CN115423897A - 一种资源勘查钻孔轨迹精准恢复的计算方法 - Google Patents

一种资源勘查钻孔轨迹精准恢复的计算方法 Download PDF

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CN115423897A CN202211009234.3A CN202211009234A CN115423897A CN 115423897 A CN115423897 A CN 115423897A CN 202211009234 A CN202211009234 A CN 202211009234A CN 115423897 A CN115423897 A CN 115423897A
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Abstract

本申请涉及一种资源勘查钻孔轨迹精准恢复的计算方法，其包括S1、建立原始数据文件；S2、根据原始数据文件，确定方位角和天顶角的初始边界条件；S3、根据测井工作的孔斜测量成果数据和初始边界条件，采用数学算法可达到拟合出全井段方位角和天顶角随钻进深度H变化的曲线的目的，数学内插有多种算法供选择；S4、将拟合的曲线转换成密点离散数据；S5、运用积分法精确恢复整个钻孔的轨迹；根据资源勘查需求，运用积分法求取对应某个界面的钻井深度的空间位置，进而完成比通常意义下的孔斜校正精度更高的计算；本申请具有方法简单易于编程实现、操作简单实现三维轨迹可视化等功能，钻孔轨迹越复杂，其相对于传统的折线法精度越高的效果。

Description

一种资源勘查钻孔轨迹精准恢复的计算方法
技术领域
本申请涉及资源勘查钻孔的技术领域，尤其是涉及一种资源勘查钻孔轨迹精准恢复的计算方法。
背景技术
资源勘查钻孔是利用钻探设备向地下钻进形成的直径小且深度数百米乃至数千米的柱状圆孔。资源勘探施工中钻孔常常发生偏斜现象，虽然这是一种常见现象，但是因孔斜数据计算精度不足、钻孔轨迹不能精准恢复等原因，当偏斜较大时钻孔评级会受到很大影响，甚至是造成废孔。
造成偏斜的原因是在钻进过程中，有岩性、钻探装备性能和钻工操作等。一是岩石的各向异性在钻头处产生歪倒力矩使粗径钻具倾斜而导致孔斜；二是钻进软硬夹层时，钻头处产生钻压差或钻头沿岩石节理面滑移；三是钻进中遇到溶洞或大裂隙；四是在卵砾石层中钻进；在钻进工艺及操作方面的原因：换径不带导向或粗径钻具本身就弯曲；冲洗液量大冲刷孔壁使孔壁间隙过大，造成粗径钻具或岩心管与钻孔轴线产生偏斜角；采用的钻压过大与转速过快，钻杆柱受轴心压力及回转的影响而呈挠曲状态影响了钻具的稳定性，促使粗径钻具歪倒。
偏斜作用使钻孔轨迹由设计的垂直直线形变成了弯曲的空间曲线形态，表现为钻孔某些深度、大部井段乃至整个井段的天顶角和方位角与设计存在较大偏差，这种现象一般称为孔斜。孔斜较大或高级勘查阶段必须进行校正，而目前勘探单位最常使用的方法是根据测井工作的孔斜测量数据按折线法进行计算加以校正，此方法操作复杂、精度不高，在填表计算过程中还易于发生人为因素导致的错误。有必要提出更高精度、适应性更好的孔斜校正方法。
但是要想精确判断勘探钻孔发生孔斜的程度，就需要求取钻孔的准确空间轨迹。以往通常的做法是在钻探过程中，每隔一段距离，如50m、25m，就测量一次钻孔孔斜数据，钻孔孔斜数据包括天顶角、方位角和孔深；根据钻孔各测点的天顶角、方位角和孔深这些基本要素，采用分段折线的方法计算出各测点的空间坐标，而处于两个测点之间的地层界面，则按线性内插的方式进行计算。
以往对孔斜校正的研究并不少，但基本都是沿用折线法分段累进计算原理方式实现的。一般仅着眼于勘查任务所关注的几个层点空间坐标的计算目的，尽管有的实现了自动计算，但并没有消除折线法所带来的误差；即使是现场测井时进行了局部(多在资源层段)加密，也无法消除加密段以前的系统误差；这些方法都存在已知数据固定有限，且无通过数学方法合理增加计算数据的思路和做法，所以也就谈不上钻井轨迹的精准恢复。因此，有限数据来源的折线分段累进不可避免地存在由有限测点所决定的折线计算所带来的误差。同时，如果想计算更多的层点，还需要人为判断或指出各层点所在折线段位置等手工工作。
