定向鉆孔軌跡變化規律研究與動態設計方法

黃才啟

(安徽省地質礦產勘查局 321地質隊,安徽銅陵 244033)

定向鉆孔軌跡變化規律研究與動態設計方法

黃才啟

(安徽省地質礦產勘查局 321地質隊,安徽銅陵 244033)

深部資源的勘探與開發離不開定向鉆探,定向鉆孔軌跡設計往往是成功實施的關鍵。定向鉆孔設計首先必須科學研究定向鉆孔軌跡變化規律。依據客觀條件,合理選擇模型,建立起函數關系,揭示出鉆孔軌跡變化內在規律,提出了包含設計和檢驗于一體的動態跟蹤設計方法。

定向鉆孔;鉆孔軌跡;全彎曲角;安裝角;孔斜矢量

人類文明的發展越來越依賴于資源,資源的開發已向地球深部發展。深部資源的勘探與開發離不開定向鉆進技術。定向鉆孔軌跡是通過人工控制、干預、導斜來實現鉆孔工程功能的。鉆孔軌跡總是動態變化的,其完成過程則是“設計→控制 (導斜)→檢驗→再設計→再控制→檢驗→……”動態跟蹤進行的。定向設計是完成定向鉆孔最關鍵最核心的工作,往往決定定向施工的成敗。此前各類文獻介紹較多的是一些簡單的幾何試算試畫等近似設計法,這種經驗性的方法,沒能揭示出鉆孔角度變化規律,具有較大的盲目性,實際工作中常致導斜效果不佳甚至得出錯誤的結果。筆者經過 20余年的研究與實踐,探討定向鉆孔軌跡變化規律的本原,建立起全新理念的設計方法,與同行探討交流。鑒于不同勘探行業各自不同特點,本文僅界定于地質勘探范疇。

1 定向鉆孔軌跡變化規律研究

鉆孔軌跡通常用鉆孔一些間斷點處的空間切線矢量角度 (俗稱“鉆孔角度”——鉆孔頂角和方位角)運用一定數學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個不同空間平面內的不同曲率的小圓弧的連續線。基于這一理論觀點和現行定向鉆進控制技術,定向鉆孔軌跡設計模型完全有理由選擇為某空間平面內“圓弧 +切線”,由多個動態“圓弧 +切線”組合(即“彎→直→彎→直…”曲線)達到設計目的,實現鉆孔設計功能。

迄今為止,無論是施工前的方案設計還是施工中的導斜設計,所采用的簡單幾何作圖 (計算)法、赤平投影法、球面幾何計算法等,都是定性的、經驗的近似方法,都具有一定的盲目性,通常會增加軌跡控制工作,嚴重時導致認識錯誤和設計錯誤,最終造成中靶失敗。許多工程技術人員使用這類方法指導實踐往往不能成功,其主要原因就是沒有掌握導斜鉆孔角度變化機理及變化規律。因此深入研究定向鉆孔軌跡變化規律,探討科學的設計方法是十分必要的。

其實,從專業技術的角度來說,研究定向鉆孔軌跡變化規律,其核心就是研究“人工干預導斜鉆孔角度變化規律”,也就是定向鉆孔設計與控制(即導斜設計)的方法研究。依據實際工程,選定模型,創建科學理論,建立函數關系,揭示內在規律,解決本原問題。

1.1 模型選擇

鉆孔軌跡模型選擇需根據線型優點和地質勘探自身特點確定。

1.1.1 平面型曲線優點(相對于非平面空間曲線)

(1)鉆孔曲線最簡潔;

(2)人工干預導斜工作量最少;

(3)鉆桿受力最簡單最合理。

1.1.2 地質勘探自身特點

(1)需全孔取心,不能長孔段無巖心鉆進;

(2)需回轉鉆進,鉆孔角度不能連續大幅度變化;

(3)鉆桿抗彎強度、抗疲勞強度限制;

(4)導斜工具適宜地層(完整、中硬)限制。1.1.3 忽略弱相關因素

(1)地層自然彎曲強度忽略不計 (遠小于導斜強度 i01～2個數量級),非導斜段近似為直線;

(2)導斜強度近似不變 (地層、鉆進參數相對穩定同一),實現等曲率圓弧。

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…”組合曲線實現。

1.2 坐標系建立

1.3 各角度參數函數關系及內在規律揭示

圖1 空間關系圖

圖2 球面角度關系圖

將圖1(b)局部放大如圖2所示,鉆孔導斜各角度參數關系均體現在球面直角ΔDM′M中(把握這個三角形極為重要,所有內在關系均體現在這個三角形中),根據納皮爾法則,有:

由(1)～(7)式可知,θ,α與γM和β之間為函數關系:

這就是本文研究成果所在,這就是我們所要掌握的定向導斜鉆進孔斜矢量變化的內在規律。圖 3即是這些規律的揭示,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)導斜過程中,頂角和方位角同時變化,且變化率亦隨之而變。

2 定向鉆孔動態跟蹤設計

由于鉆孔軌跡變化非純理論曲線,一次性導斜難以完成控制工作,所以鉆孔軌跡需要跟蹤控制,設計工作必然動態跟蹤。通常鉆孔上部軌跡已形成,設計只對控制下部軌跡進行,鉆孔角度和物理坐標都已知。仍然按圖 1將導斜始點設為坐標系原點,這個坐標系即為動態坐標系,設計工作即動態跟蹤進行,實現了微觀過程和宏觀結果的統一,既可糾正偏離設計的軌跡,又可實現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,為使這個矢量指向水平面下方,計算中,令 c>0,如果式(8)計算出 c<0,則同變 a、b、c符號(c=0為垂直平面);θ、α——動點M孔斜 (鉆孔角度);x2、y2、z2——目標點坐標,也是彎曲平面內一組方向數。

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 各點幾何關系

由幾何關系建立三角方程,解得導斜所需全彎曲角γ2為:

從式 (13)～(19)可以看出,導斜強度 i0決定了R、γ2、ld、lq,即決定了鉆孔軌跡。生產中需要不斷收集數據,認真分析總結,取得合適的 i0值十分必要。

2.7 導斜結果分析檢驗

導斜結果分析檢驗是動態跟蹤設計方法必不可少的工作步驟,為后續導斜工作提供修正依據和準確的設定數據。

(1)由導斜始、終點孔斜矢量按式 (9)求得實際平面方程系數:

3 結論

研究定向鉆孔軌跡變化規律,實際就是研究鉆孔空間幾何形態與角度狀態之間的有機關系,定向鉆孔無論采用哪種設計方法,其導斜過程鉆孔角度變化規律是客觀的。深刻理解和掌握這一規律,能夠使定向鉆孔總體規劃設計和實戰作業設計以及過程調整設計做到游刃有余、恰到好處,可以最節省的工作量、最有效的實施點取得最完美的成果。

本文提出的設計方法,依據充足,符合實際,本原規律清晰,數學計算簡捷,較好地解決了地質勘探定向鉆孔整體謀劃與具體實施兩不關聯問題,以整體一致宗旨、動態跟蹤方式進行設計、控制、檢驗、修正,實現定向鉆孔工程目標。

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[9] 皇甫全為.受控定向鉆探在強導斜地層勘查中的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2004,31(10).

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,安徽省地質礦產勘查局 321地質隊副總工程師、鉆探工程公司經理,高級工程師,探礦工程專業,從事(特種)鉆探工程技術研究、開發、應用與管理工作,安徽省銅陵市獅子山區,hz321ahdk@126.com。