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。
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
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 “金刚石钻头-岩石副”相互作用示意
Fig.1 Schetch of “diamond drill bit‑rock couple” interaction
P—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
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
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
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
| 转速n/（r·mi | 轴载Poc/kN | 机械钻速 Vб/(m | 功率消耗 Nб/kW | 进尺能耗量 （Nб/Vбmin）/(kWh | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 水 | 水+表面活性剂 | 水 | 水+表面活性剂 | 水 | 水+表面活性剂 | ||
| 625 | 3 | 1.6 | 2.5 | 1.4 | 1.6 | 0.88 | 0.64 |
| 6 | 3.2 | 4.4 | 2.8 | 2.7 | 0.88 | 0.61 | |
| 9 | 5.1 | 5.4 | 3.8 | 3.9 | 0.75 | 0.72 | |
| 12 | 6.2 | 6.3 | 4.7 | 5.4 | 0.76 | 0.86 | |
| 15 | 6.6 | 7.5 | 6.8 | 6.6 | 1.03 | 0.88 | |
| 1020 | 3 | 2.1 | 3.2 | 2.1 | 2.06 | - | 0.63 |
| 6 | 4.5 | 6.1 | 3.7 | 4.09 | 0.82 | 0.67 | |
| 9 | 6.1 | 7.8 | 5.7 | 6.9 | 0.93 | 0.88 | |
| 12 | 6.8 | 8.7 | 9.5 | 8.7 | 1.4 | 1.06 | |
| 15 | 6.1 | 9.9 | 11.5 | 9.4 | 1.88 | 0.95 | |
| 1480 | 3 | 2.7 | 4.2 | 2.6 | 2.9 | 0.96 | 0.69 |
| 6 | 5.8 | 8.4 | 5.0 | 5.96 | 0.86 | 0.71 | |
| 9 | 6.9 | 9.8 | 8.0 | 8.7 | 1.16 | 0.89 | |
| 12 | 8.6 | 10.6 | 12.2 | 12.5 | 1.42 | 1.18 | |
| 15 | 8.2 | 9.8 | 16.1 | 16.46 | 1.96 | 1.68 | |
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
以水作冲洗液的数学模型为：
| Vб=4.78+2.63Рос+0.675n+0.125Росn | （1） |
| h0=0.085+0.049Рос-0.024n-0.0185Росn | （2） |
| Nб/Vб=1.21+0.29Рос+0.25n+0.21Росn | （3） |
以水+表面活性剂为冲洗液的数学模型为：
| Vб=6.0+2.65Рос+1n+0.15Росn | （4） |
| h0=0.083+0.026Рос-0.045n-0.19Росn | （5） |
| Nб/Vб=0.97+0.31Рос+0.21n+0.0094Росn | （6） |
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 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
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
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
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
从
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
金刚石钻进控制系统主要是如下设计
（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
| Vб=hon | （7） |
故用钻头每转进尺ho作为控制机械钻速和钻头寿命的调节参数，根据ho的变化及其变化步长来调整规程参数；
（4）单位进尺磨损量W计算见
| W=Nб/Vб | （8） |
| Nб=PnR97.5 | （9） |
式中，R——钻头唇部半径，——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 表镶金刚石钻头钻进过程示意
Fig.3 Schematic diagram of drilling process finished by diamond bit
从
轴载应该足以使钻头切入岩石，但是不能超过钻头的强度极限。如果轴载P不变，钻头转速n增加过大，则钻头切入岩石阻力开始增加，切削具切入岩石深度变浅，对钻头每转进尺和机械钻速产生负面影响。如果轴载增加，钻头转速不变，则破碎岩石功率增加（N），而且，机械钻速并不上升。功率受钻探设备的限制，会影响钻探工程的成本，还有施工安全问题，因此要严格控制功率，使单位进尺能耗量最小，保证钻探施工安全，在钻进过程中应始终如此。此时应该增加轴载P，降低钻头转速n，以保证功率增加不多、机械钻速高水平（Vб），即
上述情况是在钻头没有磨损的情况下发生的。如果钻头磨损，则如此调整钻进规程参数，不会得到预期效果，机械钻速开始下降（Vб）（
这种情况可以改变，如果把钻头每转进尺改为h2，且h2在设计范围内，即hmaxhmin即可。知道了钻头每转进尺为h2（
计算机程序控制钻进过程框图见
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
把得出的结果与前一个类似计算得出的结果进行对比。如果此时得到的结果Vi比前一个结果Vi-1大，则Vб增加，即（Vi>Vi-1Vб）。如果此时得到的功率结果Ni比前一个结果Ni-1小，则Nб降低，即（NiVi-1N），以此类推重复。
根据金刚石破碎岩石机
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 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（
为了方便和易于看清楚，程序中设有GRAPH模块，见
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（
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
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。
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。
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