Digitalisierung des hydraulischen Drehbohrverfahrens zur kontinuierlichen mechanischen Profilierung von siliziklastischen Sedimentgesteinen

Apr 05, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 3701 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Hydraulisches Drehbohren kann die wesentlichen Informationen und Kernproben für die Forschung auf fester Erde liefern. Die Erfassung der tatsächlichen Feldbohrdaten und die Analyse des hydraulischen Bohrkernverfahrens sind eine Herausforderung, aber vielversprechend für die Nutzung der umfangreichen Bohrinformationen in der Geophysik und Geologie. In diesem Artikel wird die Bohrprozessüberwachungstechnik (DPM) verwendet und die vier Parameter Verschiebung, Schubdruck, Aufwärtsdruck und Rotationsgeschwindigkeit in Echtzeitreihen aufgezeichnet, um das siliziklastische Sedimentgestein entlang eines 108 m tiefen Bohrlochs zu profilieren. Die Digitalisierungsergebnisse mit 107 linearen Zonen stellen die räumliche Verteilung der erbohrten Geomaterialien dar, einschließlich oberflächlicher Ablagerungen (Auffüllung, Löss, kiesiger Boden), Tonstein, schluffiger Tonstein, Splittstein und feiner Sandstein. Die konstanten Bohrgeschwindigkeiten zwischen 0,018 und 1,905 m/min stellen die In-situ-Kernfestigkeit von gebohrten Geomaterialien dar. Darüber hinaus können die konstanten Bohrgeschwindigkeiten die Festigkeitsqualität von Böden bis hin zu Hartgesteinen ermitteln. Für alle Sedimentgesteine ​​und jede einzelne Art der sieben Boden- und Gesteinsarten werden die Mächtigkeitsverteilungen der sechs Grundfestigkeitsqualitätsstufen dargestellt. Das in diesem Dokument ermittelte In-situ-Festigkeitsprofil kann zur Beurteilung und Bewertung des mechanischen In-situ-Verhaltens von Geomaterial entlang des Bohrlochs verwendet werden und kann eine neue mechanisch basierte Bewertung zur Bestimmung der räumlichen Verteilung geologischer Schichten und Strukturen im Untergrund liefern. Sie sind wichtig, da dieselbe Schicht in unterschiedlichen Tiefen ein unterschiedliches mechanisches Verhalten aufweisen kann. Die Ergebnisse liefern eine neuartige quantitative Messung für die kontinuierliche mechanische Profilierung vor Ort anhand digitaler Bohrdaten. Die Ergebnisse des Papiers können eine neue und effektive Methode zur Verfeinerung und Verbesserung der In-situ-Bodenuntersuchung bieten und Forschern und Ingenieuren ein neuartiges Werkzeug und wertvolle Referenzen zur Digitalisierung und Nutzung von Sachdaten aktueller Bohrprojekte bieten.

Bohren, insbesondere hydraulisches Kernbohren, ist ein üblicher, wesentlicher und wichtiger Vorgang, um Kernproben und zugehörige Informationen für geophysikalische und geologische Untersuchungen auf festem Boden bereitzustellen1. Die damit verbundenen Bohrinformationen sind im Rahmen der zunehmenden Digitalisierung von Observatorien auf fester Erde auf der ganzen Welt in den Mittelpunkt zunehmend interdisziplinärer Studien gerückt2. Flinchum et al. verwendeten die seismischen Brechungsdaten und den physikalischen Zustand von Kernproben aus dem hydraulischen Rotationskernverfahren, um auf die Untergrundstruktur unter einem Granitrücken zu schließen3. Allen et al. Labortestergebnisse von Kernproben entlang eines 100,6 m langen Bohrlochs ergaben das Vorhandensein einer 30 m dicken Alterationszone, die sowohl den Verwerfungskern als auch die Schadenszone überlagert. Die Labormessungen an aus Bohrlöchern entnommenen Kernproben werden häufig zur Quantifizierung der Variationen der mechanischen und geophysikalischen Eigenschaften im Bohrloch verwendet5,6,7.

Allerdings können die Laborkernmessungen und einige In-situ-Tests für viele Bohrlöcher unerschwinglich teuer und logistisch anspruchsvoll sein, insbesondere in einigen komplexen geologischen Umgebungen, auf die sich häufig geophysikalische Studien konzentrieren3. Tatsächlich kann das Bohren selbst auch als In-situ-Messung der Geomaterialeigenschaften betrachtet werden8,9,10. Umfangreiche Sachdaten zu Bohrparametern wie Bohrgeschwindigkeit (oder Eindringgeschwindigkeit) als Nebenprodukte des Bohrprozesses wurden nicht gesammelt und genutzt. Es kann mechanische und geophysikalische Informationen enthalten. Die Digitalisierung des Bohrprozesses mit Faktendaten ist anspruchsvoll, aber vielversprechend für die Forschung in der festen Erde.

Mehrere Forscher konzentrierten sich auf die Untersuchung von Bohrinformationen. Rizzo et al. nutzten die digitalen elektrischen Signale aus dem Bohrloch, um die Verteilung der hydraulischen Leitfähigkeit zu ermitteln11. In-situ-Dehnungsinformationen wurden mit den Vier-Gauge-Bohrloch-Dehnungsmessgeräten (FGBS)12 überwacht und analysiert. Die „Measurement While Drilling“ (MWD)-Technologie wurde zur Messung der Bohrparameter Penetrationsrate, Schubdruck und Rotationsgeschwindigkeit in der Erdöl- und Bergbauwissenschaft und -technik eingesetzt13,14,15. Yue et al. erfand die Technik der Bohrprozessüberwachung (DPM) und entwickelte die Echtzeit-Serienmethode für die Messung und Analyse von Sachdaten10,16.

In letzter Zeit achten immer mehr Forscher auf die Bohrdaten in Echtzeitreihen. Die Echtzeit-Bohrdaten können die Schwachstellen im Vulkangestein17,18 identifizieren und die Boden-Gesteinsfestigkeit im Löss-Hochland19 profilieren. Wang et al. untersuchte die Methode zur Messung der Gesteinsmasseneigenschaften anhand von Labor-Echtzeit-Bohrdaten20. Er et al. schlugen eine empirische Methode zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der Gesteinsmasse und der Vorhersage der Gesteinsbruchanfälligkeit vor21,22. Arnø et al. schlug die Schätzung der Gesteinsdichte aus Echtzeit-Bohrdaten mithilfe der Deep-Learning-Methode23 vor. Die meisten früheren Untersuchungen untersuchten die Bohrinformationen anhand von Labortestdaten und empirischen Methoden. Die quantitativen Studien zur kontinuierlichen und genauen mechanischen Profilierung vor Ort anhand von Faktendaten sind noch sehr begrenzt. Weitere Studien zu tatsächlichen Felddaten aktueller Bohrprojekte und detaillierte Analysen des hydraulischen Rotationskernverfahrens zur Verfeinerung und Verbesserung der In-situ-Bodenuntersuchung werden in diesem Artikel motiviert und durchgeführt.

