CN115853494A - 一种基于钻进特征的钻孔效率评价方法 - Google Patents

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吴怡璇
范喜杰
衣瑛
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宋家威
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Abstract

本发明涉及一种基于钻进特征的钻孔效率评价方法，包括如下步骤：S1，依据矿山地质条件制备性质相同的均质岩石样本；S2，在试验轴压和转速的共同作用下进行室内钻进试验，获取钻进位移数据；S3，将钻进过程进行特征分段，确定各个阶段速度特征占比；S4，根据各阶段速度特征占比，建立钻进效率评价模型，S5，将钻进效率评价模型分成等级，并根据各评价等级进行钻进效率等级评价。其优点是：该方法利用室内钻进试验，通过分析钻进速度特征，引入的修正因子符合现场作业情况，对整体钻进效率进行评价分级，在评价效率的同时反馈并给出钻进运行参数的调整建议，从而提高钻机的钻进效率，节约钻孔时间和成本。

Description

一种基于钻进特征的钻孔效率评价方法
技术领域
本发明属于采矿工程技术领域，特别是一种基于钻进特征的钻孔效率评价方法。
背景技术
穿孔作业是露天矿山开采的重要工序之一，由于矿山钻孔数量多，地层矿岩性质复杂，穿孔的效率直接影响矿山整体开采成本和时间，钻孔速度是反映钻孔效率的重要参数，建立钻进效率评价体系，根据钻机工作参数客观评价钻进效率是找出影响效率本质因素的主要方法之一。影响钻进效率的主要因素有地层的可钻性、钻具的选和钻杆的选择，目前论述钻进效率的方法主要依据为破碎比功模型，利用破碎岩石的体积计算破碎能量，从而判断破岩效率，缺少定量评价效率的指标。然而，地层的可钻性主要体现在地层的抗压强度，只要钻机所施加的轴压大于地层的抗压强度，钻齿就能压入地层，破碎比能对钻进效率评价不能够体现出岩石内部力学性质的不同造成的影响，而且利用现场设备进行大批量试验，操作困难，周期长，成本高，所以室内试验可以快速进行不同性质岩石的钻进试验，从而灵活解决以上问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高钻机的钻进效率，节约钻孔时间和成本的基于钻进特征的钻孔效率评价方法。
本发明的目的是通过下述工艺技术方案来实现的：
本发明的目的在于提供一种基于钻进特征的钻孔效率评价方法，该方法利用室内钻进试验，通过分析钻进特征，引入迟滞因子和修正系数，建立钻进效率评价模型，对钻进效率进行评价分级。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
本发明的一种基于钻进特征的钻孔效率评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，依据矿山地质条件制备性质相同的均质岩石样本；
S2，在试验轴压和转速的共同作用下进行室内钻进试验，获取钻进位移数据；
S3，将钻进过程进行特征分段，确定各个阶段速度特征占比；
S4，根据各阶段速度特征占比，建立钻进效率评价模型；
S5，将钻进效率评价模型分成等级，并根据各评价等级进行钻进效率等级评价。
优选地，所述的S1中，均质岩石样本主要为开采的矿岩种类，岩石试件尺寸为直径50±1mm，高度100±1mm的标准圆柱形均质岩石样本试件。
优选地，所述的S2中，在试验轴压和转速的共同作用下进行室内钻进试验，是在恒定轴压和恒定转速的共同作用下进行的，基于相似性原则选择室内钻进试验的轴压和转速，满足现场钻机的转速与轴压匹配关系，室内试验轴压和转速选择的相似比是室内试验轴压与现场轴压之比、室内试验转速与现场转速之比，
Figure BDA0004007619490000021
优选地，所述S2中，获取钻进位移数据包括钻机空转钻进时的位移和钻进均质岩石样本的位移数据，计算出空转钻进时的速度V0，并绘制钻进均质岩石样本时的位移时程曲线。
