三維可視化及繩索鉆探技術的工程布置形式

劉森峰

（江西省地質局第八地質大隊，江西 上饒 334000）

三維可視化技術被廣泛應用于各個領域當中，實現(xiàn)對各類事物的可視化展現(xiàn)，在鉆井工程當中，該技術的應用能夠實現(xiàn)對鉆井三維仿真模型的建立，以此更加清晰地掌握在鉆井過程中各項參數(shù)的變化情況，可以實現(xiàn)對危險施工事故的有效避免，并進一步提高鉆井施工的效率和安全性[1]。而伸縮鉆探技術也是鉆井施工中常見的一種技術，利用各類打撈工具和雙管結構，實現(xiàn)對鉆井內部結構的勘探，從而為后續(xù)各項施工工作提供技術條件。

在利用繩索鉆探的過程中，可以進一步簡化鉆探作業(yè)難度，不僅能夠提高鉆探效率，還能夠節(jié)約大量的人力物力，在大大提高鉆探質量的同時，確保巖心的純度。但目前，由于鉆井作業(yè)的環(huán)境條件逐漸復雜，并且各類現(xiàn)代鉆井技術的應用使得其設備的管理難度增加，對于鉆井效率和鉆井質量而言都會造成極為嚴重的負面影響。因此，為了進一步提高鉆井工作的效率和質量，本文開展三維可視化及繩索鉆探技術的工程布置形式研究。

1 三維可視化技術的分析

伴隨經(jīng)濟社會高速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求量快速增長，為了滿足社會對礦產(chǎn)資源的需求量，相關技術人員對于礦產(chǎn)資源的勘探工作不斷加大，與此同時勘探過程當中面臨的工作環(huán)境越發(fā)復雜化，礦產(chǎn)資源開采難度也不斷增加，這些不利因素對于鉆井施工工作也帶來巨大難度，為了進一步提高鉆探施工技術水平，應當在鉆井工作開展過程當中進一步擴大鉆井、地質以及地球物理等各方面的研究工作，運用相關專業(yè)知識以及結合具體工作實際對鉆探工程科學布置，才能有效提高鉆井施工效率及其質量。而在鉆探施工過程當中，三維可視化技術發(fā)揮著十分重要的作用，應用該項技術就把鉆探過程當中涉及到的各類事物進行可視化展現(xiàn)，并基于三維可視化技術手段支撐下直觀呈現(xiàn)這些事物數(shù)據(jù)信息。另外，基于該項技術還可以再轉探施工工作開展之前，對設計方案是過程當中存在的很多不合理的問題以及安全隱患有效排除，增強技術人員在鉆探施工過程當中，各種復雜信息分析能力，以便鉆探施工更加高效，合理的開展，提高鉆探施工效率及其質量。因此，三維可視化技術在鉆探工程施工過程當中發(fā)揮著十分重要的作用。

1.1 有利于優(yōu)化鉆井井眼軌道設計

在鉆井工程施工過程當中，鉆井井眼軌道設計具有非常大的難度。針對鉆井井眼軌道設計復雜程度高的特點，在鉆探施工過程當中，便可將三維可視化技術具有的優(yōu)勢最大程度發(fā)揮出來，鉆井井眼軌道設計，有效應對鉆井井眼軌道設計遇到的各種難題，保證設計質量。而且在鉆探施工過程當中側井鉆探方面，通過該項技術應用，能夠進一步優(yōu)化鉆井設計方案，確保鉆井施工高效開展，保證施工質量。而方案設計之前，應當對鉆井周圍環(huán)境開展詳細的勘測工作，了解鉆井施工區(qū)域的質結構特點、地震剖面以及施工區(qū)域老井眼具體位置等各種數(shù)據(jù)，進而把獲得的數(shù)據(jù)在計算機特定軟件當中輸入，計算機軟件便可把獲得的數(shù)據(jù)自動生成頭像資料，便于工作人員結合這些圖像資料，通過三維可視化軟件有效的移動圖像，并結合經(jīng)驗合理調整有關數(shù)據(jù)。還可通過三維可視化軟件技術應用，對可存在經(jīng)驗的數(shù)據(jù)展開詳細分析，將老井眼充分顯示出來，滿足約束條件軌跡點。工作人員通過分析這些軌跡點，然后將理想的新井眼軌跡最終確定下來，通過三維可視化技術應用能夠進一步提高井眼軌跡精準性。

