MEMS传感器在岩溶塌陷物理模拟试验监测中应用研究_吴迪.pdf

Experimental evaluation of theplugging effect of permanentlyabandoned wellsZHONGShou-ming1，DENGKuan-hai2，WUYan-xian1，ZHANG Hao1，ZHAO Qian2，LIN Yuan-hua2(1 Engineering Technology esearch Institute，Xinjiang OilfieldCompany，Karamay 834099，Xinjiang，China;2 State Key Laboratoryof Oil and Gas eservoir Geology and Development Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)Abstract:With the continuous development of oil and gasresources，there are increasing abandoned oil and gas wells withno commercialexploitationvalueThepluggingeffectofabandoned wells is the key to permanently maintaining theintegrity of the wellbore Therefore，based on the characteristicsofpermanentlyabandonedwellsandpluggingtechnicalspecifications and requirements，a method for testing andevaluating the plugging effect of plugging barrier units inpermanently abandoned wells is proposedWe independentlydeveloped a test system to evaluate the effectiveness andfeasibility of the cement plug inside the casing and the cementsheath outside the casing and simulated the downhole workingconditions of typical wells in Northwest ChinaThe sealingperformance test and interface mechanical performance test of thecement plug in the abandoned wells and the cement sheathoutside the pipes were carried out The test results of maximumplugging pressure and breakdown pressure of cement plug andcement sheath under four effective bonding lengths and themechanicalparametersoftheinterfacewithcasingwereobtained The influence of the cement plug/the length of cementsheath on its sealing performance，and the functional relationshipbetween the cement plug/the length of cement sheath and theplugging pressure are obtained by fitting The integrity failuremechanism under hydraulic impact and the weak area of thesealing barrier is clarified The sealing performance and interfacemechanical properties of cement plug and cement sheath arecompared The process parameters that the plugging length ofcement plug in the pipe is more than 22.99 m and the plugginglength of cement sheath outside the pipe is more than 36.92 mare defined，forming an economic and feasible permanentplugging process for abandoned wells The research results canprovide an important basis for the customization of cementslurry systems and construction parameters for permanentlyabandoned wellsKey words:safety engineering;abandoned wells;pluggingeffect;cement plug;cement sheath;pluggingbarrier;plugging pressure文章编号:1009-6094(2023)03-0800-12MEMS 传感器在岩溶塌陷物理模拟试验监测中应用研究*吴迪1，2，王金晨2，杨彦鑫3，吴远斌1，4，娄万鹏2，蔺文博2(1 桂林理工大学地球科学学院，广西桂林 541004;2 桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，广西桂林 541004;3 四川轻化工大学土木工程学院，四川自贡 643000;4 中国地质科学院岩溶地质研究所，广西桂林 541004)摘要:针对岩溶塌陷地下土体位移监测难度大的问题，提出了一种基于微电机系统(Micro-Electro Mechanical Systems，MEMS)传感器的监测方法。