基于钻进能量分析的岩体地应力测量方法及系统

1.本发明属于地应力测量技术领域，更具体地，涉及一种基于钻进能量分析的岩体地应力测量方法及系统。


背景技术：

2.应力是工程建设、矿产开发、石油储备等领域中极为重要的基础数据。目前常用的地应力测量方法主要分直接测量法和间接测量法，直接测量法包括应力解除法、应力恢复法和水压致裂法，间接方法包括声波测井方法。直接测量法结果可靠，但工序繁琐、实施周期长、测试深度有限。间接测量法测量方便，但结果可靠性差。地应力测量成为制约深部工程建设、矿产开发和石油储备等领域中的瓶颈问题。
3.中国专利cn104727851b公开了一种煤矿采场国岩应力快速评估方法，其在采煤工作面，通过数字化钻机向前方岩体中钻孔，记录钻进距离与时间的关系以及钻机功率与时间的关系，计算得到在任意位置处钻进单位体积岩石所需要的能量，根据其变化趋势确定应力高峰区、应力f阵区和应力平稳区的大致位置及其相对大小。该专利的依据是：在应力较高的区域钻进单位体积岩石所需要的能量较多，在应力较小的区域钻进单位体积岩石所需要的能量较少，该依据缺少客观试验结果支撑。该专利仅适用于均匀地层条件，不适用用于复杂地层，且仅能得出地应力和钻进能量的定性关系，无法准确评估实际岩体应力状态。中国专利cn104832212b公开了一种基于钻进参数考察巷道松动及应力集中范围的方法，其在矿井煤或岩石巷道内施工顺层长钻孔，记录并计算打钻过程中的推力、转速、转矩和钻进速率，利用煤岩体钻机的钻进参数和钻孔参数推算钻进单位岩体所消耗的能量即钻进比能，获得钻进比能与钻进距离之间的对应关系，钻进同种煤岩体所消耗能量的不同与其在不同地应力条件下所表现的不同的物理力学特性，推断出煤岩巷道两侧应力集中及松动区范围，利用推力和转速恒定条件下的钻进速率变化趋势，对煤岩巷道两侧应力集中及松动区范围进行推算。该专利目的是获取应力集中和松动区范围，用于岩性均匀的煤岩地层，仅能建立地应力和钻进能量的定性关系，通过钻进能量或钻进速率分析不能获得实际岩体应力大小。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于钻进能量分析的岩体地应力测量方法及系统，其中结合岩体地应力自身的特征及钻进能量的特点，岩体在不同钻孔条件（钻进参数、应力状态）下所能承受的总能量不同，总能量与静载能量、钻进能量有关。静载能量和钻进能量都与岩体所处的应力状态有关。通过室内试验可以得到不同钻孔条件下的岩体钻进能量和应力状态的关系，根据实际工程中岩体钻进能量的大小，就能计算得到岩体所处的应力状态。本发明实现了岩体应力快速测量，极大地提高了应力测量效率，测量结果准确，测量方法简单。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于钻进能量分析的岩体
地应力测量方法，包括以下步骤：s1采集不同围压条件下钻机的钻进参数，并据此计算相应的钻进能量；s2根据步骤s1设定的围压条件，进行三轴压缩试验，以获取应力-应变全过程曲线，并据此得到不同类别岩石的静载能量大小；s3根据所述钻进能量和不同类别岩石的静载能量大小构建围压与钻进能量的关系，并据此构建地应力计算模型；s4采集现场钻进参数和钻进过程中的岩石种类，并根据所述应力计算模型计算测点地应力的大小。
6.作为进一步优选的，步骤s1中，所述钻进参数包括钻进压力、钻进速度、钻头转速和钻头扭矩。
7.作为进一步优选的，步骤s1具体包括以下步骤：s11设置围压：将岩样放置在围压应力系统中，通过千斤顶和压力传感器控制岩样周围压力的大小，从而模拟地层中不同应力环境；s12设置钻机钻进模式：根据现场钻机工作模式，选择室内标定试验的钻进模式，并设置好能与现场试验要求相吻合的钻进参数；s13根据不同围压条件下采集获取的钻进参数计算相应的钻进能量。
