CN117148446A - 一种基于井下式静探装置的声速测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于井下式静探装置的声速测试方法，包括如下步骤：步骤1：将钻头、钻杆、探杆、声波发射器、两个声波接收器和井下静探驱动机构进行组装；步骤2：在随钻过程中，井下静探驱动机构同步驱动探头相对于钻杆远离而向下钻入目标地质层内；步骤3：探头钻入指定深度而到达地质层某一深度层，计算得到当前深度层的平均纵波声速；步骤4：继续驱动钻杆向下掘进目标地质层，井下静探驱动机构驱动探头到达下一深度层后，跳转至执行步骤3，直至测量出所有目标地质层上各层的平均纵波速度。本发明可以随着钻探深度的增加，逐层测量目标地质层的声速变化情况，提高对目标地质层的声速测量精度，并且避免了声波因长距离传播而造成的衰减。
Description
技术领域
本发明涉及静力触探技术领域，具体是一种基于井下式静探装置的声速测试方法。
背景技术
在海洋资源调查、海底地质灾害隐患勘查、海底岩土等沉积物的物性参数测试中，海洋静力触探与钻探取样、室内试验相辅相成，而海洋静力触探是最直接、最有效的原位测试方法，占据了海洋工程勘察技术手段的主导地位，许多国家将其列为海洋工程勘察的必做项目。海洋工程要实现精细化勘察，基于原位测试形式的静力触探是其中一种重要的技术路径，其将是未来海洋精细勘察的重要增长点，蕴藏着广阔的市场空间。
井下式静力触探(简称静探)是海洋调查中一种重要的原位测试技术，通过井下式静探可以获得相关原位测试参数，包括锥尖贯入阻力、侧壁摩擦阻力、侧向应力、热传导率、地温、倾斜、地震波、电阻率、声速等。其中，对目标地质层(例如沉积物层)的声速检测是井下式静探中的一项重要测试参数。目前，对于像沉积物等地质层应用在实际工程勘察中的声速测试方式，大多数是在海底沉积物表层插入声波发射探头，再利用安装于静力触探探头上的声波接收器来接收声波发射探头的发射信号，然后根据声波发射探头-声波接收器之间的距离、传播时间差来推算出沉积物纵波平均声速。对于这一类方法，主要存在的问题包括：第一，大多数只能获得海底沉积物上固定站位表层下约50cm(厘米)以内的声速结果，无法连续向下测量。第二，声波发射探头(也即是声波发射换能器)通常固定位于海底浅表层，随着钻探深度的加大，声波发射探头与声波接收器之间的第一距离逐步增大，而两个固定声波接收器之间的第二距离保持不变，使得第二距离与第一距离的比值不断变小，这使得因受到传播衰减的影响，其测量出的纵波平均声速变得越来越不精确，测量效果不断变差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于井下式静探装置的声速测试方法，其能够解决背景技术描述的技术问题。
实现本发明的目的的技术方案为：一种基于井下式静探装置的声速测试方法，包括如下步骤：
步骤1：将钻头、钻杆、探杆、声波发射器、两个声波接收器和井下静探驱动机构进行组装，钻头安装在钻杆的下端，钻杆为带有通孔的柱体结构，柱体结构上设置有环形腔体，也即在通孔的外围设置一个包括环形腔体的封闭柱体结构，声波发射器位于环形腔体内靠近探杆的一端，两个声波间隔安装于探杆上，井下静探驱动机构穿过所述通孔并与探杆连接，井下静探驱动机构用于驱动探杆前进或后退，以使得探杆能够贯入目标地质层；
步骤2：组装完成后，将井下式静探装置送入海底目标地质层，钻头贯入目标地质层上，并且在随钻过程中，井下静探驱动机构同步驱动探头相对于钻杆远离而向下钻入目标地质层内；
步骤3：探头钻入指定深度而到达地质层某一深度层，停止钻头和探头贯入，记录声波发射器发送声波信号的发送时间、第一声波接收器和第二声波接收器各自接收到所述声波信号的时间，并按公式①计算得到当前深度层的平均纵波声速Vp：
式中，R0表示声波发射器到探杆的垂直距离，也即是声波发射器与声波发射器投影到探杆的轴线上的投影点之间直线距离，d表示所述投影点到第一声波接收器的距离，第一声波接收器为靠近于钻头和声波发射器的声波接收器，D0表示第一声波接收器和第二声波接收器之间的距离，dt表示声波信号分别到达第一声波接收器和第二声波接收器的时间差，第一声波接收器和第二声波接收器即为所述两个声波接收器；
步骤4：继续驱动钻杆向下掘进目标地质层，井下静探驱动机构驱动探头到达下一深度层后，跳转至执行步骤3，直至测量出所有目标地质层上各层的平均纵波速度。
进一步地，声波发射器固定或可拆卸安装于钻杆的环形腔体内。
进一步地，第一声波接收器和第二声波接收器两者之间的间隔距离保持固定。
进一步地，两个声波接收器固定于探杆上或两个声波接收器可沿着探杆同步移动，且两个声波接收器之间的间隔距离始终保持不变。
