一种多参量超前物力灾害实时预测系统及方法与流程

本发明实施例涉及超前物力灾害预测领域，具体涉及一种多参量超前物力灾害实时预测系统及方法。

背景技术：

目前，国内外超前地质预报的技术手段和方法主要有地质法、地球物理探测法和钻探法等。

地面地质调查法，注重预测不良地质体的类型、规模和范围。当地质构造较复杂，地层深度较深时，此种方法准确性低，有时甚至失效；地质雷达、地震波法是地质预报中常见的物探方法，探测速率快、效率高，但是，这类方法受外界干扰大，探测精度低，常作为一种辅助手段对地质条件进行预测，是一种定性探测方法；超前钻孔探测预报法是进行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法，该方法常与地质雷达法等定性探测方法相结合，根据钻孔情况能快速、直观的推断围岩软硬情况，岩性和强度特征，围岩破碎、溶洞情况，围岩节理裂隙发育状况，相较于其他方法，准确性较高，但该方法无法定量获取地层岩土体物理力学参数，导致地层岩土体关键数据缺失，大大降低超前物力灾害预报预测的准确性。

在目前市场上常见的预报方法存在着种种局限性，其在操作过程中不能随着钻头进行任意范围的转换，且获取参数时也需要先钻再测从而导致工作效率被大大降低，其局限性较大市场竞争力不足。

技术实现要素：

为此，本发明实施例提供一种多参量超前物力灾害实时预测系统及方法，以解决现有技术中由于设备在操作过程中不能随着钻头进行任意范围的转换，且获取参数时也需要先钻再测从而导致工作效率被大大降低，其局限性较大市场竞争力不足的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

在本发明实施例的第一个方面，提供了一种多参量超前物力灾害实时预测系统，包括地质信息普查装置、度随钻测量装置和设置在底面上的多源信息接收统计解译存储装置，所述地质信息普查装置、所述度随钻测量装置与所述多源信息接收统计解译存储装置通讯连接；

所述地层信息普查装置依据获取预定范围区域内的地层隐伏病患情况，圈定钻测区域；

所述度随钻测量装置在所述钻测区域以任意预设角度钻进，并实时获取地层岩土体力性参数和地层岩土体物性参数；

所述多源信息接收统计解译存储装置对所述地层岩土体力性参数和所述地层岩土体物性参数进行处理和分析，随钻预测超前物力灾害。

作为本发明实施例的一种优选方案，所述地层岩土体力性参数包括无侧限抗压强度、粘聚力和内摩擦角；所述地层岩土体物性参数包括孔隙度、饱和度、渗透率、岩土体中流体体积及扩散系数。

作为本发明实施例的一种优选方案，所述地质信息普查装置包括地面式探地雷达装置、钻孔雷达装置和雷达图谱解译存储装置。

作为本发明实施例的一种优选方案，所述度随钻测量装置包括地面装置和地下装置；所述地面装置包括数字液压钻进装置，所述数字液压钻进装置与所述多源信息接收统计解译存储装置连接；所述地下装置包括用于随钻定量获取各类岩土层深度及厚度并划分各类岩土层临界区间的随钻伽马射线录井装置，用于随钻定量获取所述地层岩土体物性参数的随钻核磁共振录井装置以及用于生成钻进前方岩土体及孔壁物性细观图像的随钻全孔成像装置。

作为本发明实施例的一种优选方案，且在所述地下装置还包括有与数字液压钻进装置连接且实时度调整钻头钻进方向的随钻钻孔轨迹调控装置，所述随钻钻孔轨迹调控装置一端与液压钻机钻头连接，另一端与液压钻机钻杆链接，用于实时调整钻进方向，实现定向钻进，回钻轨迹复测，定量获取钻孔轨迹物性参数。

作为本发明实施例的一种优选方案，所述数字液压钻进装置包括用于完成度钻测的小孔数字液压钻机和钻进动力供应装置以及钻进参数实时解译采集储存装置，所述数字液压钻进装置用于随钻定量获取地层工程参数以及反演地层力学参数；

所述随钻伽马射线录井装置包括安装在钻杆内壁上的有线信号接收发终端，以及安装于近钻头位置处且与所述有线信号接收发终端电性连接的伽马射线探测器、脉冲幅度鉴别器、分频器、整形器、电缆驱动器；

