岳中文岳小磊楊仁樹王煦李為戴詩(shī)清李楊

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083

隨鉆測(cè)量技術(shù)(Measurement-While-Drilling,MWD)是礦山開采、隧道開挖、石油開采及地質(zhì)勘探等工程領(lǐng)域的重要技術(shù)手段,它是在鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)方位角、鉆井斜角等鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),將數(shù)據(jù)同步上傳至終端進(jìn)行處理分析的技術(shù)[1]。 隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)是隨鉆測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用。 巖性是反映巖石特征的屬性,如顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等。 隨鉆巖性識(shí)別就是鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)區(qū)分各項(xiàng)巖石屬性的特定過(guò)程[2]。 如何快速、高效地進(jìn)行巖性識(shí)別,是影響施工作業(yè)效率的重要因素之一。 近年來(lái),隨著隨鉆測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和智能化鉆進(jìn)需求的提高,隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)獲得巨大的發(fā)展。 相比傳統(tǒng)的鉆孔取芯方法,隨鉆巖性識(shí)別不僅可以節(jié)省大量時(shí)間,還可以更準(zhǔn)確、便捷地反映當(dāng)前地層的巖性、構(gòu)造等[3-6]。

隨鉆巖性識(shí)別作為未來(lái)工程開采領(lǐng)域的前期基礎(chǔ)工作,其識(shí)別精度直接決定了工作面鉆進(jìn)智能化程度。 一方面,隨鉆巖性識(shí)別是獲取、驗(yàn)證鉆孔區(qū)域巖體性質(zhì)的重要手段;另一方面,根據(jù)識(shí)別的巖性參數(shù)適時(shí)調(diào)整鉆機(jī)參數(shù),可以提高鉆進(jìn)速度,糾偏以及避免鉆井卡鉆、塌孔等。 厘清隨鉆巖性識(shí)別的發(fā)展歷程、關(guān)鍵技術(shù)及存在問(wèn)題,對(duì)于攻克隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)難題、提升工作面鉆進(jìn)智能化程度具有決定性意義。

本文介紹了隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)的起源及發(fā)展,以技術(shù)原理及系統(tǒng)組成、識(shí)別方法及效果、關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀為主線,結(jié)合研究實(shí)例分析各領(lǐng)域隨鉆巖性識(shí)別的技術(shù)特點(diǎn),從多角度評(píng)價(jià)巖性識(shí)別精度、工作效率、環(huán)保指標(biāo)等方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。 同時(shí)根據(jù)隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)研究現(xiàn)狀,歸納總結(jié)工程應(yīng)用中存在的關(guān)鍵問(wèn)題,分析了隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)在國(guó)內(nèi)研發(fā)和推廣面臨的挑戰(zhàn),探討了當(dāng)前研究存在的不足,并對(duì)未來(lái)智能化設(shè)備應(yīng)用前景做出展望。

1 發(fā)展歷程

隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)發(fā)展歷程基于掘進(jìn)裝備的更新大致可分為手動(dòng)、機(jī)械化及自動(dòng)化、半智能化和全智能化4 個(gè)階段,如圖1 所示。 從目前我國(guó)煤礦巷道掘進(jìn)裝備應(yīng)用案例來(lái)看,幾乎沒(méi)有智能化、全自動(dòng)化的智能設(shè)備[7]。 在這種情況下,相應(yīng)的裝備及技術(shù)應(yīng)采取逐級(jí)發(fā)展、階段突破的發(fā)展模式。 現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)巖性識(shí)別技術(shù)正處于第一階段到第二階段發(fā)展的過(guò)程,存在智能設(shè)備研制不足、技術(shù)難點(diǎn)難以攻克等問(wèn)題,應(yīng)針對(duì)性地布局未來(lái)發(fā)展方向,加大力度研制智能化鉆進(jìn)設(shè)備,開發(fā)核心數(shù)據(jù)解譯算法,加強(qiáng)機(jī)體設(shè)備的智能自控,提升物聯(lián)傳輸速率,建立一套擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能識(shí)別系統(tǒng)[8-9]。

圖1 隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)發(fā)展階段Fig.1 Development stage of lithology identification technology while drilling

20 世紀(jì)60年代,國(guó)外學(xué)者、企業(yè)開始進(jìn)行隨鉆測(cè)量技術(shù)研發(fā),最初目的是解決油田開采的盲目性問(wèn)題。 隨著技術(shù)不斷發(fā)展,現(xiàn)階段國(guó)外隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)已基本實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。 我國(guó)由于研發(fā)起步晚、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、研發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足及國(guó)外技術(shù)封鎖等原因,隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)水平滯后,大多仍處于試驗(yàn)研發(fā)階段[10-11]。 表1 總結(jié)了20 世紀(jì)初至今國(guó)內(nèi)外隨鉆技術(shù)的發(fā)展歷程[12-16]。

