基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法及设备

本发明实施例涉及地质灾害防治技术领域，尤其涉及一种基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法及设备。

背景技术：

钻探是工程地质勘察中可靠、必备常规技术手段，可以取得钻孔点的相关地质编录资料。但钻孔揭示的仅为钻孔轴线上的岩土参数信息，无法可靠地推及到周围岩土体，常常存在“一孔之见”，单纯利用钻孔信息可能对岩土体情况发生误判，引发隧道涌水突泥等工程灾害。因此，开发一种基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法及设备，可以有效克服上述相关技术中的缺陷，是业界亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法及设备。

第一方面，本发明的实施例提供了一种基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法，包括：在钻杆和参考电极之间施加双极性脉冲信号，同时测量电压和电流，根据岩土体电压和电流信号，得到钻孔周边的第一电阻值；根据极化率得到岩土体的含水程度，根据钻机和泥浆钻进参数得到岩土力学参数，根据参考电极的方位确定岩土体的空间电磁特性信息，根据所述岩土体电压和电流信号，得到钻探过程中不同钻探深度和参考电极之间的第二电阻值；根据所述第一电阻值和第二电阻值，识别钻头和参考电极之间的地层信息，根据不同方位的参考电极对应的解析结果，得到钻孔周围地层的三维电阻率；获取不同深度条件下的极化率，若极化率与三维电阻率相等，则确定赋水性与岩土体三维电阻率符合。

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法，还包括：对力学性质已知的人工堆土地层和典型岩石进行电磁测试，电磁测试结果为后续的电磁参数分析提供依据。

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法，所述根据岩土体电压和电流信号，得到钻孔周边的第一电阻值，包括：获取随钻孔深度的电流和电压混合曲线，及每两个随钻孔间距的电流和电压的增量变化趋势，得到钻杆和参考电极之间岩土体的第一电阻值。

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法，所述根据参考电极的方位确定岩土体的空间电磁特性信息，包括：根据参考电极的方位确定岩土体从点到面，由面到体的空间电磁特性信息。

第二方面，本发明的实施例提供了一种基于电磁物探的随钻岩土参数测量系统，用于实现如第一方面任一实施例所述的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法，包括：钻杆，用于向岩土体进行钻进；继电器，用于将电磁参数检测装置的负极与参考电极连接；参考电极，用于测量流过钻杆和参考电极之间的电流和电压，以及所述电流和电压的增量；电磁参数检测装置，用于采集钻杆和参考电极之间激励电压和电流信号。

在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量系统，所述钻杆作为电磁物探的电极一端，电磁参数检测装置中的激励脉冲电源正极连接到钻杆，负极通过切换继电器连接到钻孔周围参考电极，钻杆钻进不同深度地层岩土体中，电流线导入钻孔四周布置的参考电极，通过电磁参数检测装置实时同步采集并记录钻杆和钻孔周围参考电极之间岩土体的随钻电磁特性参数。

在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量系统，根据权利要求5所述的基于电磁物探的随钻岩土参数测量系统，其特征在于，包括：所述参考电极的数量为若干个，以钻孔为中心向外呈散射状分布。

第三方面，本发明的实施例提供了一种基于电磁物探的随钻岩土参数测量装置，包括：第一主模块，用于在钻杆和参考电极之间施加双极性脉冲信号，同时测量电压和电流，根据岩土体电压和电流信号，得到钻孔周边的第一电阻值；第二主模块，用于根据极化率得到岩土体的含水程度，根据钻机和泥浆钻进参数得到岩土力学参数，根据参考电极的方位确定岩土体的空间电磁特性信息，根据所述岩土体电压和电流信号，得到钻探过程中不同钻探深度和参考电极之间的第二电阻值；第三主模块，用于根据所述第一电阻值和第二电阻值，识别钻头和参考电极之间的地层信息，根据不同方位的参考电极对应的解析结果，得到钻孔周围地层的三维电阻率；第四主模块，用于获取不同深度条件下的极化率，若极化率与三维电阻率相等，则确定赋水性与岩土体三维电阻率符合。

第四方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令能够执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法。

第五方面，本发明的实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法。

本发明实施例提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法及设备，通过将钻杆、参考电极、继电器及电磁参数检测装置进行系统集成，并采用相应的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法对岩土参数进行测量，可以较低成本有效获取钻孔周围的岩土体参数信息，避免对岩土体情况的误判，降低岩土体涌水突泥等灾害发生的风险，并且具有便携及方便现场操作的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法流程图；