1.2 對鉆探的數(shù)據(jù)進行分析

鉆探施工工作具有很大的難度系數(shù)，稍有差錯，都可能會對整個狀態(tài)施工工程帶來不良影響，降低施工效率，影響施工進程，同時也使得有關施工單位面臨巨大的風險。所以在具體施工過程當中，不但要對泵排放量充分了解和掌握，而且還應當對轉盤轉速及時了解和掌握。而且還應當對鉆頭具體施工過程當中遇到的各種問題及時的進行監(jiān)測，便于針對這種情況展開有效處理。此時，便可將三維可視化技術具有的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來構建直觀的模型，對鉆探施工過程展開有效監(jiān)測，保證工作人員能夠精準全面的獲取有關數(shù)據(jù)，制定更為科學合理的鉆探施工方案，提高鉆探施工效率及其質量。而這些需要工作人員在鉆探施工過程當中，結合具體實際，科學合理的對有關措施進行調整，完成有關數(shù)據(jù)分析之后，在結合相關數(shù)據(jù)對有關方案科學制定，完善鉆探軌跡，提高鉆井整體質量。

2 鉆探施工過程當中三維可視化技術應用分析

三維可視化技術含義。就三維可視化技術而言，又被稱作3DV技術，涉及的知識領域較多，同時該項技術在現(xiàn)代科學技術高速發(fā)展背景下，已經(jīng)相當成熟，并在諸多領域方面得到了普及應用并發(fā)揮了巨大的作用。該項技術手段通過計算機來分析處理有關數(shù)據(jù)，并對圖像資料進行控制，在嚴密分析處理有關數(shù)據(jù)基礎上，將和鉆探工程有關的數(shù)據(jù)提取出來，為鉆探工程施工提供詳實的數(shù)據(jù)參考，確保狀態(tài)施工高效進行。

由于三維可視化技術獲得的數(shù)據(jù)非常精準全面，對于工作人員進行數(shù)據(jù)分析提供了非常大的幫助。三維可視化技術能夠把數(shù)據(jù)模型十分直觀的展現(xiàn)出來，為工作人員進行分析調整奠定了良好的基礎。鉆探施工作為礦產(chǎn)資源開發(fā)的重要前提與基礎，因此在礦產(chǎn)資源開發(fā)和利用過程當中，迫使工作人員運用此項技術手段，來進一步提高鉆井軌跡精準性，以便更加精準，全面的開展勘探工作。正因如此，在鉆井工程施工過程當中應用三維可視化技術，可以大幅提高鉆探施工效率及其質量，因此此項技術在鉆探施工過程當中，得到了普及應用。并發(fā)揮了越來越重要的作用。另外，三維可視化技術應用于鉆探施工。便于工作人員借助直觀的數(shù)據(jù)模型展開詳細的分析與研究，并對鉆探施工過程當中遇到的各種問題及時有效的處理，保證鉆探施工效率及其質量。

