定向钻孔三维轨迹的模拟方法及工程实际运用

2019年第12期（总第171期）
ENERGY AND ENERGY CONSERVATION
2019年12月
实践运用
钻机开孔定向仪及轨迹测量装置在钻孔施工中的应用
赵益晨
(山西焦煤汾西矿业地测处，山西介休032000)
摘 要：钻孔施工是井下瓦斯治理、防治水、地质勘探等工作开展的基础性工作，由于受地质构造、钻机性能、煤层
赋存条件、人工测量偏差等彩响，钻孔的实际轨迹与设计轨迹存在较大偏差。为了更好地促进矿井生产，需要控制钻孔
开孔偏差并掌幅提升钻孔开孔参数测量精度 ，避免人工测量偏差； YZG4.8矿用钻孔轨迹测量装置可以实现对钻孔钻进轨迹的精准测量。现场试验也表明，YHZ85/360矿用钻机开孔定向 仪、YZG4.8矿用钻孔轨迹测量装置可以在一定程度上提升矿井钻孔的施工质量，根据钻孔轨迹测量结果，有针对性地对
0引言
中国煤炭赋存条件复杂，且95%以上的矿井开采 为井工开采。钻孔是井下瓦斯治理、探放水、地质勘 探等工作开展的重要途径叫现阶段，中国矿井钻孔施 工多采用回转钻机，钻孔的开孔方位角、倾角都采用 人工测量，由于受到人工测量偏差、煤层赋存条件、 钻机性能、人员素质等诸多方面的影响，钻孔的实际 成孔轨迹与设计轨迹之间存在较大的偏差 ，钻孔的钻 进深度越大，偏差越明显叫瓦斯抽采钻孔实际成孔与 设计钻孔存在较大偏差，在煤层中容易形成瓦斯抽采 空白带，给矿井生产带来安全隐患；在地质勘探中， 实际的勘探钻孔与设计钻孔轨迹偏差较大，给勘探成 果解释以及勘探精度都带来不利影响；在防治水中， 实际探放水钻孔与设计探放水钻孔存在较大偏差，给 井下防治水工作开展带来严重影响，甚至会岀现安全 生产事故g］。因此，提升矿井钻孔钻进质量，降低实 际成孔与设计轨迹之间的偏差，对促进矿井的生产安

二、定向钻孔的类型 （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。
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
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
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。

煤矿井下定向钻孔轨迹控制
36
黄陵二号煤矿施工煤矿钻井下孔定向平钻孔面轨迹图控制
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10
6
2
-2 0
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黄陵二号煤矿 4#钻孔实钻轨迹剖面图
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黄陵二号煤矿 4#钻孔实钻轨煤矿迹井左下定右向钻偏孔差轨迹图控制
排量 lpm
转 速 rp m
上紧 扭矩
Nm
73
181-24
4:5
3
2.85
62. 5
3116-35 1367-05
1620
输出 扭矩 Nm
257
最大 过载 拉力 kN
89
最大 钻压 kN
27
最大 压降 kPa
2758
煤矿井下定向钻孔轨迹控制
2
螺杆钻具造斜原理
螺杆钻具是一种把液体的压力能转换为机械能的 能量容积式正排量动力转换装置，主要由螺杆马达 （定子、转子）总成、万向轴总成、传动轴总成三大 部分组成。
分支孔成孔几率极低
当倾角<0O时, 工具面180O
分支孔成孔几率低
煤矿井下定向钻孔轨迹控制
18
开分支工艺
当倾角>0O时, 工具面0O
分支孔成孔几率极低
当倾角>0O时, 工具面180O
分支孔成孔几率高
分支点选择： 尽量选择“倾角增加孔段”
煤矿井下定向钻孔轨迹控制

