Digitalización del proceso de perforación rotativa hidráulica para perfilado mecánico continuo de rocas sedimentarias siliciclásticas

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 3701 (2023) Citar este artículo

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La perforación rotativa hidráulica puede ofrecer la información y muestras de núcleos esenciales para las investigaciones en tierra sólida. Registrar los datos reales de perforación en campo y analizar el proceso de extracción de muestras rotatoria hidráulica es un desafío pero prometedor para utilizar la información masiva de perforación en geofísica y geología. Este artículo adopta la técnica de monitoreo del proceso de perforación (DPM) y registra los cuatro parámetros de desplazamiento, presión de empuje, presión ascendente y velocidad de rotación en series en tiempo real para perfilar las rocas sedimentarias siliciclásticas a lo largo de una perforación de 108 m de profundidad. Los resultados de la digitalización con 107 zonas lineales representan la distribución espacial de los geomateriales perforados, incluidos depósitos superficiales (relleno, loess, suelo de grava), lutita, lutita limosa, arenisca y arenisca fina. Las velocidades de perforación constantes que varían de 0,018 a 1,905 m/min presentan la resistencia a la extracción de muestras in situ de los geomateriales perforados. Además, las velocidades de perforación constantes pueden identificar la calidad de resistencia de los suelos a las rocas duras. Las distribuciones de espesor de los seis grados de calidad de resistencia básica se presentan para todas las rocas sedimentarias y cada tipo individual de los siete suelos y rocas. El perfil de resistencia in situ determinado en este documento se puede utilizar para evaluar el comportamiento mecánico in situ del geomaterial a lo largo del pozo de perforación y puede proporcionar una nueva evaluación mecánica para determinar la distribución espacial de estratos y estructuras geológicas en el subsuelo. Son importantes ya que un mismo estrato a diferentes profundidades puede tener diferente comportamiento mecánico. Los resultados proporcionan una nueva medición cuantitativa para el perfilado mecánico continuo in situ mediante datos de perforación digitales. Los hallazgos del artículo pueden ofrecer un método nuevo y eficaz para refinar y mejorar la investigación del terreno in situ, y pueden proporcionar a investigadores e ingenieros una herramienta novedosa y una referencia valiosa para digitalizar y utilizar datos reales de los proyectos de perforación actuales.

La perforación, en particular la perforación hidráulica con extracción de testigos rotativos, es una operación común, esencial e importante para ofrecer muestras de núcleos e información asociada para las investigaciones geofísicas y geológicas en tierra sólida1. La información de perforación asociada se ha convertido en el foco de estudios cada vez más interdisciplinarios dentro de la creciente digitalización de los observatorios de tierra sólida en todo el mundo2. Flinchum et al. utilizó los datos de refracción sísmica y el estado físico de muestras de núcleos del proceso de extracción de muestras rotatoria hidráulica para inferir la estructura del subsuelo debajo de una cresta de granito3. Allen et al. reveló la presencia de una zona de alteración de 30 m de espesor que sobreimprime tanto el núcleo de falla como la zona de daño según los resultados de las pruebas de laboratorio de muestras de núcleos a lo largo de un pozo de perforación de 100,6 m4. Las mediciones de laboratorio sobre muestras de núcleos extraídas de sondajes se utilizan ampliamente para cuantificar las variaciones en el fondo del pozo en las propiedades mecánicas y geofísicas5,6,7.

Sin embargo, las mediciones de núcleos de laboratorio y algunas pruebas in situ para muchos pozos de perforación pueden ser prohibitivamente costosas y logísticamente desafiantes, particularmente en algunos entornos geológicos complejos donde a menudo se centran los estudios geofísicos3. De hecho, la perforación en sí también puede considerarse como una medición in situ de las propiedades de los geomateriales8,9,10. No se han recopilado ni utilizado datos fácticos masivos sobre parámetros de perforación, como la velocidad de perforación (o tasa de penetración), como subproductos del proceso de perforación. Puede contener información mecánica y geofísica. La digitalización del proceso de perforación con datos reales es un desafío pero prometedor para la investigación en tierra sólida.

Varios investigadores se centraron en los estudios de información de perforación. Rizzo et al. utilizaron las señales eléctricas digitales del pozo de perforación para identificar la distribución de la conductividad hidráulica11. La información de deformación in situ fue monitoreada y analizada mediante extensímetros de pozo de cuatro calibres (FGBS)12. La tecnología de medición durante la perforación (MWD) se utilizó para medir los parámetros de perforación de tasa de penetración, presión de empuje y velocidad de rotación en ciencias e ingeniería del petróleo y la minería13,14,15. Yue et al. inventó la técnica de monitoreo del proceso de perforación (DPM) y desarrolló el método de series en tiempo real en medición y análisis de datos factuales10,16.

Recientemente, cada vez más investigadores prestan atención a los datos de perforación en series en tiempo real. Los datos de perforación en tiempo real pueden identificar las zonas débiles en la roca volcánica17,18 y perfilar el suelo según la resistencia de la roca en la meseta de loess19. Wang y cols. estudió el método para medir las características del macizo rocoso mediante datos de perforación de laboratorio en tiempo real20. Él y otros. propusieron un método empírico para determinar las propiedades mecánicas del macizo rocoso y la predicción de la propensión al estallido de rocas21,22. Arnø et al. propusieron la estimación de la densidad de la roca a partir de datos de perforación en tiempo real utilizando el método de aprendizaje profundo23. La mayoría de las investigaciones anteriores estudiaron la información de perforación mediante datos de pruebas de laboratorio y métodos empíricos. El estudio cuantitativo para la elaboración de perfiles mecánicos in situ de forma continua y precisa mediante datos archivados es todavía muy limitado. En este documento se motivan y llevan a cabo estudios adicionales sobre datos de campo reales de proyectos de perforación actuales y análisis detallados del proceso de extracción de muestras rotatoria hidráulica para el refinamiento y mejora de la investigación del terreno in situ.

