基于数字钻技术的岩石强度特性预测方法研究.pdf

投稿网址：http：/ 沙 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Changsha University of Science&Technology（Natural Science）Vol.20 No.3Jun.2023DOI：10.19951/ki.1672-9331.20220713001文章编号：1672-9331（2023）03-0091-11引用格式：陈祖军，何明明，周佳佩，等.基于数字钻技术的岩石强度特性预测方法研究 J.长沙理工大学学报（自然科学版），2023，20（3）：91-101.Citation：CHEN Zujun，HE Mingming，ZHOU Jiapei，et al.Research on prediction method of rock strength characteristics based on digitaldrilling technology J.J Changsha Univ Sci Tech（Nat Sci），2023，20（3）：91-101.基于数字钻技术的岩石强度特性预测方法研究陈祖军1，何明明2，周佳佩2，邓边员1（1.云南省建设投资控股集团有限公司，云南 昆明650501，2.西安理工大学 岩土工程研究所，陕西 西安710048）摘要：【目的】快速准确地超前预报岩体力学参数。【方法】通过分析取芯钻头的受力特点，根据力学极限平衡原理建立钻进过程中机-岩相互作用的数学模型，提出一种基于数字钻技术的岩石主要强度参数（内摩擦角、单轴抗压强度和抗拉强度）的解析方法。利用自主研发的高精度数字钻系统预测 4种岩石的内摩擦角并与室内试验测定值进行对比，验证该方法的可靠性。通过对岩石强度与内摩擦角、切削强度比（岩石无侧限抗压强度与切削强度之比）进行相关性分析，预测岩石强度并对预测结果进行验证。【结果】通过数字钻技术获得的岩石的内摩擦角与标准室内试验测定值之间的误差为 1.0%3.5%。岩石单轴抗压强度、抗拉强度均与切削强度比呈线性正相关，岩石强度的预测值与室内标准试验测定值之间的误差略超过20.0%。【结论】利用数字钻技术预测的岩石力学参数经过验证具有可靠性，该方法在实际工程中具有一定的应用价值。关键词：数字钻参数；单轴抗压强度；抗拉强度；切削强度比；预测方法中图分类号：TU45文献标志码：A0引言准确测量岩石的单轴抗压强度和抗拉强度是保证工程岩体安全稳定的前提。准确评价岩体强度特性，在工程设计与施工中具有重要的实践意义1。目前，通常采用岩石单轴压缩试验及点荷载试验测量岩石的单轴抗压强度2。具有代表性的岩石抗拉强度测试方法包括直接拉伸试验、巴西劈裂试验、三点或四点弯曲拉伸试验及空心岩柱试验等3-4。然而，岩石强度参数的测定往往要求精心制备试样，特别是需要对试样进行抛光和形状整改，制备步骤复杂且要求试样完整性良好，费时又费钱。PALASSI等5、NAEIMIPOUR 等6和 HE等7-8利用点载荷、划痕、施密特锤等间接方法来确定岩石的单轴抗压强度。王成虎等9利用室内和现场水压致裂试验联合确定岩石的抗拉强度。然而，采用这些方法获得原位岩石的信息有限，不能完全反映野外岩石的特性10。估算复杂野外条件下岩石的强度参数，间接方法存在局限性5。数字钻技术作为一种新方法，可用于确定岩石的强度参数10-14。该方法根据监测仪记录的钻进参数，对现场岩石的强度进行预测，具有连续测量、无需采样和操作简单等特点5。近50年来，研究人员基于钻头钻进过程的力平衡和能量平衡，提出了各种分析模型，旨在不断提高数字钻技术对岩石强度参数的预测精度。其中，NAKAJIMA等15和 YAHIAOUI 等16基于力平衡分析模型，建立了在岩石破碎区钻进数据和岩石强度之间的关系。KALANTARI等17开发了一种“T”形刮刀钻头的分析模型，并用于估算岩石强度参数。MUNOZ等13，18基于能量平衡分析模型，建立了岩石的能量比和单轴抗压强度之间的线性关系。