一种海洋砂层静力触探工具及找砂方法与流程

1.本发明涉及海砂资源勘查领域，尤其涉及一种海洋砂层静力触探工具及找砂方法。


背景技术：

2.海砂在城市建设上使用十分广泛，已经成为仅次于石油天然气的第二大海洋矿产。静力触探作为一种快速获得土层参数的原位测试方法，能准确的找到地层中的海砂，但是在作业过程中，遇到较硬砂层时，触探头的锥尖阻力达到报警值则必须停止锥进，起出静力触探工具，效率很低。有时甚至需对该地层进行扫孔，扫掉较硬砂层之后才能继续进行静力触探作业，用钻头扫掉的这部分地层则出现了没有静力触探数据的情况，缺失的地层资料无法弥补。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提出一种海洋砂层静力触探工具及找砂方法，旨在解决扫孔导致地层数据缺失的问题。
4.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
5.一种海洋砂层静力触探工具，包括外筒、同轴固定在所述外筒内部的内筒，以及安装在所述内筒的轴心位置的静力触探装置，所述静力触探装置的外壁固定安装有n个活塞，n个所述活塞通过同一条液压管路与一个动力元件连接，n≥2，n个所述活塞的横截面积相等，所述液压管路上安装有流量计。
6.在一些实施方式中，所述静力触探装置包括探头，所述探头通过探头接头与触探杆固连，所述触探杆的外壁任意位置安装有所述活塞，所述内筒的下端部内壁安装有扶正器，所述扶正器的下端安装有用于限位的挡圈。
7.在一些实施方式中，所述外筒的内壁下部设有下限位环，所述内筒的外壁设置有与所述下限位环匹配的下限位接头。
8.在一些实施方式中，所述外筒的内壁上部设有上限位环，所述内筒的外壁设有与所述上限位环配合的伞状弹卡，所述伞状弹卡的上端部安装有头箍，所述触探杆的上端部安装有管线接头。
9.在一些实施方式中，所述下限位接头的管壁径向设置有回水通孔，所述回水通孔内安装滤网。
10.在一些实施方式中，所述液压管路上还安装有恒压阀和恒流阀。
11.一种找砂方法，使用上述的海洋砂层静力触探工具，步骤包括：
12.步骤一，将所述海洋砂层静力触探工具和钻杆放入目标孔位，海底基盘夹持住所述钻杆，使所述海洋砂层静力触探工具和所述钻杆与地层相对静止；
13.步骤二，预先计算所述静力触探装置的锥进深度与所述流量计获得的液压流量数据之间的线性关联公式；
14.步骤三，打开所述静力触探装置的控制开关，控制所述活塞驱动所述静力触探装置向下锥进，所述活塞控制开关产生的开启信号驱动所述流量计开始获取所述液压管路的瞬时流量，将锥进过程获取的所述瞬时流量连续积分后输出当前液压流量数据，然后根据所述线性关联公式将所述当前液压流量数据转化为当前锥进深度，每当所述当前锥进深度达到预设点值，所述静力触探装置的数据采集仪同步记录当前时刻的静力触探数据，所述静力触探数据与所述当前锥进深度进行同步处理形成同步静力触探数据；
15.步骤四，当所述静力触探装置停止锥进，所述流量计获取的瞬时流量变为0，所述静力触探装置的数据采集仪停止记录静力触探数据；
16.步骤五，控制所述静力触探装置再次向下锥进，当所述管线接头下压接触到所述头箍，所述伞状弹卡回缩解锁，回收所述静力触探装置，使用钻机对已取得所述同步静力触探数据的层位进行扫孔，清扫干净后重复步骤一至五，直至达到最终所要测试的地层深度，结束静力触探作业；
17.步骤六，对所述同步静力触探数据进行数据分析，并输出砂层信息。
18.本发明的有益效果为：通过在静力触探装置的外壁设置至少两个活塞，在动力元件横截面积不变的情况下，提供了单活塞工具n倍的推力，使海洋砂层静力触探工具在砂层正常锥进，能够获得地层连续的静力触探数据。再有，在液压管路上安装流量计，通过流量计获取的液压流量数据反映静力触探装置的锥进深度，并且以液压流量数据控制活塞开关，减小了静力触探装置的行程记录误差，使层位信息更准确。
附图说明
19.图1为本发明实施例一公开的海洋砂层静力触探工具的结构示意图；
20.图2为图1中标示的a区的局部放大图；
21.图3为图1中标示的b区的局部放大图；
22.图4为图1中标示的c区的局部放大图；
23.图5为图1中标示的d区的局部放大图；
24.图6为本发明实施例二公开的基于cptu的归一化土质分类图；
25.其中：1
‑
外筒，2
‑
