畢永升 譚卓英 丁 宇

（1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083）

在國(guó)際巖土工程領(lǐng)域,例如采礦、油氣開(kāi)采、土建、水利水電等工程,為了綜合評(píng)價(jià)地層的巖性情況,經(jīng)常需要進(jìn)行鉆探勘測(cè)工作,而原本鉆探勘測(cè)工作的費(fèi)時(shí)費(fèi)力,使得各領(lǐng)域研究人員一直以來(lái)都在探索一種簡(jiǎn)單又有效的方法以獲取有關(guān)地層地質(zhì)的工程信息,尋找智能化的鉆進(jìn)技術(shù)理論。鉆孔過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)（Drilling Process Monitoring,DPM）,是一種隨鉆測(cè)量技術(shù),簡(jiǎn)稱(chēng)DPM系統(tǒng)。在上世紀(jì)二三十年代國(guó)外石油工業(yè)領(lǐng)域開(kāi)始直到現(xiàn)在眾多鉆進(jìn)工程中均有大量的運(yùn)用,用于測(cè)量、監(jiān)測(cè)和記錄鉆機(jī)的鉆進(jìn)參數(shù),現(xiàn)在的鉆進(jìn)參數(shù)記錄技術(shù)就是從其基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的[1-4],主要測(cè)量和監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)參數(shù)如推力、轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆進(jìn)液壓力、振動(dòng)、沖洗速率及鉆進(jìn)速率等等。從近年來(lái)看,Wolcott等人曾建議采用隨鉆扭矩及軸壓來(lái)測(cè)量原巖強(qiáng)度,Hoberock和Bratcher也曾通過(guò)鉆速試驗(yàn)來(lái)確定原巖抗壓強(qiáng)度[5]。Hareland等人運(yùn)用鉆進(jìn)參數(shù)、鉆頭類(lèi)型以及地層信息等鉆孔數(shù)據(jù)建立穿孔速率模型,對(duì)巖石單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,建立了基于三錐牙輪鉆頭的鉆速模型,用于巖石單軸抗壓強(qiáng)度的估算[6]。在國(guó)內(nèi)方面岳中琦[7-8]詳細(xì)介紹了原位鉆進(jìn)全過(guò)程數(shù)字監(jiān)測(cè)技術(shù)和處理采集數(shù)據(jù)的方法,并將原位鉆進(jìn)的全過(guò)程數(shù)字監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于香港一實(shí)際工程,根據(jù)全鉆進(jìn)過(guò)程的鉆進(jìn)參數(shù)記錄數(shù)據(jù)對(duì)地下風(fēng)化花崗巖地層進(jìn)行了判層分析。譚卓英等[9]研究了鉆進(jìn)能量、鉆進(jìn)比功用作風(fēng)化花崗巖地層實(shí)時(shí)分級(jí)的可行性。由此發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)過(guò)程中改變鉆進(jìn)參數(shù)和形式、鉆具設(shè)備等等都會(huì)對(duì)作業(yè)效率產(chǎn)生影響[10-11],而通過(guò)有限元軟件進(jìn)行模擬鉆進(jìn)過(guò)程能夠更方便有效地對(duì)相關(guān)猜想進(jìn)行模擬驗(yàn)證,可以具體到鉆頭形式、鉆進(jìn)角度、渣土形成及排出等方面的研究[12-14],最大可能地契合實(shí)際鉆進(jìn)情況。在此基礎(chǔ)上對(duì)于鉆進(jìn)參數(shù)的利用近幾年在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方面應(yīng)用頗多,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鉆探數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析對(duì)自身鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行智能、快速、準(zhǔn)確地調(diào)整,以便選擇最優(yōu)鉆進(jìn)方式最大可能縮短鉆進(jìn)工程周期。

