TW202014685A

TW202014685A - 用於實施地質調查的裝置及方法

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Publication number: TW202014685A
Application number: TW108127767A
Authority: TW
Inventors: 提姆弗勒登塔爾; 馬庫斯貝根塔爾; 艾里克李諾斯基
Original assignee: 不來梅大學
Priority date: 2018-08-07
Filing date: 2019-08-05
Publication date: 2020-04-16
Also published as: DE102018006901B4; DE102018006901A1; WO2020030478A1

Abstract

錐入度試驗(CPT)係為一種習知之地質調查實施方法。由於CPT所用之探針係被與用於採集樣本之內部取芯管相同的鎖定手段鎖定在取芯鑽管中，故而在探針及內部取芯管之尺寸及使用上產生限制。本發明提供一種用於實施地質調查之裝置與方法，可用CPT探針代替內部取芯管以實施壓力試驗，但不會減小可達到之鑽進深度。其實現方式為：探針或感測機構(26)係藉由支撐管(29)而被插入鑽柱(12)中。

Description

用於實施地質調查的裝置及方法

本發明係有關於一種如請求項1之前言所述的用於實施地質調查之裝置。此外，本發明係有關於一種如請求項9所述之用於實施地質調查之支撐管以及一種如請求項10之前言所述的實施地質調查之方法。

將具有感測機構之探針壓入心土(Untergrund/subsoil)的錐入度試驗(cone penetration testing，CPT)乃是一種實施地質調查或實施就地岩土工程調查之習知方法。針對心土之地質特性或岩土工程特性所實施之此類調查被稱為壓力試驗。實施此等壓力試驗時，會在探針及感測機構上產生阻力且在探針側面形成摩擦，據此可推斷心土之強度及其他描述穩定性之物理參數。

此種CPT探針之一種經典使用方法為所謂的頂推技術(top push Technik)。其中，藉由豎立在工作平台上或者直接豎立於心土上的推送系統，將具有感測機構之探針連同可逐步加長之桿件一起送入或壓入地面。此項技術可應用於陸地、淺水，但亦可應用於深海。此推送系統在淺水中一般係安裝於升降平台或浮筒上。其中，用於探針之桿件或探測桿在推送系統與心土或水底地面之間的區域中係由立管所穩定，以防探測桿在做壓力試驗時發生彎曲。在深海中相應地實施該方法時，將推送系統放置於心土或海底地面上。而後，以遙控方式實施壓力試驗。

具體地，在深海應用上，人們研發出一種適於井下作業之CPT方法，以作為上述壓力試驗方法之替代方案。此方法例如可應用於岩土工程鑽探船。此類鑽探船為了從海底獲取樣本，而以繩索取芯鑽進法實施取芯鑽進。實施此種用於獲取鑽探樣本之鑽進方法時，鑽柱係旋轉著且沖刷著地被鑽探平台打入心土或海底。鑽柱係由具有鑽頭及鎖定套筒的(取芯)鑽管及鑽桿所組成。作為替代方案，亦可在鑽柱中使用內部取芯管及探針，或者亦可使用全鑽單元(若目標為加深鑽孔)。此技術所使用之裝置實質上具有數個彼此可逐步耦接的取芯鑽管或鑽桿，其中，第一個被打入心土的管件在面向心土之末端上具有鑽頭。此鑽頭係以特別堅硬耐用之材料製成，且以旋轉方式作鑽具之用。此旋轉式鑽頭連同取芯鑽管一起旋轉，藉此從心土或岩層中切出岩芯以作為樣本。

在第一取芯鑽管之上端處設有著陸環及鎖定手段。此鎖定手段係被建構為鎖定套筒，而且，取芯鑽管之內壁係被建構為壁部之收縮部或縮小部。在此第一取芯鑽管中設有內部取芯管，該內部取芯管為了提取樣本而被插入取芯鑽管，藉由著陸凸肩以擱置於取芯鑽管之著陸環上，並且在鎖定套筒之區域內與取芯鑽管鎖定。為此，內部取芯管具有錨式鎖止手段，該鎖止手段在插入取芯鑽管時預張緊，並且在擱置於著陸環上時變鬆弛而進入鎖定套筒。

