岩体强度参数钻进实时测量系统

技术领域

本发明属于岩土工程勘测技术领域，涉及一种岩体强度参数钻进实时测量系统，用于岩土工程中岩体力学参数的原位测试。

背景技术

目前，在地质及岩土工程等勘察中，获取岩体强度参数的常规方法是通过钻探取样，然后按照一定试验标准加工成试样，在材料试验机上进行测试，获取其强度参数。但这样获取的强度指标通常是岩石而非岩体的强度指标，因此须对岩石强度进行折减以求得岩体强度指标。但这样获得的岩体强度指标是一个估计值，通常为岩石强度的1/7-/1/15，波动很大，难以准确确定，误差大。

为了获得原位条件下的岩体强度参数，除上述方法外，还采用耦合测试和原位测试方法来获得。耦合测试是采用三轴材料试验机，通过对原位条件下的压力、温度及渗流等进行耦合模拟，以获得岩体强度参数。如美国MTS系列以及国产TAW系列材料模拟测试系统。但耦合测试受到两个方面的限制：(1)试件尺寸。较小的岩石试样一般为完整试样，难以反映岩体复杂的节理、层理等结构面。(2)耦合条件难以确定。岩体所处温度、应力等条件通常根据经验判断。这样，使得耦合测试结果难以表征原位情况下的岩体强度。此外，耦合测试对试件加工要求等非常严苛，试验成本很高。

原位测试方法要求先在测试点凿掘硐室，加工岩体试块，然后通过试验装置/设施进行现场测试。岩体强度原位测试方法的主要缺点是：(1)前期准备工程量大，测试装备/设施笨重，安装困难，试验条件受限；(2)前期扰动大；(3)测试参数有限。如现场直剪试验。同样，难以保证真实的原位条件，难以保证参数的准确性，且测试成本很高。

本发明基于旋转钻进岩石破碎原理，通过采集钻孔机或钻探机的钻进工作参数，通过分析建立岩体主要强度参数的确定方法，并实现强度参数随孔深或地层的变化，生成岩体强度参数的钻孔柱状图。

发明内容

本发明的目的是提供克服现有岩体强度参数测试不准确、测试工作量大、耗时长、非连续、费用高等局限性的岩体强度参数实时测试系统。

本发明所述岩体强度参数钻进实时测量系统，其特征在于，该系统包括数据采集系统和数据分析系统。

所述数据采集系统包括数据感应单元和数据放大、转换与集成单元；

所述数据感应单元，由压力传感器，流量传感器，位移传感器，加速度传感器，转速传感器，扭矩传感器构成；

其中，所述压力传感器用于采集钻机钻柱及钻头的前进或后退产生动力荷载时的液体或气体压力，所产生的电信号输出为电信号；

所述流量传感器用于采集钻进液的流量，所产生的电信号通过标定输出为电信号；

所述位移感器用于采集柱(钻头)的轴向位移及轴向速度的变化；输出信号为位移；

所述加速度传感器用于监测钻机在旋转钻进过程中，在钻柱轴向所产生的振动加速度，输出电信号；

所述转速传感器用于监测钻机在钻进过程中，钻柱及钻头的旋转速度，输出信号为转速；

所述扭矩传感器为动态扭矩传感器，用于监测钻机在旋转钻进过程中在钻柱及钻头上产生的扭矩，输出为电信号；

以上传感器均为数字式传感器，其中输出的电信号，可以设置为电压、电阻及电流，分别为mv、mΩ及mA，通过标定为相应的直接可读物理量。位移、转速输出为直接可读物理量，属系统前置参数，在测试时仍需进行标定和校验。钻速由分析单元通过钻柱/钻头位移的时间关系计算获得。

所述数据采集单元，由放大器、数字应变仪和数据集成盒构成；其中，所述电信号均为数字信号，经所述放大器放大后通过所述数字应变仪进入所述数据集成盒，所述钻头位移及转速信号直接进入数据集成盒，进行数据集成然后上传到所述数据分析单元；

