Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы повышения качества информации, получаемой при разведочном бурении 9
1.1. Роль разведочного бурения в общем комплексе геологических работ, выполняемых при инженерных изысканиях 9
1.2. Техника и технология бурения 15
1.3. Качество получаемой информации 23
1.4. Современные представления о факторах, влияющих на качество получаемой информации 32
Глава 2. Результаты исследования и обобщения опыта разведочного бурения при инженерных изысканиях . 38
2.1. Инженерно-геологические условия районов исследований 38
2.2. Методы исследований качества информации 44
2.3. Виды погрешностей информации, получаемой при разведочном бурении 45
2.4. Причины формирования погрешностей 58
2.5. Модель формирования погрешностей геологической информации при бурении скважин 95
Глава 3. STRONG Исследование погрешностей информации, получаемой при разведочном бурении 98
STRONG 3.1. Исследование погрешностей установления границ между слоями 98
3.2. Исследование погрешностей определения наименований четвертичных песчано-глинистых пород 102
3.3. Исследование погрешностей определения трещинова-тости выветрелых карбонатных пород 115
3.4. Исследование погрешностей определения количества валунов 118
Глава 4. Пути повышения качества информации, полу чаемой при разведочном бурении скважин . 130
4.1. Требования к качеству информации 130
4.2. Снижение и устранение погрешностей 145
4.3. Компенсация погрешностей . 155
4.4. Контроль качества информации 168
4.5. Эффективность разведочного бурения 173
Заключение 180
Список литературы
- Качество получаемой информации
- Виды погрешностей информации, получаемой при разведочном бурении
- Исследование погрешностей определения трещинова-тости выветрелых карбонатных пород
- Компенсация погрешностей
Введение к работе
Актуальность проблемы. Необходимость повышения эффективности и качества строительства подчеркивалась в решениях ХХУ1 съезда КПСС и в целом ряде других партийных и государственных документов. Большие резервы повышения эффективности и качества строительства кроются в улучшении качества инженерно-геологической информации. Поскольку основным видом полевых геологических работ в инженерных изысканиях являются буровые работы, то качество итоговой инженерно-геологической информации во многом определяется качеством информации, получаемой при бурении скважин. В тоже время имеющиеся данные показывают, что качество получаемой при бурении информации не всегда соответствует требованиям проектирования и строительства.
В практике строительства и эксплуатации сооружений имеются случаи различных осложнений и аварий, связанных с низким качеством получаемой бурением скважин информации. Кроме того, немало случаев, когда недостаточно высокий уровень качества информации не позволяет принимать экономичные проектные решения, и проектировщики вынуждены закладывать излишний запас прочности, что приводит к удорожанию строительства.
Все это говорит о насущной необходимости повысить качество получаемой при бурении информации.
Проблема повышения качества получаемой бурением информации является важной составной частью проблемы оптимизации инженерных изысканий, которая находится сейчас в центре внимания специалистов [19,27,35,42,43,48,50,54, 55,56,66,69,70,82] .
Без решения проблемы оценки и повышения качества первичной информации невозможно успешное решение проблемы оптимизации инженерных изысканий в целом. Оставить качество информации в том же состоянии - это значит примириться с существующими авариями, осложнениями при. строительстве и эксплуатации сооружений, неоправданным удорожанием строительства.
Цель работы. Основной целью работы являются: выявление и анализ причин недостаточно высокого уровня качества получаемой бурением информации, количественная оценка качества информации, разработка мероприятий по повышению качества и оценка эффективности разведочного бурения.
Научная новизна. Впервые подробно рассмотрены виды погрешностей информации, возникающих при бурении скважин, их влияние на строительное производство, причины формирования погрешностей.
Приведены результаты исследования основных видов погрешностей, оказывающих наиболее неблагоприятное воздействие на строительство и эксплуатацию сооружений.
Впервые приведена количественная оценка качества информации, получаемой при бурении скважин различными способами, как при решении частных геологических задач, так и в целом, при решении комплекса геологических задач.
