巖土工程智能鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究
北京科技大學(xué) ：譚卓英,夏開文在土木、建筑、水利、礦業(yè)及油氣等工業(yè)領(lǐng)域，為了對(duì)地層進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，確定工程設(shè)計(jì)和施工技術(shù)工藝，鉆勘通常是掌握巖土地層物理力學(xué)參數(shù)最直接、最可靠的方法。盡管地球物理方法已取得長足進(jìn)展，但由于方法本身一方面依賴于大地電磁場的分異性，另一方面又不可避免地受外界人工電磁場的干擾，這種無法回避的矛盾以及來自于同源、非同源的電磁差異與干擾，決定了地球物理方法的不確定性和多解性。此外，由于地球物理方法還難以揭示地層巖土的機(jī)械特性，必須更多地依賴于綜合地質(zhì)分析，作為工程應(yīng)用技術(shù)上還存在許多局限。
傳統(tǒng)的鉆勘方法在鉆孔過程中需要進(jìn)行現(xiàn)場土工試驗(yàn)、取樣、編錄、室內(nèi)巖土物理力學(xué)性能測試及巖性鑒定等，工作量大、周期長、耗資大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在地基鉆孔勘探中，純鉆孔時(shí)間在整個(gè)鉆孔勘探中的耗時(shí)比例不到30%，鉆孔勘探費(fèi)用一般占整個(gè)工程建設(shè)費(fèi)用的15%～28%［1］。所以，巖土工程中鉆孔勘探仍然是一項(xiàng)非常繁巨的工作。隨著礦山、交通、水利、戰(zhàn)略防護(hù)及深部基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)等工程的深化，深部鉆勘尤顯重要。在國際巖土工程領(lǐng)域，一直以來在探索一種簡單、有效的方法以獲取有關(guān)地層地質(zhì)的工程信息，一種智能化的鉆進(jìn)技術(shù)和理論是今后研究的重要前沿課題。本文重點(diǎn)討論這一領(lǐng)域的重要進(jìn)展及存在的問題，明確今后的研究內(nèi)容和方向。
1 智能鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)
1.1 智能鉆進(jìn)系統(tǒng)基本組成與原理
智能鉆進(jìn)的基本技術(shù)主要包括以下5個(gè)系統(tǒng)。
(1)孔底動(dòng)力輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)滿足鉆孔及潛孔隨鉆測量系統(tǒng)(downhole measurement whiledrilling，DMWD)鉆頭運(yùn)轉(zhuǎn)所需強(qiáng)電、測量系統(tǒng)及信息傳輸系統(tǒng)所需弱電的動(dòng)力需求。
(2)鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)測量與診斷系統(tǒng)。參見文獻(xiàn)［1］。
(3)數(shù)字式潛孔隨鉆測量集成系統(tǒng)。隨鉆測量單元和各類電控智能單元中安裝有各種高端傳感器，如地層電阻率、巖性特征測量探頭伽馬、中子－密度探頭，聲波探頭，核磁共振探頭，地層孔隙壓力傳感器，鉆孔傾角、方位角、導(dǎo)向工具的工具面角、鉆頭孔底鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)、鉆頭扭矩、鉆桿不同截面處的測力傳感器，鉆頭應(yīng)變及溫度傳感器，孔底地溫傳感器等，視鉆勘需求可多達(dá)數(shù)十個(gè)傳感器。
(4)孔底信息傳輸系統(tǒng)。傳感器所測量的信息通過數(shù)據(jù)有線傳輸?shù)男盘?hào)線，用串行總線等方式實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛妗?/span>
(5)地面數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。它是由計(jì)算機(jī)、監(jiān)視器、打印機(jī)及繪圖儀等終端組成，并接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息處理中心。這樣，通過隨鉆采集并經(jīng)過處理后準(zhǔn)確得到真實(shí)的地層剖面及地層分級(jí)等完整資料。