En este artículo, se presenta la digitalización del proceso de perforación rotativa hidráulica para llenar el vacío en los proyectos de perforación geofísica y geológica. Los datos reales digitales en series en tiempo real se registran a partir del proceso de extracción de muestras rotatorio hidráulico a lo largo del pozo de perforación de 108 m. Los resultados muestran que los datos reales de perforación pueden presentar continuamente una descripción cuantitativa del perfil mecánico in situ de la resistencia del geomaterial a la fuerza de perforación y la resistencia a la compresión uniaxial estimada desde depósitos superficiales hasta rocas sedimentarias siliciclásticas a lo largo del pozo de perforación. La resistencia del geomaterial a la fuerza de perforación se determinó utilizando la velocidad de perforación que se obtuvo con precisión en este artículo a partir de la técnica digital DPM. Estos perfiles continuos de resistencia in situ son importantes a la hora de evaluar la estabilidad y el posible colapso de los suelos y rocas circundantes alrededor del pozo de perforación. Pueden proporcionar datos fácticos e in situ adicionales a los resultados de la extracción de muestras a lo largo del pozo de perforación. En particular, esta información se vuelve crucial cuando faltan núcleos a lo largo de la profundidad del pozo de perforación. El documento demuestra el marco de una nueva metodología de prueba in situ basada en datos de perforación destinada a mejorar los métodos actuales de investigación del terreno y las clasificaciones de calidad de las rocas.

El proyecto de Estudio Geológico Integral en la ciudad de Yan'an realizado por el Servicio Geológico de China tiene como objetivo perfilar las propiedades mecánicas con datos fácticos digitales para el desarrollo del espacio subterráneo urbano24. La ciudad de Yan'an está situada en la región montañosa de la meseta de Loess. Es un área problemática típica que la conversión de roca en suelo es impulsada por diversos procesos físicos, químicos y biológicos dentro de una zona espacialmente variable y compleja que abarca los 10 a 100 m superiores en esta región25. La investigación geotécnica rápida, efectiva y continua es esencial para la evaluación y utilización de los espacios subterráneos26. Por lo tanto, la tecnología de monitoreo del proceso de perforación (DPM) se utiliza para proporcionar continuamente la valiosa referencia del perfil mecánico in situ mediante datos fácticos digitales en el proyecto.

El proyecto de perforación rotativa hidráulica con extracción de testigos está ubicado en el distrito de Baota en la ciudad de Yan'an con la coordenada GPS (36° 37′ 48′′ N, 109° 22′ 48′′ E). La profundidad del pozo de perforación es de 108,0 m según los registros del sitio, y los geomateriales a lo largo del pozo de perforación y la columna estratigráfica estándar correspondiente se muestran en la Fig. 1. Para mejorar la eficiencia en el sitio, las muestras de núcleos solo se recolectaron de las capas de roca. La precisión del espesor del estrato según los registros del sitio y las muestras de núcleos es de 0,1 my todas las tasas de recuperación de núcleos están por encima del 90%. Según los registros del sitio y los registros manuales de muestras de núcleos, el sondeo tiene un total de 51 estratos para diferentes suelos y rocas sedimentarias. Los 51 estratos corresponden a las 3 capas de suelos y las 48 capas de roca, como se muestra en la columna estratigráfica estándar. El valor máximo del espesor de capa es de 22,2 m, corresponde al estrato de arenisca ligeramente descompuesta. El valor mínimo es de 0,2 m, corresponde al estrato de arenisca fina.

Ocho tipos de estratos a lo largo de esta perforación de 108 m con muestras de núcleos de roca seleccionadas y la correspondiente columna estratigráfica estándar mediante registro manual del sitio.

El registro manual del sitio muestra que los depósitos superficiales están compuestos por rellenos artificiales (p. ej., relleno diverso y loess) y una capa aluvial (p. ej., suelo de grava) de 0,0 a 8,3 m a lo largo del sondeo. La parte restante a lo largo del sondeo (8,3–108,0 m) pertenece a la formación Yan'an con dos miembros, que consiste en sedimentos siliciclásticos depositados en ambientes aluviales, lacustres y turberas durante el Jurásico Medio24,25. Las muestras de núcleos recolectadas del miembro Zaoyuan (8,3 a 71,0 m) tienen múltiples capas de arenisca fina, lutita y lutita limosa. Las muestras recolectadas del miembro Baotashan (71,0–108,0 m) están dominadas por arenisca.

Para la perforación se utilizan la típica máquina perforadora rotativa hidráulica tipo XY-1 y la broca compacta de diamante policristalino con un diámetro de 110 mm, como se muestra en la Fig. 2. El método de perforación es perforación húmeda con fluido y el fluido de perforación es lechada de bentonita. hecho de goma vegetal SM, bentonita y agua con una proporción de peso de 1:5:100.

Diagrama esquemático del sistema de digitalización.

Para investigar la relación entre los parámetros de perforación y el perfilado mecánico de los geomateriales perforados, en este estudio se monitorean los datos de desplazamiento, presión de empuje, presión ascendente y velocidad de rotación. El instrumento de digitalización se puede montar de forma sencilla y no destructiva en la perforadora rotativa hidráulica. Puede recopilar de forma automática, objetiva y continua datos fácticos digitales en series de tiempo real en el sitio. El desplazamiento se utiliza para determinar la velocidad de perforación y la profundidad del pozo. La presión de empuje y la velocidad de rotación se utilizan para comprender el poder de perforación. La presión ascendente se utiliza para determinar los otros subprocesos del trabajo de perforación. Durante este proyecto de perforación, el sistema de digitalización consta de las siguientes partes principales, como se muestra en la Fig. 2.

El sistema de monitoreo de rotación (Fig. 2a) contiene un transductor de revolución electromagnética, un equipo de inducción para rotar con la broca y las varillas de perforación, y los dispositivos de fijación y protección asociados. La rotación de la broca en la perforación rotatoria hidráulica proporciona una fuerza horizontal para pulir la superficie del geomaterial tocado. La precisión del sensor de rotación es de una revolución por segundo (60 revoluciones por minuto).

