《煤田地质与勘探》青年编委优秀成果展示—Ⅰ（2023—2024）

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《煤田地质与勘探》青年编委优秀成果展示—Ⅰ（2023—2024）

来源：煤田地质与勘探

行业视野: 煤田地质与勘探
类别; 171个
关键词; 200位
专家; 33篇
论文; 5705IP
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智能钻井装备与技术研究进展

作者(Author)：张鑫鑫, 梁博文, 张晓龙, 张绍和, 金新

摘要：针对海陆两相复杂油气资源的开发利用，以及在复杂地质条件下，钻井工程遇到的一些非均质性、不确定性难题，迫切需要借助人工智能、大数据、机器学习等高端信息科学技术，为智能钻井技术与装备的发展带来了契机。阐述了智能钻井系统及其基本组成，主要包含现场地面智能控制平台、数据测量通信控制网络系统、井下智能导向钻井系统以及远程实时智能控制中心系统。系统总结了国内外智能化钻井装备的发展现状，包括智能钻机、智能钻杆、智能钻头、智能钻探分析平台，提出了智能导向钻进技术、智能取心技术、智能钻井液技术、微小井眼钻井技术、无人化钻探的智能化发展潜力。在新一轮的能源革命与工业变革的背景下，钻井技术装备与新兴信息技术的加速融合，将促进钻井技术装备向更加智能化、无人化的方向发展，实现钻井作业全流程自动化。智能化钻井装备与技术的应用，能够提升钻探效率和安全性，降低对环境的影响。与此同时，全面推进智能钻井技术装备及配套软件创新与迭代优化，加快高端智能化平台建设，不断提高其对勘探开发的支撑保障能力。本文的系统论述，以期能给中国智能化地质钻探的科研攻关和技术发展提供一定的参考与启发。

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煤田地质与勘探

2023年第09期

154

104
地质钻进过程智能控制研究进展与发展前景

作者(Author)：陆承达, 甘超, 陈略峰, 陈鑫, 曹卫华, 吴敏

摘要：复杂多变的地质环境和恶劣的施工条件给地质钻进过程控制提出了巨大挑战，大数据、人工智能等前沿技术的蓬勃发展给钻探行业带来了全新的发展机遇。首先，从钻进过程感知与建模、钻进过程智能优化与钻进过程控制3个方面阐述地质钻进过程智能控制的国内外发展现状。在钻进过程感知与建模方面，利用多源钻进过程信息，建立地质环境模型，实现地质环境变化和钻进过程状态的感知，基于钻进信息特征进行故障诊断和预警；在钻进过程智能优化方面，建立钻速预测模型，提出适合地质钻进过程的钻速优化算法，面向多样约束条件和优化指标探索最优钻进轨迹的设计；在钻进过程控制方面，通过建立钻柱、钻进轨迹、钻井液循环模型，设计控制器来调整钻压、转速、泵量等操作参数，保障钻进过程的安全高效。其次，论述了地质钻进过程智能控制系统及其工程应用情况。最后，展望了未来需要攻克的基于工业物联网的信息物理融合与钻进过程智能控制技术，包括多目标和高维约束的优化决策与控制一体化技术以及融合大数据、云边协同技术的网络化智能管控，从而提升地质钻进这类复杂工业系统的感知深度、综合调度和全局优化能力。随着新一轮找矿突破战略行动的开展，需加快推进人工智能、新一代信息技术与地质钻探相关工艺、理论方法和技术的深度融合，突破地质钻进过程智能控制的关键科学问题，研发先进的智能地质装备，为资源勘探和开发提供技术支撑。

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煤田地质与勘探

2023年第09期

157

77
基于随钻振动信号与深度学习的岩性智能预测方法

作者(Author)：王胜, 赖昆, 张拯, 柏君, 罗中斌, 李冰乐, 张洁

摘要：岩性智能预测在地质钻探中具有重要意义，可以提高勘探、开采效率和成果质量。基于钻进过程中钻头破碎岩石产生的振动信号，提出一种岩性随钻智能预测方法。选取7类尺寸相同的不同岩性的岩石，并设计微钻实验方案，对岩石施加不同钻速、转速以采集多钻进条件下的随钻三轴振动信号，对信号进行预处理滤除干扰信息，通过短时傅里叶变换生成表征信号时频域特征的时频图像，再利用多种数据增强方法增加图像数量并建立为数据库，以增强模型鲁棒性和泛化能力。改进深度学习中VGG11(Visual Geometry Group)卷积神经网络算法，将数据库划分为训练集∶测试集=8∶2，对训练集图像的有效信息进行特征提取、学习、迭代训练以获得岩性智能预测模型，并不断调整模型的3个超参数(学习率、批处理大小、迭代次数)，拟合测试集和训练集损失函数曲线以提高模型预测精度。最后用测试集对模型进行多指标评估。结果表明：基于随钻振动数据训练得到的岩性智能预测模型泛化能力强，具有高预测精度，岩性整体预测准确率达到96.85%。重点讨论了数据集数量对岩性预测准确率的影响；不同的钻进条件会引起随钻振动信号产生一定规律性的变化，岩石性质会使得振动信号在三轴方向上有所变化；X、Y、Z轴信号表征着钻进过程中钻头破碎岩石的不同过程。提出的岩性实时智能预测方法为钻探工程现场中岩性预测提供了一定的依据和借鉴。