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。

第3期
冯治东等: 基于 Ho ops 的钻孔三维可视化技术研究
第 39 页
图 1 钻孔数据库表结构设计 Fig. 1 The structure diagram of drill ing database
2 钻孔和品位可视化坐标换算原理
钻孔可视化是根据数据库数据将钻孔的轨迹和
品位信息显示到用户界面的过程, 钻孔的轨迹显示 以定位表和测斜表为依据。轨迹线可通过三维图像
(3)
z ( i+ 1) = ( i) co s ( i) + z ( i)
式中: x ( i) 、y ( i) 、z ( i) 分别表示钻孔在直角坐标系中
第 i 测斜点的 x 、y 、z 值。计算出每个测斜点在直角
坐标系中的坐标后, 根据设计好的数据结构, 组织缓 存数据, 以每个测斜点为特征点, 用三维图形库提供 的多段线接口绘制出各个钻孔的轨迹线。
钻孔品位显示是以化验表为依据, 显示 钻孔品 位的关键是根据该段样品品位在钻孔轨迹附近以不 同颜色的线段显示并标出品位数, 所以需要知道每 个线段的起点坐标和终点坐标即可调用三维引擎库 画出不同 图案, 然而对 于第 i 段样品 sample( i ) 而 言, 只知道该样品的起点深度 dept h_f rom( i ) 和截止 深度 dept h_to ( i ) , 所以需要在钻孔轨迹数据缓存中 匹配相应位 置, 找 出 dept h _f rom ( i ) 的 上一个测 斜 点, 根据相应测斜参数计算出 dept h_f rom( i ) 的直角 坐标, 同理可计算出 dept h_t o( i ) 的直角坐标。
20 世纪 90 年代以来, 我国学 者进行了大量的 三维矿体可视化建模研究, 姚鑫等[ 1- 3 ] 研究了国外 三维建模软件平台的系统框架与使用方法; 曹代勇 等[ 4- 6] 研究了三维可视化建模 方法, 并初步借助底 层三维图形库( 如 OpenGL 、Direct X 和 GDI 等) , 使 用计算机编程语言( 如 C\ C \ Java\ VB) 构建了三 维可视化软件雏形; 明镜 等[ 7, 8] 分别研究 了三角网 和虚拟钻孔数 据的剖切 问题。这些研究 从整体上 概述了整个矿体可视化过程, 没有从细节上说明每 个步骤的详细 实现方法。本文 论述矿体 可视化过 程中的钻孔可视化, 在可视化工具 上提出使用 C

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。
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。
二、定向钻孔的类型 （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。
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。

三维大斜度定向井实践（上）摘要油气勘探开发的需求，推动着井型的演变与发展，随着定向井、丛式井和水平井技术的日益完善，定向井专用工具、仪器等硬件技术取得了很大进步，硬件技术的进步又促进了钻井工艺水平的发展。

港10—66井具有造斜点浅、位移大、大斜度稳斜角大、变方位角的双目标等特点。

本井为评价井，对钻井液的维护要求高，工艺技术复杂，体现了目前各个方面的最先进的钻井技术。

南于实钻地层与设计地质地层不符，提前完钻。

本文介绍了三维绕障大斜度定向井港10一66定向井工艺实施过程。

关键词定向井专用工具钻井工艺大斜度稳斜角三维绕障大斜度定向井为了评价港中油田港32井区明三、四油组油层(图1)，由于受地面条件限制(周围有道路、学校及住宅小区)，专家们认为优化多目标和优化井眼方位是评价此油层组的关键问题，为了优化目标和井眼方位，需要在水平面大幅度纠方位。

随着定向井技术的日趋完善及定向井公司提供可靠的导向钻井系统支持，使油公司增强了信心，通过论证认为确实能钻成这种井身结构的井，所以选用这种三维大斜度多目标井身剖面——亦称设计师井。

图1 港中油田港32井区明四5底界构造图1 三维大斜度定向井的设计1.1 地面设备的选择根据港中油田港32井区明三、四油组油层埋深浅、地层可钻性好的特点，从经济上考虑合理地选择地面设备，既能满足施工的需要，又能保证施工中各种复杂情况处理措施的有效实施，充分利用现有设备，节省设备投资(表1)。

表 1 钻机诜型及钻井主要设备1.2 三维大斜度定向井剖面选择特殊的航行角和方位可使三维多目标井达到最佳采收率；把造斜率和方位变化率调整到与待钻井眼深度、长度等物理条件相匹配，而不以常规的方式始终对准目标；在选择目标点的同时，使用各种高偏离轨迹容限以便尽可能使井眼轨迹呈流线型；着重考虑井眼摩擦力在允许范围以内、最大限度地避免以定向方式进入目标点钻进(进入目标前设计一段稳斜段)。