三維可視化技術應用于鉆探施工大都是以構建數(shù)學模型為基礎，大都是以構建數(shù)學模型為基礎，借助現(xiàn)有圖片以及技術資料，并利用數(shù)學模型形式將獲取的數(shù)據(jù)通過模型充分體現(xiàn)，便于工作人員對各個數(shù)據(jù)含義全面了解。這樣一來大大提高了數(shù)據(jù)全面性與可靠性，為鉆探施工工作提供了更加全面的數(shù)據(jù)參考。另外，近年來此項技術伴隨當前科學技術高速發(fā)展，該項技術也得到了極大完善，通過此項技術應用便于對各種勘探數(shù)據(jù)展開更加精準全面的分析處理等一系列操作。最后此項技術關鍵就在于對空間對象分布規(guī)律的分析，通過提供的各項勘測數(shù)據(jù)確定空間對象的性質。建立數(shù)據(jù)模型后，可以獲取一定的地理性質信息，更好的對所出現(xiàn)的問題進行把控，為整個石油鉆井工作提供準確的數(shù)據(jù)基礎。

3 三維可視化及繩索鉆探技術的工程布置形式設計

3.1 鉆探工程繩索鉆孔節(jié)點布設

當前結構簡單的鉆探施工地形結構已經(jīng)基本被開發(fā)，針對相對復雜的地形結構，在對其進行鉆探時，其鉆孔節(jié)點的布設不能采用傳統(tǒng)布設方式。因此，本文引入繩索鉆探技術，根據(jù)繩索鉆探需要，對其鉆孔節(jié)點進行布設。首先，針對鉆孔本身結構進行設計。將縮小套管層數(shù)與數(shù)量作為布設目標，當鉆進的深度超過1500m時，則通常會遇到復雜的巖層結構，需要通過套管的方式進行布設[2]。同時，在實際布設過程中，應當首先對鉆井區(qū)域的巖層結構進行定量和定性分析，確定主體結構，并以線性構造作為繩索鉆孔節(jié)點布設的主要結構。工程地質勘探鉆孔的孔徑，大多數(shù)是在推覆結構孔距為220m～450m，原地結構孔距在150m～280m的基礎上，形成450m線距，150m～220m孔距的布設結構，這樣設置孔距能夠滿足一般的鉆井區(qū)的地質勘探和試驗要求。但是在特殊情況下，譬如為了勘查斷層破碎帶和緩傾角裂隙的特征，就需按照工程地質的要求，打一些大的鉆孔，孔距設置距離近一些，以方便工程技術人員進行觀察和測量。

考慮到繩索鉆探過程中套管的固定和收回需要，在對其節(jié)點進行布設時，應當在套管的上下端點采用水泥固接法將其固定，并封固5m～10m長。同時，考慮到不同鉆井施工周圍結構的不同，在對繩索鉆孔節(jié)點之間的距離進行選擇時，針對具體結構具體分析。例如，針對一般鉆井結構，在細粒土聚集區(qū)進行鉆井施工時，開挖深深度要看工程具體情況確定。開挖深度超過3.5m（含3.5m）的土方開挖、支護、降水工程。

受地質條件、周圍環(huán)境和地下管線復雜情況的影響，繩索鉆孔節(jié)點之間的距離要控制在200m～220m范圍以內，超過規(guī)定范圍則會影響周圍工程項目施工的安全性。當?shù)貙記]有明顯變化時，可將繩索鉆孔節(jié)點之間距離設置為450m，針對每個工段不得少于兩個繩索鉆孔節(jié)點。

3.2 構建三維可視化鉆探地理分布模型

完成對鉆探工程繩索鉆孔節(jié)點的布設后，為了方便在實際施工過程中能夠對鉆井過程中各項參數(shù)的變化進行更加清晰地掌握，引入三維可視化技術，對鉆井地理分布模型進行構建。根據(jù)現(xiàn)場鉆井施工場地的實際情況，事先設計總體工程布置的二維圖像，并在定向鉆井設計軟件中生成二維圖像[3]。

鉆進過程三維可視化可以不間斷定向鉆進而測量近鉆頭孔底部分信息，并將信息即刻傳送到地表的過程。傳感器是裝在作為下部鉆具組合整體的一部分的特殊井下儀器中。井下儀器中還有一個發(fā)射器，通過某種遙測信道將信號發(fā)送到地面。

