黃才啟

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局 321地質(zhì)隊(duì),安徽銅陵 244033)

定向鉆孔軌跡變化規(guī)律研究與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法

黃才啟

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局 321地質(zhì)隊(duì),安徽銅陵 244033)

深部資源的勘探與開發(fā)離不開定向鉆探,定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)往往是成功實(shí)施的關(guān)鍵。定向鉆孔設(shè)計(jì)首先必須科學(xué)研究定向鉆孔軌跡變化規(guī)律。依據(jù)客觀條件,合理選擇模型,建立起函數(shù)關(guān)系,揭示出鉆孔軌跡變化內(nèi)在規(guī)律,提出了包含設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)于一體的動(dòng)態(tài)跟蹤設(shè)計(jì)方法。

定向鉆孔;鉆孔軌跡;全彎曲角;安裝角;孔斜矢量

人類文明的發(fā)展越來越依賴于資源,資源的開發(fā)已向地球深部發(fā)展。深部資源的勘探與開發(fā)離不開定向鉆進(jìn)技術(shù)。定向鉆孔軌跡是通過人工控制、干預(yù)、導(dǎo)斜來實(shí)現(xiàn)鉆孔工程功能的。鉆孔軌跡總是動(dòng)態(tài)變化的,其完成過程則是“設(shè)計(jì)→控制 (導(dǎo)斜)→檢驗(yàn)→再設(shè)計(jì)→再控制→檢驗(yàn)→……”動(dòng)態(tài)跟蹤進(jìn)行的。定向設(shè)計(jì)是完成定向鉆孔最關(guān)鍵最核心的工作,往往決定定向施工的成敗。此前各類文獻(xiàn)介紹較多的是一些簡單的幾何試算試畫等近似設(shè)計(jì)法,這種經(jīng)驗(yàn)性的方法,沒能揭示出鉆孔角度變化規(guī)律,具有較大的盲目性,實(shí)際工作中常致導(dǎo)斜效果不佳甚至得出錯(cuò)誤的結(jié)果。筆者經(jīng)過 20余年的研究與實(shí)踐,探討定向鉆孔軌跡變化規(guī)律的本原,建立起全新理念的設(shè)計(jì)方法,與同行探討交流。鑒于不同勘探行業(yè)各自不同特點(diǎn),本文僅界定于地質(zhì)勘探范疇。

1 定向鉆孔軌跡變化規(guī)律研究

鉆孔軌跡通常用鉆孔一些間斷點(diǎn)處的空間切線矢量角度 (俗稱“鉆孔角度”——鉆孔頂角和方位角)運(yùn)用一定數(shù)學(xué)模型近似擬合成的空間曲線描述。這一空間曲線可以簡化理解為無數(shù)個(gè)不同空間平面內(nèi)的不同曲率的小圓弧的連續(xù)線?；谶@一理論觀點(diǎn)和現(xiàn)行定向鉆進(jìn)控制技術(shù),定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)模型完全有理由選擇為某空間平面內(nèi)“圓弧 +切線”,由多個(gè)動(dòng)態(tài)“圓弧 +切線”組合(即“彎→直→彎→直…”曲線)達(dá)到設(shè)計(jì)目的,實(shí)現(xiàn)鉆孔設(shè)計(jì)功能。

迄今為止,無論是施工前的方案設(shè)計(jì)還是施工中的導(dǎo)斜設(shè)計(jì),所采用的簡單幾何作圖 (計(jì)算)法、赤平投影法、球面幾何計(jì)算法等,都是定性的、經(jīng)驗(yàn)的近似方法,都具有一定的盲目性,通常會增加軌跡控制工作,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致認(rèn)識錯(cuò)誤和設(shè)計(jì)錯(cuò)誤,最終造成中靶失敗。許多工程技術(shù)人員使用這類方法指導(dǎo)實(shí)踐往往不能成功,其主要原因就是沒有掌握導(dǎo)斜鉆孔角度變化機(jī)理及變化規(guī)律。因此深入研究定向鉆孔軌跡變化規(guī)律,探討科學(xué)的設(shè)計(jì)方法是十分必要的。

