判斷鉆機(jī)鉆進(jìn)至一定深度時(shí)鉆頭所處地質(zhì)層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)判斷所處巖層的方法，適用于地下工程中鉆 機(jī)鉆進(jìn)時(shí)對(duì)鉆頭所處巖層的實(shí)時(shí)判定。
【背景技術(shù)】
[0002] 以前，鉆機(jī)在巖層的鉆進(jìn)的過程中，為了獲得當(dāng)?shù)貛r層的物理性質(zhì)參數(shù)，常常采用 取芯工具鉆取出巖芯，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行巖石單軸抗壓實(shí)驗(yàn)，并提供巖芯抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告。
[0003] 但是，通過巖芯取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法在實(shí)踐中存在如下問題：
[0004] 1、從現(xiàn)場(chǎng)取芯到實(shí)驗(yàn)室得出實(shí)驗(yàn)報(bào)告的間隔長(zhǎng)，嚴(yán)重的制約了實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工的進(jìn) 度，增加了工程預(yù)算成本，同時(shí)由于巖芯的數(shù)量眾多，分組編號(hào)、分析處理變的十分繁重，缺 乏實(shí)用性。
[0005] 2、在軟弱破碎的復(fù)雜地層鉆進(jìn)時(shí)巖芯采取率和完整性難以保證。當(dāng)在不良地質(zhì)體 中進(jìn)行作業(yè)時(shí)，難以獲得完整的可用于測(cè)試的巖芯，從而無法得出當(dāng)?shù)貛r層的物理性質(zhì)及 力學(xué)參數(shù)。
[0006] 3、由于所取巖芯已經(jīng)撤離了原始的環(huán)境應(yīng)力、溫度等約束條件，不能很好的代表 巖體本身的強(qiáng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)判斷所處巖層的方 法。
[0008] 為了有效實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0009] 步驟1 :實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)層的彈性模量；
[0010] 步驟2 :將該層巖層的彈性模量與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，分析判斷出該層巖層 的類別；
[0011] 步驟3:記錄當(dāng)巖層彈性模量與該層巖層的彈性模量的初始值發(fā)生突變時(shí)的深 度，此深度即為巖層界面深度；
[0012] 步驟4 :重復(fù)步驟一至步驟三，得出不同深度處鉆頭所處的地質(zhì)層；
[0013] 通過上述步驟，實(shí)現(xiàn)在鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)的過程中通過采集相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計(jì) 算，判斷出鉆頭所在位置的巖層類別。
[0014] 所述彈性模量E根據(jù)表達(dá)式
[0015] E=v2p(1+y) (l_2y) /(l_y)
[0016] 得到；式中，v為P波波速，p為該層巖石密度，y為泊松比。
[0017] 步驟1中，所述巖層密度p通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量確定，所述巖層泊松比y通過經(jīng)驗(yàn)值確 定。
[0018] 步驟1中，所述P波由鉆頭沖擊發(fā)出，對(duì)于第一層巖層，所述P波波速等于P波的 傳播距離與P波傳播時(shí)間的比值；對(duì)于第N層巖層，所述P波波速，根據(jù)P波的傳播路徑，P 波總傳播時(shí)間，上部各巖層的所述P波波速，和各層巖層的深度所建立的方程組確定。
[0019] 步驟1中，所述P波的總傳播時(shí)間為安裝在鉆頭上的第一傳感器測(cè)得的發(fā)振時(shí)刻 和布設(shè)在地表的距鉆孔一定距離處的第二傳感器測(cè)得的P波到達(dá)時(shí)刻1 2的時(shí)間差。
[0020] 步驟1中，對(duì)于第一層巖層，所述P波的傳播路徑為所述第一傳感器至所述第二傳 感器之間的直線距離。
[0021] 步驟1中，對(duì)于第N層巖層，所述P波的傳播路徑通過第二傳感器至鉆桿的水平距 離S、由激光測(cè)距儀測(cè)得的鉆進(jìn)深度氏、以及根據(jù)上部所述各巖層的類別通過斯奈爾定律確 定的各巖層界面的入射角與反射角的關(guān)系來確定。
[0022] 步驟2中，所述數(shù)據(jù)庫，是在大量不同圍巖類型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，所統(tǒng)計(jì)的不同 圍巖類別與相應(yīng)彈性模量值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0023] 步驟3中，所述巖層的變化深度由所述激光測(cè)距儀測(cè)得，所述激光測(cè)距儀在巖層 彈性模量發(fā)生突變時(shí)對(duì)應(yīng)的測(cè)量鉆進(jìn)深度，即為該層巖層界面的深度。
[0024] 步驟3中，在所述巖層界面深度處，通過鉆孔電視對(duì)鉆孔的側(cè)面進(jìn)行觀察，根據(jù)不 同巖層巖石表面紋理構(gòu)造的不同，判斷不同地質(zhì)層。
