鉆孔巖芯基礎數據庫方案設計及應用

何斌，劉冬冬，潘穎，等.鉆孔巖芯基礎數據庫方案設計及應用——以常熟臺為例［J］.地震工程學報，2024，46（2）：473481.DOI：10.20000j.10000844.20230109002

摘要：

針對鉆孔巖芯基礎數據庫構建中鉆孔的巖芯試驗、數據處理和數據匯集等關鍵問題，提出鉆孔巖芯基礎數據庫的設計方案。該方案以江蘇常熟臺鉆孔建設施工為例，基于新頒布的《地震臺站建設規范地形變臺站第2部分：鉆孔地傾斜和地應變臺站》為施工標準，完成包括鉆孔施工流程、巖芯實驗步驟和巖芯數據處理分析軟件的開發等鉆孔巖芯基礎數據庫的前期關鍵工作。鉆孔巖芯基礎數據庫的設計方案為鉆孔巖芯的收集和試驗提供詳細的研究思路、方法和實例，填補全國鉆孔規范化建設中新增技術指標的空白，為全國鉆孔巖芯基礎數據庫的建設提供參考。

關鍵詞：

行業標準;鉆孔施工;巖石變形實驗;數據庫結構

中圖分類號：P313;P315文獻標志碼：A文章編號：10000844（2024）02-0473-09

DOI：10.20000j.10000844.20230109002

0引言

鉆孔體應變的觀測可以幫助我們直觀地了解地下應力狀態的變化。1968年世界上第一臺鉆孔體應變儀（SacksEvertson）在日本成功實現了觀測，為獲取地下三維空間應力作用下的應變信息提供了幫助。在此基礎之上，中國地震局地殼應力研究所研制了TJ2型體應變儀，實現了我國區域的應變觀測。“十一五”期間中國地震局在全國重點地震監測區開展了大規模數字化觀測，建立了近百個TJ2型體應變儀的觀測點。“十二五”期間完成了原有網點的加密觀測。鉆孔應變觀測站網的密集化和數字化，為我們了解觀測區域內應變狀態和斷裂帶的運動特征提供了詳實的觀測資料，同時連續可靠的鉆孔應變觀測資料也被廣泛應用于同震變化、地球自由振蕩和地震預測等多方面的科學研究中［13］。

目前，全國大部分鉆孔應變觀測儀器運行已超10年，鉆孔應變臺站進入了更新升級的新周期。2020年新頒布的行業標準《地震臺站建設規范地形變臺站第2部分：鉆孔地傾斜和地應變臺站》［4］（以下簡稱《臺站建設規范》）為鉆孔應變臺站建設提供了規范要求，明確規定了鉆孔施工流程、技術環節、技術指標和歸檔要求。隨著新規范的頒布實施，新建或者更新改造的鉆孔應變臺站已經陸續按照該規范建設實施，值得注意的是，由于“十五”中國數字地震觀測網絡項目建設是以地震行業標準《地震前兆數據庫結構規范第一部分：臺站觀測（DBT51—2012）》（以下簡稱《前兆數據庫結構規范》）進行統一規劃設計的［56］，在《前兆數據庫結構規范》中缺少《臺站建設規范》中新增鉆孔巖芯測試數據的相關表結構，因此，新增的鉆孔巖芯相關基礎數據存在無法匯集存儲的問題。如何基于現有《前兆數據庫結構規范》解決在新規范的建設實施中構建鉆孔巖芯基礎數據庫方案，成為全國鉆孔應變臺站更新改造過程中最為緊迫的問題。

本文以江蘇常熟臺鉆孔建設為例，在施工過程中嚴格按照《臺站建設規范》要求，完成了原有井孔的洗井工作，在鉆孔施工完成的同時完成了鉆孔取芯和巖芯測試，獲得了井斜、井徑和巖芯測試數據等觀測井孔的關鍵指標參數。在此基礎之上，進一步明確了鉆孔巖芯數據庫的設計，以及鉆孔巖芯基礎信息的內容和基礎數據的基本構成，并以《前兆數據庫結構規范》中的表結構為基礎，設計了可有效對接現行地球物理臺網的相關數據庫表結構組成部分，為全國鉆孔巖芯基礎數據的有效管理，促進數據共享和應用打下堅實的基礎。

