水平定向钻孔在大佛寺煤矿瓦斯抽采中的优势探讨

煤矿井下水平定向钻孔在煤矿瓦斯抽采中具有明显的技术优势。通过对大佛寺煤矿常规钻孔工作面瓦斯治理技术的分析,指出了其中不足;经过对定向长钻孔钻进工艺、布孔技术进行分析以及通过大佛寺煤矿现场应用,得出定向长钻孔有利于实现工作面瓦斯区域集中抽采的结论;瓦斯抽采统计数据分析对比证明定向长钻孔瓦斯抽采效率要明显优于常规钻孔。     

向斜核部超深孔施工技术

在河北省开平向斜核部煤田普查区,由于煤层埋藏较深,地层易缩径、压力异常,给钻探施工带来巨大压力。2011年2月19日,本区ZK9-1号钻孔成功完成地质钻探任务,实际终孔深度1950.68m,为国内目前该区采用Φ50mm钻杆施工煤田取心最深钻孔。从设备选择、钻具选择使用及其抗拉强度扭矩校核,泥浆使用、压力平衡钻进、防斜措施等方面介绍了该孔克服深孔地层压力异常、泥岩蠕变钻孔缩径,一次成孔达到设计要求的施工经验,对类似地区的钻探施工有一定的借鉴意义。     

地质钻孔信息形化管理系统框架设计与关键技术研究

钻孔是重要的地下信息获取手段, 为了有效地存储和管理青藏铁路建设中大量使用的钻孔信息, 讨论了一种适合野外单机工作环境下, 空间信息与复杂非空间信息结合存储和访问的机制, 即“混合数据模型”机制, 并基于该机制实现钻孔数据的存储与管理. 通过 UML方法和“设计模式”的思想,设计并实现了“地质钻孔信息图形化管理系统”的核心架构, 采用 GIS和自动生成柱状图的方法, 解决了传统钻孔数据维护和表现的难点.     

Borehole Stability in High-Temperature Formations

In oil and gas drilling or geothermal well drilling, the temperature difference between the drilling fluid and formation will lead to an apparent temperature change around the borehole, which will influence the stress state around the borehole and tend to cause borehole instability in high geothermal gradient formations. The thermal effect is usually not considered as a factor in most of the conventional borehole stability models. In this research, in order to solve the borehole instability in high-temperature formations, a calculation model of the temperature field around the borehole during drilling is established. The effects of drilling fluid circulation, drilling fluid density, and mud displacement on the temperature field are analyzed. Besides these effects, the effect of temperature change on the stress around the borehole is analyzed based on thermoelasticity theory. In addition, the relationships between temperature and strength of four types of rocks are respectively established based on experimental results, and thermal expansion coefficients are also tested. On this basis, a borehole stability model is established considering thermal effects and the effect of temperature change on borehole stability is also analyzed. The results show that the fracture pressure and collapse pressure will both increase as the temperature of borehole rises, and vice versa. The fracture pressure is more sensitive to temperature. Temperature has different effects on collapse pressures due to different lithological characters; however, the variation of fracture pressure is unrelated to lithology. The research results can provide a reference for the design of drilling fluid density in high-temperature wells.     

不同直径对非开挖近孔壁位移响应数值分析

非开挖水平定向钻进敷设管道的质量直接受到水平孔壁的位移特征影响,而水平孔直径则是影响孔壁位移的重要因素之一。采用快速拉格朗日的计算方法,利用Mohr—Coulomb准则对粘土地层中不同直径条件下的近水平孔壁位移响应特征进行了数值计算分析。获得了在不同钻孔直径（0．6-1．6m）条件下近水平孔壁X、Y和Z三个方向的位移矢量、应力分布数据。分析结果表明,随着水平钻孔直径的不断增加,近孔壁各点的Z位移也不断增加,其中水平孔下部各点Z方向变化更为明显。同时,位移变化区域随着环形区域的不断向外扩展,增加幅度不断降低。因此,合理控制施工的终孔直径对于减少孔壁位移扰动具有重要意义。     

