煤礦井下定向鉆孔軌跡控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種煤礦井下定向鉆孔軌跡控制方法，包含步驟一：確定預定軌跡；步驟二：確定輸入與輸出，構建基于兩輸出最小二乘支持向量機的預測模型，利用實鉆軌跡預測下一個測點軌跡參數；步驟三：對比通過實鉆軌跡預測的軌跡與預定軌跡，通過最小偏差給出最優的工具面向角，控制后續的實鉆軌跡進行修正，實現對鉆孔軌跡進行有效控制；由此，本發明的方法操作簡單、結果可靠，可實時指導現場鉆進施工，具有工程使用價值。
【專利說明】
煤礦井下定向鉆孔軌跡控制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及地質勘探的技術領域，尤其涉及一種煤礦井下定向鉆孔軌跡控制方 法。
【背景技術】
[0002] 煤礦安全生產對煤礦井下施工過程中的鉆進效率、鉆孔軌跡等提出越來越高的要 求。定向鉆進技術具備鉆進速度快、定向精度高、"一孔多分支"等優點，已成為高產高效煤 礦井下鉆孔施工有效的技術手段，廣泛應用于煤礦瓦斯治理、地質勘探等領域。
[0003] 在定向鉆進過程中，隨鉆測量技術已漸趨成熟，但對鉆孔軌跡的控制還缺乏行之 有效的手段。由于鉆孔軌跡易受巖層地質條件、煤層分布、鉆桿重力等因素的影響，工具面 向角對傾角、方位角的影響趨勢相對容易獲取，但是它們之間定量化的關系還很難確定。現 行的鉆孔軌跡控制多是憑借人工經驗進行開展，具有很強的經驗性和不確定性。施工過程 中技術人員的經驗不足常常會導致實鉆軌跡偏離預定軌跡，無法保證施工鉆孔在煤層中最 長穿越，致使瓦斯抽采效果不佳，造成鉆具在孔內摩擦阻力較大，進而影響鉆進施工的安全 與質量，甚至引發埋鉆、孔內坍塌等事故，造成重大的經濟損失。
[0004]為此，本發明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，研究設計出一種煤礦井下定向鉆孔軌跡控制方法，以克服上述缺 陷。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種煤礦井下定向鉆孔軌跡控制方法，其步驟簡單，能實 現實鉆軌跡逼近預定軌跡，保證施工鉆孔在煤層中最長穿越，提高瓦斯抽采效率。
[0006] 為解決上述問題，本發明公開了一種煤礦井下定向鉆孔軌跡控制方法，包含如下 步驟：
[0007] 步驟一:確定預定軌跡；
[0008] 步驟二:確定輸入與輸出，構建基于兩輸出最小二乘支持向量機的預測模型，利用 實鉆軌跡預測下一個測點軌跡參數；
[0009] 步驟三:對比通過實鉆軌跡預測的軌跡與預定軌跡，通過最小偏差給出最優的工 具面向角，控制后續的實鉆軌跡進行修正，實現對鉆孔軌跡進行有效控制。
[0010]其中：步驟二包括如下子步驟：
[0011] 1)確定預測模型的輸入與輸出，輸入為剛完成η個鉆孔測點記錄的孔傾角Θ,、方位 角ai、工具面向角ω i，i = 1，2，…，η，輸出為下一個測點的傾角貧^方位角a,f+1
[0012] 2)構造基于兩輸出最小二乘支持向量機的預測模型，如公式(1)所示，
[0013]
[0014]
[0015] 其中
差優化目標，S.t
嘴 優化條件，i = l，2,…，n表示輸入參數的維數，k=l，2表示兩輸出，w超平面的法向量，b是相 應的偏移量，C是懲罰因子，ξ表示預測值與真實值之間誤差，A表示輸入向量，B是與A對應的 標簽值，Φ (AD表示非線性映射函數，將非線性的樣本集映射到高維特征空間中轉化為線 性問題求解，
