CN106050143A - 基于地层岩性识别的井下定向孔顺层导向钻进系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于地层岩性识别的井下定向孔顺层导向钻进系统及方法。利用煤系地层岩性随钻识别判据和煤系地层物性参数随钻测量装置实时测量的近钻头位置的地层自然放射值，采用直接参数对比法和方位放射玫瑰花图对比法实现了钻遇地层岩性的随钻识别；结合钻孔轨迹测量，实现了实钻轨迹相对目标地层的精确空间定位，为控制井下定向孔沿预定方向在目标地层中顺层延伸提供了依据，解决了当前煤矿井下定向钻进技术只能根据钻孔轨迹空间几何定位进行钻进，无法判识地层、钻进效率和目标地层延伸率低等技术难题，通过井下定向孔精确顺层定向钻进，为提高钻探施工效率和利用效果、探明矿区地层地质信息、保障钻探施工安全提供了有效手段。

Description

基于地层岩性识别的井下定向孔顺层导向钻进系统及方法

技术领域

本发明涉及一种钻进系统及方法，属于煤炭开采领域，具体涉及一种基于地层岩性识别的井下定向孔顺层导向钻进系统及方法。

背景技术

煤炭是我国经济建设的重要支柱，但是由于我国煤矿主要是井工开采，复杂的煤田地质条件给煤矿安全生产带来了严重威胁，其中瓦斯灾害是最严重的事故类型。

瓦斯预抽采是降低煤层瓦斯含量、防治瓦斯灾害最有效的技术手段，同时也是综合利用瓦斯的基础，分为地面开采和煤矿井下开采两种模式，目前以煤矿井下开采为主，且主要通过钻孔进行瓦斯预抽采。

钻孔的深度、直径和目标地层延伸率是影响瓦斯抽采效果和生产效率的重要因素。近年来，由于近水平定向长钻孔具有轨迹可测控、钻进效率高、一孔多用、探查精度高、集中瓦斯抽采等优点，在矿井瓦斯抽采中应用效果显著，最大应用孔深达1881m，并逐渐推广应用于水害防治和隐蔽致灾异常体探查。

目前井下顺层定向长钻孔主要采用几何导向钻进技术钻进，即在定向钻进时，利用随钻测量装置实时测量钻孔轨迹参数，并根据实钻轨迹与设计轨迹的几何偏差，调整定向钻具方向，使钻孔轨迹按设计钻孔延伸。但是，现有几何导向钻进技术逐渐成熟的同时也显现出一些问题和不足，集中体现在(1)钻进中主要凭经验根据钻孔孔口返水、钻进参数变化的方法分辨地层，可靠性差且滞后，不能有效识别地层岩性变化或构造异常，容易发生钻孔安全事故；(2)煤系地层起伏情况未知，顺层水平定向长钻孔施工需要大量“探顶、开分支”工序才能完成，钻孔工作量大，钻进效率偏低；(3)几何导向已实现钻孔空间定位，但无法准确判断钻孔轨迹在目标地层中的相对位置，不能实现基于地层岩性的精确定向钻进。尤其是目标地层较薄或起伏较大时，钻孔极易穿出目标地层，甚至无法回到目标地层中，在目标地层的延伸率低，从而影响钻孔瓦斯抽采效果和防治水效果。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，针对目前煤矿井下瓦斯抽采定向孔施工技术装备存在的不足，研究设计出一种基于煤系地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的井下定向孔按照钻孔轨迹空间几何定位进行导向钻进时，由于矿井煤系地层详细起伏情况未知而导致的无法确保实钻轨迹在目标地层中顺层长距离延伸的问题，提供了一种基于地层岩性识别的井下定向孔顺层导向钻进系统及方法。该系统及方法可随钻识别钻遇地层岩性，并指导顺层定向钻进施工，实现了钻孔轨迹相对目标地层的精确空间定位，从而确保实钻轨迹沿目标地层长距离顺层延伸。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于煤系地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进系统，包括：孔内设备以及与所述孔内设备相连的孔口数据采集处理装置，其中，所述孔内设备安装于钻具内，其包括依次串联的地层放射测量短节、电池筒、钻孔轨迹测量短节；所述地层放射测量短节为圆柱状结构，其内设置有开窗角度为360°的第一测量窗口和开窗角度为120°第二测量窗口。

