专利名称：一种地层地质界面仪器钻探感应识别系统的制作方法
技术领域：
本发明属于地质及岩土工程等勘察技术领域，尤其涉及一种地层地质界面仪器钻
探感应识别系统，可用于地质及岩土工程中地层界面、断裂构造、破碎带、软弱含水层、岩溶 空洞、采空区及充填胶结状态等地层结构异化特征的识别。
背景技术：
目前，在地质及岩土工程等勘察中，通常采用的界面识别方法为钻探，其识别 技术方法如静力触探试验(cone penetration test :CPT)、圆锥动力触探(dynamic penetration test :DPT)、标准贯入试验(standard penetration test :SPT)及岩石可钻性 试验(rockdrillability test :RDT)等。在钻孔过程中，为了获取地层剖面，需要进行钻孔 编录、取样、地质分析、土工及岩石力学等大量试验，工作量大，耗时长，费用高。据统计，在 国内外地基钻孔勘探中，纯钻孔时间在整个钻孔勘探中的耗时比例不到30 % ，钻孔勘探费 用一般占整个工程建设费用的15% 28%。 在国际岩土工程领域，英、法、日、美、加拿大及俄罗斯等针对地质勘探方法和岩土 工程钻探方法的不足，一直在探索一种简单、有效的方法来获取有关地层的工程信息。仪器 钻进系统应运而生。ENPAS0L、 PAPER0、 Kajima、 KYPC、 HDK及DPM等仪器钻进系统在钻孔过 程中虽然可以对钻机运行参数如钻机工作压力、钻头位移、转数及扭矩进行自动监测，但存 在如下问题(l)提取纯钻进子过程数据相当复杂，只能进行简单地层的判层；(2)不能对 钻头破碎岩石的力学过程进行监测，数据后处理工作量大、繁杂，不能进行实时判层。
本发明基于钻头冲击或旋转破碎岩石的原理，利用采集钻孔机或钻探机的钻进工 作参数、振动及钻杆中的应力波，并对钻进地层进行识别和力学分级，同时，通过压力、温 度、燃料耗量及流量对钻机进行故障诊断和管理。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服现有钻探取样工作量大，且需要大量土工及岩石力 学试验，耗时长、费用高，以及现有仪器钻进系统纯钻进子过程识别困难等局限性的地层地 质界面仪器钻探感应识别系统。 本发明一种地层地质界面仪器钻探感应识别系统，该系统包括数据感应单元，数 据采集单元和数据分析单元； 所述数据感应单元，由压力传感器，流量传感器，温度传感器，振动传感器，应力传 感器构成； 其中，所述压力传感器用于采集钻机水平向前或后退运动、钻头及钻杆的前进或 后退、冲洗水/液压力产生动力荷载时的液体或气体压力，所产生的电信号通过标定输出 为压力信号； 所述流量传感器用于采集钻进液的流量以及燃料油、液压油及润滑油的消耗量， 所产生的电信号通过标定输出为压力信号；
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所述温度传感器用于采集钻井液或燃料油、润滑油和液压油的温度变化；输出温 度信号； 所述振动传感器用于采集钻进过程中钻机的轴向和横向振动所产生振动信号；
所述应力传感器用于监测钻机在旋转钻进过程中，钻头破碎岩石所产生的应力波 信号； 所述数据采集单元，由转换盒、放大器、数字应变仪和数据集成盒构成；其中，所述
压力信号经转换盒转化成数字信号后通过所述数字应变仪进入所述数据集成盒，所述振动
信号和应力波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，所述温
度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构成，所述数据分析单元通
过分析所述应变传感器感应钻具中的轴向应力-应变的变化和所述振动传感器振动及钻
进特征参数来判别不同阻抗材料的分异性，实现对钻进地层进行识别和力学分级；通过监
控压力、温度、燃料耗量及流量对钻机进行故障诊断和管理。 所述数据感应单元还包括转数传感器和位移传感器，所述转速传感器用于采集钻 头及钻杆的转速；所述位置传感器用于采集钻头的位置的变化。 所述转换盒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6V。 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，该系统将钻机工作参数的监测与 钻头钻进参数的监测有效结合，一方面，通过钻机工作压力、温度、冲洗液及燃料油的监测， 可实现对钻机工作状态、油耗及发热等状态进行实时监测和故障诊断；另一方面，通过对钻 头旋转钻进的轴向应变以及振动等进行监测，对钻头钻进过程中的受力进行分析，根据钻 进力对所穿透的地质材料进行地层的力学判层和分级。该系统可用于一切旋转钻进，取代 传统的取样钻进，在破坏式钻进中获得岩土地层的分层特性，实现地层、矿岩边界、岩溶、水 及断层破碎带等界面的实时连续识别和分级。无须取样、土工试验及室内岩土力学性能测 试，可节省取样钻进时间的2/3左右；易于安装，操作简单，样本海量，土工及岩石力学等试 验，自动化程度及识别精度高。
