敬 请 关 注 “地质灾害调查评价与监测预警专题”征稿函“天然气水合物钻采理论与技术专题”征稿函金刚石钻进技术指标综合研究及其计算机控制汤凤林1,2，赵荣欣1，Не

 

  敬 请 关 注 “地质灾害调查评价与监测预警专题”征稿函“天然气水合物钻采理论与技术专题”征稿函金刚石钻进技术指标综合研究及其计算机控制汤凤林1,2，赵荣欣1，НескоромныхB.B.3，李博

1，周欣4，段隆臣21. 上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032；2. 中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074；3. Сибирский федеративный университет， г.Красноярск 660095， Россия；4. 湖北省地震局，湖北 武汉 430064

摘要钻探工程施工目前通常是凭经验进行应该改变这种情况，把凭经验施工转变到依靠科学施工上来俄罗斯钻探专家提出把金刚石钻进中的机械钻速、钻头每转进尺和单位进尺能耗量3个参数综合起来研究，开发了控制钻进过程最优化的软件，经试用，取得了良好的效果，值得我们借鉴。

关键词金刚石钻进;机械钻速;钻头每转进尺;单位进尺能耗量;最优化软件1概述金刚石钻进是我国一种重要钻进方法，在地质勘探、石油天然气钻采等领域中得到了广泛应用，特别是在深部固体矿产坚硬岩石中钻进时更是一个优先选

项［1-7］在金刚石钻进过程中，当钻头—岩石副相互作用时，在钻进规程参数（钻压P、钻头回转速度n、给定性能的冲洗液量Q）的作用下，钻头上的金刚石破碎岩石，形成岩屑沉积在孔底，磨损钻头胎体，露出金刚石，继续破碎岩石，钻进过程如此循环，钻孔如此加深。

岩石磨损钻头，使钻头抛光、严重磨损，或保持正常钻进过程［1］。金刚石钻进时，钻头-岩石副相互作用与所钻岩石物理力学性质f、所用钻头类型B、钻进规程参数（P、n、Q）和正常钻进条件的关系，见图1。

图1  “金刚石钻头-岩石副”相互作用示意Fig.1  Schetch of “diamond drill bit‑rock couple” interactionP—钻压；n—钻头转速；Q—冲洗液量；f—外界因素（岩石物理力学性质等）；B—与钻进规程参数无关（如钻头类型等）的参数

由图1可见，如果钻进的地层已知，所用的钻头已经选定，拟用的冲洗液类型和性能已经确定，则钻进过程的状态主要取决于钻进规程参数，即钻压、钻头转速和冲洗液量及其合理配合但是，这3个规程参数如何配合才算合理，才能提高机械钻速和钻头进尺，保证得到高的技术经济指标和钻探安全生产，把我们施工的水平从经验施工提高到科学施工上来，是值得讨论的一个重要问。

题［1-7］俄罗斯在金刚石钻进技术和工艺方面，在理论和实践方面，进行了很多研究，取得了很好的技术经济效果［8-19］，其中有些方面值得我们借鉴传统上，机械钻速、钻头进尺和每米钻探成本，是我们通常称之为钻探工程的主要技术经济指标。

近年来，又提出了钻头每转进尺ho和钻进单位进尺能耗量w问题为此，俄罗斯钻探专家Нескоромных B.B.教授和吉林大学刘宝昌教授等提出要把这3个技术指标，即机械钻速Vб、钻头每转进尺ho和钻进单位进尺能耗量。

w=Nб/Vб作为一组整体指标，综合起来考虑，加以研究，并开发出了金刚石钻进过程计算机控制软件，以期进一步提高钻探工程的技术效果，提高钻探施工的科学水平［8-11］2钻进技术指标综合分析研究为了对3个钻进技术指标进行综合研究，他们利用二水平、全因子试验设计方法。

分别使用水和水+表面活性剂作为冲洗液，使用O1A3-59表镶金刚石钻头钻进辉长岩试验结果见表1表1  钻进技术指标与钻进规程参数关系试验资料[9]Table 1 Experimental data about dependence of technical indexes from drilling parameters。

（详见原文）利用二水平、全因子试验设计，根据试验资料建立了3个技术指标与钻进规程参数（钻压Poc、转速n和冲洗液量Q）关系的数学模型［8-9］：以水作冲洗液的数学模型为：

从上述数学模型可见，使用水+表面活性剂比使用水作冲洗液的平均机械钻速提高了21%，单位进尺能耗量降低了20%，这可能与后者冲洗液的排屑、润滑和冷却性能更好有关钻头每转进尺的数值没有增加，但是钻压和钻头转速的作用有明显改变：钻压的作用降低了近50%，钻头转速的作用增加了47%。