[0016] 然后引入拉格朗日乘子γ，獲得拉格朗日函數，如公式(2)所示，將優化條件加入 到優化目標中
[0017]
[0018] 利用拉格朗日函數L在鞍點處求導為零，可對公式(2)進行求解，隨后利用公式(3) 預測下一個測點的傾角6>,f+1、方位角％f+11
[0019]
[0020]
[0021] 3)將預測的傾角和方位角a,f+1轉化為空間三維坐標：水平位移X,f+ K左右位 移if+^上下位移Z,f+1，
[0022]
[0023]
[0024]
[0025] 其中，Xn、Yn、Zn表示η測點的三維坐標，Δ Ln+1表示從η測點到n+1測點的鉆孔深度增 量，λ為預定方位角。
[0026] 其中：步驟三包括如下子步驟：
[0027] 1)計算鉆孔軌跡的預測值:水平位移左右位移^、上下位移之^與鉆孔軌 跡的預定值:水平位移^左右位移ff+1 >上下位移之間的偏差
[0028]
[0029] 2)選擇不同的工具面向角ω，重復上述步驟，得到一組不同的偏差d，得到偏差d與 工具面向角ω之間的關系曲線，根據最小偏差d miJ#到最優的工具面向角，實現對鉆孔 軌跡進行有效控制。
[0030] 通過上述結構可知，本發明的煤礦井下定向鉆孔軌跡控制方法具有如下效果：
[0031] 1、利用已有的實鉆數據，基于兩輸出最小二乘支持向量機構建完善的鉆孔軌跡預 測機制，準確預測下一步的鉆孔軌跡；
[0032] 2、給出最優的工具面向角，實現對鉆孔軌跡的自動控制，改變了過去利用人工經 驗控制軌跡的現狀，降低了施工風險；
[0033] 3、操作簡單、結果可靠，可實時指導現場鉆進施工，具有良好的工程使用價值。
[0034]本發明的詳細內容可通過后述的說明及所附圖而得到。
【附圖說明】
[0035]圖1為本發明的鉆孔軌跡控制模型的三維示意圖。
[0036]圖2為本發明實施例中實鉆軌跡、預定軌跡與軌跡控制平面圖，其中圖2 (a)為Χ0Υ 平面內的實鉆軌跡、預定軌跡與軌跡控制；圖2(b)為Χ0Ζ平面內的實鉆軌跡、預定軌跡與軌 跡控制.
[0037]圖3為本發明實施例中99m處最優工具面。
【具體實施方式】
[0038]參見圖1至圖3,顯示了本發明的煤礦井下定向鉆孔軌跡控制方法。
[0039] 如圖1所示，建立三維坐標軸(^、0￥、02，圖中的<^+1為預定軌跡，4^4為實鉆 軌跡，虛線為實鉆軌跡的延長線，為預測軌跡，足4爲為為_4為在Χ0Υ平面內的 投影
與0X平行，ZAiAi-iD即為?的傾角0，ZBxBi-iBi即為 4_ι4的方位角α，之4:4《1為螺桿馬達的彎曲角度扎
[0040] 參考圖2所示，實心點畫線為預定軌跡，空心三角框畫線為實鉆軌跡，空心圈畫線 為軌跡控制。
[0041 ]參照圖3所示，橫坐標為工具面向角，單位為度;縱坐標為鉆孔軌跡控制與預定軌 跡之間的偏差，單位m，標注出的點橫坐標為最優工具面向角，縱坐標為最小偏差。
[0042 ]本發明的控制方法主要包含如下步驟：
[0043] 步驟一:確定預定軌跡；
[0044] 步驟二:確定輸入與輸出，構建基于兩輸出最小二乘支持向量機的預測模型，利用 實鉆軌跡預測下一個測點軌跡參數；
[0045] 步驟三:對比通過實鉆軌跡預測的軌跡與預定軌跡，通過最小偏差給出最優的工 具面向角，控制后續的實鉆軌跡進行修正，實現對鉆孔軌跡進行有效控制。
