岩层参数的确定方法及装置与流程

本发明涉及一种岩层参数的确定方法及装置，属于地质勘探工程技术领域。

背景技术：

在煤矿、隧道等地下工程中，岩层情况对工程的安全有较大影响。目前，主要通过岩石取芯、钻孔窥视等了解岩层信息，但上述方法影响工程进展速度，且费时费力，不能够实时了解工程所处岩层环境。

目前，石油行业的随钻测井技术相对成熟，但局限性较大，在煤矿等地下工程中还没广泛应用。也有学者提出了基于钻孔岩屑的地层探测法，但岩屑收集困难，且对于岩性易溶于水的岩层，不能够收集到该岩层的岩屑，导致对地层结构的判断不连续，且该方法不能对岩石的单轴抗压强度进行预测。

因此，许多学者提出了基于锚杆钻机的随钻参数实时识别岩层的方法，但目前国内还未找到有效方法使该技术得到广泛应用。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种岩层参数的确定方法及装置。

本发明提供的岩层参数的确定方法，包括获取钻进岩层过程中在不同的数据采集时间t采集到的g个试验数据组，所述试验数据组中的试验数据包括钻进单位体积岩石时的钻杆轴力做功值wf、钻进单位体积岩石时的钻杆扭矩做功值wm、钻进单位体积岩石时的钻头与孔底摩擦做功值wf；将所述g个试验数据组中的试验数据分别代入岩石单轴抗压强度值rc的估算公式，以确定在不同的数据采集时间t采集到的所述g个试验数据组分别对应的g个岩石单轴抗压强度值rci，其中rci为按照采集时间顺序获取的第i个试验数据组所对应的岩石单轴抗压强度值；将确定的g个岩石单轴抗压强度值rci按照数据采集的时间顺序形成一岩石单轴抗压强度值的数据序列a＝(rc1，rc2，rc3，……，rci，……，rcg)，将该数据序列a通过k-means聚类分析软件来确定最终分类结果；所述最终分类结果包括最佳分类数ds和每一分类的子序列；其中最佳分类数ds即为岩层按照岩石单轴抗压强度值的区别划分的总层数；当第e个子序列为ae＝(rca，rca+1，……，rcb)时，则第e层岩层的单轴抗压强度均值r为：

可选地，本发明提供的岩层参数的确定方法还包括获取随数据采集时间t变化的钻杆的钻进速度v的表达式v(t)，所述钻杆的钻进速度为钻杆每秒进入岩层的深度，单位为m/s；所述钻杆的钻进速度v的表达式v(t)的获取方法包括：将不同的钻杆的钻进速度v与钻进速度v的采集时间t通过数据拟合得到表达式v(t)；确定第e个子序列ae＝(rca，rca+1，……，rcb)中岩石单轴抗压强度值所对应的数据采集时间t的区间te＝[ta，tb]；则第e层岩层的厚度为：

可选地，本发明提供的岩层参数的确定方法还包括：根据公式(3)计算所述钻进单位体积岩石时的钻杆轴力做功值wf：

根据公式(4)计算所述钻进单位体积岩石时的钻杆扭矩做功值wm：

根据公式(5)计算所述钻进单位体积岩石时的钻头与孔底摩擦做功值wf：

式中，f为钻杆的推力，单位为n；λ为扩孔系数，即钻孔的横截面的面积与钻杆的横截面的面积之比；r为钻杆的钻头直径，单位为m；m为钻杆的扭矩，单位为n·m；n为钻杆的转速，单位为r/min；v为钻杆的钻进速度，即为钻杆每秒进入岩层的深度，单位为m/s；μ为钻头与孔底的摩擦系数，μ取值为0.21。

可选地，本发明提供的岩层参数的确定方法中所述岩石单轴抗压强度值rc的估算公式的确定方法包括：以钻进单位体积岩石时的钻杆轴力做功值wf、钻进单位体积岩石时的钻杆扭矩做功值wm、钻进单位体积岩石时的钻头与孔底摩擦做功值wf为自变量，以岩石单轴抗压强度值rc为因变量，通过线性回归方法得到。

