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。     

新型煤矿井下定向钻进用有线随钻测量装置

针对现有煤矿井下定向钻进用有线随钻测量装置采用孔内电池筒供电存在的使用时间短、信号稳定性差、故障率和维护成本高等不足,提出一种采用孔口防爆计算机为孔内测量探管供电的技术方案;通过对孔口防爆计算机恒压源和信号转换解调设计,测量探管参数测量、二次电源工作和信号载波传输设计,测量软件的开发等关键技术进行研究,研制了防爆计算机供电式有线随钻测量装置,并在专业机构进行了测量精度试验,在神华宁煤集团石嘴山二矿进行了工作稳定性试验,在山西晋煤集团寺河矿进行了测量深度试验。试验结果表明,该装置技术方案可行,测量精度高于设计值,工作稳定性强,传输距离达1 881 m,可满足不同矿井、不同类型定向钻孔钻进需要。     

顺煤层超长定向钻孔钻压传递规律研究

为进一步增加顺煤层定向钻孔深度、提高超长定向钻孔钻进效率,分析了顺煤层超长定向钻孔钻压传递影响因素,包括钻孔轨迹、钻孔深度、孔内沉渣和钻遇地层;以保德煤矿2 570m顺煤层超长定向钻孔为工程背景,对复合定向钻进状态下钻压传递规律进行了研究。研究结果表明:①随着钻孔深度的增加,滑动定向钻进给进压力呈指数型上升,最终达到钻机额定给进压力,钻压传递效率降低;复合钻进状态下,随着钻孔深度的增加,复合钻进给进压力始终保持在较低水平,且远低于钻机额定给进压力,钻机回转压力近似呈线性增长,但低于钻机额定回转压力,钻压传递效率高。②泥浆泵泵压和泵量越高,排渣效率越高,钻具摩擦阻力越小,钻压传递效率越高,反之钻压传递效率越低。     

矿用回转钻机离线式随钻测斜系统

针对矿用回转钻机打钻过程中无法直接测量孔底钻具姿态数据和绘制钻孔轨迹的问题,基于随钻测斜原理和离线式数据同步方法,开发了一种矿用回转钻机离线式随钻测斜系统。该系统由探管、同步仪和上位机软件组成。探管通过三轴加速度传感器和三轴磁阻传感器分别测量重力场和地磁场,以采集钻杆姿态;同步仪通过按键采集钻孔和钻杆编号,并根据钻杆姿态数据进行有效测点筛选;上位机软件通过测点递推算法绘制钻孔2D或3D轨迹图。功能测试结果表明:该系统测量的总地磁场矢量模长接近真实值50～60μT,总重力加速度矢量模长接近1g,经传感器校正算法校正后的倾角最大偏差为1°,方位角最大偏差为5°。井下测试结果表明:对于已成钻孔,该系统绘制的钻孔轨迹与实际轨迹基本相同;对于钻进钻孔,孔口轨迹易受钻机本身的磁干扰而出现偏差,导致整条钻孔轨迹偏差较大,应保持钻机距离孔口3m以上。     

基于2D-DCT变换的MWD遥传信号泵冲干扰消除方法

遥传技术是随钻测量(MWD,measurement while drilling)系统中的一项关键技术,目前大多数MWD系统均采用泥浆脉冲方式进行数据传输.钻井现场噪声环境复杂,特别是泥浆泵的泵冲干扰,其强度较大,如果其频率落入脉冲信号的带内,则会对地面接收信号造成严重干扰.因此若不能对脉冲信号带内的泵冲干扰进行很好的抑制,则会限制遥传系统对各种工况的适应能力.提出了一种基于二维离散余弦变换(2D-DCT)的泵冲干扰消除方法,该方法将地面接收到的一维泥浆压力信号转换为二维信号,然后进行2D-DCT变换,从而能在变换域进行泵冲干扰的消除处理.     

基于分段平均周期图的泥浆脉冲信号滤波方法

由于受到泥浆泵脉动、钻具震动等因素的干扰,井口立管采集到的随钻测量信号包含大量的干扰和噪声,严重影响信号解码后的正确性。首先对传输信道中产生干扰和噪声的因素进行分析,指出导致泥浆有用信号被淹没而无法识别其频率范围的原因,基于分段平均周期图法确定有用信号的频率范围,计算出最优的Hamming窗的窗口长度,并利用Hamming数字滤波器对随钻测量信号进行滤波并解码。通过对大港油田实测数据的仿真实验证明,该方法具有良好的滤波效果,误码率很低。     

基于聚类算法的MWD泥浆脉冲信号识别研究

无线随钻测量MWD(Measurement While Drilling)利用泥浆脉冲进行信号的传输可以实时观测井底的相关数据,地面解码系统对接收到的泥浆脉冲信号进行正确的检测与识别是随钻测量的核心技术之一。然而,信道中存在的各种噪声会对信号的传输与识别造成干扰与误码。首先对曼彻斯特编码泥浆脉冲信号的噪声进行了分析,在此基础上将归一化最小均方(NLMS)自适应滤波算法去除泥浆脉冲信号的噪声,与传统滤波方法相比,NLMS自适应滤波算法能更有效的去除各种噪声并能有效的消除泵冲基值对波形的影响。然后针对得到的去噪泥浆脉冲信号的特点,建立泥浆脉冲识别模型,将聚类识别算法应用到了泥浆脉冲信号的识别。最后现场试验结果表明,该解码过程简单实用,具有可靠性高、误码率低等特点,符合工程应用的要求。     

新型矿用无缆钻孔测斜仪的设计

介绍了新型矿用无缆钻孔测斜仪的组成、无缆测量原理及其关键部件的设计等.该无缆钻孔测斜仪工作原理基于同步技术,即首先将同步机和探管用连线连接后,使同步机和探管按预先设定的时间同步工作,然后拆开连线,将探管连接到钻杆上送入到测量处测量,与探管同步工作的同步机则记录有用的测点;测量完成取回探管,将探管测斜数据发送到同步机中,由同步机计算并显示出各测点的倾角和方位角.实际应用表明,该无缆钻孔测斜仪设计合理,使用方便,测量精度达到倾角(+90°～-90°)±0.2°、方位角(0～360°)±2°,完全满足煤矿井下钻孔轨迹测量的要求.     

MEMS随钻惯性测量单元设计与实现

针对基于磁通门随钻测量的局限性与惯性技术测量方案优势,结合随钻测量过程中强冲击、震动等环境特点,设计并实现了基于MEMS陀螺仪和加速度计的随钻惯性测量单元。对系统测试发现MEMS陀螺随机漂移误差较大,为此,采用改进时间序列分析法对巴特沃斯低通滤波后信号随机漂移进行建模。与传统时间序列方法建模相比,新方法降低了模型预测误差,滤除MEMS陀螺随机漂移误差更为明显,且在提高精度的同时保证了数据处理实时性。结果表明:系统能够实现近钻头安装,在钻进的同时完成相应参数的测量,达到设计要求。     

随钻地层压力测量装置测量控制系统的设计

为了解决地层压力随钻测量中存在的困难,针对地层压力测量装置的工作特点和测试环境,设计了一种基于随钻地层压力测试装置的测量控制系统.系统采用井下涡轮发电机与高温锂电池双电源供电,实现了井下环空压力、管柱压力数据的采集以及井下电磁阀的精确控制和地层压力的预测.随钻过程中可接收到井口下传指令,同时测量数据可实时上传地面.试验测试结果表明,该系统用于测试地层压力是可行的,系统具有设计合理、体积小、功耗低、可靠性高的优点.