关键链法在3000 m小口径深钻工程管理中的应用

田国亮， 董泽训， 王文龙， 张 辉， 李凯舟

(1.山东省第六地质矿产勘查院，山东 招远 265400； 2.黄永堂技能大师工作室，山东 招远 265400)

0 引言

《国土资源“十三五”科技创新发展规划》明确提出了全面实施深地探测战略，实施深地探测战略目标之一是：到2020年形成3000 m矿产资源勘探成套技术能力。根据这一阶段的要求，部分野外队积极开展了深地钻探项目，安徽省地质矿产勘查局313地质队施工的LZSD-1孔，位于安徽省安庆市枞阳县钱铺乡虎栈村境内，完钻孔深3008.29 m，历时308 d。山东省第三地质矿产勘查院施工的zk96-5钻孔，位于山东莱州西岭矿区内，施工孔深4006.17 m，历时971 d[1]。

由于深孔钻探周期长，受自然条件、地质条件、外部环境等因素影响较大[2]，这些特点使得钻探项目运营的工期比较难于把握和控制。为保证工期，常需要调动过多的人力、物力等资源，造成了一些浪费[3]。

关键链法是一种进度网络分析技术，可以根据有限的资源对项目进度计划进行调整。关键链法结合了确定性与随机性办法。对深钻工程进度管理有重要的应用意义。

1 项目概况

山东省第六地质矿产勘查院(以下简称山东六院)承担的“山东省招远市水旺庄-李家庄大型金矿床深部及外围金矿调查评价”项目钻探工作。钻孔设计深度3000 m，是招平断裂带第一深孔。

据地质钻探资料，本孔可能遇到下列3个构造破碎带，即栾家河断裂带、破头青断裂带、招平断裂带。本孔设计四级钻孔结构：0～10 m(视地层完整情况可调整)Ø150 mm硬质合金钻头开孔，下入Ø146 mm表层套管；S122绳索取心施工10～1000 m(穿过栾家河组破碎带，为更好地维护孔内不可预见的失稳地层，减轻孔内阻力，减少冲洗液的漏失，视地层完整情况调整)，下入Ø114 mm套管；S98绳索取心施工1000～2100 m(穿过破头青断裂带，视地层完整情况调整)；S76绳索取心钻进至终孔。实际钻孔结构见图1。

钻探设计工期2018年8月-2019年8月。

图1 钻孔结构示意图Fig.1 Borehole structure

2 项目实施情况

2.1 对本项目的WBS分解

根据工作分解结构WBS(Work Breakdown Structure)的分解原则和步骤，按照实际的工程运作流程可以将项目大致分为：工程设计、钻前准备、工程钻探、物探测井、抽水实验、设备撤场移交报告等6个任务28项工序。水旺庄科钻项目WBS分解项目见表1。

表1 水旺庄科钻项目WBS分解Table 1 WBS of the Shuiwangzhuang drilling project

2.2 工程的关键路径

根据水旺庄科钻项目WBS分解表绘制网络计划图(见图2)。从图2中可以看出本项目的关键路径就是：1→3→6→7→8→9→10→11→12→13→14→18→19→20→21→22→25→27→28。也就是：签订合同→收集资料→编写施工设计→通过会审→修地盘→设备进场→接水接电→设备安装调试→一开钻进→下套管→二开钻进→下技术套管→三开钻进→二次下技术套管→四开钻进→终孔验收→水文实验→设备撤场，场地恢复→提交报告[4]。据此得到的总工期为256 d。

2.3 工序时间的估算

图2优化前网络计划图
Fig.2Pre-optimization network plan

工序时间的估算是关键链的重点问题，为尽可能减少工期估算的主观因素，科钻施工前期，我们邀请了山东地矿局探矿专家、项目团队及一线机长共同参与对工序时间进行估算，并对结果进行加权平均得出了最可能时间。由于研究对象不确定因素多，仅凭人为的估算很难做到科学、准确[5]。本项目采用的是PERT三点估算法，也是当下工程施工普遍认可的算法。该算法提供了一种思路：对于深孔钻进这种不确定性强的项目工序，可以采用某一项工作的3个估计时间确定。3个时间均需服从正态分布。3个时间分别为乐观时间(t0),悲观时间(tp),最可能时间(tm),然后利用这3个时间计算得到该工序的期望工期(te)。

