定向钻孔轨迹变化规律研究与动态设计方法

黄才启

(安徽省地质矿产勘查局 321地质队,安徽铜陵 244033)

定向钻孔轨迹变化规律研究与动态设计方法

黄才启

(安徽省地质矿产勘查局 321地质队,安徽铜陵 244033)

深部资源的勘探与开发离不开定向钻探,定向钻孔轨迹设计往往是成功实施的关键。定向钻孔设计首先必须科学研究定向钻孔轨迹变化规律。依据客观条件,合理选择模型,建立起函数关系,揭示出钻孔轨迹变化内在规律,提出了包含设计和检验于一体的动态跟踪设计方法。

定向钻孔;钻孔轨迹;全弯曲角;安装角;孔斜矢量

人类文明的发展越来越依赖于资源,资源的开发已向地球深部发展。深部资源的勘探与开发离不开定向钻进技术。定向钻孔轨迹是通过人工控制、干预、导斜来实现钻孔工程功能的。钻孔轨迹总是动态变化的,其完成过程则是“设计→控制 (导斜)→检验→再设计→再控制→检验→……”动态跟踪进行的。定向设计是完成定向钻孔最关键最核心的工作,往往决定定向施工的成败。此前各类文献介绍较多的是一些简单的几何试算试画等近似设计法,这种经验性的方法,没能揭示出钻孔角度变化规律,具有较大的盲目性,实际工作中常致导斜效果不佳甚至得出错误的结果。笔者经过 20余年的研究与实践,探讨定向钻孔轨迹变化规律的本原,建立起全新理念的设计方法,与同行探讨交流。鉴于不同勘探行业各自不同特点,本文仅界定于地质勘探范畴。

1 定向钻孔轨迹变化规律研究

钻孔轨迹通常用钻孔一些间断点处的空间切线矢量角度 (俗称“钻孔角度”——钻孔顶角和方位角)运用一定数学模型近似拟合成的空间曲线描述。这一空间曲线可以简化理解为无数个不同空间平面内的不同曲率的小圆弧的连续线。基于这一理论观点和现行定向钻进控制技术,定向钻孔轨迹设计模型完全有理由选择为某空间平面内“圆弧 +切线”,由多个动态“圆弧 +切线”组合(即“弯→直→弯→直…”曲线)达到设计目的,实现钻孔设计功能。

迄今为止,无论是施工前的方案设计还是施工中的导斜设计,所采用的简单几何作图 (计算)法、赤平投影法、球面几何计算法等,都是定性的、经验的近似方法,都具有一定的盲目性,通常会增加轨迹控制工作,严重时导致认识错误和设计错误,最终造成中靶失败。许多工程技术人员使用这类方法指导实践往往不能成功,其主要原因就是没有掌握导斜钻孔角度变化机理及变化规律。因此深入研究定向钻孔轨迹变化规律,探讨科学的设计方法是十分必要的。

其实,从专业技术的角度来说,研究定向钻孔轨迹变化规律,其核心就是研究“人工干预导斜钻孔角度变化规律”,也就是定向钻孔设计与控制(即导斜设计)的方法研究。依据实际工程,选定模型,创建科学理论,建立函数关系,揭示内在规律,解决本原问题。

1.1 模型选择

钻孔轨迹模型选择需根据线型优点和地质勘探自身特点确定。

1.1.1 平面型曲线优点(相对于非平面空间曲线)

(1)钻孔曲线最简洁;

(2)人工干预导斜工作量最少;

(3)钻杆受力最简单最合理。

1.1.2 地质勘探自身特点

(1)需全孔取心,不能长孔段无岩心钻进;

(2)需回转钻进,钻孔角度不能连续大幅度变化;

(3)钻杆抗弯强度、抗疲劳强度限制;

(4)导斜工具适宜地层(完整、中硬)限制。1.1.3 忽略弱相关因素

(1)地层自然弯曲强度忽略不计 (远小于导斜强度 i01～2个数量级),非导斜段近似为直线;

