CN109162693A - 一种利用随钻监测技术测试岩体块度指数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用随钻监测技术测试岩体块度指数的方法，该方法包括：1.在钻机上安装各种测量设备；2.在试验场开展钻进实验，获得不同岩体完整性的岩体中各钻进参数之间的对应关系；3.取芯并计算岩芯的岩体块度指数；4.确定钻进过程中各段纯钻进程和辅助进程；5.计算纯钻进程中任意深度的钻进速度；6.建立岩体块度指数与钻进速度间的函数关系；7.在测试区开展随钻测试，利用上述函数关系快速获取不同钻进深度下的岩芯岩体块度指数，以此评价其岩体完整性。本发明通过研究钻头进尺速度、钻杆转动速度、钻机液压油压力水平和岩芯岩体块度指数的定量关系，可以实现在钻进过程中快速准确地获取岩芯岩体块度指数的目的。与传统测量方式相比，该法简单易行。
Description
技术领域
本发明属于工程地质技术领域，具体涉及一种测试岩体块度指数的方法。
背景技术
岩体块度指数(RBI)是胡卸文等于2002年在《水利学报》发表的文章《岩体块度指数及其工程意义》中提出的，是表征岩体块度大小及其结构类型的一个综合指标，它反映了组成岩体的块度(尺寸)大小及其相互组合关系，作为一种重要的岩体完整性评价指标，能够快速定量地评价岩体完整性。
岩体块度指数(RBI)是基于钻孔岩芯不同长度完整情况所占的百分数，其定义为：将岩芯长度按3～10，10～30，30～50，50～100和大于100cm的岩芯获得率作为权值与各自相应系数乘积的累加得到的数值，计算表达式为RBI＝3Cr3+10Cr10+30Cr30+50Cr50+100Cr100，式中：Cr3，Cr10，Cr30，Cr50，Cr100分别为岩芯长度为3～10，10～30，30～50，50～100，>100cm的岩芯获得率，以百分数表示。
诸多学者对岩体块度指数进行了应用和发展。黄润秋等于2011年在《岩石力学与工程学报》发表的《锦屏I级水电站坝基岩体块度指数量化取值分析》一文中对岩体块度指数的量化取值进行分析研究，确立整体状、块状、次块状、镶嵌、碎裂结构岩体块度指数分级临界值。杨超等于2013年在《岩石力学与工程学报》发表的《基于Copula理论的岩体抗剪强度参数估值》一文中对RBI等岩体完整性指标与抗剪断强度参数间的相关性进行了分析，发现RBI与粘聚力c呈现较高的负相关关系。阳军生等于2014年在《岩土工程学报》发表《高强度基岩***预处理泥水盾构掘进特征研究》，文中使用岩体块度指数和RQD分别评价台山核电站取水隧洞围岩质量，所得结果基本一致。高和斌于2016年在《铁道建筑》发表的《钻探岩芯分级Hoek-Brown准则GSI在边坡工程中的应用》一文中基于岩体块度指数提出边坡岩体结构类型的线性定量化指标——岩体结构率，通过建立边坡钻探岩芯与岩体结构率之间的关系，即可通过查表获取GSI的值。倪卫达等于2018年在《岩土力学》发表《基于三维节理网络模拟的坝基岩体结构分类研究》，文中基于岩体块度指数提出三维等效岩体块度指数3D，以RBI3D作为评价指标开展坝基岩体结构分类。上述研究虽对岩体块度指数进行了某些方面的研究和发展，但主要还是限于力学和强度范畴的研究，并未从岩芯取得过程入手，即并未研究岩体块度指数与钻进参数之间的潜在联系，这导致其研究成果主要为理论分析，不具有切实的时效性和现实可靠的参考价值。
岩体完整性与钻进参数间存在密切联系。随钻监测技术虽然在油气钻探行业已很普遍，尤其是监测或计算钻探时钻进速度，但在岩土工程或工程地质行业，随钻监测的应用还很少。在先的中国专利申请CN201610858285.1公开了一种随钻监测技术测试岩石强度的方法，虽然其也监测钻进参数，但目的在于测定岩体强度，建立岩体强度参数与钻进参数之间的函数关系，岩体强度参数主要为粘聚力和内摩擦角，属于力学和强度范畴，其并未将随钻监测技术用于考虑岩体块度指数，无法对岩体完整性进行评价，而正确认识和定量描述工程岩体完整性，是安全、有效、合理进行设计施工的基础。
