基于地層巖性識別的井下定向孔順層導向鉆進系統及方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于地層巖性識別的井下定向孔順層導向鉆進系統及方法。利用煤系地層巖性隨鉆識別判據和煤系地層物性參數隨鉆測量裝置實時測量的近鉆頭位置的地層自然放射值，采用直接參數對比法和方位放射玫瑰花圖對比法實現了鉆遇地層巖性的隨鉆識別；結合鉆孔軌跡測量，實現了實鉆軌跡相對目標地層的精確空間定位，為控制井下定向孔沿預定方向在目標地層中順層延伸提供了依據，解決了當前煤礦井下定向鉆進技術只能根據鉆孔軌跡空間幾何定位進行鉆進，無法判識地層、鉆進效率和目標地層延伸率低等技術難題，通過井下定向孔精確順層定向鉆進，為提高鉆探施工效率和利用效果、探明礦區地層地質信息、保障鉆探施工安全提供了有效手段。
【專利說明】
基于地層巖性識別的井下定向孔順層導向鉆進系統及方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種鉆進系統及方法，屬于煤炭開采領域，具體涉及一種基于地層巖性識別的井下定向孔順層導向鉆進系統及方法。
【背景技術】
[0002]煤炭是我國經濟建設的重要支柱，但是由于我國煤礦主要是井工開采，復雜的煤田地質條件給煤礦安全生產帶來了嚴重威脅，其中瓦斯災害是最嚴重的事故類型。
[0003]瓦斯預抽采是降低煤層瓦斯含量、防治瓦斯災害最有效的技術手段，同時也是綜合利用瓦斯的基礎，分為地面開采和煤礦井下開采兩種模式，目前以煤礦井下開采為主，且主要通過鉆孔進行瓦斯預抽采。
[0004]鉆孔的深度、直徑和目標地層延伸率是影響瓦斯抽采效果和生產效率的重要因素。近年來，由于近水平定向長鉆孔具有軌跡可測控、鉆進效率高、一孔多用、探查精度高、集中瓦斯抽采等優點，在礦井瓦斯抽采中應用效果顯著，最大應用孔深達1881m，并逐漸推廣應用于水害防治和隱蔽致災異常體探查。
[0005]目前井下順層定向長鉆孔主要采用幾何導向鉆進技術鉆進，即在定向鉆進時，利用隨鉆測量裝置實時測量鉆孔軌跡參數，并根據實鉆軌跡與設計軌跡的幾何偏差，調整定向鉆具方向，使鉆孔軌跡按設計鉆孔延伸。但是，現有幾何導向鉆進技術逐漸成熟的同時也顯現出一些問題和不足，集中體現在(I)鉆進中主要憑經驗根據鉆孔孔口返水、鉆進參數變化的方法分辨地層，可靠性差且滯后，不能有效識別地層巖性變化或構造異常，容易發生鉆孔安全事故；(2)煤系地層起伏情況未知，順層水平定向長鉆孔施工需要大量“探頂、開分支”工序才能完成，鉆孔工作量大，鉆進效率偏低；(3)幾何導向已實現鉆孔空間定位，但無法準確判斷鉆孔軌跡在目標地層中的相對位置，不能實現基于地層巖性的精確定向鉆進。尤其是目標地層較薄或起伏較大時，鉆孔極易穿出目標地層，甚至無法回到目標地層中，在目標地層的延伸率低，從而影響鉆孔瓦斯抽采效果和防治水效果。
[0006]為此，本發明的設計者有鑒于上述缺陷，通過潛心研究和設計，綜合長期多年從事相關產業的經驗和成果，針對目前煤礦井下瓦斯抽采定向孔施工技術裝備存在的不足，研究設計出一種基于煤系地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，以克服上述缺陷。

【發明內容】

[0007]本發明主要是解決現有技術所存在的井下定向孔按照鉆孔軌跡空間幾何定位進行導向鉆進時，由于礦井煤系地層詳細起伏情況未知而導致的無法確保實鉆軌跡在目標地層中順層長距離延伸的問題，提供了一種基于地層巖性識別的井下定向孔順層導向鉆進系統及方法。該系統及方法可隨鉆識別鉆遇地層巖性，并指導順層定向鉆進施工，實現了鉆孔軌跡相對目標地層的精確空間定位，從而確保實鉆軌跡沿目標地層長距離順層延伸。
