地质钻探垂钻定向纠偏控制的工程实现与实验分析

理论提出的纠偏方法需反复进行实验验证方可应用于实际工程,然而垂钻纠偏控制过程复杂,操作难度大,所需时间长、资金庞大,直接将所提方法放置现场调试是不可取的,而仅采用计算机仿真对算法进行验证也有一定局限性,因此发展和研究纠偏控制工程实现方法十分必要。本文以地质钻探钻进过程定向纠偏控制的工程实现为导向,首先分析并给出实际纠偏工艺过程以及纠偏控制的特点与目标;然后总结基于模型预测控制的纠偏控制问题与优化目标,结合笔者早期的一些纠偏控制理论研究,分别阐述不同纠偏工况下的纠偏控制方法;其次开发定向纠偏控制系统,用于集成纠偏控制算法,使得算法能够应用于实际工程;最后设计纠偏控制实验,以验证纠偏控制算法的工程适用性。实验表明,所提纠偏控制方法能够有效应用于实际纠偏过程,并应对和完成多种纠偏任务。     

垂线孔和水平孔施工技术

本文结合龙羊峡水电站垂线和水平孔工作实例，总结施工中的方法和经验。同时运用定向钻进来达到纠偏的技术要求。     

垂直冻结钻孔定向纠编技术

开滦东欢Ｔｕｏ矿垂直冻结结钻孔施工中，采用ＪＤＴ－３Ｋ型陀螺定向测斜仪和随钻可提式造斜器以及正确选择导斜位置，圈定预导区等施工工艺进行定向纠偏，成功率达１００％。     

钻孔导斜的装置及测量

<正> 钻孔的定向钻进和导斜纠偏都必须正确装置导斜器并进行定向测测量。使钻头的旋转钻进按照设计孔身轨迹方向运行,以达到施工目的。近几年来,我们针对煤科院建井所研制的JDT-3A 型陀螺测斜仪的特点,研究设计了弯管导斜法,对孔深300m 以浅的钻孔孔斜进行人工定向纠偏取得了成效。其中对冻结孔、注浆孔进行小于1°的微顶角纠偏11孔次,水文孔进行低于5°的小顶角纠偏1孔次,定向及导斜钻进的成功率达90%以上(表1)。JDT-3A 型陀螺测斜仪设计顶角误差最大为1.5%,现场使用同深度重复测量落点误     

垂直冻结钻孔定向纠偏技术

开滦东欢坨矿垂直冻结钻孔施工中,采用JDT-3K型陀螺定向测斜仪和随钻可提式造斜器以及正确选择导斜位置、圈定预导区等施工工艺进行定向纠偏,成功率达100%。      

顶板岩层定向卸压瓦斯抽采钻孔钻进关键技术

顶板高位孔是治理采空区瓦斯的主要途径之一。在施工过程中,会遇到岩层开分支困难、目标层位的失制、非稳定地层处的纠偏等难题,它有别于煤层定向钻孔施工,阐述了顶板岩层定向卸压瓦斯钻孔施工的关键技术,对顶板定向长钻孔施工具有重要意义。      

基于离线编程的煤层智能定向钻进技术

定向钻进技术目前被广泛应用于煤层气的开采中。为了提高煤层气开采的质量和效率,必须提高煤层定向钻进过程的智能化水平。通过煤层定向钻进的三维离线编程系统,获取钻进轨迹的控制参数,并利用该系统自动生成的钻具控制程序,钻进过程中根据设计钻进轨迹与实际的钻进轨迹的偏差进行自动纠偏,从而实现煤层定向钻进的智能化。      

圆形高耸构筑物倾斜纠偏

通过分析圆形高耸构筑物倾斜原因与纠偏机理，提出了采用倾斜钻孔深层次掏土纠偏方法。该方法对高重心水塔和立式石灰窑体的纠偏，能取得满意的效果。     

海积软土固结过程中微观结构变化特征分析

本文通过不同固结压力下海积软土所得的SEM照片，采用结构单元体和孔隙的大小、形态及定向性参数，分析了海积软土在固结过程中微结构的变化特征。发现随着固结压力的增大，不同类型的孔隙反映不同，含水类型也随之改变，孔隙形状变得细长，但定向性变化不大；结构单元体在固结过程中不断变大，平面形状以扁椭圆形为主，定向排列越来越明显。     

锚杆静压桩在房屋纠偏中的应用

基于锚杆桩加固原理的认识，成功地将挤土静压锚杆桩和成孔静压锚杆桩应用于房屋纠偏。提出了加固、纠偏信息化协调施工的纠偏方法。     

定向钻进技术发展与展望

我国定向钻进技术的研究已进入世界先进国家行列。列举了我国在定向钻进器具方面的科研成果及典型的定向钻进应用实例,着重介绍了目前国际上与定向钻进有关的先进技术,并就我国拓宽定向钻进应用新领域及相应需要研究的新技术提出了参考性建议。     

基于EXCEL的定向钻井应用程序及其工程应用

定向钻井轨迹设计及控制软件较多,为方便工程现场应用,采用EXCEL计算公式及绘图功能,编制了EX—CEL在定向对接井的应用程序,通过工程实例,说明EXCEL能满足定向对接连通井计算精度要求。该程序简单易用,通过与地层信息相联,可及时判断轨迹穿过地层情况,大大地减少水平落平点失误。其EXCEL在定向对接连通井方面的应用,对长距离水平定向井、定向井和非开挖工程精确设计和施工具有指导意义。     

