监测钻机在钻探过程中地层变化的装置及方法
阅读说明：本技术 监测钻机在钻探过程中地层变化的装置及方法 (Device and method for monitoring stratum change of drilling machine in drilling process ) 是由 周留煜 张修杰 杨斐 张金平 邓超文 林少忠 徐小刚 胡飘野 吴飞雄 梁志鹏 于 2021-04-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种监测钻机在钻探过程中地层变化的装置及方法,所述装置包括至少两条长度和性能指标均相同的弹簧,设置于每条弹簧端部的拉力传感器,用于记录并处理拉力传感器所测得的弹簧拉力数据的数据终端,用于接收所述数据终端所记录的弹簧拉力数据留作备案的服务端,所述方法通过将连续数据转换成力学变化曲线来与相应地层类别进行匹配,即力学变化曲线的斜率能有效表示不同深度地层的钻进速度而确定地层属性,力学变化曲线的斜率变化能有效确定岩土交界面的深度,将弹簧拉力数据及时发送至服务端进行备份,能有效监管操作人员芯样摆放的造假问题,保证勘察成果的真实性和准确度。(The invention provides a device and a method for monitoring stratum change of a drilling machine in a drilling process, wherein the device comprises at least two springs with the same length and performance indexes, a tension sensor arranged at the end part of each spring, a data terminal for recording and processing spring tension data measured by the tension sensor, and a service end for receiving the spring tension data recorded by the data terminal and reserving the spring tension data as a record, the method is matched with corresponding stratum types by converting continuous data into a mechanical change curve, namely the slope of the mechanical change curve can effectively represent the drilling speed of stratums with different depths to determine the stratum properties, the slope change of the mechanical change curve can effectively determine the depth of a rock-soil interface, the spring tension data is timely sent to the service end for backup, and the problem of counterfeiting of core sample placement of an operator can be effectively supervised, the authenticity and the accuracy of the exploration result are ensured.)
技术领域
本发明涉及钻探工程领域，特别涉及一种监测钻机在钻探过程中地层变化的装置及方法。
背景技术
人类的工程构造物在现阶段大都依旧是建于地表，并依附于地表岩土层的反作用力而存在的，无论是道路、桥梁、房屋、坝体、码头等等，地基基础的承载力都是其存在的首要且必要的条件。
而建筑物基础下的地基层却又是复杂、不均匀、多变的多元组成体，所以地质勘察的目的就是查明建筑构造物所在区域下伏一定深度内的地质情况。地质勘察的手段有很多，包括地质钻机钻探、人工挖探、工程物理探测等等，而在我国最常用的勘察方法就是地质钻机钻探，垂直地表抽取岩土芯样。
