探討煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術

劉志國

摘要：煤礦隨鉆測量 （MWD） 技術可在坑道鉆探過程中捕獲坑道參數，包括坑道深度、穿透率、沖擊壓力、轉速、旋轉壓力（扭矩）、進給壓力（推力）、穩定器壓力（阻尼）、沖洗壓力（沖洗液）和沖洗流量（沖洗液）等。在現代鉆機上，這些參數與特定的鉆孔操作設置相關聯，例如隧道編號、孔編號、3D 空間中的孔位置、隧道截面、采樣間隔、日期和時間戳，能夠客觀可靠地評估隧道前方的巖體狀況，確定礦頂的巖體條件。但在具體的實踐中，煤礦隨鉆測量常常面臨諸多問題，平穩可靠的標準化過程需要鉆機控制系統中的標準化設置和隨鉆操作程序的標準化。為此，本文借助探討煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術，為相關從業人員的研究和實踐提供一定的參考。

關鍵詞：隨鉆測量;泥漿脈沖;復合鉆進;復合排渣;定向鉆進

1.煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術原理

泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術，是基于泥漿脈沖無線隨鉆測量和復合定向鉆進，發展起來的一種煤礦井下新型定向鉆進技術，其以高壓沖洗液為動力和排渣介質，驅動液動螺桿馬達回轉碎巖鉆進，并攜帶鉆進中產生的鉆渣;鉆進過程中泥漿脈沖無線隨鉆測量裝置測量鉆孔傾角、方位角和液動螺桿馬達工具面向角等參數，以壓力脈沖為信號載體，以鉆桿內沖洗液為信號傳輸通道，向孔口傳輸孔內測量數據;孔口依據接收到的測量數據進行鉆孔軌跡的調整;鉆機提供鉆進給進力、回轉力和液動螺桿馬達工具面向角調整動力等;泵車向孔內提供高壓沖洗液。值得注意的是，泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術記錄的MWD數據受到操作因素的顯著影響，例如鉆機和煤礦鉆具的特定設置、鉆孔深度、套環工藝和連接鉆桿的延伸，以及鉆孔過程的影響，例如孔環或延長桿連接。[1]上述過程應通過去除鉆孔套環和延長桿耦合數據過濾 MWD 數據;使用線性回歸進行歸一化，以消除鉆孔深度和（進給）壓力相關的操作偏差;去除具有不切實際值的異常值。

2.煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術分析

煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術主要有三部分組成，分別是測量技術、鉆機技術和排渣技術。具體論述如下：

首先，在測量方面，泥漿脈沖信號系統由脈沖信號和匹配發生器系統組成。射頻發生器和匹配系統都位于一體式脈沖發生器內。匹配系統將高壓沖洗液的阻抗調整為射頻發生器的輸出阻抗（50 Ω）。同軸開關允許將射頻功率引導到量熱負載以進行校準和測試，并一次使用一個或兩個發生器進行操作。當兩臺一體式脈沖發生器運行時，還需要一個解耦器。這對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），因為射頻功率流與 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閉合通量表面的位置。當高壓沖洗液不使用時，它會縮回到管道內的初始停放位置。

其次，在鉆機方面，采用的是雙動力復合定向鉆進。鉆頭的設置決定了最大沖洗液流量，在 25 bar 的壓力下，當前的泵容量可能達到 400 L/min 的總沖洗液流量?；谶@一限制，使用 Epiroc TC42 棒;導桿的內徑為 17 mm，長度為6.1 m，速度桿的內徑為 14.5 mm，長度為3.1 m。在鉆井過程中，導向桿和延長桿（速度桿）會導致沖洗液壓損失。在最大沖洗液流量 （200 L/min） 下，由于摩擦導致的壓降對于導向桿為 5.8 bar，對于每個速度桿為 6.2 bar。由于泵通常產生 25 bar 的沖洗液壓，當使用較長的鉆柱時，必須減少鉆桿中的摩擦損失。

最后，在排渣方面，采用的是雙動力復合排渣。利用沖洗液紊流水力排渣方式將較細巖屑懸浮，旋轉流場形成周向水流將沉淀巖屑床中的較粗巖屑攪動并懸浮在沖洗液中，在沖洗液正循環將懸浮的巖屑向孔外推送;利用鉆桿回轉機械排渣方式提高巖屑向孔外推送速度，利用同時鉆桿外表面異形結構對巖屑進行磨削和攪拌，使高壓沖洗液能順利將巖屑帶出孔外，防止卡、埋鉆事故的發生，實現高效復合排渣。[3]

3.煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術應用

煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術的實際應用數據，是按設定的間隔收集的，范圍從2厘米到10厘米，但 MWD 數據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 個樣本。對于這項研究，測量間隔設置為2厘米，樣本的收集間隔在 2 厘米和 3 厘米之間。記錄的 MWD 數據存儲在單獨文件中。該日志文件包含鉆孔編號、鉆孔類型、吊桿編號（煤礦鉆具）、隧道斷面編號、領口位置、瞭望臺和設置采樣間隔。它還具有鉆機序列號和鉆機控制系統 （RCS） 版本，以及使用的隧道名稱和導航類型。

在本研究中，煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術數據包括以下 MWD 參數：孔深 [mm]、穿透率 [dm/min]（鉆孔速度，PR）、錘壓 [bar]（沖擊壓力，PP）、進給壓力 [bar] （推力，FP），阻尼壓力 [bar]（反沖或反作用壓力，DP），轉速 [r/min]（每分鐘轉數，RS），旋轉壓力 [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）和時間 [HH：MM：SS]（時間戳）。

在進行具體分析時，首先對每個 MWD 參數的數據平均值進行數值比較;其次，進行主成分分析（PCA）來評估原始MWD參數的結構和變量之間的相互作用。PCA 用于減少數據噪聲、簡化數據集、檢測異常值以及評估輸入參數之間的相關性，主要目的是獲得在多維數據空間中無法在單個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的MWD回歸線。結果顯示，煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術鉆進安全性高;綜合鉆進效率提升;適合復雜煤巖層高效鉆進，值得在實踐中推廣和應用。

4.結語

綜上所述，煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進是現階段煤礦井下鉆探業務中十分重要的技術之一。對于該技術的開發和應用有助于煤礦井下定向鉆孔的開展，在原有技術基礎上，更好的、更安全、更高效地實現定向鉆孔施工。在此期間，把握好該技術的關鍵要點，有助于拓展該技術的應用場景。

參考文獻

[1]王鮮，李泉新，許超，方俊.頂板復雜巖層無線隨鉆測量復合定向鉆進技術[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裝備40年發展與展望[J].煤炭科學技術，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鍵技術[J].煤炭科學技術，2020，48（01）：196-201. DOI：10.13199/j.cnki.cst.2020.01.025.