一种矿用水平千米定向钻机轨迹跟踪方法与流程

本发明涉及一种矿用钻机轨迹测控跟踪方法，尤其是一种矿用水平定向钻机轨迹跟踪方法。

背景技术：

煤矿井下水平定向长钻孔是一种可进行多分支孔施工的新型钻孔，具有钻进效率高、瓦斯抽采效果好以及可大面积集中抽采等优点，采用水平定向长钻孔抽采瓦斯现已成为国内外煤层气开采、瓦斯抽放的主要技术途径。目前成熟的钻采方案是利用随钻测量系统监测实际钻孔轨迹与设计轨迹间的偏差，再通过调整工具面朝向来减小偏差，达到控制实钻轨迹的目的。但在煤矿井下千米定向钻机的钻进过程中，尽管随钻测量技术已相当成熟，但钻孔轨迹受地质条件、技术要求、施工工艺等因素综合影响，现有的轨迹控制技术只能通过司钻工人对工具面角对倾角、方位角大体影响趋势的经验来调整工具面角。这种操作现状不可避免地带来了钻进效率低、与设计轨迹偏离度大等问题。国内外在这一领域进行了广泛研究，如m.birades和r.fenoul提出的平衡曲率法、k．millheim提出的有限元法、高德利、刘希圣等人提出的加权余量法、白家祉提出的纵横弯曲梁法都为实现矿用水平千米定向钻机轨迹跟踪控制提供了思路，公开号为cn103321629a的专利将螺杆马达造斜强度视为不变，将单位长度螺杆马达改变钻孔全弯曲角度视为定值，简化了计算过程，但忽视了重力、钻孔弯曲、钻压变化等因素的影响。公开号为cn105952377a的专利将已完成的钻孔测点数据作为样本，构建预测模型，预测任一工具面角下的下一测点的坐标，避免了力学分析，但井底工况复杂多变，单纯地依靠已钻轨迹数据样本预测下一杆轨迹并不可靠，且是以比较不同工具面角时的预测坐标误差来获取最佳工具面角，模型重复计算量过大。

为此，本发明提出一种矿用水平千米定向钻机轨迹跟踪方法，以力学分析为基础，对传统的三点定圆法进行改进，搭建钻孔轨迹预测模型，并在此基础上建立预测坐标误差关于工具面角的函数表达式，以解导函数的方式求得最佳工具面角并将其提供给司钻人员，司钻人员根据此参数在每根钻杆开钻前对工具面角进行调整，使实际轨迹最大程度贴近设计轨迹。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种矿用水平千米定向钻机轨迹跟踪方法，以力学分析为基础，对传统的三点定圆法进行改进，搭建钻孔轨迹预测模型，并在此基础上建立预测坐标误差关于工具面角的函数表达式，以解导函数的方式求得最佳工具面角并将其提供给司钻人员，司钻人员根据此参数在每根钻杆开钻前对工具面角进行调整，使实际轨迹最大程度贴近设计轨迹。

实现本发明上述的一种矿用水平千米定向钻机轨迹跟踪方法的技术方案包括钻孔轨迹预测方法和钻孔轨迹跟踪设计轨迹方法；其特征在于：

所述钻孔轨迹预测方法是根据随钻测量系统获得井底钻具的当前姿态参数，结合钻压与钻具的结构参数对井底钻具组合进行受力分析，基于三点定圆法获得下一钻杆钻进时的预测造斜率，最终获得下一钻杆钻进后测点的预测坐标值与其采用的工具面角之间的函数关系式；

所述钻孔轨迹跟踪设计轨迹方法是将钻孔轨迹预测模型获得函数关系式与下一测点的设计坐标值作差，获得预测坐标误差关于工具面角的函数，根据预测坐标误差最小原则，对工具面角求导，令导函数为0解得使预测坐标误差最小最佳工具面角，根据最佳工具面角进行操作，获得实钻轨迹跟踪设计轨迹。

一种矿用水平千米定向钻机轨迹跟踪方法，其特征在于：将孔底钻具组合的受力分析和传统的三点定圆法相结合，具体步骤如下：

（1）通过纵横弯曲梁法求出钻具在任一工具面角ω下受力弯曲形成的第二跨长度l2；

（2）基于三点定圆法，求出下一根钻杆的预测造斜率kn；

（3）根据姿态预测公式，基于预测造斜率kn求出下一测点的预测倾角θn+1和方位角αn+1；

（4）根据平衡正切法，基于下一测点的预测倾角θn+1和方位角αn+1求出下一测点的预测坐标值xn+1、yn+1、zn+1。

一种矿用水平千米定向钻机轨迹跟踪方法，其特征在于：根据下一钻杆钻孔的测点坐标到设计轨迹下一钻孔测点坐标的距离最短原则，求解下一钻杆钻进时采用的最佳工具面向角，该方法具体步骤如下所述：

