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
影图。该图真实地体现了钻孔轨迹在水平面上的布置形态，主要应用于钻孔轨迹平面布置设计以及剖面设计时目标层高度参数的提取。
“水平投影长度-上下位移”图即钻孔轨迹的垂直剖面图[5]。该视图通过“水平位移-左右位移”图提供的钻孔轨迹水平投影长度与目标层高度参数进行钻孔轨迹剖面设计。
1.3.2 “孔深-左右位移”图与“孔深-上下位移”图
钻孔轨迹设计完成后，形成了设计钻孔孔深与设计钻孔倾角和设计方位角的一一对应关系。为了方便现场施工人员操作，进行设计轨迹与实钻轨迹参照对比，须绘制“孔深-左右位移”图与“孔深-上下位移”图。
1.4 钻孔轨迹计算方法
通过多种钻孔轨迹计算方法对比煤矿井下定向钻孔轨迹设计参数及实钻参数，发现计算方法对计算结果偏差的影响微乎其微。最终选择了“平均角法”(均角全距法)[12]作为煤矿井下近水平定向钻孔轨迹计算方法。该方法假设两测点之间测段钻孔轴线为直线段，线段长度为测段长度，方位角和倾角分别为两测点方位角和倾角的平均值。根据该方法经推导后可得钻孔轨迹上(i+1)测点在钻孔设计坐标系下的坐标计算公式[13-14]：
式中ΔLi 为第i 测段长度(通常为3 m 或6 m)，m；θi 为第i 测点的钻孔倾角，(°)；αi 为第i 测点的钻孔方位角，(°)；α0为钻孔主设计方位角，(°)；x 为第(i+1)测点的水平位移，m；y 为第(i+1)测点的左右位移，m；z 为第(i+1)测点的上下位移，m。
钻孔轨迹第1 测点为开孔点，即钻孔设计坐标系原点，对应的x、y、z 坐标值均为0m。
2 钻孔轨迹设计流程
煤矿井下定向钻孔轨迹设计主要包括钻孔轨迹平面设计、剖面设计以及轨迹参数校核3 个步骤。这里将主要以“直线-造斜-直线”布孔方式(煤矿井下最典型的布孔
方式)为例，结合“直线式”和“全程造斜式”的布孔特点探讨煤矿井下定向钻孔
设计流程。
2.1 平面设计
平面设计是煤矿井下定向钻孔设计的基础，其实质是设计钻孔轨迹方位角。钻孔轨迹平面设计时假设钻孔轨迹全程倾角为0°。
2.1.1 建立钻孔轨迹计算模型
建立XOY钻孔设计坐标系和计算模型如图2 所示。根据钻孔布孔需要，钻孔终孔直线段方位α2、终孔直线段左右位移y、AB造斜孔段方位造斜率K方位、BC终孔直线孔段水平投影长度l3为已知。为了确定钻孔轨迹，还应确定开孔方位α1、OA 开孔直线孔段水平投影长度l1和AB 造斜孔段水平投影长度l2这3 个参数。图2 定向钻孔轨迹平面设计计算模型Fig.2 Design and calculation model of
the directional borehole trajectory in horizontal plane
根据图2 所示几何关系，可知l1、α1和l2关系为：
由于钻孔结构为“直线-造斜-直线”形式，因此：α1≠α2，可得出：
式(4)和式(5)中共存在l1、α1和l23 个变量，因此其不存在唯一解。一般情况下
根据钻场布孔需要，先选定一个开孔方位α1值，分别代入式(4)和式(5)计算出l1
和l2的值(l1的值必须为正，否则，应重选α1值，重新计算)，最终得出合适的l1、α1和l2的值。
当α1=α2，即钻孔轨迹在水平面上为“直线式”布孔方式，开孔方位、钻孔深度
均为已知，可直接进入下一设计环节。
“全程造斜式”布孔方法的钻孔轨迹空间结构复杂，通过上述计算模型进行钻孔轨迹参数设计难度较大，可直接通过本文2.1.2 节所述设计环节以方位参数调整的方法完成钻孔轨迹平面设计。
2.1.2 完成钻孔轨迹平面设计
为了方便钻孔轨迹设计，编制了煤矿井下近水平定向钻孔设计专用的EXCEL 计算
模板。其界面分为4个区域，分别为：“基础数据录入区”、“钻孔设计参数录
入区”、“钻孔间接数据计算区”和“CAD 绘图区”。每个区域功能不同，“基
础数据录入区”主要用于钻孔基本信息和数据的录入，其中最关键的参数是“磁偏角”和“钻孔主设计方位角”；“钻孔设计参数录入区”主要作用是用来输入“孔深”及其对应的“倾角”和“方位角”3 项钻孔设计基本参数；“钻孔间接数据计算区”数据是以“基础数据录入区”和“钻孔设计参数录入区”的参数为基础，利用“平均角法”分别自动计算出矿区坐标系以及钻孔设计坐标系下的钻孔坐标参数；CAD 绘图区数据是用来在CAD 中绘制钻孔轨迹平面投影图或垂直剖面图。
“直线-造斜-直线”钻孔结构在已知α1、α2、l1、l2、l3和K方位等参数的条件下，打开钻孔设计专用EXCEL模板，在“基础数据录入区”输入相关基本参数后，在“钻孔设计参数录入区”将钻孔倾角值全部设为0°；0～l1m孔段方位角设为
α1；l1～(l1+l2) m孔段方位角以K方位值递增(或递减)，当孔深达到(l1+l2) m 时，对应的方位角为α2；(l1+l2)～(l1+l2+l3) m孔段方位角设为α2；利用“CAD绘图区”数据在矿区坐标系中绘制钻孔轨迹平面布置图，如图3 所示。这样便完成了定向钻孔轨迹的平面设计。
图3 定向钻孔轨迹平面布置图(单位：m)Fig.3 Horizontal plane projection of the directional borehole trajectory
“直线式”布孔平面设计的钻孔全孔段方位角为开孔方位。
“全程造斜式”布孔方法主要用于绕障定向钻孔轨迹设计。平面设计时，首先根据
矿区平面图确定障碍体相对孔口的平面位置，将其相对孔口的平面坐标参数输入到定向钻孔设计专用EXCEL 模板的障碍体数据区中，EXCEL 模板会自动在“水平位移-左右位移”图中绘出障碍体的位置，通过选择开孔方位，并以不大于K方位的变化量对测点方位角进行递增或递减调整，同时对照“水平位移-左右位移”图中
钻孔轨迹曲线走向，使钻孔轨迹避开障碍体，从而完成钻孔轨迹的平面设计。
2.2 剖面设计
钻孔轨迹剖面设计的实质是对钻孔轨迹的倾角设计，关键是要确保钻孔轨迹沿目标层延伸。
2.2.1 确定目标层位置
进行钻孔轨迹剖面设计前应首先确定钻孔所经过目标层位的位置。目标层位置参数可由矿区煤层底板等高线或地质揭露资料(巷道掘进资料或勘探孔资料等)获取。
图3 中的等高线为煤层底板等高线，由于钻孔轨迹平面设计时假设钻孔倾角为0°，图3 中的钻孔轨迹投影长度为实际钻孔深度。依据图3 中钻孔穿过煤层底板等高
