煤礦井下定向鉆孔軌跡控制方法
【專利摘要】本發(fā)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(yù)定軌跡；步驟二：確定輸入與輸出，構(gòu)建基于兩輸出最小二乘支持向量機(jī)的預(yù)測(cè)模型，利用實(shí)鉆軌跡預(yù)測(cè)下一個(gè)測(cè)點(diǎn)軌跡參數(shù)；步驟三：對(duì)比通過實(shí)鉆軌跡預(yù)測(cè)的軌跡與預(yù)定軌跡，通過最小偏差給出最優(yōu)的工具面向角，控制后續(xù)的實(shí)鉆軌跡進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行有效控制；由此，本發(fā)明的方法操作簡(jiǎn)單、結(jié)果可靠，可實(shí)時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)施工，具有工程使用價(jià)值。
【專利說明】
煤礦井下定向鉆孔軌跡控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及地質(zhì)勘探的技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[0002] 煤礦安全生產(chǎn)對(duì)煤礦井下施工過程中的鉆進(jìn)效率、鉆孔軌跡等提出越來(lái)越高的要 求。定向鉆進(jìn)技術(shù)具備鉆進(jìn)速度快、定向精度高、"一孔多分支"等優(yōu)點(diǎn)，已成為高產(chǎn)高效煤 礦井下鉆孔施工有效的技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于煤礦瓦斯治理、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。
[0003] 在定向鉆進(jìn)過程中，隨鉆測(cè)量技術(shù)已漸趨成熟，但對(duì)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(zhì)條件、煤層分布、鉆桿重力等因素的影響，工具面 向角對(duì)傾角、方位角的影響趨勢(shì)相對(duì)容易獲取，但是它們之間定量化的關(guān)系還很難確定。現(xiàn) 行的鉆孔軌跡控制多是憑借人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行開展，具有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性和不確定性。施工過程 中技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)不足常常會(huì)導(dǎo)致實(shí)鉆軌跡偏離預(yù)定軌跡，無(wú)法保證施工鉆孔在煤層中最 長(zhǎng)穿越，致使瓦斯抽采效果不佳，造成鉆具在孔內(nèi)摩擦阻力較大，進(jìn)而影響鉆進(jìn)施工的安全 與質(zhì)量，甚至引發(fā)埋鉆、孔內(nèi)坍塌等事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。
[0004]為此，本發(fā)明的設(shè)計(jì)者有鑒于上述缺陷，通過潛心研究和設(shè)計(jì)，綜合長(zhǎng)期多年從事 相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗(yàn)和成果，研究設(shè)計(jì)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(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)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(jiǎn)單，能實(shí) 現(xiàn)實(shí)鉆軌跡逼近預(yù)定軌跡，保證施工鉆孔在煤層中最長(zhǎng)穿越，提高瓦斯抽采效率。
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)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(yù)定軌跡；
[0008] 步驟二:確定輸入與輸出，構(gòu)建基于兩輸出最小二乘支持向量機(jī)的預(yù)測(cè)模型，利用 實(shí)鉆軌跡預(yù)測(cè)下一個(gè)測(cè)點(diǎn)軌跡參數(shù)；
[0009] 步驟三:對(duì)比通過實(shí)鉆軌跡預(yù)測(cè)的軌跡與預(yù)定軌跡，通過最小偏差給出最優(yōu)的工 具面向角，控制后續(xù)的實(shí)鉆軌跡進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行有效控制。
[0010]其中：步驟二包括如下子步驟：
[0011] 1)確定預(yù)測(cè)模型的輸入與輸出，輸入為剛完成η個(gè)鉆孔測(cè)點(diǎn)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(gè)測(cè)點(diǎn)的傾角貧^方位角a,f+1
[0012] 2)構(gòu)造基于兩輸出最小二乘支持向量機(jī)的預(yù)測(cè)模型，如公式(1)所示，
[0013]
[0014]
[0015] 其中
差優(yōu)化目標(biāo)，S.t