优化的，上述的一种基于煤系地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进系统，所述孔内设备还可测量定向钻具状态参数，并且，所述孔内设备与孔底定向钻头的距离≤3m，探查识别距离≥0.3m。

为了解决上述问题，根据本发明的另一个方面，提供了一种基于煤系地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，实时获取钻头位置地层岩性物性参数并与已知的矿区各煤系地层岩性物性参数对比从而获得钻头所处地层岩性，根据钻头所处地层岩性调整钻孔的目标地层倾角和井下定向孔设计轨迹，按照调整后的设计轨迹进行定向钻进，直至达到设计孔深，提钻终孔。

优化的，上述的一种基于煤系地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，所述矿区各煤系地层岩性物性参数的获得方法为：

利用取心钻孔采集煤系地层岩样，建立钻孔孔深与地层岩性的对应关系，将用于采集物性参数的孔内设备放入取心钻孔内以采集煤系地层岩性的物性参数，从而获得目标地层、上部相邻地层、下部相邻地层的自然放射参考值。

优化的，上述的一种基于煤系地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，实时获取钻头位置地层岩性物性参数的方法为：将孔内设备安装于定向钻具内，利用孔内设备实时测量钻孔钻遇地层岩性物性参数，所述物性参数包括地层全自然放射值、地层方位自然放射值和放射角；并且单组数据上传时间≤10s。

优化的，上述的一种基于煤系地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，还利用安装于定向钻具内的孔内设备测量钻孔轨迹参数，利用所述钻头所处地层岩性和钻孔轨迹测量参数结果调整目标地层倾角和井下定向孔设计轨迹；

其中，所述钻孔轨迹参数包括：钻孔倾角、钻孔方位角和工具面向角，并且单组数据上传时间≤1s。

优化的，上述的一种基于煤系地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，将钻头位置地层岩性物性参数与已知的矿区各煤系地层岩性物性参数对比包括：

当采用滑动定向钻进工艺施工时，利用直接参数对比法，将随钻测量得到的地层岩性物性参数与矿区各煤系地层岩性物性参数进行对比；

当采用复合钻进工艺时施工时，利用方位放射玫瑰花图对比法，将随钻测量得到的地层岩性物性参数与矿区各煤系地层岩性物性参数进行对比。

优化的，上述的一种基于煤系地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，所述方位放射玫瑰花图对比法具体为：

用圆周角代表放射角数值，用半径长度代表地层方位自然放射值，建立动态方位放射玫瑰花图坐标系；

将最近10次不同放射角时的地层方位自然放射值在坐标系中标示出来，并顺次将相邻点连线，形成方位放射玫瑰花图；

在方位放射玫瑰花图中得到放射角0°和180°时的地层方位自然放射值；

当0°地层方位自然放射值与上部相邻地层自然放射值相近，且180°地层方位自然放射值与目标地层方位自然放射值相近时，判断钻孔实钻轨迹钻遇上边界线；当0°地层方位自然放射值与目标地层方位自然放射值相近，180°地层方位自然放射值与下部相邻地层自然放射值相近时，判断钻孔实钻轨迹钻遇下边界线；当0°地层方位自然放射值与180°地层方位自然放射值相差不大时，判断钻孔实钻轨迹在原地层中延伸。

优化的，上述的一种基于煤系地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，所述根据钻头所处地层岩性调整钻孔的目标地层倾角为：

将钻孔的目标地层倾角调整为相邻两个见顶点或见底点的上下位移差值除于孔深差值后进行反正弦计算得到的角度；其中，见顶点为钻孔实钻轨迹与上边界线的交点；见底点为钻孔实钻轨迹与下边界线的交点。

优化的，上述的一种基于煤系地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，所述根据钻头所处地层岩性调整钻孔的井下定向孔设计轨迹为：

将钻孔的上边界线、下边界线按修正后的目标地层倾角延伸，得到预测上边界线、预测下边界线的标高，调整钻孔设计倾角和上下位移，将钻孔轨迹控制在预测上边界线、预测下边界线之间的目标地层中延伸。