所述随钻核磁共振录井装置安装于靠钻头位置处的探头和安装在钻杆内壁上的有线信号接收发终端，以及安装在钻杆空腔内且与所述线信号接收发终端电性连接的主控电路、输出功率放大器、磁体；

所述随钻全孔成像装置包括设置在地面上的控制箱和电缆，以及设置在液压钻机钻头底部且通过所述电缆与所述控制箱电性连接的红外线细观成像探头。

作为本发明实施例的一种优选方案，所述多源信息接收统计解译存储装置包括用于随钻解译生成地层硬度图谱、地层伽马图谱、地层核磁共振能谱的多源信息接收模块、多源信息统计解译模块和多源信息存储模块，且所述多源信息接收统计解译存储装置还包括有用于精准重构三维地层模型，自动计算地层各层位岩土体无侧限抗压强度及粘聚力损失度，随钻实时预测超前物力灾害的三维地层重构模块和微型计算机。

在本发明实施例的第二个方面，提供了一种多参量超前物力灾害实时预测方法，包括以下步骤：

s100、判断预定范围内地层隐伏病患情况，并圈定钻测区域；

s200、实时获取钻进前方岩土体细观物性图像、地层岩土体工程参数以及钻进深度关系曲线；

s300、基于地层岩土体工程参数与力性参数量化关系式，同步反演得到岩土体力性参数，并随钻生成地层硬度图谱；

s400、获取各类岩土层深度及厚度，划分各类岩土层临界区间，随钻生成地层自然伽马能谱图，之后再获取地层岩土体孔隙度、饱和度、渗透率、岩土体中流体体积和扩散系数，并随钻生成地层核磁能谱；

s500、结合随钻地层硬度图谱、随钻地层自然伽马能谱图、随钻地层核磁能谱、钻孔轨迹物性参数、岩土体物性图像、邻井标准钻孔芯样数据，精准重构三维地层模型；

s600、计算各层岩土体芯样无侧限抗压强度及粘聚力损失度，结合三维地层模型，完成超前物力灾害预测。

作为本发明实施例的一种优选方案，所述计算各层岩土体芯样无侧限抗压强度及粘聚力损失度，具体为：

计算各层岩土体芯样无侧限抗压强度，岩土体芯样无侧限抗压强度的计算公式为：无侧限强度损失度：

式中:σ'为当前岩土体无侧限抗压强度实测值，σ0为同一岩土体在相同条件下的标准无侧限抗压强度值：粘聚力损失度：

式中：c'为当前岩土体无侧限抗压强度实测值，c0为同一岩土体在相同条件下的标准无侧限抗压强度值。

作为本发明实施例的一种优选方案，所述精准重构三维地层模型，具体包括以下步骤：

所述多源信息融合统计与解译单元采用二级数据融合分析方法，并以第一级为局部融合中心，之后再采用最优加权估计算法进行数据整合，并以第二级为全局融合中心；

釆用小波神经网络算法对同源融合后的数据融合结果进行信度分析与数据推理；

三维地层重构模块采用灰色关联分析与样本学习训练方法，优化收敛三维数字地层模型参数，实现钻井三维数字地层模型精准重构。

本发明的实施方式具有如下优点：

(1)本发明可完成任意角度钻进测试，钻测过程中，快速获取地层岩土体工程参数(扭矩、推进力、进尺速率、转速)、力性参数(无侧限抗压强度、粘聚力、内摩擦角)、物性参数(孔隙度、饱和度、渗透率、岩土体中流体体积和扩散系数)，从而充分解决了只钻不测或关键数据缺失的问题，从而使得后续操作更省时省力；

(2)通过将液压数字钻机、自然伽马能谱装置、核磁能谱装置、随钻钻孔轨迹调控装置、随钻全孔成像装置主要部件一体化，实现定向钻进，随钻生成地层自然伽马能谱、地层核磁能谱、钻孔内岩土体及孔壁物性细观图像，结合钻孔轨迹物性参数、邻井标准钻孔芯样数据，随钻精准构建三维地层模型，减少了工作步骤，提高了工作效率；

(3)该设备在进行预报时，引入了岩土体无侧限抗压强度及粘聚力损失度作为评价指标，并综合三维地层模型结果，随钻预测超前物力灾害，使得适用范围较广市场竞争力较大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的系统结构框图。