In diesem Beitrag wird die Digitalisierung des hydraulischen Drehbohrprozesses vorgestellt, um die Lücke bei geophysikalischen und geologischen Bohrprojekten zu schließen. Aus dem hydraulischen Rotationskernverfahren entlang des 108 m Bohrlochs werden digitale Sachdaten in Echtzeitserien erfasst. Die Ergebnisse zeigen, dass die tatsächlichen Bohrdaten kontinuierlich eine quantitative Beschreibung der mechanischen In-situ-Profilierung des Geomaterialwiderstands gegenüber der Bohrkraft und der geschätzten einachsigen Druckfestigkeit von oberflächlichen Ablagerungen bis hin zu siliziklastischen Sedimentgesteinen entlang des Bohrlochs liefern können. Der Widerstand des Geomaterials gegenüber der Bohrkraft wurde anhand der Bohrgeschwindigkeit bestimmt, die in diesem Artikel mithilfe der digitalen DPM-Technik genau ermittelt wurde. Solche kontinuierlichen In-situ-Festigkeitsprofile sind wichtig für die Beurteilung der Stabilität und eines möglichen Einsturzes der umgebenden Böden und Gesteine ​​rund um das Bohrloch. Sie können den Kernergebnissen entlang des Bohrlochs zusätzliche Sach- und In-situ-Daten liefern. Diese Informationen sind insbesondere dann von entscheidender Bedeutung, wenn entlang der Bohrlochtiefe Bohrkerne fehlen. Das Papier demonstriert den Rahmen einer neuen In-situ-Testmethodik auf der Grundlage von Bohrdaten, die darauf abzielt, die aktuellen Bodenuntersuchungsmethoden und Gesteinsqualitätsklassifizierungen zu verbessern.

Das Projekt „Comprehensive Geological Survey“ des China Geological Survey in der Stadt Yan'an zielt darauf ab, die mechanischen Eigenschaften mit digitalen Faktendaten zu profilieren, um den städtischen Untergrundraum zu entwickeln24. Die Stadt Yan'an liegt in der bergigen Lössplateau-Region. Es handelt sich um ein typisches Problemgebiet, bei dem die Umwandlung von Gestein in Boden durch verschiedene physikalische, chemische und biologische Prozesse innerhalb einer räumlich variablen und komplexen Zone vorangetrieben wird, die sich über die obersten 10–100 m dieser Region erstreckt25. Für die Beurteilung und Nutzung der unterirdischen Räume ist eine schnelle, effektive und kontinuierliche geotechnische Untersuchung unerlässlich26. Daher wird die Bohrprozessüberwachungstechnologie (DPM) eingesetzt, um im Projekt kontinuierlich die wertvolle Referenz des mechanischen Profils vor Ort durch digitale Sachdaten bereitzustellen.

Das hydraulische Kernbohrprojekt befindet sich im Bezirk Baota in der Stadt Yan'an mit den GPS-Koordinaten (36° 37′ 48′′ N, 109° 22′ 48′′ E). Die Bohrlochtiefe beträgt laut Standortmessungen 108,0 m, und die Geomaterialien entlang des Bohrlochs und die entsprechende standardmäßige stratigraphische Spalte sind in Abb. 1 dargestellt. Um die Effizienz am Standort zu verbessern, wurden die Kernproben nur aus den Gesteinsschichten entnommen. Die Genauigkeit der Schichtdicke durch Standortmessungen und Kernproben beträgt 0,1 m und alle Kerngewinnungsraten liegen über 90 %. Basierend auf den Standortaufzeichnungen und der manuellen Protokollierung von Kernproben weist das Bohrloch insgesamt 51 Schichten für verschiedene Bodenböden und Sedimentgesteine ​​auf. Die 51 Schichten entsprechen den 3 Bodenschichten und den 48 Gesteinsschichten, wie in der stratigraphischen Standardspalte dargestellt. Der Maximalwert der Schichtdicke beträgt 22,2 m, sie entspricht der Schicht aus leicht zersetztem Sandstein. Der Mindestwert beträgt 0,2 m, er entspricht der Feinsandsteinschicht.

Acht Arten von Schichten entlang dieses 108 m langen Bohrlochs mit ausgewählten Gesteinskernproben und entsprechender stratigraphischer Standardsäule durch manuelle Standortprotokollierung.

Die manuelle Standorterfassung zeigt, dass die oberflächlichen Ablagerungen aus künstlichen Aufschüttungen (z. B. verschiedene Aufschüttungen und Löss) und Schwemmschichten (z. B. kiesiger Boden) von 0,0 bis 8,3 m entlang des Bohrlochs bestehen. Der verbleibende Teil entlang des Bohrlochs (8,3–108,0 m) gehört zur Yan'an-Formation mit zwei Teilen, bestehend aus siliziklastischen Sedimenten, die während des Mittleren Jura in alluvialen, lakustrinen und sumpfigen Umgebungen abgelagert wurden24,25. Die vom Zaoyuan-Mitglied (8,3–71,0 m) entnommenen Kernproben sind vielschichtig mit feinem Sandstein, Tonstein und schlammigem Tonstein. Die vom Baotashan Member (71,0–108,0 m) entnommenen Proben bestehen überwiegend aus Splittstein.

Für das Bohren werden die typische hydraulische Drehbohrmaschine vom Typ XY-1 und die Kompaktbohrkrone aus polykristallinem Diamant mit 110 mm Durchmesser verwendet, wie in Abb. 2 dargestellt. Das Bohrverfahren ist Nassbohren mit Flüssigkeit und die Bohrflüssigkeit ist Bentonitschlamm Hergestellt aus SM-Pflanzengummi, Bentonit und Wasser im Gewichtsverhältnis 1:5:100.

Schematische Darstellung des Digitalisierungssystems.

Um den Zusammenhang zwischen Bohrparametern und der mechanischen Profilierung von gebohrten Geomaterialien zu untersuchen, werden in dieser Studie die Daten der Verschiebung, des Schubdrucks, des Aufwärtsdrucks und der Rotationsgeschwindigkeit überwacht. Das Digitalisierungsgerät lässt sich einfach und zerstörungsfrei an der hydraulischen Drehbohrmaschine montieren. Es kann die digitalen Sachdaten automatisch, objektiv und kontinuierlich in Echtzeitreihen vor Ort erfassen. Die Verschiebung dient zur Bestimmung der Bohrgeschwindigkeit und der Bohrlochtiefe. Zur Bestimmung der Bohrleistung werden der Schubdruck und die Drehzahl herangezogen. Der Aufwärtsdruck wird zur Bestimmung der weiteren Teilprozesse der Bohrarbeiten genutzt. Bei diesem Bohrprojekt besteht das Digitalisierungssystem aus den folgenden Hauptteilen, wie in Abb. 2 dargestellt.

Das Rotationsüberwachungssystem (Abb. 2a) enthält einen elektromagnetischen Umdrehungswandler, eine Induktionsanlage zum Rotieren mit Bohrkrone und -stangen sowie die dazugehörigen Schutz- und Befestigungsvorrichtungen. Die Rotation des Bohrmeißels beim hydraulischen Drehbohren sorgt für eine horizontale Kraft zum Schleifen der berührten Geomaterialoberfläche. Die Genauigkeit des Rotationssensors beträgt eine Umdrehung pro Sekunde (60 Umdrehungen pro Minute).

Das Wegüberwachungssystem (Abb. 2b) besteht aus einem schwenkbaren Wegaufnehmer und den dazugehörigen Schutz- und Haltevorrichtungen. Der Bohrer bricht das Bodenmaterial auf und dringt in neues Bodenmaterial unterhalb des Bohrers vor. Das System kann die Bohrerverschiebung aus der Abwärts- oder Aufwärtsbewegung des schwenkbaren Bohrfutterkopfes entlang der beiden vertikalen Hydraulikzylinder während des gesamten Bohrvorgangs aufzeichnen. Der Stößelhub der Zylinder ist der maximale vertikale Verschiebeweg des Bohrfutterkopfes, der in diesem Fall 500 mm beträgt. Die Genauigkeit des Wegsensors beträgt 0,001 m.

