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

Apr 05, 2023

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

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La perforación rotatoria hidráulica puede ofrecer la información esencial y muestras de núcleos para las investigaciones en tierra sólida. El registro de los datos reales de perforación de campo y el análisis del proceso de extracción de testigos rotatorios hidráulicos son desafiantes pero prometedores para utilizar la información de perforación masiva 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 un pozo de perforación de 108 m de profundidad. Los resultados de la digitalización con 107 zonas lineales representan la distribución espacial de los geomateriales perforados, incluidos los depósitos superficiales (relleno, loess, suelo con 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 perforación in situ de los geomateriales perforados. Además, las velocidades de perforación constantes pueden identificar la calidad de la resistencia de los suelos a las rocas duras. Las distribuciones de espesor de los seis grados básicos de calidad de resistencia 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 y evaluar el comportamiento mecánico in situ del geomaterial a lo largo del pozo de perforación y puede proporcionar una nueva evaluación basada en la mecánica para determinar la distribución espacial de estructuras y estratos geológicos en el subsuelo. Son importantes ya que un mismo estrato a diferentes profundidades puede tener un comportamiento mecánico diferente. Los resultados proporcionan una medición cuantitativa novedosa para el perfilado mecánico continuo in situ mediante datos de perforación digital. Los hallazgos del documento pueden ofrecer un método nuevo y efectivo para refinar y actualizar la investigación de terreno in situ, y pueden proporcionar a los investigadores e ingenieros una herramienta novedosa y una referencia valiosa para digitalizar y utilizar datos fácticos de los proyectos de perforación actuales.

La perforación, particularmente la perforación hidráulica rotativa de extracción de testigos, es una operación común, esencial e importante para ofrecer muestras de testigos 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. usó los datos de refracción sísmica y el estado físico de las muestras de núcleos del proceso de extracción de núcleos rotatorio hidráulico 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 sobreimprimiendo tanto el núcleo de falla como la zona de daño según los resultados de las pruebas de laboratorio de muestras de núcleo a lo largo de un pozo de perforación de 100,6 m4. Las mediciones de laboratorio en muestras de núcleos extraídas de sondajes se utilizan ampliamente para cuantificar las variaciones de fondo de pozo en las propiedades mecánicas y geofísicas5,6,7.

Sin embargo, las mediciones de núcleos de laboratorio y algunas pruebas in situ para muchos sondajes pueden ser prohibitivamente costosas y logísticamente desafiantes, particularmente en algunos entornos geológicos complejos donde los estudios geofísicos a menudo se enfocan3. De hecho, la perforación en sí también puede considerarse como una medición in situ de las propiedades del geomaterial8,9,10. No se han recopilado ni utilizado datos fácticos masivos de parámetros de perforación, como la velocidad de perforación (o la tasa de penetración), como subproductos del proceso de perforación. Puede contener la información mecánica y geofísica. La digitalización del proceso de perforación con datos fácticos es un desafío pero prometedor para la investigación en la tierra sólida.

Varios investigadores se centraron en los estudios de información de perforación. Rizo et al. usó las señales eléctricas digitales del pozo de perforación para identificar la distribución de conductividad hidráulica11. La información de deformación in situ fue monitoreada y analizada por los deformímetros de pozo de cuatro calibres (FGBS)12. La tecnología de medición durante la perforación (MWD) se utilizó para medir los parámetros de perforación de la tasa de penetración, la presión de empuje y la velocidad de rotación en la ciencia 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 la medición y análisis de datos fácticos10,16.

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 la resistencia del suelo a la roca en la meseta de loess19. Wang et al. estudió el método para medir las características del macizo rocoso mediante datos de perforación en tiempo real de laboratorio20. Él et al. propusieron un método empírico para determinar las propiedades mecánicas del macizo rocoso y la predicción de la propensión al estallido de rocas21,22. Arno et al. propuso 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 a partir de datos archivados es todavía muy limitado. En este documento se motivan y llevan a cabo estudios adicionales sobre datos de campo reales de los proyectos de perforación actuales y un análisis detallado del proceso de extracción de testigos rotatorios hidráulicos para el refinamiento y la mejora de la investigación del suelo in situ.