此外，目前虽已有测量岩体块度指数的研究和实践，但需要钻探取芯，相比于非取芯钻探，取芯钻探所花的时间更长，价格更高。例如在山西某采空区上覆地层进行的工程勘察中，需要钻孔取芯百余个以进行岩体完整性评价。这些钻孔的深度约为270m，非取芯钻探的时间普遍在3天左右，而取芯钻探的时间往往要达到10天，是非取芯钻探的3.3倍；非取芯钻探的价格约80元/米，而取芯钻探的价格要加到200元/米左右，是非取芯钻孔的2.5倍。
综上，非取芯钻探在工程上有一定的优势，但目前还没有行之有效的在非取芯钻探的情况下快速准确得到岩芯的岩体块度指数的方法，因此有必要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用随钻监测技术在非取芯钻探的情况下快速准确得到岩芯的岩体块度指数，进行岩体完整性评价，既能节约时间成本，亦能减少经济成本。
在本发明的一个实施方式中，提供一种利用随钻监测技术测试岩体块度指数的方法，包括如下步骤：
步骤100，选定钻机位置并调平钻机，在钻机上安装钻头位移的实时测量装置，钻机液压油压力的实时测量装置，钻杆转动速度的实时测量装置，数据采集装置；
步骤200，开启钻机以及各实时测量装置和数据采集装置，监测和记录钻进过程中的钻头位移、钻机液压油压力、钻杆转动速度、钻进时间；
步骤300，对试验场内特定深度范围内的岩体进行钻进取芯，放于岩芯箱内，并记录每一岩芯箱内岩芯的取芯起止时间；量取岩芯长度，计算岩体块度指数；
步骤400，通过所述的钻头位移、钻机液压油压力、钻杆转动速度，划分纯钻进程和辅助进程，得到纯钻进程中采集的钻头位移、钻机液压油压力、钻杆转动速度、钻进时间；其中，所述步骤300和步骤400相互之间无先后顺序限制；
步骤500，通过划分得到的纯钻进程中采集的钻头位移、钻进时间，计算得到钻进速度；
步骤600，建立所述岩体块度指数与钻进速度之间的函数关系；
步骤700，在测试区开展随钻测试，根据所得的函数关系，即可快速计算测试区地层的岩体块度指数。
优选地，所述钻头位移的实时测量装置包括拉绳位移传感器和数据传输电缆，数据传输电缆一端连接位移传感器，另一端连接数据采集装置。
优选地，所述钻机液压油压力的实时测量装置包括流体压力传感器和数据传输电缆，数据传输电缆一端连接流体压力传感器，另一端连接数据采集装置。
优选地，所述钻杆转动速度的实时测量装置包括转速测量仪或转速探头和数据传输电缆，数据传输电缆一端连接转速测量仪或转速探头，另一端连接数据采集装置。
优选地，所述数据采集装置的记录时间间隔可选择0.1-5秒。
优选地，所述步骤400中纯钻进程和辅助进程的区别在于是否接触孔底岩体并旋转破岩，在纯钻进程中，钻头接触孔底岩体并旋转破岩，在辅助进程中，钻头并未钻进孔底新的岩体，包括空钻、加钻杆、拔钻杆、停机等进程。
优选地，所述步骤500中的钻进速度的计算公式为纯钻进程中某记录时间间隔内的钻进位移除以该记录时间间隔。
优选地，所述步骤600中建立函数关系的步骤为：
步骤601，将所述纯钻进程中的钻头位移累加得到钻进深度；
步骤602，根据岩芯的取芯起止时间，得到该段岩芯对应的钻进深度范围和相应的岩体块度指数；
步骤603，根据钻进深度和钻进速度得到岩芯钻进深度范围内的钻进速度，并对该钻进深度范围内的钻进速度取算数平均值得到平均钻进速度；其中，所述步骤602和步骤603相互之间无先后顺序限制；
步骤604，将若干组步骤602所述的岩体块度指数与步骤603所述的平均钻进速度进行回归，得到岩体块度指数与钻进速度的函数关系。