地质钻机钻探具有直观、易回溯、实验性强、经济成本低、操作简便等优势，尤其是在地层简单、钻探深度不大、进度要求不快的工程中，其优势尤为明显。然而现实工作中我们发现，绝大多数地层的发育是极其不规则和复杂多变的，譬如含多期次淤泥的沿海、河道地区，受构造影响或变质作用强烈的软弱夹层多发育的岩层，含有孤石的侵入岩体区域，串珠状岩溶或采空区发育地区等。
在上述地层复杂区域开展钻探工作，不仅需要精确的分层深度记录和岩芯摆放顺序，还需要对钻进过程中的异常情况进行观察、记录，才能保证勘察成果的真实性和准确度。而我国地质钻机的操作人员由于文化水平不高且缺乏规范培训，普遍不具备应有的技术水平、责任心和相应的工程、地质知识，单凭现场勘察技术人员的询问和记录查阅远不足以发现地层的突变或异常现象。同时由于低价恶性竞争、赶进度等人为原因，地质钻探行业普遍存在芯样摆放造假、岩土面随意更改等现象，这更为确定工区地层的岩性以及判别工区地层变化带来极大的困难和障碍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种监测钻机在钻探过程中地层变化的装置及方法，旨在能及时记录钻探过程中地层的突变或异常，同时对岩土层类别进行判别分析，避免出现操作人员芯样摆放造假的情况。
上述目的，通过如下技术方案实现。
一方面，提供一种监测钻机在钻探过程中地层变化的装置，其特征在于，包括至少两条长度和性能指标均相同的弹簧，用于将所述弹簧固定于钻机上的固定器，设置于每条弹簧端部的拉力传感器，所述拉力传感器位于弹簧端部与所述固定器之间，以及用于记录并处理拉力传感器所测得的弹簧拉力数据的数据终端，用于接收所述数据终端所记录的弹簧拉力数据留作备案的服务端；弹簧与所述钻机的钻杆柱相平行，并绕所述钻杆柱旋转对称分布；弹簧的顶端通过固定器固定于钻机的水龙头，底端通过固定器固定于钻机的液压系统顶部；在每一钻进回次开始前，弹簧处于拉伸状态。
所述监测钻机在钻探过程中地层变化的装置，可以作如下改进。
所述弹簧长度为1.5～2.5米，弹性形变极限拉伸量小于4米。
所述弹簧外部包裹有保护套。
所述数据终端，包括以下模块：
数据存储模块，用于接收并存储拉力传感器所测得的弹簧拉力数据，以记录弹簧所受拉力随时间变化的连续数据；
数据传输模块，用于将所述弹簧拉力数据直接发送至服务端留作备案。
所述数据终端和服务端，均设置数据处理模块，用于对所述数据存储模块中的连续数据进行处理，并绘制力学变化曲线，对多个回次钻探的弹簧拉力数据曲线进行连接拟合，以及将所述力学变化曲线与相应地层类别进行匹配。
所述数据终端和服务端，均设置人机交互模块，用于根据需要显示各类数据信息、图表、数据对比以及异常提示。
另一方面，还提供了一种监测钻机在钻探过程中的地层变化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，使用上述监测钻机在钻探过程中地层变化的装置，在钻机开始第一个钻进回次时，将钻杆柱升至最高，打开弹簧两端的力学传感器，并采集弹簧拉力数据；
步骤二，钻机开始第一回次的钻探，力学传感器记录一回次钻进初始时间，待所述一回次钻探停止时，力学传感器暂停记录弹簧拉力数据，并记录一回次钻进终止时间；
步骤三，将弹簧拉力复位至上一回次终止时的拉力传感器所记录的弹簧拉力数据，然后进行第N回次的钻探，力学传感器记录N回次钻进初始时间，并采集弹簧拉力数据，待所述第N回次的钻探停止时，记录N回次钻进终止时间
步骤四，重复步骤三直至完成钻探并终孔，数据终端接收并记录所有弹簧拉力数据并发送至服务端。
所述监测钻机在钻探过程中的地层变化的方法，还可以作如下改进。
在步骤四之后，还包括：步骤五，对所述数据存储模块中的连续数据进行处理，并绘制力学变化曲线，对多个回次钻探的弹簧拉力数据曲线进行连接拟合，以及将所述力学变化曲线与相应地层类别进行匹配。
上述发明，具备如下优点：
将连续数据转换成力学变化曲线来与相应地层类别进行匹配，即力学变化曲线的斜率能有效表示不同深度地层的钻进速度而确定地层属性，力学变化曲线的斜率变化能有效确定岩土交界面的深度，将弹簧拉力数据及时发送至服务端进行备份，能有效监管操作人员芯样摆放的造假问题，保证勘察成果的真实性和准确度。
附图说明
图1为本发明所述监测钻机在钻探过程中地层变化的装置安装在钻机上的结构示意图；
图2为所述数据终端以及服务端的系统结构框图；
图3为弹簧拉力F随时间t的变化曲线图；
图4为弹簧拉长长度H随时间t的变化曲线图；
其中：1、钻机；101、水龙头；102、液压系统顶部；103、钻杆柱；2、弹簧；3、固定器；4、拉力传感器；5、保护套。
