D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.07.004 第29卷第7期 北京科技大学学报 Vol.29 No.7 2007年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju.2007 基于仪器钻进系统的风化花岗岩地层界面识别 谭卓英)蔡美峰)岳中琦)谭国焕)李焯芬) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000832)香港大学土木工程系，香港 摘要针对香港风化花岗岩场址勘探，在液压旋转钻机上安装钻孔过程监测系统(drilling process monitoring,DPM),对有效 轴压力、钻具转速、冲洗压力、钻头位移及穿孔速率进行了实时监测·采用变斜率作为显著性指数，对地层中的主、次界面进行 了识别.t检验表明，DPM系统对岩土界面识别的置信度为99%.此外，对穿孔参数在界面处的变化分析表明，这些参数随孔 深的变化曲线在界面处存在不同涨落，轴压力和穿孔速率对界面上岩石强度变化的响应度为81.82%. 关键词仪器钻进系统：穿孔参数：风化花岗岩：界面识别 分类号TU413.6+3 在岩土工程勘察中，钻探、土工及岩石力学实验 差，所以，基于岩芯样本的可钻性实验所获数据进行 是必不可少的，该项工作一般占工程费用的10%~ 的线性回归是局部的，很难反映钻孔剖面全过程的 35%,非取样钴进的时间一般为取样钻进时的30% 可钻性变化，因此，通过仪器钻进系统获取穿孔参 左右，因此，研究仪器钻进系统，对钻进过程进行实 数是技术关键，基于这一思想，研发了DPM 时监测以取代土工和岩石力学实验的研究一直是国 (drilling process monitoring system)系统I6].通过该 际岩土工程领域的前沿课题之一· 系统，可实现对钻孔过程中钻进参数的自动采集，所 以上研究是基于对穿孔参数与岩石性质的研 监测数据具有实时、连续及样本海量的特点，本研 究，钻机工作参数和地层性能数据的多变量线性回 究根据DPM系统在香港风化花岗岩地基勘察中的 归分析表明，影响钻速最主要的因素是钻头类型、工 应用，对穿孔参数与岩石强度间的关系进行研究，以 作参数以及所穿透地层的特性山.在石灰岩和页岩 期揭露地层特性，对地层进行识别 中，增加转速比提高其他参数对穿孔速率的影响更 大，转速是控制穿孔速率最重要的因素)]。钻进与 1场址及穿孔作业参数 岩芯取样实验表明，穿孔速率及所施加的力矩随作 研究的场址位于香港何文田，该地基为简单风 用于钴具上重量的增加而按指数增长，穿孔速率随 化花岗岩地层，由上覆充填土、全风化至微风化花岗 钴头转速的增加而增加，然而，转速对转矩及破碎 岩组成，各层厚度不一，其中，充填土的厚度为0~ 比能的影响并不显著)，在大理岩、粉砂岩、花岗岩 2.0m·实验钴探机为R一20型回转式钴机，岩芯钴 及闪长岩等的凿岩实验模拟也表明，钻机工作参数、 进采用直径115mm金刚石钻头和T2-101双筒岩 岩石的强度与硬度，以及破碎比功之间存在合理的 芯套管，岩芯直径为84mm,钻杆单重为58.4kN· 匹配关系).在褐煤中，单轴抗压强度、抗拉强 m-1.为了全面掌握场址的岩土工程特性，共布置 度、内聚力、阻抗与穿透速率之间存在一定的关系 47个钻孔，钻孔的终孔深度为完整基岩以下10m. 其中，最主要的是单轴抗压强度，可用以估计轴压、 钻孔过程中的压力、转速和位移等参数采用DPM 转速和穿孔速率[1]. 系统进行实时监测，以某典型钴孔为例进行分析， 由此可见，穿孔参数与可钻性指标及岩石强度 之间存在一定的关系，根据这一关系，可通过穿孔 2穿孔参数变化的基本规律 参数对地层进行识别.然而，由于传统方法所取得 2.1轴压力随孔深变化的全过程曲线 的岩芯样本及穿孔数据离散、随机、有限且代表性 轴压力的作用是保证钻头与孔底岩石有效接 收稿日期：2006-01-28修回日期：2006-03-06 触，并使钻头压入岩石一定深度，同时保证在钻机回 基金项目：香港特别行政区政府研究基金(N。-HKU7005/01E)和香 转过程中，钻具不致回弹.轴压力过大，会增大孔底 港赛马会慈善基金资助项目：国家自然科学基金重大项目(N。