李 晶，王群偉，龐少青，李國東

(1．華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊，河北秦皇島066013;2．中國化學工程第十三建設(shè)有限公司，河北滄州061000)

0 引言

風動潛孔錘鉆進以其較高的鉆進效率、較長的鉆頭壽命、較低的鉆孔成本和無需泥漿護壁等顯著特點，在各鉆探領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。目前，在礦山開采、地質(zhì)勘探、水文水井、工程施工鉆探等領(lǐng)域，潛孔錘已被廣泛使用。風動潛孔錘反循環(huán)鉆進技術(shù)在低壓、低滲、低產(chǎn)油氣藏的高效開發(fā)方面和復(fù)雜地層、深井硬巖地層的快速鉆井等方面有著廣闊的應(yīng)用前景［1］。

一般來說，風動潛孔錘鉆進是多種因素共同作用的結(jié)果，要想知道影響風動潛孔錘鉆進效率的主要因素，首先要分清楚鉆進效率影響因素之間的關(guān)系及其重要性，這樣才能抓住影響鉆進效率的主要矛盾、主要特征和主要關(guān)系。研究風動潛孔錘的各個影響因素的敏感度，從眾多影響因素中找出主要的影響因素具有重要意義［2～5］。本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析進行各因素敏感性分析，然后從整體出發(fā)進行綜合評價。

1 風動潛孔錘鉆進速度影響因素

1．1 進尺

隨著進尺增加，鉆桿柱受井壁限制產(chǎn)生波浪形變，這導致鉆孔深度、鉆桿柱質(zhì)量以及鉆孔孔徑等對鉆進速度有影響。并且隨著進尺增加，鉆具受到的阻力增加，鉆頭磨損量增加，這將導致鉆進速度降低。對于地下水位以下地層，鉆進時還會有水作用力的影響，也可能導致鉆進速度降低。

1．2 風壓

風動潛孔錘鉆進效率的高低是受風壓直接影響的，風壓越大，其沖擊功越大，碎巖效率越高。大直徑風動潛孔錘鉆進時，首先應(yīng)滿足沖擊器工作壓力的要求，使其滿負荷工作。同時，還需要滿足隨著鉆孔深度增加帶來的沿程壓降，克服水位以下的水柱壓力和排除孔內(nèi)巖屑的壓差等要求［6，7］。

1．3 鉆壓

風動潛孔錘破碎巖石的原理主要是依靠垂直方向的沖擊動載做功將巖石擊碎。鉆壓給巖石內(nèi)部預(yù)應(yīng)力，改善沖擊能量的傳遞條件。鉆壓過大過小都會影響鉆進無法正常進行。

鉆壓過大切削刃單位進尺磨損量增加，并且引起鉆具大幅振動、硬質(zhì)合金齒掉落，錘頭斷裂［6］。因此鉆壓不能過大，但必須克服沖擊器反彈力。鉆壓過小將會影響沖擊動載對錘頭的有效傳遞［8］。

1．4 轉(zhuǎn)速

硬質(zhì)合金潛孔錘回轉(zhuǎn)僅是為改變切削刃破巖的位置，若轉(zhuǎn)速過慢，切削刃將打入先前的坑穴中使鉆頭回轉(zhuǎn)受阻。若轉(zhuǎn)速過快，會導致切削刃過早磨損。所以，轉(zhuǎn)速是否合理將直接影響鉆速和鉆頭壽命。

1．5 鉆頭工作時間

隨著鉆頭工作時間增加，鉆頭的磨損增加，切削具與巖石接觸面積增加，此時鉆壓如果不變，鉆進速度將會衰減。鉆頭磨損越快，鉆速衰減越大。文獻［6］中提出鉆速與鉆進時間關(guān)系公式，如公式(1)所示。由此可見鉆進速度與鉆進時間成反比。

式中:Vm——機械鉆速;A——系數(shù);S0——切削具初始面積;t——磨損時間;θ——磨損系數(shù)。

1．6 巖石類型

巖土鉆掘的研究對象是巖土，一方面要提高巖土破碎的生產(chǎn)效率，另一方面要保證孔內(nèi)巖層穩(wěn)定。因此巖土體物理力學性質(zhì)，尤其是強度、硬度、彈性、脆性、研磨性和可鉆性等對鉆進效率有重要影響。

考慮以上因素，在實驗中對風動潛孔錘鉆進過程進行實時記錄。使用的鉆機是經(jīng)過改造的CD－3型液壓雙卡盤鉆機、XRVS－466型空壓機(風壓2.4 MPa，風量25 m3/min)、GQ －127/44貫通式潛孔錘和SBC89/44型外平雙壁鉆桿等。在現(xiàn)場實際實驗中，得到數(shù)據(jù)見表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)［1］

2 灰色關(guān)聯(lián)分析法建立數(shù)學模型

根據(jù)以上數(shù)據(jù)利用灰色關(guān)聯(lián)法建立數(shù)學模型，灰色關(guān)聯(lián)分析法可以從離亂的觀測數(shù)據(jù)中確定各個因素間的關(guān)聯(lián)程度。它的基本思想是根據(jù)諸多因素接近程度，分析和確定它們對目標因素的貢獻程度。

2．1 參考數(shù)據(jù)和比較數(shù)據(jù)

灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論的一個分支。應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對受多種因素影響的風動潛孔錘鉆進效率進行綜合評價。首先要選取反映鉆進效率的參考序列X0，參考序列是灰色關(guān)聯(lián)分析中最為重要的因素，也是關(guān)鍵討論的問題。確定了參考序列之后，獲得相關(guān)因素比較序列Xi。根據(jù)參考序列和比較序列計算關(guān)聯(lián)系數(shù)，最后求得相應(yīng)影響因素關(guān)聯(lián)度。參考序列為:

其中，k=1，2，…，m。

以表1中鉆速為參考序列:

X0=(3.38，4.84，5.86，5.42，4.17，3.63，3.53)T

影響因素為比較序列，其中進尺、風壓、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭工作時間和巖石類型依次:

X1=(11.62，16.72，20.2，26.2，31.3，34.55，35.45)T

X2=(1.1，1.1，1.4，1.15，1.1，1.1，1.3)T

X3=(1830，2620，3840，5020，5860，5380，5520)T

X4=(31.52，31.52，30，31.52，31.52，33.52，30)T

X5=(2.59，3.65，3.97，5.15，6.91，7.27，7.44)T

其中巖石類型為定性數(shù)據(jù)，為了進行統(tǒng)計分析，采用二值變量法［9］進行量化處理，則:

X6=(0，0，0，1，1，1，1)T

2．2 數(shù)據(jù)無量綱化

因為很多數(shù)據(jù)的單位不同，為保障建立模型的質(zhì)量和分析的結(jié)果正確，使數(shù)據(jù)具有可比性。因此在進行關(guān)聯(lián)分析之前，一般要對原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理。本文采用均值變換處理比較序列，結(jié)果如表2所示。

表2 無量綱化后數(shù)據(jù)

均值變換公式如公式(4)所示:

3 風動潛孔錘敏感性分析

根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)公式(5)分別計算每個比較序列與參考序列對應(yīng)元素的關(guān)聯(lián)系數(shù):

式中:ρ——分辨系數(shù)，在(0，1)內(nèi)取值，通常取 ρ=0.5。

計算完關(guān)聯(lián)系數(shù)后，對各評價對象(比較序列)分別計算關(guān)聯(lián)系數(shù)的均值，以反映各評價對象與參考序列的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并稱其為關(guān)聯(lián)度。如公式(6)所示。

灰色關(guān)聯(lián)模型的建立充分地體現(xiàn)了灰色關(guān)聯(lián)公理，規(guī)范性、整體性、偶對稱性和接近性，其計算著重考慮了點與點之間的距離遠近對關(guān)聯(lián)度的影響。其中，ρ稱為分辨系數(shù)，若ρ越小，則關(guān)聯(lián)系數(shù)間差異越大，區(qū)別能力越強;若ρ越大，則關(guān)聯(lián)系數(shù)間差異越小，區(qū)別能力越弱。分辨系數(shù)避免了系統(tǒng)因子觀測序列的異常值支配整個系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度，能夠使關(guān)聯(lián)度更好地體現(xiàn)系統(tǒng)的整體性，本文取0.5。對數(shù)據(jù)進行計算得關(guān)聯(lián)系數(shù)如表3所示。

表3 關(guān)聯(lián)系數(shù)

由表3及公式(6)計算得到每個影響因素的關(guān)聯(lián)度:

r(X0，X1)=0.65

r(X0，X2)=0.65

r(X0，X3)=0.84

r(X0，X4)=0.67

r(X0，X5)=0.81

r(X0，X6)=0.63

根據(jù)以上比較發(fā)現(xiàn)，與鉆速的關(guān)聯(lián)程度較高的為0.84和0.81，分別為風壓和轉(zhuǎn)速。其次為0.67、0.65、0.65、0.63，分別為鉆壓、進尺、巖石類型和鉆頭工作時間。

4 結(jié)語

(1)利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對影響風動潛孔錘鉆進速度的各因素進行敏感性分析，得到對風動潛孔錘鉆進速度影響最大的因素是風壓和轉(zhuǎn)速，然后依次為鉆壓、進尺、巖石類型和鉆頭工作時間。為提高風動潛孔錘鉆進效率，如何采取科學措施提供了借鑒意義。

(2)本文利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對多種因素進行分析，然后從整體觀念出發(fā)進行綜合評價，相比于正交分析可以減少大量工作量。

(3)綜上所述，本文分析了風動潛孔錘鉆進效率影響因素，并對各影響因素進行灰色關(guān)聯(lián)敏感性研究。本文拋磚引玉，希望能為其它學者提供借鑒意義。

［1］ 樸金石，殷琨，范黎明，等．利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測風動潛孔錘鉆速［J］．吉林大學學報(地球科學版)，2009，39(5):882 －886．

［2］ 曹明霞．灰色關(guān)聯(lián)分析模型及其應(yīng)用的研究［D］．江蘇南京:南京航空航天大學，2007．

［3］ 王浙明，史惠祥，蘇雨生．灰色關(guān)聯(lián)模型用于工程方案優(yōu)化［J］．中國給水排水，2002，18(1):80 －83．

［4］ 趙選民．概率論與數(shù)理統(tǒng)計典型題分析解集(第2版)［M］．陜西西安:西北工業(yè)大學出版社，2001．

［5］ 季夜眉．概率與數(shù)理統(tǒng)計［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2001．

［6］ 鄢泰寧．巖土鉆掘工程學［M］．湖北武漢:中國地質(zhì)大學出版社，2001．

［7］ 許劉萬，史兵言，李國棟，等．大力推廣氣動潛孔錘及氣舉反循環(huán)組合鉆進技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(9):41－45．

［8］ 趙建勤，李子章，石紹云，等．空氣潛孔錘跟管鉆進技術(shù)與應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(7):55 －59．

［9］ 胡良平．科研設(shè)計與統(tǒng)計分析［M］．北京:軍事醫(yī)學科學出版社，2012．