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第 45 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.5 2017 年 10 月 COAL GEOLOGY directional drilling; intelligent orientation; automatic correction 我国蕴藏着非常丰富的煤层气资源，总储藏量 约 36.8 万亿 m3，居世界第 3 位[1-3]。煤层气作为近 一二十年在世界上崛起的洁净、优质能源和化工原 料，国际上主要的产煤国家都十分重视对煤层气的 开采。随着定向钻进技术、精确随钻测量技术、多 分支孔钻井技术、压裂技术等新技术在钻进领域的 逐步应用，我国在煤层气勘探与开发上的研究已经 步入了世界煤层气产业的前列。但我国的煤层气产 业仍然面临着诸多技术难题，基础理论研究和技术 创新不够，且现有的许多理论和技术大都是应用于 油气开采，在煤层气钻井中不能简单地直接移植和 应用，故在实际钻进中因为缺乏针对性而没能全面 推广和生效[4-6]。此外，为了实现对煤层气规模化的 开采， 对钻井技术和设备的性能提出了更高的要求， 只有实现钻井设备的智能化方可胜任，这是未来钻 井设备和技术发展方向的必然趋势，也是国际钻井 设备和技术发展的总趋势[7]。 智能钻进是指安装在钻头附近或钻头内部的 随钻测量装置通过各类传感器技术对岩石特征、 钻具姿态参数、钻机工作参数等进行实时检测， 得到实时钻进轨迹参数和地层信息，钻机控制器 按照得到的参数信息对钻进状态进行控制。然而， 智能化钻井目前还处于研究试验阶段，尽管国内 外大量的技术专家都在对智能化钻井技术进行研 究和探索，但目前都没有取得实质性的进展，仅 在部分功能上实现了智能化，远远没能实现钻进 工艺的全面智能化。 精确的轨迹控制技术是实现智能化钻进的关键 ChaoXing 168 煤田地质与勘探 第 45 卷 和难点。目前的控向技术大多数都是利用随钻测量 检测钻井信息，然后通过电缆、有芯钻杆等有线方 式或者是电磁波、泥浆脉冲、声波等无线传输方式 将实时检测到的钻进参数信息传输到孔口，操作人 员通过对这些信息的分析与判断，然后采取相应措 施进行钻进轨迹的控制，控向过程和质量往往依 赖操作人员的经验，远未达到智能控向钻进的要 求[8-10]。为了达到提高煤层定向钻进过程的施工质 量与成功率这一目标，必须能够精准地控制钻头钻 进，使之沿着设计的轨迹运动，当实际的钻进轨迹 与设计的钻进轨迹产生偏差时能够自动地对钻具进 行纠偏，即实现煤层智能定向钻进[11-12]。笔者将离 线编程技术用于定向钻进的三维轨迹编程系统，通 过该离线编程系统读取设计好的轨迹信息，并对轨 迹的数据信息进行分析处理，生成适用于水力纠偏 钻具控制系统的控制程序，钻进过程中当轨迹发生 偏斜时自动纠偏，实现定向钻进轨迹的智能控向。 1 钻进轨迹信息提取 在早期的定向钻进过程中，因为钻井设备的限 制，设计的钻进轨迹受到降低轨迹控制的难度和减 少工作量这一制约，选用模型简洁、易于现场操作 的二维钻进轨迹基本上可以满足钻进要求。但在地 质条件比较复杂的煤层和深层的煤层开采煤层气， 方位角的变化是经常性的，因此，三维钻进轨迹要 比二维轨迹更具实际意义。目前定向钻进轨迹设计 也更偏向于三维轨迹，其常见的孔身轨迹有直线– 圆弧形式、直线–圆弧–圆弧形式、直线–圆弧–直线 形式、直线–圆弧–直线–圆弧–直线等。通常用 AutoCAD 设计后都是保存为图形文件，但是本次所 研究的系统在提取轨迹信息时所识别的是数据文 件，所以在设计好轨迹后要保存为包含轨迹数据信 息的 DXF 文件。DXF 格式文件也是 AutoCAD 文件 格式的一种，因 DXF 文件的数据结构比较简单，对 数据信息的提取比较方便，同时易于通过编程对其 进行操作等优点而被广泛应用[13]。因此，本次研究 将 AutoCAD 设计的钻进轨迹文件存为 DXF 格式， 使对轨迹数据的提取过程较为简单。DXF 文件的基 本结构和常用的组码及其含义在文献[14]中做了详 述，在此不再赘述。