Das hydraulische Drucküberwachungssystem (Abb. 2c) enthält zwei Druckwandler. Sie werden zur Berechnung des Schubs und der Aufwärtskraft an der hydraulischen Druckleitung installiert. Während des Bohrvorgangs sorgt der Abwärtsschub dafür, dass der untere Bohrer die Oberfläche des Geomaterials berührt und schneidet, während er sich dreht. Die Aufwärtskraft sorgt für die Kraft, den Bohrfutterkopf nach Abschluss eines Stößelhubs entlang der beiden vertikalen Hydraulikzylinder nach oben zu bewegen Förderung. Darüber hinaus ist das Bohrdrehmoment ein Reaktionseffekt von Schub und Drehzahl. Dieser Parameter ist kein direkter Ausgabeparameter und kann von den Operatoren nicht verschoben werden. Daher ist es schwierig und teuer, das Bohrdrehmoment bei herkömmlichen Bohrprojekten zur Bodenuntersuchung vor Ort zu überwachen. Während des Bohrvorgangs kann das Drehmoment als linearer Zusammenhang mit der Schubkraft betrachtet werden27,28.

Das Datenerfassungssystem (Abb. 2d) steuert die Abtastung von Signalen aus dem darüber liegenden System. Es erfasst vier Signale gleichzeitig in Form von Spannungsausgaben in Echtzeitserien und das Zeitabtastintervall beträgt in diesem Fall 1 s.

Die Überwachungs- und Datenerfassungssysteme sind tragbar und bequem zu installieren. Das Digitalisierungssystem kann den gesamten Bohrprozess überwachen und analysieren, ohne dass es zu Nebenwirkungen für die Bohrmaschine oder die Routinearbeiten vor Ort kommt.

Der vollhydraulische Drehbohrprozess besteht aus vielen Hin- und Rückläufen in zeitlicher Abfolge, da die Boden- und Gesteinskernprobe im zylindrischen Rohrprobenehmer über dem Bohrmeißel entnommen werden muss, sobald der Rohrprobenehmer voll ist. Jede Rundreise kann wie folgt beschrieben werden.

Die Bohrkrone mit dem Kernprobennehmer und mehreren Verlängerungsbohrstangen wird nacheinander bis zur Bohrlochsohle eingeführt.

Der Bohrer und die Stangen werden vom Bohrgerät gedreht, um die Schlammaufschlämmung aufzuwärmen und umzurühren, was den Bohreffekt erleichtern kann.

Der Bohrmeißel beginnt, das Bodenmaterial aufzubrechen und in neues Bodenmaterial unterhalb des Bohrers vorzudringen. Dies wird gestoppt, sobald das Probenahmerohr (Kernrohr) mit Erd- oder Gesteinskernen gefüllt ist.

Sämtliche Bohrstangen und Bohrprobennehmer werden zurück zum Boden geholt, um die Proben zu sammeln.

Während der oben genannten Prozesse können einige Hilfsvorgänge (z. B. Pause oder Wartung) erforderlich sein. Zu diesen vier Unterprozessen gehören (1) das Einsetzen des Bit-Probenehmers (Fass), (2) das Entkernen und Füllen des Fasses mit neuem Bodenmaterial, (3) das Zurückholen des gefüllten Fasses zurück auf den Boden und (4) das Sammeln des Bohrkerns Proben am Boden bilden einen typischen Rundweg. Dieser Hin- und Rückweg wird nacheinander wiederholt, um tiefere Geomaterialien zu bohren, bis die Zielbohrtiefe erreicht ist. Daher wird die Anzahl der Hin- und Rückflüge hauptsächlich von der Länge des Probenahmerohrs (Kernrohrs) und den Arbeitsabläufen der Bohrarbeiter bestimmt. In dieser Fallstudie betrug die Länge des Probenentnahmerohrs (Kernrohr) 4,15 m und für die Fertigstellung des 108 m tiefen Bohrlochs wurden insgesamt 26 Hin- und Rückfahrten durchgeführt.

Die ursprünglichen tatsächlichen Bohrdaten in Echtzeit (Verdrängung, Schubdruck, Aufwärtsdruck und Drehzahl) können während des gesamten Bohrvorgangs kontinuierlich durch das digitale System der hydraulischen Drehbohrmaschine erfasst werden, wie in Abb. 2 dargestellt Basierend auf den Fakten und dem Digitalisierungskriterium lässt sich der typische Rundlauf des hydraulischen Kernbohrens in fünf einzelne Bohrvorgänge unterteilen. Dabei handelt es sich um den Einführvorgang, den Rührvorgang, den Bohrvorgang, den Entnahme- und Entnahmevorgang bzw. den Hilfsvorgang. Jeder Vorgang ist einzigartig und steht im Zusammenhang mit der oben genannten Kontrolle der Bediener.

Während des Bohrvorgangs steuern die Bediener über den schwenkbaren Spannkopf die Bohrspindel, die mit den Bohrstangen und dem Bohrmeißel zur Kernbohrung des Geomaterials verbunden ist. Der Spannkopf kann die Bohrspindel zum Bohren der neuen Geomaterialien greifen. Nach Abschluss einer oben erwähnten Stößelhublänge löst der Spannkopf die Spindel, um auf die Startebene zurückzukehren, und kann dann die Spindel erneut einkuppeln, um sie nach unten zu bewegen. Durch diesen Vorgang kann der Bohrer mit der neu hinzugefügten Bohrstange tiefere Geomaterialien bohren, um das Kernrohr zu füllen. Daher besteht der Bohrvorgang aus drei Teilen: dem Kernbohrteil (oder Netzbohrteil), dem Teil zum Hochziehen des Bohrfutters und den Hilfsvorgängen.

Zur Bestimmung der Bohrgeschwindigkeit anhand von Sachdaten wird die klassische Methode der kleinsten Quadrate verwendet und zur Messung der Anpassungsgüte für das Ausmaß der Linearität wird meist das Bestimmtheitsmaß R2 bzw. r2 verwendet. Der minimale Zeitabstand einer linearen Zone beträgt normalerweise mehr als 5 s.

Abbildung 3 zeigt die Details eines Bohrvorgangs. Es enthält drei Kernbohrteile und vier nach oben ziehende Bohrfutterteile. Während der Kernbohrungsabschnitte kann die Kurve der Bohrervorschubtiefe gegenüber der Nettobohrzeit als Satz verbundener linearer Segmente ausgedrückt werden. Jede lineare Zone weist einen konstanten Neigungsgradienten auf, der die konstante Bohrgeschwindigkeit eines homogenen Geomaterials darstellt. In Abb. 3 sind acht lineare Zonen (Zonen \({a}_{1-3}\), Zonen \({a}_{6-9}\) und Zonen \({a}_{11}) \)) mit unterschiedlichen konstanten Steigungen sind in den Kernteilen dargestellt. Der konstante Gradient einer linearen Zone entspricht der Bohrgeschwindigkeit dieser linearen Zone. Die Bohrgeschwindigkeiten der acht linearen Zonen im Kernteil variieren von 0,155 m/min (Meter pro Minute) bis 0,418 m/min. Der entsprechende durchschnittliche Schubdruck, der durchschnittliche Aufwärtsdruck und die durchschnittliche Umdrehung jeder Zone im Kernteil sind so eingestellt, dass sie in einem kleinen Bereich von 2,688–2,958 MPa, 0,451–0,558 MPa und 113–120 U/min (Umdrehung pro Minute) schwanken Minute). Die nach oben ziehenden Bohrfutterteile enthalten vier Zonen (Zonen \({a}_{0}^{*}\), \({a}_{5}^{*}\),\({a}_{ 10}^{*}\) und \({a}_{12}^{*}\)) mit gelegentlicher Hilfspause (Zone \({a}_{4}^{*}\)). Die Zuggeschwindigkeit erhöht sich auf den Bereich von 2,548–2,645 m/min, der durchschnittliche Schubdruck sinkt auf den Bereich von 0,615–0,646 MPa und der durchschnittliche Aufwärtsdruck steigt auf den Bereich von 1,403–1,754 MPa.

