煤矿井下随钻测量技术及钻孔轨迹数据处理方法研究
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摘要
随着定向钻进技术的迅猛发展,随钻测量技术以其独特的技术优势,不但在石油钻井和非开挖领域得到了大力推广和应用,近年来也逐步推广到煤矿安全领域,在煤矿区地面和井下煤层气(瓦斯)抽采钻孔施工中起到越来越重要的作用。本文以国家发改委重大产业技术开发专项“井下水平定向孔钻机研制及配套工艺开发”项目为依托,以开发我国矿用随钻测量定向钻进系统为目标,结合井下近水平孔定向孔施工的特点,主要针对钻孔轨迹描述、随钻测量方法、信号传输技术、钻孔轨迹数据处理方法进行了研究。主要研究内容包括以下几个方面:
1.本文结合煤矿井下定向钻孔施工的特点,系统地提出了表征井下水平定向钻孔轨迹空间位置的相关参数及其形状的描述方法;通过对地面五种钻孔轨迹坐标计算方法的转换、优选,并成功应用于煤矿井下近水平定向钻孔轨迹的计算,对今后进行井下定向钻孔设计和轨迹描述奠定了基础。
2.结合现场需求,从钻进工艺的角度出发,提出了随钻测量系统软件的设计思想和工作流程,提出分别采用钻孔轨迹三要素和煤层项、底板标高进行钻孔轨迹设计,并建立了相应的数学模型,实现了钻进过程中同时显示设计轨迹和实测轨迹,为随时掌握钻孔的相对位置提供了方便。
3.在现场需求分析的基础上,提出了三种钻孔轨迹数据处理的新方法。基于Excel平台,建立了钻孔轨迹参数计算和轨迹图绘制程序,不但可进行轨迹参数计算,还可进行二维图形显示;借助Auto CAD VBA二次开发平台开发了“Excel-CAD钻孔轨迹图绘制(VBA)程序”,为实测轨迹与设计轨迹的合成提供了方便;采用VC++6.0基于工程的概念,开发了钻孔轨迹设计与分析软件,实现了钻孔轨迹的二维和三维显示。
4.结合现场工业性试验,应用三种钻孔轨迹数据处理方法对宁煤汝箕沟矿534工作面2~#钻场定向钻孔群的随钻测量数据进行了处理和轨迹图显示,其综合处理结果为钻孔轨迹控制起到了很好的指导作用,同时为今后进行定向钻孔的可视化设计、信息化施工、多图件链接创造了条件。
With the rapid development of directional drilling technology, due to its technical advantages MWD technology has been widely applied not only in oil drilling and trenchless field, but also progressively extended into coal mine safety field recent years, and has plaied more and more important role in drilling surface and underground gas drainage boreholes. On the basis of the project "Development of underground horizontal directional drilling rig and its matching technology ", a major industrial technical special project of National Development and Reform Commission, aiming at development of mine MWD directional drilling system in China, in combination with charecteristics of underground directional drilling, the paper carried out study mainly on description of borehole trajectory, MWD method, signal transmission technique and data processiong of borehole trajectory. The study included maily the following aspects:
1. In combination with characteristics of directional drilling in underground coal mines, we systematically proposed description method for related parameters and shape characterizing spatial position of trajectory of underground horizontal directional boreholes. Calculation methods for coordinate of trajectory of five kinds of surface boreholes were transformed and optimized, and were successfully applied to calculate trajectory of underground horizontal directional boreholes, providing a basis for design and trajectory description of future underground directional boreholes.
2. In combination with field requirements and from the view of drilling technology, we proposed the design and flowchart of MWD system software, used the three elements of borehole trajectory,elevation of roof and floor of coal seam to design borehole trajectory, and constructed mathematical model. During drilling simultaneous display od designed trajectory and measured trajectory was realized, providing convinience for knowing the relative position of borehole from time to time.
3. On the basis of analysis of field requirements, we proposed three new methods for data processing of borehole trajectory. Based on Excel platform, programme for calculation of trajectory parameters and plotting of trajectory diagraphs was established. The programme could not only calculate trajectory parameters,but also make two dimensional diagraph display. With the aid of secondary development platform Auto CAD VBA, the programme for plotting borehole trajectory diagraph Excel-CAD was developed, providing convinience for composition of measured trajectory and designed trajectory. Using engineering-based concept VC ++6.0, we developed software for design and analysis of borehole trajectory, realized two dimensional and three dimensional display of borehole trajectory.