优选地，所述S3中将钻进过程进行特征分段，确定各个阶段速度特征占比，是根据所述的钻进均质岩石样本时的位移时程曲线将钻进过程分为两个阶段，并确定各个阶段速度特征占比，第一阶段为初始钻进阶段，阶段特征为短时间内位移迅速增加，第一阶段的平均速度V1即阶段直线斜率k1，第二阶段为稳定钻进阶段，阶段特征为位移随时间呈线性增加，斜率在第一阶段后保持不变，第二阶段的平均速度速度V2为阶段直线斜率k2，k2<k1，当出现卡钻现象时，此阶段的速度降低为Vk；
三个阶段速度特征占比为：
Figure BDA0004007619490000031
Figure BDA0004007619490000032
Figure BDA0004007619490000033
式中：E1为钻进第一阶段速度占比；E2为钻进第二阶段速度占比；Ek为出现卡钻等现象阶段的速度占比。
优选地，所述S4中根据各阶段速度特征占比，建立钻进效率评价模型，
如公式(5)所示；
Figure BDA0004007619490000034
式中：η为效率评价指数，H为孔深，mm；hv1为第一阶段钻进速深度，mm；hv2为第二阶段钻进速深度，mm；hk为卡钻深度，k＝0～H，mm；hv2＝H-hv1-hk，Ks为现场效率修正系数，根据矿石硬度由小至大，修正系数取值范围为Ks＝1.0～1.15。
优选地，所述S5中，将钻进效率评价模型分成等级，并根据各评价等级进行钻进效率等级评价，是将钻进效率评价模型分为I～Ⅳ等级，钻进效率评价模型评价等级为Ⅰ时，钻进效率极高，无需调整响应参数；钻进效率评价模型评价等级为Ⅱ时，钻进效率较高；钻进效率评价模型评价等级为Ⅲ时，钻进效率较低；钻进效率评价模型评价等级为Ⅳ时，钻进效率极低。
本发明的优点是：
本发明主要通过室内相似性钻进试验，有效解决现场试验及数据提取的复杂性，利用钻机运行参数和钻进速度特征，引入修正因子符合现场作业情况，对整体钻进效率进行评价分级，在评价效率的同时反馈并给出钻进运行参数的调整建议，从而提高钻机的钻进效率，节约钻孔时间和成本。
附图说明
图1为本发明基于钻进特征的钻孔效率评价方法的流程图。
图2为将钻进过程特征分段示意图。
具体实施方式
为描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
如图1-图2所示，本发明的一种基于钻进特征的钻孔效率评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
针对室内钻进试验，金刚石钻进砂岩的效率进行评价，确定轴压和转速的相似比为1：1.5，轴压为20KN，转速为60r/min。
S1，依据矿山地质条件制备性质相同的均质岩石样本；均质岩石样本主要为开采的矿岩种类，岩石试件尺寸为直径50±1mm，高度100±1mm的标准圆柱形均质岩石样本试件，与现场岩石的抗压强度、泊松比和内摩擦角一致。
所述的S2中，在试验轴压和转速的共同作用下进行室内钻进试验，是在恒定轴压和恒定转速的共同作用下进行的，基于相似性原则选择室内钻进试验的轴压和转速，满足现场钻机的转速与轴压匹配关系，室内试验轴压和转速选择的相似比是室内试验轴压与现场轴压之比、室内试验转速与现场转速之比，
Figure BDA0004007619490000051
本发明所述S2中，获取钻进位移数据包括钻机空转钻进时的位移和钻进均质岩石样本的位移数据，计算出空转钻进时的速度V0，并绘制钻进均质岩石样本时的位移时程曲线。
所述S3中将钻进过程进行特征分段，确定各个阶段速度特征占比，是根据所述的钻进均质岩石样本时的位移时程曲线将钻进过程分为两个阶段，并确定各个阶段速度特征占比，第一阶段为初始钻进阶段，阶段特征为短时间内位移迅速增加，第一阶段的平均速度V1即阶段直线斜率k1，第二阶段为稳定钻进阶段，阶段特征为位移随时间呈线性增加，斜率在第一阶段后保持不变，第二阶段的平均速度速度V2为阶段直线斜率k2，k2<k1，当出现卡钻现象时，此阶段的速度降低为Vk；