优选地，所述岩体块度指数与钻进速度的函数关系根据Pearson线性相关性分析方法得出，具体为RBI＝4.97V-0.16，Pearson相关系数r为0.937。
优选地，在步骤700中，根据岩体块度指数与钻进速度的函数关系，通过钻机当前钻进速度计算测试区地层的岩体块度指数。
本发明相比传统测量方式有如下优点：本发明利用不同岩体完整性的岩芯在确定的液压油压力水平和转速下钻头进尺速度不同的特点，利用随钻监测技术对岩芯的岩体块度指数进行测试。通过研究岩体块度指数和钻头钻进速度的定量关系，可实现在钻进过程中快速准确地获取岩体块度指数，达到评价岩体完整性的目的，具体如下：
1)本发明建立岩体块度指数和钻进速度的函数关系，无需大量的取芯钻探即可计算所钻地层的岩体块度指数，大大节省钻探时间和经济成本。
2)本发明建立岩体块度指数和钻进速度的函数关系，能实时给出当前钻进深度下的岩体块度指数，具有较强的时效性。
3)本发明建立岩体块度指数和钻进速度的函数关系，对附近地区的类似岩性的地层，可直接使用所建立的函数关系计算岩体块度指数，无需取芯，对附近地区的类似岩性的地层具有现实可靠的参考价值。
附图说明
图1是本发明利用随钻监测技术测试岩芯岩体块度指数的方法的流程示意图；
图2是本发明利用随钻监测技术测试岩芯岩体块度指数的装置结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例中摆在岩芯箱内的部分岩芯；
图4是本发明一个实施例中的钻进速度随时间的变化的部分曲线；
图5a是本发明一个实施例中得到的钻头位移随时间变化的部分曲线；
图5b是本发明一个实施例中钻头位移累加得到的钻进深度随时间变化的部分曲线；
图6是根据本发明一个实施例中得到的钻进速度随钻进深度变化的部分曲线；
图7是根据本发明一个实施例中建立得到的岩芯岩体块度指数与平均钻进速度V的函数关系式。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但不构成对本发明的限定。其中附图标记说明：
1－拉绳位移传感器；2－转速探头；3－液体压力传感器；4－振弦式读数器；5－拉绳位移传感器数据传输电缆；6－转速探头数据传输电缆；7－液体压力传感器数据传输电缆；8－钻机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
试验地点为山西省某采空区。因在采空区上方修建高等级公路工程，需对该采空区上覆岩土体进行钻孔若干。该上覆岩土体0-145m深度为土体，145-270m深度为岩体。
该采空区煤层开采年份为2006到2015年。矿井开采3号煤层，开采方式为倾斜长壁采煤法，回采率90％，顶板管理方式为全部垮落法控制。到目前为止，矿区地表移动变形的活跃期基本结束，采空区场地基本稳定。
参见图2，本次试验所用钻机8为XY-4型钻机，位移的实时测量装置选用拉绳位移传感器1，钻机液压油压力的实时测量装置选用液体压力传感器3，钻杆转动速度的实时测量装置选用转速探头2，数据采集装置选用北京数泰科技有限公司生产的dataTaker DT80钢弦式振弦式读数器4，数据采集装置的记录时间间隔选择1s。
步骤100，选定钻孔位置并调平钻机8后，将拉绳位移传感器1和拉绳位移传感器数据传输电缆5安装于钻机8起降***一侧，钻杆转速探头2和转速探头数据传输电缆6安装于钻机8旋转卡盘一侧，液体压力传感器3和液体压力传感器数据传输电缆7安装于钻机8的供油管上；将拉绳位移传感器数据传输电缆5、转速探头数据传输电缆6、液体压力传感器数据传输电缆7和dataTaker DT80钢弦式振弦式读数器4相连。
