無線電磁波隨鉆測量系統姿態精度的影響因素分析

王小波

無線電磁波隨鉆測量系統姿態精度的影響因素分析

王小波

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦井下采用水力鉆進方式進行碎軟煤層瓦斯抽采時，容易出現塌孔、孔壁失穩，電磁波隨鉆測量系統適用于氣體鉆進，在碎軟煤層瓦斯抽采中逐步得到應用。鉆孔軌跡的準確性是影響碎軟煤層瓦斯抽采效果的關鍵，電磁波隨鉆測量系統使用中，出現軌跡測量精度不夠、誤差大的現象。為解決這一問題，分析測量系統從設計到應用全過程中影響姿態精度的因素，列舉因素產生的原因及解決方案，重點針對鉆進現場出現的電磁波系統精度問題進行分析。通過現場采集數據、分析曲線趨勢規律，確定造成誤差大的原因為測量短節與外無磁鉆桿不同軸，設計現場自校準方法和流程要求。提出查表補償法和擬合函數法2種校準方式，對2種方法的原理、方法選擇以及相關參數計算給出了說明。最后采用擬合函數法對實測數據進行了校準修正，修正后的姿態數據精度達到0.2°，解決了無線電磁波隨鉆測量系統在使用中的姿態精度不高問題，滿足碎軟煤層瓦斯抽采軌跡測量精度要求。

電磁波隨鉆測量；姿態測量精度；同軸誤差；測斜校正

煤礦井下煤與瓦斯突出、突水是煤礦生產過程中的主要災害，在碎軟煤層中尤為突出，這類煤礦的數量很多，占比也很高[1]。利用近水平定向鉆孔抽采瓦斯、進行探放水是保障煤礦安全的有效方法[2-3]。煤礦碎軟煤層煤質軟、破碎、透氣性較差，順煤層鉆進時煤層處于欠平衡狀態，尤其采用孔底液動螺桿定向鉆進施工時，經常出現坍塌卡鉆、沉渣卡鉆，造成卡鉆埋鉆事故[4-5]；采用水力驅動螺桿馬達的高壓水也極容易造成塌孔無法成孔[6-8]。針對碎軟煤層定向鉆進遇到的問題，科技人員開展了大量的研究工作，在碎軟煤層鉆進中，采用風壓空氣鉆進技術[9]，解決上述問題，在淮南、淮北等礦區碎軟煤層中廣泛應用，最深孔達到了400多m，已成為碎軟煤層鉆孔施工的主要技術，取得了良好的應用效果。電磁波隨鉆測量技術既適用液動螺桿鉆進，還適用風動螺桿鉆進，可以彌補液動隨鉆測量系統的不足，是解決鉆孔橫穿軟煤工作面的設備保障[10-11]。

電磁波隨鉆測量技術主要是依靠地層介質和鉆桿來進行數據傳輸，在孔中將測量的數據加載到電磁波載波信號上，電磁波載波信號沿著地層和鉆桿向孔口傳播，在孔口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[12-13]。

電磁波隨鉆測量技術的姿態測量精度直接決定了定向鉆孔的施工效果，姿態測量精度偏差大，會對鉆孔定向指導造成極大的影響。筆者將無線電磁波全過程影響姿態精度的因素逐條進行論述分析，提出影響姿態精度的因素和相應的解決對策方案，確保電磁波隨鉆測量系統的測量精度滿足定向鉆進要求。

1 鉆孔姿態測量與定向鉆進技術

圖1 鉆孔軌跡姿態

鉆孔軌跡即鉆頭在鉆進過程中形成的空間鉆孔路徑。以測點為基礎繪制的鉆孔軌跡基本為折線，鉆孔軌跡與實際軌跡吻合程度取決于測點的密集程度。在造斜組合鉆具中，彎曲工具的2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，定義沿鉆進方向順時針旋轉增加，如圖2中所示。

圖2 姿態基本參數

電磁波隨鉆測量系統的姿態測量組件是由三軸磁通門傳感器和三軸重力加速度計組成，3個相互垂直的坐標軸分別安裝加速度傳感器和磁傳感器，構成姿態測量系統，通過坐標旋轉確定唯一的鉆孔姿態參數[15-16]，如圖3所示。