线的情况便可以根据需要确定钻孔轨迹上不同孔深对应的煤层底板标高，再根据目标层与煤层底板位置关系确定目标层标高。
地质揭露资料往往不能直接提供钻孔轨迹设计所需的目标层位置参数，但是可以通过计算求得，计算原理如图4 所示。计算假设钻孔轨迹上C 点处的目标层在A、B 点(已知目标层标高)处目标层所在的直线上，可得出钻孔轨迹上C 点处对应的目标层位置标高计算公式为：
通过式(6)可以根据需要确定钻孔轨迹上不同孔深对应的目标层标高。
图4 目标层标高计算原理图Fig.4 Calculation principle of target layer elevation
2.2.2 完成钻孔轨迹剖面设计
通过上述两种方法可以得到不同孔深对应的目标层位置参数，根据孔口标高和目标层标高参数，计算出不同孔深时的目标层相对孔口的高度。最后将数据输入到定向钻孔设计专用EXCEL 模板的目标层数据区中，EXCEL 模板会自动绘制钻孔沿程的目标层上下边界相对钻孔孔口的曲线图，如图5 所示。然后调整模板中“钻孔参数设计数据录入区”中的“倾角”数值，同时对比图5 中的钻孔轨迹设计曲线的变化(钻孔轨迹曲线采用“水平投影长度-上下位移”图)，使钻孔轨迹位于目标层上下边界之间，如图5 所示。在方位角和倾角设计调整过程中，钻孔轨迹全弯曲强度不应大于孔底马达造斜能力。根据钻孔轨迹全弯曲角计算公式[4-5]，结合煤矿井下钻孔轨迹参数定义及孔底马达造斜能力，经推导得出设计钻孔轨迹方位角、倾角应满足：
式中 Ki 为第i 测段钻孔轨迹全弯曲强度，(°)/m。
图5 目标层上下边界及定向钻孔轨迹曲线图Fig.5 Curves of target layer boundaries and directional borehole trajectory
2.3 轨迹校核
在平面设计阶段，假设钻孔轨迹全程倾角为0°，而剖面设计阶段给钻孔倾角重新赋值。由式(1)和式(2)可知，当钻孔设计轨迹倾角发生变化时，钻孔轨迹在钻孔设计坐标系下的坐标也会发生变化。因此，完成剖面设计后的钻孔轨迹在原XOY 坐标系的坐标会发生变化，即图3 中的钻孔轨迹平面布置图会发生偏移。此时可通过调整开孔方位、各孔段长度，使钻孔轨迹平面参数(左右位移、造斜率、钻孔深度等)达到钻孔设计要求。完成平面轨迹调整后，反过来又会使钻孔轨迹剖面图发生偏移，钻孔轨迹相对目标层位置会发生变化。一般情况下，钻孔倾角在-10°～+10°情况下，这种变化往往是微乎其微的，可以忽略，完成的钻孔参数可直接作为最终的钻孔设计参数。当钻孔倾角绝对值大于10°时，应根据新的钻孔轨迹平面
图重新调整目标层位置，对钻孔倾角进行修正。完成倾角校核调整后，还可根据上述步骤再次对钻孔方位角和倾角进行进一步校核，直至达到设计要求。
3 技术应用
自2008 年以来，上述定向钻孔轨迹设计及计算方法配套定向钻进装备已在我国包括神华宁煤汝箕沟、神华神东保德煤矿、神华乌海能源公司平沟煤矿、山西焦煤杜儿坪矿、山西阳泉新景煤矿、山西晋煤集团成庄矿和寺河矿、陕西长武亭南煤矿、陕西铜川下石节煤矿、河南焦煤集团赵固一矿等38 个矿井数千个各类随钻测量定向钻孔设计施工中成功推广，其应用领域包括煤矿井下本煤层及顶板高位瓦斯抽采钻孔、煤层顶底板及老空水害防治钻孔、煤矿井下地质构造探测等方面；钻孔类型包括近水平定向钻孔和大倾角定向钻孔等[15]。利用该设计方法，于2014 年8 月22 日在晋煤集团寺河矿成功完成了目前世界最深的本煤层近水平随钻测量定向钻孔的施工，钻孔最大深度达到1 881 m。现场应用表明，该定向钻孔轨迹设计及计算方法满足了煤矿井下定向钻孔设计的精度要求；同时，编制的EXCEL 设计模板以及制定的定向钻孔设计流程大大简化了设计流程，具有设计效率高和准确性好的优点。
4 结论
针对煤矿井下定向钻孔的特点，形成了完整的定向钻孔轨迹设计和计算方法。实践应用证明该方法在满足定向钻孔设计精度要求的前提下具有设计效率高、易操作的优点。
在定向钻孔轨迹设计及计算方法的推广应用中发现，这种钻孔轨迹设计方法完全可以通过计算机软件程序实现。利用软件程序进行定向钻孔轨迹设计可有效减少设计工作量，提高设计效率。
参考文献
[1]石智军，田宏亮，田东庄，等.煤矿井下随钻测量定向钻进使用手册[M].北京：
煤炭工业出版社，2012.
[2]石智军，董书宁，姚宁平，等.煤矿井下近水平随钻测量定向钻进技术与装备[J].煤炭科学技术，2013，41(3)：1-6.
[3]石智军，李泉新，许超.煤矿井下随钻测量定向钻进技术及应用[J].地质装备，2013，14(6)：32-36.
[4]姚宁平.我国煤矿井下近水平定向钻进技术的发展[J].煤田地质与勘探，2008，36(4)：78-80.
[5]韩志勇.定向钻井设计与计算(第二版)[M].东营：中国石油大学出版社，2007.
[6]朱占荣，陈利平，张红强.结合榆树湾煤矿浅谈大型矿区测量坐标系的选择[J].矿山测量，2009(4)：26-28.
[7]王利民，郎敏.关于选择矿区独立坐标系的原则和方法[J].山西煤炭管理干部学院学报，2004(4)：82-84.
[8]马咏梅.矿区适用坐标系统的选择[J].重庆职业技术学院院报，2006，15(3)：143-145.
[9]孙荣军.煤矿井下近水平定向钻孔轨迹描述与计算方法[J].中国煤层气，2010，7(4)：36-39.
[10]孙荣军.煤矿井下随钻测量技术及钻孔轨迹数据处理方法研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2009：9-12.
[11]李乔乔，姚宁平，张杰.煤矿井下水平定向钻孔轨迹设计[J].煤矿安全，2011，42(12)：51-54.
[12]江天寿，周铁芳.受控定向钻探技术[M].北京：地质出版社，1994.
[13]李泉新.煤矿井下定向钻孔轨迹设计与计算方法[J].煤矿安全，2014，45(2)：141-144.
[14]姚宁平，张杰，李泉新，等.煤矿井下定向钻孔轨迹设计与控制技术[J].煤炭科
学技术，2013，41(3)：7-11.
[15]李泉新，石智军，史海岐.煤矿井下定向钻进工艺技术的应用[J].煤田地质与勘探，2014，42(2)：85-92.
