煤礦井下定向鉆孔軌跡控制

1、中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院鉆探所中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院鉆探所 煤礦井下定向鉆進(jìn)軌跡控制煤礦井下定向鉆進(jìn)軌跡控制 定向鉆進(jìn)軌跡控制技術(shù)定向鉆進(jìn)軌跡控制技術(shù) 1、螺桿鉆具造斜原理 2、工具面向角對鉆孔軌跡影響 3、鉆孔軌跡控制原理 4、開分支工藝與重入分支孔工藝 5、鉆孔軌跡控制實(shí)例分析 1.25o 外 徑 mm 鉆頭 尺寸 mm 頭 數(shù) 級 數(shù) 長度 m 重 量 kg 排量 lpm 轉(zhuǎn) 速 rp m 上緊 扭矩 nm 輸出 扭矩 nm 最大 過載 拉力 kn 最大 鉆壓 kn 最大 壓降 kpa 73 82 - 114 4:532.85 62. 5 113 - 365 160 - 375 1

2、620 25789272758 螺桿鉆具造斜原理螺桿鉆具造斜原理 測斜儀無磁鉆桿旁通閥馬達(dá)萬向軸 傳動(dòng)軸 鉆頭 螺桿鉆具造斜原理螺桿鉆具造斜原理 螺桿鉆具螺桿鉆具是一種把液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的 能量容積式正排量動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置，主要由螺桿馬達(dá) （定子、轉(zhuǎn)子）總成、萬向軸總成、傳動(dòng)軸總成三大 部分組成。 采用螺桿鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)，不需要鉆桿旋轉(zhuǎn)，泥漿 泵輸出沖洗液進(jìn)入螺桿馬達(dá)，在馬達(dá)進(jìn)出口形成一定 壓差，推動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過萬向軸和傳動(dòng)軸將轉(zhuǎn) 速和扭矩傳遞給鉆頭，從而達(dá)到碎巖的目的。 螺桿鉆具造斜原理螺桿鉆具造斜原理 螺桿鉆具能夠進(jìn)行定向鉆進(jìn)主要基于三個(gè)緣由： 一、螺桿鉆具工作時(shí)鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖石，

3、而螺桿 外管及鉆桿柱不回轉(zhuǎn)； 二、可以連接不同角度的定向或可調(diào)彎外管； 三、可隨鉆進(jìn)行傾角和方位的測量。 隨鉆測量系統(tǒng)隨鉆測量系統(tǒng) 孔底馬達(dá)和鉆 頭 下無磁鉆 桿 送水器 上無磁鉆桿鉆桿測量 探管 監(jiān)視器 高壓送水膠管 通訊電纜 yhd1-1000隨鉆測量系統(tǒng)連接示意圖隨鉆測量系統(tǒng)連接示意圖 隨鉆測量系統(tǒng)隨鉆測量系統(tǒng) 用于近水平定向鉆孔施工過程中的隨鉆監(jiān)測，可 隨鉆測量鉆孔傾角、方位、工具面向角等主要參 數(shù)，實(shí)現(xiàn)孔口鉆孔參數(shù)、軌跡的即時(shí)顯示，便于 施鉆人員隨時(shí)了解鉆孔施工情況，并及時(shí)調(diào)整工 具面方向和工藝參數(shù)，使鉆孔盡可能的按照設(shè)計(jì) 的軌跡延伸。 工具面向角工具面向角 工具面 ：定向鉆進(jìn)所用造

4、斜鉆具的兩個(gè)軸線所確 定的平面，稱為工具面。 工具面向角 ：在孔底圓平面內(nèi)，以圓心與圓周上 最高點(diǎn)連線為始邊，順時(shí)針轉(zhuǎn)到工具面與孔底圓 平面的交線所轉(zhuǎn)過的角度，以“”表示，介于 “0360”。 螺桿鉆具的“工具面向角”就是通常所說的馬達(dá) “彎頭”朝向。鉆進(jìn)過程中通過改變彎頭的朝向 ，使鉆孔實(shí)現(xiàn)定向彎曲變化。 工具面向角修正工具面向角修正 在以下情況時(shí)，必須校正工具面向角： （1）開新孔時(shí)，具體方法： 螺桿鉆具彎接頭必須指向正上方，通信線連接正常后： 開 新孔打開鉆孔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) “mk_1.xml” 讀數(shù)據(jù) 工具面向角修正工具面向角修正 在以下情況時(shí)，必須校正工具面向角： （2）螺桿鉆具與探管外管

5、間任何一螺紋被卸開，后螺 紋涂膠重新擰緊后，具體方法： 螺桿鉆具彎接頭必須指向正上方，通信線連接正常后： 探管檢測開始檢測判斷工具面值工具面值是否接近0 0o o（360360o o） a) 若工具面值處于355o o0 0o o（360360o o）5o o, ,無需修整工具面無需修整工具面 b)若不接近，則：調(diào)整工具面校正工具面開始測量 保存 鉆頭 孔底馬達(dá)下無磁鉆桿 探管外管 上無磁鉆桿 上無磁探管 外管接頭 下無磁探管 外管接頭 下無磁馬達(dá) 接頭 通纜鉆桿 工具面向角修正工具面向角修正 工具面向角對鉆孔軌跡影響工具面向角對鉆孔軌跡影響 螺桿鉆具的“工具面向角工具面向角”就是我們通常所說