图中：

1-地质信息普查装置；2-360度随钻测量装置；3-地面装置；4-地下装置；5-数字液压钻进装置；6-多源信息接收统计解译存储装置；7-随钻伽马射线录井装置；8-随钻核磁共振录井装置；9-随钻全孔成像装置；10-随钻钻孔轨迹调控装置；11-小孔数字液压钻机；12-钻进动力供应装置。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种多参量超前物力灾害实时预测系统，其特征在于，包括地质信息普查装置1、360度随钻测量装置2和设置在底面上的多源信息接收统计解译存储装置6，所述地质信息普查装置1、所述360度随钻测量装置2与所述多源信息接收统计解译存储装置6通讯连接；所述地层信息普查装置依据获取预定范围区域内的地层隐伏病患情况，圈定钻测区域；所述360度随钻测量装置2在所述钻测区域以任意预设角度钻进，并实时获取地层岩土体力性参数和地层岩土体物性参数；所述多源信息接收统计解译存储装置6对所述地层岩土体力性参数和所述地层岩土体物性参数进行处理和分析，随钻预测超前物力灾害。

地层岩土体力性参数包括无侧限抗压强度、粘聚力和内摩擦角；所述地层岩土体物性参数包括孔隙度、饱和度、渗透率、岩土体中流体体积及扩散系数。

该地质信息普查装置1在操作时通过地面式探地雷达装置和钻孔雷达装置来定性判断一定范围内地层隐伏病患情况，之后再通过雷达图谱解译及存储装置进行解译，从疑似隐伏病患区域中圈定钻测区域，地面式探地雷达装置和钻孔雷达装置可根据实际情况进行选择。

360度随钻测量装置2包括地面装置3和地下装置4；所述地面装置3包括数字液压钻进装置5，所述数字液压钻进装置5与所述多源信息接收统计解译存储装置6连接；所述地下装置4包括用于随钻定量获取各类岩土层深度及厚度并划分各类岩土层临界区间的随钻伽马射线录井装置7，用于随钻定量获取所述地层岩土体物性参数的随钻核磁共振录井装置8以及用于生成钻进前方岩土体及孔壁物性细观图像的随钻全孔成像装置9。

数字液压钻进装置连接有用于随钻实时预测超前物力灾害的多源信息接收统计解译存储装置6，该数字液压钻进装置5在进行操作时通过钻进动力供应装置12来为小孔数字液压钻机11提供动力，之后钻进参数实时解译采集储存装置可定量获取小孔数字液压钻机11钻进时经过疑似隐伏病患区域的地层工程参数扭矩、推进力、进尺速率、转速，基于工程参数，反演地层力学参数粘聚力、内摩擦角、无侧限抗压强度，并将获取和反演得到的数据传输至多源信息接收统计解译存储装置6内保存起来。

在所述地下装置4还包括有与数字液压钻进装置5连接且实时360度调整钻头钻进方向的随钻钻孔轨迹调控装置10，所述随钻钻孔轨迹调控装置10一端与液压钻机钻头连接，另一端与液压钻机钻杆链接，用于实时调整钻进方向，实现定向钻进，回钻轨迹复测，定量获取钻孔轨迹物性参数。

地下装置4包括随钻定量获取各类岩土层深度及厚度，并划分各类岩土层临界区间的随钻伽马射线录井装置7和随钻定量获取地层岩土体孔隙度、饱和度、渗透率、岩土体中流体体积和扩散系数的随钻核磁共振录井装置8以及用于生成钻进前方岩土体及孔壁物性细观图像的随钻全孔成像装置9，且在所述地下装置4内还包括有与数字液压钻进装置5连接且实时360度调整钻头钻进方向的随钻钻孔轨迹调控装置10。

该地下装置4在使用时，可以通过随钻钻孔轨迹调控装置10调节钻头的轨迹位置，以实现360的钻测，而在钻测过程中可以通过随钻伽马射线录井装置7和随钻核磁共振录井装置8来获取当前钻测时的各类岩土层临界区间和地层岩土体孔隙度、饱和度、渗透率、岩土体中流体体积和扩散系数，并通过随钻全孔成像装置9来生成钻进前方岩土体及孔壁物性细观图像。

