煤矿井下近水平随钻测量定向钻孔轨迹设计与计算方法

煤矿井下近水平随钻测量定向钻孔轨迹设计与计算方法

石智军;许超;李泉新

【摘要】On the basis of basic theory of directional drilling and MWD technical characteristic in underground coal mine, design content, computational method and design process of directional borehole trajectory in underground coal mine were studied. By defining the basic parameters of borehole trajectory, building the coordinate system of borehole trajectory design, stipulating representing method of borehole trajectory graph, a method of directional borehole trajec-tory design and calculation, including plane design, section design and check was provided. Practical application proved that the method met the accuracy demands of the directional borehole design and guided drilling.%以定向钻进基础理论为依据，结合煤矿井下近水平随钻测量定向钻进技术特点，研究煤矿井下定向钻孔轨迹设计内容、计算方法及设计流程。通过定义钻孔轨迹基本参数，建立钻孔设计坐标系以及规定钻孔轨迹图形表示方法，形成一套包括钻孔轨迹平面设计、剖面设计及轨迹参数校核等关键环节的钻孔轨迹设计和计算方法。实践证明，该设计和计算方法满足了定向钻孔设计的精度要求，为定向钻孔施工起到了良好的指导作用。【期刊名称】《煤田地质与勘探》

【年(卷),期】2015(000)004

【总页数】5页(P112-116)

【关键词】煤矿井下;近水平定向钻孔;轨迹设计;轨迹计算

【作者】石智军;许超;李泉新

【作者单位】中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077;中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077;中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077

【正文语种】中文

【中图分类】P634

定向钻进技术起源于油气勘探开发领域，随着钻探技术的不断发展深入，该技术逐渐被引入地质勘探、煤矿井下钻探等新领域[1-2]。近水平随钻测量定向钻进技术是煤矿井下钻探工程领域的一项新技术，目前主要用于煤矿井下瓦斯抽采、水害防治以及地质勘探等钻孔工程[3-4]。煤矿井下定向钻进中，钻孔轨迹设计是保证钻孔成功以及钻具安全的关键。在油气勘探开发钻井、地质勘探以及非开挖钻进领域中，定向钻孔(井)轨迹以靶点为目标，钻孔轨迹有准确的造斜点、稳斜点和靶点等关键点的坐标。而在煤矿井下近水平定向钻进过程中，要求整个钻孔轨迹尽可能地在目标层位(煤层或特定岩层)中延伸，以达到最好的瓦斯抽采或水害防治效果。上述技术特点的差异，使得现有的其他行业的定向钻孔(井)轨迹设计方法不能直接应用于煤矿井下定向钻孔的设计。因此，有必要研究出一种针对煤矿井下近水平定向钻孔的轨迹设计和计算方法。

1 钻孔轨迹设计基础

1.1 钻孔轨迹基本参数

煤矿井下随钻测量定向钻进技术的实质是测斜仪器对钻孔轨迹进行一个点一个点地测量，而非连续性地测斜(目前的测斜方法还做不到连续测斜)[5]。钻孔轨迹上被测

量的点叫做测点，两个测点之间的孔段叫做测段，每个测点上测量所取得的测量数据包括该测点处的孔深、倾角和方位角。这3 项参数是描述钻孔轨迹的基本参数，其他参数都是根据该3 项基本参数计算、推导而来。

a.孔深孔口到孔内某测点的钻孔轴线长度，通常以孔内钻具总长度减去测具前端

钻具长度来度量。

b.倾角钻孔轴线上某点沿轴线延伸方向的切线与水平面之间的夹角。倾角以水平

面为基准，上仰为正，下斜为负，范围+90°～-90°。

c.方位角以钻孔轴线上某点正北方向线为始边，顺时针旋转至该点沿钻孔轴线延

伸方向的切线在水平面上的投影线所转过的角度，即真方位角，范围0°～360°。

真方位角用于计算钻孔轨迹各测点在矿区坐标系下的坐标。测量系统测得的方位角为磁方位角，真方位角与磁方位角差值为磁偏角，不同地区的磁偏角值有所不同。

1.2 坐标系建立

根据煤矿井下定向钻进技术特点，结合煤矿生产需要，通常有两种用于描述定向钻孔轨迹的坐标系，即矿区坐标系和钻孔设计坐标系。

1.2.1 矿区坐标系

矿区坐标系指矿区提供的技术资料(如：图纸、技术报告等)所采用的坐标系。该坐标系常为国家统一坐标系；也可以根据实际需要，建立矿区局部坐标系统，亦称为独立坐标系 [6-8]。

矿区坐标系主要用于前期钻孔设计基本参数确定以及后期钻孔轨迹绘图。

1.2.2 钻孔设计坐标系

以开孔点为坐标原点，钻孔主设计方位线延伸方向为X 轴正方向；X 轴水平顺时

针旋转90°为Y轴正方向；竖直向上为Z 轴正方向的三维坐标系。其中，X 轴上

测点坐标值为该测点的水平位移；Y轴上测点坐标值为该测点的左右位移；Z 轴上测点坐标为该测点的上下位移[1,9-10]。

钻孔设计坐标系确立的前提是钻孔主设计方位(钻孔主设计方位线延伸方向)的选择。钻孔主设计方位在选择上应遵循以下原则：简化钻孔空间参数，方便技术人员理解；有利于简化设计流程；方便施工操作人员进行设计轨迹参数与实钻轨迹参数的对比，以便控制钻孔轨迹按设计延伸。

根据煤矿井下定向钻孔平面布孔特点，将定向钻孔轨迹平面布置方式分为3 种类型：直线式、直线-造斜-直线式[9]以及全程造斜式。其中，直线式指钻孔轨迹在

水平面投影为一条直线孔段，这是煤矿井下定向钻孔较常见的布孔方式。该布孔方式的钻孔主设计方位直接选择钻孔轨迹延伸方向所在方位，如图1a 所示。直线-

造斜-直线式布孔指钻孔轨迹在水平面上投影，孔口段和终孔段均为直线孔段，两

直线孔段之间有过渡造斜孔段，这是煤矿井下定向钻孔最常见，且能充分体现定向钻孔技术优势的布孔方式。该布孔方式的钻孔主设计方位一般选择终孔直线段延伸方向所在的方位，如图1b 所示。全程造斜式布孔指钻孔轨迹在水平面投影完全是一条曲线孔段。这种布孔方法由于孔身结构复杂，在煤矿井下少量地应用于需要在平面上绕障的定向钻孔。该布孔方式钻孔主设计方位一般选择钻孔轨迹上开孔点与终孔点连接的直线方向所在方位，如图1c 所示。

钻孔设计坐标系主要用于钻孔设计、钻孔轨迹实钻参数处理、钻孔施工指导等。

图1 煤矿井下近水平定向钻孔主设计方位线选择Fig.1 Selection of main design azimuth of the nearly horizontal directional borehole in underground coal mine

1.3 钻孔轨迹图形表示方法

煤矿井下定向钻孔轨迹设计与计算包括两种轨迹图形组合方式，每种方式在钻孔轨迹设计不同环节有着不同的作用。

1.3.1 “水平位移-左右位移”图与“水平投影长度-上下位移”图

“水平位移-左右位移”图即是钻孔轨迹在钻孔设计坐标系下的X-Y 水平面上的投