6、的馬達(dá)馬達(dá)“彎頭彎頭”朝向朝向。鉆進(jìn) 過程中通過改變彎頭的朝向，使鉆孔實(shí)現(xiàn)定向彎曲變化。 工具面向角0（360） 彎頭向上 工具面向角270 彎頭向左 工具面向角90 彎頭向右 工具面向角180 彎頭向下 工具面向角對鉆孔軌跡影響工具面向角對鉆孔軌跡影響 傾角：傾角：、 方位角：方位角：、 工具面：工具面： 馬達(dá)彎造斜最大強(qiáng)度：a、 方位角增減分量：asin、 傾角增減分量: acos 0（360） 270 90 180 asin acos a 0（360） 270 90 180 增斜：增斜： 增方位：增方位： 降斜：降斜： 增方位：增方位： 降斜：降斜： 降方位：降方位： 增斜：增斜： 降方

7、位：降方位： 傾角控制原理傾角控制原理 假設(shè)設(shè)計(jì)傾角： 0 ，則傾角控制在：- 2 2 2 1-1 -2 -2 -11 2 2 1-1 -2 -2 -11 降斜穩(wěn)斜增斜穩(wěn)斜降斜穩(wěn)斜增斜穩(wěn)斜 100 260 100 260 80 280 降斜穩(wěn)斜增斜 80 280 0 上 下 偏 差 方位角控制原理方位角控制原理 假設(shè)設(shè)計(jì)方位角： 330 ，則方位角控制在：325 335 325 327332 335 335 332327 325 330 左 右 偏 差 335 332327 325 325 327332 335 降方位增方位降方位增方位 190 350 10 170 降方位增方位 鉆孔軌跡控制

8、原理鉆孔軌跡控制原理 a）準(zhǔn)確識(shí)別地層變化：根據(jù)礦方提供的煤層采掘工 程面圖（含煤層等高線），分析出鉆孔軌跡處煤層傾 角變化，結(jié)合實(shí)鉆軌跡上下偏差、鉆進(jìn)前后返渣巖性 變化，判斷出當(dāng)前鉆頭處于煤層哪一層位（頂板巖層、 底板巖層、煤）。 b) 調(diào)整工具面使鉆孔沿煤層鉆進(jìn)：根據(jù)地層變化， 應(yīng)及時(shí)調(diào)整工具面來控制方位角變化，使鉆孔軌跡在 水平面投影圖上沿設(shè)計(jì)軌跡左右波動(dòng)，在此基礎(chǔ)上可 參考設(shè)計(jì)軌跡傾角值控制傾角變化，使鉆孔盡量處在 煤層中延伸。 鉆孔軌跡控制原理鉆孔軌跡控制原理 c）提鉆開分支繞過鉆進(jìn)障礙區(qū)域：如：因頂板、底 板巖性較硬而進(jìn)尺緩慢，陷落柱、斷層附近煤層松散 破碎易卡埋鉆，因與原鉆孔串孔

9、、煤層裂隙發(fā)育鉆井 液漏失。當(dāng)遇到以上情況時(shí)，應(yīng)提鉆至安全煤層區(qū)域 開分支孔繞過該區(qū)域。 d) 了解煤層真實(shí)走勢：在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，要求每 鉆進(jìn)一定距離將彎頭方向調(diào)整為垂直向上，使鉆孔快 速鉆至頂板以確定出頂板所處的層位標(biāo)高，然后后退 到合適位置開分支繼續(xù)鉆進(jìn)，如此反復(fù)，再將兩次探 頂點(diǎn)連線的延長線作為下一段鉆進(jìn)時(shí)的參考頂板，從 而保證鉆孔盡量在煤層中鉆進(jìn)。 鉆孔軌跡計(jì)算方法鉆孔軌跡計(jì)算方法 11 0 1 11 0 1 1 1 cos() cos() 22 cos() sin() 22 sin() 2 n iiii i i n iiii i i n ii i i xl yl hl 開分支工藝開

10、分支工藝 1、分支點(diǎn)選擇：需在煤層中，以便在硬度軟的煤層 中裸眼造斜開分支，向下開分支 當(dāng)傾角0o時(shí), 工具面0o 當(dāng)傾角0o時(shí), 工具面0o 當(dāng)傾角0o時(shí), 工具面180o 分支孔成孔幾率極低極低 分支孔成孔幾率高高 分支點(diǎn)選擇： 盡量選擇“傾角增加傾角增加孔段” 開分支工藝開分支工藝 2、開分支工具面向角選擇： 采用分支點(diǎn)附近孔段背向工具面向角開分支 當(dāng)原鉆孔方位角增加時(shí)，工具面向角180o260o 當(dāng)原鉆孔方位角減少時(shí)，工具面向角100o180o 3、開分支鉆進(jìn)參數(shù)選擇： 采用減壓（給進(jìn)壓力）、控時(shí)鉆進(jìn) 開分支工藝開分支工藝 4、判斷開分支是否成功依據(jù)： 分支一段孔深處可用隨鉆測量儀器檢

