鉆進技術(shù)優(yōu)化

1.思路

影響鉆探指標的因素很多，但是在不同的鉆進條件下它們對鉆速或成本的影響程度是有差異的，為了優(yōu)選參數(shù)，必須從眾多影響因素中找出對需優(yōu)化的指標（例如鉆速或成本）有顯著影響的主要因素來加以分析研究。剔除次要因素后，可減少測量原始數(shù)據(jù)的工作量，降低數(shù)據(jù)處理的難度，提高尋優(yōu)的速度。方差分析正是鑒別各因素效應(yīng)的一種有效方法。一般在生產(chǎn)過程中首先進行方差分析，得出主要因素后再應(yīng)用回歸分析等方法建立經(jīng)驗方程，或者直接從主要因素入手調(diào)整參數(shù)以獲得更好的生產(chǎn)效果。根據(jù)所考察因素的個數(shù)，方差分析可分為單因素方差分析、雙因素方差分析和多因素方差分析。

2.方法舉例

設(shè)有雙因素A、B，觀察其各自的隨機變量，對其觀察值進行方差分析和判別。

例如，某隊在地層復(fù)雜、巖石堅硬的大竹林礦區(qū)用S75C繩索取心金剛石鉆進時，時效只有0.25m/h，且鉆頭很快被拋光。應(yīng)用雙因素方差分析后，得知在石英細砂巖中鉆壓是最主要的因素，而在其他巖層中轉(zhuǎn)速是最主要的因素，因而在調(diào)整參數(shù)后，臺月效率提高了30.7%。

在鉆進過程中鉆頭破碎巖石與巖石磨損鉆頭是一對矛盾。如果鉆速過高，必然導(dǎo)致鉆頭很快磨損，使大量的時間消耗在升降鉆具和換鉆頭的輔助作業(yè)中。因此，人們并不追求瞬時鉆速最高，而以回次鉆速為優(yōu)化準則。所謂回次鉆速是指從鉆具開始下入鉆孔，進行鉆進，直至把鉆具從孔內(nèi)提出的工序中（一個回次內(nèi)）單位時間的進尺 。

鉆進技術(shù)優(yōu)化是由憑經(jīng)驗打鉆走向科學鉆探的必由之路。按照數(shù)學觀點，影響鉆進速度和成本等指標的因素可以分為兩大類：一類是地質(zhì)條件、巖層性質(zhì)和埋藏深度等客觀因素，它們在一個鉆孔或一個礦區(qū)內(nèi)是不可改變的常量；另一類是鉆壓、轉(zhuǎn)速和泥漿性能等參數(shù)，是可以調(diào)節(jié)的變量。鉆進技術(shù)優(yōu)化的基本任務(wù)就是要確切掌握這些可調(diào)變量對鉆速、成本（還可以是功耗、金剛石耗量、鉆孔彎曲率）等鉆進指標的具體影響，建立有關(guān)的數(shù)學方程，分析確定能使鉆進指標達最優(yōu)的參數(shù)（或參數(shù)組合）取值范圍。

鉆進技術(shù)優(yōu)化主要包括鉆進過程信息采集、鉆進過程數(shù)據(jù)處理、研究優(yōu)化算法和實現(xiàn)最優(yōu)控制四個方面的內(nèi)容，其中信息采集工具和最優(yōu)化自動控制執(zhí)行機構(gòu)屬于硬件范疇，而其他兩項屬于軟件范疇，重點在于尋找鉆進規(guī)程參數(shù)與鉆進指標之間的關(guān)系，研究確定優(yōu)化準則及如何在生產(chǎn)中具體實施的問題。最優(yōu)化鉆井技術(shù)首先于20世紀60年代中后期在美國的石油鉆井工業(yè)中開始應(yīng)用。近幾十年來在推廣中不斷完善，使油（氣）鉆井速度明顯提高，成本顯著下降，同時也為實現(xiàn)地質(zhì)勘探優(yōu)化鉆進提供了可以借鑒的經(jīng)驗。但是，考慮到地質(zhì)鉆探的鉆孔口徑更小，巖石更堅硬，所用鉆進方法更多樣化，鉆進目的也不盡相同，加之孔底破巖過程更復(fù)雜，故地質(zhì)鉆探又不能完全套用石油優(yōu)化鉆井的現(xiàn)成模式。