内筒，3
‑
静力触探装置，31
‑
探头，32
‑
探头接头，33
‑
触探杆，4
‑
活塞，41
‑
上活塞，42
‑
下活塞，5
‑
液压管路，6
‑
流量计，7
‑
扶正器，8
‑
挡圈，9
‑
下限位环，10
‑
下限位接头，11
‑
上限位环，12
‑
伞状弹卡，13
‑
头箍，14
‑
管线接头，15
‑
回水通孔，16
‑
恒压阀，17
‑
恒流阀。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
27.实施例一
28.本实施例提出了一种海洋砂层静力触探工具，如图1
‑
5所示，本工具的结构使用图1所示的a、b、c、d四个区域的局部方法图来表示,图2表示a区，图3表示b区，图4表示c区，图5
表示d区，主要包括外筒1、同轴固定在外筒1内部的内筒2，以及安装在内筒2的轴心位置的静力触探装置3，静力触探装置3的外壁固定安装有n个活塞4，n个活塞4通过同一条液压管路5与一个动力元件连接，n≥2，n个活塞4的横截面积相等，液压管路5上安装有流量计6。
29.在本实施例中，通过在静力触探装置3的外壁设置至少两个活塞4，在动力元件横截面积不变的情况下，提供了单活塞工具n倍的推力，使海洋砂层静力触探工具在砂层正常锥进，能够获得地层的连续的静力触探数据。再有，在液压管路5上安装流量计6，通过流量计6获取的液压流量数据反映静力触探装置3的锥进深度，并且以液压流量数据控制活塞4开关，减小了静力触探装置3的行程记录误差，使层位信息更准确。
30.从图中可见，本实施例以两个活塞4为例，分为上活塞41和下活塞42，其分布位置无特殊要求，能够为静力触探装置3提供推力即可。
31.静力触探装置3包括探头31，探头31通过探头接头32与触探杆33固连，触探杆33的外壁任意位置安装有活塞4，内筒2的下端部内壁安装有扶正器7，扶正器7的下端安装有用于限位的挡圈8，避免扶正器7脱落。
32.外筒1的内壁下部设有下限位环9，内筒2的外壁设置有与下限位环9匹配的下限位接头10，在内筒2进入外筒1的过程中，下限位环9作为下限位接头10的限位件，令内筒2无法往下继续运动。
33.外筒1的内壁上部设有上限位环11，内筒2的外壁设有与上限位环11配合的伞状弹卡12，伞状弹卡12的上端部安装有头箍13，触探杆33的上端部安装有管线接头14，当上述的下限位接头10受到下限位环9的限位后，伞状弹卡12的尾部完全进入上限位环11，伞状弹卡12撑开的弹片令内筒2无法向上运动，最终完成内筒2在竖直方向的固定。
34.下限位接头10的管壁径向设置有回水通孔15，回水通孔15内安装滤网，滤网过滤水中杂质和沙子，防止杂质和沙子进入海洋砂层静力触探工具内划伤内筒2的内壁。
35.液压管路5上还安装有恒压阀16和恒流阀17。液压油经过油管、恒压阀16、恒流阀17、流量计6和管线接头14的液压管路5进入活塞4内杆和外杆之间的环空，液压作用在活塞4的上截面上，推动静力触探装置3锥进.开启液压泵站(即上述的动力元件)，液压泵站液压通过脐带缆传递到工具的恒压阀16(25mpa)，当压力达到25mpa时，恒压阀16打开，油液经过恒速阀，产生稳定流速，流量计6产生读数，甲板上的数据采集电脑开始计数。
36.需要说明的是，上述的方案旨在说明本发明的发明点以及教导本领域技术人员实施该方案，而对于现有的海洋砂层静力触探工具、脐带缆，或者bha工具等装置不再进行详细的描述，应视为本实施例存在的结构。
37.实施例二
38.本实施例提供给一种找砂方法，使用上述的海洋砂层静力触探工具，步骤包括：
39.步骤一，将海洋砂层静力触探工具和钻杆放入目标孔位，海底基盘夹持住钻杆，使海洋砂层静力触探工具和钻杆与地层相对静止；
40.步骤二，预先计算静力触探装置的锥进深度与流量计获得的液压流量数据之间的线性关联公式；
41.步骤三，打开静力触探装置的控制开关，控制活塞驱动静力触探装置向下锥进，活塞控制开关产生的开启信号驱动流量计开始获取液压管路的瞬时流量，将锥进过程获取的瞬时流量连续积分后输出当前液压流量数据，然后根据线性关联公式将当前液压流量数据
转化为当前锥进深度，每当当前锥进深度达到预设点值，静力触探装置的数据采集仪同步记录当前时刻的静力触探数据，静力触探数据与当前锥进深度进行同步处理形成同步静力触探数据；
