鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)化簡介

鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)化是由憑經(jīng)驗(yàn)打鉆走向科學(xué)鉆探的必由之路。按照數(shù)學(xué)觀點(diǎn)，影響鉆進(jìn)速度和成本等指標(biāo)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(gè)鉆孔或一個(gè)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(jìn)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(jìn)指標(biāo)的具體影響，建立有關(guān)的數(shù)學(xué)方程，分析確定能使鉆進(jìn)指標(biāo)達(dá)最優(yōu)的參數(shù)（或參數(shù)組合）取值范圍。

鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)化主要包括鉆進(jìn)過程信息采集、鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)處理、研究優(yōu)化算法和實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制四個(gè)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(jī)構(gòu)屬于硬件范疇，而其他兩項(xiàng)屬于軟件范疇，重點(diǎn)在于尋找鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)與鉆進(jìn)指標(biāo)之間的關(guān)系，研究確定優(yōu)化準(zhǔn)則及如何在生產(chǎn)中具體實(shí)施的問題。最優(yōu)化鉆井技術(shù)首先于20世紀(jì)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(shí)也為實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘探優(yōu)化鉆進(jìn)提供了可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。但是，考慮到地質(zhì)鉆探的鉆孔口徑更小，巖石更堅(jiān)硬，所用鉆進(jìn)方法更多樣化，鉆進(jìn)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(jìn)技術(shù)。從20世紀(jì)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(jìn)參數(shù)檢測儀表和研究了鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選，為科學(xué)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(jì)的發(fā)育和知識經(jīng)濟(jì)時(shí)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(xué)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(jìn)技術(shù)仍是一個(gè)值得重視的很有發(fā)展前景的技術(shù) 。

（一）鉆進(jìn)參數(shù)檢測儀表

準(zhǔn)確測出并記錄實(shí)鉆過程中具體的規(guī)程參數(shù)值是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化鉆進(jìn)的基礎(chǔ)，它可為確定優(yōu)化準(zhǔn)則和實(shí)施鉆進(jìn)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(jìn)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(jìn)參數(shù)，以及參數(shù)超限報(bào)警和斷水自動停車等功能。

（二）基于計(jì)算機(jī)的鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

隨著技術(shù)進(jìn)步和微型計(jì)算機(jī)的普及，“鉆參儀”的研制更強(qiáng)調(diào)多功能并與微機(jī)技術(shù)相結(jié)合，這類儀表由硬件和軟件組成，故稱為鉆進(jìn)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(jìn)行分析，從而更適于從整個(gè)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(jìn)。

在鉆探技術(shù)較發(fā)達(dá)的前蘇聯(lián)，自20世紀(jì)80年代便開始研制帶微機(jī)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(jì)算機(jī)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(xué)（武漢）研制成功DDW鉆探微機(jī)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(jī)實(shí)鉆監(jiān)控系統(tǒng)和單片機(jī)坑道鉆進(jìn)參數(shù)測試儀 。

1.思路

影響鉆探指標(biāo)的因素很多，但是在不同的鉆進(jìn)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(biāo)（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(jìn)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(yàn)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(gè)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(jī)變量，對其觀察值進(jìn)行方差分析和判別。

例如，某隊(duì)在地層復(fù)雜、巖石堅(jiān)硬的大竹林礦區(qū)用S75C繩索取心金剛石鉆進(jìn)時(shí)，時(shí)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(xì)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(jìn)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(shí)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(shí)鉆速最高，而以回次鉆速為優(yōu)化準(zhǔn)則。所謂回次鉆速是指從鉆具開始下入鉆孔，進(jìn)行鉆進(jìn)，直至把鉆具從孔內(nèi)提出的工序中（一個(gè)回次內(nèi)）單位時(shí)間的進(jìn)尺 。

（一）根據(jù)前期工藝研究的成果來實(shí)施優(yōu)化鉆進(jìn)

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(shí)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(shí)施優(yōu)化鉆進(jìn)時(shí)，通常以新礦區(qū)的第一個(gè)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(jìn)的方案，用以指導(dǎo)第二、第三……孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工，并以第二、第三……孔的資料來不斷檢驗(yàn)和修正優(yōu)化鉆進(jìn)程序。一般在打了若干孔后才能逐步認(rèn)識該礦區(qū)的鉆進(jìn)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(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)尋優(yōu)并在鉆進(jìn)過程中識別孔內(nèi)工況

當(dāng)現(xiàn)場鉆機(jī)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(jī)、電’ 液轉(zhuǎn)換器時(shí)，可在前述工作的基礎(chǔ)上讓監(jiān)測系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)在鉆進(jìn)過程中識別孔內(nèi)工況并自動實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)尋優(yōu)，記憶并保持得出的最優(yōu)鉆進(jìn)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(jī)的階段。中國自行研制的系統(tǒng)還只能實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)工況識別與出現(xiàn)事故時(shí)的自動提鉆，按照優(yōu)化準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)自動控制的功能還有待深化。

我國自20世紀(jì)80年代以來在優(yōu)化鉆進(jìn)技術(shù)方面已取得了相當(dāng)?shù)某删?，在這個(gè)方向上已經(jīng)有了一定的科學(xué)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(jìn)行與優(yōu)化鉆進(jìn)技術(shù)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)及理論研究，提高算法和軟件的水平，加強(qiáng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研制以使優(yōu)化鉆進(jìn)系統(tǒng)能適應(yīng)野外生產(chǎn)條件。優(yōu)化鉆進(jìn)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(xué)中加強(qiáng)學(xué)生的工程數(shù)學(xué)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)方法、計(jì)算機(jī)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(qiáng)的實(shí)力，去完成全面實(shí)施鉆探過程最優(yōu)化的任務(wù) 。2100433B

項(xiàng)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(jìn)原理，采用不提鉆換鉆頭取心鉆進(jìn)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(jìn)技術(shù)。Φ114地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)技術(shù)，主要包括孔內(nèi)鉆進(jìn)裝置Φ114套管取心鉆進(jìn)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(jìn)鉆具是該系統(tǒng)的核心技術(shù)，具備套管鉆進(jìn)必須同時(shí)具備的不提鉆取心和不提鉆換鉆頭的兩個(gè)基本功能；Φ114套管屬于專門訂制的高強(qiáng)度套管，鉆進(jìn)時(shí)，用于代替繩索取心鉆桿傳遞鉆進(jìn)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(jī)和泥漿泵。 套管鉆進(jìn)技術(shù)采用不提鉆換鉆頭取心鉆進(jìn)工藝，擺脫了普通鉆進(jìn)方法為采集巖心、或?yàn)榱烁鼡Q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(yán)重影響，極大幅度改善了孔內(nèi)鉆進(jìn)環(huán)境，實(shí)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(shí)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(shí)匹配；大大幅度減少輔助時(shí)間，提高純鉆時(shí)間利用率；改善鉆探施工環(huán)境，降低勞動強(qiáng)度，促進(jìn)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(jìn)技術(shù)經(jīng)受了復(fù)雜地層和惡劣鉆探工藝條件的考驗(yàn)，其系統(tǒng)配套完善，套管鉆進(jìn)性能可靠和穩(wěn)定、套管鉆進(jìn)工藝操作性強(qiáng)，滿足但不限于復(fù)雜地層套管鉆進(jìn)的技術(shù)要求，初步具備巖心鉆探實(shí)用性。隨鉆該技術(shù)的逐漸完善，并結(jié)合Φ91套管鉆進(jìn)技術(shù)形成常用的套管鉆進(jìn)系列，將為我國復(fù)雜地層巖心鉆探提供有效的鉆進(jìn)新方法。 2100433B