电磁随钻测量技术现状及发展趋势

43随钻测量是钻井作业过程中不可缺少的重要技术，可以对钻遇的地层岩性进行实时监测，从而获取到准确的地层物理参数。

随钻测量多利用声波、放射线、电阻率等技术，可以对钻遇地层进行评价并进行地质导向，可为水平井、大斜度井等钻井作业方案的制定提供数据支持。

随钻测量数据是在地下储层没有受到钻井液污染前获取到的，可以更为准确地体现出地下储层岩性，该技术经过数十年的发展，已经在稳定性和准确性方面取得到很大的进步，本文主要对随钻测量系统的发展情况进行分析和探讨。

一、随钻测量系统技术发展情况1.国外随钻测量系统发展情况在上世纪三十年代，石油行业的科研人员就已经对随钻测量系统开展了大量的研究和实验，但只停留在电极测量、地下储层电阻率测量方向。

进入到五十年代，科研人员开始把电磁波技术应用到随钻测量中，但电磁波在地层中传递过程中，信号的强度会不断衰减，没有取到很好的应用效果。

在五十年代后期，正脉冲泥浆遥测传输系统已经被研发出来，在六十年代初得在钻井实验中取得了成功应用，是随钻测量系统首次进入到工业应用领域。

进入到七十年代以来，随钻测量技术得到了石油行业的重视，正弦波泥浆遥测传输系统研发成功，制定了随钻测量工业标准及可靠性标准，在钻铤部位设置发射器和接收装置，对随钻系统进行了完善，研发的自然伽马井下随钻仪也被推向市场。

进入到八十年代，很多石油公司加大对随钻测量仪器的研发力度，随钻测量仪质量和性能也在不断进步，利用导向螺杆钻具和无线随钻系统，在水平井钻井作业中取得了成功。

随着定向井、水平井等钻井作业的需求增多，随钻测量系统的应用也逐渐变多，随钻测井技术服务也得到了快速的发展，国外石油公司已经开发出自然伽马、电阻率、声波测井等技术。

最近一些年来，国外公司研发出使用寿命更长的随钻测量系统，该测量仪器可以适应井下恶劣的自然环境，可以满足钻井作业的多种需求。

国外随钻测量系统不断向着高性能、高可靠性方面发展，在硬件方面也取得很大进步，监测数据解释和软件性能方面也取得很大突破。

随钻测井技术进展和发展趋势随钻测井技术进展和发展趋势作为油气勘探的重要手段之一，测井技术具有分辨率高、连续性强、节约成本等优势。

随着油气勘探开发向着更深更复杂储层的推进，常规测井技术逐渐难以满足当前地层评价的需求。

对此，越来越多的石油公司和服务公司致力于改进、提升测井探测和评价能力。

下面是小编整理的随钻测井技术进展和发展趋势，欢迎阅读与收藏。

随钻测井技术进展和发展趋势篇1[摘要]石油测井技术主要用于地下油气层的勘察，并对油气层的变化情况进行实时监控。

随着我国科学水平的不断提高和石油勘探事业的快速发展，测井技术也在不断提高，目前已经成为一种比较成熟，并且具有多样化特征的技术手段。

本文就从石油测井技术的现状出发，对它的未来发展趋势进行探讨。

[关键词]测井，技术现状，发展趋势1927年，法国的斯伦贝谢公司开发出测井技术。

而我国于1939年将它正式应用到石油工业当中。

历经几十年的发展，测井技术从最初的模拟测井逐渐发展为后来的数字测井、数控测井、成像测井等。

目前，该项技术已被列为石油十大学科之一，已广泛应用于油气田的整个勘探、开发过程中。

另外，测井技术不仅能应用于油气田的开发利用，还被广泛应用到对煤炭、金属等矿产资源的勘探中。

1测井技术现状分析1.1电法测井电法测井是通过井下测井仪器向地层发射一定频率的电流测量地层电位，从而得到地层电阻率的测井方法（如地层倾角测井、侧向测井、感应测井等），还包括向地层发射电流测量地层自然电位的测井方法。

