岳中文岳小磊楊仁樹王煦李為戴詩清李楊

1.中國礦業(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)過程中對方位角、鉆井斜角等鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,將數(shù)據(jù)同步上傳至終端進(jìn)行處理分析的技術(shù)[1]。 隨鉆巖性識別技術(shù)是隨鉆測量技術(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。 隨鉆巖性識別就是鉆進(jìn)過程中實(shí)時區(qū)分各項(xiàng)巖石屬性的特定過程[2]。 如何快速、高效地進(jìn)行巖性識別,是影響施工作業(yè)效率的重要因素之一。 近年來,隨著隨鉆測量技術(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,隨鉆巖性識別不僅可以節(jié)省大量時間,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]。

隨鉆巖性識別作為未來工程開采領(lǐng)域的前期基礎(chǔ)工作,其識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)識別的巖性參數(shù)適時調(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。 厘清隨鉆巖性識別的發(fā)展歷程、關(guān)鍵技術(shù)及存在問題,對于攻克隨鉆巖性識別技術(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別技術(shù)的起源及發(fā)展,以技術(shù)原理及系統(tǒng)組成、識別方法及效果、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)域隨鉆巖性識別的技術(shù)特點(diǎn),從多角度評價巖性識別精度、工作效率、環(huán)保指標(biāo)等方面的技術(shù)優(yōu)勢。 同時根據(jù)隨鉆巖性識別技術(shù)研究現(xiàn)狀,歸納總結(jié)工程應(yīng)用中存在的關(guān)鍵問題,分析了隨鉆巖性識別技術(shù)在國內(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,并對未來智能化設(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、機(jī)械化及自動化、半智能化和全智能化4 個階段,如圖1 所示。 從目前我國煤礦巷道掘進(jìn)裝備應(yīng)用案例來看,幾乎沒有智能化、全自動化的智能設(shè)備[7]。 在這種情況下,相應(yīng)的裝備及技術(shù)應(yīng)采取逐級發(fā)展、階段突破的發(fā)展模式。 現(xiàn)階段國內(nèi)巖性識別技術(shù)正處于第一階段到第二階段發(fā)展的過程,存在智能設(shè)備研制不足、技術(shù)難點(diǎn)難以攻克等問題,應(yīng)針對性地布局未來發(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產(chǎn)權(quán)的智能識別系統(tǒng)[8-9]。

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

20 世紀(jì)60年代,國外學(xué)者、企業(yè)開始進(jìn)行隨鉆測量技術(shù)研發(fā),最初目的是解決油田開采的盲目性問題。 隨著技術(shù)不斷發(fā)展,現(xiàn)階段國外隨鉆巖性識別技術(shù)已基本實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。 我國由于研發(fā)起步晚、試驗(yàn)周期長、研發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足及國外技術(shù)封鎖等原因,隨鉆巖性識別技術(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)初至今國內(nèi)外隨鉆技術(shù)的發(fā)展歷程[12-16]。

表1 國內(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

目前針對隨鉆巖性識別技術(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),對鉆進(jìn)過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]。

隨鉆巖性識別是通過實(shí)時采集鉆機(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,隨鉆巖性識別的基本原理是建立一個在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中實(shí)時監(jiān)測、傳輸、分析及記錄鉆進(jìn)參數(shù)的系統(tǒng)或平臺,鉆進(jìn)時同步分析各項(xiàng)鉆進(jìn)參數(shù)的變化,從而自動實(shí)時確定巖體性質(zhì),如圖2 所示。 具體過程是: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)時鉆進(jìn)參數(shù),包括時間、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以電子脈沖信號或電壓信號的形式,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 隨鉆巖性識別監(jiān)測系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working principle of lithology identification and monitoring system while drilling

隨鉆巖性識別系統(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)膭恿π枨蟆?/p>

(2) 數(shù)據(jù)采集裝置:用于實(shí)時采集鉆進(jìn)數(shù)據(jù),是隨鉆巖性識別系統(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,其性能對鉆進(jìn)過程中數(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)時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲及分析裝置。 傳輸方式分為有線傳輸和無線傳輸。 有線傳輸包括電纜傳輸、鉆桿傳輸、光纖傳輸;無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;無線傳輸速度相對較低,但工藝簡單,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)傳輸裝置對鉆進(jìn)數(shù)據(jù)處理分析至關(guān)重要。