8.作为进一步优选的，步骤s1中，所述钻进能量的计算模型如下：式中，为钻进能量，f为钻进压力，为钻进速度，m为钻头扭矩，n为钻头转速，s为钻头面积。
9.作为进一步优选的，步骤s2中，所述围压与钻进能量的关系表示如下：作为进一步优选的，步骤s2中，所述围压与钻进能量的关系表示如下：式中，为总能量，为静载能量，为钻进能量，为地应力，、a、b为拟合参数，f为钻进压力，为钻进速度，m为钻头扭矩，n为钻头转速，s为钻头面积。
10.作为进一步优选的，步骤s3中，所述地应力计算模型如下：式中，为地应力，为总能量，、a、b为拟合参数，f为钻进压力，为钻进速度，m为钻头扭矩，n为钻头转速，s为钻头面积。
11.按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于钻进能量分析的岩体地应力测量系统，包括：第一主控模块，用于采集不同围压条件下钻机的钻进参数，并据此计算相应的钻进能量；第二主控模块，用于根据设定的围压条件，进行三轴压缩试验，以获取应力-应变全过程曲线，并据此得到不同类别岩石的静载能量大小；第三主控模块，用于根据所述钻进能量和不同类别岩石的静载能量大小构建围压
与钻进能量的关系，并据此构建地应力计算模型；第四主控模块，用于采集现场钻进参数和钻进过程中的岩石种类，并根据所述应力计算模型计算测点地应力的大小。
12.作为进一步优选的，所述第一主控模块包括室内钻孔试验平台，所述室内钻孔试验平台包括围压应力单元、伺服钻进单元以及数据采集单元，其中，围压应力单元对的岩石试件施加围压约束，伺服钻进单元实时控制钻孔试验的钻进参数，从而实现均匀钻进，采集单元包括多个传感器，用于高频采集钻进数据。
13.作为进一步优选的，所述围压应力单元包括千斤顶和压力传感器，岩样放置于压力室装置中，千斤顶对岩样施加侧向不等的围压，压力传感器读取围压压力大小；作为进一步优选的，所述伺服钻进单元包括旋转机构、行进机构以及钻头，所述旋转机构为所述钻头的旋转提供动力，所述行进机构推动所述钻头前进或后退，所述旋转机构和行进机构互相独立，实现不同控制模式的钻进功能；作为进一步优选的，所述数据采集单元包括钻压传感器、位移传感器、扭矩传感器以及转速传感器，实时采集钻进数据，以此方式，采集并控制钻进参数和岩样的状态参数实现某地层深度条件的室内模拟钻进。
14.作为进一步优选的，所述地应力计算模型如下：式中，为地应力，为总能量，、a、b为拟合参数，f为钻进压力，为钻进速度，m为钻头扭矩，n为钻头转速，s为钻头面积。
15.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1．本发明通过室内试验可以得到不同钻孔条件下的岩体钻进能量和应力状态的定量关系，根据实际工程中岩体钻进能量的大小，就能计算得到岩体所处的应力状态。测量方法简单，只需通过传感器采集钻孔过程的钻进参数，就能计算得到钻进能量。通过试验标定，根据钻进能量就能计算岩体所处应力状态。
16.2．本发明采用真实围压环境。室内钻孔平台可对试块施加两向不等均匀围压，真实模拟岩石试件所处的复杂地下工程环境，得出的结果更贴近现实。
17.3．本发明兼容性强。现场随钻测试设备可以适应各类钻机。同时实现了岩体应力快速测量，极大地提高了应力测量效率。
附图说明
18.图1是本发明实施例涉及的一种基于钻进能量分析的岩体地应力测量方法的流程图；图2是本发明方法中涉及的三轴压缩试验得到应力-应变全过程曲线图；图3是本发明实施例涉及的室内钻孔试验平台的结构示意图。
19.在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：4-试样，11-千斤顶，12-压力传感器，21-旋转机构，22-行进机构，23-钻头，31-钻压传感器，32-位移传感器，33-扭矩传感器，34-转速传感器。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