1常熟臺觀測井施工流程

常熟臺鉆孔應變儀位于地震臺院內（該臺位于常熟市西北興福虞山林場），臺址巖性為中、上泥盆系五通組石英砂巖。2007年3月安裝體積式鉆孔應變儀，并于同年6月開始觀測，儀器型號為TJ2;鉆孔開口孔徑為146mm，終孔孔徑為127mm，孔深為61m;井下傳感器底部的實際埋深為60.6m，鉆孔套管實際埋深為57.0m。儀器運行穩定以后（2010年至2019年），壓性背景成為主要的背景趨勢。剔除背景趨勢后，月觀測曲線具有顯著的大潮和小潮的周期性，呈“梭形”變化（圖1），日觀測曲線呈現出較明顯的峰谷變化，M2波潮汐因子均值為1.2276，觀測精度均值為0.01438（圖2）。

2019年12月5日15時體積式鉆孔應變儀出現毛刺增多，固體潮消失的現象。更換主機配件，觀測數據仍未恢復。經江蘇省地震臺儀器維修專家和儀器廠家開展現場儀器檢修，最終認為故障原因是該儀器運行超過10年，井下傳感器老化。由于體積式鉆孔應變儀井下傳感器與觀測層巖石采用膨脹水泥固結耦合方式，井下傳感器發生故障，需要通過洗井完成新的鉆孔施工流程后重新安裝井下傳感器。

2020年10月常熟地震臺開展了原體應變儀觀測鉆孔清理工程。在鉆孔工程的施工中，先采用Φ159mm金剛石鉆頭對松散層孔段正循環無芯鉆進，清理并延伸，在61.5m處將原體應變井下傳感器取出（圖3），并用錐形鉆頭再鉆去變徑處多余水泥;然后，采用Φ130mm巖芯桶向下鉆進，并且全程取芯，采芯率超過70%，鉆進至67.3m終孔（圖4）。取芯結果顯示，65m左右的巖芯為較好的完整基巖，確定為井下傳感器的預安裝段。鉆孔柱狀圖見圖5。

洗井過程中通過高壓水使鉆孔中的砂層顆粒發生漩渦移動，直到將孔中巖粉與水泥漿沖洗干凈，避免因附在井壁上的泥漿而影響探頭與地層的連接。完整基巖段以上安放內徑不小于134mm的標準無縫鋼管，無縫鋼管連接處采用有效密封手段，以防止地層水滲入，涂抹密封膠并采取生料帶纏繞膠接方式進行。下完套管后對孔壁與套管之間的縫隙進行水泥壓力翻漿封閉，水泥漿將地層與套管之間凝固成整體，能有效地防止地表水、風化層裂隙水等涌入孔內。混凝土凝固時間≥72h后方可開鉆，鉆出套管中水泥。

該鉆孔裸露在外部的無縫套管，外徑為146mm，內徑為136mm，壁厚5mm。60m以下為裸孔，無套管，直徑為127mm。測井斜間隔時間為1min，每分鐘上升約10m，共計7min。測斜儀降至67m處懸停1min測得第1個頂角數值3.5°，然后隨著絞盤上升測得頂角數值列于表1。

規范要求鉆孔的斜度不大于1°，考慮到該鉆孔是原鉆孔清理，因此斜度在深度為60m左右達到3°，需在后續的儀器安裝中重點注意，扶正儀器井下傳感器位置。后續探頭安裝位置偏離孔中心距離越小，越能減少記錄數據的漂移。

2智能鉆孔井下電視應用

體積式鉆孔應變儀屬于高精度觀測儀器，對于鉆孔內的施工情況要求比較高。通過借助智能鉆孔井下電視成像技術，可直觀、準確地觀察到鉆孔內的施工情況，并提供可視信息。利用連接電纜把攝像機慢慢放入鉆井孔內，攝像機在探頭內置LED白光發光二極管光源的照射下照亮孔壁進行信號采集，并隨探頭在孔內不斷行進;現場通過連接電纜與地面的成像分析儀主機連接，實時顯示監視孔內四周的圖像，并由錄像機全程同步錄下整個過程［7］;通過井下攝像系統進行測量，總時長20min（圖6）。

鉆孔主要分為三段：第一段鉆孔有套管無水，總長12m;第二段為鉆孔有套管有水，總長50m;第三段為鉆孔無套管有水，長6m。井孔內水質清澈，有利于井下攝像系統進行測量，可清晰看到井下套管連接處裸孔部分巖性致密、井壁光滑，并可見鉆井痕跡和紅色砂巖，以確保井孔中沒有出現掉巖塊的現象。