最后选择了在12¼″井眼完成初始造斜并用套管封固，既排除因上部地层软而带来的键槽卡钻的可能，又减少了整个井眼的摩擦阻力；在8½″井眼完成稳航(稳航角45°、54.54°)、方位调整(造斜率3.45°／30m)及二次增斜(造斜率3°／30m)作业，从而降低井身剖面的复杂性。

定向井扭方位三维轨迹设计简易解析法
胡丰金;庞保军
【期刊名称】《石油钻采工艺》
【年(卷),期】1996(018)003
【摘要】钻定向井过程中，当预测到井眼轨迹不能按设计要求中靶时，就需要扭方位施工。

扭方位井段的轨迹设计是一个三维计算问题，在现有诸多设计方法中，所使用的公式多，且计算复杂。

本文给出一套简便易行的扭方位三维轨迹设计解析法，经实践检验，可满足现场需要。

【总页数】5页(P32-36)
【作者】胡丰金;庞保军
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TE243
【相关文献】
1.考虑方位漂移的定向井轨迹设计方法 [J], 崔红英;周广陈;张建国
2.三维定向井轨迹设计中对方位漂移的考虑 [J], 段玉廷
3.定向井水平井轨道设计和轨迹计算分析三维可视化技术 [J], 王俊良;李海峰;袁学峰;吴先忠
4.定向井实用三维设计─方位比较法 [J], 谢国民;张良万;杜远洋;钟其沐
5.三维技术在定向井井身轨迹设计中的应用 [J], 李虎;刘旻
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3D定向钻孔雷达系统及应用王正成;侯胜利【摘要】3D定向钻孔雷达系统能够对钻孔四周进行高精度三维成像,在单个钻孔中即可完成目标体距离、方位的探测,相对2D钻孔雷达具有探测精度高、速度快、深度大的优点.笔者对3D定向钻孔雷达系统的工作和成像原理、技术规格进行了详细说明,并结合现场数据说明了其实际应用效果.【期刊名称】《物探与化探》【年(卷),期】2007(031)001【总页数】4页(P86-89)【关键词】3D定向钻孔雷达;共深度扫描;共角度扫描【作者】王正成;侯胜利【作者单位】中国地质大学,地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室,北京,100083;中国地质大学,地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室,北京,100083【正文语种】中文【中图分类】P631在反射模式下，2D钻孔雷达发射天线和接收天线以固定的间距下放到同一钻孔中，天线是偶极的，它向360°空间辐射和接收反射信号(无方向性)，因此，使用偶极天线，仅从1个钻孔中得到的数据无法得到反射体的方位。

目标物在雷达数据上显示图形为双曲线，其位置是双曲线的顶点处，因为2D钻孔雷达数据360°接收信号，所以从单孔中得到的雷达数据不能给出目标物的方位，只能得出距钻孔的位置。

为了估计反射的方位，至少需要2个钻孔的数据。

在工程现场，往往由于地面存在建筑物等障碍或其他环境因素，仅能够在单个钻孔中进行测量，因此，3D定向钻孔雷达系统是技术上的重大突破，为很多工程提供了全新的解决方法。

1 工作原理3D定向钻孔雷达系统能够通过对单个钻孔进行数据采集来完成四周高精度的三维成像工作,判明目标物距钻孔的距离和方位，是2D钻孔雷达技术上的重大突破。

该系统通过天线发射机向地下发射中心频率在100 MHz左右的电磁波，当发射的电磁波遇到足够大的材料参数差异(目标物)时，一部分电磁波被反射回来并由天线接收机接收，其余电磁波继续向更远处传播，然后由下一个材料边界反射回来。