圖3 傳感器安裝

式中：G、G、G為加速度傳感器所在軸的3個分量測量值，m/s2；B、B、B為地磁場的3個分量測量值，T；0為重力加速度值，m/s2。

定向鉆進過程中，一般3 m或6 m測量一次鉆孔軌跡，軌跡計算時，將2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，設測點P的坐標(,,)，則其坐標計算如下[18]。

式中：Δ為測點之間的距離，m；為主設計方位角，(°)。

定向鉆進是通過改變造斜件螺桿彎角工具面來造斜，利用鉆孔造斜軌跡設計來實現，如圖4所示。

圖4 造斜角分布

按照常規定義，當工具面調整到Ⅰ、Ⅳ區域里時，傾角增大，工具面調整到Ⅱ、Ⅲ區域里時，傾角減小[19-20]。當工具面向角為0°或 180°時，造斜強度最大。當工具面調整到Ⅰ、Ⅱ區域里時，方位向右，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，則左右強度最大。

2 設計精度影響因素與解決方案

無線電磁波隨鉆測量系統姿態測量精度影響因素可分為測量短節設計精度和系統應用引入誤差精度。測量短節設計精度主要有以下方面：

①傳感器和基準電源器件自身精度受到元器件制作時工藝不同引起的誤差，選擇不同的測量傳感器，其穩定性、溫度特性、響應時間及抗沖擊能力等都不同，這些差異都會影響傳感器測量精度。因此，設計時，應優先采用品牌較好的器件，必要時對批次進行測試核準。

②測斜儀結構系統誤差主要是由于測量系統傳感器敏感軸的不正交、與儀器坐標軸不重合等因素引起的，不正交角和不重合角實際都是小角度，很難或幾乎不能通過測量確定，而且是非線性問題，通過分析，采用最優化技術的無約束條件下多變量函數的尋優方法，變量輪換法確定不正交角，單純形加速法確定不重合角，能有效地確定這些參數，從而達到校正精度[21]。

③隨機振動和采集不當帶來的誤差由于測量傳感器在采集時，受到瞬間干擾或特殊振動等，使得采集到的樣點數據不準從而帶來誤差。這種誤差需要建立采集樣點數據判別準則和一次多樣點的方式采集數據，進行判別、剔除解決。具體是采用軟件設計同一點靜態下采集多次樣點數據，對采集樣點異常點自動剔除，對采集樣點穩定部分的數據再進行均值處理，理論上，測量數據越多，準確率越高。

④傳感器干擾傳感器在使用、運輸過程中，尤其是磁傳感器抗磁干擾性能差，容易受到外界強磁環境影響，發生超差的情況。這種情況一般在測量短節設計時，在傳感器外圍增加消磁電路和采用誤差修正來解決外界對傳感器的影響。

⑤普通鋼質鉆桿對測量短節的干擾 鋼質鉆桿距離測量短節較近時，會使測量短節周圍的磁環境發生畸變，測量短節測量的精度也會受到影響。通常采用的辦法是增加上下無磁鉆桿，在設計時根據鉆桿的磁性情況以及測量短節對應精度要求，確定無磁鉆桿配備長度，減少誤差。

⑥測量短節標定在出廠時對測量短節進行標定，用于補償磁傳感器、加速度傳感器因安裝、漂移和隨機誤差等引入的誤差[22]。出廠測量短節標定的精度要求、標定現場磁環境、標定臺架、標定數據密度等都影響著數據的精度。這個環節是測量短節出廠前必備的環節，也是測量短節出廠前的綜合校準環節。

以上6種影響因素采取合理的處置方法，在產品結構和工藝定型后，也就確定了測量短節系統的重復誤差水平。

3 鉆場實鉆影響因素及數據分析

在煤礦井下現場實鉆時，測量短節與無磁鉆桿管間的同軸度也會影響探管測量精度，這些影響因素有的還導致較嚴重精度誤差，以往認為測量短節精度就是軌跡測量精度，致使這部分誤差容易被忽視。當這種情況嚴重時，測量結果會被判定為測量系統故障。這也就是常說的“孔中不準，標定架上準”的原因。