步骤200，开启钻机8和前述安装于钻机上的各传感器、探头和dataTaker DT80钢弦式振弦式读数器，监测得到钻进过程中的钻头位移、钻机液压油压力、钻杆转动速度、钻进时间等数据。
步骤300，对试验场内145～270米范围内的岩体进行钻进取芯，放于岩芯箱内(图3)，并记录每一岩芯箱内岩芯的取芯起止时间；量取岩芯长度，计算岩体块度指数。
具体采用公式RBI＝3Cr3+10Cr10+30Cr30+50Cr50+100Cr100计算，例如钻机某一回次钻进4米，取出的岩心长度为3米，其中3～10cm范围的岩芯累加的长度为1m，则3～10cm的岩芯获得率就是1m除以4m等于25％，以此类推，得到各长度范围的岩芯获得率，即可计算得到岩体块度指数。
岩芯长度的量取方式可用卷尺进行测量，至少精确至1mm。
步骤400，通过步骤200中所述钻头位移、钻机液压油压力、钻杆转动速度、钻进时间等数据，确定纯钻进程和辅助进程的判别标准(表1)，得到纯钻进程中采集的钻头位移、钻机液压油压力、钻杆转动速度、钻进时间等数据。
表1纯钻进程与辅助进程的判别标准
步骤500，通过步骤400划分得到的纯钻进程中采集的钻头位移、钻进时间数据，计算得到钻进速度(图4)。
本发明中，间隔固定时间采集钻头位移，比如每秒采集一次，则钻头位移除以相隔的时间即得到钻进速度。
步骤600，建立岩体块度指数与钻进速度之间的函数关系，步骤为：
步骤601，将纯钻进程中的钻头位移(图5a)累加即为钻进深度(图5b)。
步骤602，根据岩芯的取芯起止时间，得到145～270m范围内所取各段岩芯对应的钻进深度范围和相应的岩体块度指数。
步骤603，根据钻进深度(图5b)和钻进速度(图4)得到岩芯钻进深度范围内的钻进速度(图6)。
将岩芯钻进深度范围内的钻进速度与所取岩芯的岩体块度指数(RBI)进行分析(表2)，表中的平均钻进速度是指各段岩芯的取芯深度范围内所计算出钻进速度的算数平均值，可知所钻地层岩性主要为砂岩地层，液压油压力水平保持在75kPa左右，转动速度保持在4r/s。
表2各编号岩芯段岩性、RBI值和对应的钻进参数数据
步骤604，根据Pearson线性相关性分析方法，可计算出岩芯的岩体块度指数RBI与对应的平均钻进速度V间的表达式为RBI＝4.97V-0.16(图7)。Pearson相关系数r为0.937，表明该表达式具有较高的精度。
步骤700，在测试区开展随钻测试，根据所得的岩体块度指数与钻进速度的函数关系，利用平均钻进速度，即可快速计算所钻地层的岩体块度指数。
本发明利用不同完整性的岩体在确定的液压油压力水平和转动速度下钻头进尺速度不同的特点，利用随钻监测技术对岩芯的岩体块度指数进行测试。通过研究钻头进尺速度、钻机液压油压力水平、钻杆转动速度和岩体块度指数的定量关系，可实现在钻进过程中快速准确地获取岩体块度指数，达到评价岩体完整性的目的。与传统测量方式相比，此方法简单易行，且能实时给出当前钻进深度下的岩体块度指数，评价其完整性。
本发明无需开展大量的取芯钻探，具有广泛的适用性，例如需要钻孔100个，本发明的方法只需取芯1个孔就可以得到RBI与钻速V的函数关系，其他99个孔仅需开展非取芯钻探，用本发明的方法即可得出RBI，并且该函数关系的计算结果具有较高的精度，能够用于判别附近地区的类似岩性的地层岩体块度指数，大大节省钻探时间和经济成本，对附近地区的类似岩性的地层具有现实可靠的参考价值。
至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种利用随钻监测技术测试岩体块度指数的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100，选定钻机位置并调平钻机，在钻机上安装钻头位移的实时测量装置，钻机液压油压力的实时测量装置，钻杆转动速度的实时测量装置，数据采集装置；
