1.本发明涉及缓斜井开挖导孔轨迹控制技术，属于斜井开挖工程精度控制、施工技术，特别涉及一种倾角在25
°
～35
°
缓斜井导孔轨迹精度控制方法。
背景技术：
2.在水利水电及矿山工程中，由于水道、电缆、通风、通行等需要，大量应用到斜井类地下洞室。斜井掘进特别是水电项目缓坡斜井施工建设难度大，需要采取相应的施工技术措施及技术研究成果来解决缓坡斜井施工面临的大量难题。
3.对于斜井施工，无法采用平洞或导轨——矿山法施工，因为倾角较大，不能保证施工开挖和支护的安全、施工效率低；采用反井法施工，现有的反井钻机施工角度一般为60
°
～90
°
，缓坡斜井超出反井钻机施工范围，施工安全及质量得不到保证，同时还会出现溜渣困难、钻孔偏差等一系列问题。由于缓倾角斜井倾角越小，定向钻机钻杆本身会产生竖向分力及软弱夹层产生斜向分力，致使钻杆会出现额外的向下或斜向作用力，导致钻机会出现额外向下的作用力，客观上造成导孔除了沿轴向钻进外还会向下或斜向发展而造成导孔偏离，形成曲线使得导孔偏斜，导孔难以准确贯通，而导孔的准确性，关系到缓坡斜井施工的成败。
4.传统水利水电行业导孔钻孔采用钻头+扶正器+普通钻杆组成，结构简单不具备定位及纠偏功能，对于25
°
～35
°
的缓斜井，采用反井法施工，传统的反井钻机偏斜率行业规范为1％，而部分工程中缓斜井深度较大，导孔轨迹的精度要求较高，偏斜率要求远低于1％，因此需要在施工过程中采取各种防偏纠偏措施，控制好缓倾角斜井导孔轨迹，以确保高精度导孔的施工。传统的施工方法缓斜井导孔轨迹难以控制，无法满足长缓斜井施工精度要求，确保偏斜率难度较大。
5.斜井施工中常用的相关术语：
6.缓斜井：斜井介于平洞和竖井之间的一类地下洞室，缓斜井为倾角低于45
°
的斜井。
7.导孔：在斜井断面上首先开挖的面积较小的部分称为导孔。
8.反井法：斜井从下往上开挖，反向全断面爆破开挖。
技术实现要素：
9.本发明根据现有技术的不足公开了一种缓斜井导孔轨迹控制方法。本发明提供一种倾角为25
°
～35
°
缓斜井定向钻机导孔轨迹精度控制方法，解决目前缓斜井导孔沿预定倾角钻进时发生偏离造成的问题，保证缓斜井导孔的轨迹精度。
10.本发明通过以下技术方案实现：
11.一种缓斜井导孔轨迹控制方法，其特征在于包括以下步骤：
12.步骤一：确定导孔预定轨迹，建立导孔及斜井三维模型；
13.步骤二：选定施工用定向钻机、测斜仪、磁性测量仪器及纠偏组合钻具；
14.步骤三：全站仪放样导孔入钻点及方向点，定向钻机就位进行导孔钻孔；
15.步骤四：导孔钻孔采用定向钻机进行，钻头定位采用mwd测斜仪测量获得井斜角度p和井斜方位角φ；rmrs旋转磁场测距系统测量获得磁偏角δ；
16.步骤五：获得高斯平面子午线收敛角γ，γ由下式计算获得，γ＝sinb
×△
l；
17.其中：b为测量点纬度，单位：度；
△
l为测量点与中央子午线经度差，单位：度；
18.步骤六：根据监测数据，利用下式计算校正后方位角；φˊ＝φ+δ
?
γ；其中：
19.φˊ为经过方位校正后用于轨迹计算的方位角，单位：度；
20.φ为mwd测斜仪测得的井斜方位角，单位：度；
21.δ为rmrs旋转磁场测距系统测得的磁偏角，东磁偏角为正值，西磁偏角为负值，单位：度；
22.γ为高斯平面子午线收敛角，东收敛角为正值，西收敛角为负值，单位：度；
23.步骤七：计算测量点x1、y1坐标，以abs(φˊ
?
φ)角度作为判断；
24.当计算的abs(φˊ
?
φ)＜180时，测量点x1＝x+cos((φˊ+φ)/2)
×
sin((pˊ+p)/2)
×
l；当abs(φˊ
?
