CN103321629A - 一种煤矿井下定向钻孔轨迹预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿井下定向钻孔轨迹预测方法。目前煤矿井下定向钻孔施工中，常由于定向钻孔轨迹无法准确预测，仅凭经验来预测钻孔轨迹变化来指导定向钻施工，易造成定向钻孔轨迹偏离设计要求，存在施工风险大、周期长、成孔深度浅、效率低等诸多问题。本发明涉及的钻孔轨迹预测方法是利用孔底螺杆钻具的工具面向角（简称“工具面”）准确预测钻孔轨迹变化的方法，指导煤矿井下定向钻孔施工，具有预测方法简单、使用方便、对施工人员技能和经验要求低、预测精度高等优点。

Description

一种煤矿井下定向钻孔轨迹预测方法

技术领域：

本发明属于地质勘探领域，具体涉及一种煤矿井下定向钻孔轨迹预测方法。

背景技术：

煤矿井下定向钻技术因其钻孔深、钻孔轨迹可控制、实现多分支孔等优点而越来越广泛应用于煤矿瓦斯治理、地质构造勘探等领域。目前煤矿井下定向钻轨迹控制主要通过分析随钻测量软件实测数据、设计轨迹数据得出钻孔在目标层的空间位置，结合轨迹控制经验调整螺杆马达的工具面向角来实现对定向钻轨迹控制，现有的控制方法存在较大经验性。定向钻技术人员因经验和对轨迹控制技术掌握程度不够易造成实际钻轨迹偏离设计钻孔轨迹，轻则致使定向钻具在孔内摩阻力过大而影响定向钻的施工安全和施工质量，重则钻具进入危险区域而发生孔内事故，造成重大经济损失。煤矿井下定向钻施工中无法准确预测钻孔轨迹，凭经验施工易使钻孔轨迹失去控制、增加钻孔施工风险现状。

发明内容：

针对上述现有技术中的问题，本发明的目的在于采用螺杆钻具工具面向角预测定向钻孔轨迹变化趋势，指导定向钻轨迹控制。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：

一种煤矿井下定向钻孔轨迹预测方法，利用螺杆钻具的工具面向角改变钻孔轨迹倾角、方位角的算法，预测定向钻孔轨迹变化趋势。

一种煤矿井下定向钻孔轨迹预测方法，通过以下步骤实现：

步骤一根据煤矿井下实际钻孔各测点的测量数据轨迹参数：倾角、方位角、测深、主设计方位角，计算出钻孔各测点相对于孔口的空间三维坐标；

步骤二根据煤矿井下定向钻中螺杆钻具结构特征、施工地层特点，计算螺杆马达的预测造斜强度；

步骤三根据螺杆钻具造斜规律，利用工具面向角改变钻孔轨迹倾角、方位角的数学模型，计算预测点在该工具面向角的钻孔轨迹全弯曲角和其相应的造斜偏移量，再计算出造斜偏移量在垂直方向、水平方向产生的位移量和其相应的倾角变化、方位角变化量，进而计算出预测点的倾角、方位角；

步骤四利用预测点的倾角、方位角、测深及实际钻孔测点轨迹参数，计算出预测点的空间三维坐标，对比钻孔预测点与设计轨迹空间关系，选择沿钻孔设计轨迹变化的工具面向角施工。

（1）根据煤矿井下定向钻的实际钻孔测点轨迹参数：倾角{θ₁，θ₂…θ_i}、方位角{α₁，α₂…α_i}、测深{L₁，L₂…Li}、主设计方位角λ，可计算出钻孔各测点相对于孔口(0,0,0)的空间三维坐标：视平移{X₁，X₂…X_i}、左右位移：{Y₁，Y₂…Y_i}、垂深：{Z₁，Z₂…Z_i},钻孔轨迹三维坐标计算公式如下：

视平移： $X_i=\frac{L_i-L_{i-1}}{2}[\cos {\mathrm{\θ}}_{i-1}\cos ({\mathrm{\α}}_{i-1}-\mathrm{\λ})+\cos {\mathrm{\θ}}_i\cos ({\mathrm{\α}}_i-\mathrm{\λ})]+X_{i-1}$

左右位移： $Y_i=\frac{L_{i-1}-L_{i-1}}{2}[\cos {\mathrm{\θ}}_{i-1}\sin ({\mathrm{\α}}_{i-1}-\mathrm{\λ})+\cos {\mathrm{\θ}}_i\sin ({\mathrm{\α}}_i-\mathrm{\λ})]+Y_{i-1}$

