基于RMRS的煤矿救援准确钻井技术

-1-基于RMRS的煤矿救援准确钻井技术钱自卫姜振泉吴慧蕾(中国矿业大学资源与地球科学学院221116)摘要RMRS技术即近钻头旋转电磁测距法，是一种准确的井筒导向连通技术。本文对其的基本原理、组成、技术优势及应用现状作了简单介绍。然后主要对其在煤矿救援井的应用前景做了论述。通过对煤矿的灾害环境分析得出，只要我们经过对现有的常用RMRS设备进行适当的改进基本都可以满足其环境的特殊要求，所以RMRS技术在救援钻井中应用是可行性，值得研究和推荐。关键字：救援井，旋转电磁测距法，煤矿灾害环境CoalMineRescueAccurateDrillingBaseonRMRSQIANzi-weiJIANGzhen-quanWUhui-lei(TheSchoolofResourceandEarthScience,ChinaUniversityofMiningandTechnology,XUZhou221116)AbstractRMRS(RotaryMagneticRangingSystem)isatechnologyofprecisedrillingguidanceconnecttechnology.ThepapergaveabriefintroductionwiththeRMRS’sbasicprinciple,structure，advantagesandApplicationStatus.AndthenmainlyDiscusstheRMRS’sApplicationProspectsofcoalminerescuedrilling.Throughtheenvironmentalanalysisoftheenvironmentalofcoalminedisasters,aslongasTotransformtheexistingRMRSequipment，itwillmeetthespecialenvironmentalofcoalminedisasters,soRMRSisfeasiblefortherescuedrilling,worthyofstudyandrecommendation.keywords:RescueDrilling;RotaryMagneticRangingSystem;EnvironmentalofCoalMineDisasters在煤矿发生突水等灾害时，特别是当确定井下人员还有生存希望时，查清被困人员大致地点，快速通过井上救援钻孔建立直达灾区的通道进行施救是处理此类事故的常用且有效地方法。在进行钻井救援时要考虑一个重要的因素就是中靶率，即要保证钻孔能够较为准确的打到预定位置，救出被困人员。目前在这方面主要采取了随钻测量技术，此技术仅能在准确确定被困人员地点的情况下进行，且由于地质或测量技术本身的误差原因有时还会发生测量错误。本文将主要对电磁测距法(RMRS技术)在煤矿救援钻井的应用前景进行研究。1RMRS简介RMRS(RotatingMagnetRangingSystem)技术即近钻头旋转电磁测距法，主要用来测量目标点和实钻井的直线距离,它必须与螺杆钻具和MWD配合使用,这一概念是在1995年提出的，随着两井对接技术服务的市场需求，到1999年该技术得到了进一步发展并逐渐走向成熟[1-4]。1.1RMRS工作原理RMRS是一种采用人工磁信标进行测量的主动测距系统。主动磁测距技术是在钻进过程中借助人工营造的磁场作为信标进行定向测量、从而确定当前钻进参-2-数并指导钻进方向的一种技术(图1)。主动磁测距技术特点是在小范围内采用人工磁信标所构筑的人工磁场进行测距，其强度比天然磁场强数十倍至数百倍，强磁信号可穿透地层数十米，而接受探管仍能捕获信号，因此其测距范围可达40-45m[3]。通过测量该磁场的矢量参数，可精确计算出钻孔轨迹，对钻头所处的当前位置进行精确定位。提前预知方位及顶角误差，可及时纠斜，达到一次中靶的目的。