因此，本发明具有如下优点：(1)实现了实钻轨迹相对目标地层的精确定位，为控制钻孔沿预定方向在目标地层中延伸提供依据，解决了当前煤矿井下定向钻进技术无法判识地层、钻进效率和目标地层延伸率低等技术难题；(2)通过井下定向钻孔精确顺层定向钻进，为提高钻探施工效率和利用效果、探明矿区地层地质信息、保障钻探施工安全提供了有效手段。

附图说明

图1为基于煤系地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法示例。

图2为煤系地层物性参数随钻测量装置原理示意图。

图3为方位伽马玫瑰花图对比法原理图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

图中，目标地层1、上部相邻地层2、下部相邻地层3、上边界线4、下边界线5、见顶点6、见底点7、设计轨迹8、实钻轨迹9、预测上边界线10、预测下边界线11、定向钻头12、定向钻具13、无磁仪器外管14、孔口数据采集处理装置15、地层放射测量短节16、电池筒17、钻孔轨迹测量短节18、有线传输钻杆19。

实施例：

参见图1，基于煤系地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，其工作步骤如下：

步骤一：井下定向孔轨迹初步设计。首先根据井下定向孔施工目的选择合适的完整煤岩层作为施钻目标地层1；然后根据井下定向孔目标覆盖区域，设计井下定向孔方位角和左右位移，确定井下定向孔平面延伸方向；再根据目标地层1厚度和倾角，计算出沿井下定向孔平面延伸方向上的上边界线4、下边界线5的标高，设计井下定向孔倾角和上下位移，确保井下定向孔设计轨迹8在目标地层1中延伸。

步骤二：建立煤系地层岩性随钻识别判据。在钻场施工一个或多个取心钻孔，获得井下定向孔可能钻遇的所有煤系地层岩样，建立钻孔孔深与地层岩性的对应关系；从钻孔内下入煤系地层物性参数随钻测量装置，对煤系地层的自然放射性进行测试，根据钻孔孔深与岩性的对应关系，获得目标地层1、上部相邻地层2、下部相邻地层3的自然放射值，从而建立煤系地层岩性随钻识别判据。

步骤三：煤系地层物性参数随钻测量。将煤系地层物性参数随钻测量装置的孔内仪器串安装在定向钻具13后的无磁仪器外管14内，钻进施工过程中，实时测量钻孔钻遇地层的物性参数并上传至孔口数据采集处理装置15。

步骤四：煤系地层岩性随钻识别。当采用滑动定向钻进工艺时，利用直接参数对比法，将随钻测量得到的地层全自然放射值与步骤一获得的矿区各煤系地层自然放射值进行对比，判断出定向钻头12所处地层岩性；当采用复合钻进工艺时，利用方位放射玫瑰花图对比法，判断出定向钻头12所处地层岩性。

步骤五：钻孔轨迹测量。钻进进尺达到设计测量间隔，或者实钻轨迹9钻遇上边界线4、下边界线5时，进行钻孔轨迹测量，获得钻孔实钻轨迹9三维坐标值。

步骤六：目标地层1倾角修正。根据步骤四岩性识别结果和步骤五钻孔轨迹测量结果，修正目标地层1倾角。

步骤七：井下定向孔设计轨迹8调整。将上边界线4、下边界线5按修正后的目标地层1倾角延伸，得到预测上边界线10、预测下边界线11标高，并调整钻孔设计倾角和上下位移，将钻孔轨迹控制在预测上边界线10、预测下边界线11之间的目标地层1中延伸，钻孔设计方位和左右位移不变。

步骤八：井下定向孔导向钻进。按照调整后的钻孔设计轨迹8进行钻进，控制实钻轨迹9沿设计平面延伸方向在目标地层1中延伸，钻进过程中，重复步骤3～步骤7，直至达到设计孔深，提钻终孔。

步骤一所述的上边界线4是指目标地层1与上部相邻地层2的边界线；下边界线5是指目标地层1与下部相邻地层3的边界线，上边界线4与下边界线5之间的地层为目标地层1。

步骤六所述的目标地层1倾角修正具体方法为：将钻孔实钻轨迹9与上边界线4的交点记为见顶点6，将钻孔实钻轨迹9与下边界线5的交点记为见底点7，同一孔深时，见顶点6上下位移等于见底点7上下位移加上目标地层1厚度；在钻孔实钻轨迹9上下位移图上标示出见顶点6和见底点7，将相邻两个见顶点6用直线连接起来形成上边界线4，相邻两个见底点7用直线连接起来形成下边界线5，目标地层1起伏倾角与上边界线4和下边界线5倾角相同，即相邻两个见顶点6或见底点7的上下位移差值除于孔深差值后进行反正弦计算得到的角度。

