定向鉆進(jìn)計算機(jī)輔助設(shè)計與鉆進(jìn)過程三維可視化 中國地質(zhì)大學(xué) 武漢 2011年12月1日 主講人 高輝 背景和動機(jī) 鉆井及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 內(nèi)容提綱 基本概念回顧受控定向鉆孔軌跡設(shè)計理論鉆孔測量及軸線空間位置計算方法定向鉆進(jìn)計算機(jī)輔助設(shè)計 軟件演示 隨鉆測量及鉆進(jìn)過程三維可視化 軟件演示 基本概念回顧 定向鉆井的類型自然彎曲定向孔 初級定向孔 人工彎曲定向孔 受控定向孔 二維定向井 井眼軌跡的頂角變化 方位角不變 三維定向井 井眼軌跡的頂角變化 方位角變化 低斜度定向井 中斜度定向井 大斜度定向井 水平井 非開挖定向井 單底定向孔 多底定向孔 主干井和分支井 基本概念回顧 鉆孔軸線空間形態(tài)參數(shù)頂角 該點的切線與鉛垂線之間的夾角 傾角 頂角的余角 方位角 該點的切線在水平面上的投影與真北方向之間的夾角 從真北方向開始按順時針方向計算 用磁力儀測量方位角時 測得的數(shù)值是磁方位角 應(yīng)該加入鉆孔所在地的磁偏角 才能得到真方位角 基本概念回顧 鉆孔軸線空間形態(tài)參數(shù)孔深 鉆孔軌跡上某點的孔深是孔口到該點的鉆孔軸線的長度 并非垂直深度 鉆孔軸線的曲率或彎曲強(qiáng)度 表示鉆孔軸線單位長度上角度的變化量 曲率的單位是rad m 彎曲強(qiáng)度的單位是 m 鉆孔軸線軌跡的遇層角 鉆孔軸線在遇層點的切線與其在層面上的投影所夾的銳角 偏靶距 鉆孔施工時鉆孔軸線軌跡實際見礦點與設(shè)計見礦點之間在礦層平面上的距離 受控定向鉆孔軌跡設(shè)計理論 平面定向井井眼軌跡形式曲線型和直線 曲線 增斜 型曲線 直線 穩(wěn)斜 型和直線 曲線 增斜 直線 穩(wěn)斜 型曲線 曲線 增斜 型和直線 曲線 增斜 曲線 增斜 型多種形式的組合 受控定向鉆孔軌跡設(shè)計理論 二維定向孔軸線設(shè)計曲線型定向孔軸線設(shè)計 給定條件 開孔頂角 中靶垂深 中靶水平距離設(shè)計計算內(nèi)容 由開孔位置自動確定造斜強(qiáng)度 由造斜強(qiáng)度確定開孔位置求解參數(shù)及解析公式 曲率半徑或造斜強(qiáng)度 中靶頂角 孔深 受控定向鉆孔軌跡設(shè)計理論 二維定向孔軸線設(shè)計曲線型定向孔軸線設(shè)計 開孔頂角為0 時 開孔頂角為時 中靶垂深 中靶水平距離 中靶孔深 中靶垂深 中靶水平距離 中靶孔深 頂角增量 受控定向鉆孔軌跡設(shè)計理論 二維定向孔軸線設(shè)計曲線型定向孔軸線設(shè)計 對遇層角的規(guī)定 如果對穿礦遇層角有地質(zhì)規(guī)定的要求 在已知礦層傾角的情況下 可先用以下公式求出最小中靶頂角 順層鉆進(jìn)時 頂層鉆進(jìn)時 受控定向鉆孔軌跡設(shè)計理論 二維定向孔軸線設(shè)計直線 曲線 直線型定向孔軸線設(shè)計 給定條件 開孔頂角 中靶垂深 中靶水平距離 開孔直線段垂深設(shè)計計算內(nèi)容 由曲線段頂角造斜強(qiáng)度或曲率半徑確定鉆孔軌跡求解參數(shù)及解析公式 頂角彎曲增量 中靶頂角 曲線段長 穩(wěn)斜段長 中靶孔深 受控定向鉆孔軌跡設(shè)計理論 二維定向孔軸線設(shè)計直線 曲線 直線型定向孔軸線設(shè)計 中靶孔深 頂角增量 中靶頂角 造斜段長度 穩(wěn)斜段長度 受控定向鉆孔軌跡設(shè)計理論 二維定向孔軸線設(shè)計直線 曲線 曲線型定向孔軸線設(shè)計 給定條件 開孔頂角 中靶垂深 中靶水平距離 開孔直線段垂深設(shè)計計算內(nèi)容 由兩個曲線段頂角造斜強(qiáng)度或曲率半徑確定鉆孔軌跡求解參數(shù)及解析公式 兩個曲線段的頂角彎曲增量 兩個曲線段的曲線段長 中靶頂角 中靶孔深 受控定向鉆孔軌跡設(shè)計理論 二維定向孔軸線設(shè)計直線 曲線 曲線型定向孔軸線設(shè)計 中靶孔深 頂角增量1 中靶頂角 造斜段長度1 頂角增量2 造斜段長度2 受控定向鉆孔軌跡設(shè)計理論 