煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制方法及系统

技术领域

本发明涉及煤矿井下钻探相关领域，具体涉及煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制方法及系统。

背景技术

定向钻技术初期主要使用于石油钻井中，随着钻探技术的深入发展，与其他领域的结合、延展也发挥了重要的作用，比如煤炭、地质等领域，而近水平定向钻进技术是利用钻孔自然弯曲规律或采用专用工具使近水平钻孔轨迹按设计要求延伸至预定目标的钻探方法，将近水平定向钻进技术煤矿井下钻孔施工，能够满足目前煤矿井下钻探对于钻孔轨迹控制的高需求，更好为煤矿生产提供技术服务。

现阶段煤层的钻进大多会通过使用具有一定倾斜角度的钻具以此来保证钻进角度的控制，基于煤层钻进的目的，以规划好的路线控制钻具的钻进轨迹，但由于煤层复杂的分布状态，在实时钻进中容易造成钻头中煤渣散落、煤层坍塌等，从而影响后续的钻进工作。

目前，由于煤层开采时相应的器具及其容易发生损坏，难以满足煤层钻进时预先规划出的钻孔轨迹实施，当工具发生损坏时，也会导致钻具的钻头角度的方向控制精度降低、定向不够准确的问题。

发明内容

本申请实施例提供了煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制方法及系统，用于针对解决现有的煤层钻进时相应的器具及其容易发生损坏，难以满足煤层钻进时预先规划出的钻孔轨迹实施，当工具发生损坏时，也会导致钻具的钻头角度的方向控制精度降低、定向不够准确的问题。

鉴于上述问题，本申请实施例提供了煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制方法及系统。

第一方面，本申请实施例提供了煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制方法，所述方法应用于煤矿钻进轨迹控制系统，所述系统与螺杆钻具装置通信连接，所述方法包括：对目标钻进区域进行煤层探测数据采集，得到煤层探测数据集；根据所述煤层探测数据集进行矢量状态构建，生成煤层截面矢量图；基于所述煤层截面矢量图，得到各个分布煤层；对所述各个分布煤层进行多指标计算，得到煤层硬度指标、煤层散度指标和煤层稳定指标；根据所述煤层硬度指标、煤层散度指标和煤层稳定指标进行钻进受力分析，得到第一隐患系数；根据所述第一隐患系数，输出路径切换指令；将所述路径切换指令发送至随钻轨迹控制系统进行指令解析，输出第一解析角，其中，所述随钻轨迹控制系统嵌于所述螺杆钻具装置中；以所述第一解析角，输出第一切换角，其中，所述第一切换角为所述螺杆钻具装置中钻头的实时工具面向角与所述第一解析角之间的变化角；以所述第一切换角对所述螺杆钻具装置的钻头进行角度控制。