步骤200，开启钻机以及各实时测量装置和数据采集装置，监测和记录钻进过程中的钻头位移、钻机液压油压力、钻杆转动速度、钻进时间；
步骤300，对试验场内特定深度范围内的岩体进行钻进取芯，放于岩芯箱内，并记录每一岩芯箱内岩芯的取芯起止时间；量取岩芯长度，计算岩体块度指数；
步骤400，通过所述的钻头位移、钻机液压油压力、钻杆转动速度，划分纯钻进程和辅助进程，得到纯钻进程中采集的钻头位移、钻机液压油压力、钻杆转动速度、钻进时间；其中，所述步骤300和步骤400相互之间无先后顺序限制；
步骤500，通过划分得到的纯钻进程中采集的钻头位移、钻进时间，计算得到钻进速度；
步骤600，建立所述岩体块度指数与钻进速度之间的函数关系；
步骤700，在测试区开展随钻测试，根据所得的函数关系，即可快速计算测试区地层的岩体块度指数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述钻头位移的实时测量装置包括拉绳位移传感器和数据传输电缆，数据传输电缆一端连接位移传感器，另一端连接数据采集装置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述钻机液压油压力的实时测量装置包括流体压力传感器和数据传输电缆，数据传输电缆一端连接流体压力传感器，另一端连接数据采集装置。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述钻杆转动速度的实时测量装置包括转速测量仪或转速探头和数据传输电缆，数据传输电缆一端连接转速测量仪或转速探头，另一端连接数据采集装置。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述数据采集装置的记录时间间隔可选择0.1-5秒。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤400中纯钻进程和辅助进程的区别在于是否接触孔底岩体并旋转破岩，在纯钻进程中，钻头接触孔底岩体并旋转破岩，在辅助进程中，钻头并未钻进孔底新的岩体，包括空钻、加钻杆、拔钻杆、停机等进程。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤500中的钻进速度的计算公式为纯钻进程中某记录时间间隔内的钻进位移除以该记录时间间隔。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤600中建立函数关系的步骤为：
步骤601，将所述纯钻进程中的钻头位移累加得到钻进深度；
步骤602，根据岩芯的取芯起止时间，得到该段岩芯对应的钻进深度范围和相应的岩体块度指数；
步骤603，根据钻进深度和钻进速度得到岩芯钻进深度范围内的钻进速度，并对该钻进深度范围内的钻进速度取算数平均值得到平均钻进速度；其中，所述步骤602和步骤603相互之间无先后顺序限制；
步骤604，将若干组步骤602所述的岩体块度指数与步骤603所述的平均钻进速度进行回归，得到岩体块度指数与钻进速度的函数关系。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述岩体块度指数与钻进速度的函数关系根据Pearson线性相关性分析方法得出，具体为RBI＝4.97V-0.16，Pearson相关系数r为0.937。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在步骤700中，根据岩体块度指数与钻进速度的函数关系，通过钻机当前钻进速度计算测试区地层的岩体块度指数。
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