(2)导斜强度近似不变 (地层、钻进参数相对稳定同一),实现等曲率圆弧。

1.1.4 模型选择为

(1)平面型等曲率圆弧 +切线;

(2)大曲度以同一平面多级次“弯→直→弯→直…”组合曲线实现。

1.2 坐标系建立

1.3 各角度参数函数关系及内在规律揭示

图1 空间关系图

图2 球面角度关系图

将图1(b)局部放大如图2所示,钻孔导斜各角度参数关系均体现在球面直角ΔDM′M中(把握这个三角形极为重要,所有内在关系均体现在这个三角形中),根据纳皮尔法则,有:

由(1)～(7)式可知,θ,α与γM和β之间为函数关系:

这就是本文研究成果所在,这就是我们所要掌握的定向导斜钻进孔斜矢量变化的内在规律。图 3即是这些规律的揭示,从图 3中可知:

图3 钻孔角度变化曲线组图

(1)孔斜变化和变化率均为非线性;

(2)钻孔方位极限趋向于α0;

(3)全弯曲角γM=90°和安装角β=90°附近方位角变化极快(变化率极大),而顶角较小 (变化率较小),γM和β=0°或 180°附近则相反;

(4)平面倾角δ愈大,平面愈陡,变化率幅度大,顶角变化快,方位“突变”性大;

(5)导斜过程中,顶角和方位角同时变化,且变化率亦随之而变。

2 定向钻孔动态跟踪设计

由于钻孔轨迹变化非纯理论曲线,一次性导斜难以完成控制工作,所以钻孔轨迹需要跟踪控制,设计工作必然动态跟踪。通常钻孔上部轨迹已形成,设计只对控制下部轨迹进行,钻孔角度和物理坐标都已知。仍然按图 1将导斜始点设为坐标系原点,这个坐标系即为动态坐标系,设计工作即动态跟踪进行,实现了微观过程和宏观结果的统一,既可纠正偏离设计的轨迹,又可实现非单一平面曲线钻孔。

2.1 确定弯曲平面

式中:a、b、c——平面法向矢量的一组方向数,为使这个矢量指向水平面下方,计算中,令 c>0,如果式(8)计算出 c<0,则同变 a、b、c符号(c=0为垂直平面);θ、α——动点M孔斜 (钻孔角度);x2、y2、z2——目标点坐标,也是弯曲平面内一组方向数。

弯曲平面倾角δ(该平面法向矢量对 z轴夹角,如图 4):

图4 倾向立面图

图5 各点几何关系

由几何关系建立三角方程,解得导斜所需全弯曲角γ2为:

从式 (13)～(19)可以看出,导斜强度 i0决定了R、γ2、ld、lq,即决定了钻孔轨迹。生产中需要不断收集数据,认真分析总结,取得合适的 i0值十分必要。

2.7 导斜结果分析检验

导斜结果分析检验是动态跟踪设计方法必不可少的工作步骤,为后续导斜工作提供修正依据和准确的设定数据。

(1)由导斜始、终点孔斜矢量按式 (9)求得实际平面方程系数:

3 结论

研究定向钻孔轨迹变化规律,实际就是研究钻孔空间几何形态与角度状态之间的有机关系,定向钻孔无论采用哪种设计方法,其导斜过程钻孔角度变化规律是客观的。深刻理解和掌握这一规律,能够使定向钻孔总体规划设计和实战作业设计以及过程调整设计做到游刃有余、恰到好处,可以最节省的工作量、最有效的实施点取得最完美的成果。

本文提出的设计方法,依据充足,符合实际,本原规律清晰,数学计算简捷,较好地解决了地质勘探定向钻孔整体谋划与具体实施两不关联问题,以整体一致宗旨、动态跟踪方式进行设计、控制、检验、修正,实现定向钻孔工程目标。

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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

黄才启(1964-),男(汉族),安徽怀宁人,安徽省地质矿产勘查局 321地质队副总工程师、钻探工程公司经理,高级工程师,探矿工程专业,从事(特种)钻探工程技术研究、开发、应用与管理工作,安徽省铜陵市狮子山区,hz321ahdk@126.com。