定向钻孔三维轨迹的模拟方法及工程实际运用
钻机开孔定向仪及轨迹测量装置在钻孔施工中的应用
ENERGY AND ENERGY CONSERVATION
2019年12月
实践运用
钻机开孔定向仪及轨迹测量装置在钻孔施工中的应用
赵益晨
(山西焦煤汾西矿业地测处，山西介休032000)
摘 要：钻孔施工是井下瓦斯治理、防治水、地质勘探等工作开展的基础性工作，由于受地质构造、钻机性能、煤层
赋存条件、人工测量偏差等彩响，钻孔的实际轨迹与设计轨迹存在较大偏差。为了更好地促进矿井生产，需要控制钻孔
开孔偏差并掌幅提升钻孔开孔参数测量精度 ，避免人工测量偏差； YZG4.8矿用钻孔轨迹测量装置可以实现对钻孔钻进轨迹的精准测量。现场试验也表明，YHZ85/360矿用钻机开孔定向 仪、YZG4.8矿用钻孔轨迹测量装置可以在一定程度上提升矿井钻孔的施工质量，根据钻孔轨迹测量结果，有针对性地对
0引言
中国煤炭赋存条件复杂，且95%以上的矿井开采 为井工开采。钻孔是井下瓦斯治理、探放水、地质勘 探等工作开展的重要途径叫现阶段，中国矿井钻孔施 工多采用回转钻机，钻孔的开孔方位角、倾角都采用 人工测量，由于受到人工测量偏差、煤层赋存条件、 钻机性能、人员素质等诸多方面的影响，钻孔的实际 成孔轨迹与设计轨迹之间存在较大的偏差 ，钻孔的钻 进深度越大，偏差越明显叫瓦斯抽采钻孔实际成孔与 设计钻孔存在较大偏差，在煤层中容易形成瓦斯抽采 空白带，给矿井生产带来安全隐患；在地质勘探中， 实际的勘探钻孔与设计钻孔轨迹偏差较大，给勘探成 果解释以及勘探精度都带来不利影响；在防治水中， 实际探放水钻孔与设计探放水钻孔存在较大偏差，给 井下防治水工作开展带来严重影响，甚至会岀现安全 生产事故g］。因此，提升矿井钻孔钻进质量，降低实 际成孔与设计轨迹之间的偏差，对促进矿井的生产安
3-煤矿井下定向钻孔轨迹设计解析
二、定向钻孔的类型 （一）按施工技术方法分类
1 、自然弯曲定向孔。利用钻孔在一定地质条件 下的自然弯曲规律设计钻孔轴线，通过移动孔位或 改变开孔倾角、方位角，采用常规钻进技术工艺， 必要时利用孔斜控制理论辅以一般的增斜、减斜措 施，达到基本按设计的钻孔轴线钻达目的层的钻孔。 自然弯曲定向孔又称初级定向孔。 2、人工弯曲定向孔。采用人工造斜工具与技术 强制进行人工弯曲，并克服钻孔自然弯曲的影响， 或者利用钻孔自然弯曲规律与人工造斜工具强制进 行人工弯曲相结合，使钻孔按设计轨迹钻达目的层 的钻孔。又称受控定向孔。
钻孔主设计方位角确定
• 钻孔主设计方位角根据矿区地质图与巷道走向等 确定，便于左右偏差及垂深的计算，一般设定煤 矿井下定向钻孔的主延伸方向为钻孔主设计方位 角，从而确定钻孔轨迹的空间位置。
钻场设计坐标系的确定
• 在过开孔点的水平面内，以开孔点为原点，X轴正向指向钻 孔主设计方位，顺时针旋转90°为Y轴正方向，Z轴正方向垂 直指向上，即符合左手螺旋法则。 • 钻孔设计坐标系内，定向钻孔轴线上任一测点在Z轴上投影
三、钻孔轴线及相关参数
（二）确定钻孔轴线空间位置的几何参数
当钻孔弯曲时，用弯曲强度或曲率、曲率半径来表征钻孔 弯曲的强烈程度。
7、弯曲强度：钻孔弯曲强度是指钻孔轴线单位长度上倾角
或方位角变化的度数。 当钻孔轴线只有倾角变化时,用倾角弯曲强度表示， 当钻孔轴线只有方位角变化时，用方位角弯曲强度表示， 当钻孔轴线既有倾角变化，又有方位角变化时，用全弯曲
二、定向钻孔的类型
（三）按钻孔孔底结构分类 1、单底定向孔。只有一个主干孔的定向孔。 2、多底定向孔。主干孔(首先完成的钻孔)钻进 后，再从主干孔内开出其他分支孔的定向孔。它又分 一级和多级分支定向孔。
煤矿井下定向钻孔轨迹控制课件
煤矿井下定向钻孔轨迹控制
36
黄陵二号煤矿施工煤矿钻井下孔定向平钻孔面轨迹图控制
37
10
6
2
-2 0
0
