层次分析法在深厚覆盖层水电钻探卡钻因素分析中的应用

易 聪，李奉霖，辜杰为，辛宗成，冯升学

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610031)

0 前 言

覆盖层是经过各种地质作用而堆积在基岩上的松散堆积物，广泛分布于世界各地河床中，是一个区域性的普遍现象，在我国水力资源最丰富的西部地区(大渡河、岷江、金沙江、雅砻江、雅鲁藏布江等)尤为常见。其在正常的河流沉积厚度基础上，由于地壳抬升、冰川运动、滑坡淤堵、泥石流等内外力地质作用，导致河谷深切造成的上覆深厚覆盖层现象更为显著。

在水电建设过程中，必须查明深厚覆盖层的物质构成、厚度、渗透性等技术指标。钻探作为勘探过程中最为重要和直接的手段被广泛运用与研究，是一种必不可少的勘探手段。然而，在面对深厚覆盖层时，常常出现卡钻事故，极大地影响工程成本及工程进度，且容易带来一系列的孔内事故，而针对深厚覆盖层水电钻探卡钻事故影响因素的研究却一直较少。随着传统行业与智能算法不断紧密[1-2]结合，在卡钻因素的分析过程中也需要引入更为先进的算法。因此，基于层次分析法[3]，寻找出最易导致深厚覆盖层水电钻探卡钻事故的因素，达到提高水电钻探工作的有效性。

1 层次分析法

1.1 基本原理

20世纪70年代初，美国学者SAATY T L基于定性和定量相结合的分析手段，提出层次分析法(Analytic Hierarely Process，AHP)[9]。其基本原理是将问题拆分为层次结构，层次结构的构建过程能够让决策者更加清楚地定义复杂问题并理解其整体结构，根据对该层次结构元素的相互比较确定最优级，从而帮助决策者做出最佳的选择。将人的主观判断通过数量的形式进行表达和处理，在分析过程中可以尽量减少个人主观臆断所带来的弊端，使评价结果更可信。层次分析法主要有理论简单、工程实用性较强、系统性良好等优点[5]。

1.2 分析过程

层次分析法通过解构复杂系统，利用简化后的两两比较来构建判断矩阵，进而求解构造的比较判断矩阵，最后通过特征值对各种方案进行排序，以供决策[6]，主要分析过程如图1所示。

图1 层次分析法分析过程

整个分析过程中，首先需要建立一个清晰的层次结构，这对于其后的复杂问题分析具有至关重要的作用。层次结构主要由目标层、准则层、方案层构成，如图2所示。层次结构的构建过程能够让决策者更加清楚地定义复杂问题并理解其整体结构。

图2 层次结构示意

2 卡钻事故主要影响因素

卡钻事故是指由于客观或主观原因导致钻头、钻具在钻孔内无法正常活动的现象。发生卡钻会花费大量时间和处理成本，并有可能引起更为严重的次生危害，甚至发生钻孔报废。当发生卡钻后，处理方式十分复杂。

卡钻事故涉及多种因素，因此卡钻事故的类型也是多种多样的[7]。通过对大量水电工程钻探现场资料和文献的分析可知，卡钻事故类型主要有砂桥卡钻、坍塌卡钻、泥包卡钻、落物卡钻、键槽卡钻、缩径卡钻、压差卡钻等[8]。同时根据对水电站深厚覆盖层钻探过程的分析，卡钻事故诱因主要有设备机具因素、工艺技术因素和地质因素3类。

2.1 设备机具因素

(1)钻杆因素。钻杆是钻进机具中较为重要的部分，同时也是折断事故的高发部位，主要由主动钻杆、孔内钻杆和接头等组成。钻机通过钻杆将钻压和扭矩传递给地层，从而为地面设备和破岩工具起到纽带作用。

(2)水泵因素。水泵又称泥浆泵，其作用是输送冲洗液，使冲洗液形成孔内循环液清除岩屑、冷却润滑钻头和钻具、保护孔壁，以供给钻具能量，输送特种物质。

(3)钻机因素。钻机属于钻探设备中最为重要的部分，能够控制并驱动钻具进行钻进，目前主要有回转式钻机、冲击式钻机和复合钻机等。

(4)套管因素。在覆盖层钻探中，由于孔壁稳定性不佳，通常采用套管护壁措施，将松散覆盖层孔壁转化为稳定的套管孔壁。因此覆盖层钻探中，保持孔壁稳定性是重中之重，这也是导致卡钻等钻探事故的直接原因之一。而在成孔的钻探作业过程中，下入套管是防止孔壁坍塌和冲洗液漏失、预防孔内事故发生的可靠且有效的措施。