资源钻孔存在偏斜是普遍性现象，要完成孔斜校正等目的就需要精准恢复钻孔的空间轨迹。目前对钻孔孔斜的数学表达是由测井成果中的方位角、天顶角与井深的有限离散测量成果。以往要提高孔斜计算的精度的做法只有加密测点密度，但一般只针对资源层段进行加密，资源层段以上仍然由较稀的测点控制。所以当前有必要提出更高精度、适应性更好的孔斜校正方法。
发明内容
为了提出更高精度、适应性更好的孔斜校正方法，本申请提供一种资源勘查钻孔轨迹精准恢复的计算方法。
本申请提供的一种资源勘查钻孔轨迹精准恢复的计算方法采用如下技术方案：
一种资源勘查钻孔轨迹精准恢复的计算方法，包括：S1、建立原始数据文件：原始数据包括勘查钻孔的孔口坐标与高程、测井工作获得的孔斜测量成果数据；孔斜测量成果数据包括间隔设置的钻井深度对应的天顶角和方位角数据；
S2、根据原始数据文件，确定方位角和天顶角的初始边界条件；方位角的初始值按散点曲线趋势延至井口即可，天顶角的初始值设为0；
S3、根据测井工作的孔斜测量成果数据和确定的初始边界条件，可选择多种计算方法，包括线性内插、样条曲线内插法、多项式拟合内插和抛物线内插，实现拟合出方位角和天顶角随钻井深度H变化的曲线的目的；
S4、将拟合的曲线转换成密点离散数据：在拟合曲线上进行密点再采样；密点采样间隔ΔH的可选参数有1、2、5m等。选择的原则要求是，测井曲线越复杂、计算精度要求越高，选择的密点采样间隔应越小；2m一般均能达到精准恢复实际钻孔轨迹的目的，可将默认值设定为2m。
S5、求取钻井轨迹：自井口算起，第i个井深间隔ΔH的水平投影长度ΔLi由下式求得：ΔLi＝ΔH×sinθi；第i个井深间隔DH的垂直投影长度Δhi由下式求得：Δhi＝ΔH×cosθi；第i个井深间隔DH的水平投影所对应的地理坐标增量ΔXi和ΔYi由下式求得：
Figure BDA0003808002300000021
Figure BDA0003808002300000022
设钻孔孔口高程和坐标分别为H0、X0、Y0，则钻孔第M段尾点的空间坐标及高程HM、XM、YM分别由下式计算：
Figure BDA0003808002300000031
按上述公式计算M＝1直到最大井深对应的采样数后，即可求得钻孔实际轨迹。
针对任何一个已知深度的地层界面，运用本方法均可自动计算出密点采样间隔前提下其所在的位置，即可以计算出地层分界面位于第M和M+1个采样点之间时，在完成M段计算的基础上，将M+1段内的坐标与高程的增量累计进去即可，高程的增量相应的设为δXi、δYi、δhi，由下式计算：
Figure BDA0003808002300000032
Figure BDA0003808002300000033
所述步骤S4中密点采样间隔ΔH的可选参数有1、2、5m等，选定密点采样间隔后进行步骤S5中的计算，密点采样间隔越小，钻孔轨迹恢复的效果越好，即精度越高。通过多个模型计算分析，设定拟合密点采样密间隔为2m，绝大多数情况下均能满足钻孔轨迹的精准恢复。故可将密点采样间隔默认为2m。
通过采用上述技术方案，能够由有限的孔斜测井数据求取精度符合要求的连续曲线，即
Figure BDA0003808002300000034
