0 引言
随钻测量技术可在钻探过程中实时获取和传输孔内工程参数(倾角、方位角和工具面向角等)和地质参数(自然电位、自然伽马和电阻率等)，是实现定向钻进的关键技术[1-2]。矿用随钻测量装置应用于煤矿井下高粉尘、高瓦斯和高湿度的爆炸性环境，可实时获取定向钻进过程中的工程参数和地质参数，为钻探人员提供孔内参数指导，以便对钻孔轨迹和钻进参数进行合理调整，实现井下定向钻进过程的随钻测控[3-5]。
随钻测量装置按信息传输介质不同可分为有线随钻测量装置和无线随钻测量装置。有线随钻测量装置需配套专用中心通缆钻杆，在长时间回转钻进工况下中心通缆钻杆密封接头易出现问题，影响有线随钻测量装置信号传输稳定性，因此，有线随钻测量装置通常应用于滑动定向钻进，且无法配套工艺适应性强的异形钻杆(三棱钻杆、螺旋钻杆和肋骨钻杆等)进行定向钻进，地层适应性较差[6-8]。无线随钻测量装置可摆脱对专用钻杆的依赖，能够和螺旋钻杆、肋骨钻杆及三棱钻杆等异形钻杆配套使用，提高定向钻进技术的工艺适应性，拓宽煤矿井下随钻测量定向钻进技术的应用领域。
目前，无线随钻测量装置的信号传输方式主要包括声波、电磁波、泥浆脉冲、智能钻杆和光纤[9-10]。其中泥浆脉冲方式的信号传输通道为钻杆内冲洗液，不依赖地层，信号传输稳定、可靠，信号传输深度大，已被广泛应用于地面定向钻探领域[11-12]。由于煤矿井下作业空间有限，具有特殊防爆要求，且定向钻进技术及装备与地面油气钻井差别较大，所以不能直接将地面油气钻井领域使用的泥浆脉冲随钻测量装置应用于煤矿井下。
信号发生装置是泥浆脉冲无线随钻测量装置的关键组成部分，用于发射泥浆压力脉冲信号。目前常用的信号发生装置适用于地面定向钻探领域大泵量、高压力工作条件，无法应用于煤矿井下小泵量、低压力工况。根据煤矿井下特殊的钻进工况和使用环境要求，笔者所在团队研制了一种矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置，为煤矿井下随钻测量定向钻进提供了新的技术途径。本文着重介绍该装置中信号发生装置(矿用泥浆脉冲无线随钻测量信号发生装置)的设计方案。
1 矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置
1.1 技术要求
(1) 防爆要求。GB 3836.1—2010《爆炸性环境 第1部分:设备 通用要求》规定用于煤矿的电器设备，当其环境中除甲烷外还可能含有其他爆炸性气体时，应按照I类和II类可燃性气体的要求进行制造和试验。矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置需严格按照该标准进行研制，并获取煤矿安全标志。
(2) 泵量要求。煤矿井下定向钻孔施工用泥浆泵排量一般为150～300 L/min，在常规回转钻进过程中泥浆泵排量最小可达96 L/min。因此，矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置需在小泵量(96 L/min)工况下稳定工作，且控制产生的泵压波动不超过泥浆泵的工作负载。
(3) 尺寸要求。煤矿井下定向钻孔施工场所尺寸小(巷道宽度≤5 m)、定向钻孔孔径小(75～153 mm)、使用钻杆尺寸受限(φ73 mm或φ89 mm)，对矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置尺寸提出了较高要求。另外，煤矿井下定向钻进进程中一般每钻进3 m进行1次随钻测量，装置使用频率较高，对装置孔内有效工作时间及稳定性提出了较高要求。
针对上述技术要求，设计了矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置参数，见表1。
表1 矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置技术参数