1.2放射性石油测井技术放射性石油测井技术又被称作核测井技术。

其具体形成原理是通过研究地层岩石见空隙流体的核物质性质，探测油气储备的一种石油测井技术。

根据所使用的放射源或者测量的放射性物质和所研究的岩石性质，核测井技术可分为，伽马测井技术和中子测井技术。

伽马测井技术是以伽马射线为基础的核测井技术。

中子测井技术是通过对岩石及空隙流动体与中子间的相互作用为基础的核石油测井技术。

钻井新技术及发展方向分析1 钻井技术新进展1.1石油钻机钻机是实现钻井目的最直接的装备,也直接关系到钻井技术进步。

近年来,国外石油钻机能力不断增强,自动化配套进一步完善,使钻机具备更健康、安全、环保的功能,并朝着不断满足石油工程需要的方向发展。

主要进展有:(1) 采用模块化结构设计,套装式井架,减少钻机的占地面积,提高钻机移运性能,降低搬家安装费用。

(2) 高性能的“机、电、液”一体化技术促进石油钻机的功能进一步完善。

(3) 采用套管和钻杆自动传送、自动排放、铁钻工和自动送钻等自动化工具,提高钻机的智能化水平,为提高劳动生产率创造条件。

1.2随钻测量技术1.2.1随钻测量与随钻测井技术21 世纪以来, 随钻测量(MWD) 和随钻测井(LWD) 技术处于强势发展之中,系列不断完善,其测量参数已逐步增加到近20种钻井工程和地层参数,仪器距离钻头越来越近。

与前几年的技术相比,目前,近钻头传感器离钻头只有0.5～2 m 的距离,可靠性高,稳定性强,可更好地评价油、气、水层,实时提供决策信息,有助于避免井下复杂情况的发生,引导井眼沿着最佳轨迹穿过油气层。

由于该技术的市场价值大,世界范围内有几十家公司参与市场竞争,其中斯伦贝谢、哈里伯顿和贝克休斯3 家公司处于领先地位。

1.2.2电磁波传输式随钻测量技术为适应气体钻井、泡沫钻井和控压钻井等新技术快速发展的需要,电磁波传输MWD(elect romagnetic MWD tool s ,EM MWD) 技术研究与应用已有很大进展,测量深度已经达到41420 km。

1.2.3随钻井底环空压力测量技术为适应欠平衡钻井监测井筒与储层之间负压差的需要,哈里伯顿、斯伦贝谢和威德福等公司研制出了随钻井底环空压力测量仪（annular pressure measurement while drilling, APWD) ,在钻井过程中可以实时测量井底环空压力,通过MWD 或EMMWD 实时将数据传送到地面,指导欠平衡钻井作业。

钻井工程无疑是石油工业中采用先进技术思想、实施新科技最活跃的领域，近年来，气体钻井技术更加有利于发现和保护油气层，能大幅度地提高机械钻速和钻头使用寿命，为复杂地层油气勘探开发提供了新的工程技术手段。

可喜的是这项技术在我国呈迅猛发展态势，形成了空气钻井、雾化钻井、泡沫钻井、氮气钻井、天然气钻井、柴油机尾气钻井、充气钻井等配套装备和工艺技术，具备了３５００米井深的气体钻井能力。

气体钻井中的钻井液可压缩性强，不能产生有效的钻井液脉冲，常规随钻测量技术（ＭＷＤ）无法使用，因此斯伦贝谢、哈利博顿以及俄罗斯的一些石油公司相继推出了一系列的电磁随钻测量系统（ＥＭ－ＭＷＤ），并在欧洲、加拿大、南美洲和俄罗斯等地区推广应用。

在我国，中国石化经过几年的技术储备和研究攻关，研制开发了具有独立知识产权的ＥＭ－ＭＷＤ系统样机——ＣＥＭ－１　（Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ＭＷＤ），填补了该项技术的国内空白。