因为与本研究相关的是煤层定 向钻进的轨迹数据，所以，在提取 DXF 文件数据时 不提取跟轨迹图形数据不相关的数据，例如轨迹的 线型、颜色等。所提取的数据为 DXF 文件实体段中 的钻进轨迹组合元素直线和圆弧。 基于 Visual Basic 编写的离线编程系统在读取 DXF 文件图形对象的数据时，事先无法确定图形对 象的数量，只能在提取的过程中逐行读取数据并与 关键词进行比较来确定，比如 AcDbLine 和 AcDb- Circle 分别为直线和圆弧的关键词。对于直线对象 要分别查找其起点和终点的组码，进而提取其对应 的坐标值。对于圆弧对象，提取的数据量较多，而 且对处于不同平面的圆弧，其数据的存储格式也有 所不同，由于整个钻进轨迹是一条空间曲线，平面 圆弧的拉伸方向数据的默认值是0,0,1，在 DXF 文 件中它是不显示的，而当圆弧为空间圆弧时，其拉 伸方向数据将出现变化并存储于 DXF 文件里。 由于 在 DXF 文件中直线和圆弧数据存储格式不同， 在读 取到数据后对其进行分类处理，并且调用 Visual Basic 的表格控件“MSFlexGrid”对数据进行显示。 2 钻进轨迹数据转换算法研究 2.1 圆弧轨迹数据分析与坐标转换 通过离线编程系统读取到的圆弧轨迹信息包 括圆心坐标、圆弧半径、起始角度、终止角度以及 拉伸方向， 这些数据中空间圆弧轨迹的数据值并不 是设计轨迹时的世界坐标系中的数据， 而是将世界 坐标系绕坐标原点进行旋转，使 XY 平面与圆弧轨 迹所在平面平行时的新坐标系中的坐标数值。在 AutoCAD 中，圆弧默认方向为逆时针，起始角度 和终止角度都是圆弧所在平面内的数据， 拉伸方向 构成一个单位向量，该向量的方向为新坐标系的 Z 轴方向。因为，在 DXF 文件中读取到的直线和平 面圆弧轨迹数据与读取到的空间圆弧轨迹数据是 两个坐标系中的数据， 为了使圆弧轨迹的直线拟合 过程更容易， 在对圆弧段进行拟合前需要将读取到 的空间圆弧的起点、终点和圆心的坐标值进行转 换， 使其变为与直线和平面圆弧处在相同坐标系中 的数据。 如图 1 所示，坐标系 XYZ 为轨迹设计时选定的 标准坐标系，即 AutoCAD 默认的世界坐标系。当 X’Y’平面与圆弧 AB 所在平面平行， Z’轴正方向与圆 弧的拉伸方向重合时，圆弧 AB 在坐标系 X’Y’Z’中 的圆心坐标、 起始角度和终止角度值与 DXF 文件中 所存储的数据是一致的。 通过读取到的 DXF 文件数据， 已知空间圆弧的 圆心 O 点在 X’Y’Z’坐标系中的坐标为x0’,y0’,z0’， 起始角度为 α、终止角度为 β，拉伸方向, ,i j k  r， 圆弧半径为 R，求圆弧端点在 XYZ 坐标系中的坐标 Ax1,y1,z1和 Bx2,y2,z2。拉伸方向  r是将坐标系 X’Y’Z’中数据进行转换的一个重要参考量， 其与 XYZ 坐标系的关系为首先把坐标系 X’Y’Z’绕 X’轴旋转 ChaoXing 第 5 期 杨明军等 基于离线编程的煤层智能定向钻进技术 169 图 1 圆弧轨迹坐标关系 Fig.1 Relation of arc trajectory coordinate 某一角度，使 Z’还原到 Z 轴，旋转角度大小为向量  r与向量0,0,1的夹角；然后绕 Z 轴旋转角度 arctani/j得到世界坐标系 XYZ。 明确坐标系的关系后，下面计算 A、B 在世界 坐标系中的坐标值。假设 A、B 两点在 X’Y’Z’中的 坐标分别为 A’x1’,y1’,z1’和 B’x2’,y2’,z2’，则 101010 ,,,,,, cos;sin;xRxyRyzz 1 202020 ,,,,,, cos;sin;xRxyRyzz 2 然后将A’、B’两点分别进行坐标旋转变换，首先拉伸方 向向量  r与向量0,0,1夹角为arccos0,0,1  rr 0,0,1arccosk。 在三维空间里已知旋转角度，一个点绕一个任 意矢量x,y,z旋转角度后的新坐标可通过左乘下 式矩阵 C 得到。    