4. In combination with field industrial test, three methods for borehole trajectory data processing was applied to process MWD data and diplay trajectory diagraph of directional borehole set at drilling site 2 at face 534 in Ruqigou mine. The results of synthetic processing plaied a guiding role in controlling borehole trajectory, on the same time created conditions for visualized design, informational operation and multiple diagraph linking of directional boreholes in the future.
1.本文结合煤矿井下定向钻孔施工的特点,系统地提出了表征井下水平定向钻孔轨迹空间位置的相关参数及其形状的描述方法;通过对地面五种钻孔轨迹坐标计算方法的转换、优选,并成功应用于煤矿井下近水平定向钻孔轨迹的计算,对今后进行井下定向钻孔设计和轨迹描述奠定了基础。
2.结合现场需求,从钻进工艺的角度出发,提出了随钻测量系统软件的设计思想和工作流程,提出分别采用钻孔轨迹三要素和煤层项、底板标高进行钻孔轨迹设计,并建立了相应的数学模型,实现了钻进过程中同时显示设计轨迹和实测轨迹,为随时掌握钻孔的相对位置提供了方便。
3.在现场需求分析的基础上,提出了三种钻孔轨迹数据处理的新方法。基于Excel平台,建立了钻孔轨迹参数计算和轨迹图绘制程序,不但可进行轨迹参数计算,还可进行二维图形显示;借助Auto CAD VBA二次开发平台开发了“Excel-CAD钻孔轨迹图绘制(VBA)程序”,为实测轨迹与设计轨迹的合成提供了方便;采用VC++6.0基于工程的概念,开发了钻孔轨迹设计与分析软件,实现了钻孔轨迹的二维和三维显示。
4.结合现场工业性试验,应用三种钻孔轨迹数据处理方法对宁煤汝箕沟矿534工作面2~#钻场定向钻孔群的随钻测量数据进行了处理和轨迹图显示,其综合处理结果为钻孔轨迹控制起到了很好的指导作用,同时为今后进行定向钻孔的可视化设计、信息化施工、多图件链接创造了条件。
With the rapid development of directional drilling technology, due to its technical advantages MWD technology has been widely applied not only in oil drilling and trenchless field, but also progressively extended into coal mine safety field recent years, and has plaied more and more important role in drilling surface and underground gas drainage boreholes. On the basis of the project "Development of underground horizontal directional drilling rig and its matching technology ", a major industrial technical special project of National Development and Reform Commission, aiming at development of mine MWD directional drilling system in China, in combination with charecteristics of underground directional drilling, the paper carried out study mainly on description of borehole trajectory, MWD method, signal transmission technique and data processiong of borehole trajectory. The study included maily the following aspects:
1. In combination with characteristics of directional drilling in underground coal mines, we systematically proposed description method for related parameters and shape characterizing spatial position of trajectory of underground horizontal directional boreholes. Calculation methods for coordinate of trajectory of five kinds of surface boreholes were transformed and optimized, and were successfully applied to calculate trajectory of underground horizontal directional boreholes, providing a basis for design and trajectory description of future underground directional boreholes.
2. In combination with field requirements and from the view of drilling technology, we proposed the design and flowchart of MWD system software, used the three elements of borehole trajectory,elevation of roof and floor of coal seam to design borehole trajectory, and constructed mathematical model. During drilling simultaneous display od designed trajectory and measured trajectory was realized, providing convinience for knowing the relative position of borehole from time to time.
3. On the basis of analysis of field requirements, we proposed three new methods for data processing of borehole trajectory. Based on Excel platform, programme for calculation of trajectory parameters and plotting of trajectory diagraphs was established. The programme could not only calculate trajectory parameters,but also make two dimensional diagraph display. With the aid of secondary development platform Auto CAD VBA, the programme for plotting borehole trajectory diagraph Excel-CAD was developed, providing convinience for composition of measured trajectory and designed trajectory. Using engineering-based concept VC ++6.0, we developed software for design and analysis of borehole trajectory, realized two dimensional and three dimensional display of borehole trajectory.