以上所述都是對(duì)通過(guò)鉆進(jìn)參數(shù)來(lái)確定巖石性質(zhì)、判斷鉆進(jìn)工況以及相關(guān)的方法技術(shù)的驗(yàn)證和分析,并未對(duì)隨鉆參數(shù)與巖體力學(xué)參數(shù)之間的具體相關(guān)性和變化規(guī)律進(jìn)行細(xì)致研討和驗(yàn)證可靠性。基于上述的研究背景,本項(xiàng)目旨在現(xiàn)有的鉆探設(shè)備基礎(chǔ)上,從鉆孔常用的三翼PDC鉆頭入手,對(duì)鉆頭與巖體間的相互作用和鉆速、轉(zhuǎn)速、軸壓、扭矩等易獲取鉆進(jìn)參數(shù)的表現(xiàn)與鉆頭所鉆巖體種類(lèi)之間的關(guān)系等進(jìn)行研究,并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)兩者間的關(guān)系進(jìn)行分類(lèi)映射研究驗(yàn)證相關(guān)性,以達(dá)到利用鉆進(jìn)時(shí)所獲取的鉆進(jìn)參數(shù)來(lái)對(duì)鉆頭所鉆巖層進(jìn)行巖性判別的目的。

1 仿真模擬試驗(yàn)分析

1.1 數(shù)值模擬的基本假設(shè)

鉆進(jìn)過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程,由于受到具體工程情況中不同的巖石力學(xué)參數(shù)跟鉆進(jìn)參數(shù)影響,以及地理環(huán)境因素的影響,會(huì)產(chǎn)生各種對(duì)應(yīng)的不同結(jié)果。因此為了更加方便準(zhǔn)確地從理想狀態(tài)下對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程進(jìn)行研究分析,需要做出一些假設(shè):①每層地層都是各向同性的理想彈塑性體,介質(zhì)均勻,不考慮內(nèi)部的水跟裂隙;②鉆頭是剛度跟強(qiáng)度遠(yuǎn)大于所鉆的巖體的剛體,鉆進(jìn)過(guò)程不發(fā)生變形,且忽略鉆頭的磨損;③鉆進(jìn)過(guò)后的失效土體單元自動(dòng)消失,以及過(guò)程中產(chǎn)生的巖屑不再對(duì)后續(xù)鉆進(jìn)造成影響;④鉆頭以垂直于巖石的方向鉆進(jìn),且鉆進(jìn)軌跡良好,摩擦因數(shù)設(shè)為定值。

1.2 模型的建立

根據(jù)以上假設(shè)前提,將巖體定為柔性體,鉆頭定為剛性體,建立鉆進(jìn)模擬系統(tǒng)。首先在SolidWorks中建立鉆頭的模型,后導(dǎo)入ABAQUS軟件并在Assembly裝配模塊中與在ABAQUS中已經(jīng)建好的巖體模型進(jìn)行裝配,鉆頭和土體的模型如圖1所示。此鉆進(jìn)模型模塊分為鉆頭和巖體兩部分,鉆頭模型采用8節(jié)點(diǎn)線(xiàn)性六面體（C3D8R）單元,劃分網(wǎng)格數(shù)為166 496,且被約束為剛體,土體模型采用10節(jié)點(diǎn)修正二次四面體（C3D10M）單元進(jìn)行模擬,劃分網(wǎng)格數(shù)為22 788,模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)是210 932,單元總數(shù)為189 284。需要注意的是在大部分實(shí)際鉆進(jìn)情況下,鉆頭所鉆的巖層表面面積是遠(yuǎn)大于其本身直徑截面的,同樣只有鉆頭周邊的部分巖體才會(huì)受到鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程的影響,故基于前人經(jīng)驗(yàn)本文采用內(nèi)接圓直徑大于鉆頭外徑5倍的長(zhǎng)方體巖體模型,并且在裝配的過(guò)程中要使得鉆頭的軸線(xiàn)與巖體模型的中軸線(xiàn)重合,鉆頭在巖體模型的正中心垂直方向鉆進(jìn)。

圖1 巖體和鉆頭模型Fig.1 Model of rock mass and bit

1.3 模擬過(guò)程中的問(wèn)題處理

巖體采用Drucker-Prager模型,以便更加全面地表達(dá)出土體非線(xiàn)性、彈塑性、剪脹性等應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特點(diǎn),選擇線(xiàn)彈性模型作為土體巖性部分的表達(dá),并且在Suboptions下拉菜單Drucker-Prager Creep中定義適當(dāng)?shù)娜渥兡Ｐ?與Drucker-Prager模型相耦合可同時(shí)計(jì)算蠕變和塑性變形。根據(jù)已有的實(shí)際工程數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料查詢(xún),所采取的鉆頭的材料性質(zhì)參數(shù)以及各類(lèi)巖石力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 鉆頭材料參數(shù)Table 1 Parameters of bit material