El sistema de monitoreo de desplazamiento (Fig. 2b) contiene un transductor de desplazamiento giratorio y los dispositivos de protección y fijación asociados. La broca rompe los materiales del suelo y avanza hacia nuevos materiales del suelo debajo de la broca. El sistema puede registrar el desplazamiento de la broca desde el desplazamiento hacia abajo o hacia arriba del cabezal del portabrocas giratorio a lo largo de los dos cilindros hidráulicos verticales durante todo el proceso de perforación. La longitud de la carrera del cilindro es la distancia máxima de desplazamiento vertical del cabezal del portabrocas, que en este caso es de 500 mm. La precisión del sensor de desplazamiento es de 0,001 m.

El sistema de monitoreo de presión hidráulica (Fig. 2c) contiene dos transductores de presión. Se instalan en la tubería de presión hidráulica para calcular el empuje y la fuerza ascendente. Durante el proceso de perforación, el empuje hacia abajo proporciona la potencia para mantener la broca inferior en contacto con la superficie del geomaterial y la corta mientras gira y la fuerza hacia arriba proporciona la potencia para mover el cabezal del portabrocas hacia arriba a lo largo de los dos cilindros hidráulicos verticales después de finalizar un golpe del ariete. avance. Además, el par de perforación es un efecto de reacción del empuje y la velocidad de rotación. Este parámetro no es un parámetro de salida directa y los operadores no pueden cambiarlo. Por lo tanto, es difícil y costoso monitorear el torque de perforación en el proyecto de perforación tradicional para la investigación del terreno en el sitio. Durante el proceso de perforación, el par puede considerarse como una relación lineal con el empuje27,28.

El sistema de adquisición de datos (Fig. 2d) controla el muestreo de señales del sistema anterior. Recoge cuatro señales simultáneamente en forma de salida de voltaje en series en tiempo real y el intervalo de muestreo de tiempo es en este caso de 1 s.

Los sistemas de monitoreo y adquisición de datos son portátiles y fáciles de instalar. El sistema de digitalización puede monitorear y analizar todo el proceso de perforación sin ningún efecto secundario ni para la máquina perforadora ni para las operaciones de rutina en el sitio.

El proceso de perforación rotatoria hidráulica completa consta de muchos viajes de ida y vuelta en secuencia de tiempo debido al hecho de que la muestra de suelo y roca en el muestreador de tubo cilíndrico encima de la broca debe recuperarse una vez que el muestreador de tubo esté lleno. Cada viaje de ida y vuelta se puede describir de la siguiente manera.

la broca con el muestreador de núcleos y varias varillas de perforación de extensión se insertan hasta el fondo del pozo, una por una.

El equipo hace girar la broca y las varillas para calentar y agitar la lechada de lodo, lo que puede facilitar el efecto de perforación.

la broca comienza a romper los materiales del suelo y avanza hacia nuevos materiales del suelo debajo de la broca, que se detendrá una vez que el barril de muestreo (extracción de muestras) se llene con el suelo o los núcleos de roca.

Todas las barras de perforación y el muestreador de brocas se recuperan del suelo para recolectar las muestras.

Es posible que se necesiten algunas operaciones auxiliares (por ejemplo, interrupciones o mantenimiento) durante los procesos anteriores. Estos cuatro subprocesos incluyen (1) insertar el muestreador de brocas (barril), (2) extraer muestras y llenar el barril con nuevos materiales molidos, (3) recuperar el barril lleno nuevamente al suelo y (4) recolectar el núcleo. Las muestras en el terreno forman un típico viaje de ida y vuelta. Este viaje de ida y vuelta se repite uno por uno para perforar geomateriales más profundos hasta alcanzar la profundidad de perforación objetivo. Por lo tanto, el número de viajes de ida y vuelta está determinado principalmente por la longitud del barril de muestreo (extracción de muestras) y las operaciones de los trabajadores de perforación. En este estudio de caso, la longitud del barril de muestreo (extracción de muestras) fue de 4,15 m y se utilizaron un total de 26 viajes de ida y vuelta para completar la perforación de 108 m de profundidad.

Los datos originales de perforación en tiempo real (desplazamiento, presión de empuje, presión ascendente y velocidad de rotación) pueden ser recopilados continuamente por el sistema digital equipado en la máquina perforadora rotativa hidráulica durante todo el proceso de perforación, como se muestra en la Fig. 2. De acuerdo Según el criterio de datos fácticos y digitalización, el típico recorrido de ida y vuelta de perforación rotativa hidráulica con extracción de muestras se puede dividir en cinco operaciones de perforación individuales. Son el proceso de inserción, el proceso de agitación, el proceso de perforación, el proceso de recuperación y extracción y el proceso auxiliar, respectivamente. Cada operación es distintiva y correlacionada con el control de operadores antes mencionado.

Durante el proceso de perforación, los operadores utilizan el cabezal del mandril giratorio para controlar el husillo de perforación que está conectado a las barras de perforación y a la broca para perforar los geomateriales. El cabezal del mandril puede agarrar el husillo de perforación para perforar los nuevos geomateriales. Después de terminar la longitud de carrera del ariete mencionada anteriormente, el cabezal del mandril separa el husillo para regresar al nivel inicial y luego puede agarrar el husillo nuevamente para moverlo hacia abajo. Mediante esta operación, la broca puede perforar geomateriales más profundos con la nueva varilla de perforación agregada para llenar el barril de extracción de muestras. Por lo tanto, el proceso de perforación tiene tres partes: la parte de extracción de núcleos (o parte de perforación neta), la parte de tracción del portabrocas hacia arriba y las operaciones auxiliares.

El método clásico de mínimos cuadrados se utiliza para determinar la velocidad de perforación a partir de datos reales y el coeficiente de determinación R2 o r2 se utiliza normalmente para medir la bondad del ajuste para el grado de linealidad. El intervalo de tiempo mínimo de una zona lineal suele ser superior a 5 s.