Table 1 Technical parameters of mine-used mud pulse wireless measurement while drilling device
1.2 结构组成
矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置主要由孔内装置和孔口装置构成，如图1所示。孔内装置主要包括防爆电池筒、防爆测量短节、防爆驱动短节和脉冲发生器。防爆电池筒采用可充电镍氢电池组分别为防爆测量短节和防爆驱动短节供电；防爆测量短节用于实时获取钻孔轨迹参数，并通过检测泵压的变化控制孔内装置切换工作状态；防爆驱动短节接收防爆测量短节数据，以控制脉冲发生器发射泥浆压力脉冲信号；脉冲发生器可将防爆驱动短节产生的泥浆压力脉冲信号放大，通过钻杆内冲洗液通道向孔口传输。孔口装置主要包括防爆压力变送器和防爆计算机。防爆压力变送器用于采集泥浆泵位置的泥浆压力脉冲信号；防爆计算机用于接收、处理和实时显示泥浆压力脉冲信号。
图1 矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置组成
Fig.1 Composition of mine-used mud pulse wireless measurement while drilling device
1.3 使用条件
矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置以无线测量技术为依托，摆脱了对专用通缆钻杆的依赖，拓宽了装置应用范围。其使用条件如下。
(1) 钻进工艺。矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置以泥浆压力脉冲为信号传输介质，以钻杆内冲洗液为信号传输通道，对钻杆类型无限制，适用于复合定向钻进，可充分发挥复合定向钻进技术轨迹平滑性好、钻进效率高和地层适应范围广的优势。
(2) 钻进冲洗介质。矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置适用于以液体为冲洗介质的钻进工况，在以气体为冲洗介质的钻进工况中不能使用，无法应用于煤矿井下空气定向钻进中，原因在于气体信号介质的压缩比较高，泥浆压力脉冲信号难以产生和连续传输[13]。
2 信号发生装置设计
信号发生装置由防爆驱动短节和脉冲发生器组成，是产生泥浆压力脉冲信号的关键部分。防爆驱动短节利用由电磁阀驱动的移动组件控制脉冲发生器内部流道闭合和开启，可按一定规律产生泥浆压力脉冲信号[14]。
2.1 防爆驱动短节
2.1.1 整体设计
防爆驱动短节接收到防爆测量短节数据后进行编码处理，可控制电磁阀产生规律性的移动，从而产生泥浆压力脉冲信号。防爆驱动短节整体结构如图2所示。电磁阀是防爆驱动短节的重要组件，可控制产生泥浆压力脉冲信号。
1-电池筒连接端;2-扶正器;3-壳体;4-电磁阀；5-导流孔;6-脉冲发生器连接头。 图2 防爆驱动短节结构
Fig.2 Structure of explosion-proof driving section
2.1.2 防爆设计
产生泥浆压力脉冲信号时，防爆驱动短节采用高电压配合大容量电容进行储能，无法满足GB 3836.4—2010《爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》对本质安全(简称本安)型设计的要求，因此必须采用“本安+隔爆”的防爆形式。采用隔离方式处理非本安电路和本安电路，电路之间的隔离电压应大于2 000 V。防爆驱动短节中充电模块为本安电路，电磁阀为隔爆电路，2个电路之间的螺纹连接区域需设计为隔爆面形式。