在相反端上，內部取芯管與鑽頭直接相接，以便將鑽取的樣本作為岩芯壓入內部取芯管中。為了回收岩芯，藉由繩索、鏈條或類似之物，從鑽柱或數個串在一起的取芯鑽管中拉出內部取芯管。為此，內部取芯管在一末端上具有凸柱，而可固定於繩索上的抓持裝置則可耦接在該凸柱上。一旦在鑽柱中下降至內部取芯管的抓持裝置耦接至凸柱並施加拉力於內部取芯管，錨式鎖止手段在鎖定套筒中之鎖止遂被取消，從而釋放內部取芯管。

為了鑽取另一岩芯，在回收已裝滿的內部取芯管後，將新的空內部取芯管插入鑽柱，並再次鎖定於裝置中。

實施CPT井下作業時，將相應的CPT探針而非空的內部取芯管插入鑽柱，並以相同方式與第一取芯鑽管鎖定。接著，特別是藉由液壓裝置且/或藉由沖洗用水，將探針貫穿鑽頭而壓入心土或海底地面中。

用於以繩索取芯鑽進法實施取芯鑽進之設備放置於海底地面上，具有用於容置取芯鑽管及內部取芯管之料匣。取芯段長度、內部取芯管之有效長度受限於此等料匣之尺寸。意即，內部取芯管僅可恰好與料匣同等長短。因此，可能的最大鑽進深度取決於取芯段長度及料匣中所能容置之管件的數量。個別情況下，鑽探設施之桅桿長度亦會限制長度。

由於CPT藉由與內部取芯管相同之鎖定手段在與內部取芯管相同之鎖定位置上被鎖定在取芯鑽管中，探針則穿過鑽頭而伸入心土中，故探針之長度遠大於所用之內部取芯管。因此，必須減小探針長度以使其能夠容置於料匣中。然而，此又隱含著以下缺憾：為了應對鑽進設備在鑽進驅動裝置之移行距離以及用於伸出狀態下之CPT探針的隊列長度容量方面之侷限，須相應地減小內部取芯管之取芯段長度，結果導致可達到之鑽進深度非期望地顯著減小。

有鑒於此，本發明之目的在於提供一種用於實施地質調查之裝置與方法，其可用CPT探針代替內部取芯管以實施壓力試驗，但不會減小可達到之鑽進深度。

用於達成此目的之裝置具有請求項1之特徵。據此，本發明提出：探針或感測機構被支撐管鎖止在其位置上。其中，具有用於實施地質調查之測量感測器的感測機構經導引而穿過取芯鑽管及鑽頭。其中，支撐管與內部取芯管一樣能夠可拆卸地被鎖止在取芯鑽管中。藉此，可在同一次鑽探作業中實施取芯鑽進及壓力試驗，但不必為此而改造或改建鑽進設備。倘若在達到目標深度之前因遇到堅硬層而必須停止壓力試驗，則可藉由抓持裝置從鑽柱中拉出感測機構或探針，而後，藉由內部取芯管或專用的鑽進單元將堅硬層鑽穿，以便接下來插入視情況而新備的探針，並繼續實施壓力試驗。藉由取芯鑽進而獲得之樣本可被用於以實驗室實驗來證實並補充在壓力試驗過程中所獲得之認識。

根據本發明，較佳地如下設置：至少一個鎖定手段佈置於取芯鑽管之內壁上，且被建構為鎖定套筒，其中，鎖定手段在內部取芯管被插入取芯鑽管時用於鎖止內部取芯管，且在支撐管被插入取芯鑽管時用於止該支撐管。藉由使用支撐管且特別是透過支撐管之尺寸設計，此裝置既可用於取芯鑽進亦可用於壓力試驗，但不必為此進行改建。需要結合支撐管使用感測機構時，可對具有鎖定手段之已有的取芯鑽管加以利用。用於採集不同岩土工程參數之感測機構可具有不同的感測器載體。此外，感測機構或探針具有自有的電源，以便探針能獨立供電而長時間工作。透過相應的控制並藉由資料記錄器，可採集測量資料。此外，感測機構例如可具有調制解調器，以便無線地讀出測量資料或者在實施壓力試驗期間或之後為感測機構重新設計程式。

特別地，可進一步如下設置：支撐管具有至少一個彈簧預緊的錨定手段，其係在支撐管被插入取芯鑽管時張緊並且變鬆弛而進入取芯鑽管之鎖定手段。此錨定手段採用與對應於內部取芯管之相應的錨定手段相似或相同之設計。諸多可動的彈簧預緊突出部在插入鑽柱期間張緊，到達取芯鑽管之壁部中的鎖定手段時向前彈出，並且如倒鉤般將支撐管鎖止在取芯鑽管中。藉此，在實施壓力試驗期間使感測機構或探針保持原位。

