CN104863576A - 判断钻机钻进至一定深度时钻头所处地质层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了判断钻机钻进至一定深度时钻头所处地质层的方法，包括以下步骤：步骤1：获取目标层的岩层密度，P波波速，和泊松比μ，求得目标岩层的弹性模量；步骤2：将该层岩层的弹性模量与计算机数据库进行比对，分析判断出该层岩层的类别；步骤3：记录当岩层弹性模量与该层岩层的弹性模量的初始值发生突变时的深度，此深度即为岩层界面深度；步骤4：重复步骤一至步骤三，得出不同深度处钻头所处的地质层。该方法能不需借助岩芯进行实验室测试得出物理性质及力学参数，实现在钻机进行钻进的过程通过采集相应数据进行实时分析计算，判断出钻头所在位置的岩层，从而大大简化了得出不同深度岩层物理性质及力学参数的过程，节约工程时间。

Description

判断钻机钻进至一定深度时钻头所处地质层的方法

技术领域

本发明涉及一种钻机钻进过程中实时判断所处岩层的方法，适用于地下工程中钻机钻进时对钻头所处岩层的实时判定。

背景技术

以前，钻机在岩层的钻进的过程中，为了获得当地岩层的物理性质参数，常常采用取芯工具钻取出岩芯，在实验室进行岩石单轴抗压实验，并提供岩芯抗压强度试验报告。

但是，通过岩芯取样进行实验测试的方法在实践中存在如下问题：

1、从现场取芯到实验室得出实验报告的间隔长，严重的制约了实际现场施工的进度，增加了工程预算成本，同时由于岩芯的数量众多，分组编号、分析处理变的十分繁重，缺乏实用性。

2、在软弱破碎的复杂地层钻进时岩芯采取率和完整性难以保证。当在不良地质体中进行作业时，难以获得完整的可用于测试的岩芯，从而无法得出当地岩层的物理性质及力学参数。

3、由于所取岩芯已经撤离了原始的环境应力、温度等约束条件，不能很好的代表岩体本身的强度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种在钻机钻进过程中实时判断所处岩层的方法。

为了有效实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

步骤1：实时获取目标层的弹性模量；

步骤2：将该层岩层的弹性模量与计算机数据库进行比对，分析判断出该层岩层的类别；

步骤3：记录当岩层弹性模量与该层岩层的弹性模量的初始值发生突变时的深度，此深度即为岩层界面深度；

步骤4：重复步骤一至步骤三，得出不同深度处钻头所处的地质层；

通过上述步骤，实现在钻机进行钻进的过程中通过采集相应数据进行实时分析计算，判断出钻头所在位置的岩层类别。

所述弹性模量E根据表达式

E＝v²ρ(1+μ)(1-2μ)/(1-μ)

得到；式中，v为P波波速，ρ为该层岩石密度，μ为泊松比。

步骤1中，所述岩层密度ρ通过现场测量确定，所述岩层泊松比μ通过经验值确定。

步骤1中，所述P波由钻头冲击发出，对于第一层岩层，所述P波波速等于P波的传播距离与P波传播时间的比值；对于第N层岩层，所述P波波速，根据P波的传播路径，P波总传播时间，上部各岩层的所述P波波速，和各层岩层的深度所建立的方程组确定。

步骤1中，所述P波的总传播时间为安装在钻头上的第一传感器测得的发振时刻t₁和布设在地表的距钻孔一定距离处的第二传感器测得的P波到达时刻t₂的时间差。

步骤1中，对于第一层岩层，所述P波的传播路径为所述第一传感器至所述第二传感器之间的直线距离。

步骤1中，对于第N层岩层，所述P波的传播路径通过第二传感器至钻杆的水平距离S、由激光测距仪测得的钻进深度H₁、以及根据上部所述各岩层的类别通过斯奈尔定律确定的各岩层界面的入射角与反射角的关系来确定。

