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鉆孔軌跡參數(shù)計算及三維成圖方法研究

2018-06-11 11:07張百東王宏斌
鉆探工程 2018年4期
關(guān)鍵詞:頂角方位角測點

張百東, 王宏斌

(廣東省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊,廣東 肇慶 526020)

1 鉆孔軌跡參數(shù)計算

1.1 概念介紹

鉆孔軌跡參數(shù)包括原始參數(shù)和計算參數(shù)。

(1)原始參數(shù):鉆孔在空間的基本要素,包括頂角、方位角及孔深。頂角指鉆孔軌跡上某點的切線與鉛垂線之間的夾角,范圍在0°~90°;方位角指鉆孔軌跡上某點的切線在水平面上的投影與真北方向之間的夾角,并且從真北方向開始按順時針方向計算,范圍在0°~360°;孔深指孔口到該點的鉆孔軸線的長度。如圖1所示。

(2)計算參數(shù):鉆孔軌跡上點的三維坐標,包括水平距(X)、偏線距(Y)、垂距(Z),通過計算參數(shù)可準確描述鉆孔軌跡空間特征。

1.2 鉆孔軌跡參數(shù)計算方法

(1)理想狀態(tài)下假設(shè)鉆孔軌跡為一斜直線,通過鉆孔彎曲測量得到頂角、方位角及孔深,可算出鉆孔軸線上每點的坐標。如圖2所示,在三維坐標系中

圖1 鉆孔軌跡空間要素圖

原點O代表開孔點,X軸代表正北方向,Y軸代表正東方向,Z軸代表向下方向。

計算公式如下:

(1)

式中:x0、y0、z0——O點坐標,m;xA、yA、zA——A點坐標,m;θ——頂角,rad;α——方位角,rad;LA——孔口至測點鉆孔軸線的長度,m。

圖2 計算模型圖

(2)實際狀態(tài)下鉆孔軸線隨著基本要素的變化在空間上成一條曲線,要想較準確計算鉆孔軸線點的坐標,上面公式存在很大誤差。鉆孔空間軌跡的確定,必須得到各個測點的坐標及每2個測點之間(測段)的軌跡曲線形狀,由于測點之間的鉆孔軌跡曲線的空間形狀是無法確定的,只能做假設(shè),因此計算出來的結(jié)果都是近似的,不是絕對準確。截至目前,國內(nèi)外提出的鉆孔軌跡參數(shù)計算方法已有20多種,鉆探中常用的是均角全距法和曲率半徑法,下面介紹利用均角全矩法如何計算鉆孔軌跡參數(shù)。

這種方法是把相鄰兩測點之間的鉆孔軌跡看作直線,每段直線的頂角和方位角都取上、下測點頂角和方位角的平均值,整個鉆孔軌跡表現(xiàn)為由許多直線段組成的折線,如圖3所示。

設(shè)原點O為開孔點,X軸為鉆孔設(shè)計方向(通常為勘探線方向),Y軸為垂直于勘探線的方向,Z軸為地下鉛直方向,鉆孔的開孔坐標為(X0,Y0,Z0),第N個測點Pn的頂角為θn,方位角為αn,第N+1個測點Pn+1的頂角為θn+1,方位角為αn+1,則PnPn+1段頂角為αn與αn+1的平均值,方位角為θn與θn+1的平均值,這樣依據(jù)下面的計算式就可求出各測點的三維坐標。

圖3鉆孔軌跡參數(shù)計算簡圖

(2)

式中:xn+1、yn+1、zn+1——第n+1個測點的三維坐標,m;xn、yn、zn——n個測點三維坐標,m;ΔL——第n個測點與第n+1個測點之間孔深,m;θn,αn,θn+1,αn+1——第n個測點與第n+1個測點的頂角和方位角,rad;αd——勘探線方位角,rad。

1.3 運用Excel計算鉆孔軌跡參數(shù)

(1)建立Excel鉆孔軌跡坐標參數(shù)計算程序工作表:填寫表頭,輸入鉆孔基本信息,如圖4所示。

圖4 工作表初始界面

(2)編輯公式和輸入數(shù)據(jù):以均角全距法為例進行鉆孔軌跡參數(shù)計算程序設(shè)計,設(shè)開孔點坐標為(0,0,0),編輯測點三維坐標計算公式并驗證,錄入鉆孔原始測量數(shù)據(jù)到Excel鉆孔軌跡參數(shù)計算表格相應(yīng)行列中,直接得到相關(guān)計算參數(shù),計算界面如圖5所示。

圖5鉆孔軌跡參數(shù)計算結(jié)果

2 Solidworks在鉆孔軌跡成圖中的應(yīng)用

在實際工作中,有利用Excel進行簡單的鉆孔軌跡二維成圖,也有利用OpenSceneGraph、AutoCAD等軟件繪制鉆孔軌跡圖,但還沒有應(yīng)用Solidworks軟件繪制鉆孔軌跡圖。基于上述原因,我們嘗試研究利用Solidworks軟件繪制鉆孔軌跡三維圖,流程如圖6所示。

圖6 利用Solidworks軟件繪制鉆孔軌跡三維圖流程

鉆孔軌跡參數(shù)計算與處理不再贅述,重點說明利用Solidworks如何繪制鉆孔軌跡圖。第一步:打開Solidworks軟件,設(shè)置繪圖界面參數(shù),包括渲染、背景、單位;第二步:點擊工具欄中曲線選項,選擇生成XYZ三維空間曲線,設(shè)置點坐標單位為m;第三步:點擊曲線文件“瀏覽”,然后選擇已保存的鉆孔軌跡參數(shù)txt文檔到曲線文件,然后點擊“確定”就可完成鉆孔軌跡圖,成圖界面如圖7所示。