Echtzeit-Faktendaten zum Bohrprozess der hydraulischen Rotationskernbohrung entlang dieses Bohrlochs.

Basierend auf der Screening-Methode der einzelnen Bohrvorgänge können die ursprünglichen Sachdaten des Nettobohrprozesses gewonnen werden. Anschließend sind die Bohrparameter des Nettobohrprozesses entlang der gesamten Bohrlochtiefe in Abb. 4 dargestellt. Die von DPM gemessene Bohrlochtiefe beträgt 108,062 m. Abbildung 4a,b zeigt, dass die Kurve der Bohrtiefe mit der Nettobohrzeit in 107 lineare Zonen mit jeweils konstanten Bohrgeschwindigkeiten unterteilt werden kann. Die Bohrgeschwindigkeit variiert zwischen 0,018 und 1,905 m/min. Jede Zone mit konstanter Bohrgeschwindigkeit repräsentiert ein homogenes Geomaterial. Die Verbindungstiefe zweier benachbarter linearer Zonen mit unterschiedlichen Bohrgeschwindigkeiten bedeutet die Grenze zweier unterschiedlicher Schichten. Die kurzen Standortaufzeichnungen in Abb. 4a zeigen alle Schichten des Bohrlochs mit den entsprechenden Bohrgeschwindigkeitszonen. Die oberflächlichen Ablagerungen im Holozän entsprechen den Digitalisierungszonen Nr. 1 bis 13 entlang der Bohrlochtiefe 0,000–8,309 m, bestehend aus diversen Aufschüttungen, Löss- und Kiesböden. Das Zaoyuan-Mitglied in der Yan'an-Formation aus dem Mitteljura entspricht den Digitalisierungszonen Nr. 14 bis 89 entlang der Bohrlochtiefe von 8,309–71,011 m und besteht aus vielschichtigem Feinsandstein, Tonstein und Schluffstein. Das Baotashan-Mitglied in der mitteljuraischen Yan'an-Formation entspricht den Digitalisierungszonen Nr. 90–103 entlang der Bohrlochtiefe 71,011–108,062 m, bestehend aus dem Sandstein. Die detaillierten Vergleiche der Digitalisierungsergebnisse und der traditionellen manuellen Standortprotokollierung werden im nächsten Abschnitt besprochen.

Die Kurve des Bohrervorschubs mit der Nettobohrzeit und den zugehörigen Bohrparametern über die gesamte Bohrtiefe anhand von Sachdaten.

Für jede Bohrgeschwindigkeitszone können die zugehörigen Bohrparameter des Nettobohrprozesses berechnet werden. Abbildung 4c zeigt den Mittelwert des Abwärtsschubdrucks für jede Zone entlang des Bohrlochs. Bei Routinevorgängen zur Verbesserung der Bohreffizienz wird der Schubdruck in der Bodenschicht auf den niedrigeren Gang und der Schubdruck in der Gesteinsschicht auf den höheren Gang fixiert. Die Mittelwerte des Schubdrucks für die Bodenschichten (entsprechen den Zonen Nr. 1–13) schwanken in einem unteren Bereich von 2,096 bis 2,382 MPa. Die Mittelwerte des Schubdrucks für die Gesteinsschichten (entsprechen den Zonen Nr. 14–107) schwanken in einem höheren Bereich von 2,496 bis 3,179 MPa. Abbildung 4d zeigt den Mittelwert des Aufwärtsdrucks für jede Zone entlang des Bohrlochs. Wie oben erwähnt, wird der Aufwärtsdruck am Standby-Getriebe fixiert, um den weiteren Vorgang während des Netzbohrvorgangs vorzubereiten. Die Mittelwerte der Aufwärtsbewegung schwanken im Standby-Getriebebereich von 0,368 bis 0,591 MPa. Abbildung 4e zeigt den Mittelwert der Rotationsgeschwindigkeit für jede Zone entlang des Bohrlochs. Der Hauptschwankungsbereich der Drehzahldaten im Routinearbeitsgang liegt zwischen 105 und 120 U/min. Darüber hinaus erhöhten die Bediener die Drehzahl auf einen höheren Arbeitsgang, um routinemäßig effizient in die kiesige Bodenschicht zu bohren. Daher sind die Mittelwerte der Drehzahldaten für die Bohrgeschwindigkeitszonen Nr. 5–13 höher als für andere.

Darüber hinaus wird die konstante Bohrgeschwindigkeit mit der DPM-Methode ohne direkte Berücksichtigung der möglichen Auswirkungen auf Schub, Rotation und Drehmoment ermittelt. Yue gab an, dass die normalisierte Bohrgeschwindigkeit mit anderen Bohrparametern nahezu mit der ursprünglichen Bohrgeschwindigkeit nach der DPM-Methode übereinstimmt10. In diesem Bohrloch kann der Einfluss der zugehörigen Bohrparameter bei konstanter Bohrgeschwindigkeit in Abb. 5 dargestellt werden.

Die Beziehung zwischen der Bohrgeschwindigkeit von 107 Tiefenzonen und den entsprechenden Bohrparametern in denselben Zonen (a) Mittelwerte des Abwärtsdrucks, (b) Mittelwerte des Aufwärtsdrucks, (c) Mittelwerte der Rotation, (d) Koeffizient der linearen Korrelation .

In Abb. 5a sind die Mittelwerte des Abwärtsschubdrucks so festgelegt, dass sie innerhalb eines bestimmten Bereichs des hohen Gangs schwanken, wenn die Zonenbohrgeschwindigkeit der Gesteinsschicht zunimmt. Wenn die Zonenbohrgeschwindigkeit der Bodenschicht zunimmt, schwanken die Mittelwerte des Abwärtsschubdrucks fest im unteren Bereich. Die ähnlichen Beziehungen zwischen der Zonenbohrgeschwindigkeit und den zugehörigen Bohrparametern sind auch in Abb. 5b, c dargestellt. Abbildung 5d zeigt das Bestimmtheitsmaß für die konstante Bohrgeschwindigkeit aller 107 Zonen. Der Mittelwert des Bestimmtheitsmaßes beträgt 0,9954. Gemäß Abb. 5 schwanken die zugehörigen Bohrparameter mit zunehmender Bohrgeschwindigkeit in einem gewissen Bereich, wobei alle Bestimmtheitsmaße für die zunehmende Bohrgeschwindigkeit über 0,99 liegen. Der Abwärtsschubdruck, der Aufwärtsdruck und die Rotationsgeschwindigkeit während des Nettobohrvorgangs haben begrenzte Auswirkungen auf die Variationen der konstanten Bohrgeschwindigkeit für Zonen mit homogenem Geomaterial. Daher hingen die Bohrgeschwindigkeiten hauptsächlich von den Eigenschaften des gebohrten Geomaterials ab, da in dieser Fallstudie der angewendete Schub, die Drehung und das Drehmoment für verschiedene homogene Geomaterialzonen nur begrenzte Schwankungen aufwiesen.