所述数据分析单元，由计算机，打印机和外部显示单元组成，所述计算机通过程序对所述信号数据进行分析、存储和输出，并实时生成数据表和图形。

所述放大器与所述数字应变仪采用CR-655接口电缆传输数据，所述数字应变仪与所述数据集成盒通过RS-232C接口电缆传输数据，所述数据集成盒与数据分析单元采用CR-553B接口电缆传输数据。

所述数字应变仪的工作电压为12V。

所述数据集成盒的工作电压为12V。

本发明的有益效果是，由于采用上述技术方案，该系统通过数据感应单元和数据采集单元获取钻机工作时钻柱上的轴压力、钻孔排碴流量、钻头位移、钻柱及钻头转速、钻柱力矩以及钻柱上的轴向加速度；通过分析单元，对钻头钻进过程中的受力、能量及岩石破坏机理进行分析，获取岩体强度参数。该系统可用于一切旋转钻探机及钻孔机，在破坏式钻进中获得原位条件下岩体抗压强度、抗剪强度、杨氏模量、波松比、内摩擦角及内聚力，实现钻进过程中岩体强度参数的实时、连续确定，并生成上述参数随孔深变化曲线及强度参数可视化钻孔柱状剖面图。该系统无须取样、加工及室内测试，易于安装，操作简单，自动化程度及测试精度高。

附图说明

图1是本发明岩体强度参数钻进实时测量系统的系统构造图；

图2是本发明在实例中压力传感器的连接图。

图3是本发明在实例中转速传感器的布置图。

图4是本发明在实例中钻头位移传感器的布置图。

图5是本发明在实例中钻柱扭矩传感器的布置图。

图6是本发明在实例中钻柱轴向加速度传感器的布置图。

图7是本发明在实例中数据分析系统功能模块图。

图中：

1.驱动马达 10.压力表

2.减速箱 11.压力传感器

3.滑块 12.信号线缆

4.减速箱输出轴 13.连接头

5.钻杆 14.转速传感器

6.钻头 15.位移传感器

7.传动部 16.光束

8.标准靶 17.扭矩传感器

9.压力阀 18.加速度传感器

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明岩体强度参数钻进实时测量系统，该系统包括数据采集系统和数据分析系数，其中数据采集系统由数据感应单元和数据放大转换与集成单元；

数据感应单元包括压力传感器P，用来监测钻机在钻柱轴向上产生荷载时的液体或气体压力。对于液压旋转式钻机，荷载包括钻柱沿钻架钻进或退出运动的压力，即轴压力和调压力；一般需要2个压力传感器，作用于钻柱的荷载与钻孔方式有关，视钻孔机或钻探机的类型会有所改变。在岩土工程钻进中，一般采用气动或液压驱动。但流体介质的改变，一般只会改变压力幅值及动力效率，而监测原理相同。不同之处是液压驱动的压力通常比气动时高出数倍到数十倍。因此，不同的驱动方式，选择的压力传感器的量测范围会有所变化；流量传感器Q主要用来测量钻进液的流量；加速度传感器a主要用于监测钻机的轴向振动，通过分析振动及钻进液的变化情况可以判断地层的变化，借助其他手段可以进一步判断地层岩性；转速传感器用来监测钻柱(钻头，下同)的转速；位移传感器用来监测钻柱的位置变化和在钻柱轴向的钻进位移；扭矩传感器用以监测钻柱上力矩的变化；所述各传感器感测获得的数据上传到数据采集单元的放大与集成单元。

放大器用以将电信号放大，它通过CR-655接口电缆与数字式应变仪相连，并通过RS-232C接口电缆将数据输入到数据集成盒；数据集成盒，将感应单元输入的数据进行集成，通过CR-553B接口电缆输入到数据分析单元。