和fθ＝f(H)，由这两条曲线就能够精准表达钻孔轨迹。这个思路解决了前人在进行钻孔轨迹恢复时，无法有更多的数据来源的问题，提高了计算精度和计算效率；本方法可以便于计算任意井深处的空间坐标，为矿山数字建模的钻孔成果数据建库打下了坚实基础；本方法还可为测井规范中有关孔斜测量要求的优化提供支撑，减少目前实际测井工作中为提高精度采用多种采样间隔反复测井带来的效率低、劳动强度大等问题，从而降低有可能带来的孔内事故的隐患。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.运用多种数学曲线拟合算法对天顶角、方位角与钻孔深度的关系的离散曲线进行拟合可得到方位角、天顶角随钻井深度的连续曲线，该曲线即可视作真实的方位角、天顶角随钻井深度的连续曲线；对所得的曲线进行密点采样，再运用积分算法进行计算即可实现法钻孔轨迹的精准恢复；
2.运用本方法进行编程，有明确的思路、实现简单、既可完成原始数据的交互输入、计算成果表格的自动输出，还可形成钻孔轨迹的三维立体显示和平剖面投影显示。同时，本方法完善了计算方法，提高了工作效率和成果精度，还可避免以往方法人工填表、选择等步骤容易产生错误的问题；
3.采用本申请的计算方法，可得到该钻孔内任何指定层位的空间坐标，计算的任意一层的空间坐标都可以直接用于该层平面成果图的编制；在完成钻孔轨迹精准恢复的基础上，还可以实现向任意走向地质剖面进行钻孔投影；精准恢复的钻孔轨迹也是数字化矿山的重要基础资料之一。所有这些都可以由编程来实现。
4.本计算方法还可对资源勘查有关测井规范中关于孔斜测量的要求的优化提供支撑，减少目前实际测井工作中为提高精度采用多种采样间隔反复测井带来的效率低、劳动强度大等问题，从而降低有可能带来的孔内事故的隐患。
附图说明
图1为两种理论模型的方位角；
图2为两种理论模型的天顶角曲线；
图3为理论2的钻孔轨迹水平投影；
图4为不同测斜点间隔(50、20、10、5m)情况下传统折线法计算的钻孔轨迹水平投影与理论模型钻孔轨迹的对比；
图5为测斜点间隔为50m时抛物线内插法与传统折线法计算的钻孔轨迹水平投影及与理论模型钻孔轨迹水平投影的对比；
图6为测斜点间隔为20m时抛物线内插法与传统折线法计算的钻孔轨迹水平投影及与理论模型钻孔轨迹水平投影的对比；
图7为理论模型进行50m间隔测斜点采样，在资源段加密测斜点至20m和10m的情况下采用传统折线法计算的钻孔轨迹水平投影；
图8为理论模型进行20m间隔测斜点采样，在资源段加密测斜点至10m的情况下采用传统折线法计算的钻孔轨迹水平投影；
图9为理论模型的孔斜参数曲线与实际测井曲线的孔斜曲线的复杂程度对比示意图；
图10为方位角初始值的确定示意图；
图11为第i段的各种投影及增量示意图。
具体实施方式
以下结合附图1-11对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开了一种资源勘查钻孔轨迹精准恢复的计算方法。
一种资源勘查钻孔轨迹精准恢复的计算方法包括：建立原始数据文件：本计算方法的数据依据为测井工作的孔斜测量成果数据(天顶角和方位角与观测深度的对应关系。观测间隔不超过20m时不需要进行局部加密测量和相应的数据)和勘查钻孔的孔口坐标与高程；工程关注(编制成果图)的界面(或其他目标)对应的钻进深度。
首先，根据初始测井的数据离散曲线，确定方位角
Figure BDA0003808002300000041
和天顶角θ的边界条件(初始值)，原则为：天顶角的初始值恒定为0；方位角的初始值可由实测曲线沿趋势合理延伸至井口来确定。
根据测井测斜数据，选择数学内差方法，如线性内插、样条曲线内插法、多项式拟合内插、抛物线内插等，这些方法都有成熟的数学公式和算法。拟合出方位角
Figure BDA0003808002300000056
和天顶角θ随钻井深度H的变化曲线，即能够由有限的测井孔斜数据求取精度符合要求的连续曲线，即
Figure BDA0003808002300000057
和fθ＝f(H)，由这两条曲线就能够精准表述钻孔轨迹。这个方法思路解决了前人在进行钻孔轨迹恢复时无法有更多的数据来源的问题，也减少了目前实际测井工作时，为了提高精度采用多种采样间隔反复测井带来的低效问题和有可能的孔内事故的隐患。