进一步地，钻头通过螺纹连接在钻杆上。
进一步地，所述钻杆设置有多个，声波发射器安装在最靠近探杆的钻杆的环形腔体内。
进一步地，探杆为圆柱形杆，钻杆为圆柱结构，并且静探驱动机构的轴线、探杆的轴线和钻杆的轴线重合而位于同一条直线上。
进一步地，在步骤4中，钻杆到达某一深度时，探杆同步沿着钻杆所贯入出来的钻孔而被下放到该深度，随后增加钻孔内压力，通过井下静探驱动机构将探杆再次向下匀速贯入一定距离。
本发明的有益效果为：本发明可以随着钻探深度的增加，逐层测量目标地质层(沉积物层)的声速变化情况。当钻杆到达某一深度时，探杆同步沿着钻杆所贯入出来的钻孔而被下放到该深度，随后增加钻孔内压力，通过井下静探驱动机构将探杆再次向下匀速贯入一定距离，因声波发射器位于钻头附近，即可以测量钻头至探杆上的两个声波接收器之间的沉积物层的声速。并且如此反复地向下增加钻探深度，便可以不断逐层测量沉积物的声速变化。另外，由于将声波发射器安装在靠近探杆的钻头一端，使得声波发射器和声波接收器之间的距离较短，能够提高对目标地质层的声速测量精度，并且避免了声波因长距离传播而造成的衰减，可避免声波测量效果变差甚至失败的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为钻杆与钻头连接的装配示意图；
图3为钻杆横向的剖面示意图；
图4为本发明的流程示意图；
图中，1-井下静探驱动机构、2-钻杆、3-声波发射器、4-钻头、5-第一声波接收器、6-第二声波接收器、7-探杆。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方案，对本发明做进一步描述：
如图1-图4所示，一种基于井下式静探装置的声速测试方法，所述井下式静探装置包括钻头4、钻杆2、探杆7、井下静探驱动机构1，钻杆2为带有通孔的柱体结构，通孔沿着钻杆2的轴向延伸设置，钻杆2内还设置有环形腔体，也即在通孔的外围设置一个包括环形腔体的封闭柱体结构，钻杆2的下端固定连接钻头4，也即是在封闭柱体结构的下端固定连接钻头4，钻头4环绕通孔设置。井下静探驱动机构1穿过所述通孔并与探杆7固定连接，且井下静探驱动机构1沿着通孔的轴向设置，探杆7的一端位于通孔外或通孔内而与井下静探驱动机构1固定连接，探杆7位于通孔外部的另一端上设置有探头，探头用于将探杆7打入目标地质层内，井下静探驱动机构1用于驱动探杆7前进或后退，也即驱动探杆7跟随钻头4一起向目标地质层(例如沉积物)方向前进或远离目标地质层方向后退，从而使得探杆7上的探头贯入至目标地质层内。
钻杆2的环形腔体内安装有一声波发射器3，声波发射器3固定或可拆卸安装于钻杆2的环形腔体内，例如，将声波发射器3横向地安装于环形腔体的侧壁上。
探杆7远离通孔的一端上设置有第一声波接收器5和第二声波接收器6，也即是位于通孔外部的另一端上设置有两个声波接收器，第一声波接收器5和第二声波接收器6间隔设置并两者之间的间隔距离保持固定。例如，将两个声波接收器固定于探杆7上或两个声波接收器可沿着探杆7同步移动，但两个声波接收器之间的间隔距离始终保持不变。
其中，钻头4可通过螺纹连接在钻杆2上。当设置有多根钻杆2，并且钻杆2高低错落，则只需要在最下方的钻杆2上设置环形腔体，其余的钻杆2可以保持实心结构，声波发射器3安装在最下方的钻杆2的环形腔体内。将声波发射器3安装在最下方的钻杆2的环形腔体内，可以使得随着钻探深度的逐步增加，也即是贯入深度不断增加，依然能够逐层测量出目标地质层(例如沉积层)的声速变化。
在一个可选的实施方式中，探杆7为圆柱形杆，圆心连线即是探杆7中心线(也即是轴线)。钻杆2也呈圆柱结构，井下静探驱动机构1穿过钻杆2的通孔，并且静探驱动机构的轴线、探杆7的轴线和钻杆2的轴线重合而位于同一条直线上。
所述方法包括如下步骤：
步骤1：将所述钻头4、钻杆2、探杆7、声波发射器3、声波接收器和井下静探驱动机构1进行组装。
步骤2：组装完成后，在外部装置作用下，将井下式静探装置送入海底目标地质层，使得钻头4能够钻入目标地质层上，并且在随钻过程中，井下静探驱动机构1同步驱动探头相对于钻杆2远离而向下钻入目标地质层内。
步骤3：探头钻入指定深度而到达地质层某一深度层，停止钻头4和探头贯入，记录声波发射器3发送声波信号的发送时间、第一声波接收器5和第二声波接收器6各自接收到所述声波信号的时间，并按公式①计算得到当前深度层的平均纵波声速Vp：
式中，参考图1，R0表示声波发射器3到探杆7的垂直距离，也即是声波发射器3与声波发射器3投影到探杆7的轴线上的投影点之间直线距离，d表示所述投影点到第一声波接收器5的距离，第一声波接收器5是靠近于钻头4和声波发射器3的声波接收器，D0表示第一声波接收器5和第二声波接收器6之间的距离，dt表示声波信号分别到达第一声波接收器5和第二声波接收器6的时间差。
