Оптимизация в геологоразведочном производстве

ОПТИМИЗАЦИЯ 
В ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНОМ 
ПРОИЗВОДСТВЕ

 
Москва 
Красноярск
 
ИНФРА-М 
СФУ

2019

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Допущено 
Учебно-методическим объединением вузов 
Российской Федерации по образованию в области 
прикладной геологии в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по специальности «Технология геологической разведки» 
направления подготовки «Прикладная геология»

В.В. НЕСКОРОМНЫХ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

УДК 550.81(075.8) 
ББК 33.13я73
 
Н552

Нескоромных В.В.
Оптимизация в геологоразведочном производстве : учеб. пособие / В.В. Нескоромных. — М. : ИНФРА-М ; Красноярск: 
Сиб. федер. ун-т, 2019. – 199 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/5066.

ISBN 978-5-16-010097-5 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-101826-2 (ИНФРА-М, online)
ISBN 978-5-7638-2731-6 (СФУ)

В учебном пособии рассмотрены вопросы оптимизации буровых 
и горнопроходческих работ. Проанализированы параметры и критерии 
оптимизации буровых работ и основные пути совершенствования технологии бурения скважин и проведения горно-разведочных выработок. Представлены методы и средства исследования объектов, методы планирования 
эксперимента и обработки результатов исследований. Даны примеры решения задач оптимизации, которые составляют основу для практических 
занятий. 
Предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальности «Технологии геологической разведки», специализация «Технология 
и техника разведки месторождений полезных ископаемых». 
Будет полезно аспирантам научной специальности 25.00.14 «Технология и техника геологоразведочных работ», а также инженерно-техническим работникам, занятым в сфере производства буровых и горно-проходческих работ. 

УДК 550.81(075.8) 
ББК 33.13я73

Р е ц е нзе нты:
В.И. Власюк — доктор технических наук, профессор, лауреат 
Государственной премии СССР, генеральный директор ОАО «Тульское 
НИГП», действительный член РАЕН;
К.И. Борисов — кандидат технических наук, доцент кафедры бурения 
скважин национального исследовательского Томского политехнического 
университета; 
Н.И. Николаев — доктор технических наук, профессор кафедры бурения 
скважин национального минерально-сырьевого университета «Горный»

Н552

© Сибирский 
 
федеральный
 
университет, 2015

ISBN 978-5-16-010097-5 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-101826-2 (ИНФРА-М, online)
ISBN 978-5-7638-2731-6 (СФУ)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ВВЕДЕНИЕ 
Оптимизация (лат. optimus – наиболее благоприятный, наилучший) – 
последовательность действий в процессе получения наиболее благоприятного 
результата решения задачи, составления проекта, выполнения задания. 
Получить наиболее благоприятный или идеально оптимальный результат  
– это значит двигаться в направлении получения идеального конечного 
результата, известного из теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) 
[15] как направления оптимизации любой технической системы.  
Процесс оптимизации положен в основу творческой инженерной, в том 
числе изобретательской, деятельности, и позволяет повышать качество 
функционирования 
уже 
существующих 
технических 
систем, 
совершенствовать технологию производства, создавать и проектировать 
новые, более функциональные и эффективные технические системы. Но 
процесс оптимизации охватывает не только технологические процессы и 
технические 
объекты, 
оптимизации 
могут 
быть 
подвергнуты 
и 
организационные процессы, решения в экономике и др. Таким образом, 
процесс оптимизации характеризуется признаками системного подхода и 
представляет 
собой 
процесс 
непрерывного 
и 
всестороннего 
совершенствования любой производственной системы. 
Системный 
подход 
– 
это 
совокупность 
общих 
принципов, 
предопределяющих научную и практическую деятельность при анализе и 
синтезе 
сложных 
систем, 
которые 
вытекают 
из 
особенностей 
представления сложных объектов.  
Термин «системный подход» используется с целью подчеркнуть 
необходимость исследования объекта с разных сторон, комплексно, для того 
чтобы можно было получить более правильное о нем представление, выявить 
новые свойства, лучше определить взаимоотношения объекта с внешней 
средой, другими объектами. 
При исследовании объекта создается его абстрактное представление в 
виде системы, цель которого – служить инструментом для описания, 
понимания и изменения рассматриваемого объекта.  
Системный подход как метод исходит из того, что любая организация, 
процесс 
рассматривается 
как 
сложное 
целое, 
как 
совокупность 
взаимосвязанных частей – функционирующих элементов, составляющих 
определенную систему. Основными свойствами любой системы являются 
измеримость и эффективность. При этом измеримость – способность системы 
измерять свои характеристики, а эффективность – возможность решить 
проблему с помощью данной системы.  
Системный подход базируется на двух постулатах: 
1. Любая система может быть описана в терминах системных объектов, 
свойств и связей.  
2. Структура, функции системы и решения проблемы является 
стандартной для любых систем и любых проблем.  