φ)＞180时，测量点x1＝x+cos((φˊ+φ+360)/2)
×
sin((pˊ+p)/2)
×
l；
25.当计算的abs(φˊ
?
φ)＜180时，测量点y1＝y+sin((φˊ+φ)/2)
×
sin((pˊ+p)/2)
×
l；当abs(φˊ
?
φ)＞180时，测量点y1＝y+sin((φˊ+φ+360)/2)
×
sin((pˊ+p)/2)
×
l；其中：
26.x为斜井口导孔x轴坐标，单位：米；
27.pˊ为测点平均井斜角度，单位：度；
28.p为井斜角度，单位：度；
29.l为测点距井口的距离，单位，米；
30.y为斜井口导孔y轴坐标，单位：米；
31.φˊ为测点方位角，单位：度；
32.φ为导孔点方位角，单位：度；
33.步骤八：计算测量点高程h1＝h
?
cos(pˊ)
×
l；其中：h为斜井口导孔高程，单位：米；h1为测点高程，单位：米；
34.步骤九：根据测点x1、y1坐标与测点设计坐标进行比较，确定导孔平面偏斜长度及方向；根据mwd测斜仪测得导孔井斜与设计井井斜比较，确定导孔偏移方向，以便后续对导孔进行纠偏操作；
35.步骤十：采用定向钻机配定向组合钻具和0.5
°
弯螺杆进行导孔纠偏，在无线随钻测斜仪测定出偏斜的情况下，调整至滑动钻进，对钻井轨迹进行控制，以使孔偏斜降低。
36.所述缓倾角斜井是钻孔为倾斜角25
°
～35
°
的斜井。所述钻孔为倾斜角25
°
～35
°
的斜井钻孔。
37.本发明钻头定位采用mwd测斜仪及rmrs旋转磁场测距系统测量井斜角度和磁方位角；mwd测斜仪测量数据通过调制器控制脉冲发生器产生泥浆压力，地面泥浆压力传感器将获得数据发送给地面计算机，计算机处理后显示井斜角度p和井斜方位角φ；rmrs旋转磁场测距系统测量探管测量显示磁偏角δ，东磁偏角为正值，西磁偏角为负值。
38.本发明研究认为：斜井钻孔体现为从钻进起始端开始向下呈螺旋形状，随着时间推移，逐渐会加速向下及左右偏移，但随着斜井长度增加，其极限轨迹可近似为螺旋状。
39.本发明方法在缓斜井反井钻机开挖导孔轨迹精度控制应用中，通过采用mwd测斜仪和rmrs测距仪获取相关参数，利用相关参数数据计算分析，构建导孔测斜、磁偏角、导井三维模型，实现缓斜井导孔施工中的随钻纠偏和高精度测斜，保证缓斜井的导孔开挖精度。
40.本发明利用mwd无线随钻测斜技术的研究，实现缓斜井导孔施工的精准定位，将rmrs磁性测距仪配合使用，有效的弥补了mwd测斜仪的不足，可消除其带来的误差影响，适用于各种场景情况下缓斜井导孔轨迹控制。
41.本发明有益性：本发明利用mwd无线随钻测斜技术、rmrs旋转磁场测距技术结合，取得无线测斜精准定位随钻纠偏，导孔的偏斜率可控制在0.1～0.5％之间，目前传统水电行业仍在大量采用反井钻机盲打的方式，同时，现有反井钻机能够开挖的角度一般为60
°
～90
°
，掘进45
°
以下斜井极少，而掘进25
°
～35
°
斜井导孔目前还没有先例，该缓倾角斜井导孔轨迹控制方法，可实现25
°
～35
°
缓斜井施工中反井法钻进的精准定位，随钻纠偏，达到智能化水电建设斜井施工的目的，同时该发明填补了缓斜井导孔施工高精度测斜和纠偏方面的空白，可实现高精度的缓斜井导孔钻进施工。
附图说明
42.图1是本发明导孔钻井示意图；其中，a、b为导孔轨迹测点，фa、фb分别为测点a、b网格方位角，图中粗线条表示导孔轨迹。
43.图2是本发明实施例斜井导孔纵向轨迹示意图；其中，c为导孔纵向入钻点，d为导孔纵向轨迹，e为斜井设计纵向轨迹，f为导孔纵向出钻点。
44.图3是本发明实施例斜井导孔平面轨迹示意图；其中h为导孔平面入钻点，i为导孔平面轨迹，j为斜井设计平面轨迹，k为导孔平面出钻点。
具体实施方式
45.下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。
46.缓斜井导孔轨迹控制方法，包括以下步骤：
47.步骤一：确定导孔预定轨迹，建立导孔及斜井三维模型；
48.步骤二：选定施工用定向钻机、测斜仪、磁性测量仪器及纠偏组合钻具；
49.步骤三：全站仪放样导孔入钻点及方向点，定向钻机就位进行导孔钻孔；
50.步骤四：导孔钻孔采用定向钻机进行，钻头定位采用mwd测斜仪及rmrs旋转磁场测距系统测量井斜角度和磁方位角。
51.其中mwd测斜仪测量数据通过调制器控制脉冲发生器产生泥浆压力，地面泥浆压力传感器将获得数据发送给地面计算机，计算机进行数据处理，显示井斜角度p和井斜方位角φ；rmrs旋转磁场测距系统测量显示磁偏角δ，东磁偏角为正值，西磁偏角为负值。
52.步骤五：高斯平面子午线收敛角γ由下式计算获得，γ＝sinb
×△
l；
53.其中：b为测量点纬度，单位度；
△
l为测量点与中央子午线经度差，单位度；
54.步骤六：根据监测数据，利用下式计算校正后方位角；φˊ＝φ+δ
?