步骤4：继续驱动钻杆2向下掘进目标地质层，井下静探驱动机构1驱动探头到达下一深度层后，跳转至执行步骤3，直至测量出所有目标地质层上各层的平均纵波速度。
通过重复执行步骤3和步骤4，能够使得探头能够跟随钻头4掘进过程中，实现随钻条件下逐层测量目标地质层上的平均纵波速度，从而测量出各层的平均纵波速度。
本发明可以随着钻探深度的增加，逐层测量目标地质层(沉积物层)的声速变化情况。当钻杆2到达某一深度时，探杆7同步沿着钻杆2所贯入出来的钻孔而被下放到该深度，随后增加钻孔内压力，通过井下静探驱动机构1将探杆7再次向下匀速贯入一定距离，因声波发射器3位于钻头4附近，即可以测量钻头4至探杆7上的两个声波接收器之间的沉积物层的声速。并且如此反复地向下增加钻探深度，便可以不断逐层测量沉积物的声速变化。另外，由于将声波发射器3安装在靠近探杆7的钻头4一端，使得声波发射器3和声波接收器之间的距离较短，能够提高对目标地质层的声速测量精度，并且避免了声波因长距离传播而造成的衰减，可避免声波测量效果变差甚至失败的问题。
本说明书所公开的实施例只是对本发明单方面特征的一个例证，本发明的保护范围不限于此实施例，其他任何功能等效的实施例均落入本发明的保护范围内。对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于井下式静探装置的声速测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将钻头、钻杆、探杆、声波发射器、两个声波接收器和井下静探驱动机构进行组装，钻头安装在钻杆的下端，钻杆为带有通孔的柱体结构，柱体结构上设置有环形腔体，也即在通孔的外围设置一个包括环形腔体的封闭柱体结构，声波发射器位于环形腔体内靠近探杆的一端，两个声波间隔安装于探杆上，井下静探驱动机构穿过所述通孔并与探杆连接，井下静探驱动机构用于驱动探杆前进或后退，以使得探杆能够贯入目标地质层；
步骤2：组装完成后，将井下式静探装置送入海底目标地质层，钻头贯入目标地质层上，并且在随钻过程中，井下静探驱动机构同步驱动探头相对于钻杆远离而向下钻入目标地质层内；
步骤3：探头钻入指定深度而到达地质层某一深度层，停止钻头和探头贯入，记录声波发射器发送声波信号的发送时间、第一声波接收器和第二声波接收器各自接收到所述声波信号的时间，并按公式①计算得到当前深度层的平均纵波声速Vp：
式中，R0表示声波发射器到探杆的垂直距离，也即是声波发射器与声波发射器投影到探杆的轴线上的投影点之间直线距离，d表示所述投影点到第一声波接收器的距离，第一声波接收器为靠近于钻头和声波发射器的声波接收器，D0表示第一声波接收器和第二声波接收器之间的距离，dt表示声波信号分别到达第一声波接收器和第二声波接收器的时间差，第一声波接收器和第二声波接收器即为所述两个声波接收器；
步骤4：继续驱动钻杆向下掘进目标地质层，井下静探驱动机构驱动探头到达下一深度层后，跳转至执行步骤3，直至测量出所有目标地质层上各层的平均纵波速度。
2.根据权利要求1所述的基于井下式静探装置的声速测试方法，其特征在于，基于井下式静探装置的声速测试方法，其特征在于，声波发射器固定或可拆卸安装于钻杆的环形腔体内。
3.根据权利要求2所述的基于井下式静探装置的声速测试方法，其特征在于，第一声波接收器和第二声波接收器两者之间的间隔距离保持固定。
4.根据权利要求3所述的基于井下式静探装置的声速测试方法，其特征在于，两个声波接收器固定于探杆上或两个声波接收器可沿着探杆同步移动，且两个声波接收器之间的间隔距离始终保持不变。
5.根据权利要求4所述的基于井下式静探装置的声速测试方法，其特征在于，钻头通过螺纹连接在钻杆上。
6.根据权利要求5所述的基于井下式静探装置的声速测试方法，其特征在于，所述钻杆设置有多个，声波发射器安装在最靠近探杆的钻杆的环形腔体内。
7.根据权利要求6所述的基于井下式静探装置的声速测试方法，其特征在于，探杆为圆柱形杆，钻杆为圆柱结构，并且静探驱动机构的轴线、探杆的轴线和钻杆的轴线重合而位于同一条直线上。
8.根据权利要求7所述的基于井下式静探装置的声速测试方法，其特征在于，在步骤4中，钻杆到达某一深度时，探杆同步沿着钻杆所贯入出来的钻孔而被下放到该深度，随后增加钻孔内压力，通过井下静探驱动机构将探杆再次向下匀速贯入一定距离。
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