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黄陵二号煤矿 4#钻孔实钻轨迹剖面图
20
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黄陵二号煤矿 4#钻孔实钻轨煤矿迹井左下定右向钻偏孔差轨迹图控制
排量 lpm
转 速 rp m
上紧 扭矩
Nm
73
181-24
4:5
3
2.85
62. 5
3116-35 1367-05
1620
输出 扭矩 Nm
257
最大 过载 拉力 kN
89
最大 钻压 kN
27
最大 压降 kPa
2758
煤矿井下定向钻孔轨迹控制
2
螺杆钻具造斜原理
螺杆钻具是一种把液体的压力能转换为机械能的 能量容积式正排量动力转换装置，主要由螺杆马达 （定子、转子）总成、万向轴总成、传动轴总成三大 部分组成。
分支孔成孔几率极低
当倾角<0O时, 工具面180O
分支孔成孔几率低
煤矿井下定向钻孔轨迹控制
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开分支工艺
当倾角>0O时, 工具面0O
分支孔成孔几率极低
当倾角>0O时, 工具面180O
分支孔成孔几率高
分支点选择： 尽量选择“倾角增加孔段”
煤矿井下定向钻孔轨迹控制
煤矿井下近水平定向钻孔轨迹描述与计算方法
煤矿井下近水平定向钻孔轨迹描述与计算方法孙荣军【摘要】摘要:本文在分析地面与井下钻孔轨迹描述习惯不同的基础上,结合煤矿井下定向钻孔施工的特点建立了钻孔轨迹描述体系,提出了描述钻孔轨迹空间位置的主要几何参数的定义和表示方法。
通过分析常用钻孔轨迹坐标计算方法的适用性,提出适合煤矿井下施工特点的最佳计算方法模型,为井下定向钻孔轨迹设计和控制提供了理论依据。
【期刊名称】中国煤层气【年(卷),期】2010(007)004【总页数】5【关键词】关键词:煤矿井下定向钻孔轨迹描述坐标计算1 前言随着煤矿综合机械化采煤技术的发展,煤矿安全生产对井下勘探孔、放水孔、瓦斯抽采孔等施工装备和技术的要求也不断提高,不但要求钻孔施工装备具有较高的钻进效率,同时要能够实现对钻孔轨迹的精确控制[1]。
定向钻进技术以其钻进速度快、定向精度高、“一孔多分支”等优点,已成为高产高效煤矿井下钻孔施工急需的技术手段。
要进行定向钻孔轨迹设计,除根据实际情况建立相应的空间坐标系外,还要搞清楚表征钻孔轨迹空间位置的点、线、面和角之间的关系以及钻孔轨迹的描述方法和计算方法,这些都是进行钻孔轨迹设计和计算的理论基础。
2 钻孔轨迹描述坐标系的建立2.1 地面与井下钻孔轨迹描述体系的不同煤矿井下水平定向钻孔轨迹和地面近水平定向钻孔轨迹一样都是由若干空间直线或曲线组成的,所不同的是地面近水平定向钻孔轨迹都是以地面为参照物建立相应的空间坐标系,而煤矿井下水平定向钻孔则必须以井下钻场为参照物建立空间坐标系。
要进行钻孔轨迹设计,除根据实际情况建立相应的空间坐标系外,还要搞清楚表征钻孔轨迹空间位置的点、线、面和角之间的关系以及钻孔轨迹的描述方法和计算方法,这些都是进行钻孔轨迹设计和计算的理论基础。
地面石油钻井和非开挖导向钻进都有相应的轨迹描述方法体系,而井下随钻测量技术由于尚处于起步阶段,钻孔轨迹描述体系尚不系统。
根据地面与井下钻孔形式和表述习惯不同,其坐标系的建立应有以下不同: (1)参照系不同,地面钻孔一般都以地表平面为参照,而井下习惯以开孔端面为参照;(2)垂直轴(Z)正方向不同,地面一般以垂直向下为正方向,而井下习惯以垂直向上为正方向;(3)井斜描述主参数不同,地面一般以钻孔当前轴线与垂直轴的夹角(即顶角)作为主参数,而井下习惯以钻孔当前轴线与水平轴的夹角 (即倾角)作为主参数; (4)所遵循的坐标系螺旋法则不同,地面一般符合右手螺旋,而井下一般符合左手螺旋,其主要原因是Z轴方向发生了变化。
基于Hoops的钻孔三维可视化技术研究及工程实际运用
第3期
冯治东等: 基于 Ho ops 的钻孔三维可视化技术研究
