珪質堆積岩の連続機械プロファイリングのための油圧回転掘削プロセスのデジタル化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 3701 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

油圧回転掘削は、固体地球の研究に不可欠な情報とコアサンプルを提供します。 実際の現場掘削データを記録し、水圧式回転コアリングプロセスを分析することは、困難ではありますが、地球物理学と地質学における膨大な掘削情報の利用に有望です。 この論文は、掘削プロセスモニタリング(DPM)技術を採用し、深さ108mの掘削孔に沿って珪質堆積岩のプロファイリングを行うために、変位、推力圧力、上向き圧力、回転速度の4つのパラメータをリアルタイムで記録します。 107 の線形ゾーンによるデジタル化の結果は、表層堆積物 (盛土、黄土、砂利質土壌)、泥岩、シルト質泥岩、砂岩、細かい砂岩を含む掘削された地質材料の空間分布を表します。 0.018 ～ 1.905 m/min の範囲で変化する一定の掘削速度は、掘削された地質材料の現場でのコアリング抵抗を示します。 さらに、一定の掘削速度により、土壌から硬い岩までの強度品質を識別できます。 6 つの基本強度品質等級の厚さ分布は、すべての堆積岩と 7 つの土と岩の個々の種類ごとに示されています。 この論文で決定された原位置強度プロファイルは、掘削孔に沿った地盤材料の原位置機械的挙動を評価および評価するために使用でき、地層および地下構造の空間分布を決定するための新しい機械ベースの評価を提供できます。 同じ地層でも深さが異なると機械的挙動が異なる可能性があるため、これらは重要です。 この結果は、デジタル掘削データによる継続的な現場機械プロファイリングのための新しい定量的測定を提供します。 この論文の発見は、現場地盤調査の改善とアップグレードのための新しく効果的な方法を提供する可能性があり、研究者や技術者に現在の掘削プロジェクトの事実データをデジタル化して利用するための新しいツールと貴重な参考資料を提供することができます。

掘削、特に油圧回転コア掘削は、固体地球上の地球物理学的および地質学的研究にコアサンプルと関連情報を提供するための一般的かつ不可欠かつ重要な作業です1。 世界中の固体地球観測所のデジタル化が進む中、関連する掘削情報はますます学際的な研究の焦点となっています2。 フリンチャムら。 は、地震波屈折データと水圧回転コアリングプロセスからのコアサンプルの物理的状態を使用して、花崗岩の尾根の下の地下構造を推測しました3。 アレンら。 100.6メートルの掘削孔に沿ったコアサンプルの実験室試験結果により、断層コアと損傷ゾーンの両方を覆う厚さ30メートルの変質ゾーンの存在が明らかになりました4。 掘削孔から抽出されたコアサンプルの実験室測定は、ダウンホールの機械的および地球物理的特性の変化を定量化するために広く使用されています5、6、7。

しかし、多くの掘削孔の実験室コア測定といくつかの現場試験は、特に地球物理学研究がしばしば焦点を当てている一部の複雑な地質環境下では、法外に費用がかかり、物流上困難になる可能性があります3。 実際、掘削自体も地質材料特性の現場測定とみなすことができます8、9、10。 掘削プロセスの副産物としての掘削速度（または貫通速度）などの掘削パラメータに関する大量の事実データは収集および活用されていません。 機械的および地球物理学的情報が含まれる場合があります。 事実データを使用した掘削プロセスのデジタル化は困難ですが、固体地球の研究には有望です。

何人かの研究者は掘削情報の研究に焦点を当てました。 リゾら。 彼らは、ドリル穴からのデジタル電気信号を使用して透水係数の分布を特定しました11。 現場のひずみ情報は、4 ゲージのボアホールひずみ計 (FGBS)12 によって監視および分析されました。 掘削中測定（MWD）技術は、石油および鉱山の科学および工学において、貫通速度、推力圧力、および回転速度の掘削パラメータを測定するために使用されました13、14、15。 ユエら。 掘削プロセスモニタリング（DPM）技術を発明し、事実データの測定と分析におけるリアルタイムシリーズ手法を開発しました10、16。

最近、リアルタイム系列の掘削データに注目する研究者が増えています。 リアルタイムの掘削データにより、火山岩の脆弱ゾーンを特定し 17,18、黄土台地の土壌と岩石の強度のプロファイリングを行うことができます 19。 王ら。 は、研究室のリアルタイム掘削データによって岩盤特性を測定する方法を研究しました20。 彼らは、 は、岩石の機械的特性と岩盤崩壊傾向の予測を決定するための経験的方法を提案しました 21,22。 アルノら。 は、ディープラーニング手法を使用して、リアルタイムの掘削データから岩石密度を推定することを提案しました23。 これまでの研究のほとんどは、実験室試験データと経験的手法によって掘削情報を研究していました。 事実のフィールドデータによる継続的かつ正確な現場機械プロファイリングのための定量的研究はまだ非常に限られています。 この論文では、現在の掘削プロジェクトの実際の現場データに関するさらなる研究と、現場地盤調査の改善とアップグレードのための油圧回転コアリングプロセスの詳細な分析が動機付けられ、実行されています。