三个阶段速度特征占比为：
Figure BDA0004007619490000061
Figure BDA0004007619490000062
Figure BDA0004007619490000063
式中：E1为钻进第一阶段速度占比；E2为钻进第二阶段速度占比；Ek为出现卡钻等现象阶段的速度占比。
本发明根据各阶段速度特征占比，建立钻进效率评价模型，
如公式(5)所示；
Figure BDA0004007619490000064
式中：η为效率评价指数，H为孔深，mm；hv1为第一阶段钻进速深度，mm；hv2为第二阶段钻进速深度，mm；hk为卡钻深度，k＝0～H，mm；hv2＝H-hv1-hk，Ks为现场效率修正系数，根据矿石硬度由小至大，修正系数取值范围为Ks＝1.0～1.15。
钻进效率评价模型根据两个速度阶段的位移和速度按占比建立，如公式(5)所示；
Figure BDA0004007619490000065
式中：η为效率评价指数，H为孔深，mm；hv1为第一阶段钻进速深度，mm；hv2为第二阶段钻进速深度，mm；hk为卡钻深度，k＝0～H，mm；hv2＝H-hv1-hk，Ks为现场效率修正系数，根据矿石硬度由小至大，修正系数取值范围为Ks＝1.0～1.15。
本发明将钻进效率评价模型分成等级，并根据各评价等级进行钻进效率等级评价，是将钻进效率评价模型分为I～Ⅳ等级，钻进效率评价模型评价等级为Ⅰ时，钻进效率极高，无需调整响应参数；钻进效率评价模型评价等级为Ⅱ时，钻进效率较高；钻进效率评价模型评价等级为Ⅲ时，钻进效率较低；钻进效率评价模型评价等级为Ⅳ时，钻进效率极低。
针对室内钻进试验，金刚石钻进砂岩的效率进行评价，确定轴压和转速的相似比为1：1.5，钻机的轴压为20KN，转速为60r/min，空转速度V0＝20mm/s，第一阶段速度V1＝0.134mm/s，第二阶段速度V2＝13.45mm/s，H＝20mm，hV1＝0.61mm，hV2＝19.39mm，a＝0。
根据评价模型可得η＝65.2，评价等级为Ⅲ，钻进效率较低，需要加大轴压或提高转速。
实施例2
针对室内钻进试验，金刚石钻进砂岩的效率进行评价，确定轴压和转速的相似比为1：2，响应参数中轴压为20KN，转速为60r/min，其步骤同实施例1。
钻机的轴压为20KN，转速为60r/min，空转速度V0＝34.64mm/s，第一阶段速度V1＝10.53mm/s，第二阶段速度V2＝30.51mm/s，H＝20mm，hV1＝3.12mm，hV2＝16.88mm，a＝0。
根据评价模型可得η＝78.82，评价等级为Ⅱ，钻进效率较高，与实例1进行对比，钻进效率有所提高，但第二阶段的位移起始点大于实例1，提高钻速能更高的提高钻进效率。
实施例3
针对现场牙轮钻钻进花岗岩的效率进行评价，现场钻机参数中轴压为150KN，转速为120r/min，其步骤同实施例1。
钻机的轴压为150KN，转速为120r/min，V0＝10mm/s，V1＝0.8mm/s，V2＝6.5mm/s，H＝15000mm，hV1＝380mm，hV2＝14390mm，Va＝0.5mm/s，i＝230，hi＝230mm，a＝0.03，Ks＝1.1。
根据评价模型可得实验室钻进效率为62.6，实际钻进η＝68.86，评价等级为Ⅲ，效率较低，需要加大50KN轴压或提高至90r/min转速。
实施例4
针对现场牙轮钻钻进花岗岩的效率进行评价，现场钻机参数中轴压为300KN，转速为120r/min，其步骤同实施例1。
钻机的轴压为300KN，转速为120r/min，V0＝20mm/s，V1＝1.52mm/s，V2＝17.6mm/s，H＝15000mm，hV1＝250mm，hV2＝14640mm，Va＝0.8mm/s，i＝100，hi＝110mm，a＝0.032，Ks＝1.05。
根据评价模型可得实验室钻进效率为85.95，实际钻进η＝90.24，评价等级均为Ⅰ，钻进效率极高，可以继续保持该轴压和转速。