3

К  принципам системного подхода относятся принципы: цели, 
целостности,  сложности, историзма, двойственности, всесторонности, 
множественности, динамизма, сходства. 
Принцип цели ориентирует на то, что, прежде всего, необходимо выявить 
цель (предназначение) системы.  
Принцип 
целостности 
предполагает, 
что 
исследуемый 
объект 
рассматривается или выделяется из совокупности объектов как нечто целое по 
отношению к окружающей среде, имеющее свои специфические функции и 
развивающееся по своим законам.  
Принцип сложности указывает на необходимость рассматривать объект 
как 
сложную 
совокупность 
различных 
элементов, 
находящихся 
в 
разнообразных связях между собой и со средой. Каждому элементу присуща 
неисчерпаемая сложность, поэтому необходимо выполнить его упрощение до 
уровня сохранения объектом своих существенных свойств: выявление 
простого в сложном и показ сложности в простом.  
Принцип историзма требует, чтобы каждый объект рассматривался 
исторически с точки зрения того, как он возник и какие этапы прошел до 
момента исследования.  
Принцип двойственности предполагает, что систему необходимо 
рассматривать как самостоятельную систему, так и как подсистему более 
высокого уровня иерархии.  
Принцип всесторонности указывает на то, объект необходимо изучать 
со всех сторон.  
Принцип множественности утверждает, что при исследовании объекта 
необходимо использовать множество моделей.  
Принцип 
динамизма 
требует, 
чтобы 
все 
свойства 
объекта 
рассматривались как изменяющиеся.  
Принцип сходства предполагает использование ранее полученных 
результатов при изучении других сходных объектов.  
С прикладной точки зрения системный подход состоит в определенной 
направленности и последовательности исследования объектов, которое 
обычно реализуется в шесть этапов: 
1. Четкое определение цели исследования объекта, т. е. с какой целью 
проводится исследование.  
2. Точное и полное определение цели функционирования объекта с 
позиций системы более высокого уровня. Необходимо определить общие и 
частные цели, осуществимость, требуемые ресурсы для осуществления цели, 
причем все это необходимо делать взаимосвязано.  
3. Выделение и изучение структуры системы и среды. Выделение 
системы осуществляется разделением (точным) на две части. Процедура 
неформальная, носит итеративный характер. Основой отнесения элементов к 
системе и среде является характер связей между элементами. Так как 
внутренние связи бывают значительно сильнее внешних, то это дает право 
относить элементы с внутренними связями к системе. При этом определяется 

4

состав системы, состав среды, характер внутренних и внешних связей. 
Процесс выделения элементов и связей называется структуризацией.  
4. Последовательное раскрытие механизма функционирования системы. 
При этом рассматривается функционирование всей системы в целом и 
функционирование ее отдельных подсистем; определяется набор функций и 
их возможные изменения на различных этапах исследования, а также 
взаимодействие элементов системы между собой и со средой. В результате 
работы по этапу должны быть получены: набор функций, которые реализует 
система; функции отдельных подсистем; функции отдельных элементов; 
описание процесса функционирования системы в целом.  
5. Система рассматривается на всех этапах жизненного цикла: 
происхождение, развитие, разрушение.  
6. Осуществляется сравнение системы с другими, в какой-то степени 
близкими ей системами для обнаружения сходства. В случае обнаружения 
сходства полученные ранее свойства переносятся или могут быть перенесены 
на систему и (или) наоборот.  
Таким образом, системный подход к исследованию сложных объектов 
предполагает проведение исследования в трех взаимосвязанных аспектах: 
исторический анализ (генетический и прогностический); структурный анализ 
(анализ связей и состава); функциональный анализ (анализ внутреннего и 
внешнего функционирования). 
С 
учетом 
вышеизложенного 
уточним 
определение 
понятия 
«оптимизация». 
Оптимизация – достижение таких допустимых величин и такого 
состояния параметров, определяющих критерий эффективности системы, 
при 
которых 
выбранный 
критерий 
принимает 
экстремальное 
по 
эффективности значение. 
Оптимизация процессов бурения и горно-проходческих работ – 
решение отдельных научно-технические проблем, связанных с теоретическим 
поиском зависимостей между параметрами режима бурения или проходки 
горной выработки и оптимальными темпами (наивысшие), затратами 
(наименьшие) и качеством (высокое) работ и в конечном счете с 
практической реализацией установленных оптимальных зависимостей при 
выполнении буровых и горно-проходческих работ. 
При исследовании объекта, научном анализе, результатом которого 
является 
получение 
неизвестных 
ранее 
сведений 
об 
объекте, 
функционирование которого желательно в оптимальном режиме, центральное 
место занимает эксперимент, экспериментальное исследование объекта. Для 
повышения эффективности экспериментальных исследований применяют 
математические методы, теорию планирования эксперимента. 
Планирование эксперимента – это процедура выбора числа и условий 
проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной 
задачи с требуемой точностью. 
При этом реализуется: 
 – стремление к минимизации общего числа опытов; 