也可根據(jù)不同需求生成鉆孔軌跡在不同方向投影圖及特征圖,如圖8所示。

3 工作案例

以粵西某金礦區(qū)勘探孔為例,該礦區(qū)地層受客觀因素限制,根據(jù)對前期完工鉆孔測斜數(shù)據(jù)分析,以現(xiàn)有的鉆探施工方法及工藝設(shè)備能滿足地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程要求,但很難達到地質(zhì)組對鉆孔質(zhì)量要求。根據(jù)礦區(qū)鉆孔頂角上漂嚴重、方位角偏差小的特點。地質(zhì)設(shè)計要求(實際見礦位置與地質(zhì)設(shè)計見礦位置沿預(yù)計礦層產(chǎn)狀上下偏距≯10 m),基于上述原因我們對鉆孔軌跡采取相應(yīng)監(jiān)測和控制措施,以靶區(qū)定向孔為例(ZK6602、ZK6602′、ZK6602″)。

3.1 鉆孔軌跡設(shè)計

對已完成鉆孔ZK6602測斜數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

由表1知:頂角累計上漂9°,每100 m平均2.3°,鉆孔在開孔下套管段及200~350 m孔段處彎曲度增大,上漂嚴重。根據(jù)ZK6602測斜數(shù)據(jù)分析,對ZK6602′(設(shè)計頂角28°,方位角180°)實施軌跡預(yù)測選擇最優(yōu)開孔角度值:(1)開孔頂角28°,據(jù)ZK6602孔上漂情況,預(yù)測偏距47 m,不滿足質(zhì)量要求;(2)初級定向設(shè)計:開孔頂角24°,上漂13 m;開孔頂角23°,上漂4 m,滿足地質(zhì)設(shè)計要求,根據(jù)分析最終確定該孔開孔頂角為23°,鉆孔軌跡預(yù)測如圖9所示。

圖7Solidworks三維成圖界面

圖8 鉆孔軌跡投影及特征圖

孔深/m頂角/(°)方位角/(°)孔段頂角偏斜值/(°)孔段深度/m偏斜值/〔(°)·(100 m)-1〕0.0045.01800 0 017.7045.61800.617.703.389849.7546.01800.432.051.248100.5046.91790.950.251.791130.0047.11780.229.950.6678149.6547.51800.419.652.0356200.0048.11800.650.351.1917250.0150.11802.050.013.9992300.0351.81811.750.023.3986349.0353.21811.449.002.8571395.2554.01810.846.221.7309

3.2 施工中鉆孔軌跡監(jiān)控

3.2.1正常測斜

(1)按規(guī)定每50 m進行測斜一次。

(2)如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有疑問,必須進行復(fù)測校核。

(3)測斜儀器必須定期進行校核,當(dāng)鉆孔頂角在45°~50°時,適當(dāng)選擇使用KXP-2X和KXP-2S型儀器進行測斜,保證數(shù)據(jù)可靠性。

3.2.2增斜鉆進

圖9 鉆孔軌跡預(yù)測圖

本礦區(qū)鉆孔傾斜趨勢是鉆孔上漂,當(dāng)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)未達到預(yù)想上漂值時,可采取以下措施增加鉆孔上漂值:(1)加大鉆進壓力,降低轉(zhuǎn)速;(2)采用直徑大于上擴孔器0.5 mm以上的下擴孔器;(3)將鉆具長度縮短至1.20~1.50 m,增加自造斜能力。

3.2.3加強監(jiān)控測斜

(1)當(dāng)鉆孔彎曲變化大于設(shè)定值時,適當(dāng)加密測斜間距,視具體情況可將間距縮短至15~25 m,并及時計算及作圖確定鉆孔軌跡。

(2)及時將結(jié)果反饋至機臺,確定下一步應(yīng)對措施。

3.2.4監(jiān)控要求

(1)每天根據(jù)測斜結(jié)果及時計算和作圖,實時監(jiān)控鉆孔施工軌跡。

(2)及時與地質(zhì)項目部溝通鉆孔情況,提前計劃下部工作和措施。

(3)及時總結(jié)孔斜規(guī)律和各種應(yīng)對措施的效果及改進技術(shù)措施。

3.3 終孔質(zhì)量檢驗

通過對已完鉆孔測斜數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,在靶區(qū)孔施工中,利用Excel對鉆孔軌跡參數(shù)實施快速計算并繪制鉆孔軌跡三維圖,加強對新設(shè)計鉆孔軌跡預(yù)測及施工中監(jiān)控,鉆孔質(zhì)量達到地質(zhì)設(shè)計要求(ZK6602′、ZK6602″鉆孔中靶偏距在地質(zhì)要求10 m范圍內(nèi)),如圖10所示。

4 結(jié)論

(1)Excel具有強大的數(shù)據(jù)處理功能,有著較強的計算分析能力,對于鉆探技術(shù)人員來說是一個很好的助手。利用電子表格可對鉆孔原始測量數(shù)據(jù)進行采集并統(tǒng)計分析,掌握鉆探所遇地層整體造斜規(guī)律;可快速計算鉆孔軌跡參數(shù),為鉆孔軌跡實施動態(tài)監(jiān)控提供有力依據(jù)。

圖10 靶區(qū)分支孔鉆孔軌跡

(2)Solidworks可快速生成鉆孔軌跡投影圖及三維特征圖,使得技術(shù)人員能準確地掌握鉆孔彎曲情況及鉆孔軌跡發(fā)展趨勢,通過與設(shè)計鉆孔軸線相比較,快速計算出靶點的偏距及垂距,檢查施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計要求,以便及時采取控制措施。

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