煤矿井下倾斜地层近水平定向钻孔造斜段轨迹设计_张迎接.pdf

第 47 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.2 2019 年 4 月 COAL GEOLOGY 倾斜地层; 造斜段; 轨迹设计 中图分类号P634.2 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2019.02.005 Trajectory design of oblique section in nearly horizontal directional hole in inclined ation in underground coal mine ZHANG Yingjie, ZHAO Yongzhe, YANG Zhong, MO Haitao Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract Trajectory design of the near-horizontal directional drilling technology in underground coal mine is one of key aspects to successfully implement the technology. The trajectory of hole in a nearly horizontal ation is de- signed generally by two-dimensional , and this usually leads to the problem that the deflecting section of the hole travels out of the inclined target ation.Therefor, the calculation s of the drilled ation true thickness were studied in the paper, the using the unit normal vector of ation was proposed, and compu- tation table in Excel was developed to guide trajectory design of near-horizontal directional drilling. The reliability of the is verified in oblique section construction of a nearly horizontal directional hole in the limestone of Tai- yuan ation in Pansidong Mine, which has certain guiding significance for similar engineering problems. Keywords directional drill; inclined ation; oblique section; trajectory design 近年来，作为瓦斯抽采、防治水、地质异常体探 查的有效手段，煤矿井下近水平定向钻进技术获得广 泛的应用和推广，且技术水平取得了较大进展[1-3]。然 而，在轨迹设计方面，该技术一般采用二维轨迹设 计方法，对近水平地层比较适用，但在倾斜地层中 钻进时往往出现轨迹穿出目标层造成塌孔甚至无法 钻进不能按设计终孔的问题。因此，需要针对倾斜 地层研究相应的轨迹设计方法。煤矿井下近水平定 向钻孔轨迹一般采用“直线圆弧直线”的类型进 行设计[4]，分别对应钻孔倾斜段、造斜段和近水平 段。其中圆弧段是轨迹设计的关键，决定着钻孔轨 迹能否不穿出目标层底板并顺利沿目标层延伸钻 进。在近水平地层中，地层剖面厚度不随方位而变 化，造斜段设计根据预测地层剖面厚度和螺杆造斜 率，选择合适造斜点，即可达到要求。但在倾斜地 层中，由于地层剖面厚度随方位变化，如果仍使用 地层剖面厚度来控制造斜段轨迹，则需绘制不同方 位的地层剖面，设计过程工作量大，设计工作效率 低，而且精度较差。为了使造斜段轨迹设计更简洁 合理，通过现场摸索实践，总结出计算地层真厚度 ChaoXing 28 煤田地质与勘探 第 47 卷 的方法并将其应用于造斜段轨迹设计，将轨迹穿过 目标层厚度小于目标层真厚度作为造斜段轨迹设计 的一条原则。 1 真厚度的计算方法 真厚度计算是野外地质工作的重要内容之一。 