此外，本发明还提供了岩层参数的确定装置，包括获取模块，所述获取模块用于获取钻进岩层过程中在不同的数据采集时间t采集到的g个试验数据组，所述试验数据组中的试验数据包括钻进单位体积岩石时的钻杆轴力做功值wf、钻进单位体积岩石时的钻杆扭矩做功值wm、钻进单位体积岩石时的钻头与孔底摩擦做功值wf；还包括确定模块，所述确定模块用于将所述g个试验数据组中的试验数据分别代入岩石单轴抗压强度值rc的估算公式，以确定在不同的数据采集时间t采集到的所述g个试验数据组分别对应的g个岩石单轴抗压强度值rci，其中rci为按照采集时间顺序获取的第i个试验数据组所对应的岩石单轴抗压强度值；所述确定模块还用于将确定的g个岩石单轴抗压强度值rci按照数据采集的时间顺序形成一岩石单轴抗压强度值的数据序列a＝(rc1，rc2，rc3，……，rci，……，rcg)，将该数据序列a通过k-means聚类分析软件来确定最终分类结果；所述最终分类结果包括最佳分类数ds和每一分类的子序列；其中最佳分类数ds即为岩层按照岩石单轴抗压强度值的区别划分的总层数；当第e个子序列为ae＝(rca，rca+1，……，rcb)时，则第e层岩层的单轴抗压强度均值r为：

可选地，本发明提供的岩层参数的确定装置中所述获取模块还用于获取随数据采集时间t变化的钻杆的钻进速度v的表达式v(t)，所述钻杆的钻进速度为钻杆每秒进入岩层的深度，单位为m/s；所述钻杆的钻进速度v的表达式v(t)的获取方法包括：将不同的钻杆的钻进速度v与钻进速度v的采集时间t通过数据拟合得到表达式v(t)；确定第e个子序列ae＝(rca，rca+1，……，rcb)中岩石单轴抗压强度值所对应的数据采集时间t的区间te＝[ta，tb]；则第e层岩层的厚度为：

可选地，本发明提供的岩层参数的确定装置中，所述获取模块还用于根据公式(3)获取所述钻进单位体积岩石时的钻杆轴力做功值wf：

所述获取模块还用于根据公式(4)获取所述钻进单位体积岩石时的钻杆扭矩做功值wm：

所述获取模块还用于根据公式(5)获取所述钻进单位体积岩石时的钻头与孔底摩擦做功值wf：

式中，f为钻杆的推力，单位为n；λ为扩孔系数，即钻孔的横截面的面积与钻杆的横截面的面积之比；r为钻杆的钻头直径，单位为m；m为钻杆的扭矩，单位为n·m；n为钻杆的转速，单位为r/min；v为钻杆的钻进速度，即为钻杆每秒进入岩层的深度，单位为m/s；μ为钻头与孔底的摩擦系数，μ取值为0.21。

可选地，本发明提供的岩层参数的确定装置中所述确定模块还用于确定所述岩石单轴抗压强度值rc的估算公式；所述岩石单轴抗压强度值rc的估算公式的确定方法包括：以钻进单位体积岩石时的钻杆轴力做功值wf、钻进单位体积岩石时的钻杆扭矩做功值wm、钻进单位体积岩石时的钻头与孔底摩擦做功值wf为自变量，以岩石单轴抗压强度值rc为因变量，通过线性回归方法得到。

可选地，本发明提供的岩层参数的确定装置还包括数据采集器，所述数据采集器用于采集钻杆钻进单位体积岩石时的试验数据；所述数据采集器包括钻速传感器、转速传感器、压力传感器和扭矩传感器；所述钻速传感器用于采集钻进速度v；所述转速传感器用于采集钻杆的转速n；所述压力传感器用于采集钻杆的推力f；所述扭矩传感器用于采集钻杆的扭矩m；还包括显示器，所述显示器用于显示数据采集器采集的钻杆钻进单位体积岩石时的试验数据、获取模块获取的数据和确定模块确定的数据；所述获取模块用于接收数据采集器采集的钻杆钻进单位体积岩石时的试验数据和对应的单轴抗压强度值rc；所述确定模块对获取模块获取的数据信息进行处理。