表2 巖體材料參數(shù)Table 2 Parameters of rock mass material

在有限元分析中,“接觸”是一種典型的非線(xiàn)性接觸問(wèn)題,不僅在于接觸面本身的力學(xué)模型可能是非線(xiàn)性的,也因?yàn)槭且环N特殊的而不連續(xù)約束條件,數(shù)值往往不容易收斂。本文針對(duì)相關(guān)問(wèn)題做出如下設(shè)定:鉆頭與巖體表面的相互作用類(lèi)型是表面與表面;分析步過(guò)程選擇動(dòng)力、顯示,力學(xué)約束公式為運(yùn)動(dòng)接觸法;采用了有限滑移,鉆進(jìn)過(guò)程中的接觸屬性為切向行為,采用摩擦公式“罰”,摩擦系數(shù)取0.15。選取鉆頭頂部中心點(diǎn)為后續(xù)模擬主要參考點(diǎn),對(duì)鉆頭定義一定的轉(zhuǎn)速以及鉆速,只保留鉆具的軸向移動(dòng)（y軸方向）和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,巖石底部設(shè)為固定邊界條件,底部周邊以及底面施加約束進(jìn)行固定,本文中進(jìn)行的鉆進(jìn)模擬過(guò)程中不會(huì)發(fā)生任何的位移和轉(zhuǎn)角變化,如圖2所示。

圖2 巖體底部約束Fig.2 Constraints at the bottom of rock mass

1.4 數(shù)值模擬分析

1.4.1 鉆頭侵入巖體過(guò)程分析

觀(guān)察鉆頭在開(kāi)始侵入巖體過(guò)程不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖,如圖3所示。鉆進(jìn)過(guò)程開(kāi)始時(shí),破巖侵入過(guò)程首先是鉆齒在豎向的壓力作用下靠近并壓入巖體表面。同時(shí)在扭矩作用下鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鉆齒對(duì)土體產(chǎn)生切削,在后面的進(jìn)程中,在受到上述兩種主要作用以及其他的摩擦阻力情況下,鉆頭整體不斷鉆入巖體;同時(shí)鉆土與巖體之間的相互作用面積、作用力以及深度也時(shí)刻發(fā)生變化。

圖3 不同時(shí)刻的鉆進(jìn)應(yīng)力云圖Fig.3 Drilling stress nephogram at different times

由圖3所示的應(yīng)力云圖可以看出從開(kāi)始到整個(gè)鉆頭完全進(jìn)入巖體的過(guò)程中,巖體表面的應(yīng)力范圍是逐漸變大后趨于穩(wěn)定,這跟侵入巖體過(guò)程中的作用面積和深度有著密切關(guān)系。開(kāi)始接觸面積僅僅是鉆齒的齒刃,后鉆齒切入深度和接觸面積變大,鉆頭也繼而進(jìn)入巖體,作用面積變大。等鉆頭完全進(jìn)入巖體后,鉆頭尺寸固定,作用接觸面積幾乎不再發(fā)生變化,應(yīng)力云圖所示應(yīng)力也就趨于穩(wěn)定。通過(guò)觀(guān)察可以發(fā)現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)上下小范圍內(nèi)波動(dòng)的現(xiàn)象,這是因?yàn)榍耙粋€(gè)土體單元破壞需要一定的時(shí)間,徹底破壞后緊接著接觸破壞下一個(gè)單元體,又是在同種均質(zhì)巖體單元內(nèi)進(jìn)行鉆進(jìn),故出現(xiàn)相似循環(huán)的變化。鉆頭的軸壓力以及扭矩的變化也與之有相近的變化,在鉆頭剛接觸到巖體表面時(shí)會(huì)突然產(chǎn)生作用力,隨著鉆齒壓入巖體相互作用力逐漸變大,等鉆齒完全切入巖體鉆頭與之接觸面積趨于穩(wěn)定,壓力也會(huì)趨于穩(wěn)定,數(shù)值大小會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