定向井钻井轨迹设计与控制技术 近年来，中国发展迅速，石油在经济快速发展中的重要作用已经显现。石油不仅可以提炼汽油和柴油，维持汽车和机器的运转，还可以将天然气作为人们生活和工业的重要燃料。因此，石油勘探开发逐渐增多，石油钻井技术也得到很大发展。19世纪中后期，石油钻井中定向井钻井技术的首次正式应用。在工程建设过程中，井眼轨迹控制技术可视为定向井钻井的关键技术。直井、斜井和稳定斜井段的井眼轨迹控制技术也不同。总的来说，随着井眼轨迹控制技术的不断改进和完善，定向井轨迹控制水平有了很大的提高。 定向井；轨迹；控制技术 引言 在油气开采中，定向钻井技术是一种应用广泛的技术，其开采效率和施工质量直接影响油气开采的整体质量。它在提高天然气和石油开采效率方面发挥着重要作用。由于使用的地形复杂多变，决定了定向井建设项目对轨道设计和控制的要求更加严格。影响整个施工过程的最重要因素是轨迹控制的准确性，轨迹设计和轨迹控制对钻井的整体质量起着至关重要的作用。在石油钻井工程中，在整个定向井施工过程中，轨迹控制技术对整个工程的整体质量具有重要的现实意义。 1 定向井轨迹设计 1.1 设计原则 第一，实现地质目标是建设的原则。定向钻井时，钻井的主要目的是使钻井穿过地层中的多个油层，防止井下复杂，地层易坍塌、易漏，或提取井间难以到达的死油气，或钻应急救援井，或在平台上钻定向井，节省占用空间，达到后期管理的目的。无论哪种定向井，井眼轨迹设计都要首先考虑地质设计。对于地质设计，如果不能满足设计要求，就无法设计出完美的钻孔轨迹。
第二，是达到安全、优质、高效钻井的目的。在定向井轨道的设计中，地质 目标有望实现。因此，要实现这一地质目标，需要各种轨道形式。选择最有利于 现场施工难度、最小摩擦力矩和井眼轨迹控制的轨道形式，才能实现安全、优质、高效的定向钻进。因此，在设计定向井轨迹和确定偏移点时，需要选择地层稳定、易偏移的层位。 第三，满足后期生产的要求。第三个原则对于满足后期采油的要求至关重要，尽管这两个原则在定向井轨道设计中更为重要。定向井井眼轨迹设计，在选择造 斜率和井眼轨迹剖面类型时，首先要避免抽油杆和储层套管的磨损，使泵能够平 稳运行，这是不同设计专业需要考虑的综合问题。 1.2 类型选取 定向井有许多不同的剖面类型，但是，对结构最有利、摩擦力最小的剖面才 是我们最终的选择。目前设计定向井轨迹剖面时，主要有三段制、四段制、五段 制的轨迹剖面。这些成熟的轨道断面形式各有优势，如最简单的三段制、最强的 现场作业能力。四段制需要多次调整才能实现，不利于井下安全，所以很少使用。五段制虽然需要经历的条件多、类型复杂，但这种轨迹剖面类型在油层的层段设 计中为0°，对后期的采油作业非常有利。总之，在选择轨迹剖面类型时，要考 虑不同的井、不同的钻井目的和不同的采油技术，选择最适合的井眼轨迹剖面类型。 2 定向井钻井轨迹控制技术 2.1 直井段井眼轨迹控制技术 在直井钻井过程中，由于施工、地质因素、井眼扩大等因素，往往会发生井 斜事故，遇到的地质问题往往难以预测。因此，在定向井施工或扩孔作业时，应 严格控制垂直钻井轨迹，并采取精确的技术措施。因此，研制符合垂直钻井实际 情况的摆式BHA和全孔钻具具有重要意义。这种器具组合能自动补偿偏斜，能有 效纠正施工过程中遇到的井斜问题。但是要注意保证WOB适当合理，因为WOB过 大必然会影响摆力，进而增大倾角，会造成倾角修正函数的精度误差，大大降低
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
定向井钻井轨迹设计与控制技术研究 摘要：在定向井钻井过程中，井眼轨迹的设计和控制至关重要，它可以决定 定向井施工的成败。因此，有必要进一步探索定向井井眼轨迹的设计和控制技术，以实现安全、优质、高效的定向井施工。定向井轨迹的选择对钻井施工的安全、 高效、低成本起着重要作用。 关键词：定向井；钻井轨迹；设计；轨迹控制 前言 近年来，随着钻井工程技术和钻井设备的不断改进，钻井技术得到了快速发展。定向钻井作为一种非常重要和实用的钻井方法，受到了人们的极大关注。井 眼轨迹设计技术是一整套钻井技术中的第一个关键环节。定向井是指根据预先设 计的井斜方向和井筒轴线形状钻探的井。换句话说，任何设计目标偏离井口所在 垂直线的井都属于定向井。定向井是相对于垂直井而言的，根据设计的井筒轴线 分为二维定向井和三维定向井。 由于油气资源短缺以及当前油气生产中遇到的问题，为定向井轨迹设计提供 了广阔的发展前景和空间。定向井轨迹的设计方法和实际钻井偏移测量理论将是 研究的重要趋势。现在，进入计算机快速发展时期，将现有和更成熟的工程模型 计算机化，以提高现场施工人员的工作效率；另一方面，准确及时地将现场数据 输入计算机，为未来的数据统计和科研分析提供第一手现场真实数据。因此，利 用定向井轨迹设计的软件实现和强大的计算机编程功能，实现了定向井轨迹优化 设计软件的研究。通过不断的实验和改进，设计的轨迹不仅满足了施工现场条件 的限制，而且是满足各种设计条件的理想轨迹。 1.定向井轨迹概念 井眼轨迹可分为两类：设计轨迹和实际钻井轨迹。其中，设计轨迹可分为钻 孔前设计的轨迹和钻孔过程中钻孔时修改或调整的轨迹。设计轨迹通常由一些分
水平井井身轨迹控制技术 一、水平井的中靶概念 地质给出的水平井靶区通常是一个在目的层内以设计的水平井眼轨道为轴线的柱状靶，其横截面多为矩形或圆。我们可以把这个柱状靶看成是由无数个相互平行的法面平面组成，因此，控制水平井井眼轨迹中靶，与普通定向井、多目标井是个截然不同的新概念。 二、水平井增斜井段井眼轨迹控制的特点及影响因素 对一口实钻水平井，从造斜点到目的层入靶点的设计垂深增量和水平位移增量是一定的，如果实钻轨迹点的位置和矢量方向偏离设计轨道，势必改变待钻井眼的垂深增量和位移增量的关系，也直接影响到待钻井眼轨迹的中靶精度。 水平井钻井工程设计中所给定的钻具组合是在一定的理论计算和实践经验的基础上得出的，随着理性认识的深化和实践经验总结，设计的钻具组合钻出实际井眼轨迹与设计轨道曲线的符合程度会不断提高。但是，由于井下条件的复杂性和多变性，这个符合程度总是相对的。实钻井眼轨迹点的位置相对于设计轨道曲线总是会提前、或适中、或滞后，点的井斜角大小也可能是超前、适中、或滞后。 实钻轨迹点的位置和点的井斜角大小对待钻井眼轨迹中靶的影响规律是： ①实钻轨迹点的位置超前，?相当于缩短了靶前位移。此时若井斜角偏大，会使稳斜钻至目的层所产生的位移接近甚至超过目标窗口平面的位置，必将延迟入靶，且往往在窗口处脱靶。 ②轨迹点位置适中，?若此时井斜角大小也适中，是实钻轨迹与设计轨道符合的理想状态。但若井斜角大小超前过多，往往需要加长稳斜段，可能造成延迟入靶，或在窗口处脱靶。 ③轨迹点的位置滞后，?相当于加长靶前位移。此时若井斜角偏低，就需要提高造斜率以改变待钻井眼垂深和位移增量之间的关系，往往要采用较高的造斜率而提前入靶。 