具体实施方式
下面将结合附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1至图2所示，本发明提供了一种监测钻机在钻探过程中地层变化的装置，包括两条长度和性能指标均相同的弹簧2，用于将所述弹簧2固定于钻机1上的固定器3，设置于每条弹簧2端部的拉力传感器4，所述拉力传感器4位于弹簧2端部与所述固定器3之间，以及用于记录并处理拉力传感器4所测得的弹簧2拉力数据的数据终端，用于接收所述数据终端所记录的弹簧2拉力数据留作备案的服务端；弹簧2与所述钻机1的钻杆柱103相平行，并绕所述钻杆柱103旋转对称分布；弹簧2的顶端通过固定器3固定于钻机1的水龙头101，底端通过固定器3固定于钻机1的液压系统顶部102；在每一钻进回次开始前，弹簧2处于拉伸状态。
具体地，所述弹簧2长度为1.5～2.5米，弹性形变极限拉伸量小于4米。由于弹簧2过长的的伸缩量，使得弹簧2的拉力范围变化更大，不容易复位拉力传感器4的拉力数据，所以经过试验，所选弹簧2的长度最优为4米，弹性形变极限拉伸量小于4米。
具体地，所述弹簧2外部包裹有保护套5。避免弹簧2由于遭到外界环境腐蚀而对弹簧2的弹性性能产生影响。
如图2所示，数据终端，包括用于接收并存储拉力传感器4所测得的弹簧2拉力数据的数据存储模块，以记录弹簧2所受拉力随时间变化的连续数据；还包括，用于将所述弹簧2拉力数据直接发送至服务端留作备案的数据传输模块
而数据终端和服务端，均设置用于对所述数据存储模块中的连续数据进行处理的数据处理模块，数据处理模块通过绘制力学变化曲线，对多个回次钻探的弹簧2拉力数据曲线进行连接拟合，同时将所述力学变化曲线与相应地层类别进行匹配。数据终端和服务端均设置用于根据需要显示各类数据信息、图表、数据对比以及异常提示的人机交互模块。
本发明还提供了一种监测钻机1在钻探过程中的地层变化的方法包括如下步骤：
步骤101，使用上述监测钻机在钻探过程中地层变化的装置，在钻机1开始第一个钻进回次时，将钻杆柱103升至最高，打开弹簧2两端的力学传感器，并采集弹簧2拉力数据；
步骤102，钻机1开始第一回次的钻探，力学传感器记录一回次钻进初始时间，待所述一回次钻探停止时，力学传感器暂停记录弹簧2拉力数据，并记录一回次钻进终止时间；
步骤103，将弹簧2拉力复位至上一回次终止时的拉力传感器4所记录的弹簧2拉力数据，然后进行第N回次的钻探，力学传感器记录N回次钻进初始时间，并采集弹簧2拉力数据，待所述第N回次的钻探停止时，记录N回次钻进终止时间
步骤104，重复步骤三直至完成钻探并终孔，数据终端接收并记录所有弹簧2拉力数据并发送至服务端。
步骤105，对所述数据终端或服务端中的连续数据进行处理，并绘制力学变化曲线，对多个回次钻探的弹簧2拉力数据曲线进行连接拟合，以及将所述力学变化曲线与相应地层类别进行匹配。
具体地，对于处在弹性形变范围内的弹簧2，其弹簧2拉长长度H和拉力F有函数关系H＝G(F)，该函数可以在开始监测前进行测量确定，在大多数情况为线性关系，即H＝K*F，K为一常数，通过H＝G(F)，如图3所示的F-t的坐标图可转换为H-t坐标图，再在数据处理模块中对H(t)函数关于t进行微分计算，即dH/dt＝v，v即为钻进过程中的钻探速度，则原始记录图F-t坐标图最终可以转换为如图4所示的v-H图，就可以表示不同深度的地层钻进速度，即可按深度反映出不同的地层属性，从而为钻探地层的编录提供佐证资料。
对于图3所示的F-t图，其可以用来确定地层垂向变化的突变点，例如，F随时间变化由陡变缓的节点往往表示岩土交界面，F突变较小幅度地减小则可判别为夹层，F突变较大幅度减小则可判别为溶洞。
而在不同的地质条件下，分析人员可以结合区域地质资料及钻探岩芯情况综合分析，也可对F-t、v-t和v-h图组合判别，在确定异常或突变深度节点后再根据v的大小判别不同的岩层或土层。
而在地层变化较小的范围内，可以利用多个钻孔的采集数据组建区域岩土层钻探F、H、v的数据库，为同区域其他工程项目的岩土勘察工作提供辅助佐证资料。小型地质钻机1所用的钻头和发动机的不同，其对应的F、v差异较大，故采取数据记录的时候须标明钻机1型号和钻头类型，需要注意的是，采用不同的钻机型号或钻头类型所形成的的F-t图及相关数据，不可混用。
上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其做出种种变化。
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