Приведены методики установления требуемой точности и достоверности геологической информации для различных случаев проектирования.
Предложена методика использования характеристик процесса бурения в качестве источника дополнительной информации о геологических условиях изучаемого объекта.
Рассмотрены вопросы оценки эффективности разведочного бурения с учётом качества получаемой информации и стоимости бурения в породах различных категорий по буримости.
Практическая ценность работы и реализации результатов исследований. Результаты исследования и обобщения опыта разведочного бурения позволяют в процессе получения первичной информации выделить погрешности, оказывающие наиболее неблагоприят -6 ное воздействие на строительное производство и, в соответствии с приведёнными рекомендациями, принять меры по их ослаблению, компенсации или полному устранению.
Предлагаемые в работе методики позволяют количественно оценить состояние качества получаемой информации и, согласно полученным значениям, дают возможность вносить соответствующие коррективы.
Методики оценки требуемой точности и достоверности информации для проектирования различных сооружений в конкретных условиях позволяют выбрать в соответствии с устанавливаемыми требованиями необходимые технику и технологию бурения. При невозможности обеспечения точности и достоверности, бурение скважин дополняется проходкой шурфов, полевыми опытными работами, геофизической разведкой.
Установленные количественные значения информативности разведочного бурения дают возможность применять для решения различных геологических задач наиболее информативные способы бурения и исключить из практики бурения неинформативные способы.
Предлагаемая в работе методика оценки эффективности разведочного бурения позволяет выбирать оптимальные способы бурения, буровые установки, породоразрушающий инструмент, диаметры бурения и т.д.. Используя эту методику можно проводить сопоставительный анализ разведочного бурения, выполняемого изыскательскими подразделениями в различных геологических условиях.
Некоторые результаты исследований уже нашли практическое применение.
При изысканиях, выполняемых Ленинградским трестом инженерно-строительных изысканий для промышленного и гражданского строи тельства на территории северо-запада, с целью компенсации установленных исследованиями погрешностей информации, получаемой при бурении скважин колонковым и ударно-канатными способами, в дополнение к буровым работам широко применяется статическое, ударное и ударно-вибрационное зондирования. Эти методы позволяют выявить пропущенные при бурении слои пород и уточнить геологические границы. Для компенсации погрешностей определения глубины залегания кристаллических пород, мощности зоны выветривания и закарсто-ванности карбонатных пород применяются электро- и сейсморазведоч-ные методы.
При изысканиях на объектах строительства глиноземного комбината в г.Пикалево Ленинградской области использование результатов исследования трещиноватости выветрелых карбонатных пород позволило правильно оценивать состояние карбонатных пород,несмотря на плохую сохранность керна и этим исключить осложнения при разработке пород.
При изысканиях для гидротехнического строительства на шельфе Баренцева моря использование предлагаемой методики оценки возможной глубины забивки свай по данным бурения позволило значительно сократить количество недобитых свай. В том же районе широко применяется предложенная методика оценки плотности сложения песков по результатам погружения обсадных труб.
Апробация работы. Некоторые результаты данной работы докладывались на республиканских совещаниях в Москве (1975 г.), в г.Минске (1976 г.), в г.Симферополе (1976 г.) и на Всесоюзной конференции по инженерной геологии в г.Ростове-на-Дону (1980 г.).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 16 работ, в том числе её содержание отражено в соответствующих разделах книг "Бурение скважин в прибрежной зоне морей" (Л.: Недра, 1975.), "Морское бурение инженерно-геологических скважин" (Л.: Недра, 1980.).
Основные положения, выносимые на защиту.
1. При бурении скважин возникают погрешности геологической информации, обусловленные геологическими, техническими, субъективными, внешними и нормативно-методологическими причинами.
2. Уровень качества получаемой информации во многих случаях не соответствует требованиям проектирования, так как не позволяет выбрать оптимальные проектные решения из-за неучёта или недостаточного учёта основных характеристик геологических условий, что приводит к строительству неэкономичных фундаментов, осложнениям и авариям при строительстве и эксплуатации сооружений с неизбежными при этом затратами материальных средств и времени.