[0008]本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的:
[0009]—種基于煤系地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進系統，包括:孔內設備以及與所述孔內設備相連的孔口數據采集處理裝置，其中，所述孔內設備安裝于鉆具內，其包括依次串聯的地層放射測量短節、電池筒、鉆孔軌跡測量短節;所述地層放射測量短節為圓柱狀結構，其內設置有開窗角度為360°的第一測量窗口和開窗角度為120°第二測量窗
□ O
[0010]優化的，上述的一種基于煤系地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進系統，所述孔內設備還可測量定向鉆具狀態參數，并且，所述孔內設備與孔底定向鉆頭的距離< 3m，探查識別距離彡0.3m。
[0011]為了解決上述問題，根據本發明的另一個方面，提供了一種基于煤系地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，實時獲取鉆頭位置地層巖性物性參數并與已知的礦區各煤系地層巖性物性參數對比從而獲得鉆頭所處地層巖性，根據鉆頭所處地層巖性調整鉆孔的目標地層傾角和井下定向孔設計軌跡，按照調整后的設計軌跡進行定向鉆進，直至達到設計孔深，提鉆終孔。
[0012]優化的，上述的一種基于煤系地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，所述礦區各煤系地層巖性物性參數的獲得方法為:
[0013]利用取心鉆孔采集煤系地層巖樣，建立鉆孔孔深與地層巖性的對應關系，將用于采集物性參數的孔內設備放入取心鉆孔內以采集煤系地層巖性的物性參數，從而獲得目標地層、上部相鄰地層、下部相鄰地層的自然放射參考值。
[0014]優化的，上述的一種基于煤系地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，實時獲取鉆頭位置地層巖性物性參數的方法為:將孔內設備安裝于定向鉆具內，利用孔內設備實時測量鉆孔鉆遇地層巖性物性參數，所述物性參數包括地層全自然放射值、地層方位自然放射值和放射角;并且單組數據上傳時間< 1s。
[0015]優化的，上述的一種基于煤系地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，還利用安裝于定向鉆具內的孔內設備測量鉆孔軌跡參數，利用所述鉆頭所處地層巖性和鉆孔軌跡測量參數結果調整目標地層傾角和井下定向孔設計軌跡；
[0016]其中，所述鉆孔軌跡參數包括:鉆孔傾角、鉆孔方位角和工具面向角，并且單組數據上傳時間Sls。
[0017]優化的，上述的一種基于煤系地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，將鉆頭位置地層巖性物性參數與已知的礦區各煤系地層巖性物性參數對比包括:
[0018]當采用滑動定向鉆進工藝施工時，利用直接參數對比法，將隨鉆測量得到的地層巖性物性參數與礦區各煤系地層巖性物性參數進行對比；
[0019]當采用復合鉆進工藝時施工時，利用方位放射玫瑰花圖對比法，將隨鉆測量得到的地層巖性物性參數與礦區各煤系地層巖性物性參數進行對比。
[0020]優化的，上述的一種基于煤系地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，所述方位放射玫瑰花圖對比法具體為:
[0021 ]用圓周角代表放射角數值，用半徑長度代表地層方位自然放射值，建立動態方位放射玫瑰花圖坐標系；
