CN113062729B - 一种井下开采随钻数据无线传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种井下开采随钻数据无线传输方法。本发明的井下开采随钻数据无线传输方法包括：采用钻杆对随钻数据进行传输；其中，钻杆的内壁粗糙度≤1.6，钻杆的管径≥60mm，传输时的电磁波频率为2.4G。本发明的井下开采随钻数据无线传输方法能够在煤炭深部高地压复杂环境中稳定工作，并实时、准确地传输数据，提高了煤炭工作的安全性。

Description

一种井下开采随钻数据无线传输方法

技术领域

本发明涉及数据传输技术领域，尤其是涉及一种井下开采随钻数据无线传输方法。

背景技术

我国的产煤量居世界首位，在未来的一段时间内，煤炭在我国一次性能源消费中仍然占据主体地位。煤炭深部高地压开采地质条件复杂，使煤炭安全生产面临着严峻的形势。深部矿山建设和煤炭生产中的主要灾害包括顶板事故、瓦斯灾害、底板突水和冲击矿压等，这些灾害所带来的巨大破坏性使煤炭深部开采安全生产面临严峻的挑战。

目前，煤炭深部开采安全检测与灾害防治主要依靠随钻数据测量技术。随钻测量系统可分为有线式随钻测量和无线式随钻测量，当前国内煤矿井下使用的随钻测量系统以中煤科工集团西安研究院有限公司研制的YHD系列四个型号有线随钻测量装置为主。然而，线式随钻测量系统需采用中心通缆式钻杆作为信号传输通道，中心通缆式钻杆结构复杂、加工技术要求高、使用成本高，从而限制了其更大规模的推广应用，而无线随钻测量可以有效解决上述问题。

现有的井下无线随钻测量系统包括基于钻井液脉冲无线传输方式、基于声波无线传输方式和基于钻杆和地层的电磁波无线传输方式。钻井液脉冲无线传输方式对钻井液依赖性很高，传输速率很低，一般都在10bit/s以下，不能满足深部高地压复杂环境的工作需求，且还需要附加的动作机构，增加了钻具的复杂性，提高了生产成本。声波无线传输方式是基于钻具产生的机械波，但信号随深度衰减快，且易受外界的干扰，信号处理难度大，通信质量难以保证，在深部高地压开采中的使用效果更加不理想。基于地层和钻杆的电磁波无线传输方式，目前在无线随钻测量系统中应用最为成熟，电磁波传输方式能够实现数据的双向传输，不受可压缩钻井液介质的影响，传输速率相比于钻井液脉冲方式有很大的提高，并且信号稳定性高，系统结构相对简单；然而，在深部高地压开采中，地质环境复杂多变，而该传输方式对传输介质的电阻率要求较高，当地层电阻率不满足要求或钻杆形状发生突变时都将影响其传输速率和传输效果，故基于钻杆和地层的电磁波无线传输方式在煤炭深部高地压复杂环境开采中传输障碍太多，无法满足使用需求。

综上所述，提出一种适用于煤炭深部高地压复杂环境开采工作且工作稳定不易受干扰、数据传输准确、实时的无线随钻数据传输方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种井下开采随钻数据无线传输方法，其能够在煤炭深部高地压复杂环境中稳定工作，并实时、准确地传输数据，提高了煤炭工作的安全性。

本发明提供一种井下开采随钻数据无线传输方法，包括：采用钻杆对随钻数据进行传输；其中，钻杆的内壁粗糙度≤1.6。

本发明的井下开采随钻数据无线传输方法，是一种可在煤炭深部高地压复杂环境中使用的以空气为介质的电磁波传输方法；在该方法中，电磁波沿钻杆内部传输时，考虑钻杆内壁的导体损耗和钻杆内空气的介质损耗。该方法中电磁波以空气为介质在钻杆内部传输时钻杆内由空气引起的损耗远小于钻杆金属内壁引起的导体损耗，通常情况可忽略，故电磁波在钻杆内以空气为介质传输时的传输损耗仅为导体衰减。

研究发现：导体衰减受管壁粗糙度的影响。管壁粗糙度对导体衰减的影响，表现为粗糙度的增加会导致导体衰减常数的增加，但增加到一定限值后会趋于平稳；通过将钻杆的内壁粗糙度设置为≤1.6，可降低粗糙度的影响。

进一步地，控制传输时的电磁波频率为2.4G。

研究发现：导体衰减还受电磁波频率的影响。电磁波频率对导体衰减的影响，表现为在相同的钻杆管径下，随着电磁波传输频率的不断增大，衰减常数也会随着不断减小，当超过一定值后，变化趋势会逐渐较为平缓。电磁波传输频率可与钻杆管径共同决定电磁波在钻杆内部的传输是否处于截止状态，当传输处于截至状态时，导体衰减常数将变为无穷大，传输损耗非常大，将不能满足应用要求；将传输时的电磁波频率控制为2.4G，可使井下开采随钻数据无线传输达到理想的效果。