γ；其中：
55.φˊ经过方位校正之后用于轨迹计算的方位角，单位度；
56.φ为mwd测斜仪测得的井斜方位角，单位度；
57.δ为rmrs旋转磁场测距系统测得的磁偏角，东磁偏角为正值，西磁偏角为负值，单位度；
58.γ为高斯平面子午线收敛角，东收敛角为正值，西收敛角为负值，单位度；
59.步骤七：计算测量点x1、y1坐标，以abs(φˊ
?
φ)角度作为判断；
60.当计算的abs(φˊ
?
φ)＜180时，测量点x1＝x+cos((φˊ+φ)/2)
×
sin((pˊ+p)/2)
×
l；当abs(φˊ
?
φ)＞180时，测量点x1＝x+cos((φˊ+φ+360)/2)
×
sin((pˊ+p)/2)
×
l；
61.当计算的abs(φˊ
?
φ)＜180时，测量点y1＝y+sin((φˊ+φ)/2)
×
sin((pˊ+p)/2)
×
l；当abs(φˊ
?
φ)＞180时，测量点y1＝y+sin((φˊ+φ+360)/2)
×
sin((pˊ+p)/2)
×
l；
62.其中：
63.x为斜井口导孔x轴坐标，单位米；
64.pˊ为测点平均井斜角度，单位度；
65.p为井斜角度，单位度；
66.l为测点距井口的距离，单位米；
67.y为斜井口导孔y轴坐标，单位米；
68.φˊ为测点方位角，单位度；
69.φ为导孔点方位角，单位度。
70.步骤八：计算测量点高程h1＝h
?
cos(pˊ)
×
l；其中：
71.h为斜井口导孔高程，单位米；
72.pˊ为测点平均井斜角度，单位度；
73.l为测点距井口的距离(即井深)，单位米；
74.h1为测点高程，单位米；
75.步骤九：根据测点x1、y1坐标与测点设计坐标进行比较，确定导孔平面偏斜长度及方向；根据mwd测斜仪测得导孔井斜与设计井井斜比较，确定导孔竖直方向上下；
76.步骤十：采用定向钻机配定向组合钻具和0.5
°
弯螺杆进行导孔纠偏，在无线随钻测斜仪测定出偏斜的情况下，调整至滑动钻进，对钻井轨迹进行控制，以使孔偏斜降低。
77.本发明运用大地磁场定位原理、高斯平面直角坐标系及大地坐标系结合进行导孔轨迹分析，利用mwd测斜仪和rmrs旋转磁场测距系统获得相关数据，构建导孔测斜、磁偏角、导井三维模型，为导孔轨迹精度控制方法提供依据。
78.本发明方法在定向钻机开挖导孔轨迹精度控制应用中，通过获得井深、井斜、磁偏角等相关参数，制定导孔纠偏方案，在无线随钻测斜仪测定出偏斜的情况下，调整至滑动钻进，从而对钻井轨迹进行控制，以使孔偏斜降低。
79.本发明在斜井施工中，形成了实时定位纠偏技术，破解了钻杆自重和复杂地质带来的缓倾角导孔钻进偏斜难题。采用该方法纠偏的某工程，长263m、36
°
斜井导孔贯通与设计点位偏差25cm，施工贯通达到精度1
‰
。
80.本发明在缓倾角斜井导孔施工过程中能保证导孔实时轨迹监测及纠偏，确保导孔精度满足规范要求及避免因导孔曲率较大而发生卡钻风险。技术特征：
1.一种缓斜井导孔轨迹控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：确定导孔预定轨迹，建立导孔及斜井三维模型；步骤二：选定施工用定向钻机、测斜仪、磁性测量仪器及纠偏组合钻具；步骤三：全站仪放样导孔入钻点及方向点，定向钻机就位进行导孔钻孔；步骤四：导孔钻孔采用定向钻机进行，钻头定位采用mwd测斜仪测量获得井斜角度p和井斜方位角φ；rmrs旋转磁场测距系统测量获得磁偏角δ；步骤五：获得高斯平面子午线收敛角γ，γ由下式计算获得，γ＝sinb
×△
l，其中：b为测量点纬度，单位：度；
△
l为测量点与中央子午线经度差，单位：度；步骤六：根据监测数据，利用下式计算校正后方位角；φ
′
＝φ+δ
?
