礦用電磁波隨鉆測量儀的研制及其應用

郭愛軍，汪凱斌，李雄偉

（1.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西神木 719315；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710077）

近年來，定向鉆進技術[1-3]在煤礦安全開采方面起到了非常關鍵的作用，而隨鉆測量是實現定向鉆進的基礎和關鍵。煤礦井下定向鉆進主要采用有線隨鉆測量裝置開展軌跡測量，其信號傳送的通道由通纜鉆桿組成[4]，而中心通纜鉆桿結構復雜、加工技術要求高、成本昂貴，極大地限制了定向鉆進技術的大規模推廣與應用，無線隨鉆測量技術成為解決上述問題的有效途徑。

無線隨鉆測量系統按照傳輸原理的不同可分為泥漿脈沖隨鉆測量系統、電磁波隨鉆測量系統[5]和聲波隨鉆測量系統3 類[6]。泥漿脈沖隨鉆測量系統利用鉆柱內部泥漿壓力的變化將測量數據傳輸到孔口，存在傳輸速率慢、鉆具成本高等缺點；聲波隨鉆測量系統通過聲波信號傳輸測量數據，存在信道噪聲大、通信質量難以保證等不足；電磁波隨鉆測量系統通過低頻電磁波信號傳輸測量數據，具備傳輸速度相對較快、不受傳輸介質鉆井液的影響、可應用于氣體鉆進等優點，是煤礦井下無線隨鉆測量領域的研究熱點。

1 地面用電磁波隨鉆測量局限性

電磁波隨鉆測量主要應用于地面石油領域，由于以下限制無法應用于煤礦井下：1）煤礦井下環境狹窄、錨網密布、多種大型設備頻繁啟動導致電磁環境復雜，干擾大；2）地面石油鉆井鉆場空間大，鉆孔孔徑大，儀器尺寸較大，而井下鉆孔孔徑小，采用的鉆具直徑一般為73 mm，考慮到螺桿馬達過水量的要求，電磁波隨鉆測量探管直徑應不大于42 mm，在儀器的結構、布置方法、供電方法及工作方法方面都必須創新設計；3）煤礦井下處于高濕度、大粉塵和瓦斯爆炸性氣體環境中，對儀器的電氣性能和防爆性能要求更高，所有儀器必須進行一級防爆設計并取得煤安認證。因此急需研制出符合煤礦井下需求的電磁波無線隨鉆測量系統。

2 電磁波隨鉆測量系統

2.1 原理概述

電磁波隨鉆測量系統利用絕緣短節將金屬鉆柱分為兩段，組成一種絕緣間隙電壓激勵的不對稱偶極發射天線[7]。發射機通過非對稱偶極發射天線激發出低頻電磁波信號，低頻電磁波信號沿鉆柱和地層向孔口傳播，將孔中所測的傾斜角、方位角、工具面向角和溫度等參數傳輸到孔口，實現定向鉆進的目的[8]。系統原理如圖1 所示。

圖1 電磁波隨鉆測量系統原理圖

2.2 礦用電磁波隨鉆測量系統總體方案

礦用電磁波隨鉆測量系統的總體設計方案框圖如圖2 所示，電磁波隨鉆測量儀主要由孔中子系統和孔口子系統構成[9]。孔中子系統主要通過傳感器測量鉆進姿態、溫度和壓力等信息，這些信息數據通過調制后變成低頻電磁波信號，經放大后由絕緣天線耦合到地層，沿地層向孔口傳播。孔口子系統通過鉆柱和接地電極構成的接收天線拾取到衰減后的電磁波信號，經放大濾波、解調后得到姿態、溫度等數據，并對這些數據進行處理、成圖用以指導鉆進。

圖2 電磁波隨鉆測量系統框圖

2.3 礦用電磁波隨鉆測量系統技術難點

由于煤礦井下環境與石油、煤層氣開采的地面環境有著明顯差異，要研制出礦用電磁波隨鉆測量系統存在以下難點：1）孔中鉆進姿態測量。在小型化的條件下能準確測量鉆孔傾角、方位角和螺桿馬達工具面向角等參數。2）孔中傳輸單元滿足煤礦本安要求條件下的小型化和低功耗設計。孔中傳輸單元接收孔口下傳的指令、啟動姿態測量，并向孔口上傳數據[5]。3）孔中電源智能管理。地面電磁波隨鉆測量技術可采用大容量電池或渦輪發電機保證孔中探管長時間工作，但由于安標中心對電池容量的限制和地面渦輪發電機尺寸過大無法投入井下使用。4）孔口大噪聲背景下的小信號檢測。孔口需在大噪聲背景下接收孔中儀器傳輸的微弱電磁波信號，通過信號檢測、解調等工作獲得姿態測量參數。

3 孔中子系統關鍵技術

孔中子系統由孔中探管、絕緣短節、上無磁鉆桿、下無磁鉆桿和儀器外管組成[10]。上無磁鉆桿、下無磁鉆桿和儀器外管不涉及電氣設計，這里主要給出孔中探管的姿態測量、傳輸和智能電源管理單元的設計與實現。