この論文では、地球物理学的および地質学的掘削プロジェクトのギャップを埋めるために、油圧回転掘削プロセスのデジタル化について説明します。 リアルタイムの一連のデジタル事実データは、108 m の掘削孔に沿った油圧回転コアリングプロセスから記録されます。 結果は、実際の掘削データが、掘削力に対する地質材料の抵抗の現場の機械的プロファイリングと、表面堆積物から掘削孔に沿った珪質堆積岩までの推定一軸圧縮強度の定量的記述を継続的に提示できることを示しています。 掘削力に対する地質材料の抵抗は、この論文でデジタル DPM 技術から正確に取得された掘削速度を使用して決定されました。 このような継続的な現場強度プロファイルは、掘削孔周囲の周囲の土壌や岩石の安定性と崩壊の可能性を評価する際に重要です。 これらは、ドリル孔に沿ったコアリング結果に追加の事実データと現場データを提供できます。 特に、ドリル穴の深さに沿ってコアが欠落している場合、これらの情報は非常に重要になります。 この論文は、現在の地盤調査方法と岩石の品質分類をアップグレードすることを目的とした、掘削データに基づく新しい現場試験方法の枠組みを示しています。

中国地質調査所による延安市の総合地質調査プロジェクトは、都市地下空間の開発のためにデジタル事実データを使用して機械的特性をプロファイリングすることを目的としています24。 延安市は山地の黄土高原地域に位置しています。 この地域の上部 10 ～ 100 メートルにわたる空間的に変化し複雑なゾーン内で、岩石から土壌への多様な物理的、化学的、生物学的プロセスによって引き起こされるという、典型的な問題領域である 25。 地下空間の評価と利用には、迅速、効果的、継続的な地質工学調査が不可欠です26。 したがって、掘削プロセス監視 (DPM) テクノロジーは、プロジェクト内のデジタル事実データによる現場の機械プロファイルの貴重な参考資料を継続的に提供するために使用されます。

コアリング油圧ロータリー掘削プロジェクトは、GPS 座標 (北緯 36 度 37 分 48 分、東経 109 度 22 分 48 分) で延安市の宝塔区に位置しています。 現場検層による掘削孔の深さは 108.0 m で、掘削孔に沿った地質材料と対応する標準層序柱を図 1 に示します。現場での効率を向上させるために、コアサンプルは岩層からのみ収集されました。 現場の検材とコアサンプルによる地層の厚さの精度は 0.1 m で、すべてのコア回収率は 90% 以上です。 現場の記録とコアサンプルの手動検層に基づいて、このドリルホールには、さまざまな地面土壌と堆積岩の合計 51 の層があります。 標準の層序列に示されているように、51 の地層は、3 層の地面土壌と 48 層の岩石層に対応します。 層厚の最大値は 22.2 m で、軽度に分解した砂岩の地層に相当します。 最小値は0.2mで、細かい砂岩の地層に相当します。

この 108 m 掘削孔に沿った 8 種類の地層。厳選された岩石コア サンプルと、現場での手動検層による対応する標準層序柱が含まれています。

現場の手動検層では、表層堆積物が掘削孔に沿った 0.0 ～ 8.3 m の人工盛土（雑盛や黄土など）と沖積層（砂利質土壌など）で構成されていることが示されています。 掘削孔に沿った残りの部分 (8.3 ～ 108.0 m) は 2 つのメンバーからなる延安層に属し、ジュラ紀中期に沖積地、湖沼地、泥地に堆積した珪質堆積物から構成されています 24,25。 蔵源部 (8.3 ～ 71.0 m) から採取されたコアサンプルは、微細な砂岩、泥岩、シルト質泥岩が多層で層状になっています。 宝塔山部 (71.0 ～ 108.0 m) から採取されたサンプルは、大部分が砂利石で占められています。

掘削には、図2に示すような代表的なXY-1型油圧式回転ボール盤と直径110mmの多結晶ダイヤモンドコンパクトドリルビットを使用します。掘削方法は流体による湿式掘削であり、掘削液はベントナイトスラリーです。 SM 植物性ガム、ベントナイト、水の重量比 1:5:100 で作られています。

デジタル化システムの概略図。

掘削パラメータと掘削された地盤材料の機械的プロファイリングとの関係を調査するために、この研究では変位、推力圧力、上向き圧力、および回転速度のデータが監視されます。 デジタル化機器は、油圧回転ボール盤に非破壊で簡単に取り付けることができます。 現場でデジタル事実データをリアルタイムで自動的かつ客観的かつ継続的に収集できます。 変位は、穴あけ速度と穴あけ深さを決定するために使用されます。 推力圧力と回転速度で穴あけ能力を把握します。 上向きの圧力は、穴あけ作業の他のサブプロセスを決定するために使用されます。 この掘削プロジェクトにおけるデジタル化システムは、図 2 に示すように次の主要な部分で構成されます。

回転監視システム (図 2a) には、1 つの電磁回転トランスデューサー、掘削ビットとロッドとともに回転する誘導リグ、および関連する保護および固定装置が含まれています。 油圧回転掘削における掘削ビットの回転は、接触した地質材料の表面を研磨するための水平方向の力を提供します。 回転センサーの精度は 1 回転/秒 (60 回転/分) です。

変位監視システム (図 2b) には、1 つのスイベル変位トランスデューサーと、関連する保護および固定装置が含まれています。 ドリルビットは粉砕材料を破壊し、ビットの下の新しい粉砕材料に進みます。 このシステムは、穴あけプロセス全体を通じて、2 つの垂直油圧シリンダーに沿ったスイベル ドリル チャック ヘッドの下方または上方への変位からドリル ビットの変位を記録できます。 シリンダのラムストローク長は、ドリルチャックヘッドの最大垂直変位距離であり、この場合は 500 mm です。 変位センサの精度は0.001mです。

