岩土工程智能钻探关键技术研究？

在土木工程、建筑、水利、采矿和油气等工业领域，钻探通常是掌握岩土层物理力学参数，以便合理评价地层，确定工程设计和施工工艺的最直接、最可靠的方法。虽然地球物理方法取得了很大进展，但地球物理方法的不确定性和多样性是由方法本身一方面依赖于地磁场的多样性，另一方面又不可避免地受到外界人工电磁场的干扰而决定的。这种不可避免的矛盾以及来自同源和非同源的电磁差异和干扰，决定了地球物理方法的不确定性和多样性。此外，由于地球物理方法还难以揭示地层和岩石的力学特征，必须更多地依赖于综合地质分析，在工程应用技术上还存在诸多局限。传统的钻探和勘探方法需要在钻探过程中进行现场土工试验、取样、编目、室内土工物理力学性质测试和岩性识别，工作量大、周期长、成本高。据统计，在地基钻探勘探中，纯钻探时间占整个钻探勘探的耗时比例不到30%，钻探勘探费用一般占整个工程造价的15% ~ 28%[1]。因此，岩土工程中的钻探仍然是一项非常复杂的工作。随着采矿、交通、水利、战略保护和深部基础物理实验的深入，深部钻探和勘探显得尤为重要。在国际岩土工程领域，已经探索出一种简单有效的获取地层地质工程信息的方法，智能钻探技术和理论是未来研究的重要前沿课题。本文重点介绍了该领域的重要进展和存在的问题，并明确了今后的研究内容和方向。1智能钻井的关键技术1.1智能钻井系统的基本组成和原理智能钻井的基础技术主要包括以下五个系统。(1)孔底动力输送系统。系统应满足钻井和随钻井下测量(DMWD)钻头作业强电、测量系统和信息传输系统弱电的用电要求。(2)钻机运行参数测量与诊断系统。参见参考文献[1]。(3)数字DTH随钻测量集成系统。在MWD单元和各种电控智能单元中安装了各种高端传感器，如地层电阻率和岩性特征测量探头、伽马和中子密度探头、声波探头、核磁振动探头、地层孔隙压力传感器、井斜角、方位角、导向工具工具面角、井底WOB、钻头扭矩、钻杆各段力传感器、钻头应变和温度传感器、井底地温传感器等。(4)孔底的信息传输系统。传感器测得的信息通过有线数据传输的信号线，以串行总线的方式实时传输到地面。(5)地面数据分析系统。它由计算机、监视器、打印机、绘图仪等终端组成，并与网络系统的信息处理中心相连。这样，通过随钻采集和处理，可以准确获得完整的真实地层剖面和地层分类等数据。智能钻井系统的基本原理是在钻头内或钻头附近安装随钻测量系统，通过各种传感器技术实时测量钻机的工作参数、钻头位置、钻井斜度、钻井方位、钻井岩性、钻井硬度和钻井强度、钻头应变等，从而获得钻井轨迹、钻井柱状图、物理力学参数、岩石分类和相关地层的地应力数据，实现对地层的实时评价。同时对钻机的工作状态进行实时诊断、管理、控制、反馈和调整。通过测量采集、分析决策、控制执行、再测量采集、再分析决策、再控制执行的连续过程，最终达到智能钻井的目的。1.2钻井过程监控技术仪器化钻井系统(IDS)是智能钻井技术的雏形。英国、前苏联、德国、法国、日本、加拿大、美国和中国都进行了一系列研究。恩帕索尔、帕佩罗、鹿岛建设[2]、KYPC、HDK和Da-Ta-Sentry [3]等仪器钻井系统实现了对钻机工作参数和钻井参数的自动监测，如施加在钻具上的压力、钻具速度、扭矩和钻头位移等，用于判断简单地层的层位。对于以前的IDS，钻井过程监控系统(DPM) [4]的主要进展是建立了大样本和复杂非线性图的相似性识别理论，解决了钻井参数[1]中大样本数据之间的相关性分析问题。建立了基于钻井参数和能量的实时可钻性分类方法、多峰非线性图的斜率搜索和识别、未知类别和分类数的地层聚类判别方法[5-7]，最新的技术和理论成果已在文献[1]中讨论。1.3比特定位导航技术比特定位包括三维空间坐标(经度、纬度、高程)和方位。20世纪80年代末，基于三轴磁强计和三向加速度计实现了钻井导航。