礦用電磁波隨鉆測量系統在定向鉆進中的姿態校準

王小波

(中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

煤與瓦斯突出是煤礦生產過程中的主要災害，破壞性大，給安全生產帶來很大隱患。利用鉆孔對煤層中的瓦斯進行抽采是保障當前煤礦安全的有效方法[1-3]。為了保證鉆孔按照設計軌跡進行鉆進，通常采用定向鉆進技術，隨著技術發展，按照信號傳輸方式分為有線和無線兩種方式，無線傳輸方式近些年發展較為迅速。按信號原理又分為泥漿脈沖和無線電磁波，泥漿脈沖傳輸相對較遠，適用于液動鉆進；無線電磁波傳輸距離相比較近，但其除適用于液動鉆進外，也可適用于空氣鉆進。煤礦松軟煤層煤質軟/破碎、透氣性較差，采用孔底液動螺桿鉆進施工時，驅動液動螺桿馬達的高壓水也極容易造成鉆孔坍塌無法成孔[4-7]。無線電磁波技術可以彌補泥漿脈沖系統無法用于空氣鉆進的不足[8-11]，是解決井下軟煤定向鉆進，對工作面進行瓦斯抽采的設備保障。

1 礦用無線電磁波隨鉆系統組成

礦用電磁波隨鉆測量系統分為孔口部分和孔中部分兩大部分。其中，孔口部分主要有用于控制系統各種指令、數據接發、運算處理以及數據成圖的礦用本安型控制器，給控制器供電的礦用隔爆兼本安型直流電源，用于接收鉆孔中發出信號的接收天線。孔中部分由下無磁鉆桿、無磁探管、礦用本安型電磁波隨鉆測量儀探管(安裝在無磁探管中)、絕緣短節、上無磁鉆桿組成。核心部分電磁波隨鉆測量探管由兩根電池組、電源智能管理單元、姿態測量和數據傳輸等4部分組成，如圖1所示。

圖1 無線電磁波測量系統Fig.1 Wireless electromagnetic wave measurement system

電池組主要給姿態測量單元和孔中測量信號發射供電。通過監測鉆桿振動來識別鉆機是工作狀態還是停機狀態，用以控制數據采集，實現電源智能管理。測量單元主要用來測量鉆進姿態，即傾角和方位角、工具面向角。數據傳輸單元主要是將姿態等信息通過調制轉換為低頻電磁波信號，經內部放大后，由絕緣短節輻射到地層[12]。

2 鉆孔軌跡測量原理

鉆孔軌跡即鉆頭在鉆進過程中形成的空間鉆孔路徑。鉆探工程中常用空間一條線來描述鉆孔特征，其空間形態代表鉆孔的空間形態。鉆進姿態包括傾角、方位角和工具面向角，通常姿態測量傾角軌跡軸線OP與水平面的銳夾角β表示傾斜角，如圖2所示。軌跡軸線在水平面上的投影與地球磁北方向順時針計量的夾角α即為磁方位角(磁方位角經過大地磁偏角校正后為方位角)[13]。

圖2 軌跡姿態定義Fig.2 Trajectory attitude definition

在造斜組合鉆具中，將彎曲工具的兩個軸線組成的平面定義為工具面，工具面與鉛垂面夾角為工具面向角，順時針旋轉增加，如圖3所示。

圖3 姿態基本參數示意圖Fig.3 Schematic diagram of basic attitude parameters

姿態測量組件由三軸傳感器和三軸重力加速度計組成，三個相互垂直的坐標軸分別安裝加速度計和磁傳感器，構成姿態測量系統，如圖4所示。

圖4 傳感器安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of sensor installation

傾角β、方位角α和工具面角γ數值計算參照式(1)～(4)，加速度計和磁傳感器分別測量不同方向上的重力分量和磁場分量[14-15]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Gx、Gy、Gz為重力加速度傳感器所在軸的3個分量測量值；Bx、By、Bz為磁傳感器測得地磁場的3個分量；G0為重力加速度值。

3 無線電磁波定向鉆進技術

在無線電磁波隨鉆系統的使用過程中，需要專用的定向鉆機、孔底螺桿馬達和泥漿泵(空壓機)、泡沫發生器等。利用加壓泵提供高壓水或空氣進行排渣、泡沫發生器驅動孔底螺桿馬達并對孔底儀器和鉆頭進行降溫。施工中將測量軌跡與設計軌跡及時對比， 通過旋轉鉆具工具面來控制孔底螺桿馬達方向，從而實現定向鉆進功能，如圖5所示。

圖5 無線電磁波定向鉆進示意圖Fig.5 Schematic diagram of wireless electromagnetic directional drilling