En este artículo se presenta la digitalización del proceso de perforación rotatoria hidráulica para llenar el vacío en los proyectos de perforación geofísica y geológica. Se registran datos fácticos digitales en series en tiempo real del proceso de extracción de testigos rotativo 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 documento a partir de la técnica DPM digital. Dichos perfiles continuos de resistencia in situ son importantes al 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 extracción de muestras a lo largo del sondaje. Particularmente, 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 con el objetivo de actualizar los métodos actuales de investigación del suelo y las clasificaciones de calidad de la roca.

El proyecto del Servicio Geológico Integral en la ciudad de Yan'an por parte del Servicio Geológico de China tiene como objetivo perfilar las propiedades mecánicas con datos fácticos digitales para desarrollar el espacio subterráneo urbano24. La ciudad de Yan'an está ubicada 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 rotatoria hidráulica de extracción de muestras 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 de la perforación es de 108,0 m según los registros del sitio, y los geomateriales a lo largo de la perforación y la columna estratigráfica estándar correspondiente se muestran en la Fig. 1. Para mejorar la eficiencia en el sitio, las muestras de núcleo solo se recolectaron de las capas de roca. La precisión del espesor del estrato por registros del sitio y muestras de núcleos es de 0,1 my todas las tasas de recuperación de núcleos están por encima del 90%. Con base en los registros del sitio y los registros manuales de muestras de núcleos, el pozo de perforación tiene un total de 51 estratos para diferentes suelos y rocas sedimentarias. Los 51 estratos corresponden a las 3 capas de suelo 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 poco descompuesta. El valor mínimo es de 0,2 m, corresponde al estrato de arenisca fina.

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

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

La máquina perforadora rotativa hidráulica tipo XY-1 típica y la broca compacta de diamante policristalino con un diámetro de 110 mm se utilizan para la perforación, 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 relación 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 fácilmente y de forma no destructiva en la máquina perforadora rotativa hidráulica. Puede recopilar de forma automática, objetiva y continua los datos fácticos digitales en series en tiempo real en el sitio. El desplazamiento se utiliza para determinar la velocidad de perforación y la profundidad de la perforación. La presión de empuje y la velocidad de rotación se utilizan para comprender la potencia 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 electromagnético, un equipo de inducción para rotar con la broca y las varillas de perforación, y los dispositivos de protección y fijación asociados. La rotación de la broca de perforación en la perforación rotatoria hidráulica proporciona una fuerza horizontal para moler 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 terreno y avanza hacia nuevos materiales del terreno 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 carrera del pistón de los cilindros es la distancia máxima de desplazamiento vertical para el 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 control de la presión hidráulica (Fig. 2c) contiene dos transductores de presión. Se instalan en la tubería de presión hidráulica para el cálculo de empuje y 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 lo 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 terminar un golpe de 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 modificarlo. Por lo tanto, es difícil y costoso monitorear el par 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 tensión en serie en tiempo real y el intervalo de muestreo de tiempo es de 1 s en este caso.

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 efectos secundarios ni para la máquina perforadora ni para las operaciones de rutina en el sitio.

El proceso completo de perforación rotatoria hidráulica consiste en muchos recorridos de ida y vuelta en una secuencia de tiempo debido al hecho de que la muestra de núcleo de roca y suelo en el muestreador de tubo cilíndrico sobre la broca debe recuperarse una vez que el muestreador de tubo está lleno. Cada viaje de ida y vuelta se puede describir de la siguiente manera.

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

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

la broca comienza a romper los materiales del terreno y avanza hacia nuevos materiales del terreno debajo de la broca, que se detendrán una vez que el barril del muestreador (perforador) se llene con los núcleos de suelo o roca.

todas las barras de perforación y el muestreador de brocas se recuperan en el suelo para recolectar las muestras.