其實(shí),從專業(yè)技術(shù)的角度來說,研究定向鉆孔軌跡變化規(guī)律,其核心就是研究“人工干預(yù)導(dǎo)斜鉆孔角度變化規(guī)律”,也就是定向鉆孔設(shè)計(jì)與控制(即導(dǎo)斜設(shè)計(jì))的方法研究。依據(jù)實(shí)際工程,選定模型,創(chuàng)建科學(xué)理論,建立函數(shù)關(guān)系,揭示內(nèi)在規(guī)律,解決本原問題。

1.1 模型選擇

鉆孔軌跡模型選擇需根據(jù)線型優(yōu)點(diǎn)和地質(zhì)勘探自身特點(diǎn)確定。

1.1.1 平面型曲線優(yōu)點(diǎn)(相對于非平面空間曲線)

(1)鉆孔曲線最簡潔;

(2)人工干預(yù)導(dǎo)斜工作量最少;

(3)鉆桿受力最簡單最合理。

1.1.2 地質(zhì)勘探自身特點(diǎn)

(1)需全孔取心,不能長孔段無巖心鉆進(jìn);

(2)需回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),鉆孔角度不能連續(xù)大幅度變化;

(3)鉆桿抗彎強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度限制;

(4)導(dǎo)斜工具適宜地層(完整、中硬)限制。1.1.3 忽略弱相關(guān)因素

(1)地層自然彎曲強(qiáng)度忽略不計(jì) (遠(yuǎn)小于導(dǎo)斜強(qiáng)度 i01～2個(gè)數(shù)量級),非導(dǎo)斜段近似為直線;

(2)導(dǎo)斜強(qiáng)度近似不變 (地層、鉆進(jìn)參數(shù)相對穩(wěn)定同一),實(shí)現(xiàn)等曲率圓弧。

1.1.4 模型選擇為

(1)平面型等曲率圓弧 +切線;

(2)大曲度以同一平面多級次“彎→直→彎→直…”組合曲線實(shí)現(xiàn)。

1.2 坐標(biāo)系建立

1.3 各角度參數(shù)函數(shù)關(guān)系及內(nèi)在規(guī)律揭示

圖1 空間關(guān)系圖

圖2 球面角度關(guān)系圖

將圖1(b)局部放大如圖2所示,鉆孔導(dǎo)斜各角度參數(shù)關(guān)系均體現(xiàn)在球面直角ΔDM′M中(把握這個(gè)三角形極為重要,所有內(nèi)在關(guān)系均體現(xiàn)在這個(gè)三角形中),根據(jù)納皮爾法則,有:

由(1)～(7)式可知,θ,α與γM和β之間為函數(shù)關(guān)系:

這就是本文研究成果所在,這就是我們所要掌握的定向?qū)便@進(jìn)孔斜矢量變化的內(nèi)在規(guī)律。圖 3即是這些規(guī)律的揭示,從圖 3中可知:

圖3 鉆孔角度變化曲線組圖

(1)孔斜變化和變化率均為非線性;

(2)鉆孔方位極限趨向于α0;

(3)全彎曲角γM=90°和安裝角β=90°附近方位角變化極快(變化率極大),而頂角較小 (變化率較小),γM和β=0°或 180°附近則相反;

(4)平面傾角δ愈大,平面愈陡,變化率幅度大,頂角變化快,方位“突變”性大;

(5)導(dǎo)斜過程中,頂角和方位角同時(shí)變化,且變化率亦隨之而變。

2 定向鉆孔動(dòng)態(tài)跟蹤設(shè)計(jì)

由于鉆孔軌跡變化非純理論曲線,一次性導(dǎo)斜難以完成控制工作,所以鉆孔軌跡需要跟蹤控制,設(shè)計(jì)工作必然動(dòng)態(tài)跟蹤。通常鉆孔上部軌跡已形成,設(shè)計(jì)只對控制下部軌跡進(jìn)行,鉆孔角度和物理坐標(biāo)都已知。仍然按圖 1將導(dǎo)斜始點(diǎn)設(shè)為坐標(biāo)系原點(diǎn),這個(gè)坐標(biāo)系即為動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系,設(shè)計(jì)工作即動(dòng)態(tài)跟蹤進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)了微觀過程和宏觀結(jié)果的統(tǒng)一,既可糾正偏離設(shè)計(jì)的軌跡,又可實(shí)現(xiàn)非單一平面曲線鉆孔。

