工程地質勘察鉆探鉆柱長度的低功率主動探測方法★

陳 凡，陳 立，傅建業，蘇 丹，魯 奔，謝志輝

(1.溫州市勘察測繪研究院有限公司,浙江 溫州 325035; 2.溫州理工學院,浙江 溫州 325035)

0 引言

自1958年地質部發布了《全國地質資料匯交暫行辦法》,我國就開啟了地質資料匯交管理工作。其后在1962年和1988年各發布過一個新的正式《辦法》,目前使用的是2002年國務院發布的《地質資料管理條例》2017年修訂版。地質資料匯交制度對加強對地質資料的管理,充分發揮地質資料的作用,保護地質資料匯交人的合法權益等方面具有重大意義。近年來,隨著城市基礎建設的快速發展和數字技術、智慧城市的發展,對地質勘察數據匯交提出了新的要求,杭州市因應新形勢的發展制定了《杭州市工程建設項目地質勘察數據匯交管理規定》,目的是“充分發揮地質資料在規劃、建設、安全管理中的基礎支撐作用,通過共建共享地質數據資源,建立城市地質數據庫,挖掘數字潛力,服務智慧城市建設,輔助政府決策,促進資源有效利用”。

工程地質鉆探在地基基礎工程勘察中處于首要地位[1],為滿足場地和地基的穩定性評價,對勘探點的水平位置和鉆探深度都提出了嚴格的要求。為了提高工程勘察鉆孔資料質量,課題組提出了一種鉆孔參數智能監測系統,該系統只需要在鉆柱頂端安裝一個儀器,就能夠完成鉆機平面定位、鉆孔深度測定和地層隨鉆檢測,該技術屬于傳統的隨鉆地震技術領域[2]。其中,平面定位相對容易實現,鉆孔深度測定和地層隨鉆檢測在實際工程中尚未得到應用。鉆孔深度的測定,在實際工程中的程序較為復雜,且存在較大誤差,故本研究中將鉆孔深度轉化為鉆柱長度的測定。

鉆柱長度測定在傳統的石油隨鉆地震技術中是作為一個副產品出現的,傳統隨鉆地震的目的是對鉆頭前方地層進行鉆前預測,預防鉆井危險性的,鉆柱長度本身是一個已知項[3]。石油行業隨鉆地震的震源是鉆頭破巖發出的振動能量,這種能量有一部分以彈性波的形式在鉆柱內傳播,因為鉆柱相對比較獨立,在鉆柱的兩端能夠形成比較強的反射,所以彈性波可以在鉆柱內多次往復傳播。通過處理這種多次波就能測定鉆柱的長度[4]。

與傳統隨鉆地震不同,工程鉆探測定鉆柱長度是處于質量監控目的。另外,工程鉆探的深度比較淺,可以利用主動源[5-6]進行探測;同時,因為鉆探的地層往往是松軟的淺地表,鉆探處沒有強烈的破巖能量,這就更加強化了工程鉆探鉆柱測定應該使用主動源的理由。然而作為一個安裝在鉆柱頂端的監控設備,發射主動源必然會明顯提高儀器的功耗,這就要求要么加大電池容量,要么提高充電次數,這兩個選擇都會顯著降低儀器的可推廣性。研制一套低功率主動探測方法,從算法上解決該問題,是一個更好的處理方案。

1 鉆柱波理論與鉆柱長度探測

1.1 鉆柱波傳播動力學方程

在鉆進過程中,鉆桿通過軸向振動、扭轉振動、橫向振動來傳遞鉆頭振動信號。Kolsky(1953),Flavio Poletto(2004)等給出了軸向、扭轉振動波在桿或管中的傳播方程[7]。水平向振動傳感器主要記錄扭轉振動和橫向振動,理論上也可以通過鉆柱的橫波回波探測方法測量鉆柱長度,但實際上因為鉆機的輸出扭矩也在橫向,橫向振動傳感器記錄的信號比較復雜。垂向振動傳感器記錄質點做垂向振動的鉆柱波,與橫向振動記錄相比,其成分比較簡單,容易提取到高信噪比的回波。因此,本文中,我們僅研究軸向鉆柱波。

(1)

其中,z,u,A,E,ρ,c,F分別為軸向坐標,軸向位移,鉆桿的橫截面積,楊氏模量,鉆柱密度,軸向阻尼系數,軸向載荷。

在充滿鉆井液的井筒中,鉆井液黏度對鉆柱縱向振動的影響看作沿鉆柱分布的質量(m′)和阻尼的增加[8]。所以在縱向振動控制方程中加了m′項:

(2)

增加的質量m′取決于鉆井液速度流動,由式(3)計算,有鉆井液流速引起的阻尼(cm)包含在上式的c中,可由式(4)得到:

(3)

由鉆井液流速引起的阻尼(cm)包含在式(2)的c中,可由式(4)得到:

(4)

其中,ρm為鉆井液密度;v為鉆井液流速;a,b分別為鉆桿內外徑;ω為角頻率。

為了簡化方程,假設軸向阻尼系數C=0與軸向載荷F=0,則:

(5)

在鉆桿中軸向波的傳播速度為:

(6)

當鉆桿是均勻介質并且軸向波的頻率低時,即波長λ?鉆桿直徑,軸向波的傳播速度不受鉆桿尺度的影響。

假設ρ=7 840 kg/m3,E=206 GPa,波在均勻鋼桿中的理論速度分別為vax=5 126 m/s(軸向波)。

實際的鉆柱并不是均一的,它由單根長度為約2 m的鉆桿組成,每個鉆桿單根有鉆桿體和壁較厚的接頭組成,因此鉆柱的橫截面積周期性空間不連續分布,大約占鉆柱長度5%的橫截面積(接頭部分)是其余部分的5倍。由于鉆具接頭比鉆柱體壁厚,它的存在增加了鉆柱的質量,部分增加了鉆柱的剛度,降低了群速度。修正后的鉆桿軸向波速約為4 887.80 m/s。

1.2 鉆柱多次波成像

包含鉆柱多次波的鉆柱界面[9-11]反射反映的是振動波在鉆柱中的傳播特性和鉆柱結構信息。對現場所采集的鉆柱振動信號進行進一步處理可以提取這些反射信息,獲得鉆柱結構圖像。

現場采集的包含鉆柱多次波的參考信號混雜著井場強噪聲[12],信噪比低,但因為多次波在一定的時段內具有穩定的周期性而井場噪聲是隨機性的,相關處理可以壓制非周期性井場噪聲、突出周期性的多次波信號,所以用相關來處理有利于多次反射成像。

2 單邊反褶積自相關回波探測方法

自相關有助于多次波成像,但實際上鉆柱頂端采集的來自井底鉆頭信號經過了鉆柱的強烈改造,而且地面存在各種機械噪聲,僅對振動信號進行自相關處理效果不好。反褶積可以壓制鉆柱的濾波效應和多次反射的混疊效應,提高多次波成像的信噪比,因此我們采用單邊反褶積自相關進行處理,以期可以獲得更清晰的反射界面圖像。

鉆柱錄井技術中,鉆柱頂部的測量數據已知,而鉆頭信號和鉆柱脈沖響應函數均未知。這樣,必須要做進一步的假設。假設鉆頭信號為白噪信號,鉆柱振動信號在頻率域中可表示成:

P=apsPSWS+apnPNWN

(7)

其中,WS為鉆頭信號白噪聲;WN為地面井場白噪聲;PS為鉆頭信號從井底沿鉆柱傳到地面的脈沖響應;PN為鉆柱及井架在信號傳感器處的反射響應;aps,apn均為實常數。

把傳遞函數PS看作是一個純延遲和一個零延遲時間脈沖響應PS0的合成,有:

PS=PS0exp(iφps)

(8)

其中,φps為從鉆頭震源到地面加速度傳感器的相位延遲;PS0為零延遲鉆柱脈沖響應(傳播特性)。

P=apsPSWS=apsPS0exp(iφps)WS

(9)

設DS為沒有噪聲情況下鉆柱傳播效應的單邊反褶積因子,利用反褶積因子與振動信號進行反卷積,可得:

DSP≌apsexp(iφps)WS

(10)

對反卷積后的振動信號DSP與原始振動信號互相關,可以得到:

(11)

式(11)稱為振動信號自相關反褶積。可以看到,它的左側為反褶積自相關結果,右側為一常數的平方與鉆柱脈沖響應PS0的乘積,即ADS與PS0只差一個比例常數,所以利用反褶積自相關可以得到鉆柱脈沖響應,獲得鉆柱多次波。

3 工程勘察鉆柱長度的低功率主動探測方法

鉆柱頂端的水龍頭平面是安裝探測儀器的最佳位置,這個位置是整個鉆柱的最上部,然而并不隨著鉆柱旋轉,水平向扭轉振動被隔絕,垂向振動被保留。發射換能器垂直向下發射振動信號,信號進入鉆柱形成下行波,下行波到達鉆柱底端,彈性波在鉆頭與巖土界面上因為強阻抗發生比較強的反射,形成的上行波傳播到頂端被接收換能器采集到(見圖1)。