第 39 页
图 1 钻孔数据库表结构设计 Fig. 1 The structure diagram of drill ing database
2 钻孔和品位可视化坐标换算原理
钻孔可视化是根据数据库数据将钻孔的轨迹和
品位信息显示到用户界面的过程, 钻孔的轨迹显示 以定位表和测斜表为依据。轨迹线可通过三维图像
(3)
z ( i+ 1) = ( i) co s ( i) + z ( i)
式中: x ( i) 、y ( i) 、z ( i) 分别表示钻孔在直角坐标系中
第 i 测斜点的 x 、y 、z 值。计算出每个测斜点在直角
坐标系中的坐标后, 根据设计好的数据结构, 组织缓 存数据, 以每个测斜点为特征点, 用三维图形库提供 的多段线接口绘制出各个钻孔的轨迹线。
钻孔品位显示是以化验表为依据, 显示 钻孔品 位的关键是根据该段样品品位在钻孔轨迹附近以不 同颜色的线段显示并标出品位数, 所以需要知道每 个线段的起点坐标和终点坐标即可调用三维引擎库 画出不同 图案, 然而对 于第 i 段样品 sample( i ) 而 言, 只知道该样品的起点深度 dept h_f rom( i ) 和截止 深度 dept h_to ( i ) , 所以需要在钻孔轨迹数据缓存中 匹配相应位 置, 找 出 dept h _f rom ( i ) 的 上一个测 斜 点, 根据相应测斜参数计算出 dept h_f rom( i ) 的直角 坐标, 同理可计算出 dept h_t o( i ) 的直角坐标。
20 世纪 90 年代以来, 我国学 者进行了大量的 三维矿体可视化建模研究, 姚鑫等[ 1- 3 ] 研究了国外 三维建模软件平台的系统框架与使用方法; 曹代勇 等[ 4- 6] 研究了三维可视化建模 方法, 并初步借助底 层三维图形库( 如 OpenGL 、Direct X 和 GDI 等) , 使 用计算机编程语言( 如 C\ C \ Java\ VB) 构建了三 维可视化软件雏形; 明镜 等[ 7, 8] 分别研究 了三角网 和虚拟钻孔数 据的剖切 问题。这些研究 从整体上 概述了整个矿体可视化过程, 没有从细节上说明每 个步骤的详细 实现方法。本文 论述矿体 可视化过 程中的钻孔可视化, 在可视化工具 上提出使用 C
3-煤矿井下定向钻孔轨迹设计
二、定向钻孔的类型
（二）按设计钻孔轴线形状分类
1、两维平面定向孔。是指孔眼轴线轨迹
只在某个铅垂平面（水平平面）上变化的定 向孔，倾角（方位角）是变化的，而方位
角（倾角）是不变的。
2、三维定向孔。指孔眼轴线轨迹在三维 空间中变化的定向孔。孔眼轴线可以在任意
三维空间内，也可以在三维空间的某个倾斜
平面上。既有倾角的变化，又有方位角的变化。 轨迹型式有曲线型、折线型、直线与曲线的多种组合。
所得到的长度称为上下偏差，用“z”表示“+为上偏”“－”
为下偏。定向钻孔轴线上任一测点向水平面上投影后再向Y 轴投影所得到的长度称为左右偏差，用“y”表示，“+”为
右偏，“－”为左偏。定向钻孔轴线上任一测点向水平面上
投影后再向X轴上投影所得到的长度称为水平位移，用“x” 表示。
定向孔方位角的设计
• 为了便于更好的指导定向钻进施工，一般钻孔轴线终孔方 位角与钻孔主设计方位角一致，便于确定钻孔群中每个主 孔钻孔轴线左右偏差。
二、定向钻孔的类型 （一）按施工技术方法分类
1 、自然弯曲定向孔。利用钻孔在一定地质条件 下的自然弯曲规律设计钻孔轴线，通过移动孔位或 改变开孔倾角、方位角，采用常规钻进技术工艺， 必要时利用孔斜控制理论辅以一般的增斜、减斜措 施，达到基本按设计的钻孔轴线钻达目的层的钻孔。 自然弯曲定向孔又称初级定向孔。 2、人工弯曲定向孔。采用人工造斜工具与技术 强制进行人工弯曲，并克服钻孔自然弯曲的影响， 或者利用钻孔自然弯曲规律与人工造斜工具强制进 行人工弯曲相结合，使钻孔按设计轨迹钻达目的层 的钻孔。又称受控定向孔。