表1 國(guó)內(nèi)外隨鉆技術(shù)發(fā)展歷程Table 1 Research progress of MWD technology in domestic and foreign

2 系統(tǒng)原理及應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)原理

目前針對(duì)隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)的研究結(jié)果表明,巖石力學(xué)參數(shù)影響鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù),這為獲取地層巖性參數(shù)提供了新思路[17-20]。 而各項(xiàng)鉆進(jìn)參數(shù)中,鉆進(jìn)速度與巖性響應(yīng)關(guān)系最明顯,因此建立鉆機(jī)鉆進(jìn)速度與鉆桿壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)之間的校正關(guān)系,是該技術(shù)的核心[21]。 當(dāng)前研究中,除了建立鉆進(jìn)參數(shù)與巖石參數(shù)的定量關(guān)系外,還從能量角度確定巖石參數(shù)與鉆機(jī)之間的響應(yīng),提出了鉆進(jìn)比能、鉆進(jìn)比功等可鉆性指標(biāo),對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中輸入總能量與輸出總能量進(jìn)行量化分析,得到能量分配規(guī)律[22-24]。

隨鉆巖性識(shí)別是通過(guò)實(shí)時(shí)采集鉆機(jī)的鉆進(jìn)參數(shù),然后利用計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)解譯并構(gòu)建相互關(guān)系,進(jìn)而輸出鉆進(jìn)巖層的強(qiáng)度和構(gòu)造信息。 因此,隨鉆巖性識(shí)別的基本原理是建立一個(gè)在鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、傳輸、分析及記錄鉆進(jìn)參數(shù)的系統(tǒng)或平臺(tái),鉆進(jìn)時(shí)同步分析各項(xiàng)鉆進(jìn)參數(shù)的變化,從而自動(dòng)實(shí)時(shí)確定巖體性質(zhì),如圖2 所示。 具體過(guò)程是:①在鉆機(jī)的關(guān)鍵位置安設(shè)功能傳感器,采集鉆機(jī)的實(shí)時(shí)鉆進(jìn)參數(shù),包括時(shí)間、轉(zhuǎn)速、油壓、鉆頭位移、鉆孔傾角、鉆進(jìn)速度、鉆桿扭矩、聲波頻譜等,得到鉆機(jī)的運(yùn)行情況及鉆機(jī)參數(shù)與鉆孔巖性之間的響應(yīng);②以電子脈沖信號(hào)或電壓信號(hào)的形式,將采集的各種鉆進(jìn)參數(shù)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng);③通過(guò)轉(zhuǎn)換器將鉆進(jìn)參數(shù)模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端進(jìn)行分析、顯示、存儲(chǔ)及打印,最終確定鉆孔區(qū)域巖體性質(zhì)[25-27]。

圖2 隨鉆巖性識(shí)別監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working principle of lithology identification and monitoring system while drilling

隨鉆巖性識(shí)別系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)一般包括鉆進(jìn)裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析裝置4 部分。

(1) 鉆進(jìn)裝置:主要包括用于鉆孔施工的關(guān)鍵部件以及動(dòng)力系統(tǒng)。 用于鉆孔施工的關(guān)鍵部件包括鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭等;動(dòng)力系統(tǒng)包括電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等,滿足鉆頭鉆進(jìn)以及數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)膭?dòng)力需求。

(2) 數(shù)據(jù)采集裝置:用于實(shí)時(shí)采集鉆進(jìn)數(shù)據(jù),是隨鉆巖性識(shí)別系統(tǒng)的重要組成部分。 傳感器作為數(shù)據(jù)采集裝置的核心部件,其性能對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中數(shù)據(jù)采集的精度和穩(wěn)定性有很大影響。 因此,傳感器的研發(fā)與選型是決定巖性識(shí)別效果的重要環(huán)節(jié)。

(3) 數(shù)據(jù)傳輸裝置:用于將鉆進(jìn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析裝置。 傳輸方式分為有線傳輸和無(wú)線傳輸。 有線傳輸包括電纜傳輸、鉆桿傳輸、光纖傳輸;無(wú)線傳輸包括電磁傳輸、聲波傳輸和鉆井液脈沖傳輸[28]。 有線傳輸速度高,但開發(fā)成本高;無(wú)線傳輸速度相對(duì)較低,但工藝簡(jiǎn)單,成本低廉。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允潜ＷC數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié),因此數(shù)據(jù)傳輸裝置對(duì)鉆進(jìn)數(shù)據(jù)處理分析至關(guān)重要。

(4) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析裝置:將獲得的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、篩選、提取和計(jì)算,將結(jié)果顯示在系統(tǒng)終端,同時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 終端由計(jì)算機(jī)、監(jiān)視器及繪圖儀等組成。

隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)始于20 世紀(jì)80年代。由于微處理器在數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收、存儲(chǔ)和分析方面的巨大優(yōu)勢(shì),基于高精度傳感器的隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受到越來(lái)越多的學(xué)者和公司的關(guān)注,它可以克服傳統(tǒng)地球物理探測(cè)在地層界面識(shí)別方面參數(shù)解譯的差異性和存在多種解譯結(jié)果的問(wèn)題[29]。 利用隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)地層界面、巖石巖性、巖土體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行識(shí)別是一種有巨大發(fā)展空間的方法,吸引了眾多能源公司投入研發(fā)。 依托雄厚的資金注入,隨鉆巖性識(shí)別系統(tǒng)在硬件和軟件方面都取得了跨越式的進(jìn)步,向安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、空間占用小的方向發(fā)展[30-33]。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

表2 為國(guó)內(nèi)外隨鉆測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)[34-49]。 具有參考意義的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)包括ENPASOL 系統(tǒng)、香港大學(xué)的DPM 系統(tǒng)、西安理工大學(xué)的XCY-1 系統(tǒng)和山東大學(xué)的SDT 系統(tǒng)等。

表2 國(guó)內(nèi)外隨鉆測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Application Statistics of MWD system in domestic and foreign

ENPASOL 系統(tǒng)[34]由加拿大公司Soletanche-Bachy 基于履帶式Hutte200/2TF 液壓伺服回轉(zhuǎn)鉆機(jī)開發(fā)并成功應(yīng)用于地層探測(cè)試驗(yàn)。 該系統(tǒng)安設(shè)的傳感器及主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括:利用電磁轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測(cè)鉆具轉(zhuǎn)速;利用力傳感器監(jiān)測(cè)鉆桿軸力和力矩;利用位移傳感器監(jiān)測(cè)孔深;利用液控防逆?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。 整個(gè)鉆機(jī)系統(tǒng)要求鉆桿轉(zhuǎn)速、鉆井液流速、壓力等參數(shù)保持相對(duì)穩(wěn)定。 Yue等[35]2002年研制的DPM 系統(tǒng)成功應(yīng)用于風(fēng)化花崗巖土斜坡加固,實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆孔過(guò)程中各種參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),為巖土工程設(shè)計(jì)施工和工程質(zhì)量管控提供了豐富的參考資料。 何明明[15]研制的XCY-1型巖石力學(xué)參數(shù)旋切觸探儀,成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了通過(guò)旋切觸探技術(shù)直接獲取巖體力學(xué)基本參數(shù)的功能,并初步集成了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制系統(tǒng),為國(guó)內(nèi)隨鉆巖性識(shí)別領(lǐng)域提供了豐富的技術(shù)儲(chǔ)備。 但該設(shè)備也存在一定不足,如設(shè)備體型過(guò)大,操作不便等。 王琦等[24]基于室內(nèi)巖體力學(xué)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)了現(xiàn)場(chǎng)圍巖參數(shù)測(cè)試SDT 系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)智能控制設(shè)備液壓子系統(tǒng)、導(dǎo)向鉆進(jìn)子系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)控制子系統(tǒng)和測(cè)試輔助子系統(tǒng)4 個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)圍巖參數(shù)的測(cè)試,完成了對(duì)巷道圍巖強(qiáng)度的評(píng)價(jià),進(jìn)一步證明通過(guò)鉆進(jìn)參數(shù)反演巖體參數(shù)的可行性,但在設(shè)備的智能化方面還需進(jìn)一步改善。

3 隨鉆巖性識(shí)別方法及效果

3.1 巖石可鉆性

不同巖石抵抗機(jī)械破碎作用產(chǎn)生的效果不同,因此在進(jìn)行地層鉆孔作業(yè)時(shí),不同巖性的地層產(chǎn)生的破壞形式不同[50]。 巖石可鉆性是表征巖石物理力學(xué)性質(zhì)、破碎能量、鉆孔速率、鉆孔深度等參數(shù)的指標(biāo),可劃分為強(qiáng)度指標(biāo)、能量指標(biāo)及位移指標(biāo)等[51-53]。 這些指標(biāo)中,強(qiáng)度指標(biāo)可以反映巖石抵抗鉆進(jìn)破壞的能力,但不能體現(xiàn)破壞過(guò)程;能量指標(biāo)具有一定程度的可變性,鉆桿旋切精度及鉆頭磨損程度的變化都會(huì)導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算鉆孔內(nèi)巖石的應(yīng)力狀態(tài);位移指標(biāo)的條件性很強(qiáng),鉆進(jìn)參數(shù)起

決定性作用,在一定條件下反映了鉆桿穿透圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。 隨著研究的深入,新的可鉆性指標(biāo)不斷被提出[54]。