油圧監視システム (図 2c) には 2 つの圧力トランスデューサーが含まれています。 推力や上向きの力を計算するために油圧配管に取り付けられます。 掘削プロセス中、下向きの推力は、底部のドリルビットを地質材料の表面に接触させ、回転しながら切断する力を提供し、上向きの力は、ラムの 1 ストローク終了後に 2 つの垂直油圧シリンダーに沿ってドリル チャック ヘッドを上方に移動させる力を提供します。アドバンス。 なお、穴あけトルクは推力と回転速度の反作用効果となります。 このパラメータは直接出力パラメータではないため、オペレータによってシフトすることはできません。 そのため、現場での地盤調査のための従来の掘削プロジェクトで掘削トルクを監視することは困難であり、費用がかかります。 穴あけ加工中、トルクは推力と線形関係と見なすことができます27,28。

データ収集システム (図 2d) は、上記のシステムからの信号のサンプリングを制御します。 4 つの信号をリアルタイム系列の電圧出力の形で同時に収集し、この場合のタイムサンプリング間隔は 1 秒です。

監視およびデータ収集システムは持ち運びが可能で、設置が簡単です。 デジタル化システムは、掘削機や現場での日常業務に副作用を与えることなく、掘削プロセス全体を監視および分析できます。

完全な油圧回転掘削プロセスは、チューブサンプラーがいっぱいになると、ドリルビットの上にある円筒チューブサンプラー内の土壌と岩石コアのサンプルを回収する必要があるため、時系列での多数の往復で構成されます。 各ラウンドトリップは次のように説明できます。

コアサンプラーを備えたドリルビットと数本の延長ドリルロッドを 1 つずつドリル穴の底まで挿入します。

ビットサンプラーとロッドはリグによって回転し、泥スラリーを温めて撹拌し、掘削効果を促進します。

ドリルビットは粉砕材料を破壊し始め、ビットの下の新しい粉砕材料に進入します。サンプラー (コアリング) バレルが土または岩のコアで満たされると停止します。

すべてのドリルロッドとビットサンプラーは、サンプルを収集するために地上に回収されます。

上記のプロセス中に、いくつかの補助的な操作 (休憩やメンテナンスなど) が必要になる場合があります。 これら 4 つのサブプロセスには、(1) ビットサンプラー (バレル) の挿入、(2) コアを抜き、新しい粉砕材料をバレルに充填、(3) 充填されたバレルを地上に回収、(4) コアの回収が含まれます。地上のサンプルは通常の往復を形成します。 この往復は、目標の掘削深さに達するまで、より深い地質材料を掘削するために 1 つずつ繰り返されます。 したがって、往復回数は主にサンプラー（コアリング）バレルの長さと掘削作業者の作業によって決まります。 このケーススタディでは、サンプラー (コアリング) バレルの長さは 4.15 m で、深さ 108 m の掘削孔を完成するために合計 26 往復が使用されました。

図2に示すように、オリジナルのリアルタイムの実際の掘削データ（変位、スラスト圧力、上向き圧力、回転速度）は、掘削プロセス全体を通じて油圧回転ボール盤に装備されたデジタルシステムによって継続的に収集できます。事実データとデジタル化基準に基づいて、典型的なコアリング油圧ロータリー掘削往復は 5 つの個別の掘削作業に分割できます。 それぞれ挿入工程、撹拌工程、穴あけ工程、取り出し・取り出し工程、補助工程である。 それぞれの操作は独特であり、上記のオペレーターの制御と相関しています。

掘削プロセス中、オペレータはスイベル チャック ヘッドを使用して、地質材料を掘削するためのドリル ロッドとビットに接続されたドリル スピンドルを制御します。 チャックヘッドはドリルスピンドルをクラッチして新しい地質材料を掘削できます。 上記の 1 つのラム ストローク長を終了した後、チャック ヘッドはスピンドルを取り外して開始レベルに戻り、次に再びスピンドルをクラッチして下方に移動します。 この操作により、ドリルビットは、新たに追加されたドリルロッドを使用してより深い地質材料を穿孔し、コアリングバレルを満たすことができます。 したがって、穴あけ工程は、コアリング部分（またはネットドリリング部分）、ドリルチャック引き上げ部分、および補助作業の 3 つの部分から構成されます。

古典的な最小二乗法は事実データによって掘削速度を決定するために使用され、決定係数 R2 または r2 は通常、直線性の程度の適合度を測定するために使用されます。 1 つの線形ゾーンの最小時間間隔は通常 5 秒より長くなります。