三維定向孔軸線設(shè)計 在傾斜的主孔內(nèi)全方位分支 施工多分支集束型定向孔時 如果靶點不在主孔傾斜方向的垂直平面內(nèi) 一般均需設(shè)計成三維定向孔 分支三維定向孔是三維定向孔應(yīng)用的一個主要領(lǐng)域 另外 糾偏 繞障 待鉆三維孔也是三維定向孔的一些初級的和簡單的運(yùn)用 三維定向孔的設(shè)計一般采用平面法設(shè)計 其思路是設(shè)法將三維設(shè)計轉(zhuǎn)化為二維設(shè)計 這里主要介紹傾斜平面彎曲型 斜面彎曲型 設(shè)計 該設(shè)計是指在空間某個平面上設(shè)計鉆孔軸線 這個平面是一斜平面 除了垂直平面和水平面以外的所有平面都屬于斜平面 受控定向鉆孔軌跡設(shè)計理論 三維定向孔軸線設(shè)計 斜平面上 彎曲的鉆孔軸線可有多種組合 現(xiàn)以直線 曲線 直線型鉆孔軸線為例 闡述分支三維定向孔的設(shè)計計算 上部孔段和分支點 造斜曲線段 造斜終點 穩(wěn)斜段及靶點均在傾斜平面上 給定條件 孔口O 靶點E的坐標(biāo) 分支點A上部孔段的頂角 方位角及鉆孔軸線長設(shè)計計算內(nèi)容 由曲線段全彎曲造斜強(qiáng)度確定鉆孔軌跡求解參數(shù)及解析公式 穩(wěn)斜段長度 造斜段長度和對應(yīng)的全彎曲角 中靶孔深 造斜終點的頂角和方位角 開始造斜時 人工彎曲工具在孔內(nèi)的安裝角 鉆孔測量及軸線空間位置計算方法 鉆孔測量要素及方法 頂角 液面水平原理 重錘原理等方位角 地磁場定向原理 地面定向原理等孔深 孔深測量主要以儀器在孔內(nèi)的下放位置根據(jù)要求人為控制 鉆孔軸線空間位置的計算 全角全距法 又稱正切法 均角全距法 又稱平均角法 全角半距法 又稱平衡正切法 曲率半徑法 又稱行進(jìn)曲線法 最小曲率法 鉆孔測量及軸線空間位置計算方法 鉆孔軸線空間位置的計算 全角全距法 又稱正切法 均角全距法 又稱平均角法 鉆孔測量及軸線空間位置計算方法 鉆孔軸線空間位置的計算 全角半距法 又稱平衡正切法 曲率半徑法 又稱行進(jìn)曲線法 鉆孔測量及軸線空間位置計算方法 鉆孔軸線空間位置的計算 最小曲率法 為鉆孔軸線相鄰兩測點孔段的全彎曲角 弧度 圓化系數(shù) 鉆孔測量及軸線空間位置計算方法 鉆孔軌跡的繪制 在鉆探和鉆井生產(chǎn)中經(jīng)常采用鉆孔軸線在垂直平面上的展開線和在水平平面上的投影來表示孔身軌跡在空間的位置 這樣的表示方法作起圖來比較簡單 使用比較方便 能夠較直接的觀察定向鉆孔空間要素的變化 不過由于本軟件在全三維環(huán)境下實現(xiàn)定向鉆孔軸線的設(shè)計和可視化 所以用戶可以看到完全真實的鉆孔軌跡 真實的鉆孔每個深度處的頂角 方位角的變化 比以往展開或者投影到二維平面上進(jìn)行顯示的效果有了極大的提高 具體請參考現(xiàn)場演示內(nèi)容 定向鉆進(jìn)計算機(jī)輔助設(shè)計 軟件的主要功能 給定孔口位置 靶區(qū) 設(shè)計鉆孔軸線給定靶區(qū) 鉆孔軸線參數(shù)設(shè)計開孔位置給定孔口位置 軸線參數(shù)預(yù)測靶區(qū)給定測點參數(shù)繪制實際軸線實時隨鉆參數(shù)三維可視化避障礙物設(shè)計功能 定向鉆進(jìn)計算機(jī)輔助設(shè)計 軟件的主要特點 具有多分支孔設(shè)計功能可用于非開挖導(dǎo)向孔的設(shè)計可以設(shè)計任意段直線 曲線組合可進(jìn)行二維 三維鉆孔軸線設(shè)計多種目標(biāo)設(shè)計 如開孔位置 鉆孔軸線參數(shù) 預(yù)測靶區(qū)等可以鼠標(biāo)拖動 進(jìn)行交互式設(shè)計真三維的設(shè)計和顯示環(huán)境 隨鉆測量及鉆進(jìn)過程三維可視化 隨鉆測量要素及方法 隨鉆測量簡稱MWD 是定向鉆進(jìn)中一種先進(jìn)的技術(shù)手段 可以不間斷定向鉆進(jìn)而測量近鉆頭孔底部分信息 并將信息即刻傳送到地表的過程 信號在地面上被檢測到后 經(jīng)過譯碼和處理 按方便和可用的方式提供所需的信息 MWD的最大優(yōu)點是它使司鉆和地質(zhì)工作者實