参照GB 3836.2—2010《爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》规定，防爆驱动短节防爆连接面设计为平面形式，连接面长度至少为9.5 mm，连接面间隙最大为0.35 mm；螺纹连接面有效长度为13 mm，即完整啮合齿至少为6个；螺纹螺距为2 mm；管体外径、内径和壁厚分别为44，37，3.5 mm，承压能力大于20 MPa。
2.1.3 电磁阀设计
电磁阀结构如图3所示。其工作原理：电磁阀通电后其内部铁芯被磁化，吸合上静磁体并使上静磁体连接的部件一起动作，从而关闭导流孔，使得冲洗液流阻增大。电磁阀断电后其磁性立即消失，在归位弹簧的作用下，电磁阀恢复原态，导流孔开启。电磁阀往复性的动作控制导流孔开启和关闭，以控制脉冲发生器工作。电磁阀后部设计有脉冲幅值调整杆，可控制电磁阀的伸缩行程，以控制导流孔关闭程度，从而产生不同幅值的泥浆压力脉冲信号。
1-下密封;2-下静磁体;3-动磁体;4-线圈骨架；5-电磁铁壳体;6-脉冲幅值调整杆;7-上静磁体。 图3 电磁阀结构
Fig.3 Structure of solenoid valve
2.2 脉冲发生器
2.2.1 整体设计
脉冲发生器用于控制钻杆内冲洗液通道面积，进行钻孔轨迹测量数据发射。针对小直径、低压力和小泵量工况下发射稳定泥浆压力脉冲信号的需求，脉冲发生器设计为基于先导比例控制技术的整体式组件，由壳体和内部组件组成，如图4所示。壳体用于安装内部组件，可承受钻进扭矩和压力。内部组件主要由过滤组件、孔板、流道控制阀、活塞等组成，内部组件整体组装在一起后固定在壳体内。
1-过滤组件;2-孔板;3-流道控制阀;4-活塞；5-缸套;6-弹簧;7-支撑座;8-对接座;9-壳体。 图4 脉冲发生器结构
Fig.4 Structure of pulse generator
2.2.2 流道控制阀设计
流道控制阀控制泥浆压力脉冲信号的生成及其强度，其符合单喷嘴的节流特性，可利用单喷嘴节流理论计算公式获取泥浆压力脉冲信号幅值[15-17]:
(1)
式中：ρ为冲洗液密度,g/cm3;Q为冲洗液流量,L/s;Cd为喷嘴的无因次流量系数，可取0.95；A为孔板和流道控制阀之间的面积，m2。
(2)
式中：R0为孔板对应流道控制阀接触位置的半径，m；R1为流道控制阀半径，m。
由式(1)、式(2)可得
(3)
由图4可知，流道控制阀由阀头和阀杆组成，则阀头半径为R1，根据式(3)可得阀头半径：
(4)
在设置上述公式参数基础上，可分析脉冲发生器产生的泥浆压力脉冲信号幅值p0与阀头半径R1之间的关系。可知p0在20 MPa以上，引起的泵压波动超过了通用泥浆泵的耐压范围，表明R1不等同于阀头半径，即流道控制阀上移时阀头并未全部伸入孔板。将阀头伸入孔板内部最深处时对应的阀头半径定义为阀头有效半径R2。需要分析流道控制阀的受力情况，以确定R2。阀头安装在阀杆相应位置，阀头受力可通过分析阀杆受力情况获得。阀杆受力主要包括阀头上部冲洗液推力(脉冲发生器不工作时为F0，工作时为
阀头下部冲洗液推力(脉冲发生器不工作时为F1，工作时为
阀杆下部弹簧推力(脉冲发生器不工作时为F2，工作时为
冲洗液的摩擦阻力可忽略不计，对以下2种情况进行分析。
(1) 脉冲发生器不工作时，阀杆受力情况如图5所示。
图5 脉冲发生器不工作时阀杆受力
Fig.5 Stress of pulse generator under no work condition
阀杆总受力为
(5)
式中：p1为阀头上部受到的冲洗液压力，MPa；x0为阀杆初始轴向位移，m；R3为阀杆安装阀头位置的半径，m;k为弹簧劲度系数，k=15.2 N/m。
令F=0，根据式(5)可得出阀杆初始轴向位移x0。
(2) 脉冲发生器工作时，阀杆受力情况如图6所示。
图6 脉冲发生器工作时阀杆受力
Fig.6 Stress of pulse generator under work condition
阀杆总受力为
(6)
式中x1为脉冲发生器工作时的位移，m。
在求取阀杆总受力基础上，计算阀头上部冲洗液推力对阀杆的做功：