图1是本发明地层地质界面仪器钻探感应识别系统的系统构造图； 图2是本发明在实例中压力传感器的连接图。 图3是本发明在实例中应变测量布置图。 图4是本发明在实例中旋转传感器的布置图。 图5是本发明在实例中激光位移传感器的布置图。 图6是本发明在实例中数据输出的一种连接方式图。 图中 1.驱动马达 9.压力阀
2.减速箱 3.滑块 4.减速箱输出轴 5.钻杆 6.钻头 7.传动部 8.标准耙
10. 压力表
11. 压力传感器
12. 信号线缆
13. 连接头
14. 转数传感器
15. 激光测距仪
16. 激光束
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 如图1所示，本发明地层地质界面仪器钻探感应识别系统，该系统包括数据感应 单元，数据采集单元及数据分析单元； 感应单元包括压力传感器S1，用来监测钻机水平向前或后退运动、钻头及钻杆的 前进或后退、冲洗水/液压力等产生动力荷载时的液体或气体压力。对于液压旋转式钻机， 动荷载包括(l)钻机沿水平导轨前进或后退运动的压力；(2)钻具沿钻架钻进或退出运动 的压力，即轴压力和调压力；(3)冲洗液压力。 一般需要5个或更多压力传感器，作用于钻 机及钻具的动荷载与钻孔方式有关，视钻孔机的类型会有改变。在斜坡土钉钻进中，一般采 用气动驱动和气动排碴。但流体介质的改变，一般只会改变压力的幅值及动力效率，而监测 原理是完全相同的。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， 不同的动力驱动方式，选择的压力传感器的量测范围会不同；流量传感器S2主要用来测量 钻进液的流量以及燃料油的消耗，和监测燃料、液压油及润滑油的消耗量与消耗速率；温度 传感器S3主要用于监测钻机发动机及钻具驱动马达燃料及润滑油的温度；振动传感器S4 用来监测钻进过程中钻机的轴向和横向振动，通过分析振动的变化情况可以判断地层的变 化；应变传感器S5主要用于监测钻机在旋转钻进过程中，钻头破碎岩石所产生的应力波； 转速传感器用来监测钻头及钻杆的转速；位置传感器用来监测钻头的位置；各个感应器获 到的感测数据上传到数据采集单元。 数据采集单元，包括放大器，用以将应变信号放大；转换盒，将压力传感器采集和 流量传感器的模拟数据进行转换。它通过CR-655接口电缆与数字式应变仪相连；转换盒将 输入的压力信号变换为数字信号，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。
所述数据分析单元，由计算机，打印机和外部显示单元构成，所述数据分析单元通 过分析所述应变传感器感应钻具中的轴向应力-应变的变化和所述振动传感器振动及钻 进特征参数来判别不同阻抗材料的分异性，实现对钻进地层进行识别和力学分级；通过监 控压力、温度、燃料耗量及流量对钻机进行故障诊断和管理。 如图2所示，本发明在实例中压力传感器的连接图，流量传感器和温度传感器安 装在管路中的输入i-输出0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，钻井液或燃料油、润滑油和液压油的消耗和温度变化，由流量传感器S2和温度传感器S3拾取，在通过数据电缆传输到数据采集系统； 如图3所示，本发明在实例中应变测量布置图，振动传感器S4安装在钻机机架或 机座的固定部位，当钻头穿透不同的岩石地层时，钻具的振动将发生改变，经钻头向钻杆传 播的压縮振动波由振动传感器S4拾取，再由数据电缆12传输给数据采集系统；应变传感器 S5的应变片8安装在减速器输出轴的联结头4上，并通过信号线12与放大器及数字式应变 仪相连，应变片8用以记录钻进过程中由钻头6破碎岩石所产生的触发，通过钻杆5传输到 联结头4上的入射应力波，再由数据电缆12传输给数据采集系统。 如图4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 —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)，即传感器14位于探针13旋转圆周线所包络的平 面中。