趙家忠

(山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟(jì)南 250002)

引 言

繩索取心鉆探是施工常用的方法。在施工過程中巖層硬度較高、鉆孔較深，對巖心鉆頭提出了較高的要求[1]；在復(fù)雜的地層工作時容易出現(xiàn)取心困難、坍塌、漏失、掉塊、縮徑等現(xiàn)象，為了解決上述問題，提出了壓力平衡鉆進(jìn)技術(shù)。在日常巖心鉆探施工過程中常用金剛石繩索鉆，金剛石繩索鉆的孔壁、鉆桿和鉆具之間換裝間隙較小，沖洗液循環(huán)地上返流動，流速及阻力較大，不利于底層孔壁的穩(wěn)定，所以影響小口徑鉆孔孔壁穩(wěn)定的主要因素是液動壓力。很多孔在鉆進(jìn)過程中存在縮徑、坍塌和漏失的現(xiàn)象，在分析地層特點的基礎(chǔ)上對金剛鉆頭外徑進(jìn)行處理可以改善上述問題。在復(fù)雜地層的鉆進(jìn)過程中，高質(zhì)量的鉆頭可滿足壓力平衡鉆進(jìn)條件，降低沖洗液循環(huán)對孔內(nèi)產(chǎn)生的壓力，提高孔壁的穩(wěn)定性，因此，對小口徑巖心鉆探施工質(zhì)量進(jìn)行控制，可以提高鉆進(jìn)效率，減少孔內(nèi)事故發(fā)生，確保工程質(zhì)量。為此，劉治等[2]提出基于物理化學(xué)特征的小口徑巖心鉆探施工質(zhì)量控制方法。從設(shè)備的選擇、管理、技術(shù)3個方面分析此時小口徑巖心鉆探技術(shù)異于常規(guī)情況的要點控制，該方法提高了識別速度，但是巖石穩(wěn)定性較差。孫宏晶等[3]提出基于危險源辨識的小口徑巖心鉆探施工質(zhì)量控制方法，運用FMECA系統(tǒng)安全分析方法，對小口徑巖心鉆探施工的穩(wěn)定性進(jìn)行控制，穩(wěn)定性有了一定提升，但是識別效率較低。

一般來說，采用現(xiàn)有方法控制小口徑巖心鉆探的施工質(zhì)量時，鉆孔所用的時間較長，鉆孔過程中巖石容易發(fā)生坍塌現(xiàn)象，存在鉆孔效率低和巖石穩(wěn)定性差的問題。因此，本文將光纖傳感器應(yīng)用在施工質(zhì)量的控制工作中，提出基于光纖傳感器的小孔徑巖心鉆探施工質(zhì)量控制方法，根據(jù)BOTDR應(yīng)變測量原理對光纖傳感器進(jìn)行優(yōu)化，期望利用光纖傳感器獲取小孔徑巖心鉆探施工過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)對液壓執(zhí)行元件和液壓輔助元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)而提高小孔徑巖心鉆探施工的質(zhì)量。

1 光纖傳感器

1.1 BOTDR應(yīng)變測量原理

光通過光纖時，傳輸介質(zhì)和傳輸光在光纖中產(chǎn)生的壓力波和聲波會發(fā)生布里淵散射，在該散射原理的基礎(chǔ)上實現(xiàn)BOTDR應(yīng)變測量[4]。

構(gòu)成光纖的成分是石英，聲音在各項同性材料中振動傳播時，假設(shè)μ為光纖石英介質(zhì)的泊松比[5-7]，E、ρ分別為石英介質(zhì)的彈性模量和密度，則聲速

(1)

介質(zhì)聲速與布里淵頻移的大小相關(guān)[8]，將式(1)中聲速vA代入，此時，BOTDR頻移vB的計算公式為

(2)

式中：n為相應(yīng)波長對應(yīng)的介質(zhì)折射率；λ0為檢測入射光波長。式(1)、式(2)聯(lián)立可得

(3)

光纖的折射率會受到應(yīng)變和外界溫度的影響，密度、泊松比和彈性模量也會發(fā)生一定的變化[9]。在研究應(yīng)變和布里淵頻移的關(guān)系時，需要消除外界溫度產(chǎn)生的干擾。設(shè)溫度常值為T0；ρ(T0,ε)為微應(yīng)變ε作用后的密度；n(T0,ε)為微應(yīng)變ε作用后的折射率；μ(T0,ε)為微應(yīng)變ε作用后的泊松比；E(T0,ε)為微應(yīng)變ε作用后的彈性模量，可將式(3)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

(4)

在ε=0處，濾除高次項，對vB(T0,ε)進(jìn)行泰勒展開處理[10-13]，即

(5)

對式(5)進(jìn)行應(yīng)變求導(dǎo)可得

(6)

式中：Kn為介質(zhì)折射系數(shù)；KE為彈性系數(shù)；Kμ為泊松系數(shù)；Kρ為密度系數(shù)。由式(5)、式(6)得應(yīng)變和布里淵頻移的關(guān)系式

vB(T0,ε)=vB(T0,0)+(Kn+KE+Kμ+Kρ)ε。

(7)