5

 – одновременное варьирование всеми переменными, определяющими 
процесс, по специальным правилам – алгоритмам; 
 – использование математического аппарата, формализующего многие 
действия экспериментатора; 
 – выбор четкой стратегии, позволяющей принимать обоснованные 
решения после каждой серии экспериментов [1, 2]. 
Поиск оптимальных условий, выбор существенных факторов, построение 
интерполяционных формул, оценка и уточнение констант теоретических 
моделей, выбор наиболее соответствующей  из некоторого множества гипотез 
о механизме явлений – вот примеры задач, при решении которых применяется 
планирование эксперимента. 
Данное учебное пособие посвящено исследованию объектов оптимизации 
при производстве буровых и горно-проходческих работ и состоит из шести 
глав. 
 
1. МЕТОДЫ, СРЕДСТВА И КРИТЕРИИ ОПТИМИЗАЦИИ 
 
1.1. Общие сведения о методах, средствах и критериях оптимизации 
 
Методы 
оптимизации, 
прежде 
всего, 
связаны 
с 
математикой, 
с 
достижениями 
различных направлений математической 
теории, 
обосновывающих логические решения, в 
настоящее 
время 
существенно 
усиленных 
использованием 
компьютерных технологий. 
В данном случае примерами 
могут служить такие средства, как 
вычислительные 
комплексы 
Matlab, Excel и др. 
Средствами 
оптимизации 
могут служить элементы линейной 
алгебры, 
дифференциальное 
исчисление, 
математический 
анализ, методы математической статистики, теория матриц, методы и теория 
планирования эксперимента и др. 
Средства оптимизации на основе компьютерных технологий в настоящее 
время могут давать многовариантные решения с мощной визуализацией 
образа модели (рис. 1.1). Например, это программные комплексы MSC Patran 
или MD Nastran. Эти комплексы созданы на основе такого математического 
аппарата как метод конечных элементов и позволяют производить расчеты 
напряжений, прочности, деформаций в заданных точках детали, узла, 
конструкции и создавать визуальные образы, в том числе в динамике. В 

Рис. 1.1. Пример моделирования 

напряженного состояния забоя под 
торцом алмазной коронки в системе

MD Nastran

6

настоящее время осуществляется проектирование с обязательным поиском 
оптимальных решений при создании новых моделей самолетов, автомобилей и 
других объектов техники. 
МSC/NASTRAN for Windows (MacNeile Shreider Corporation/ NASA 
Structural Analysis) – система инженерного компьютерного анализа, 
основанная на методе конечных элементов (МКЭ) и предназначенная для 
расчета статических напряжений и деформаций, устойчивости, определения 
собственных частот и форм колебаний, анализа тепловых установившихся и 
переходных процессов, а также задач статики и динамики в нелинейной 
постановке. 
Геометрические модели для NASTRAN for Windows, являющиеся основой 
конечно-элементных 
моделей, 
можно 
формировать 
как 
с 
помощью 
препроцессора самой системы, так и импортировать их из какой-либо другой 
CAD-системы, с которой NASTRAN for Windows имеет интерфейс (форматы: 
DXF, IGES, ACIS, Parasolid, стереолитография). В любом из этих случаев 
система обеспечивает генерацию конечно-элементной модели. Генерация 
конечно-элементных сеток в препроцессоре системы может осуществляться 
как вручную, на основе указанных опорных точек, так и автоматически для 
сложных частей геометрической модели. 
Необходимые для проведения анализа характеристики материалов и 
балочных сечений могут задаваться пользователем самостоятельно или 
выбираться 
из 
соответствующих 
библиотек, 
имеющихся 
в 
системе. 
Предусмотрена 
возможность 
моделирования 
практически 
всех 
типов 
материалов, включая композиты, гиперупругие и другие современные 
материалы. 
Для моделирования внешних факторов, оказывающих влияние на 
конструкцию, в системе имеется выбор способов нагружения и закрепления 
конечно-элементной модели. 
Кроме того, система может работать и с уже готовыми конечноэлементными моделями, которые были сформированы с помощью других 
систем 
и 
переданы 
в 
NASTRAN 
for 
Windows 
с 
использованием 
соответствующих интерфейсов. 
Препроцессор системы обеспечивает полный визуальный контроль всех 
этапов моделирования, который помогает избежать ошибок при создании 
модели. 
Система 
позволяет 
выявить 
совпадающие 
(сдублированные) 
геометрические объекты, обнаружить неправильные соединения элементов, 
рассчитать массовые и инерционные свойства, оценить условия закрепления 
модели. Каждый из этих методов может быть использован в любое время для 
обнаружения потенциальных ошибок. 
По окончании процесса формирования модели с помощью системы 
NASTRAN for Windows можно осуществить её конечно-элементный анализ, 
построенный на алгоритмах, которые обеспечивают максимальную точность, 
скорость и достоверность решения. 
Постпроцессор системы NASTRAN for Windows располагает мощными 
средствами визуализации, позволяющими по завершении расчетов быстро 