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。

第一章 定向钻孔轨迹设计
第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法
一、研究钻孔自然弯曲趋势的方法
研究钻孔自然弯曲趋势通常采用统计作图法和相关分析法。 进行统计作图法和相关分析，下列条件应该基本相同：
（1）岩石性质和岩层产状 （2）钻孔结构和开孔角度 （3）钻探设备和管材 （4）钻进方法和碎岩工具 （5）钻进规程参数和工艺技术措施 研究结果只适应于同类条件。
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
一、定向钻孔的类型
3、按钻孔有无分枝分类 （1）单孔底定向孔 只有主孔而无分枝孔的定向孔。
常用于自然造斜的初级定向孔，利用小顶角开孔获得较大 的遇层角、绕开孔内障碍物、纠斜。
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
一、定向钻孔的类型
二、孔身轨迹形式
孔身轨迹常见形式： （4）直线—曲线—直线—曲线—直线形式
直—弯—直—弯—直型
主要用来施工探采结合油层的丛式井， 降斜孔段 以及特殊要求的集束孔。
直线孔段 增斜孔段 稳斜孔段
直线孔段
第一章 定向钻孔轨迹设计
第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容 一、设计的一般原则
1、充分掌握原始资料
第一章 定向钻孔轨迹设计
第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容 二、设计的主要内容
5、确定定向孔曲线段的曲率半径
定向孔曲线段曲率半径由岩层造斜强度、造斜工具的造斜能力 或两者综合作用所决定。 造斜强度越大，曲率半径越小，曲线段长度也越小，有利于节省进尺； 若造斜强度太大，则钻具、甚至造斜钻具本身难以通过曲线段孔段。 通常造斜强度以0.5º/ｍ为宜。
第一章 定向钻孔轨迹设计
第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容