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。本发明中钻具是 指钻杆5、联接套13及钻头6的总称。因此，钻头6和减速箱2的输出轴具有相同的转速。 如图5所示，本发明在实例中激光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带动，沿钻架上的滑轨滑动， 从而带动钻杆5与钻头6运动，激光测距仪15固定在减速箱2上的适当位置，安装时激光 测距仪15的轴线及激光线束16与钻杆5轴线相互平行，激光束16照射在钻孔地面的标准 革巴8上。激光束16与标准靶8相互垂直，当不垂直时位移应修正为钻杆5轴线上的位移。
钻头在传动部7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地层，从而产生位移。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的位移的总和。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改变。位移传感器15的监测数据通 过其接口电缆12传输到数据采集系统。 如图6所示，数据采集子单元安装在地面工作台上，将感应系统采集的各种数据 信号进行放大、转化后，将数据传输到计算机，计算机通过程序对接收到的数据进行分析， 当钻头在轴压和旋转力矩的作用下，当地层岩石的钻进强度发生变化时，将产生冲击应力 波。在同一地层中钻进时，这种应力波相对平稳而且比较弱，当岩石变化差异较大，这种应 力波会发生显著变化，实现对地层行识别和力学分级，然后通过打印机输出，外部显示单元 显示分析结果。
权利要求
一种地层地质界面仪器钻探感应识别系统，其特征在于，该系统包括数据感应单元，数据采集单元和数据分析单元；所述数据感应单元，由压力传感器，流量传感器，温度传感器，振动传感器，应力传感器构成；其中，所述压力传感器用于采集钻机水平向前或后退运动、钻头及钻杆的前进或后退、冲洗水/液压力产生动力荷载时的液体或气体压力，所产生的电信号通过标定输出为压力信号；所述流量传感器用于采集钻进液的流量以及燃料油、液压油及润滑油的消耗量，所产生的电信号通过标定输出为压力信号；所述温度传感器用于采集钻井液或燃料油、润滑油和液压油的温度变化信号；所述振动传感器用于采集钻进过程中钻机的轴向和横向振动所产生振动信号；所述应力传感器用于采集钻机在旋转钻进过程中，钻头破碎岩石时所产生的应力波信号；所述数据采集单元，由转换盒、放大器、数字应变仪和数据集成盒构成；其中，所述压力信号经转换盒转化成数字信号后通过所述数字应变仪进入所述数据集成盒，所述振动信号和应力波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，所述温度信号直接进入数据集成盒；所述信号通过所述数据集成盒进行数据集成后，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构成，所述数据分析单元通过分析所述应变传感器感应钻具中的轴向应力-应变的变化和所述振动传感器振动及钻进特征参数来判别不同阻抗材料的分异性，实现对钻进地层进行识别和力学分级；通过监控压力、温度、燃料耗量及流量对钻机进行故障诊断和管理。
2. 根据权利要求1所述的地层地质界面仪器钻探感应识别系统，其特征在于，所述数 据感应单元还包括转数传感器和位移传感器，所述转速传感器用于采集钻头及钻杆的转 速；所述位置传感器用与采集钻头的位置的变化。
全文摘要
本发明一种地层地质界面仪器钻探感应识别系统，该系统包括数据感应单元，数据采集单元和数据分析单元；该系统将钻机工作参数的监测与钻头钻进参数的监测有效结合，一方面，通过钻机工作压力、温度、冲洗液及燃料油的监测，可实现对钻机工作状态、油耗及发热等状态进行实时监测、故障诊断和控制管理；另一方面，通过对钻头旋转钻进的轴向应变以及振动等进行监测，对钻头钻进过程中的受力进行分析，根据钻进力对所穿透的地质材料进行地层的力学判层和分级，无须取样、土工试验及室内岩土力学性能测试，可节省取样钻进时间的2/3左右；易于安装，操作简单，识别精度高。
文档编号E21B47/00GK101761328SQ20101011638
公开日2010年6月30日 申请日期2010年3月3日 优先权日2010年3月3日
发明者刘文静, 谭卓英 申请人:北京科技大学