Моделирование показателей процесса бурения и эффективности сооружения буровых скважин

Эффективное и экономически целесообразное сооружение буровых скважин является критически важной задачей для горнодобывающей отрасли, особенно при освоении месторождений с низким содержанием полезного компонента, где применяется геотехнологический способ разработки. Усложняющиеся горно-геологические условия, увеличение глубин залегания рудных тел, а также многофакторность процессов, протекающих в стволе скважины, предъявляют повышенные требования к точности управления параметрами бурения. Традиционные эмпирические подходы зачастую не позволяют в полной мере оптимизировать процесс, минимизировать риски осложнений и достичь максимальных технико-экономических показателей. В этой связи актуальным направлением является разработка и адаптация математических моделей, способных комплексно учитывать взаимовлияние механических, гидравлических и геологических факторов для прогнозирования и оптимизации режимов бурения. Данное исследование направлено на восполнение этого пробела путем создания инструмента для многокритериальной оценки и выбора оптимальных параметров сооружения геотехнологических скважин. Методологическую основу работы составил комплексный подход, включающий типизацию и категоризацию гидро-геолого-технических условий, статистический анализ массива геолого-технологической информации, а также математическое моделирование с решением задачи оптимизации. Исходные данные по параметрам бурения (осевая нагрузка на долото G, частотавращения ротора n, гидравлическая мощность привода Nд, фактическая скорость проходки Vм) были получены при эксплуатации бурового станка СБШ-160 на месторождении и представлены в виде интервально-вариационных рядов. Моделирование проводилось с использованием пакета прикладных программ Statistica и было сфокусировано на трех ключевых режимах бурения: оптимальном, рациональном и специальном, каждый из которых соответствует различным технологическим ограничениям и целям. В качестве целевой функции рассматривалась механическая скорость проходки, зависимая от указанных управляемых параметров. В результате проведенного моделирования были количественно определены и формализованы зависимости, описывающие процесс бурения для каждого режима. Для оптимального режима получена целевая функция с высоким коэффициентом детерминации: vм = 0,394 G0,76 n−0,7 Nд0,46, R2 = 0,857. Для рационального режима, действующего в условиях ограничений, установлена модель: vм = 0,033 G2,189 n−0,108 Nд−0,722, R² = 0,843. Для специального режима, применяемого в сложных геологических условиях (анизотропия, косослоистость), выведена множественная степенная зависимость с учетом соответствующих физико-механических ограничений для данного режима бурения vм = 1,52 G0,94 n0,21 Nд0,38, R² = 0,81. Кроме того, методом парного регрессионного анализа установлены конкретные логарифмические зависимости между ключевыми параметрами. Например, для оптимального режима выявлена связь осевой нагрузки и скорости вращения вида Go = 190,7 ln n − 570,2 (R² = 0,86), а также четкая зависимость скорости проходки от нагрузки: Vмо = 15,4 ln G − 58,6 (R² = 0,98). Точность моделей подтверждена сопоставлением расчетных и фактических скоростей проходки со средним квадратическим отклонением (СКО), не превышающим 9,42 %. Ключевые выводы исследования заключаются в следующем. Во-первых, разработанные модели предоставляют инструмент для интервального оценивания технологических параметров бурения, что является основой для создания систем реального времени для мониторинга и адаптивного управления процессом. Во-вторых, выявленные закономерности, в частности, для оптимального режима позволяют целенаправленно формировать сочетания параметров G, n, Nд, минимизирующие естественное искривление ствола скважины. В-третьих, практическое применение результатов позволяет обоснованно выбирать режимы бурения, что в конечном итоге способствует повышению совершенства скважины, обеспечению механической прочности призабойной зоны, увеличению межремонтного цикла оборудования и, как следствие, достижению наилучших технико-экономических показателей сооружения геотехнологических скважин в заданных условиях. Таким образом, работа вносит вклад в формализацию и оптимизацию процесса бурения, переводя его на качественно новый, математически обоснованный уровень.