矿用电磁波随钻测量仪的研制及其应用

郭爱军，汪凯斌，李雄伟

（1.神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西神木 719315；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077）

近年来，定向钻进技术[1-3]在煤矿安全开采方面起到了非常关键的作用，而随钻测量是实现定向钻进的基础和关键。煤矿井下定向钻进主要采用有线随钻测量装置开展轨迹测量，其信号传送的通道由通缆钻杆组成[4]，而中心通缆钻杆结构复杂、加工技术要求高、成本昂贵，极大地限制了定向钻进技术的大规模推广与应用，无线随钻测量技术成为解决上述问题的有效途径。

无线随钻测量系统按照传输原理的不同可分为泥浆脉冲随钻测量系统、电磁波随钻测量系统[5]和声波随钻测量系统3 类[6]。泥浆脉冲随钻测量系统利用钻柱内部泥浆压力的变化将测量数据传输到孔口，存在传输速率慢、钻具成本高等缺点；声波随钻测量系统通过声波信号传输测量数据，存在信道噪声大、通信质量难以保证等不足；电磁波随钻测量系统通过低频电磁波信号传输测量数据，具备传输速度相对较快、不受传输介质钻井液的影响、可应用于气体钻进等优点，是煤矿井下无线随钻测量领域的研究热点。

1 地面用电磁波随钻测量局限性

电磁波随钻测量主要应用于地面石油领域，由于以下限制无法应用于煤矿井下：1）煤矿井下环境狭窄、锚网密布、多种大型设备频繁启动导致电磁环境复杂，干扰大；2）地面石油钻井钻场空间大，钻孔孔径大，仪器尺寸较大，而井下钻孔孔径小，采用的钻具直径一般为73 mm，考虑到螺杆马达过水量的要求，电磁波随钻测量探管直径应不大于42 mm，在仪器的结构、布置方法、供电方法及工作方法方面都必须创新设计；3）煤矿井下处于高湿度、大粉尘和瓦斯爆炸性气体环境中，对仪器的电气性能和防爆性能要求更高，所有仪器必须进行一级防爆设计并取得煤安认证。因此急需研制出符合煤矿井下需求的电磁波无线随钻测量系统。

2 电磁波随钻测量系统

2.1 原理概述

电磁波随钻测量系统利用绝缘短节将金属钻柱分为两段，组成一种绝缘间隙电压激励的不对称偶极发射天线[7]。发射机通过非对称偶极发射天线激发出低频电磁波信号，低频电磁波信号沿钻柱和地层向孔口传播，将孔中所测的倾斜角、方位角、工具面向角和温度等参数传输到孔口，实现定向钻进的目的[8]。系统原理如图1 所示。

图1 电磁波随钻测量系统原理图

2.2 矿用电磁波随钻测量系统总体方案

矿用电磁波随钻测量系统的总体设计方案框图如图2 所示，电磁波随钻测量仪主要由孔中子系统和孔口子系统构成[9]。孔中子系统主要通过传感器测量钻进姿态、温度和压力等信息，这些信息数据通过调制后变成低频电磁波信号，经放大后由绝缘天线耦合到地层，沿地层向孔口传播。孔口子系统通过钻柱和接地电极构成的接收天线拾取到衰减后的电磁波信号，经放大滤波、解调后得到姿态、温度等数据，并对这些数据进行处理、成图用以指导钻进。

图2 电磁波随钻测量系统框图

2.3 矿用电磁波随钻测量系统技术难点

由于煤矿井下环境与石油、煤层气开采的地面环境有着明显差异，要研制出矿用电磁波随钻测量系统存在以下难点：1）孔中钻进姿态测量。在小型化的条件下能准确测量钻孔倾角、方位角和螺杆马达工具面向角等参数。2）孔中传输单元满足煤矿本安要求条件下的小型化和低功耗设计。孔中传输单元接收孔口下传的指令、启动姿态测量，并向孔口上传数据[5]。3）孔中电源智能管理。地面电磁波随钻测量技术可采用大容量电池或涡轮发电机保证孔中探管长时间工作，但由于安标中心对电池容量的限制和地面涡轮发电机尺寸过大无法投入井下使用。4）孔口大噪声背景下的小信号检测。孔口需在大噪声背景下接收孔中仪器传输的微弱电磁波信号，通过信号检测、解调等工作获得姿态测量参数。

3 孔中子系统关键技术

孔中子系统由孔中探管、绝缘短节、上无磁钻杆、下无磁钻杆和仪器外管组成[10]。上无磁钻杆、下无磁钻杆和仪器外管不涉及电气设计，这里主要给出孔中探管的姿态测量、传输和智能电源管理单元的设计与实现。