, 50490271) 摩擦，增加扭矩，造成卡钻和钻具失效；过小，钻齿不 作者简介：谭卓英(1965-)男，教授，博士 能压入岩石，达不到破碎岩石的效果，因此，必须维基于仪器钻进系统的风化花岗岩地层界面识别 谭卓英1） 蔡美峰1） 岳中琦2） 谭国焕2） 李焯芬2） 1） 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室‚北京100083 2） 香港大学土木工程系‚香港 摘 要 针对香港风化花岗岩场址勘探‚在液压旋转钻机上安装钻孔过程监测系统（drilling process monitoring‚DPM）‚对有效 轴压力、钻具转速、冲洗压力、钻头位移及穿孔速率进行了实时监测．采用变斜率作为显著性指数‚对地层中的主、次界面进行 了识别．t 检验表明‚DPM 系统对岩土界面识别的置信度为99％．此外‚对穿孔参数在界面处的变化分析表明‚这些参数随孔 深的变化曲线在界面处存在不同涨落‚轴压力和穿孔速率对界面上岩石强度变化的响应度为81∙82％． 关键词 仪器钻进系统；穿孔参数；风化花岗岩；界面识别 分类号 TU413∙6＋3 收稿日期：2006-01-28 修回日期：2006-03-06 基金项目：香港特别行政区政府研究基金（No．HKU7005／01E）和香 港赛马会慈善基金资助项目；国家自然科学基金重大项目（No． 50490271） 作者简介：谭卓英（1965—）‚男‚教授‚博士 在岩土工程勘察中‚钻探、土工及岩石力学实验 是必不可少的‚该项工作一般占工程费用的10％～ 35％‚非取样钻进的时间一般为取样钻进时的30％ 左右．因此‚研究仪器钻进系统‚对钻进过程进行实 时监测以取代土工和岩石力学实验的研究一直是国 际岩土工程领域的前沿课题之一． 以上研究是基于对穿孔参数与岩石性质的研 究．钻机工作参数和地层性能数据的多变量线性回 归分析表明‚影响钻速最主要的因素是钻头类型、工 作参数以及所穿透地层的特性［1］．在石灰岩和页岩 中‚增加转速比提高其他参数对穿孔速率的影响更 大‚转速是控制穿孔速率最重要的因素［2］．钻进与 岩芯取样实验表明‚穿孔速率及所施加的力矩随作 用于钻具上重量的增加而按指数增长‚穿孔速率随 钻头转速的增加而增加．然而‚转速对转矩及破碎 比能的影响并不显著［3］．在大理岩、粉砂岩、花岗岩 及闪长岩等的凿岩实验模拟也表明‚钻机工作参数、 岩石的强度与硬度‚以及破碎比功之间存在合理的 匹配关系［4—9］．在褐煤中‚单轴抗压强度、抗拉强 度、内聚力、阻抗与穿透速率之间存在一定的关系． 其中‚最主要的是单轴抗压强度‚可用以估计轴压、 转速和穿孔速率［10］． 由此可见‚穿孔参数与可钻性指标及岩石强度 之间存在一定的关系．根据这一关系‚可通过穿孔 参数对地层进行识别．然而‚由于传统方法所取得 的岩芯样本及穿孔数据离散、随机、有限且代表性 差‚所以‚基于岩芯样本的可钻性实验所获数据进行 的线性回归是局部的‚很难反映钻孔剖面全过程的 可钻性变化．因此‚通过仪器钻进系统获取穿孔参 数是 技 术 关 键．基 于 这 一 思 想‚研 发 了 DPM （drilling process monitoring system）系统［16］．通过该 系统‚可实现对钻孔过程中钻进参数的自动采集‚所 监测数据具有实时、连续及样本海量的特点．本研 究根据 DPM 系统在香港风化花岗岩地基勘察中的 应用‚对穿孔参数与岩石强度间的关系进行研究‚以 期揭露地层特性‚对地层进行识别． 1 场址及穿孔作业参数 研究的场址位于香港何文田‚该地基为简单风 化花岗岩地层‚由上覆充填土、全风化至微风化花岗 岩组成‚各层厚度不一．其中‚充填土的厚度为0～ 2∙0m．实验钻探机为 R—20型回转式钻机‚岩芯钻 进采用直径●115mm 金刚石钻头和 T2—101双筒岩 芯套管‚岩芯直径为84mm‚钻杆单重为58∙4kN· m —1．为了全面掌握场址的岩土工程特性‚共布置 47个钻孔‚钻孔的终孔深度为完整基岩以下10m． 钻孔过程中的压力、转速和位移等参数采用 DPM 系统进行实时监测．以某典型钻孔为例进行分析． 2 穿孔参数变化的基本规律 2∙1 轴压力随孔深变化的全过程曲线 轴压力的作用是保证钻头与孔底岩石有效接 触‚并使钻头压入岩石一定深度‚同时保证在钻机回 转过程中‚钻具不致回弹．轴压力过大‚会增大孔底 摩擦‚增加扭矩‚造成卡钻和钻具失效；过小‚钻齿不 能压入岩石‚达不到破碎岩石的效果．因此‚必须维 第29卷 第7期 2007年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．7 Jul．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．07．004