将连续的曲线进行密点采样转换成离散数据。根据精度要求，选择拟合曲线的再采样，设密点采样间隔为ΔH。拟合曲线的再采样间隔进行选择，如设计成1m、2m、5m、10m等可选择参数。通过理论模型与实际测井资料计算，综合分析，ΔH不大于10m时一般情况下的精度要求能够满足；ΔH＝2m可满足更为复杂情况下的精度要求。因此，将ΔH＝2m设为默认参数。
拟合曲线进行密点采样后，则可以计算得到钻井深有多少个采样间隔；也可以求得第i个采样间隔ΔH的水平投影长度ΔLi和垂直投影长度Δhi。
精准的钻井轨迹求取(恢复)。自井口算起，第i个井深间隔ΔH的水平投影长度ΔLi由下式求得：
ΔLi＝ΔH×sinθi (1)
第i个井深间隔DH的垂直投影长度Δhi由下式求得：
Δhi＝ΔH×cosθi (2)
第i个井深间隔DH的水平投影所对应的地理坐标增量ΔXi和ΔYi由下式求得：
Figure BDA0003808002300000051
Figure BDA0003808002300000052
设钻孔孔口高程和坐标分别为H0、X0、Y0，则钻孔第M段尾点的空间坐标及高程HM、XM、YM分别由下式计算：
Figure BDA0003808002300000053
Figure BDA0003808002300000054
Figure BDA0003808002300000055
按上述公式计算M＝1直到最大井深对应的采样数后，我们就可以准确求得(或称恢复)钻孔实际轨迹。
如果某个地层分界面位于第M和M+1个采样点之间时，我们就可以在完成M段计算的基础上，将M+1段内的坐标与高程的微小增量(相应的设为δXi、δY、δhii)累计进去即可，计算公式见下：
Figure BDA0003808002300000061
Figure BDA0003808002300000062
Figure BDA0003808002300000063
对于任何一个界面深度而言，先按选定的计算间隔求出其所在的采样段数，继而根据公式(5)～(10)进行相应的计算，即可得到该钻孔该层位的空间坐标。所有这些都可以由编程来实现。
进行编程时，我们可设置了拟合加密间隔ΔH的选项，有1、2、5、10、20、25、50m等多个选项。10、20、25、50m三个选项主要用于本方法与目前常用方法进行对比分析，测试计算方法与编程效果，实际运用时并不选择。而1、2、5m的密点采样间隔则用于实际的钻孔轨迹精准恢复来选择，孔斜测井给出的天顶角较小且方位角变化较缓慢时，间隔可选择大一些，如5m；否则，情况较复杂且变化剧烈时则应选择小一点；默认情况下我们设定拟合加密间隔为2m，可以满足绝大多数情况。
参考图1和图2，展示的两个理论模型均较实际的钻孔方位角的变化更为剧烈，结果在这种情况下能够精准恢复设计模型的钻孔轨迹，方法运用于实际情况精度会更高。
参考图3，从钻孔轨迹的水平投影可以看出理论模型的复杂情况。
参考图4，随着全井段测井孔斜采样间隔的不断加密，传统的折线法也可以精确地恢复钻孔轨迹；但是实际情况下是不允许如此操作，一方面测井效率低下，另一方面容易出现孔内事故造成很大损失；过密的采样间隔会造成大量冗余数据，给常规计算表格的操作和计算带来麻烦。本申请就是不需要过度加密，也可以取得加密的效果和精度；而且本方法并不要求实际测井时一定要等间隔采样。
参考图5，即使是采用50m间隔的测斜数据，运用本方法，求取的钻孔轨迹与实际情况也很接近；如果用于较为简单与大多数实际情况相接近的模型进行计算，精度依旧可以提高。
参考图6，20m间隔的测斜数据，运用本方法，求取的钻孔轨迹与实际情况几乎一致，精度完全达到要求；运用其他的拟合曲线进行计算结论相同。这表明，本方法只需要一条采样间隔正常的钻井测斜成果，无需进行加密测量，即可确保钻孔精准恢复。
参考图7，在测斜点间隔为50m时，如果A以深为资源层段，在该段进行孔斜加密测量后，采用传统折线法计算的钻孔轨迹则由两段构成。显而易见，资源段的钻孔轨迹形态更接近于真实情况，但无法消除A点以上段的大间隔所带来的误差。如果B点以深为资源层段，对该段进行加密测斜，得出的结论与A点相同。