工区现场试验表明：在相近的地层条件下，ＣＥＭ－１的主要技术指标达到了国外同类产品的先进水平。

CEM-1系统结构与工作原理中国的石油钻井工程界从２００２年开始跟踪国际电磁随钻测量技术，并于２００３年初由中国石化所属的科研部门完成了调研报告。

２００３年１１月，完成了俄罗斯ЗТС－１７２Ｍ型ＥＭ－ＭＷＤ系统在我国的现场试验。

试验井的地层电阻率为２～４Ωｍ，其有效测量深度为１６００米。

２００６年，中国石化正式启动了“电磁随钻测量系统研制”项目的立项研究，经过连续攻关，攻克了一系列技术难点和技术关键，首次现场试验即获得圆满成功。

由于电磁波可以穿透包括大多数导体在内的若干介质并在这些介质中传播，因此基于电磁信号传输方式的ＣＥＭ－１可用于各种钻井液。

ＣＥＭ－１的井下信号发射机将来自传感器的数据进行编码、调制、功率放大，由发射天线发出电磁信号；地面的信号接收机用信号接收天线来获取电磁信号，同时用噪声天线来接收电磁干扰；信号和噪声分别经低噪声放大后，由ＤＳＰ（数字信号处理）模块进行数据处理，即经过数字滤波、自适应消噪、解调、译码后，送入数据处理计算机、司钻显示器等终端设备。

技术应用与研究随着定向井、水平井施工任务的不断增加，随钻测量技术也在不断的发展，其已成为钻井施工过程中不可缺少的部分。

随钻测量技术最初起源于国外，在上世纪70年代斯伦贝谢研发出第一套随钻测量工具，在当时的技术水平下，该工具仅能够测量井斜角、方位角、工具面角。

但是随着定向井技术的不断发展和油田勘探开发难度的不断增加，也促使随钻测量工具的不断发展，其在数据传输速率、稳定性、抗高温高压等方面都有了很大进步。

随着水平井部署的增多，随钻测量工具也逐渐向随钻测井方向发展，现已能够实现常规电缆测井的项目，也即随钻测井技术（Logging While Drilling）。

随钻测量技术主要包括地面系统和井下系统两部分，其中地面系统主要包括数据的采集、数据的解码、数据的显示等部分。

井下系统主要包括数据的测量、数据的编码、数据的发送等部分。

其中井下所有功能的实现都离不开供电系统，目前的供电主要有电池供电和涡轮发电两种方式。

电池供电可以不间断为仪器提供电源，但是也限制了其使用时间的长度。

而涡轮供电需要在开泵的情况下，依靠泥浆的冲击实现涡轮的旋转实现供电，在涡轮不受到损坏的情况下能够长时间提供电源。

井下数据的测量主要依靠测量探管来提供控制井眼轨迹所需的参数，如井斜角、方位角等，但是目前随钻随钻测量技术的不断发展，MWD工具也与具有其他功能的测量短节组合，对地层参数进行检测，如伽马、电阻率、钻压、扭矩、环空密度等。