Es posible que se necesiten algunas operaciones auxiliares (p. ej., intermedio o mantenimiento) durante los procesos anteriores. Estos cuatro subprocesos incluyen (1) la inserción del muestreador de bits (barril), (2) la extracción de núcleos y el llenado del barril con nuevos materiales molidos, (3) la recuperación del barril lleno al suelo y (4) la recolección del núcleo. las muestras en el suelo forman un viaje de ida y vuelta típico. 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 del muestreador y las operaciones de los trabajadores de perforación. En este estudio de caso, la longitud del barril del muestreador (coring) fue de 4,15 m y se utilizaron un total de 26 viajes de ida y vuelta para completar el pozo de perforación de 108 m de profundidad.

Los datos reales de perforación originales 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 con Según los datos fácticos y el criterio de digitalización, el típico viaje de ida y vuelta de perforación rotativa hidráulica de 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 está correlacionada con el control anterior de los operadores.

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

El método clásico de mínimos cuadrados se utiliza para determinar la velocidad de perforación mediante datos fácticos y el coeficiente de determinación R2 o r2 suele utilizarse para medir la bondad de 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 muestras y cuatro piezas de extracción del portabrocas hacia arriba. Durante las partes de perforación, la curva de la profundidad de avance de la broca frente al tiempo de perforación neto 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 núcleo. 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 perforación varían de 0,155 m/min (metro 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 perforación se configuran para que fluctúen en un rango pequeño de 2,688 a 2,958 MPa, 0,451 a 0,558 MPa y 113 a 120 r/min (revolución por minuto). minuto), respectivamente. Las partes ascendentes del portabrocas de tracción 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 al rango de 2,548 a 2,645 m/min, la presión de empuje promedio disminuye al rango de 0,615 a 0,646 MPa y la presión ascendente promedio aumenta al rango de 1,403 a 1,754 MPa.

Datos fácticos en tiempo real para el proceso de perforación de núcleos rotativos hidráulicos a lo largo de este pozo de perforación.

Con base en el 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 neta a lo largo de toda la profundidad de la perforación se muestran en la Fig. 4. La profundidad de la perforación medida por DPM es 108.062 m. Las Figuras 4a,b muestran que la curva de profundidad de perforación con tiempo de perforación neto se puede dividir en 107 zonas lineales con velocidades de perforación constantes respectivas. 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 conexión de dos zonas lineales adyacentes con diferentes velocidades de perforación significa el límite de dos estratos diferentes. Los registros breves del sitio en la Fig. 4a muestran todos los estratos del pozo de perforación con las zonas de velocidad de perforación correspondientes. Los depósitos superficiales en el Holoceno corresponden a las zonas de digitalización No. 1 a 13 a lo largo de la profundidad del sondaje de 0,000 a 8,309 m, que consisten en relleno misceláneo, loess y suelo cascajoso. El Miembro Zaoyuan en la Formación Yan'an del Jurásico Medio corresponde a las zonas de digitalización No. 14 a 89 a lo largo de la profundidad del pozo de perforación de 8.309–71.011 m, que consta de arenisca fina, lutita y lutita limosa de múltiples capas intercaladas. 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 por datos fácticos.

Los parámetros de perforación asociados del proceso de perforación neta 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 la marcha más baja y la presión de empuje en la capa de roca se fija en la marcha más alta. Los valores medios de presión de empuje para los estratos de suelo (correspondientes a las zonas No. 1–13) fluctúan dentro de un rango inferior de 2.096 a 2.382 MPa. Los valores medios de presión de empuje para los estratos rocosos (correspondientes a las zonas No. 14–107) fluctúan dentro de un rango mayor 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 mecanismo de reserva para preparar la acción posterior durante el proceso de perforación de la red. Los valores medios de subida 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 sondaje. El principal rango de fluctuación de los datos de revoluciones en el engranaje de trabajo de rutina es de 105 a 120 r/min. Además, los operadores elevaron la velocidad de rotación a un engranaje de trabajo más alto para perforar eficientemente en la capa de suelo con grava como método de rutina. Por lo tanto, los valores medios de los datos de revolución para las zonas de velocidad de perforación Nos. 5–13 son más altos que otros.