図 3 は、1 つの穴あけプロセスの詳細を示しています。 3つのコアリングパーツと4つの引き抜きドリルチャック上向きパーツが含まれています。 部品のコアリング中、ドリルビットの前進深さと正味の穴あけ時間の曲線は、接続された一連の線形セグメントとして表現できます。 各線形ゾーンには、均質なジオマテリアルの一定の掘削速度を表す一定の傾斜勾配があります。 図 3 では、8 つの線形ゾーン (ゾーン \({a}_{1-3}\)、ゾーン \({a}_{6-9}\)、およびゾーン \({a}_{11} \)) の異なる一定の勾配がコアリング部分に表示されます。 1 つの線形ゾーンの一定の勾配は、その線形ゾーンの掘削速度に等しくなります。 コアリング部分の 8 つの直線ゾーンの穴あけ速度は、0.155 m/min (メートル/分) から 0.418 m/min まで変化します。 コアリング部の各ゾーンの対応する平均推力圧力、平均上向き圧力、平均回転数は、2.688～2.958MPa、0.451～0.558MPa、113～120r/min（回転数）の狭い範囲で変動するように設定されています。分）、それぞれ。 プルドリルチャックの上向き部分には 4 つのゾーン (ゾーン \({a}_{0}^{*}\)、\({a}_{5}^{*}\)、\({a}_{ 10}^{*}\)、および \({a}_{12}^{*}\))、時々補助休憩あり (ゾーン \({a}_{4}^{*}\))。 引抜速度は 2.548 ～ 2.645 m/min の範囲に増加し、平均スラスト圧力は 0.615 ～ 0.646 MPa の範囲に減少し、平均上向き圧力は 1.403 ～ 1.754 MPa の範囲に増加します。

この掘削孔に沿った油圧ロータリーコアリングの掘削プロセスに関するリアルタイムの事実データ。

個々の掘削作業のスクリーニング方法に基づいて、ネット掘削プロセスの元の事実データを取得できます。 次に、掘削孔の深さ全体に沿ったネット掘削プロセスの掘削パラメータを図4に示します。DPMによって測定された掘削孔の深さは108.062 mです。 図4a、bは、正味掘削時間に対する掘削深さの曲線が、それぞれ一定の掘削速度で107の線形ゾーンに分割できることを示しています。 穴あけ速度は 0.018 ～ 1.905 m/min です。 各一定の掘削速度ゾーンは、1 つの均質なジオマテリアルを表します。 掘削速度の異なる 2 つの隣接する線状ゾーンの接続深さは、2 つの異なる地層の境界を意味します。 図4aの簡単な現場検層は、対応する掘削速度ゾーンとともに掘削孔のすべての地層を示しています。 完新世の表層堆積物は、掘削孔深さ 0.000 ～ 8.309 m に沿ったデジタル化ゾーン No. 1 ～ 13 に対応し、雑多な盛土、黄土、砂利質土壌から構成されています。 ジュラ紀中期延安層の蔵源層は、掘削孔深さ 8.309 ～ 71.011 m に沿ったデジタル化ゾーン No. 14 ～ 89 に相当し、多層の微細砂岩、泥岩、シルト質泥岩から構成されています。 ジュラ紀中部延安層の宝塔山層は、掘削孔の深さ 71.011 ～ 108.062 m に沿ったデジタル化ゾーン No. 90 ～ 103 に相当し、砂利石で構成されています。 デジタル化の結果と従来の手動サイトロギングの詳細な比較については、次のセクションで説明します。

事実データによる、ドリルビットの前進曲線と正味穴あけ時間および関連する穴あけパラメータを、穴あけ深さ全体に沿って示します。

ネット掘削プロセスに関連する掘削パラメータは、掘削速度ゾーンごとに計算できます。 図4cは、ドリル孔に沿った各ゾーンの下向きスラスト圧力の平均値を示しています。 掘削効率を向上させるための日常作業として、低速ギアでは土層のスラスト圧力を固定し、高速ギアでは岩層のスラスト圧力を固定します。 土壌層（ゾーン No.1 ～ 13 に相当）のスラスト圧力の平均値は、2.096 ～ 2.382 MPa の低い範囲内で変動しています。 岩層（ゾーン No.14 ～ 107 に相当）の推力圧力の平均値は、2.496 ～ 3.179 MPa のより高い範囲内で変動します。 図 4d は、ドリル孔に沿った各ゾーンの上向き圧力の平均値を示しています。 前述のように、ネットドリリングプロセス中に次の動作に備えるために、スタンバイギアで上向きの圧力が固定されます。 上向きの平均値はスタンバイギヤの0.368～0.591MPaの範囲内で変動します。 図4eは、ドリル穴に沿った各ゾーンの回転速度の平均値を示しています。 定常作業ギヤでの回転データの主な変動範囲は105～120r/minです。 また、作業者は定常的な方法として、砂利質土層を効率よく掘削するため、回転速度を高めの作業機に上げていました。 そのため、掘削速度ゾーン No.5 ～ 13 の回転数データの平均値が他に比べて高くなります。

また、DPM 法による一定の穴あけ速度は、推力、回転、トルクへの影響を直接考慮せずに決定されます。 Yue は、他の掘削パラメータで正規化された掘削速度が DPM 法による元の掘削速度とほぼ同じであることを示しました10。 この掘削孔では、一定の掘削速度に対する関連する掘削パラメータの効果を図 5 に示します。

107 の深さゾーンの掘削速度と同じゾーン内の対応する掘削パラメータの関係 (a) 下向き圧力の平均値、(b) 上向き圧力の平均値、(c) 回転数の平均値、(d) 線形相関係数。

