СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛАСТА ГОРНОЙ ПОРОДЫ Российский патент 2021 года по МПК E21B49/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для определения параметров пласта горной породы и относится к области геологоразведки.

Уровень техники

В подземных проектах, таких как угольные шахты, выработки и т. д., состояние пластов горной породы оказывает большое влияние на безопасность проекта. В настоящее время информацию о пластах горной породы в основном получают путем отбора керна, бурения, наблюдения и т. д., но эти методы влияют на ход выполнения проекта, требуют затрат времени и трудовых затрат и не могут быть использованы для изучения среды, окружающей пласт горной породы, для проекта в реальном времени.

В настоящее время технология каротажа при бурении является относительно развитой в нефтяной промышленности, но не получила широкого распространения в подземных проектах, таких как угольные шахты, в связи с их серьезными эксплуатационными ограничениями. Хотя некоторые исследователи предложили метод обнаружения пласта на основе бурового шлама, но буровой шлам сложно собрать; особенно в случае пластов горной породы с разжижаемой водой литологией его буровой шлам не может быть собран. Следовательно, для структуры формации невозможно выполнять непрерывную оценку и этот метод не может быть использован для прогнозирования прочности горной породы на одноосное сжатие.

Поэтому многие исследователи предложили метод идентификации пластов горной породы в реальном времени на основе параметров самоходной каретки при бурении, но в настоящее время в Китае нет экономически эффективного способа для широкого применения этого метода.

Раскрытие сущности изобретения

Для решения вышеупомянутых технических проблем известного уровня техники настоящее изобретение предусматривает способ и устройство для определения параметров пласта горной породы.

Способ определения параметров пласта горной породы, предусмотренный настоящим изобретением, включает: получение g групп данных испытаний, собранных в различные моменты времени t сбора данных во время бурения пласта горной породы, причем данные испытаний в группах данных испытаний содержат рабочие значения осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочие значения

крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочие значения трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы; подстановку данных испытаний в g группах данных испытаний в формулу оценки значения прочности горной породы на одноосное сжатие для определения g значений прочности горной породы на одноосное сжатие, которые соответственно относятся к g группам данных испытаний, собранных в различные моменты времени t сбора данных, при этом представляет собой значение прочности горной породы на одноосное сжатие, которое соответствует i-ой группе данных испытаний, собранных в соответствии с последовательностью моментов времени сбора; формирование последовательности данных из определенных g значений прочности горной породы на одноосное сжатие в соответствии с последовательностью моментов времени сбора данных и анализ последовательности A данных с использованием программного обеспечения для кластерного анализа методом K-средних для определения окончательного результата категоризации, причем окончательный результат категоризации включает наилучшее количество категорий и подпоследовательностей в каждой категории; при этом наилучшее количество категорий представляет собой общее количество пластов горной породы, разделенных в соответствии с различием в прочности горной породы на одноосное сжатие; если e-ая последовательность представлена в виде среднее значение R прочности на одноосное сжатие e-го слоя пластов горной породы вычисляют по формуле:

В некоторых случаях способ определения параметров пласта горной породы, предусмотренный настоящим изобретением, также включает: получение выражения V(t) скорости V бурения буровой штанги, которая изменяется со временем t сбора данных, причем скорость бурения буровой штанги представляет собой глубину, на которую буровая штанга проходит в пласт горной породы за секунду, измеренную в м/с; причем способ получения выражения V(t) скорости V бурения буровой штанги включает: подгонку скоростей V бурения различных буровых штанг и моментов времени t сбора скоростей V бурения для получения выражения V(t); определение интервала времени t сбора данных, соответствующего значению прочности горной породы на одноосное сжатие в e-ой последовательности при этом толщину e-го слоя пластов горной породы вычисляют по формуле:

В некоторых случаях способ определения параметров пласта горной породы, предусмотренный настоящим изобретением, также включает: вычисление рабочего значения осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы по формуле (3):

вычисление рабочего значения крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы по формуле (4):

вычисление рабочего значения трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы по формуле (5):

где F - осевое усилие буровой штанги, измеренное в Н; λ - коэффициент расширения ствола скважины, т.е. отношение площади поперечного сечения скважины к площади поперечного сечения буровой штанги; r - диаметр коронки буровой штанги, измеренный в м; M - крутящий момент буровой штанги, измеренный в Н⋅м; n - частота вращения буровой штанги, измеренная в об/мин.; V - скорость бурения буровой штанги, т.е. глубина прохождения буровой штанги в пласт горной породы за секунду, измеренная в м/с; - коэффициент трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины, и установленный равным 0,21.

В некоторых случаях способ определения формулы оценки прочности горной породы на одноосное сжатие в способе определения параметров пласта горной породы, предусмотренном в данном варианте осуществления включает: использование рабочего значения осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочего значения крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочего значения трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы в качестве независимых переменных, использование прочности горной породы на одноосное сжатие в качестве зависимой переменной и получение формулы оценки методом линейной регрессии.

