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方案

本發明專利技術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。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術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。
技術介紹
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。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。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。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(1)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。為此，本專利技術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。
技術實現思路
本專利技術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。本專利技術的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：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，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。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≥0.3m。為了解決上述問題，根據本專利技術的另一個方面，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。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：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。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≤10s。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；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≤1s。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：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。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：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。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：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。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：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。因此，本專利技術具有如下優點：(1)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。附圖說明圖1為基于煤系地層巖性隨鉆本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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。

【技術特征摘要】
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≥0.3m。3.一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≤10s。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≤1s。7.根據權利要求3所述的一種基于...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李泉新，石智軍，方俊，曹明，溫榕，高珺，畢志琴，許超，
申請(專利權)人：中煤科工集團西安研究院有限公司，
類型：發明
國別省市：陜西;61