3巖石變形試驗

3.1單軸壓縮變形試驗——電阻應變片法

按照《臺站建設規范》中新增的要求：“對測量段的巖芯進行巖石壓縮變形試驗，測算巖石彈性模量、泊松比等參數”。將預安裝井下傳感器的巖芯制成圓柱體試樣，使其長度、外表面光潔度、兩端面光滑度以及平行度都達到國際巖石力學學會（ISRM）規定的要求。為了減少“端部效應”，將試樣端部削平或磨平，試驗前在試樣與加壓板之間加入潤滑劑，以充分減少加壓板與試樣斷面之間的摩擦力。試件尺寸應符合：（1）圓柱體試件直徑宜為48～54mm;（2）試件的直徑應大于巖石中最大顆粒直徑的10倍;（3）試件高度與直徑之比宜為2.0～2.5。

單軸壓縮變形試驗采用電阻應變法。采用WAWD1000型電液伺服萬能試驗機對自然狀態下的試件采用一次連續荷載速率加載，速率為0.1kNs（圖7）。為保證試件受力均勻，試樣軸線與試驗機加載軸線基本重合，變形參數通過在巖石試樣表面粘貼電阻應變片的方法來獲取。由于應變片容易損壞，為保證數據的可靠性，在試樣上貼了2組應變片。試驗荷載和試驗數據全部由計算機程序控制和采集，以此獲得相應試件的全程應力和應變參數［89］。試驗在中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室完成。

3.2試驗數據

對鉆孔巖芯數據的應用需求進行抽象，可以得到其基本信息，有效地歸納、整理分散的鉆孔信息，并按照一定的規則和模式進行排列，使其結構化。規范鉆孔巖芯編錄數據，同時對鉆孔資料和試驗資料進行綜合管理。

為了數據使用人員更為便捷地開展檢索、查看、成圖、數據分析和信息提取等工作［10］，在鉆孔巖芯數據的整理和歸納過程中應包括以下信息：

（1）鉆孔信息，包括臺站名稱、儀器名稱、成井時間、現有井深、孔徑、井斜情況、鉆孔地層柱狀圖、觀測層巖性、試件數量和試件代碼等信息;

（2）試件基礎信息，包括樣品編號、試驗日期、加載速度、直徑、高度和破壞載荷等;

（3）單軸壓縮試驗采集的測試數據，包括載荷數據、聲發射數據和應變數據;

（4）用鉆孔分析軟件計算和加工后的產品數據，包括應力應變數據和每個試件的彈性模量、泊松比等參數。

3.3分析軟件

為了規范鉆孔巖芯試驗數據的處理和綜合分析，編制了鉆孔巖芯分析軟件（V1.0）。該軟件可以通過手動處理和自動計算處理的方式，對鉆孔巖芯試驗數據進行處理和分析。

軟件主要處理流程如圖8所示。由于變形試驗的系統時鐘精度比較高，試驗的數據量比較大，而且存在精度不穩定的情況。在采樣梳理過程中需要對試驗數據進行等時間間隔的線性插值處理。差值后的數據包括兩部分：應變數據和載荷數據。對于應變數據，在處理的過程中，為保證數據質量，采集兩組（四個通道）應變數據，對各通道的應變數據進行標定系數換算成微應變數后，每組橫向應變和軸向應變按列存儲。對于載荷數據，一方面通過極限荷載計算試件的單軸抗壓強度，另一方面結合試件的基礎參數計算試驗過程的應力數據。最后根據應變數據、應力數據、有效加載時間繪制相關的應力應變曲線，選取彈性變形段后計算彈性模量和泊松比。

該軟件具備了以下功能：（1）數據查詢：可查詢臺站、儀器和鉆孔巖芯各項參數的數據和相關試驗數據。臺站信息包括臺站代碼和名稱;儀器信息包括測點代碼、儀器型號;鉆孔信息包括現有井深和觀測層巖性;巖芯信息包括試件的直徑和高度;相關測試數據文件包括載荷數據、應變數據和聲發射數據。（2）載荷時間分析，包括其曲線的生成和根據曲線形態輸入相對應的極限荷載和有效加載時間。（3）應力應變分析，包括其曲線的生成，根據相關性能曲線圖選取合理的彈性段，并計算相關結果存儲文件。

3.4數據處理

對常熟臺鉆孔的巖芯進行單軸壓縮試驗。將鉆孔巖芯加工成圓柱體，制成4組試樣，試樣尺寸為直徑為Φ31mm，高度為70mm。共進行4組巖石試樣的單軸壓縮試驗，試件ID分別為32016401、32016402、32016403、32016404，編碼原則見下文4.2節，測試數據見圖9、10，計算結果列于表2。