(4) 數(shù)據(jù)存儲及分析裝置: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,同時存儲數(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、存儲和分析方面的巨大優(yōu)勢,基于高精度傳感器的隨鉆監(jiān)測系統(tǒng)受到越來越多的學(xué)者和公司的關(guān)注,它可以克服傳統(tǒng)地球物理探測在地層界面識別方面參數(shù)解譯的差異性和存在多種解譯結(jié)果的問題[29]。 利用隨鉆監(jiān)測系統(tǒng)對地層界面、巖石巖性、巖土體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行識別是一種有巨大發(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 為國內(nèi)外隨鉆測量系統(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 國內(nèi)外隨鉆測量系統(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)用于地層探測試驗(yàn)。 該系統(tǒng)安設(shè)的傳感器及主要監(jiān)測數(shù)據(jù)包括:利用電磁轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測鉆具轉(zhuǎn)速;利用力傳感器監(jiān)測鉆桿軸力和力矩;利用位移傳感器監(jiān)測孔深;利用液控防逆?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。 整個鉆機(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)了對鉆孔過程中各種參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測,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)場原位測試,實(shí)現(xiàn)了通過旋切觸探技術(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),為國內(nèi)隨鉆巖性識別領(lǐng)域提供了豐富的技術(shù)儲備。 但該設(shè)備也存在一定不足,如設(shè)備體型過大,操作不便等。 王琦等[24]基于室內(nèi)巖體力學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)研發(fā)了現(xiàn)場圍巖參數(shù)測試SDT 系統(tǒng),該系統(tǒng)通過智能控制設(shè)備液壓子系統(tǒng)、導(dǎo)向鉆進(jìn)子系統(tǒng)、監(jiān)測控制子系統(tǒng)和測試輔助子系統(tǒng)4 個關(guān)鍵結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對工程現(xiàn)場圍巖參數(shù)的測試,完成了對巷道圍巖強(qiáng)度的評價,進(jìn)一步證明通過鉆進(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,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導(dǎo)致無法準(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)為通過巖石的力學(xué)特性識別巖石種類是不準(zhǔn)確的。 對于巖石而言鉆機(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,表征巖石破碎過程中體積和能量之間的關(guān)系,此后常用于MWD 技術(shù)中識別巖石性質(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,但由于不能精確識別所破碎巖石的種類,實(shí)際上其輸出的是巖石的相對巖性。 此后,很多研究取SE值表征鉆孔過程中的巖石巖性。 美國礦業(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)度的評價指標(biāo),試驗(yàn)結(jié)果顯示這種評價體系是可靠的,具有很好的相關(guān)性。

針對能量角度判斷巖石種類的技術(shù)研究,國內(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]通過監(jiān)測鉆進(jìn)過程中鉆機(jī)液壓系統(tǒng)各液壓油缸的壓力及流量建立隨鉆巖性識別系統(tǒng),識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,通過計(jì)算結(jié)果的識別處理達(dá)到識別巖石巖性的目的。 在多參數(shù)耦合方式識別巖性的過程中,由于鉆進(jìn)過程中隨著鉆進(jìn)深度的變化,有效軸壓力改變,鉆頭磨損程度增加,因此識別過程中需要對參數(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)

針對隨鉆測量巖體指標(biāo)參數(shù)難以精確監(jiān)測的問題,有學(xué)者提出一種反映鉆進(jìn)過程中巖石質(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)過程中不改變鉆機(jī)和鉆頭的型號,且?guī)r石的完整性符合要求時,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)速度并非一個常數(shù),這也是巖石可鉆性評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)測系統(tǒng),為了消減鉆進(jìn)參數(shù)對穿孔速率的影響,提出一種鉆進(jìn)過程指數(shù)(DPI),基于穿孔速率修正及歸一化來描述巖體的完整性,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,以獲取新的知識或技能,對已有的知識結(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。 隨鉆巖性識別技術(shù)對巖性的辨識大多基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊聚類分析2 種算法。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是通過對已知單元數(shù)據(jù)進(jìn)行推理延伸,簡單處理大量單元數(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]首次提出自動判別方法識別測井?dāng)?shù)據(jù)中的巖性信息。隨后Doveton、Busch 等[78-79]針對多變量模型提出統(tǒng)計(jì)判別分析的方法對巖性進(jìn)行識別。 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)行巖性識別的工作。 張樂文等[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地層的巖性進(jìn)行識別。Zhang 等[85]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于隨鉆自動測量泥漿脈沖信號識別,提高了識別的準(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)巖性識別的約束條件,突出了復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆孔過程的穩(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別中的應(yīng)用并不深入,但大部分學(xué)者都做了某個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)過程中鉆桿與巖石產(chǎn)生的聲波頻譜特性可以作為未來隨鉆巖性識別研究的新內(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]對鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的聲音信號進(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)過程中的聲音信號,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的識別效果,但存在一定的缺點(diǎn),即鉆進(jìn)高強(qiáng)度的巖石時,鉆頭的磨損不可避免,會導(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鉆探平臺,研究鉆孔過程中聲級與巖石性質(zhì)的關(guān)系。 試驗(yàn)通過測量加權(quán)等效連續(xù)聲級,建立其與抗壓強(qiáng)度及耐磨性之間的關(guān)系。 結(jié)果表明,鉆桿附近的聲級明顯受到巖石抗壓強(qiáng)度的影響。 因此,使用聲級識別巖石特性,對于爆破裝藥孔設(shè)計(jì)具有一定的意義。

李輝等[93]將隨鉆振動聲波技術(shù)(VWD)應(yīng)用于塔北地區(qū)風(fēng)化殼界面的識別。 試驗(yàn)結(jié)果表明,振動聲波頻譜在風(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)過程中的振動及聲波信號,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,通過將聲頻分段后,取各段平均值作為代表趨勢,根據(jù)趨勢線的變化能較好地識別巖石特性。