[0025] 本發(fā)明通過安裝在鉆頭上的第一傳感器和安裝在地表的第二傳感器獲取鉆頭沖 擊發(fā)出的P波在巖層內(nèi)的傳播時(shí)間，并測(cè)定鉆頭的鉆進(jìn)深度及第二傳感器距鉆孔的水平距 離，利用距離幾何關(guān)系及P波的傳播規(guī)律求得P波的傳播距離及在某一地質(zhì)層中的傳播速 度，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巖石密度測(cè)定，由彈性模量、P波傳播速度、巖層密度之間的關(guān)系推算出該地質(zhì) 層的彈性模量，與數(shù)據(jù)庫中不同的巖層彈性模量進(jìn)行對(duì)比確定鉆頭所處的巖層類別。當(dāng)通 過鉆頭所處巖層計(jì)算判定法計(jì)算得到的巖層彈性模量發(fā)生變化時(shí)，則可判定此時(shí)鉆頭所處 的地質(zhì)層發(fā)生變化，利用鉆孔電視及激光測(cè)距儀測(cè)得此時(shí)的鉆進(jìn)深度為巖層1的厚度。對(duì) 巖層2進(jìn)行巖芯取樣采集測(cè)得其密度，利用時(shí)間傳感器測(cè)得的P波傳播時(shí)間、P波在不同介 質(zhì)中的傳播規(guī)律可以求得巖層2的彈性模量并判定巖層2。當(dāng)鉆機(jī)繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)判定方 法以此類推。
[0026] 本發(fā)明的有益效果為：
[0027] 本發(fā)明提供一種判斷鉆機(jī)鉆進(jìn)至一定深度時(shí)鉆頭所處巖層的方法，包括圍巖分界 面綜合判定法、鉆頭所處巖層計(jì)算判定法，確定圍巖類別的這一過程，通過比對(duì)判斷鉆頭所 處巖層的步驟，節(jié)約工程時(shí)間并降低成本。
[0028] 該方法能不需借助巖芯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得出物理性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在鉆機(jī)進(jìn) 行鉆進(jìn)的過程通過采集相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計(jì)算，判斷出鉆頭所在位置的巖層，從而大 大簡(jiǎn)化了得出不同深度巖層物理性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)的過程，節(jié)約工程時(shí)間。
[0029] 采用該方法，可以由原來的巖芯取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法改為在鉆機(jī)鉆進(jìn)過 程中通過檢測(cè)鉆頭沖擊發(fā)出的P波在巖層中的傳播速度及不同巖層密度求得不同巖層的 彈性模量，通過數(shù)據(jù)庫比對(duì)彈性模量實(shí)時(shí)判斷鉆頭所處巖層，提高了可操作性，縮短了工作 時(shí)，節(jié)約工程成本。在所述巖層界面深度處，通過鉆孔電視對(duì)鉆孔的側(cè)面進(jìn)行觀察，由不同 巖層巖石表面紋理構(gòu)造的不同，可以更加準(zhǔn)確直觀的判斷出不同地質(zhì)層的厚度。
【附圖說明】
[0030] 圖1.本發(fā)明中測(cè)得P波在第一層巖層的傳播速度的簡(jiǎn)略示意圖；
[0031] 圖2.本發(fā)明中測(cè)得P波在不同的巖層中的傳播速度的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的最佳實(shí)施例可以更清楚了解本發(fā)明的上述目的和優(yōu) 點(diǎn)。
[0033] 如圖1所示，當(dāng)鉆桿在巖層中進(jìn)行時(shí)，測(cè)量安裝在鉆頭上的傳感器1的P波產(chǎn) 生時(shí)間h及地表傳感器2的P波到達(dá)時(shí)間12，根據(jù)幾何關(guān)系，可以求得P波的傳播距離
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 判斷鉆機(jī)鉆進(jìn)至一定深度時(shí)鉆頭所處地質(zhì)層的方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1:實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)層的彈性模量； 步驟2 :將該層巖層的彈性模量與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，分析判斷出該層巖層的類 別； 步驟3 :記錄當(dāng)巖層彈性模量與該層巖層的彈性模量的初始值發(fā)生突變時(shí)的深度，此 深度即為巖層界面深度； 步驟4 :重復(fù)步驟一至步驟三，得出不同深度處鉆頭所處的地質(zhì)層； 通過上述步驟，實(shí)現(xiàn)在鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)的過程中通過采集相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計(jì)算， 判斷出鉆頭所在位置的巖層類別。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述判斷鉆機(jī)鉆進(jìn)至一定深度時(shí)鉆頭所處地質(zhì)層的方法，其特征在 于：所述彈性模量E根據(jù)表達(dá)式 E= V2 P(1+ y)(1~2 y)/ (I- y) 得到；式中，V為P波波速，P為該層巖石密度，y為泊松比。