定向孔倾角设计
• ② 根据主孔设计轨迹，在适当孔段（隔50m-80m） 设计探顶分支点，根据实钻施工过程中探测煤层 顶板获得顶板标高资料确定煤层倾向相关参数， 进而修订下一个定向钻孔的设计参数。
三维大斜度定向井实践(上)
三维大斜度定向井实践（上）摘要油气勘探开发的需求，推动着井型的演变与发展，随着定向井、丛式井和水平井技术的日益完善，定向井专用工具、仪器等硬件技术取得了很大进步，硬件技术的进步又促进了钻井工艺水平的发展。
港10—66井具有造斜点浅、位移大、大斜度稳斜角大、变方位角的双目标等特点。
本井为评价井，对钻井液的维护要求高，工艺技术复杂，体现了目前各个方面的最先进的钻井技术。
南于实钻地层与设计地质地层不符，提前完钻。
本文介绍了三维绕障大斜度定向井港10一66定向井工艺实施过程。
关键词定向井专用工具钻井工艺大斜度稳斜角三维绕障大斜度定向井为了评价港中油田港32井区明三、四油组油层(图1)，由于受地面条件限制(周围有道路、学校及住宅小区)，专家们认为优化多目标和优化井眼方位是评价此油层组的关键问题，为了优化目标和井眼方位，需要在水平面大幅度纠方位。
随着定向井技术的日趋完善及定向井公司提供可靠的导向钻井系统支持，使油公司增强了信心，通过论证认为确实能钻成这种井身结构的井，所以选用这种三维大斜度多目标井身剖面——亦称设计师井。
图1 港中油田港32井区明四5底界构造图1 三维大斜度定向井的设计1.1 地面设备的选择根据港中油田港32井区明三、四油组油层埋深浅、地层可钻性好的特点，从经济上考虑合理地选择地面设备，既能满足施工的需要，又能保证施工中各种复杂情况处理措施的有效实施，充分利用现有设备，节省设备投资(表1)。
表 1 钻机诜型及钻井主要设备1.2 三维大斜度定向井剖面选择特殊的航行角和方位可使三维多目标井达到最佳采收率；把造斜率和方位变化率调整到与待钻井眼深度、长度等物理条件相匹配，而不以常规的方式始终对准目标；在选择目标点的同时，使用各种高偏离轨迹容限以便尽可能使井眼轨迹呈流线型；着重考虑井眼摩擦力在允许范围以内、最大限度地避免以定向方式进入目标点钻进(进入目标前设计一段稳斜段)。
最后选择了在12¼″井眼完成初始造斜并用套管封固，既排除因上部地层软而带来的键槽卡钻的可能，又减少了整个井眼的摩擦阻力；在8½″井眼完成稳航(稳航角45°、54.54°)、方位调整(造斜率3.45°／30m)及二次增斜(造斜率3°／30m)作业，从而降低井身剖面的复杂性。
定向井扭方位三维轨迹设计简易解析法
定向井扭方位三维轨迹设计简易解析法
胡丰金;庞保军
【期刊名称】《石油钻采工艺》
【年(卷),期】1996(018)003
【摘要】钻定向井过程中，当预测到井眼轨迹不能按设计要求中靶时，就需要扭方位施工。
扭方位井段的轨迹设计是一个三维计算问题，在现有诸多设计方法中，所使用的公式多，且计算复杂。
本文给出一套简便易行的扭方位三维轨迹设计解析法，经实践检验，可满足现场需要。
【总页数】5页(P32-36)
【作者】胡丰金;庞保军
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TE243
【相关文献】
1.考虑方位漂移的定向井轨迹设计方法 [J], 崔红英;周广陈;张建国
2.三维定向井轨迹设计中对方位漂移的考虑 [J], 段玉廷
3.定向井水平井轨道设计和轨迹计算分析三维可视化技术 [J], 王俊良;李海峰;袁学峰;吴先忠
4.定向井实用三维设计─方位比较法 [J], 谢国民;张良万;杜远洋;钟其沐
5.三维技术在定向井井身轨迹设计中的应用 [J], 李虎;刘旻
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矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。