长期以来，野外测量地层剖面后计算真厚度的方法 采用著名的列昂托夫斯基公式[5] cossinsinsincosMl 1 式中 M 为某一测次所控制的岩层真厚度，m；l 为 该测次的导线长度，m；α 为该测次导线倾角地形 坡角，；β 为该测次中岩层倾角，；γ 为该测 次中岩层走向与导线方向之间所夹正锐角，。 在定向钻进过程中应用式1，M 即某一测段穿 过的岩层真厚度，l 即该测段长度，α 即该测段钻孔 倾角，β 即地层真倾角，γ 即钻孔方位角与地层走向 所夹正锐角。在计算中，需判断钻孔方位与岩层倾 向是否一致或相反、钻孔倾角是否大于地层倾角， 来决定式1中正负号选取及是否有钻孔反方向穿 过岩层的情况。由于判断条件较多，该式不便于使 用计算机进行编程计算[6]。 经过地质工作者的不断努力[7-9]，万逯进等[10] 提出了不需进行判断即可计算岩层真厚度的公式 sincoscoscossinMl 2 式中 θ 为钻孔方位角，；δ 为地层倾向，。该 式计算结果有正负之分，其中正值表示钻孔由上向 下穿过岩层，负值表示由下向上穿过岩层，在无地 层缺失或重复的条件下，可以对相邻测段计算的岩 层真厚度进行累加。该公式虽然很好地解决了不需 进行条件判断即可应用公式进行厚度计算的问题， 但是对于地层产状倾角、倾向的计算还需依赖于 其他方法，产状计算与真厚度计算不能相互验证， 计算结果可信度不高。 2 定向钻孔岩层真厚度计算 定向钻进过程中，倾斜井段穿过多个岩层，利 用不同钻孔穿过同一岩层的测斜数据计算地层产 状，进而计算钻孔穿过各岩层的真厚度，对于造斜 段轨迹设计更有意义。为实现地层产状计算、岩层 真厚度计算、轨迹设计相互关联验证，研究得出应 用倾斜段轨迹测斜数据计算岩层单位法向量，利用 测段向量在岩层单位法向量的投影计算不同测段穿 过岩层的真厚度的方法。具体过程如下 已知 3 个不同方位钻孔倾斜段测斜数据，查出 3 个钻孔穿过同一岩层标志层的测斜数据， 组合形 成标志层所在平面内相互交叉的 2 个向量 aN1、 E1、 H1、bN2、E2、H2，通过向量叉乘即求出地层的法 向量 cN3、E3、H3。即 cab 3 将向量 c 单位化得到 eN4、E4、H4。设地层倾 角 β，倾向，则单位向量 e 可表示为 coscos ,cossin ,sinββαβe 4 因此，可得 4 arcsinH 5 4 4 arctan E N  6 设某测段的设计方位为、倾角为 α，则该测段 l 可以用向量表示为 coscos ,cossin ,sinl 7 该测段穿过的岩层厚度为 d   l e 8 计算结果含有负值，负值的含义为钻孔方向与 地层单位法向量方向相反，计算示意如图 1 所示。 所有测段穿过的岩层厚度为各测段计算地层厚度的 代数和，即 Dd 9 钻孔轨迹不穿过目标层底板可以表示为DM≤。 已知测段向量与地层法向量夹角 α 时，利用式8反 算可得到向量 l 的模由于 d 与 cosα 同号， 计算结果 为正，即 cos d  l 10 图 1 穿层厚度为负值示意图 Fig.1 Diagram for native true thickness of drilled ation 地层单位法向量是计算岩层真厚度的关键参 数。由上文论述可知，地层单位法向量的求取需已 知 2 个不共线向量。因此，如果已知一个地层平面 内向量， 再有 2 个钻孔构造另一个地层平面内向量， 也可以求取地层单位法向量；如已知地层倾向和倾 角，也可以利用式4直接构造地层单位法向量。但 钻孔数不足时构造的地层单位法向量可信度较低， 需通过检验地层单位法向量的准确性后方可用于钻 孔造斜段设计。 ChaoXing 第 2 期 张迎接等 煤矿井下倾斜地层近水平定向钻孔造斜段轨迹设计 29 3 地层单位法向量准确性检验 由式8可知，真厚度计算结果的准确性依赖于 地层单位法向量。因此，在利用地层单位法向量计 算目标层真厚度前，需对单位法向量的准确性进行 检验。检验方法计算同一钻孔不同标志层孔深并 与实钻孔深对比，即在施工完 2 个相邻钻孔后已钻 至目标层，以其中一个钻孔为参考计算孔口至各标 志层的法向距离 Dj， 然后利用 Dj反算另一个钻孔各 目标层孔深 Lj。 具体计算过程如下 ① 查明已完钻孔各标志层孔深， 将孔口至标志 层的各测段 N、E、H 坐标组合为测段向量 li，利用 式8、式9计算各标志层距孔口法向距离 Dj，即 iiji i dDdle, 11 式中 i 为测段编号，j 为标志层编号。 ② 利用式9、 式10计算待检验钻孔的各标志 层孔深。即 cos i ijiji ii d dDL    ，，ll 12 如果式12计算的各标志层孔深与实钻孔深一 致，则说明地层单位法向量计算准确。