21.如图1所示，本发明实施例提供的一种基于钻进能量分析的岩体地应力测量方法，岩体在不同钻孔条件（钻进参数、应力状态）下所能承受的总能量不同，总能量与静载能量、钻进能量有关。静载能量和钻进能量都与岩体所处的应力状态有关。通过室内试验可以得到不同钻孔条件下的岩体钻进能量和应力状态的关系，根据实际工程中岩体钻进能量的大小，就能计算得到岩体所处的应力状态。因此本发明方法包括以下步骤：s1采集不同围压条件下钻机的钻进参数，并据此计算相应的钻进能量。其中，所述钻进参数包括钻进压力、钻进速度、钻头转速和钻头扭矩。
22.步骤s1具体包括以下步骤：s11设置围压：将岩样放置在围压应力系统中，通过千斤顶和压力传感器控制岩样周围压力的大小，从而模拟地层中不同应力环境。更具体的，将岩石样本放置在围压应力系统中，通过千斤顶和压力传感器控制岩样周围压力的大小，从而模拟地层中不同应力环境。
23.s12设置钻机钻进模式：根据现场钻机工作模式，选择室内标定试验的钻进模式，并设置好能与现场试验要求相吻合的钻进参数。更具体的，根据现场钻机工作模式，选择室内标定试验的钻进模式（如，匀钻速-匀转速、匀钻压-匀扭矩等）并设置好能与现场试验要求相吻合的钻进参数。
24.s13根据不同围压条件下采集获取的钻进参数计算相应的钻进能量。更具体的，根据不同围压条件下数据采集系统的钻进压力、钻进速度、钻头转速，钻头扭矩计算出相应的钻进能量：式中，为钻进能量，f为钻进压力，为钻进速度，m为钻头扭矩，n为钻头转速，s为钻头面积。
25.更具体的，本步骤为室内标定环节，室内标定环节主要借助岩石三轴试验机和室内钻孔试验平台，现场测试环节主要借助现场随钻测试设备。
26.室内钻孔试验平台和现场随钻测试设备原理完全一致，不同之处在于试验目的。在室内钻孔试验平台上进行的试验称为室内标定试验，其目的是明确某种岩石在不同围压应力状态和不同钻进参数控制下的储能规律，是必须先于现场试验进行的；现场随钻测试设备是用来采集钻机在现场作业时钻进数据的装置，其目的是将采集到的现场钻进数据转化为钻进能量，再基于室内标定试验得到的规律计算出地层应力状态，作用对象是真实地层。
27.在本发明的一个实施例中，室内钻孔试验平台由三部分组成：围压应力单元，伺服钻进单元，数据采集单元。围压应力单元对的岩石试件施加围压约束；伺服钻进单元实时控制钻孔试验的钻进参数（钻进压力、钻进速度、钻头转速，钻头扭矩），从而实现均匀钻进（匀钻压、匀钻速、匀转速、匀扭矩）。如图3所示，数据采集单元由一系列高精度传感器组成，高
频采集钻进数据。围压应力系统由千斤顶11和压力传感器12组成，试样4放置于压力室装置中，千斤顶11对试样施加侧向不等的围压，压力传感器12读取压力大小，两部分配合实现围压的控制。伺服钻进单元分为旋转机构21和行进机构22两部分组成。旋转机构21为钻头23的旋转提供动力，行进机构22推动钻头23前进或后退。旋转机构21和行进机构22互相独立，实现不同控制模式的钻进功能。数据采集单元由多个传感器组成，具体为钻压传感器31、位移传感器32、扭矩传感器33、转速传感器34，实时采集钻进数据。围压应力系统1，伺服钻进系统2和数据采集系统三部分相互配合，采集并控制钻进参数和岩样的状态参数（应力状态）实现某地层深度条件的室内模拟钻进，通过计算最终可以得到某种岩石应力状态与钻进能量的关系。
28.s2根据步骤s1设定的围压条件，进行三轴压缩试验，以获取应力-应变全过程曲线，并据此得到不同类别岩石的静载能量大小。更具体的，本步骤中，根据围压设置情况，进行一系列三轴压缩试验。对三轴压缩试验得到应力-应变全过程曲线进行图形积分得到该类岩石的静载能量大小，如图2所示，图中，为峰值应力，为峰值应变。
