陈泽平，闫保永,3，王国震，张先韬
(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；
2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；
3.西南石油大学，四川 成都 610500)
煤炭是我国的主体能源，是国家经济稳定发展的基础和能源战略安全的重要保障[1]。我国煤矿以地下开采为主，煤层赋存条件复杂，普遍存在瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、突水等安全风险问题，严重威胁煤矿井下生产人员的生命安全[2-3]。煤矿井下随钻测量钻进技术能够实时监测和显示钻孔轨迹参数，控制实际钻孔轨迹沿着设计轨迹或目标地层钻进，还可以进行多分支钻孔，具有钻进距离远、效率高、成本低、可集中抽采、一孔多用、超前灾害防治等优点，广泛应用于煤矿井下瓦斯抽采、探放水、注浆防灭火、防突泄压、地质勘探等灾害防治领域[4]。随钻测量技术有效解决了传统回转钻进工艺技术钻孔深度浅、轨迹不可控、存在瓦斯抽采空白带等问题，是煤矿井下钻探技术由“轨迹不可控”到“精确定向”的关键技术。
自2003年引进国外随钻测量技术与装备以来，我国科研人员围绕定向钻探技术发展前沿，结合国内煤矿实际需求，展开了多年持续攻关，研发了多项达到国际先进水平的重大技术成果，打破了国外技术垄断，成功实现了由技术引进、跟跑到超越的重大进步，有效提升了我国煤矿井下钻探技术装备及灾害防治水平。
2020年3月，国家发展和改革委员会、国家能源局等八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》提出：推进科技创新，提高智能化技术与装备水平，重点突破精准地质探测、重大危险源智能感知与预警、煤矿机器人等技术与装备[2]。2021年12月，中国煤炭工业协会印发《煤炭工业“十四五”安全高效煤矿建设指导意见》，提出加快智能化核心技术装备研发，重点突破精准地质探测、煤岩识别、透明地质等智能化技术与装备，深化煤矿重大灾害防治，提升煤矿安全保障能力[3]。要实现以上目标，需要进一步提升煤矿井下随钻测量技术水平，为实现煤矿的信息化、智能化提供大量基础支撑数据。因此，笔者系统阐述我国煤矿井下随钻测量技术的发展历程、典型成果和技术现状，指出实际应用中存在的问题，并围绕煤矿灾害防治智能钻探需求，提出“近钻头随钻测量”“定向长钻孔+地质参数”“定向长钻孔+瓦斯参数”等随钻测量新技术将成为煤矿井下随钻测量技术的重点研究方向。
1.1 随钻测量系统组成
煤矿井下随钻测量系统主要用于钻孔轨迹参数测量，主要由采集、通信、显示等部分组成，如图1所示。采集部分由各种安装在钻头后方的钻杆或无磁钻杆内的传感器组成，用于测量孔内各类数据，主要包括钻孔轨迹参数(倾角、方位、工具面向角)、地质信息参数(方位伽马、电阻率、中子孔隙数据等)、工程参数(振动、钻压、转矩、转速、振动、温度等)等数据[5]；
通信部分主要是将孔底测量数据通过有线或无线的方式传输至孔口仪器；
显示部分将对应的数据分析处理后，通过电脑显示出来。
图1 随钻测量系统组成
1.2 随钻测量技术类型
随钻测量按照信息传输方式可分为有线、无线两大类。有线传输主要是采用通缆钻杆，无线传输主要有泥浆脉冲、电磁波、声波、智能钻杆、光纤等技术[5-6]。其中，泥浆脉冲式和电磁波技术较为成熟，主要应用于石油和天然气钻探领域，近年来开始在煤矿井下应用；
