本文是山西煤基低碳联合基金项目(U1510112)的重要组成部分,也是2014年晋煤集团科技攻关项目的主体内容。它是针对煤矿井下水平定向钻机钻孔轨迹无法快速、准确跟踪设计轨迹的问题而提出的。随着我国煤层气产业的快速发展,矿用水平定向钻机应用越来越广泛,其轨迹测量和跟踪的准确性和快速性直接影响着开采效率和生产安全。多年来,矿用水平定向钻机一直依靠进口,由于其技术封锁、配件周期长、服务不及时等问题严重制约着煤层气产业的发展。尽管我国目前众多煤机企业在研制水平钻机台体方面已经有了长足发展,但是鉴于其专长侧重于机械设计,在随钻测斜技术、钻孔轨迹跟踪技术方面跟国外的差距仍然比较大。因此,研究具有自主知识产权和国际先进水平的水平定向钻机钻孔轨迹测斜系统及跟踪技术具有重要的现实意义和重大的经济价值。本文以矿用水平钻机(包括矿用水平千米定向钻机和矿用普通回转钻机)为研究对象,在广范调研国内外近水平钻孔轨迹测斜技术和控制技术的基础上,自主开发了可适用于矿用普通回转钻机的随钻测斜系统,并就其测量技术、校正方法和抗磁干扰方法,以及水平千米定向钻机钻孔轨迹跟踪技术,展开了深入研究,具体研究内容如下:(1)随钻测斜系统是煤矿井下水平钻机的重要组成部分,主要用于对其所钻钻孔进行测量和轨迹绘制。本文针对普通回转钻机的功能和技术要求,结合煤矿现场的作业规程和钻进工艺,提出了离线式数据同步法,并基于该方法开发了离线式随钻测斜系统,即孔底姿态测量单元(探管)、孔口数据同步单元(同步仪)和上位机轨迹分析软件三部分。该系统在不改变回转钻机结构和钻进工艺的前提下,使其具备了轨迹绘制功能。(2)随钻测斜系统姿态测量单元的校正是轨迹精确绘制的重要保证。本文针对现有随钻测斜系统姿态测量单元校正方法落后,校正成本高昂,校正精度低,并且存在校正后不良姿态点的问题,本文深入研究了其传感器模型(三轴加速度计-三轴磁强计-载具坐标系)的误差来源,以及现有的基本校正方法,特别是无外部参考的低成本校正方法,进而提出了适用于多矢量传感器的组合校正策略。该策略以解决了传感器坐标系与载具坐标系未对准误差为前提,在考虑了对应的数据测点采集方法的情况下,通过组合基本校正法,实现了对测量单元的所有线性时不变误差的校正。该策略还通过研究未对准误差角与姿态角之间的关系,简化了校正流程,提高了鲁棒性,使得校正结果更加真实、准确。(3)排除环境随机磁干扰对随钻测斜系统的影响对钻孔轨迹精确绘制具有重要意义。本文针对目前磁基随钻测斜系统(加速度-计磁强计)无法避免在随钻头钻进过程中受随机磁干扰影响的问题,根据水平千米定向钻机和普通回转钻机的钻进工艺,分别提出了硬件抗磁干扰方法和软件抗磁干扰方法。其中硬件抗磁干扰方法在原有的传感器模型中引入三轴陀螺仪,采用数据融合法在姿态角层面补偿受干扰的测点。软件抗磁干扰方法利用支持向量回归机训练轨迹中未受干扰的测点,得到轨迹模型,然后由轨迹模型预测受干扰测点的方位角,从而达到了抗磁干扰的目的。(4)水平钻孔轨迹能够准确跟踪设计轨迹是实现钻孔中靶的重要因素。本文针对水平千米定向钻机实钻轨迹跟踪设计轨迹全靠工人经验的现状,通过分析水平千米定向钻机单弯螺杆钻具在孔底的力学模型和钻具钻进过程的三维钻速方程,并基于最优跟踪理论和距离最短原则,提出一种可适用于钻机钻孔轨迹自动跟踪设计轨迹的算法。该算法通过轨迹预测预测模型推导出下一钻杆最佳工具面向角计算公式,从而实现钻孔轨迹对设计轨迹的跟踪,对水平定向钻机在煤矿的实际应用具有重大意义。