Кроме того, настоящее изобретение дополнительно предусматривает устройство для определения параметров пласта горной породы, которое содержит: модуль сбора, выполненный с возможностью получения g групп данных испытаний, собранных в различные моменты времени t сбора данных во время бурения горной породы, причем данные испытаний в группах данных испытаний содержат рабочие значения осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочие значения крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочие значения трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы; устройство также содержит модуль определения, выполненный с возможностью подстановки данных испытаний в g группах данных испытаний в формулу оценки прочности горной породы на одноосное сжатие для определения g значений прочности горной породы на одноосное сжатие, которые соответственно относятся к g группам данных испытаний, собранных в различные моменты времени t сбора данных, причем представляет собой значение прочности горной породы на одноосное сжатие, которое соответствует i-ой группе данных испытаний, собранных в соответствии с последовательностью моментов времени сбора; причем модуль определения дополнительно выполнен с возможностью формирования последовательности данных из определенных g значений прочности горной породы на одноосное сжатие в последовательности моментов времени сбора данных и анализа последовательности A данных с использованием программного обеспечения для кластерного анализа методом K-средних для определения окончательного результата категоризации, причем окончательный результат категоризации включает наилучшее количество категорий и подпоследовательностей в каждой категории; при этом наилучшее количество категорий представляет собой общее количество пластов горной породы, разделенных в соответствии с различием значений прочности горной породы на одноосное сжатие; если e-ая последовательность представлена в виде среднее значение R прочности на одноосное сжатие e-го слоя пластов горной породы вычисляют по формуле:

В некоторых случаях модуль сбора в устройстве для определения параметров пласта горной породы, предусмотренный настоящим изобретением, дополнительно выполнен с возможностью получения выражения V(t) скорости V бурения буровой штанги, которая изменяется со временем t сбора данных, причем скорость бурения буровой штанги представляет собой глубину, на которую буровая штанга проходит в пласт горной породы за секунду, измеренную в м/с; причем способ получения выражения V(t) скорости V бурения буровой штанги включает: подгонку скоростей V бурения различных буровых штанг и моментов времени t сбора скоростей V бурения для получения выражения V(t); определение интервала времени t сбора данных, соответствующего значению прочности горной породы на одноосное сжатие в e-ой последовательности при этом толщину e-го слоя пластов горной породы вычисляют по формуле:

В некоторых случаях, в устройстве для определения параметров пласта горной породы, предусмотренном настоящим изобретением, модуль сбора дополнительно выполнен с возможностью получения рабочего значения осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы по формуле (3):

модуль сбора дополнительно выполнен с возможностью получения рабочего значения крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы по формуле (4):

модуль сбора дополнительно выполнен с возможностью получения рабочего значения трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы по формуле (5):

где F - осевое усилие буровой штанги, измеренное в Н; λ - коэффициент расширения ствола скважины, т.е. отношение площади поперечного сечения скважины к площади поперечного сечения буровой штанги; r - диаметр коронки буровой штанги, измеренный в м; M - крутящий момент буровой штанги, измеренный в Н⋅м; n - частота вращения буровой штанги, измеренная в об/мин.; V - скорость бурения буровой штанги, т.е. глубина прохождения буровой штанги в пласт горной породы за секунду, измеренная в м/с; - коэффициент трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины, и установленный равным 0,21.

В некоторых случаях, в устройстве для определения параметров пласта горной породы, предусмотренном настоящим изобретением, модуль определения дополнительно выполнен с возможностью определения формулы оценки прочности горной породы на одноосное сжатие; причем способ определения формулы оценки прочности горной породы на одноосное сжатие включает: использование рабочего значения осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочего значения крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочего значения трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы в качестве независимых переменных, использование прочности горной породы на одноосное сжатие в качестве зависимой переменной и получение формулы оценки методом линейной регрессии.

В некоторых случаях, устройство для определения параметров пласта горной породы, предусмотренное настоящим изобретением, также включает сборщик данных, выполненный с возможностью сбора данных испытаний при выполнении буровой штангой бурения сквозь единицу объема горной породы; причем сборщик данных включает датчик скорости бурения, датчик частоты вращения, датчик давления и датчик крутящего момента; при этом датчик скорости бурения выполнен с возможностью обнаружения скорости V бурения; датчик частоты вращения выполнен с возможностью обнаружения частоты n вращения буровой штанги; датчик давления выполнен с возможностью обнаружения осевого усилия F буровой штанги; датчик крутящего момента выполнен с возможностью обнаружения крутящего момента M буровой штанги; устройство также содержит блок отображения, выполненный с возможностью отображения данных испытаний, собранных сборщиком данных при выполнении буровой штангой бурения сквозь единицу объема горной породы, данных, полученных модулем сбора, и данных, определенных модулем определения; причем модуль сбора выполнен с возможностью приема данных испытаний, собранных сборщиком данных при выполнении буровой штангой бурения сквозь единицу объема горной породы, и соответствующего значения прочности на одноосное сжатие; а модуль определения выполнен с возможностью обработки информации в виде данных, собранных модулем сбора.