实践表明，控制轨迹点的位置接近或少量滞后于设计轨道，并保持合适的井斜角，有利于井眼轨迹的控制。点的井斜角偏大可能导致脱靶或入靶前所需要的造斜率偏高。实际上，水平井造斜段井眼轨迹控制也是轨迹点的位置和矢量方向的综合控制，这对于没有设计稳斜调整段的井身剖面更是如此。 在实际井眼轨迹控制过程中，我们根据造斜段井眼轨迹控制的新概念和实钻轨迹点的位置、点的井斜角大小对待钻井眼轨迹中靶的影响规律，将造斜井段井眼轨迹的控制程度限定在有利于入靶点矢量中靶的范围内。也就是说，在轨迹预测计算结果表明有余地、并有后备工具条件时，应当充分发挥动力钻具的一次造斜能力，以提高工作效率，减少起下钻次数。 三、井身剖面的特点及广义调整井段的概念 根据长、中半径水平井常用井身剖面曲线的特点，剖面类型大致可分为单圆弧增斜剖面、具有稳斜调整段的剖面和多段增斜剖面（或分段造斜剖面）几种类型，不同的剖面类型在轨迹控制上有不同的特点，待钻井眼轨迹的预测和现场设计方法也有所不同。 1、水平井常用井身剖面曲线的特点 ①单圆弧增斜剖面 单圆弧增斜剖面是最简单的剖面，它从造斜点开始，以不变的造斜率钻达目标,这种剖面要求靶区范围足够宽，以满足钻具造斜率偏差的要求，除非能够准确地控制钻具的造斜性能，否则需要花较大的工作量随时调整和控制造斜率，因而一般很少采用这种剖面。 ②具有切线调整段的剖面 具有切线调整段的剖面，它又可分为： （a）?单曲率—切线剖面：具有造斜率相等的两个造斜段，中间以稳斜段调整。 （b）?变曲率—切线剖面：由两个（或两个以上）造斜率不相等的造斜段组成，中间用一个（或一个以上）稳斜段来调整。这是最常用的剖面类型，因为多数造斜钻具的
煤矿井下定向钻孔施工测量精度验证与 应用 摘要：煤矿钻孔测量与定向钻进技术,能够完成对长距离定向钻孔和井眼轨 迹的准确控制。在煤矿安全与地质调查的研究领域,尤其是在地下瓦斯保护抽放 钻孔防水钻井、勘探钻孔等在工程建设中获得了广泛的运用。在实际使用中,为 了实现更精确的穿透与靶向,也实现了精确的定向施工,从而达到了良好的经济效益。通过精度试验和现场应用,可以更深入掌握钻头构造的精度,从而做出正确的 钻头设计。正是基于此,本章重点对中国煤矿井下定向钻孔测量精度的检验与应 用情况进行了分析与研究。 关键词：煤矿井下定向钻孔；施工测量精度 定向钻井技术主要来源于石油勘探开采领域。但随着钻取科学技术的日益发达,定向钻井技术已逐步由传统石油领域走向了地质煤钻取领域,并起到了关键性 作用。煤炭井下打捞近水平定向钻孔技术,是钻进工艺方面的一种新型工艺。主 要进行顶板、亚板岩和中厚煤层瓦斯开采的瓦斯保护抽放钻孔和地质调查研究孔。而随着定向钻进技术在采煤板块中广泛的应用,对定向钻孔测量的精度计算和应 用方法进行深入研究就显得尤为重要了。在石油勘探开发钻井和非开挖钻出来的 等领域,因为水平定向钻井有精确的控制点和目标,所以一般并不考察岩性状态结构。但在煤矿近水平定向钻孔时,就需要将整个钻孔的测量精确度在煤层瓦斯中 尽量增加,以增强瓦斯保护抽放的效应。所以,受煤层瓦斯地质条件不确定性的影 响下,以对钻孔测量精确度的检验与应用为指导定向钻井的主要参考点更为现实。 一、定向钻孔施工的方法原理 定向钻孔是一种在钻孔过程中利用水力除渣和测量的钻孔方式。使用泥浆泵 对静压水加压后,将其钻穿钻杆内的供水管道,并转动洞底螺杆电机,给钻头的转 动为切割煤岩提供了动能后,水便沿着钻杆与孔道之间的缝隙,清洗出孔内的岩屑。
煤矿井下水平定向钻进技术与装备的新进展 石智军;李泉新;姚克 【摘要】煤矿井下定向钻进技术作为一项工程领域的新技术,已经广泛应用于煤矿井下瓦斯抽采、防治水、地质勘探和精确工程钻孔施工等领域.经过在国内30多个矿区推广应用,煤矿井下定向钻进技术和装备逐渐完善并取得新进展,形成了 ZDY12000LD型大功率定向钻机、无线随钻测量系统、地质导向钻进装置及复合定向钻进工艺.结合现场试验完成了主孔深度1881 m的煤层定向长钻孔和1026 m岩层定向长钻孔,充分说明了ZDY12000LD型钻机功率大、钻进及事故处理能力强,无线随钻测量系统测量精度高,配套复合定向钻进技术形成的钻孔孔壁光滑、沉渣少、钻孔曲率小,钻进效率高. 【期刊名称】《探矿工程-岩土钻掘工程》 【年(卷),期】2015(042)001 【总页数】5页(P12-16) 【关键词】煤矿井下;定向钻孔;无线随钻测量;地质导向;大功率定向钻机;复合定向钻进 【作者】石智军;李泉新;姚克 【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】P634.7 煤矿井下定向钻进技术可以实现钻孔轨迹的精确控制，保证钻孔轨迹在预定层位中的有效延伸，增长钻孔有效抽采距离，增加钻孔瓦斯抽采量，提高瓦斯抽采率;另外定向钻进技术可进行多分支孔施工，施工的钻孔能均匀覆盖整个工作面，具有钻进效率高、一孔多用、集中抽采等优点，能显著提高煤层瓦斯治理效果，现已成为我国煤矿区瓦斯高效抽采的主要技术途径［1－2］。 定向钻进技术自2008年开始在我国煤矿井下应用以来，据统计已在30多个矿区进行了广泛的推广应用［3－4］，不断改进完善并取得了新的重要进展，在国内煤矿井下完成了最大孔深1881 m，终孔直径98 mm和孔深1209 m，终孔直径120 mm的集束型瓦斯抽采水平定向长钻孔;完成了最大孔深1026 m，终孔直径153 mm的顶板岩石高位定向长钻孔。该技术不仅可应用于煤矿井下瓦斯抽采，还推广应用于煤矿井下探放水及工作面地质构造探测等工程领域，且均取得了良好的应用效果［5－8］。 煤矿井下随钻测量水平定向钻进技术与装备最新进展主要表现在:创新设计了定向钻机的结构和液压系统，使其额定扭矩达到了12000 N·m;研制了煤矿用泥浆脉冲和电磁波无线随钻测量系统，实现了随钻测量信号由“有线传输”到“无线传输”质的改变;研制了煤矿用地质导向装置，实现了从“几何导向钻进”到“精确地质导向钻进”的跨越;开发了复合定向钻进技术，实现了从“滑动定向钻进”到“旋转定向复合钻进”的跨越。 1 ZDY12000LD型定向钻机 ZDY12000LD型煤矿用全液压坑道钻机是集主机、泵站、操作台、防爆计算机、流量计、电磁起动柜、急停开关等于一体的大功率深孔定向钻机，适用孔底马达定向钻进、孔口回转钻进以及复合钻进等多种工艺，其结构如图1所示。
煤矿千米定向钻进施工方案 XXXXXXXXXXX有限公司 2018年2月
目录 一、定向钻进技术简介 (1) 二、煤矿井下定向钻孔轨迹设计 (1) （一）煤矿井下定向钻孔设计的一般原则 (1) （二）定向钻孔设计的主要内容 (2) 三、煤矿井下定向钻孔轨迹控制 (2) （一）定向钻孔轨迹控制主要参数 (2) （二）定向钻孔轨迹控制注意事项 (2) 四、煤矿井下定向钻进工艺 (3) （一）定向钻进工艺流程 (3) （二）探放水和构造探测施工工程设计 (3) （三）定向钻进工艺 (5) 五、施工设备与人员配置 (9) （一）施工工程设备配备 (9) （二）施工工程人员配备 (10) 六、孔内事故处理 (11) 七、钻孔施工注意事项 (11) 八、灾害应急措施及避灾线路 (12)