所述数字液压钻进装置5包括用于完成360度钻测的小孔数字液压钻机11和钻进动力供应装置12以及钻进参数实时解译采集储存装置。

所述小孔数字液压钻机11包括金刚石取芯钻头、螺旋钻杆、钻机机架、扭矩传感器、压力传感器、进尺速率光电编码器和转速传感器。该小孔数字液压钻机11中的扭矩传感器、压力传感器、进尺速率光电编码器和转速传感器可实时获取螺旋钻杆带着金刚石取芯钻头钻进时的扭矩，推进力、进尺速率和转速，且该小孔数字液压钻机可完成360度钻测，钻进扭矩最大量程500n·m,推进压力最大量程5000n，进尺速率最大量程2.0m/min，钻进深度最大50m。

所述钻进动力供应装置12包括汽油动力机和液压泵站。

所述随钻钻孔轨迹调控装置10的一端与液压钻机钻头连接，另一端与液压钻机钻杆连接，且所述随钻钻孔轨迹调控装置10包括用于实现地下空间的坐标定位计算、定姿态中靶轨迹设计、受控定向孔轨迹设计、轨迹弯曲规律分析、初级定向孔轨迹设计和二维、三维空间钻孔轨迹形态发送的信号激发装置、信号接受终端、控制装置、供电装置、固定装置和连接装置。

所述随钻伽马射线录井装置7包括用于安装于近钻头位置处的伽马射线探测器、脉冲幅度鉴别器、分频器、整形器、电缆驱动器和安装在钻杆内壁上的有线信号接收发终端，该伽马射线录井装置具有点法测井和连续测井方法两种常规操作方法，其可随钻定量获取各类岩土层深度及厚度，划分各类岩土层临界区间，其测量范围0.00％eu～5.0％eu，灵敏度阈值0.0001％eu。

所述随钻核磁共振录井装置8包括安装在钻杆空腔内的主控电路、输出功率放大器、磁体、安装于靠钻头位置处的探头和安装在钻杆内壁上的有线信号接收发终端。该随钻核磁共振录井装置8可通过有线信号接收发终端将随钻定量获取的地层岩土体孔隙度、饱和度、渗透率、岩土体中流体体积和扩散系数传递至多源信息接收统计解译存储装置6，且随钻核磁共振录井装置8的静磁场强度16.8～17mt，最大测速15.5ft/min，探测深度8in，纵向分辨率点测模式2ft，标准模式5ft，高分辨率模式4ft，共振频率500～800khz，回波间隔0.6ms。

所述随钻全孔成像装置9用于随钻获取钻进前方岩土体及孔壁物性细观图像，实时判断钻进前方地质体特征，确定断层构造、岩层导水裂隙带构造、岩层水流走向，活动性断层、裂隙产状及发育情况；钻进结束后，还可生成全孔柱状图，通过深度编码可显示当前图像所处的深度数值，利用参数编录可直接录入芯样裂隙、产状等特征，且所述随钻全孔成像装置9包括设置在液压钻机钻头底部的红外线细观成像探头、设置在地面上的控制箱和电缆。

所述多源信息接收统计解译存储装置6包括用于随钻解译生成地层硬度图谱、地层伽马图谱、地层核磁共振能谱的多源信息接收模块、多源信息统计解译模块和多源信息存储模块，且所述多源信息接收统计解译存储装置6还包括有用于精准重构三维地层模型，自动计算地层各层位岩土体无侧限抗压强度及粘聚力损失度，随钻实时预测超前物力灾害的三维地层重构模块和微型计算机。

数据传输模块包括有线传输模块以及无线传输模块，其在选用时可根据实际需求进行合理的选用。

所述地质信息普查装置确定钻侧区域，随后随钻钻孔轨迹调控装置钻入岩土层并完成360度钻测，此时多源信息接收统计解译存储装置通过数据传输模块接收到来自数字液压钻进装置、随钻伽马射线录井装置、随钻核磁共振录井装置传输的信息并解译生成地层硬度图谱、地层伽马图谱、地层核磁共振能谱，之后再精准重构三维地层模型，自动计算地层各层位岩土体无侧限抗压强度及粘聚力损失度，并根据工程重点考虑方向，随钻实时预测超前物力灾害。

