基于无线电磁传输的防冲钻孔机器人钻进轨迹随钻测量方法

防冲钻孔机器人是高地应力矿井实现无人化卸压的必要装备,研发可靠的钻进轨迹随钻测量系统是保障钻孔卸压效果的重要措施。为此,在分析钻进轨迹算随钻测量基本原理的基础上,研制了基于无线电磁传输技术的钻进轨迹随钻测量钻杆;分析了不同电磁信号调制方式的频谱效益和抗噪声性能,设计了钻杆姿态信号的频移键控(FSK)调制和解调流程,进而开发了先放大后滤波的微弱信号调理系统,设计了相应的功能电路,并基于Multisim软件对其进行了测试,各电路模块满足设计要求。对比分析了5种轨迹解算算法的精度和执行效率,选择了均角全距法进行钻进轨迹解算,研究了基于小波滤波的惯性测量单元测量数据振动误差处理方法,验证了小波滤波算法对于提高姿态角解算精度的有效性。提出了基于拉线位移传感器与机器人动作标志位的钻进深度测量方法,并开展了地面试验与井下试验。试验结果表明:所设计的微弱信号调理系统可以实现煤矿井下微弱信号的接收与处理,基于拉线位移传感器与机器人动作标志位的钻进深度测量方法可以提高钻进轨迹的拟合精度。

煤矿井下近钻头随钻测量技术研究现状和发展趋势

近钻头随钻测量集成了近钻头多参数测量、跨螺杆钻具供电和通信、涡轮连续发电和高速泥浆脉冲无线传输等多项关键核心技术,可以获取钻头附近多种类型参数,是煤矿井下智能钻探技术的关键组成之一。在充分借鉴地面石油与天然气钻探领域近钻头随钻测量开发经验和发展路径的基础上,分析了现有技术应用于煤矿井下的局限性,依托煤矿井下现阶段随钻测量技术,提出了煤矿井下近钻头随钻测量技术的研究思路,探讨了煤矿井下近钻头随钻测量技术的研究现状,重点解决结构小型化、仪器单元化、防爆模块化、测量协同化和控制整体化的研发技术难题。在煤矿智能化建设大背景下,提出未来需要从近钻头多参数一体化测量、近钻头参数动态监测、近钻头旋转导向钻进和近钻头自适应钻进等方面入手,大力推动煤矿井下近钻头随钻测量与5G通信、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术的融合发展。

随钻无线传输技术分析与比较

随钻无线传输方式主要有泥浆压力波、电磁波、声波3种。对3种传输方式的工作原理和影响信号传输的因素进行了分析和比较。泥浆脉冲传输方式深度适应强,但使用维护成本较高;电磁波传输方式受钻井介质影响小,可以用于气体、泡沫钻井,并能实现边堵漏边作业,且信号传输不依赖钻井介质循环,时效较高,但其传输衰减受地层电阻率影响较大,有些区块因信号衰减大无法完成全井段信号传输;声波传输方式不依赖钻井介质循环,可用于欠平衡钻井,且具有传输率高、受地层介质影响小的优势,但因信号衰减大,其传输深度受到限制。提高传输率与泥浆脉冲发生器的高温性能,增加电磁波转输方式和声波转输方式的传输深度是随钻无线传输技术的发展方向。

矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置及其应用

针对采用中心通缆式钻杆作为信号传输通道的有线随钻测量装置存在的钻杆结构复杂、机械性能受限、抗干扰能力差等问题,研制了一种矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置。该装置由防爆计算机、防爆键盘、防爆数据存储器、防爆测量探管、防爆压力变送器等组成,采用间歇模式工作:防爆测量探管中的测量短节检测到泥浆泵停泵信号后,采集钻孔轨迹参数、定向钻具状态参数等静态数据并进行编码;当检测到泥浆泵开泵信号后,防爆测量探管中的驱动短节依次发送静态数据、测量并发送动态数据,同时控制脉冲发生器调整水力通道的流道面积;防爆压力变送器采集泥浆泵压力信号并将其发送至防爆计算机;数据传输完成后,防爆测量探管停止工作,脉冲发生器内部流道恢复,泥浆泵压力变为正常值,开始定向钻进。试验结果表明,该装置工作稳定,测量数据准确,传输可靠,提高了定向钻进效率和安全性,满足煤矿井下各类煤层孔和岩层孔定向钻进需要,且可实现常规钻孔轨迹随钻测量。