При помощи способа и устройства для определения параметров пласта горной породы, предусмотренных настоящим изобретением, рабочие значения осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочие значения крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочие значения трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы во множестве групп данных испытаний, собранных в различные моменты времени сбора данных в процессе бурения горной породы, подставляют в формулу оценки значения R_c прочности горной породы на одноосное сжатие для получения множества значений прочности горной породы на одноосное сжатие, причем множество значений прочности горной породы на одноосное сжатие анализируют с использованием программного обеспечения для кластерного анализа методом K-средних для определения последовательностей, состоящих из значений прочности горной породы на одноосное сжатие в различных категориях пластов, при этом среднее значение прочности на одноосное сжатие пластов горной породы получают путем расчета среднего значения прочности горной породы на одноосное сжатие в подпоследовательности. Таким образом, процесс геологоразведочных работ значительно упрощается, осуществляется непрерывное обнаружение литологии для инженерного обеспечения горных работ, а также сокращается трудоемкость и временные затраты.

Краткое описание чертежей

Сопроводительные чертежи, которые включены в данное описание и составляют его часть, иллюстрируют варианты осуществления согласно настоящему изобретению и предназначены для использования вместе с описанием для объяснения принципа настоящего изобретения.

На фиг. 1 представлена блок-схема способа определения параметров пласта горной породы согласно варианту осуществления;

На фиг. 2 представлена схема соединений устройства для определения параметров пласта горной породы согласно варианту осуществления.

Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения показаны на вышеупомянутых сопроводительных чертежах и будут описаны более подробно ниже. Эти чертежи и описание никоим образом не предназначены для ограничения объема изобретательской концепции настоящего изобретения, а используются для объяснения изобретательской концепции настоящего изобретения специалистам в данной области техники со ссылкой на конкретные варианты осуществления.

V. Осуществление изобретения

Чтобы задача, техническое решение и преимущества вариантов осуществления настоящего изобретения стали более понятными, приведенное ниже техническое решение в вариантах осуществления настоящего изобретения будет подробно описано со ссылкой на прилагаемые чертежи в вариантах осуществления настоящего изобретения. Очевидно, что описанные в настоящем документе варианты осуществления представляют собой только некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, а не все возможные варианты осуществления настоящего изобретения.

На основе вариантов осуществления, представленных в настоящем изобретении, все другие варианты осуществления, полученные без каких-либо творческих усилий специалистами, имеющими обычные навыки в данной области техники, считаются подпадающими под объем защиты настоящего изобретения. Нижеследующие варианты осуществления и признаки в вариантах осуществления могут быть объединены друг с другом при условии отсутствия конфликта.

Как показано на фиг. 1, способ определения параметров пласта горной породы, предусмотренный в данном варианте осуществления включает следующие этапы:

S1: получение g групп данных испытаний, собранных в различные моменты времени t сбора данных во время бурения горной породы, причем данные испытаний в группах данных испытаний содержат рабочие значения осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочие значения крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочие значения трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы;

так например, в процессе бурения горной породы с помощью буровой установки данные испытаний, такие как рабочее значение осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочее значение крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочее значение трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы можно получить прямо или косвенно с помощью экспериментального устройства; при сборе таких данных экспериментальное устройство может одновременно регистрировать время сбора данных, и время сбора данных может быть синхронизированным.

При этом выражение «g группы данных испытаний» означает множество групп данных испытаний, а не конкретно определяет количество групп данных. Оно является всего лишь выражением количества собранных групп данных испытаний для удобства описания в дальнейшем.

S2: подстановку данных испытаний в g группах данных испытаний в формулу оценки значения прочности горной породы на одноосное сжатие для определения g значений прочности горной породы на одноосное сжатие, которые соответственно относятся к g группам данных испытаний, собранных в различные моменты времени t сбора данных, причем представляет собой значение прочности горной породы на одноосное сжатие, которое соответствует i-ой группе данных испытаний, собранных в соответствии с последовательностью моментов времени сбора;

например, формула оценки значения прочности горной породы на одноосное сжатие определяется заранее, и формула оценки значения прочности горной породы на одноосное сжатие может быть получена непосредственно с использованием справочной формулы, определенной в других литературных источниках, или может быть получена методом линейной регрессии на основе других данных испытаний.

