[科普中国]-钻进技术优化

简介

钻进技术优化是由凭经验打钻走向科学钻探的必由之路。按照数学观点，影响钻进速度和成本等指标的因素可以分为两大类：一类是地质条件、岩层性质和埋藏深度等客观因素，它们在一个钻孔或一个矿区内是不可改变的常量；另一类是钻压、转速和泥浆性能等参数，是可以调节的变量。钻进技术优化的基本任务就是要确切掌握这些可调变量对钻速、成本（还可以是功耗、金刚石耗量、钻孔弯曲率）等钻进指标的具体影响，建立有关的数学方程，分析确定能使钻进指标达最优的参数（或参数组合）取值范围。

钻进技术优化主要包括钻进过程信息采集、钻进过程数据处理、研究优化算法和实现最优控制四个方面的内容，其中信息采集工具和最优化自动控制执行机构属于硬件范畴，而其他两项属于软件范畴，重点在于寻找钻进规程参数与钻进指标之间的关系，研究确定优化准则及如何在生产中具体实施的问题。最优化钻井技术首先于20世纪60年代中后期在美国的石油钻井工业中开始应用。近几十年来在推广中不断完善，使油（气）钻井速度明显提高，成本显著下降，同时也为实现地质勘探优化钻进提供了可以借鉴的经验。但是，考虑到地质钻探的钻孔口径更小，岩石更坚硬，所用钻进方法更多样化，钻进目的也不尽相同，加之孔底破岩过程更复杂，故地质钻探又不能完全套用石油优化钻井的现成模式。

我国勘探工程界始终重视优化钻进技术。从20世纪70年代中后期大面积推广小口径金刚石钻探技术以来，研制了一批钻进参数检测仪表和研究了钻进参数优选，为科学地掌握和合理选择钻探规程参数，辅助判断孔内工况提供了技术手段。近十年来，随着市场经济的发育和知识经济时代的到来，国内外地质钻探领域都发生了深刻的变化，一方面是用于地质找矿的岩心钻探工作量减少，另一方面钻探的服务领域又越来越宽，科学钻探、高精度定向钻探、工程施工钻探等，都要求以更高的质量、更快的速度、更低的成本完成任务。因此，优化钻进技术仍是一个值得重视的很有发展前景的技术1。

钻探信息采集（一）钻进参数检测仪表

准确测出并记录实钻过程中具体的规程参数值是实现优化钻进的基础，它可为确定优化准则和实施钻进过程最优控制积累大量的原始资料。国内外在优化钻进领域的工作都是从研制单参数检测仪表开始，在此基础上再研究多参数综合检测仪表，可检测钻压、转速、扭矩、钻速、泵压、泵量等钻进参数，以及参数超限报警和断水自动停车等功能。

（二）基于计算机的钻进参数监测系统

随着技术进步和微型计算机的普及，“钻参仪”的研制更强调多功能并与微机技术相结合，这类仪表由硬件和软件组成，故称为钻进监测系统。监测系统比传统的监测仪表精度更高，识别和图形输出的功能更全面，其信息可以长期储存，能方便地对“历史”资料进行分析，从而更适于从整个矿区或全孔的生产全过程来研究诸参数间的规律性，更适用于优化钻进。

在钻探技术较发达的前苏联，自20世纪80年代便开始研制带微机的监测系统。特别是在科拉半岛超万米的CΓ—3孔的施工中，应用计算机监测系统是超深钻成功的关键之一。我国首先由中国地质大学（武汉）研制成功DDW钻探微机多功能监测系统，曾在国内推广应用，并出口至乌克兰、巴基斯坦，获地矿部科技成果二等奖和国家科委等单位颁发的“国家级新产品”证书。此外，还研制了XDW型微机实钻监控系统和单片机坑道钻进参数测试仪2。

钻进过程用方差分析寻找主要因素1.思路

影响钻探指标的因素很多，但是在不同的钻进条件下它们对钻速或成本的影响程度是有差异的，为了优选参数，必须从众多影响因素中找出对需优化的指标（例如钻速或成本）有显著影响的主要因素来加以分析研究。剔除次要因素后，可减少测量原始数据的工作量，降低数据处理的难度，提高寻优的速度。方差分析正是鉴别各因素效应的一种有效方法。一般在生产过程中首先进行方差分析，得出主要因素后再应用回归分析等方法建立经验方程，或者直接从主要因素入手调整参数以获得更好的生产效果。根据所考察因素的个数，方差分析可分为单因素方差分析、双因素方差分析和多因素方差分析。

2.方法举例

设有双因素A、B，观察其各自的随机变量，对其观察值进行方差分析和判别。

例如，某队在地层复杂、岩石坚硬的大竹林矿区用S75C绳索取心金刚石钻进时，时效只有0.25m/h，且钻头很快被抛光。应用双因素方差分析后，得知在石英细砂岩中钻压是最主要的因素，而在其他岩层中转速是最主要的因素，因而在调整参数后，台月效率提高了30.7%。

常用的优化准则在钻进过程中钻头破碎岩石与岩石磨损钻头是一对矛盾。如果钻速过高，必然导致钻头很快磨损，使大量的时间消耗在升降钻具和换钻头的辅助作业中。因此，人们并不追求瞬时钻速最高，而以回次钻速为优化准则。所谓回次钻速是指从钻具开始下入钻孔，进行钻进，直至把钻具从孔内提出的工序中（一个回次内）单位时间的进尺3。

实施优化钻进控制（一）根据前期工艺研究的成果来实施优化钻进

这里的前期工艺研究成果包含两层意思，一是指本矿区的前期研究成果，二是指前人已得出并被大量实践证明了的规律。由于各地区的地质条件差异很大，孔内情况又难于观察和完全一致。

在实施优化钻进时，通常以新矿区的第一个孔为资料孔（配有钻探监测系统），处理获取的大量数据后，制订出该矿区优化钻进的方案，用以指导第二、第三……孔的优化设计与施工，并以第二、第三……孔的资料来不断检验和修正优化钻进程序。一般在打了若干孔后才能逐步认识该矿区的钻进规律，建立一套比较完善的优化钻井程序，以指导高速度高水平地完成后续全部钻探工作量。

（二）自动实现钻进规程参数寻优并在钻进过程中识别孔内工况

当现场钻机上配有功能齐全的监测系统和用于控制输出的调速电机、电’ 液转换器时，可在前述工作的基础上让监测系统和执行机构在钻进过程中识别孔内工况并自动实现钻进规程参数寻优，记忆并保持得出的最优钻进规程值。国外已经在生产过程中使用了这种设备，但尚停留在样机的阶段。中国自行研制的系统还只能实现孔内工况识别与出现事故时的自动提钻，按照优化准则实现自动控制的功能还有待深化。

我国自20世纪80年代以来在优化钻进技术方面已取得了相当的成就，在这个方向上已经有了一定的科学储备，已出版了一批有关的著作。今后钻探过程最优化的研究工作应主要集中在：进行与优化钻进技术有关的实验及理论研究，提高算法和软件的水平，加强执行机构的研制以使优化钻进系统能适应野外生产条件。优化钻进要求专业人员具有更高的业务素质，必须在院校教学中加强学生的工程数学、试验设计数学方法、计算机技术和模式识别技术的基础，使未来的专业人员有更强的实力，去完成全面实施钻探过程最优化的任务2。