城市钻孔数据地下三维地质建模软件的实现

介绍了基于钻孔数据的城市地下三维地质建模软件的实现过程，提出了基于钻孔数据三维地质建模的总体思路、钻孔数据管理和层序分层方法，还介绍了软件的模块组成及应用实例。建立的软件实现了对城市钻孔数据的三维建模、可视化分析和科学管理，具有丰富的二维成图和三维显示功能，实例的应用也说明本软件是分析城市第四系构造格架和演化的有力工具。     

Inference of in situ stress from thermoporoelastic borehole breakouts based on artificial neural network

The determination of in situ stresses is very important in petroleum engineering. Hydraulic fracturing is a widely accepted technique for the determination of in situ stresses nowadays. Unfortunately, the hydraulic fracturing test is time-consuming and expensive. Taking advantage of the shape of borehole breakouts measured from widely available caliper and image logs to determine in situ stress in petroleum engineering is highly attractive. By finite element modeling of borehole breakouts considering thermoporoelasticity, the authors simulate the process of borehole breakouts in terms of initiation, development, and stabilization under Mogi-Coulomb criterion and end up with the shape of borehole breakouts. Artificial neural network provides such a tool to establish the relationship between in situ stress and shape of borehole breakouts, which can be used to determine in situ stress based on different shape of borehole breakouts by inverse analysis. In this paper, two steps are taken to determine in situ stress by inverse analysis. First, sets of finite element modeling provide sets of data on in situ stress and borehole breakout measures considering the influence of drilling fluid temperature and pore pressure, which will be used to train an artificial neural network that can eventually represent the relationship between the in situ stress and borehole breakout measures. Second, for a given measure of borehole breakouts in a certain drilling fluid temperature, the trained artificial neural network will be used to predict the corresponding in situ stress. Results of numerical experiments show that the inverse analysis based on finite element modeling of borehole breakouts and artificial neural network is a promising method to determine in situ stress.     

基于非线性规划原理绘制钻孔柱状图方法研究

针对现有钻孔柱状图绘制中描述文字空间分布存在的问题,采用弹性理论-非线性原理对柱状图描述文字位置进行规划,合理分配各岩层描述单元空间,形成柱状图的初步分布;计算出各个地层的工程地质描述文字在柱状图图纸中最优位置的高度坐标xi;利用Auto CAD软件图形绘制环境,实现全程自动绘制钻孔柱状图的新方法。该方法高效且专业性强,图件规范、整齐、文字分布合理、格式美观,无需对图件进行后期的手动处理,免去了人工处理过程,节约了大量的人力成本。     

3D定向钻孔雷达系统及应用

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.     

基于混合网格有限元的直流电阻率法三维正演研究

直流电阻率法因效率高、成本低等特点广泛应用于有色金属、煤田等矿产资源勘探和地质调查行业。但在井–地、地–井电阻率法勘探过程中,钻孔因素(井液电阻率和钻孔孔径)对不同探测模式下视电阻率响应的影响尚未明确,是否影响视电阻率资料的解释是值得探讨的一个问题。因此,提出采用混合网格有限元法实现直流电阻率三维正演。给出异常电位法满足的边值问题及有限元变分问题,应用三棱柱和四面体混合网格实现对计算区域的快速离散,并建立2种网格的线性插值基函数和单元系数矩阵;采用SSOR–PCG迭代算法求解异常电位满足的大型线性方程组,得到各观测点的响应。在保证计算精度的前提下,应用混合网格有效地离散钻孔地电模型,探讨钻孔因素对井–地、地–井观测方式视电阻率数据的影响特征。对于井–地观测方式:钻孔附近视电阻率受钻孔因素影响最大,严重影响视电阻率资料的合理解释,但随着测点收发距的增加,视电阻率响应逐渐趋于围岩电阻率;而且随着发射源深度的增加,钻孔对地表视电阻率响应的影响也逐渐减小。对于地–井观测方式:钻孔因素对浅部数据影响较大,对深部数据影响小,相比于井液电阻率,视电阻率响应更易受钻孔孔径的影响。直流电阻率法混合网格有限元三维正演算法的提出,对实际井–地、地–井电阻率法勘探具有理论指导意义,可结合钻孔信息进行正演模拟分析,选择合适的收发距,有效压制钻孔因素对实测资料的影响。      