S3: формирование последовательности данных из определенных g значений прочности горной породы на одноосное сжатие в соответствии с последовательностью моментов времени сбора данных и анализ последовательности A данных с использованием программного обеспечения для кластерного анализа методом K-средних для определения окончательного результата категоризации, причем окончательный результат категоризации включает наилучшее количество категорий и подпоследовательностей в каждой категории; при этом наилучшее количество категорий представляет собой общее количество пластов горной породы, разделенных в соответствии с различием в значении прочности горной породы; если e-ая последовательность представлена в виде среднее значение R прочности на одноосное сжатие e-го слоя пластов горной породы вычисляют по формуле:

например, в процессе бурения литология пластов горной породы изменяется по мере увеличения глубины бурения, и g значения прочности горной породы на одноосное сжатие, полученных в этом процессе, имеют свою собственную временную последовательность. Чтобы получить непрерывную литологию пластов горной породы, при анализе данных также накладывается ограничение временной последовательности. Подпоследовательность представляет собой сегмент последовательности A данных, и среди множества подпоследовательностей отсутствует перекрытие. В окончательном результате категоризации последовательность A данных делится на подпоследовательности и непрерывность данных может быть точно такой же, как у последовательности A данных, после того, как множество подпоследовательностей располагается в хронологическом порядке.

Алгоритм K-средних представляет собой аппаратно-реализованный алгоритм кластеризации и характерен для методов кластеризации на основе эталонных образов с использованием целевой функции. Он берет расстояние от точки данных до эталона в качестве целевой функции для оптимизации и получает правила настройки для итерационных операций, используя метод поиска экстремума функции. Алгоритм использует функцию критерия минимума суммы квадратов ошибок (SSE) в качестве функции критерия кластеризации. Программное обеспечение R или Matlab с функцией алгоритма K-средних является широко используемым программным обеспечением. Конкретный процесс кластерного анализа завершают с помощью существующего программного обеспечения. В данном варианте осуществления процесс и принцип кластерного анализа подробно не описаны; вместо этого в качестве примера приведены только исходные данные, которые должны быть введены, и типы данных, которые должны быть получены.

В некоторых случаях, на основе вышеупомянутого варианта осуществления способ определения параметров пласта горной породы, предусмотренный в данном варианте осуществления, дополнительно включает следующие этапы:

S4: получение выражения V(t) скорости V бурения буровой штанги, которая изменяется со временем t сбора данных, причем скорость бурения буровой штанги представляет собой глубину, на которую буровая штанга проходит в пласт горной породы за секунду, измеренную в м/с; способ получения выражения V(t) скорости V бурения буровой штанги включает: подгонку скоростей V бурения различных буровых штанг и моментов времени t сбора скоростей V бурения для получения выражения V(t); определение интервала времени t сбора данных, соответствующего значению прочности горной породы на одноосное сжатие в e-ой последовательности при этом толщину e-го слоя пластов горной породы вычисляют по формуле:

например, в зависимости от прочности горной породы на одноосное сжатие, скорость бурения буровой штанги в пласте горной породы может изменяться. Датчик скорости бурения может периодически регистрировать скорость бурения буровой штанги, например, один раз в несколько миллисекунд. В соответствии с множеством полученных значений скорости бурения, соответствующих различным моментам времени за определенный период времени в эксперименте, выражение V(t) скорости V бурения буровой штанги, изменяющейся со временем t сбора данных, может быть получено посредством нелинейной аппроксимации.

В альтернативном варианте средняя скорость бурения может быть взята, как скорость V бурения буровой штанги, при условии получения интервала времени t сбора данных в сочетании с общей глубиной бурения в этот период времени.

В некоторых случаях, на основе вышеупомянутого варианта осуществления, этап S1 может дополнительно включать: вычисление рабочего значения осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы по формуле (3):

вычисление рабочего значения крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы по формуле (4):

вычисление рабочего значения трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы по формуле (5):

где F - осевое усилие буровой штанги, измеренное в Н; λ - коэффициент расширения ствола скважины, т.е. отношение площади поперечного сечения скважины к площади поперечного сечения буровой штанги; r - диаметр коронки буровой штанги, измеренный в м; M - крутящий момент буровой штанги, измеренный в Н⋅м; n - частота вращения буровой штанги, измеренная в об/мин.; V - скорость бурения буровой штанги, т.е. глубина прохождения буровой штанги в пласт горной породы за секунду, измеренная в м/с; - коэффициент трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины, и установленный равным 0,21.

Например, некоторые испытательные устройства могут напрямую получать рабочее значение осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочее значение крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочее значение трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы; на практике эти значения также могут быть получены путем косвенного измерения.