Además, la velocidad de perforación constante con el método DPM se determina sin consideración directa de los posibles efectos de empuje, rotación y par. Yue indicó que la velocidad de perforación normalizada con otros parámetros de perforación es casi la misma que la velocidad de perforación original por el método DPM10. En este sondaje, 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 rocoso, los valores medios de la presión de empuje hacia abajo se fijan para que fluctúen dentro de un cierto rango de marcha 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 que fluctúen 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 geomaterial homogéneo. Por lo tanto, las velocidades de perforación se relacionaron principalmente con las propiedades del geomaterial perforado, ya que el empuje, la rotación y el torque aplicados tenían variaciones limitadas para diferentes zonas de geomaterial homogéneo en este caso de estudio.

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 a la perforación 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 similares de resistencia a la extracción de testigos en el sitio y la posición del salto de gradiente de la curva entre dos zonas lineales conectadas cualquiera puede representar los límites de interfaz de diferentes perfiles de resistencia a la extracción de testigos en el sitio. Las distribuciones espaciales de zona mecánica constante con velocidad de perforación constante (o resistencia de perforación) para perfilar los diferentes geomateriales por resultados de digitalización son consistentes con las distribuciones de muestras de núcleo por registros del sitio. Los espesores de estratos y profundidad de sondajes por resultados de digitalización han sido verificados por los registros manuales correspondientes.

De acuerdo con los resultados del análisis anterior, cada zona mecánica constante con su velocidad de perforación constante (o resistencia de perforación) corresponde a un geomaterial homogéneo. En consecuencia, el método de digitalización puede perfilar la resistencia a la extracción de testigos de los suelos a las rocas sedimentarias siliciclásticas mediante datos fácticos. Se pueden obtener un total de 107 zonas mecánicas constantes para los ocho tipos de suelos a rocas sedimentarias siliciclásticas. La Figura 6 presenta el número de zonas en diferentes estratos con la velocidad de perforación asociada. Para los suelos a rocas sedimentarias a lo largo del sondaje, las velocidades constantes de perforación 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 geomaterial fluctúan dentro de un rango similar de velocidad de perforación. Diferentes geomateriales muestran diferentes rangos de fluctuación de la velocidad de perforación. Además, las velocidades de perforación de las capas de suelo fluctúan dentro de un rango más amplio 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 velocidad de perforación de zona asociada.