2 2 2 1 coscos1 cossin1 cossin 1 cossin1 coscos1 cossin 1 cossin1 cossin1 coscos xxyzxzy xyzyyzx xyyyzxz            C 绕X’轴旋转θ角后计算A1CA’和B1CB’，得 到A1、B1两点的坐标分别为 11 111 111 ,,, ,,,, cossin ,,,, sincos xx yyz zyz      3 22 122 222 ,,, ,,,, cossin ,,,, sincos xx yyz zyz      4 假设绕Z’轴旋转角度为β，则βarctani/j，经 过三角变换得到 2 2 sin/ 1 cos/ 1 ik jk      5 同理计算ACA1和BCB1， 得到点A1、B1绕Z’ 轴旋转后A、B两点的坐标分别为 111 111 11 ,,,, cossin ,,,, sincos ,, xxy yxy zz      6 222 222 22 ,,,, cossin ,,,, sincos ,, xxy yxy zz      7 将式1式5分别代入式6和式7可得出A、 B两点在XYZ坐标系中的坐标值。 2.2 钻进轨迹 Matlab 拟合算法研究 对轨迹数据进行读取、分类和转换处理结果如 图2所示。通过上述计算得到的世界坐标系里空间 圆弧轨迹数据进行了比较复杂的坐标转换处理，而 且坐标值都是进行了四舍五入处理。而定向钻进轨 迹拟合的方法是将各段直线和圆弧的起点X坐标按 升序排列，然后进行轨迹首尾相连。因为坐标点很 难做到完全重合，这样首尾相连得到的定向钻进轨 迹就会出现断点，所以为了得到完整的定向钻进轨 迹，需对转换得到的空间圆弧坐标数据做进一步处 理，具体处理流程如图3所示。 图 2 钻进轨迹数据处理结果 Fig.2 Processing result of drilling trajectory data 在实际钻进过程中，钻杆只能产生较小的变形， 因此设计的钻进轨迹中的圆弧段必须要分解为若干 的直线段来进行拟合， 整个圆弧的弯曲变形量被平均 分配给各个钻杆。同时在Matlab中对圆弧轨迹进行 拟合也需要进行插值， 插值数量根据圆弧特征与圆弧 长度确定。 如图4所示，弧线AB为其中一段圆弧轨迹，O 点为圆心，半径为R，α、β分别为起始角度和终止 角度。用若干直线段来拟合圆弧AB时，假设拟合 线段长为L，从A点开始依次为AC、CD、 ChaoXing 170 煤田地质与勘探 第45卷 图 3 数据处理流程图 Fig.3 Flowchart of data processing 图 4 圆弧轨迹插值原理示意图 Fig.4 Interpolation principle of arc trajectory 通过圆弧起始角度、终止角度以及半径可以得 到弧线AB的长度  π /180 AB lR 一般来说，对于钻进轨迹的圆弧半径R远大于拟 合线段长度L，因此有 A AB C lL，从而插值点数为  π /180/ AB LNlRL 最后对N的值取整即得到需要插值的点数。得 到一组空间点的坐标后，调用Matlab的三维图形绘 制命令“Plot3”对圆弧段进行拟合，得到圆弧轨迹图 形。拟合之后结果如图5所示。 3 钻具控制程序生成算法研究 3.1 钻具控制系统 在定向钻进过程中，尤其是钻进轨迹达到一定 深度后，容易出现实际钻进轨迹与设计的钻进方向 发生偏斜的现象。水力纠偏技术是一种应用于煤层 气开采的借助水力对钻进方向进行纠正的技术，其 图 5 钻进轨迹拟合结果示意图 Fig.5 Results of drilling trajectory fitting 基本原理是通过一定装置控制钻井泵水流的喷射方 向，用水力破碎钻具偏斜的反方向煤岩，使该部分 的煤岩变“软”，从而引导钻进方向趋向于变软的煤 岩一侧，实现了钻进方向的人为干涉，达到纠偏效 果[15-16]。本次研究的钻具控制系统采用水力纠偏技 术实现自动纠偏的功能。水力纠偏钻具控制系统结 构图如图6所示。 图 6 钻具控制系统结构图 Fig.6 Structure diagram of control system of drilling tool 在整个钻具控制系统中，首先将离线编程系统 生成的控制程序下载到单片机系统，将数据与检测 模块中采集到的数据进行对比，进而控制电机驱动 部分实现纠偏钻进。 