导航轨迹钻头后安装磁信标钻头靶点安放探管图1RMRS技术导航基本原理图Figure1theSchematicofRMRS1.2RMRS基本组成RMRS由旋转永磁短节、探管、地表接口箱、无线信号传输器和笔记本电脑等组成。旋转永磁短节提供人工磁信标，安装于泥浆马达输出轴上，其末端连通钻头。在泥浆马达驱动下，永磁短节与钻头一起旋转，从而产生一个动态的旋转磁场。探管采用测井绞车下入目标井内靶点深度处，它采集旋转永磁短节产生的信号，传输至地表接口箱。地表接口箱用于向孔底探管提供电源供应，并与探管之间进行数据通讯，最终将信号通过无线信号传输传送给笔记本电脑，进行数据采集工作。无线信号传输器由一个信号发送器和一个信号接收器及不同功率的天线所组成。它用于在水平井井口处以无线方式获取目标井处的数据流。笔记本电脑用于收集从无线信号传输器传来的原始信号，然后进行解析，最终计算出永磁短节与靶点之间的距离、顶角和方位偏差。1.3RMRS技术优势[1-3]（1）传统MWD地磁系统先天性地存在一定的顶角和方位角误差，一般而言，目前国内使用的MWD方位误差约为士1.50至土0.50，顶角误差约为土0.20至士0.10，当井距超过5OOm、靶区直径小于3m时，依靠这种精度是无法实现准确中靶的[3]。但RMRS着重测量近靶点距离和方位，克服了MWD产生累计误差的固有缺陷，其偏差并不依赖于井距，因此其靶区直径可低至1m。（2）传统的MWD系统通常以单多点(EMS)仪进行轨迹复检。但是，以同一种方法进行同一地点的轨迹复检，并不可靠。RMRS抛开地磁，以人工强磁场方式检测钻头与靶点之间的方位和距离，具有异类方法检测的优势。（3）传统的MWD测量系统是先期确定钻孔轨迹，然后在具体的钻孔时用MWD系统使钻孔沿着设计的轨迹进行。而在煤矿救援时，只能推断被困人员的大致位置，按照这个推断的位置设计钻孔。在推断这个目标靶点的时受到多种因素的影-3-响，可能使这个推断的靶点并不是救援点。而RMRS就克服了上面的不足，RMRS是一种近距离自我检测靶点的技术，在钻进中随时检测救援点，提前预知方位及顶角误差，可及时纠斜，达到一次中靶的目的。2RMRS技术的应用现状目前磁测距法(RMRS技术)主要应用于石油、天然气、煤层气井及盐田等对接井，在煤矿救援井上的施工上还没有应用。比如在内蒙古乌兰察布气化采煤工程中3口气化采煤井的连通[4]；土耳其Ankara省贝帕扎里镇境内的贝帕扎里特大型天然碱矿26对U形井组实施中靶导航作业[7]；山西宁武盆地开钻了一口目前世界上煤层埋藏最深的煤层气多分支水平井武M1-1，抽采直井与水平井的对接[6]，见图2；ChampionWes油田的DaratCC井项目的S-840井与S-833为海上井的对接[5]。都是RMRS技术应用于钻井对接连通的典型事例。图2煤层气水平井与抽采直井对接图[6]Figure2theSchematicdiagramofconnectCBMwells[6]实践证明，RMRS旋转磁测距中靶系统成熟、可靠，具有较高精度，可实现小靶区高精度中靶的目的。作为一种成熟的主动磁测系统，RMRS将在石油、煤层气、地质勘探和固体水溶采矿等领域得到了越来越广泛地应用，也为其在煤矿救援方面的应用提供的有利的借鉴。3RMRS技术在救援钻井中的应用前景3.1RMRS技术应用于救援钻井的基本设想每一个或部分煤矿工人在下井作业时，身上配备永磁短节；或在工作面易于接近的固定位置安放永磁短节。当发生事故时，工人携带永磁短节逃离到相对安全稳定的区域时，打开永磁短节使之旋转来提供一个恒定的待测磁场。通过矿井资料分析从井上或井下向被困人员可能的聚集区打钻，当接近被困人员可能聚集区时，探管可采集旋转永磁短节产生的磁场强度信号,最后通过采集软件准确地计算钻头与被困人员的距离和方位偏差。来及时调整钻头的偏差，以使钻孔准确的沟通被困人员区域。3.2煤矿灾害环境（1）采煤工作面环境。采煤工作面作为煤炭开采的一线，人员、机具聚集且由于开采是一个不断破坏及揭露的过程，所以相对也是一个煤矿突水等事故的多发地带。