Effects of a mudcake on Stoneley waves in a fluid-filled porous formation around a borehole

A mudcake formed on the borehole wall between a fluid-filled porous formation and the borehole fluid can affect Stoneley wave propagation used to estimate the formation permeability. The mudcake effect on the permeability dependence of radial oscillations of borehole fluid is investigated in a system with a source generating radial acoustic waves in the borehole and hydrophones (pressure sensors) that record the respective attenuating oscillations of the borehole fluid. The permeability of the porous formation is estimated from theoretical permeability dependence of the attenuation exponent, knowing the time dependence of the exponential attenuation of borehole fluid oscillations.     

川西郭达山隧道水平孔地应力测量与工程意义

新建川藏铁路穿越鲜水河活动构造带,沿线构造应力场极其复杂,隧道围岩工程破坏问题突出。为了揭示该区构造应力场特征,为深埋隧道设计、施工提供基础参数,采用新型水压致裂地应力测量系统在川西郭达山隧道水平孔获得10段有效地应力测量数据,最大测量深度达508.10 m,创造了水平孔地应力测量最深记录。测量结果表明,在148.4~508.1 m测量深度范围,郭达山隧道水平孔截面上最大主应力值为3.59~13.72 MPa,最小主应力值为3.28~8.36 MPa。根据印模实验结果,除浅部钻孔截面上最大主应力倾角较大外,深部钻孔截面上最大主应力倾角近水平。根据地应力状态将0~280 m段划分为应力释放区,280~330 m段为应力集中区,大于330 m段为原地应力区。基于地应力测量结果对郭达山隧道水平孔围岩稳定性进行了预判分析,在孔深292.9 m、508.10 m处隧道围岩有轻微至中等程度岩爆可能,其余段无岩爆可能性。     

北京平原东北部晚新生代地层划分及地层层序初建

ＨＲ８８－１孔是北京平原区北部继顺５孔之后，又一重要的第四系钻孔。本文描述了该钻孔的岩心特征，运用生物地层学、气候地层学、年代地层学以及岩石地层学等综合分析的方法，对ＨＲ８８－１孔岩心的地层时代进行了研究与划分。并结合地表区域资料，初步建立了本区第四纪地层层序。     

A mobile multi-depth borehole sensor set-up to study the surface-to-base seismic transfer functions

The best method to evaluate the seismic site response is by means of borehole vertical arrays that use earthquake records from different depths. In this paper we introduce the implementation of a single borehole sensor system (synchronized to a sensor on the surface) that is fixed at variable depths within a single well. This system is used for recording small amplitude earthquake signals at variable stiffness conditions in depth to compute empirical borehole transfer functions. The computed average empirical borehole transfer functions allow the estimation of an S-wave velocity model that is constrained using the frequency peak observed in the H/V ratio curve.Pairs of surface and borehole earthquake records were obtained with the borehole sensor placed at − 10, −20, −50, and − 100 m depth in a test site in Managua, Nicaragua. The average velocity of the final model down to − 100 m appeared to be in good agreement with the average velocity computed via cross-correlation using the surface and borehole signals. Likewise, an inverted MASW profile and H/V ratio at the same site agree with the S-wave velocity model obtained.     

基于钻孔形态分析的地应力测量方法研究

地应力作用下的钻孔孔壁会发生一定程度的变形,导致钻孔横截面形状会发生变化,变形后的钻孔几何形态也反映了钻孔受力状态。在经典岩石力学理论的基础上,研究钻孔在平面二维应力作用下的几何形态,建立应力与变形后圆孔几何参数的关系,实现基于钻孔椭圆参数的应力解算,并提出钻孔椭圆参数的测量方法和测量技术,形成一种新的基于钻孔形态分析的地应力测量方法。结果表明,（1）在平面二维应力作用下圆孔变形后的几何形态为椭圆,推导了椭圆参数与应力的关系表达式;（2）利用3个不同方向的孔径值可以实现椭圆参数的解算,研发触头式显微光学孔径测量技术,实现了钻孔形态的测量,从原理上分析了技术实现的可行性,并就该技术进行地应力测量过程中可能存在的问题进行了探讨;（3）通过室内模拟试验,验证了技术原理的可行性,并通过误差分析和实例计算对该方法测量结果的准确性进行了讨论。     