定向井轨迹误差分析及三维可视化描述研究的开题报告一、问题背景定向井在石油勘探开发中具有重要作用，其轨迹控制对于保证钻井、完井以及生产等工作质量有着重要的影响。

定向井轨迹设计时存在着各种误差，这些误差可能导致钻探目标的偏移或者偏离，从而带来诸多问题。

为了减小这些误差的发生，需要对定向井轨迹误差进行分析及三维可视化描述。

二、研究内容1. 定向井轨迹误差分析：根据定向井轨迹设计的基本原则和要求，分析其误差来源，包括传感器误差、地质条件的不确定性、钻井平台动力学性质的影响等。

2. 三维可视化描述：借助于计算机绘图软件，设计三维模型，绘制定向井轨迹的立体几何图形，将实际井段数据与理论井段进行对比，通过可视化的方式来描述误差。

3. 模型验证：通过在实际井场的数据验证，检测误差的水平和方向，确定误差级别和影响范围。

三、研究意义本次研究的主要意义在于：1. 通过定向井轨迹误差分析，可以进一步了解各种误差对定向井轨迹设计的影响，从而减小误差的发生。

2. 通过三维可视化描述，可以更加直观、清晰地展示定向井轨迹的误差和规律，为后续的钻掘和生产管理提供决策依据。

3. 通过模型验证，可以验证误差分析和三维可视化描述的准确性和有效性，进一步提高定向井轨迹设计的可靠性和准确性。

四、研究方法本研究的主要方法包括文献研究法、现场实验法、三维数据分析法、可视化技术等。

文献研究法：通过查阅相关文献、参考资料，对钻探技术、传感器技术、井下储层物性等进行梳理和归纳，并建立相关的理论框架。

现场实验法：对钻探平台及其传感器进行测试和校准，获取野外井的实测数据。

三维数据分析法：通过采集井下测量数据和地层资料，建立三维地质模型，进行数据分析和建模。

可视化技术：通过三维软件进行建模、渲染、呈现，并通过图像、动画等形式展示定向井轨迹。

五、研究计划研究期限：2021年10月至2022年6月。

第一阶段：研究背景及文献综述（2021年10月至2021年11月）。

第一章
定向钻孔轨迹设计
第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法
一、研究钻孔自然弯曲趋势的方法
统计作图法和相关分析法 研究钻孔自然弯曲趋势通常采用统计作图法 相关分析法 统计作图法 相关分析法。 进行统计作图法和相关分析，下列条件应该基本相同： （1）岩石性质和岩层产状 ） （2）钻孔结构和开孔角度 ） （3）钻探设备和管材 ） （4）钻进方法和碎岩工具 ） （5）钻进规程参数和工艺技术措施 ） 研究结果只适应于同类条件。 研究结果只适应于同类条件。
稳斜段 稳斜钻进到靶点是往下打直线段
第一章
定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
二、孔身轨迹形式
孔身轨迹常见形式： （3）直线—曲线—曲线形式 3 — — 直—弯—弯型 人工造斜分成两次或后一次 造斜利用自然造斜打目的层。 第一造斜段 这种轨迹可获得较大的终孔顶角。 第二造斜段
第一章
7、进行经济效益预估
第一章
三、设计方法
定向钻孔轨迹设计
第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容
定向钻孔的设计方法有两种。 1、绘图法
通过简单的计算或查表，绘出孔身轴线垂直平面图、 水平投影图。然后，根据这些图测量或计算出定向孔的 各项数据。
2、计算法
根据公式计算出绘图所需的数据，然后，根据这些数据绘图。
钻孔轴线上某点沿轴线延伸方向的切线与铅垂线之间的夹角。 方位角 α azimuth 钻孔轴线上某点沿轴线延伸方向切线水平投影与正北方向之间的 夹角，并从正北方向起按顺时针方向计算。 孔深
L
depth of hole
钻孔轴线延伸的长度 。
第一章
定向钻孔轨迹设计
第一节 定向钻孔的空间要素
一、空间要素