目前的数据传输方式主要分为无线传输和有线传输，其中有线传输主要是指光纤、智能钻杆等，而无线传输主要有钻井液、电磁波、声波等方式。

一、国内随钻测量技术现状国内的随钻测量技术起步很晚，所以技术水平相对于其他发达国家还很落后。

但是随着国家对石油资源的不断重视，各石油企业高校也在不断的增大科研力量，随钻测量技术也有了很大发展，并取得了不错的成绩，在部分领域缩短了与国际间的差距。

北京海蓝科技公司自主研发了一系列泥浆脉冲随钻测量系统（YST），该系统以电池供电，具有结构简单，较强的抗冲击能力，成本低，并且具有可打捞等特点。

2024年2月地质装备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)摘 要:无线电磁波随钻测量系统是煤矿地质透明㊁智能钻孔探测的重要组成部分㊂无线电磁波随钻测量㊁随钻数据传输技术能够将孔内的数据传输到孔外,有效解决煤矿钻孔探查信号传输 最后一公里 的技术难题㊂中长距离碎软煤层定向钻进及在钻孔中开展地球物理探测是未来煤矿井下物探技术发展的方向㊂孔中探测能够极大地减少外界干扰,也能够简化解释地质模型㊂本文介绍了无线电磁波测量系统的构成㊁技术性能㊁应用场景和技术发展现状,列举了技术装备存在的一些不足,重点分析了无线传输系统中发射部分的绝缘短节和基础单元轨迹测量短节的稳定性,并对无线电磁波随钻测量系统的未来测量短节类型及技术发展趋势㊁高速率数据传输,多学科协同创新等方面进行了展望㊂关键词:电磁波随钻测量;无线传输系统;随钻测井中图分类号:P 634,T D 76 文献标识码:A 文章编号:1009282X (2024)01001107D e v e l o p m e n t a n d p r o s p e c t s o f w i r e l e s s e l e c t r o m a gn e t i c w a v e m e a s u r e m e n t w h i l e d r i l l i n g s ys t e m W A N G X i a o b o Z H A N G P e n gC C T E G X i a n R e s e a r c h I n s t i t u t e G r o u p Co L t d X i a n 710077 C h i n a A b s t r a c t T h e w i r e l e s s e l e c t r o m a g n e t i c w a v e m e a s u r e m e n t s y s t e m w h i l e d r i l l i n g i s a n i m p o r t a n t p a r t o f t r a n s pa r e n t a n d i n t e l l i -g e n t d r i l l i n g e x p l o r a t i o n i n c o a l m i n e g e o l o g y W i r e l e s s e l e c t r o m a g n e t i c w a v e m e a s u r e m e n t w h i l e d r i l l i n ga n d d a t a t r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y w h i l e d r i l l i n g c a n t r a n s m i t d a t a f r o m i n s i d e h o l e t o o u t s i d e h o l e e f f e c t i v e l y s o l v i n g t h e t e c h n i c a l pr o b l e m o f t h e l a s t m i l e o f s i g n a l t r a n s m i s s i o n i n c o a l m i n e d r i l l i n g e x p l o r a t i o n M e d i u m t o l o n g d i s t a n c e d i r e c t i o n a l d r i l l i n gi n f r a c t u r e d s o f t c o a l s e a m s a n d g e o p h y s i c a l e x p l o r a t i o n i n b o r e h o l e s a r e t h e f u t u r e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n s o f u n d e r g r o u n d g e o p h y s i c a l e x pl o r a t i o n t e c h n o l o g y i n c o a l m i n e s B o r e h o l e d e t e c t i o n c a n g r e a t l y r e d u c e e x t e r n a l i n t e r f e r e n c e a n d s i m p l i f y t h e i n t e r p r e t a t i o n o f g e o l o g-i c a l m o d e l s T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e c o m p o s i t i o n t e c h n i c a l p e r f o r m a n c e a p p l i c a t i o n s c e n a r i o s a n d c u r r e n t d e v e l o pm e n t s t a -t u s o f w i r e l e s s e l e c t r o m a g n e t i c w a v e m e a s u r e m e n t s y s t e m s l i s t s s o m e s h o r t c o m i n g s o f t h e t e c h n i c a l e q u i pm e n t f o c u s e s o n a n -a l y z i n g t h e s t a b i l i t y o f t h e i n s u l a t i o n s h o r t s e c t i o n i n t r a n s m i s s i o n p a r t a n d t h e b a s i c u n i t t r a j e c t o r y me a s u r e m e n t s h o r t s e c t i o n i n w i r e l e s s t r a n s m i s s i o n s y s t e m a n d a l s o p r o s p e c t s t h ef u t u r e m e a s u r e m e n t s h o r t s e c t i o n t y p e s a n d t e c h n i c a l d e v e l o pm e n t t r e n d s h i g h -s p e e d d a t a t r a n s m i s s i o n a s w e l l a s i n t e r d i s c i p l i n a r y c o l l a b o r a t i v e i n n o v a t i o n a n d o t h e r a s p e c t s i n w i r e l e s s e l e c t r o -m a g n e t i c w a v e m e a s u r e m e n t s y s t e m s w h i l e d r i l l i n gK e yw o r d s e l e c t r o m a g n e t i c w a v e m e a s u r e m e n t w h i l e d r i l l i n g w i r e l e s s t r a n s m i s s i o n s y s t e m l o g g i n g w h i l e d r i l l i n g 收稿日期:20230811作者简介:王小波(1978-),男,副研究员,主要从事矿用物探仪器技术开发工作,E -m a i l :w a n g x i a o b o @c c t e gx i a n .c o m ㊂0 