主動震源按照時間函數可以分為兩類:瞬時脈沖類和長波列類。瞬時脈沖類震源[13]也不是嚴格的脈沖,仍然有一個短暫的時間函數,一般被稱為子波。因為子波的持續時間很短,短到可以清楚地區分出反射波且能比較準確地讀取反射波到時,所以可以被近似地看作脈沖震源。為了獲得比較高信噪比的反射波信號,發射的脈沖震源必須瞬時能量很高,比如一般的土木工程用非金屬超聲波探測儀就用高于400 V的高壓發射震源。對于電池供電的長期監測類儀器而言,利用脈沖類震源是不可取的,不僅電量無法支撐,還要設計高壓電路,必然會明顯增大儀器體積。如果電壓不夠高,發射的脈沖震源就不能獲得高信噪比的反射回波。本文提出的低功率方法只需要12 V的發射電壓就能夠積累到足夠穿透鉆柱,獲取高信噪比鉆柱回波的能量。

為了在低功率條件下完成鉆柱的回波探測,就需要發射長波列作為震源[14]。長波列的瞬時功率比較低,但是波列比較長,通過積累足夠長時間的能量,也可以對長鉆柱進行高信噪比探測。將長波列震源壓縮為類似脈沖震源的方法,就是前面介紹的互相關方法,再加上單邊反褶積的子波壓縮功能,就能得到信噪比和時間分辨率都滿足要求的地震圖。在求得的地震圖上可以清晰地看到直達波和反射波[15-17],利用它們的時間差就能估計出鉆柱長度。

圖2為鉆柱波實驗裝置布置圖,圖2(a)為30 m鉆柱,水平向架在鋼管上,與鋼管點接觸,可以近似看作懸空狀態。鉆柱由一系列2 m長的鉆桿和40 cm長的接頭連接組成。圖2(b)為鉆柱的一端,兩個壓電陶瓷片分別擔任發射換能器和接收換能器的任務,壓電陶瓷片與鉆柱通過快速膠水緊密粘貼在一起,此外還利用膠帶進行了加固。在試驗鉆柱的另外一端也粘貼了一個壓電陶瓷片,用于記錄透射鉆柱的直達波,用于檢驗發射的振動信號是否有足夠穿透鉆柱的能量,信噪比是否還足夠高,衰減率大概有多少。

發射換能器發射編輯好的掃頻波列,通過多次試驗,頻帶范圍設定在1 000 Hz～2 500 Hz,長度10 s。在這個頻段內,彈性波的傳遞效率最高,在到達另外一端時,振幅大約為發射端的80%。波列長度的選定主要是考慮功耗、探測能量的積累效應和掃頻波列被數字化采集時產生的干涉現象,經多次試驗選擇了10 s。接收換能器輸出的信號,通過一個儀器放大器后接入通用數據采集器,數采通過USB接口直接將信號輸入電腦。

將接收換能器采集到的信號進行自相關處理,得到的自相關函數如圖3所示,反射波出現在9 ms處,實驗時鉆柱長度為22 m,波速約為4 800 m/s,雙程距離為44 m。

通過上面論述的實驗驗證了該方法的有效性,實驗設備只用到了一般的功放模塊,經過功放放大的信號其電壓在-8 V～+8 V之間,儀器的功放部分利用±12 V直流雙電壓電源就夠用了。基于分壓原理設計一個簡單的分壓電路就能實現該功能,顯著降低了儀器設計難度,實現了低功率探測目標任務。

4 結論與討論

在鉆柱頂端安裝監控儀器,對工程鉆探孔進行平面位置和深度的精確隨鉆測量,是保障工程鉆孔地質資料質量的有效手段,開發這樣一套系統很有必要。深度探測需要向下發射比較高的振動能量才能收到高信噪比回波,傳統的探測儀器需要用到比較龐大的功放電路,利用數百伏特電壓發射足夠能量的脈沖信號。用于長期監控的儀器對能耗和儀器尺寸比較敏感,能耗越低、尺寸越小對于儀器的推廣越有幫助。本文利用長波列掃頻震源思路,提出了一種低功率探測方案,這種方案與高電壓脈沖震源相比,是一種以時間換電壓的方案,通過長時間積累低電壓振動能量達到與一個高電壓脈沖振動同樣效果的方案。實驗證明這種方案是可行的,且找到了最優頻帶范圍和比較適當的波列長度。

長時間波列除了掃頻震源外還有隨機序列和編碼震源,掃頻震源是其中原理最簡單,也比較容易實現的。實際使用中發現離散采樣會使得掃頻序列出現干涉現象,提高采樣率或增長時間范圍可以減輕干涉。初步測試了隨機序列,發現需要比較長的序列才能有效壓制噪聲,在考慮功耗的條件下不如掃頻震源更有適應性。編碼震源的理論性比較強,在進一步的工作中計劃引入實驗,考察其適用性。