此外，控制钻杆的管径≥60mm，优选为60-120mm。

具体地，导体衰减受钻杆管径的影响，钻杆管径对导体衰减的影响主要表现为在相同的电磁波传输频率下，钻杆内管道管径越大，各个模式的截止频率越低，电磁波所能传输的模式越多，电磁波的衰减常数随着管径的增大而减小。经研究发现，将钻杆的管径设置为60-120mm，能够大大降低传输损耗，进而良好地满足实际应用需求。

本发明的井下开采随钻数据无线传输方法，还包括采用如下步骤对随钻数据进行处理：

S1：对钻进状态进行监测并将钻进状态结果传输至控制器；

S2：控制器在钻进状态结果为钻进停止状态时控制钻孔数据监测元件通电，钻孔数据监测元件监测并将钻孔数据传输至控制器；

S3：控制器在接收钻孔数据后控制钻孔数据监测元件断电并将钻孔数据调制编码后发送至发射模块进行无线通信。

进一步地，采用供电电池对钻孔数据监测元件进行供电，控制器通过控制供电电池以对钻孔数据监测元件进行通电或断电。

进一步地，钻进状态采用钻杆加速度进行表征；钻孔数据包括钻孔方位角和钻杆倾角中的至少一种。

本发明的井下开采随钻数据无线传输方法，还包括采用如下步骤对接收的电磁信号进行处理：

S1：采用高通滤波器抑制自然电位和0.1Hz频率以下的大地电磁信号；

S2：采用一级低通滤波器将工频干扰信号幅度降低至毫伏级以下；

S3：采用二级低通滤波器抑制工频干扰信号；

S4：采用三级低通滤波器抑制电源噪声信号；

S5：采用数字滤波器抑制带外噪声。

进一步地，在一级低通滤波器处理之前先采用前置放大器进行。

进一步地，在一级低通滤波器、二级低通滤波器、三级低通滤波器处理后分别采用一级主放大器、二级主放大器和三级主放大器进行放大。

进一步地，一级主放大器、二级主放大器和三级主放大器的最大增益均为100倍。

本发明的实施，至少具有以下优势：

1、本发明的传输方法可在深部高地压复杂环境中稳定、实时地传输信息；

2、本发明的传输方法采用空气为传输介质，无需使用多余设备；

3、本发明的传输方法在信息传输过程中的不确定衰减因素少，使用性和有效性更高；

4、本发明的传输方法在能在整体上提高钻进工作效率，并提高其经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为信号在钻杆内传输模型的示意图；

图2为对照例的钻孔设计平面图；

图3为对照例的钻孔设计剖面图；

图4为对照例的钻孔轨迹实测平面图；

图5为对照例的钻孔轨迹实测剖面图；

图6为试验例的钻孔设计平面图；

图7为试验例的钻孔设计剖面图；

图8为试验例的钻孔轨迹实测平面图；

图9为试验例的钻孔轨迹实测剖面图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例的井下开采随钻数据无线传输方法采用钻杆进行传输；随钻测量数据由发射模块发射后，经钻杆内部传输，孔口装置接收信号后进行下一步处理。

参见图1，本实施例钻杆的管径Φ为73mm，钻杆的内壁粗糙度Ra为1.6，传输时的电磁波频率为2.4G。

实施例2

本实施例的井下开采随钻数据无线传输方法，在实施例1的基础上，还包括采用如下步骤对随钻数据进行处理：

S1：监测钻进状态

采用钻进状态监测元件对钻进状态进行监测并将钻进状态结果传输至控制器；其中，钻进状态采用钻杆加速度进行表征，钻进状态监测元件采用加速度传感器。

加速度传感器对钻杆加速度进行测量，并以此用来判断钻杆钻进状态。在钻杆运行时为钻进运行状态，在钻杆停止时为钻进停止状态；随后，加速度传感器将钻进状态数据发送给控制器，供控制器分析使用，进而控制整个系统的运行状态。

S2：启动钻孔数据监测元件并监测钻孔数据

在钻进状态监测元件将钻进状态结果传输至控制器后，控制器对该钻进状态结果进行分析；在钻进状态结果为钻进停止状态时，控制器控制钻孔数据监测元件通电，此时钻孔数据监测元件启动并进行钻孔数据监测，钻孔数据监测元件在监测后随即将钻孔数据传输至控制器。

钻孔数据监测元件包括磁场传感器和陀螺仪传感器；其中，磁场传感器用于采集钻孔的方位角并将数据传输至控制器，陀螺仪传感器用于获得钻杆的倾角并将数据传输至控制器。此时，所监测的钻孔数据包括钻孔方位角和钻杆倾角。