煤矿井下随钻测量技术研究现状及展望

煤矿井下随钻测量技术在瓦斯灾害防治、水害防治、隐蔽地质灾害探查等方面发挥着不可替代的作用,是煤矿井下钻探施工由“轨迹不可控”到“精确定向”的关键技术,大幅提升了我国煤矿井下灾害防治水平。介绍了随钻测量技术的原理和技术类型,回顾了煤矿井下随钻测量技术的发展历程,对有线随钻测量技术、泥浆脉冲无线随钻测量技术、电磁波无线随钻测量技术等代表性技术成果及其实际应用情况进行了详细阐述。基于新形势下智慧矿山、透明矿井建设需求,围绕煤矿灾害防治智能钻探,从“近钻头随钻测量”“定向长钻孔+地质探测”“定向长钻孔+瓦斯探测”等方面,展望了随钻测量技术的发展趋势。

煤矿井下定向钻进新技术

通过调查煤矿井下现有定向钻进的技术现状以及石油钻井领域的一些新技术,论述了煤矿井下定向钻进的新技术和发展趋势,包括测量钻头位置的随钻测量系统、提供钻头动力的孔底马达以及全新的旋转导向钻进系统等先进技术。其中,随钻测量系统的关键技术是在保证钻杆强度的前提下钻杆本体的密封以及钻杆内永久电缆联接处的密封;孔底马达重点要解决定子和轴承的寿命问题。随钻测量系统与孔底马达在国内煤矿已有初步应用,但仍需发展完善;旋转导向系统在煤矿井下的应用将是一个主要的发展方向。

地层对电磁随钻测量信号的影响研究

为了改善电磁波随钻测量系统的信号传输的距离和质量,通过对电磁波在地层中传输特性的分析,研究了地层电导率、磁导率、电磁波发射频率和发射天线长度这4个方面对电磁波信号衰减和传输深度的影响。结果表明:电磁波传输距离随着发射频率减小而增大,高电阻率地层有利于电磁波的传输。当频率在5～20 Hz时,传输距离1 000～2 000 m时,强度信号较强,能很好地满足工程的需要,选用穿孔外接金属环套激励天线的效果最好,而且金属环长度应尽量长,而绝缘段长度为0.5 m时,发射天线的效果最佳。

钻柱对地面钻孔EM–MWD信号传输影响的ANSYS模拟分析

钻柱是电磁波随钻测量(EM–MWD)信号传输的重要信道,评价EM–MWD信号传输效果,不可忽视钻柱的影响。基于此,采用ANSYS有限元软件,对EM–MWD信号传输特性进行仿真。从地面接收电压和电流密度两方面,分析了孔眼环空横截面积、钻柱横截面积、钻柱电阻率和绝缘短节位置对电磁波随钻测量信号传输的影响规律。仿真结果表明:地面接收信号随钻柱横截面积增大而增强,受孔眼环空间隙影响小;钻柱电阻率越低,接收信号越强;绝缘短节与钻头之间的距离越长,接收信号越强。

基于ANSYS的地层分层对EM-MWD信号传输的影响分析

研究地层分层对电磁波随钻测量(EM-MWD)信号传输的影响规律,以更好地评价EM-MWD信号传输效果。采用ANSYS有限元软件,对EM-MWD信号传输特性进行仿真,从地面接收电压和电流密度两方面,分析了夹层和钻遇地层的电阻率及其厚度变化对地面接收信号的影响规律。研究结果表明,随着夹层或钻遇地层电阻率的增加,地面接收信号先增强后减弱,电阻率过大或过小均不利于EM-MWD信号传输;夹层越厚,接收信号受其电阻率影响越明显;低电阻率钻遇地层对接收信号影响大。

基于ANSYS的接地发射电极对双向EM-MWD下传信号的影响分析

接地发射电极作为双向EM-MWD信号下传系统的必要组件,其合理参数设置可提高信号下传效果,但目前关于其对下传信号的影响规律认知甚少。基于双向EM-MWD工作机理,结合电流场理论,应用ANSYS有限元软件,建立双向EM-MWD信号下传三维仿真模型,研究接地发射电极的发射距离、长度、直径和电阻率对下传信号传输的影响。结果表明:下传信号接收效果与接地发射电极直径及长度呈现正相关关系;接地发射电极电阻率小于10-4?·m时,其电阻率变化对下行信号传输的影响小,常规金属材料即可满足对电阻率的要求;随着双向EM-MWD地面发射距离的增加,下传信号接收强度先快速增强,超过一定距离后,信号强度趋向定值。