岩体结构面产状测量的钻孔摄像技术及其可靠性

针对钻孔摄像技术对结构面产状测量只限于垂直孔的现状,以钻孔孔口圆心为原点,建立空间左手直角坐标系,对倾斜孔中结构面产状的确定方法进行了详尽的阐述和推导,得出了精确的解析计算公式,并基于C#语言进行编程,开发了IDOIB软件,通过测试表明此方法及其程序的正确性.采用PVC管模拟钻孔孔壁,进行钻孔摄像技术用于结构面产状测量的可靠性试验研究,结果表明:(1)对于垂直孔,测量结果的倾向绝对误差为[-3°,4°]、倾角绝对误差为[-1.5°,1.0°],说明该技术用于垂直孔进行结构面产状测量是可靠的,能满足工程应用精度.(2)当PVC管的倾伏向为270°、倾伏角为25°时,结构面产状可靠度为0.10;倾伏向为176°、倾伏角为60°时,结构面产状可靠度为0.67.PVC管倾伏角的不同导致结构面产状可靠度的差异.(3)一般岩体工程的结构面产状测量结果应具有高等级可靠度(不小于0.8),即须在倾伏角不小于71°的钻孔内采用该技术进行测量.      

深井地球物理长期观测的最新进展及其前景

地球科学是以观测为基础的科学.当前, 如何克服城市化、工业化、现代化发展带来的噪音干扰, 提高观测的信噪比, 成为地球科学发展的重要课题之一.开展深井观测是解决地面噪音干扰的主要途径.近年来, 随着地球系统科学研究的深入以及解决环境、资源、防灾等科学问题的需求, 世界大陆、大洋科学钻探工程研究以及在钻孔深井内进行的地球物理长期观测得到飞速发展, 并取得了初步的观测研究成果.本文介绍了世界各国在深井长期观测方面的最新进展, 展示了中国大陆科学钻探工程在江苏东海现场开展深井地球物理综合观测的方案及其观测研究前景.东海深井长期观测站将成为中国第一个无地面干扰的综合性深井地震、地球物理实验观测站, 它是实现我国“入地”科学计划的重要基础, 将开创我国21世纪地球科学观测研究的崭新局面.      

矿井孔中瞬变电磁探测异常响应特征模拟

为了解决常规矿井瞬变电磁超前探测方法受矿井外界干扰影响较大,异常体探测定位不精确的问题,提出一种在井下钻孔中测量瞬变电磁场三分量信号的超前探测方法,对接收线圈所处水平面不同位置、异常体不同方位的异常响应特征进行数值模拟。分析钻孔瞬变电磁探测原理,进行钻孔发射线圈与接收线圈的试验设计以及施工设计,对均匀全空间模型、均匀全空间异常体模型、异常体位于钻孔不同方位的三分量异常场响应特征进行系统分析。在低阻异常体与线圈垂直时,X分量、Y分量、Z分量异常响应最大,随着低阻异常体逐渐平行于接收线圈法向,异常响应逐渐减小,当低阻异常体完全平行于接收线圈法向时,X分量、Y分量、Z分量异常响应最小。通过以上认识,可以根据钻孔径向不同象限位置的异常场三分量组合形态不同,判断异常体所在钻孔的方位。在以钻孔钻进方向为Z轴正方向,以孔口所在平面右向为X轴正方向,下向为Y轴正方向的坐标系下,钻孔瞬变电磁水平分量异常响应形态均为“近似正弦曲线”或“近似反向正弦曲线”形态,通过形态组合判定出孔旁异常体所在象限。通过这样的规律,可分析三维空间条件下异常体的空间位置及赋存状态。通过钻孔瞬变电磁超前探测异常响应特征的分析,可...     

地质勘探钻孔轨迹计算新模型

确定钻孔轨迹是分析处理钻孔偏斜问题的前提。将测斜参数中的孔深s作为变量,用多项式函数逼近的方式建立钻孔轨迹的参数方程,推导了确定钻孔轨迹空间位置的数学模型,通过算例表明模型有较好的精度。