[0046] 其中，構建基于螺桿鉆具的彎曲角度和工具面向角的連續彎曲模型，利用實鉆軌 跡預測下一個測點軌跡的步驟二中，可包括如下子步驟：
[0047] 1)確定輸入與輸出，輸入為剛完成η個鉆孔測點記錄的孔傾角Θ,、方位角〇1、工具面 向角~，^又…士輸出為下一個測點的傾角^^方位角％^。
[0048] 2)構造基于兩輸出最小二乘支持向量機的預測模型，如公式(1)所示。
[0049]
[0050] (1)
[0051] 其牛
差優化目標，s.t 必(4) + /) + ^是 優化條件，i = 1，2，…，η表示輸入參數的維數。k= 1，2表示兩輸出。w超平面的法向量，b是相 應的偏移量。C是懲罰因子，ξ表示預測值與真實值之間誤差。A表示輸入向量，B是與A對應的 標簽值。Φ (AO表示非線性映射函數，將非線性的樣本集映射到高維特征空間中轉化為線 性問題求解。
[0052] 然后引入拉格朗日乘子γ，獲得拉格朗日函數，如公式(2)所示，將優化條件加入 到優化目標中
[0053] 丄 ^ i=\ k=l z'=l
L - (2)
[0054] 利用拉格朗日函數L在鞍點處求導為零，可對公式(2)進行求解。隨后利用公式(3) 預測下一個測點的傾角仏P+1 >方位角。
[0055]
[0056]
[0057] 3)將預測的傾角方位角α,Ι轉化為空間三維坐標：水平位移Z,f+K左右位 移7/ +1、上下位移Ζ?+10
[0058]
[0059]
[0060]
[00611 其中，Xn、Yn、Zn表示η測點的三維坐標，Δ Ln+1表示從η測點到n+1測點的鉆孔深度增 量，λ為預定方位角。
[0062] 通過預測軌跡與預定軌跡對比，依據最小偏差給出最優的工具面向角，實現對鉆 孔軌跡進行有效控制的步驟二中，可具體包括如下子步驟：
[0063] 1)計算鉆孔軌跡的預測值:水平位移、左右位移)^+1、上下位移么：與鉆孔軌 跡的預定值:水平位移、左右位移】1上下位移之間的偏差
[0064]
[0065] 2)選擇不同的工具面向角ω，重復上述步驟，得到一組不同的偏差d，得到偏差d與 工具面向角ω之間的關系曲線，根據最小偏差d miJ#到最優的工具面向角，實現對鉆孔 軌跡進行有效控制。
[0066] 由此，本發明通過確定預測的輸入與輸出，并構建基于兩輸出最小二乘支持向量 機的預測模型，利用實鉆軌跡預測下一個測點軌跡參數，然后通過預測軌跡與預定軌跡對 比，依據最小偏差給出最優的工具面向角，實現對鉆孔軌跡進行有效控制。該方法操作簡 單、結果可靠，可實時指導現場鉆進施工，具有工程使用價值。
[0067] 將本發明的上述方法應用在具體操作中：
[0068] 具體實施例1
[0069]某煤礦井下定向鉆進施工過程中，預定200m，施工要求按照預定軌跡施工，并確保 鉆孔位于煤層中預定方位角λ= 184.26°，螺桿馬達彎曲角度β= 1.25°。在鉆孔深度57m時發 現實鉆軌跡與預定軌跡偏差為2.21m，此時開始進行軌跡控制，實鉆軌跡為人工憑借經驗進 行控制，經過14步在135m將實鉆軌跡與預定軌跡之間的偏差控制在0.5m以內，而通過本發 明方法，只需要8步，在99m時即可將鉆孔軌跡與預定軌跡之間的偏差控制在0.5m以內。軌跡 控制結果如圖2所示，對應誤差如表1所示。從圖2中還可以看出，利用人工經驗軌跡在93m- 105m時，雖然在Χ0Υ平面內實鉆軌跡正在接近預定軌跡，但在Χ0Ζ平面內實鉆軌跡與預定軌 跡之間偏差卻在增大。本發明方法能夠很好地處理這一問題，在空間內讓鉆孔軌跡逼近預 定軌跡。圖3為在99m軌跡控制輸出的最佳工具面向角co Qpt = 39°，對應的最小偏差dmin = 0.4038m〇