采用第一供电电池为钻孔数据监测元件单独供电，控制器通过控制第一供电电池以便对钻孔数据监测元件进行通电。

S3：关闭钻孔数据监测元件并发送钻孔数据

在接收孔数据监测元件传输的钻孔数据后，控制器控制钻孔数据监测元件断电关闭，随后将钻孔数据调制编码后发送至发射模块进行无线通信；同时，控制器将钻进状态结果、钻孔数据以及工作状态信息传输至存储模块进行存储。

采用第二供电电池为控制处理模块单独供电。控制器采用低功耗单片机，其从钻孔数据监测元件接收数据，并对数据进行编码，生成发送数据，并将数据处理后发送至发射模块，同时控制整个系统的工作状态，监测各电池电量以及各模块温度，保证各模块的正确运行。存储模块储存钻孔数据监测元件测量的数据，加速度传感器传来的数据以及其他各模块的工作状态信息，用以钻杆拔出后分析。发射模块将数据信号再次处理放大，同时将工作状态信息再发送给控制处理模块，供控制处理模块采集监测。

上述方法通过对钻进状态进行监测以获取钻进状态停止的时间节点，便于控制器在钻进状态停止的时间节点启动钻孔数据监测元件进行监测，并使钻孔数据监测元件在非钻进状态停止的其它时间节点处于关闭状态，通过智能地控制钻孔数据监测元件的启动或停止，从而达到节省电量的目的，该方法可低功耗运行并实现长距离连续测量，适用于煤炭深部高地压复杂环境开采工作，其测量数据的准确性高，外界对测量装置的影响小，钻进工作的效率高，保证了煤炭工作的安全性，克服了传统方法存在的电量不足需更换供电设备、无法进行长距离连续测量等缺陷。

实施例3

本实施例的井下开采随钻数据无线传输方法，在实施例2的基础上，还包括采用如下步骤对接收的电磁信号进行处理：

S1：接收电磁信号

具体地，采用在煤矿井下孔口布置的接收电极接收发射模块发送的电磁信号，该电磁信号实际包括已经衰减的电磁信号和干扰噪声信号，干扰噪声信号主要包括电极之间存在的自然电位和环境噪声，环境噪声包括电磁噪声、电源线和现场机械的人工噪声。

S2：高通滤波器处理

首先，采用高通滤波器对接收电极接收到的电磁信号进行处理，高通滤波器主要用于抑制自然电位和0.1Hz频率以下的大地电磁信号。

S3：前置放大器处理

随后，采用前置放大器对经高通滤波器处理的电磁信号进行放大处理；前置放大器采用低电压失调、低电调漂移、低增益漂移、高质量精度和高共模抑制比特性的仪表放大器。

S4：低通滤波器处理

先采用一级低通滤波器对经前置放大器处理的电磁信号进行处理，随后采用一级主放大器进行放大处理；一级低通滤波器主要用于将工频干扰信号幅度降低至毫伏级以下。

然后，采用二级低通滤波器对经一级主放大器处理的电磁信号进行处理，随后采用二级主放大器进行放大处理；二级低通滤波器主要用于抑制工频干扰信号。

接着，采用三级低通滤波器对经二级主放大器处理的电磁信号进行处理，随后采用三级主放大器进行放大处理；三级低通滤波器主要用于抑制电源噪声信号。

其中，上述一级主放大器、二级主放大器和三级主放大器的最大增益均为100倍。

S5：数字滤波器处理

对经三级主放大器处理的电磁信号进行A/D转换，随后采用数字滤波器抑制带外噪声。

经上述多级滤波器处理后，完成了干扰噪声信号抑制，提取得到微弱的目标电磁通信信号，最后经由防爆计算机进行最后的处理及成像。

上述方法能够稳定地过滤干扰噪声信号，并且准确地提取出有用的目标电磁通信信号，可适用于煤炭深部高地压复杂环境开采工作，提高了地下工程作业的安全性和工作效率。

对照例钻孔试验

1、主要仪器设备

矿用履带式液压回转钻机、矿用随钻测斜仪一套、1.5米无线专用钻杆150根(即实施例1钻杆：传输杆径φ60mm、内壁粗糙度Ra3.2、电磁波频率1.5G)、φ98mm钻头。

2、钻孔设计施工参数

开孔参数：钻机队于3月3日二班用φ98mm钻头开孔，开孔定向仪所测开孔方位180°，开孔倾角0.8°，开孔高度1.65米,开孔深度为8米。

设计参数：开孔位置底板标高1049.368，孔高距底板1.6米，开孔点标高1050.968；贯穿点位置底板标高1052.54，孔高距底板0.8米，贯通点标高1053.34米，设计方位177.86°，高差2.372，开孔倾角0.72°，孔深188.45米。