3. Имеются резервы повышения качества информации, .в том числе не требующие дополнительных ассигнований на инженерные изыскания. Последние заключаются в широком использовании характеристик процесса бурения для определения геологических границ, оценки состава, состояния и свойств пород в условиях их естественного залегания.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения с общим объёмом 492 страниц, в том числе 28 таблиц, 14 рисунков, 85 наименований литературы.
Автор искренне признателен научному руководителю - заслуженному деятелю науки РСФСР, профессору, доктору геолого-минералогических наук Валерию Давидовичу ЛОМТАДЗЕ, ценные советы которого использованы в настоящей работе.
Качество получаемой информации
Получаемая при бурении информация обладает определёнными свойствами: точностью, достоверностью, выразительностью. ,
Точность информации характеризуется её полнотой, т.е. выделением всех слоев, прослоев, линз, различных зон, пустот, крупных трещин и т.п., а также точностью фиксации положения геологических границ 141 . Достоверность информации характеризуется полнотой и правильностью изучения всех особенностей состава, состояния и свойств пород. Выразительность информации характеризуется оформлением, удобством пользования, технической и стилистической грамотностью. Совокупность свойств информации определяет её качество.
Поскольку процесс получения информации в конечном итоге сводится к измерениям, то качество информации может оцениваться погрешностью измерения, равной алгебраической разности между наблюдаемым и истинным значением измеряемой величины. Например, погрешность определения геологической границы равна разности между наблюдаемым при бурении и истинным её положением, определяемым в шурфе, пройденном по стволу скважины, _2j, 23,24,57J .
Некоторые измерения в процессе бурения скважин следует считать условными, например, определение состава, состояния и свойств пород методами визуального (органолептического) анализа, поскольку они выполняются путём мысленного сравнения изучаемых признаков с известными, без применения технических средств, и поэтому, не подходят под определение измерения, принятого в метрологии. Кроме того, многие признаки, определяемые при бурении скважин, не имеют численной характеристики. Для оценки погрешностей определения подобных признаков им присваивается определённый ранг, который впоследствии сравнивается с ранговым показателем эталонаГ44].
В связи с тем, что для количественной оценки погрешностей не всегда удаётся получить истинное значение величины, оно заменяется наиболее близким к истинному, по крайней мере, более близким, чем результат измерения. В метрологии такое значение принято называть действительным значением измеряемой величины [ас].
В качестве действительного значения при оценке погрешностей измерения могут использоваться результаты контрольного бурения, лабораторных исследований, полевых опытных и геофизических работ.
Все измерения в процессе бурения скважин можно разделить на два типа: однократные измерения разнородных величин для различных точек геологического разреза и многократные измерения однородных величин для всего геологического разреза.
К однократным измерениям разнородных величин относятся: определения по скважине положения геологических границ, петрографических типов, признаков состава, состояния и свойств пересекаемых пород, появившегося уровня подземных вод и т.п. При измерении указанных величин важно знать координаты каждой точки измерения, поскольку измеренные величины необходимы для построения геологических колонок, разрезов, карт. Контроль правильности произведённых измерений выполняется повторным бурением скважин с привлечением более опытных специалистов, проходкой шурфов, лабораторными исследованиями пород, полевыми опытными работами, а также изучением строительных котлованов, подземных выработок.
К многократным измерениям однородных величин относятся: определение содержания валунов в слое для оценки группы пород по трудности разработки, оценка трещиноватости горных пород, определение содержания различных фракций песка при разведке строительных материалов или исследованиях для морских дноуглубительных работ.
Контроль за правильностью измерений второго типа осуществляется в строительных котлованах, карьерах, подземных выработках, в процессе производства морских дноуглубительных работ, но может осуществляться и путём проходки контрольных шурфов, скважин большого диаметра.
Измерения первого типа в практике инженерных изысканий выполняются чаще, чем второго.
По своему характеру и причинам появления погрешности делятся на систематические и случайные.
Систематические погрешности порождаются главными закономерными факторами (см.ниже, гл.2), они остаются постоянными или закономерно изменяются при измерении одной и той же величины.