図5aでは、岩層のゾーン掘削速度が増加するにつれて、下向きのスラスト圧力の平均値は、一定のハイギア範囲内で変動するように固定されています。 地層のゾーン掘削速度が増加するにつれて、下向きスラスト圧力の平均値は低い範囲内で変動するように固定されます。 ゾーンの掘削速度と関連する掘削パラメータの間の同様の関係も図 5b、c に示されています。 図 5d は、107 ゾーンすべての一定の掘削速度の決定係数を示しています。 決定係数の平均値は 0.9954 です。 図5によれば、関連する穴あけパラメータは、穴あけ速度の増加に伴って一定の範囲内で変動しますが、一方、増加する穴あけ速度に対する決定係数はすべて0.99を超えています。 ネット掘削プロセス中の下向きのスラスト圧力、上向きの圧力、および回転速度は、均質な地質材料ゾーンの一定の掘削速度の変動に限定的な影響を与えます。 したがって、このケーススタディでは、適用されるスラスト、回転、およびトルクの変動が均質な地質材料ゾーンごとに限られていたため、掘削速度は主に掘削された地質材料特性に関連していました。

図 4 の結果によれば、各層はいくつかの一定の機械的ゾーン (または一定の掘削速度ゾーン) に対応することができます。 これは、デジタル化の結果により、手動検層による 1 つの層の詳細な耐コアリング強度プロファイルとそれに関連する空間分布を示すことができることを意味します。 線形ゾーンの同様の掘削速度は、同様の現場コアリング耐性強度プロファイルを持つ地質材料を表し、接続された 2 つの線形ゾーン間の曲線勾配ジャンプの位置は、異なる現場コアリング耐性強度プロファイルの境界境界を表すことができます。 デジタル化結果によるさまざまな地質材料のプロファイリングのための、一定の掘削速度（または掘削抵抗）を伴う一定の機械ゾーンの空間分布は、サイト検層によるコアサンプルの分布と一致します。 デジタル化の結果による地層の厚さと掘削孔の深さは、対応する手動検層によって検証されました。

上記の解析結果によると、一定の掘削速度 (または掘削抵抗) を持つ各一定機械ゾーンは、1 つの均質なジオマテリアルに対応します。 その結果、デジタル化手法により、ケイ質堆積岩に対する土壌の耐コアリング強度を事実データに基づいてプロファイリングすることができます。 8 種類の土壌から珪質堆積岩まで合計 107 個の一定機械ゾーンが得られます。 図 6 は、さまざまな地層のゾーンの数とそれに関連する掘削速度を示しています。 掘削孔に沿った土壌から堆積岩までの掘削速度は、一定で 0.018 ～ 1.905 m/min、平均値と中央値はそれぞれ 0.373 m/min、0.295 m/min です。 土壌層には 13 のゾーンがあり、岩層には 94 のゾーンがあります。 同じ地質材料ゾーンは、同様の掘削速度の範囲内で変動します。 地質材料が異なれば、掘削速度の変動範囲も異なります。 また、土層の掘削速度は岩層に比べて変動が大きい。 これは、1 つの岩石層の掘削速度が 1 つの土層の掘削速度よりも安定していることを示しています。

異なる地層内の一定の機械ゾーンの数と、それに関連付けられたゾーンの掘削速度。

異なる地層の 107 ゾーンの掘削速度を使用して、各地質材料の平均ゾーン掘削速度と関連データを図 7 と表 1 で計算できます。黄土層と砂利質土壌層の平均掘削速度と対応する標準偏差はより高速です。他より。 泥岩の平均掘削速度は、5 種類の岩層の中で最も速いです。 他の 4 種類の岩石の平均掘削速度は降順で表示され、最も低い掘削速度は細かい砂岩に対応します。 掘削速度が遅いゾーンは、地質材料が強力であるか、掘削が容易ではないことを示していることは明らかです。

ゾーンの平均掘削速度と、掘削孔内の 8 つの層の対応する標準偏差。

さらに、図 8 では、この掘削孔に沿ったさまざまな地盤材料の平均掘削速度が、対応する平均掘削速度とともに他のいくつかの地盤材料とさらに比較されています。これらの値は、デジタル化手法により、さまざまな地盤条件、さまざまな油圧掘削機、およびドリルビットで得られます 19。 29、30。 デジタル化の結果は、実際の掘削データによって測定された掘削速度の変動が、さまざまな地盤条件、さまざまな油圧掘削機、ドリルビットからのさまざまな地質材料の特性と互換性があり、一貫していることを示しています。

掘削孔内のさまざまなジオマテリアルの平均掘削速度。

英国および欧州の規格 31 によれば、掘削速度は掘削された地層の機械的強度に関係します。 Elkatatny は、掘削速度が掘削プロセス中に重要な役割を果たすと提案しました 32。 この論文では、上記の結果は、一定の掘削速度が掘削地盤材料の強度特性を表すことができることを示しています。 並行して行われる現場のログ記録により、実際の現場データから一定の掘削速度の精度が検証されます。 一定の穴あけ速度と機械的強度特性の従来の試験結果との比較に関するさらなる議論を以下に示します。

一軸圧縮強度は、岩石の基本特性を測定するための古典的な強度パラメータです。 このドリル穴に沿ったコアサンプルの一軸圧縮強度は、実験室試験によって得られました。 深さ 11.9 ～ 108.0 m の 31 個のコアサンプルが GB/T 50218-2014 標準方法でテストされました。 高さ 10 cm の各コア サンプルの開始深さと終了深さを現場で記録しました。 各試験片の深さは、同じ深さで異なる厚さの 1 つまたは複数の線状ゾーンに対応します。 図 9 に示すように、同じ深さの 1 つまたは複数の線状ゾーンの加重掘削速度を一軸圧縮強度試験の結果と比較します。最も低い掘削速度でわずかに分解した微細砂岩のコアサンプルは、最も高い一軸圧縮強度の値を示します。圧縮強度。 逆に、一軸圧縮強さの値が最も低いのは、岩層の中で最も掘削速度が速い泥岩のコアサンプルです。 結果は、対応する穴あけ速度が増加するにつれて、一軸圧縮強度の値が減少することを示しています。 図９の回帰式は次式のように表すことができる。 (1)。 この式により、数値化結果による一軸圧縮強度の推定値を、対応する穴あけ速度から求めることができます。

