鑽進技術最佳化

鑽進技術最佳化是由憑經驗打鑽走向科學鑽探的必由之路。按照數學觀點，影響鑽進速度和成本等指標的因素可以分為兩大類：一類是科學鑽探、岩層性質和埋藏深度等客觀因素，它們在一個鑽孔或一個礦區內是不可改變的常量；另一類是鑽壓、轉速和泥漿性能等參數，是可以調節的變數。

基本介紹

• 中文名：鑽進技術最佳化
• 外文名：Drilling technology optimization
• 學科：水利工程
• 領域：科學鑽探
• 影響因素：科學鑽探、鑽壓、轉速和泥漿性能
• 性質：可以調節的變數

簡介

鑽進技術最佳化是由憑經驗打鑽走向科學鑽探的必由之路。按照數學觀點，影響鑽進速度和成本等指標的因素可以分為兩大類：一類是地質條件、岩層性質和埋藏深度等客觀因素，它們在一個鑽孔或一個礦區內是不可改變的常量；另一類是鑽壓、轉速和泥漿性能等參數，是可以調節的變數。鑽進技術最佳化的基本任務就是要確切掌握這些可調變數對鑽速、成本（還可以是功耗、金剛石耗量、鑽孔彎曲率）等鑽進指標的具體影響，建立有關的數學方程，分析確定能使鑽進指標達最優的參數（或參數組合）取值範圍。

鑽進技術最佳化主要包括鑽進過程信息採集、鑽進過程數據處理、研究最佳化算法和實現最優控制四個方面的內容，其中信息採集工具和最最佳化自動控制執行機構屬於硬體範疇，而其他兩項屬於軟體範疇，重點在於尋找鑽進規程參數與鑽進指標之間的關係，研究確定最佳化準則及如何在生產中具體實施的問題。最最佳化鑽井技術首先於20世紀60年代中後期在美國的石油鑽井工業中開始套用。近幾十年來在推廣中不斷完善，使油（氣）鑽井速度明顯提高，成本顯著下降，同時也為實現地質勘探最佳化鑽進提供了可以借鑑的經驗。但是，考慮到地質鑽探的鑽孔口徑更小，岩石更堅硬，所用鑽進方法更多樣化，鑽進目的也不盡相同，加之孔底破岩過程更複雜，故地質鑽探又不能完全套用石油最佳化鑽井的現成模式。

我國勘探工程界始終重視最佳化鑽進技術。從20世紀70年代中後期大面積推廣小口徑金剛石鑽探技術以來，研製了一批鑽進參數檢測儀表和研究了鑽進參數優選，為科學地掌握和合理選擇鑽探規程參數，輔助判斷孔內工況提供了技術手段。近十年來，隨著市場經濟的發育和知識經濟時代的到來，國內外地質鑽探領域都發生了深刻的變化，一方面是用於地質找礦的岩心鑽探工作量減少，另一方面鑽探的服務領域又越來越寬，科學鑽探、高精度定向鑽探、工程施工鑽探等，都要求以更高的質量、更快的速度、更低的成本完成任務。因此，最佳化鑽進技術仍是一個值得重視的很有發展前景的技術。

鑽探信息採集

（一）鑽進參數檢測儀表

準確測出並記錄實鑽過程中具體的規程參數值是實現最佳化鑽進的基礎，它可為確定最佳化準則和實施鑽進過程最優控制積累大量的原始資料。國內外在最佳化鑽進領域的工作都是從研製單參數檢測儀表開始，在此基礎上再研究多參數綜合檢測儀表，可檢測鑽壓、轉速、扭矩、鑽速、泵壓、泵量等鑽進參數，以及參數超限報警和斷水自動停車等功能。

（二）基於計算機的鑽進參數監測系統

隨著技術進步和微型計算機的普及，“鑽參儀”的研製更強調多功能並與微機技術相結合，這類儀表由硬體和軟體組成，故稱為鑽進監測系統。監測系統比傳統的監測儀表精度更高，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，從而更適於從整個礦區或全孔的生產全過程來研究諸參數間的規律性，更適用於最佳化鑽進。