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煤田地质与勘探

2023年第09期

122

74
自驱修孔钻头动力参数及钻齿结构研究

作者(Author)：刘勇, 李阳, 魏建平, 苑永旺, 代硕, 李林豫

摘要：自驱修孔钻头是修复失效长钻孔的有效技术手段，为进一步提高修孔速度和瓦斯抽采效果，本文基于射流反冲理论，分析了射流反冲力与喷嘴参数的关系，构建了自驱修孔钻头旋转力学理论模型。采用LS-DYNA开展不同结构钻齿破煤过程，分析了不同钻进压力和扭矩作用下钻齿对煤体破坏形式和钻齿破煤体积变化规律，并开展了破煤实验验证数值模拟结果。形成了自驱修孔钻头参数确定方法，设计了自驱修孔钻头，并在郑煤集团超化煤矿22煤柱面底抽巷进行了工程实验。研究结果表明：(1)喷嘴张角α和偏心角β是决定钻进压力和扭矩分配的关键参数，通过调控张角和偏心角可实现钻进压力和扭矩的最优匹配。(2)相同钻进参数条件下，钻齿结构对破煤体积影响较大，阶梯钻齿破煤效果最优。在钻进压力为120 N、扭矩0.6 N·m时，阶梯型钻齿结构的修孔钻头能够实现钻进压力和扭矩最优匹配。(3)确定了最优修孔钻头结构参数为：钻头外径28 mm；后置喷嘴张角20°，偏心角90°；前置喷嘴张角90°，偏心角0°。(4)工程应用结果表明：瓦斯抽采纯量提高了1.96倍，瓦斯抽采体积分数提高了3.98倍，修孔速度提高了1.2倍。通过改进钻头动力参数及优化钻齿结构，设计的自驱修孔钻头在工程实践中达到了提高修孔速度和瓦斯抽采效果的目的。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

94

3
水射流自驱钻头自进能力影响因素研究

作者(Author)：刘勇, 代硕, 魏建平, 张宏图, 苑永旺, 郭鑫辉, 郜英俊

摘要：管道内流场结构特性是影响自驱钻头自进力和解堵除垢能力的关键因素。针对多股射流共同作用下管道内流场变化影响自进力和返水阻力的问题，基于FLUENT数值分析不同条件下管道内流场变化，得到后置喷嘴角度、转速、环空比和系统压力对自进力的影响规律，揭示综合摩擦因素理论值存在误差的原因，通过正交数值模拟明确自进力影响因素的主次关系。基于自进力测试实验装置，开展不同条件下自进力测试实验，验证数值模拟结果的正确性。结果表明：涡旋挤压碰撞作用和射流卷吸作用导致自驱钻头前后产生压力梯度，从而提高自进力。后置喷嘴倾角由20°增加至45°，壁面射流逆流速度由6.2 m/s增加至14.5 m/s，涡旋碰撞挤压后压力峰值由68.47 kPa增加至80.79 kPa，导致压差力增大。提高转速能够减小一次涡旋范围，当涡旋在旋转体区域发生碰撞挤压时，旋转体所受压差力增加。提高转速、系统压力或减小环空比均会增强后置射流的封隔作用，从而提高自进力。由于理论计算返水阻力时忽略了涡旋区的影响，因此综合摩擦因数理论值需要修正。环空比、系统压力、转速和后置喷嘴倾角的极差分别为300.07、111.87、60.42、36.32，影响因素主次关系为：环空比>系统压力>转速>后置喷嘴倾角。本研究可为自驱钻头结构优化设计、提高自驱钻头的自进力提供参考。