(7)
W=0对应脉冲发生器工作时，流道控制阀受力平衡后上移的位置。根据式(4)—式(7)可获取阀头有效半径R2计算公式：
R2=
(8)
设置参数：R3=0.75 cm，R0=1.54 cm，ρ=1 g/cm3，p1=2 MPa，Q=3.33 L/s。根据式(1)和式(8)，得到泥浆压力脉冲信号幅值受阀头半径变化的影响规律，并与现场试验获取的泥浆压力脉冲信号幅值变化规律进行对比，如图7所示。
图7 泥浆压力脉冲信号幅值与阀头半径关系
Fig.7 Relationship between mud pressure pulse signal amplitude and valve head radius
从图7可看出，泥浆压力脉冲信号理论幅值与试验幅值误差小于15%，变化规律相近，验证了阀头设计方法的可行性。根据煤矿井下定向钻进特点，综合分析泥浆压力脉冲信号在传输过程中的衰减特性和泥浆泵承压能力，初步设定阀头半径为1.525 cm，所能产生的泥浆压力脉冲信号幅值为2 MPa，可满足泥浆泵耐压能力和泥浆压力脉冲信号长距离传输要求。
3 现场试验
基于上述信号发生装置的矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置设计传输深度为1 500 m。为了验证信号发生装置的可靠性，在神华神东煤炭集团有限责任公司保德煤矿进行了现场试验。
3.1 试验区概况
试验区位于二盘区，主采煤层为8号煤层，位于二叠系山西组下部，厚度为8 m，含有2层夹矸，最厚一层夹矸厚度为0.4 m，夹矸为深灰-灰黑色泥岩；直接顶为砂质泥岩，灰色至深灰色，水平层理，厚度约为8 m，可作为钻孔施工的标志层来判断煤层起伏情况；伪底为灰褐色薄层泥岩，遇水膨胀变软，厚度为0.1～0.2 m；直接底为泥岩、砂质泥岩，半坚硬，泥质胶结，厚度为2.0 m。
二盘区整体属于未开采区域，工作面原位样品测试显示原始瓦斯含量为4.87～8.96 m3/t，钻孔所在工作面推算原始瓦斯含量为8.48 m3/t。
3.2 试验方案
试验钻孔类型为顺煤层瓦斯抽采超长定向钻孔，采用“滑动+回转”的复合定向钻进技术一次成孔φ120 mm孔径的施工方案，即采用φ89 mm高强度外平钻杆配套矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置、ZDY12000LD定向钻机、BLY460泥浆泵车、φ120 mm定向钻头等进行顺煤层定向钻孔施工。
3.3 试验结果
现场试验完成施工主孔深度2 570 m顺煤层超长定向钻孔，总进尺为3 164 m，平均日进尺200 m以上，钻孔剖面轨迹如图8所示。可看出信号发生装置最大传输深度达2 570 m，装置工作稳定、可靠，满足煤矿井下定向钻孔对无线随钻测量传输深度的要求；孔口处泥浆压力脉冲信号幅值为2 MPa，孔深2 570 m处泥浆压力脉冲信号幅值仍在0.5 MPa以上，泥浆压力脉冲信号衰减速率为5.8%/hm，衰减速率低，具备向更深钻孔应用的能力。
图8 2 570 m钻孔剖面轨迹
Fig.8 Profile trajectory of 2 570 m borehole
4 结论
(1) 针对煤矿井下特殊施工环境和钻进工况，研制了一种矿用泥浆脉冲无线随钻测量信号发生装置，可在低压力、小泵量工况下稳定地产生泥浆压力脉冲信号。
(2) 对信号发生装置中防爆驱动短节及其电磁阀进行了结构设计，使其满足煤矿井下防爆要求；对信号发生装置中脉冲发生器进行了一体化结构设计，并基于单喷嘴节流原理对流道控制阀及其阀头进行了设计。
(3) 对信号发生装置进行了现场试验，结果表明该装置工作稳定、可靠，最大传输深度达2 570 m，且泥浆压力脉冲信号衰减速率低，为5.8%/hm，具备向更深钻孔应用的能力。
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