磁力计和加速度计是惯性测量单元的主要硬件。它们安装在底部钻具组合中(BHA)。测量时，BHA处于静止状态。磁力计和加速度计分别测量地球三个正交方向上的磁场分量和重力加速度分量。地磁场分量通过数学计算获得方位角，重力加速度分量用于计算倾角，设置BHA的位置。但是磁力仪会受到地下磁场、钻井系统材料等外场源的干扰[8]。自从犹他大学的瓦利和肖特希尔在1976年首次提出光纤陀螺的概念以来，光纤陀螺得到了极大的发展。目前的光纤陀螺主要是干涉型的，集成光学陀螺是将耦合器、起偏器、调制器等主要光学元件集成在1芯片上，并在芯片上适当的位置连接光纤线圈、光源和探测器，从而形成实用的集成光学陀螺。从光纤陀螺的发展方向来看，集成式光纤陀螺是最有前途的光纤陀螺形式。全光纤陀螺在1偏振光纤上加工所有主要光学元件，避免了元件连接带来的误差。目前全光纤陀螺技术成熟，性能最好，适合现阶段开发实用的商用光纤陀螺。由于闭环光纤陀螺对环境不敏感，特别是对振动不敏感，因此是发展高精度光纤陀螺的理想形式。本世纪初，光纤陀螺[9]被用来代替磁强计。光纤陀螺体积小，无旋转部件，功耗低，可靠性高，对温度动态特性和振动不敏感，不受磁场影响。因此IMU不再需要无磁套保护，体积小，降低了质量和成本，提高了精度。光纤陀螺被认为是代替磁强计的最理想的方法。由于受雾大小的影响，基于雾的IMU经历了单雾[9]、双雾[10]、三雾[11]的发展过程。最近，3路光纤陀螺已投入商业应用，成本低，易于安装，并逐渐趋于小型化。可以预见，光纤陀螺和加速度计将构成惯性导航系统的新硬件。智能钻井还包括钻孔方向和倾斜度测量(DIWD)。DIWD提供钻井过程和钻井轨迹信息，这对确定推进方向和水平钻井非常重要。在控制系统中，DIWD反馈的信息可以调整钻孔过程，使其遵循设定的路径或确定钻孔的生成轨迹。研究表明，在基于磁传感器的DTH测量中，需要特殊的非磁性套管来保护IMU，套管长度取决于钻孔的精度、位置和倾斜度。在高北纬地区，要求磁传感器到钻头的距离≥ 27 m [12]。在FOG IMU中，IMU由单雾变为三向雾，雾到钻头的距离缩短为7 ~ 8 m，设计钻杆直径为165.1mm，IMU舱内安装三向雾和三向加速度计，IMU前后安装减振器，IMU舱外增加环形吸振环。单雾IMU的输出误差在倾角大于45°的井眼中小于0.1，倾角为20°的井眼中小于0.3，接近北方时方位角小于3。当采用零速度更新程序(ZUPT)时，方位角精度可以小于0.5°。1.4地层岩性判别目前DPM通过钻井参数概化钻井能量指数进行地层分类，岩性判别主要依靠地质分析。智能钻井的另一个主要目的是随钻地层评价(FEWD)，可用的技术包括电阻率、γ射线、中子和密度传感器。取样信息可以在钻孔时直接存储在存储芯片中，也可以通过信息传输系统传输到地面。电阻率和γ射线资料用于地层识别，结合中子和密度传感器，可以提供岩性、孔隙度和含油或含水饱和度的资料。脉冲中子俘获(PNC)和光谱脉冲中子测井(SPN)方法已经得到应用，钻孔PNC测井产生的伽马射线可以提供地层密度信息。FEWD提供钻孔地质数据，就像传统的有线测井一样。1.5 DTH信号传输在钻井过程中，如何将BHA的测试系统的感应数据实时传输到地面信息处理中心，是智能钻井的另一项关键技术。在油气领域，钻井中井下检测信号的传输方式有四种:泥浆脉冲、绝缘电缆、电磁波和声波。根据传输原理，电缆信号传输可分为感应传输和硬连接传输两大类。电缆信号传输起源于20世纪30年代。1939年，克里特斯等人首先提出了利用钻柱实现地面与井底之间的电缆信号传输技术，即通过电缆建立地面与井底之间的双向闭环钻井测控信息系统。

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