La Figura 3 muestra los detalles de un proceso de perforación. Contiene tres piezas de extracción de núcleos y cuatro piezas de portabrocas que tiran hacia arriba. Durante las partes de extracción de muestras, la curva de la profundidad de avance de la broca versus el tiempo neto de perforación se puede expresar como un conjunto de segmentos lineales conectados. Cada zona lineal tiene un gradiente de pendiente constante que representa la velocidad de perforación constante de un geomaterial homogéneo. En la Fig. 3, ocho zonas lineales (Zonas \({a}_{1-3}\), Zonas \({a}_{6-9}\) y Zonas \({a}_{11} \)) con diferentes gradientes constantes se muestran en las partes de extracción de testigos. El gradiente constante de una zona lineal es igual a la velocidad de perforación de esa zona lineal. Las velocidades de perforación de las ocho zonas lineales en la parte de extracción de muestras varían de 0,155 m/min (metros por minuto) a 0,418 m/min. La presión de empuje promedio correspondiente, la presión ascendente promedio y la revolución promedio de cada zona en la parte de extracción de núcleos están configuradas para fluctuar en un pequeño rango de 2,688 a 2,958 MPa, 0,451 a 0,558 MPa y 113 a 120 r/min (revoluciones por minuto). minuto), respectivamente. Las partes hacia arriba del portabrocas que tiran del taladro contienen cuatro zonas (Zonas \({a}_{0}^{*}\), \({a}_{5}^{*}\),\({a}_{ 10}^{*}\), y \({a}_{12}^{*}\)) con intermedio auxiliar ocasional (Zona \({a}_{4}^{*}\)). La velocidad de tracción aumenta hasta el rango de 2,548 a 2,645 m/min, la presión de empuje promedio disminuye hasta el rango de 0,615 a 0,646 MPa y la presión ascendente promedio aumenta hasta el rango de 1,403 a 1,754 MPa.

Datos factuales en tiempo real para el proceso de perforación de extracción de muestras rotatoria hidráulica a lo largo de este pozo de perforación.

Sobre la base del método de selección de operaciones de perforación individuales, se pueden obtener los datos fácticos originales del proceso de perforación neta. Luego, los parámetros de perforación del proceso de perforación neto a lo largo de toda la profundidad del pozo se muestran en la Fig. 4. La profundidad del pozo medida por DPM es 108.062 m. Las Figuras 4a,b muestran que la curva de profundidad de perforación con el tiempo neto de perforación se puede dividir en 107 zonas lineales con respectivas velocidades de perforación constantes. La velocidad de perforación varía de 0,018 a 1,905 m/min. Cada zona de velocidad de perforación constante representa un geomaterial homogéneo. La profundidad de unión de dos zonas lineales adyacentes con diferentes velocidades de perforación marca el límite de dos estratos diferentes. Los breves registros del sitio en la Fig. 4a muestran todos los estratos del pozo de perforación con las correspondientes zonas de velocidad de perforación. Los depósitos superficiales en el Holoceno corresponden a las zonas de digitalización números 1 a 13 a lo largo de la profundidad del pozo de perforación de 0,000 a 8,309 m, y consisten en relleno diverso, loess y suelo de grava. El miembro Zaoyuan en la Formación Yan'an del Jurásico Medio corresponde a las zonas de digitalización números 14 a 89 a lo largo de la profundidad del pozo de perforación de 8,309 a 71,011 m, que consisten en arenisca fina, lutita y lutita limosa de múltiples capas. El Miembro Baotashan en la Formación Yan'an del Jurásico Medio corresponde a las zonas de digitalización Nos. 90-103 a lo largo de la profundidad del pozo de perforación 71.011-108.062 m, que consiste en arenisca. Las comparaciones detalladas de los resultados de la digitalización y los registros manuales tradicionales del sitio se analizan en la siguiente sección.

La curva de avance de la broca con el tiempo neto de perforación y los parámetros de perforación asociados a lo largo de toda la profundidad de perforación según datos fácticos.

Los parámetros de perforación asociados al proceso de perforación neto se pueden calcular para cada zona de velocidad de perforación. La Figura 4c muestra el valor medio de la presión de empuje hacia abajo para cada zona a lo largo del pozo de perforación. Como operaciones de rutina para mejorar la eficiencia de la perforación, la presión de empuje en la capa de suelo se fija en el engranaje inferior y la presión de empuje en la capa de roca se fija en el engranaje superior. Los valores medios de la presión de empuje para los estratos del suelo (corresponden a las zonas 1 a 13) fluctúan dentro de un rango inferior de 2,096 a 2,382 MPa. Los valores medios de la presión de empuje para los estratos rocosos (corresponden a las zonas 14 a 107) fluctúan en un rango superior de 2,496 a 3,179 MPa. La Figura 4d muestra el valor medio de la presión ascendente para cada zona a lo largo del pozo de perforación. Como se mencionó anteriormente, la presión ascendente se fija en el engranaje de reserva para preparar la acción posterior durante el proceso de perforación neta. Los valores medios de aumento fluctúan dentro del rango de marcha de reserva de 0,368 a 0,591 MPa. La Figura 4e muestra el valor medio de la velocidad de rotación para cada zona a lo largo del pozo. El principal rango de fluctuación de los datos de revoluciones en el engranaje de trabajo rutinario es de 105 a 120 r/min. Además, los operadores aumentaron la velocidad de rotación a una velocidad de trabajo más alta para perforar eficientemente en la capa de suelo de grava como método de rutina. Por lo tanto, los valores medios de los datos de revoluciones para las zonas de velocidad de perforación números 5 a 13 son más altos que otros.

Además, la velocidad de perforación constante con el método DPM se determina sin considerar directamente los posibles efectos del empuje, la rotación y el torque. Yue indicó que la velocidad de perforación normalizada con otros parámetros de perforación es casi la misma que la velocidad de perforación original mediante el método DPM10. En este pozo de perforación, el efecto de los parámetros de perforación asociados para una velocidad de perforación constante se puede presentar en la Fig. 5.

La relación entre la velocidad de perforación de 107 zonas de profundidad y los parámetros de perforación correspondientes en las mismas zonas (a) valores medios de presión descendente, (b) valores medios de presión ascendente, (c) valores medios de revolución, (d) coeficiente de correlación lineal .