智能鉆進(jìn)系統(tǒng)的基本原理是在鉆頭內(nèi)部或附近安裝隨鉆測量系統(tǒng)，通過各種傳感器技術(shù)對(duì)鉆機(jī)工作參數(shù)、鉆頭位置、鉆孔傾角、鉆孔方位、鉆孔巖性、巖石鑿入硬度及鉆進(jìn)強(qiáng)度、鉆頭應(yīng)變等進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，從而獲得鉆孔軌跡、鉆孔柱狀圖以及有關(guān)地層的物理力學(xué)參數(shù)、巖石分級(jí)及地應(yīng)力數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地層的實(shí)時(shí)評(píng)判;同時(shí)，對(duì)鉆機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷、管理、控制、反饋和調(diào)節(jié)。通過測量采集—分析決策—控制執(zhí)行—再測量采集—再分析決策—再控制執(zhí)行如此連續(xù)進(jìn)行，最終達(dá)到智能鉆進(jìn)的目標(biāo)。
1.2 鉆孔過程監(jiān)測技術(shù)
儀器鉆進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)(instrumented drilling sys-tem，IDS)是智能鉆進(jìn)技術(shù)的雛形。英、前蘇聯(lián)、德、法、日、加拿大、美及中國等進(jìn)行了一系列的研究。ENPASOL，PAPERO，Kajima［2］，KYPC、HDK及DA-TA－sENTRY［3］等儀器鉆進(jìn)系統(tǒng)在鉆孔過程中實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆機(jī)工作參數(shù)及鉆進(jìn)參數(shù)如施加在鉆具上的壓力、鉆具轉(zhuǎn)速、扭矩以及鉆頭位移等的自動(dòng)監(jiān)測并用于簡單地層的判層。至于以往的IDS，鉆孔過程監(jiān)測系統(tǒng)(drilling process monitoring，DPM)［4］的主要進(jìn)展在于建立了大樣本、復(fù)雜非線性圖形的相似性識(shí)別理論，解決了鉆進(jìn)參數(shù)中大樣本數(shù)據(jù)間的相關(guān)性分析問題［1］。一種基于鉆進(jìn)參數(shù)及能量的實(shí)時(shí)可鉆性分級(jí)方法、多峰非線性圖形的斜率搜索識(shí)別以及未知類及分類數(shù)的地層聚類判別方法已經(jīng)建立起來［5-7］，最新的技術(shù)及理論成果已在文獻(xiàn)［1］中論述。
1.3 鉆頭定位與導(dǎo)航技術(shù)
鉆頭定位包括3維空間坐標(biāo)(經(jīng)度、緯度及高程)以及方位角。在20世紀(jì)80年代末，采用3軸磁力計(jì)和3向加速度計(jì)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)鉆頭導(dǎo)航。磁力計(jì)和加速度計(jì)為慣性測量單元(inertial measurement u-nit，IMU)的主要硬件，它們安裝于孔底裝配器(bot-tom hole assembly，BHA)中，測量時(shí)BHA處于休息狀態(tài)，磁力計(jì)和加速度計(jì)分別測量大地3個(gè)正交方向的磁場分量和重力加速度分量，大地磁場分量通過數(shù)學(xué)計(jì)算獲得方位角，大地重力加速度分量用以計(jì)算傾角，BHA的位置通過設(shè)定測站之間的軌跡來計(jì)算。但磁力計(jì)受地下磁場以及鉆進(jìn)系統(tǒng)自身材料等外部場源干擾［8］。
自1976年美國Utah大學(xué)Vali和Shorthill首次提出光纖陀螺的概念以來，光纖陀螺得到了很大的發(fā)展。目前FOG以干涉式為主，集成光學(xué)型FOG將主要光學(xué)元件如耦合器、偏振器、調(diào)制器都集成在1塊芯片上，將光纖線圈、光源、檢測器接在芯片適當(dāng)?shù)奈恢�，就�?gòu)成了實(shí)用的集成光學(xué)型FOG。從FOG的發(fā)展方向來看，集成光學(xué)型FOG是最有發(fā)展前途的光纖陀螺形式。全光纖陀螺則將主要的光學(xué)元件都加工在1條偏光纖上，從而可以避免因元器件連接造成的誤差。目前，全光纖陀螺技術(shù)比較成熟，其性能最好，適合在現(xiàn)階段研制實(shí)用的商品光纖陀螺。