1.4.2 不同巖石在同種鉆進(jìn)條件下的鉆進(jìn)參數(shù)分析

將4種巖石均在鉆速2mm/s、轉(zhuǎn)速 1 r/s的條件下模擬鉆進(jìn),以0.2 s的間隔記錄各巖石在鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的最大的Mises等效應(yīng)力如圖4所示。從各曲線(xiàn)分布范圍可以看出相同的鉆進(jìn)條件下,不同的巖石有著較為明顯的應(yīng)力響應(yīng)區(qū)別,其中煤巖的應(yīng)力只有13 MPa,而砂巖卻能達(dá)到100 MPa,性質(zhì)越好的巖石其最大Mises等效應(yīng)力也就越高。

圖4 不同巖石鉆進(jìn)過(guò)程的等效應(yīng)力Fig.4 Equivalent stress of different rock drilling processes

1.4.3 同種巖石內(nèi)不同鉆進(jìn)條件下鉆進(jìn)參數(shù)分析

設(shè)置鉆頭在鉆速2 mm/s、4 mm/s、6 mm/s,轉(zhuǎn)速1 r/s和2 r/s的多種條件下對(duì)同種巖石進(jìn)行的鉆進(jìn)模擬,將鉆進(jìn)過(guò)程中參考點(diǎn)的軸壓和扭矩記錄提出,以分析比較在同種巖石不同鉆進(jìn)條件下鉆頭的鉆進(jìn)參數(shù)表現(xiàn)。以煤巖為例,首先在轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 r/s情況下進(jìn)行模擬,逐級(jí)提高軸向鉆進(jìn)速度,分析鉆頭的軸壓和扭矩出現(xiàn)的變化及其原因。結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 不同鉆速條件下的鉆頭軸壓Fig.5 Bit axial pressure under different drilling speeds

圖6 不同鉆速條件下的鉆頭扭矩Fig.6 Bit torque under different drilling speeds

從圖5可以看出,隨著鉆速?gòu)? mm/s增加到4 mm/s與6 mm/s,鉆頭軸壓在12.8 kN為中心的范圍波動(dòng)提升到了以22 kN為中心的范圍波動(dòng)。對(duì)于實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程來(lái)說(shuō)軸壓的提升會(huì)使鉆進(jìn)速度在一定范圍內(nèi)提高,兩者在此期間呈現(xiàn)出了正相關(guān)的關(guān)系。鉆頭扭矩的變化與鉆頭軸壓的變化趨勢(shì)相近,從圖6中可以看出隨著鉆速?gòu)? mm/s到6 mm/s的提升,扭矩也從840 N·m附近提升到了1 200 N·m的程度。原因是鉆壓的提高能增加鉆齒的切入深度,鉆齒在旋轉(zhuǎn)能與更多的巖石產(chǎn)生切削作用,從而加快鉆進(jìn)過(guò)程繼而扭矩自然也隨之增加。

再將鉆頭的轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 r/s不變,逐級(jí)提高軸向鉆進(jìn)速度,模擬得到如圖7所示的軸壓變化結(jié)果。在2 r/s的轉(zhuǎn)速下,軸壓隨著鉆速的提升依舊顯示出了逐級(jí)提升的現(xiàn)象。但橫向比較同鉆速下1 r/s的結(jié)果,鉆頭軸壓在同級(jí)鉆速下沒(méi)有明顯的提升現(xiàn)象。如圖8～圖10所示在相同的鉆速條件下轉(zhuǎn)速提高并未引起軸壓大的變化,2 mm/s鉆速下的軸壓仍維持在13 kN附近,4mm/s鉆速下的軸壓維持在16.5 kN附近,6mm/s鉆速下的軸壓維持在22 kN。對(duì)于鉆進(jìn)模擬來(lái)說(shuō),軸壓的作用即是將鉆頭壓向巖石單元,單純改變轉(zhuǎn)速更多是對(duì)鉆頭對(duì)橫向巖石剪切力的改變,所以這部分參數(shù)未發(fā)生明顯變化。