王琦收稿日期：2022-07-13；修回日期：2022-08-06；接受日期：2022-08-16基金项目：陕西省自然科学基金资助项目（2019JQ395）；陕西省教育厅科研计划项目（20JS093）通信作者：何明明（1986年）（ORCID：0000-0002-2726-9371），男，副教授，主要从事岩石力学方面的研究。E-mail：投稿网址：http：/ 沙 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）2023年6月等19-21基于岩石切削破坏过程的力学分析，建立了随钻参数与岩石黏聚力 c、内摩擦角 间的关系。宋玲等22建立了岩石切削破坏的力学模型，推导了角片式钻头推进力、扭矩与岩石参数（c、）间的数学关系。李骞等23-24、HE等25-26基于金刚石钻头钻进过程破岩的力学模型，建立了数字钻参数与岩石参数（c、）之间关系的解析模型，并提出了深度卷积神经网络模型来预测岩石强度参数。另一方面，岩石抗拉强度也是衡量岩石性能的一个重要的力学指标，由于岩石的抗压强度要远大于其抗拉强度，拉伸破坏常常是工程岩体发生破坏的主要形式之一8。综上可知，利用解析分析方法建立数字钻参数与抗拉强度参数关系的研究较少。其根本原因是，已提出的解析模型参数多与钻头几何特征和随钻参数控制量紧密相关，在建立数字钻参数与抗压或抗拉强度参数关系模型时，无法排除钻头对岩石接触面的压缩作用。本研究基于金刚石钻头钻进岩石过程的工作原理，结合分析模型，将单轴抗压强度和抗拉强度与钻探参数通过岩石力学参数直接建立联系，分析研究岩石内摩擦角、切削强度比（岩石无侧限抗压强度与切削强度之比）、岩石强度（单轴抗压强度、抗拉强度）三者之间的关系，提出了一种估算岩石强度参数的新方法。通过将数字钻试验预测的岩石强度参数值与标准室内试验的测定值进行对比，分析两者之间的误差，验证该方法的可行性。1分析模型近年来，数字钻技术已成为一种用于确定岩石力学特性的原位测试方法25。钻进参数包括钻速、推力、转速和扭矩力，均与岩石的力学参数密切相关。以螺旋方式钻进岩石的过程通常分为切削阶段和摩擦阶段26。在切削阶段，垂直于轴向运动的扭力只切削岩石；在摩擦阶段，压痕随钻头轴向推进而变化，包括压痕、破碎和粉碎。在这两个阶段，推力和扭力起着重要作用，并且在连续快速地推进过程中同时发生。假设取芯钻头的金刚石颗粒形状为梯形体，在钻进过程中钻头所受的推力和扭力满足力的极限平衡条件，钻头破岩满足摩尔库伦准则。如图 1所示，推力Fn和扭力Ft各有两个分量，一个是切削力，另一个是摩擦力，即：Fn=Fn，c+Fn，w（1）Ft=Ft，c+Ft，w（2）式中：Fn，c和Ft，c分别是切削力的法向和切向分量；Fn，w和Ft，w分别是摩擦力的法向和切向分量。图1分析模型中作用力的几何形状和机制Fig.1The geometry and mechanism of the force in theanalysis model根据力的极限平衡理论，作用在钻头上的切削力的法向分量Fn，c和切向分量Ft，c计算式为：Fn，c=0Atana+0Atan（3）Ft，c=0A+0Atantana（4）式中：0为碎屑岩破碎区的正应力；A为切口的垂直截面积；a为钻头几何参数；为碎屑岩破碎区的 摩 擦 角。碎 屑 岩 破 碎 区 的 正 应 力0计 算式为17：0=2ccos(-)cos(-)-sin2(-)+sin(-)1(1+tan tan)（5）式中：c为完整岩石的黏聚力；为完整岩石的内摩擦角。根据力的极限平衡理论，切削力的法向分量Fn，c与切削力Fc的关系表达式为：Fc=Fn，csin(a+)（6）式中：为破碎区岩屑的接触摩擦角（图1）。将式（3）和式（5）代入式（6），求得极限切削力Fc为：Fc=2ccos(-)cos(-)-sin2(-)+sin(-)Atana+Atan(1+tan tan)sin(a+)（7）岩石的破坏是由钻头钻进过程的切削力达到岩石极限强度引起的。