第二方面，本申请实施例提供了煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制系统，所述系统包括：探测数据采集模块，所述探测数据采集模块用于对目标钻进区域进行煤层探测数据采集，得到煤层探测数据集；矢量状态构建模块，所述矢量状态构建模块用于根据所述煤层探测数据集进行矢量状态构建，生成煤层截面矢量图；煤层分布输出模块，所述煤层分布输出模块用于基于所述煤层截面矢量图，得到各个分布煤层；多指标计算模块，所述多指标计算模块用于对所述各个分布煤层进行多指标计算，得到煤层硬度指标、煤层散度指标和煤层稳定指标；受力隐患分析模块，所述受力隐患分析模块用于根据所述煤层硬度指标、煤层散度指标和煤层稳定指标进行钻进受力分析，得到第一隐患系数；路径切换模块，所述路径切换模块用于根据所述第一隐患系数，输出路径切换指令；指令解析模块，所述指令解析模块用于将所述路径切换指令发送至随钻轨迹控制系统进行指令解析，输出第一解析角，其中，所述随钻轨迹控制系统嵌于所述螺杆钻具装置中；切换角输出模块，所述切换角输出模块用于以所述第一解析角，输出第一切换角，其中，所述第一切换角为所述螺杆钻具装置中钻头的实时工具面向角与所述第一解析角之间的变化角；角度控制模块，所述角度控制模块用于以所述第一切换角对所述螺杆钻具装置的钻头进行角度控制。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例提供的煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制方法，涉及煤矿井下开采勘测的轨迹控制技术领域，通过对目标钻进区域进行煤层探测数据采集，得到煤层探测数据集；根据所述煤层探测数据集进行矢量状态构建，生成煤层截面矢量图；对各个分布煤层在煤层硬度、煤层散度和煤层稳定三个方面的指标进行分析；通过搭建受力隐患分析模型，所述煤层硬度指标、煤层散度指标和煤层稳定指标进行钻进受力分析，得到标识钻进安全隐患的隐患系数；基于隐患系数对钻具进行损坏风险分析，当达到一定的风险概率时下达工具水平角切换的指令；以上述指令传输对应的器具控制系统终端，来控制钻具的钻头方向来进行角度变化控制。解决了煤层开采时相应的器具及其容易发生损坏，难以满足煤层开采时预先规划出的开采路线实施，当工具发生损坏时，也会导致钻具的钻头角度的方向控制精度降低、定向不够准确的问题，实现了分析钻具的受力状态从而得到处于目前开采角度的风险概率，进而对钻进方向进行不断优化调整，以此达到提高钻头角度的控制精度的效果。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

图1为本申请实施例提供了煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制方法流程示意图；

图2为本申请实施例提供了煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制方法中轨迹控制约束的流程示意图；

图3为本申请实施例提供了煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制方法中解析角向量扩充的流程示意图；

图4为本申请实施例提供了煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制系统结构示意图。

附图标记说明：探测数据采集模块10，矢量状态构建模块20，煤层分布输出模块30，多指标计算模块40，受力隐患分析模块50，路径切换模块60，指令解析模块70，切换角输出模块80，角度控制模块90。

具体实施方式

为了进一步保持实时开采中钻进轨迹的准确性，对钻具开采的煤层分布特征进行分析，以确保钻具的实时受力状态与自身有容受力的匹配性，因此，本发明拟提出煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制方法及系统，用于分析钻具的受力状态从而得到处于目前开采角度的风险概率，进而对钻进方向进行不断优化调整，以此达到提高钻头角度的控制精度的效果。

实施例一

如图1所示，本申请实施例提供了煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制方法，所述方法应用于煤矿钻进轨迹控制系统，所述系统与螺杆钻具装置通信连接，所述方法包括：

步骤S100：对目标钻进区域进行煤层探测数据采集，得到煤层探测数据集；

具体而言，所述目标钻进区域为进行煤层开采的实时划分区域，表征其地质层具有煤矿资源含量的开采区域，根据所述目标钻进区域进行探测，以获取到煤层探测数据集，其中，煤层探测的技术包括煤层气测井技术，具有分辨率高、识别效果好、快速直观、费用低廉，因此，使得测井技术成为煤层开采的重要手段。煤层探测技术用于进行煤层的储量、性质和截面层等的勘测，煤层的地质构造包括褶皱、断层、煤层，由于煤层的结构简单，无夹层，顶、地板岩层产状完好，获取到所述煤层探测数据集能够对每一个断层的性质、走向、落差以及煤层的分布状态进行准确的标识。示例性的，常用测井曲线的内容在煤层气解释中可以判断岩性、建立岩性剖面、划分煤层、确定煤厚、处理解释煤层水分、灰分、固定碳等矿物成分、计算煤层气含量及判断裂缝等。为了解决一些特殊地质问题，有时需加测一些项目，比如地层倾角测井、自然伽玛能谱测井、核磁共振测井等，从而为之后进行煤层可视化建模提供准确的数据源。