参考图8，在测斜点间隔为20m时，如果A以深为资源层段，在该段进行孔斜加密测量后，即加密至10m，采用传统折线法计算的钻孔轨迹同样由两段构成。资源段的钻孔轨迹形态与真实情况更接近，但并无本质的提高。如果B点以深为资源层段，对该段进行加密测斜，得出的结论与A点相同。此图表明，当采样间隔达到一定程度时加密采集数据并不能给钻孔轨迹恢复提高精度带来明显效果。
参考图9，实际资源钻孔的孔斜程度较理论模型明显简单，则本方法的计算精度更容易保证，常规实际孔斜采样间隔50m基本已经满足要求；为了保险起见，建议实际开展钻孔孔斜测量时，采样间隔选择20m或25m即可。
参考图10，当实际测井时，孔斜测量数据没有提供井口处的数据，即缺少初始值，方位角和天顶角的初始值根据图6所示方法确定。。
参考图11，直观示意出第i段的各种投影与增量的关系。
本申请对数据采样间隔是否等间距没有要求，只要平均采样间隔围绕着20～25m即可，且没有特别大的空白即可，特别大的空白指2～3倍平均间隔以上。
本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种资源勘查钻孔轨迹精准恢复的计算方法，其特征在于：包括：S1、建立原始数据文件：原始数据包括勘查钻孔的孔口坐标与高程、测井工作获得的孔斜测量成果数据；孔斜测量成果数据指根据现行规范要求设定采样间隔的钻井深度对应的天顶角和方位角数据；
S2、根据原始数据文件，确定方位角和天顶角的初始边界条件；方位角的初始值按散点曲线趋势延至井口即可得到，天顶角的初始值设为0；
S3、根据测井工作的孔斜测量成果数据和确定的初始边界条件，可选择多种计算方法，包括线性内插、样条曲线内插法、多项式拟合内插和抛物线内插，实现拟合出方位角和天顶角随钻井深度H变化的曲线的目的；
S4、将拟合的曲线转换成密点离散数据：在拟合曲线上进行密点再采样；密点采样间隔ΔH明显小于测井时的孔斜测量的井深采样间隔,根据精度要求可设计多种选择；
S5、求取钻井轨迹：自井口算起，第i个井深间隔ΔH的水平投影长度ΔLi由下式求得：ΔLi＝ΔH×sinθi；第i个井深间隔DH的垂直投影长度Δhi由下式求得：Δhi＝ΔH×cosθi；第i个井深间隔DH的水平投影所对应的地理坐标增量ΔXi和ΔYi由下式求得：
Figure FDA0003808002290000011
Figure FDA0003808002290000012
设钻孔孔口高程和坐标分别为H0、X0、Y0，则钻孔第M段尾点的空间坐标及高程HM、XM、YM分别由下式计算：
Figure FDA0003808002290000013
按上述公式计算M＝1直到最大井深对应的采样数后，即可求得钻孔实际轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种资源勘查钻孔轨迹精准恢复的计算方法，其特征在于：所述步骤S5中，地层分界面位于第M和M+1个采样点之间时，在完成M段计算的基础上，将M+1段内的坐标与高程的增量累计进去即可，高程的增量相应的设为δXi、δYi、δhi，由下式计算：
Figure FDA0003808002290000014
Figure FDA0003808002290000015
第M和M+1个采样点之间井深增量对应的高程和坐标增量由所述步骤S5中公式计算求得。
3.据权利要求2所述的一种资源勘查钻孔轨迹精准恢复的计算方法，其特征在于：所述步骤S4中密点采样间隔ΔH的可选参数有1、2、5m等，选定密点采样间隔后进行步骤S5中的计算，密点采样间隔越小，钻孔轨迹恢复的效果越好，即精度越高，密点采样间隔为2m一般均能达到精准恢复实际钻孔轨迹的目的，故可将2m设定为默认值。
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