参见图2，煤系地层物性参数随钻测量装置由孔口数据采集处理装置15、地层放射测量短节16、电池筒17和钻孔轨迹测量短节18组成，其中地层放射测量短节16、电池筒17和钻孔轨迹测量短节18依次连接组成孔内仪器串，与孔底定向钻头12的距离≤3m，探查识别距离≥03m；可实时测量钻孔轨迹参数、定向钻具13状态参数和地层物性参数，其中钻孔轨迹参数是指钻孔倾角和方位角，定向钻具13状态参数是指定向钻具13工具面向角，地层物性参数是指地层全自然放射值、地层方位自然放射值和放射角。所述地层放射测量短节16为圆柱状结构，其内设置有两个测量窗口，一个窗口开窗角度360°，可接收径向所有方向的地层自然放射物质，对应测量值为地层全自然放射值；另外一个窗口开窗角度为120°，只可接收径向120°方向范围内的地层自然放射物质，对应测量值为地层方位自然放射值，此时的窗口朝向为放射角。

步骤三所述的煤系地层物性参数随钻测量具体流程如下：利用孔口数据采集处理装置15通过有线传输钻杆19给地层放射测量短节16下达地层物性参数测量操作指令，地层放射测量短节16在电池筒17供电情况下工作，采集地层全自然放射值、地层方位自然放射值和放射角，然后通过有线传输钻杆19上传至孔口数据采集处理装置15进行显示、分析；单组数据上传时间≤10s。

步骤五所述的钻孔轨迹测量，具体流程如下：利用孔口数据采集处理装置15通过有线传输钻杆19给钻孔轨迹测量短节18供电和下达钻孔轨迹测量操作指令；钻孔轨迹测量短节18采集倾角、方位角和工具面向角数值后，通过有线传输钻杆19上传至孔口数据采集处理装置15进行显示，并计算出当前钻孔三维坐标值，绘制出钻孔实钻轨迹9左右位移图和上下位移图；单组数据上传时间≤1s。

参见图3，方位伽马玫瑰花图对比法，具体方法为：首先用圆周角代表放射角数值，用半径长度代表地层方位自然放射值，建立动态方位放射玫瑰花图坐标系；然后将最近10次不同放射角时的地层方位自然放射值在坐标系中标示出来，并顺次将相邻点连线，形成方位放射玫瑰花图；在方位放射玫瑰花图中得到放射角0°和180°时的地层方位自然放射值；当0°地层方位自然放射值与上部相邻地层2自然放射值相近，且180°地层方位自然放射值与目标地层1方位自然放射值相近，说明钻孔实钻轨迹9钻遇上边界线4；当0°地层方位自然放射值与目标地层1方位自然放射值相近，180°地层方位自然放射值与下部相邻地层3自然放射值相近时，说明钻孔实钻轨迹9钻遇下边界线5；当0°地层方位自然放射值与180°地层方位自然放射值相差不大，说明钻孔实钻轨迹9在原地层中延伸。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了目标地层1、上部相邻地层2、下部相邻地层3、上边界线4、下边界线5、见顶点6、见底点7、设计轨迹8、实钻轨迹9、预测上边界线10、预测下边界线11、定向钻头12、定向钻具13、无磁仪器外管14、孔口数据采集处理装置15、地层放射测量短节16、电池筒17、钻孔轨迹测量短节18、有线传输钻杆19等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种基于地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进系统，其特征在于，包括：孔内设备以及与所述孔内设备相连的孔口数据采集处理装置，其中，所述孔内设备安装于钻具内，其包括依次串联的地层放射测量短节、电池筒、钻孔轨迹测量短节；所述地层放射测量短节为圆柱状结构，其内设置有开窗角度为360°的第一测量窗口和开窗角度为120°第二测量窗口。