步骤S200：根据所述煤层探测数据集进行矢量状态构建，生成煤层截面矢量图；

由于所述煤层探测数据集中包括了针对煤层的煤层储量、煤层性质、煤层杂质、地层岩性自核与层位划分、煤层识别和划分、煤岩特征、所煤层含气性以及物性等，另外的，还可以包括煤层的内外圈状态分布数据，以及地质结构、截面中各个断层的深入直径等，为了对煤层开采时作用的路线进行准确的分析和模拟，拟采取一种三维建模的方式进行煤层建模，三维建模可以利用钻孔数据、煤层底板等高线数据和剖面图数据，使所有的有效数据成为实体建模系统可利用的、可靠的信息，实现能够准确反映地质数据空间分布特征及其内在关系的模型。

综合利用钻孔数据、煤层底板等高线数据和剖面图数据进行煤层建模，所形成的模型为了便于各个煤层分布状态的分析，当建立好模型后，对这些数据模型以直观的方式进行显示，采用计算机图形技术将数据模型以矢量示出的方式进行可视化显示，该结构还可以对复杂数据以最小的数据冗余进行存贮，它还具有数据精度高、存储空间小等特点，是一种高效的图形数据结构，结合煤层路线轨迹控制的地图坐标，有助于增加轨迹控制的准确度。

步骤S300：基于所述煤层截面矢量图，得到各个分布煤层；

所述煤层截面矢量图能够对得到的煤层探测数据建模进行坐标矢量的标识，从而满足分析煤层自身特性的基础上，对煤层所处的空间坐标点进行标记，记录实体坐标及其关系，尽可能精确的表示点、线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义，以此获得的所述各个分布煤层的坐标位置关系、性质、属性特征等具有了较为清晰和准确的分层。

步骤S400：对所述各个分布煤层进行多指标计算，得到煤层硬度指标、煤层散度指标和煤层稳定指标；

步骤S500：根据所述煤层硬度指标、煤层散度指标和煤层稳定指标进行钻进受力分析，得到第一隐患系数；

具体的，由于各个分布的煤层状态具有带状环形区域，即呈现内、外分布的特征，因此，对于不同层中的煤矿资源都具有不同的矿物质含量、储量、密度等，开采不同煤层时产生的安全隐患风险也有所不同，因此，对于所述各个分布煤层进行多指标计算，得到层状煤层中各个煤层的煤层硬度指标、煤层散度指标和煤层稳定指标，根据所述煤层硬度指标、煤层散度指标和煤层稳定指标进行钻进受力分析，以此来输出得到标识钻进安全隐患的隐患系数，即第一隐患系数。

进一步的，煤层硬度指标为煤层的物理属性硬度，当煤层硬度的不同，其钻具所需要增加的钻头转速也对应不同；煤层散度指标为标识煤层在开采时受钻具的带动煤渣分散的情况，当煤渣分散后容易落雨钻具、钻头中，导致钻具损坏等安全隐患；煤层稳定指标为基于煤层探测的气状物质，开采时所带动的气体化学爆破反应，比如，瓦斯气体或其他不稳定的化学气体所产生的安全隐患，因此，根据所述煤层硬度指标、煤层散度指标和煤层稳定指标进行钻进受力分析，模型分为煤层硬度、煤层散度、煤层稳定三个分析指标，对各个分布煤层的相关指标具体过程包括：

