田國亮， 董澤訓， 王文龍， 張 輝， 李凱舟

(1.山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 招遠 265400； 2.黃永堂技能大師工作室，山東 招遠 265400)

0 引言

《國土資源“十三五”科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃》明確提出了全面實施深地探測戰(zhàn)略，實施深地探測戰(zhàn)略目標之一是：到2020年形成3000 m礦產(chǎn)資源勘探成套技術能力。根據(jù)這一階段的要求，部分野外隊積極開展了深地鉆探項目，安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊施工的LZSD-1孔，位于安徽省安慶市樅陽縣錢鋪鄉(xiāng)虎棧村境內(nèi)，完鉆孔深3008.29 m，歷時308 d。山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院施工的zk96-5鉆孔，位于山東萊州西嶺礦區(qū)內(nèi)，施工孔深4006.17 m，歷時971 d[1]。

由于深孔鉆探周期長，受自然條件、地質(zhì)條件、外部環(huán)境等因素影響較大[2]，這些特點使得鉆探項目運營的工期比較難于把握和控制。為保證工期，常需要調(diào)動過多的人力、物力等資源，造成了一些浪費[3]。

關鍵鏈法是一種進度網(wǎng)絡分析技術，可以根據(jù)有限的資源對項目進度計劃進行調(diào)整。關鍵鏈法結合了確定性與隨機性辦法。對深鉆工程進度管理有重要的應用意義。

1 項目概況

山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院(以下簡稱山東六院)承擔的“山東省招遠市水旺莊-李家莊大型金礦床深部及外圍金礦調(diào)查評價”項目鉆探工作。鉆孔設計深度3000 m，是招平斷裂帶第一深孔。

據(jù)地質(zhì)鉆探資料，本孔可能遇到下列3個構造破碎帶，即欒家河斷裂帶、破頭青斷裂帶、招平斷裂帶。本孔設計四級鉆孔結構：0～10 m(視地層完整情況可調(diào)整)?150 mm硬質(zhì)合金鉆頭開孔，下入?146 mm表層套管；S122繩索取心施工10～1000 m(穿過欒家河組破碎帶，為更好地維護孔內(nèi)不可預見的失穩(wěn)地層，減輕孔內(nèi)阻力，減少沖洗液的漏失，視地層完整情況調(diào)整)，下入?114 mm套管；S98繩索取心施工1000～2100 m(穿過破頭青斷裂帶，視地層完整情況調(diào)整)；S76繩索取心鉆進至終孔。實際鉆孔結構見圖1。

鉆探設計工期2018年8月-2019年8月。

圖1 鉆孔結構示意圖Fig.1 Borehole structure

2 項目實施情況

2.1 對本項目的WBS分解

根據(jù)工作分解結構WBS(Work Breakdown Structure)的分解原則和步驟，按照實際的工程運作流程可以將項目大致分為：工程設計、鉆前準備、工程鉆探、物探測井、抽水實驗、設備撤場移交報告等6個任務28項工序。水旺莊科鉆項目WBS分解項目見表1。

表1 水旺莊科鉆項目WBS分解Table 1 WBS of the Shuiwangzhuang drilling project

2.2 工程的關鍵路徑

根據(jù)水旺莊科鉆項目WBS分解表繪制網(wǎng)絡計劃圖(見圖2)。從圖2中可以看出本項目的關鍵路徑就是：1→3→6→7→8→9→10→11→12→13→14→18→19→20→21→22→25→27→28。也就是：簽訂合同→收集資料→編寫施工設計→通過會審→修地盤→設備進場→接水接電→設備安裝調(diào)試→一開鉆進→下套管→二開鉆進→下技術套管→三開鉆進→二次下技術套管→四開鉆進→終孔驗收→水文實驗→設備撤場，場地恢復→提交報告[4]。據(jù)此得到的總工期為256 d。

2.3 工序時間的估算

圖2優(yōu)化前網(wǎng)絡計劃圖
Fig.2Pre-optimization network plan

工序時間的估算是關鍵鏈的重點問題，為盡可能減少工期估算的主觀因素，科鉆施工前期，我們邀請了山東地礦局探礦專家、項目團隊及一線機長共同參與對工序時間進行估算，并對結果進行加權平均得出了最可能時間。由于研究對象不確定因素多，僅憑人為的估算很難做到科學、準確[5]。本項目采用的是PERT三點估算法，也是當下工程施工普遍認可的算法。該算法提供了一種思路：對于深孔鉆進這種不確定性強的項目工序，可以采用某一項工作的3個估計時間確定。3個時間均需服從正態(tài)分布。3個時間分別為樂觀時間(t0),悲觀時間(tp),最可能時間(tm),然后利用這3個時間計算得到該工序的期望工期(te)。