进一步的，所述根据工程重点考虑方向，随钻实时预测超前物力灾害的具体操作为：

对于重点考虑岩土体无侧限抗压强度的工程，选取无侧限抗压强度损失度作为评价指标评判超前物力灾害等级，超前物力灾害等级划分如下：

对于重点考虑岩土体抗剪强度的工程，选取粘聚力损失度作为评价指标评判超前物力灾害等级，超前物力灾害等级划分如下：

(lc∈(0.0～0.15)，安全；lc∈(0.15～0.35)，较安全；lc∈(0.35～1.0)，危险)。

即重点考虑岩土体无侧限抗压强度或岩土体抗剪强度的工程时，可以根据计算出的岩土体无侧限抗压强度或岩土体抗剪强度来判断其处于哪个区域即可。

依据上述系统，本发明还提供了一种多参量超前物力灾害实时预测方法，包括以下步骤：

s100、判断预定范围内地层隐伏病患情况，并圈定钻测区域；

s200、实时获取钻进前方岩土体细观物性图像、地层岩土体工程参数扭矩、推进力、进尺速率、转速以及钻进深度关系曲线；

在操作时直接通过地面式探地雷达装置和钻孔雷达装置综合普查，在疑似地层隐伏病患区域内圈定钻测区域，之后再采用360度随钻测量装置2在钻测区域开展钻进测试，钻进过程中，利用随钻全孔成像装置9实时呈现钻进前方岩土体细观物性图像，之后采用随钻钻孔轨迹调控装置10实时监测调整钻进方向，同时使用360度随钻测量装置2随钻获取地层岩土体工程参数(扭矩、推进力、进尺速率、转速)与钻进深度关系曲线。

s300、基于地层岩土体工程参数与力性参数量化关系式，同步反演得到岩土体力性参数(粘聚力、内摩擦角、无侧限抗压强度)，并随钻生成地层硬度图谱；

根据岩土体芯样无侧限抗压强度计算公式和粘聚力损失度计算公式计算出当前地层岩土体的无侧限抗压强度和粘聚力损失度，同时采用数字液压钻进装置5获取并生成地层硬度图谱。

s400、获取各类岩土层深度及厚度，划分各类岩土层临界区间，随钻生成地层自然伽马能谱图，之后再获取地层岩土体孔隙度、饱和度、渗透率、岩土体中流体体积和扩散系数，并随钻生成地层核磁能谱；

s500、结合随钻地层硬度图谱、随钻地层自然伽马能谱图、随钻地层核磁能谱、钻孔轨迹物性参数、岩土体物性图像、邻井标准钻孔芯样数据，精准重构三维地层模型；

s600、计算各层岩土体芯样无侧限抗压强度及粘聚力损失度，结合三维地层模型，完成超前物力灾害预测。

进一步的，所述计算各层岩土体芯样无侧限抗压强度及粘聚力损失度，具体为：

计算各层岩土体芯样无侧限抗压强度，岩土体芯样无侧限抗压强度的计算公式为：无侧限强度损失度：

式中:σ'为当前岩土体无侧限抗压强度实测值，σ0为同一岩土体在相同条件下的标准无侧限抗压强度值；

粘聚力损失度：c'为当前岩土体无侧限抗压强度实测值，c0为同一岩土体在相同条件下的标准无侧限抗压强度值。

具体的，所述精准重构三维地层模型，具体包括以下步骤：

所述多源信息融合统计与解译单元采用二级数据融合分析方法，并以第一级为局部融合中心，之后再采用最优加权估计算法进行数据整合，并以第二级为全局融合中心；

釆用小波神经网络算法对同源融合后的数据融合结果进行信度分析与数据推理；

三维地层重构模块采用灰色关联分析与样本学习训练方法，优化收敛三维数字地层模型参数，实现钻井三维数字地层模型精准重构。

本发明可完成任意角度钻进，随钻实时获取地层岩土体力性参数(无侧限抗压强度、粘聚力、内摩擦角)和物性参数(孔隙度、饱和度、渗透率、岩土体中流体体积及扩散系数)，随钻快速生成地层岩土体硬度图谱、伽马能谱、核磁共振能谱，结合钻孔轨迹物性参数、邻井标准钻孔芯样数据，随钻精准重构三维数字地层模型，引入岩土体无侧限抗压强度及粘聚力损失度作为评价指标，随钻预测预报超前物力灾害。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。