此外，可如下設置：感測機構具有感測器載體，其可藉由著陸凸肩而被放置於鑽頭上。為了實現可靠且可重複的定位，感測機構可透過著陸凸肩而被放置於鑽頭上。為此，鑽頭具有相對於取芯鑽管之內徑略微減小的內徑。藉由減小鑽頭內徑，形成用於感測器載體之著陸凸肩的相應的放置面。感測器載體係用作為感測機構或探針之載體，並且用作為感測機構與支撐管之間的中間件。

根據本發明，可進一步如下設置：支撐管在背離該感測機構之一側上具有較佳地為凸柱或抓持手段的手段，較佳地具有凸柱的抓持裝置能夠可拆卸地耦接至該手段，以便從鑽柱中拉出支撐管，其中，抓持裝置可固定於繩索、鏈條或類似之物上。繩索或類似之物之另一末端係藉由繩索絞盤或類似之物以固定於鑽進設備上。為了回收支撐管，藉由繩索絞盤以從鑽柱中一併拉出抓持裝置與支撐管。然而，最初係藉由絞盤以將抓持裝置向下放入鑽柱中。抓持裝置具有與凸柱相對應的容置部，其能夠可拆卸地與凸柱相耦接。在由繩索或類似之物施加於抓持裝置之拉力的作用下，此容置部環扣住凸柱，以便能從鑽柱中拉出支撐管。此外，藉由其拉力，可使支撐管之錨定手段再次預張緊，以便從鎖定手段釋放支撐管。

本發明之另一有利實施例可如下設置：感測機構、較佳地感測器載體具有耦合手段，特別是，凸柱或抓持手段，抓持裝置能夠可拆卸地耦接至該耦接手段，以便從取芯鑽管中拉出感測機構，其中，抓持裝置可固定於繩索、鏈條或類似之物上。如此一來，藉由同一個抓持裝置，可從鑽柱中回收支撐管及感測機構，亦可將感測機構及支撐管向下放入鑽柱中。為了避免支撐管貼靠在感測機構或感測器載體之凸柱上，支撐管之相應的末端具有相應的凹槽，其係與凸柱配合，使得支撐管與感測器載體之凸柱之間不存在接觸。

另一實施例可如下設置：支撐管係至少近似地具有與內部取芯管相同的長度，特別是，與之等長度。鑒於支撐管及內部取芯管具有上述之相同尺寸，二者可共用鑽進設備之料匣。故而，此處亦不必為了使用支撐管而修改已有設備。

請求項9之特徵係描述一種用於達成前述目的之支撐管。據此，提出一種用於對心土實施地質調查之支撐管，其中，藉由此支撐管，可將感測機構可拆卸地鎖止在具有至少一個取芯鑽管的鑽柱中。此支撐管係依照請求項1至8中之至少一項以進行建構。

一種用於達成前述目的之方法具有請求項10之措施。據此，如下設置：為了採集壓力資料，感測機構被插入空的取芯鑽管中，並且被支撐管可拆卸地鎖止在取芯鑽管中，而且，鑽柱連同感測機構一起被壓入心土中。藉由使用支撐管，所用之鑽進設備可具有雙重功能。藉由為支撐管設置相應的尺寸，鑽進設備除了實施取芯鑽進外，亦可用於壓力試驗，但不必為此修改其鑽進設備。確切而言，兩種方法可使用相同設備。其中，支撐管在習知的取芯鑽管及其鎖定手段與感測機構之間產生適配器之作用。藉由此方法，不僅可實施上述兩種方法。兩種方法更可有利地互為補充，使得，藉由取芯鑽進，能夠克服對於壓力方法而言過於堅硬的岩層。此外，壓力試驗與相應的岩芯之提取相結合，能帶來極大的認知收益。

此外，本發明之特別有利的實施例可如下設置：支撐管具有至少一個彈簧預緊的錨定手段，其係為了將支撐管插入取芯鑽管而張緊並且變鬆弛而進入取芯鑽管之鎖定手段，較佳為鎖定套筒，藉此，將支撐管可拆卸地鎖止在取芯鑽管中。基於取芯鑽管之鎖定手段與支撐管之鎖定手段的相容性，可在鑽進設備之使用上獲得可能的最大靈活度。根據具體情形與任務，可快速而靈活地實施兩種方法。