(1)连接煤层数据采集系统，获取各个煤层的性质、储量以及物理硬度、刚度、脆度和煤层的分布断层等，为后续指标的分析提供数据源；

(2)基于关联数据算法，分别以煤层硬度为目标调取相关的数据集、煤层散度指标的相关数据集以及用于进行煤层稳定性分析的相关化学指标；

(3)运用层次分析法，对煤层硬度x

(4)根据所述f(x

步骤S600：根据所述第一隐患系数，输出路径切换指令；

步骤S700：将所述路径切换指令发送至随钻轨迹控制系统进行指令解析，输出第一解析角，其中，所述随钻轨迹控制系统嵌于所述螺杆钻具装置中；

进一步而言，本申请还包括：

步骤S710：根据所述煤层探测数据集，确定煤层分布特征；

步骤S720：按照所述煤层分布特征，确定预设钻进路径，将所述预设钻进路径输入所述随钻轨迹控制系统；

步骤S730：判断是否接收所述路径切换指令，若接收所述路径切换指令，对所述螺杆钻具装置的钻头进行角度控制。

具体而言，当获取到螺杆钻具装置中钻具所处煤层的开采隐患程度时，对隐患程度进行判断，即当所述第一隐患系数大于预设隐患系数时，标识目前所进行煤层开采的预设路线具有较大的安全隐患，其钻头转向控制精度容易损坏，影响轨迹控制精度，以此，输出路径切换指令，并将路径切换指令发送至随钻轨迹控制系统进行指令解析，来输出用于控制钻头工具角的解析角，其中，所述随钻轨迹控制系统为嵌于所述螺杆钻具装置中，用于下发、控制轨迹的计算机数控系统，且所述随钻轨迹控制系统与煤矿探测数据采集系统连接，用于调用煤矿探测数据采集系统中的煤矿探测数据集，来实现进一步的角度解析。

应理解，螺杆钻具装置在进行煤矿开采前，通过系统对地质下煤层的分析，确定预设钻进路径，将预设钻进路径输入所述随钻轨迹控制系统进行路径预控制，但由于煤层复杂的分布状态，在实时开采中容易造成钻头中煤渣散落、煤层坍塌等，从而影响后续的开采工作，煤层开采时相应的器具及其容易发生损坏，难以满足煤层开采时预先规划出的开采路线实施。难以满足煤层开采时预先规划出的开采路线实施，此外，当工具发生损坏时，也会导致钻具的钻头角度的方向控制精度降低，一方面，当判断出隐患系数大于预设隐患系数时，获取路径切换指令，另一方面，判断所述随钻轨迹控制系统是否接收所述路径切换指令，若接收所述路径切换指令，利用所述随钻轨迹控制系统输出的解析角对所述螺杆钻具装置的钻头进行角度控制。

步骤S800：以所述第一解析角，输出第一切换角，其中，所述第一切换角为所述螺杆钻具装置中钻头的实时面向角与所述第一解析角之间的变化角；

步骤S900：以所述第一切换角对所述螺杆钻具装置的钻头进行角度控制。

进一步而言，如图3所示，本申请步骤S800还包括：

步骤S810：以所述第一解析角，生成方位扩充向量，其中，所述方位扩充向量包括降方位和增方位两个扩充维度；

步骤S820：基于所述方位扩充向量对所述第一解析角进行调整，得到第一解析角区间；

步骤S830：以所述第一解析角区间，输出第一切换角区间。

具体而言，所述第一解析角为根据所述第一隐患系数对钻具的角度进行调整后的角度，即与水平面的夹角，所述第一切换角为所述螺杆钻具装置中钻头的实时工具面向角与所述第一解析角之间的变化角，进一步的，方位扩充向量包括降方位和增方位两个扩充维度，对第一解析角进行角度的扩充，得到第一解析角区间，再以所述第一解析角区间，输出第一切换角区间，按照所述第一切换角区间实现钻具方向的变更，比如，当所述第一解析角为23°,其方位扩充向量包括+5°(增方位)以及-5°(降方位)；以降方位和增方位两个扩充维度对钻具钻头实时方向角进行控制，提高方向变更时的容错率，从而以利用受力隐患分析得出的约束条件对钻具实时承受的力进行安全隐患判断，以此来变更钻具钻头的方向角，达到了在预设轨迹中准确监督钻具使用状态，从而满足钻具的高标准使用的效果。