[0022]將最近10次不同放射角時的地層方位自然放射值在坐標系中標示出來，并順次將相鄰點連線，形成方位放射玫瑰花圖；
[0023]在方位放射玫瑰花圖中得到放射角0°和180°時的地層方位自然放射值；
[0024]當0°地層方位自然放射值與上部相鄰地層自然放射值相近，且180°地層方位自然放射值與目標地層方位自然放射值相近時，判斷鉆孔實鉆軌跡鉆遇上邊界線；當0°地層方位自然放射值與目標地層方位自然放射值相近，180°地層方位自然放射值與下部相鄰地層自然放射值相近時，判斷鉆孔實鉆軌跡鉆遇下邊界線；當0°地層方位自然放射值與180°地層方位自然放射值相差不大時，判斷鉆孔實鉆軌跡在原地層中延伸。
[0025]優化的，上述的一種基于煤系地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，所述根據鉆頭所處地層巖性調整鉆孔的目標地層傾角為:
[0026]將鉆孔的目標地層傾角調整為相鄰兩個見頂點或見底點的上下位移差值除于孔深差值后進行反正弦計算得到的角度;其中，見頂點為鉆孔實鉆軌跡與上邊界線的交點；見底點為鉆孔實鉆軌跡與下邊界線的交點。
[0027]優化的，上述的一種基于煤系地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，所述根據鉆頭所處地層巖性調整鉆孔的井下定向孔設計軌跡為:
[0028]將鉆孔的上邊界線、下邊界線按修正后的目標地層傾角延伸，得到預測上邊界線、預測下邊界線的標高，調整鉆孔設計傾角和上下位移，將鉆孔軌跡控制在預測上邊界線、預測下邊界線之間的目標地層中延伸。
[0029]因此，本發明具有如下優點:(I)實現了實鉆軌跡相對目標地層的精確定位，為控制鉆孔沿預定方向在目標地層中延伸提供依據，解決了當前煤礦井下定向鉆進技術無法判識地層、鉆進效率和目標地層延伸率低等技術難題；(2)通過井下定向鉆孔精確順層定向鉆進，為提高鉆探施工效率和利用效果、探明礦區地層地質信息、保障鉆探施工安全提供了有效手段。
【附圖說明】
[0030]圖1為基于煤系地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法示例。
[0031 ]圖2為煤系地層物性參數隨鉆測量裝置原理示意圖。
[0032]圖3為方位伽馬玫瑰花圖對比法原理圖。
【具體實施方式】
[0033]下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。
[0034]圖中，目標地層1、上部相鄰地層2、下部相鄰地層3、上邊界線4、下邊界線5、見頂點
6、見底點7、設計軌跡8、實鉆軌跡9、預測上邊界線10、預測下邊界線11、定向鉆頭12、定向鉆具13、無磁儀器外管14、孔口數據采集處理裝置15、地層放射測量短節16、電池筒17、鉆孔軌跡測量短節18、有線傳輸鉆桿19。
[0035]實施例:
[0036]參見圖1，基于煤系地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，其工作步驟如下:
[0037]步驟一:井下定向孔軌跡初步設計。首先根據井下定向孔施工目的選擇合適的完整煤巖層作為施鉆目標地層I;然后根據井下定向孔目標覆蓋區域，設計井下定向孔方位角和左右位移，確定井下定向孔平面延伸方向；再根據目標地層I厚度和傾角，計算出沿井下定向孔平面延伸方向上的上邊界線4、下邊界線5的標高，設計井下定向孔傾角和上下位移，確保井下定向孔設計軌跡8在目標地層I中延伸。
[0038]步驟二:建立煤系地層巖性隨鉆識別判據。在鉆場施工一個或多個取心鉆孔，獲得井下定向孔可能鉆遇的所有煤系地層巖樣，建立鉆孔孔深與地層巖性的對應關系;從鉆孔內下入煤系地層物性參數隨鉆測量裝置，對煤系地層的自然放射性進行測試，根據鉆孔孔深與巖性的對應關系，獲得目標地層1、上部相鄰地層2、下部相鄰地層3的自然放射值，從而建立煤系地層巖性隨鉆識別判據。
