第1章绪论
资源能源是人类赖以生存的基础，地质钻探是实现资源能源勘探开发的必要手段，也是推动深部地质构造研究、完善地球系统科学理论体系的重要支撑。在当前信息化、智能化时代背景下，为实现向地球深部进军、勘探深部资源能源的目标，亟须在地质钻探工程中发展钻进过程的先进控制技术、钻探装备的智能化技术，解决深部复杂地质条件下钻进过程智能控制与优化难题，推动我国资源能源勘探技术的转型升级与发展。
1.1复杂地质钻进过程分析
复杂地质钻进是利用钻探装备与技术穿越多套复杂地层到达设计深度，完成地下岩心全孔取样任务，并通过分析岩心反映目标区域的真实地质状况，为资源能源开发、地球科学研究等提供重要信息支撑。本节在钻进过程描述的基础上，分析钻进过程的特点，为后续的理论研究和工程实践奠定基础。
1.1.1钻进过程描述
我国在利用钻探技术开发地下资源能源方面历史悠久，在两千多年前的盐井钻凿过程中创造了冲击式顿钻凿井法，清朝年间利用这种方法钻成了深达千米的火井（天然气井），成为当时世界上*深的井W。冲击式顿钻凿井法钻进速度慢、效率低，随着勘探深度的增加，已无法满足深部复杂地质环境下的钻探需求。在第一次工业革命后，钻探装备与技术逐步进入科学化发展阶段，21世纪以来全面迈入自动化、信息化和智能化发展的新时期表1.1为钻探装备在各个发展阶段的主要技术创新。
现代钻机按回转器形式可分为立轴式、转盘式、顶驱式等类型[5]，其中转盘式电驱动钻机钻进过程如图1.1所示。钻机机械设备主要包括井架、大钩、钻柱、转盘、绞车、泥浆泵、井下钻具组合、钻头等，依靠这些设备构成钻柱系统、旋转系统和循环系统三个子系统。钻柱系统由大钩、绞车、钻柱、井下钻具组合等组成，利用部分钻柱的重力向钻头施加压力，实现钻柱轴向运动；旋转系统由转盘（顶驱）、钻柱、钻头等组成，由转盘或者顶驱驱动井下钻柱与钻头旋转，实现钻柱扭转运动，并结合钻柱轴向运动，实现正常进尺；循环系统由泥浆泵、泥浆池等组成，通过循环钻井液流动将钻进过程产生的岩屑从井底携带到地表，保证钻头清洁，避免钻头堵塞造成井下事故。三个子系统之间相互配合、协作，保证复杂地质钻进过程的有序进行。
钻机信息化与电气化设备由司钻房和电控房组成。司钻房实现钻进过程参数的实时监测、钻进操作参数的设定下发、钻杆的起下钻操作，以及井口、绞车、二层平台等设备工作情况的视频监控，在具有完备录井系统的情况下，还可以监测碳含量、硫化氢含量等表征油气储层的参数。电控房配置钻进底层控制系统，执行司钻房的下发指令，主要由工控机、变频器和可编程逻辑控制器等组成。
钻井可分为直井和定向井两大类型，分别采用垂钻和定向钻进两种方式，如图1.2所示。直井是指从井口开始始终保持垂直向下钻进至设计深度的钻井方法，理论上直井轨迹应严格垂直于水平面，但由于地质环境及钻具结构等因素的影响，实际钻进轨迹通常会发生井眼偏斜，工程上称为井斜。当井斜超出工程设计范围时，井眼质量达不到地质勘探开发要求，往往需要通过开窗侧钻甚至填井重钻M来解决，造成钻进成本的巨大提高，因此垂钻中控斜问题突出。定向井是指井眼轨迹按照预先设计的井斜和方位钻至目标地层的钻井方法，主要应用于石油勘探与开发过程。定向钻进由特殊井下工具、测量仪器和工艺技术有效控制井眼轨迹，使钻头沿着特定方向钻至地下预定目标，因此其重点在于轨迹分段设计与跟踪控制。
两种钻井类型的基本钻进工艺包括旋转钻进、提钻、下钻、扫孔、接单根、倒划眼等操作。同时，考虑各自独*的工程需求和工艺特点，针对不同类型的钻井研创了其他重要钻进工艺，其中取心钻进便是地质钻进过程中关键的钻进工艺之一。通过取心钻进方式将地下岩心钻取到地表，可获取钻进地层的第一手岩性资料，为实现地质矿产勘查和地球科学研究提供了重要基础。取心钻进过程需要将专用的取心工具放置于钻杆内管，会占据有限的钻杆内部空间；同时，每进尺至一定深度，需要将装满岩心的取心工具提升至地面，取出地质岩心。随着反复地下放、打捞取心工具，实现取心钻进。