γ；其中：φ
′
为经过方位校正后用于轨迹计算的方位角，单位：度；φ为mwd测斜仪测得的井斜方位角，单位：度；δ为rmrs旋转磁场测距系统测得的磁偏角，东磁偏角为正值，西磁偏角为负值，单位：度；γ为高斯平面子午线收敛角，东收敛角为正值，西收敛角为负值，单位：度；步骤七：计算测量点x1、y1坐标，以abs(φ
′?
φ)角度作为判断；当计算的abs(φ
′?
φ)＜180时，测量点x1＝x+cos((φ
′
+φ)/2)
×
sin((p
′
+p)/2)
×
l；当abs(φ
′?
φ)＞180时，测量点x1＝x+cos((φ
′
+φ+360)/2)
×
sin((p
′
+p)/2)
×
l；当计算的abs(φ
′?
φ)＜180时，测量点y1＝y+sin((φ
′
+φ)/2)
×
sin((p
′
+p)/2)
×
l；当abs(φ
′?
φ)＞180时，测量点y1＝y+sin((φ
′
+φ+360)/2)
×
sin((p
′
+p)/2)
×
l；其中：x为斜井口导孔x轴坐标，单位：米；p
′
为测点平均井斜角度，单位：度；p为井斜角度，单位：度；l为测点距井口的距离，单位，米；y为斜井口导孔y轴坐标，单位：米；φ
′
为测点方位角，单位：度；φ为导孔点方位角，单位：度；步骤八：计算测量点高程h1＝h
?
cos(p
′
)
×
l；其中：h为斜井口导孔高程，单位：米；h1为测点高程，单位：米；步骤九：根据测点x1、y1坐标与测点设计坐标进行比较，确定导孔平面偏斜长度及方向；根据mwd测斜仪测得导孔井斜与设计井井斜比较，确定导孔偏移方向，以便后续对导孔进行纠偏操作；步骤十：采用定向钻机配定向组合钻具和0.5
°
弯螺杆进行导孔纠偏，在无线随钻测斜仪测定出偏斜的情况下，调整至滑动钻进，对钻井轨迹进行控制，以使孔偏斜降低。2.根据权利要求1所述的缓斜井导孔轨迹控制方法，其特征在于：所述缓倾角斜井是钻孔为倾斜角25
°
～35
°
的斜井。3.根据权利要求2所述的缓斜井导孔轨迹控制方法，其特征在于：所述mwd测斜仪是通过调制器控制脉冲发生器产生泥浆压力，通过地面泥浆压力传感器将获得数据并处理显示井斜角度p和井斜方位角φ。
技术总结
本发明公开了一种缓斜井导孔轨迹控制方法。包括：建立导孔及斜井三维模型，选定定向钻机进行导孔钻孔，采用MWD测斜仪测量获得井斜角度P和井斜方位角φ，RMRS旋转磁场测距系统测量获得磁偏角δ，获得高斯平面子午线收敛角γ，计算校正后方位角φˊ＝φ+δ
技术研发人员：宋安瑞 王强 李勇 王峻 王印 刘振庚 英鹏涛 王智 韩飞 郑尧
受保护的技术使用者：中国水利水电第七工程局有限公司
技术研发日：2021.07.17
技术公布日：2021/9/3
声明：
“缓斜井导孔轨迹控制方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中国水利水电第七工程局有限公司
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2024年08月07日 ~ 09日 
