3-煤矿井下定向钻孔轨迹设计解析

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需要考虑分支点在煤层中的位置
在设计钻孔分支时，使钻孔的轨迹尽可能平滑
有潜在的打捞因素的钻孔设计
要考虑以下因素：
• Φ95mm套管钻杆与Φ73mm通缆钻杆比较，钻杆
壁薄，直径较大的因素
• Φ95mm套管钻杆与Φ73mm通缆钻杆比较，柔
韧性（可弯曲度）较小
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在设计钻孔的弯曲与分支时，应该考虑Φ95mm 套管钻杆，而不是只考虑Φ73mm通缆钻杆的可 弯曲性
在我国除部分磁力异常的地方外，一般磁偏角都是 西偏。磁北比真北偏左，加上磁偏角；磁北比真北偏右， 减去磁偏角；在我国一般是加上。
西安某日某时的磁偏角是： -3.74 º （西磁）
磁方位角概念
磁方位角＝真方位角－磁偏角 （西磁为负，东磁为正）
例：西安地区磁偏角为 西磁 2º 29´, 真方位角为 120º ，磁方位角？若再 已知坐标纵线磁方位角 为100º ，坐标方位角？
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
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。
二、定向钻孔的类型
（1）一级分支定向孔。所有分支孔从同一主孔分 支。 a ．平面型一级分支定向孔。如单向羽状孔、 双向羽状孔。b．空间型一级分支孔。分支孔从主孔 按任一选定顺序向几个方向弯曲到达预定目标，它 又称空间型集束孔。 （2）多级分支定向孔。主干孔中有分枝孔，分支 孔中再有分支孔。
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。
强度表示。
四、钻孔轴线空间位置计算
钻孔轴线空间位置计算的基本原理：
将钻孔轴线分成若干小段，根据每一小段端点的测斜数据，
将每一小段钻孔轴线看作为直线或曲线进行叠加计算。
钻孔轴线空间位置的计算方法：
现行的计算方法主要有全角全距法、全角半距法、均角全 距法、曲率半径法和最小曲率法。
均角全距法钻孔轴线空间位置计算
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对于短钻孔（<500米），有较大机会维持钻孔 的稳定性。 ZDY6000LD定向钻机主要用于孔深800m以内定 向钻孔施工，须根据煤层地质条件，设计钻孔 轨迹。
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钻孔的倾斜度和方位
• 根据煤层倾角，设计钻孔剖面轨迹。 对于下行孔来讲，提高冲洗水量，需要充分冲 洗出孔内钻屑，以防出现钻渣堆积造成卡埋钻 杆。 • 根据钻场尺寸和定向孔个数，避免串孔等事故， 合理选择开孔方位角、倾角、孔间距等。
三、钻孔轴线及相关参数
（一）钻孔轴线空间要素（参数） 钻孔轴线的空间形态可以用轴线上的一些参数来 表征。定向钻孔轴线的空间要素包括：钻孔轴线上各 点的倾角、方位角和孔深，钻孔垂深、水平位移和水 平偏差，以及曲线段的曲率或弯曲强度等。 根据钻孔轨迹的基本要素，就可以利用一定的计 算方法，求出轨迹上每一点的空间坐标。
钻孔的目的
• • 首先确定为什么要打这个钻孔 在设计钻孔时要尽可能收集所有的参考资料 （地质、测量、地面钻孔、煤层钻孔等） 尽可能准确地预测煤层中的钻孔轨迹，当具备 最新资料时，应该尽可能采用。
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钻孔长度
• 钻孔越长，成孔率越低，在钻孔中所产生的摩 擦力越大，所需给进压力、泥浆泵压力越大， 钻孔风险加大。
定向钻孔设计参数
• 基本弯曲角度 (每 6 米):
– 水平方向（方位角）: 0.75 到 1.0 度 – 垂直方向（倾角）: 0.75 到 1.0 度 – 常用曲率半径：r=57.3/(1 /6)=344m
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最大弯曲角度 (每 6 米):
– 水平方向（方位角） : 1.5 度 – 垂直方向（倾角） : 1.5 度 – 最小曲率半径：r=57.3/(1.5/6)=229m
定向孔倾角设计
• （1）工作面煤层顶底板标高已知 • 若矿方已在预定实施定向钻进的工作面开掘出运 输顺槽和回风顺槽，根据运输顺槽和回风顺槽底 板标高，和掘进巷道时地质构造情况，运用三角 函数关系计算出各钻孔测点标高，依据各个测点 的标高，推算出钻孔轨迹各孔段的倾角，完成定 向钻孔轨迹剖面设计。
定向孔倾角设计
五
定向钻孔设计方法与实例
• 需要一份准确反映布孔区域的煤层空间走势的采掘工 程平面CAD图（含煤层顶底板等高线、巷道分布、 地质构造分布等）及煤层柱状图。
• 分析布孔区域煤层顶底板岩性、煤层硬度、瓦斯含量 及压力、地质构造（断层、陷落柱、煤层走势起伏） 条件，是否适合采用定向钻孔。
• 选择合适钻场位置，尽量设计上行孔，以便钻孔返渣！ 且钻孔方向煤层倾角变化不大，避免急增突减。
1、计算模型 1）将相邻两测点间的钻孔轴线看作为直线。 2）该直线的倾角、方位角分别为上、下两测点的倾角、方位角的 平均值。 3）整个钻孔轴线仍是直线与直线连接的折线。其实质是以弦代弧。