垂深： $Z_i=\frac{L_{i-1}-L_{i-1}}{2}(\sin {\mathrm{\θ}}_{i-1}+\sin {\mathrm{\θ}}_i)+Z_{i-1}$

(2)根据煤矿井下定向钻中螺杆钻具结构特征、施工地层特点，计算螺杆马达的预测造斜强度K’_T=AK，具体系数如下：

系数A与所钻岩层的硬度系数（f=0.5～6）有关，一般可取0.4～0.9，地层岩性较软如煤层坚固系数f较小时，造斜能力强取上限，岩层的硬度系数f接近6时，造斜能力弱取下限；

K为螺杆钻具极限造斜强度，与螺杆钻具结构特征有关，其中常用1.25°弯角的螺杆钻具造斜强度K=5°/6m；

(3)根据螺杆钻具造斜规律，建立工具面向角改变钻孔轨迹倾角、方位角数学模型，计算预测点i’（测深L’_i）在工具面向角Ω’_i造斜下的钻孔轨迹全弯曲角为ψ’，再计算出相应的造斜偏移量A’_i。并计算出造斜偏移量A’_i在垂直方向、水平方向产生的位移量ΔZ’_i、ΔY’_i，具体计算方法如下：

预测造斜位移：A’_i=(L’_i-L_i)sin[(L’_i-L_i)*ψ’_i]

垂直分量：ΔZ’_i=A’_icosΩ’_i

水平分量：ΔY’_i=A’_isinΩ’_i

根据造斜偏移量A’_i在垂直方向、水平方向产生的位移量ΔZ’_i、ΔY’_i可计算出倾角变化Δθ’_i、方位角变化量Δα’_i，进而计算出预测点i’的倾角θ’_i、方位角α’_i。具体计算方法如下：

预测点倾角：

θ’_i=θ_i+Δθ’=θ_i+a|arcsin(ΔZ’_i/ΔL’_i)|=θ_i+a|arcsin{sin[(L’_i-L_i)*ψ’_i]cosΩ’_i}|

预测点方位角：

α’_i=α_i+Dα’_i=α_i+b|arcsin(ΔY’_i/ΔL’_i)=α_i+b|arcsin{sin[(L’_i-L_i)*ψ’_i]sinΩ’_i}|

其中当0°≤Ω’_i<90°时a=1,b=1，当90°≤Ω’_i<180°时a=-1,b=1，当180°≤Ω’_i<270°时a=-1,b=-1，当270°≤Ω’_i<360°时a=1,b=-1。

(4)根据预测点i’的倾角θ’_i、方位角α’_i、测深L’_i及实际钻孔测点轨迹参数，按钻孔轨迹三维坐标计算公式可计算出预测点i’的空间三位坐标（X’_i、Y’_i、Z’_i）。对比钻孔预测点与设计轨迹空间关系，选择沿钻孔设计轨迹变化的工具面向角施工。

有益效果：

改变了过去仅凭经验预测钻孔轨迹现状，降低定向钻孔施工对施工人员技术要求，提高钻孔轨迹预测精度，准确指导现场定向钻轨迹控制，减少现有仅凭经验控制钻孔轨迹失误造成的施工风险，提高定向钻技术培训效果，降低施工成本，促进煤矿定向钻施工向智能型发展。

附图说明：

图1是利用本发明预测定向钻孔轨迹在铅垂面投影实例图；

图2是利用本发明预测定向钻孔轨迹在水平面投影实例图；

其中，1-实际钻孔（简称“实钻”）轨迹在铅垂面投影，2-钻孔设计轨迹在铅垂面投影，3-工具面组合1的钻孔预测轨迹在铅垂面投影，4-工具面组合2的钻孔预测轨迹在铅垂面投影，5-工具面组合3的钻孔预测轨迹在铅垂面投影，6-煤层顶板相对孔口高程等高线，7-煤层底板相对孔口高程等高线，8-钻孔设计轨迹在水平面投影，9-实际钻孔轨迹在水平面投影，10-工具面组合1的钻孔预测轨迹在水平面投影，11-工具面组合2的钻孔预测轨迹在水平面投影，12-工具面组合3的钻孔预测轨迹在水平面投影。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

某矿井下定向钻施工应用中，某钻孔设计深度300m，施工要求按钻孔设计轨迹施工，并确保钻孔处于煤层中。其中煤层顶、底板相对孔口高程见图1，钻孔主设计方位角λ=234.1°，其在铅垂面和水平面投影见图1、图2。在定向钻施工中一般采用6m一个测点，本发明钻孔轨迹预测孔段选定30m（五个预测点），利用本发明预测钻孔钻至198m后五个预测点（198m～228m孔段）钻孔轨迹变化，选择合适工具面组合，指导定向钻孔施工。

