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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3、确定主孔和分支孔的施工方案，预留好分支点4、确定定向孔孔深轨迹参数参数包括：磁偏角、各孔段长度，起始点和终点的倾角、方位角，各孔段起点和终点的上下、左右位移，到达目标层位的倾角、方位角、上下和左右位移。
定向井井身轨迹的计算方法
杨涛
【期刊名称】《中国煤炭地质》
【年(卷),期】2009(021)0z1
【摘要】定向的目的就是使井身轨迹按照设计的方位、位移达到目标点,井身轨迹图是根据测井数据经过计算得出的.目前普遍采用"两点法"来计算相邻两测点间的小段井眼中心的垂直深度、水平位移、南北坐标、东西坐标、水平位移等.对"两点法"中不同计算方法的公式应用范围及误差进行了对比.以化122-24石油定向井的数据为例,运用平均角法和最小曲率法进行了测斜数据的计算,计算结果表明最小曲率法比平均角法更为合理.
【总页数】3页(P74-75,109)
【作者】杨涛
【作者单位】中煤地质工程总公司北京大地特勘分公司,北京,100073
【正文语种】中文
【中图分类】P634.7
【相关文献】
1.定向井井身轨迹的计算方法 [J], 杨涛
2.测距选择与施工方式对定向井井身轨迹计算的影响 [J], 翟文涛
3.浅析定向井井身轨迹最优化方法 [J], 陈震;赵韬
4.大位移定向井井身轨迹优化与实例分析 [J], 边秀武
5.定向井井场优选与井身轨迹优化分析 [J], 崔登云
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煤矿井下近水平定向钻孔轨迹描述与计算方法孙荣军【摘要】摘要:本文在分析地面与井下钻孔轨迹描述习惯不同的基础上,结合煤矿井下定向钻孔施工的特点建立了钻孔轨迹描述体系,提出了描述钻孔轨迹空间位置的主要几何参数的定义和表示方法。
通过分析常用钻孔轨迹坐标计算方法的适用性,提出适合煤矿井下施工特点的最佳计算方法模型,为井下定向钻孔轨迹设计和控制提供了理论依据。
【期刊名称】中国煤层气【年(卷),期】2010(007)004【总页数】5【关键词】关键词:煤矿井下定向钻孔轨迹描述坐标计算1 前言随着煤矿综合机械化采煤技术的发展,煤矿安全生产对井下勘探孔、放水孔、瓦斯抽采孔等施工装备和技术的要求也不断提高,不但要求钻孔施工装备具有较高的钻进效率,同时要能够实现对钻孔轨迹的精确控制[1]。
定向钻进技术以其钻进速度快、定向精度高、“一孔多分支”等优点,已成为高产高效煤矿井下钻孔施工急需的技术手段。
要进行定向钻孔轨迹设计,除根据实际情况建立相应的空间坐标系外,还要搞清楚表征钻孔轨迹空间位置的点、线、面和角之间的关系以及钻孔轨迹的描述方法和计算方法,这些都是进行钻孔轨迹设计和计算的理论基础。
2 钻孔轨迹描述坐标系的建立2.1 地面与井下钻孔轨迹描述体系的不同煤矿井下水平定向钻孔轨迹和地面近水平定向钻孔轨迹一样都是由若干空间直线或曲线组成的,所不同的是地面近水平定向钻孔轨迹都是以地面为参照物建立相应的空间坐标系,而煤矿井下水平定向钻孔则必须以井下钻场为参照物建立空间坐标系。
要进行钻孔轨迹设计,除根据实际情况建立相应的空间坐标系外,还要搞清楚表征钻孔轨迹空间位置的点、线、面和角之间的关系以及钻孔轨迹的描述方法和计算方法,这些都是进行钻孔轨迹设计和计算的理论基础。
地面石油钻井和非开挖导向钻进都有相应的轨迹描述方法体系,而井下随钻测量技术由于尚处于起步阶段,钻孔轨迹描述体系尚不系统。
根据地面与井下钻孔形式和表述习惯不同,其坐标系的建立应有以下不同: (1)参照系不同,地面钻孔一般都以地表平面为参照,而井下习惯以开孔端面为参照;(2)垂直轴(Z)正方向不同,地面一般以垂直向下为正方向,而井下习惯以垂直向上为正方向;(3)井斜描述主参数不同,地面一般以钻孔当前轴线与垂直轴的夹角(即顶角)作为主参数,而井下习惯以钻孔当前轴线与水平轴的夹角 (即倾角)作为主参数; (4)所遵循的坐标系螺旋法则不同,地面一般符合右手螺旋,而井下一般符合左手螺旋,其主要原因是Z轴方向发生了变化。
1.井眼轨迹的基本概念1.1定向井的定义定向井是按预先设计的井斜角、方位角及井眼轴线形状进行钻进的井。
（井斜控制是使井眼按规定的井斜、狗腿严重度、水平位移等限制条件的钻井过程）。
1.2井眼轨迹的基本参数所谓井眼轨迹，实指井眼轴线。
测斜：一口实钻井的井眼轴线乃是一条空间曲线。