（1）构造预测坐标误差函数，即：

式中δs为预测坐标误差，(xpn+1,ypn+1,zpn+1)为设计轨迹中下一点的设计坐标；

（2）根据步骤二，依次获得以上各参数关于上一子步骤参数的函数表达式，即：

1）预测坐标xn+1、yn+1、zn+1关于预测倾角θn+1、预测方位角αn+1的函数；

2）预测倾角θn+1、预测方位角αn+1关于预测造斜率kn的函数；

3）预测造斜率kn关于第二跨长度l2的函数；

4）第二跨长度l2关于工具面角ω的函数；

将上式依次代入子步骤（1）中，即可得到预测坐标误差关于工具面角的函数表达式；

（3）对子步骤（2）获得预测坐标误差函数进行求导并令导函数为0求得使预测坐标误差最小的最优工具面角，按照最优工具面角控制实钻轨迹使其能最大程度地跟踪设计轨迹。

上述本发明所提供的一种矿用水平千米定向钻机轨迹跟踪方法，该方法结合纵横弯曲梁理论与三点定圆法，并根据孔底钻具姿态参数，结合钻压钻具结构参数进行受力分析，求取钻具弯曲变形后第二跨长度并带入三点定圆法中，实现了下一钻杆轨迹的预测；在此基础上建立了下一钻杆的轨迹预测坐标误差函数，并根据预测坐标误差最小原则，以解导函数的方式得出最佳工具面角，并将其提供给司钻人员，司钻人员根据此参数在每根钻杆开钻前对工具面角进行调整，使实际轨迹最大程度贴近设计轨迹，这种方法易于实现，有效地减少了操作误差，提高了钻进效率、降低了钻具摩阻力，具有较广泛的实用价值。

附图说明

图1是本发明井眼轴线坐标系示意图。

图2是本发明千米钻机施工原理示意图。

图3是本发明千米钻机施工操作步骤流程图。

图4是本发明井斜平面p、方位平面q、井身平面r示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

以往司钻工人依靠如下表1所示的轨迹计算表，按照如附图2所示原理来

进行千米钻机施工，单纯依靠工人经验容易使每一杆的实钻轨迹与轨迹计算表中的设计轨迹偏离度太大，应用本方法后，系统操作步骤如附图3，其中实际计算步骤如下：

第一步：对井底钻具组合进行受力分析，随着工具面角的调整，已钻钻孔轨迹形成的井身斜平面r与井底钻具组合形成的工具平面间形成夹角，使井底钻具组合的受力分析成为一个三维问题，为了简化计算，如附图4，将r平面上的受力变形三维问题分解为井斜平面p与方位平面q内的两个二维问题，并在p平面内求取当前工具面角下的l2；下列公式中e为钻杆的弹性模量，i为等效截面轴惯性矩，l为跨长，pb（fz）为钻压，q为横向均布载荷集度，k为井身曲率，x(u)、y(u)、z(u)为放大因子，y1、y2为弯接头、上切点位置相对于钻头处的纵向偏移量，m为内弯矩；下标p代表在p平面内的投影，下标1、2代表第一、二跨。

在p平面内通过梁柱弹性稳定理论导出三弯矩方程：

（2）

预设收敛精度后，采用二分法可求得待求量l2值。

第二步：根据三点定圆法，求取下一钻杆采取当前工具面角钻进时的预测造斜率：

（3）

式中k为钻具造斜率，v为结构弯角大小，l1表示钻头到下稳定器距离，l2表示下稳定器到上稳定器距离。

第三步：根据预测造斜率求得下一测点的预测倾角、方位角：

（4）

其中θn+1、αn+1为下一测点的倾角、方位角的预测值，θn、αn为当前测点的倾角、方位角的测量值，δl为钻杆长度，ωn为下一钻杆采用的工具面角。

第四步：根据平衡正切法，求得下一测点的预测坐标值（孔口坐标系）：

（5）

式中xn、yn、zn分别为当前测点的三轴坐标测量值。

第五步：根据上述方程建立预测坐标误差与工具面角ω之间的函数关系式，即：

将式（5）代入式（1）得到：

（6）

将式（4）代入式（6）中得到：

（7）

将式（3）代入式（7）中得到：

（8）

将式（2）代入式（8）最终得到预测坐标误差于当前工具面角之间的函数表达式：

（9）

第六步：采取分部求导的方式，令δs对ω求导，即依次求取

得到函数关系式：

（10）

令导函数为0，解函数，即可得到当前姿态下能使预测坐标误差最小的工具面角，即最佳工具面角。

由此，本发明以力学分析为基础，结合钻具实时姿态构建轨迹预测模型，根据预测轨迹下一测点轨迹参数，通过对轨迹偏差进行数学求导的方式给出最佳工具面角，实现对钻孔轨迹的连续控制。