本发明提供的一种岩层参数的确定方法及装置，通过将获取的钻进岩层过程中在不同的数据采集时间采集到的多个试验数据组中的钻进单位体积岩石时的钻杆轴力做功值、钻进单位体积岩石时的钻杆扭矩做功值、钻进单位体积岩石时的钻头与孔底摩擦做功值代入岩石单轴抗压强度值rc的估算公式，来得到多个岩石单轴抗压强度值，并通过k-means聚类分析软件来确定不同岩层分类中的岩石单轴抗压强度值组成的子序列，通过求子序列中岩石单轴抗压强度值的均值，即得到该岩层的单轴抗压强度均值。从而极大的简化了地质勘探程，且对于井巷工程实现了岩性连续探测，节约了人力和时间成本。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本实施例的岩层参数的确定方法的流程示意图；

图2为本实施例的岩层参数的确定装置的连接示意图。

附图标记说明：1-获取模块；2-确定模块；3-显示器；

11-钻速传感器；12-转速传感器；13-压力传感器；14-扭矩传感器。

通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实施例保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本实施例提供的岩层参数的确定方法，包括：

s1、获取钻进岩层过程中在不同的数据采集时间t采集到的g个试验数据组，试验数据组中的试验数据包括钻进单位体积岩石时的钻杆轴力做功值wf、钻进单位体积岩石时的钻杆扭矩做功值wm、钻进单位体积岩石时的钻头与孔底摩擦做功值wf；

示例性的，在钻机对岩层进行钻探的过程中，通过实验装置可以直接或者间接的获取单位体积岩石时的钻杆轴力做功值wf、钻进单位体积岩石时的钻杆扭矩做功值wm、钻进单位体积岩石时的钻头与孔底摩擦做功值wf这类的实验数据；当实验装置在获取这些数据时，可以同时记录下获取这些数据时的时间，这些数据获取的时间可以是同步的。

其中，g个试验数据组表示多个试验数据组，并不是对数据组的个数作具体的限定，只是为了后续的表述方便，对获取的试验数据组的个数所做的表达。

s2、将g个试验数据组中的试验数据分别代入岩石单轴抗压强度值rc的估算公式，以确定在不同的数据采集时间t采集到的g个试验数据组分别对应的g个岩石单轴抗压强度值rci，其中rci为按照采集时间顺序获取的第i个试验数据组所对应的岩石单轴抗压强度值；

示例性的，岩石单轴抗压强度值rc的估算公式是预先已经确定的，其中岩石单轴抗压强度值rc的估算公式可以是直接用其他文献中已经确定的参考公式，也可以通过对另外的实验数据进行线性回归来得到。

s3、将确定的g个岩石单轴抗压强度值rci按照数据采集的时间顺序形成一岩石单轴抗压强度值的数据序列a＝(rc1，rc2，rc3，……，rci，……，rcg)，将该数据序列a通过k-means聚类分析软件来确定最终分类结果；最终分类结果包括最佳分类数ds和每一分类的子序列；其中最佳分类数ds即为岩层按照岩石单轴抗压强度值的区别划分的总层数；当第e个子序列为ae＝(rca，rca+1，……，rcb)时，则第e层岩层的单轴抗压强度均值r为：

示例性的，由于在钻探过程中，随着钻探深度的增加，岩层的岩性发生变化，在这个过程中所获取的g个岩石单轴抗压强度值rci自身具有时序性，为了得到连续的岩层的岩性，当对这些数据进行分析的时候，也有时序性的条件限制。子序列为数据序列a中的某一段序列，且多个子序列之间不出现重叠的情况。在最终分类结果中，数据序列a分为ds个子序列，且将多各子序列按照时间顺序排列后，其数据的连续性和数据序列a可以完全相同。

k-means算法是硬聚类算法，是典型的基于原型的目标函数聚类方法的代表，它是数据点到原型的某种距离作为优化的目标函数，利用函数求极值的方法得到迭代运算的调整规则。算法采用误差平方和准则函数作为聚类准则函数。具有k-means算法功能的软件常用的有r软件，matlab。聚类分析的具体过程是依靠现有的软件完成的，本实施例不对聚类分析的过程和原理进行详细的描述，仅对所需输入的原始数据和所要得到的数据类型作示例性说明。