3.2 钻具控制程序总体流程 安装好钻具控制器后开始钻进时，控制系统最 初处于低功耗状态，在整个钻进过程中，通过传感 器检测钻进时的水压大小，将其值与设定的水压值 进行比较，然后给控制系统提供纠偏信号。多次采 集井斜角与方位角数据，通过对前后两次采集到的 数据进行对比，判断钻具是否稳定。当系统稳定后， 控制系统会循环采集方位角和井斜角数据，并通过 系统的自动判断对数据进行排序并滤除错误数据， 最后将数据存储到存储器中，同时计算步进电机的 旋转角度并传送到步进电机驱动部分。 ChaoXing 第5期 杨明军等 基于离线编程的煤层智能定向钻进技术 171 3.3 纠偏点的确定 首先设定实际钻进轨迹允许的最大偏斜量为 H，在实际钻进过程中，当钻进轨迹偏斜量达到设 定阈值后，必须进行纠偏钻进。由于受到钻杆的弯 曲刚度限制，实际钻进轨迹曲线应该是光滑连续可 微的曲线，如果在实际偏斜量达到最大偏斜量H后 开始纠偏， 则实际钻进轨迹必然不会符合设计要求， 所以需要找出最佳的轨迹纠偏点。 确定最佳纠偏点的原理如图7所示，设计的钻 进轨迹为L，所允许的最大偏斜量H条件下的极限 轨迹为L1、L2，设L段为水平段，则A点的井斜角 为0。设B点为最佳纠偏点，则钻进轨迹会以B点 为拐点，按照曲线A3的轨迹进行钻进，其中h为B 点的实际偏斜量，点O1和O2分别为圆弧A1和A3 的圆心，半径为R，由钻杆的最大弯曲强度决定，B 点的井斜角为θ1，圆弧A1和圆弧A3在B点相切。 图 7 最佳纠偏点原理图 Fig.7 Principle of the best rectifying point 由轨迹的几何关系可以得到B点的井斜角θ和 偏斜量h的值为  12 arccos2 /2/ar2cs /2 coRHRRHR hH   因此，在垂直投影面上保证钻头进行正常钻进 的井斜角θ和偏斜量h应该满足如下条件 arccosarccos2/22/2 /2/2 RHRRHR HhhH     8 同理，在水平投影面上保证钻头进行正常钻进 的方位角β和偏斜量d应该满足如下条件  11 arccos2arccos/2/2 /2/2 2RRRHRH HddH       9 综上所述，只有当钻具的位置参数满足式8和 式9时，实际的钻进轨迹将在允许的误差范围内沿 着设计轨迹钻进，否则，钻具控制系统就会发出纠 偏信号，开始纠偏钻进。 3.4 自动生成钻具控制程序算法研究 根据钻具控制程序流程，结合在该三维离线编 程软件系统计算得到的各钻进轨迹控制点的坐标值 及方位角、井斜角和纠偏条件等信息，可以在本文 研究的三维离线编程系统软件上生成煤层实际钻进 所需要的控制程序。 在Visual Basic程序中用“CommonDialog”控件 对文件进行存储操作。由于生成的控制程序还要用 其它软件进行处理生成可执行文件，为了方便数据 交换，在保存控制程序时需要输入文件名和后缀名 “.C”并选择保存路径。程序运行后如图8所示[16]。 图 8 程序运行图 Fig.8 Program run diagram 通过对不同设计轨迹生成的钻具控制程序进行 比较可以发现，其轨迹控制语句基本相同，控制参 数根据轨迹形状的不同有所改变，同时对于含有分 支孔的设计轨迹生成的钻具控制程序增加倒杆信号 控制语句。 4 结 论 a. 开发的定向钻进的三维离线编程系统，实现 了对轨迹文件中控制参数进行提取、存储和对轨迹 进行重绘的目标，并能够自动生成钻具控制程序。 b. 推导了定向钻进的轨迹纠偏算法，在给定最 大允许偏斜量H时，得到了最佳纠偏点的井斜角、 方位角和偏斜量的条件，利用钻具控制程序，当实 钻轨迹与设计轨迹产生偏斜时， 能够进行自动纠偏。 但由于煤层的智能定向钻进尚处于理论研究阶段， 目前的钻具、随钻测量系统、轨迹控制方法等并不 能真正地满足现场实验的条件，致使研究成果还未 能在现场进行应用。 参考文献 [1] 孙茂远， 范志强. 中国煤层气开发利用现状及产业化战略选择[J]. 天然气工业，2007，2731–5. SUN Maoyuan，FAN Zhiqiang. The status quo of China’s CBM ChaoXing 172 煤田地质与勘探 第45卷 development and utilization and the choice of its industrialization strategy[J]. Natural Gas Industry，2007，2731–5. [2] 叶建平. 