无线电磁波随钻测量系统的发展与展望

王小波,张鹏

(中煤科工西安研究院(集团)有限公司,西安 710077)

0 引言

目前,煤炭仍然是我国的主体能源。国家八部门联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》,提出了煤矿地质保障技术发展的目标,为加快煤矿的智能化建设和对煤炭地质安全保障技术发展明确了方向。煤矿井下网络技术发展较为迅速,很多智能化矿山已经实现了井下网络全覆盖。井下智能化技术装备是煤矿智能化建设的重要组成部分,保障地质安全的智能钻探、物探技术是矿井智能化的硬件基础。利用井下近水平钻孔抽采瓦斯是保障当前煤矿安全的有效方法[1]。煤矿碎软煤层煤质软、破碎、透气性较差,采用水力驱动回转钻进过程中常因孔壁坍塌而难以成孔[2-10]。电磁波随钻测量技术能够适用于液压驱动和压缩空气驱动,可以弥补液动随钻测量系统的不足[11]。

随着透明工作面、以孔代巷、长掘长探以及钻孔机器人等概念的提出,针对瓦斯含量高、压力大、结构碎软、成孔率低的煤层,急需一种适用性广、高速率、成本低的钻孔中数据传输系统,用以满足地面实时获取井下钻孔中测量的各种数据。目前我国的近水平钻孔最大孔深已经达到3000 m以上,对3000 m的钻孔高效充分的利用成为当前的主要任务。井下工作面或巷道的各种测量数据,利用井下建设的4G/5G环网传输到地面,已经趋于成熟。孔中的数据传输到孔口是目前数据通路的瓶颈,孔中数据传输目前主要采用以下三种方式:第一种是通缆钻杆传输数据,第二种是采用泥浆脉冲传输数据,第三种是利用无线电磁波传输数据,三种传输方式各有优缺点。

虽然钻孔数据传输技术得到了一定的发展,但受到测量装备的限制,传输速率还偏低,无线电磁波距离也因为信号传输衰减具有一定的局限性。

1 煤矿井下电磁波随钻测量技术研究进展

以YSDC为代表的无线电磁波测量系统不断应用、研发改进,具备了500 m信号无损传输性能,主要传输钻孔轨迹数据,已经实现了软煤定向钻进功能,无线电磁波随钻测量系统工作示意如图1所示。

图1 无线电磁波随钻测量系统工作示意Fig.1 Working schematic diagram of wireless electromagnetic wave measurement while drilling system

在碎软煤层施工钻孔中采用无线电磁波传输方式,围绕钻孔开展地质透明极为方便。钻孔物探,如钻孔伽马测井,能够辅助进行煤岩界面的识别及陷落柱、断层等地质异常体判定,能够大大节约地质透明成本。钻孔雷达能够进行煤岩界面识别,顶底板距离、剩余煤厚探查;随钻雷达连续动态的观测工作面区域顶底板数据,为快速动态修正三维地质模型提供基础。钻孔瞬变电磁法能够有效识别钻孔周边一定范围内的含水体;姿态数据、轨迹精准控制钻孔轨迹测量,能够精准控制钻孔走向,为瓦斯抽采、钻孔压裂等提供了技术保障。以上多种数据结合起来能够构建动态优化的工作面三维地质模型。

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基波信号上,测量信号随着基波信号向四周发射,孔口部分将检测到的电磁波中的测量信号下载解码,计算得到相关测量数据[12],其工作原理示意见图2。

系统的基本单元包括孔中姿态测量短节、随钻测井测量短节、孔中无线发射及电池管、孔中发射绝缘短节、孔口接收装置、孔口显示器及供电电源等6大部分,系统主要电气组成部件见图3。

图3 无线电磁波随钻系统主要部件Fig.3 Main components of wireless electromagnetic wave drilling system

为了实现孔中数据实时上传到地面控制系统,发展钻孔数据传输技术也是大势所趋,当前信号传输技术主要集中到孔中发射和孔口接收方面,这两方面均取得了良好发展。

1.1 孔中轨迹测量短节

轨迹测量短节用于测量姿态,如倾角、方位角、工具面向角等,主要由三组磁传感器和加速度传感器及其控制电路组成。姿态测量受到元器件稳定性和精度要求,成本也不同,从几千元到几万元的轨迹测量短节均存在,测量系统的应用场景和测量系统的组成决定了测量短节的选型。姿态测量短节如图4所示。