进一步而言，本申请步骤还包括S1000：

步骤S1010：获取所述螺杆钻具装置的几何构件信息，包括钻头信息、稳定器信息和钻杆信息；

步骤S1020：获取所述螺杆钻具装置的组成连接结构，其中，所述连接结构包括钻头-稳定器的连接结构、稳定器-钻杆的连接结构以及钻头-钻杆的连接结构；

步骤S1030：根据所述几何构件信息和所述组成连接结构进行钻进受力限制条件分析，生成第一约束条件；

步骤S1040：将所述第一约束条件嵌入至所述随钻轨迹控制系统中进行钻进约束。

进一步而言，如图2所示，本申请步骤S1030还包括：

步骤S1031：将所述几何构件信息和所述组成连接结构作为输入信息，输入至受力限制分析模型中，其中，所述受力限制分析模型包括多个受力分析指标，所述多个受力分析指标包括钻头旋转离心力、稳定器连接受力和钻杆弯矩形变力；

步骤S1032：根据所述钻头旋转离心力、稳定器连接受力和钻杆弯矩形变力，进行承受限制力分析，输出第一受力限值；

步骤S1033：以所述第一受力限值，生成所述第一约束条件。

具体而言，当所述第一隐患系数大于预设隐患系数时，标识目前所进行煤层开采的预设路线具有较大的安全隐患，输出路径切换指令，其中，所述预设隐患系数是根据所述螺杆钻具装置固有的可承受力的限制进行转换获取的，所述螺杆钻具装置固有的可承受力分析过程如下：

获取所述螺杆钻具装置的几何构件信息和组成连接结构，其中，几何构件信息包括钻头信息、稳定器信息和钻杆信息；所述连接结构包括钻头-稳定器的连接结构、稳定器-钻杆的连接结构以及钻头-钻杆的连接结构；进而根据所述几何构件信息和组成连接结构的信息进行受力限制分析模型，来获取所述螺杆钻具装置能承受的最大转速力，当几何构建的信息不同，即钻头信息、稳定器信息和钻杆信息所用材质、稳定性、连接的方式焊接，固件连接等方式，使得器具组合后的稳定性有所偏差，从而对器具受力上限产生影响。进一步的，受力上限分析的过程是通过搭建受力限制分析模型进行输出的，受力限制分析模型为三维分析模型，包括钻头旋转离心力、稳定器连接受力和钻杆弯矩形变力三个受力维度的分析，将分析结果生成对应的第一约束条件。

进一步而言，本申请还包括：

步骤S1050：根据所述煤层硬度指标、煤层散度指标和煤层稳定指标进行钻进受力分析，得到实时受力限值；

步骤S1060：将所述第一约束条件嵌入至所述随钻轨迹控制系统中，以所述第一约束条件中的所述第一受力限值作为判断条件对所述实时受力限值进行受力隐患分析，输出所述第一隐患系数。

具体的，确定所述螺杆钻具装置的受力最大上限，将其所产生的受力最大上限作为固定约束条件，对不同时刻下煤层开采所需要的实时钻力需求进行比对，若实时钻力需求小于受力最大上限，即不需要进行角度调整，按照预设轨迹路线进行开采，若实时钻力需求大于或等于受力最大上限，以所述实时钻力需求为分母，以实时钻力需求为分子进行占比分析，根据输出对应的隐患概率再进行角度切换控制。

具体的，模型分为煤层硬度、煤层散度、煤层稳定三个分析指标，对各个分布煤层的相关指标具体过程包括：

以输出安全隐患系数γ

其中，Fmax＝F(A,B,C)，即基于钻头旋转离心力A、稳定器连接受力B和钻杆弯矩形变力C下装置承受力的最大极限值，公式变换如下：

其中，γ

实施例二

基于与前述实施例中煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制方法相同的发明构思，如图4所示，本申请提供了煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制系统，系统包括：