在验算前需 注意 2 个钻孔均未发现地层缺失或重复现象，且 式5、式6计算的地层产状与已有资料误差不大。 如有较大误差则需查明原因。 式1和式2计算简单但计算量较大，利用 Excel 编制计算表可较好地解决计算量方面的问题。 在进行轨迹设计时，除了考虑钻孔轨迹不穿出目标 层外，还需考虑钻孔曲率不超过一定值[11-12]，钻孔 曲率计算已有成熟公式[13]，在编制 Excel 数据表时 直接引用，此处不再赘述。 4 工程实例 潘二煤矿潘四东井是淮南矿业集团地质条件最 复杂的生产矿井之一，矿井计划开采山西组 1 号和 3 号煤层，受太原组灰岩含水层威胁。为消除水害 隐患，潘四东井决定在太原组灰岩中实施近水平定 向长钻孔，在 C31灰岩与 1 号煤之间布置了钻场，第 一阶段沿工作面倾斜方向布置 4 个钻孔，间距 40 m。 目标层 C33 下灰岩，距开孔位置法向距离约 20 m，地 层倾角约 24，倾向 40。由于开孔至目标层之间多 个地层交界面塌孔严重， 为保证近水平段顺利施工， 需将套管下至接近目标层处，全部封闭穿层孔段， 由此带来增大钻孔倾角， 使穿层段尽可能短的问题， 以及以大倾角进入目标层进行造斜能否不穿出目标 层底板的问题。 某钻孔进入目标层钻孔倾角–15，方位 110， 目标层倾角–2，钻孔终孔方位 128。目标层真厚度 2.7 m，且目标层下部易塌孔，采用 1.25弯外壳螺杆 钻具连续造斜，要求造斜段穿层真厚度不超过 1.5 m。 受制于螺杆钻具造斜能力[14-15]，按照二维轨迹设计 不能达到此目标。而计算出地层单位法向量后利用 本文方法编制的 Excel 计算表表 1，完成了将钻孔 轨迹设计在目标层中部。造斜段钻孔在目标层中的 相对位置如图 2 所示， 即钻孔进入目标层开始造斜， 造斜段共 99 m，孔底距目标层顶板的距离最终控制 在 1.5 m。 5 结 论 a. 在煤矿井下倾斜地层中进行近水平定向钻 孔施工，造斜段轨迹设计采用二维设计方法时容易 使轨迹穿出目标层底板，因此必须采用三维设计方 法。通过计算钻孔穿层真厚度可实现钻孔轨迹不穿 出目标层底板的目标。 表 1 倾斜地层近水平定向钻孔造斜段轨迹设计表 Table 1 Design table for oblique section trajectory in near horizontal and directional hole in inclined ation 测段向量li 地层单位法向量 e 钻孔进入目 标层深度/m 井斜角 α/ 方位角 / N E H 测段厚度 d/m 造斜段 总厚度 D/m 弯曲度 γ/ m-1 N E H 3 –15.00 110.00 –0.33 0.91 –0.26 0.31 0.31 0.31 6 –14.20 109.50 –0.32 0.91 –0.25 0.26 0.57 0.31 9 –13.40 109.00 –0.32 0.92 –0.23 0.21 0.78 0.31 12 –12.60 108.50 –0.31 0.93 –0.22 0.16 0.95 0.31 15 –11.80 108.00 –0.30 0.93 –0.20 0.12 1.06 0.31 –0.31 –0.26 –0.91 99 –2.00 128.00 0.61 –0.79 –0.03 0.06 1.50 说明1数据表中测段向量 li各参数计算公式，Ncosαcos，Ecosαsin，Hsinα；2测段厚度 d 计算公式 d3liNeN liEeE liHeH。 ChaoXing 30 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 2 造斜段钻孔在目标层中的相对位置 Fig.2 Relative position of borehole in building section b. 地层单位法向量可实现地层产状计算、 岩层 真厚度计算、造斜段轨迹设计相互关联验证，提高 轨迹设计的准确性。 c. 理论上，在近水平钻孔顺层段施工中，按照 造斜段的设计数据即可将钻孔轨迹控制在目标层 中，但地层倾角的微小变化仍会导致钻孔触顶或触 底，因此，在钻进过程中需要及时分析岩屑变化， 判断钻孔在目标层中的位置，以及时调整轨迹。 参考文献 [1] 石智军，李泉新，姚克. 煤矿井下 1 800 m 水平定向钻进技 术与装备[J]. 煤炭科学技术，2015，432109–113. 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