[0039]步驟三:煤系地層物性參數隨鉆測量。將煤系地層物性參數隨鉆測量裝置的孔內儀器串安裝在定向鉆具13后的無磁儀器外管14內，鉆進施工過程中，實時測量鉆孔鉆遇地層的物性參數并上傳至孔口數據采集處理裝置15。
[0040]步驟四:煤系地層巖性隨鉆識別。當采用滑動定向鉆進工藝時，利用直接參數對比法，將隨鉆測量得到的地層全自然放射值與步驟一獲得的礦區各煤系地層自然放射值進行對比，判斷出定向鉆頭12所處地層巖性;當采用復合鉆進工藝時，利用方位放射玫瑰花圖對比法，判斷出定向鉆頭12所處地層巖性。
[0041]步驟五:鉆孔軌跡測量。鉆進進尺達到設計測量間隔，或者實鉆軌跡9鉆遇上邊界線4、下邊界線5時，進行鉆孔軌跡測量，獲得鉆孔實鉆軌跡9三維坐標值。
[0042]步驟六:目標地層I傾角修正。根據步驟四巖性識別結果和步驟五鉆孔軌跡測量結果，修正目標地層I傾角。
[0043]步驟七:井下定向孔設計軌跡8調整。將上邊界線4、下邊界線5按修正后的目標地層I傾角延伸，得到預測上邊界線10、預測下邊界線11標高，并調整鉆孔設計傾角和上下位移，將鉆孔軌跡控制在預測上邊界線10、預測下邊界線11之間的目標地層I中延伸，鉆孔設計方位和左右位移不變。
[0044]步驟八:井下定向孔導向鉆進。按照調整后的鉆孔設計軌跡8進行鉆進，控制實鉆軌跡9沿設計平面延伸方向在目標地層I中延伸，鉆進過程中，重復步驟3?步驟7，直至達到設計孔深，提鉆終孔。
[0045]步驟一所述的上邊界線4是指目標地層I與上部相鄰地層2的邊界線；下邊界線5是指目標地層I與下部相鄰地層3的邊界線，上邊界線4與下邊界線5之間的地層為目標地層I。
[0046]步驟六所述的目標地層I傾角修正具體方法為:將鉆孔實鉆軌跡9與上邊界線4的交點記為見頂點6，將鉆孔實鉆軌跡9與下邊界線5的交點記為見底點7，同一孔深時，見頂點6上下位移等于見底點7上下位移加上目標地層I厚度;在鉆孔實鉆軌跡9上下位移圖上標示出見頂點6和見底點7，將相鄰兩個見頂點6用直線連接起來形成上邊界線4，相鄰兩個見底點7用直線連接起來形成下邊界線5，目標地層I起伏傾角與上邊界線4和下邊界線5傾角相同，即相鄰兩個見頂點6或見底點7的上下位移差值除于孔深差值后進行反正弦計算得到的角度。
[0047]參見圖2，煤系地層物性參數隨鉆測量裝置由孔口數據采集處理裝置15、地層放射測量短節16、電池筒17和鉆孔軌跡測量短節18組成，其中地層放射測量短節16、電池筒17和鉆孔軌跡測量短節18依次連接組成孔內儀器串，與孔底定向鉆頭12的距離<3m，探查識別距離多03m;可實時測量鉆孔軌跡參數、定向鉆具13狀態參數和地層物性參數，其中鉆孔軌跡參數是指鉆孔傾角和方位角，定向鉆具13狀態參數是指定向鉆具13工具面向角，地層物性參數是指地層全自然放射值、地層方位自然放射值和放射角。所述地層放射測量短節16為圓柱狀結構，其內設置有兩個測量窗口，一個窗口開窗角度360°，可接收徑向所有方向的地層自然放射物質，對應測量值為地層全自然放射值;另外一個窗口開窗角度為120°，只可接收徑向120°方向范圍內的地層自然放射物質，對應測量值為地層方位自然放射值，此時的窗口朝向為放射角。
[0048]步驟三所述的煤系地層物性參數隨鉆測量具體流程如下:利用孔口數據采集處理裝置15通過有線傳輸鉆桿19給地層放射測量短節16下達地層物性參數測量操作指令，地層放射測量短節16在電池筒17供電情況下工作，采集地層全自然放射值、地層方位自然放射值和放射角，然后通過有線傳輸鉆桿19上傳至孔口數據采集處理裝置15進行顯示、分析;單組數據上傳時間<10s。