En la Fig. 5a, a medida que aumenta la velocidad de perforación de la zona del estrato de roca, los valores medios de la presión de empuje descendente se fijan para fluctuar dentro de un cierto rango de velocidad alta. A medida que aumenta la velocidad de perforación de la zona del estrato del suelo, los valores medios de la presión de empuje hacia abajo se fijan para fluctuar dentro del rango inferior. Las relaciones similares entre la velocidad de perforación de la zona y los parámetros de perforación asociados también se muestran en la Fig. 5b, c. La Figura 5d muestra el coeficiente de determinación para la velocidad de perforación constante de las 107 zonas. El valor medio del coeficiente de determinación es 0,9954. Según la Fig. 5, los parámetros de perforación asociados fluctúan dentro de un cierto rango con el aumento de la velocidad de perforación, mientras tanto, todos los coeficientes de determinación para el aumento de la velocidad de perforación son superiores a 0,99. La presión de empuje hacia abajo, la presión hacia arriba y la velocidad de rotación durante el proceso de perforación neta tienen efectos limitados sobre las variaciones de la velocidad de perforación constante para zonas de geomateriales homogéneos. Por lo tanto, las velocidades de perforación estuvieron relacionadas principalmente con las propiedades del geomaterial perforado, ya que el empuje, la rotación y el torque aplicados tuvieron variaciones limitadas para diferentes zonas de geomaterial homogéneo en este estudio de caso.

Según los resultados de la Fig. 4, cada estrato puede corresponder a varias zonas mecánicas constantes (o zonas de velocidad de perforación constante). Significa que los resultados de la digitalización pueden mostrar los perfiles detallados de resistencia resistente de los núcleos y las distribuciones espaciales asociadas para un estrato mediante registros manuales. Las velocidades de perforación similares de las zonas lineales representan los geomateriales con perfiles de resistencia resistentes a la extracción de núcleos en el sitio similares y la posición del salto de gradiente de la curva entre dos zonas lineales conectadas cualesquiera puede representar los límites de la interfaz de diferentes perfiles de resistencia resistentes a la extracción de núcleos en el sitio. Las distribuciones espaciales de zona mecánica constante con velocidad de perforación constante (o resistencia de perforación) para perfilar los diferentes geomateriales mediante resultados de digitalización son consistentes con las distribuciones de muestras de núcleos por registros de sitio. Los espesores de los estratos y la profundidad de las perforaciones mediante resultados de digitalización han sido verificados mediante los correspondientes registros manuales.

Según los resultados del análisis anterior, cada zona mecánica constante con su velocidad de perforación (o resistencia a la perforación) constante corresponde a un geomaterial homogéneo. En consecuencia, el método de digitalización puede perfilar la resistencia de los suelos a las rocas sedimentarias siliciclásticas a partir de datos factuales. Se pueden obtener un total de 107 zonas mecánicas constantes para los ocho tipos de suelos hasta rocas sedimentarias siliciclásticas. La Figura 6 presenta el número de zonas en diferentes estratos con la velocidad de perforación asociada. Para los suelos y rocas sedimentarias a lo largo del pozo de perforación, las velocidades de perforación constantes son de 0,018 a 1,905 m/min, los valores promedio y mediano de 0,373 y 0,295 m/min, respectivamente. Las capas de suelo tienen trece zonas y las capas de roca tienen noventa y cuatro zonas. Las mismas zonas de geomateriales fluctúan dentro de un rango similar de velocidad de perforación. Los diferentes geomateriales muestran diferentes rangos de fluctuación en la velocidad de perforación. Además, las velocidades de perforación de las capas de suelo fluctúan dentro de un rango mayor que las de las capas de roca. Indica que la velocidad de perforación de una capa de roca es más estable que la velocidad de perforación en una capa de suelo.

El número de zonas mecánicas constantes en diferentes estratos con la velocidad de perforación de la zona asociada.

Con la velocidad de perforación de 107 zonas en diferentes estratos, las velocidades promedio de perforación de cada geomaterial y los datos asociados se pueden calcular en la Fig. 7 y la Tabla 1. Las velocidades promedio de perforación y las desviaciones estándar correspondientes de las capas de suelo de loess y grava son mayores. que otros. La velocidad promedio de perforación de lutitas es la más alta entre los cinco tipos de capas de roca. Las velocidades medias de perforación de los otros cuatro tipos de roca se muestran en orden descendente y la velocidad de perforación más baja corresponde a la arenisca fina. Es obvio que las zonas con menor velocidad de perforación representan un geomaterial más fuerte o menos fácilmente perforable.

La velocidad promedio de perforación de la zona y la desviación estándar correspondiente de ocho estratos en el pozo de perforación.

Además, las velocidades de perforación promedio de diferentes geomateriales a lo largo de este pozo de perforación se comparan con algunos otros geomateriales con su correspondiente velocidad de perforación promedio en la Fig. 8. Estos valores se obtienen en diferentes condiciones del terreno, diferentes perforadoras hidráulicas y brocas mediante el método de digitalización19. 29,30. Los resultados de la digitalización ilustran que las variaciones de la velocidad de perforación medidas por datos de perforación reales son compatibles y consistentes con las propiedades de diferentes geomateriales de diferentes condiciones del terreno, diferentes perforadoras hidráulicas y brocas.

La velocidad de perforación promedio para diferentes geomateriales en el pozo de perforación.

Según la norma británica y europea31, la velocidad de perforación está relacionada con la resistencia mecánica de la formación perforada. Elkatatny propuso que la velocidad de perforación desempeña un papel clave durante el proceso de perforación32. En este artículo, los resultados anteriores muestran que la velocidad de perforación constante puede representar la propiedad de resistencia de los geomateriales perforados. Los registros de sitio paralelos verifican la precisión de la velocidad de perforación constante a partir de datos de campo reales. A continuación se presentan más discusiones sobre la comparación entre las velocidades de perforación constantes y los resultados de las pruebas tradicionales de propiedades de resistencia mecánica.