可选地，在上述实施例的基础上，本实施例提供的岩层参数的确定方法还包括以下步骤：

s4、获取随数据采集时间t变化的钻杆的钻进速度v的表达式v(t)，钻杆的钻进速度为钻杆每秒进入岩层的深度，单位为m/s；钻杆的钻进速度v的表达式v(t)的获取方法包括：将不同的钻杆的钻进速度v与钻进速度v的采集时间t通过数据拟合得到表达式v(t)；确定第e个子序列ae＝(rca，rca+1，……，rcb)中岩石单轴抗压强度值所对应的数据采集时间t的区间te＝[ta，tb]；则第e层岩层的厚度为：

示例性的，受岩石单轴抗压强度的影响，钻杆在岩层中的钻速会发生变化，钻速传感器可以每隔一定时间，比如几毫秒，记录一次钻杆的钻速值，根据实验中采集得到的某个时间段中不同时间对应的多个钻速值，通过非线性拟合，可以得到随数据采集时间t变化的钻杆的钻进速度v的表达式v(t)。

也可以在得到数据采集时间t的区间te＝[ta，tb]的前提下，结合在此时间段钻探的总深度，将钻速的平均值作为钻杆的钻进速度v。

可选地，在上述实施例的基础上，步骤s1还可以包括：根据公式(3)计算钻进单位体积岩石时的钻杆轴力做功值wf：

根据公式(4)计算钻进单位体积岩石时的钻杆扭矩做功值wm：

根据公式(5)计算钻进单位体积岩石时的钻头与孔底摩擦做功值wf：

式中，f为钻杆的推力，单位为n；λ为扩孔系数，即钻孔的横截面的面积与钻杆的横截面的面积之比；r为钻杆的钻头直径，单位为m；m为钻杆的扭矩，单位为n·m；n为钻杆的转速，单位为r/min；v为钻杆的钻进速度，即为钻杆每秒进入岩层的深度，单位为m/s；μ为钻头与孔底的摩擦系数，μ取值为0.21。

示例性的，有些测试装置可以直接得到钻进单位体积岩石时的钻杆轴力做功值wf、钻进单位体积岩石时的钻杆扭矩做功值wm、钻进单位体积岩石时的钻头与孔底摩擦做功值wf；而在实际中，也可以通过间接测量的方式来得到。

可选地，在上述实施例的基础上，步骤s2还可以包括：本实施例提供的岩层参数的确定方法中岩石单轴抗压强度值rc的估算公式的确定方法包括：以钻进单位体积岩石时的钻杆轴力做功值wf、钻进单位体积岩石时的钻杆扭矩做功值wm、钻进单位体积岩石时的钻头与孔底摩擦做功值wf为自变量，以岩石单轴抗压强度值rc为因变量，通过线性回归方法得到。

示例性的，线性回归方法时科学研究中常用的一种数据处理方法，即通过预先获取可靠的实验数据来得到经验公式，然后利用该经验公式对结果进行估算的一种方法。多元线性回归的软件可以使用spss(statisticalproductandservicesolutions，统计产品与服务解决方案)、microsoftexcel等可以进行数据处理的软件。

此外，如图2所示，本实施例还提供了岩层参数的确定装置，包括获取模块1，获取模块1用于获取钻进岩层过程中在不同的数据采集时间t采集到的g个试验数据组，试验数据组中的试验数据包括钻进单位体积岩石时的钻杆轴力做功值wf、钻进单位体积岩石时的钻杆扭矩做功值wm、钻进单位体积岩石时的钻头与孔底摩擦做功值wf；还包括确定模块2，确定模块2用于将g个试验数据组中的试验数据分别代入岩石单轴抗压强度值rc的估算公式，以确定在不同的数据采集时间t采集到的g个试验数据组分别对应的g个岩石单轴抗压强度值rci，其中rci为按照采集时间顺序获取的第i个试验数据组所对应的岩石单轴抗压强度值；确定模块2还用于将确定的g个岩石单轴抗压强度值rci按照数据采集的时间顺序形成一岩石单轴抗压强度值的数据序列a＝(rc1，rc2，rc3，……，rci，……，rcg)，将该数据序列a通过k-means聚类分析软件来确定最终分类结果；最终分类结果包括最佳分类数ds和每一分类的子序列；其中最佳分类数ds即为岩层按照岩石单轴抗压强度值的区别划分的总层数；当第e个子序列为ae＝(rca，rca+1，……，rcb)时，则第e层岩层的单轴抗压强度均值r为：