2.1 確定彎曲平面

式中:a、b、c——平面法向矢量的一組方向數(shù),為使這個(gè)矢量指向水平面下方,計(jì)算中,令 c>0,如果式(8)計(jì)算出 c<0,則同變 a、b、c符號(c=0為垂直平面);θ、α——?jiǎng)狱c(diǎn)M孔斜 (鉆孔角度);x2、y2、z2——目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo),也是彎曲平面內(nèi)一組方向數(shù)。

彎曲平面傾角δ(該平面法向矢量對 z軸夾角,如圖 4):

圖4 傾向立面圖

圖5 各點(diǎn)幾何關(guān)系

由幾何關(guān)系建立三角方程,解得導(dǎo)斜所需全彎曲角γ2為:

從式 (13)～(19)可以看出,導(dǎo)斜強(qiáng)度 i0決定了R、γ2、ld、lq,即決定了鉆孔軌跡。生產(chǎn)中需要不斷收集數(shù)據(jù),認(rèn)真分析總結(jié),取得合適的 i0值十分必要。

2.7 導(dǎo)斜結(jié)果分析檢驗(yàn)

導(dǎo)斜結(jié)果分析檢驗(yàn)是動(dòng)態(tài)跟蹤設(shè)計(jì)方法必不可少的工作步驟,為后續(xù)導(dǎo)斜工作提供修正依據(jù)和準(zhǔn)確的設(shè)定數(shù)據(jù)。

(1)由導(dǎo)斜始、終點(diǎn)孔斜矢量按式 (9)求得實(shí)際平面方程系數(shù):

3 結(jié)論

研究定向鉆孔軌跡變化規(guī)律,實(shí)際就是研究鉆孔空間幾何形態(tài)與角度狀態(tài)之間的有機(jī)關(guān)系,定向鉆孔無論采用哪種設(shè)計(jì)方法,其導(dǎo)斜過程鉆孔角度變化規(guī)律是客觀的。深刻理解和掌握這一規(guī)律,能夠使定向鉆孔總體規(guī)劃設(shè)計(jì)和實(shí)戰(zhàn)作業(yè)設(shè)計(jì)以及過程調(diào)整設(shè)計(jì)做到游刃有余、恰到好處,可以最節(jié)省的工作量、最有效的實(shí)施點(diǎn)取得最完美的成果。

本文提出的設(shè)計(jì)方法,依據(jù)充足,符合實(shí)際,本原規(guī)律清晰,數(shù)學(xué)計(jì)算簡捷,較好地解決了地質(zhì)勘探定向鉆孔整體謀劃與具體實(shí)施兩不關(guān)聯(lián)問題,以整體一致宗旨、動(dòng)態(tài)跟蹤方式進(jìn)行設(shè)計(jì)、控制、檢驗(yàn)、修正,實(shí)現(xiàn)定向鉆孔工程目標(biāo)。

[1] 黃才啟,劉良根.深部礦產(chǎn)勘探與受控定向鉆進(jìn)技術(shù)方法思考[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(S1).

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Study on D irectional Borehole Trajectory and the Dynam ic Design

HUANG Cai2qi(321 Geological Team,Bureau of Geology andMineral Exploration ofAnhui Province,TonglingAnhui 244033,China)

The design of directional borehole trajectory plays very important role in successful exploration for deep re2 sources.The changing law of directional borehole trajectorymust be scientifically studied at first.According to the objective conditions,rationalmodel selection wasmade and function relationship was established;the paper put forward the dynamic tracking design method containing the design and test.

directional borehole;borehole trajectory;all bending angle;installation angle;hole deviation vector

P634.7

A

1672-7428(2011)05-0015-05

2011-02-17;

2011-04-19

黃才啟(1964-),男(漢族),安徽懷寧人,安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局 321地質(zhì)隊(duì)副總工程師、鉆探工程公司經(jīng)理,高級工程師,探礦工程專業(yè),從事(特種)鉆探工程技術(shù)研究、開發(fā)、應(yīng)用與管理工作,安徽省銅陵市獅子山區(qū),hz321ahdk@126.com。