実験室試験による岩石の一軸圧縮強度 \({R}_{c}\) とデジタル化結果からの対応するゾーンの掘削速度の比較。

現在、現場でリアルタイムに岩石の強度特性を取得する効果的な方法は不足しています33。 式によると、 (1) 一定の掘削速度により、掘削された地盤材料の強度特性を推定できます。 推定値は、従来の実験室試験による一軸圧縮強度と一致しています。 したがって、一定の掘削速度により、現場の実際の現場データによる強度特性の予測が可能になります。 元の事実データは、現場でリアルタイムに記録するのに実用的かつ効率的です。 予測結果は正確であり、この深さ 108 m の掘削孔に沿った珪砕石堆積岩に適用できます。 より広範な用途向けに実際の掘削データに基づいた一般化された予測方法を構築するには、さまざまな地質材料の種類、掘削機、掘削条件に関するさらなる研究が必要です。

デジタル化データは、岩石品質指定（RQD）と同様の方法による地盤強度品質指定のゾーニング結果を示すこともできます。 古典的な岩石力学では、RQD は岩石コアの破壊の度合いのみを表すことができ、次のような幾何学的定義のため、岩石ブロックの強度と風化の程度を表すことはできません。 RQD は、コアの中心線に沿って測定した長さ 100 mm を超える固体コアの破片を組み込んだボアホールコアの回収率です。 各ソリッドコア片は、自然破壊間の 100 mm を超える片として定義されます。 ソリッドコア部分は、機械的強度に大きなばらつきがある可能性があります (UCS など)。 したがって、地質材料の強度プロファイルを示すには、一定の掘削速度とゾーンの厚さの新しいパラメータが必要です。 図 10 は、107 の線形ゾーンの厚さと対応する掘削速度を示しています。

ゾーンの厚さの変化と、対応するゾーンの穴あけ速度。

掘削孔に沿った土壌から堆積岩までのゾーンの厚さは 0.137 ～ 4.970 m の範囲であり、平均値と中央値はそれぞれ 1.010 m と 0.746 m でした。 各ゾーンの厚さとその穿孔速度は、最小から最大の n ペア配列を形成するように調整できます: \((V_{DPM1} ,H_{1} )\),\((V_{DPM2} ,H_{ 2} )\),…, \((V_{DPMn} ,H_{n} )\) ここで \(V{}_{DPM1} \le V{}_{DPM2} \le \cdots \le V{ }_{DPMn}\)。 ドリル孔に沿ったデジタル化データに基づいて、\(RQD(V_{DPM} )\) は、掘削深さ全体にわたって掘削速度が指定値未満である場合の累積ゾーン厚さのパーセンテージ比として定義できます。

ここで \(K = 1,2,3, \dots,n\); \(\sum\nolimits_{i = 1}^{n} {H_{i} } = {108}{{.062 m}}\)。

この論文の \(RQD(V_{DPM} )\) は、従来の幾何学的 RQD 法の純粋な拡張ではありません。 これは、RQD と同様の計算方法を使用した、一定の穴あけ速度とゾーン厚さの新しいパラメータです。 \(RQD(V_{DPM} )\) の値とそれに関連するゾーン掘削速度は、地質材料強度プロファイルのゾーン分割結果を示すことができます。 これは、従来の現地地質調査方法を補完するものとなります。 図 11 は、地盤材料の強度を統計的にプロファイリングするための、掘削速度によるデジタル化ゾーンの厚さの分布を示しています。 縦軸は、式 (1) からの \(RQD(V_{DPM} )\) の値です。 (2)、横軸は対応するゾーンの掘削速度です。 図 12 は、掘削孔に沿った 6 種類の地質材料のそれぞれをプロファイリングした詳細な分布を示しています。 \(RQD(V_{DPM} )\) の値と、デジタル化結果による関連する一軸圧縮強度も、地盤材料強度プロファイルのゾーニング結果を示すために提示されます。 図 13 は、地盤材料の強度を統計的にプロファイリングするための数値化結果による、一軸圧縮強度を伴う数値化ゾーンの厚さの分布を示しています。 縦軸は、式 (1) からの \(RQD(V_{DPM} )\) の値です。 (2) であり、横軸は式 (2) からのデジタル化結果による対応する一軸圧縮強度です。 (1)。 図 14 は、掘削孔に沿った 6 種類の地質材料のそれぞれをプロファイリングした詳細な分布を示しています。

地質材料の強度を統計的にプロファイリングするための、掘削速度によるデジタル化ゾーンの厚さの分布 (\({\mathrm{RQD}}_{\mathrm{DPM}}\))。

6 種類の地質材料のそれぞれを統計的にプロファイリングするための、掘削速度によるデジタル化ゾーンの厚さの分布 (\({\mathrm{RQD}}_{\mathrm{DPM}}\))。

地質材料の強度を統計的にプロファイリングするための UCS によるデジタル化ゾーンの厚さの分布。

6 種類の地質材料のそれぞれを統計的にプロファイリングするための UCS によるデジタル化ゾーンの厚さの分布。

同様の変化パターンから、図 3 と図 4 の曲線は次のようになります。 図 11 と図 13 は、横軸に沿って掘削速度が増加するにつれて、次の 6 つのセクションに分割できます。