Случайные погрешности вызываются многочисленными второстепенными случайными,неконтролируемыми, факторами (см.ниже, гл.2). Они всегда различны для измерений одной и той же величины.
Систематические и случайные погрешности оцениваются средней систематической погрешностью Д и средней квадратичной случайной погрешностью S . Это основные метрологические характеристики качества получаемой информации.
Виды погрешностей информации, получаемой при разведочном бурении
Применялись следующие методы: геологический, экспериментальный, моделирование, вероятностно-статистический.
Основной метод исследования - геологический. Он заключался в изучении условий и последовательности залегания горных пород, их взаимоотношений, общих черт и отличий, минерального состава, структуры, текстуры, выветрелости, трещиноватости, плотности, консистенции и т.д. Важное значение при исследовании качества получаемой информации имели сведения о происхождении горных пород и геологическом возрасте. Геологический анализ позволил выявить причины и условия, вследствие которых возможны пропуск слоев и прослоев породы в процессе бурения скважин, смещение геологических границ, нарушение естественного сложения пород и т.д.
Экспериментальный метод использован для количественной оценки качества получаемой информации. Он заключался в проведении лабораторных исследований, статического зондирования, проходки шурфов, наблюдений за ходом забивки свай.
Метод моделирования использован в связи с недоступностью и сложностью некоторых процессов, возникающих в горных породах при бурении скважин. Широко использовались логические модели. Для изучения характера смещения геологических границ выполнено моделирование на модели из переслаивающихся глин. Расчёт погрешностей определения содержания валунов осуществлялся на графической модели. Сам процесс бурения использован в качестве модели процесса забивки свай.
Вероятностно-статистический метод использован для установления вероятности возникновения тех или иных погрешностей, вычисления их статистических характеристик, расчёта информативности разведочного бурения, получения корреляционной зависимости скорости бурения и трещиноватости карбонатных пород.
В результате исследования и обобщения опыта разведочного бурения, а также наблюдений за ходом строительства и эксплуатации сооружений установлено, что при разведочном бурении скважин возникают погрешности информации, оказывающие впоследствие отрицательное воздействие на строительное производство.
Эти погрешности можно разделить на две группы: погрешности, влияющие на точность информации, и погрешности, влияющие на достоверность информации. К первой группе относятся погрешности определения положений различных геологических границ, ко второй -погрешности определения состава, состояния и свойств пород.
Буровой скважиной пересекаются слои различной мощности -от нескольких метров до нескольких миллиметров. Относительно мощные слои, как правило, отмечаются в разрезе, а тонкие пропускаются, причём чаще пропускаются слабые породы. Пропуск слоев приводит к самым неблагоприятным последствиям (см.табл.1.1.).
Основной метод выявления пропущенных при бурении слоев -это проходка шурфа или дудки по стволу пробуренной скважины и сопоставление двух полученных разрезов - по скважине и шурфу. В случае высокого стояния уровня подземных вод, большой глубины скважин, при бурении на акваториях, когда проходка шурфов практически невозможна, бурят контрольную скважину укороченными рейсами. Кроме того, перед бурением контрольной скважины выполняют статическое или динамическое зондирование с тем, чтобы на отметках с резким изменением сопротивления пород погружению конуса зонда, не отождествлённого с каким-либо слоем на колонке разведочной скважины, бурение контрольной скважины вести с особым вниманием.
Пропущенные слои в устойчивых скальных породах выявляются с помощью каротажных методов, фотографирования стенок скважины и телевизионного осмотра.
Исследование погрешностей определения трещинова-тости выветрелых карбонатных пород
Под разрешающей способностью следует понимать возможность буровой установки осуществлять бурение в породах различной категории по буримости до определенных глубин и диаметров с получением керна проходимых пород. Разрешающая способность зависит от конструкции буровой установки и мощности привода. Показателями разрешающей способности являются породобуримость буровой установки, а также глубина и диаметр бурения.
