【摘 要】
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反井钻机在施工时具有安全性高、井筒建设质量好、环境友好程度高、施工速度快、整体机械化程度高等优点,在进行水电站、通风井、电梯井等地下井筒建设时有着广泛的应用。目前,在使用反井钻机进行施工时,主要存在以下几个问题,如钻头在井下施工因地质中岩石分布不均匀引起的钻井参数难选取,钻具系统和所钻地层难匹配,因钻头工作状态不可见而引发的蹩钻、卡钻、断钻工况,钻井工作过程中缺乏实时的反馈预测等问题。传统的对反井
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反井钻机在施工时具有安全性高、井筒建设质量好、环境友好程度高、施工速度快、整体机械化程度高等优点,在进行水电站、通风井、电梯井等地下井筒建设时有着广泛的应用。目前,在使用反井钻机进行施工时,主要存在以下几个问题,如钻头在井下施工因地质中岩石分布不均匀引起的钻井参数难选取,钻具系统和所钻地层难匹配,因钻头工作状态不可见而引发的蹩钻、卡钻、断钻工况,钻井工作过程中缺乏实时的反馈预测等问题。传统的对反井钻机的操作主要依靠操作人员的实践经验,受个人的主观影响较大,操作不当极容易发生钻井事故。本文以反井钻机的扩孔钻进工艺为主要研究对象,以MATLAB为实验研究平台,基于数字孪生技术,利用Simulink编程、Solid Works建模、极限学习机预测模型等多方面的知识来为上述问题提供一个新的解决方案。本文的主要研究内容及结论如下:（1）基于MATLAB/Simulink的扩孔钻进工艺规划数字孪生系统。为了解决因地质中岩石分布不均匀引起的钻井参数难选取、钻具系统和所钻地层难匹配的问题,本文利用Simulink构建了钻机的钻杆拉力、钻杆扭矩、转速、钻进速度和岩石特性参数之间的数学关系模型。建立了单个滚刀破岩过程中所受正压力和滚动力的Simulink系统模型。并利用上述模型建立了扩孔钻进工艺规划数字孪生系统,利用该系统可以为施工过程中钻进相关参数及钻具系统的选取提供参考依据。由于地下岩石的组成成分复杂且反井钻的工艺过程复杂,所建工艺规划系统仅考虑了其简单的工作过程。最后利用MATLAB为建立的扩孔钻进工艺规划数字孪生系统设计了GUI用户交互界面及Android端用户程序,方便该工艺规划系统的分享与应用。（2）模型-数据-场景耦合的反井钻机钻头虚实孪生建模方法研究。为了解决因钻头在井下工作时的不可见性而导致的蹩钻、卡钻、断钻问题,本文利用Solid Works对BMC400型反井钻机的扩孔钻头做了数字三维模型的构建,在Simulink中搭建了钻头的系统模型。利用仿真的传感器信号对钻头进行驱动,在MATLAB/Mechanics Explorer中实现了钻头在井下工作时的工作状态的可视化仿真。通过故障注入技术添加了钻机蹩钻工况,并在钻头的数字孪生系统中对蹩钻工况时钻机相关传感器信号进行了仿真,对于有效的避免蹩钻、卡钻、断钻问题有重要的意义。（3）基于极限学习机（ELM）的反井钻机钻头状态数智融合监测方法研究。利用钻机在不同工况下的钻井数据建立了反井钻机扩孔钻进工作过程中的拉力、扭矩、转速、钻进速度ELM算法预测模型。同时利用ELM分类算法模型对钻机工作过程中的工况数据进行分类训练,建立了基于ELM算法的工况监测模型。为了提高对钻机工况预测的准确率,本文构建了核极限学习机算法模型,完成了对反井钻机扩孔钻头的数智融合监测方法研究。
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