图2为本发明实施例提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量装置结构示意图；

图3为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量系统结构示意图；

图5为本发明实施例提供的双极性脉冲信号方波示意图。

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，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

采用电磁物探技术手段，以钻机的钻杆作为电磁物探的电极，在钻孔的周围均匀布置多个参考电极，并在钻杆和参考电极施加电磁脉冲激励，随钻杆进尺深度增加，检测交直流的电流和电压参数，计算出不同深度地层岩土的视电阻率和极化率及其变化增量。由于参考电极有方位信息，根据欧姆定律，电流总是沿着电阻最低方向流动，根据同一深度的地层电磁参数和方位信息，可以重构一个地层面电磁分布特性。随着钻杆进尺的增加并随钻测量，地层的空间信息就可以完全重构出来。基于这种思想，本发明实施例提供了一种基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法，参见图1，该方法包括：在钻杆和参考电极之间施加双极性脉冲信号，同时测量电压和电流，根据岩土体电压和电流信号，得到钻孔周边的第一电阻值；根据极化率得到岩土体的含水程度，根据钻机和泥浆钻进参数得到岩土力学参数，根据参考电极的方位确定岩土体的空间电磁特性信息，根据所述岩土体电压和电流信号，得到钻探过程中不同钻探深度和参考电极之间的第二电阻值；根据所述第一电阻值和第二电阻值，识别钻头和参考电极之间的地层信息，根据不同方位的参考电极对应的解析结果，得到钻孔周围地层的三维电阻率；获取不同深度条件下的极化率，若极化率与三维电阻率相等，则确定赋水性与岩土体三维电阻率符合。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法，还包括：对力学性质已知的人工堆土地层和典型岩石进行电磁测试，电磁测试结果为后续的电磁参数分析提供依据。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法，所述根据岩土体电压和电流信号，得到钻孔周边的第一电阻值，包括：获取随钻孔深度的电流和电压混合曲线，及每两个随钻孔间距的电流和电压的增量变化趋势，得到钻杆和参考电极之间岩土体的第一电阻值。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法，所述根据参考电极的方位确定岩土体的空间电磁特性信息，包括：根据参考电极的方位确定岩土体从点到面，由面到体的空间电磁特性信息。

本发明实施例提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法，通过将钻杆、参考电极、继电器及电磁参数检测装置进行系统集成，并采用相应的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法对岩土参数进行测量，可以较低成本有效获取钻孔周围的岩土体参数信息，避免对岩土体情况的误判，降低岩土体涌水突泥等灾害发生的风险，并且具有便携及方便现场操作的特点。

本发明实施例提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法适用于地质灾害或缺陷条件下的超前支护，尤其适用于软弱岩层、裂隙水发育或富水地段超前支护的随钻探测电磁参数测量方法，其具体实施步骤是：

a、采用交直流电法模式，在钻杆和钻孔四周参考电极或参考电极之间施加双极性脉冲信号(如图5所示)，以钻机钻杆作为电磁物探的电极一端，在地平面以钻孔周围布置的参考电极或参考电极作为另一端，由电磁参数检测装置中的激励脉冲电源正极连接到钻杆，激励脉冲电源负极通过切换继电器连接到参考电极或参考电极，随钻杆钻进不同深度，电流会在钻杆和参考电极或参考电极之间的不同岩土层中形成电流线，同时测量岩土体中的电压和电流，并计算出电流流过钻杆和参考电极或参考电极之间岩土体的电阻值，还可以通过极化率的计算，测量出岩土体的富含水的高低程度；

b、整个测试过程是根据设定10cm或者更小的钻杆进尺间距测量一次电流和电压信号，计算出整个随钻深度的电流/电压的i/v曲线，及其每个测量间距的电流和电压的增量变化趋势，综合力学参数，这样就可以比较准确地推测岩土体的分层信息，再根据参考电极或参考电极的方位信息，总体可以确定整体的岩土体从点到面，由面到体的全空间信息；

c、测量过程中在钻孔周围可以沿着东西南北向均匀布置4个、8个或者16个参考电极，一次轮询测量钻杆和参考电极之间岩土体的电流和电压及其增量变化，整个岩土体的全空间电磁特性参数就可以计算和推算出来；

d、岩土体的力学特性参数与电磁特性从物理原理来说，肯定存在相关性，把这两方面的特性参数综合起来，岩土体就可以重构二维到三维的可视化的成像，整体信息更加直观和可信；

e、根据已有的单个钻孔岩土体的空间信息，可以选择性和针对性布局探钻位置，在需要关注的位置，如可能存在地质灾害和缺陷的位置进行重点探钻。可以有效减少探钻孔的数量，加快施工进度，降低岩土体的勘察成本。