Con la velocidad de perforación de 107 zonas en diferentes estratos, las velocidades de perforación de zona promedio de cada geomaterial y los datos asociados se pueden calcular en la Fig. 7 y la Tabla 1. Las velocidades de perforación promedio y las desviaciones estándar correspondientes de las capas de suelo de loess y grava son más altas que otros. La velocidad de perforación promedio de lutita es la más alta entre los cinco tipos de capas de roca. Las velocidades de perforación promedio 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 de perforación de zona promedio 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 además con algunos otros geomateriales con su velocidad de perforación promedio correspondiente en la Fig. 8. Estos valores se obtienen en diferentes condiciones del suelo, diferentes máquinas de perforación hidráulica y brocas por método de digitalización19, 29,30. Los resultados de la digitalización ilustran que las variaciones de la velocidad de perforación medidas por los datos reales de perforación son compatibles y consistentes con las propiedades de diferentes geomateriales de diferentes condiciones del suelo, diferentes máquinas de perforación hidráulica 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 juega un papel clave durante el proceso de perforación32. En este documento, los resultados anteriores muestran que la velocidad de perforación constante puede representar la propiedad de resistencia de los geomateriales perforados. Los registros del sitio en paralelo verifican la precisión de la velocidad de perforación constante a partir de datos de campo reales. A continuación se presentan discusiones adicionales 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 la propiedad básica del macizo rocoso. La resistencia a la compresión uniaxial de las muestras de testigos a lo largo de este sondaje se obtuvo mediante pruebas de laboratorio. Treinta y un núcleos de profundidad de 11,9 a 108,0 m se analizaron con el método estándar GB/T 50218-2014. La profundidad inicial y la profundidad final de cada muestra central con una altura de 10 cm se registraron en el sitio. La profundidad de cada probeta corresponde a una o varias zonas lineales con diferentes espesores a la misma profundidad. Las velocidades de perforación ponderadas de una o varias zonas lineales a la misma profundidad se comparan con los resultados de la prueba de resistencia a la compresión uniaxial, como se muestra en la Fig. 9. Las muestras de núcleo de arenisca fina ligeramente descompuesta con la velocidad de perforación más baja tienen los valores más altos de resistencia a la compresión 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 rocosos. 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 en la Fig. 9 se puede expresar como Eq. (1). Con esta ecuación se pueden obtener los valores estimados de resistencia a la compresión uniaxial por los resultados de la digitalización por 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, los métodos efectivos para obtener la propiedad de resistencia de la roca en tiempo real en el sitio son escasos33. De acuerdo con la Ec. (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 compresión uniaxial por ensayos de laboratorio tradicionales. Por lo tanto, las velocidades de perforación constantes proporcionan la predicción de la propiedad de resistencia mediante datos de campo fácticos in situ. Los datos fácticos originales son prácticos y eficientes para registrar en tiempo real series en el sitio. El resultado de la predicción es preciso y aplicable para rocas sedimentarias siliciclásticas a lo largo de este pozo de perforación de 108 m de profundidad. Para construir un método de predicción generalizado basado en datos reales de perforación para aplicaciones más amplias, se requieren más estudios sobre varios tipos de geomateriales, máquinas de perforación 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 fractura en un núcleo de roca y no puede representar la resistencia y el grado de meteorización 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 una pieza mayor a 100 mm entre fracturas naturales. Las piezas de núcleo sólido pueden tener grandes variaciones en la resistencia mecánica (como 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 de espesor de zona con su correspondiente velocidad de taladrado de zona.

Para los suelos a rocas sedimentarias a lo largo del sondaje, los espesores de zona oscilan entre 0,137 y 4,970 m, y los valores promedio y mediano son 1,010 my 0,746 m, respectivamente. El grosor 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 sondaje, el \(RQD(V_{DPM} )\) se puede definir como la relación porcentual de los espesores de zona acumulados con la velocidad de perforación inferior a 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 documento 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 por 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 resistencia a la compresión uniaxial correspondiente por 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 la 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.

De los patrones de variación similares, las curvas en 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 por 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 compresión uniaxial por datos de digitalización son de 65.6 a 80.2 MPa. El porcentaje de espesor de digitalización con la velocidad de perforación inferior al valor límite superior de esta sección (es decir, 0,175 m/min) es de 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 básicos de calidad de I por registros de sitio y pruebas de laboratorio.

La Sección II significa que el valor estimado de los grados de calidad de resistencia básica por 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 compresión uniaxial por 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 ligeramente descompuesta y arenisca ligeramente descompuesta como se muestra en las Figs. 12 y 14, correspondientes a los grados básicos de calidad de I y II por registros de sitio y pruebas de laboratorio.

La sección III significa que el valor estimado de los grados de calidad de resistencia básica por 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 compresión uniaxial por 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 lutita limosa, como se muestra en las Figs. 12 y 14, correspondientes a los grados básicos de calidad II y III mediante registros en sitio y pruebas de laboratorio.

La sección IV significa que el valor estimado de los grados de calidad de resistencia básica por 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 compresión uniaxial por 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 básicos de calidad III y IV por registros de sitio y pruebas de laboratorio.