7

обрабатывать полученные результаты. Вычисленные значения узловых 
перемещений 
(деформаций) 
обычно 
используют 
для 
изображения 
деформированного состояния модели и его анимации. Все существующие 
типы результатов могут быть представлены и в виде графиков. 
Расширенные функции NASTRAN for Windows включают технологию 
процесса оптимизации проектов. При поиске оптимального решения 
пользователь может задать определенные ограничения либо целевую функцию 
с параметрами оптимизации и, вернувшись в препроцессорный блок, 
повторить расчет и оценить влияние внесенных изменений. 
При оптимизации может производиться неограниченное варьирование 
параметрами формы, размеров и свойств объекта. Алгоритмы анализа при 
оптимизации позволяют исследовать влияние различных параметров на 
поведение целевой функции и управлять процессом поиска оптимального 
решения. 

  Метод конечных элементов 
В геометрической модели, созданной в препроцессорном блоке, 
выделяются точки, в которых производят расчеты напряжений и деформаций. 
Количество выбранных точек определяет точность инженерного анализа, но 
при этом напрямую влияет на число решаемых в системе математических 
уравнений, количество которых определяется как произведение числа точек N 
на число степеней свободы каждой точки (обычно 3). Например, если 
рассчитывается работа балки круглого поперечного сечения (рис. 1.2), следует 
задать не менее четырех точек в 
каждом 
сечении, 
которые 
будут 
располагаться по длине балки через 
10 см. Тогда в балке длиной 40 см 
будет всего 20 точек, в которых 
определяются 
напряжения 
и 
деформации, а уравнений для анализа 
будет 60. 
При расчете сложной объемной 
модели число точек увеличивается 
геометрически 
и 
конечное 
число 
уравнений для расчета деформаций и 
напряжений 
может 
составлять 
несколько тысяч. 
Напряжения 
и 
деформации 
связываются 
в 
виде 
уравнений 
с 
использованием полиномов. В задачах прочности минимальный функционал 
полной потенциальной энергии системы строится на разности сопротивлений 
тела деформациям и работы внешних сил. 
          Примеры компьютерного проектирования бурового инструмента 
Для проектирования резцов и долот современными компаниямиразработчиками бурового инструмента и оборудования 
используются 
современные компьютерные технологии инженерного проектирования на 
основе метода конечных элементов типа Nastran, Patran, Ansys.  