我國勘探工程界始終重視優(yōu)化鉆進技術(shù)。從20世紀70年代中后期大面積推廣小口徑金剛石鉆探技術(shù)以來，研制了一批鉆進參數(shù)檢測儀表和研究了鉆進參數(shù)優(yōu)選，為科學地掌握和合理選擇鉆探規(guī)程參數(shù)，輔助判斷孔內(nèi)工況提供了技術(shù)手段。近十年來，隨著市場經(jīng)濟的發(fā)育和知識經(jīng)濟時代的到來，國內(nèi)外地質(zhì)鉆探領(lǐng)域都發(fā)生了深刻的變化，一方面是用于地質(zhì)找礦的巖心鉆探工作量減少，另一方面鉆探的服務(wù)領(lǐng)域又越來越寬，科學鉆探、高精度定向鉆探、工程施工鉆探等，都要求以更高的質(zhì)量、更快的速度、更低的成本完成任務(wù)。因此，優(yōu)化鉆進技術(shù)仍是一個值得重視的很有發(fā)展前景的技術(shù) 。

（一）鉆進參數(shù)檢測儀表

準確測出并記錄實鉆過程中具體的規(guī)程參數(shù)值是實現(xiàn)優(yōu)化鉆進的基礎(chǔ)，它可為確定優(yōu)化準則和實施鉆進過程最優(yōu)控制積累大量的原始資料。國內(nèi)外在優(yōu)化鉆進領(lǐng)域的工作都是從研制單參數(shù)檢測儀表開始，在此基礎(chǔ)上再研究多參數(shù)綜合檢測儀表，可檢測鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆速、泵壓、泵量等鉆進參數(shù)，以及參數(shù)超限報警和斷水自動停車等功能。

（二）基于計算機的鉆進參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

隨著技術(shù)進步和微型計算機的普及，“鉆參儀”的研制更強調(diào)多功能并與微機技術(shù)相結(jié)合，這類儀表由硬件和軟件組成，故稱為鉆進監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)比傳統(tǒng)的監(jiān)測儀表精度更高，識別和圖形輸出的功能更全面，其信息可以長期儲存，能方便地對“歷史”資料進行分析，從而更適于從整個礦區(qū)或全孔的生產(chǎn)全過程來研究諸參數(shù)間的規(guī)律性，更適用于優(yōu)化鉆進。

在鉆探技術(shù)較發(fā)達的前蘇聯(lián)，自20世紀80年代便開始研制帶微機的監(jiān)測系統(tǒng)。特別是在科拉半島超萬米的C?！?孔的施工中，應(yīng)用計算機監(jiān)測系統(tǒng)是超深鉆成功的關(guān)鍵之一。我國首先由中國地質(zhì)大學（武漢）研制成功DDW鉆探微機多功能監(jiān)測系統(tǒng)，曾在國內(nèi)推廣應(yīng)用，并出口至烏克蘭、巴基斯坦，獲地礦部科技成果二等獎和國家科委等單位頒發(fā)的“國家級新產(chǎn)品”證書。此外，還研制了XDW型微機實鉆監(jiān)控系統(tǒng)和單片機坑道鉆進參數(shù)測試儀 。

（一）根據(jù)前期工藝研究的成果來實施優(yōu)化鉆進

這里的前期工藝研究成果包含兩層意思，一是指本礦區(qū)的前期研究成果，二是指前人已得出并被大量實踐證明了的規(guī)律。由于各地區(qū)的地質(zhì)條件差異很大，孔內(nèi)情況又難于觀察和完全一致。

在實施優(yōu)化鉆進時，通常以新礦區(qū)的第一個孔為資料孔（配有鉆探監(jiān)測系統(tǒng)），處理獲取的大量數(shù)據(jù)后，制訂出該礦區(qū)優(yōu)化鉆進的方案，用以指導(dǎo)第二、第三……孔的優(yōu)化設(shè)計與施工，并以第二、第三……孔的資料來不斷檢驗和修正優(yōu)化鉆進程序。一般在打了若干孔后才能逐步認識該礦區(qū)的鉆進規(guī)律，建立一套比較完善的優(yōu)化鉆井程序，以指導(dǎo)高速度高水平地完成后續(xù)全部鉆探工作量。