工作面为一个临时的工作场，支护等相对简单，当工作面发生事故事故时，一般破坏较为严重，人员避难相对稳定区域少，避灾路径相对复杂。大量的机具聚集可能会给以电磁为基础的RMRS技术的应用上产生影响。（2）巷道环境。巷道环境相对于工作面环境要好的多，支护较为坚固，避灾路径也相对简单，当巷道发生事故时，被困人员一般能找到暂时的避灾场所。-4-但是现在很多的巷道都采用喷网支护的方式，此方式可能对电磁产生屏蔽作用，影响信号的传输。接口箱钻孔轨迹被困工人避灾区永磁短节探管传输线图3RMRS的煤矿救援准确钻井应用示意图Figure3theSchematicdiagramofcoalminerescueaccuratedrillingBaseonRMRS3.3煤矿灾害环境对RMRS设备的特殊要求及可能的改进方向（1）在现有的RMRS设备都为在钻头中安放永磁短节来提供恒定磁场，而在目标靶点安放探管。这种方式在救援时是不可用的，因为在救援时被困人员是靶点，但是被困人员不能向外传送信号，故就不能作为信号接收点，必须把常规的钻头提供信号和靶点接收信号的方式反着用。及由被困人员携带永磁短节提供恒定磁场，钻头中安放探管，通过强磁计或探管接受的信号来调整钻头的偏差。这样也就带来了一个问题，就是强磁计或探管接收的信号传播到底面的方式，这种方式可以借鉴有线或无线随钻测量（MWD）的方式是可行的。（2）现在的永磁短节的长度约为40cm，重量约2-3kg，由横向排列的多个永磁体组成。这种尺寸和重量要随身携带显然是不方面的，必须研究开发质量及体积较为轻便的产品，但是体积的缩小相对会减弱永磁短节提供的恒定的待测磁场的强度，我们可以从其的主要组成内部的永磁体上下功夫，选择磁性更好的磁体或借助于矿工可提供蓄电的优势研究开发电磁体，来解决这个问题。（3）我们在进行矿工永磁短节的永磁短节的装备上可以每人一个或多人一个，但是在遇到灾害使用时近距离不可同时使用，因为这样将造成干扰，强磁计或探管接受的信号就比较紊乱。另外工作面的机具或巷道的支护都可能对磁性信号造成干扰，所以要加强对RMRS抗干扰能力的研制，且在必要时要对巷道进行改造，留出信号天窗，让信号自由传输。（4）在使用时是靠永磁短节的旋转来提供一个恒定磁场的，一般井下救援是一个相对长期的过程，所以对永磁短节旋转的稳定性耐久性提出了更高的要求。但这个问题在现有的技术下应该很容易解决。上述的煤矿灾害特殊的环境，我们经过对现有的常用RMRS设备进行适当的改进基本都可以满足在环境的特殊要求，所以RMRS技术在救援钻井中应用是可行性，值得研究和推荐。4结论及建议RMRS技术即近钻头旋转电磁测距法，是一种准确的导向钻井技术，已成功的运用到石油、煤层气、地质勘探和固体水溶采矿等领域。通过对煤矿灾害的分-5-析，我们经过对现有的常用RMRS设备进行适当的改进基本都可以满足在环境的特殊要求，所以RMRS技术在救援钻井中应用是基本可行性，值得研究和推荐。另外这种技术对于井下近距离的电磁搜救也将发挥作用。加强RMRS技术在运用到煤矿救援井方面的研究也必将对煤矿救援发挥积极作用。参考文献[1]RayT.Oskarsen,JohnW.Wright.RotatingMagneticRangingServiceandSingleWireGuidanceToolFacilitatesinEfficientDown-holeWellConnections[J].SocietyofPetroleumEngineers,2009(5):17-19[2]OskarsenRay.T,WrightJohn.W.Down-holewellconnectionsbyuseofrotating-magnetic-ranging-serviceandsingle-wire-guidancetool[J].JournalofPetroleumTechnology,2009(5):75.77.82