图4 姿态测量短节Fig.4 Attitude measuring short section

不管是哪种轨迹测量短节均存在影响测量精度的因素,如传感器和基准电源器件自身受到器件制作工艺不同引起的精度误差[13];由于测量系统传感器敏感轴的不正交、与仪器坐标轴不重合等因素引起的结构系统精度误差;数据采样个数及算法,引起的算法误差;传感器在使用、运输过程中,尤其是磁传感器抗干扰性能差,容易受到外界干扰。

通常采用在传感器外围增加消磁电路和采用误差修正来解决传感器磁干扰的影响[14]。普通钻杆对探管测量的干扰,在设计时根据对应精度确定需要的无磁长度,减少误差。测量探管标定,用于补偿磁传感器、加速度计由于安装、漂移和随机误差等引入的误差[15]。各个产品制造单位也应在出厂前对测量短节的姿态进行标定,来消除或补偿相应的误差,达到出厂标准,如图5所示。

图5 测量短节姿态参数标定Fig.5 Working diagram for measuring short section and inclination calibration

一部分指标在出厂时合格就不再发生变化,如传感器自身、正交结构以及算法等带来的误差;还有一部分在使用过程中可能或发生变化,如外界磁干扰,工艺差异等。为了保证最终的测量效果达到要求,在施工过程中,还需要对产品的精度进行校准,通过同一位置旋转工具面,发现不同工具面倾角和方位角数据具有明显的旋转变化规律,对孔中测量部分进行校正,确保仪器测量精度,满足煤矿井下定向钻进需求[16]。

1.2 孔中无线发射及电池管

孔中发射部分主要是对孔中探管测量的轨迹、温度、电量等数据,通过信号变化和控制转换,转化成发射信号,通过配套的发射天线发射出去[12],原理如图6所示。

图6 孔中数据采集及发射工作原理Fig.6 Working principle of data acquisition and signal transmission in holes

孔中采集发射控制通常采用定时采发和控制采发两种方式。定时采发是在仪器探管中进行软件设置,每隔一定时长采集发射一组数据;控制采发则是接收孔口信号指令后进行数据采集发射,也可以利用孔口驱动孔底马达的介质压力进行控制数据采集和发射。定时采发时间间隔决定了孔中测量发射部分的工作时长,通常仪器电池续航设计是根据每次发射功率和发射次数决定的,发射次数一定,发射间隔时长的话,整体工作时间就长。使用时可以根据施工方式设置合适的采发间隔,钻进进尺较慢时,采发间隔选用较大时长;钻进进尺或推送进尺较快时,可以采用较小的采发间隔,提高工作效率。

采用随钻测量方式时,钻进速度一般不可控,受到钻进地质条件、钻进工艺、班组效率、设备检修等影响,时长差异比较大。这种情况一般采用控制采发方式对孔中测量部分工作进行控制,常用的是压力检测控制。压力检测控制采发又分为水力驱动和气动驱动模式,为了更好地适应钻进工况,水力驱动通常压力开关量程和压力设定值较大,气动驱动压力开关量程和设定值相对较低。在实际施工过程中控制方式往往比较复杂,压力开关公用和设定难度比较大。

1.3 孔中发射绝缘短节

绝缘短节的作用是将探管发射极分别接到上下两部分,便于下端信号传输给大地,上端信号通过钻杆传输到孔口。通常采用三件套或两件套钢制杆体,陶瓷、碳纤维等非金属材料作为隔离材料,制成复合绝缘短节,实物及短节中心极如图7所示。

图7 绝缘短节及中心极实物图Fig.7 Insulation short section and center pole

绝缘短节孔底端采用中心极进行信号导通,因此中心极的抗振及两端可靠性接触是关键,绝缘短节是保证发射信号保持足够的输出阻抗,绝缘短节两端相互隔离,出厂阻抗理论上要求为无穷大。其主要技术要求其扭矩模拟孔中抗拉抗弯的情况下能够达到8000 N·m以上,并保持一定的发射偶极矩,绝缘电阻值在浸水情况下达到千欧姆级以上,距离越远阻值要求越大,才能满足信号发射要求。

1.4 孔口接收装置

孔口接收控制主要是提取孔中传出来的数据并解调,呈现孔中原有的数据,并按照特定的显示成图,并存储、转换、传输数据。接收方式有地极接收、碳棒感应接收和线圈感应接收三种方式,接收装置如图8所示。