引言目前,煤炭仍然是我国的主体能源㊂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㊂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㊂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㊁物探技术是矿井智能化的硬件基础㊂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]㊂煤矿碎软煤层煤质软㊁破碎㊁透气性较差,采用水力驱动回转钻进过程11王小波等:无线电磁波随钻测量系统的发展与展望第25卷第1期中常因孔壁坍塌而难以成孔[2-10]㊂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]㊂随着透明工作面㊁以孔代巷㊁长掘长探以及钻孔机器人等概念的提出,针对瓦斯含量高㊁压力大㊁结构碎软㊁成孔率低的煤层,急需一种适用性广㊁高速率㊁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㊂目前我国的近水平钻孔最大孔深已经达到3000m以上,对3000m 的钻孔高效充分的利用成为当前的主要任务㊂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㊂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㊂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㊂1煤矿井下电磁波随钻测量技术研究进展以Y S D C为代表的无线电磁波测量系统不断应用㊁研发改进,具备了500m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㊂图1无线电磁波随钻测量系统工作示意F i g.1W o r k i n g s c h e m a t i c d i a g r a m o f w i r e l e s s e l e c t r o m a g n e t i c w a v e m e a s u r e m e n t w h i l e d r i l l i n g s y s t e m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㊂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㊁断层等地质异常体判定,能够大大节约地质透明成本㊂钻孔雷达能够进行煤岩界面识别,顶底板距离㊁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㊂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㊁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㊁钻孔压裂等提供了技术保障㊂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㊂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2㊂图2无线电磁波随钻测量原理示意F i g.2W o r k i n g p r i n c i p l e d i a g r a m o f w i r e l e s s e l e c t r o m a g n e t i cw a v e m e a s u r e m e n t w h i l e d r i l l i n g s y s t e m系统的基本单元包括孔中姿态测量短节㊁随钻测井测量短节㊁孔中无线发射及电池管㊁孔中发射绝缘短节㊁孔口接收装置㊁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3㊂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㊂212024年2月地质装备图3 无线电磁波随钻系统主要部件F i g .3 M a i n c o m p o n e n t s o f w i r e l e s s e l e c t r o m a gn e t i c w a v e d r i l l i n g s ys t e m 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㊁方位角㊁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㊂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㊂姿态测量短节如图4所示㊂图4 姿态测量短节F i g .4 A t t i t u d e m e a s u r i n gs h o r t s e c t i o n 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㊁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㊁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㊂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]㊂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㊂测量探管标定,用于补偿磁传感器㊁加速度计由于安装㊁漂移和随机误差等引入的误差[15]㊂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㊂一部分指标在出厂时合格就不再发生变化,如传感器自身㊁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㊂为了保证最终的测量效果达到要图5 测量短节姿态参数标定F i g .5 W o r k i n g d i a g r a m f o r m e a s u r i n gs h o r t s e c t i o n a n d i n -c l i n a t i o n c a l i b r a t i o n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]㊂1.2 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㊁温度㊁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㊂图6 孔中数据采集及发射工作原理F i g .6 W o r k i n g p r i n c i p l e o f d a t a a c q u i s i t i o n a n d s i gn a l t r a n s m i s s i o n i n h o l e s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㊂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㊂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㊂使用时可以根据31王小波等:无线电磁波随钻测量系统的发展与展望第25卷 第1期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㊂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㊁钻进工艺㊁班组效率㊁设备检修等影响,时长差异比较大㊂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㊂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㊂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㊂1.3 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㊂通常采用三件套或两件套钢制杆体,陶瓷㊁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㊂图7 绝缘短节及中心极实物图F i g.7 I n s u l a t i o n s h o r t s e c t i o n a n d c e n t e r p o l e 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㊂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8000N ㊃m 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㊂1.4 