Gemäß den Ergebnissen in Abb. 4 kann jede Schicht mehreren konstanten mechanischen Zonen (oder Zonen konstanter Bohrgeschwindigkeit) entsprechen. Dies bedeutet, dass die Digitalisierungsergebnisse durch manuelle Protokollierung die detaillierten Kernfestigkeitsprofile und die damit verbundenen räumlichen Verteilungen für eine Schicht anzeigen können. Die ähnlichen Bohrgeschwindigkeiten linearer Zonen repräsentieren die Geomaterialien mit ähnlichen Widerstandsprofilen gegenüber Kernkernen vor Ort, und die Position des Kurvengradientensprungs zwischen zwei beliebigen verbundenen linearen Zonen kann die Grenzflächen verschiedener Festigkeitsprofile gegenüber Kernkernen vor Ort darstellen. Die räumlichen Verteilungen der konstanten mechanischen Zone mit konstanter Bohrgeschwindigkeit (oder Bohrwiderstand) zur Profilierung der verschiedenen Geomaterialien durch Digitalisierungsergebnisse stimmen mit den Verteilungen der Kernproben durch Standortmessungen überein. Die Schichtdicken und Bohrlochtiefen anhand der Digitalisierungsergebnisse wurden durch entsprechende manuelle Protokollierungen verifiziert.

Gemäß den obigen Analyseergebnissen entspricht jede konstante mechanische Zone mit ihrer konstanten Bohrgeschwindigkeit (bzw. dem Bohrwiderstand) einem homogenen Geomaterial. Folglich kann die Digitalisierungsmethode die Kernfestigkeit der Böden gegenüber siliziklastischen Sedimentgesteinen anhand von Sachdaten profilieren. Für die acht Bodentypen bis hin zu siliziklastischen Sedimentgesteinen können insgesamt 107 konstante mechanische Zonen ermittelt werden. Abbildung 6 zeigt die Anzahl der Zonen in verschiedenen Schichten mit der zugehörigen Bohrgeschwindigkeit. Für die Böden bis hin zu Sedimentgesteinen entlang des Bohrlochs betragen die konstanten Bohrgeschwindigkeiten 0,018 bis 1,905 m/min, der Durchschnitts- und der Medianwert 0,373 bzw. 0,295 m/min. Die Bodenschichten haben dreizehn Zonen und die Gesteinsschichten haben vierundneunzig Zonen. Die gleichen Geomaterialzonen schwanken im gleichen Bereich der Bohrgeschwindigkeit. Unterschiedliche Geomaterialien weisen unterschiedliche Schwankungsbreiten der Bohrgeschwindigkeit auf. Zudem schwanken die Bohrgeschwindigkeiten in Bodenschichten in einem größeren Bereich als in Gesteinsschichten. Dies zeigt an, dass die Bohrgeschwindigkeit einer Gesteinsschicht stabiler ist als die Bohrgeschwindigkeit einer Bodenschicht.

Die Anzahl konstanter mechanischer Zonen in verschiedenen Schichten mit der zugehörigen Zonenbohrgeschwindigkeit.

Mit der Bohrgeschwindigkeit von 107 Zonen in verschiedenen Schichten können in Abb. 7 und Tabelle 1 die durchschnittlichen Zonenbohrgeschwindigkeiten jedes Geomaterials und die zugehörigen Daten berechnet werden. Die durchschnittlichen Bohrgeschwindigkeiten und entsprechenden Standardabweichungen von Löss- und kiesigen Bodenschichten sind höher als andere. Die durchschnittliche Bohrgeschwindigkeit von Tonstein ist die höchste unter den fünf Arten von Gesteinsschichten. Die durchschnittlichen Bohrgeschwindigkeiten der anderen vier Gesteinsarten werden in absteigender Reihenfolge angezeigt, wobei die niedrigste Bohrgeschwindigkeit dem Feinsandstein entspricht. Es ist offensichtlich, dass die Zonen mit geringerer Bohrgeschwindigkeit ein stärkeres oder weniger gut bohrbares Geomaterial darstellen.

Die durchschnittliche Bohrgeschwindigkeit der Zone und die entsprechende Standardabweichung von acht Schichten im Bohrloch.

Darüber hinaus werden die durchschnittlichen Bohrgeschwindigkeiten verschiedener Geomaterialien entlang dieses Bohrlochs weiter mit einigen anderen Geomaterialien mit ihrer entsprechenden durchschnittlichen Bohrgeschwindigkeit in Abb. 8 verglichen. Diese Werte werden bei verschiedenen Bodenbedingungen, verschiedenen hydraulischen Bohrmaschinen und Bohrern durch die Digitalisierungsmethode erhalten19. 29,30. Die Digitalisierungsergebnisse verdeutlichen, dass die anhand tatsächlicher Bohrdaten gemessenen Schwankungen der Bohrgeschwindigkeit mit den Eigenschaften verschiedener Geomaterialien aus unterschiedlichen Bodenbedingungen, verschiedenen hydraulischen Bohrmaschinen und Bohrern kompatibel und konsistent sind.

Die durchschnittliche Bohrgeschwindigkeit für verschiedene Geomaterialien im Bohrloch.

Gemäß dem britischen und europäischen Standard31 hängt die Bohrgeschwindigkeit von der mechanischen Festigkeit der gebohrten Formation ab. Elkatatny schlug vor, dass die Bohrgeschwindigkeit während des Bohrvorgangs eine Schlüsselrolle spielt32. In dieser Arbeit zeigen die obigen Ergebnisse, dass die konstante Bohrgeschwindigkeit die Festigkeitseigenschaft von gebohrten Geomaterialien darstellen kann. Die parallelen Standortprotokolle bestätigen die Genauigkeit einer konstanten Bohrgeschwindigkeit anhand tatsächlicher Felddaten. Weitere Diskussionen zum Vergleich zwischen den konstanten Bohrgeschwindigkeiten und den traditionellen Testergebnissen der mechanischen Festigkeitseigenschaften werden im Folgenden vorgestellt.

Die einachsige Druckfestigkeit ist der klassische Festigkeitsparameter zur Messung der Grundeigenschaft der Gesteinsmasse. Die einachsige Druckfestigkeit der Kernproben entlang dieses Bohrlochs wurde durch Labortests ermittelt. Einunddreißig Kernproben aus Tiefen von 11,9 bis 108,0 m wurden mit der Standardmethode GB/T 50218-2014 getestet. Die Anfangstiefe und Endtiefe jeder Kernprobe mit einer Höhe von 10 cm wurden vor Ort aufgezeichnet. Die Tiefe jeder Probe entspricht einer oder mehreren linearen Zonen mit unterschiedlicher Dicke in derselben Tiefe. Die gewichteten Bohrgeschwindigkeiten einer oder mehrerer linearer Zonen in derselben Tiefe werden mit den Ergebnissen der einachsigen Druckfestigkeitsprüfung verglichen, wie in Abb. 9 dargestellt. Die Kernproben aus leicht zersetztem Feinsandstein mit der niedrigsten Bohrgeschwindigkeit weisen die höchsten Werte der einachsigen Untersuchung auf Druckfestigkeit. Umgekehrt weisen Tonsteinkernproben mit der höchsten Bohrgeschwindigkeit unter den Gesteinsschichten die niedrigsten Werte der einachsigen Druckfestigkeit auf. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Werte der einachsigen Druckfestigkeit mit zunehmender Bohrgeschwindigkeit abnehmen. Die Regressionsgleichung in Abb. 9 kann als Gleichung ausgedrückt werden. (1). Mit dieser Gleichung können die durch Digitalisierungsergebnisse geschätzten Werte der einachsigen Druckfestigkeit durch die entsprechende Bohrgeschwindigkeit ermittelt werden.