2.根据权利要求1所述的一种基于地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进系统，其特征在于，所述孔内设备还可测量定向钻具状态参数，并且，所述孔内设备与孔底定向钻头的距离≤3m，探查识别距离≥0.3m。

3.一种基于地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，其特征在于，实时获取钻头位置地层岩性物性参数并与已知的矿区各煤系地层岩性物性参数对比从而获得钻头所处地层岩性，根据钻头所处地层岩性调整钻孔的目标地层倾角和井下定向孔设计轨迹，按照调整后的设计轨迹进行定向钻进，直至达到设计孔深，提钻终孔。

4.根据权利要求3所述的一种基于地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，其特征在于，所述矿区各煤系地层岩性物性参数的获得方法为：

利用取心钻孔采集煤系地层岩样，建立钻孔孔深与地层岩性的对应关系，将用于采集物性参数的孔内设备放入取心钻孔内以采集煤系地层岩性的物性参数，从而获得目标地层、上部相邻地层、下部相邻地层的自然放射参考值。

5.根据权利要求3所述的一种基于地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，其特征在于，实时获取钻头位置地层岩性物性参数的方法为：将孔内设备安装于定向钻具内，利用孔内设备实时测量钻孔钻遇地层岩性物性参数，所述物性参数包括地层全自然放射值、地层方位自然放射值和放射角；并且单组数据上传时间≤10s。

6.根据权利要求3所述的一种基于地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，其特征在于，

还利用安装于定向钻具内的孔内设备测量钻孔轨迹参数，利用所述钻头所处地层岩性和钻孔轨迹测量参数结果调整目标地层倾角和井下定向孔设计轨迹；

其中，所述钻孔轨迹参数包括：钻孔倾角、钻孔方位角和工具面向角，并且单组数据上传时间≤1s。

7.根据权利要求3所述的一种基于地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，其特征在于，将钻头位置地层岩性物性参数与已知的矿区各煤系地层岩性物性参数对比包括：

当采用滑动定向钻进工艺施工时，利用直接参数对比法，将随钻测量得到的地层岩性物性参数与矿区各煤系地层岩性物性参数进行对比；

当采用复合钻进工艺时施工时，利用方位放射玫瑰花图对比法，将随钻测量得到的地层岩性物性参数与矿区各煤系地层岩性物性参数进行对比。

8.根据权利要求7所述的一种基于地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，其特征在于，所述方位放射玫瑰花图对比法具体为：

用圆周角代表放射角数值，用半径长度代表地层方位自然放射值，建立动态方位放射玫瑰花图坐标系；

将最近10次不同放射角时的地层方位自然放射值在坐标系中标示出来，并顺次将相邻点连线，形成方位放射玫瑰花图；

在方位放射玫瑰花图中得到放射角0°和180°时的地层方位自然放射值；

当0°地层方位自然放射值与上部相邻地层自然放射值相近，且180°地层方位自然放射值与目标地层方位自然放射值相近时，判断钻孔实钻轨迹钻遇上边界线；当0°地层方位自然放射值与目标地层方位自然放射值相近，180°地层方位自然放射值与下部相邻地层自然放射值相近时，判断钻孔实钻轨迹钻遇下边界线；当0°地层方位自然放射值与180°地层方位自然放射值相差不大时，判断钻孔实钻轨迹在原地层中延伸。

9.根据权利要求3所述的一种基于地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，其特征在于，所述根据钻头所处地层岩性调整钻孔的目标地层倾角为：

将钻孔的目标地层倾角调整为相邻两个见顶点或见底点的上下位移差值除于孔深差值后进行反正弦计算得到的角度；其中，见顶点为钻孔实钻轨迹与上边界线的交点；见底点为钻孔实钻轨迹与下边界线的交点。

10.根据权利要求3所述的一种基于地层岩性随钻识别的井下定向孔顺层导向钻进方法，其特征在于，所述根据钻头所处地层岩性调整钻孔的井下定向孔设计轨迹为：

将钻孔的上边界线、下边界线按修正后的目标地层倾角延伸，得到预测上边界线、预测下边界线的标高，调整钻孔设计倾角和上下位移，将钻孔轨迹控制在预测上边界线、预测下边界线之间的目标地层中延伸。