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)果無法對比。 想要通過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]。 在未來隨鉆巖性識別領(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)過多年試驗(yàn)研究,隨鉆巖性識別技術(shù)的探測精度不斷提高,在數(shù)據(jù)傳輸、探測距離、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)條件差等問題,導(dǎo)致隨鉆巖性識別技術(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隨鉆巖性識別結(jié)果的影響有利于進(jìn)一步發(fā)展該技術(shù)[97]。 圖4 為隨鉆巖性識別技術(shù)的主要影響因素。

圖4 隨鉆巖性識別技術(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)與物理探測數(shù)據(jù)即可達(dá)到地質(zhì)超前探測的目的。 為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)的實(shí)時測量與可視化,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巖性識別結(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)。 隨鉆巖性識別過程中對這些地質(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,減少或避免對巖性的錯誤識別。

4.2 環(huán)境因素

隨鉆巖性識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等都對機(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)境因素對機(jī)械設(shè)備的影響并做出有針對性的防護(hù)措施,可以提高巖性識別的效率。

4.3 機(jī)械因素

隨鉆巖性識別主要監(jiān)測設(shè)備鉆進(jìn)過程中鉆桿的轉(zhuǎn)速、扭矩、軸壓力和鉆機(jī)位移等參數(shù)。 有時也會根據(jù)需要監(jiān)測沖洗液壓力、噪聲與振動等參數(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),是影響隨鉆識別過程的關(guān)鍵參數(shù)。 上述機(jī)械參數(shù)通過高精度傳感器進(jìn)行監(jiān)測,傳感器是隨鉆測量的核心。 機(jī)械的振動、鉆桿轉(zhuǎn)速、沖擊頻率等各種因素都對傳感器產(chǎn)生不同程度的影響。 如何提高傳感器的測量精度以及減弱機(jī)械因素對傳感器的影響,是發(fā)展隨鉆巖性識別技術(shù)需要重點(diǎn)考慮的問題。

5 問題與展望

5.1 存在問題

(1) 基礎(chǔ)理論不足。 當(dāng)前國內(nèi)研究成果還未完善遠(yuǎn)程處理系統(tǒng)的自主核心算法,對參數(shù)解譯的過程和結(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,鉆孔自動定位、鉆進(jìn)軌跡控制及信息傳輸控制等技術(shù)較為落后,無法滿足智能鉆進(jìn)需求。 這些不足極大限制了巖性識別技術(shù)的發(fā)展。

(3) 設(shè)備感知程度低。 面對復(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)境下無法采集數(shù)據(jù),鉆進(jìn)過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

隨鉆巖性識別技術(shù)作為一項(xiàng)多元交互技術(shù),在發(fā)展過程中需要加大學(xué)科的融合交互,在不同階段采用不同技術(shù),達(dá)到識別巖性的目標(biāo)。 隨著認(rèn)知智能、計(jì)算機(jī)視覺、圖像識別、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,未來隨鉆巖性識別關(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,是隨鉆巖性識別的必然發(fā)展趨勢。 但是,由于現(xiàn)場工作條件惡劣、探測空間小、數(shù)據(jù)解譯結(jié)果不唯一等各種技術(shù)難題的阻礙,隨鉆巖性識別技術(shù)的發(fā)展仍任重道遠(yuǎn)。 圖5 為隨鉆巖性識別未來發(fā)展趨勢示意圖。

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

(1) 基于傳感器感知程度的增加,未來人工智能技術(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)視覺是一項(xiàng)新穎的技術(shù),將其引入隨鉆巖性識別系統(tǒng),處理鉆進(jìn)過程產(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) 圖像識別技術(shù)與計(jì)算機(jī)視覺相輔相成,其作為人眼識別的衍生技術(shù),集成計(jì)算機(jī)及人腦的一部分,模擬人的視覺功能,具備圖像的分析處理能力。 未來在隨鉆巖性識別設(shè)備上引入圖像識別技術(shù),能夠提高設(shè)備自動化程度,增加生產(chǎn)活動的靈活性。

(4) 數(shù)據(jù)傳輸方式的發(fā)展對于完善隨鉆巖性識別技術(shù)至關(guān)重要。 智能鉆桿傳輸是將來的重點(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別的技術(shù)儲備,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)硬盤存儲限制,為隨鉆巖性識別產(chǎn)生的大量圖片數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)及動態(tài)數(shù)據(jù)等提供充足的信息存儲空間,增加信息容錯率,保證信息的安全性和完整性。 未來需要建立集成化、信息化、一體化的大數(shù)據(jù)云計(jì)算平臺,進(jìn)一步拓展隨鉆巖性識別數(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別參數(shù)的重要工具,算法的精度決定了巖性識別最終結(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)合適的算法并對其進(jìn)行訓(xùn)練以提高算法的精度,是未來的研究重點(diǎn)之一。