Vergleich zwischen der einachsigen Gesteinsdruckfestigkeit \({R}_{c}\) aus Labortests und der entsprechenden Zonenbohrgeschwindigkeit aus Digitalisierungsergebnissen.

Derzeit gibt es kaum wirksame Methoden, um die Gesteinsfestigkeitseigenschaft in Echtzeit vor Ort zu ermitteln33. Nach Gl. (1) Die konstanten Bohrgeschwindigkeiten können die Festigkeitseigenschaft der gebohrten Geomaterialien abschätzen. Die geschätzten Werte stimmen mit der einachsigen Druckfestigkeit aus herkömmlichen Labortests überein. Daher ermöglichen die konstanten Bohrgeschwindigkeiten die Vorhersage der Festigkeitseigenschaft anhand tatsächlicher Felddaten vor Ort. Die ursprünglichen Sachdaten lassen sich praktisch und effizient in Echtzeitreihen vor Ort erfassen. Das Vorhersageergebnis ist genau und für siliziklastische Sedimentgesteine ​​entlang dieses 108 m tiefen Bohrlochs anwendbar. Um eine verallgemeinerte Vorhersagemethode basierend auf tatsächlichen Bohrdaten für breitere Anwendungen zu entwickeln, sind weitere Studien zu verschiedenen Geomaterialtypen, Bohrmaschinen und Bohrbedingungen erforderlich.

Die Digitalisierungsdaten können auch die Zoning-Ergebnisse der Geomaterial-Festigkeitsqualitätsbezeichnung nach der ähnlichen Methode mit der Felsqualitätsbezeichnung (RQD) zeigen. In der klassischen Gesteinsmechanik kann RQD aufgrund seiner geometrischen Definition wie folgt nur den Bruchgrad in einem Gesteinskern darstellen und nicht die Festigkeit und den Grad der Verwitterung der Gesteinsblöcke. RQD ist der Bohrlochkernrückgewinnungsprozentsatz, der Stücke des festen Kerns enthält, die länger als 100 mm sind, gemessen entlang der Mittellinie des Kerns34. Jedes feste Kernstück ist als Stück definiert, das größer als 100 mm zwischen natürlichen Brüchen ist. Die massiven Kernstücke können große Schwankungen in der mechanischen Festigkeit aufweisen (z. B. UCS). Daher ist ein neuer Parameter für konstante Bohrgeschwindigkeit und Zonendicke erforderlich, um die Festigkeitsprofile des Geomaterials anzuzeigen. Abbildung 10 zeigt die Mächtigkeit der 107 linearen Zonen mit den entsprechenden Bohrgeschwindigkeiten.

Variationen der Zonendicke mit der entsprechenden Zonenbohrgeschwindigkeit.

Für die Böden bis hin zu Sedimentgesteinen entlang des Bohrlochs liegen die Zonendicken zwischen 0,137 und 4,970 m, und die Durchschnitts- und Medianwerte liegen bei 1,010 m bzw. 0,746 m. Die Mächtigkeit jeder Zone und ihre Bohrgeschwindigkeit können so angeordnet werden, dass sie vom kleinsten zum größten das n-Paar-Array bilden: \((V_{DPM1} ,H_{1} )\),\((V_{DPM2} ,H_{ 2} )\),…, \((V_{DPMn} ,H_{n} )\) wobei \(V{}_{DPM1} \le V{}_{DPM2} \le \cdots \le V{ }_{DPMn}\). Basierend auf den Digitalisierungsdaten entlang des Bohrlochs kann \(RQD(V_{DPM})\) als das prozentuale Verhältnis der akkumulierten Zonendicken definiert werden, bei denen die Bohrgeschwindigkeit über die gesamte Bohrtiefe unter einem bestimmten Wert liegt:

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

\(RQD(V_{DPM} )\) ist in diesem Artikel keine reine Erweiterung der traditionellen geometrischen RQD-Methode. Es handelt sich um einen neuen Parameter für konstante Bohrgeschwindigkeit und Zonendicke mit der ähnlichen Berechnungsmethode von RQD. Die Werte von \(RQD(V_{DPM})\) und die zugehörigen Zonenbohrgeschwindigkeiten können Aufschluss über die Zoneneinteilungsergebnisse der Geomaterial-Festigkeitsprofile geben. Es kann eine Ergänzung zu herkömmlichen geologischen Untersuchungsmethoden vor Ort sein. Abbildung 11 zeigt die Verteilungen der Digitalisierungszonendicke in Abhängigkeit von der Bohrgeschwindigkeit zur statistischen Profilierung der Geomaterialfestigkeit. Die vertikale Achse ist der \(RQD(V_{DPM} )\)-Wert aus Gl. (2) und die horizontale Achse ist die entsprechende Zonenbohrgeschwindigkeit. Abbildung 12 zeigt die detaillierten Verteilungen für die Profilierung jeder der sechs Arten von Geomaterialien entlang des Bohrlochs. Die Werte von \(RQD(V_{DPM})\) und die damit verbundene einachsige Druckfestigkeit anhand der Digitalisierungsergebnisse werden ebenfalls dargestellt, um die Zonierungsergebnisse der Geomaterial-Festigkeitsprofile zu zeigen. Abbildung 13 zeigt die Verteilungen der Digitalisierungszonendicke mit einachsiger Druckfestigkeit anhand der Digitalisierungsergebnisse zur statistischen Profilierung der Geomaterialfestigkeit. Die vertikale Achse ist der \(RQD(V_{DPM} )\)-Wert aus Gl. (2) und die horizontale Achse ist die entsprechende einachsige Druckfestigkeit gemäß den Ergebnissen der Digitalisierung aus Gl. (1). Abbildung 14 zeigt die detaillierten Verteilungen für die Profilierung jeder der sechs Arten von Geomaterialien entlang des Bohrlochs.

Verteilungen der Digitalisierungszonendicke mit der Bohrgeschwindigkeit (\({\mathrm{RQD}}_{\mathrm{DPM}}\)) zur statistischen Profilierung der Geomaterialfestigkeit.

Verteilungen der Digitalisierungszonendicke mit der Bohrgeschwindigkeit (\({\mathrm{RQD}}_{\mathrm{DPM}}\)) zur statistischen Profilierung jeder der 6 Arten von Geomaterialien.

Verteilungen der Digitalisierungszonendicke mit UCS zur statistischen Profilierung der Geomaterialfestigkeit.

Verteilungen der Digitalisierungszonendicke mit UCS zur statistischen Profilierung jeder der 6 Arten von Geomaterialien.