由式(7)可知，應(yīng)變與布里淵頻移之間為線性關(guān)系。分析此關(guān)系式進(jìn)行傳感器優(yōu)化。

1.2 傳感器優(yōu)化

分析厚壁圓筒理論，設(shè)u(r)為平面在厚壁圓筒理論中的徑向變形[14-15]，計算式為

(8)

式中：R1為筒內(nèi)壁半徑；R2為筒外壁半徑；Pw為地層外部壓力；Pi為內(nèi)部壓力；t為筒半徑比值；r為徑向變形所在位置對應(yīng)的半徑。式(8)簡化得

(9)

設(shè)r0、μ1、E1分別為光纖層外徑、泊松比和彈性模量；P0為光纖層受到的壓力；P1為外壓；r1為外徑；r0為內(nèi)徑。

設(shè)u0(r0)為光纖外層的形變量，計算式為

(10)

根據(jù)變形連續(xù)性特點得應(yīng)力的傳遞關(guān)系為[16-18]

P0=KP1。

(11)

FRP層泊松比μ1通過應(yīng)力傳遞系數(shù)K進(jìn)行求導(dǎo)

(12)

(13)

可見，隨著μ1的增大，應(yīng)力傳遞系數(shù)K不斷減小。

因此，在滿足強(qiáng)度要求的條件下，適當(dāng)減小FRP層厚度可以增強(qiáng)光纖傳感器的靈敏度，實現(xiàn)傳感器優(yōu)化。

2 小孔徑巖心鉆探施工質(zhì)量控制

在控制小孔徑巖心鉆探施工質(zhì)量的過程中，需要確定液壓系統(tǒng)對應(yīng)的初始壓力，小孔徑巖心鉆探施工質(zhì)量與合理的初始壓力數(shù)值密切相關(guān)[19]。液壓元件的尺寸和重量在過低的初始壓力數(shù)值下會相應(yīng)增加，不利于小孔徑巖心鉆探施工質(zhì)量的控制，同時也提高了液壓系統(tǒng)的造價。

2.1 液壓執(zhí)行元件

根據(jù)鉆機(jī)的設(shè)計要求，給進(jìn)油缸的結(jié)構(gòu)形式選擇單活塞桿液壓油缸，在油液進(jìn)入工作腔，且油缸為無桿腔時，存在

(14)

(15)

(16)

式中：Pg為工作腔壓力；A1為無桿腔的有效面積；Ph為回油腔壓力；A2為有桿腔的有效面積；F為液壓缸的最大外負(fù)載；ηnm為液壓缸的機(jī)械效率[20]；D為液壓缸內(nèi)徑；d為活塞桿在油缸內(nèi)的直徑。

當(dāng)油液進(jìn)入有桿腔油缸的工作腔時，存在

(17)

選取桿徑比d/D原則：桿徑比d/D在活塞桿受拉作用時在[0.3，0.5]內(nèi)取值，受壓作用時在[0.5，0.7]內(nèi)取值，使壓桿保持穩(wěn)定。

設(shè)Vm為動力頭馬達(dá)排量，計算式為

(18)

式中：ΔP為馬達(dá)進(jìn)出口壓力差；T為馬達(dá)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。計算獲得最大扭矩，因此最大排量為495 mL/r的馬達(dá)。

2.2 液壓動力元件

在扭矩、調(diào)速范圍、回路剛度、調(diào)速方便程度和利用率等方便容積調(diào)速系統(tǒng)存在優(yōu)勢，符合工藝的各種要求。

給進(jìn)油缸和動力頭馬達(dá)同時工作時液壓系統(tǒng)流量最大，此時工作的壓差隨著動力頭馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的增大而增大，流量隨動力頭馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的增大而減小，即

qp≥k(∑q)max。

(19)

式中：qp為液壓泵流量；(∑q)max為執(zhí)行元件的最大流量；k為系統(tǒng)泄漏系數(shù)。

設(shè)W為定驅(qū)動液壓泵的功率，計算式為

(20)

式中：ΔP1為系統(tǒng)在工作狀態(tài)下的最大壓差，為17.2 MPa；ηp為總效率，是機(jī)械效率和容積效率的乘積，取0.86。根據(jù)上述公式計算，選取功率22 kW、轉(zhuǎn)數(shù)3 000 r/min的發(fā)動機(jī)。結(jié)合功率、流量和壓力選取液壓泵的型號。

2.3 液壓輔助元件

系統(tǒng)在工作過程中存在不同的能量損失，在液壓系統(tǒng)中液壓油溫度會升高，油溫過高直接影響液壓油和液壓元件的使用壽命，同時對設(shè)備的功率、穩(wěn)定性和壽命產(chǎn)生影響，損壞設(shè)備。所以，選擇液壓系統(tǒng)中各種輔助元件時，需要滿足熱平衡條件。

設(shè)H為液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率，計算式為

H=PZ(1-η)。

(21)

其中，η=ηPηCηA。

(22)