11、測出傾角、 方位角值與原鉆孔軌跡對比，是否按開孔工具面作 用產(chǎn)生偏差 給進(jìn)壓力增加 泥漿泵壓略有增加 鉆孔返水含煤粉增多（變黑） 鉆具重入分支工藝鉆具重入分支工藝 提鉆后，當(dāng)要將鉆具重新下入原分支孔時(shí)，需在 每個(gè)分支點(diǎn)處調(diào)整工具面向角，下入一定孔深后，測 斜數(shù)據(jù)與原鉆孔軌跡對比，分析鉆具是否在要進(jìn)入的 分支孔內(nèi)。 軌跡控制實(shí)例分析軌跡控制實(shí)例分析雙柳礦雙柳礦 自2010年5月29日至6月9日，共定向施工主孔1 個(gè)，探頂6次，探底3次，試驗(yàn)總進(jìn)尺1242m。其中主 孔孔深744米，1#分支孔鉆進(jìn)至54米時(shí)，由于煤層在 200m至450m煤層起伏較大，并在300米探到底板兩次 ，開分支孔較多，為防

12、止孔內(nèi)事故發(fā)生，提鉆至210 米開2#分支孔。 2#分支孔孔深102米，施工過程中未 出現(xiàn)孔內(nèi)事故 軌跡控制實(shí)例分析軌跡控制實(shí)例分析雙柳礦雙柳礦 軌跡控制實(shí)例分析軌跡控制實(shí)例分析雙柳礦雙柳礦 軌跡控制實(shí)例分析軌跡控制實(shí)例分析杜兒坪礦杜兒坪礦 自2010年5月18日至6月10日，主孔1個(gè)、分支孔25 個(gè)，探頂6次，探底3次，試驗(yàn)總進(jìn)尺2736m，主孔最 大孔深達(dá)到570m，分支孔最大孔深達(dá)246m。煤層平 均厚度4.08m、煤層陷落柱發(fā)育，陷落柱密度平均25 個(gè)/km2，其中僅主孔需在6個(gè)陷落柱煤層中定向穿行。 軌跡控制實(shí)例分析軌跡控制實(shí)例分析杜兒坪礦杜兒坪礦 軌跡控制實(shí)例分析軌跡控制實(shí)例分析九

13、里山礦九里山礦 2011年9月22日至10月11日施工4號梳狀鉆孔， 共施工1主孔，7個(gè)分支孔，最大主孔深度510m，最 大分支孔深度51m，總孔深848m。 4#梳狀孔實(shí)鉆軌跡平面圖（上）與剖面圖（下）梳狀孔實(shí)鉆軌跡平面圖（上）與剖面圖（下） 軌跡控制實(shí)例分析軌跡控制實(shí)例分析興無礦興無礦 2011年5月26日至6月8日施工4#鉆孔，4# 鉆孔設(shè)計(jì)孔深702m，實(shí)鉆總進(jìn)尺為1355m，主 孔702m均在煤層中鉆進(jìn)，13個(gè)分支孔累計(jì)孔深 653m，其中630m在煤層中鉆進(jìn)，23m因探頂 底在泥巖中鉆進(jìn)。 -15-15 -10-10 -5-5 0 0 5 5 1010 0 050501001001

14、50150200200250250300300350350400400450450500500550550600600650650700700750750800800 . 4#鉆孔軌跡剖面圖鉆孔軌跡剖面圖 -5 0 5 10 15 20 25 30 0 05050100100150150200200250250300300350350400400450450500500550550600600650650700700750750 4#鉆孔軌跡平面圖鉆孔軌跡平面圖 軌跡控制實(shí)例分析軌跡控制實(shí)例分析黃陵一號礦黃陵一號礦 2011年10月6日至10月20日施工2#鉆孔， 2#鉆孔主孔深度711m，分支孔深度285m，總進(jìn) 尺996m。 2#鉆孔實(shí)鉆軌跡上下偏差圖鉆孔實(shí)鉆軌跡上下偏差圖 2#鉆孔實(shí)鉆軌跡左右偏差圖鉆孔實(shí)鉆軌跡左右偏差圖 軌跡控制實(shí)例分析軌跡控制實(shí)例分析黃陵二號煤礦黃陵二號煤礦 2012年3月7日3月24日，在二號煤礦 北二一號輔運(yùn)大巷距八號聯(lián)絡(luò)巷50m處施工 4#鉆孔，主孔深度813m，分支285m，總 進(jìn)尺1098m。 黃陵二號煤礦施工鉆孔平面圖 黃陵二號煤礦黃陵二號煤礦 4#鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面圖鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面圖 黃陵二號煤礦黃陵二號煤礦 4#鉆孔實(shí)鉆軌跡左右偏差圖鉆孔實(shí)鉆軌跡左右偏差圖 2012年8月,在北二一號輔運(yùn)