这3个技术参数与钻进规程关系试验研究数学模型的曲线图见图2。

图2  使用O1A3-59金刚石钻头钻进辉长岩时机械钻速Vб、钻头每转进尺ho和钻进单位进尺能耗量Nб/Vб与钻进规程参数关系试验曲线[8]Fig.2  Experimental curves about relations of penetration rate Vб, bit penetration rpm ho and energy consumption per meter Nб/Vб to drilling parameters while drilling gabbro by diamond bit O1A3-59

I和II为轴载和钻头转速合理使用区；图形中的圆为许用数值的最佳边界数值我们可以从这些图中找出机械钻速高、钻进单位进尺能耗量低的钻头每转进尺的合理数值，例如图2（a）中的1和2点图2（b）是利用轴载和钻头转速关系的具体实例。

例如，如果把钻头每转进尺作为钻进过程主要控制参数（在本情况下设定为0.097 mm/r，则在n1时必须保持轴载为P1，为了提高机械钻速要把钻头转速提高到n2时，应该把轴载提高到P2。

图2（c）中，示出了按照钻头每转进尺数值确定的钻进规程参数的控制范围，图中中心部分的许用数值圆表示的是这个控制范围的最佳边界使用水+表面活性剂作为冲洗液钻进辉长岩时得到的机械钻速和每转进尺较高，钻进能耗量数值比较平稳（见。

图2d、e、f）对于这种钻进条件来说，如果要想钻头每转进尺保持先前的数值，则可使用另外的钻进规程参数数值（见图2e）为了评价给定的钻头每转进尺条件下岩石破碎过程和查明与钻进规程参数的关系，需要利用得到的数学模型和相应的曲线图（图。

2a和2d）进行计算为了计算不同钻压和钻头转速时的钻头每转进尺数值，可以利用机械钻速曲线和表示钻头转速数值的垂直线的交点进行计算例如，钻头最低转速625 r/min时，与机械钻速曲线2、4、6 m/h有3个交点，可以得到与其相应的3个钻头每转进尺数值：。

从图2（a）可见，与h01、h02、h03相应的轴载分别是：P1=950 dN，P2=1210 dN，P3=1480 dN这样，我们就可以确定出，当钻头转速最小时，孔底钻头每转进尺与轴载的关系为了计算钻头转速1052 r/min时的上述类似关系，可以利用图的垂直轴线与机械钻速4 m/h和6 m/h曲线的交点求得。

计算钻头转速1480 r/min时，孔底钻头每转进尺与轴载的关系，可以利用图的垂直轴线与机械钻速4、6、8 m/h曲线的交点求得钻探施工人员在钻探施工中，可以根据钻进工况是否正常、钻头磨损是否正常、钻探水泵是否蹩泵、钻探设备（特别是动力机）是否有异音等做出判断，在现场按照

图2的6个曲线图，利用计算机程序，实时控制钻进过程，及时调整钻进规程参数和操作技术，以取得好的钻进效果3计算机程序控制金刚石钻进过程的主要思路金刚石钻进控制系统主要是如下设计的［8-10］：（1）设计的基础是用二水平、全因子试验得出的机械钻速。

Vб、钻头每转进尺ho、单位消耗量W与钻进规程参数P、n、Q关系的数学模型及其计算结果；（2）设计中考虑了钻头磨损、回次进尺问题，用回次钻速VP表示，将其定为设定范围，列入输入资料清单；（3）机械钻速计算见

式（7）：

式中，R——钻头唇部半径，μ——钻头回转破碎岩石阻力系数设定W值最小是金刚石钻进的最优化指标，用其调节ho，以及控制功率和机械钻速比值最小时的钻进规程参数表镶金刚石钻头钻进过程示意图，见图3［8］

图3  表镶金刚石钻头钻进过程示意Fig.3  Schematic diagram of drilling process finished by diamond bit

图4  计算机程序控制金刚石钻进过程Fig.4  Block diagram of controlling diamond drilling process by computer program

4控制钻进过程计算机软件的实现俄罗斯钻探专家使用的是Derivative公司的Touch Designer可视化软件此软件的Touch Designer语言使用比较简单，不要求有深厚的基础知识，含有实时相互作用多媒体的内容，支持各种设备，可以和其它软件兼容，特别是可以和各种可能类型传感器兼容，这一点对于解决钻井空间问题是非常重要的。

Touch Designer设计软件包括有下列模块：生成对话窗口的COMP模块，2D多媒体TOP模块，数学模型CHOP模块，几何图形SOP模块，素材MAT模块，数据库和文本DAT模块各个模块都有其各种可能并相互补充，以实现设计要求。

为了用Touch Designer语言实现设计，开发出了一个程序利用这个程序可以把实时测得的钻进规程参数，转换到用二水平、全因子试验设计方法得到的机械钻速、钻头每转进尺和单位进尺能耗量数学模型的曲线图中来。