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述判斷鉆機(jī)鉆進(jìn)至一定深度時(shí)鉆頭所處地質(zhì)層的方法，其特征在 于：步驟1中，所述巖層密度P通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量確定，所述巖層泊松比y通過經(jīng)驗(yàn)值確定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述判斷鉆機(jī)鉆進(jìn)至一定深度時(shí)鉆頭所處地質(zhì)層的方法，其特征在 于：步驟1中，所述P波由鉆頭沖擊發(fā)出，對(duì)于第一層巖層，所述P波波速等于P波的傳播距 離與P波傳播時(shí)間的比值；對(duì)于第N層巖層，所述P波波速，根據(jù)P波的傳播路徑，P波總傳 播時(shí)間，上部各巖層的所述P波波速，和各層巖層的深度所建立的方程組確定。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述判斷鉆機(jī)鉆進(jìn)至一定深度時(shí)鉆頭所處地質(zhì)層的方法，其特征在 于：步驟1中，步驟1中，所述P波的總傳播時(shí)間為安裝在鉆頭上的第一傳感器測(cè)得的發(fā)振 時(shí)刻h和布設(shè)在地表的距鉆孔一定距離處的第二傳感器測(cè)得的P波到達(dá)時(shí)刻1 2的時(shí)間差。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述判斷鉆機(jī)鉆進(jìn)至一定深度時(shí)鉆頭所處地質(zhì)層的方法，其特征在 于：步驟1中，對(duì)于第一層巖層，所述P波的傳播路徑為所述第一傳感器至所述第二傳感器 之間的直線距離。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述判斷鉆機(jī)鉆進(jìn)至一定深度時(shí)鉆頭所處地質(zhì)層的方法，其特征在 于：步驟1中，對(duì)于第N層巖層，所述P波的傳播路徑通過第二傳感器至鉆桿的水平距離S、 由激光測(cè)距儀測(cè)得的鉆進(jìn)深度H 1、以及根據(jù)上部所述各巖層的類別通過斯奈爾定律確定的 各巖層界面的入射角與反射角的關(guān)系來確定。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述判斷鉆機(jī)鉆進(jìn)至一定深度時(shí)鉆頭所處地質(zhì)層的方法，其特征在 于：步驟2中，所述數(shù)據(jù)庫，是在大量不同圍巖類型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，所統(tǒng)計(jì)的不同圍巖 類別與相應(yīng)彈性模量值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述判斷鉆機(jī)鉆進(jìn)至一定深度時(shí)鉆頭所處地質(zhì)層的方法，其特征在 于：步驟3中，所述巖層的變化深度由所述激光測(cè)距儀測(cè)得，所述激光測(cè)距儀在巖層彈性模 量發(fā)生突變時(shí)對(duì)應(yīng)的測(cè)量鉆進(jìn)深度，即為該層巖層界面的深度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述判斷鉆機(jī)鉆進(jìn)至一定深度時(shí)鉆頭所處地質(zhì)層的方法，其特征 在于：步驟3中，在所述巖層界面深度處，通過鉆孔電視對(duì)鉆孔的側(cè)面進(jìn)行觀察，根據(jù)不同 巖層巖石表面紋理構(gòu)造的不同，判斷不同地質(zhì)層。
【專利摘要】本發(fā)明公開了判斷鉆機(jī)鉆進(jìn)至一定深度時(shí)鉆頭所處地質(zhì)層的方法，包括以下步驟：步驟1：獲取目標(biāo)層的巖層密度，P波波速，和泊松比μ，求得目標(biāo)巖層的彈性模量；步驟2：將該層巖層的彈性模量與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，分析判斷出該層巖層的類別；步驟3：記錄當(dāng)巖層彈性模量與該層巖層的彈性模量的初始值發(fā)生突變時(shí)的深度，此深度即為巖層界面深度；步驟4：重復(fù)步驟一至步驟三，得出不同深度處鉆頭所處的地質(zhì)層。該方法能不需借助巖芯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得出物理性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)的過程通過采集相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計(jì)算，判斷出鉆頭所在位置的巖層，從而大大簡(jiǎn)化了得出不同深度巖層物理性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)的過程，節(jié)約工程時(shí)間。
【IPC分類】E21B47-00, E21B49-00
【公開號(hào)】CN104863576
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510157714
【發(fā)明人】陳瑛, 李術(shù)才, 謝磊, 聶爽, 馮若愚, 張德, 王 琦, 高松, 閆凱, 王明遠(yuǎn), 王新穩(wěn), 曾艷君, 張開, 沙元鴻, 任堯喜, 楊俊鵬, 甘亮, 劉一鳴, 孫敬曄, 尹騰昊, 柳尚斌, 方靜, 高霞, 王曼靈, 孫廣濤, 尋傳林
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年4月3日