探讨煤矿井下泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术

刘志国

摘要：煤矿随钻测量 （MWD） 技术可在坑道钻探过程中捕获坑道参数，包括坑道深度、穿透率、冲击压力、转速、旋转压力（扭矩）、进给压力（推力）、稳定器压力（阻尼）、冲洗压力（冲洗液）和冲洗流量（冲洗液）等。在现代钻机上，这些参数与特定的钻孔操作设置相关联，例如隧道编号、孔编号、3D 空间中的孔位置、隧道截面、采样间隔、日期和时间戳，能够客观可靠地评估隧道前方的岩体状况，确定矿顶的岩体条件。但在具体的实践中，煤矿随钻测量常常面临诸多问题，平稳可靠的标准化过程需要钻机控制系统中的标准化设置和随钻操作程序的标准化。为此，本文借助探讨煤矿井下泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术，为相关从业人员的研究和实践提供一定的参考。

关键词：随钻测量;泥浆脉冲;复合钻进;复合排渣;定向钻进

1.煤矿井下泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术原理

泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术，是基于泥浆脉冲无线随钻测量和复合定向钻进，发展起来的一种煤矿井下新型定向钻进技术，其以高压冲洗液为动力和排渣介质，驱动液动螺杆马达回转碎岩钻进，并携带钻进中产生的钻渣;钻进过程中泥浆脉冲无线随钻测量装置测量钻孔倾角、方位角和液动螺杆马达工具面向角等参数，以压力脉冲为信号载体，以钻杆内冲洗液为信号传输通道，向孔口传输孔内测量数据;孔口依据接收到的测量数据进行钻孔轨迹的调整;钻机提供钻进给进力、回转力和液动螺杆马达工具面向角调整动力等;泵车向孔内提供高压冲洗液。值得注意的是，泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术记录的MWD数据受到操作因素的显着影响，例如钻机和煤矿钻具的特定设置、钻孔深度、套环工艺和连接钻杆的延伸，以及钻孔过程的影响，例如孔环或延长杆连接。[1]上述过程应通过去除钻孔套环和延长杆耦合数据过滤 MWD 数据;使用线性回归进行归一化，以消除钻孔深度和（进给）压力相关的操作偏差;去除具有不切实际值的异常值。

2.煤矿井下泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术分析

煤矿井下泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术主要有三部分组成，分别是测量技术、钻机技术和排渣技术。具体论述如下：

首先，在测量方面，泥浆脉冲信号系统由脉冲信号和匹配发生器系统组成。射频发生器和匹配系统都位于一体式脉冲发生器内。匹配系统将高压冲洗液的阻抗调整为射频发生器的输出阻抗（50 Ω）。同轴开关允许将射频功率引导到量热负载以进行校准和测试，并一次使用一个或两个发生器进行操作。当两台一体式脉冲发生器运行时，还需要一个解耦器。这对于消除两脉冲之间的射频功率流是必需的（0，0） 或偶极子 （0，π），因为射频功率流与 sin（Δ φ ）成正比，其中 Δ φ是两条脉冲之间的相位差。[2]在操作期间，高压冲洗液位于靠近最后一个闭合通量表面的位置。当高压冲洗液不使用时，它会缩回到管道内的初始停放位置。

其次，在钻机方面，采用的是双动力复合定向钻进。钻头的设置决定了最大冲洗液流量，在 25 bar 的压力下，当前的泵容量可能达到 400 L/min 的总冲洗液流量。基于这一限制，使用 Epiroc TC42 棒;导杆的内径为 17 mm，长度为6.1 m，速度杆的内径为 14.5 mm，长度为3.1 m。在钻井过程中，导向杆和延长杆（速度杆）会导致冲洗液压损失。在最大冲洗液流量 （200 L/min） 下，由于摩擦导致的压降对于导向杆为 5.8 bar，对于每个速度杆为 6.2 bar。由于泵通常产生 25 bar 的冲洗液压，当使用较长的钻柱时，必须减少钻杆中的摩擦损失。

最后，在排渣方面，采用的是双动力复合排渣。利用冲洗液紊流水力排渣方式将较细岩屑悬浮，旋转流场形成周向水流将沉淀岩屑床中的较粗岩屑搅动并悬浮在冲洗液中，在冲洗液正循环将悬浮的岩屑向孔外推送;利用鉆杆回转机械排渣方式提高岩屑向孔外推送速度，利用同时钻杆外表面异形结构对岩屑进行磨削和搅拌，使高压冲洗液能顺利将岩屑带出孔外，防止卡、埋钻事故的发生，实现高效复合排渣。[3]

3.煤矿井下泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术应用

煤矿井下泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术的实际应用数据，是按设定的间隔收集的，范围从2厘米到10厘米，但 MWD 数据的最大采样率受到采样频率的限制。在 Epiroc 钻头的情况下，这被限制为每秒 2.5 个样本。对于这项研究，测量间隔设置为2厘米，样本的收集间隔在 2 厘米和 3 厘米之间。记录的 MWD 数据存储在单独文件中。该日志文件包含钻孔编号、钻孔类型、吊杆编号（煤矿钻具）、隧道断面编号、领口位置、瞭望台和设置采样间隔。它还具有钻机序列号和钻机控制系统 （RCS） 版本，以及使用的隧道名称和导航类型。

在本研究中，煤矿井下泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术数据包括以下 MWD 参数：孔深 [mm]、穿透率 [dm/min]（钻孔速度，PR）、锤压 [bar]（冲击压力，PP）、进给压力 [bar] （推力，FP），阻尼压力 [bar]（反冲或反作用压力，DP），转速 [r/min]（每分钟转数，RS），旋转压力 [bar]（扭矩，RP），冲洗液流量 [L /min]（冲洗流量，WF），冲洗液压 [bar]（冲洗压力，WP）和时间 [HH：MM：SS]（时间戳）。

在进行具体分析时，首先对每个 MWD 参数的数据平均值进行数值比较;其次，进行主成分分析（PCA）来评估原始MWD参数的结构和变量之间的相互作用。PCA 用于减少数据噪声、简化数据集、检测异常值以及评估输入参数之间的相关性，主要目的是获得在多维数据空间中无法在单个变量中观察到的有向线或平面;最后，分析比较不同煤矿钻具与钻孔深度相关的MWD回归线。结果显示，煤矿井下泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术钻进安全性高;综合钻进效率提升;适合复杂煤岩层高效钻进，值得在实践中推广和应用。

4.结语

综上所述，煤矿井下泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进是现阶段煤矿井下钻探业务中十分重要的技术之一。对于该技术的开发和应用有助于煤矿井下定向钻孔的开展，在原有技术基础上，更好的、更安全、更高效地实现定向钻孔施工。在此期间，把握好该技术的关键要点，有助于拓展该技术的应用场景。

参考文献

[1]王鲜，李泉新，许超，方俊.顶板复杂岩层无线随钻测量复合定向钻进技术[J].煤矿安全，2019，50（09）：88-91.DOI：10.13347/j.cnki.mkaq.2019.09.022.

[2]石智军，姚克，姚宁平，李泉新，田宏亮，田东庄，王清峰，殷新胜，刘飞.我国煤矿井下坑道钻探技术装备40年发展与展望[J].煤炭科学技术，2020，48（04）：1-34.DOI：10.13199/j.cnki.cst.2020.04.001.

[3]石智军，许超，李泉新，陈殿赋，郝世俊，姚克.煤矿井下2570 m顺煤层超深定向孔高效成孔关键技术[J].煤炭科学技术，2020，48（01）：196-201. DOI：10.13199/j.cnki.cst.2020.01.025.