场原钻孔采集数据，对数据进行分析计算成图，找到了数据变化大的原因并给出了建议措施。给出的措施能够有效提高测量系统在实钻中的测量精度，能提高定向钻进效果。通过实际采集的数据分析，也验证了无线电磁波测量系统自身精度满足设计要求。