声波通信传输速率高，但钻杆对声波的衰减比较大，无法实现远距离传输，目前还未见其在煤矿井下应用的相关报道;智能钻杆、光纤数据传输等技术目前尚处于理论研究阶段[7]。
目前，煤矿井下随钻测量技术主要有存储式测量、有线传输测量和泥浆脉冲无线随钻测量技术，电磁波随钻测量处于应用推广阶段。经过多年发展，国内已经形成了以中煤科工集团重庆研究院有限公司(以下简称“重庆研究院”)ZSZ系列、中煤科工集团西安研究院有限公司(以下简称“西安研究院”)YHD系列等矿用有线或无线随钻测量系统，相关技术达到了国际先进或领先水平，均得到广泛推广应用，为煤矿井下安全生产提供了技术与装备保障。
2.1 存储式测量技术
存储式测量技术通过置于孔内的测量仪器采集钻孔轨迹参数、地质参数等数据，保存在专用的存储器中，在完孔后取出并通过计算机、平板电脑、手机等设备将数据读出，并采用专用软件对测量数据进行分析和处理后显示实际钻孔轨迹。该技术解决了传统回转钻进工艺技术钻孔轨迹无法实时测量和显示的问题，为后续补孔或布孔提供了重要参考。测量方式分为随钻测量和退钻后使用钻杆推送方式进行测量2种。
20世纪40到50年代，美国等国开发了存储器式钻孔测斜仪，采用钢绳或钻杆直接把测斜仪送进或提离所测钻孔。1990年代，为满足国家经济快速发展需要，在国家的扶持下，随着单点定向测斜仪、多点连续测斜仪、陀螺测斜仪、有线随钻测斜仪、无线随钻测斜仪等系列成果相继研制成功，我国钻孔测量技术得到了很大的发展。21世纪以来，激光陀螺、光纤加速度计、光纤陀螺等测斜仪的研制成功，进一步提高了测斜仪的适用性和测量精度，减小了仪器的体积[8]。
目前，煤矿井下大部分均采用回转钻进工艺进行钻孔作业，存储式测量技术应用十分普遍。结合伽马探测、电法探测、电磁波探测等物探新技术，可以通过钻孔测量得到钻孔周围地质、水文等信息，进一步拓展了测斜仪的应用范围。
2.2 有线随钻测量技术
有线随钻测量技术是指以通缆钻杆作为通信载体，将孔底MWD数据上传到孔口或地面解码系统，实现钻孔轨迹等参数的随钻测量，这种方式有利于实时对钻孔轨迹进行修正。有线随钻测量技术解决了存储式测量技术不能实时测量和显示、轨迹不可控等问题，是煤矿井下钻探技术由“轨迹不可控”到“精确定向”转变的关键，是随钻测量技术发展的重大进步。
2003年，山西亚美大宁矿率先引进了澳大利亚VLD-1000型千米定向钻机，配套DDM-MECCA随钻测量系统，倾角测量精度±0.2°，方位角测量精度±0.5°，采用一次性锂电池筒供电方式，电池使用周期8～10周。2003—2009年期间，施工钻孔1 848个，最大钻孔深度1 002 m，总进度110 km，累计抽采瓦斯纯量达到7.08亿 m3，井下瓦斯抽放率达到了80%以上，有效杜绝了瓦斯事故的发生[9]。该钻机的引进具有标志性意义，促进了我国煤矿随钻测量技术与装备的快速发展。
2005年，西安研究院在借鉴澳钻随钻测量技术的基础上，研制了YHD1-1000(A)有线随钻测量系统，系统采用孔内电池供电方式，但在使用过程中，存在信号传输强度低、传输不稳定、电池更换成本高等问题[4]。“十一五”期间，重庆研究院王清峰等首创了基于探管孔外供电技术的煤矿井下ZSZ1000随钻测量系统，采用电流环技术和信号自动补偿技术，实现测量信号和供电电流共线传输，解决了孔内电池供电存在的信号稳定性差、故障判断困难、电池更换成本高等问题。ZSZ1000矿用随钻测量系统如图3所示。该系统在工业性试验中完成主孔深度超过1 000 m的钻孔3个，钻孔效率提高10%以上[10-11]。该测量系统具有以下优点：①采用孔外供电方式，探管工作时间不受限制，提高了钻进效率；