較佳地，本發明進一步如下設置：支撐管係被抓持裝置藉由特別是凸柱的抓持手段而從鑽柱中拉出，其中，藉由懸掛在繩索、鏈條或類似之物上之抓持裝置的拉力，以取消支撐管在取芯鑽管中之鎖止。相同之抓持裝置亦可藉由凸柱而從鑽柱中拉出感測機構。藉由使用抓持裝置以回收支撐管、感測器及內部取芯管，可使用鑽進設備之主要組成部分以實施上述兩種方法。

最後，以下為本發明之另一有利實施例：為了將感測機構及支撐管插入鑽柱，且/或為了從鑽柱中拔出感測機構及支撐管，使鑽柱、特別是使至少一個取芯鑽管逆著鑽進方向背離心土而運動，其運動距離較佳地至少為感測機構之長度。此背離運動之作用主要在於方便感測機構及支撐管之回收。

10‧‧‧鑽孔

11‧‧‧心土

12‧‧‧鑽柱

13‧‧‧(取芯)鑽管

14‧‧‧(鑽管)下端

15‧‧‧鑽頭

16‧‧‧岩芯

17‧‧‧內部取芯管

18‧‧‧(鑽管)上端

19‧‧‧著陸環

20‧‧‧鎖定手段；鎖定套筒

21‧‧‧(鑽管/內部取芯管)凸柱

22‧‧‧繩索

23‧‧‧抓持裝置

24‧‧‧錨定手段

25‧‧‧(箭頭)方向

26‧‧‧感測器；感測機構

27‧‧‧感測器載體

28‧‧‧(感測器/感測器載體)凸柱

29‧‧‧支撐管

30‧‧‧凹槽

31‧‧‧錨定手段

32‧‧‧(支撐管)凸柱

33‧‧‧(箭頭)方向

34‧‧‧(箭頭)方向

35‧‧‧孔洞

A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K‧‧‧(方法)步驟

圖1(A)至(K)為本發明之各方法步驟之示意圖。

下面參考圖式對本發明之較佳實施例進行詳細闡述。唯一的一個圖式係以示意圖(A)至(K)示出本發明之各方法步驟。

圖式係基於本發明用於實施地質調查之裝置而對本發明之相應方法進行了示意性說明。此方法係在同一個鑽入心土之鑽進過程中既提取岩芯亦實施壓力試驗。其中，本發明對習知設備作了補充。藉此，可在心土勘探中獲得可能的最大靈活度，但不必為此改建已有的設備。

使用鑽柱12以在心土11中開設鑽孔10。其心土既可為陸地上之地面、淺水中之地面，亦可為深海中之地面。其過程通常由圖中未示出之鑽探平台或其他鑽進設備所實施。然而，在其他場所如海底地面、鑽探船或類似之物上實施鑽進過程，亦屬常見之舉。為了形成鑽孔10，鑽柱12較佳係旋轉著且沖刷著地被打入心土11。鑽柱12係由具有鑽頭15及鎖定套筒20的(取芯)鑽管13以及鑽桿所組成。作為替代方案，可使用內部取芯管17及探針，或者亦可使用全鑽單元。第一個被打入心土11的取芯鑽管13在下端14上具有鑽頭15。藉由此鑽頭15且透過鑽柱12及取芯鑽管13之旋轉，從心土11或岩層中切出岩芯16。

在鑽柱12或者說在取芯鑽管13中設有用於接收岩芯 16之內部取芯管17。其中，內部取芯管17之外徑小於取芯鑽管13之內徑，使得內部取芯管17可在鑽柱12中上下穿行(步驟A)。在取芯鑽管13之上端18處設有著陸環19，該著陸環係被建構成為取芯鑽管之內徑之縮小部。此外，在第一個取芯鑽管13之上端18處設有鎖定套筒20。

內部取芯管17仍具有圖中未示出之著陸凸肩，內部取芯管可藉由該著陸凸肩而被放置於取芯鑽管13之著陸環19上。鑽取的岩芯16係由內部取芯管17所接收。從鑽柱12回收岩芯16時將內部取芯管17拉出。為此，在上端18處設有對應於內部取芯管17的凸柱21。繫在繩索22上而被向下放入鑽柱12的抓持裝置23可抓住此凸柱21，並將其從鑽柱12中拉出。藉由施加於凸柱21之拉力，將內部取芯管17之錨定手段24解鎖，並使其從取芯鑽管13之鎖定套筒20返回。以此方式預張緊的錨定手段24減小了內部取芯管17之外徑，使其能夠被上拉穿過整個鑽柱12(步驟B)。