セクション I は、数値化結果による基本強度品質グレードの推定値が、掘削速度 0.018 ～ 0.175 m/min の 1 級であることを意味します。 数値化データによる一軸圧縮強度の推定値は65.6～80.2MPaです。 このセクションの上限値 (つまり、0.175 m/min) 未満の穴あけ速度でのデジタル化厚さの割合は、約 10.38% です。 このセクションの地質材料は、図 1、2 に示すように、主にわずかに分解された微細な砂岩です。 12 および 14 は、現場での伐採および実験室試験による基本品質グレード I に相当します。

II 項とは、数値化結果による基本強度品質等級の推定値が 2 等級であり、掘削速度の値は 0.175 ～ 0.240 m/min の範囲であることを意味します。 数値化データによる一軸圧縮強度の推定値は60.3～65.6MPa、\(RQD(V_{DPM} )\)の値は10.38～28.55%となります。 この断面には、図 1、2 に示すように、主に軽度に分解した細砂岩と軽度に分解した砂岩が含まれています。 12 および 14 は、現場での伐採および実験室試験による基本品質グレード I および II に対応します。

セクション III は、数値化結果による基礎強度品質グレードの推定値が 3 級であり、掘削速度の値が 0.240 ～ 0.319 m/min であることを意味します。 数値化データによる一軸圧縮強度の推定値は54.5～60.3MPa、\(RQD(V_{DPM} )\)の値は28.55～49.33%となった。 このセクションには、図 1 と 2 に示すように、主にわずかに分解した砂岩とシルト質泥岩が含まれています。 12 および 14 は、現場での伐採および実験室試験による II および III の基本品質グレードに対応します。

セクション IV は、数値化結果による基礎強度品質グレードの推定値が 4 級であり、掘削速度の値は 0.319 ～ 0.397 m/min の範囲であることを意味します。 数値化データによる一軸圧縮強度の推定値は 49.3 ～ 54.5 MPa、\(RQD(V_{DPM} )\) の値は 49.33 ～ 73.19% となります。 このセクションの地質材料は、図 1 と 2 に示すように、主にシルト質泥岩と中程度に分解された砂岩です。 12 および 14 は、現場での伐採および実験室試験による基本品質グレードの III および IV に相当します。

セクション V は、数値化結果による基礎強度品質グレードの推定値が 5 級であり、掘削速度の値は 0.397 ～ 0.623 m/min であることを意味します。 数値化データによる一軸圧縮強度の推定値は 36.8 ～ 49.3 MPa、\(RQD(V_{DPM} )\) の値は 73.19 ～ 93.56% となります。 このセクションの地質材料は図 1 と 2 に示すように主に泥岩です。 12 および 14 は、現場の伐採および実験室テストによる基本品質グレード V に対応します。

セクション VI は、数値化結果による基礎強度品質グレードの推定値が 6 級であり、掘削速度の値が 0.623 ～ 1.905 m/min であることを意味します。 数値化データによる一軸圧縮強度の推定値は 7.1 ～ 36.8 MPa、\(RQD(V_{DPM} )\) の値は 93.56 ～ 100.00% です。 このセクションの地質材料は図 1 と図 2 に示すように土壌です。 12と14。

GB/T 50218-2014 規格による岩盤の基本強度品質分類の基準とデジタル化方法を表 2 にさらにまとめます。さらに、6 つの基本品質グレードのゾーン厚さの割合分布もデジタル化により測定できます。さまざまな地面ジオマテリアルのデータ。 表 3 では、ボーリング孔に沿った土層の総厚さ 8.305 m のうち、83.8% の土がデジタル化データによって決定された VI の基本品質等級に相当します。 掘削孔に沿った泥岩の 77.6% は V 等級に属し、中程度に分解された砂岩の 86.2% は IV 等級に属します。 総厚さ 16.372 m のシルト質泥岩の大部分は、基本品質等級 III および IV に相当します。 軽度に分解した砥石の多くは、基本品質等級 II および III に相当します。 掘削孔に沿った総厚さ 18.128 m のわずかに分解した細かい砂岩の場合、97.2% が I および II の基本品質等級に相当します。

図 15 は、デジタル化データと掘削孔に沿った手動検層によって決定された工学分類グレードの比較を示しています。 さまざまな地質材料の掘削孔の深さによる手動検層によって決定された岩盤の基本的な品質グレードを図 15a に示します。 I から V のグレードは GB/T 50218-2014 の方法による岩盤の実験室試験結果を表し、VI は土壌層を表します。 デジタル化データによるエンジニアリング分類の 6 つのセクションの分布と、対応する手動ロギングを図 15b に示します。

デジタル化データと掘削孔に沿った手動検層によって決定された工学分類グレードの比較。

この掘削孔について、掘削された地盤材料の強度品質分類グレードを図 16 に示します。デジタル化の結果は、一定の掘削速度が、一軸圧縮強度、岩石の品質指定、および 6 つの基本的な強度品質グレードと相関していることを示しています。表層堆積物の強度品質を堆積岩に分類します。 その結果は、連続的かつ機械的プロファイルの現場試験のための現在の掘削慣行をアップグレードすることができます。