可选地，本实施例提供的岩层参数的确定装置中获取模块1还用于获取随数据采集时间t变化的钻杆的钻进速度v的表达式v(t)，钻杆的钻进速度为钻杆每秒进入岩层的深度，单位为m/s；钻杆的钻进速度v的表达式v(t)的获取方法包括：将不同的钻杆的钻进速度v与钻进速度v的采集时间t通过数据拟合得到表达式v(t)；确定第e个子序列ae＝(rca，rca+1，……，rcb)中岩石单轴抗压强度值所对应的数据采集时间t的区间te＝[ta，tb]；则第e层岩层的厚度为：

可选地，本实施例提供的岩层参数的确定装置中，获取模块1还用于根据公式(3)获取钻进单位体积岩石时的钻杆轴力做功值wf：

获取模块1还用于根据公式(4)获取钻进单位体积岩石时的钻杆扭矩做功值wm：

获取模块1还用于根据公式(5)获取钻进单位体积岩石时的钻头与孔底摩擦做功值wf：

式中，f为钻杆的推力，单位为n；λ为扩孔系数，即钻孔的横截面的面积与钻杆的横截面的面积之比；r为钻杆的钻头直径，单位为m；m为钻杆的扭矩，单位为n·m；n为钻杆的转速，单位为r/min；v为钻杆的钻进速度，即为钻杆每秒进入岩层的深度，单位为m/s；μ为钻头与孔底的摩擦系数，μ取值为0.21。

示例性的，钻杆的推力f可以通过钻机与地面接触的压力减去钻机自身的重力得到；扩孔系数λ为钻杆成孔后钻孔横截面与钻杆横截面的面积的比值；钻杆的扭矩m可以通过钻机上连接的扭矩传感器14测量得到；钻杆的转速n可以通过钻机上连接的转速传感器12测量得到；钻杆的钻进速度v可以通过钻机上连接的钻速传感器11测量得到。

可选地，本实施例提供的岩层参数的确定装置中确定模块2还用于确定岩石单轴抗压强度值rc的估算公式；岩石单轴抗压强度值rc的估算公式的确定方法包括：以钻进单位体积岩石时的钻杆轴力做功值wf、钻进单位体积岩石时的钻杆扭矩做功值wm、钻进单位体积岩石时的钻头与孔底摩擦做功值wf为自变量，以岩石单轴抗压强度值rc为因变量，通过线性回归方法得到。

可选地，本实施例提供的岩层参数的确定装置还包括数据采集器，数据采集器用于采集钻杆钻进单位体积岩石时的试验数据；数据采集器包括钻速传感器11、转速传感器12、压力传感器13和扭矩传感器14；钻速传感器11用于采集钻进速度v；转速传感器12用于采集钻杆的转速n；压力传感器13用于采集钻杆的推力f；扭矩传感器14用于采集钻杆的扭矩m；还包括显示器，显示器用于显示数据采集器采集的钻杆钻进单位体积岩石时的试验数据、获取模块1获取的数据和确定模块2确定的数据；获取模块1用于接收数据采集器采集的钻杆钻进单位体积岩石时的试验数据和对应的单轴抗压强度值rc；确定模块2对获取模块1获取的数据信息进行处理。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质。该程序在执行时，执行包括上述个方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

有学者在实验室进行了相关研究，采用直径为60mm的pdc钻头进行钻进实验。钻进试件分为不同强度的砂浆试件28组，编号j1-j28，砂岩试件8组，编号为s1-s8。如表1所示为其中的30组实验数据。

以表1中数据为基础，通过岩石单轴抗压强度值rc的估算模型预设为公式(1)进行多元线性回归，得到岩石单轴抗压强度值rc的估算公式：

表1钻进实验数据

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。