煤矿千米定向钻进施工方案 一、定向钻进技术简介 定向钻进起源于石油钻井,随着钻探技术的不断深入,受控定向钻进技术从石油行业逐渐延伸到煤炭、地质等领域,发挥着重要的作用。煤矿井下近水平定向钻进技术是钻探工程领域的一项新技术,通过对倾角和方位角的实时调节实现对钻孔轨迹的精确控制，保证钻孔轨迹在目的层中有效延伸，并可进行多分支钻孔施工，具有钻进效率高、一孔多用、集中抽采等优点，现已成为国内外瓦斯高效抽采的主要技术途径，并应用于地质构造探测和探放水等领域。 二、煤矿井下定向钻孔轨迹设计 煤矿井下定向钻孔是通过对倾角和方位角的实时调节实现对钻孔轨迹的精确控制，保证钻孔轨迹在目的层中有效延伸。 （一）煤矿井下定向钻孔设计的一般原则 1、充分掌握原始资料 内容包括施工目的、技术要求等。根据施工要求应尽量获取最全面的地质资料并及时更新主要信息，详细了解施工区域的地质情况和井下情况，便于合理设计施工方案，保障施工安全。 地质资料主要包括3项内容：地质报告（地质说明书）、采掘平面图、钻孔柱状图 钻孔施工资料包括：瓦斯治理报告、瓦斯抽采数据、水文报告等 2、可行性分析 从技术、经济、效用等角度分析包括：煤层坚固性系数f、顶底板岩性、钻孔类型、钻孔长度（经济长度、能力长度）、供水供电情况、人员配置情况、工期要求（超前探工期紧张） 3、尽量利用自然造斜规律 4、考虑施工方便和安全钻进 5、注重经济效益 （二）定向钻孔设计的主要内容 1、选择孔身剖面 2、确定定向钻孔目标层位、靶区、靶点
煤矿井下复合定向钻进及配套泥浆脉冲无线随钻测量技术研究瓦斯抽采既是煤矿瓦斯治理的主要方式之一, 也是综合利用瓦斯（煤层气）的基础, 井下定向钻孔因具有钻孔轨迹可控、有效抽采距离长、多分支孔和超前区域集中抽采等优点是进行煤矿井下瓦斯抽采的有效途径, 在保障煤矿安全生产方面发挥了重要作用。然而随着定向钻孔孔深和孔径的增大以及施钻地层的复杂多样性, 现有滑动定向轨迹控制技术与有线随钻测量技术自身固有的局限性逐渐显现。本文针对大直径/ 超长近水平定向孔和复杂地层近水平定向孔钻进施工难题, 系统研究了煤矿井下复合定向钻进技术, 揭示了复合定向模式下轨迹控制机理, 定量分析了复合定向模式下钻具受力特点, 设计出了适应复合定向钻进的泥浆脉冲无线随钻测量装置, 提升了井下定向钻进技术装备的能力水平, 为保障煤矿安全生产提供了有利技术支持。首先研究了复合定向钻进技术原理, 以钻孔轨迹调控为核心制定了钻进工艺流程, 并从钻进效率、钻进安全性和深孔钻进三个方面对其特性进行了分析。 基于井下近水平钻孔单弯无稳的钻具组合建立了复合钻进钻孔轨迹预测模型,并利用模拟计算, 分析得出了复合钻进条件下钻进侧向力和孔斜趋势角随螺杆马达弯角、钻头侧向切削力、钻压、钻孔孔径扩大率、动力头转速和钻孔倾角变化规律；通过规律研究得出复合钻进时采用1.25度螺杆马达在钻压15kN,钻孔扩大率10%以上时, 复合钻进轨迹控制处于稳斜打快状态。通过建立复合钻进三维碎岩仿真模型, 提取钻杆柱振动模态, 并对钻头~钻杆系统切削破岩过程进行仿真分析。基于Abaqus/Explicit 显式中心差分算法对钻头破岩过程进行了瞬态分析, 得到了煤矿井下小直径近水平钻孔在复合钻进条件下孔底钻具组合不会发生共振现象; 同时一定程度上定量分析出复合钻进过程中孔底钻具组合和地层之间周期性应力、应变状态, 为钻进工艺参数选取及钻具组合选取提供参考。其次针对煤矿井下特殊的施工环境和钻进技术要求, 设计了一套适合煤矿井下条件的无线随钻测量装置，将脉冲发生器与73mm外b管设计成一体式结构，采用比例先导控制技术, 实现了96L/min 小排量条件下脉冲信号稳定输出; 应用压力脉冲幅值计算分析方法, 得出脉冲压力幅值随阀头半径、泵压、泥浆排量和钻杆内径增加而增大的变化趋势, 结合煤矿井下泵量参数得出煤矿井下泥浆脉冲传输的最佳阀头直径。 为泥浆脉冲随钻测量装置在煤矿井下应用中工作参数的设定和钻进参数的选择提供参考。最后结合中硬煤层、软硬互层煤层及顶板复杂地层三个典型现场进行复
浅谈水平定向钻进技术在煤矿地质构造勘探中的应用 摘要：水平定向钻进技术能够精准的控制钻孔轨迹，纵观当前的煤矿地质构造 勘探现状，发现水平定向钻进技术的实践应用，能够更好的满足地质构造需求， 提高工作质量和效率。鉴于此，本文主要对水平定向钻进技术在煤矿地质构造勘 探中的应用进行了分析。 关键词：水平定向钻进技术；煤矿地质构造勘探；应用 随着现代化科学技术的不断发展，原有的采煤技术已远远无法满足当前实际 发展现状，因此，必须要对生产技术进行创新和改进。煤炭属于有限资源，如何 高效合理的应用采煤技术，应引起煤矿工作者的关注。在我国，钻孔抽采煤层的 瓦斯是比较常见的方法，从而能够为煤炭开采提供安全工作环境。在现代化煤矿 开采工作中，水平定向钻进技术是重要的技术手段，能够为煤炭采开工作奠定良 好基础，且可大幅度提升工作效率和质量，对于全国煤矿开采事业的健康稳定发 展很有帮助[1]。 一、水平定向钻进技术概述 在我国当前的矿井下作业中，大多是采用电法、三维地震法等对断层进行探测，但这些技术在应用的过程中，基本只能对断距5cm以下的断层进行探测，且 检测的精准度也比较缺乏，使瓦斯、陷落桩、断层等出现探测不明的问题，最终 对煤矿的高效掘进产生影响，甚至还很容易发生井下渗水、瓦斯爆炸等安全事故。通过水平定向钻进技术在煤矿井下生产作业中的实践应用，不仅能够为工作效率 提供保障，同时也能大幅提升生产安全性。若想更好的应用水平定向钻进技术， 工作人员必须要深入了解相关技术问题，使其能够被稳定的应用于煤矿地质构造 勘探工作当中，借助定向钻机设以及相关系统，通过实时监测，精准获取相关数 据[2]。 二、水平定向钻进技术的具体施工方法 水平定向钻进技术最突出的特点在于，能够人为的对钻头孔空间位置和轨迹 进行人为操控，具体施工过程中，需将探头放置在合适的位置，探测出钻孔深度 和参数，结合钻孔的轨迹，对孔垂的左右位移进行运算。通过对钻探的参数进行 分析，来确定孔周围的地质环境和孔前方的煤层走势，进一步对钻孔轨迹进行掌握，具体的施工方法包括以下几方面： 第一，对勘测点进行明确，结合电法设备对地质异常区域进行检测，在工程 图纸中对钻孔点进行确定，结合巷道、煤层等资料，设置定向钻孔。 第二，对地层变化信息进行明确，在钻进过程中，需重点关注返渣岩性变化，结合钻的左右偏差，对钻场空间位置进行确定。 第三，缩短异常孔段区域钻孔[3]。 三、水平定向钻进技术在煤矿地质构造勘探中的实践应用 正常情况下，地质异常、煤层的走向、煤层的厚度等信息，均可通过地面钻 孔勘探来获得，通过煤矿地质构造勘探工作的开展，还能获得很多其他方面的煤 层信息，但这些基本都属于大范围信息，获取的局部信息的精准性较低，一般只 能对煤层信息进行揭露，无法对煤层信息进行超前探测。通过定向钻孔，能够对 煤层地质信息进行探测，同时确定煤层顶板标高，帮助工作人员进一步了解煤层 构造情况。 （一）探测地质构造 在煤矿开采工作中，若想最大限度的提升水平定向钻进技术应用效果，首先