線形ゾーンの厚さによる掘削速度の分布。

本稿では、掘削情報を活用するための新たなデジタル化手法を提案する。 深さ 108 m の掘削孔に沿ったリアルタイムの一連のデジタル事実データが記録および分析され、継続的かつコスト効率よく掘削された地盤材料の現場強度プロファイリングが取得されます。

一定の掘削速度により、合計 107 の線形ゾーンが特定されます。 1 つの線状ゾーンの一定の掘削速度が低いことは、より強力で均質な地質材料ゾーンまたは地層を示しています。 泥岩、中程度に分解された砂岩、シルト状の泥岩、わずかに分解された砂岩、および細粒砂岩の平均一定掘削速度は、0.452 m/min、0.354 m/min、0.290 m/min、0.236 m/min、および 0.149 m/min です。 、 それぞれ。 掘削速度が一定の線状ゾーンにより、8 種類の土壌と堆積岩の 51 の地層の界面境界と空間分布を正確かつ効果的に表示できます。 従来のサイトロギングによる各手動階層は、1 つ以上の一定の機械ゾーンで表されます。 デジタル化の結果により、掘削孔に沿った地質材料の強度のより詳細なプロファイルが得られます。

さらに、実験室試験で得られた岩石コアの一軸圧縮強度には、相関式 \(R_{c} \, = { 82}{{.090}} \times e^{{ - 1.{286} \times { \text{穴あけ速度 (m/min)}}}}\) を穴あけ速度に置き換えます。 6 つの強度品質グレードは、掘削速度、一軸圧縮強度 \(R_{c}\)、および岩石の品質の指定によって決まります。 穴あけ速度 \(R_{c}\) および \(RQD(V_{DPM} )\) の範囲は次のとおりです。 (1) グレード I の場合、0.018 ～ 0.175 m/min、65.6 ～ 80.2 MPa、 0.00～10.38%; (2) グレード II の場合、0.175 ～ 0.240 m/min、60.3 ～ 65.6 MPa、および 10.38 ～ 28.55%。 (3) グレード III の場合、0.240 ～ 0.319 m/min、54.5 ～ 60.3 MPa、および 28.55 ～ 49.33%。 (4) グレード IV の場合、0.319 ～ 0.397 m/min、49.3 ～ 54.5 MPa、および 49.33 ～ 73.19%。 (5) グレード V の場合、0.397 ～ 0.623 m/min、36.8 ～ 49.3 MPa、および 73.19 ～ 93.56%。 (6) グレード VI の場合、それぞれ 0.623 ～ 1.905 m/min、7.1 ～ 36.8 MPa、および 93.56 ～ 100.00%。 また、数値化データによる各強度品質等級の板厚分布は、品質等級I〜VIについて、それぞれ10.4%、18.2%、19.6%、23.9%、21.5%、6.4%と得られる。

分析結果は、デジタル化データが、ケイ砕堆積岩への表層堆積物の詳細な空間分布と、関連する現場での機械的プロファイリングについて、追加の継続的かつ定量的な参考資料を提供できることを示しています。 この研究は、地質材料の強度プロファイルと空間分布の現場試験のための現在の掘削慣行をアップグレードするための費用対効果の高い方法を提供します。 さらに、デジタル化された掘削データは、さまざまな掘削機やドリルビットの影響を受ける可能性もあります。 同じ掘削地質材料の場合、高出力掘削機または新しい鋭利なドリル ビットの一定の掘削速度は、低出力掘削機または古い鈍いドリル ビットの一定の掘削速度よりも大きくなければなりません。 将来的にこの新しい方法をより広範囲に適用するには、標準的な現地地盤調査テストを開発するために、標準化されたボール盤とビットのさらなる研究が必要です。 さらに、掘削孔に沿った DPM 強度プロファイルの結果を使用して、掘削孔周囲の地質材料の変形と崩壊を決定および予測することができます。

この論文は、地球物理学および地質学における膨大な掘削データの活用のギャップを埋めるものであり、また、現在の掘削プロジェクトの事実データを記録および分析するための継続的で費用対効果の高いツールを提供すると考えられています。

この研究で使用されたデータは、https://doi.org/10.6084/m9.figshare.14979582 から Figshare で公開されています。

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この論文は、中国香港特別行政区の研究助成評議会からの助成金によって部分的に支援されました（プロジェクト番号 HKU 17207518 および R5037-18）。 最初の著者は、博士課程の研究に対する奨学金を与えてくれた HKU にも感謝しています。

中国地質大学（北京）土木工学科、中華人民共和国北京

XF ワン & ZJ チャン

中華人民共和国上海市同済大学地盤工学部

WV ユエ

香港大学土木工学科、香港、中華人民共和国

ZQユエ

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XFW の貢献には、概念化、データ収集、調査、方法論、検証、および元の草案の作成が含まれます。 ZJZ の貢献には、プロジェクト管理、データ収集、レビュー、編集が含まれます。 WVY の貢献には、プロジェクトの管理、レビュー、編集が含まれます。 ZQY の貢献には、概念化、資金調達、監修、レビュー、編集が含まれます。 著者全員が原稿をレビューしました。

ZQユエ対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Wang、XF、Zhang、ZJ、Yue、WV 他珪質堆積岩の連続機械プロファイリングのための油圧回転掘削プロセスのデジタル化。 Sci Rep 13、3701 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-30837-z

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受信日: 2022 年 11 月 26 日

受理日: 2023 年 3 月 2 日

公開日: 2023 年 3 月 6 日

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

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