②信号稳定，测量精度高，倾角-90°～+90°(±0.2°)，方位角及工具面向角0°～360°(±1.5°)；
③安全环保，使用成本低，单套每年可节省电池成本约25万元[11]。
图2 基于孔外供电技术的ZSZ1000矿用随钻测量系统
张先韬等[12]基于复合误差补偿方法，研发了ZSZ1500随钻测量系统，并将测量精度提高近1倍。探管孔外供电技术是煤矿井下随钻测量技术发展的标志性成果，为煤矿井下有线随钻测量技术的推广应用奠定了基础。“十三五”期间，重庆研究院研发了ZKGM1000矿用自然伽马随钻测量装置，西安研究院研制了基于方位自然伽马的矿用有线随钻测量系统[13]，均可用于指导随钻煤岩识别，提高煤层钻遇率，识别范围0.5 m以内。
有线随钻测量技术是目前煤矿井下应用最为广泛和成熟的数据传输技术，在煤矿井下瓦斯灾害防治、水害治理、地质构造探测、冲击地压防治等领域发挥着重要作用。但在实际应用中，还存在以下问题：①通缆钻杆结构复杂，加工工艺严格，生产和使用成本高；
②电缆接头易磨损，通信效果受钻杆密封效果影响较大；
③相较于常规钻杆外壁薄、强度低、抗转矩能力弱，一般适用于滑动定向钻进工艺，不适用于复合定向钻进工艺，限制了其更大规模的推广应用。
2.3 泥浆脉冲无线随钻测量技术
泥浆脉冲数据传输技术是在石油领域应用最广泛的数据传输方式，该技术以压力脉冲为信号载体，以钻柱内冲洗液为信号传输通道，向孔口传输孔内测量数据。近年来，为了解决煤矿井下有线随钻测量技术存在的钻具成本高、工艺适用性差等问题，泥浆脉冲无线传输技术被引入到煤矿井下。由于井下防爆要求、钻具直径小、泵量小、工艺特点等因素，不能够直接进行应用，需要进一步改进和完善。
“十三五”期间，重庆研究院研发了ZSZ2000泥浆脉冲无线随钻测量系统(见图3)，可与常规普通钻杆配套使用，适用于定向钻进、复合钻进工艺，是煤矿井下随钻测量技术的一次重大技术进步。该系统采用孔内充电电池筒供电，连续工作时间可达20 d以上，测量精度达到了有线随钻测量技术同等技术水平，适用钻杆直径大于等于73 mm，具有测量精度高、性能可靠、信号稳定、测量快速等特点[14-15]，近年来在井下得到大量推广应用。
图3 ZSZ2000矿用泥浆脉冲无线随钻测量系统
与有线随钻测量技术相比，泥浆脉冲无线随钻测量技术传输距离更远，可采用常规钻杆，钻具成本低、强度高、工艺适用性好。但泥浆数据传输技术传输速率低，单次测量时间需要2 min左右，在一定程度上对钻进效率有所影响，且测量仪器采用电池筒供电和间歇工作模式，不能满足钻探施工长时间测量和实时传输的需要。
2.4 电磁波无线随钻测量技术
电磁波传输技术是利用电磁波作为媒介，实现信号的传输，主要由孔内测量仪器和孔口接收装置组成，测量原理如图4所示。该技术不依赖通缆钻杆和流体介质，具有传输速率高，可用于气体钻进等优点，在石油领域应用成熟，最大垂直传输深度可到3 000 m以上，是近年来煤矿井下无线随钻测量技术的研究热点之一[16-17]。
图4 煤矿井下电磁波无线随钻测量原理
中国地质大学(武汉)王家豪等基于经典电磁理论，建立了井下EM-MWD电磁传输信道模型，结合煤层及煤层围岩电性，运用等效传输线法，计算了孔口接收电极间信号电压，包括煤岩层导电性、发射信号频率、钻杆电阻率、钻杆长度对接收信号电压的影响规律[16]。“十二五”期间，重庆研究院研发了电磁波无线随钻测量系统[17]，倾角测量精度-90°～+90°(±0.2°)，方位角及工具面向角测量精度0°～360°(±1.0°)。该系统利用矿用钻杆和地层作为无线信号传输的通道，不依赖通缆钻杆，可采用空气钻进工艺，为我国碎软煤层定向钻孔提供了新的技术方法。
