复杂地层高位定向钻孔轨迹可视化技术实践

李乔乔

(中煤科工集团西安研究院有限公司)

高位定向孔技术是目前治理煤矿采空区卸压瓦斯、降低采面上隅角瓦斯超限发生概率的一种新技术，可以将钻孔轨迹精确控制在瓦斯富集区，实现安全高效瓦斯抽采[1]。严格意义上是一种穿层钻孔，在施工过程中需将钻孔控制在稳定层位中，尽量避开断层、陷落柱、破碎带等地质异常区域。利用三维可视化技术可以提高决策者的预见性,能够对质量和成果进行预测和评估,避免不必要的浪费和损失[2]。

计算机图形学最早出现于1962年[3]，发展到目前有很多种计算机成图软件。Matlab 是当前应用最为广泛的数学软件，具有非常强大的数值计算、数据分析处理、系统分析、图形显示甚至符号运算等功能[4]。利用MATLAB建立地质体模型，将定向钻孔设计与实钻轨迹导入模型中,直观反映钻孔所在位置，实现钻孔轨迹可视化，并且根据实钻地质资料对地质体模型进行修正，使其更加接近实际情况，降低钻进遇异常地质体的概率；同时优化钻孔轨迹，对于孔间距较小的钻孔，降低窜孔事故发生的概率。

1 钻孔轨迹可视化原理

地质体通常是指地壳内占有一定的空间和有其固有成分并可以与周围物质相区别的地质作用的产物[5]，一般描述煤系地层的参数有走向倾角、倾向倾角、地层厚度，将其输入到MATLAB指定语句中描绘出地层，为了方便，本文仅对地层顶底板进行描述。

(1)

式中，Za为当Y=0、X=a时地层顶板对应的标高，m；Zb为当Y=0、X=b时地层顶板对应的标高，m；Zb-δ为当Y=0、X=b-δ时地层顶板对应的标高,m；Zb+δ为当Y=0、X=b+δ时地层顶板对应的标高,m。

根据MATLAB编程法则，该地层在Y∈[a,c]，Y∈[-e,e]时的建模程序为

x1=a:n: b-б;y1=-e:n:e; [X1,Y1]=meshgrid(x1,y1);

Z1=tanθi*Y1+ tanθt*(X1-a)+Za;Z11=Z1-m;

X2= b-б:n:b+б;y2=-e:n:e; [X2,Y2]= meshgrid(x2,y2);

Z2= tan((θi+θi')/2)*Y2+((Zb-б+Zb+б)/2б)*(X2-b+б)*Y2+Zb-б;

Z22=Z2-m；

X3= b+б:n:c;y3=-e:n:e;[X3,Y3]= meshgrid(x3,y3);

Z3= tanθi'*Y1+ tanθt'*(X3-b-б)+Zb+б; Z33=Z3-m;

hold on

surf (X1,Y1,Z1);surf (X1,Y1,Z11);

surf (X2,Y2,Z2);surf (X2,Y2,Z22);

surf (X3,Y3,Z3);surf (X3,Y3,Z33);

hold off.

2 应用实例

2.1 地质概况

火铺矿在我国西南地区首次引进定向钻机，采用高位定向孔治理采空区卸压瓦斯，试验地点选在232石门钻场，目标层位为12#煤层顶板上方19 m处，开孔位置在12#煤层上方18 m位置。具体地质情况见表1。

表1 目标层位地质情况

2.2 地质体建模

将地质体沿走向水平线设为X轴，沿倾向水平线设为Y轴，铅垂线为Z轴。0 m≤X≤438 m，-10 m≤Y≤10 m。根据地质资料(薄煤层为实钻所得)建立7#～12#煤层施工目标层位定向钻孔走向三维地质模型见图1。

2.3 高位定向孔轨迹可视化控制

2.3.1 三维地质体模型修正

由于矿方地质资料缺乏，首先采用前进式施工工艺钻凿定向钻孔以探测施工区域顶底板情况，再施工校验修正孔1#、2#、3#孔，准确修改探测施工目的层位图，三维地质体的边界是动态的、可变的[7]，根据探明的地质情况不断修正地质体模型，为后面4#、5#、6#钻孔轨迹设计和可视化控制提供依据。