步骤2中，所述数据库，是在大量不同围岩类型实测数据的基础上，所统计的不同围岩类别与相应弹性模量值的对应关系。

步骤3中，所述岩层的变化深度由所述激光测距仪测得，所述激光测距仪在岩层弹性模量发生突变时对应的测量钻进深度，即为该层岩层界面的深度。

步骤3中，在所述岩层界面深度处，通过钻孔电视对钻孔的侧面进行观察，根据不同岩层岩石表面纹理构造的不同，判断不同地质层。

本发明通过安装在钻头上的第一传感器和安装在地表的第二传感器获取钻头冲击发出的P波在岩层内的传播时间，并测定钻头的钻进深度及第二传感器距钻孔的水平距离，利用距离几何关系及P波的传播规律求得P波的传播距离及在某一地质层中的传播速度，现场进行岩石密度测定，由弹性模量、P波传播速度、岩层密度之间的关系推算出该地质层的弹性模量，与数据库中不同的岩层弹性模量进行对比确定钻头所处的岩层类别。当通过钻头所处岩层计算判定法计算得到的岩层弹性模量发生变化时，则可判定此时钻头所处的地质层发生变化，利用钻孔电视及激光测距仪测得此时的钻进深度为岩层1的厚度。对岩层2进行岩芯取样采集测得其密度，利用时间传感器测得的P波传播时间、P波在不同介质中的传播规律可以求得岩层2的弹性模量并判定岩层2。当钻机继续进行钻进时判定方法以此类推。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种判断钻机钻进至一定深度时钻头所处岩层的方法，包括围岩分界面综合判定法、钻头所处岩层计算判定法，确定围岩类别的这一过程，通过比对判断钻头所处岩层的步骤，节约工程时间并降低成本。

该方法能不需借助岩芯进行实验室测试得出物理性质及力学参数，实现在钻机进行钻进的过程通过采集相应数据进行实时分析计算，判断出钻头所在位置的岩层，从而大大简化了得出不同深度岩层物理性质及力学参数的过程，节约工程时间。

采用该方法，可以由原来的岩芯取样进行实验室试验的方法改为在钻机钻进过程中通过检测钻头冲击发出的P波在岩层中的传播速度及不同岩层密度求得不同岩层的弹性模量，通过数据库比对弹性模量实时判断钻头所处岩层，提高了可操作性，缩短了工作时，节约工程成本。在所述岩层界面深度处，通过钻孔电视对钻孔的侧面进行观察，由不同岩层岩石表面纹理构造的不同，可以更加准确直观的判断出不同地质层的厚度。

附图说明

图1.本发明中测得P波在第一层岩层的传播速度的简略示意图；

图2.本发明中测得P波在不同的岩层中的传播速度的示意图。

具体实施方式

参照附图详细说明本发明的最佳实施例可以更清楚了解本发明的上述目的和优点。

如图1所示，当钻杆在岩层中进行时，测量安装在钻头上的传感器1的P波产生时间t₁及地表传感器2的P波到达时间t₂，根据几何关系，可以求得P波的传播距离再由V＝L/(t₂-t₁)可求得P波在岩层1中的传播速度v。对该岩层岩芯进行取样采集测定其密度，由弹性模量、P波传播速度、岩层密度之间的关系

$v=\sqrt{\frac{E_1(1-\mathrm{\μ})}{{\mathrm{\ρ}}_1(1+\mathrm{\μ})(1-2\mathrm{\μ})}}---\left(1\right)$

得出该岩层的弹性模量

$E_1=\frac{v^2{\mathrm{\ρ}}_1(1+\mathrm{\μ})(1-2\mathrm{\μ})}{(1-\mathrm{\μ})}---\left(2\right)$

并确定该岩层，其中E₁是第一层岩层的杨氏弹性模量，μ是第一层岩层的泊松比，ρ₁是第一层岩层的密度。

当钻机继续钻进一定深度后，当发现求得的岩层弹性模量与初始值相比发生突变时，说明此刻钻头所处的岩层发生了变化。利用激光测距仪测得岩层弹性模量发生变化的时刻对应的钻进深度H₁，此深度即为不同岩层之间的分界面，通过钻孔电视对钻孔的侧面进行观察，由不同岩层岩石表面纹理构造的不同，可以更加准确的判断出不同地质层的厚度。

图2中当钻杆在之前深度上继续钻进一定深度H₀后，采集测定岩层的密度，钻头位于第二层岩层中时，设此时钻头在岩层2中的钻进深度为H₀,通过时间传感器1、2测得P波在不同地质层中的传播总时间t₂-t₁由

H₀·tanθ₁+H₁·tanθ₂＝S           (3)

H₀/cosθ₁·v₂+H₁/cosθ₂·v₁＝t₂-t₁         (4)

再根据斯奈尔定律可知P波在两层岩层中传播发生折射时入射角θ1与反射角θ2的关系，由此可以求出P波在第二层介质中的传播速度v₂，对岩层2进行岩芯取样测定该岩层的密度，根据

$v_2=\sqrt{\frac{E_2(1-\mathrm{\μ})}{{\mathrm{\ρ}}_2(1+\mathrm{\μ})(1-2\mathrm{\μ})}}---\left(5\right)$