La resistencia a la compresión uniaxial es el parámetro de resistencia clásico para medir las propiedades básicas del macizo rocoso. La resistencia a la compresión uniaxial de las muestras de núcleos a lo largo de este sondeo se obtuvo mediante pruebas de laboratorio. Se analizaron treinta y una muestras de núcleos de profundidades de 11,9 a 108,0 m con el método estándar GB/T 50218-2014. La profundidad inicial y final de cada muestra de núcleo con una altura de 10 cm se registraron en el sitio. La profundidad de cada probeta corresponde a una o varias zonas lineales de diferentes espesores a una misma profundidad. Las velocidades de perforación ponderadas de una o varias zonas lineales a la misma profundidad se comparan con los resultados de las pruebas de resistencia a la compresión uniaxial, como se muestra en la Fig. 9. Las muestras de núcleos de arenisca fina ligeramente descompuesta con la velocidad de perforación más baja tienen los valores más altos de uniaxial. fuerza compresiva. Por el contrario, los valores más bajos de resistencia a la compresión uniaxial son muestras de núcleos de lutita con la mayor velocidad de perforación entre los estratos de roca. Los resultados indican que los valores de resistencia a la compresión uniaxial disminuyen a medida que aumenta la velocidad de perforación correspondiente. La ecuación de regresión de la Fig. 9 se puede expresar como Ec. (1). Con esta ecuación se pueden obtener los valores estimados de resistencia a la compresión uniaxial mediante la digitalización de los resultados mediante la velocidad de perforación correspondiente.

Comparación entre la resistencia a la compresión uniaxial de la roca \({R}_{c}\) de la prueba de laboratorio y la velocidad de perforación de la zona correspondiente de los resultados de la digitalización.

Actualmente, son escasos los métodos eficaces para obtener la propiedad de resistencia de la roca en tiempo real in situ33. Según la ecuación. (1), las velocidades de perforación constantes pueden estimar la propiedad de resistencia de los geomateriales perforados. Los valores estimados son consistentes con la resistencia a la compresión uniaxial mediante ensayos de laboratorio tradicionales. Por lo tanto, las velocidades de perforación constantes proporcionan la predicción de la propiedad de resistencia mediante datos de campo reales in situ. Los datos fácticos originales son prácticos y eficientes para registrarlos en series en tiempo real in situ. El resultado de la predicción es preciso y aplicable a las rocas sedimentarias siliciclásticas a lo largo de esta perforación de 108 m de profundidad. Para construir un método de predicción generalizado basado en datos de perforación reales para aplicaciones más amplias, se requieren más estudios sobre diversos tipos de geomateriales, máquinas perforadoras y condiciones de perforación.

Los datos de digitalización también pueden mostrar los resultados de zonificación de la designación de calidad de resistencia del geomaterial mediante un método similar con la designación de calidad de roca (RQD). En la mecánica de rocas clásica, RQD solo puede representar el grado de fracturación en un núcleo de roca y no puede representar la resistencia y el grado de erosión de los bloques de roca debido a su definición geométrica de la siguiente manera. RQD es el porcentaje de recuperación del núcleo del pozo que incorpora piezas de núcleo sólido de más de 100 mm de longitud medidas a lo largo de la línea central del núcleo34. Cada pieza de núcleo sólido se define como pieza mayor a 100 mm entre fracturas naturales. Las piezas de núcleo sólido pueden tener grandes variaciones en la resistencia mecánica (como la UCS). Por lo tanto, se necesita un nuevo parámetro de velocidad de perforación constante y espesor de zona para mostrar los perfiles de resistencia del geomaterial. La Figura 10 ilustra el espesor de las 107 zonas lineales con las correspondientes velocidades de perforación.

Variaciones del espesor de la zona con su correspondiente velocidad de perforación de la zona.

Para los suelos a rocas sedimentarias a lo largo del sondaje, los espesores de zona varían de 0.137 a 4.970 m, y los valores promedio y mediana son 1.010 my 0.746 m, respectivamente. El espesor de cada zona y su velocidad de perforación se pueden organizar para formar la matriz de n pares de menor a mayor: \((V_{DPM1} ,H_{1} )\),\((V_{DPM2} ,H_{ 2} )\),…, \((V_{DPMn} ,H_{n} )\) donde \(V{}_{DPM1} \le V{}_{DPM2} \le \cdots \le V{ }_{DPMn}\). Con base en los datos de digitalización a lo largo del pozo de perforación, el \(RQD(V_{DPM} )\) se puede definir como la relación porcentual de espesores de zona acumulados con una velocidad de perforación menor que un valor dado en toda la profundidad de perforación:

donde \(K = 1,2,3, \puntos,n\); y \(\sum\nolimits_{i = 1}^{n} {H_{i} } = {108}{{.062 m}}\).

\(RQD(V_{DPM} )\) en este artículo no es puramente una extensión del método RQD geométrico tradicional. Es un nuevo parámetro de velocidad de perforación constante y espesor de zona con el método de cálculo similar de RQD. Los valores de \(RQD(V_{DPM} )\) y las velocidades de perforación de la zona asociada pueden indicar los resultados de zonificación de los perfiles de resistencia del geomaterial. Puede ser un complemento a los métodos tradicionales de investigación geológica in situ. La Figura 11 muestra las distribuciones del espesor de la zona de digitalización con la velocidad de perforación para perfilar estadísticamente la resistencia del geomaterial. El eje vertical es el valor \(RQD(V_{DPM} )\) de la ecuación. (2) y el eje horizontal es la velocidad de perforación de la zona correspondiente. La Figura 12 muestra las distribuciones detalladas para perfilar cada uno de los seis tipos de geomateriales a lo largo del sondaje. Los valores de \(RQD(V_{DPM} )\) y la resistencia a la compresión uniaxial asociada mediante resultados de digitalización también se presentan para mostrar los resultados de zonificación de los perfiles de resistencia del geomaterial. La Figura 13 muestra las distribuciones del espesor de la zona de digitalización con resistencia a la compresión uniaxial mediante resultados de digitalización para perfilar estadísticamente la resistencia del geomaterial. El eje vertical es el valor \(RQD(V_{DPM} )\) de la ecuación. (2) y el eje horizontal es la correspondiente resistencia a la compresión uniaxial según los resultados de la digitalización de la ecuación. (1). La Figura 14 muestra las distribuciones detalladas para perfilar cada uno de los seis tipos de geomateriales a lo largo del sondaje.

Distribuciones del espesor de la zona de digitalización con la velocidad de perforación (\({\mathrm{RQD}}_{\mathrm{DPM}}\)) para perfilar estadísticamente la resistencia del geomaterial.

Distribuciones del espesor de la zona de digitalización con velocidad de perforación (\({\mathrm{RQD}}_{\mathrm{DPM}}\)) para perfilar estadísticamente cada uno de los 6 tipos de geomateriales.