随钻测量定向钻进技术在煤矿井下地质勘探中的应用研究 摘要：本文从技术原理、应用作用、主要工艺等角度着手，对随钻测量定向钻 进技术进行简要分析，并对该技术在煤矿井下地质勘探中的应用方法加以阐述， 旨在延长钻进深度，扩大勘探范围，提高钻进效率。 关键词：随钻测量；定向钻进；煤矿地质勘探 引言：煤矿井下普遍存在断层、采空区、陷落柱等异常地质，为煤矿安全生 产带来诸多不便。在实际勘探过程中，钻进技术也不断发展，从以往的常规钻孔 发展为随钻测量定向钻进技术，可适用于长距离瓦斯抽采钻孔施工中，并具有显 著的应用效果。 1.随钻测量定向钻进技术概述 1.1技术原理 在煤矿井下工作中，随钻测量定向钻技术是借助专用工具，根据钻孔自然弯 曲规律与设计要求，使分支孔轨迹延伸到目标区域中的一种高效钻探方式，可使 钻孔轴线实现灵活的弯直改变。定向钻进的配套装备由多个部分构成，为孔底马达、泥浆泵、测量探管、孔口监视器等等。在应用过程中，泥浆泵中的高压水将 经过送水器进入到孔底马达中，成为马达运行的动力，推动钻头旋转对煤岩层进 行切削，并在钻进中使钻杆柱不断运行，通过改变孔底马达弯角的变化，实现对 钻孔轨迹的有效控制。在该系统中，随钻测量探管可对方位角、倾角与工具面进 行调整，形成钻孔实钻轨迹，与钻孔轨迹以及偏移情况相结合，对孔底工具角进 行调整，使其与钻孔轨迹目标相符合，实现钻孔轨迹向设计轨迹的延伸。 1.2主要作用 在以往的煤炭井下勘探中，主要采用常规钻孔法、地面钻孔勘探法等，勘探 范围较小，且信息精准度较低，难以实现长距离的精准勘探。随钻测量定向钻进 技术能够有效克服传统钻进技术中的缺陷，与大范围、高精度勘探需求充分符合，主要作用如下：一是勘探地质构造。该方式运用测量功能，在勘探过程中，对地 质构造点的三维坐标进行记录，并在钻机受阻的四周开一些新的分支孔，当这些 分支孔再次受阻时，对附近的三维坐标进行记录构建模型，便可直观的了解地质 构造情况；二是煤层走向勘测。首先当钻孔受阻时对此坐标进行记录，然后将该 坐标与地面距离进行转化为标高，最后根据新标高计算煤层倾斜角，从而得出煤 层的具体走向[1]。 2.随钻测量定向钻进主要工艺 2.1水平长钻孔施工 在井下地质勘探过程中，要想使钻孔深入到更多的煤层中，延长钻孔长度， 则需要借助强有力的钻进技术，尤其面对地质结构复杂、断层较大的情况时，更 需要钻孔有效的避开各种障碍，延长钻孔长度，提高钻进效率。随钻测量定向钻 进技术的应用可使上述要求得到充分满足，遵循“探地层，开分支”循环钻进的原则，可使每层探测深度与精度得到显著提升，同时也可使钻孔长度得到进一步增加，为施工提供更大的助力。 2.2分支孔施工 在当前煤炭井下分支施工中，主要采用缓慢磨削与反复磨削两种方式，在工 艺原理上均为悬空侧钻，将钻头调整到适当的角度后，以较为缓慢的速度进行给进，并在分支点下方与边缘处磨削出新的钻孔。在缓慢磨削法应用中，首先对钻 进设备进行调整，使其放置在预定分支点处，然后对马达的弯角进行调整，使工
煤矿井下定向钻进技术在矿井地质勘探中的应用赵电波摘要：随着现代科学技术的不断进步和发展，原有的采煤技术已经逐渐不再适 应现如今煤矿的发展状况，需要不断改进生产技术。煤炭资源是有限的，如何采取最有效的技术进行发掘煤炭资源，将是众多煤矿工作者长期的工作重点之一。而我国当前普遍适用的方法是利用钻孔抽采煤层的瓦斯，为煤炭的开采工作提供一个安全有效的工作环境。煤矿井下定向钻进工艺技术是现代煤矿进行开采作业的重要技术手段之一，为煤炭资源开采工作的顺利进行提供了良好的前提准备条件。因此，本文对煤矿井下定向钻进技术在矿井地质勘探中的应用进行分析。 关键词：煤矿井下；定向钻进技术；矿井地质勘探；应用 1煤矿井下定向钻进技术及其在地质勘探中的施工方法 1.1定向钻进技术概述 当前，煤矿井下作业大多采用三维地震、电法等手段来探测断层，但这些探测方法对于断距小于５ｍ的断层，缺乏检测精准度，使断层、陷落柱、瓦斯等地质的探测不明，影响煤矿的高效掘进，甚至导致煤矿瓦斯突出或井下渗水等安全事故发生。因此，在煤矿井下生产过程中应用定向钻进技术，在保证作业效率的同时，能够提高生产安全性。要想利用好该项技术，需要了解技术的相关问题。定向钻进技术主要应用于岩层和较稳定煤层的瓦斯抽放钻孔施工中，利用定向钻机及相关的随钻系统，能够通过实时监测，获得相关数据。 1.2施工方法 定向钻进技术最大的特点是，能够人为操控转变钻头孔的轨迹及空间位置。在施工探测过程中，将探头放置在区域深层次中，探测出钻头参数及孔深，可以参照钻孔的轨迹，运算出孔垂的左右位移。通过分析使用中钻探的参数，来勘探出孔前方的煤层走势及孔周围的地质环境。为进一步掌握钻孔的轨迹，定向钻进技术的施工方法如下： 第一，明确勘测点。根据电法仪器检测出地质异常区域，在工程图中，确定钻孔点，根据煤层及巷道等资料，来设置定向钻孔。 第二，明确地层变化信息。在进行钻进过程中，要注重返渣岩性的变化，按照实钻的左右偏差，来确定钻场的空间位置。 第三，缩短异常孔段区域的钻孔。将施工定向钻孔钻进至煤层的陷落区域或者断层附近的地质破碎区域时，要将钻头提升至岩层稳定区域，进行开分支孔，再钻进下一个钻孔点内。 2定向钻进技术在矿井地质勘探中的应用 煤矿井下煤层的煤层厚度、煤层走向及煤层地质异常等信息可以利用地面钻孔探测获得，地面钻孔可以获得大范围内的煤层信息，但是对局部范围的信息获取准确性交底，只能得到揭露煤层的信息，不能实现对煤层信息的超前探测。利用定向钻孔可以提前探测到煤层的地质信息，利用前进式开分支施工工艺展开施工，可以确定煤层顶底板的标高，探测到煤层构造的具体情况。 2.1对地质构造进行探测 想要将定向钻进技术更好的应用到具体的煤矿开采过程中，首先就必须要认识到对地质构造进行探测的重要性，这是煤矿找矿以及开采工作的基础，同时也是提高煤矿工作效率以及效果的基础性保证。总的来说，对地质构造进行探测的过程中，需要利用随钻测量技术及计算功能，可以计算出地层构造的三维坐标，然后可以在已探明构造点钻孔部位设计多个分支孔，利用定向开分支技术计算出
