随钻测振在井下钻孔钻进监控中的应用.pdf

收稿日期２０１９０９２０作者简介李辉峰（１９７６－），男，山西长治人，工程师，从事煤矿技术管理工作。ｄｏｉ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－２７９８．２０２０．０９．０１９随钻测振在井下钻孔钻进监控中的应用李辉峰（潞安环能股份公司王庄煤矿，山西长治０４６０３１）摘要在分析随钻测振原理的基础上，采用随钻测振仪对王庄煤矿９１０２工作面风巷高位抽采钻孔钻进过程进行了监测分析，综合采用方差分析、能量分析、耗时分析、钻速分析和频谱分析等方法，对钻孔随钻测振数据进行了处理，试验结果与实际相吻合，表明随钻测振方法能够有效应用于井下抽采钻孔钻进监测。关键词随钻测振；钻杆振动；抽采钻孔；钻进监控中图分类号ＴＤ８２１文献标识码Ｂ文章编号１００５２７９８（２０２０）０９００６３０３瓦斯抽采是煤矿治理瓦斯灾害的重要技术措施，尤其是针对高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的低渗透煤层，需要施工大量的钻孔进行瓦斯抽采［１－２］。钻孔的岩性识别及深度标定对瓦斯抽采非常重要。目前钻孔钻进监控缺少有效技术手段，采用耳听目识判断钻进情况缺乏准确性、连续性和记录性。随钻振动（冲击参数）监测早期应用于石油钻探领域［３－４］，将振动传感器安装固定在钻柱上对振动参数进行连续监测。本文将随钻测振方法应用于井下抽采钻孔施工监测，实现对钻机的工作状态监测和岩性识别。１随钻测振原理与仪器１．１随钻测振原理１）钻杆振动。钻孔施工过程中，钻杆振动包括纵向振动、横向振动和扭转振动［５］。钻杆纵向振动是钻头纵向受压引起的，包括钻头重力、钻头旋转钻进破煤／岩反向作用力等。钻杆横向振动与钻杆的弯曲共振（ “ 弦” 振）有关，共振是引起钻具弓状弯曲的主要原因，能够造成钻杆的偏磨，缩短钻柱使用寿命甚至诱发钻柱断裂引发事故。钻杆扭转振动是煤／岩破碎过程中钻杆与钻孔内破碎岩石相互作用导致钻杆发生扭转，尤其遇到是坚硬煤岩，钻杆与钻孔表面间的摩擦更加剧烈，特别容易引起钻柱粘滑。２）振动信号分析。钻机钻进过程中振动信号是连续、长延时、非可控的振源，属于连续非稳态信号，其优点是成本低、可连续采集。钻进过程振动监测的难点在于煤／岩性信息和钻机自身产生的噪声，以及确定不同岩性优势频谱。随钻测振的重点是提取反映地层变化的反射波信号，通过反射波信号分析，将钻孔前方地质条件细分，表征出裂隙发育带、瓦斯富集区、冲刷带等小的地质构造。３）振动信号采集。信号采集系统包括测量装置、接收主机以及电子计算机处理系统。振动参数测量装置包括电源、振动传感器和ＷＩＦＩ无线发射器３个模块，并且集成在一个采集盒。采集盒中的ＷＩＦＩ无线发射器与主机无线接收器能够实现双向联系，指令发出后，采集装置开始采集振动数据，将采集的数据保存在主机中，并开始实时频谱分析。１．２随钻测振仪器随钻测振仪器（如图１所示）主要用于钻探过程的随钻三分量震动测量和轨迹测量，通过钻头与岩层的动力反应谱分析，可以进行钻遇岩性判断与钻探工程验收等功能。适用于瓦斯抽排孔、水文孔、地质探查孔等钻孔施工过程的岩性与构造识别、钻孔轨迹测量和钻探过程验收管理。图１随钻测振仪器２试验地点概况现场试验地点为王庄煤矿９１０２工作面，埋深３６０～５５２ｍ，煤层平均厚度６．６ｍ，共布置运巷、风巷、高抽巷三条巷道。运巷长３４２３ｍ，风巷长３３６４ｍ，高抽巷长３２８２ｍ。切眼长２５９ｍ。工作面３６实用技术总第２５３期整体为下山回采，距９１０２风巷开口处１４１０ｍ存在断层Ｆ３１７，Ｈ＝８．５ｍ、 ∠４０，距９１０２运巷开口处２０１５ｍ存在断层Ｆ３１７，Ｈ＝８．５ｍ、 ∠４０。３号煤层具有爆炸性，属不易自燃煤层，顶底板岩性较好。现场测试钻孔为风巷高位抽采钻孔。３抽采钻孔测振试验数据及分析在９１０２工作面风巷高位抽采钻孔钻进开展现场探测。本次随钻测振实验为钻孔随钻测振。将测振传感器固定在钻杆上送入钻孔，采用三分量加速度传感器接收钻机及钻头钻进的振动信号，如图２所示。试验中记录钻机在停机、空转、正常钻进、倒尺、推送钻杆、敲击钻杆、进尺、抽送钻杆等不同工作状态下的时间信息，以便对实验数据进行精确分析与时深转换。图２现场探测试验高位抽采钻孔随钻孔内三分量时域振动信号，如图３，依据３６组监测数据提取的各时段正常钻进信号如图４，正常钻进时域信号，如图５，结合每次倒尺钻进０．