图8 孔口接收装置Fig.8 Receiving devices outside hole

其中采用地极接收方式,信号强度较好,但需要将钻机和钻具尽可能与孔壁及钻场隔离,钻机不能接地,隔离实现难度较大,通常采用的枕木隔离效果不理想,尤其是水力钻进方式会影响到信号接收强度。采用碳棒感应接收,敷设难度比较小,也不需要对钻机进行隔离,信号整体稍弱,成本较高。线圈感应接方式采用开合铁磁芯方式,可以方便地环绕钻杆,接收信号强,外部干扰影响小,成本适中,整体表现良好,重量较大,目前选用双马蹄型铁芯300～400匝。

1.5 孔口显示控制器

孔口显示控制器主要是将孔口接收装置取到的孔中测量数据进行解调、预处理、分析成图显示[12],孔口控制器接收功能组成框图如图9所示。

孔口可使用Win操作系统和Android操作系统,系统操作和操作计算机相同,方便数据采集和数据收发控制。

1.6 供电隔爆电源

隔爆兼本安型隔爆电源是将井下127 V AC转化成多路本安型输出回路,供给孔口显示器供电使用。本安电路设计应具有保护限流、限压控制,其内部保护器件应符合防爆试验规定[17]。其与孔口显示控制器关联,需要满足电路用电需求并通过安全关联试验,隔爆电源如图10所示。

图10 隔爆电源实物图Fig.10 Explosion-proof power supply

2 存在的问题

煤矿用无线电磁波随钻测量系统为钻孔数据系统化管理和矿山地质透明起到了积极推动作用,但需要在可靠性、适用性、通信距离等方面持续开展攻关工作。目前还主要存在以下几个方面的问题。

2.1 孔中振动数据获取不准确、结构损坏

在钻进过程中,尤其是空气钻进过程中,孔中部分工作环境未知,在孔中工作的测量部分、供电电池组系统及发射部分工作不稳定,容易出现故障。由于实际作业过程中,孔中的振动强度、受力大小和方向、振动频率、温度、压力等参数无法准确获取,在施工过程中,出现绝缘短节断裂、发射偶极导通,无磁外钻杆连接螺纹损坏,中心极错位折断等结构损坏。

在钻进过程中,尤其是空气钻进过程中,测量短节容易出现测量不准确和信号不稳定的情况。经过故障仪器拆解分析,确定三组磁传感器某分量损坏无输出,属磁传感器内部故障。在高压力高振动中工作,孔中探管的密封性能也会变差,时有出现探管内部渗水情况,导致仪器故障,无法正常工作。钻孔内部供电的电池管,因为振动出现芯体连接及电芯极耳松脱情况。因此,测试孔中振动强度和采取减振措施是下一步工作的重点,保持随钻系统的孔中正常工作环境是确保参数系统稳定的前提。

2.2 信号稳定性与施工工艺影响因素不清

实钻过程中,硬岩钻进多采用水力驱动,进入煤层后改为空气驱动,水风两用的情况经常发生。为实现软煤层的高效钻进,通常采用回转钻进+气动定向钻进方式。梳状孔的施工,钻进过程中常采用水力钻进+气动定向钻进方式。风水两用时,压力开关设定往往出现精度和范围不匹配的问题。

压力开关控制数值设置不合理时,信号的稳定性较差。采用风水两用测量系统时,两种介质压力差异比较大,采用水力驱动时,压力范围比较大,压力控制精度较差;采用风力驱动时,压力范围较小,压力控制精度较高。为了同时满足两种压力值,经常选用大量程压力开关的低位,导致控制精度不高。选择的压力控制值偏小时,会存在水力驱动钻进的钻孔中有积水时,控制开关已经超量程无法正常工作的情况。

信号稳定性还与孔底信号发射环境有关,钻进过程需要每隔几米进行一次钻孔中的数据测量,测量时可能遇到如如浮渣、煤粉、空洞等造成的发射绝缘孔底部分未有效接触到孔壁,影响发射信号强度。孔口接收装置的形式也是影响接收信号的关键,接地电极间距不够或者接触不良、钻机隔离程度、钻场电磁干扰、积水情况等都会影响接收信号强度,进而影响信号传输一次解调率。

2.3 传输深度及电源适用性不够

目前井下钻探技术发展迅速,透明地质要求数据量也越来越大,钻孔尤其是定向钻孔深度很多已经超过1000 m,部分条件好的矿区钻孔深度已经达到3000 m以上,无线电磁波信号传输距离目前约为500 m,还需要在加大信号传输距离方面进行研究,以适应于中深孔钻探需求。