1.1.2钻进过程信息
钻进过程信息是实现钻进过程智能控制与决策的重要基础，根据先后顺序可分为钻前信息、钻中信息和钻后信息三类，如表1.2所示。其中，钻前信息是指开钻前获取的信息；钻中信息是指钻进过程中获取的随钻信息；钻后信息是指对己钻井段进行探测得到的信息[11]。
1.钻前信息
钻前信息主要有开钻前获取的地震参数和邻井地质资料，它们是井身结构设计、井眼轨迹设计等的重要参考资料。地震参数通过观测和分析待钻地层对人工激发地震波的响应得到，主要有地震层速度、地震波时间和地震波阻抗等，常被用于推断地层性质、定位油气矿产资源、获取地质信息。邻井地质资料主要有地质柱状图、区域构造图和邻井地层剖面图等。其中，地质柱状图是将地层按其时代顺序、接触关系及层位厚度大小编制的图件，记录了地层层序、厚度和岩性简述等内容，对钻进过程具有重要指导意义。
目前，地震勘探所用震源中应用较多的是可控震源，可控震源车中携带的激振器向地层发出激励，分布在地表的多个检波器接收到反射波并将其传输到仪器车中的数据处理系统，对地震波阻抗、地震层速度等数据进行分析和处理。邻井地质资料通常由各地质队、钻井公司等进行归档和保存。另外，中国地质调査局主持开发的“地质云”综合性地质信息服务系统上线，可实时地在线获取遥感数据、钻孔数据、馆藏资料和地学文献等信息资源。
2.钻中信息
钻中信息涵盖在钻进过程中产生、记录、采集的各类数值数据、图片、报表等信息，也是*直接、*重要的钻进过程信息，其中与钻进过程控制关联性较强的主要有钻进参数、岩心/岩屑录井、泥浆录井三种。
（1）钻进参数，主要包括钻压、转速、泵量、钻速、扭矩、立管压力、井深等，可在司钻房中的人机交互屏幕进行实时监测。其中，钻压、转速和泵量是钻进操作参数，常常作为钻进过程优化控制的主要操作变量。
（2）岩心/岩屑录井，在钻进过程中，通过对岩心/岩屑进行观察和分析，可获取地层的各项地质资料，恢复原始地层剖面。
（3）泥浆录井，对钻井液密度、黏度、总池体积等相关数据进行实时采集，并根据返还的钻井液了解地层状况。其中，钻井液密度、黏度直接影响井壁稳定性，钻井液总池体积是判断井漏/井涌事故的重要依据。
钻中信息种类多、涵盖范围广、实时性强，在评价地层状况和指导钻进施工等方面具有重要作用。
3.钻后信息
钻后信息是在钻进形成井眼后，通过下放专业仪器或者进行岩心实验，利用岩层的声学、电化学、放射性、导电性等地球物理特性获取的信息，反映地层声速、岩性及孔隙度等方面的性质，主要包括测井参数和地层特征参数。
（1）测井参数，如自然伽马、电阻率、声波时差、轨迹井斜角、方位角等，是反映地球物理特性和钻进轨迹的重要参数。常规的测井方法主要是电缆测井，将测井仪器下放至井底再上提，记录测井曲线。近年来，随着传感器、信息技术的提高，现有部分公司也采用随钻测井方法。这种方法虽然成本高，但是能够随钻测量井下地层信息，对实时更新地层模型、降低钻进风险、提高钻进效率具有重大作用。
（2）地层特征参数，主要指地层可钻性、地层压力、单轴抗压强度等。这类参数难以直接测量获得，一般需要通过岩心实验或建立预测模型并利用软测量方式得到，是表征岩石力学性质的参数，也是钻进过程地质环境的定量描述。
钻前信息、钻中信息、钻后信息是区域地质结构的综合反映，具有一定的相关性。然而这三种信息在检测方法、存储结构、表现形式等方面不统一，存在多源异构、价值密度低、信息不完备等环境感知和信息处理方面的难题。