我国煤层气产业发展报告[C]//2011 年煤层气学术研 讨会论文集. 厦门地质出版社，20113–9. [3] 许月. 煤层气发展将进入新阶段[N]. 中国石化报，2010- 01-115. [4] 韩宝宝. 用煤层气作为燃料对节能减排的意义[J]. 科技情报 开发与经济，2011，2123167–169. HAN Baobao. Significance of coalbed gas as fuel for energy saving and emission reduction[J]. Sci-Tech Ination Devel- opment Economy，2011，2123167–169. [5] 穆福元，贾承造， 穆涵宜. 中国煤层气开发技术的现状与未来[J]. 中国煤层气，2014，1143–5. MU Fuyuan，JIA Chengzao，MU Hanyi. Current situation and future of the coalbed methane development technology in China[J]. China Coalbed Methane，2014，11 43–5. [6] 司光耀，蔡武，张强. 国内外煤层气利用现状及前景展望[J]. 中国煤层气，2009，6244–46. SI Guangyao， CAI Wu， ZHANG Qiang. Status quo and prospect of CBM utilization at home and abroad[J]. China Coalbed Methane，2009，6244–46. [7] 唐志军，韩来聚，刘新华. 自动化智能化钻井技术进展[J]. 石 油地质与工程，2009，23193–97. TANG Zhijun， HAN Laiju， LIU Xinhua. Progress of automation and intelligent drilling technology[J]. Petroleum Geology and Engineering，2009，23193–97. [8] ROYAL A C D，RIGGALL T J，CHAPMAN D N. Analysis of steering in horizontal directional drilling installations using down-hole motors[J]. Tunnelling and Underground Space Tech- nology，2010，256754–765. [9] MONTEIRO S T，RAMOS F，HATHERLY P. Conditional random fields for rock characterization using drill measure- ments[C]//8th International Conference on Machine Learning and Applications. Miami Beach IEEE Computer Society， 2009 366–371. [10] 肖仕红，梁政. 智能钻井电缆信号传输的研究现状及难点[J]. 石油矿场机械，2007，3627–10. XIAO Shihong，LIANG Zheng. The current status and difficulty of research on the wired[J]. Oil Field Equipment，2007，362 7–10. [11] 何广忠. 机器人弧焊离线编程系统及其自动编程技术的研究[D]. 哈尔滨哈尔滨工业大学，2006. [12] 刘金玮，胡淑娟. 未来的智能钻井技术[J]. 国外油田工程， 2008，24239–41. LIU Jinwei，HU Shujuan. Future intelligent drilling technol- ogy[J]. Foreign Oilfield Engineering，2008，24239–41. [13] 张成才，孙喜梅，朱陶业. AutoCAD 的 DXF 文件格式及其转 换接口研究[J]. 