Distribuciones del espesor de la zona de digitalización con UCS para perfilar estadísticamente la resistencia del geomaterial.

Distribuciones del espesor de la zona de digitalización con UCS para perfilar estadísticamente cada uno de los 6 tipos de geomateriales.

A partir de patrones de variación similares, las curvas de las Figs. 11 y 13 se pueden dividir en las siguientes seis secciones a medida que aumenta la velocidad de perforación a lo largo del eje horizontal:

La sección I significa que el valor estimado de los grados de calidad de resistencia básica según los resultados de la digitalización es el primer grado con una velocidad de perforación que varía de 0,018 a 0,175 m/min. Los valores estimados de resistencia a la compresión uniaxial mediante datos de digitalización son de 65,6 a 80,2 MPa. El porcentaje de espesor de digitalización con una velocidad de perforación menor que el valor límite superior de esta sección (es decir, 0,175 m/min) es aproximadamente 10,38%. El geomaterial de esta sección es principalmente arenisca fina ligeramente descompuesta como se muestra en las Figs. 12 y 14, correspondientes a los grados de calidad básica I mediante registros de sitio y pruebas de laboratorio.

La Sección II significa que el valor estimado de los grados de calidad de resistencia básica mediante los resultados de la digitalización es el segundo grado con valores de velocidad de perforación que varían de 0,175 a 0,240 m/min. Los valores estimados de resistencia a la compresión uniaxial mediante datos de digitalización son de 60,3 a 65,6 MPa y los valores de \(RQD(V_{DPM} )\) son de 10,38 a 28,55%. La sección contiene principalmente arenisca fina y arenisca ligeramente descompuesta, como se muestra en las Figs. 12 y 14, correspondientes a los grados de calidad básica I y II mediante registros de sitio y pruebas de laboratorio.

La Sección III significa que el valor estimado de los grados de calidad de resistencia básica mediante los resultados de la digitalización es el tercer grado con valores de velocidad de perforación que varían de 0,240 a 0,319 m/min. Los valores estimados de resistencia a la compresión uniaxial mediante datos de digitalización son de 54,5 a 60,3 MPa y los valores de \(RQD(V_{DPM} )\) son de 28,55 a 49,33%. La sección contiene principalmente arenisca ligeramente descompuesta y lutitas limosas, como se muestra en las Figs. 12 y 14, correspondientes a los grados de calidad básica II y III mediante registros de sitio y pruebas de laboratorio.

La sección IV significa que el valor estimado de los grados de calidad de resistencia básica mediante los resultados de la digitalización es el cuarto grado con valores de velocidad de perforación que varían de 0,319 a 0,397 m/min. Los valores estimados de resistencia a la compresión uniaxial mediante datos de digitalización son de 49,3 a 54,5 MPa y los valores de \(RQD(V_{DPM} )\) son de 49,33 a 73,19%. Los geomateriales de esta sección son principalmente lutitas limosas y areniscas moderadamente descompuestas, como se muestra en las Figs. 12 y 14, correspondientes a los grados de calidad básica III y IV mediante registros de sitio y pruebas de laboratorio.

La sección V significa que el valor estimado de los grados de calidad de resistencia básica según los resultados de la digitalización es el quinto grado con valores de velocidad de perforación que varían de 0,397 a 0,623 m/min. Los valores estimados de resistencia a la compresión uniaxial mediante datos de digitalización son de 36,8 a 49,3 MPa y los valores de \(RQD(V_{DPM} )\) son de 73,19 a 93,56%. El geomaterial de esta sección es principalmente lutita, como se muestra en las Figs. 12 y 14, correspondientes a los grados de calidad básica V mediante registros de sitio y pruebas de laboratorio.

La sección VI significa que el valor estimado de los grados de calidad de resistencia básica mediante los resultados de la digitalización es el sexto grado con valores de velocidad de perforación que varían de 0,623 a 1,905 m/min. Los valores estimados de resistencia a la compresión uniaxial mediante datos de digitalización son de 7,1 a 36,8 MPa y los valores de \(RQD(V_{DPM} )\) son de 93,56 a 100,00%. El geomaterial de esta sección es suelo como se muestra en las Figs. 12 y 14.

Los criterios para la clasificación de la calidad de la resistencia básica de los macizos rocosos de la norma GB/T 50218-2014 y el método de digitalización se resumen con más detalle en la Tabla 2. Además, la distribución porcentual de los espesores de las zonas con los seis grados de calidad básicos se puede medir con la digitalización. datos de los diferentes geomateriales terrestres. En el Cuadro 3, del espesor total de 8.305 m de las capas de suelo a lo largo del sondaje, el 83.8% del suelo corresponde a los grados de calidad básicos de VI determinados por los datos de digitalización. El 77,6% de la lutita a lo largo del pozo de perforación pertenece al grado V. El 86,2% de la arenilla moderadamente descompuesta es del grado IV. La mayor parte de la lutita limosa, que tiene un espesor total de 16.372 m, corresponde a los grados de calidad básicos III y IV. La mayor parte de la piedra arenisca ligeramente descompuesta corresponde a las calidades básicas II y III. Para la arenisca fina ligeramente descompuesta, que tiene un espesor total a lo largo del sondeo de 18,128 m, el 97,2% corresponde a los grados de calidad básicos I y II.

La Figura 15 muestra la comparación entre los grados de clasificación de ingeniería determinados por los datos de digitalización y los registros manuales a lo largo del pozo de perforación. En la Fig. 15a se muestran los grados de calidad básicos de los macizos rocosos determinados mediante registros manuales con profundidades de perforación para diferentes geomateriales. Los grados del I al V representan los resultados de las pruebas de laboratorio para el macizo rocoso del método GB/T 50218-2014, y VI representa las capas del suelo. Las distribuciones de las seis secciones para clasificaciones de ingeniería mediante datos de digitalización y los registros manuales correspondientes se presentan en la Fig. 15b.

Comparación entre grados de clasificación de ingeniería determinados por datos de digitalización y registros manuales a lo largo del sondaje.

