3-煤矿井下定向钻孔轨迹设计解析

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定向钻孔轨迹设计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，该目标可以是地下某一点，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。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。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。一、定向钻孔基本概念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。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：-3.74º（西磁）磁偏角概念磁方位角＝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2º29´,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？磁方位角概念（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。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。二、定向钻孔的类型三、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。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。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。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。3）在测点间距较大、曲率半径较小时有一定误差。3、计算公式均角全距法钻孔轴线空间位置计算当设计定向钻孔时，应该考虑以下因素:1.钻孔的目的2.计划钻孔的长度3.钻孔的俯仰角度(+or-)和方位4.钻孔的曲线5.分支孔(数量及分支位置)6.如果出现抱钻情况，设备打捞的能力四、定向钻孔设计依据•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。钻孔的目的•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。•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。钻孔长度•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。钻孔的倾斜度和方位取决于以下因素:•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。钻孔的曲率•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•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钻孔分支要考虑以下因素：•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•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有潜在的打捞因素的钻孔设计•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•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定向钻孔设计参数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。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。•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i0.33°/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）。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•（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。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。分支孔轨迹设计•根据煤矿瓦斯抽采区域与布孔形式，选择合适的分支孔类型，根据分支孔施工方法分为“后退式”、“前进式”两种。当选用“后退式”的顺序施工多分支钻孔时，分支孔应从深往浅顺序设计；当选用“前进式”顺序施工多分支钻孔时，分支孔应从浅往深顺序设计。定向钻孔口位置确定•在CAD图上确定钻场位置，确定钻孔口坐标点，将该点的大地坐标值（X,Y）作为钻孔原点钻孔原点坐标（37617567.9209，4191613.4566）定向钻孔口位置确定•2.在定向孔设计参数模板，将孔口点的大地坐标值（X,Y）填入孔口值钻孔原点