[0049]步驟五所述的鉆孔軌跡測量，具體流程如下:利用孔口數據采集處理裝置15通過有線傳輸鉆桿19給鉆孔軌跡測量短節18供電和下達鉆孔軌跡測量操作指令;鉆孔軌跡測量短節18采集傾角、方位角和工具面向角數值后，通過有線傳輸鉆桿19上傳至孔口數據采集處理裝置15進行顯示，并計算出當前鉆孔三維坐標值，繪制出鉆孔實鉆軌跡9左右位移圖和上下位移圖；單組數據上傳時間<Is。
[0050]參見圖3，方位伽馬玫瑰花圖對比法，具體方法為:首先用圓周角代表放射角數值，用半徑長度代表地層方位自然放射值，建立動態方位放射玫瑰花圖坐標系;然后將最近10次不同放射角時的地層方位自然放射值在坐標系中標示出來，并順次將相鄰點連線，形成方位放射玫瑰花圖；在方位放射玫瑰花圖中得到放射角0°和180°時的地層方位自然放射值;當0°地層方位自然放射值與上部相鄰地層2自然放射值相近，且180°地層方位自然放射值與目標地層I方位自然放射值相近，說明鉆孔實鉆軌跡9鉆遇上邊界線4;當0°地層方位自然放射值與目標地層I方位自然放射值相近，180°地層方位自然放射值與下部相鄰地層3自然放射值相近時，說明鉆孔實鉆軌跡9鉆遇下邊界線5;當0°地層方位自然放射值與180°地層方位自然放射值相差不大，說明鉆孔實鉆軌跡9在原地層中延伸。
[0051]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
[0052]盡管本文較多地使用了目標地層1、上部相鄰地層2、下部相鄰地層3、上邊界線4、下邊界線5、見頂點6、見底點7、設計軌跡8、實鉆軌跡9、預測上邊界線10、預測下邊界線11、定向鉆頭12、定向鉆具13、無磁儀器外管14、孔口數據采集處理裝置15、地層放射測量短節16、電池筒17、鉆孔軌跡測量短節18、有線傳輸鉆桿19等術語，但并不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發明的本質;把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發明精神相違背的。
【主權項】
1.一種基于地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進系統，其特征在于，包括:孔內設備以及與所述孔內設備相連的孔口數據采集處理裝置，其中，所述孔內設備安裝于鉆具內，其包括依次串聯的地層放射測量短節、電池筒、鉆孔軌跡測量短節;所述地層放射測量短節為圓柱狀結構，其內設置有開窗角度為360°的第一測量窗口和開窗角度為120°第二測量窗口。2.根據權利要求1所述的一種基于地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進系統，其特征在于，所述孔內設備還可測量定向鉆具狀態參數，并且，所述孔內設備與孔底定向鉆頭的距離< 3m，探查識別距離彡0.3m。3.—種基于地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，其特征在于，實時獲取鉆頭位置地層巖性物性參數并與已知的礦區各煤系地層巖性物性參數對比從而獲得鉆頭所處地層巖性，根據鉆頭所處地層巖性調整鉆孔的目標地層傾角和井下定向孔設計軌跡，按照調整后的設計軌跡進行定向鉆進，直至達到設計孔深，提鉆終孔。4.根據權利要求3所述的一種基于地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，其特征在于，所述礦區各煤系地層巖性物性參數的獲得方法為: 利用取心鉆孔采集煤系地層巖樣，建立鉆孔孔深與地層巖性的對應關系，將用于采集物性參數的孔內設備放入取心鉆孔內以采集煤系地層巖性的物性參數，從而獲得目標地層、上部相鄰地層、下部相鄰地層的自然放射參考值。