嘴 優(yōu)化條件，i = l，2,…，n表示輸入?yún)?shù)的維數(shù)，k=l，2表示兩輸出，w超平面的法向量，b是相 應(yīng)的偏移量，C是懲罰因子，ξ表示預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間誤差，A表示輸入向量，B是與A對(duì)應(yīng)的 標(biāo)簽值，Φ (AD表示非線性映射函數(shù)，將非線性的樣本集映射到高維特征空間中轉(zhuǎn)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(shù)，如公式(2)所示，將優(yōu)化條件加入 到優(yōu)化目標(biāo)中
[0017]
[0018] 利用拉格朗日函數(shù)L在鞍點(diǎn)處求導(dǎo)為零，可對(duì)公式(2)進(jìn)行求解，隨后利用公式(3) 預(yù)測(cè)下一個(gè)測(cè)點(diǎn)的傾角6>,f+1、方位角％f+11
[0019]
[0020]
[0021] 3)將預(yù)測(cè)的傾角和方位角a,f+1轉(zhuǎn)化為空間三維坐標(biāo)：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(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，Δ Ln+1表示從η測(cè)點(diǎn)到n+1測(cè)點(diǎn)的鉆孔深度增 量，λ為預(yù)定方位角。
[0026] 其中：步驟三包括如下子步驟：
[0027] 1)計(jì)算鉆孔軌跡的預(yù)測(cè)值:水平位移左右位移^、上下位移之^與鉆孔軌 跡的預(yù)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(fù)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(guān)系曲線，根據(jù)最小偏差d miJ#到最優(yōu)的工具面向角，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔 軌跡進(jìn)行有效控制。
[0030] 通過上述結(jié)構(gòu)可知，本發(fā)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(shí)鉆數(shù)據(jù)，基于兩輸出最小二乘支持向量機(jī)構(gòu)建完善的鉆孔軌跡預(yù) 測(cè)機(jī)制，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)下一步的鉆孔軌跡；
[0032] 2、給出最優(yōu)的工具面向角，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔軌跡的自動(dòng)控制，改變了過去利用人工經(jīng) 驗(yàn)控制軌跡的現(xiàn)狀，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)；
[0033] 3、操作簡(jiǎn)單、結(jié)果可靠，可實(shí)時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)施工，具有良好的工程使用價(jià)值。
[0034]本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)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(fā)明的鉆孔軌跡控制模型的三維示意圖。
[0036]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中實(shí)鉆軌跡、預(yù)定軌跡與軌跡控制平面圖，其中圖2 (a)為Χ0Υ 平面內(nèi)的實(shí)鉆軌跡、預(yù)定軌跡與軌跡控制；圖2(b)為Χ0Ζ平面內(nèi)的實(shí)鉆軌跡、預(yù)定軌跡與軌 跡控制.
[0037]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中99m處最優(yōu)工具面。
【具體實(shí)施方式】
[0038]參見圖1至圖3,顯示了本發(fā)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(biāo)軸(^、0￥、02，圖中的<^+1為預(yù)定軌跡，4^4為實(shí)鉆 軌跡，虛線為實(shí)鉆軌跡的延長(zhǎng)線，為預(yù)測(cè)軌跡，足4爲(wèi)為為_4為在Χ0Υ平面內(nèi)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(dá)的彎曲角度扎
[0040] 參考圖2所示，實(shí)心點(diǎn)畫線為預(yù)定軌跡，空心三角框畫線為實(shí)鉆軌跡，空心圈畫線 為軌跡控制。
[0041 ]參照?qǐng)D3所示，橫坐標(biāo)為工具面向角，單位為度;縱坐標(biāo)為鉆孔軌跡控制與預(yù)定軌 跡之間的偏差，單位m，標(biāo)注出的點(diǎn)橫坐標(biāo)為最優(yōu)工具面向角，縱坐標(biāo)為最小偏差。
[0042 ]本發(fā)明的控制方法主要包含如下步驟：
[0043] 步驟一:確定預(yù)定軌跡；
[0044] 步驟二:確定輸入與輸出，構(gòu)建基于兩輸出最小二乘支持向量機(jī)的預(yù)測(cè)模型，利用 實(shí)鉆軌跡預(yù)測(cè)下一個(gè)測(cè)點(diǎn)軌跡參數(shù)；