29.s3根据所述钻进能量和不同类别岩石的静载能量大小构建围压与钻进能量的关系，并据此构建地应力计算模型。
30.根据前期试验结果可知，岩石静载能量和钻进能量均与围压呈近似线性相关，且围压越大，静载能量越大，钻进能量越小。因此，可以通过增加一个缩放因子对岩石静载能量和钻进能量其中之一进行缩放，使缩放后的数值与另一能量之和为一定值。由于一般钻进能量较大，一般对其进行缩小，使其与岩石静载能量之和为一定值，该定值为该类的岩石在相应钻进参数组合下的总能量。至此，当岩石种类和钻进模式确定，岩石总能量确定，围压与钻进能量的关系随即确定。
[0031]031]
式中，为总能量，为静载能量，为钻进能量，为地应力，、a、b为拟合参数，f为钻进压力，为钻进速度，m为钻头扭矩，n为钻头转速，s为钻头面积。
[0032]
s4采集现场钻进参数和钻进过程中的岩石种类，并根据所述应力计算模型计算测点地应力的大小。
[0033]
现场随钻测试设备由三部分组成：钻机、钻进数据采集系统、数据分析系统。钻机为现场施工采用的钻机。钻进数据采集系统与室内试验的数据采集系统相似，包含钻压传感器、位移传感器、扭矩传感器、转速传感器，分别记录钻进压力、钻进速度、钻头转速和钻头扭矩。数据分析系统是根据室内标定试验的结果和现场钻进的能量情况进行数据分析。
[0034]
现场测试环节一般步骤：（1）钻进参数采集。通过钻进参数采集系统采集钻进过程的钻进数据，并计算出对应的钻进能量。
[0035]
（2）确定岩石种类。根据该地层岩石的种类和室内标定试验可以确定出该类型岩石在步骤（1）的钻进模式下的围压与钻进能量的关系。
[0036]
（3）计算地应力。根据步骤（2）中得到围压和钻进能量之间的关系，计算出测点地应力的大小。
[0037]
式中，为地应力，为总能量，、a、b为拟合参数，f为钻进压力，为钻进速度，m为钻头扭矩，n为钻头转速，s为钻头面积。
[0038]
按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于钻进能量分析的岩体地应力测量系统，包括：第一主控模块，用于采集不同围压条件下钻机的钻进参数，并据此计算相应的钻进能量；第二主控模块，用于根据设定的围压条件，进行三轴压缩试验，以获取应力-应变全过程曲线，并据此得到不同类别岩石的静载能量大小；第三主控模块，用于根据所述钻进能量和不同类别岩石的静载能量大小构建围压与钻进能量的关系，并据此构建地应力计算模型；第四主控模块，用于采集现场钻进参数和钻进过程中的岩石种类，并根据所述应力计算模型计算测点地应力的大小。
[0039]
其中，所述第一主控模块包括室内钻孔试验平台，所述室内钻孔试验平台包括围压应力单元、伺服钻进单元以及数据采集单元，其中，围压应力单元对的岩石试件施加围压约束，伺服钻进单元实时控制钻孔试验的钻进参数，从而实现均匀钻进，采集单元包括多个传感器，用于高频采集钻进数据。
[0040]
所述围压应力单元包括千斤顶11和压力传感器12，岩样放置于压力室装置中，千斤顶11对岩样施加侧向不等的围压，压力传感器12读取围压压力大小；所述伺服钻进单元包括旋转机构21、行进机构22以及钻头23，所述旋转机构21为所述钻头23的旋转提供动力，所述行进机构22推动所述钻头23前进或后退，所述旋转机构21和行进机构22互相独立，实现不同控制模式的钻进功能；所述数据采集单元包括钻压传感器31、位移传感器32、扭矩传感器33以及转速传感器34，实时采集钻进数据，以此方式，采集并控制钻进参数和岩样的状态参数实现某地层深度条件的室内模拟钻进。
[0041]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。