樂觀時間：高德拉特博士建議使用50%的概率來消除過程的安全時間，并將活動期從原來的一半中移除，這是樂觀的時間。悲觀時間：即為最長的工序時間。最可能時間：是根據(jù)最易得到的資源、對資源可用時間的現(xiàn)實預測、資源對其它參與者的依賴程度以及可能產(chǎn)生的所有干擾等，所得到的時間。

每項活動的期望工期就是在確定了樂觀時間、悲觀時間、最可能時間基礎上求得的。期望工期見表2。期望工期計算方法：

期望工期te=(樂觀時間t0+悲觀時間tp+4×

最可能時間tm)/6

(1)

2.4 緩沖區(qū)的設置

緩沖區(qū)分為項目緩沖(即：PB)、匯入緩沖(即：FB)和資源緩沖(即：RB)。項目緩沖一般設置在關鍵鏈末端，匯入緩沖設置在非關鍵鏈匯出關鍵鏈處，資源緩沖是緊前緊后工序使用不同資源時，在緊后工序之前插入資源緩沖。

緩沖區(qū)的設置方法主要有：高德拉特博士的50%法，剪切-粘貼法，根方差法。前兩者的計算思路相似，是以所有鏈路上的工序時間總和為基礎進行計算，缺點在隨著鏈路的增長，精準度會降低。目前根方差法是普遍采取的一種方法。根方差法符合中心極限定理，假設一個項目中資源約束不存在，根方差法能有效的提高項目緩沖區(qū)的精確度。

表2 水旺莊科鉆項目時間優(yōu)化Table 2 Time optimization of the Shuiwangzhuang drilling project

根據(jù)實際選取了6個匯入緩沖，即： 開1→2→6；1→4→9；1→5→9；22→23→27；22→24→27；22→26→27。6個匯入緩沖均應放在非關鍵鏈匯入關鍵鏈的地點，也就是FB1放在工序2之后工序6之前，F(xiàn)B2放在工序4之后工序9之前，F(xiàn)B3放在工序5之后工序9之前，F(xiàn)B4放在工序23之后工序27之前，F(xiàn)B5放在工序24之后工序27之前，F(xiàn)B6放在工序26之后工序27之前。根據(jù)根方差公式計算FB1、FB2、FB3、FB4、FB5、FB6，得：

項目緩沖(PB)應放在關鍵鏈的最末端，經(jīng)計算項目緩沖約為18.89 d。

2.5 優(yōu)化后的項目進度

將PB和6個FB分別插入到網(wǎng)絡計劃圖中，可以得到本科研鉆探項目的優(yōu)化設計(見圖3)。項目優(yōu)化后消除了安全時間，使每道工序按照期望的持續(xù)時間工作，大大縮短了工期。其次，優(yōu)化設計中加入了緩沖的概念。匯入緩沖加入在非關鍵鏈進入關鍵鏈的節(jié)點之后，項目緩沖加入在關鍵鏈末端，對整個項目進度可進行有效的保護。

圖3優(yōu)化后網(wǎng)絡計劃圖
Fig.3Optimized network plan

優(yōu)化后的科研鉆探項目，工期由原來的286 d縮短到264.79 d，這其中包括18.89 d的項目緩沖，工程預計在2019年4月24號完工。

2.6 優(yōu)化進度設計的控制

在本項目主要采用了優(yōu)化的三色監(jiān)控緩沖機制。將緩沖區(qū)分成消耗安全區(qū)、消耗警示區(qū)、消耗危險區(qū)，分別用綠色、黃色和紅色表示(如圖4所示)，橫軸代表項目的完成比，縱軸表示緩沖區(qū)的消耗比。在項目開展初期，緩沖區(qū)消耗20%左右最為理想，當消耗超過30%就進入危險區(qū)域，需要采取相應措施。項目推進過程中，由安全區(qū)進入警告區(qū)。如果監(jiān)控行為和項目實際執(zhí)行情況一致，那么進度控制最為理想。如果安全區(qū)和警示區(qū)的截止點設置得太低，項目經(jīng)理將過早制定行動計劃并將產(chǎn)生一些額外的費用。如果警示區(qū)能有效地減少和危險區(qū)的邊界點設置得太低，將觸發(fā)不準確的預警機制，過早采取不必要的控制措施，這將大大增加項目成本，最終導致項目延遲或預算超支。這種動態(tài)的緩沖機制符合供應鏈的原理，也符合深孔鉆探實際。既減少資源浪費又可以避免因資源不足導致的進度延遲現(xiàn)象，保證項目低耗高效的運行。