刍议煤矿井下定向钻孔施工工艺 1、定向钻孔施工的工艺原理 煤矿井下定向钻进是采用水力排渣、随钻测量的一种钻孔施工工艺，是利用泥浆泵将静压水通过加压后，通过钻杆内侧供水通道送达孔底，驱动孔底螺杆马达旋转，为钻头旋转切削煤岩提供动力，水沿着钻杆与孔壁之间的间隙排除孔内钻屑。施工过程中通过随钻测量系统实时测出孔底钻具空间姿态参数（倾角、方位角、工具面向角等），操作人员通过对比施工参数与设计参数，调整孔底钻具工具面向角，进行下一次钻进，依次按照此步骤施工直至实际钻孔轨迹沿着设计轨迹钻进至终孔。 2、定向钻孔的设计 定向钻孔施工前必须预先设计好钻孔轨迹，定向钻孔轨迹的设计应考虑到以下因素：钻孔的类型，施工钻孔的个数及预计孔深、钻孔分支孔的数量、孔深及分支位置等，轨迹设计前，尽可能多的收集到能准确反映钻孔布孔平面和空间区域的地质测量资料（包括煤层顶底板等高线图、综合柱状图，采掘工程平面cad 图、局部探眼或钻孔柱状图等），分析布孔区域煤层瓦斯含量及压力、煤层顶底板岩性变化及煤厚变化情况。下面以顶板瓦斯抽放钻孔设计为例说明如何进行定向钻孔轨迹设计： 2.1钻孔方位角设计。设计钻孔方位角时，必须先明确工作面顶底板等高线图的真方位角a，然后再确定钻孔施工的主方位角b，顶板瓦斯抽采钻孔距离回风巷平距一般为10～30m，可以设计2～5个定向主孔，开孔间距控制在0.5～1m，再确定分支钻孔的个数及开孔位置，分支钻孔开孔位置均布置在工作面收作线以内，这样可减少无效孔段的施工，钻孔设计孔深在300～600m为宜，主孔方位在进入收作线后保持平行轨道顺槽延伸，主孔方位角确定后，再设计分支孔的方位，使钻孔终孔在平面上等间距分布，平均间距5～7m。 2.2钻孔倾角设计。倾角的设计应兼顾到两个方面，一是高位钻孔最佳抽采高度，二是岩性情况。钻孔的终孔垂高应分布在煤层顶板裂隙带内，淮南矿区高位钻孔最佳终孔高度一般控制在煤层顶板垂距15～25m范围内。在确定最佳垂高范围后，在通过综合柱状图和沿轨顺方向轨顺顶煤层顶底板岩性柱状图确定终孔目标层位，钻孔的剖面轨迹应本着尽量在稳定岩层中钻进原则。钻孔的平面和
煤矿井下随钻测量系统的设计与实现 摘要：自古以来，我国的能源资源十分丰富，随着科学技术水平的提升，自然资源的勘探技术得到了显著的进步和发展。在我国的能源结构当中，煤炭资源占据主要地位，在煤矿的日常开采过程中钻探技术扮演者不可或缺的角色，这不仅能够对生产过程中的地质条件进行深入的探测，并且在解决煤矿煤矿安全生产问题上发挥出了重要的作用。然而伴随着煤矿生产机械技术的不断发展和进步，为了能够有效提高日常生产过程中的采煤效率和钻探获得相应资料的准确性，必须要求对钻孔空间的运动轨迹进行更加直观的表达。 关键词：煤矿；钻探技术；测量系统；运动轨迹；电磁波无线； 1. 引言 近年来，伴随着科学技术水平的提高，经过多年的操作和实践，我国也掌握了一定的煤矿井下的钻探技术，由于煤矿井下的环境十分复杂，这给随钻测量带来了极大的困难，例如工作空间十分狭小、电磁干扰情况十分严重以及极易产生爆炸现象等等，这样在实际测量的过程中必定会导致测量数据不准确。另外，现阶段煤矿的生产施工中的钻孔大多数不进行钻孔轨迹测量，这会造成地质资料的误判、安全措施在客观方面得不到保障的情况随时发生。为了能够更好的解决以上问题，本文以煤矿井下电磁波无线随钻轨迹测量系统的设计为例展开深入的研究和分析，根据相关的实验数据证明可得，这个系统具有投入成本较低、快捷方便的特点，最为重要的是能够满足无线随钻测量的要求。 1. 煤矿井下随钻轨迹测量的主要类型和主要原理 煤矿井下的随钻测量实质上是对地下岩层组织结构和组合方式的了解，为了能够让钻孔施工成果符合期初的设计要求，大多数煤矿企业规定针对钻孔施工进行抽样测斜。目前轨迹测量产品主要有两种类型，即适用于非定向孔的测斜设备
井下近水平定向钻(抽/探放水)技术研究 摘要: 为了降低煤矿井下富水性和定涌水（以静储水）的含量，采用定向钻孔进行疏降水。在煤层施工近水平长钻孔、多分支孔。分析在煤层施工近水平定向钻孔所面临地质条件复杂、钻孔轨迹难控制、钻孔事故复杂等技术难点，总结现场施工经验，形成一套适合定向钻孔施工的常用钻具组合、施工流程、钻孔轨迹控制等工艺方法。该定向钻技术在小纪汗煤矿的成功应用说明其满足孔深300-500m 和煤层分支在200m左右的抽放水工艺施工要求。 关键词: 抽放水;水平定向孔;多分支孔;钻孔事故;钻孔轨迹控制 煤矿井下定向钻技术概述 在煤矿防治水的工作中，根据“预测预报；有掘必探，先探后掘；先治后采。”方针。首次利用钻孔疏降防治煤矿水害的有效措施。近水平定向钻孔本次施工在疏降水方面因具有单孔排量大、排放效率高、钻孔疏降水涉及区域面积大等优点而越来越受到关注。随着国内外煤矿井下定向钻进技术不断发展，特别是具有我国自主产权ZDY3500L 近千米水平定向钻机的成功研制与推广使用，促进了煤矿钻孔探放水施工技术发展，有效防治煤矿水灾害，实现煤矿安全生产。 探放水设计内容： 1、探放水地区的水文地质条件（如老空积水范围、积水量、估算的水头高度、涌水量等）。 2、探放水巷道的开拓方向、施工次序、支护形式。 3、探放水钻孔个数、方位、倾角、深度、施工技术要求、超前距、
帮距。 4、探放水施工施工中应采取的安全措施。 5、受水威胁区信号联系与避灾路线。 6、水情及避灾联系制度与灾害处理措施。 7、探放水钻孔设计图（平面图、剖面图、断面图、避灾线路图）。煤矿井下近水平定向钻进技术是煤矿钻探领域的一项新技术，主要应用于较稳定煤层的积水抽放钻孔。该技术采用带弯头通缆钻杆钻具组合技术，钻杆不回转，利用高压水驱动孔底马达带动钻头回转配合有线随钻测量技术而实时监测钻孔轨迹，并通过调节工具面角控制钻孔轨迹，从而使钻孔尽量在煤层中延伸，极大提高钻孔在煤层疏降水疏放的效果，实现煤层长钻孔钻进。根据地层条件，成功的定向疏降水成孔一般距离煤层底板150cm左右（贴近底板）。 2 煤矿井下定向钻技术特点 煤矿井下近水平定向钻技术集成了水平孔、分支孔、随钻测量等技术。由于钻孔整体处于近水平状态，致使其钻具受力特征、孔内水压大的特性、钻孔轨迹控制难的特征，可以借鉴的经验不多，增加了技术难度，在国内的探放水施钻工艺也是首例。只能借鉴瓦斯抽采的技术开展探放水工艺的研究和实践。此外在钻遇煤层的整个过程中，异同于瓦斯钻孔抽采遇到松软煤层出现卡钻、抱钻等现象，在孔内返水和高压水的共同作用下可以控制钻孔出现卡钻、塌孔等现象的发生。使钻孔壁稳定性等到了更高。因此近水平定向钻孔需克服煤层地质条件复杂、钻孔轨迹控制精度要求高、水压随着孔深增大的因素、钻孔事故
定向井水平井钻井技术 目录 第一章定向井（水平井）钻井技术概述 (1) 第二章定向井、丛式井、水平井设计与计算分析 (19) 第三章定向井、水平井井身轨迹控制技术 (34) 第四章定向井、水平井测量技术 (60) 第五章长、中曲率半径水平井钻井专用工具 (70)