微型电脑应用，2001，17854–55. ZHANG Chengcai，SUN Ximei，ZHU Taoye. DXF file at and conversion interface of AutoCAD[J]. Microcomputer Appli- cations，2001，17854–55. [14] 陈浩， 陈宏. 解读 AutoCAD 的 DXF 文件[J]. 贵州科学， 2002， 204125–127. CHEN Hao，CHEN Hong. Explore DXF AutoCAD[J]. Guizhou Science，2002，204125–127. [15] 文国军. 煤层气近水平孔钻进原位探测与水力纠偏技术研 究[D]. 武汉中国地质大学武汉，2008. [16] 洪利， 章扬， 李世宝. MSP430 单片机原理与应用实例详解[M]. 北京北京航空航天大学出版社，201040–45. 责任编辑 聂爱兰 上接第 166 页 [21] CHRISTIANSEN A V，AUKEN E. Optimizing a layered and laterally constrained 2D inversion of resistivity data using Broy- den’s update and 1D derivatives[J]. Journal of Applied Geophys- ics，2004，564247–261. [22] 胡祖志， 胡祥云， 何展翔. 大地电磁非线性共轭梯度拟三维反 演[J]. 地球物理学报，2006，4941226–1234. HU Zuzhi，HU Xiangyun，HE Zhanxiang. Pseudo-Three-Di- mensional magnetotelluric inversion using nonlinear conjugate gradients[J]. Chinese Journal of Geophysics，2006，494 1226–1234. [23] 胡祖志. 大地电磁拟三维反演研究[D]. 武汉中国地质大学 武汉，2005. [24] 米萨克 N.纳比吉安. 勘查地球物理电磁法[M]. 赵经祥，等， 译. 北京地质出版社，1992. [25] GUPTASARMA D，SINGH B. New digital linear filters for Hankel J0 and J1 transs[J]. Geophysical Prospecting，1997， 455745–762. [26] 朴化荣，殷长春. 利用 G-S 逆拉氏变换法计算瞬变测深正演 问题[J]. 物化探计算技术，1987，94295–302. PIAO Huarong，YIN Changchun. Calculation of transient EM sounding using the Gaver-Stehfest inverse Laplace trans [J]. Computing Techniques for Geophysical and Geo- chemical Exloration，1987，94295–302. [27] 罗延钟，昌彦君. G-S 变换的快速算法[J]. 地球物理学报， 2000，435684–690. LUO Yanzhong，CHANG Yanjun. A rapid algorithm for G-S trans[J]. Chinese Journal of Geophysics，2000，435 684–690. [28] FARQUHARSON C G，OLDENBURG D W. Inversion of time-domain electromagnetic data for a horizontally layered earth[J]. Geophysical Journal International，1993，1143 433–442. 责任编辑 聂爱兰 ChaoXing