由于閉環(huán)式光纖陀螺對(duì)環(huán)境、尤其是振動(dòng)不敏感，是研制高精度光纖陀螺儀的理想形式。本世紀(jì)初，光纖陀螺儀(fiber－optic gyroscope，F(xiàn)OG)［9］用以取代磁力計(jì)。FOG具有尺寸小，無旋轉(zhuǎn)部件，消耗功率小，高可靠性及對(duì)溫度動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)的低敏感性，以及不受磁場影響。因此，IMU不再需要非磁套管保護(hù)，且尺寸小，所以減少了質(zhì)量和成本，提高了精度。FOG被認(rèn)為是替代磁力計(jì)最為理想的方法。由于受FOG尺寸的影響，基于FOG的IMU經(jīng)歷了單FOG［9］、雙FOG［10］及三FOG［11］的發(fā)展過程。近來3向FOGs已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用，它成本低且容易安裝，并逐漸趨于小型化�？梢灶A(yù)見，F(xiàn)OGs與加速度計(jì)將構(gòu)成鉆頭慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertialnavigation system，INS)的新硬件。
智能鉆進(jìn)還包括鉆孔方向與傾斜測量(direc-tional and Inclination while drilling，DIWD)。DIWD提供鉆孔過程及鉆孔軌跡信息，這些信息在確定推進(jìn)方向和水平鉆進(jìn)中非常重要。在控制系統(tǒng)中，DIWD反饋的信息可調(diào)整鉆孔過程使之遵循設(shè)定的路徑或確定鉆孔的生成軌跡。
研究表明，在基于磁傳感器的潛孔測量中，需要有專用的非磁套管來保護(hù)IMU，套管長度取決于井孔的精度、位置及傾角，在高北緯地區(qū)，要求磁傳感器到鉆頭的距離≥27 m［12］。在FOGs式的IMU中，單一FOG的IMU到3向FOGs的IMU，F(xiàn)OGs到鉆頭的距離縮短為7～8 m，設(shè)計(jì)的鉆管直徑為165.1mm，IMU艙內(nèi)安裝3向FOGs及3向加速度計(jì)，IMU前后安裝吸振器，并在IMU艙的外部增加環(huán)形吸振圈。單一FOG的IMU在傾角大于45°的井孔中，傾角的輸出誤差小于0.1°，傾角為20°時(shí)的誤差為0.3°，在接近北向時(shí)，方位角的精度為3°，當(dāng)采用零速修正(zero velocity update procedure，ZUPT)后，方位角的精度可小于0.5°。
1.4 地層巖性判別
目前，DPM通過鉆進(jìn)參數(shù)概化鉆進(jìn)能量指標(biāo)來劃分地層，巖性判別主要依賴于地質(zhì)分析。智能鉆進(jìn)的另一主要目的則是對(duì)所鉆地層進(jìn)行評(píng)價(jià)(for-mation evaluation while drilling，F(xiàn)EWD)，可采用的技術(shù)包括電阻率、γ射線、中子及密度傳感器。采樣信息可直接儲(chǔ)存在孔內(nèi)隨鉆的存儲(chǔ)芯片中或通過信息傳輸系統(tǒng)輸送到地面。電阻率和γ射線的數(shù)據(jù)用于地層識(shí)別，與中子及密度傳感器結(jié)合，可提供巖性、孔隙率及油或水飽和度方面的數(shù)據(jù)。已應(yīng)用脈沖中子捕獲(pulsed neutron capture，PNC)及光譜脈沖中子測孔(spectral pulsed neutron logs，SPN)方法，由套孔PNC測井所產(chǎn)生的γ射線能提供地層密度信息。FEWD提供孔內(nèi)地質(zhì)數(shù)據(jù)，就像傳統(tǒng)的有線測井一樣。
1.5 潛孔隨鉆信號(hào)傳輸
在鉆進(jìn)過程中，如何將BHA中測試系統(tǒng)的感應(yīng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嫘畔⑻幚碇行�，是智能鉆進(jìn)的另一技術(shù)關(guān)鍵。在油氣領(lǐng)域，已提出的鉆井中井下檢測信號(hào)傳輸方式主要有泥漿脈沖、絕緣線纜、電磁波和聲波4種。按傳輸原理，電纜信號(hào)傳輸分為感應(yīng)法傳輸和硬連接法傳輸2大類。電纜信號(hào)傳輸源于上世紀(jì)30年代。1939年，Crites等首先提出了利用鉆柱來建立地面與井底的電纜信號(hào)傳輸技術(shù)，即通過電纜建立地面與井底的雙向閉環(huán)鉆井測控信息系統(tǒng)。