如某礦井實施無線電磁波定向鉆進作業，在鉆進過程中，發現相鄰的不同測量點傾角數據變化過大。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)。現場測量數據不符合彎曲強度要求，鉆孔測量人員對測試數據分析后，質疑無線電磁波隨鉆測量系統的可靠性。

測試人員收集原始數據、測試情況和井下工況條件。在井下鉆場，現有鉆孔深度(100 m)位置，鉆機處于未給進狀態，連續多圈旋轉鉆具實施姿態數據測量。現場采用感應線圈接收方式，隨機停機，靜置測量了共26組不同工具面的傾角、方位角，數據見表1。

表1 同一位置不同工具面實測姿態數據

由于是隨機停機，不同圈數的工具面向角值也是隨機產生，實測數據在圖表中較為分散，不利于分析。因此，對所有的數據按照工具面向角數據從小到大進行了排列，再按照工具面變化分別對傾角和方位角的數據變化趨勢進行成圖，如圖5所示。

通過數據分析及曲線，可以看到：

① 盡管是不同圈數的數據，但傾角、方位角的誤差變化隨著工具面變化有著明顯的規律。即傾角在工具面向角70°時呈現低谷，在250°附近呈現高峰。方位角在工具面向角220°附近呈現低谷，在30°呈現高峰。波峰和波谷工具面相差約為180°，能夠呈現出較為明顯的規律和走勢。

圖5 同一位置不同工具面姿態變化

②按照不同時刻測量的數據來分析，不同圈數相近工具面向角測點的傾角最大誤差不超過0.1°(工具面向角62.8°和71.6°)，方位角最大誤差為0.2°(工具面向角234.5°和236°)。可以看出，無線電磁波系統的重復測量精度對照本文表述的6種設計誤差，補償處理較好，完全滿足無線電磁波測量系統設計需求。

針對圖5中的測點變化趨勢，分析造成上述原因，初步判定是由于外鉆桿與測量短節不同軸造成，不同軸會使圖2和圖3所示模型中的軸不垂直于軸與軸的平面。此時，利用式(1)—式(7)計算得出的姿態和軌跡變化量也就不準確。

現場提鉆查看測量系統，測量短節與無磁鉆桿四周受力不均，拆裝時有憋勁情況，主要原因是無磁鉆桿變形或內部的測量短節變形，因此，測量短節與無磁鉆桿的同軸度已經無法保證。

4 姿態數據誤差修正

根據上述分析，數據修正主要依據傾角、方位角的變化趨勢，綜合考慮變形的原因，建議在無線電磁波測量系統測量工藝中，增加現場校準環節。校準是在鉆孔開孔完成后，將電磁波探管隨鉆進入孔中，正式鉆進前，對無線電磁波探管姿態測量進行校準。校準方法是在不給進情況下，在同一鉆孔深度(>10 m)，旋轉鉆具，在工具面向角0°～360°范圍內多次測量傾角、方位角，記錄并建立姿態校準數據表。建議標校準數據表中測點數不少于12個點，且盡可能均勻分布到鉆桿軸向垂直平面的4個象限(即約每30°，布置1個測點)。考慮到現場情況和操作人員的技術能力，數據修正方式可選擇查表補償法和擬合函數法。

查表補償法是根據姿態校準數據表，建立工具面的補償表。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確定為補償值。正常實鉆測量時，根據工具面的位置就近查表，在測量的數值上加補償值即可進行誤差修正。這種修正方法，對測點的均勻度和數據要求較高，測點均勻度和數據多少決定了修正的精度高低。該方法雖然操作難度小，但每次需要查表校準。

擬合函數法是利用數據波動規律建立補償函數，無磁鉆桿和測量短節不同軸具有旋轉特性，其規律與正弦函數較為接近，因此，采用擬合正弦函數進行補償。傾角、方位角修正函數的基本幅值為傾角、方位角各自變化的平均值，當標定點在工具面0°～360°范圍內分布均勻波峰波谷明顯可見時，也可采用1/2波峰和波谷差值。傾角、方位角誤差波動值分別按照下面公式計算。

初相角的選擇是利用角度變化趨勢選定，初相角初步選定后，利用建立的數據進行測試，選擇修正后的幅度變化最小時的相角作為函數的初相角。基值、波動值、初相角確定后，修正函數也就確定。