数据分析单元，包括计算机及其它终端，用于将数据进行存储、显示、分析、打印及网络传输。

如图2所示，本发明在实例中压力传感器的连接图，流量传感器安装在管路中的输入I-输出O回路中压力表10的前方，当压力流体输入到管路中，经压力阀9、压力表10及传感器11输入到工作机构，当压力流体经压力传感器11时，压力作用于传感器上的压阻片，使其变形从而使电阻、电流或电压等电信号发生改变，电信号经数据电缆12传输给数据采集系统，钻井液的变化由流量传感器Q获取，然后通过数据电缆、接口传输到数据采集系统的放大器，经放大后传输到应变仪；

如图3所示，本发明在实例中转速传感器的布置图。转速传感器14安装在钻架上与探针13对应的位置上。当探针13与钻杆5一起转动时，探针13将在转速传感器14前端扫过(虚线园为探针6转动时的轨迹)，此时转速传感器14发生电磁脉冲，并通过数据电缆12传输给数据采集系统。本发明中钻柱是指钻杆5、联接套13及钻头6的总称。因此，钻头6、钻杆5和减速箱2的输出轴具有相同的转速。

如图4所示，本发明在实例中位移传感器的布置图，驱动马达1通过输出轴与减速箱2相连，1、2的外体与滑块3固定联接，滑块3通过链条或活塞7驱动，沿钻架上的滑轨发生轴向滑动，从而带动钻杆5与钻头6运动，位移传感器15固定在减速箱2上的适当位置，安装时位移传感器15的轴线及光束16与钻杆5轴线相互平行，光束16照射在钻孔地面的标准靶8上。光束16与标准靶8相互垂直，测试时应进行校准，当发生偏转不垂直时，应将位移修正为钻杆5轴线上的位移。

钻头在链条或活塞7作用下施加的轴压、驱动马达1及减速箱2输出轴旋转产生的力矩作用下，破碎岩石，并以一定的速率穿透岩石，从而产生轴向位移。本发明中钻杆5、联接套13及钻头6组成钻柱，是一个整体。因此，钻头6、钻杆5具有相同的轴向位移。在钻进过程中，钻机每次推进一定长度，多次循环推进。此时，钻头的实际进尺是多次循环推进后位移的总和。它由减速箱2前端面到标准测靶8间的距离变化来反映钻头位置的变化。位移传感器15的测量数据通过其接口电缆12传输到数据采集系统的数据集成单元。

如图5所示，本发明在实例中钻柱扭矩传感器测量布置图，扭矩传感器17安装在钻杆5的上端，通过减速机2输出轴联轴器或法兰(视钻机而定)与钻杆5连接，当钻柱在一定的轴压和转速下旋转时，扭矩传感器内的电阻片发生变形，从而使电阻、电压和电流发生变化，电信号经数据电缆传输给数据采集系统，扭矩传感器17是一种高敏数字式传感器，可直接通过数据线缆传输到数据集成单元；当采用低敏传感器时，电信号通过数据电缆、接口传输到数据采集系统的放大器，经放大后传输到应变仪再传输到数据集成单元。

如图6所示，本发明在实例中钻柱轴向振动加速度测量布置图，加速度传感器18安装在钻机机架上的固定部位，由于地层岩体是非均质材料，当钻头穿透不同的岩石地层时，钻具振动将发生变化，经钻头向钻杆传播的质点振动由加速度传感器18获取，再由数据电缆12传输给数据采集系统的数据放大与集成单元。

如图7所示，本发明再实例中数据分析系统的功能模块，功能模块由数据读取、过程识别、参数计算及图形输出四个模块组成，其中数据读取模块读取采集系统传输的数据，并进行预处理；过程识别模块通过对钻进过程参数进行编码，判识钻进子过程并生成纯钻进过程数据；参数计算模块读取纯钻进过程数据，输入算法模型自动完成抗压强度、抗剪强度、杨氏模量、波松比、内聚力及内摩擦角的计算并数据存储；图形输出模块按照用户需求，生成监测参数(压力、流量、转速、扭矩、位移、孔深、钻速)及所述强度参数的数据表、曲线以及强度参数可视化钻孔柱状图，显示、存储、打印和传输。