（二）自動實現(xiàn)鉆進規(guī)程參數(shù)尋優(yōu)并在鉆進過程中識別孔內(nèi)工況

當現(xiàn)場鉆機上配有功能齊全的監(jiān)測系統(tǒng)和用于控制輸出的調(diào)速電機、電’ 液轉(zhuǎn)換器時，可在前述工作的基礎(chǔ)上讓監(jiān)測系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)在鉆進過程中識別孔內(nèi)工況并自動實現(xiàn)鉆進規(guī)程參數(shù)尋優(yōu)，記憶并保持得出的最優(yōu)鉆進規(guī)程值。國外已經(jīng)在生產(chǎn)過程中使用了這種設(shè)備，但尚停留在樣機的階段。中國自行研制的系統(tǒng)還只能實現(xiàn)孔內(nèi)工況識別與出現(xiàn)事故時的自動提鉆，按照優(yōu)化準則實現(xiàn)自動控制的功能還有待深化。

我國自20世紀80年代以來在優(yōu)化鉆進技術(shù)方面已取得了相當?shù)某删?，在這個方向上已經(jīng)有了一定的科學儲備，已出版了一批有關(guān)的著作。今后鉆探過程最優(yōu)化的研究工作應(yīng)主要集中在：進行與優(yōu)化鉆進技術(shù)有關(guān)的實驗及理論研究，提高算法和軟件的水平，加強執(zhí)行機構(gòu)的研制以使優(yōu)化鉆進系統(tǒng)能適應(yīng)野外生產(chǎn)條件。優(yōu)化鉆進要求專業(yè)人員具有更高的業(yè)務(wù)素質(zhì)，必須在院校教學中加強學生的工程數(shù)學、試驗設(shè)計數(shù)學方法、計算機技術(shù)和模式識別技術(shù)的基礎(chǔ)，使未來的專業(yè)人員有更強的實力，去完成全面實施鉆探過程最優(yōu)化的任務(wù) 。2100433B

項目針對復(fù)雜地層巖心鉆探難的現(xiàn)狀，基于繩索取心鉆進原理，采用不提鉆換鉆頭取心鉆進的技術(shù)途徑，研究了一種全新的巖心鉆探新方法-Φ114地質(zhì)勘探套管取心鉆進技術(shù)。Φ114地質(zhì)勘探套管鉆進技術(shù)，主要包括孔內(nèi)鉆進裝置Φ114套管取心鉆進鉆具和Φ114套管，配套的打撈器、絞車、套管夾持器、提引器等地面配套器具。其中，Φ114套管取心鉆進鉆具是該系統(tǒng)的核心技術(shù)，具備套管鉆進必須同時具備的不提鉆取心和不提鉆換鉆頭的兩個基本功能；Φ114套管屬于專門訂制的高強度套管，鉆進時，用于代替繩索取心鉆桿傳遞鉆進壓力和扭矩，并作為傳輸沖洗液的通道；打撈器和絞車用于打撈或投送套管取心鉆具；套管夾持器和提引器用于起下套管。地面鉆探裝備沿用常用的鉆機和泥漿泵。 套管鉆進技術(shù)采用不提鉆換鉆頭取心鉆進工藝，擺脫了普通鉆進方法為采集巖心、或為了更換孔底鉆頭，必須的頻繁起下鉆工序，避免起下鉆工序?qū)︺@孔穩(wěn)定性的嚴重影響，極大幅度改善了孔內(nèi)鉆進環(huán)境，實現(xiàn)隨鉆下套管，有利于快速和有效穿過復(fù)雜地層；可即時針對具體地層調(diào)整和優(yōu)化鉆頭使用方案，使鉆頭與地層即時匹配；大大幅度減少輔助時間，提高純鉆時間利用率；改善鉆探施工環(huán)境，降低勞動強度，促進安全生產(chǎn)，提高鉆孔施工質(zhì)量和提高鉆探效率； Φ114套管鉆進技術(shù)經(jīng)受了復(fù)雜地層和惡劣鉆探工藝條件的考驗，其系統(tǒng)配套完善，套管鉆進性能可靠和穩(wěn)定、套管鉆進工藝操作性強，滿足但不限于復(fù)雜地層套管鉆進的技術(shù)要求，初步具備巖心鉆探實用性。隨鉆該技術(shù)的逐漸完善，并結(jié)合Φ91套管鉆進技術(shù)形成常用的套管鉆進系列，將為我國復(fù)雜地層巖心鉆探提供有效的鉆進新方法。 2100433B