擬合函數法技術分析難度稍大，但函數確定后，可以導入到定向鉆進軌跡設計計算表中，直接按照設計軌跡進行定向鉆進，不再需要其他干預。

表2 姿態數據修正前后對比

修正后的傾角、方位角隨工具面向角變化趨勢，如圖6所示。

圖6 姿態數據修正前后對比

從表2和圖6中可以看出，補償后傾角精度達到±0.2°，方位角精度達到±0.2°。傾角、方位角在同一位置變化很小，基本不受工具面旋轉的影響。補償后的現場采集數據達到了定向鉆進的精度要求。

5 結論

a.明確了無線電磁波隨鉆測量系統出廠前器件自身精度、結構系統誤差、隨機振動和采集不當、傳感器干擾、普通鉆桿干擾、測量短節標定等的6種影響因素，并給出了相應的處理方法。

b.根據現場測試數據分析，發現不同工具面傾角和方位角數據具有明顯的旋轉變化規律，確定誤差原因是測量短節與無磁鉆桿不同軸造成的；根據數據特性提出現場校準數據采集方法和技術要求。通過數據分析，糾正短節精度就是鉆孔測量精度的錯誤認識。針對不同軸問題，建議在現場儀器組裝完成入孔后，對孔中測量部分進行校正，確保儀器測量精度。

c.根據不同軸造成的因素精度考慮到鉆場的條件和操作人員的技術能力，提出查表補償法和擬合函數法兩種修正方法，就補償方法和計算給出說明。現場人員依據情況選擇合適的校準方法，能夠使得測量的數據更加準確。傾角和方位角校準修正后，精度均控制在±0.2°，滿足碎軟煤層軌跡控制精度要求。

d.本次在無線電磁波隨鉆測量施工工藝上，增加校準流程對不同軸進行補償，但主要依靠人員手動事后去補償，僅解決了施工現場遇到的問題，沒有達到主動預防目的，后續將在測量軟件中增加現場實測前自標定環節，完成入孔后自動標定，提高隨鉆測量精度。

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Factors affecting the attitude accuracy of wireless electromagnetic wave MWD system

WANG Xiaobo

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

In broken soft coal seams of coal mine where hydraulic driving directional drilling is used, hole collapse and hole wall instability are easy to occur. Electromagnetic wave measurement while drilling system is suitable for gas driving drilling, so it is widely used in broken soft coal seams. The accuracy of drilling trajectory is the key to gas drainage effect in broken soft coal seams. In the use of electromagnetic wave measurement while drilling system, the phenomenon of insufficient accuracy and large error of trajectory measurement appears irregularly. In order to solve this problem, this paper analyzes all the factors that affect the attitude accuracy of wireless electromagnetic wave MWD system from design to application, lists the influence sources and treatment schemes one by one, and focuses on the accuracy problems of electromagnetic wave MWD system in drilling field. By collecting data and analyzing the trend of the curves, the causes of the problems are determined, and the self calibration method and process requirements are designed. At the same time, two calibration methods of look-up table compensation method and fitting function method are given, and the principle, method selection and related parameter calculation of the two methods are explained. Finally, the fitting function method is used to calibrate and correct the measured data, and the accuracy of the corrected attitude data was better than 0.2°, which solved the problem of poor attitude accuracy of the wireless electromagnetic wave MWD system and met the requirements of the measurement accuracy of gas extraction trajectory in broken soft coal seams.

electromagnetic wave measurement while drilling; attitude measurement accuracy; coaxial error; inclination correction

語音講解

TD76

A

1001-1986(2021)06-0258-07

2021-03-09；

2021-07-18

中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金項目(2018XAYZD03)

王小波，1978年生，男，陜西咸陽人，碩士，副研究員，從事礦用物探儀器技術開發研究工作. E-mail：wangxiaobo@cctegxian.com

王小波. 無線電磁波隨鉆測量系統姿態精度的影響因素分析[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(6)：258–264. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.031

WANG Xiaobo. Factors affecting the attitude accuracy of wireless electromagnetic wave MWD system[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：258–264. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.031

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(責任編輯 聶愛蘭)