Para este sondeo, los grados de clasificación de calidad resistente de los geomateriales perforados se muestran en la Fig. 16. Los resultados de la digitalización muestran que las velocidades de perforación constantes están correlacionadas con la resistencia a la compresión uniaxial, la designación de calidad de la roca y los seis grados básicos de calidad de resistencia para clasificar la calidad resistente de los depósitos superficiales a las rocas sedimentarias. Los resultados pueden mejorar la práctica de perforación actual para pruebas in situ de perfiles continuos y mecánicos.

Distribuciones de velocidad de perforación con su espesor de zona lineal.

El artículo propone un nuevo método de digitalización para la utilización de información de perforación. Los datos fácticos digitales en series en tiempo real a lo largo del pozo de perforación de 108 m de profundidad se registran y analizan para obtener de forma continua y rentable el perfil de resistencia in situ de los geomateriales perforados.

En total, 107 zonas lineales se identifican mediante velocidades de perforación constantes. La velocidad de perforación constante más baja de una zona lineal indica una zona o estrato de geomaterial homogéneo más fuerte. La lutita, la arenisca moderadamente descompuesta, la lutita limosa, la arenisca ligeramente descompuesta y la arenisca fina tienen velocidades de perforación constantes promedio de 0,452 m/min, 0,354 m/min, 0,290 m/min, 0,236 m/min y 0,149 m/min. , respectivamente. Las zonas lineales con velocidades de perforación constantes pueden mostrar de manera precisa y efectiva los límites de la interfaz y las distribuciones espaciales de los 51 estratos para 8 tipos de suelos y rocas sedimentarias. Cada estrato manual mediante el registro de sitio tradicional se representa con una o más zonas mecánicas constantes. Los resultados de la digitalización proporcionan un perfil más detallado de la resistencia del geomaterial a lo largo del pozo de perforación.

Además, la resistencia a la compresión uniaxial de los núcleos de roca de las pruebas de laboratorio tiene la ecuación de correlación \(R_{c} \, = { 82}{{.090}} \times e^{{ - 1.{286} \times { \text{Velocidad de perforación (m/min)}}}}\) con la velocidad de perforación. Seis grados de calidad de resistencia están determinados por la velocidad de perforación, la resistencia a la compresión uniaxial \(R_{c}\) y la designación de la calidad de la roca. La velocidad de perforación,\(R_{c}\) y \(RQD(V_{DPM} )\) tienen los siguientes rangos: (1) para grado I, 0,018–0,175 m/min, 65,6–80,2 MPa, y 0,00–10,38%; (2) para el grado II, 0,175 a 0,240 m/min, 60,3 a 65,6 MPa y 10,38 a 28,55%; (3) para grado III, 0,240 a 0,319 m/min, 54,5 a 60,3 MPa y 28,55 a 49,33%; (4) para grado IV, 0,319–0,397 m/min, 49,3–54,5 MPa y 49,33–73,19%; (5) para el grado V, 0,397–0,623 m/min, 36,8–49,3 MPa y 73,19–93,56%; (6) para el grado VI, 0,623–1,905 m/min, 7,1–36,8 MPa y 93,56–100,00%, respectivamente. Las distribuciones de espesor de cada grado de calidad de resistencia mediante datos de digitalización también se pueden obtener como 10,4%, 18,2%, 19,6%, 23,9%, 21,5% y 6,4% para los grados de calidad I a VI, respectivamente.

Los resultados del análisis muestran que los datos de digitalización pueden ofrecer una referencia adicional, continua y cuantitativa para las distribuciones espaciales detalladas de los depósitos superficiales de las rocas sedimentarias siliciclásticas y los perfiles mecánicos in situ asociados. Este estudio ofrece un método rentable para mejorar la práctica de perforación actual para pruebas in situ del perfil de resistencia del geomaterial y la distribución espacial. Además, los datos de perforación digitalizados también pueden verse afectados por diferentes perforadoras y brocas. Para el mismo geomaterial perforado, la velocidad de perforación constante de una máquina perforadora de alta potencia o de una broca nueva más afilada debe ser mayor que la velocidad de perforación constante de una máquina perforadora de baja potencia o de una broca vieja y sin filo. Para aplicaciones más amplias del nuevo método en el futuro, se necesitan más estudios de perforadoras y brocas estandarizadas para desarrollar una prueba estándar de investigación del terreno in situ. Además, el resultado del perfil de resistencia del DPM a lo largo del pozo de perforación se puede utilizar para determinar y predecir la deformación y el colapso de los geomateriales que rodean el pozo de perforación.

Se cree que el documento llenará el vacío de la utilización de datos de perforación masiva en geofísica y geología, y también proporcionará una herramienta continua y rentable para registrar y analizar los datos factuales de los proyectos de perforación actuales.

Los datos utilizados en este estudio están disponibles públicamente en Figshare desde https://doi.org/10.6084/m9.figshare.14979582.

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El artículo fue financiado parcialmente por subvenciones del Consejo de Subvenciones de Investigación de la Región Administrativa Especial de Hong Kong, República Popular China (Proyectos Nos. HKU 17207518 y R5037-18). El primer autor también agradece a HKU la beca para sus estudios de doctorado.

Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Geociencias de China (Beijing), Beijing, República Popular de China

XF Wang y ZJ Zhang

Departamento de Ingeniería Geotécnica, Universidad Tongji, Shanghai, República Popular China

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Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Hong Kong, Hong Kong, República Popular China

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Las contribuciones de XFW incluyeron conceptualización, recopilación de datos, investigación, metodología, validación y redacción del borrador original. Las contribuciones de ZJZ incluyeron la administración del proyecto, la recopilación, revisión y edición de datos. Las contribuciones de WVY incluyeron la administración, revisión y edición del proyecto. Las contribuciones de ZQY incluyeron conceptualización, adquisición de fondos, supervisión, revisión y edición. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a ZQ Yue.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Wang, XF, Zhang, ZJ, Yue, WV et al. Digitalización del proceso de perforación rotativa hidráulica para perfilado mecánico continuo de rocas sedimentarias siliciclásticas. Representante científico 13, 3701 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30837-z

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Recibido: 26 de noviembre de 2022

Aceptado: 02 de marzo de 2023

Publicado: 06 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30837-z

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