因此，引入岩石的极限切92投稿网址：http：/ Sc来表征岩石在切削过程中的极限状态，其表达式为：Sc=Fc/A=2ccos(-)cos(-)-sin2(-)+sin(-)tana+tansin(a+)(1+tan tan)（8）基于 Mohr-Coulomb准则，岩石的无侧限抗压强度c计算式为：c=2ccos1-sin（9）通过给定钻头的几何参数 a，本文 a=5，岩石无侧限抗压强度与极限切削强度的比值定义为切削强度比，其计算式为：cSc=cos(-)-sin2(-)+sin(-)(tana+tan)cos(-)(1-sin)(1+tan tan)sin(a+)cos（10）已有研究结果表明，推力和扭力之间呈线性相关24，Ft/Fn主要取决于接触摩擦角和几何参数a17，其计算式如下：FtFn=1tan(a+)（11）在钻进过程中形成的岩石破碎区的摩擦系数计算式为17：f=tan=tan(a+)-tana1-tan(a+)tana（12）和之间的解析关系表达式为16-17：tan=2tan（13）根据式（12）和式（13），计算得到岩石内摩擦角，即：=arctan2tan(a+)-2tana-tanatan(a+)（14）2试验方案2.1试验设备本文数字钻试验采用由西安理工大学岩土所研发的XCY-1型岩体力学参数数字钻系统（图2），该系统能够应对大多数野外钻探工作，其主要由电气控制系统、液压系统、油泵传动系统、实时监测系统和数据采集控制系统，以及一个内径为 50mm、外径为 60 mm的金刚石钻头 6部分组成。岩体力学参数数字钻系统在作业时可采用普通钻进和参数采集两种模式。普通钻进模式适用于试验深度前的预掘进阶段；参数采集模式适用于数字钻参数的精确获取阶段。根据前期地质勘探报告设置掘进参数，数字钻系统根据设置参数自动运行，通过各系统间的相互配合，实现钻进过程中的有效控制。在钻进过程中，该系统记录不同试验深度下的给进力、扭矩、扭矩力、转速、钻进速度和每转进尺等参数。同时，该系统中的加载伺服电机和扭转伺服电机各自独立运行，可分别提供 18kN的最大推力和2.458 Nm的最大扭矩。数字钻系统通过自适应控制方式可以精确测量推力、扭矩和钻进深度。在试验中，以钻头转速 w 和钻进速率v作为控制参数，同时将得到的推力和扭矩作为钻进响应，推力和扭矩随着钻进深度的增加而发生变化。该系统可以自动将作业数据保存在Excel文件中，最大 500 条/s 的数据采集能力使得该设备可以准确存储数百组数据。本研究单轴压缩试验和巴西劈裂试验所采用的试验设备为 WDT-1500 多功能材料试验机，其控制系统采用的是德国进口 DOLI全数字伺服控制器。该试验机主要是为岩石、混凝土等高强度材料研制的刚性动态力学设备，具有功能多、精度高、可靠性及稳定性好等特点，为本研究提供了可靠的技术保证。本试验完全在计算机控制下进行，采用了先进的自适应控制方式和后处理软件Test，可以实现数据的实时记录，同时可以直接显示试验所得的应力-应变曲线，准确反映试件的力学特性变化。图2XCY-1 型岩体力学参数数字钻系统Fig.2The XCY-1 digital drilling system for rock massmechanical parameters2.2野外钻探及室内试验方案2.2.1野外钻探方案本研究数字钻试验场地选在岩石种类丰富的陕西秦岭山脉，经钻孔获得了砂岩、大理岩、页岩、93投稿网址：http：/ 沙 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）2023年6月闪长岩共4种岩石样品。钻孔深度高于地下水位，岩芯保持其天然含水率。采样点的大理岩主要含白云石和方解石两种矿物成分，其粒径分布为0.41.4 mm；砂岩的碎屑结构呈亚圆形，碎片体积分数为86%，间隙体积分数为14%，岩石中主要以钾长石为主，岩屑以火山岩碎屑为主；页岩以黏土类矿物（高岭石、水云母等）为主，具有明显的薄层理构造；闪长岩主要是由斜长石和一种或几种暗色