利用鉆孔巖芯的實驗方法獲取觀測場地真實的巖石彈性模量，可以為后續的各種數值模擬計算提供精細化的參數，及近地表的應力應變狀態研究提供泊松比和彈性模量參數，以便進一步開展定量化的科學研究［1012］。對巖芯進行試驗，獲取了4組鉆孔巖芯式樣的單軸抗壓強度為190.98～346.53MPa，平均單軸抗壓強度為291.038MPa;彈性模量為23.4～98.12GPa，平均彈性模量為75.53GPa;平均泊松比為0.1005。以此完成了常熟臺鉆孔巖芯基礎信息的數字化整理。

4數據庫表結構設計

4.1基礎信息表

基于《前兆數據庫結構規范》中臺站信息表（dict_stations）、臺站測點信息表（dict_stationPoints）和井信息表（dict_statWell），建立了試件基礎信息表（表3）、荷載數據表（表4）、聲發射數據表（表5）、應變數據表（表6）、應力應變數據表（表7）和產品數據表（表8）［13］。

數據由兩部分組成，分別為試驗結果和計算結果。由于巖石性質的多樣性，在進行試驗的過程中，巖石破裂的時間均為不可確定的，如果按照現有的數據存儲模式，固定時間長度會造成數據存儲的問題。以列為單位進行存儲，可以不限制數據長度，并有效地解決了試驗數據長度的不確定性問題。數據以ASCII字符形式存放，數據之間用回車分隔，按列存放。

表4～表7為試驗數據的計算結果提供表結構。

巖石的變形特性也是從應力應變曲線中獲得的，彈性模量是最常用的巖石材料的變形指標。

E=σεa（1）

式中：E為巖石彈性模量（GPa）;σ為應力應變曲線彈性段抗壓強度;εa為應力應變曲線彈性段縱向應變。在應力應變曲線的彈性段內可計算出彈性模量，即該曲線上一段比較平直的線段的斜率就是彈性模量。

泊松比是巖石橫向變形指標。

ν=εbεa（2）

式中：ν為巖石泊松比;εb為應力應變曲線彈性段橫向應變;εa為應力應變曲線彈性段縱向應變。

計算數據為存儲彈性模量和泊松比的產品數據表（表8）。

4.2ER模型

鉆孔巖芯基礎信息表之間的關系可通過以下鍵值來實現：

（1）臺站代碼：《地震前兆數據庫結構：臺站觀測（DBT51—2012）》［14］中規定的臺站代碼，由5位數字組成。

（2）測點編碼：進行前兆觀測的觀測點的編號，由1位數字字符組成。每套儀器對應一個測點。

（3）試件ID：用來唯一標識一個試件的ID號，由7位字符組成。其編碼原則見圖11。

5結語

（1）參照新頒布的地震行業標準《臺站建設規范》規定，以常熟臺鉆孔施工為例，規范了鉆孔施工的流程，完成了鉆孔的技術指標參數收集，包括井徑、井斜和巖芯參數等信息，為全國其他地區的鉆孔應變臺站建設、測量段巖芯的變形試驗提供參考。

（2）在常熟臺鉆孔施工項目中及時有效地完成了巖芯的測試工作，研發了巖芯測試數據相關的處理軟件。一方面，既避讓場地內活動斷層又充分利用有限土地資源，為后續儀器安裝了解詳細的井下環境、掌握鉆孔巖芯性質，提供了直觀的數據;另一方面為巖芯數據彈性參數的提取提供了方便快捷的平臺，為下一步搭建區域的物理模型提供了精確的參數。

（3）按照地震行業標準《前兆數據庫結構規范》的要求，設計完成了鉆孔巖芯相關數據庫表結構，滿足了數據的處理和匯集工作。為巖芯數據的保存、管理和信息化提供了詳盡的研究思路。本文案例正是在實踐中嚴格參照標準，依據場地實際情況進行具體應用，為全國鉆孔巖芯的收集、巖石物理試驗以及數據存儲方提供了詳細的參考實例。

目前，江蘇省地球物理臺網已在Linux平臺上安裝Oracle前兆數據庫，在該數據庫中增加了本文設計的鉆孔巖芯數據表結構，今后還將根據使用情況和用戶需求不斷進行完善。該工作將為全國鉆孔巖芯基礎數據的有效管理、促進數據共享和應用打下堅實的基礎。

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（本文編輯：張向紅）

收稿日期：20230109

基金項目：中國地震局震情跟蹤定向工作任務（2022010217，2023010211）

第一作者簡介：何斌（1985-），女，高級工程師，主要從事地球物理臺網形變觀測研究。Email：85349756@qq.com。