其中E₂是第二层岩层的杨氏弹性模量和切变模量，μ是第二层岩层的泊松比，ρ₂是第二层岩层的密度，可以进而求得第二层岩层的弹性模量。

钻头在继续钻进不同的深度时可以采用同样的方法进行P波在不同岩层中传播速度的测定，即：在钻进至第N层时，未知量为第N层的P波波速v_n，和N个相应角度θ₁、θ₂……θ_n，共有N+1个未知量，建立的方程包括一个如公式(3)的水平距离方程，一个如公式(4)的总时间方程，和由斯奈尔定律确定的N-1个θ_i角的关系方程，从而可以计算得出P波波速v_n，进而求得不同岩层的弹性模量E等物理性质，后经计算机数据库进行比对分析后确定钻头所处岩层。

以上的描述可以清楚的理解本发明在判断钻机钻进至一定深度时钻头所处地质层的方法，采用该方法，可以由原来的岩芯取样进行实验室试验的方法改为在钻机钻进过程中通过检测钻头冲击发出的P波在岩层中的传播速度及不同岩层密度求得不同岩层的弹性模量，通过数据库比对弹性模量实时判断钻头所处岩层，提高了可操作性，缩短了工作时，节约工程成本。

Claims (10)

1.判断钻机钻进至一定深度时钻头所处地质层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：实时获取目标层的弹性模量；

步骤2：将该层岩层的弹性模量与计算机数据库进行比对，分析判断出该层岩层的类别；

步骤3：记录当岩层弹性模量与该层岩层的弹性模量的初始值发生突变时的深度，此深度即为岩层界面深度；

步骤4：重复步骤一至步骤三，得出不同深度处钻头所处的地质层；

通过上述步骤，实现在钻机进行钻进的过程中通过采集相应数据进行实时分析计算，判断出钻头所在位置的岩层类别。

2.根据权利要求1所述判断钻机钻进至一定深度时钻头所处地质层的方法，其特征在于：所述弹性模量E根据表达式

E＝v²ρ(1+μ)(1-2μ)/(1-μ)

得到；式中，v为P波波速，ρ为该层岩石密度，μ为泊松比。

3.根据权利要求2所述判断钻机钻进至一定深度时钻头所处地质层的方法，其特征在于：步骤1中，所述岩层密度ρ通过现场测量确定，所述岩层泊松比μ通过经验值确定。

4.根据权利要求2所述判断钻机钻进至一定深度时钻头所处地质层的方法，其特征在于：步骤1中，所述P波由钻头冲击发出，对于第一层岩层，所述P波波速等于P波的传播距离与P波传播时间的比值；对于第N层岩层，所述P波波速，根据P波的传播路径，P波总传播时间，上部各岩层的所述P波波速，和各层岩层的深度所建立的方程组确定。

5.根据权利要求4所述判断钻机钻进至一定深度时钻头所处地质层的方法，其特征在于：步骤1中，步骤1中，所述P波的总传播时间为安装在钻头上的第一传感器测得的发振时刻t₁和布设在地表的距钻孔一定距离处的第二传感器测得的P波到达时刻t₂的时间差。

6.根据权利要求5所述判断钻机钻进至一定深度时钻头所处地质层的方法，其特征在于：步骤1中，对于第一层岩层，所述P波的传播路径为所述第一传感器至所述第二传感器之间的直线距离。

7.根据权利要求5所述判断钻机钻进至一定深度时钻头所处地质层的方法，其特征在于：步骤1中，对于第N层岩层，所述P波的传播路径通过第二传感器至钻杆的水平距离S、由激光测距仪测得的钻进深度H₁、以及根据上部所述各岩层的类别通过斯奈尔定律确定的各岩层界面的入射角与反射角的关系来确定。

8.根据权利要求1所述判断钻机钻进至一定深度时钻头所处地质层的方法，其特征在于：步骤2中，所述数据库，是在大量不同围岩类型实测数据的基础上，所统计的不同围岩类别与相应弹性模量值的对应关系。

9.根据权利要求1所述判断钻机钻进至一定深度时钻头所处地质层的方法，其特征在于：步骤3中，所述岩层的变化深度由所述激光测距仪测得，所述激光测距仪在岩层弹性模量发生突变时对应的测量钻进深度，即为该层岩层界面的深度。

10.根据权利要求1所述判断钻机钻进至一定深度时钻头所处地质层的方法，其特征在于：步骤3中，在所述岩层界面深度处，通过钻孔电视对钻孔的侧面进行观察，根据不同岩层岩石表面纹理构造的不同，判断不同地质层。