В некоторых случаях, на основе вышеупомянутого варианта осуществления, этап S2 может дополнительно включать: способ определения формулы оценки значения прочности горной породы на одноосное сжатие в способе определения параметров пласта горной породы, предусмотренном в данном варианте осуществления, включает: использование рабочего значения осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочего значения крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочего значения трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы в качестве независимых переменных, использование значения прочности горной породы на одноосное сжатие в качестве зависимой переменной и получение формулы оценки методом линейной регрессии.

Например, метод линейной регрессии представляет собой метод обработки данных, широко используемый в научных исследованиях, и является методом выработки эмпирической формулы путем предварительного получения надежных экспериментальных данных и последующего использования эмпирической формулы для оценки результата. Для многоэлементной линейной регрессии можно использовать программные комплексы для статистических продуктов и услуг (SPSS), Microsoft Excel или другое программное обеспечение, способное обрабатывать данные.

Дополнительно, как показано на фиг. 2, данный вариант осуществления также обеспечивает устройство для определения параметров пласта горной породы, которое содержит: модуль сбора, выполненный с возможностью получения g групп данных испытаний, получаемых в различное время t сбора данных во время бурения горной породы, причем данные испытаний в группах данных испытаний содержат рабочие значения осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочие значения крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочие значения трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы; устройство также содержит модуль определения, выполненный с возможностью подстановки данных испытаний в g группах данных испытаний в формулу оценки значения прочности горной породы на одноосное сжатие для определения g значений прочности горной породы на одноосное сжатие, которые соответственно относятся к g группам данных испытаний, собранных в различные моменты времени t сбора данных, причем представляет собой значение прочности горной породы на одноосное сжатие, которое соответствует i-ой группе данных испытаний, собранных в соответствии с последовательностью моментов времени сбора; причем модуль определения дополнительно выполнен с возможностью формирования последовательности данных из определенных g значений прочности горной породы на одноосное сжатие в соответствии с последовательностью моментов времени сбора данных и анализа последовательности A данных с использованием программного обеспечения для кластерного анализа методом K-средних для определения окончательного результата категоризации, причем окончательный результат категоризации включает наилучшее количество категорий и подпоследовательностей в каждой категории; при этом наилучшее количество категорий представляет собой общее количество пластов горной породы, разделенных в соответствии с различием в значениях значении прочности горной породы на одноосное сжатие; если e-ая последовательность представлена в виде среднее значение R прочности на одноосное сжатие e-го слоя пластов горной породы вычисляют по формуле:

В некоторых случаях, модуль сбора в устройстве для определения параметров пласта горной породы, предусмотренный в данном варианте осуществления, дополнительно выполнен с возможностью получения выражения V(t) скорости V бурения буровой штанги, которая изменяется со временем t сбора данных, причем скорость бурения буровой штанги представляет собой глубину, на которую буровая штанга проходит в пласт горной породы за секунду, измеренную в м/с; способ получения выражения V(t) скорости V бурения буровой штанги включает: подгонку скоростей V бурения различных буровых штанг и моментов времени t сбора скоростей V бурения для получения выражения V(t); определение интервала времени t сбора данных, соответствующего значению прочности горной породы на одноосное сжатие в e-ой последовательности при этом толщину e-го слоя пластов горной породы вычисляют по формуле:

В некоторых случаях, в устройстве для определения параметров пласта горной породы, предусмотренном в данном варианте осуществления, модуль сбора дополнительно выполнен с возможностью получения рабочего значения осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы по формуле (3):

модуль сбора дополнительно выполнен с возможностью получения рабочего значения крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы по формуле (4):

модуль сбора дополнительно выполнен с возможностью получения рабочего значения трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы по формуле (5):

где F - осевое усилие буровой штанги, измеренное в Н; λ - коэффициент расширения ствола скважины, т.е. отношение площади поперечного сечения скважины к площади поперечного сечения буровой штанги; r - диаметр коронки буровой штанги, измеренный в м; M - крутящий момент буровой штанги, измеренный в Н⋅м; n - частота вращения буровой штанги, измеренная в об/мин; V - скорость бурения буровой штанги, т.е. глубина прохождения буровой штанги в пласт горной породы за секунду, измеренная в м/с; - коэффициент трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины, и установленный равным 0,21.

Например, осевое усилие F буровой штанги может быть получено путем вычитания веса буровой установки из давления буровой установки, контактирующей с грунтом; коэффициент λ расширения ствола скважины представляет собой отношение площади поперечного сечения буровой скважины к площади поперечного сечения буровой штанги после того, как ствол буровой скважины пробурен; крутящий момент M буровой штанги может быть измерен при помощи датчика крутящего момента, соединенного с буровой установкой; частота n вращения буровой штанги может быть измерена при помощи датчика частоты вращения, соединенного с буровой установкой; скорость V бурения буровой штанги может быть измерена при помощи датчика скорости бурения, соединенного с буровой установкой.