(5)钻具因素。钻探机具一般指钻探所用的管材、钻杆柱、钻具、钻头等，不同的孔径、孔深、地层条件和作业环境等均对钻探机具有不同的要求。作为与地层直接接触并施加作用力的部分，钻头结合先进材料和工艺[9]，发展出适用于不同地层、不同环境条件的新型钻头，如斧型齿PDC钻头[10]、复合片取心钻头等。

2.2 工艺技术因素

(1)钻孔结构设计因素。钻孔结构是指开孔至终孔，钻孔剖面中各深度孔段所对应口径的变化情况。通常来说，钻孔结构越复杂，换径次数就越多；钻孔结构越简单，换径次数就越少。钻孔结构设计需要依据地质结构、钻孔顶角和方位角等综合设计。特别是在深厚覆盖层水电钻探中，若钻孔结构设计不合理、不科学，则会直接影响钻孔质量，甚至导致卡钻等钻孔事故。

(2)钻进工艺因素。钻进工艺作为影响钻探过程较为重要的一个因素，需要建立在分析覆盖层钻探特性的基础上进行选择，并且针对覆盖层结构及其岩石种类进行精确分析。钻进工艺中钻进方法、钻进技术参数(钻压、钻速、泵量等)是最为重要的部分，通常在实际工程中，需要结合勘探区经验，进行钻进工艺的选择和设置。

(3)护壁工艺因素。覆盖层钻探中，孔壁稳定性是一项重要工作，通常采用套管护壁或者泥浆护壁。

(4)孔斜控制因素。孔斜又称钻孔弯曲，指在钻进过程中，已经钻成的孔段或井段轴线同原设计轴线之间所产生的偏移，包括顶角偏移和方位角的偏移，是衡量钻探工程质量的一项重要指标。孔斜发生时，若不能及时控制，极易引起施工的困难和事故的发生，同时更不能达到地质勘探目的。

(5)冲洗液性质因素。冲洗液作为钻探过程中不可或缺的组成部分，是满足钻进过程中多种功能需求的循环流体总称，通常为液体，也可以是气体或气液混合体。冲洗液对于卡钻事故是否发生起到了举足轻重的作用，因此需要充分考虑冲洗液因素。根据冲洗液的不同流型，可将冲洗液黏度划分为漏斗黏度、表观黏度和塑性黏度等。当冲洗液黏度过大时，钻具钻速所受阻力较大，钻头易产生泥包。但是冲洗液黏度过小时，冲洗液携带岩屑的能力降低，易使岩屑沉积导致钻具抱死。

2.3 地质因素

(1)覆盖层成因类型因素。覆盖层成因主要有坡积、洪积、堆积、沉积、冰积、风化等，不同成因下的覆盖层结构不同，包括土粒单元的大小、矿物成分、形状、相互排列及联结关系等微观结构和土体的层理、孔隙等宏观结构。

(2)覆盖层物质组成因素。覆盖层由于其成因类型不同，其物质组成也大不相同，主要是指块石、砾石、卵石含量；漂石、孤石的体积大小等。

(3)覆盖层地层结构因素。覆盖层是第四系地层，在重力或其他外力作用下并未完全固结，通常呈现松散、紧密、致密和胶结等状态。

(4)覆盖层地层渗透性因素。通常情况下，钻探作业时地层孔隙压力远低于钻井内压力，在这种压力差作用下，冲洗液易渗透至地层中，影响孔壁稳定性，该因素直接影响着冲洗液滤失量指标。

3 层次分析法在工程中的应用

3.1 工程概况

牙根二级水电站位于甘孜州雅江县，是雅砻江流域水电开发梯级电站中十分重要的一环。在雅砻江的侵蚀作用下，河段两岸谷坡陡峻，山体雄厚，河谷为深切不对称“V”型峡谷，地形完整性好。坝址区左岸及右岸低高程浅表出露基岩为印支-燕山期黑云母花岗岩，右岸低高程浅表以里及中、高高程为三叠上统侏倭组变质砂岩夹印支-燕山期花岗伟晶岩，坝区岩体完整性总体较好。两岸未见较大顺坡软弱结构面发育，边坡整体稳定，坝区未见泥石流沟发育，河床覆盖层较厚。该水电工程钻探过程中，容易发生卡钻事故，而事故的诱发因素却显得错综复杂，传统的分析手段具有一定的局限性。因此，有必要基于层次分析法和覆盖层水电钻探卡钻诱因层次结构(见图3)，建立一套卡钻事故分析模型，以保障勘探工作顺利进行。