2、计算方法特点
1）此法比全角全距法稍复杂一些，但比全角半距法简单，是现场 手算常常采用的方法。
2）以上、下两测点倾角、方位角的平均值作为轴线的计算角度， 降低了增斜段和减斜段水平位移、垂直深度的计算误差。
• 图中：α0为真北方位角；α1开孔方位角；α2终孔方位角； α3主设计方位角；θ为方位角增量；L为左右偏差。
定向孔方位角的设计
• （1） 煤矿开拓图上确定真北方位角α0，根据巷道 走向及现场条件，确定设计主方位角α3。 • （2） 根据煤矿要求及地质构造情况，在二维水 平投影图上确定靶区及左右偏差L。 • （3） 依据Ф73mm通缆钻杆抗全弯曲强度 i<0.33°/m，确定分支点与稳斜点。为避免孔内事 故，钻孔主孔轴线需尽可能平滑，避免急转弯曲 线，造斜曲线段方位角弯曲强度iα一般选取 0.083°/m（0.5°/6m）。
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。
煤矿井下定向钻孔轨迹设计
中煤科工集团西安研究院钻探所
定向钻孔轨迹设计
一、基本概念
二、定向钻孔类型
三、钻孔轴线及空间位置计算
四、定向钻孔轨迹设计的依据
五、定向钻孔轨迹设计方法与实例
一、定向钻孔基本概念
1、定向钻进
石油钻井中对定向钻进技术的定义为沿着预先设计的孔 眼轴线钻达目的层的钻孔方法。地质钻探中对定向钻进技术 的定义是指利用钻孔自然弯曲规律或采用人工造斜工具使钻 孔按设计要求进行延伸钻到预定目标的一种钻进方法。 定义的内涵本质是定向钻进有预定的目标。根据设计要 求，该目Baidu Nhomakorabea可以是地下某一点，也可以是孔眼轴线或特定方 向和角度，采用一些科学的人为可以控制的技术方法与机具 有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯，使之钻进达到目 标要求。
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。
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。
钻孔的曲率
取决于以下因素: • • • • • 钻孔长度 所允许的或可能的拐弯数 所需要的拐弯数量 打捞套管弯曲强度 定向孔应均匀造斜，避免急弯，并设计和选择 合适的造斜强度。 切记，每增加一个拐弯，将对钻具增加一 定的摩擦阻力。
钻孔分支
• 钻孔的设计，需要钻孔保持最少的分支数量， 以减少钻具的摩擦阻力 钻孔分支测点与主孔相应测点的偏离，至少需 要 0.75 度
3）在测点间距较大、曲率半径较小时有一定误差。
均角全距法钻孔轴线空间位置计算
3、计算公式
四、定向钻孔设计依据
当设计定向钻孔时，应该考虑以下因素:
1. 2. 3. 4. 5. 6. 钻孔的目的 计划钻孔的长度 钻孔的俯仰角度 (+ or -)和方位 钻孔的曲线 分支孔 (数量及分支位置) 如果出现抱钻情况，设备打捞的能力
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
4、钻孔垂深(H)：定向钻孔的孔底相对于开孔点（孔 口）的垂直深度。 5、水平位移(X)：定向钻孔的孔底向水平面投影后再 向X轴上投影所得到的长度。
6、水平偏差(Y)：定向钻孔的孔底向水平面上投影后 再向Y轴上投影所得到的长度。 倾角、方位角、孔深、钻孔垂深、水平位移和水 平偏差是定向钻孔轴线轨迹设计与控制的主要依据。
• （2）工作面地质资料不充分 • 工作面没有开掘出运输顺槽和回风顺槽，工作面 的煤层顶底板标高不清楚，特别是在地质构造变 化较大的区段，按下述方法设计： • ① 根据井田平面图上定向钻孔与煤层的等高线交 点的标高，结合定向钻孔的方位角与煤层走向的 关系，利用走剖夹角计算公式及真倾角和视倾角 的转化关系，确定定向钻孔各个区段的倾角等。
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 1 、倾角：钻孔轨迹上某点的倾角是该点的切线与水 平面之间的夹角，用α 表示。 2 、方位角：钻孔轨迹上某点的方位角是该点的切线 在水平面上的投影与磁北方向之间的夹角，用θ 表示， 并且从磁北方向开始按顺时针方向计算。 3 、孔深：钻孔轨迹上某点的孔深是孔口到该点的钻 孔轴线的长度。
1）从真子午线算起的称之为“真方位角”，主要用于精密测 量； 2）从磁子午线算起的称之为“磁方位角” ，主要用于航空、 航海 ； 3）从坐标系中的纵线算起的称之为“坐标方位角” ，主要用 于军事(炮兵)； 4）角度值介于0°～360°之间。
磁偏角概念
5、磁偏角λ （Declination ） 在地磁学中，指地上 任意一点的真子午线与磁子午线间的夹角，亦即真北 与磁北之夹角。 各个地方的磁偏角不同，而且，由于磁极处在运动 之中，某一地点的磁偏角会随时间而改变。
一、定向钻孔基本概念
2、定向钻孔（简称定向孔） 运用定向钻进方法控制钻孔轨迹沿着预先设计 的倾角和方位（钻孔轴线）钻达预定目标的钻孔方 法，称为定向钻孔。
3、倾角（α ） 钻孔轨迹某点切线 与水平面之间的夹角。
一、定向钻孔基本概念
4、方位角（azimuth） 从钻孔上某一点的指北方向线算起，按顺时针方 向至某目标点的方向线之间的水平夹角，称之为该目 标点的方位角。
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