В некоторых случаях, в устройстве для определения параметров пласта горной породы, предусмотренном в данном варианте осуществления, модуль определения дополнительно выполнен с возможностью определения формулы оценки значения прочности горной породы на одноосное сжатие; способ определения формулы оценки значения прочности горной породы на одноосное сжатие включает: использование рабочего значения осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочего значения крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочего значения трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы в качестве независимых переменных, использование значения прочности горной породы на одноосное сжатие в качестве зависимой переменной и получение формулы оценки методом линейной регрессии.

В некоторых случаях, устройство для определения параметров пласта горной породы, предусмотренное в данном варианте осуществления, также включает сборщик данных, выполненный с возможностью сбора данных испытаний при выполнении буровой штангой бурения сквозь единицу объема горной породы; сборщик данных включает датчик скорости бурения, датчик частоты вращения, датчик давления и датчик крутящего момента; датчик скорости бурения выполнен с возможностью обнаружения скорости V бурения; датчик частоты вращения выполнен с возможностью обнаружения частоты n вращения буровой штанги; датчик давления выполнен с возможностью обнаружения осевого усилия F буровой штанги; датчик крутящего момента выполнен с возможностью обнаружения крутящего момента M буровой штанги; устройство также содержит блок отображения, выполненный с возможностью отображения данных испытаний, собранных сборщиком данных при выполнении буровой штангой бурения сквозь единицу объема горной породы, данных, полученных модулем сбора, и данных, определенных модулем определения; модуль сбора выполнен с возможностью приема данных испытаний, собранных сборщиком данных при выполнении буровой штангой бурения сквозь единицу объема горной породы, и соответствующего значения прочности на одноосное сжатие; модуль определения обрабатывает информацию в виде данных, собранных модулем сбора.

Специалисты в данной области техники могут легко понять, что все или часть этапов, которые реализуют вышеупомянутый вариант осуществления способа, могут быть выполнены с помощью оборудования, связанного с программами и командами. Программа может храниться на машиночитаемом носителе. При исполнении программы, она выполняет этапы вышеупомянутого варианта осуществления способа; вышеупомянутые носители данных включают в себя ПЗУ, ОЗУ, магнитный диск или оптический диск и т.д., на которых могут храниться программные коды.

Некоторые исследователи провели соответствующие исследования в лаборатории и использовали буровые коронки PDC диаметром 60 мм для проведения буровых экспериментов. Образцы бурения разделены на 28 групп образцов растворов, различающихся по прочности и пронумерованных как J1-J28, и 8 групп образцов песчаника, пронумерованных как S1-S8. В таблице 1 представлено 30 групп экспериментальных данных.

На основании данных в таблице 1, модель оценки значения прочности горной породы на одноосное сжатие задают в виде формулы (1) для многоэлементной линейной регрессии, и формулу оценки значения прочности горной породы на одноосное сжатие получают в виде:

.

Таблица 1. Данные буровых экспериментов Тип образца № Скорость бурения, мм/мин Частота вращения, об/мин. Крутящий момент, Н⋅м Осевое усилие, кН M5 J1 148,46 50 18,92 0,02 1,90 J2 177,89 100 14,43 0,01 2,00 J3 185,07 100 12,98 0,01 1,94 J4 174,69 100 13,99 0,01 1,99 M7,5 J5 124,8 50 17,01 0,03 2,37 J6 87,94 100 7,30 0,02 2,58 J7 105,70 100 6,19 0,03 3,29 M10 J9 81,52 50 17,05 0,03 6,70 J10 103,09 100 12,22 0,02 7,20 J11 112,75 100 10,13 0,03 6,24 J12 130,77 100 14,67 0,03 6,99 M15 J13 83,85 50 28,77 2,79 10,23 J14 83,95 100 16,42 2,66 10,05 J15 132,05 100 22,34 2,15 10,54 J16 118,08 100 21,44 2,07 10,60 M20 J17 83,91 50 45,43 2,23 23,54 J18 83,65 100 29,89 2,33 30,81 J19 111,42 100 35,88 3,01 22,43 M25 J21 83,46 50 43,66 3,44 21,66 J22 84,23 100 26,15 1,20 27,8 J23 137,82 100 38,30 3,16 22,22 M30 J25 84,64 50 41,49 0,85 27,71 J26 82,88 100 25,99 0,51 35,21 J27 137,84 100 31,36 1,49 22,73 Песчанник S1 79,97 50 103,08 5,59 58,09 S3 84,07 150 40,69 2,65 59,95 S5 84,90 250 28,00 2,15 61,91 S6 84,41 300 23,78 2,05 60,88 S7 110,72 100 65,20 5,48 51,41 S8 136,47 100 73,96 6,10 49,80