3.2 层次分析模型的建立

导致深厚覆盖层水电钻探卡钻事故发生的诱因有很多，其中某些因素可以定量化衡量，但有些因素只能定性评价，所有的这些因素共同导致了卡钻事故的发生。而且在这些因素当中，尚不完全知道哪些因素起主要作用，哪些因素起次要作用，因此需要建立深厚覆盖层水电钻探卡钻事故诱因递阶层次结构分析模型，如图3所示。

图3 深厚覆盖层水电钻探卡钻事故诱因层次结构

3.3 构造判断矩阵

构造判断矩阵是确定各个因素权重的关键，通常有2种方法，即专家打分法和个人评定法。专家打分法因其操作较为困难而在研究中较少被采用，但其可信度较高。基于此，本文采用专家打分法，通过邀请正高级工程师和一线钻探班组工人进行问卷调查，并采用层次分析法中的标度方法(见表1)，对所有影响因素建立判断矩阵(见表2～5)。

表1 层次分析法判断标度[11]

表2 判断矩阵A及单排序

表3 判断矩阵B1及单排序

表4 判断矩阵B2及单排序

表5 判断矩阵B3及单排序

3.4 层次单排序及一致性检验

经过对判断矩阵A、B1、B2、B3的最大特征根和特征向量的求解，对特征向量进行归一化处理后即可得到各因素的相对重要性权重(见表2～5)。为保证每一准则下各个影响因素得到合理的相对权重，需要对判断矩阵采用式(1)～(2)进行一致性检验，若CR<0.1，则满足一致性要求。

CR=CI/RI。

(1)

CI=(λmax-n)/(n-1)。

(2)

式中:λmax为判断矩阵的最大特征值；n为判断矩阵阶数；RI为平均随机一致性指标，根据表6进行取值。

表6 RI与判断矩阵阶数关系

经过对权重的计算可以知道，A、B1、B2、B3的最大特征根依次为:3、5.425 4、5.080 8、4.022 1，则可知CR值依次为:0、0.094 9、0.018、0.008 3，均小于0.1，符合一致性要求。

3.5 目标总排序及一致性检验

通过以上对各层影响因素的单排序后，接下来进行目标总排序，可以得到深厚覆盖层水电钻探卡钻事故诱因权重值(见表7)，并根据表7可得图4。

图4 各指标层总目标权重曲线

表7 目标总排序

对层次总排序按式(3)进行一致性检验，CR=0.02<0.10，具有良好的一致性，满足层次分析法的要求。

(3)

式中:i取值为1～3；W(i)为B1、B2、B3权重值；CI(i)为B1、B2、B3的CI值；RI(i)为B1、B2、B3的RI值。

由表7和图4可知，导致深厚覆盖层水电钻探卡钻事故发生的因素较多，在设备机具因素、工艺技术因素和地质因素的准则内，各指标层的权重较为一致。综合来看，最为重要的因素为覆盖层物质组成(0.151 4)，次重要因素为冲洗液性质(0.15)，覆盖层地层结构(0.146)，其他影响因素权重值均较小，说明地质因素对卡钻事故影响较大，工艺技术因素次之，设备钻具因素影响最小。

牙根二级水电站在钻探实施过程中，对这三个方面均进行了充分的准备，使得钻探施工过程较为顺利，卡钻事故发生率较低，证明该分析与研究符合实际情况，具有一定的工程指导意义。

4 结 论

影响深厚覆盖层水电钻探卡钻事故发生是一个错综复杂、相互联系与制约的复杂系统，如何在许多相互关联的因素中分析出最为重要的因素是降低卡钻事故发生率的重点。基于科学合理的研究方法——层次分析法，对易导致卡钻事故的诱因进行抽丝剥茧，寻找出最为重要的因素为覆盖层物质组成因素，次重要的因素为冲洗液结构因素和覆盖层地层结构因素。此结论可为其他工程的卡钻事故分析与研究提供新思路。