4. In combination with field industrial test, three methods for borehole trajectory data processing was applied to process MWD data and diplay trajectory diagraph of directional borehole set at drilling site 2 at face 534 in Ruqigou mine. The results of synthetic processing plaied a guiding role in controlling borehole trajectory, on the same time created conditions for visualized design, informational operation and multiple diagraph linking of directional boreholes in the future.
引文
[1]徐涛.水平定向钻进随钻测量方法及定位技术研究.国防科学技术大学博士论文,2006.9.
[2]康清清,边立恩,宋玲玲.随钻测井技术的历史和发展趋势.内蒙古石油化工,2008年第13期.
[3]刘树坤,汪勤学等.国内外随钻测量技术简介及发展前景展望.录井工程,2008年04期
[4]我国研制成功EILog测井装备和CGDS-I近钻头地质导向系统.石油勘探技术.2007年25卷1期.
[5]Websit:http://press.idoican.com.cn/detail/articles/2008072900729/(钻头有了国产“眼睛”.中国石化报,2008.7.29,经济新闻).
[6]姚宁平 我国煤矿井下近水平定向钻进技术的发展[J].煤田地质与勘探,2008,36(4):78-79.
[7]潘仁杰.螺杆钻具控制井斜的理论分析与应用研究.西南石油学院硕士学位论文,2003.5.
[8]石智军,姚宁平,胡少韵等.煤矿井下瓦斯抽采(放)钻孔施工新技术[M].煤炭工业出版社,2008.10.
[9]张群,石智军,姚宁平,田宏亮.我国定向长钻孔技术和设备应用现状分析与建议,中国煤层气,2007,4(2).
[10]石智军.煤矿井下——钻探技术应用的广阔天地探矿工程.探矿工程(岩士钻掘工程).2006..
[11]郝世俊 孔底马达在我国煤矿井下水平钻进中的应用前景[J].煤田地质与勘探,2004,32(2):64-67.
[12]石智军等.煤矿井下千米瓦斯抽采钻孔施工装备及工艺技术研究[R].西安:煤炭科学研究总院西安研究院科学技术报告,2008.
[13]韩广德.中国煤炭工业钻探工程学[M].北京:煤炭工业出版社,2000.
[14]孙荣军.我国煤矿沿煤层钻进技术的现状及发展[R].科学研究总院西安分院课题报告,2005(10).
[15]孙欣.煤层定向钻进技术的应用研究.中国煤层气,2008.1.
[16]孙荣军,石智军,吴璋.煤层顶板瓦斯抽放水平长钻孔的设计与应用.煤炭科学技术,2008,36(1):38-41.
[17]王康健,宋成长,梁加红.顶板定向钻孔抽放技术在综采工作面的应用.煤矿安全,2008.1
[18]姚宁平,孙荣军,叶根飞.我国煤矿井下瓦斯抽放钻孔施工装备与技术[J].煤炭科学技术, 2008,(03):12-16.
[19]于连江,陈国良.弯壳体螺杆钻具[J].石油矿场机械,1995(5):12-14.
[20]白冬青.最曲率法计算中的几个问题[J].断块油气田,2007,14(5)67-68.
[21]韩志勇.定向钻井设计与计算(第二版)[M].中国石油大学出版社,2007.
[22]鲁琴.非开挖水平定向钻进轨迹设计与调控技术研究[R].国防科学技术大学硕士学位论文,2004.
[23]Thomson,Scott.The Role of Directional Drilling for Safety in Coal Mining.Proceedings of the 11th Turkish Coal Congress,10-12 June 1998.
[24]中华人民共和国石油天然气行业标准,SY/T5435-2003,定向井轨道设计与轨迹计算2003-03-1发布.
[25]田耀文.定向井井身轨迹最优化方法研究[R].中国地质大学(北京)硕士学位论文,2007.6.
[26]刘修善,石在虹.一种测斜计算新方法-自然参数法[J].石油学报,1998,19(4).
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[28]李雪梅.圆柱螺线法中井眼曲率的计算[J].石油地质与工程,2007,21(6):79-83.