3.1 姿态测量技术

矿用电磁波随钻测量系统要求姿态测量单元测量准确、体积小。为此，选用精度高、稳定性好的三轴磁通门传感器进行地磁测量，选用三轴MEMS 加速度传感器进行重力测量，配以多通道A/D 转换器和低功耗32 位ARM 处理器设计姿态测量单元，姿态测量单元框图如图3 所示。

图3 姿态测量单元框图

设三轴重力加速度计测得的3 个分量[11]分别为GX、GY、GZ，三轴磁通门传感器测量的3 个地磁场分量[12]分别为HX、HY、HZ，那么钻进姿态的倾角β、工具面角γ和方位角α可根据式（1）～（3）计算出，其中G=

3.2 孔中传输技术

矿用电磁波随钻测量系统孔中探管的传输单元实质上是一个双向数据通信系统，如图4 所示。其设计难点有两个：功率放大的矿用本安设计和所有电路的小型化。为此项目组在设计功率放大电路时采用分立元件构建了推挽式功率驱动电路，用取样电阻对放大后的电流进行取样，当电流超过设定值时，32 位ARM 处理器自动降低放大倍数，使推挽式功率驱动电路输出定值功率，即恒功率放大。这样功率输出符合矿用本安要求，同时采用分立器件使得探管直径满足小于42 mm 的需求。

图4 孔中传输单元框图

3.3 电源智能管理技术

项目组采用电源智能管理技术提高电池利用效率。电源智能管理采用震动和压力检测来识别钻机状态，钻进时螺杆马达需要水压来驱动，钻柱内部有压力，同时有震动，停钻时钻柱内部水压释放，同时无震动。由于钻进过程中不需要测量和数据传输，因此在钻进时切断探管电源，停钻后给探管供电，这样可将探管工作时间延长3～6 倍。

4 孔口子系统关键技术

孔口子系统由孔口本安型控制器、隔爆电源、钻柱和电极构成的天线组成，主要向孔中设备发送测量、读数等指令，启动孔中设备按照指令要求工作，接收孔中发送到孔口的电磁波信号，进行解码、计算，得到测斜原始数据，最后由本安型控制器计算，并以数字和图形方式显示。隔爆电源和电极设计相对简单，因此下面主要介绍孔口本安型控制器中孔口传输技术。

孔口传输技术单元的难点是在大噪声背景下检测孔中上传来的微弱电磁波信号，为此项目组采用软件无线电的架构来设计孔口传输单元，如图5 所示。孔口天线拾取到的微弱信号经仪表放大器放大后，进入模拟滤波进行降噪处理，24 位高分辨率A/D器件进行模数转换，FPGA 完成256 阶IIR 数字滤波，一路送入32 位ARM 进行幅度检测，根据幅值调节仪表放大器放大倍数，形成自动增益放大电路；另一路送入DSP 器件完成各种数字变换，经过这一系列处理后，孔中传输单元可检测到5 μV 宽带微弱信号，实现在大噪声干扰下微弱信号的检测[13-16]。

图5 孔口传输单元框图

5 地面试验与井下示范

研制的矿用电磁波随钻测量仪组成如图6 所示，性能参数如表1 所示。在取得防爆证和煤矿安全标志后，在陕西白水县白石河村附近的山边和山西寺河煤矿进行了测试和应用。

表1 矿用电磁波随钻测量系统性能参数

图6 矿用电磁波随钻测量仪实物图

矿用电磁波随钻测量仪在山西晋煤集团寺河矿配套澳钻钻机进行了井下工程应用，施工钻孔10 个，累计钻进瓦斯抽采钻孔约6 800 m，在整个钻进过程中信号传输稳定，单孔最大钻进深度525 m，孔中仪器在充满电后，不提钻条件下，可连续工作260 h。图7、8为8号横川的1号钻孔的施工轨迹，孔深525 m。图7 中的零点位置为开孔位置，横轴为钻进孔深，纵轴为钻孔在勘探方位线上的高度。从中可以看出钻孔开孔后向上钻进，进入顶板岩层后在顶板岩层中进行近水平钻进，为一高位钻孔施工的剖面图。图8的零点位置为开孔位置，横轴为钻进孔深，纵轴为钻孔在勘探方位线上的左右位移，钻孔先向右钻进后向左钻进，为钻孔水平投影图。

图7 8号横川的1号钻孔上下位移图

图8 8号横川的1号钻孔左右位移图

6 结论

文中从电磁波随钻测量系统原理出发，介绍了其设计方案及实现[14]。白水地面测试试验和寺河煤矿瓦斯抽采孔钻进应用结果说明，研制的电磁波随钻测量仪测量精度高、信号传输稳定、工作可靠，孔中仪器在充满电后工作时间长达260 h；在钻进深度500 m 以内，可替代有线随钻测量系统，极大地降低定向钻进成本，为煤矿井下安全生产提供技术支持与设备保障。