Aus den ähnlichen Variationsmustern ergeben sich die Kurven in Abb. 11 und 13 lassen sich mit zunehmender Bohrgeschwindigkeit entlang der horizontalen Achse in die folgenden sechs Abschnitte unterteilen:

Abschnitt I bedeutet, dass der geschätzte Wert der Grundfestigkeitsqualitätsgrade anhand der Digitalisierungsergebnisse der erste Grad ist, dessen Bohrgeschwindigkeit zwischen 0,018 und 0,175 m/min variiert. Die durch Digitalisierungsdaten geschätzten Werte der einachsigen Druckfestigkeit liegen zwischen 65,6 und 80,2 MPa. Der Prozentsatz der Digitalisierungsdicke beträgt bei einer Bohrgeschwindigkeit unter dem oberen Grenzwert dieses Abschnitts (dh 0,175 m/min) etwa 10,38 %. Das Geomaterial dieses Abschnitts besteht hauptsächlich aus leicht zersetztem Feinsandstein, wie in den Abbildungen dargestellt. 12 und 14, entsprechend den Grundqualitätsstufen I durch Standortmessungen und Labortests.

Abschnitt II bedeutet, dass der geschätzte Wert der grundlegenden Festigkeitsqualitätsstufen anhand der Digitalisierungsergebnisse die zweite Stufe ist, wobei die Bohrgeschwindigkeitswerte zwischen 0,175 und 0,240 m/min variieren. Die durch Digitalisierungsdaten geschätzten Werte der einachsigen Druckfestigkeit liegen zwischen 60,3 und 65,6 MPa und die Werte von \(RQD(V_{DPM})\) liegen zwischen 10,38 und 28,55 %. Der Abschnitt enthält hauptsächlich leicht zersetzten Feinsandstein und leicht zersetzten Splittstein, wie in den Abbildungen dargestellt. 12 und 14, entsprechend den Grundqualitätsstufen I und II durch Standortmessungen und Labortests.

Abschnitt III bedeutet, dass der geschätzte Wert der grundlegenden Festigkeitsqualitätsgrade anhand der Digitalisierungsergebnisse der dritte Grad ist, wobei die Werte der Bohrgeschwindigkeit zwischen 0,240 und 0,319 m/min variieren. Die durch Digitalisierungsdaten geschätzten Werte der einachsigen Druckfestigkeit liegen zwischen 54,5 und 60,3 MPa und die Werte von \(RQD(V_{DPM})\) liegen zwischen 28,55 und 49,33 %. Der Abschnitt enthält hauptsächlich leicht zersetzten Sandstein und schlammigen Tonstein, wie in den Abbildungen dargestellt. 12 und 14, entsprechend den grundlegenden Qualitätsstufen II und III durch Standortmessungen und Labortests.

Abschnitt IV bedeutet, dass der geschätzte Wert der grundlegenden Festigkeitsqualitätsgrade anhand der Digitalisierungsergebnisse der vierte Grad ist, wobei die Werte der Bohrgeschwindigkeit zwischen 0,319 und 0,397 m/min variieren. Die durch Digitalisierungsdaten geschätzten Werte der einachsigen Druckfestigkeit liegen zwischen 49,3 und 54,5 MPa und die Werte von \(RQD(V_{DPM})\) liegen zwischen 49,33 und 73,19 %. Die Geomaterialien dieses Abschnitts bestehen hauptsächlich aus schlammigem Tonstein und mäßig zersetztem Sandstein, wie in den Abbildungen dargestellt. 12 und 14, entsprechend den Grundqualitätsstufen III und IV durch Standortmessungen und Labortests.

Abschnitt V bedeutet, dass der geschätzte Wert der grundlegenden Festigkeitsqualitätsstufen anhand der Digitalisierungsergebnisse die fünfte Stufe ist, wobei die Werte der Bohrgeschwindigkeit zwischen 0,397 und 0,623 m/min variieren. Die durch Digitalisierungsdaten geschätzten Werte der einachsigen Druckfestigkeit liegen zwischen 36,8 und 49,3 MPa und die Werte von \(RQD(V_{DPM})\) liegen zwischen 73,19 und 93,56 %. Das Geomaterial dieses Abschnitts besteht hauptsächlich aus Tonstein, wie in den Abbildungen dargestellt. 12 und 14, entsprechend den Grundqualitätsstufen V durch Standortmessungen und Labortests.

Abschnitt VI bedeutet, dass der geschätzte Wert der grundlegenden Festigkeitsqualitätsgrade anhand der Digitalisierungsergebnisse der sechste Grad ist, wobei die Werte der Bohrgeschwindigkeit zwischen 0,623 und 1,905 m/min variieren. Die durch Digitalisierungsdaten geschätzten Werte der einachsigen Druckfestigkeit liegen zwischen 7,1 und 36,8 MPa und die Werte von \(RQD(V_{DPM})\) liegen zwischen 93,56 und 100,00 %. Das Geomaterial dieses Abschnitts ist Boden, wie in den Abbildungen dargestellt. 12 und 14.

Die Kriterien für die grundlegende Festigkeitsqualitätsklassifizierung von Gesteinsmassen aus der Norm GB/T 50218-2014 und die Digitalisierungsmethode sind in Tabelle 2 weiter zusammengefasst. Darüber hinaus kann die prozentuale Verteilung der Zonendicken mit den sechs grundlegenden Qualitätsstufen mit der Digitalisierung gemessen werden Daten für die verschiedenen Bodengeomaterialien. In Tabelle 3 entsprechen 83,8 % der Bodenschichten entlang des Bohrlochs mit einer Gesamtdicke von 8,305 m den durch Digitalisierungsdaten ermittelten grundlegenden Qualitätsstufen VI. 77,6 % des Tonsteins entlang des Bohrlochs gehören zum Grad V. 86,2 % des mäßig zersetzten Sandsteins haben den Grad IV. Der überwiegende Teil des schluffigen Tonsteins mit einer Gesamtmächtigkeit von 16,372 m entspricht den Grundqualitätsstufen III und IV. Der Großteil des leicht zersetzten Splittsteins entspricht den Grundqualitätsstufen II und III. Für den leicht zersetzten Feinsandstein, der entlang des Bohrlochs eine Gesamtmächtigkeit von 18,128 m aufweist, entsprechen 97,2 % den Grundqualitätsstufen I und II.

Abbildung 15 zeigt den Vergleich zwischen den technischen Klassifizierungsgraden, die anhand von Digitalisierungsdaten und manuellen Protokollierungen entlang des Bohrlochs ermittelt wurden. Die grundlegenden Gütegrade von Gesteinsmassen, die durch manuelle Protokollierung mit Bohrlochtiefen für verschiedene Geomaterialien ermittelt wurden, sind in Abb. 15a dargestellt. Die Klassen I bis V stellen die Labortestergebnisse für die Gesteinsmasse nach der Methode GB/T 50218-2014 dar, und VI stellt die Bodenschichten dar. Die Verteilungen der sechs Abschnitte für technische Klassifizierungen nach Digitalisierungsdaten und die entsprechenden manuellen Protokollierungen sind in Abb. 15b dargestellt.

Vergleich zwischen den durch Digitalisierungsdaten ermittelten technischen Klassifizierungsgraden und manuellen Protokollierungen entlang des Bohrlochs.

