矿用钻杆中声波通信技术研究

高 珺，马宏伟，石智军

（1．西安科技大学 机械工程学院，陕西 西安710054；2．中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077）

随钻测量定向钻进由于具有轨迹可控、孔底回转、钻孔深度大等优点，在国内外煤矿井下瓦斯抽采、防治水、地质构造或异常体勘探中得到越来越多的应用。矿用随钻测量系统作为煤矿井下随钻测量定向钻进的核心装备，其孔底仪器与孔口仪器之间的数据传输技术是矿用随钻测量系统的应用基础和关键技术，直接关系着施工人员能否及时准确地获得孔底钻具姿态参数并实施定向钻进[1]。

目前满足煤矿井下防爆要求的随钻测量系统有3 种数据传输方式：有线、泥浆脉冲和电磁波[2]。有线数据传输系统作为市场上主流产品具有稳定性高，定向钻进效率高的优势，缺点是必须使用通缆钻杆进行钻进，造成钻进成本高，且不利于进行复合钻进提高钻进效率；泥浆脉冲数据传输系统具有传输距离远、速率低，可复合钻进提高长深孔钻进效率的特点，但由于活动机构的存在，长期使用中需注意维护仪器；电磁波数据传输系统具有传输速率快，可复合钻进提高中短孔钻进效率特点，但传输距离有限、接收信号易受地层及周边设备电磁干扰，对系统稳定性造成一定影响。综上所述，现有数据传输方式适用于不同工况条件，但不能够完全满足所有工况需要，比如常规回转钻孔。

1 矿用钻杆中声波传输技术

矿用钻杆中声波通信技术是利用声波在钻杆柱中的传播特性，从孔底将信号传输到孔口显示的新技术，钻杆中声波通信原理图如图1，孔内仪器通过将测量数据编码，并按照编码格式敲击发送声波信号，声波信号耦合到钻杆壁并沿钻杆壁向孔口传输，振动传感器吸附在钻杆端头将声波信号转换为电信号，接收解码模块接收振动传感器发出的电信号并解码，数据显示模块接收解码信号进行显示。其数据传输方式依靠钻杆壁为传输介质，通用性更强，适用于常规孔和浅孔的定向钻进施工，具备信号传输速度快、不受地层情况影响和结构简单等特点，在煤矿钻探领域具有很好的应用前景。

图1 钻杆中声波通信原理图

2 钻杆柱中声波传播特性

利用钻杆中声波传输随钻测量数据，必须得研究钻杆中声波传播特性，分析钻杆中声波幅值衰减特性。钻杆柱由一根根钻杆通过螺纹连接组成，钻杆两端分别是公母螺纹接手，相互连接起来的钻杆串就组成了具有周期性结构的钻杆柱，理想钻杆柱模型如图2。

图2 理想钻杆柱模型

声波在钻杆柱中的传播形式被分为弯曲波、横波和纵波[3]。其中弯曲波传输速度较慢，容易被分散，衰减厉害，不利于信号的传输。而纵波和横波的波长比一般的钻杆柱直径长，传输时不容易发生散射，但会在每个接手处产生反射。由于横波比纵波更容易在接箍处产生反射，衰减大，不利于信息的传输，所以利用纵波来传输信息。

声波在钻杆中的传输过程不仅向前传播而且向周围扩散，在向周围扩散过程中，其信号强度将逐渐衰减，造成信号衰减的主要原因为声波频率、钻杆接箍和周围介质的阻尼[4]。声波信号在钻杆中传输的衰减包括钻杆内部的吸收式衰减和接箍处的反射式衰减，声波信号在井内沿钻杆传输时，部分声能量转换为分子热运动所需的能量，导致信号强度减弱，这就是声波传输过程中产生吸收式衰减的主要原因[5]。吸收式衰减规律为：

式中： w0为发射处声波的强度；w 为距发射声波处距离l 的声波强度；δ 为声波衰减系数；l 为传输长度；k 为可变系数，对应不同的钻杆规格。

在各种因素中，钻杆周围介质粘滞阻尼系数ρ和载波信号的频率f 对声波衰减系数δ 的影响是最大的，随着黏滞系数ρ 的增大衰减系数δ 增大，同时如果传输信号的频率f 的提高那么衰减系数也会变大[6]。钻杆周围介质的黏滞阻尼系数越大，衰减系数就越大，这样就增加了声波传输过程中信号的损失。

通过连接单根长度1. 5 m、直径63.5 mm 的常规外平钻杆，采用恒定力在一端纵向机械敲击钻杆端面，在另一端测量声波信号强度，获得钻杆中声波信号幅值变化数据，钻杆柱中声波信号衰减示意图如图3。通过实际测量数据曲线拟合出的趋势公式与衰减规律公式相互验证，证明了相互的正确性。

图3 钻杆柱中声波信号衰减示意图

不同钻杆柱长度接收信号原始波形如图4，在测试接收振动信号时，发现在声源振动稳定情况下，接收端每次接收到信号脉冲宽度不大于40 ms。为避免造成脉冲间信号的相互干扰，信号最大传输频率不大于25 Hz 为宜。

3 声波信号源

利用钻杆中的声波传输数据，需要一个可靠的信号发声装置，即声波信号源。结合最新的换能器研究成果，采用稀土超磁致伸缩合金作为核心材料，设计了煤矿井下工况条件的声波信号源[7-12]，声波信号源结构示意图如图5。

蝶簧给超磁致伸缩合金施加一定预应力，使其处于压应力下，因其处于压应力状态下，能够产生更大形变；激励线圈作用是施加激励电流信号，以至产生交变磁场；超磁致伸缩材料作为换能器驱动元件，其处在变化磁场环境中，能够产生伸缩振动；敲击块代表超磁致伸缩材料伸缩振动推动敲击块振动，向设备外壳辐射声波，是最终输出元件。

图4 不同钻杆柱长度接收信号原始波形

图5 双液注浆泵工作行程图

信号源的工作特性取决于发声结构的机械参数和驱动电路的共同作用。满足要求的驱动电路要具备2 个性能：①发射的功率要大，这样可以增强声波信号的辐射能量，增加传输距离；②频率要适当，过高则在钻杆柱中传播衰减大，且相互干扰，过低则会拉低信号传输速率, 这2 种情况都会降低数据传输性能。

4 数据传输试验

为了精确测试随钻测量数据声波传输效果，搭建了试验平台，试验连接图如图6，图中钻杆柱由30根φ63.5 mm×1.5 m 常规外平钻杆连接组成。其中发送计算机随机发送1 组随钻测量数据（倾角、方位角、工具面角），经编码转换后发送到信号源按照编码方式敲击，敲击产生的声波信号沿钻杆柱纵向传播；另一端，振动传感器将接收到钻杆中的声波信号转换为电压信号，发送给采集电路滤波放大后解调，解调结果再上传接收计算机显示，通过对比2 台计算机中发送和接收的数据，可判定随钻测量数据的传输效果。

图6 试验连接图

按照图6 连接试验设备并设置各项参数，在发送端计算机上随机发送随钻测量数据上百次，在接收端计算机上比较传输效果，统计接收误码率在0~1%之间。

5 结 语

基于以上理论及试验验证，矿用钻杆中通过声波进行数据传输是完全可行的，调整声波信号源敲击功率基本能够克服信号衰减问题，能够满足常规回转钻进传输距离和结构安装方面的问题。但数据传输试验中还有很多试验条件没有达到实际工况的恶劣程度，需进一步加载试验条件进行验证，比如：钻杆柱内外含水、钻杆柱连接紧密程度不一和钻杆柱长度增加等。