2.7 進度控制機制

進度設計理論體系建立之后的關鍵是對各個項目環(huán)節(jié)的進度控制。為此，項目組做了以下工作：

圖4 三色監(jiān)控緩沖機制改進圖Fig.4 Three-color monitoring buffer mechanismimprovement diagram

(1)詳實編寫施工設計，根據(jù)地質(zhì)資料及本礦區(qū)以往鉆探經(jīng)驗，設計合理的鉆孔結構[6]。對項目人員進行技術交底，全面培訓。本孔將鉆遇3個破碎帶，采取措施是提前預防，將沖洗液調(diào)至合適性能，快速穿過破碎帶下入套管。

(2)采用先進的上下聯(lián)動一體化設備，實現(xiàn)上下可視化操作，大大減少了提下鉆輔助時間[7-8]。

(3)采用山東六院自主研制的鉆頭，使用壽命大幅增加，延長了提下鉆間隔時間。

(4)定期組織技術培訓，交流生產(chǎn)中遇到的問題，進一步統(tǒng)一思想[9]。

(5)采用先進的沖洗液體系，并有泥漿專家現(xiàn)場指導[10-11]。

(6)四開之后，要求每班做到設備自檢、維護，順序為自上而下，從場內(nèi)到場外[12]。

(7)執(zhí)行設備TPM管理制度，設備定期有專人負責保養(yǎng)、維修[13]。

(8)相關人員每周上報物資使用計劃[14]，急需物資保證白天1 h、夜間2 h送達現(xiàn)場。

2.8 施工過程中遇到的難題及解決措施

(1)深孔內(nèi)管到位監(jiān)測系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，小口徑鉆探內(nèi)管到位率在90%以上[15]?？沏@項目鉆至2200 m以深后，內(nèi)管總成到位開始監(jiān)測不到聲音，為保險，常用打撈器送內(nèi)管，到位后再用脫卡器脫開，提起打撈器。此操作每回次浪費時間1 h以上。采用增加內(nèi)管配重的方式進行監(jiān)測，同時在送內(nèi)管時使用更加靈敏的泵壓表監(jiān)測泵壓，結合時間，來確定內(nèi)管是否到位，起到了很好的效果。

(2)鉆頭制造技術革新。本孔主要巖石為絹英巖化花崗巖、二長花崗巖。巖石壓入硬度Hy為4000～6000 MPa，擺球回彈次數(shù)Hn為65～75次。通過上述兩種力學指標，用線性回歸方程來確定巖石的可鉆性Kd的值。

Kd=3.198+8.854×10-4Hy+2.578×10-2Hn

(2)

取中間值Hy=5000 MPa；Hn=70次代入式(2)，計算得出Kd=9.43，即巖石的可鉆性等級為9.4級，據(jù)《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227-2010)巖石可鉆性分級表分類，鉆進時效0.80～1.20 m/h。深孔鉆探鉆頭使用壽命延長不僅增快施工進度，也降低事故隱患[16]。山東六院科研團隊針對膠東花崗巖“硬、脆”的特點，在原經(jīng)典配方上進一步優(yōu)化，特制了一批鉆頭，起到了很好的效果。使用情況見表3。

表3 3000 m科鉆鉆頭使用情況Table 3 Drill bit consumption for 3000m drilling

2.9 關鍵鏈法取得的成果

項目團隊依靠科學的進度管理方法，通過全體項目成員的共同努力，順利完成了施工任務，極大地提高了生產(chǎn)效率，同時也積累了深部鉆孔施工經(jīng)驗，達到了預期的科研目的及經(jīng)濟效益。施工進度如圖5、表4所示。

圖5 3000 m科鉆施工進度圖Fig.5 3000m drilling progress chart

3 結語

通過該項目的順利實施，總結出了小口徑深孔鉆探施工管理方面的關鍵點：

(1)項目經(jīng)理要能運用專業(yè)的管理學知識，項目團隊要有良好的執(zhí)行力。項目管理人員應對施工過程中的每一個環(huán)節(jié)了熟于心，且有相應的應急預案，做好施工設計。

(2)牢記“預防大于治理”的理念，定期巡檢制度及例會制度可以集思廣益，發(fā)現(xiàn)并解決問題。

(3)深孔施工設備、管材一定要質(zhì)量可靠，杜絕此類隱患。推行設備TPM(Total Productive Maintenance)管理體系能有很好的效果。

(4)深孔施工提高效率關鍵是減少輔助時間，關鍵鏈法通過緩沖區(qū)的設置很好地控制了輔助時間。