基于ANSYS的套管对EM-MWD信号传输的影响分析

评价电磁波随钻测量(EM-MWD)信号传输效果,不可忽视套管对信号传输的影响,而套管对信号传输影响极为复杂,很难用数学模型进行全面分析。基于此,采用ANSYS有限元软件,对EM-MWD在套管中信号传输进行建模仿真,从地面电流密度及接收信号压差方面,分析套管对EM-MWD信号传输影响规律。仿真结果表明:绝缘短节出套管,套管对信号起引导作用,反之,套管对信号起屏蔽作用;低电阻率钻井液对EM-MWD在套管中的信号传输影响大。

煤矿井下EM-MWD仪器研制

研制了煤矿井下电磁无线随钻测量(EM-MWD)仪器。针对煤矿井下EM-MWD特点,发射频率采用可设置的6.25 Hz与12.5 Hz,编码方式采用省电的差分脉冲位置调制(DPPM),发射机设计省电模式与休眠模式提高电池工作时间,φ73 mm绝缘天线外层涂覆多层金刚砂提高耐磨性,接收机采用RLS自适应滤波提高抗干扰性能。试验结果表明仪器在煤矿井下随钻测量传输距离大于310 m,发射机省电模式与休眠模式工作有效,绝缘天线机械强度与耐磨性达到煤矿井下随钻测量要求。

基于ANSYS的延长线对EM-MWD信号传输的影响

为了研究延长线对电磁随钻测量(EM-MWD)信号传输的影响,基于ANSYS有限元软件,对延长线型EM-MWD信号传输特性进行了仿真,从延长线长度和延长线单位长度电阻方面开展了研究。建模时假设井眼为直井,钻柱轴线与套管轴线重合,钻柱全为钻杆。分析结果表明:随着延长线长度增加,EM-MWD信号接收强度先快速增强,后缓慢增强或减弱;延长线单位长度电阻越小,EM-MWD接收信号越强;当绝缘短节位于金属套管内时,延长线型EM-MWD的地面接收信号弱于常规EM-MWD;当绝缘短节位于金属套管外时,延长线型EM-MWD接收信号强度比常规EM-MWD强。所得结果可为延长线型EM-MWD传输技术的现场应用提供指导。

煤矿井下电磁无线随钻测量信号滤波研究

针对采用自适应滤波最小均方算法和递推最小二乘算法提取煤矿井下电磁无线随钻测量(EMMWD)信号存在收敛速度慢与运算时间长等问题,提出了一种稳定快速横向递归最小二乘(SFT-RLS)算法,用于自适应滤除井下非稳态电气干扰与工频及其2倍频、3倍频干扰,实时提取微弱EM-MWD信号。该算法基于RLS算法,利用4个并行滤波器结构可降低运算时间,并利用加权最小二乘误差进行反馈以提高稳定性。仿真试验结果表明,SFT-RLS算法可实现对采样率为1kHz的EM-MWD信号进行自适应滤波和自适应陷波,平均每次迭代运行时间小于156.98μs,实现了快速稳定收敛运算与实时自适应滤波;SFTRLS算法自适应滤波可抑制信号与干扰比为-115dB的非稳态电气干扰;SFT-RLS算法自适应陷波可实时滤除工频及其2倍频、3倍频干扰,有效提取频率为6.25Hz的时间脉冲位置调制的EM-MWD信号波形,为正确解码EM-MWD信号提供了可靠数据。

井下定向钻孔与地面“U”型井组直井对接技术

为了提高地面煤层气井组抽采效率,验证对接钻孔来实现煤层瓦斯的立体式联合抽采的可能性,以保德煤矿施工完成的1个主孔孔深为1544 m对接钻孔为实例,介绍了对接钻孔轨迹的设计方法、设计原则和孔深结构,研究了对接连通技术和定向钻孔轨迹控制技术,分析了对接钻孔与地面"U"型井组直井的联合抽采效果。结果表明:煤矿井下与地面"U"型井直井对接钻孔可以提高地面煤层气井组抽采效率,对煤矿的瓦斯治理和高效开发利用具有示范意义。