1.1.3钻进过程特点分析
地质钻进过程需要利用多种设备、钻具、钻头、材料进行联合作业，同时也是多系统紧密配合、多环节环环相扣的连续工业过程。为实现钻进过程的智能控制、达到安全高效钻进的目的，必须对钻进过程在复杂地质条件下呈现出的过程特点进行探讨，在此基础上开展钻进过程建模、优化和控制研究。
1.三高一扰动
三髙一扰动，即高地温、髙地层压力、高陡构造和钻进扰动。随着钻进过程的深入，地温和地层压力逐渐升高。通常，地温梯度为1～3°C/100m、地层压力梯度为IMPa/lOOm左右，但是在某些地区存在地温、地层压力异常的情况，例如，东北徐家围子地区的地温梯度在4～5°C/100m。以徐家围子地区一口5000m深的井为例，井底地温超过200°C，地层压力也在50MPa左右。高地温和高地层压力将给钻进过程的安全和效率带来巨大挑战。另外，由于地层自然造斜效应的影响，复杂地质钻进过程还存在高陡构造和钻进扰动等特点。
2.钻柱柔性特性
钻柱连接地面驱动装置和井底钻头，通常长达几千米甚至十几千米。相比于钻柱的整体长度，作为基本单元的钻杆的直径非常小（从几十毫米到几百毫米），并且壁厚很薄。为了使钻柱能承受更大的钻压而不发生弯曲，破岩钻进时通常需要在钻柱底部搭载直径和壁厚更大的重型钻杆、钻铤或者它们的组合，取心钻进时一般为钻杆接扶正器。即使如此，由于长径比极大，钻柱系统仍呈现出明显的柔性特征。
3.控制回路耦合
钻柱系统、旋转系统、钻井液循环系统互相制约，使得钻进轨迹控制、钻压转速控制、井底压力控制等控制回路相互親合。在复杂地质条件下，各个控制回路存在时变非线性、参数不确定性等特征，同时面临欠驱动、完整/非完整约束以及多扰动叠加等难题。
4.钻进信息多源异构、价值密度低、信息不完备
在钻进过程中，钻进信息来源丰富，各类信息结构不尽相同，具有多源异构特点；各类信息采样周期不同，时间尺度与数据粒度多样；由于地面和井下监测传感器之间的距离长达数百米甚至数千米，采集的测井、录井及地震等数据存在传输时延、噪声污染等问题，具有价值密度低、信息不完备等特点。
上述特点使得复杂地质钻进过程中安全性差、钻进效率低等问题突出。在中国大陆科学钻探工程科钻一井、深部探测技术与实验研究专项、汶川地震深孔等系列工程实践中，均出现多轮次孔内复杂情况[13]，如钻进偏斜、钻进坍塌、钻井液漏失等钻进事故，并且存在钻进效率低、井眼质量差等问题。为保障深部地质钻进过程的高安全性和高效率，需要形成面向复杂地质条件的钻进过程智能决策与先进控制方法；在此基础上，开发智能化的地质钻探装备和工程技术。
以下将针对现有的地质钻进过程建模、优化和控制方法进行总结，并简述本书主要内容。
1.2地质钻进过程建模、优化与控制研究现状
传统地质钻探行业自动化、智能化水平较低，依赖经验的操作方式占据主导地位，缺乏实时优化与智能决策的先进控制手段。近年来，旋转导向、随钻测量以及控压钻井等先进工艺技术的兴起，为实现钻进过程自动化、信息化、智能化提供了强力支撑。如何有效利用多源过程信息，建立可靠的地质环境和钻进过程模型，实现对钻进过程的在线优化和高适应性控制，同时对过程运行状态进行实时监测与评估，是复杂地质钻进过程装备技术发展亟待解决的关键问题。
1.2.1地质钻进过程建模
地质钻进过程常钻遇松散层、破碎带、水敏性环境等复杂变质岩地层，地层可钻性差、钻速慢、钻进成本高，迫切需要提高钻进安全和效率。然而，由于井
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