Группа изобретений относится к способу и устройству для определения параметров пласта горной породы. Способ включает получение групп данных испытаний, собранных в различные моменты времени сбора данных во время бурения горной породы. Причем данные испытаний в группах данных испытаний содержат рабочие значения осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочие значения крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочие значения трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы. Оценку значений Rc прочности горной породы на одноосное сжатие производят на основании рабочих значений осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочих значений крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочих значений трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы в множестве полученных наборов данных испытаний, собранных в различное время сбора данных в процессе бурения пласта горной породы для получения множества значений прочности горной породы на одноосное сжатие; определение последовательностей, состоящих из значений прочности горной породы на одноосное сжатие в пластах горной породы различных категорий с использованием программного обеспечения для кластерного анализа методом K-средних, и нахождение средней величины значений прочности горной породы на одноосное сжатие в последовательностях для получения среднего значения прочности на одноосное сжатие наблюдаемых пластов горной породы, а также определения толщин всех пластов горной породы. Способ используют для непрерывного определения литологии при инженерном обеспечении проходки шахт и горизонтальных выработок, что обеспечивает экономию трудозатрат и времени. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ определения параметров пласта горной породы, включающий:

- получение g групп данных испытаний, собранных в различные моменты времени t сбора данных во время бурения горной породы,

причем данные испытаний в группах данных испытаний содержат рабочие значения W_F осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочие значения M_w крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочие значения W_f трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы;

- подстановку данных испытаний в g группах данных испытаний в формулу оценки значения R_c прочности горной породы на одноосное сжатие для определения g значений R_ci прочности горной породы на одноосное сжатие, которые соответственно относятся к g группам данных испытаний, собранных в различные моменты времени t сбора данных, при этом оценку значения R_c прочности горной породы на одноосное сжатие вычисляют по формуле:

причем R_ci представляет собой значение прочности горной породы на одноосное сжатие, которое соответствует i-й группе данных испытаний, собранных в соответствии с последовательностью моментов времени сбора;

- формирование последовательности данных из определенных g значений R_ci прочности горной породы на одноосное сжатие в соответствии с последовательностью моментов времени сбора данных и анализ последовательности А данных с использованием программного обеспечения для кластерного анализа методом K-средних для определения окончательного результата категоризации,

причем окончательный результат категоризации включает наилучшее количество категорий d_s и подпоследовательностей в каждой категории;

при этом наилучшее количество категорий d_s представляет собой общее количество пластов горной породы, разделенных в соответствии с различием в значении прочности горной породы на одноосное сжатие;

вычисление среднего значения R прочности е-го слоя пластов горной породы на одноосное сжатие.

2. Способ определения по п. 1, дополнительно включающий:

- получение выражения V(t) скорости V бурения буровой штанги, которая изменяется со временем t сбора данных,

причем скорость бурения буровой штанги представляет собой глубину, на которую буровая штанга проходит в пласт горной породы за секунду, измеренную в м/с;

причем способ получения выражения V(t) скорости V бурения буровой штанги включает: подгонку скоростей V бурения различных буровых штанг и моментов времени t сбора скоростей V бурения для получения выражения V(t);

- определение интервала T_e=[t_a, t_b] времени t сбора данных, соответствующего значению прочности горной породы на одноосное сжатие в е-й подпоследовательности

при этом толщину е-го слоя пластов горной породы вычисляют по формуле:

3. Способ определения по п. 1, в котором

рабочее значение W_F осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы вычисляют по формуле (3):

рабочее значение W_M крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы вычисляют по формуле (4):

рабочее значение W_f трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы вычисляют по формуле (5):

где

F - осевое усилие буровой штанги, Н;

λ - коэффициент расширения ствола скважины, т.е. отношение площади поперечного сечения скважины к площади поперечного сечения буровой штанги;

r - диаметр коронки буровой штанги, м;

М - крутящий момент буровой штанги, Н⋅м;

n - частота вращения буровой штанги, об/мин;

V - скорость бурения буровой штанги, т.е. глубина прохождения буровой штанги в пласт горной породы за секунду, м/с;

μ - коэффициент трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины, установленный равным 0,21.

4. Способ определения по п. 1, в котором способ определения формулы оценки значения R_c прочности горной породы на одноосное сжатие включает:

использование рабочего значения W_F осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочего значения W_M крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочего значения W_f трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы в качестве независимых переменных,

использование значения R_c прочности горной породы на одноосное сжатие в качестве зависимой переменной и получение формулы оценки методом линейной регрессии.