Ux

Uz

Uy

1

2           3

4

Рис. 1.2. Конечно-элементная 

модель в виде балки

8

Подразделение Smith Bits фирмы SMITH, входящей в структуру 
нефтегазовой сервисной компании Schluberger,  разработало интегрированную 
инженерно-аналитическую систему IDEAS, в которой рассматривается работа 
резца в динамической среде бурения с учетом влияния всех компонент 
буровой компоновки. Основной задачей IDEAS является производство 
оптимальных по эффективности конструкций долот и значительное 
сокращение времени цикла разработки инструмента. 
Моделирование в системе IDEAS начинается с анализа данных о 
показателях работы долота, геологических условий, информации об условиях 
бурения и износе долота. На основании этой информации разрабатываются и 
выполняются лабораторные испытания взаимодействия резцов с различными 
породами. По сравнению с другими системами проектирования долот, 
позволяющими 
оценить 
лишь 
взаимодействие 
резцов 
с 
породой, 
лабораторные данные из системы IDEAS представляют количественные 
параметры по фактическим усилиям на резцах и скоростям бурения. 
Информация используется для анализа конструкций долота с учетом 
литологических особенностей, аналогичных тем, для которых проектируется 
долото. В результате получается буровое долото, обладающее динамической 
стабильностью при рабочих параметрах и условиях эксплуатации, для 
которых оно предназначено, что способствует увеличению срока службы и 
повышению скорости проходки. Оптимизированные параметры могут 
поддерживаться для обеспечения более быстрой и продолжительной работы 
долота при снижении нагрузки на компоновку и оборудование буровой 
установки. Например, крайне интересна последняя разработка Smith Bits – 
долота с резцами типа PDC (policristalline diamont cutters) с вращающимися 
вокруг своей оси в  процессе бурения алмазными резцами ONYX 360, ресурс 
которых существенно выше, чем у резцов зафиксированных в матрице долота. 
Программа четырехмерного моделирования i-Drill, как составная часть 
системы IDEAS, позволяет прогнозировать поведение долота вместе с 
компоновкой, с использованием сверхмощных вычислительных машин, при 
помощи метода конечных элементов и данных, полученных в ходе 
лабораторных исследований свойств горных пород.  
Модель, построенная с помощью синхронизированного по времени 
моделирования с шестью степенями свободы, достаточно точно прогнозирует 
силы и вибрации, которые зачастую оказывают решающие воздействие на 
отклоняющее усилие на долоте, срок службы забойных датчиков, целостность 
бурильной колонны и эффективность процесса бурения в целом. 
Возможность выявления источника крутильных, осевых и поперечных 
колебаний позволяет специалистам по бурению и по искривлению ствола 
скважины определить необходимые изменения в компоновке снаряда и 
оптимизировать 
режимы 
бурения. 
Программа 
i-Drill 
обеспечивает 
пометровую оценку прочности бурильной колонны, получаемую измерением 
момента на изгиб в двух осях. Направление отклоняющих усилий на долоте 
определяются силами, возникающими на долоте при взаимодействии с 
породой с учетом динамики всей бурильной колонны.  

9

Компания Smith Technologies разработала программу моделирования 
гидравлики бурения и очистки ствола Yield Point с целью оптимизации выбора 
типа и свойств бурового раствора в соответствии с условиями бурения. После 
ввода исходных данных программа Yield Point выполняет графическое 
моделирование свойств бурового раствора, скорости движения промывочной 
жидкости, механической скорости проходки, а также площади сечения 
гидромониторных 
насадок, 
а 
затем 
позволяет 
оценить 
влияние 
соответствующих параметров на гидравлические характеристики долота и 
очистку ствола скважины.  
База данных по отработке долот Smith Bits (DRS) содержит 
информацию о  трех миллионах отработанных буровых долот практически со 
всех нефтяных и газовых месторождений по всему миру.  Помимо того что 
база данных по отработке долот DRS используется для проектирования долот, 
она также позволяет системе оптимизации выбора буровых долот DBOS 
обеспечить правильный выбор долот для эффективного бурения конкретной 
породы.  
Компанией Varel разработан собственный программный продукт для 
проектирования инструмента под названием SPOT™.  Компьютерное 
моделирование 
позволяет 
оценивать 
качества 
долот, 
их 
ресурс 
и 
производительность в  процессе компьютерного тестирования. Улучшенная 
система очистки забоя  обеспечивается 
установкой 
направляющих 
насадок 
долота, 
обеспечивающих 
поток 
жидкости в радиальном направлении 
горизонтально забою вдоль линии 
расположения резцов. Горизонтальную 
струю 
жидкости 
обеспечивают 
насадки, 
установленные 
у 
центра 
долота, 
остальные 
насадки 
установлены ближе к периферии торца, 
направляя поток в направлении забоя. 
Такая 
комбинированная 
система 
размещения насадок на торце долота 
обеспечивает качественную очистку 
забоя и охлаждение резцов.  
В компании Smith bits используют вычислительную гидродинамику 
(CFD) для моделирования взаимодействия бурового раствора с долотом и 
стволом скважины (рис. 1.3). Данные сложные алгоритмы дают возможность 
воспроизводить широкий диапазон забойных условий, а также позволяют 
осуществлять оценку влияния конфигурации лопастей и положения насадок 
на структуру потока с целью оптимизации работы долота и повышения 
эффективности бурения за счет максимально эффективного использования 
имеющейся гидравлической энергии.  
Параметр оптимизации – формулировка цели оптимизации в 
количественном измерении. 

Рис. 1.3. Визуализация образа в системе 

анализа  гидродинамики долот при  

компьютерном проектировании: a – вид с 

торца долота; б – вид сбоку

а
б

10