如圖3 所示,鉆具的鉆進(jìn)形式可分為旋切式鉆進(jìn)和旋切-沖擊復(fù)合型鉆進(jìn)。 無(wú)論哪種鉆進(jìn)形式,鉆具與巖石之間的接觸都體現(xiàn)一種能量消耗過(guò)程。巖石的可鉆性指標(biāo)不僅反映了鉆具與鉆進(jìn)地層巖石間的關(guān)系,還體現(xiàn)了巖石抵抗入侵破壞的能力,可鉆性指標(biāo)表征為單位能量的穿孔速率[55-57]。

圖3 鉆孔形式示意圖Fig.3 Drilling form

3.2 巖石破碎比功

不同種類巖石的力學(xué)特性有所差別,而同一類型的巖石其各項(xiàng)特性也在特定范圍內(nèi)變化。 以莫氏硬度為例,大理巖在1 ～2 范圍內(nèi),屬于軟巖;花崗巖在3 ～5 之間,屬于中硬巖[58]。 因此,有學(xué)者認(rèn)為通過(guò)巖石的力學(xué)特性識(shí)別巖石種類是不準(zhǔn)確的。 對(duì)于巖石而言鉆機(jī)的鉆進(jìn)是一種作用方式,鉆機(jī)采用不同鉆進(jìn)頻率及進(jìn)給壓力,間接反映了巖石產(chǎn)生的抵抗作用力。 破碎比功也稱比能或鑿碎比功(Specific Energy, SE),1965年由美國(guó)學(xué)者Teale[59]利用Specific Energy 方程提出,定義為破碎單位體積的巖石所消耗的功,表征巖石破碎過(guò)程中體積和能量之間的關(guān)系,此后常用于MWD 技術(shù)中識(shí)別巖石性質(zhì),其表達(dá)式為

式中,F為軸力;T為扭矩;N為轉(zhuǎn)速;A為鉆孔面積;u為所鉆巖石的滲透率。

根據(jù)Teale 的研究結(jié)果,所有巖石鉆孔產(chǎn)生的破碎比功值都與巖石的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)一定相關(guān)性,且各種巖石的SE最小值恒定不變。 這說(shuō)明利用破碎巖石所消耗的能量表征巖石的巖性具有一定的合理性,但由于不能精確識(shí)別所破碎巖石的種類,實(shí)際上其輸出的是巖石的相對(duì)巖性。 此后,很多研究取SE值表征鉆孔過(guò)程中的巖石巖性。 美國(guó)礦業(yè)局的一項(xiàng)研究表明,巖石條件的變化與比能的變化具有很好的相關(guān)性[60]。 Jain 等[61]將比能應(yīng)用到礦業(yè)工程領(lǐng)域中,作為表征巖石可鉆性和抗壓強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo),試驗(yàn)結(jié)果顯示這種評(píng)價(jià)體系是可靠的,具有很好的相關(guān)性。

針對(duì)能量角度判斷巖石種類的技術(shù)研究,國(guó)內(nèi)研究人員也做了大量創(chuàng)新性工作。 閆鐵等[62]應(yīng)用分形巖石力學(xué)理論,對(duì)旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)鉆進(jìn)破碎巖石能耗進(jìn)行分析,從多角度建立了破碎巖石消耗能量的分形描述模型,并結(jié)合鉆進(jìn)參數(shù)、破碎巖石塊度及粒度分布分形維數(shù)對(duì)破碎比功的計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化,使該分形模型更具有普適性。 曹鈞等[63]通過(guò)量化分析鉆機(jī)性能與鉆進(jìn)參數(shù)之間的關(guān)系,結(jié)合破碎比功的概念,提出針對(duì)性的函數(shù)計(jì)算關(guān)系式并應(yīng)用于工程實(shí)踐中。 陳加勝等[39]通過(guò)監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)過(guò)程中鉆機(jī)液壓系統(tǒng)各液壓油缸的壓力及流量建立隨鉆巖性識(shí)別系統(tǒng),識(shí)別巷道頂板巖層巖性,結(jié)合破碎比功推導(dǎo)、優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)計(jì)算公式,試驗(yàn)結(jié)果與巖樣單軸抗壓強(qiáng)度對(duì)比表明,該計(jì)算公式可以推算出巷道頂板的巖層層位和強(qiáng)度。 譚卓英等[64]根據(jù)鉆進(jìn)參數(shù)獲取方式及可鉆性定義中存在的缺點(diǎn),提出以單位能量下的穿孔速率表征可鉆性的新概念,并建立了多參數(shù)耦合的破碎比功計(jì)算公式:

式中,K1、K2分別為軸力和扭矩對(duì)巖石破碎所做功的貢獻(xiàn)程度系數(shù);Te為有效軸壓力;Vp為穿孔速率;M為扭矩;Nr為鉆桿轉(zhuǎn)速;R為鉆頭內(nèi)外徑之差。