探测数据采集模块10，所述探测数据采集模块10用于对目标钻进区域进行煤层探测数据采集，得到煤层探测数据集；

矢量状态构建模块20，所述矢量状态构建模块20用于根据所述煤层探测数据集进行矢量状态构建，生成煤层截面矢量图；

煤层分布输出模块30，所述煤层分布输出模块30用于基于所述煤层截面矢量图，得到各个分布煤层；

多指标计算模块40，所述多指标计算模块40用于对所述各个分布煤层进行多指标计算，得到煤层硬度指标、煤层散度指标和煤层稳定指标；

受力隐患分析模块50，所述受力隐患分析模块50用于根据所述煤层硬度指标、煤层散度指标和煤层稳定指标进行钻进受力分析，得到第一隐患系数；

路径切换模块60，所述路径切换模块60用于根据所述第一隐患系数，输出路径切换指令；

指令解析模块70，所述指令解析模块70用于将所述路径切换指令发送至随钻轨迹控制系统进行指令解析，输出第一解析角，其中，所述随钻轨迹控制系统嵌于所述螺杆钻具装置中；

切换角输出模块80，所述切换角输出模块80用于以所述第一解析角，输出第一切换角，其中，所述第一切换角为所述螺杆钻具装置中钻头的实时工具面向角与所述第一解析角之间的变化角；

角度控制模块90，所述角度控制模块90用于以所述第一切换角对所述螺杆钻具装置的钻头进行角度控制。

进一步而言，系统还包括：

煤层分布特征分析模块，用于根据所述煤层探测数据集，确定煤层分布特征；

预设钻进路径模块，用于按照所述煤层分布特征，确定预设钻进路径，将所述预设钻进路径输入所述随钻轨迹控制系统；

钻头角度控制模块，用于判断是否接收所述路径切换指令，若接收所述路径切换指令，对所述螺杆钻具装置的钻头进行角度控制。

进一步而言，系统还包括：

几何构件信息获取模块，用于获取所述螺杆钻具装置的几何构件信息，包括钻头信息、稳定器信息和钻杆信息；

组成连接结构获取模块，用于获取所述螺杆钻具装置的组成连接结构，其中，所述连接结构包括钻头-稳定器的连接结构、稳定器-钻杆的连接结构以及钻头-钻杆的连接结构；

几何构件信息获取模块，用于根据所述几何构件信息和所述组成连接结构进行钻进受力限制条件分析，生成第一约束条件；

钻进约束模块，用于将所述第一约束条件嵌入至所述随钻轨迹控制系统中进行钻进约束。

进一步而言，系统还包括：

受力限制分析模块，用于将所述几何构件信息和所述组成连接结构作为输入信息，输入至受力限制分析模型中，其中，所述受力限制分析模型包括多个受力分析指标，所述多个受力分析指标包括钻头旋转离心力、稳定器连接受力和钻杆弯矩形变力；

受力限制输出模块，用于根据所述钻头旋转离心力、稳定器连接受力和钻杆弯矩形变力，进行承受限制力分析，输出第一受力限值；

约束条件生成模块，用于以所述第一受力限值，生成所述第一约束条件。

进一步而言，系统还包括：

钻进受力分析模块，用于根据所述煤层硬度指标、煤层散度指标和煤层稳定指标进行钻进受力分析，得到实时受力限值；

隐患系数输出模块，用于将所述第一约束条件嵌入至所述随钻轨迹控制系统中，以所述第一约束条件中的所述第一受力限值作为判断条件对所述实时受力限值进行受力隐患分析，输出所述第一隐患系数。

进一步而言，系统还包括：

解析角扩充模块，用于以所述第一解析角，生成方位扩充向量，其中，所述方位扩充向量包括降方位和增方位两个扩充维度；

解析角调整模块，用于基于所述方位扩充向量对所述第一解析角进行调整，得到第一解析角区间；

切换角区间输出模块，用于以所述第一解析角区间，输出第一切换角区间。

本说明书通过前述对煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制方法的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中煤矿井下近水平定向钻进智能化轨迹控制方法及系统，对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。