圖7 轉(zhuǎn)速2 r/s時(shí)鉆頭的軸壓變化

圖8 鉆速2 mm/s時(shí)鉆頭的軸壓變化Fig.8 Axial pressure change of bit at drilling speed of 2 mm/s

圖9 鉆速4mm/s時(shí)鉆頭的軸壓變化Fig.9 Axial pressure change of bit at drilling speed of 4mm/s

圖10 鉆速6mm/s時(shí)鉆頭的軸壓變化Fig.10 Axial pressure change of bit at drilling speed of 6mm/s

但是在同級(jí)鉆速下鉆頭扭矩對(duì)于轉(zhuǎn)速的提高呈現(xiàn)出了較明顯的反應(yīng),如圖11所示。對(duì)比同級(jí)鉆速下鉆頭的扭矩均出現(xiàn)了一定幅度的提高,其中2 mm/s鉆速下鉆頭扭矩從840 N·m的水平提高到了1 030 N·m 左右,4 mm/s鉆速下扭矩從1 000 N·m左右提高到了1 275 N·m 左右,6 mm/s鉆速下扭矩從1 200 N·m左右提高到了1 630 N·m 的水平,分別如圖12～圖14所示。扭矩提高的原因是轉(zhuǎn)速提高后,鉆頭對(duì)于巖石的剪切速率增加,使鉆頭對(duì)巖石的剪切力加大,需要更大的扭矩來(lái)維持,所以表現(xiàn)出了扭矩的提高。同時(shí)從曲線(xiàn)上表現(xiàn)出了轉(zhuǎn)速提高后,扭矩的波動(dòng)范圍也隨之提高了一些,鉆進(jìn)的不穩(wěn)定性相對(duì)增加,從模擬結(jié)果來(lái)看與實(shí)際鉆進(jìn)工程中的情況相近。

圖11 轉(zhuǎn)速2 r/s時(shí)鉆頭的扭矩變化Fig.11 Bit torque change of bit at rotating speed of 2 r/s

圖12 鉆速2 mm/s時(shí)鉆頭的扭矩變化Fig.12 Bit torque change of bit at drilling speed of 2mm/s

圖13 鉆速4 mm/s時(shí)鉆頭的扭矩變化Fig.13 Bit torque change of bit at drilling speed of 4mm/s

圖14 鉆速6 mm/s時(shí)鉆頭的扭矩變化Fig.14 Bit torque change of bit at drilling speed of 6mm/s

由以上分析可以看出,鉆頭鉆進(jìn)條件的變化會(huì)引起鉆進(jìn)參數(shù)的變化反應(yīng),鉆進(jìn)參數(shù)的變化之間是有一定聯(lián)系的,即使是同種鉆頭在同種巖石里鉆進(jìn),一種參數(shù)的變化也會(huì)引起其他參數(shù)的反應(yīng),鉆進(jìn)參數(shù)之間基于鉆頭的碎巖機(jī)理有著其內(nèi)在的規(guī)律性。

2 Python人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建與訓(xùn)練

2.1 數(shù)據(jù)的選取整理

2.1.1 數(shù)據(jù)的選取

數(shù)據(jù)模擬的結(jié)果由巖石類(lèi)型、鉆速、轉(zhuǎn)速、軸壓、扭矩5項(xiàng)數(shù)據(jù)組成,由于模擬時(shí)設(shè)置了4種巖石在3種鉆速和2種轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行鉆進(jìn)模擬,所以從每種條件下各選取100條數(shù)據(jù),一共選取2 400條模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搭建和訓(xùn)練。數(shù)值模擬鉆進(jìn)條件數(shù)據(jù)如表3所示。

實(shí)際工程鉆孔記錄的原始數(shù)據(jù)為某地應(yīng)力測(cè)量時(shí)的鉆孔記錄數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)記錄了鉆頭類(lèi)型、直徑、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆程進(jìn)尺、純鉆時(shí)間、鉆速、巖石類(lèi)型等數(shù)據(jù)如表3、表4所示。選取鉆頭類(lèi)型、直徑、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆速5種參數(shù)為輸入數(shù)據(jù),4種巖石類(lèi)型為目標(biāo)數(shù)據(jù)共200條數(shù)據(jù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搭建和訓(xùn)練。