岩土体电阻率的测量和计算包括：电磁参数检测装置包括激励脉冲电源，该电源的正极连接探钻孔的钻杆上，电源的负极通过切换继电器连接到钻孔四周的参考电极上。实时测量钻杆与参考电极之间电流/电压信号，及其瞬态过程，计算出岩土体的电磁参数，包括稳态直流电阻、交流电阻和极化率参数。该测量模块的电信号测控要求分辨率高，至少到达24bit以上，采样率在1khz左右即可，因为钻孔进尺速度不会太高。

激励脉冲电源的技术指标要求包括：激励脉冲电源的幅值和频率根据岩土体特性和测量深度可以调节。如果岩土体的电阻率高，富含水率低，激励脉冲电压幅值就可高一些，反之就低些。脉冲电源频率根据钻孔深度来选择，根据物探电法频率测深的原理，低频穿透岩土体深，高频测量浅层深度。频率范围大概在零点几赫兹到1khz左右。

钻孔岩土体极化率的测量和计算包括：在钻孔中测量岩土体的极化率，当岩土体通过一定的电流，会发生一系列电化学过程并产生电动势，这种现象叫激发极化效应。岩土体的激发极化效应是其电化学性质的一种表现。它是与岩矿石的化学成分、矿物结构及围岩溶液性质有关系的一种效应。观测这种效应，就可以沿钻孔深度划分不同的岩性。评价激发极化效应大小的物理量叫极化率，用极化场和总激发场的百分比值数表示(η＝δu2/δu)。钻孔极化率检测一般同时还测量电阻率和自然电位参数。通过钻孔不同深度的岩土体极化率测量和计算，对岩土体的分层信息更加明确和清晰，综合力学参数，更相互印证。

岩土体电阻率增量变化的计算包括：施加一定的电压和电流，计算电压与电流的比值，这是沿着钻杆深度方向与参考电极之间综合电阻的反应。随着钻孔深度的增加，相应的总体电阻会变小。因此，需要分析随着单位深度的增加，计算测量的电流和电压的增量变化(η＝δu/δi)。这个增量的变化反应随着钻探进尺到相关地层引起电阻的变化，进尺到高阻岩土层，这个增量会变小。反之进尺到低阻岩土层，这个增量会变大。如果综合已有岩土体的电阻率特性的数据，就可以分析和判断钻杆与对应参考电极之间岩土体的类型。如果再综合考虑在相同的钻孔深度，不同方位的参考电极对应的数据，整个地层的平面信息就可以得到和重构。

岩土体电阻率特性参数数据库的建立包括：现有各种岩石的电阻率参数，大都是在实验室制作标准试样测量的，与原位地应力测试作用下的参数一定会存在差异。因此，可以选择典型的地层地貌，采集足够的样本数据，建立基于随钻探测原位岩土体的电磁参数数据库。

岩土体随钻电磁参数采集由钻杆、参考电极和电磁参数检测装置组成。电磁参数检测装置包括激励脉冲电源，该电源的正极连接探钻孔的钻杆上，电源的负极通过切换继电器连接到钻孔四周的参考电极上，实时采集钻杆和参考电极之间激励电压和电流信号及其瞬态过程，计算出岩土体的电磁参数，包括稳态直流电阻、交流电阻和极化率参数。激励脉冲电源的幅值和频率根据岩土体特性和测量深度可以调节，如果岩土体的电阻率高，富含水率低，激励脉冲电压幅值就可高一些，反之就低些。脉冲电源频率根据钻孔深度来选择，根据物探电法频率测深的原理，低频穿透岩土体深，高频测量浅层深度。基于这种考虑，本发明实施例提供了一种基于电磁物探的随钻岩土参数测量系统，用于实现如前述方法实施例中任一实施例所述的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法，参见图4，该系统包括：钻杆4，用于向岩土体进行钻进(从地平面插入岩土体中)；继电器6，用于将电磁参数检测装置的负极与参考电极连接(切换连接)；参考电极1及参考电极2，用于测量流过钻杆和参考电极之间的电流和电压，以及所述电流和电压的增量；电磁参数检测装置3，用于采集钻杆4和参考电极1之间激励电压和电流信号。