采用时域积分算法处理 MEMS加速度数据，先去除噪声和直流分量，通过多项式拟合去除趋势项，从而获取位移监测数据，通过定距试验分析算法误差。设计了 2 组室内模型试验，一组将 MEMS 传感器集中布设于稳定区，另一组多布设于塌陷区，对不同埋深土体的位移进 行 监 测，结 合 粒 子 图 像 测 速 设 备(Particle ImageVelocimetry，PIV)实测数据分析误差，验证利用 MEMS 传感器监测土体位移的适用性和实用性。结果表明:根据 MEMS的加速度时程，通过时域积分算法能有效获得土体的位移，MEMS 传感器可用于岩溶塌陷的实时监测;分析得到岩溶塌陷地下土体位移规律，土体位移的变化与塌陷源位置相关，随着土体高度的增加，位移逐渐减小，而处于塌陷源正上方的土体水平位移几乎为 0;工程中可针对已经发生的塌陷和有可能发生的塌陷 2 种工况，分别将 MEMS 传感器埋设在稳定区和塌陷区，进行实时监测，保障生命财产安全。提出的方法为岩溶塌陷的监测提供了新的思路，也为 MEMS 传感器在岩土工程中的应用奠定了基础。关键 词:安 全 工 程;地 面 沉 陷;模 型 试 验;微 电 机 系 统(MEMS)传感器;位移监测中图分类号:X43文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.2002*收稿日期:2021 11 09作者简介:吴迪，副教授，博士，从事地基处理和智能监测研究，wudi guet edu cn;杨彦鑫(通信作者)，讲师，博士，硕士生导师，从事岩土地震工程研究，yanxinyangswjtu foxmail com。基金项目:国家自然科学基金项目(42067044);广西创新驱 动 发 展 专 项(科 技 重 大 专 项)(AA19254030);中国地质调查局岩溶塌陷防治重点实验室开放研究基金项目(2019673)0引言岩溶地面塌陷是岩溶地区的常见地质灾害，主008第 23 卷第 3 期2023 年 3 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 3Mar，2023要分为基岩塌陷和覆盖层塌陷，后者为常见类型，严重威胁生命财产安全、城市建设乃至经济发展。为事先预警或研判塌陷发育，监测是工程上的必要手段。监测的内容可以分为土体变形监测、岩溶塌陷动力监测、变形破坏宏观前兆监测 3 种。其中土体变形监测是最为直接和有效的方法，又分为地面变形监测和地下土体变形监测。前者技术已较为成熟，如全站仪、静态 GPS、位移计等，在工程上大量被采用;后者一直是岩溶塌陷监测的难点，急于寻求新方法加以突破。罗小杰等1 提出，拓宽和发展地下土体变形监测方法是减少塌陷地质灾害威胁的重要课题之一。然而，岩溶塌陷在时间上具有突发性，在空间上具有隐蔽性和复杂性，直接获取地下变形数据往往十分困难。目前地下变形监测手段包括布里渊光纤时域反射 计(BrillouinOpticalTimeDomaineflector，BOTD)、时域反射仪(Time Domain eflectometer，TD)、地质雷达(Ground Penetrating adar，GP)技术等，各项监测技术原理各有优缺点2 3。BOTD光纤传感采用无破坏性的光纤损耗测量技术，通过光纤产生剪切判断位置，但在非线性工程中监测效果不明显，且对未探明的土洞监测效果一般。TD时域反射通过同轴电缆的阻抗变化，来反映土体内部形变位置，但只有受到剪切力 TD 电缆才能特征信号，位移量不确定4。GP 地质雷达是一种快速无损的地球物理探测技术，通过往地下发射电磁波信号来判断地下土体各界面情况，不足之处是探地效果容易受到周围电磁波干扰，无法实现实时监测，且对 15 m 以下土洞监测存在困难5。受益于微电机系统(Micro-Electro MechanicalSystems，MEMS)的迅猛发展，近年来越来越多的实时监测场景使用具有更小体积和更高稳定性的该类型智能监测传感器。朱黄超6 用 MEMS 阵列对海底形变进行监测，验证了 MEMS 阵列监测形变的可行性。刘路等7 通过 MEMS 加速度计对海洋波浪高度进行测量，与实际波高曲线比较，一致性较好。2020 年，Sarwar 等8 率先采用加速度和应变结合的方法，得出用于加速度测量的最佳校准系数，从而获得桥梁结构位移。Zhang 等9 通过对地震中物理信号进行分析，得出加速度信号能较好地应用于高精度地震勘探。王文广等10 提出运用 MEMS 技术进行基坑变形监测，可将传感器监测的角度变化转化为基坑内的位移变化，能够完成对基坑水平位移的准分布式监测。2019 年，高燕等11 首次利用 MEMS传感器成功捕捉到边坡的滑动特性。尽管 MEMS 技术被逐渐应用于岩土工程监测领域，但目前大多研究仅停留于对 MEMS 输出加速度和角度信号的初步分析，无法实现地下土体变形监测。将 MEMS 加速度信号转为位移的数据处理方法研究已有一定进展。陈为真等12 利用基于时域积分的拟合多项式极值处理方法，得到了较为精准的位移信号。李明珠等13 设计了混合积分算法，通过减小二次积分误差，从而控制趋势项误差，以对微小位移量进行测量。牛伟萌等14 利用 MEMS 加速度传感器设计了加速度数值积分的多项式拟合算法，适用于较长距离的位移测量。仇立杰等15 利用MEMS 传感器提出了基于手势