為了鑽取另一岩芯16，接下來將空的內部取芯管17穿過鑽柱12插入取芯鑽管13中。一旦內部取芯管17貼靠於著陸環19上，耦接至內部取芯管17的抓持裝置23之作用於內部取芯管17的拉力便減弱，預張緊的錨定手段24鎖止在取芯鑽管13之鎖定套筒20中，使得內部取芯管17在鑽頭15鑽取新岩芯16時保持原位。

參照步驟圖(A)及步驟圖(B)所描述之組成部分亦圖示於其餘步驟圖中。然而，為了清楚起見，不需要為每個步驟圖中之所有物件皆標示符號。

為了在同一個鑽孔10中實施壓力試驗，先沿箭頭方向25抬升空的鑽柱12及空的取芯鑽管13(步驟C)。而後，藉由感測器載體27以將感測器26插入空的取芯鑽管13。其中，感測器26以及感測器載體27之部分皆採用滿足以下條件之尺寸：感測器以及感測器載體之部分可貫穿鑽頭15而被導引到鑽孔10之空無一物的空間中。其中，感測器載體27之上部貼靠於鑽頭15上，使得感測器26在鑽柱12下方垂掛於鑽孔10中(步驟D)。在此處所圖示之實施例中，感測器載體27具有與內部取芯管17之凸柱21至少相似的凸柱28。抓持裝置23可藉由此凸柱28以將感測器26及感測器載體27再度拉出鑽柱12。亦可用其他抓持手段代替凸柱。

在下一個步驟(E)中，將支撐管29插入鑽柱12中。將此支撐管29放置於感測器載體27之頂面上。為此，支撐管29可具有與凸柱28配合之凹槽30。支撐管29之尺寸使其至多近似地具有與內部取芯管17相同之外徑。若鎖定裝置之著陸凸肩之區域內的尺寸為可比的，則支撐管29之外徑可小於內部取芯管17之外徑。此外，支撐管29採用滿足以下條件之長度：與用於內部取芯管17時相比，取芯鑽管13之著陸環19及鎖定套筒20皆能以同樣的方式為支撐管所用。為此，支撐管29亦具有相應的錨定手段31，支撐管29被放下時可藉由該錨定手段以被鎖止於取芯鑽管13中。為了拉出，在上端處亦設有對應於支撐管29之相應的凸柱32或其他的抓持手段(步驟E)。

為了實施壓力試驗，在下一個步驟(F)中，將鑽柱12及取芯鑽管13下壓，使得感測器26被壓入心土11中。其中，支撐管29負責使感測器26保持原位。沿箭頭方向33之壓力係由習知設備在鑽進裝置上產生。完成壓力試驗後，沿箭頭方向34從鑽孔10中向上一併拉出鑽柱12及感測器26。其中，較佳係以恰好使得感測器26裸露的方式從孔洞35中拉出感測器26(步驟G)。鑽柱12之抬升距離較佳地至少為在鑽頭15下方伸出的感測器載體27之長度。

參閱前文關於回收內部取芯管17之說明，接下來，藉由抓持裝置23以抓住支撐管29或支撐管29之凸柱32或其他抓持手段。藉由用抓持裝置23抓住凸柱32或其他的抓持手段，且藉由抓持裝置23施加於凸柱32之拉力，使支撐管29之錨定手段31再次預張緊，並藉此將其拉出鎖定套筒20。如此一來，支撐管29被釋放，從而能夠被拉出鑽柱12(步驟H)。

接下來，以相同之方式從鑽柱12回收感測器載體27及感測器26(步驟I)。一旦感測器載體27連同感測器26一起被回收且被定位於相應的鑽進設備上，便可在鑽柱12中再次放下空的內部取芯管17(步驟J)。藉由旋轉與沖刷，可從心土11中提取另一岩芯16。

當在壓力試驗過程中根據感測器26所採集之測量值以確定心土11為過硬而不適於此種壓力試驗時，可將感測器26連同支撐管29一起從鑽柱12中取出，並且，藉由鑽頭先將硬的心土11移除，以便接下來可藉由感測器26繼續實施壓力試驗。