公式(2)是基于軸力-轉(zhuǎn)速-穿孔速率耦合計(jì)算破碎比功,通過(guò)計(jì)算結(jié)果的識(shí)別處理達(dá)到識(shí)別巖石巖性的目的。 在多參數(shù)耦合方式識(shí)別巖性的過(guò)程中,由于鉆進(jìn)過(guò)程中隨著鉆進(jìn)深度的變化,有效軸壓力改變,鉆頭磨損程度增加,因此識(shí)別過(guò)程中需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正,以實(shí)際穿孔速率和理論穿孔速率之比作為修正系數(shù)[65]。

3.3 其他指標(biāo)

針對(duì)隨鉆測(cè)量巖體指標(biāo)參數(shù)難以精確監(jiān)測(cè)的問(wèn)題,有學(xué)者提出一種反映鉆進(jìn)過(guò)程中巖石質(zhì)量的指標(biāo),即巖石質(zhì)量系數(shù)(Rock Quality Index,RQI),為施加在鉆頭上的重量(W)與所鉆巖層的滲透率(PR)之間的比值[66]:

試驗(yàn)結(jié)果顯示,穿孔速率與鉆桿轉(zhuǎn)速及施加在鉆頭上的重量呈正相關(guān),與巖石的強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。RQI 值的計(jì)算精度主要取決于各種鉆進(jìn)參數(shù)的采集精度,因此參數(shù)的準(zhǔn)確性是決定其能否作為表征巖石質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)鍵。 Yin 等[67]將RQI 指標(biāo)應(yīng)用于某礦山硬巖巷道,試驗(yàn)結(jié)果表明,RQI 可以作為關(guān)聯(lián)巖性與鉆機(jī)機(jī)械性能的指標(biāo)。

有研究指出,鉆進(jìn)過(guò)程中不改變鉆機(jī)和鉆頭的型號(hào),且?guī)r石的完整性符合要求時(shí),理論上穿孔速度為常數(shù)[68-70]。 但事實(shí)上,隨著鉆進(jìn)深度的增加,由于鉆壓升高、鉆桿扭矩增大以及鉆桿受到的摩擦程度的增加,導(dǎo)致鉆進(jìn)速度并非一個(gè)常數(shù),這也是巖石可鉆性評(píng)估體系著重考慮的因素[71-72]。 曹瑞瑯等[73]建立了一種新型數(shù)字鉆探監(jiān)測(cè)系統(tǒng),為了消減鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)穿孔速率的影響,提出一種鉆進(jìn)過(guò)程指數(shù)(DPI),基于穿孔速率修正及歸一化來(lái)描述巖體的完整性,并進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果表明,鉆進(jìn)過(guò)程指數(shù)(DPI)能綜合描述鉆進(jìn)破壞程度,實(shí)現(xiàn)了巖體完整性監(jiān)測(cè)的量化和信息化。

3.4 機(jī)器學(xué)習(xí)算法

機(jī)器學(xué)習(xí)算法是使計(jì)算機(jī)模擬或?qū)崿F(xiàn)人類學(xué)習(xí)行為,以獲取新的知識(shí)或技能,對(duì)已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組分析,使自身性能不斷改變的特定指令。 機(jī)器學(xué)習(xí)含多種不同模式的算法,如支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹和聚類算法等。 隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)對(duì)巖性的辨識(shí)大多基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊聚類分析2 種算法。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是通過(guò)對(duì)已知單元數(shù)據(jù)進(jìn)行推理延伸,簡(jiǎn)單處理大量單元數(shù)據(jù)后進(jìn)行廣義鏈接各單元構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的方法;模糊聚類分析是根據(jù)數(shù)據(jù)間的特征與相似性進(jìn)行聚類判別及分析的方法[74-76]。 1982年Wolf 等[77]首次提出自動(dòng)判別方法識(shí)別測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中的巖性信息。隨后Doveton、Busch 等[78-79]針對(duì)多變量模型提出統(tǒng)計(jì)判別分析的方法對(duì)巖性進(jìn)行識(shí)別。 Yao、邱穎等[80-81]闡述了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊聚類分析2 種算法應(yīng)用于巖性識(shí)別的可行性。 張洪、張幼振等[82-83]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行巖性識(shí)別的工作。 張樂(lè)文等[84]將模糊聚類分析與粗糙集理論進(jìn)行結(jié)合,建立多組別判別分析方法并對(duì)地層的巖性進(jìn)行識(shí)別。Zhang 等[85]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于隨鉆自動(dòng)測(cè)量泥漿脈沖信號(hào)識(shí)別,提高了識(shí)別的準(zhǔn)確率。