無線電磁波傳輸方式主要是依靠地層介質來實現的，孔中部分將測量的數據加載到載波信號上，測量信號隨著載波信號向通過絕緣短節四周發射，孔口部分的接收天線將檢測到的電磁波中的測量信號卸載解碼、計算得到姿態測量數據。電磁波隨鉆系統的方位角測量精度不大于1.2°，傾角測量精度不大于0.2°。

在定向鉆進的過程中，不同的軌跡點在空間上連續計算，形成鉆孔的軌跡曲線。將兩個相鄰測點的姿態值的平均值作為進尺的姿態值計算直線段，計算見式(5)～(7)，設測點Pi的坐標(Xi,Yi,Zi)，則Pi+1坐標計算如下：

(5)

(6)

(7)

式中：ΔL為測點之間的距離。

改變螺桿彎角工具面來造斜，如圖6所示。按照常規定義，當工具面調整到Ⅰ、Ⅳ區域里時，傾角增大，當工具面調整到Ⅱ、Ⅲ區域里時，傾角減小。工具面向角為0°或 180°時的造斜強度最大。

圖6 造斜角分布示意圖Fig.6 Schematic diagram of build angle distribution

當工具面調整到Ⅰ、Ⅱ區域里時，方位向右，當工具面調整到Ⅲ、Ⅳ區域里時，方位角向左。當工具面向角為90°或 270°時，左右造斜強度最大。

4 鉆進中測量精度影響因素及分析校正

在淮北礦井實施無線電磁波定向鉆進過程中，每3 m進行一次測量，發現相鄰的測量點，有時存在傾角數據變化過大(近2°)。現場兩個探管不同程度都存在相似現象，通常鉆孔傾角彎曲強度應不大于0.05 rad/6 m(3°/6 m)；鉆孔方位角彎曲強度應不大于0.035 rad/6 m(2°/6 m)[16]。現場測量數據無法使用，不符合常規鉆進要求，施工人員對測量系統的準確性提出質疑。

測試人員在井下鉆進現場按照正常的數據采集方式進行數據采集，改變方式采用同一位置連續多圈旋轉，隨機停機在不同工具面進行傾角、方位角測量。測試概況：測試鉆孔深度約100 m；液動驅動傳輸方式；鉆機處于未給進狀態空轉鉆具；采用線圈接收信號，隨機停機測量數據，泄壓后靜態測量了26組數據，實測數據見表1。

表1 同位置不同工具面實測姿態數據Table 1 Measured attitude data of different tool surfaces in the same position (°)

由于是隨機實測數據，因此在數據圖表中工具面取值較為分散。為了便于分析，對所有的數據按工具面從小到大排列，分別對傾角和方位角的數據的變化繪圖，如圖7和圖8所示。

圖7 同位置不同工具面的傾角變化Fig.7 Inclination changes of different tool faces in the same position

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

通過曲線可以看出，正常的傾角數據和方位角數據都不應該隨工具面向角變化而變化。實測數據發生了變化，其變化有明顯的規律，判定原由是由于無磁鉆桿與測量探管不同軸造成。

分析造成上述情況的原因：一是測量探管固定到無磁鉆桿的橡膠支架，在長時間使用后發生磨損，出現松動；二是無磁鉆桿受到鉆機的扭距和推進力發生形變，測量探管和無磁鉆桿直線度、同軸度不一致。這兩種情況都會使測量探管的測量數據變化，大于常規無磁鉆桿彎度，測量數據也會給軌跡設計造成誤導。

針對上述問題，必要情況下需及時更換或修復尺寸發生變化的部件。為了滿足精度要求，需改進鉆進工藝，在開孔完成后正式鉆進前，對電磁波測量系統的孔中部分進行校準，即原地多圈轉動鉆具，測量不同工具面時的傾角和方位角的數據，對孔中測量部分進行二次標定，整理對應變化關系。補償表的基值是數據波動的中心值，基值減去校準數據表中不同工具面的傾角和方位角得到的數值為補償值。制作標定表時，工具面每隔20°采用四舍五入或差值方式得到標定值，如表2所示。

表2 不同工具面姿態補償數據Table 2 Attitude compensation data of different tool faces (°)

根據補償數據表繪制出對應的變化趨勢圖，見圖9，圖中可以看出補償值與姿態變化趨勢互補。實際測量時，根據工具面位置查表就近選擇補償值，在實測值上加補償值即可得到姿態實際值。這種修正方法，對測點的均勻度和數據密度有一定要求，測點均勻度和數據多少決定了修正的精度高低。

圖9 不同工具面補償變化趨勢Fig.9 Compensation change trend of different tool faces

5 結語

無線電磁波系統在井下施工時，發現的傾角方位角變化大，并非系統精度問題，通過現場原鉆孔采集數據，對數據進行分析計算成圖，找到了數據變化大的原因并給出了建議措施。給出的措施能夠有效提高測量系統在實鉆中的測量精度，能提高定向鉆進效果。通過實際采集的數據分析，也驗證了無線電磁波測量系統自身精度滿足設計要求。