[0045] 步驟三:對(duì)比通過實(shí)鉆軌跡預(yù)測(cè)的軌跡與預(yù)定軌跡，通過最小偏差給出最優(yōu)的工 具面向角，控制后續(xù)的實(shí)鉆軌跡進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行有效控制。
[0046] 其中，構(gòu)建基于螺桿鉆具的彎曲角度和工具面向角的連續(xù)彎曲模型，利用實(shí)鉆軌 跡預(yù)測(cè)下一個(gè)測(cè)點(diǎn)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(gè)鉆孔測(cè)點(diǎn)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(gè)測(cè)點(diǎn)的傾角^^方位角％^。
[0048] 2)構(gòu)造基于兩輸出最小二乘支持向量機(jī)的預(yù)測(cè)模型，如公式(1)所示。
[0049]
[0050] (1)
[0051] 其牛
差優(yōu)化目標(biāo)，s.t 必(4) + /) + ^是 優(yōu)化條件，i = 1，2，…，η表示輸入?yún)?shù)的維數(shù)。k= 1，2表示兩輸出。w超平面的法向量，b是相 應(yīng)的偏移量。C是懲罰因子，ξ表示預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間誤差。A表示輸入向量，B是與A對(duì)應(yīng)的 標(biāo)簽值。Φ (AO表示非線性映射函數(shù)，將非線性的樣本集映射到高維特征空間中轉(zhuǎn)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(shù)，如公式(2)所示，將優(yōu)化條件加入 到優(yōu)化目標(biāo)中
[0053] 丄 ^ i=\ k=l z'=l
L - (2)
[0054] 利用拉格朗日函數(shù)L在鞍點(diǎn)處求導(dǎo)為零，可對(duì)公式(2)進(jìn)行求解。隨后利用公式(3) 預(yù)測(cè)下一個(gè)測(cè)點(diǎn)的傾角仏P+1 >方位角。
[0055]
[0056]
[0057] 3)將預(yù)測(cè)的傾角方位角α,Ι轉(zhuǎn)化為空間三維坐標(biāo)：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(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，Δ Ln+1表示從η測(cè)點(diǎn)到n+1測(cè)點(diǎn)的鉆孔深度增 量，λ為預(yù)定方位角。
[0062] 通過預(yù)測(cè)軌跡與預(yù)定軌跡對(duì)比，依據(jù)最小偏差給出最優(yōu)的工具面向角，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆 孔軌跡進(jìn)行有效控制的步驟二中，可具體包括如下子步驟：
[0063] 1)計(jì)算鉆孔軌跡的預(yù)測(cè)值:水平位移、左右位移)^+1、上下位移么：與鉆孔軌 跡的預(yù)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(fù)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(guān)系曲線，根據(jù)最小偏差d miJ#到最優(yōu)的工具面向角，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔 軌跡進(jìn)行有效控制。
[0066] 由此，本發(fā)明通過確定預(yù)測(cè)的輸入與輸出，并構(gòu)建基于兩輸出最小二乘支持向量 機(jī)的預(yù)測(cè)模型，利用實(shí)鉆軌跡預(yù)測(cè)下一個(gè)測(cè)點(diǎn)軌跡參數(shù)，然后通過預(yù)測(cè)軌跡與預(yù)定軌跡對(duì) 比，依據(jù)最小偏差給出最優(yōu)的工具面向角，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行有效控制。該方法操作簡(jiǎn) 單、結(jié)果可靠，可實(shí)時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)施工，具有工程使用價(jià)值。
[0067] 將本發(fā)明的上述方法應(yīng)用在具體操作中：
[0068] 具體實(shí)施例1
[0069]某煤礦井下定向鉆進(jìn)施工過程中，預(yù)定200m，施工要求按照預(yù)定軌跡施工，并確保 鉆孔位于煤層中預(yù)定方位角λ= 184.26°，螺桿馬達(dá)彎曲角度β= 1.25°。在鉆孔深度57m時(shí)發(fā) 現(xiàn)實(shí)鉆軌跡與預(yù)定軌跡偏差為2.21m，此時(shí)開始進(jìn)行軌跡控制，實(shí)鉆軌跡為人工憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn) 行控制，經(jīng)過14步在135m將實(shí)鉆軌跡與預(yù)定軌跡之間的偏差控制在0.5m以內(nèi)，而通過本發(fā) 明方法，只需要8步，在99m時(shí)即可將鉆孔軌跡與預(yù)定軌跡之間的偏差控制在0.5m以內(nèi)。軌跡 控制結(jié)果如圖2所示，對(duì)應(yīng)誤差如表1所示。從圖2中還可以看出，利用人工經(jīng)驗(yàn)軌跡在93m- 105m時(shí)，雖然在Χ0Υ平面內(nèi)實(shí)鉆軌跡正在接近預(yù)定軌跡，但在Χ0Ζ平面內(nèi)實(shí)鉆軌跡與預(yù)定軌 跡之間偏差卻在增大。本發(fā)明方法能夠很好地處理這一問題，在空間內(nèi)讓鉆孔軌跡逼近預(yù) 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(duì)應(yīng)的最小偏差dmin = 0.4038m〇