为了进行轨迹控制，就要了解这条空间曲线的形状，就要进行轨迹测量，这就是“测斜”。
测点与测段：目前常用的测斜方法并不是连续测斜，而是每隔一定长度的井段测一个点。
这些井段被称为“测段”，这些点被称为“测点”。
基本参数：测斜仪器在每个点上测得的参数有三个，即井深、井斜角和井斜方位角。
这三个参数就是轨迹的基本参数。
井深：指井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度，也有人称之为斜深，国外称为测量井深(Measure Depth)。
井深是以钻柱或电缆的长度来量测。
井深既是测点的基本参数之一，又是表明测点位置的标志。
井深常以字母Ｌ表示，单位为米(m)。
井深的增量称为井段，以ΔＬ表示。
二测点之间的井段长度称为段长。
一个测段的两个测点中，井深小的称为上测点，井深大的称为下测点。
井深的增量总是下测点井深减去上测点井深。
井斜角：井眼轴线上每一点都有自己的井眼前进方向。
过井眼轴线上的某点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。
井眼方向线与重力线之间的夹角就是井斜角。
井斜角常以希腊字母α表示，单位为度(°)。
一个测段内井斜角的增量总是下测点井斜角减去上测点井斜角，以Δα表示。
井斜方位角：井眼轴线上每一点，都有其井眼方位线；称为井眼方位线，或井斜方位线。
井眼轴线上某点处的井眼方向线投影到水平面上，即为该点的井眼方位线（井斜方位线）以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线（井斜方位线）上所转过的角度，即井眼方位角。
井斜方位角常以字母θ表示，单位为度(°)。
井斜方位角的增量是下测点的井斜方位角减去上测点的井斜方位角，以Δθ表示。
煤矿井下定向钻孔轨迹计算方法
煤矿井下定向钻孔轨迹的计算主要依赖于方位角和倾角。
方位角是井身相对于参考轴线的平面角度，而倾角则是井身相对于参考轴线的垂直角度。
一般来说，井身轨迹可以通过以下步骤进行计算：
确定起始点和目标点的坐标。
计算起始点和目标点之间的方位角和倾角。
根据方位角和倾角，利用三角函数计算出每一段轨迹的坐标变化。
将每一段轨迹的坐标变化累加，得到整个钻孔轨迹的坐标。
以上步骤可以根据具体的矿井情况和钻孔要求进行适当的调整和优化。
需要注意的是，煤矿井下定向钻孔轨迹的计算涉及到多个因素和变量，因此在实际操作中需要根据具体情况进行综合考虑和分析。
此外，还有一些专业的轨迹计算软件可以用于煤矿井下定向钻孔轨迹的计算，这些软件可以根据输入的参数和条件，自动计算出钻孔轨迹的坐标和参数，提高计算精度和效率。
煤矿井下水平定向钻孔轨迹设计
煤矿井下水平定向钻孔轨迹设计是指将水平定向钻机在煤矿井下的工作过程中，根据实际工作需要，从而确定其运动轨迹。
它由多条定向钻孔轨迹组成，可以满足煤矿井下的不同工作需求。
一般来说，煤矿井下水平定向钻孔轨迹设计包括三个基本步骤：选择合适的钻孔轨迹、计算每一条轨迹的长度和方向、确定钻孔机的运行位置。
1、选择合适的钻孔轨迹：在煤矿井下，由于断层的存在，因此需要选择合理的钻孔轨迹，使得钻孔机能够在安全的情况下，顺利地走出轨迹。
2、计算轨迹的长度和方向：在设计轨迹时，必须根据实际情况，确定钻孔机运行的距离和方向，以保证钻孔机能够顺利完成任务，避免发生意外情况。
3、确定钻孔机的运行位置：钻孔机的运行位置也是非常重要的。
钻孔机在煤矿井下的安全性是关键，因此，必须确定好钻孔机的运行位置，以保证钻孔机的运行安全。
此外，煤矿井下水平定向钻孔轨迹的设计还需要考虑一些特殊的问题，比如：煤矿井下的无人钻孔机在运行时会受到一定的噪声影响，因此还需要对钻孔机的噪声控制进行相应的设计；另外，在煤矿井下的定向钻孔轨迹设计
过程中，也需要考虑井壁支护的问题，以保证定向钻孔机能够安全地顺利完成任务。
综上所述，煤矿井下水平定向钻孔轨迹设计是一项十分复杂的工作，需要结合实际情况，合理设计钻孔轨迹，同时考虑噪声控制和井壁支护等问题，以保证定向钻孔机能够安全、顺利地完成任务。
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 mine1.3 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 ofthe 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。