表3 數(shù)值模擬原始數(shù)據(jù)Table 3 Numerical simulation raw data

表4 實(shí)際鉆進(jìn)原始數(shù)據(jù)Table 4 Actual drilling raw data

2.1.2 數(shù)據(jù)的處理

原始數(shù)據(jù)中的部分指標(biāo)如鉆頭種類(lèi)、巖石種類(lèi)這種中文屬性詞,無(wú)法直接作為數(shù)據(jù)被神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入訓(xùn)練,所以需要對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換以符合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的要求。在鉆頭種類(lèi)、巖石種類(lèi)2種指標(biāo)內(nèi),同組的參數(shù)之間不具有序列性,也不是進(jìn)行大小比較的類(lèi)型,每種指標(biāo)內(nèi)的不同參數(shù)都是獨(dú)立又離散的存在,獨(dú)立編碼使用多個(gè)狀態(tài)寄存器來(lái)對(duì)多個(gè)狀態(tài)進(jìn)行編碼,每個(gè)狀態(tài)都由其單獨(dú)的寄存器位,一位生效寄存器對(duì)應(yīng)一種狀態(tài),具體編碼代碼圖如圖15所示。編碼后將鉆頭和巖石種類(lèi)將被轉(zhuǎn)化為類(lèi)似數(shù)列的形式,如圖16所示?？梢钥吹綄?shí)際鉆孔數(shù)據(jù)已沒(méi)有中文屬性詞匯,而且鉆頭類(lèi)型也已被轉(zhuǎn)化成了寄存器轉(zhuǎn)態(tài)。需要注意的是原始數(shù)據(jù)在多數(shù)情況下不能直接用來(lái)分析,需要先將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行函數(shù)處理,采用數(shù)據(jù)歸一化消除指標(biāo)數(shù)值的范圍影響,讓不同特征對(duì)結(jié)果的貢獻(xiàn)和作用近似甚至相同,有效地提高模型精度,歸一化后輸出的數(shù)據(jù)如圖17所示。

圖15 編碼轉(zhuǎn)換過(guò)程Fig.15 Process of code conversion

圖16 編碼轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)Fig.16 Transcoded data

圖17 歸一化后的數(shù)據(jù)Fig.17 Normalized data

2.2 關(guān)鍵問(wèn)題處理設(shè)置

為防止神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出都只在做純粹的線(xiàn)性交換,本研究采用sigmoid函數(shù)作為激活函數(shù),使得神經(jīng)元的輸入、輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蟹蔷€(xiàn)性因素的輸入輸出。對(duì)于模擬鉆進(jìn)數(shù)據(jù)的模型最后選定3層隱含層,每層12個(gè)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu),對(duì)于實(shí)際鉆進(jìn)數(shù)據(jù)的模型選定2層隱含層,每層16個(gè)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu),以使各模型達(dá)到較好的訓(xùn)練效果。并且選用交叉熵函數(shù)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中前向傳播完一次得出一次預(yù)測(cè)結(jié)果后評(píng)估預(yù)測(cè)結(jié)果與目標(biāo)結(jié)果之間的相差程度。誤差反饋方式則是將損傷函數(shù)從網(wǎng)絡(luò)的最后一層開(kāi)始,對(duì)各節(jié)點(diǎn)權(quán)重求偏導(dǎo)數(shù),將誤差值代入然后對(duì)各節(jié)點(diǎn)的權(quán)重進(jìn)行調(diào)整,即梯度下降法,為了防止梯度一次下降得太快,從而越過(guò)了最小值后者說(shuō)是最優(yōu)值,所以會(huì)設(shè)置一個(gè)梯度下降的步長(zhǎng)系數(shù)η來(lái)加以限制,同時(shí)為防止此反饋方式將所有神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)的權(quán)值都依次計(jì)算梯度下降,造成模型網(wǎng)絡(luò)計(jì)算迭代緩慢,所以選用擴(kuò)展的梯度下降方法,最終采用混淆矩陣的表示方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.3 訓(xùn)練結(jié)果

