钻孔轨迹测量技术及应用研究

刘喜龙，张　军，赵明校，胡　航

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

钻孔轨迹测量技术及应用研究

刘喜龙*，张军，赵明校，胡航

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

在煤矿井下钻孔施工中，由于缺少控制钻孔轨迹的螺杆钻具和测斜系统，导致施工出来的钻孔轨迹和设计存在很大的偏差，但这种偏差如果不进行实际的轨迹测量根本无法知道其具体的偏差位置；研究了目前市面上的几种钻孔轨迹测量技术装备及其应用的效果。

钻孔；轨迹；测量；技术

1　概述

现在，煤矿对所施工的钻孔空间轨迹控制的要求越来越高，钻孔施工过程中，由于地球引力、岩层因素以及工艺技术等方面的影响，实际钻孔轨迹都存在于偏离设计轨迹的现象，因此，如何精确测量钻孔轨迹是一项需要研究的课题[1-5]。

煤矿井下各种钻孔的施工有2个基本目标，其一是保证钻孔能准确的钻至预定的层位，其二是降低钻孔成本。而这2个目标要同时实现却是相互矛盾的[6-9]。为了能保证钻孔准确的钻进至预定的层位必须使用定向钻机进行钻进，而定向钻进成本高，维护成本也高。普通钻机钻进成本低，但却难以准确的钻进至预定的层位，甚至都很难了解钻孔终孔位置。所以对普通钻机的钻孔轨迹进行测量就显得尤为重要[10-12]。

2　钻孔轨迹测量方法

目前钻孔轨迹测量主要有3种技术方法，第一种是全方位钻孔测斜技术，但此方法只能成孔之后进行测量，第二种是随钻钻孔轨迹测量技术，此方法在钻孔施工中可边打边测量，成孔之后退钻出来即可现场看到钻孔轨迹，第三种是无线随钻测斜仪技术，此方法可对钻孔边打边测量，数据实时传输可即时看到钻孔轨迹。以上3种技术的轨迹计算原理都是采用均角全距法[13-15]。

钻孔轨迹计算模型及方法：将相邻两测点间的钻孔轴线看作为直线；该直线的倾角、方位角分别为上、下两测点的倾角、方位角的平均值；整个钻孔轴线仍是直线与直线连接的折线。其实质是以弦代弧。钻孔轨迹偏离距离按下式计算：

式中：X——钻孔南北方向的偏离，其中向北为正、向南为负；

Y——钻孔东西方向的偏离，其中向西为正、向东为负；

Z——钻孔上下方向的偏离，其中向上为正、向下为负；

α——钻孔的倾角；

θ——钻孔的方位角；

θ0——磁偏角；

ΔLi——测点A、B间的距离。

钻孔轨迹计算原理如图1所示。

此法比全角全距法稍复杂一些，但比全角半距法简单，是现场手算常常采用的方法； 以上、下两测点倾角、方位角的平均值作为轴线的计算角度，降低了增斜段和减斜段水平位移、垂直深度的计算误差；在测点间距较大、曲率半径较小时有一定误差。

3　全方位钻孔测斜技术

此技术只能在钻孔打完退钻之后，连接在钻杆前面通过钻杆推送进孔里进行轨迹测量。由于探管外径达到45mm，所以碰到钻孔孔径小于45mm的钻孔或者塌孔的情况就不能进行轨迹测量，且由于需要重复送钻，降低了工作效率。但不会掉钻，对设备的损耗也较小，安全性能高，使用成本也低。

图1　钻孔轨迹计算原理图

3.1全方位钻孔测量装备

YHQ-X(C)全方位钻孔测斜仪主要由全方位钻孔测斜仪同步机与全方位钻孔测斜仪探管以及它们之间的通信线组成。探管主要由采集单片机、倾角和测向传感器、存储器、通信接口及电源电路等组成：同步机由单片机、键盘、显示器、存储器、通信接口及电源电路等组成。探管的主要功能是采集传感器电信号，并将采集的数据存储到存储器中：同步机的主要功能是向探管发送命令和数据处理。

3.2应用实例

山西大同某煤矿地质孔的测量，该矿属于构造较复杂的矿井。为探明煤层位置及厚度，在巷道进行打钻找煤，用全方位钻孔测斜仪对其中的地质孔进行轨迹测量。钻孔设计倾角0.00°，设计方位角282.00°，磁偏角-4.50°，测量结果如表1所示。

表1　钻孔轨迹偏离设计方位表

钻孔实际轨迹偏离设计方向较大，在深为78m的钻孔中，最大水平偏移为0.66m，最大垂直偏移为17.09m。

如图2所示，钻孔的实际轨迹没有达到设计要求。按设计要求，钻孔应成直线钻进，利于计算煤层位置和厚度，而通过钻孔轨迹对比图可知，实际轨迹严重向上偏移，没有达到设计的目的。依据测量结果，采取补钻的措施，探明煤层位置及厚度以利于安全生产。如果没有全方位钻孔测斜仪的测量，如此大的偏离误差是无法预知的。

