巖土工程智能鉆進關鍵技術研究
北京科技大學 ：譚卓英,夏開文在土木、建筑、水利、礦業及油氣等工業領域，為了對地層進行合理評價，確定工程設計和施工技術工藝，鉆勘通常是掌握巖土地層物理力學參數最直接、最可靠的方法。盡管地球物理方法已取得長足進展，但由于方法本身一方面依賴于大地電磁場的分異性，另一方面又不可避免地受外界人工電磁場的干擾，這種無法回避的矛盾以及來自于同源、非同源的電磁差異與干擾，決定了地球物理方法的不確定性和多解性。此外，由于地球物理方法還難以揭示地層巖土的機械特性，必須更多地依賴于綜合地質分析，作為工程應用技術上還存在許多局限。
傳統的鉆勘方法在鉆孔過程中需要進行現場土工試驗、取樣、編錄、室內巖土物理力學性能測試及巖性鑒定等，工作量大、周期長、耗資大。據統計，在地基鉆孔勘探中，純鉆孔時間在整個鉆孔勘探中的耗時比例不到30%，鉆孔勘探費用一般占整個工程建設費用的15%～28%［1］。所以，巖土工程中鉆孔勘探仍然是一項非常繁巨的工作。隨著礦山、交通、水利、戰略防護及深部基礎物理實驗等工程的深化，深部鉆勘尤顯重要。在國際巖土工程領域，一直以來在探索一種簡單、有效的方法以獲取有關地層地質的工程信息，一種智能化的鉆進技術和理論是今后研究的重要前沿課題。本文重點討論這一領域的重要進展及存在的問題，明確今后的研究內容和方向。
1 智能鉆進關鍵技術
1.1 智能鉆進系統基本組成與原理
智能鉆進的基本技術主要包括以下5個系統。
(1)孔底動力輸送系統。該系統應滿足鉆孔及潛孔隨鉆測量系統(downhole measurement whiledrilling，DMWD)鉆頭運轉所需強電、測量系統及信息傳輸系統所需弱電的動力需求。
(2)鉆機運行參數測量與診斷系統。參見文獻［1］。
(3)數字式潛孔隨鉆測量集成系統。隨鉆測量單元和各類電控智能單元中安裝有各種高端傳感器，如地層電阻率、巖性特征測量探頭伽馬、中子－密度探頭，聲波探頭，核磁共振探頭，地層孔隙壓力傳感器，鉆孔傾角、方位角、導向工具的工具面角、鉆頭孔底鉆壓、鉆頭轉數、鉆頭扭矩、鉆桿不同截面處的測力傳感器，鉆頭應變及溫度傳感器，孔底地溫傳感器等，視鉆勘需求可多達數十個傳感器。
(4)孔底信息傳輸系統。傳感器所測量的信息通過數據有線傳輸的信號線，用串行總線等方式實時傳輸到地面。
(5)地面數據分析系統。它是由計算機、監視器、打印機及繪圖儀等終端組成，并接入網絡系統的信息處理中心。這樣，通過隨鉆采集并經過處理后準確得到真實的地層剖面及地層分級等完整資料。
智能鉆進系統的基本原理是在鉆頭內部或附近安裝隨鉆測量系統，通過各種傳感器技術對鉆機工作參數、鉆頭位置、鉆孔傾角、鉆孔方位、鉆孔巖性、巖石鑿入硬度及鉆進強度、鉆頭應變等進行實時測量，從而獲得鉆孔軌跡、鉆孔柱狀圖以及有關地層的物理力學參數、巖石分級及地應力數據，實現地層的實時評判;同時，對鉆機工作狀態進行實時診斷、管理、控制、反饋和調節。通過測量采集—分析決策—控制執行—再測量采集—再分析決策—再控制執行如此連續進行，最終達到智能鉆進的目標。
1.2 鉆孔過程監測技術
儀器鉆進系統技術(instrumented drilling sys-tem，IDS)是智能鉆進技術的雛形。英、前蘇聯、德、法、日、加拿大、美及中國等進行了一系列的研究。ENPASOL，PAPERO，Kajima［2］，KYPC、HDK及DA-TA－sENTRY［3］等儀器鉆進系統在鉆孔過程中實現了對鉆機工作參數及鉆進參數如施加在鉆具上的壓力、鉆具轉速、扭矩以及鉆頭位移等的自動監測并用于簡單地層的判層。至于以往的IDS，鉆孔過程監測系統(drilling process monitoring，DPM)［4］的主要進展在于建立了大樣本、復雜非線性圖形的相似性識別理論，解決了鉆進參數中大樣本數據間的相關性分析問題［1］。一種基于鉆進參數及能量的實時可鉆性分級方法、多峰非線性圖形的斜率搜索識別以及未知類及分類數的地層聚類判別方法已經建立起來［5-7］，最新的技術及理論成果已在文獻［1］中論述。
1.3 鉆頭定位與導航技術