2.3.1 實(shí)際鉆孔數(shù)據(jù)訓(xùn)練結(jié)果

首先對(duì)200條實(shí)際鉆孔數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)置為只訓(xùn)練的形式進(jìn)行訓(xùn)練,以分析數(shù)據(jù)是否具有可訓(xùn)練性,其訓(xùn)練過(guò)程如圖18所示,可以看到損失函數(shù)的值隨著訓(xùn)練的進(jìn)行一直在減小,表示模型建立正確,處于可以正確訓(xùn)練的狀態(tài),訓(xùn)練完成后的結(jié)果輸出如圖19所示。

圖18 函數(shù)下降變化過(guò)程Fig.18 Process of function descent change

由圖19可以看出,模型整體訓(xùn)練的準(zhǔn)確率為89.7%,85個(gè)砂巖數(shù)據(jù)訓(xùn)練正確76個(gè),82個(gè)泥巖數(shù)據(jù)訓(xùn)練正確77個(gè),14個(gè)煤巖數(shù)據(jù)訓(xùn)練正確11個(gè),23個(gè)灰?guī)r數(shù)據(jù)訓(xùn)練正確19個(gè)。模型對(duì)于各類(lèi)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練情況較為良好,說(shuō)明了鉆進(jìn)參數(shù)預(yù)測(cè)巖石類(lèi)型模型的可訓(xùn)練性,證明鉆進(jìn)參數(shù)的數(shù)據(jù)表現(xiàn)與巖石種類(lèi)之間是有一定的內(nèi)在聯(lián)系的,這點(diǎn)與之前各章節(jié)的分析結(jié)果相同。然后設(shè)置訓(xùn)練集和預(yù)測(cè)集的訓(xùn)練,將實(shí)際鉆孔數(shù)據(jù)設(shè)置為隨機(jī)抽取80%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集數(shù)據(jù),20%的數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)集數(shù)據(jù),利用訓(xùn)練集數(shù)據(jù)將模型訓(xùn)練完畢后,代入預(yù)測(cè)集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)查看結(jié)果,如圖20所示。

圖20 實(shí)際鉆進(jìn)數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.20 Training results of actual drilling data

對(duì)于模型預(yù)測(cè)集的整體預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為75%左右,抽取的15個(gè)砂巖數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)正確12個(gè),15個(gè)泥巖數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)正確12個(gè),5個(gè)煤巖數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)正確4個(gè),4個(gè)灰?guī)r數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)正確3個(gè)。預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率沒(méi)有訓(xùn)練準(zhǔn)確率高的原因是由于訓(xùn)練和預(yù)測(cè)的實(shí)際鉆孔的數(shù)據(jù)均較少,即使采取了降低過(guò)擬合提高模型泛化的方法,但部分個(gè)體的數(shù)據(jù)仍是無(wú)法正確地被模型所擬合預(yù)測(cè),這是由于訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)不足所致,但75%的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率表明人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已能對(duì)大部分?jǐn)?shù)據(jù)的巖石類(lèi)型具備可判斷性。

2.3.2 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的訓(xùn)練結(jié)果

數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的訓(xùn)練結(jié)果與實(shí)際鉆孔數(shù)據(jù)的訓(xùn)練過(guò)程相似,將2 400條模擬數(shù)據(jù)隨機(jī)抽取200條數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)集,剩余的2 200條數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集訓(xùn)練。訓(xùn)練集的輸出結(jié)果如圖21所示,整體訓(xùn)練準(zhǔn)確率為89.8%,其中551個(gè)煤巖數(shù)據(jù)訓(xùn)練正確523個(gè),543個(gè)砂巖數(shù)據(jù)訓(xùn)練正確468個(gè),536個(gè)泥巖數(shù)據(jù)訓(xùn)練正確503個(gè),537個(gè)灰?guī)r數(shù)據(jù)訓(xùn)練正確452個(gè)。

圖21 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.21 Numerical simulation data results