７５ｍ，孔深共２７ｍ。图３时域振动信号图４时域信号方差分析图５正常钻进时域信号对图５正常钻进时域信号做能量分析，如图６，选取敏感的岩性方向Ｙ方向（轴向）。从图６可以看出，钻进深度１２．０～１４．０ｍ，能量都在逐渐变大，然后趋于逐渐平稳状态，据此分析在此岩性发生了很大程度上的改变，在钻进煤层过程中遇到小断层构造煤，岩性发生了变化，由相对较软的煤层过渡到坚硬的岩石，振动信号幅度变化较大，导致能量和方差较大；钻进深度１９．０～２３．０ｍ，能量较前后在一定程度上逐渐增大，据此分析由于钻进过程中岩性发生较大变化（软煤到硬岩），振动信号幅度发生一定程度的增大，导致能量也发生一定程度的增大，钻进深度２３．０～２７．０ｍ，能量较前后在一定程度上逐渐减小，在钻进的过程中从较硬的砂岩中穿过，钻进到较软的泥岩，振动信号幅度发生一定程度的减小，导致能量也发生一定程度的减小。图６钻进信息能量图７耗时图８钻速对钻进信息进行时域特征分析得到钻进耗时图，如图７。从图中可以看出，１９．０～２３．０ｍ和２３．０～２７．０ｍ的深度，耗时相对变长，推测在这两处岩性都发生一定程度的变化。图８为钻进过程中钻速变化图，钻机在钻进时一直保持均匀速度持续钻进，在１２．０～１４．０ｍ位置，煤层中突然遇到小断层，岩性突然发生变化，导致钻速提高。图９为孔内测震三分量频谱图，横轴为钻进深度，纵轴从上到下依次为Ｘ、Ｙ、Ｚ三个分量，因为做了文件归一化，Ｙ分量作为轴向，能量远远小于切割方向Ｘ和Ｚ。此时挑选Ｚ分量作为分析分量，从图中可以看出，Ｚ分量频谱图在深度为１２．０～１４．０ｍ４６２０２０年９月李辉峰随钻测振在井下钻孔钻进监控中的应用第２９卷第９期高低频成分都有，其中低频成分为环境背景和钻机固有振动频率；１７５～２５０Ｈｚ和５００～６００Ｈｚ成分能量很强为钻进岩性的响应频率，在１２．０～１４．０ｍ除了两个主频响应，还存在更高的一些频率段，例如７００～７５０Ｈｚ和８５０～９００Ｈｚ，钻进时在遇到一些较硬的岩石，会出现许多高频的信号，由此分析深度为１２．０～１４．０ｍ岩性发生变化。同理也可以看出，在１９．０～２３．０ｍ，２３．０～２７．０ｍ岩性分别变化的情况。最终可得出结论０～１２ｍ为煤层，１２．０～１４．０ｍ为煤层内的小断层构造，１２．０～１９ｍ为煤层，在１９．０～２３．０ｍ为煤层向粉砂岩过渡的分层，２３．０～２７．０ｍ为粉砂岩向泥岩过渡，分层岩性发生了明显的改变。Ｚ分量为钻头切割岩石的方向，对钻进岩性变化比较敏感，岩性变化在信号谱上明显差异，从实际距离来看，孔内随钻对于控制岩性变化区域更为准确，分辨率更高。图９孔内测震三分量频谱４结语随钻测振是通过钻进过程中对钻杆振动数据的监测与信号采集，实现对钻孔岩性和钻进状态识别。通过现场试验，利用方差分析、能量分析、耗时分析、钻速分析和频谱分析对钻孔随钻测振数据进行了处理，试验结果与矿井钻孔岩性柱状图吻合，表明随钻测振方法能够有效应用于井下抽采钻孔钻进监测，可为超前地质预报及钻孔管理提供技术保障。参考文献［１］申宝宏，刘见中，张泓．我国煤矿瓦斯治理的技术对策［Ｊ］．煤炭学报，２００７，３２（７）６７３－６７９．［２］程远平，俞启香．中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２００７，２４（４）３８３－３９０．［３］吴斌，吴丰，李建龙，等．随钻振动和冲击参数监测在钻井过程中的应用［Ｊ］．断块油气田，２０１５，２２（１）１１３－１１５．［４］石晓兵，陈平，熊继有．油气深井随钻扩眼钻柱扭转振动分析［Ｊ］．西南石油大学学报自然科学版，２００８，３０（６）８１－８４．［５］崔士波，葛洪魁，陆斌，等．钻柱振动信号特征及多次波成像［Ｊ］．地球物理学进展，２０１０（２）７１４－７２０．［责任编辑王伟瑾檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽］本刊声明本刊已开通科技期刊学术不端文献检测系统，请作者投稿时注意文章的原创性，本刊一经发现有抄袭行为和一稿多投现象，将把作者放入黑名单，请作者自重。本刊欢迎有思想、有见地、有创新性、有借鉴价值的文章，尤其欢迎各类基金项目的文章。煤杂志社５６２０２０年９月李辉峰随钻测振在井下钻孔钻进监控中的应用第２９卷第９期

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