鉆頭定位包括3維空間坐標(經度、緯度及高程)以及方位角。在20世紀80年代末，采用3軸磁力計和3向加速度計為基礎實現鉆頭導航。磁力計和加速度計為慣性測量單元(inertial measurement u-nit，IMU)的主要硬件，它們安裝于孔底裝配器(bot-tom hole assembly，BHA)中，測量時BHA處于休息狀態，磁力計和加速度計分別測量大地3個正交方向的磁場分量和重力加速度分量，大地磁場分量通過數學計算獲得方位角，大地重力加速度分量用以計算傾角，BHA的位置通過設定測站之間的軌跡來計算。但磁力計受地下磁場以及鉆進系統自身材料等外部場源干擾［8］。
自1976年美國Utah大學Vali和Shorthill首次提出光纖陀螺的概念以來，光纖陀螺得到了很大的發展。目前FOG以干涉式為主，集成光學型FOG將主要光學元件如耦合器、偏振器、調制器都集成在1塊芯片上，將光纖線圈、光源、檢測器接在芯片適當的位置，就構成了實用的集成光學型FOG。從FOG的發展方向來看，集成光學型FOG是最有發展前途的光纖陀螺形式。全光纖陀螺則將主要的光學元件都加工在1條偏光纖上，從而可以避免因元器件連接造成的誤差。目前，全光纖陀螺技術比較成熟，其性能最好，適合在現階段研制實用的商品光纖陀螺。由于閉環式光纖陀螺對環境、尤其是振動不敏感，是研制高精度光纖陀螺儀的理想形式。本世紀初，光纖陀螺儀(fiber－optic gyroscope，FOG)［9］用以取代磁力計。FOG具有尺寸小，無旋轉部件，消耗功率小，高可靠性及對溫度動態特性和振動的低敏感性，以及不受磁場影響。因此，IMU不再需要非磁套管保護，且尺寸小，所以減少了質量和成本，提高了精度。FOG被認為是替代磁力計最為理想的方法。由于受FOG尺寸的影響，基于FOG的IMU經歷了單FOG［9］、雙FOG［10］及三FOG［11］的發展過程。近來3向FOGs已進入商業化應用，它成本低且容易安裝，并逐漸趨于小型化�？梢灶A見，FOGs與加速度計將構成鉆頭慣性導航系統(inertialnavigation system，INS)的新硬件。
智能鉆進還包括鉆孔方向與傾斜測量(direc-tional and Inclination while drilling，DIWD)。DIWD提供鉆孔過程及鉆孔軌跡信息，這些信息在確定推進方向和水平鉆進中非常重要。在控制系統中，DIWD反饋的信息可調整鉆孔過程使之遵循設定的路徑或確定鉆孔的生成軌跡。
研究表明，在基于磁傳感器的潛孔測量中，需要有專用的非磁套管來保護IMU，套管長度取決于井孔的精度、位置及傾角，在高北緯地區，要求磁傳感器到鉆頭的距離≥27 m［12］。在FOGs式的IMU中，單一FOG的IMU到3向FOGs的IMU，FOGs到鉆頭的距離縮短為7～8 m，設計的鉆管直徑為165.1mm，IMU艙內安裝3向FOGs及3向加速度計，IMU前后安裝吸振器，并在IMU艙的外部增加環形吸振圈。單一FOG的IMU在傾角大于45°的井孔中，傾角的輸出誤差小于0.1°，傾角為20°時的誤差為0.3°，在接近北向時，方位角的精度為3°，當采用零速修正(zero velocity update procedure，ZUPT)后，方位角的精度可小于0.5°。
1.4 地層巖性判別
目前，DPM通過鉆進參數概化鉆進能量指標來劃分地層，巖性判別主要依賴于地質分析。智能鉆進的另一主要目的則是對所鉆地層進行評價(for-mation evaluation while drilling，FEWD)，可采用的技術包括電阻率、γ射線、中子及密度傳感器。采樣信息可直接儲存在孔內隨鉆的存儲芯片中或通過信息傳輸系統輸送到地面。電阻率和γ射線的數據用于地層識別，與中子及密度傳感器結合，可提供巖性、孔隙率及油或水飽和度方面的數據。已應用脈沖中子捕獲(pulsed neutron capture，PNC)及光譜脈沖中子測孔(spectral pulsed neutron logs，SPN)方法，由套孔PNC測井所產生的γ射線能提供地層密度信息。FEWD提供孔內地質數據，就像傳統的有線測井一樣。
1.5 潛孔隨鉆信號傳輸
在鉆進過程中，如何將BHA中測試系統的感應數據實時傳輸到地面信息處理中心，是智能鉆進的另一技術關鍵。在油氣領域，已提出的鉆井中井下檢測信號傳輸方式主要有泥漿脈沖、絕緣線纜、電磁波和聲波4種。按傳輸原理，電纜信號傳輸分為感應法傳輸和硬連接法傳輸2大類。電纜信號傳輸源于上世紀30年代。1939年，Crites等首先提出了利用鉆柱來建立地面與井底的電纜信號傳輸技術，即通過電纜建立地面與井底的雙向閉環鉆井測控信息系統。