預(yù)測(cè)集的結(jié)果如圖21所示,整體預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為89.1%,與訓(xùn)練集的準(zhǔn)確率相近,其中61個(gè)煤巖數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)正確58個(gè),63個(gè)砂巖數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)正確55個(gè),63個(gè)泥巖數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)正確57個(gè),62個(gè)灰?guī)r數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)正確51個(gè)。對(duì)模擬數(shù)據(jù)訓(xùn)練預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率在90%左右,利用一些模擬時(shí)獲取的鉆進(jìn)參數(shù)能很好地起到對(duì)巖石種類(lèi)預(yù)估的效果。

模擬數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率比實(shí)際數(shù)據(jù)提高很多,一方面是由于模擬訓(xùn)練預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)量多于實(shí)際數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)上的增多使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能更好地訓(xùn)練,預(yù)測(cè)時(shí)個(gè)體數(shù)據(jù)的差異影響也會(huì)減小,即用更多的數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所能識(shí)別的數(shù)據(jù)范圍也就更大;另一方面由于實(shí)際鉆孔工程要比軟件模擬時(shí)有更多的影響因素和不確定性,獲得的鉆進(jìn)參數(shù)間的差異可能也就更大,這也影響了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)于結(jié)果預(yù)測(cè)的正確性。

3 結(jié) 論

（1）利用ABAQUS軟件對(duì)礦用三翼PDC鉆頭動(dòng)態(tài)鉆進(jìn)過(guò)程做仿真模擬,結(jié)果表明:不同的巖石在相同的鉆速、轉(zhuǎn)速條件下受到鉆頭作用力的大小是不同的,砂巖、灰?guī)r、泥巖、煤巖的應(yīng)力反應(yīng)依次減小。鉆頭轉(zhuǎn)速不變時(shí),在不同巖石中提高鉆速均會(huì)使鉆頭的軸壓和扭矩都增大。鉆頭的鉆速不變時(shí),提高轉(zhuǎn)速均會(huì)使鉆頭扭矩增大,軸壓無(wú)明顯增加。相同的鉆速、轉(zhuǎn)速條件下,鉆頭在不同巖石中鉆壓與扭矩的輸出情況明顯不同,鉆壓與扭矩均是按照煤巖、泥巖、灰?guī)r到砂巖的順序依次增大。

（2）利用數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和實(shí)際鉆孔數(shù)據(jù),使用Python語(yǔ)言進(jìn)行了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搭建與訓(xùn)練。模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際鉆孔數(shù)據(jù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練準(zhǔn)確率為90%左右,說(shuō)明了鉆進(jìn)參數(shù)預(yù)測(cè)巖石類(lèi)型模型的可訓(xùn)練性,證明鉆進(jìn)參數(shù)的表現(xiàn)與巖石類(lèi)型之間是有一定的內(nèi)在聯(lián)系的。2個(gè)模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為90%左右和75%左右,證明利用鉆進(jìn)參數(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石種類(lèi)的判識(shí)具有可實(shí)現(xiàn)性。

（3）用軟件做鉆進(jìn)過(guò)程數(shù)值模擬時(shí),所設(shè)的一些基本假設(shè)例如巖石為各向相同且均質(zhì)的彈塑性體,還有不考慮鉆井液的影響等對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。這些假設(shè)使模擬與實(shí)際過(guò)程有一定的差別,一些實(shí)際過(guò)程中可能存在的因素被忽略,使模擬結(jié)果具有局限性。今后可進(jìn)一步對(duì)模擬模型做出優(yōu)化修改,使模擬能更加接近實(shí)際的鉆進(jìn)情況以能更好研究鉆進(jìn)參數(shù)的表現(xiàn)。原始數(shù)據(jù)量對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練和使用效果起著重要的作用,本研究所能利用的實(shí)際鉆孔數(shù)據(jù)量有限,利用模擬數(shù)據(jù)又存在與實(shí)際數(shù)據(jù)有部分差別的可能,所以今后可收集更多的數(shù)據(jù)以豐富機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)庫(kù),無(wú)論對(duì)于繼續(xù)研究還是以后的實(shí)際應(yīng)用都有著重要的作用。