乐观时间：高德拉特博士建议使用50%的概率来消除过程的安全时间，并将活动期从原来的一半中移除，这是乐观的时间。悲观时间：即为最长的工序时间。最可能时间：是根据最易得到的资源、对资源可用时间的现实预测、资源对其它参与者的依赖程度以及可能产生的所有干扰等，所得到的时间。

每项活动的期望工期就是在确定了乐观时间、悲观时间、最可能时间基础上求得的。期望工期见表2。期望工期计算方法：

期望工期te=(乐观时间t0+悲观时间tp+4×

最可能时间tm)/6

(1)

2.4 缓冲区的设置

缓冲区分为项目缓冲(即：PB)、汇入缓冲(即：FB)和资源缓冲(即：RB)。项目缓冲一般设置在关键链末端，汇入缓冲设置在非关键链汇出关键链处，资源缓冲是紧前紧后工序使用不同资源时，在紧后工序之前插入资源缓冲。

缓冲区的设置方法主要有：高德拉特博士的50%法，剪切-粘贴法，根方差法。前两者的计算思路相似，是以所有链路上的工序时间总和为基础进行计算，缺点在随着链路的增长，精准度会降低。目前根方差法是普遍采取的一种方法。根方差法符合中心极限定理，假设一个项目中资源约束不存在，根方差法能有效的提高项目缓冲区的精确度。

表2 水旺庄科钻项目时间优化Table 2 Time optimization of the Shuiwangzhuang drilling project

根据实际选取了6个汇入缓冲，即： 开1→2→6；1→4→9；1→5→9；22→23→27；22→24→27；22→26→27。6个汇入缓冲均应放在非关键链汇入关键链的地点，也就是FB1放在工序2之后工序6之前，FB2放在工序4之后工序9之前，FB3放在工序5之后工序9之前，FB4放在工序23之后工序27之前，FB5放在工序24之后工序27之前，FB6放在工序26之后工序27之前。根据根方差公式计算FB1、FB2、FB3、FB4、FB5、FB6，得：

项目缓冲(PB)应放在关键链的最末端，经计算项目缓冲约为18.89 d。

2.5 优化后的项目进度

将PB和6个FB分别插入到网络计划图中，可以得到本科研钻探项目的优化设计(见图3)。项目优化后消除了安全时间，使每道工序按照期望的持续时间工作，大大缩短了工期。其次，优化设计中加入了缓冲的概念。汇入缓冲加入在非关键链进入关键链的节点之后，项目缓冲加入在关键链末端，对整个项目进度可进行有效的保护。

图3优化后网络计划图
Fig.3Optimized network plan

优化后的科研钻探项目，工期由原来的286 d缩短到264.79 d，这其中包括18.89 d的项目缓冲，工程预计在2019年4月24号完工。

2.6 优化进度设计的控制

在本项目主要采用了优化的三色监控缓冲机制。将缓冲区分成消耗安全区、消耗警示区、消耗危险区，分别用绿色、黄色和红色表示(如图4所示)，横轴代表项目的完成比，纵轴表示缓冲区的消耗比。在项目开展初期，缓冲区消耗20%左右最为理想，当消耗超过30%就进入危险区域，需要采取相应措施。项目推进过程中，由安全区进入警告区。如果监控行为和项目实际执行情况一致，那么进度控制最为理想。如果安全区和警示区的截止点设置得太低，项目经理将过早制定行动计划并将产生一些额外的费用。如果警示区能有效地减少和危险区的边界点设置得太低，将触发不准确的预警机制，过早采取不必要的控制措施，这将大大增加项目成本，最终导致项目延迟或预算超支。这种动态的缓冲机制符合供应链的原理，也符合深孔钻探实际。既减少资源浪费又可以避免因资源不足导致的进度延迟现象，保证项目低耗高效的运行。