[0070] 表1實(shí)鉆軌跡與預(yù)定軌跡、軌跡控制與預(yù)定軌跡之間偏差
[0071]
[0072] 通過上述實(shí)施例可知，本發(fā)明的方法在實(shí)際應(yīng)用中也得到了充分的效果體現(xiàn)，其 軌跡偏差均較小，實(shí)現(xiàn)了實(shí)鉆軌跡和預(yù)定軌跡的實(shí)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(fā)明的公開內(nèi) 容、應(yīng)用或使用。雖然已經(jīng)在實(shí)施例中描述過并且在附圖中描述了實(shí)施例，但本發(fā)明不限制 由附圖示例和在實(shí)施例中描述的作為目前認(rèn)為的最佳模式以實(shí)施本發(fā)明的教導(dǎo)的特定例 子，本發(fā)明的范圍將包括落入前面的說明書和所附的權(quán)利要求的任何實(shí)施例。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(yù)定軌跡； 步驟二:確定輸入與輸出，構(gòu)建基于兩輸出最小二乘支持向量機(jī)的預(yù)測(cè)模型，利用實(shí)鉆 軌跡預(yù)測(cè)下一個(gè)測(cè)點(diǎn)軌跡參數(shù)； 步驟三:對(duì)比通過實(shí)鉆軌跡預(yù)測(cè)的軌跡與預(yù)定軌跡，通過最小偏差給出最優(yōu)的工具面 向角，控制后續(xù)的實(shí)鉆軌跡進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行有效控制。2. 如權(quán)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(yù)測(cè)模型的輸入與輸出，輸入為剛完成η個(gè)鉆孔測(cè)點(diǎn)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(gè)測(cè)點(diǎn)的傾角\方位角a,f+1， 2) 構(gòu)造基于兩輸出最小二乘支持向量機(jī)的預(yù)測(cè)模型，如公式(1)所示，⑴ 其中：是優(yōu)化目標(biāo)，s.t..是 優(yōu)化條件，i = l，2,…，n表不湔人篸數(shù)的維數(shù)，k=l，2表示兩輸出，w超平面的法向量，b是相 應(yīng)的偏移量，C是懲罰因子，ξ表示預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間誤差，A表示輸入向量，B是與A對(duì)應(yīng)的 標(biāo)簽值，Φ (AD表示非線性映射函數(shù)，將非線性的樣本集映射到高維特征空間中轉(zhuǎn)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(shù)，如公式(2)所示，將優(yōu)化條件加入到優(yōu) 化目標(biāo)中利用拉格朗日函數(shù)L在鞍點(diǎn)處求導(dǎo)為零，可對(duì)公式(2)進(jìn)行求解，隨后利用公式(3)預(yù)測(cè) 下一個(gè)測(cè)點(diǎn)的傾角、方位角《,f+1 _ /=1其C3) 將預(yù)測(cè)的傾角6^+]和方位角轉(zhuǎn)化為空間三維坐標(biāo):水平位移、左右位移、 上下位移zf+1<其中，Χη、Υη、Ζη表示η測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，Δ Ln+1表示從11測(cè)點(diǎn)到n+1測(cè)點(diǎn)的鉆孔深度增量，λ 為預(yù)定方位角。3.如權(quán)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(jì)算鉆孔軌跡的預(yù)測(cè)值:水平位移右位移if+"上下位移Zf+1與鉆孔軌跡的 預(yù)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(fù)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(guān)系曲線，根據(jù)最小偏差cUin得到最優(yōu)的工具面向角ω w，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔軌跡 進(jìn)行有效控制。
【文檔編號(hào)】E21B44/00GK105952377SQ201610285963
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月3日
【發(fā)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(qǐng)人】中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司