探討煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)

劉志國

摘要：煤礦隨鉆測(cè)量 （MWD） 技術(shù)可在坑道鉆探過程中捕獲坑道參數(shù)，包括坑道深度、穿透率、沖擊壓力、轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)壓力（扭矩）、進(jìn)給壓力（推力）、穩(wěn)定器壓力（阻尼）、沖洗壓力（沖洗液）和沖洗流量（沖洗液）等。在現(xiàn)代鉆機(jī)上，這些參數(shù)與特定的鉆孔操作設(shè)置相關(guān)聯(lián)，例如隧道編號(hào)、孔編號(hào)、3D 空間中的孔位置、隧道截面、采樣間隔、日期和時(shí)間戳，能夠客觀可靠地評(píng)估隧道前方的巖體狀況，確定礦頂?shù)膸r體條件。但在具體的實(shí)踐中，煤礦隨鉆測(cè)量常常面臨諸多問題，平穩(wěn)可靠的標(biāo)準(zhǔn)化過程需要鉆機(jī)控制系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置和隨鉆操作程序的標(biāo)準(zhǔn)化。為此，本文借助探討煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)，為相關(guān)從業(yè)人員的研究和實(shí)踐提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：隨鉆測(cè)量;泥漿脈沖;復(fù)合鉆進(jìn);復(fù)合排渣;定向鉆進(jìn)

1.煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)原理

泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)，是基于泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量和復(fù)合定向鉆進(jìn)，發(fā)展起來的一種煤礦井下新型定向鉆進(jìn)技術(shù)，其以高壓沖洗液為動(dòng)力和排渣介質(zhì)，驅(qū)動(dòng)液動(dòng)螺桿馬達(dá)回轉(zhuǎn)碎巖鉆進(jìn)，并攜帶鉆進(jìn)中產(chǎn)生的鉆渣;鉆進(jìn)過程中泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量裝置測(cè)量鉆孔傾角、方位角和液動(dòng)螺桿馬達(dá)工具面向角等參數(shù)，以壓力脈沖為信號(hào)載體，以鉆桿內(nèi)沖洗液為信號(hào)傳輸通道，向孔口傳輸孔內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù);孔口依據(jù)接收到的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆孔軌跡的調(diào)整;鉆機(jī)提供鉆進(jìn)給進(jìn)力、回轉(zhuǎn)力和液動(dòng)螺桿馬達(dá)工具面向角調(diào)整動(dòng)力等;泵車向孔內(nèi)提供高壓沖洗液。值得注意的是，泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)記錄的MWD數(shù)據(jù)受到操作因素的顯著影響，例如鉆機(jī)和煤礦鉆具的特定設(shè)置、鉆孔深度、套環(huán)工藝和連接鉆桿的延伸，以及鉆孔過程的影響，例如孔環(huán)或延長(zhǎng)桿連接。[1]上述過程應(yīng)通過去除鉆孔套環(huán)和延長(zhǎng)桿耦合數(shù)據(jù)過濾 MWD 數(shù)據(jù);使用線性回歸進(jìn)行歸一化，以消除鉆孔深度和（進(jìn)給）壓力相關(guān)的操作偏差;去除具有不切實(shí)際值的異常值。

2.煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)分析

煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)主要有三部分組成，分別是測(cè)量技術(shù)、鉆機(jī)技術(shù)和排渣技術(shù)。具體論述如下：

首先，在測(cè)量方面，泥漿脈沖信號(hào)系統(tǒng)由脈沖信號(hào)和匹配發(fā)生器系統(tǒng)組成。射頻發(fā)生器和匹配系統(tǒng)都位于一體式脈沖發(fā)生器內(nèi)。匹配系統(tǒng)將高壓沖洗液的阻抗調(diào)整為射頻發(fā)生器的輸出阻抗（50 Ω）。同軸開關(guān)允許將射頻功率引導(dǎo)到量熱負(fù)載以進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)試，并一次使用一個(gè)或兩個(gè)發(fā)生器進(jìn)行操作。當(dāng)兩臺(tái)一體式脈沖發(fā)生器運(yùn)行時(shí)，還需要一個(gè)解耦器。這對(duì)于消除兩脈沖之間的射頻功率流是必需的（0，0） 或偶極子 （0，π），因?yàn)樯漕l功率流與 sin（Δ φ ）成正比，其中 Δ φ是兩條脈沖之間的相位差。[2]在操作期間，高壓沖洗液位于靠近最后一個(gè)閉合通量表面的位置。當(dāng)高壓沖洗液不使用時(shí)，它會(huì)縮回到管道內(nèi)的初始停放位置。