用上述程序把实时规程中使用的钻进规程参数记入《输入数据》模块中，见图5（a）因为Touch Designer语言可能对生成的情况进行模拟，所以在科研第一阶段把程序和钻进实际合并起来是为时过早和不恰当的规程参数在先前设定范围内变化，可以通过程序界面相应窗口平稳调整规程参数来实。

现［8-10］。

图5  Touch Designer语言程序控制实时界面Fig.5  Real time control interface of computer software Touch Designer根据得到的信息，在coefficient segments 模块（

图5b）上进行全部必要计算，计算结果在数学模型CHOP（图5c）上输出在此，按照技术指标综合分析方法得出机械钻速、功率和单位能耗量与规程参数关系的模型［9］为了方便和易于看清楚，程序中设有GRAPH模块，见。

图6按下GRAPH按钮时，激活机械钻速数值变化情况（图6a）为了检查程序和钻进过程模拟的相关性，使用手动专门滑块来改变机械钻速的数值机械钻速数值的减少或增加，在屏幕上可以看到，此时反映钻头每转进尺与规程参数（。

P、n）关系的曲线是如何变化的（图6a）。

图6  Touch Designer程序实时控制界面Fig.6  Real time control interface of computer software Touch Designer同样的，可以利用Touch Designer语言软件，通过手动专门滑块方式改变钻进规程参数，实现对单位进尺能耗量指标的控制（

图6b），从而可以确定出，在保证给定条件下，与最优钻进过程单位进尺能耗量相应的最合理钻进规程参数来使用开发出来的试验程序表明，利用Touch Designer语言编出的程序是可以实现钻进过程控制自动化的。

就是说，通过综合分析3个钻进技术指标来进行控制钻进过程是可能的，也是有前景的在评价工艺过程情况时，Touch Designer语言有其灵活性，可以实时收集和处理所得数据可以接受来自不同传感器的信号，是Touch Designer语言编出程序的突出特点。

程序的后续自学能力，可以线上处理钻进规程数据，并给出正确的答案［9-10］使用计算机软件控制金刚石钻进过程，可在线上进行，有利于其获得更好的技术经济效果、进一步提高我国钻探工程科学水平5讨论和建议根据上述分析，进行下述讨论及提出一些建议。

（1）钻探工程施工是一项重体力劳动目前，现场施工人员和指挥人员多半还是根据经验进行施工和指导施工在科学技术迅速发展的今天和人民生活大为提高的现在，需要改变这种现状如何把钻探工程施工从凭经验施工转移到科学施工上来，是一个非常现实和迫切的问题，应该引起我们的高度重视并加以妥善解决。

建议有关专家开发出有关软件，加以推广在我国计算机基本普及的今天，这件事并不难，关键是要做起来，推广下去（2）传统上，常说机械钻速、钻头寿命和每米钻探成本是钻探工程的主要技术经济指标俄罗斯专家提出把机械钻速、钻头每转进尺和单位进尺能耗量这三个技术指标作为一组整体指标，综合起来考虑，以机械钻速为切入点，以钻头每转进尺为调节对象，以单位进尺能耗量为最优化目标进行研究。

从科学技术角度考虑，把单位进尺能耗量作为评价标准可能更为客观和准确每米钻探成本主要是经济指标，单位进尺能耗量主要是技术指标，因此后者提法显得更为科学、合理，且有利于保证钻探施工安全，减少事故发生这种提法是个新提法，是一种新的观点，有一定的科学价值和实际意义。

（3）俄罗斯在最优化试验设计中，多用二水平、全因子试验方法利用这种试验设计方法得出的数学模型，不仅考虑了单个因子的单独作用，还考虑了它们的交互作用对各因子影响和作用（含交互作用）进行考虑和分析，可能更加周到更加全面一些。

建议和我们国内常用的线性回归方法进行对比分析研究，看看这种方法是否更好一些，更为合理宜用（4）俄罗斯钻探工作者开发出来的Touch Designer软件，经过试运行，证明可以使用并取得一定效果利用这个软件可以在线上了解、调节、控制钻进过程，选用最优钻进规程参数，以达到最好的技术经济效果。

这个成果值得借鉴建议我国钻探工作者开发出更多的钻进优化或控制软件来，用于各种钻机机台和钻进条件，提高我国钻探施工的科学水平参考文献（References）（详见原文）引用本文：汤凤林，赵荣欣，Нескоромных B.B.，等.金刚石钻进技术指标综合研究及其计算机控制［J］.钻探工程，2023，50（3）：1-7.

TANG Fenglin， ZHAO Rongxin， NESKOROMNYH V.V.， et al. Comprehensive research on technical indexes in diamond drilling and their computer control［J］. Drilling Engineering， 2023，50（3）：1-7.

本文刊登于《钻探工程》2023年第3期，点击“阅读原文”可下载原文

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