第一章定向井（水平井）钻井技术概述 第一节定向井、水平井基本概念 1、定向井、丛式井、水平井发展介绍 定向井是按照预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。定向井相对直井而言它具有一定的井斜角和方位角，而直井是井斜角为零的井，虽然实钻井眼都存在一定井斜度，但它仍然是直井。 定向井首先是从美国发展起来的，在十九世纪后期，美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。当时没有考虑控制井身轨迹的问题，认为钻出来的井必定是铅垂的，但通过后来的井筒测试发现，那些垂直井远非是垂直的。并由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造成被起诉的案例。最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。早在1895年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。有记录定向井实例是美国在二十世纪三十年代初在加利福尼亚油田钻成的。 第一口救援井是1934年在东德克萨斯康罗油田钻成的。救援井是指定向井与失控井具有一定距离，在设计和实际钻井让救援井和失控井眼相交，然后自救援井内注入重泥浆压住失控井。 目前最深的定向井由BP勘探公司钻成，井深达10654米； 水平位移最大的定问井是BP勘探公司于己于1997年在英国北海的Rych Farn油田钻成的M11井，水平位移高达10114米。 我国定向钻井技术的发展可以分为三个阶段，50—60年代开
始起步，首先在玉门和四川油田钻成定向井及水平井：玉门油田的C2—15井和四川磨三井，其中磨三井总井深168米，垂直井深350米，水平位移444．2米，最大井斜92°，水平段长160米；70年代扩大试验，推广定向井钻井技术；80年代通过进行集团化联合技术攻关，使得我国定向钻井软件到硬件都有了一个大的发展。 我国目前最深的水平井是胜利油田完成的DH1-H1井，完钻井深达到6452．00米。水平位移最大的大位移井是海洋石油总公司南海东部公司完成的西江24-3-A14井，水平位移超过8000米。最大的丛式井组是胜利油田完成的河50丛式井组，该丛式井组长384米，宽115米，共完成定向井42口。 2．定向钻井的分类 按定向钻井的用途分类可分为以下几种类型： 普通定向井 多目标定向井 丛式井 定向井 水平井 空间三维多目标水平井 分枝井、多底井
科技成果——井下近水平定向钻进技术与装备适用范围 井下近水平定向钻进技术与装备主要解决煤矿井下钻孔定向问题，用于中硬煤岩层井下瓦斯抽（排）放、注浆防灭火、煤层注水、防突卸压、地质勘探等各类工程定向钻孔的施工。可实现钻孔施工的可控化、定向化；能极大提高煤矿井下瓦斯抽放量及抽放效率，目前该技术及装备在各大煤矿得到了广泛的应用，为煤矿企业降低了钻孔成本，具有良好的推广应用前景。 技术原理 钻机打钻时，通过高压动力液驱动孔底马达带动钻头在孔低实现旋转钻进，钻杆本身不旋转，钻机随钻测量系统实时采集钻孔轨迹，通过通缆钻杆传输到钻机主机上的计算机，施钻人员可随时通过调整钻头工具面角来控制钻孔轨迹。 关键技术 1、定向钻孔及分支钻孔技术。采用随钻测量系统实施采集钻孔轨迹，并通过调整钻头工具面角来精确控制钻孔轨迹，可进行分支钻孔。 2、随钻测量系统信号共线传送技术。采用电流环技术，使探管驱动电流和测量信号实现共线传输，数据传输精度高并可降低钻孔辅助时间。 3、定向通缆钻杆技术。采用双锥面密封结构的通览钻杆，实现了测斜探管外部供电，杜绝了采用电池供电造成电量不足引起测量数
据中断的问题。 技术流程 通过调研进口定向钻机在煤矿井下的施工情况，结合国内煤矿具体特点，确定钻机总体参数，研制了适合于国内煤矿的定向钻机，实现了定向钻机的国产化。在随钻测量系统的设计上进行了创新研究，数据共线传输技术达到国际领先水平。 主要技术指标 （1）煤岩层硬度f=1.5-8，钻孔直径95-200mm，钻孔深度＞1000m； （2）钻孔测斜误差倾角±0.2°、方位角±1.5°、面向角±1.5°； （3）孔底马达寿命≥200h。 典型案例 近水平定向钻机在晋城煤业集团寺河矿进行钻孔施工，完成主孔10个，其中主孔深度超过1000m的钻孔4个，最深主孔1017m，分支钻孔56个，最深分支孔240m，钻孔累计总进尺11000余米，正常钻进平均日进尺达150-180m，顺煤层钻孔机械钻速18-24m/h，顶底板岩石钻孔机械钻速6-8m/h，其在东五盘区所施工的钻孔瓦斯抽放纯量一直维持在80m3/min以上，远远高于普通钻机钻孔的抽放效果。
摘要 定向井技术是当今世界石油勘探开发领域最先进的钻井技术之一，它是由特殊井下工具、测量仪器和工艺技术有效控制井眼轨迹，使钻头沿着特定方向钻达地下预定目标的钻井工艺技术。采用定向井技术可以使地面和地下条件受到限制的油气资源得到经济、有效的开发，能够大幅度提高油气产量和降低钻井成本，有利于保护自然环境，具有显著的经济效益和社会效益。定向井就是使井身沿着预先设计的井斜和方位钻达目的层的钻井方法。本文介绍的主要是定向井及水平井的应用。 关键字：定向井水平井及前沿技术发展 1、定向钻井的目的： 1、地面条件限制；如高山、大河、湖泊、海洋、城市、建筑等； 2、地下条件限制；如地下断层、盐丘、穹窿等复杂地层； 3、钻井工艺要求；如侧钻井、救援井、丛式井、分支井等； 4、开发油气藏的需要。 钻水平井的目的是： 1、开发低渗透、低孔隙度油气藏； 2、丛式钻井和海洋钻井的需要。 主要内容有： 1、定向井和水平井剖面设计； 2、定向井和水平井井眼轨迹测量和计算； 3、定向井和水平井井眼轨控制原理和技术。 发展状况： 最早的定向井是用于井下落鱼而无法继续钻进的侧钻井；用专门的工具及技术钻定向井则始于1895年。真正钻定向井是1930年在美国的加里福尼
亚开采海岸浅层石油。1934年用于井喷失控的救援井。广泛使用定定向井是在最近20年。在此基础上为了开发低渗透油气藏和海洋、从式井的需要又出现了水平井技术。 目前，定向井水平井已发展到很高的水平，应用越来越广泛，在剖面设计，轨迹测量、控制技术已相当完善。井深超过8000米，水平位移达5000米。井斜角达800以上，即所谓大斜度井。 2、定向井的基本要素 1、井斜角。井眼轴线的垂直投影平面上，任一点的切线与垂线的夹角，； 2、方位角。井眼轴线的水平投影上任一点的切线与正北方向的夹角，； 3、水平位移。是井底的水平投影与井口的水平投影之间的距离； 4、井斜变化率。井眼单位长度井深井斜角的变化值； 5、方位变化率。单位长度井深方位角的变化值； 6、全角变化率（井眼曲率或狗腿度），同时表示井斜和方位变化的程度； 7、测量深度（MD）。沿井眼轨迹的长度，一般指钻具的长度； 8、垂深（TD）。井眼轨迹的垂直投影长度，反映的是定向井和水平井的垂直 深度 3、定向井水平井剖面设计 1、设计原则： A、实现定向井钻井目的； B、充分利用地层的造斜规律； C、有利于钻井、采油和开发的要求； D、有利于安全、快速、低成本钻井。 2、应考虑的问题： A、力求使设计轨迹最小； B、应使斜直段最长；