以大數(shù)據(jù)為核心的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、聚類分析數(shù)據(jù)解譯思想的隨鉆巖性識(shí)別方法,具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)等功能,降低了傳統(tǒng)巖性識(shí)別的約束條件,突出了復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆孔過(guò)程的穩(wěn)定性。 目前,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的算法在隨鉆巖性識(shí)別中的應(yīng)用并不深入,但大部分學(xué)者都做了某個(gè)單一延伸模型的研究和改進(jìn),顯示出了巨大潛力。

3.5 聲波頻譜特性

鉆孔過(guò)程中必不可少地伴隨著因旋切或沖擊產(chǎn)生的聲音,這些聲波中蘊(yùn)含著與巖石相關(guān)的豐富信息,因此鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿與巖石產(chǎn)生的聲波頻譜特性可以作為未來(lái)隨鉆巖性識(shí)別研究的新內(nèi)容。有些學(xué)者已在這方面開展了一定的研究工作。

Kumar 等[86-89]對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的聲音信號(hào)進(jìn)行FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里葉變換)處理,得到了5 種主聲頻,回歸分析后發(fā)現(xiàn),這5 種主頻與巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度存在明顯相關(guān)性。 Ivanicˇová 等[90]從實(shí)驗(yàn)室研究入手,深入研究了金屬切割巖石過(guò)程中產(chǎn)生的聲理學(xué)特性。Shreedharan 等[91]認(rèn)為,利用已知參數(shù)的鉆頭鉆進(jìn)地層,即試驗(yàn)過(guò)程中保持鉆頭直徑、切割齒數(shù)量、鉆進(jìn)速度及鉆桿軸力為常數(shù),采集鉆進(jìn)過(guò)程中的聲音信號(hào),有助于區(qū)分巖石性質(zhì)。 試驗(yàn)結(jié)果也表明該方法可以得到不錯(cuò)的識(shí)別效果,但存在一定的缺點(diǎn),即鉆進(jìn)高強(qiáng)度的巖石時(shí),鉆頭的磨損不可避免,會(huì)導(dǎo)致鉆頭的參數(shù)產(chǎn)生一定的變化。

Vardhan 等[92]建立小型便攜式氣動(dòng)鉆探平臺(tái),研究鉆孔過(guò)程中聲級(jí)與巖石性質(zhì)的關(guān)系。 試驗(yàn)通過(guò)測(cè)量加權(quán)等效連續(xù)聲級(jí),建立其與抗壓強(qiáng)度及耐磨性之間的關(guān)系。 結(jié)果表明,鉆桿附近的聲級(jí)明顯受到巖石抗壓強(qiáng)度的影響。 因此,使用聲級(jí)識(shí)別巖石特性,對(duì)于爆破裝藥孔設(shè)計(jì)具有一定的意義。

李輝等[93]將隨鉆振動(dòng)聲波技術(shù)(VWD)應(yīng)用于塔北地區(qū)風(fēng)化殼界面的識(shí)別。 試驗(yàn)結(jié)果表明,振動(dòng)聲波頻譜在風(fēng)化殼界面上呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律,具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,VWD 頻譜的主頻、顏色變化、頻率分布和頻矩的變化反映了巖性的變化。

李占濤等[94]對(duì)不同巖石材料進(jìn)行了室內(nèi)鉆孔實(shí)驗(yàn),采集鉆進(jìn)過(guò)程中的振動(dòng)及聲波信號(hào),探究聲波特征與巖石性質(zhì)之間的關(guān)系,采用特定的方法揭示典型巖石的聲波頻譜特性,通過(guò)將聲頻分段后,取各段平均值作為代表趨勢(shì),根據(jù)趨勢(shì)線的變化能較好地識(shí)別巖石特性。

綜上研究可以看出,利用巖石鉆孔產(chǎn)生的聲波信號(hào)能夠成功反映巖性信息,但目前應(yīng)用聲波參數(shù)研究巖石巖性的成果非常有限,主要問(wèn)題是定量研究少、各領(lǐng)域研究背景不同導(dǎo)致研究結(jié)果無(wú)法對(duì)比。 想要通過(guò)某種特性正確定性一種巖石的物理力學(xué)性質(zhì),必須建立一個(gè)完整的數(shù)據(jù)支撐,從而獲得兩者之間的關(guān)系[95-96]。 在未來(lái)隨鉆巖性識(shí)別領(lǐng)域的研究中,探究聲波頻譜特性與巖石巖性的定量關(guān)系并排除多解問(wèn)題,尋求巖性與多種鉆進(jìn)數(shù)據(jù)形式的關(guān)聯(lián),將大大有利于巖土工程的發(fā)展。