本发明步骤1中，岩石样本为主要开采的矿岩种类，岩石试件尺寸为直径50±1mm，高度100±1mm的标准圆柱形均质试件，与现场岩石的抗压强度、泊松比、内摩擦角一致。
以上所述仅是本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以增加或修改若干影响因子指标等参数，这些增删、替换和改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于钻进特征的钻孔效率评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，依据矿山地质条件制备性质相同的均质岩石样本；
S2，在试验轴压和转速的共同作用下进行室内钻进试验，获取钻进位移数据；
S3，将钻进过程进行特征分段，确定各个阶段速度特征占比；
S4，根据各阶段速度特征占比，建立钻进效率评价模型；
S5，将钻进效率评价模型分成等级，并根据各评价等级进行钻进效率等级评价。
2.根据权利要求1所述的基于钻进特征的钻孔效率评价方法，其特征在于，所述的S1中，均质岩石样本主要为开采的矿岩种类，岩石试件尺寸为直径50±1mm，高度100±1mm的标准圆柱形均质岩石样本试件。
3.根据权利要求1所述的基于钻进特征的钻孔效率评价方法，其特征在于，所述的S2中，在试验轴压和转速的共同作用下进行室内钻进试验，是在恒定轴压和恒定转速的共同作用下进行的，基于相似性原则选择室内钻进试验的轴压和转速，满足现场钻机的转速与轴压匹配关系，室内试验轴压和转速选择的相似比是室内试验轴压与现场轴压之比、室内试验转速与现场转速之比，
Figure FDA0004007619480000011
4.根据权利要求1所述的基于钻进特征的钻孔效率评价方法，其特征在于，所述S2中，获取钻进位移数据包括钻机空转钻进时的位移和钻进均质岩石样本的位移数据，计算出空转钻进时的速度V0，并绘制钻进均质岩石样本时的位移时程曲线。
5.根据权利要求1基于钻进特征的钻孔效率评价方法，其特征在于，所述S3中将钻进过程进行特征分段，确定各个阶段速度特征占比，是根据所述的钻进均质岩石样本时的位移时程曲线将钻进过程分为两个阶段，并确定各个阶段速度特征占比，第一阶段为初始钻进阶段，阶段特征为短时间内位移迅速增加，第一阶段的平均速度V1即阶段直线斜率k1，第二阶段为稳定钻进阶段，阶段特征为位移随时间呈线性增加，斜率在第一阶段后保持不变，第二阶段的平均速度速度V2为阶段直线斜率k2，k2<k1，当出现卡钻现象时，此阶段的速度降低为Vk；
三个阶段速度特征占比为：
Figure FDA0004007619480000021
Figure FDA0004007619480000022
Figure FDA0004007619480000023
式中：E1为钻进第一阶段速度占比；E2为钻进第二阶段速度占比；Ek为出现卡钻等现象阶段的速度占比。
6.根据权利要求1基于钻进特征的钻孔效率评价方法，其特征在于，所述S4中根据各阶段速度特征占比，建立钻进效率评价模型，
如公式(5)所示；
Figure FDA0004007619480000031
式中：η为效率评价指数，H为孔深，mm；hv1为第一阶段钻进速深度，mm；hv2为第二阶段钻进速深度，mm；hk为卡钻深度，k＝0～H，mm；hv2＝H-hv1-hk，Ks为现场效率修正系数，根据矿石硬度由小至大，修正系数取值范围为Ks＝1.0～1.15。
7.根据权利要求1所述的基于钻进特征的钻孔效率评价方法，其特征在于，所述S5中，将钻进效率评价模型分成等级，并根据各评价等级进行钻进效率等级评价，是将钻进效率评价模型分为I～Ⅳ等级，钻进效率评价模型评价等级为Ⅰ时，钻进效率极高，无需调整响应参数；钻进效率评价模型评价等级为Ⅱ时，钻进效率较高；钻进效率评价模型评价等级为Ⅲ时，钻进效率较低；钻进效率评价模型评价等级为Ⅳ时，钻进效率极低。
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