定向钻技术方案一、工程概述。

咱这个工程啊，就像在地里给东西打个秘密通道一样。

要把一些管道啊之类的东西，通过定向钻的魔法，从这边送到那边，还不能把地面弄得乱七八糟。

比如说，这个工程的起点是[具体起点位置]，终点在[具体终点位置]，这中间的距离嘛，大概有[X]米长呢。

二、定向钻技术原理（简单说，不整那些太复杂的）1. 钻导向孔。

想象一下，咱们先派一个小小的钻头，就像个小地鼠一样，从地面钻下去。

这个小钻头可聪明了，它能按照咱给它指的方向走。

就像你给小狗丢个球，它会朝着球的方向跑过去一样。

这个小钻头呢，它是被一个特殊的机器控制着，机器告诉它往哪儿走，它就乖乖地往哪儿走，慢慢地朝着终点前进。

2. 扩孔。

等小钻头到了终点，那通道还是很窄的呀。

这时候就像把一个小细管变成粗管一样，我们得把这个孔扩大。

就拿个大一点的钻头，再沿着这个小通道来回走几次，每次走的时候让这个孔稍微大一点，就像把衣服的袖口一点一点撑大一样。

3. 回拖管道。

孔扩大了，就可以把我们要铺的管道拉过去了。

这就好比是把一根长长的绳子穿过一个大针眼，不过这个“绳子”就是咱们的管道。

用一个很有力气的机器，慢慢地把管道沿着这个扩大后的通道拉到终点。

三、施工设备准备。

1. 定向钻机。

这可是咱们的主力军啊。

就像一个超级大力士，它能控制钻头的方向和力度。

咱得选个合适的定向钻机，它的功率得够大，就像选一个力气大的人来干活一样。

比如说，根据咱这个工程的长度和地质情况，得选个[具体型号或功率范围]的定向钻机。

2. 钻头和钻杆。

钻头就像小地鼠的牙齿，要够锋利才能在地里钻得动。

不同的地质要用不同的钻头，要是在软土里面，就用那种比较平滑的钻头；要是遇到石头了，就得用那种带齿的、很结实的钻头。

钻杆呢，就像连接小地鼠牙齿和大力士的手臂，要足够结实，不然在钻的过程中断了可就麻烦了。

3. 泥浆系统。

这个泥浆可重要了，就像给小地鼠和钻头的润滑油一样。

它能把钻出来的土屑带出来，还能冷却钻头。

二、孔身轨迹形式
孔身轨迹常见形式： （1）直线—曲线形式 上直下弯状
开孔施工直线段
曲线段，利用自然造斜或人工造斜钻达靶区。
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
一、定向钻孔的类型
1、按施工技术和方法不同分类 （2）受控定向孔 controlled directional hole （人工造斜定向孔 ）
特点：采用人工造斜手段和工艺措施，钻达目的层的钻孔， 需采用专门的定向造斜工具和配套技术。
适应于岩层无造斜作用或造斜作用不够， 以及克服造斜影响的矿区。
i L LB LA
（º/m）
cos1 (cos A cos B sin A sin B cos )
第一章 定向钻孔轨迹设计
第一节 定向钻孔的空间要素
四、钻孔轴线遇层角 angle of penetration
钻孔轴线靶点（见矿点）的切线与其在矿层面上的投影所夹的锐角。
地质要求钻孔遇层角一般不小于30º。
钻孔轴线各点的顶角、方位角、孔深 见矿点（靶点）的垂深和水平位移 曲线段的曲率和弯曲强度
钻孔轴线的遇层角
第一章 定向钻孔轨迹设计
第一节 定向钻孔的空间要素
一、空间要素
1、基本要素 定向钻孔轴线各点的顶角、方位角和孔深称为基本要素。
在三维坐标系中，原点O代表开孔点； X轴代表南北方向； Y轴代表东西方向； Z轴指地一下方向。
弯曲强度与曲率概念相同，都反映单位长度上角度变化。 是为了说明定向孔曲线段的弯曲程度。
1、顶角弯强 i drift deviation intensity 单位孔身长度上顶角的变化量。 表征钻孔顶角弯曲的强烈程度。

１ 井身 轨 迹计 算 方 法
＝
ｔｎ （ｏ０ ＋ ０￣ ） ａ ｃｓｃ ＣＳ Ｂ ＾
ｔ ａ
定 向井井身 轨迹 是展示 在地 下三 维空 间 中的一条 曲线 ， 这 条曲线是 通过测 斜数 据确 定 的。定 向井 的测斜数 据包 括 ： 深 井
呼（ ｓｔ ｓ ＋ｏ ｉ ｉ） ｎ ｎ Ｂ
（ ａｕｅＤ ｐｈ、 斜 角 （ ｌ Ａ ｇｅ、 斜 方 位 角 （ ｌ Ｄｉ ｃ Ｍｅｓｒ ｅ ｔ）井 Ｈｏｅ ｎｌ） 井 Ｈｏ ｒ － ｅ ｅ
件 ， 要操 作 系统使 用 了 Ｏ ｅ Ｇ 只 ｐ ｎ Ｌ适配 器 即可 ， 选用 Ｏ ｅ Ｇ 故 ｐｎ Ｌ 作为 实现 定 向井 井身 轨迹 三维 可视化 的底 层类 库 。
３ 主要 研 究 内容
３１ 井身轨 迹数 据计 算 ． ３１１ 井 身轨 迹 处理计 算 ．． 把定 向井 的原 始数 据文 件 （ 包括 测量井 深 、 斜角 、 井 井斜方
ＤｒｃＸ 和 Ｏ ｅ Ｇ ｉ ｔ ｅ ｐ ｎ Ｌ是 目 前 的 两 大 三 维 图 形 Ａ Ｉ Ｄｒｃ Ｐ。 ｉ ｔ ｅＸ
２ 三维 可 视 化 技 术
是 基 于 微软 的通用 对 象 模 式 Ｃ Ｍ（ ｏ ｏ ｂｅｔ ｄ ） 三 Ｏ Ｃ ｍｍ ｎ０ ｊｃ ｅ 的 Ｍｏ
维 图 形 Ａ Ｉ 它 是 由 微 软 一 手 树 立 的 三 维 图 形 Ａ Ｉ规 范 Ｐ． Ｐ Ｏ ｅ Ｇ （ ｐｎ Ｇ ａｈｃ ｉｒｒ ） 一 个 性 能 卓 越 的 三 维 图形 标 ｐ ｎ Ｌ Ｏ ｅ ｒｐ ｉｓＬｂａｙ 是
Ｔ ｎｅ ｔ ｌ ｔｏ）圆柱 螺线 法（ｙｉｄ Ｓ ｉ ｌ ｔｏ ） 最小 曲 ａｇｎｉ ｈ ｄ、 ａ Ｍｅ Ｃ ｌ — ｐｒ ｈ ｄ和 ｎ ａ Ｍｅ