5. Устройство для определения параметров пласта горной породы, содержащее:

- модуль сбора, выполненный с возможностью получения g групп данных испытаний, собранных в различные моменты времени t сбора данных во время бурения горной породы,

причем данные испытаний в группах данных испытаний содержат рабочие значения W_F осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочие значения W_M крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочие значения W_f трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы;

- модуль определения, выполненный с возможностью подстановки данных испытаний в g группах данных испытаний в формулу оценки значения R_c прочности горной породы на одноосное сжатие для определения g значений R_ci прочности горной породы на одноосное сжатие, которые соответственно относятся к g группам данных испытаний, собранных в различные моменты времени t сбора данных,

при этом оценка значения R_c прочности горной породы на одноосное сжатие вычислена по формуле:

причем R_ci представляет собой значение прочности горной породы на одноосное сжатие, которое соответствует i-й группе данных испытаний, собранных в соответствии с последовательностью моментов времени сбора;

при этом модуль определения дополнительно выполнен с возможностью формирования последовательности данных из определенных g значений R_ci прочности горной породы на одноосное сжатие в соответствии с последовательностью моментов времени сбора данных и анализа последовательности А данных с использованием программного обеспечения для кластерного анализа методом К-средних для определения окончательного результата категоризации;

причем окончательный результат категоризации включает наилучшее количество категорий d_s и подпоследовательностей в каждой категории;

при этом наилучшее количество категорий d_s представляет собой общее количество пластов горной породы, разделенных в соответствии с различием в значении прочности горной породы на одноосное сжатие;

при этом вычислено среднее значение R прочности на одноосное сжатие е-го слоя пластов горной породы.

6. Устройство для определения по п. 5, в котором

модуль сбора дополнительно выполнен с возможностью получения выражения V(t) скорости V бурения буровой штанги, которая изменяется со временем t сбора данных,

причем скорость бурения буровой штанги представляет собой глубину, на которую буровая штанга проходит в пласт горной породы за секунду, измеренную в м/с;

а способ получения выражения V(t) скорости V бурения буровой штанги включает: подгонку скоростей V бурения различных буровых штанг и моментов времени t сбора скоростей V бурения для получения выражения V(t);

определение интервала T_e=[t_a, t_b] времени t сбора данных, соответствующего значению прочности горной породы на одноосное сжатие в е-й подпоследовательности

при этом толщина е-го слоя пластов горной породы вычислена по формуле:

7. Устройство для определения по п. 5, в котором

модуль сбора дополнительно выполнен с возможностью получения рабочего значения W_F осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы по формуле (3):

модуль сбора дополнительно выполнен с возможностью получения рабочего значения W_M крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы по формуле (4):

модуль сбора дополнительно выполнен с возможностью получения рабочего значения W_f трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы по формуле (5):

где

F - осевое усилие буровой штанги, Н;

λ - коэффициент расширения ствола скважины, т.е. отношение площади поперечного сечения скважины к площади поперечного сечения буровой штанги;

r - диаметр коронки буровой штанги, м;

М - крутящий момент буровой штанги, Н⋅м;

n - частота вращения буровой штанги, об/мин;

V - скорость бурения буровой штанги, т.е. глубина прохождения буровой штанги в пласт горной породы за секунду, м/с;

μ - коэффициент трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины, установленный равным 0,21.

8. Устройство для определения по п. 5, в котором

модуль определения дополнительно выполнен с возможностью определения формулы оценки значения R_c прочности горной породы на одноосное сжатие;

причем способ определения формулы оценки значения R_c прочности горной породы на одноосное сжатие включает:

использование рабочего значения W_F осевого усилия буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы, рабочего значения W_M крутящего момента буровой штанги при пробуривании единицы объема горной породы и рабочего значения W_f трения между буровой коронкой и забоем ствола скважины при пробуривании единицы объема горной породы в качестве независимых переменных,

использование значения R_c прочности на одноосное сжатие горной породы в качестве зависимой переменной и получение формулы оценки методом линейной регрессии.

9. Устройство для определения по п. 5, дополнительно содержащее:

- сборщик данных, выполненный с возможностью сбора данных испытаний при выполнении буровой штангой бурения сквозь единицу объема горной породы;

причем сборщик данных включает датчик скорости бурения, датчик частоты вращения, датчик давления и датчик крутящего момента;

при этом датчик скорости бурения выполнен с возможностью обнаружения скорости V бурения; датчик частоты вращения выполнен с возможностью обнаружения частоты n вращения буровой штанги; датчик давления выполнен с возможностью обнаружения осевого усилия F буровой штанги; датчик крутящего момента выполнен с возможностью обнаружения крутящего момента М буровой штанги;

- блок отображения, выполненный с возможностью отображения данных испытаний, собранных сборщиком данных при выполнении буровой штангой бурения сквозь единицу объема горной породы, данных, полученных модулем сбора, и данных, определенных модулем определения;

причем модуль сбора выполнен с возможностью приема данных испытаний, собранных сборщиком данных при выполнении буровой штангой бурения сквозь единицу объема горной породы, и соответствующего значения R_c прочности на одноосное сжатие; а модуль определения выполнен с возможностью обработки информации в виде данных, собранных модулем сбора.