目前使用的最普通的遙測信道是鉆柱內的鉆井液柱。信號在地面上被檢測到后，經(jīng)過譯碼和處理，就按方便和可用的方式提供所需的信息。三維可視化鉆探技術最大優(yōu)點是可以讓地質工作者實時地“看”到井下正在發(fā)生的情況，從井底測量參數(shù)到地面接收到數(shù)據(jù)只延誤幾分鐘，所以可以改善決策過程。

三維可視化鉆探獲取信息的種類有：定向數(shù)據(jù)（井斜角、方位角、工具面角）；地層特性（伽馬射線、電阻率測井記錄）；鉆井參數(shù)（井底鉆壓、扭矩、每分鐘轉數(shù)）。鉆進過程實時三維可視化，將隨鉆測量的裝置通過數(shù)據(jù)采集卡與計算機連接，可以對鉆進過程三維可視化，如下圖所示。

圖1 模擬數(shù)據(jù)顯示的鉆進過程示意圖

4 應用效果分析

按照本文上述設計思路，將提出的全新的工程布置形式應用到真實礦區(qū)鉆探項目當中，驗證該方法驗證本文上述設計思路的合理性，以及新布置形式的可行性。選擇以海拔在19500m～2150m的某礦山作為依托，針對該礦山區(qū)域進行鉆探施工，該礦山所處地理位置大部分時間為雨水天氣，并且在嚴重時期可連續(xù)幾周的暴雨，但進入到10月份以后，雨量逐漸減小，并進入到旱季。礦區(qū)內的地層結構主要以變質沉積巖和火山沉積巖構成，區(qū)域內包含一條由南向北的斷裂帶，在該礦山內的多數(shù)礦產(chǎn)資源都受到該斷裂帶的控制影響。

針對該礦山結構，分別對其內生礦床和外生礦床進行鉆探，根據(jù)不同礦床類型，按照本文上述思路對其鉆探施工工程布置形式進行設計，并根據(jù)得出的鉆探結果，分析布置形式的特性。已知在該鉆探項目當中所需的設備及材料包括鉆機、發(fā)電機、供水管、管材等，為了實現(xiàn)對其工程的合理布置，在明確鉆探工程繩索鉆孔節(jié)點的基礎上，對其三維可視化鉆探地理分布模型進行構建，將完成布置后各個布置結構的距離與工程施工圖紙的要求進行對比，得到如表1所示的應用結果表。

表1 工程布置情況與工程施工圖紙標準要求對比

從表1得出的對比結果可以看出，按照本文上述提出的工程布置形式完成對現(xiàn)場鉆探工程施工布置后，其各項施工布置參數(shù)結果均在施工圖紙標準要求范圍內，有效提高了鉆探工程作業(yè)的精細化程度。

因此，通過實際應用及得出的應用效果能夠進一步證明，本文提出的工程布置形式能夠實現(xiàn)對鉆探工程的合理布置，并通過三維可視化技術對布置內容進行更加直觀的展現(xiàn)，從而為鉆探工程施工質量提供保障條件，并及時找出施工中存在的安全隱患，促進工程施工效率和施工質量的全面提升。

5 結束語

通過本文上述論述，在結合兩種現(xiàn)代化技術的基礎上，提出一種全新的工程布置形式，并通過應用實驗的方式，證明了上述設計思路的合理性。

將本文上述提出的工程布置形式，應用到實際鉆探工程項目當中，可以有效提高施工質量和效率。同時，當前新的材料技術已經(jīng)在工業(yè)領域當中發(fā)揮著更加重要的作用，對于鉆探技術的改進也提供了一定的幫助。為了進一步實現(xiàn)對鉆塔工程施工的完善，在后續(xù)的研究中還將綜合各類材料技術的應用優(yōu)勢，開展對其工程布置形式的進一步優(yōu)化，從而大幅度改善和提高鉆探施工質量。