Für dieses Bohrloch sind die Festigkeitsqualitätsklassifizierungsgrade der gebohrten Geomaterialien in Abb. 16 dargestellt. Die Digitalisierungsergebnisse zeigen, dass die konstanten Bohrgeschwindigkeiten mit der einachsigen Druckfestigkeit, der Gesteinsqualitätsbezeichnung und den sechs grundlegenden Festigkeitsqualitätsstufen korrelieren Klassifizierung der Festigkeitsqualität von oberflächlichen Ablagerungen bis hin zu Sedimentgesteinen. Die Ergebnisse können die aktuelle Bohrpraxis für die In-situ-Prüfung von kontinuierlichen und mechanischen Profilen verbessern.

Verteilungen der Bohrgeschwindigkeit mit ihrer linearen Zonendicke.

Das Papier schlägt eine neue Digitalisierungsmethode für die Nutzung von Bohrinformationen vor. Die digitalen Sachdaten werden in Echtzeitreihen entlang des 108 m tiefen Bohrlochs aufgezeichnet und analysiert, um kontinuierlich und kostengünstig die Festigkeitsprofile der gebohrten Geomaterialien vor Ort zu ermitteln.

Insgesamt 107 lineare Zonen werden durch konstante Bohrgeschwindigkeiten identifiziert. Die niedrigere konstante Bohrgeschwindigkeit einer linearen Zone weist auf eine stärker homogene Geomaterialzone oder -schichten hin. Der Tonstein, der mäßig zersetzte Sandstein, der schlammige Tonstein, der leicht zersetzte Sandstein und der feine Sandstein weisen durchschnittliche konstante Bohrgeschwindigkeiten von 0,452 m/min, 0,354 m/min, 0,290 m/min, 0,236 m/min und 0,149 m/min auf , jeweils. Die linearen Zonen mit konstanter Bohrgeschwindigkeit können die Grenzflächengrenzen und räumlichen Verteilungen der 51 Schichten für 8 Boden- und Sedimentgesteinsarten genau und effektiv darstellen. Bei der herkömmlichen Standortprotokollierung wird jede manuelle Schicht durch eine oder mehrere konstante mechanische Zonen dargestellt. Die Digitalisierungsergebnisse liefern ein detaillierteres Profil der Geomaterialfestigkeit entlang des Bohrlochs.

Darüber hinaus hat die einachsige Druckfestigkeit der Gesteinskerne aus Laborversuchen die Korrelationsgleichung \(R_{c} \, = { 82}{{.090}} \times e^{{ - 1.{286} \times { \text{Bohrgeschwindigkeit (m/min)}}}}\) mit der Bohrgeschwindigkeit. Sechs Festigkeitsqualitätsstufen werden durch die Bohrgeschwindigkeit, die einachsige Druckfestigkeit \(R_{c}\) und die Gesteinsqualitätsbezeichnung bestimmt. Die Bohrgeschwindigkeit \(R_{c}\) und \(RQD(V_{DPM} )\) haben die folgenden Bereiche: (1) für Klasse I 0,018–0,175 m/min, 65,6–80,2 MPa und 0,00–10,38 %; (2) für Grad II 0,175–0,240 m/min, 60,3–65,6 MPa und 10,38–28,55 %; (3) für Grad III 0,240–0,319 m/min, 54,5–60,3 MPa und 28,55–49,33 %; (4) für Grad IV 0,319–0,397 m/min, 49,3–54,5 MPa und 49,33–73,19 %; (5) für Klasse V 0,397–0,623 m/min, 36,8–49,3 MPa und 73,19–93,56 %; (6) für Grad VI 0,623–1,905 m/min, 7,1–36,8 MPa bzw. 93,56–100,00 %. Die Dickenverteilungen der einzelnen Festigkeitsqualitätsstufen anhand der Digitalisierungsdaten können auch mit 10,4 %, 18,2 %, 19,6 %, 23,9 %, 21,5 % bzw. 6,4 % für die Qualitätsstufen I bis VI ermittelt werden.

Die Analyseergebnisse zeigen, dass Digitalisierungsdaten eine zusätzliche, kontinuierliche und quantitative Referenz für die detaillierte räumliche Verteilung oberflächlicher Ablagerungen bis hin zu siliziklastischen Sedimentgesteinen und die damit verbundene mechanische Profilierung vor Ort bieten können. Diese Studie bietet eine kostengünstige Methode zur Verbesserung der aktuellen Bohrpraxis für die In-situ-Prüfung des Festigkeitsprofils und der räumlichen Verteilung des Geomaterials. Darüber hinaus können die digitalisierten Bohrdaten auch durch unterschiedliche Bohrmaschinen und Bohrer beeinflusst werden. Für das gleiche gebohrte Geomaterial sollte die konstante Bohrgeschwindigkeit einer Hochleistungsbohrmaschine oder eines neuen, schärferen Bohrers größer sein als die konstante Bohrgeschwindigkeit einer Bohrmaschine mit geringer Leistung oder eines alten stumpfen Bohrers. Für eine breitere Anwendung der neuen Methode in der Zukunft sind weitere Studien zu standardisierten Bohrmaschinen und Bohrern erforderlich, um einen standardmäßigen In-situ-Bodenuntersuchungstest zu entwickeln. Darüber hinaus kann das Ergebnis des DPM-Festigkeitsprofils entlang des Bohrlochs verwendet werden, um die Verformung und den Kollaps der das Bohrloch umgebenden Geomaterialien zu bestimmen und vorherzusagen.

Man geht davon aus, dass das Papier die Lücke bei der Nutzung umfangreicher Bohrdaten in der Geophysik und Geologie schließen wird und außerdem ein kontinuierliches und kostengünstiges Tool zur Aufzeichnung und Analyse der Sachdaten aktueller Bohrprojekte bereitstellen wird.

Die in dieser Studie verwendeten Daten sind bei Figshare unter https://doi.org/10.6084/m9.figshare.14979582 öffentlich verfügbar.

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Das Papier wurde teilweise durch Zuschüsse des Research Grant Council der Sonderverwaltungsregion Hongkong, VR China (Projektnummern HKU 17207518 und R5037-18) unterstützt. Der Erstautor dankt der HKU außerdem für das Stipendium für sein Doktoratsstudium.

Fakultät für Bauingenieurwesen, China University of Geosciences (Beijing), Peking, Volksrepublik China

XF Wang & ZJ Zhang

Abteilung für Geotechnik, Tongji-Universität, Shanghai, Volksrepublik China

WV Yue

Fakultät für Bauingenieurwesen, Universität Hongkong, Hongkong, Volksrepublik China

ZQ Yue

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Zu den Beiträgen von XFW gehörten Konzeptualisierung, Datenerfassung, Untersuchung, Methodik, Validierung und das Verfassen des Originalentwurfs. Zu den Beiträgen des ZJZ gehörten Projektverwaltung, Datenerfassung, Überprüfung und Bearbeitung. Zu den Beiträgen von WVY gehörten Projektverwaltung, Überprüfung und Bearbeitung. Zu den Beiträgen von ZQY gehörten die Konzeption, die Beschaffung von Fördermitteln, die Betreuung, die Begutachtung und die Bearbeitung. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit ZQ Yue.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Wang, XF, Zhang, ZJ, Yue, WV et al. Digitalisierung des hydraulischen Drehbohrverfahrens zur kontinuierlichen mechanischen Profilierung von siliziklastischen Sedimentgesteinen. Sci Rep 13, 3701 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30837-z

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Eingegangen: 26. November 2022

Angenommen: 02. März 2023

Veröffentlicht: 06. März 2023

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

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