4 影響因素分析

經(jīng)過(guò)多年試驗(yàn)研究,隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)的探測(cè)精度不斷提高,在數(shù)據(jù)傳輸、探測(cè)距離、地質(zhì)反演、數(shù)據(jù)解譯、配套設(shè)備研發(fā)以及巖體參數(shù)精準(zhǔn)識(shí)別等方面都取得了突破性進(jìn)展。 但是因工作環(huán)境復(fù)雜、數(shù)字解譯多解性及地質(zhì)條件差等問(wèn)題,導(dǎo)致隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)的工程應(yīng)用精準(zhǔn)性依舊不足。 分析和討論各種因素對(duì)隨鉆巖性識(shí)別結(jié)果的影響有利于進(jìn)一步發(fā)展該技術(shù)[97]。 圖4 為隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)的主要影響因素。

圖4 隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)影響因素Fig.4 Influencing factors of lithology identification technology while drilling

常規(guī)掘進(jìn)狀態(tài)下,綜合地質(zhì)記錄數(shù)據(jù)與物理探測(cè)數(shù)據(jù)即可達(dá)到地質(zhì)超前探測(cè)的目的。 為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)的實(shí)時(shí)測(cè)量與可視化,生成地下巖體結(jié)構(gòu)與地質(zhì)力學(xué)模型,構(gòu)建隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)體系,提升巷道掘進(jìn)效率,必須充分考慮各種因素對(duì)巖性識(shí)別結(jié)果的影響[98]。 2 種鉆進(jìn)模式主要影響因素包括以下3 個(gè)方面。

4.1 地質(zhì)因素

地質(zhì)學(xué)中地層界面本身屬于一種非連續(xù)面,巖土工程領(lǐng)域中地層界面包含很多工程屬性。 例如,結(jié)構(gòu)面、滑移面、物質(zhì)分異面和巖溶空洞等[49]。 鉆進(jìn)過(guò)程中巖體的構(gòu)造、內(nèi)部斷層、含水層及部分地段出現(xiàn)的陷落空洞等都屬于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的一部分。這些結(jié)構(gòu)是造成巖體不連續(xù)的主要原因,同時(shí)也影響工程巖體的完整性及物理力學(xué)性質(zhì)。 隨鉆巖性識(shí)別過(guò)程中對(duì)這些地質(zhì)結(jié)構(gòu)的精確定位至關(guān)重要,因此地質(zhì)結(jié)構(gòu)是影響巖性識(shí)別結(jié)果的主要因素之一。 鉆探設(shè)備需要突破一定的技術(shù)瓶頸,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位同質(zhì)不連續(xù)巖體間的斷層構(gòu)造,減少或避免對(duì)巖性的錯(cuò)誤識(shí)別。

4.2 環(huán)境因素

隨鉆巖性識(shí)別工作多用于礦山開采、隧道掘進(jìn)、基坑支護(hù)等領(lǐng)域,工作環(huán)境多處于野外,環(huán)境因素對(duì)機(jī)械的影響不可避免。 不同區(qū)域溫濕度的變化、所鉆地層引起的震動(dòng)等都對(duì)機(jī)械性能產(chǎn)生一定影響。 工程開采多處于極端環(huán)境中,容易引起設(shè)備銹蝕、發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低、傳感器精度下降、電器元件故障增多等諸多不利因素。 因此,考慮環(huán)境因素對(duì)機(jī)械設(shè)備的影響并做出有針對(duì)性的防護(hù)措施,可以提高巖性識(shí)別的效率。

4.3 機(jī)械因素

隨鉆巖性識(shí)別主要監(jiān)測(cè)設(shè)備鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿的轉(zhuǎn)速、扭矩、軸壓力和鉆機(jī)位移等參數(shù)。 有時(shí)也會(huì)根據(jù)需要監(jiān)測(cè)沖洗液壓力、噪聲與振動(dòng)等參數(shù),這些參數(shù)中一部分是根據(jù)機(jī)械設(shè)備定量控制的可控因素,另一部分是不可控因素,但都屬于機(jī)械的性能參數(shù),是影響隨鉆識(shí)別過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)。 上述機(jī)械參數(shù)通過(guò)高精度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè),傳感器是隨鉆測(cè)量的核心。 機(jī)械的振動(dòng)、鉆桿轉(zhuǎn)速、沖擊頻率等各種因素都對(duì)傳感器產(chǎn)生不同程度的影響。 如何提高傳感器的測(cè)量精度以及減弱機(jī)械因素對(duì)傳感器的影響,是發(fā)展隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

5 問(wèn)題與展望

5.1 存在問(wèn)題

(1) 基礎(chǔ)理論不足。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究成果還未完善遠(yuǎn)程處理系統(tǒng)的自主核心算法,對(duì)參數(shù)解譯的過(guò)程和結(jié)果難以得到具有普適性的規(guī)律,理論研究少,需要進(jìn)一步加強(qiáng)核心算法的開發(fā)[99]。