参见图4，基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量系统，所述钻,4作为电磁物探的电极一端，电磁参数检测装置3中的激励脉冲电源正极连接到钻杆4，负极通过切换继电器6连接到钻孔周围参考电极1，钻杆4钻进不同深度地层岩土体中，电流线5导入钻孔四周布置的参考电极1，通过电磁参数检测装置3实时同步采集并记录钻杆4和钻孔周围参考电极1之间岩土体的随钻电磁特性参数。

基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量系统，根据权利要求5所述的基于电磁物探的随钻岩土参数测量系统，其特征在于，包括：所述参考电极的数量为若干个，以钻孔为中心向外呈散射状分布。

具体地，在电磁参数测量过程中，参考电极可以沿钻孔周围东西南北方向均布4个、8个或者16个，测量一次钻杆和参考电极之间的电流和电压及其增量变化；电磁参数检测装置用来采集钻杆和参考电极之间激励电压和电流信号。

本发明各个实施例的实现基础是通过具有处理器功能的设备进行程序化的处理实现的。因此在工程实际中，可以将本发明各个实施例的技术方案及其功能封装成各种模块。基于这种现实情况，在上述各实施例的基础上，本发明的实施例提供了一种基于电磁物探的随钻岩土参数测量装置，该装置用于执行上述方法实施例中的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法。参见图2，该装置包括：第一主模块，用于在钻杆和参考电极之间施加双极性脉冲信号，同时测量电压和电流，根据岩土体电压和电流信号，得到钻孔周边的第一电阻值；第二主模块，用于根据极化率得到岩土体的含水程度，根据钻机和泥浆钻进参数得到岩土力学参数，根据参考电极的方位确定岩土体的空间电磁特性信息，根据所述岩土体电压和电流信号，得到钻探过程中不同钻探深度和参考电极之间的第二电阻值；第三主模块，用于根据所述第一电阻值和第二电阻值，识别钻头和参考电极之间的地层信息，根据不同方位的参考电极对应的解析结果，得到钻孔周围地层的三维电阻率；第四主模块，用于获取不同深度条件下的极化率，若极化率与三维电阻率相等，则确定赋水性与岩土体三维电阻率符合。

本发明实施例提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量装置，采用图2中的若干模块，通过将钻杆、参考电极、继电器及电磁参数检测装置进行系统集成，并采用相应的基于电磁物探的随钻岩土参数测量方法对岩土参数进行测量，可以较低成本有效获取钻孔周围的岩土体参数信息，避免对岩土体情况的误判，降低岩土体涌水突泥等灾害发生的风险，并且具有便携及方便现场操作的特点。

需要说明的是，本发明提供的装置实施例中的装置，除了可以用于实现上述方法实施例中的方法外，还可以用于实现本发明提供的其他方法实施例中的方法，区别仅仅在于设置相应的功能模块，其原理与本发明提供的上述装置实施例的原理基本相同，只要本领域技术人员在上述装置实施例的基础上，参考其他方法实施例中的具体技术方案，通过组合技术特征获得相应的技术手段，以及由这些技术手段构成的技术方案，在保证技术方案具备实用性的前提下，就可以对上述装置实施例中的装置进行改进，从而得到相应的装置类实施例，用于实现其他方法类实施例中的方法。例如：

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量装置，还包括：第一子模块，用于对力学性质已知的人工堆土地层和典型岩石进行电磁测试，电磁测试结果为后续的电磁参数分析提供依据。

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量装置，还包括：第二子模块，用于获取随钻孔深度的电流和电压混合曲线，及每两个随钻孔间距的电流和电压的增量变化趋势，得到钻杆和参考电极之间岩土体的第一电阻值。

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于电磁物探的随钻岩土参数测量装置，还包括：第三子模块，用于根据参考电极的方位确定岩土体从点到面，由面到体的空间电磁特性信息。

本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。基于此目的，本发明的实施例提供了一种电子设备，如图3所示，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)、通信接口(communicationsinterface)、至少一个存储器(memory)和通信总线，其中，至少一个处理器，通信接口，至少一个存储器通过通信总线完成相互间的通信。至少一个处理器可以调用至少一个存储器中的逻辑指令，以执行前述各个方法实施例提供的方法的全部或部分步骤。

此外，上述的至少一个存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个方法实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。基于这种认识，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在本专利中，术语"包括"、"包含"或者其任何其它变体意在涵盖非排它性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括……"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：以上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精神和范围。