钻孔施工中,孔中测量部分的工作用电,通常采用孔中自带电池组的方式,孔中供电电池组容量受到煤矿安全的要求限制,电池组的最大容量不能无限扩大。距离越远发射的次数越多,距离越远仪器工作的时间越长,钻进效率降低,仪器持续工作的距离就变短。从目前实钻的大数据来看,仪器采用压力开关控制,可以有效延长续航时间,根据不同的控制方式,正常工作可以持续7～30 d,采用连续发射模式可以工作到70 h以上。

3 系统展望

随着钻孔物探技术和测量技术等新一代技术快速发展,将有力推动无线电磁技术向着高效、稳定、适应性更广的方向发展,钻孔中的数据能够及时准确地传输到地面智能矿山控制系统中,对矿山安全和地质透明起到了极大的促进作用。

无线电磁波技术需要将电磁波传输技术、电源发射控制技术、信号提取技术、振动分析技术与传统物探勘探方法及信号压缩传输技术相结合,保证数据实时高效稳定传输,不断提高技术装备智能化水平,实现钻孔全数据智能化施工。为实现上述的要求,还需要从以下几个方面加大技术投入。

(1)长距离传输是无线电磁波应用发展趋势,小信号提取、一次有效解调出数据是电磁波技术发展的方向。孔中不间断供电能够有效适用于各种工况,施工中不提钻充电,大深度施工中尽量减少由于电池没电造成的提钻工作量。后续可发展利用振动或水力风力驱动的孔中发电装置,发电补充孔中测量部分用电,增大续航能力。钻孔深度的增加,需要更大能力的钻探装备,这就需要孔中测量部分的有足够的机械强度,尤其是绝缘短节的抗扭、抗弯、抗拉强度需要大大加强。

(2)钻孔物探技术、钻孔测量技术和智能钻探技术与无线电磁波随钻测量技术相结合,能够为透明地质和智能矿山安全建设提供重要支持。无线电磁波作为数据传输的高速公路,要适应连续数据采集和监测需求,能够将钻孔的电阻、伽马值、轨迹姿态、温度、压力等数据传输到孔口,通过配套井下网络系统可实现地、井、孔联动远程控制,将钻孔中的探测数据及时传输到地面,为透明工作面构建提供更加可靠的地质信息[18],实现钻孔监测数据实时上传下达,为钻孔智能精准控制、物探探查和矿山安全决策提供支撑。

(3)加大孔中数据采集技术与装备的研发,无线电磁波既适用于孔中数据、测井数据、轨迹数据、雷达数据、电阻率数据,也能适用风力和水力驱动的各种地质工况。既适用于碎软煤层定向钻进,也适用于顶底板硬岩钻进及孔中数据测量,防止发生孔中事故。增加探管测量、供电、传输部分的可靠性,延长孔中测量部分的平均无故障时间,降低传输系统的故障率和安全施工风险,提高钻孔利用率。

(4)通过对无线电磁波随钻测量及孔中物探勘探技术的开发研究,实现多种数据实时监测。利用孔中信息形成闭环控制,停钻数据自动测量,深度自动记录,减少钻场人员数量和人为干预。建立钻孔实时数据成图,物探反演成图展示平台,实现钻孔测量与探测数字化,形成标准的解决方案,使井下钻孔动态数据与地面控制系统高度融合,进一步提高钻进效率,增强矿山安全风险防范能力。

4 结语

地质条件复杂的煤层瓦斯抽采钻孔成孔深度浅,难以满足高产高效矿井对瓦斯超前区域精准治理的需求。无线电磁波技术发展为钻孔物探技术及孔中测量技术发展提供了机会,增加无线电磁波传输距离,提高可靠性并拓展适用性,有助于钻孔轨迹控制。对剩余煤层厚度及煤岩分界面识别等方面技术进行攻关,必将推动无线电磁波传输技术向更高智能和高质量的方向发展。

受到井下近水平钻进和防爆型设计影响,矿用无线电磁波传输系统不能照搬油气所用的垂直孔用无线电磁波传输系统,应立足于当前煤矿回采及透明地质的发展实际,根据钻孔探测和测量的工程需求开展工作,从而进一步提高装备的智能化水平,服务地质透明建设。

矿用无线电磁波随钻技术涉及电磁波传输技术、钻孔物探技术、数据采集技术等多学科融合,紧跟新一代数字化技术发展,充分借鉴其他领域的数据传输经验,并与地质勘查、矿山安全、智能钻探相结合,突破了制约孔中无缆数据传输的瓶颈。