(2) 智能化鉆進(jìn)設(shè)備研制不足。 目前,智能臺(tái)車、智能鉆機(jī)及配套的智能系統(tǒng)研制不足,設(shè)備智能集成化程度低,仍需人工調(diào)試操控;同時(shí),鉆孔自動(dòng)定位、鉆進(jìn)軌跡控制及信息傳輸控制等技術(shù)較為落后,無(wú)法滿足智能鉆進(jìn)需求。 這些不足極大限制了巖性識(shí)別技術(shù)的發(fā)展。

(3) 設(shè)備感知程度低。 面對(duì)復(fù)雜的工作條件,設(shè)備及配套的傳感器精度不足,導(dǎo)致設(shè)備對(duì)環(huán)境因素的感知程度低,得到的數(shù)據(jù)信息不精確,惡劣環(huán)境下無(wú)法采集數(shù)據(jù),鉆進(jìn)過(guò)程中空間位置難以掌控。 因此,需進(jìn)一步提升復(fù)雜環(huán)境下設(shè)備的智能感知功能。

5.2 發(fā)展趨勢(shì)

隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)作為一項(xiàng)多元交互技術(shù),在發(fā)展過(guò)程中需要加大學(xué)科的融合交互,在不同階段采用不同技術(shù),達(dá)到識(shí)別巖性的目標(biāo)。 隨著認(rèn)知智能、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像識(shí)別、數(shù)據(jù)傳輸、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)算法等人機(jī)交互技術(shù)與信息科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,未來(lái)隨鉆巖性識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)研究中多元信息融合發(fā)展成為可能。 人工智能的多元技術(shù)深度融合,是隨鉆巖性識(shí)別的必然發(fā)展趨勢(shì)。 但是,由于現(xiàn)場(chǎng)工作條件惡劣、探測(cè)空間小、數(shù)據(jù)解譯結(jié)果不唯一等各種技術(shù)難題的阻礙,隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)的發(fā)展仍任重道遠(yuǎn)。 圖5 為隨鉆巖性識(shí)別未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)示意圖。

圖5 隨鉆巖性識(shí)別發(fā)展趨勢(shì)Fig.5 Development trend of lithology identification while drilling

(1) 基于傳感器感知程度的增加,未來(lái)人工智能技術(shù)向著能夠自主分析、思考及判斷的認(rèn)知智能方向發(fā)展。 將人工智能技術(shù)應(yīng)用于隨鉆巖性識(shí)別技術(shù),能夠輔助人工智能鉆進(jìn),處理大量的信息數(shù)據(jù),優(yōu)化工程方案[100]。

(2) 計(jì)算機(jī)視覺(jué)是一項(xiàng)新穎的技術(shù),將其引入隨鉆巖性識(shí)別系統(tǒng),處理鉆進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生的圖形、信息數(shù)據(jù)等,可以降低人力成本,提升工作效率。

(3) 圖像識(shí)別技術(shù)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)相輔相成,其作為人眼識(shí)別的衍生技術(shù),集成計(jì)算機(jī)及人腦的一部分,模擬人的視覺(jué)功能,具備圖像的分析處理能力。 未來(lái)在隨鉆巖性識(shí)別設(shè)備上引入圖像識(shí)別技術(shù),能夠提高設(shè)備自動(dòng)化程度,增加生產(chǎn)活動(dòng)的靈活性。

(4) 數(shù)據(jù)傳輸方式的發(fā)展對(duì)于完善隨鉆巖性識(shí)別技術(shù)至關(guān)重要。 智能鉆桿傳輸是將來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向。 下一步可以深入研究不同的數(shù)據(jù)傳輸方式作為隨鉆巖性識(shí)別的技術(shù)儲(chǔ)備,重點(diǎn)提升數(shù)據(jù)傳輸速度。

(5) 數(shù)據(jù)云計(jì)算。 云計(jì)算技術(shù)能夠突破傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬盤存儲(chǔ)限制,為隨鉆巖性識(shí)別產(chǎn)生的大量圖片數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等提供充足的信息存儲(chǔ)空間,增加信息容錯(cuò)率,保證信息的安全性和完整性。 未來(lái)需要建立集成化、信息化、一體化的大數(shù)據(jù)云計(jì)算平臺(tái),進(jìn)一步拓展隨鉆巖性識(shí)別數(shù)據(jù)安全管理模式。

(6) 機(jī)器學(xué)習(xí)算法。 機(jī)器學(xué)習(xí)算法是解譯隨鉆巖性識(shí)別參數(shù)的重要工具,算法的精度決定了巖性識(shí)別最終結(jié)果的精度。 如何根據(jù)鉆進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)集的特點(diǎn)和規(guī)模研發(fā)合適的算法并對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練以提高算法的精度,是未來(lái)的研究重點(diǎn)之一。