42.步骤四，当静力触探装置停止锥进，流量计获取的瞬时流量变为0，静力触探装置的数据采集仪停止记录静力触探数据；
43.步骤五，控制静力触探装置再次向下锥进，当管线接头下压接触到头箍，伞状弹卡回缩解锁，回收静力触探装置，使用钻机对已取得同步静力触探数据的层位进行扫孔，清扫干净后重复步骤一至五，直至达到最终所要测试的地层深度，结束静力触探作业；
44.步骤六，对同步静力触探数据进行数据分析，并输出砂层信息。
45.本实施例是应用了实施例一所述的海洋砂层静力触探工具的找砂方法，通过加大活塞的个数，在动力元件横截面积不变的情况下，提供了单活塞工具数倍的推力，使海洋砂层静力触探工具在砂层正常锥进，能够获得地层连续的静力触探数据，再通过流量计获取液压流量数据，以反映静力触探装置的锥进深度和控制活塞开启/关闭，减小了静力触探装置的行程记录误差，使层位信息更准确。
46.更进一步的，上述的数据分析包括倾斜校正、孔压影响校正等。
47.(1)倾斜校正：
48.在数据处理时需要进行倾斜校正，改正测试记录深度。
49.校正公式为：
[0050][0051]
式中，z——实际贯入深度；
[0052]
l——实际贯入长度(记录深度)；
[0053]
c
inc
——倾斜影响改正因子，对于单轴倾斜仪来说，c
inc
＝cosα，α为倾斜仪记录结果，即探头指向与垂向之间的夹角。
[0054]
(2)孔压影响校正：
[0055]
对于带有孔隙水压力测试的静力触探测试，需进行锥尖阻力校正。
[0056]
锥尖阻力校正公式如下：
[0057]
q
t
＝q
c
(1
‑
a)u2ꢀꢀꢀ
(2)
[0058]
式中，q
t
——校正的锥尖阻力；
[0059]
q
c
——量测的锥尖阻力；
[0060]
a——探头的净面积比，本次测试使用探头的a值取0.75；
[0061]
u2——量测的探头圆柱截面处的孔隙水压力
[0062]
计算摩阻比
[0063]
摩阻比参数可以帮助划分土类，确定分层界限。摩阻比通过锥尖阻力和侧壁摩阻力相比得出，公式如下：
[0064]
r
ft
＝f
s
/q
t
×
100％
ꢀꢀꢀ
(3)
[0065]
式中，r
ft
——根据校正锥尖阻力计算的摩阻比。
[0066]
本发明使用robertson归纳的归一化分类法(robertson,1990)，通过对锥尖阻力、
摩阻比、孔隙水压力的归一化处理，求取了归一化锥尖阻力qt、归一化摩阻比fr、孔压系数bq等参数，并通过建立fr
‑
qt对数曲线、bq
‑
qt对数曲线，划分土质分类象限区，将海底土分为了9种类型，如图6所示，归一化土质分类分区见表1。
[0067]
表1归一化土质分类分区对应表
[0068]
土质分类象限区对应土质分类土质分类象限区对应土质分类1高灵敏度细粒土6砂土
‑
粉质砂土2有机质
‑
泥炭7砾砂
‑
砂土3黏土
‑
粉质黏土8超硬砂土
‑
黏质砂土4粉质黏土
‑
黏质粉土9超硬细粒土5粉质砂土
‑
砂质粉土
ꢀꢀ
[0069]
归一化锥尖阻力q
t
、归一化摩阻比f
r
、孔压系数b
q
的计算公式分别如下：
[0070][0071][0072][0073]
根据以上土质分类方法，对各个站位的土质类别和分层深度进行了分析，结果见表2。
[0074]
孔深64.50m，其中砂层23.67m，黏土层40.83m。通过上述对静力触探数据进行数据分析和处理，最后得到砂层准确位置，精度能够达到厘米级别。
[0075]
表2各个站位的土质类别和分层深度
[0076]
层底深度岩土名称层顶深度层厚土壤类型(m) (m)(m)(c/s)7.03中粗砂0.007.03s7.61粉细砂7.030.58s24.15粉质黏土7.6116.54c26.91粉土24.152.76c
‑
s33.33粉质黏土26.916.42c34.49粉细砂33.331.16s36.35粉质黏土34.491.86c42.07中粗砂36.355.72s42.95粉质黏土42.070.88c44.11粉土42.951.16c
‑
s51.95粉质黏土44.117.84c61.13粉细砂51.959.18s62.07粉土61.130.94c
‑
s
64.50粉质黏土62.072.43c
[0077]
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。