其次，在鉆機(jī)方面，采用的是雙動(dòng)力復(fù)合定向鉆進(jìn)。鉆頭的設(shè)置決定了最大沖洗液流量，在 25 bar 的壓力下，當(dāng)前的泵容量可能達(dá)到 400 L/min 的總沖洗液流量。基于這一限制，使用 Epiroc TC42 棒;導(dǎo)桿的內(nèi)徑為 17 mm，長(zhǎng)度為6.1 m，速度桿的內(nèi)徑為 14.5 mm，長(zhǎng)度為3.1 m。在鉆井過程中，導(dǎo)向桿和延長(zhǎng)桿（速度桿）會(huì)導(dǎo)致沖洗液壓損失。在最大沖洗液流量 （200 L/min） 下，由于摩擦導(dǎo)致的壓降對(duì)于導(dǎo)向桿為 5.8 bar，對(duì)于每個(gè)速度桿為 6.2 bar。由于泵通常產(chǎn)生 25 bar 的沖洗液壓，當(dāng)使用較長(zhǎng)的鉆柱時(shí)，必須減少鉆桿中的摩擦損失。

最后，在排渣方面，采用的是雙動(dòng)力復(fù)合排渣。利用沖洗液紊流水力排渣方式將較細(xì)巖屑懸浮，旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)形成周向水流將沉淀巖屑床中的較粗巖屑攪動(dòng)并懸浮在沖洗液中，在沖洗液正循環(huán)將懸浮的巖屑向孔外推送;利用鉆桿回轉(zhuǎn)機(jī)械排渣方式提高巖屑向孔外推送速度，利用同時(shí)鉆桿外表面異形結(jié)構(gòu)對(duì)巖屑進(jìn)行磨削和攪拌，使高壓沖洗液能順利將巖屑帶出孔外，防止卡、埋鉆事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)高效復(fù)合排渣。[3]

3.煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)，是按設(shè)定的間隔收集的，范圍從2厘米到10厘米，但 MWD 數(shù)據(jù)的最大采樣率受到采樣頻率的限制。在 Epiroc 鉆頭的情況下，這被限制為每秒 2.5 個(gè)樣本。對(duì)于這項(xiàng)研究，測(cè)量間隔設(shè)置為2厘米，樣本的收集間隔在 2 厘米和 3 厘米之間。記錄的 MWD 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單獨(dú)文件中。該日志文件包含鉆孔編號(hào)、鉆孔類型、吊桿編號(hào)（煤礦鉆具）、隧道斷面編號(hào)、領(lǐng)口位置、瞭望臺(tái)和設(shè)置采樣間隔。它還具有鉆機(jī)序列號(hào)和鉆機(jī)控制系統(tǒng) （RCS） 版本，以及使用的隧道名稱和導(dǎo)航類型。

在本研究中，煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)數(shù)據(jù)包括以下 MWD 參數(shù)：孔深 [mm]、穿透率 [dm/min]（鉆孔速度，PR）、錘壓 [bar]（沖擊壓力，PP）、進(jìn)給壓力 [bar] （推力，F(xiàn)P），阻尼壓力 [bar]（反沖或反作用壓力，DP），轉(zhuǎn)速 [r/min]（每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，RS），旋轉(zhuǎn)壓力 [bar]（扭矩，RP），沖洗液流量 [L /min]（沖洗流量，WF），沖洗液壓 [bar]（沖洗壓力，WP）和時(shí)間 [HH：MM：SS]（時(shí)間戳）。

在進(jìn)行具體分析時(shí)，首先對(duì)每個(gè) MWD 參數(shù)的數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行數(shù)值比較;其次，進(jìn)行主成分分析（PCA）來評(píng)估原始MWD參數(shù)的結(jié)構(gòu)和變量之間的相互作用。PCA 用于減少數(shù)據(jù)噪聲、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)集、檢測(cè)異常值以及評(píng)估輸入?yún)?shù)之間的相關(guān)性，主要目的是獲得在多維數(shù)據(jù)空間中無法在單個(gè)變量中觀察到的有向線或平面;最后，分析比較不同煤礦鉆具與鉆孔深度相關(guān)的MWD回歸線。結(jié)果顯示，煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)鉆進(jìn)安全性高;綜合鉆進(jìn)效率提升;適合復(fù)雜煤巖層高效鉆進(jìn)，值得在實(shí)踐中推廣和應(yīng)用。

4.結(jié)語

綜上所述，煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)是現(xiàn)階段煤礦井下鉆探業(yè)務(wù)中十分重要的技術(shù)之一。對(duì)于該技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用有助于煤礦井下定向鉆孔的開展，在原有技術(shù)基礎(chǔ)上，更好的、更安全、更高效地實(shí)現(xiàn)定向鉆孔施工。在此期間，把握好該技術(shù)的關(guān)鍵要點(diǎn)，有助于拓展該技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。

參考文獻(xiàn)

[1]王鮮，李泉新，許超，方俊.頂板復(fù)雜巖層無線隨鉆測(cè)量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)[J].煤礦安全，2019，50（09）：88-91.DOI：10.13347/j.cnki.mkaq.2019.09.022.

[2]石智軍，姚克，姚寧平，李泉新，田宏亮，田東莊，王清峰，殷新勝，劉飛.我國煤礦井下坑道鉆探技術(shù)裝備40年發(fā)展與展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2020，48（04）：1-34.DOI：10.13199/j.cnki.cst.2020.04.001.

[3]石智軍，許超，李泉新，陳殿賦，郝世俊，姚克.煤礦井下2570 m順煤層超深定向孔高效成孔關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2020，48（01）：196-201. DOI：10.13199/j.cnki.cst.2020.01.025.