2.7 进度控制机制

进度设计理论体系建立之后的关键是对各个项目环节的进度控制。为此，项目组做了以下工作：

图4 三色监控缓冲机制改进图Fig.4 Three-color monitoring buffer mechanismimprovement diagram

(1)详实编写施工设计，根据地质资料及本矿区以往钻探经验，设计合理的钻孔结构[6]。对项目人员进行技术交底，全面培训。本孔将钻遇3个破碎带，采取措施是提前预防，将冲洗液调至合适性能，快速穿过破碎带下入套管。

(2)采用先进的上下联动一体化设备，实现上下可视化操作，大大减少了提下钻辅助时间[7-8]。

(3)采用山东六院自主研制的钻头，使用寿命大幅增加，延长了提下钻间隔时间。

(4)定期组织技术培训，交流生产中遇到的问题，进一步统一思想[9]。

(5)采用先进的冲洗液体系，并有泥浆专家现场指导[10-11]。

(6)四开之后，要求每班做到设备自检、维护，顺序为自上而下，从场内到场外[12]。

(7)执行设备TPM管理制度，设备定期有专人负责保养、维修[13]。

(8)相关人员每周上报物资使用计划[14]，急需物资保证白天1 h、夜间2 h送达现场。

2.8 施工过程中遇到的难题及解决措施

(1)深孔内管到位监测系统。据统计，小口径钻探内管到位率在90%以上[15]。科钻项目钻至2200 m以深后，内管总成到位开始监测不到声音，为保险，常用打捞器送内管，到位后再用脱卡器脱开，提起打捞器。此操作每回次浪费时间1 h以上。采用增加内管配重的方式进行监测，同时在送内管时使用更加灵敏的泵压表监测泵压，结合时间，来确定内管是否到位，起到了很好的效果。

(2)钻头制造技术革新。本孔主要岩石为绢英岩化花岗岩、二长花岗岩。岩石压入硬度Hy为4000～6000 MPa，摆球回弹次数Hn为65～75次。通过上述两种力学指标，用线性回归方程来确定岩石的可钻性Kd的值。

Kd=3.198+8.854×10-4Hy+2.578×10-2Hn

(2)

取中间值Hy=5000 MPa；Hn=70次代入式(2)，计算得出Kd=9.43，即岩石的可钻性等级为9.4级，据《地质岩心钻探规程》(DZ/T 0227-2010)岩石可钻性分级表分类，钻进时效0.80～1.20 m/h。深孔钻探钻头使用寿命延长不仅增快施工进度，也降低事故隐患[16]。山东六院科研团队针对胶东花岗岩“硬、脆”的特点，在原经典配方上进一步优化，特制了一批钻头，起到了很好的效果。使用情况见表3。

表3 3000 m科钻钻头使用情况Table 3 Drill bit consumption for 3000m drilling

2.9 关键链法取得的成果

项目团队依靠科学的进度管理方法，通过全体项目成员的共同努力，顺利完成了施工任务，极大地提高了生产效率，同时也积累了深部钻孔施工经验，达到了预期的科研目的及经济效益。施工进度如图5、表4所示。

图5 3000 m科钻施工进度图Fig.5 3000m drilling progress chart

3 结语

通过该项目的顺利实施，总结出了小口径深孔钻探施工管理方面的关键点：

(1)项目经理要能运用专业的管理学知识，项目团队要有良好的执行力。项目管理人员应对施工过程中的每一个环节了熟于心，且有相应的应急预案，做好施工设计。

(2)牢记“预防大于治理”的理念，定期巡检制度及例会制度可以集思广益，发现并解决问题。

(3)深孔施工设备、管材一定要质量可靠，杜绝此类隐患。推行设备TPM(Total Productive Maintenance)管理体系能有很好的效果。

(4)深孔施工提高效率关键是减少辅助时间，关键链法通过缓冲区的设置很好地控制了辅助时间。