钻孔施工参数见下表1。

表1 1#钻孔设计参数表

方位/°	开孔倾角/°	孔深/m	高差/m	水平距离/m
					179.98	0.77	175.02	2.34	175

3、试验结果

钻孔参数对比情况见下表2。

表2 1#钻孔参数施工对比

钻孔施工参数修正情况见下表3。

表3 1#钻孔施工参数修正表

本对照例钻孔设计平面图和钻孔设计剖面图分别见图2、图3；钻孔轨迹实测平面图和钻孔轨迹实测剖面图分别见图4、图5。

结果表明：选用上述对照钻杆的定向钻孔试验现场实测钻孔轨迹与设计轨迹不吻合，说明该对照钻杆选用不符合实际预期。

试验例钻孔试验

1、主要仪器设备

矿用履带式液压回转钻机、矿用随钻测斜仪一套、1.5米无线专用钻杆150根(即实施例1钻杆，其中：传输杆径φ73mm、内壁粗糙度Ra1.6、电磁频率2.4G)、φ73螺杆钻具1根配套φ98mm钻头。

2、钻孔设计施工参数

开孔参数：钻机队于3月7日二班用φ98mm钻头开孔，开孔定向仪所测开孔方位180°，开孔倾角0.8°，开孔高度1.65米，开孔深度为8米。

设计参数：开孔位置底板标高1049.368，孔高距底板1.6米，开孔点标高1050.968；贯穿点位置底板标高1052.54，孔高距底板0.8米，贯通点标高1053.34米，设计方位177.86°，高差2.372，开孔倾角0.72°，孔深188.45米。

钻孔施工参数见下表4。

表4 2#定向钻孔设计参数表

方位/°	开孔倾角/°	孔深/m	高差/m	水平距离/m
					177.86	0.72	188.45	2.37	188.42

3、试验结果

钻孔参数对比情况见下表5。

表5 2#钻孔参数施工对比

钻孔施工参数修正情况见下表6。

表6 2#钻孔施工参数修正表

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本试验例钻孔设计平面图和钻孔设计剖面图分别见图6、图7；钻孔轨迹实测平面图和钻孔轨迹实测剖面图分别见图8、图9。

2#钻孔设计孔深188.42m，实际孔深189m，终孔位置左右偏差在0.5米以内，方位符合设计要求。由于实际方位已考虑磁偏角影响，说明磁偏角测量较为准确。垂直方向上因为实际倾角比设计倾角偏大0.38°，对应垂直位移理论应增加1.25米，实际贯通点位置向上偏差为0.85米，即垂直偏差估算为0.4米，在可允许偏差范围之内，已达到钻孔精确定向的效果。

试验结果表明：上述定向钻孔试验现场实测钻孔轨迹与设计轨迹基本吻合，说明本发明的钻杆选用符合实际预期。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种井下开采随钻数据无线传输方法，其特征在于，包括：采用钻杆对随钻数据进行传输；其中，钻杆的内壁粗糙度≤1.6，控制传输时的电磁波频率为2.4G，钻杆的管径为60-120mm；

井下开采随钻数据无线传输方法还包括采用如下步骤对随钻数据进行处理：

S1：对钻进状态进行监测并将钻进状态结果传输至控制器；

S2：控制器在钻进状态结果为钻进停止状态时控制钻孔数据监测元件通电，钻孔数据监测元件监测并将钻孔数据传输至控制器；

S3：控制器在接收钻孔数据后控制钻孔数据监测元件断电并将钻孔数据调制编码后发送至发射模块进行无线通信；

井下开采随钻数据无线传输方法还包括采用如下步骤对接收的电磁信号进行处理：

S1：采用高通滤波器抑制自然电位和0.1Hz频率以下的大地电磁信号；

S2：采用一级低通滤波器将工频干扰信号幅度降低至毫伏级以下；

S3：采用二级低通滤波器抑制工频干扰信号；

S4：采用三级低通滤波器抑制电源噪声信号；

S5：采用数字滤波器抑制带外噪声。

2.根据权利要求1所述的井下开采随钻数据无线传输方法，其特征在于，采用供电电池对钻孔数据监测元件进行供电，控制器通过控制供电电池以对钻孔数据监测元件进行通电或断电。

3.根据权利要求1所述的井下开采随钻数据无线传输方法，其特征在于，钻进状态采用钻杆加速度进行表征；钻孔数据包括钻孔方位角和钻杆倾角中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的井下开采随钻数据无线传输方法，其特征在于，在一级低通滤波器处理之前先采用前置放大器进行。

5.根据权利要求1所述的井下开采随钻数据无线传输方法，其特征在于，在一级低通滤波器、二级低通滤波器、三级低通滤波器处理后分别采用一级主放大器、二级主放大器和三级主放大器进行放大。

6.根据权利要求5所述的井下开采随钻数据无线传输方法，其特征在于，一级主放大器、二级主放大器和三级主放大器的最大增益均为100倍。