[0070] 表1實鉆軌跡與預定軌跡、軌跡控制與預定軌跡之間偏差
[0071]
[0072] 通過上述實施例可知，本發明的方法在實際應用中也得到了充分的效果體現，其 軌跡偏差均較小，實現了實鉆軌跡和預定軌跡的實際有效控制。
[0073] 顯而易見的是，以上的描述和記載僅僅是舉例而不是為了限制本發明的公開內 容、應用或使用。雖然已經在實施例中描述過并且在附圖中描述了實施例，但本發明不限制 由附圖示例和在實施例中描述的作為目前認為的最佳模式以實施本發明的教導的特定例 子，本發明的范圍將包括落入前面的說明書和所附的權利要求的任何實施例。
【主權項】
1. 一種煤礦井下定向鉆孔軌跡控制方法，包含如下步驟： 步驟一:確定預定軌跡； 步驟二:確定輸入與輸出，構建基于兩輸出最小二乘支持向量機的預測模型，利用實鉆 軌跡預測下一個測點軌跡參數； 步驟三:對比通過實鉆軌跡預測的軌跡與預定軌跡，通過最小偏差給出最優的工具面 向角，控制后續的實鉆軌跡進行修正，實現對鉆孔軌跡進行有效控制。2. 如權利要求1所述的煤礦井下定向鉆孔軌跡控制方法，其特征在于:步驟二包括如下 子步驟： 1) 確定預測模型的輸入與輸出，輸入為剛完成η個鉆孔測點記錄的孔傾角Θ,、方位角αι、 工具面向角Wi，i = l，2，···，η，輸出為下一個測點的傾角\方位角a,f+1， 2) 構造基于兩輸出最小二乘支持向量機的預測模型，如公式(1)所示，⑴ 其中：是優化目標，s.t..是 優化條件，i = l，2,…，n表不湔人篸數的維數，k=l，2表示兩輸出，w超平面的法向量，b是相 應的偏移量，C是懲罰因子，ξ表示預測值與真實值之間誤差，A表示輸入向量，B是與A對應的 標簽值，Φ (AD表示非線性映射函數，將非線性的樣本集映射到高維特征空間中轉化為線 性問題求解， 然后引入拉格朗日乘子γ，獲得拉格朗日函數，如公式(2)所示，將優化條件加入到優 化目標中利用拉格朗日函數L在鞍點處求導為零，可對公式(2)進行求解，隨后利用公式(3)預測 下一個測點的傾角、方位角《,f+1 _ /=1其C3) 將預測的傾角6^+]和方位角轉化為空間三維坐標:水平位移、左右位移、 上下位移zf+1<其中，Χη、Υη、Ζη表示η測點的三維坐標，Δ Ln+1表示從11測點到n+1測點的鉆孔深度增量，λ 為預定方位角。3.如權利要求1或2所述的煤礦井下定向鉆孔軌跡控制方法，其特征在于:步驟三包括 如下子步驟： 1) 計算鉆孔軌跡的預測值:水平位移右位移if+"上下位移Zf+1與鉆孔軌跡的 預定值:水平位移2^>左右位移H >上下位移之間的偏差2) 選擇不同的工具面向角ω，重復上述步驟，得到一組不同的偏差d，得到偏差d與工具 面向角ω之間的關系曲線，根據最小偏差cUin得到最優的工具面向角ω w，實現對鉆孔軌跡 進行有效控制。
【文檔編號】E21B44/00GK105952377SQ201610285963
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月3日
【發明人】申中杰, 張 杰, 董洪波, 魏宏超, 宋海濤, 李曉鵬, 曹明, 葉雪峰
【申請人】中煤科工集團西安研究院有限公司