[29]罗武胜,徐涛,杜列波.基于加速度计和磁强计的定向钻进姿态测量及方位校正[J].国防科技大学学报,2007,29(1).
[30]文炜.基于MEMS技术的惯性测量器件及系统的发展现状和应用[J].控制与制导,2006年第9期.
[31]高爽,张春熹,颜廷洋.光纤陀螺油井测斜仪研究与设计.测井技术,第30卷,第6期.
[32]聂世军等,重力MWD技术在国外的应用[J].石油钻探技术,2007(7):88-89.
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[34]李长文,强毓明,李国利等.现代声波测井技术发展的若干特点.测井技术,2006,30(2):101-104.
[35]程华,张铁军.随钻信息的有线钻杆传输技术发展历程和最新进展[J].特种油气藏,2004,11(5):85-87.
[36]李军成,王秀春,于华峰.水平井有线随钻测斜仪的泵冲测量方法.石油钻探技,1995.6.
[37]马哲,杨锦舟,赵全海.无线随钻测量技术的应用现状与发展趋势.石油钻探技术,2007,35(6)112-115.
[38]刘修善,侯绪田,涂玉林等.电磁随钻测量技术现状及发展趋势[J].石油钻探技术,2006,34(5):4-9.
[39]李志刚,管志川,王以法.随钻声波遥测及其关键问题分析.石油矿场机械,2008,37(9):6-9.
[40]岳春宏.智能钻杆_将引发一场井下信号传输技术革命[J].石油科技论坛2008年第4期.
[41]肖仕红,梁政,任连城.智能钻井电缆传输电接头设计[J].石油钻采工艺2007年2月(第29卷)第1期.
[42]http://news.cnpc.com.cn/system/2008/01/02/001149154.shtml.美国高速钻井新技术进入现场试验.中国石油新闻中心(石油科技).
[43]王子臣.一种智能钻杆的现场试验显示了其技术实用性[J].国外油田工程,第22卷第5期(200615).
[44]DEN ISON,et al.Telemetering chill stringwith p iped electrical conductor[P].US4095865,1978.
[45]CHEVAL IER,et al.Assembly p roviding an electrical connection through a p ipe formed of several elements[P].US4 806 115,1989.
[46]杨兴琴,姜虻,赵滨伟.随钻数据传输新技术[J].石油仪器,2004年第18卷第6期.
[47]YHD1-1000型随钻测量系统用户手册[R],2007.
[48]左永江.EXCEL与ACAD相结合在钻孔偏斜数据处理中的应用[J].建井技术,第26卷第5期.
[49]叶鲲.利用EXCEL配合AutoCAD 2000快速展点和绘制断面图.中南水力发,2005年12月,第4期.
[50]顾凤鸣,李南山,张二勇.用EXCEL配合-CAD。绘制斯面圈.煤炭工程,2004年5月.
[51]张伟.用EXCEL输入数据在CAD中生成疏浚工程断面图.中国水运,2008.2,第08卷,第2期.
[52]王素艳,王立军.AutoCAD/CAPP/PDM一体化解决方案研究[J].沈阳航空工业学院学报,2006年05期.
[53]刘林.Auto CAD2008中文版高级应用教程.华南理工大学出版社,2008.03.
[54]张国宝.AutoCAD2000 VBA开发技术.清华大学出版社,2000-10-1.
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[56]周永臣,岳殿召,张广军,林在康.用编程实现钻孔自动绘制.江苏煤炭,2004年第4期.
[57]王永杰,周振红,苗丽.AutoCAD和Excel间的数据通信.河南科学,200.8,第22卷,第4期.
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[60]Navigator定向井水平井轨迹设计及计算分析系统.北京怡恒阳光科技发展有限公司(www.yhs.cn)
[61]王俊良,李海峰,袁学峰,吴先忠.定向井水平井轨道设计和轨迹计算分析三维可视化技术.钻采工艺,2005年01期.
[62]杨炯明.水平井井眼轨迹三维可视化技术的研究与应用.西南石油学院硕士学位论文,2002年.
[63]齐俊德等.汝箕沟煤矿瓦斯综合抽放可行性研究.煤炭技术,2006,25(3):51-53.
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