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煤田地质与勘探

2023年第05期

178

54
煤矿用钻孔机器人钻臂定位误差补偿研究

作者(Author)：梁春苗, 姚宁平, 姚亚峰, 彭涛

摘要：目前钻孔机器人位姿调节多采用手动遥控调节与人工复测结合，未实现全自动调节，开环控制精度低、自动化能力低、无法实现煤矿用探放水、防突和防冲钻孔机器人精确开孔定位与孔群全自动施工。通过分析钻孔机器人钻臂结构和动作，建立了钻臂运动学模型；通过对加工误差、机身变形、装配间隙等影响因素分析，发现采用回转减速器蜗轮蜗杆结构间隙会引起倾角和方位角误差放大，并在机身平时会引起倾角和方位角误差最大达0.85°；为消除误差，首先采用传统钻臂运动学误差补偿方法建立了钻臂静、动态误差补偿模型，利用全站仪测试关节间隙和变形量，基于补偿模型和RBF神经网络法求逆解得到误差补偿量，钻臂期望位姿与实际位姿误差的x方向平均误差为9.6 mm，y方向平均误差为18.2 mm，z方向平均误差为16 mm，满足工程应用要求；其次为解决传统全站仪试验测量的方法的复杂性和非实时性问题，提出了一种通过激光测距仪和高精度开孔定向仪组合获得位姿误差检测的方法，通过测距实时计算实际和理论倾角、方位角差值，作为误差补偿后的新倾角和方位角的控制输入量，对钻臂进行实时误差检测与补偿；最后利用传统全站仪精度检测方法对激光测距组合位姿误差补偿模型进行验证。试验表明：激光测距组合定位误差检测法最大误差差值在±0.5°以内，方位角最大误差在±0.5°以内，比未采用误差补偿前分别提高了41.1%和37.5%，满足了钻孔机器人开孔定位误差要求。在煤炭行业开展了钻孔机器人钻臂在线精确定位与误差补偿研究，对钻孔机器人精确自动开孔定位及孔群全自动施工具有重要的借鉴和指导意义。

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煤田地质与勘探

2024年第03期

164

7
微生物无固相钻井液体系构建及其固壁作用机理研究

作者(Author)：李之军, 朱茂, 智晶子, 韩毅, 陈俊秀, 赵淦

摘要：钻探过程中，常遇到破碎性地层，容易发生井壁失稳而诱发井下复杂事故。增强破碎块之间的胶结力，提升井壁围岩力学强度，是解决该类地层井壁失稳的有效途径之一,微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术为实现这一途径提供了很好的借鉴。为此，通过实验研究，分析了巴氏芽孢杆菌在无固相钻井液体系中的生长情况，得到适合巴氏芽孢杆菌生长的无固相钻井液，由此构建微生物无固相钻井液体系。利用岩心浸泡实验和扫描电镜(SEM)分析方法，探讨了微生物无固相钻井液体系的固壁效果及其作用机理。结果表明：巴氏芽孢杆菌在由植物胶、聚丙烯酰胺(PAM)、羧甲基纤维素钠(CMC)组成且含有培养基的无固相钻井液中的生长情况最好，经过24 h的生长，600 nm波长处的吸光值(OD600)达到1.54。故确定微生物无固相钻井液体系的配方为：0.1%植物胶+0.1%PAM+0.1%CMC+巴氏芽孢杆菌(OD600=0.8)+0.25%氯化钠+1%尿素+0.75%酪蛋白胨+0.25%大豆蛋白胨。在微生物无固相钻井液体系中添加钙源，可以获得更好的固壁效果，固结后试样的抗压强度达到0.183 MPa。该体系的固壁机理是微生物在松散颗粒间诱导生成碳酸钙晶体，填充于孔隙中，增强了松散颗粒间的胶结力，使原本松散的碎石土形成整体，从而发挥固壁作用。

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煤田地质与勘探

2023年第04期

195

114
双钻头自平衡钻进系统用多通道连续缆管设计

作者(Author)：赵研, 艾红欣, 高科, 张丛珊, 吕晓姝, 谢晓波

摘要：为解决矿山灾害钻孔救援过程中地面钻机对地下钻头“长臂管辖”式驱动导致的钻进效率低、对孔壁扰动大和起下钻辅助时间长等问题，提出了无钻机双钻头仿生自平衡连续缆管钻进技术，而多功能连续缆管设计是该技术的重点和难点之一。为此，根据自平衡钻进系统的需求，从功能、结构、参数三大方面对多通道连续缆管进行设计。为实现连续钻进，多通道缆管需要同时具备泥浆循环、电能与信号传输和电磁屏蔽等功能，此外，还要具有足够强度和良好的弹性。对缆管的铠装缆线外径、内管与外管内外径参数进行设计并计算钻井液环空上返流速，计算结果表明缆管内外管直径参数设计满足最低上返流速要求。采用理论计算与数值模拟相结合的方法对缆管的关键部件进行受力分析，对外管抗拉压弯强度及外管壁抗挤压强度等进行强度校核。结果表明：多通道连续缆管结构设计合理，性能可靠，能够满足无钻机双钻头仿生自平衡钻进系统的技术要求，为矿山灾害无钻机双钻头仿生自平衡钻孔救援工作提供一种安全可靠、快速机动的多通道连续缆管技术和方法。

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煤田地质与勘探

2023年第04期

188

68