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㊁转换㊁传输数据㊂接收方式有地极接收㊁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㊂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图8 孔口接收装置F i g .8 R e c e i v i n g de v i c e s o u t s i d e h o l e 度㊂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㊂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㊂1.5 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㊁预处理㊁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㊂图9 孔口信号接收工作原理F i g .9 S c h e m a t i c d i a g r a m o f s i g n a l r e c e pt i o n o u t s i d e h o l e 孔口可使用W i n 操作系统和A n d r o i d 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㊂1.6 供电隔爆电源隔爆兼本安型隔爆电源是将井下127V A C 转化成多路本安型输出回路,供给孔口显示器供电使412024年2月地质装备用㊂本安电路设计应具有保护限流㊁限压控制,其内部保护器件应符合防爆试验规定[17]㊂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㊂图10隔爆电源实物图F i g.10E x p l o s i o n-p r o o f p o w e r s u p p l y2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㊁适用性㊁通信距离等方面持续开展攻关工作㊂目前还主要存在以下几个方面的问题㊂2.1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㊁供电电池组系统及发射部分工作不稳定,容易出现故障㊂由于实际作业过程中,孔中的振动强度㊁受力大小和方向㊁振动频率㊁温度㊁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㊁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㊂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㊂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㊂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㊂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㊂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㊂2.2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㊂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㊂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㊂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㊂压力开关控制数值设置不合理时,信号的稳定性较差㊂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㊂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㊂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㊂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㊁煤粉㊁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㊂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㊁钻机隔离程度㊁钻场电磁干扰㊁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㊂2.3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1000m,部分条件好的矿区钻孔深度已经达到3000m以上,无线电磁波信号传输距离目前约为500m,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㊂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㊂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㊂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7~30d,采用连续发射模式可以工作到70h以上㊂3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㊁稳定㊁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㊂51王小波等:无线电磁波随钻测量系统的发展与展望第25卷第1期无线电磁波技术需要将电磁波传输技术㊁电源发射控制技术㊁信号提取技术㊁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㊂为实现上述的要求,还需要从以下几个方面加大技术投入㊂(1)长距离传输是无线电磁波应用发展趋势,小信号提取㊁一次有效解调出数据是电磁波技术发展的方向㊂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㊂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㊂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㊁抗弯㊁抗拉强度需要大大加强㊂(2)钻孔物探技术㊁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㊂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㊁伽马值㊁轨迹姿态㊁温度㊁压力等数据传输到孔口,通过配套井下网络系统可实现地㊁井㊁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㊁物探探查和矿山安全决策提供支撑㊂(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㊁测井数据㊁轨迹数据㊁雷达数据㊁电阻率数据,也能适用风力和水力驱动的各种地质工况㊂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㊂增加探管测量㊁供电㊁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㊂(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㊂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㊂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㊂4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㊂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㊂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㊂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㊂矿用无线电磁波随钻技术涉及电磁波传输技术㊁钻孔物探技术㊁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㊁矿山安全㊁智能钻探相结合,突破了制约孔中无缆数据传输的瓶颈㊂参考文献(R 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