(1)钻孔钻至198m处，根据表1中实钻测量的测深、倾角、方位角数据，利用钻孔轨迹三维坐标计算公式可计算出表1的实钻视平移X、左右位移Y、垂深Z，并绘制实钻轨迹在铅垂面和水平面投影见图1、图2。

表1临近预测点实际钻孔轨迹数据

(2)该钻孔施工采用1.25°螺杆马达，因其施工煤层较硬系数A取值0.6，计算螺杆马达的预测造斜强度K’_T=AK=0.6×5°/6m=0.5°/m

(3)根据螺杆钻具造斜规律，建立工具面向角改变钻孔轨迹倾角、方位角数学模型，因此可以选的测点i(测深198m)，则第一个测点计算预测点i’（测深204m），首先根据孔段198～204m采用工具面预测出预测点i’（测深204m）的倾角、方位角，再根据孔段204～210m采用工具面预测出预测点i’（测深210m）的倾角、方位角，如此可预测出测深204m、210m、216m、222、228m的倾角、方位角，利用钻孔轨迹三维坐标计算公式计算出相应预测点的视平移X、左右位移Y、垂深Z。

螺杆钻具造斜6m孔段的钻孔轨迹全弯曲角为ψ’=(L’_i-L_i)K’_T=6×0.5=3°，再计算出相应的造斜偏移量A’_i。并计算出造斜偏移量A’_i在垂直方向、水平方向产生的位移量ΔZ’_i、ΔY’_i，进而可计算出倾角变化Δθ’_i、方位角变化量Δα’_i，优化预测点的倾角、方位角计算公式如下：

预测点倾角：θ’_i=θ_i+a|arcsin{sin[(L’_i-L_i)*ψ’_i]cosΩ’_i}|

预测点方位角：α’_i=α_i+b|arcsin{sin[(L’_i-L_i)*ψ’_i]sinΩ’_i}|

其中当0°≤Ω’_i<90°时a=1,b=1，当90°≤Ω’_i<180°时a=-1,b=1，当180°≤Ω’_i<270°时a=-1,b=-1，当270°≤Ω’_i<360°时a=1,b=-1。

为了说明本发明使用方法，选定表2、表3、表4三种工具面组合进行预测轨迹对比，按以上预测公式计算出相应倾角、方位角预测值，并利用钻孔轨迹三维坐标计算公式计算出相应预测点的视平移X、左右位移Y、垂深Z。具体预测轨迹参数见表2、表3、表4，并绘制其预测轨迹在铅垂面投影和水平面投影，见图1、2。

表2工具面组合1的预测钻孔轨迹参数

表3工具面组合2的预测钻孔轨迹参数

(4)分析图1、图2可知，在定向钻孔198～228m孔段，施工采用工具面组合3相对于工具面组合1、2的钻孔预测轨迹更贴近设计轨迹，并沿着设计轨迹附近波动，可确保钻孔处于煤层中。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种煤矿井下定向钻孔轨迹预测方法，其特征在于：利用螺杆钻具的工具面向角改变钻孔轨迹倾角、方位角的算法，预测定向钻孔轨迹变化趋势。

2.根据照权利要求1所述的一种煤矿井下定向钻孔轨迹预测方法，其特征在于，通过以下步骤实现：

步骤一根据煤矿井下实际钻孔各测点的测量数据轨迹参数：倾角、方位角、测深、主设计方位角，计算出钻孔各测点相对于孔口的空间三维坐标；

步骤二根据煤矿井下定向钻中螺杆钻具结构特征、施工地层特点，计算螺杆马达的预测造斜强度；

步骤三根据螺杆钻具造斜规律，利用工具面向角改变钻孔轨迹倾角、方位角的数学模型，计算预测点在该工具面向角的钻孔轨迹全弯曲角和其相应的造斜偏移量，再计算出造斜偏移量在垂直方向、水平方向产生的位移量和其相应的倾角变化、方位角变化量，进而计算出预测点的倾角、方位角；

步骤四利用预测点的倾角、方位角、测深及实际钻孔测点轨迹参数，计算出预测点的空间三维坐标，对比钻孔预测点与设计轨迹空间关系，选择沿钻孔设计轨迹变化的工具面向角施工。

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