煤矿井下复合定向钻进技术研究与应用

针对传动滑动钻进方法施工千米以上长距离定向钻孔遇到的问题,借鉴石油钻井领域先进技术经验,提出煤矿井下近水平复合定向钻进技术,对其高效钻进机理与钻孔轨迹控制原理进行了分析探讨。根据复合定向钻进工艺技术要求,完成了泥浆脉冲无线随钻测量系统选型,完善了复合定向钻进技术装备配套,形成了泥浆脉冲无线随钻测量复合定向钻进工艺,开展了煤矿井下长距离定向钻孔复合定向钻进现场试验,完成一个1 566 m本煤层定向长钻孔。试验结果表明,与传统滑动定向钻进技术相比,在钻进安全性显著提升的基础上,复合定向钻进技术综合钻进效率显著提升,实现了本煤层定向长钻孔的安全高效钻进。      

我国煤矿井下近水平定向钻进技术的发展

煤矿坑道近水平定向钻进技术是钻探工程领域的一项新技术,主要应用于岩层和较稳定、较硬煤层的瓦斯抽放钻孔和地质勘探孔。简述了国内外煤矿井下近水平定向钻进技术的发展概况,对目前煤矿井下近水平定向钻进技术所采用的稳定组合钻具钻进和孔底螺杆马达钻进两种主要方法的特点与适用范围作了分析。结合我国煤矿井下地质条件、煤层特征和定向钻孔的技术要求,对我国煤矿井下定向钻进技术的应用提出了几点建议,并对我国煤矿井下定向钻进技术与装备进行了展望。     

空间定向钻孔轨迹设计

针对目前在煤层气勘探开发领域尚未解决的空间定向钻孔轨迹设计问题,提出了分支孔斜平面设计法。该法使空间定向钻孔设计简化为斜平面内定向钻孔设计。而斜平面内定向钻孔设计又可借助于垂直平面内定向钻孔的设计方法。因此,使用该法不仅解决了空间定向钻孔轨迹设计问题,而且方法简单,设计灵活。      

辽东湾丛式钻井陀螺侧钻及导向钻井防碰技术

本文介绍渤海辽东湾实验区AI平台丛式定向井最后钻完的3口侧钻绕障井。在有邻井和本井套管磁干扰情况下,特别是与邻井间距最小仅为0.6m,采用陀螺定向侧钻以及导向钻井技术相结合,安全顺利的钻完了这3口井。总结和介绍了侧钻、防碰的工艺特声,以及安全措施。研究和分析了使用陀螺定向侧钻,钻速与造斜率,井眼轨迹合理控制等问题。     

汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-4孔定向钻进技术应用

介绍了汶川地震断裂带科学钻探项目四号孔定向钻进的施工情况,包括定向钻孔的设计、造斜工具的选择、定向方法、钻孔轨迹控制以及无线随钻定向钻进施工、利用钻具组合进行定向钻进施工、侧钻绕障和定向钻进效果。     

煤矿井下定向钻孔中电阻率探测技术与应用

受高瓦斯/承压奥灰水威胁的工作面开采前,一般采取定向钻进技术在工作面底板开展压裂或注浆工程保障开采安全。利用底板定向钻孔开展孔中探测工作,可更加精细揭露工作面内隐伏构造,还可实现“一孔多用”。为解决定向钻孔内的探测问题,提出一种在水平定向钻孔中进行直流电阻率法探查的方法。定向钻孔施工完毕后,退出定向钻孔施工的通缆钻杆,送入内平钻杆,将孔中高密度电缆通过钻杆尾端特制水便送入钻孔,使孔中电缆平铺于钻孔中,在定向钻孔水平段,进行孔内直流电阻率法径向探测。在理论上通过数值模拟研究层状介质下单孔测量工作模式的接收信号衰减规律、视电阻率曲线变化特征、顶底板岩性对测量结果的影响等,并采用单孔测量数据对孔旁异常范围进行反演定位。数值模拟研究表明,孔中电阻率探测方法对隐伏的异常体有良好的探测效果。通过在陕西韩城某矿井下实际煤层底板探测试验,对研究区2个定向抽采钻孔孔中探测数据进行处理,反演结果异常区与工作面内隐伏小断层位置吻合,验证了定向钻孔中电缆布置的可行性和定向钻孔内通过孔内径向和孔间透视探测隐伏构造的可靠性。      

ZDY12000LD大功率定向钻机装备研发及应用

针对常规定向钻机不能完全满足长距离回采工作面瓦斯预抽钻孔和顶底板岩层大直径钻孔施工需求所存在的主要问题,分析了研制煤矿井下大功率定向钻机装备和配套定向钻进工艺方法的必要性,提出了成套钻机装备钻车和泵车两体式布局及配套复合定向钻进工艺的技术思路,重点解决总体布局及关键部件设计、复合定向钻进用多功能逻辑保护液压系统和大流量泥浆泵车设计等关键技术问题。在煤矿井下实际生产应用中取得了本煤层孔径Φ120 mm深度1 881 m顺层定向长钻孔和孔径Φ153 mm深度1 026 m顶板岩层定向长钻孔的创造性成果,并探讨了ZDY12000LD大功率定向钻机装备在顶板大直径定向长钻孔替代高抽巷和配套无线随钻测量系统技术方面的应用前景。      

水平绳索随钻定向钻进技术研究与应用

水平孔绳索取心钻进时, 钻具回转轴线与自身重力方向不在一条直线上, 地面孔口加压, 受地层软硬或岩层产状作用下, 钻孔轨迹都会发生偏斜, 目前暂无有效办法实现随钻定向纠斜。针对此问题, 开展了小直径水平绳索随钻定向仪器的推送、固定、打捞机构研究, 创新形成一套水平绳索定向钻进器具和定向技术, 并在川藏铁路多吉隧道水平钻孔进行随钻定向纠斜, 成功抑制钻孔上漂趋势, 并降斜3°, 为地质勘查水平绳索取心定向钻进轨迹控制提供支撑。