3.1 姿態測量技術

礦用電磁波隨鉆測量系統要求姿態測量單元測量準確、體積小。為此，選用精度高、穩定性好的三軸磁通門傳感器進行地磁測量，選用三軸MEMS 加速度傳感器進行重力測量，配以多通道A/D 轉換器和低功耗32 位ARM 處理器設計姿態測量單元，姿態測量單元框圖如圖3 所示。

圖3 姿態測量單元框圖

設三軸重力加速度計測得的3 個分量[11]分別為GX、GY、GZ，三軸磁通門傳感器測量的3 個地磁場分量[12]分別為HX、HY、HZ，那么鉆進姿態的傾角β、工具面角γ和方位角α可根據式（1）～（3）計算出，其中G=

3.2 孔中傳輸技術

礦用電磁波隨鉆測量系統孔中探管的傳輸單元實質上是一個雙向數據通信系統，如圖4 所示。其設計難點有兩個：功率放大的礦用本安設計和所有電路的小型化。為此項目組在設計功率放大電路時采用分立元件構建了推挽式功率驅動電路，用取樣電阻對放大后的電流進行取樣，當電流超過設定值時，32 位ARM 處理器自動降低放大倍數，使推挽式功率驅動電路輸出定值功率，即恒功率放大。這樣功率輸出符合礦用本安要求，同時采用分立器件使得探管直徑滿足小于42 mm 的需求。

圖4 孔中傳輸單元框圖

3.3 電源智能管理技術

項目組采用電源智能管理技術提高電池利用效率。電源智能管理采用震動和壓力檢測來識別鉆機狀態，鉆進時螺桿馬達需要水壓來驅動，鉆柱內部有壓力，同時有震動，停鉆時鉆柱內部水壓釋放，同時無震動。由于鉆進過程中不需要測量和數據傳輸，因此在鉆進時切斷探管電源，停鉆后給探管供電，這樣可將探管工作時間延長3～6 倍。

4 孔口子系統關鍵技術

孔口子系統由孔口本安型控制器、隔爆電源、鉆柱和電極構成的天線組成，主要向孔中設備發送測量、讀數等指令，啟動孔中設備按照指令要求工作，接收孔中發送到孔口的電磁波信號，進行解碼、計算，得到測斜原始數據，最后由本安型控制器計算，并以數字和圖形方式顯示。隔爆電源和電極設計相對簡單，因此下面主要介紹孔口本安型控制器中孔口傳輸技術。

孔口傳輸技術單元的難點是在大噪聲背景下檢測孔中上傳來的微弱電磁波信號，為此項目組采用軟件無線電的架構來設計孔口傳輸單元，如圖5 所示。孔口天線拾取到的微弱信號經儀表放大器放大后，進入模擬濾波進行降噪處理，24 位高分辨率A/D器件進行模數轉換，FPGA 完成256 階IIR 數字濾波，一路送入32 位ARM 進行幅度檢測，根據幅值調節儀表放大器放大倍數，形成自動增益放大電路；另一路送入DSP 器件完成各種數字變換，經過這一系列處理后，孔中傳輸單元可檢測到5 μV 寬帶微弱信號，實現在大噪聲干擾下微弱信號的檢測[13-16]。

圖5 孔口傳輸單元框圖

5 地面試驗與井下示范

研制的礦用電磁波隨鉆測量儀組成如圖6 所示，性能參數如表1 所示。在取得防爆證和煤礦安全標志后，在陜西白水縣白石河村附近的山邊和山西寺河煤礦進行了測試和應用。

表1 礦用電磁波隨鉆測量系統性能參數

圖6 礦用電磁波隨鉆測量儀實物圖

礦用電磁波隨鉆測量儀在山西晉煤集團寺河礦配套澳鉆鉆機進行了井下工程應用，施工鉆孔10 個，累計鉆進瓦斯抽采鉆孔約6 800 m，在整個鉆進過程中信號傳輸穩定，單孔最大鉆進深度525 m，孔中儀器在充滿電后，不提鉆條件下，可連續工作260 h。圖7、8為8號橫川的1號鉆孔的施工軌跡，孔深525 m。圖7 中的零點位置為開孔位置，橫軸為鉆進孔深，縱軸為鉆孔在勘探方位線上的高度。從中可以看出鉆孔開孔后向上鉆進，進入頂板巖層后在頂板巖層中進行近水平鉆進，為一高位鉆孔施工的剖面圖。圖8的零點位置為開孔位置，橫軸為鉆進孔深，縱軸為鉆孔在勘探方位線上的左右位移，鉆孔先向右鉆進后向左鉆進，為鉆孔水平投影圖。

圖7 8號橫川的1號鉆孔上下位移圖

圖8 8號橫川的1號鉆孔左右位移圖

6 結論

文中從電磁波隨鉆測量系統原理出發，介紹了其設計方案及實現[14]。白水地面測試試驗和寺河煤礦瓦斯抽采孔鉆進應用結果說明，研制的電磁波隨鉆測量儀測量精度高、信號傳輸穩定、工作可靠，孔中儀器在充滿電后工作時間長達260 h；在鉆進深度500 m 以內，可替代有線隨鉆測量系統，極大地降低定向鉆進成本，為煤礦井下安全生產提供技術支持與設備保障。