4　随钻钻孔轨迹测量技术

此技术方法适用于钻孔边打边测量，打钻之前将设备装在钻头后面即可。打钻完成之后退出钻杆即可现场看到钻孔轨迹，不影响打钻进度，工作效率高。

4.1随钻钻孔轨迹测量装备

YZG7矿用钻孔轨迹仪是随钻钻孔轨迹测量专用装备，它由控制器与探管配套组成。控制器与探管连接，实现控制器与探管之间的时间同步和数据传输，主要用于煤矿井下钻孔测量、数据采集、通信、处理及存储，可实时显示数据及图形。

4.2应用实例

安徽淮南地区某煤矿瓦斯抽放钻孔的测量。该煤矿属于高瓦斯突出矿井。为保证安全，在工作面进行钻孔瓦斯抽放，工作面每隔1m布置一个钻孔，距离底板1.5m高，用矿用钻孔轨迹仪对其中一个钻孔进行轨迹测量，测量结果如表2所示。

图2　钻孔设计轨迹和实际轨迹图

表2　钻孔轨迹偏离设计方位表

钻孔实际轨迹偏离设计方向较大，在143m深的钻孔中，最大水平偏移达到9.258m，最大垂直偏移达到5.772m。

图3　钻孔设计轨迹和实际轨迹图

如图3所示，钻孔的实际轨迹没有达到设计要求。按设计要求，抽放瓦斯孔应钻成辐射状，利于扩大抽放面积，而通过钻孔轨迹对比图可知，实际轨迹基本都集中到一个方向，没有达到设计目的。依据测量结果，采取补充钻孔的措施，保证抽放面积，利于安全生产。如果没有矿用钻孔轨迹仪的测量，如此大的偏离误差是无法预知的。

5　无线电磁波随钻钻孔轨迹测量技术

该技术运用电磁波信号传输的方式，通过钻杆与接地线之间形成电势回路，通过地层传输到孔口之后被接收。该技术方法目前主要使用在定向钻机上，取代了传统的定向钻机上测量系统的数据传输需要依赖通缆钻杆的弊端，使用普通钻杆即可，极大地降低了打钻的成本。该技术可实时显示钻孔轨迹并通过调整工具面向角随时调整钻孔钻进轨迹。参数的实时显示可以指导工作人员及时修正钻孔的位置和方法，提高了钻孔的质量，实现实时监测钻孔质量，免去了对钻孔进行质量检测的工作，节省了大量的人力和物力，使得钻孔的工作效率和经济效益得到提高。

电磁波的测量方法是：孔里仪器将测量的孔底参数加载到载波信号上，载波信号用低频电磁波，测量信号随载波信号由电磁波发射器向四周发射，电磁波经过地层、钻杆传输到孔口。孔口检波器接收电磁波载波，并将检测到的电磁波进行信号卸载和解码、计算，得到实际的测量数据。

无线电磁波随钻测斜仪主要用于钻孔施工过程中的钻孔倾角、方位角、工具面向角等参数的监测，同时可实现钻孔参数、钻孔轨迹的即时显示。便于施工人员随时掌握钻孔施工情况，并随时调整钻进工艺参数，使钻孔尽可能按照设计轨迹延伸。

电磁波随钻测量具有以下优点：准确测量孔底参数，测量钻孔轨迹。钻孔参数包括：倾角、方位角、工具面角等；电信号传输速度快，将测量的相关地层、钻孔的参数实时传输到孔口，便于技术人员迅速做出决策；利用所测得的地质参数信息和空间位置信息，实时修正孔底钻压、扭矩和工具面角等钻孔参数，从而控制钻孔轨迹的走向；不受钻孔液类型的限制，在液体、气体钻孔液中都可以进行信号传输。

6　结论

在对煤矿安全高度重视的今天，打钻成为煤矿地质预报的重要手段之一。普通钻机的钻进由于具有不可控性，实钻轨迹和设计轨迹往往存在很大的偏差，如果不进行轨迹测量根本无法知道偏差的距离到底有多大，有可能酿成安全事故，所以进行轨迹测量更是显得尤为重要。本文研究了3种不同钻孔轨迹测量技术与装备，其各有自身的优势。目前，最为先进的为无线电磁波随钻钻孔轨迹测量技术，该技术方法可使用普通钻杆，极大地降低了打钻的成本，同时，可实时显示钻孔轨迹并通过调整工具面向角随时调整钻孔钻进轨迹，使得钻孔的工作效率和经济效益得到提高。

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1004-5716(2016)11-0017-04

2015-12-28

2016-01-16

刘喜龙（1988-），男（汉族），陕西咸阳人，工程师，现从事电法勘探的理论与应用研究工作。