La sección V significa que el valor estimado de los grados de calidad de resistencia básica por 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 compresión uniaxial por 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 básicos de calidad de V por registros de sitio y pruebas de laboratorio.

La sección VI significa que el valor estimado de los grados de calidad de resistencia básica por 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 compresión uniaxial por 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 calidad de resistencia básica de los macizos rocosos del estándar GB/T 50218-2014 y el método de digitalización se resumen en la Tabla 2. Además, la distribución porcentual de los espesores de zona con los seis grados básicos de calidad se puede medir con digitalización. datos para los diferentes geomateriales terrestres. En la Tabla 3, del espesor total de 8.305 m para las capas de suelo a lo largo del sondaje, el 83,8% del suelo corresponde a los grados básicos de calidad de VI determinados por datos de digitalización. El 77,6% de la lodolita a lo largo del sondaje pertenece al grado V. El 86,2% de la arenisca moderadamente descompuesta es el grado IV. La mayor parte de la lutita limosa, que tiene un espesor total de 16.372 m, corresponde a los grados básicos de calidad III y IV. La mayor parte de la arenisca ligeramente descompuesta corresponde a los grados básicos de calidad II y III. Para la arenisca fina ligeramente descompuesta, que tiene un espesor total de 18.128 m a lo largo del sondaje, el 97,2% corresponde a los grados básicos de calidad I y II.

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

Para este sondaje, los grados de clasificación de la calidad de la resistencia 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 la calidad de la roca y los seis grados básicos de calidad de la resistencia para clasificar la calidad resistente de depósitos superficiales a rocas sedimentarias. Los resultados pueden mejorar la práctica actual de perforación 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 la 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 manera continua y rentable el perfil de resistencia in situ de los geomateriales perforados.

Las 107 zonas lineales en total 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 con precisión y eficacia los límites de la interfaz y las distribuciones espaciales de los 51 estratos para 8 tipos de suelos y rocas sedimentarias. Cada estrato manual por 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 sondaje.

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 calidad de la roca. La velocidad de perforación,\(R_{c}\) y \(RQD(V_{DPM} )\) tienen los siguientes rangos: (1) para el grado I, 0,018–0,175 m/min, 65,6–80,2 MPa, y 0,00–10,38%; (2) para el grado II, 0,175–0,240 m/min, 60,3–65,6 MPa y 10,38–28,55 %; (3) para el grado III, 0,240–0,319 m/min, 54,5–60,3 MPa y 28,55–49,33 %; (4) para el 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 depósitos superficiales a rocas sedimentarias siliciclásticas y el perfil mecánico in situ asociado. Este estudio ofrece un método rentable para mejorar la práctica de perforación actual para la prueba in situ del perfil de resistencia del geomaterial y la distribución espacial. Además, los datos de perforación digitalizados también pueden verse afectados por diferentes máquinas de perforación y brocas. Para el mismo geomaterial perforado, la velocidad constante de perforación de una máquina perforadora de alta potencia o una broca nueva más afilada debe ser mayor que la velocidad constante de perforación de una máquina perforadora de baja potencia o una broca vieja sin filo. Para aplicaciones más amplias del nuevo método en el futuro, se necesitan más estudios de máquinas de perforación y brocas estandarizadas para desarrollar una prueba estándar de investigación del terreno in situ. Además, el resultado del perfil de resistencia DPM a lo largo del sondaje se puede utilizar para determinar y predecir la deformación y el colapso de los geomateriales que rodean el sondaje.

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 reales 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 documento fue parcialmente financiado por Becas del Consejo de Becas de Investigación de la Región Administrativa Especial de Hong Kong, República Popular China (Números de Proyecto HKU 17207518 y R5037-18). El primer autor también agradece a HKU por la beca para sus estudios de doctorado.

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

XF Wang y ZJ Zhang

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

WV Yue

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

ZQ Yue

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

Correspondencia a ZQ Yue.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

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

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Recibido: 26 noviembre 2022

Aceptado: 02 de marzo de 2023

Publicado: 06 marzo 2023

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

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