式中：PZ為液壓泵對應(yīng)的總驅(qū)動功率；η為系統(tǒng)效率；ηp為液壓泵對應(yīng)的效率；ηc為液壓執(zhí)行元件對應(yīng)的總效率；ηA為液壓回路對應(yīng)的效率。

在液壓系統(tǒng)中油箱的作用不只是存儲液壓油，同時具有沉淀污物、逸出氣體和油液降溫等作用。在滿足容積、強(qiáng)度和剛度的條件下液壓油箱由鋁合金板采用開式結(jié)構(gòu)制成。

在液壓系統(tǒng)中油箱為3個主泵供油，串泵的最大流量為5.1 L/min，主泵的最大流量為171 L/min，設(shè)V為油箱需要的容量，計算式為

V=MQTi。

(23)

式中：M為相關(guān)系數(shù)，通常情況下的取值為1，2；Q為液壓泵流量；Ti為時間。

根據(jù)液壓系統(tǒng)的相關(guān)要求，如果油箱無法滿足，需要設(shè)計液壓系統(tǒng)的冷卻器，設(shè)H0為散熱量，只考慮油箱散熱條件時

H0=K0AΔt。

(24)

式中：K0為單位面積升溫功率；Δt為系統(tǒng)升溫；A為油箱的散熱面積。假設(shè)系統(tǒng)的熱量通過油箱散去，此時H0=H，存在

(25)

(26)

令A(yù)=Amin，K0=15 W/(m2·K)，計算油箱散熱的最小體積

(27)

考慮到現(xiàn)場施工的取水問題，選用外部介質(zhì)冷卻，液壓系統(tǒng)通過水冷卻器進(jìn)行冷卻，為方便搬遷減小搬遷重量，油缸回油的儲蓄油箱選用35 L容量的液壓油箱。

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證基于光纖傳感器的小口徑巖心鉆探施工質(zhì)量控制方法的有效性，需要對該控制方法進(jìn)行測試，本次測試在Matlab平臺中完成。

3.1 相關(guān)參數(shù)

本次實驗所需鉆具以及相關(guān)參數(shù)見表1。

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行以下實驗。

3.2 鉆孔時間

分別對基于光纖傳感器的小孔徑巖心鉆探施工質(zhì)量控制方法、基于危險源辨識的小孔徑巖心鉆探施工質(zhì)量控制方法和基于物理化學(xué)特征的小口徑巖心鉆探施工質(zhì)量控制方法進(jìn)行測試，對比不同方法的鉆孔時間，測試結(jié)果如圖2所示。

表1 鉆探施工相關(guān)參數(shù)Tab.1 Core drilling construction parameters

圖2 不同方法的鉆孔時間Fig.2 Drilling time of different drilling methods

由圖2可知，對于不同鉆孔間隙來說鉆孔時間不同。當(dāng)鉆孔間隙為10 mm時，基于危險源辨識方法的鉆孔時間為15 min，基于物理化學(xué)特征方法的鉆孔時間為19 min，基于光纖傳感器的鉆孔時間為8 min。當(dāng)鉆孔間隙為40 mm時，基于危險源辨識方法的鉆孔時間為28 min，基于物理化學(xué)特征方法的鉆孔時間為31 min，基于光纖傳感器的鉆孔時間為16 min。所提方法的鉆孔時間一直保持較短，鉆孔效率較高。這是因為優(yōu)化后的光纖傳感器獲取鉆探施工過程中的相關(guān)信息，為小孔徑巖心鉆探施工提供依據(jù)，縮短了小孔徑巖心鉆探時間，提高了基于光纖傳感器的小孔徑巖心鉆探施工質(zhì)量控制方法的鉆孔效率。

3.3 巖石穩(wěn)定性

在上述實驗的基礎(chǔ)上，對比不同方法的巖石穩(wěn)定性，測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，不同方法的巖石穩(wěn)定性不同。在實驗次數(shù)為10時，基于危險源辨識方法的巖石穩(wěn)定性為82%，基于物理化學(xué)特征方法的巖石穩(wěn)定性為77%，基于光纖傳感器方法的巖石穩(wěn)定性為94%。當(dāng)實驗次數(shù)為80時，基于危險源辨識方法的巖石穩(wěn)定性為76%，基于物理化學(xué)特征方法的巖石穩(wěn)定性為76%，基于光纖傳感器方法的巖石穩(wěn)定性為93%。本文方法的巖石穩(wěn)定性一直保持較高。這是因為基于光纖傳感器的小口徑巖心鉆探施工質(zhì)量控制方法通過對液壓執(zhí)行元件和液壓輔助元件進(jìn)行優(yōu)化，提高了施工質(zhì)量和巖石穩(wěn)定性，驗證了基于光纖傳感器的小口徑巖心鉆探施工質(zhì)量控制方法的有效性。

圖3 不同方法的巖石穩(wěn)定性Fig.3 Rock stability using different drilling methods

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)鉆孔間隙為40 mm時，基于光纖傳感器的鉆孔時間為16 min，鉆孔時間較短，鉆孔效率高。

(2)實驗次數(shù)為80時，基于光纖傳感器方法的巖石穩(wěn)定性高達(dá)93%。