煤矿井下电磁波无线随钻轨迹测量系统设计与应用

井下钻探是煤矿日常生产中获取地质资料及消除安全隐患的技术手段。而现阶段煤矿生产中施工的钻孔多不进行钻孔轨迹测量,造成地质资料误判、安全措施客观上不到位的情况时有发生。为根本解决这一问题,根据钻孔轨迹测量原理研发出基于航姿参考系统的电磁波无线随钻轨迹测量系统。该系统具有成本低、方便应用的特点,且能满足无线随钻测量的要求。井下实验证明,该系统可以高效地完成随钻钻孔轨迹测量,提高钻进效率。

电遥测钻柱信号传输的建模分析与信道特性改善

电遥测钻柱信息遥测系统由多节布线钻杆级联形成,用于井下随钻测量数据的高速率上传。由于信道传输的高频电压信号衰减严重,目前每隔约300 m需要中继器进行信号续传,因此如何延长中继距离成为系统性能改善的关键。布线钻杆由布有同轴电缆的杆体及电磁耦合器构成,高频下布线杆体的同轴电缆可看作传输线,电磁耦合器可等效为高频变压器,将二者结合建立了布线钻杆的等效电路模型及电遥测钻柱信道的电压传输函数数学模型;通过外置补偿元件使传输线达到阻抗匹配以确立布线钻杆的电磁参数;通过改变补偿元件参数在传输线终端产生反射电压来加强传输线上的信号幅度,使信道的信号传输能力得到有效改善。研究表明,适当增大补偿元件电阻值可以大幅度提高信道的电压传输函数值,在目前信道带宽及信号检测灵敏度条件下中继距离可提高1倍,达到大幅度延长中继距离的目的。研究可以为布线钻杆的电磁设计及电遥测钻柱信息传输系统的性能改进提供理论指导。

煤矿井下1800m水平定向钻进技术与装备

针对现有煤矿井下定向钻进技术与装备存在的技术问题,提出采用ZDY12000LD大功率定向钻机、泥浆脉冲无线随钻测量系统、配套钻具及复合定向钻进工艺进行煤矿井下定向钻进。结合现场试验,完成了主孔深度1 881 m的定向长钻孔,验证了ZDY12000LD钻机功率大、钻进及事故处理能力强的特点。同时,无线随钻测量系统测量精度高;配套复合定向钻进技术形成的钻孔孔壁光滑,沉渣少,钻孔曲率小,钻进效率高。说明上述钻进技术与装备可满足水平定向长深钻孔等的施工要求。

煤矿井下定向钻机钻进参数监测系统研制

针对煤矿坑道用全液压定向钻机无法直接实现参数监测、实时存储和集中显示的问题,为满足煤矿井下定向钻进过程精确控制和钻进参数优化需求,基于通用性、稳定性和可拓展性的开发原则,研制了一款基于PLC为主控制核心的煤矿井下定向钻机钻进参数监测系统,具备多种钻进参数实时监测、数据自动存储、远程数据传输、参数图形化显示、工况识别与故障报警等功能。系统进行了工作性能室内对比测试,并在神华神东煤炭集团保德煤矿结合大功率定向钻机开展了现场试验,试验结果表明:该参数监测系统安装快捷,运行稳定,能准确监测钻机运行过程中的各种钻进参数,测量误差小于1.25%,并实时储存于后台数据库,对钻进过程和钻机运行的异常情况能即时报警,可有效提高钻孔施工质量,预防孔内事故发生,对煤矿井下定向钻进工艺参数优化和钻进理论研究具有重要作用,并为煤矿井下定向钻进装备的机械化、自动化和智能化发展提供了技术保障。

矿用泥浆脉冲无线随钻测量信号发生装置设计

针对煤矿井下定向钻进小泵量、低压力工况,研制了一种矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置,分析了该装置的技术要求、结构组成、使用条件;重点阐述了该装置信号发生装置(矿用泥浆脉冲无线随钻测量信号发生装置)的设计方案,介绍了信号发生装置中防爆驱动短节及其电磁阀、脉冲发生器的结构设计,以及脉冲发生器中流道控制阀及其阀头参数设计。现场试验结果表明,信号发生装置能够稳定、可靠地产生泥浆压力脉冲信号,最大信号传输深度达2 570m,泥浆压力脉冲衰减速率为5.8%/hm,衰减速率低,具备向更深钻孔应用的能力。