在鑽探技術較發達的前蘇聯，自20世紀80年代便開始研製帶微機的監測系統。特別是在科拉半島超萬米的CΓ—3孔的施工中，套用計算機監測系統是超深鑽成功的關鍵之一。我國首先由中國地質大學（武漢）研製成功DDW鑽探微機多功能監測系統，曾在國內推廣套用，並出口至烏克蘭、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的“國家級新產品”證書。此外，還研製了XDW型微機實鑽監控系統和單片機坑道鑽進參數測試儀。

鑽進過程用方差分析尋找主要因素

1.思路

影響鑽探指標的因素很多，但是在不同的鑽進條件下它們對鑽速或成本的影響程度是有差異的，為了優選參數，必須從眾多影響因素中找出對需最佳化的指標（例如鑽速或成本）有顯著影響的主要因素來加以分析研究。剔除次要因素後，可減少測量原始數據的工作量，降低數據處理的難度，提高尋優的速度。方差分析正是鑑別各因素效應的一種有效方法。一般在生產過程中首先進行方差分析，得出主要因素後再套用回歸分析等方法建立經驗方程，或者直接從主要因素入手調整參數以獲得更好的生產效果。根據所考察因素的個數，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

設有雙因素A、B，觀察其各自的隨機變數，對其觀察值進行方差分析和判別。

例如，某隊在地層複雜、岩石堅硬的大竹林礦區用S75C繩索取心金剛石鑽進時，時效只有0.25m/h，且鑽頭很快被拋光。套用雙因素方差分析後，得知在石英細砂岩中鑽壓是最主要的因素，而在其他岩層中轉速是最主要的因素，因而在調整參數後，台月效率提高了30.7%。

常用的最佳化準則

在鑽進過程中鑽頭破碎岩石與岩石磨損鑽頭是一對矛盾。如果鑽速過高，必然導致鑽頭很快磨損，使大量的時間消耗在升降鑽具和換鑽頭的輔助作業中。因此，人們並不追求瞬時鑽速最高，而以回次鑽速為最佳化準則。所謂回次鑽速是指從鑽具開始下入鑽孔，進行鑽進，直至把鑽具從孔內提出的工序中（一個回次內）單位時間的進尺。

實施最佳化鑽進控制

（一）根據前期工藝研究的成果來實施最佳化鑽進

這裡的前期工藝研究成果包含兩層意思，一是指本礦區的前期研究成果，二是指前人已得出並被大量實踐證明了的規律。由於各地區的地質條件差異很大，孔內情況又難於觀察和完全一致。

在實施最佳化鑽進時，通常以新礦區的第一個孔為資料孔（配有鑽探監測系統），處理獲取的大量數據後，制訂出該礦區最佳化鑽進的方案，用以指導第二、第三……孔的最佳化設計與施工，並以第二、第三……孔的資料來不斷檢驗和修正最佳化鑽進程式。一般在打了若干孔後才能逐步認識該礦區的鑽進規律，建立一套比較完善的最佳化鑽井程式，以指導高速度高水平地完成後續全部鑽探工作量。

（二）自動實現鑽進規程參數尋優並在鑽進過程中識別孔內工況

當現場鑽機上配有功能齊全的監測系統和用於控制輸出的調速電機、電’ 液轉換器時，可在前述工作的基礎上讓監測系統和執行機構在鑽進過程中識別孔內工況並自動實現鑽進規程參數尋優，記憶並保持得出的最優鑽進規程值。國外已經在生產過程中使用了這種設備，但尚停留在樣機的階段。中國自行研製的系統還只能實現孔內工況識別與出現事故時的自動提鑽，按照最佳化準則實現自動控制的功能還有待深化。

我國自20世紀80年代以來在最佳化鑽進技術方面已取得了相當的成就，在這個方向上已經有了一定的科學儲備，已出版了一批有關的著作。今後鑽探過程最最佳化的研究工作應主要集中在：進行與最佳化鑽進技術有關的實驗及理論研究，提高算法和軟體的水平，加強執行機構的研製以使最佳化鑽進系統能適應野外生產條件。最佳化鑽進要求專業人員具有更高的業務素質，必須在院校教學中加強學生的工程數學、試驗設計數學方法、計算機技術和模式識別技術的基礎，使未來的專業人員有更強的實力，去完成全面實施鑽探過程最最佳化的任務。