电磁波随钻测量传输速率可达50 bit/s，可实现复合钻进工艺提高钻进效率，针对松软破碎煤层钻进、气动螺杆钻进等工况具有显著优势，但由于煤矿井下防爆要求，功率受限，接收信号易受地层及周边设备电磁干扰，井下传输距离有限，一般适用于500 m以内的定向钻孔施工。
多年来，我国煤矿井下随钻测量技术及测量仪器的研究取得了一系列原创性成果，为我国煤矿井下灾害防治做出了重要贡献。但与石油领域先进的多参数随钻测量技术相比，煤矿井下随钻测量技术目前只能测量钻孔轨迹、伽马等基本参数，功能有所欠缺。当前，国家大力推进煤矿智能化发展，笔者基于新形势下智慧矿山、透明矿井建设需求，借鉴石油领域先进技术，围绕煤矿灾害防治智能钻探技术前沿，以提升钻孔精确度、降低钻探施工风险、提高煤矿灾害防治水平为目的，提出以下关于随钻测量技术发展趋势及建议：
1)近钻头轨迹及工程参数随钻测量技术
现有煤矿井下随钻测量以钻孔轨迹参数为主，数据类型单一，且数据测量严重滞后。亟待研究工程参数随钻测量技术，如钻压、转速、振动、环空压力、温度等参数的测量，以综合评价孔内工况，为钻进工艺参数自主调整和优化提供依据；
研究近钻头随钻测量及数据传输技术，研制ø73/ø89 mm小型化近钻头测量仪器，解决受限空间及强振动条件下测量仪器结构与强度、测量精度和稳定性等问题，为钻孔高效精准施工和煤矿灾害精准防治提供技术基础。
2)“定向长钻孔+地质参数”随钻测量技术
“定向长钻孔+地质参数”是将定向钻探和孔内物探相融合的超前探测新技术，可实现“钻+探”一体化，具有远距离定向钻孔和地质参数探测平行作业的突出优势，可实现煤矿井下异常地质灾害的超前精准防治，也可为智能钻探和透明矿井建设提供基础数据。地质参数探测可采用自然伽马和方位伽马、钻孔地质雷达等技术，前者目前已在煤矿井下应用，但仍需要解决近钻头测量、探测距离和探测精度等问题；
钻孔地质雷达随钻超前探测技术在石油领域应用成熟，探测深度可达30～50 m、分辨率可以达到亚米级[18]，数据量可达2 000 B以上，若应用到煤矿井下，还需要重点从钻孔地质雷达的小型化、抗干扰、防爆设计、数据高速传输等方面着手研究。
3)“定向长钻孔+瓦斯参数”随钻测量技术
“定向长钻孔+瓦斯参数”随钻测量技术是定向钻探和孔内瓦斯含量快速测定技术相结合的新技术，可实现“钻+测”一体化，为煤矿井下智能钻孔设计、瓦斯抽采效果评价提供数据。目前，瓦斯参数测定主要依托DGC、SDQ、密闭保压取样后在地面进行解析，测定时间达8 h[19]，在随钻瓦斯测定领域还处于技术空白。需要研究孔内湿煤样瓦斯含量与瓦斯解吸规律、快速测定模型及方法等；
研制随钻保真取样—瓦斯解吸一体化装置，需要解决受限空间条件下装置尺寸、强度及功能等问题，将瓦斯含量测定时间缩短至30 min以内。
4)随钻测量高效数据传输技术
现有有线数据传输速率为300～1 000 bit/s，传输速率较高，但信号传输易受钻杆密封影响，且通缆钻杆成本高、工艺适应性差；
泥浆脉冲数据传输速率仅为1～6 bit/s；
电磁波数据传输速率可达10～50 bit/s，但传输距离有限且受地层干扰影响大[20]，均不能满足智能钻探大容量、高速数据传输的要求。因此，需要研究智能钻杆、光纤数据传输等新技术，如研发基于电磁感应信号双向数据传输高性能定向钻具，需要解决钻杆软连接、电磁信号衰减、通信导线埋置、钻杆加工工艺等技术难题，理论数据信号传输速率可达20 Kibit/s以上，可保证信号传输的实时性，能实现大容量数据的实时测量和上传、控制指令的快速下达，以期为智能钻探和煤矿智能化提供技术支撑。