1#孔钻至294 m时遇到松软煤层探到7#煤点，在煤层中施工30 m进入泥岩，塌孔严重，被迫终孔，泥岩孔段缩径卡钻。2#孔钻至240 m时见煤，提钻至孔深168 m开分支2-1#施工至235 m，再次见到该煤层。综合1#、2#孔的见煤点及出煤点基本可以确定该煤层在地质体的基本走向，并修正地质体模型。通过修正三维地质体模型后，在孔深204 m开分支孔2-1-1#进行可视化控制，使其避开该煤层，施工至孔深426 m因钻至采空区而终孔。为了再次确定孔深200 m以内煤层的准确位置，计划施工3#孔，并通过4个分支孔探明200 m以内地层情况，3个分支孔均探明煤层顶板出煤点，确定了孔深200 m以内的薄煤层确切位置，由于地层裂隙与2#孔导通不返水被迫终孔。根据1#、2#、3#钻孔实钻情况探明泥岩及煤层厚度在孔深230 m以后逐渐变薄。定向钻孔实钻轨迹与地质模型见图2。

图1 三维地质体模型

图2 定向钻孔实钻轨迹与地质模型

根据实钻情况对地质体模型进行修正，为后续钻孔施工提供依据。在钻孔设计完成后导入地质模型中，分析各孔段所在地层，对钻孔轨迹进行修正，控制遇层角为0°[8]，使其尽可能沿稳定地层延伸。施工过程中及时将实钻数据导入地质体分析，避开不稳定层位，并且可以将地质模型中某个甚至几个层位剥开(图3)，清晰、立体地显示出各个定向钻孔的轨迹及相互位置关系，便于及时纠正钻孔轨迹，防止窜孔。

2.3.2 轨迹可视化控制及验证模型

4#孔开孔倾角为6°，穿过泥岩及煤线，为了防止窜孔，在孔深100 m开始往左施工，钻孔轨迹爬至煤线上方后逐渐将倾角降低，当轨迹距离薄煤层1～2 m时，使钻孔平行薄煤层延伸，钻至孔深351 m反渣困难，提钻。

图3 定向钻孔实钻轨迹与地质模型(不含薄煤层)

5#孔开孔倾角为6°，穿过泥岩及煤线，钻孔轨迹爬至煤线上方后逐渐将倾角降低，当轨迹距离薄煤层1～2 m时，使钻孔平行薄煤层延伸，钻至孔深291 m，因距离煤层较近，返渣破碎，提钻终孔。

6#孔开孔位置在5#孔下部1 m，开孔角度为-2°，逐步将钻孔倾角提高，到达泥岩段时，大角度(10°)上抬钻孔轨迹，减少钻孔的泥岩孔段，穿过泥岩段后降低倾角，使其距离薄煤层1～2 m时平行薄煤层延伸，钻至孔深300 m提钻(达到设计要求)。

结合4#、5#、6#定向钻孔现场情况及实钻轨迹，与三维地质体显示对比，准确地反映了地质体走向，为后续煤矿安全开采提供了更大的保障。

3 结 语

(1)运用MATLAB软件及建模技术对施工地质体建模，直观反映地层情况，为高位定向孔设计提供依据。

(2)复杂地层下可以将地层分段建模，采用叠加和过度带连接技术建立整个地层模型。

(3)通过及时将实钻轨迹导入地质体模型，分析钻孔轨迹所在层位，能够指导钻孔轨迹控制，使其绕过地质异常区域，并根据实钻地质资料及时修正地质体模型。

(4)通过控制技术可以实现地质体模型某个甚至几个层位的添加与消隐，便于直接观察三维定向孔轨迹及相互关系，及时纠正钻孔轨迹，防止窜孔。

(5)高位定向孔轨迹可视化控制技术能够在复杂地层下直观控制钻孔轨迹在稳定地层中延伸，减少孔间干扰，防止窜孔，更具科学化。

[1] 姚宁平，姚亚峰，张 杰，等.井下梳状定向孔技术与装备在煤层气抽采中应用[C]∥2013年煤层气学术研讨会论文集.北京：地质出版社，2013：431-439.

[2] 梁鹏帅,冯冬敬.三维可视化的研究现状和前景[J].科技情报开发与经济,2009,19(7):134-135.

[3] 英海燕,李 翔.计算机图形学的发展及应用[J].理论探索,2004(l):33-35.

[4] 彼得·德鲁克.巨变时代的管理 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.

[5] “科普中国”百科科学词条编写与应用工作项目.地质体[EB/OL].[2018-12-24]. http://baike.baidu.com/view/1610797.htm?fr=aladdin2014-5-20.

[6] 同济大学应用数学系.高等数学(第五版)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[7] 宁书年,李育芳,刘泰峰,等.三维地质体可视化软件理论探讨[J].煤炭工程，2002(7)：41-43.

[8] 徐保龙，魏宏超，金 新，等.遇层角法在瓦斯抽采定向钻孔中的计算与应用[J].煤炭工程，2013(9)：91-95.