5.根據權利要求3所述的一種基于地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，其特征在于，實時獲取鉆頭位置地層巖性物性參數的方法為:將孔內設備安裝于定向鉆具內，利用孔內設備實時測量鉆孔鉆遇地層巖性物性參數，所述物性參數包括地層全自然放射值、地層方位自然放射值和放射角;并且單組數據上傳時間< 1s。6.根據權利要求3所述的一種基于地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，其特征在于， 還利用安裝于定向鉆具內的孔內設備測量鉆孔軌跡參數，利用所述鉆頭所處地層巖性和鉆孔軌跡測量參數結果調整目標地層傾角和井下定向孔設計軌跡； 其中，所述鉆孔軌跡參數包括:鉆孔傾角、鉆孔方位角和工具面向角，并且單組數據上傳時間彡Is。7.根據權利要求3所述的一種基于地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，其特征在于，將鉆頭位置地層巖性物性參數與已知的礦區各煤系地層巖性物性參數對比包括: 當采用滑動定向鉆進工藝施工時，利用直接參數對比法，將隨鉆測量得到的地層巖性物性參數與礦區各煤系地層巖性物性參數進行對比； 當采用復合鉆進工藝時施工時，利用方位放射玫瑰花圖對比法，將隨鉆測量得到的地層巖性物性參數與礦區各煤系地層巖性物性參數進行對比。8.根據權利要求7所述的一種基于地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，其特征在于，所述方位放射玫瑰花圖對比法具體為: 用圓周角代表放射角數值，用半徑長度代表地層方位自然放射值，建立動態方位放射玫瑰花圖坐標系； 將最近10次不同放射角時的地層方位自然放射值在坐標系中標示出來，并順次將相鄰點連線，形成方位放射玫瑰花圖； 在方位放射玫瑰花圖中得到放射角0°和180°時的地層方位自然放射值； 當0°地層方位自然放射值與上部相鄰地層自然放射值相近，且180°地層方位自然放射值與目標地層方位自然放射值相近時，判斷鉆孔實鉆軌跡鉆遇上邊界線；當0°地層方位自然放射值與目標地層方位自然放射值相近，180°地層方位自然放射值與下部相鄰地層自然放射值相近時，判斷鉆孔實鉆軌跡鉆遇下邊界線；當0°地層方位自然放射值與180°地層方位自然放射值相差不大時，判斷鉆孔實鉆軌跡在原地層中延伸。9.根據權利要求3所述的一種基于地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，其特征在于，所述根據鉆頭所處地層巖性調整鉆孔的目標地層傾角為: 將鉆孔的目標地層傾角調整為相鄰兩個見頂點或見底點的上下位移差值除于孔深差值后進行反正弦計算得到的角度;其中，見頂點為鉆孔實鉆軌跡與上邊界線的交點；見底點為鉆孔實鉆軌跡與下邊界線的交點。10.根據權利要求3所述的一種基于地層巖性隨鉆識別的井下定向孔順層導向鉆進方法，其特征在于，所述根據鉆頭所處地層巖性調整鉆孔的井下定向孔設計軌跡為: 將鉆孔的上邊界線、下邊界線按修正后的目標地層傾角延伸，得到預測上邊界線、預測下邊界線的標高，調整鉆孔設計傾角和上下位移，將鉆孔軌跡控制在預測上邊界線、預測下邊界線之間的目標地層中延伸。
【文檔編號】E21B47/022GK106050143SQ201610466157
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月23日
【發明人】李泉新, 石智軍, 方俊, 曹明, 溫榕, 高珺, 畢志琴, 許超
【申請人】中煤科工集團西安研究院有限公司