Одно из важных требований, предъявляемых к буровой установке - соответствие её разрешающей способности геологическому разрезу. Но по причинам, не зависящим от изыскательских организаций, в разведочном бурении часто применяются буровые установки с недостаточной разрешающей способностью.
Так, установками ударно-канатного, вибрационного, медленно-вращательного, шнекового бурения невозможно бурение по скальным породам и валунным отложениям. Установками колонкового бурения, предназначенными для бурения неглубоких скважин, невозможна проходка валунных отложений из-за недостаточной мощности двигателя.
Если на забое буровой скважины встречается твердая порода, то распознать коренные породы или валуны можно только при колонковом бурении. Лишь при встрече мелких валунов некрепких скальных пород возможно их разбуривание ударно-канатным способом сплошным забоем.
Информативность бурения применительно к задаче распознавания валунов и скальных пород можно определить по формуле (1.7.). При встрече твердой породы неопределенность системы бит поскольку имеются два состояния системы - валун или коренные породы (fi-2) . После углубления скважины в твердые породы на глубину к! 3 м неопределенность системы снимается, так как очевидно, что бурение идет по коренным породам, то есть Н2(Х) = С поэтому информативность бурения
При углубке в твердые породы на глубину менее 2 м неопределенность системы полностью не снимается, остается некоторая вероятность того, что пройденная порода является валуном, и чем меньше углубка, тем больше эта вероятность. При невозможности углубки в твердую породу неопределенность системы остается прежней( = 0/ Надо отметить, что при бурении установками колонкового бурения проходка по твердым породам на необходимую глубину не всегда бывает возможна по техническим причинам. Так, наиболее широко применяемая в инженерных изысканиях буровая установка УГБ-50М не приспособлена для бурения по крепким скальным породам. Установки этого типа, как и многие другие установки колонкового бурения не оснащены компрессорами для бурения с продувкой сжатым воздухом или же буровыми насосами для бурения с промывкой водой. Когда же в разрезе встречаются породы высоких категорий по бури-мости - граниты, гнейсы, диориты, окремненные породы, то вопреки установленным технологическим нормам бурение ведется твердосплавными коронками "всухую". При таком бурении коронки изнашиваются через 5-Ю см проходки. Из-за больших затрат времени и сверхнормативного расхода коронок бурение по крепким породам обычно прекращают через 20-30 см, что не гарантирует уверенного распознавания валунов и коренных пород. Поэтому даже при колонковом бурении возможны погрешности определения глубины залегания коренных пород.
Руководствуясь классификациями пород по буримости, приведенными в единых нормах времени /EHBfP/ и Сборнике цен на изыскательские работы для капитального строительства, можно установить информативность разведочного бурения применительно к решению геологической задачи расчленения разреза на породы различной твердости. Посколько классификации для разных способов бурения неодинаковы, то за основу принята классификация для колонкового бурения, а остальные приведены к ней (табл.2.4.).
Компенсация погрешностей
Графическая модель (рис.3.2.) представляет собой графический разрез условного слоя, выполненный в масштабе 1:20. На разрез без всякой системы нанесены кружки, обозначающие валуны разных размеров - от 0,2 до 0,8 м, примерно в равных соотношениях. "Валуны" нанесены таким образом, чтобы они занимали Э% площади всего разреза (20x20 м). Затем на модель накладывались палетки буровых скважин диаметром 76, 93, 132, 151, 200, 300, 600, 1000мм в масштабе 1 : 20 и под с чи ты вал ас ь площадь, занимаемая валунами в пределах каждой скважины. Палетки скважин накладывались многократно в разных точках разреза. После многократного определения содержания валунов в скважинах указанных диаметров, на разрез наносились новые "валуны" до содержания 10% и все операции повторялись сначала. Затем содержание валунов увеличивалось до 30, 50 и IQT/o.
При подсчете площади, занимаемой валунами, делались некоторые допущения, основанные на указанных выше случаях распознавания валунов.
Первое допущение - в расчет не принимались валуны, занимающие менее половины забоя скважины и имеющие при этом высоту от секаемого скважиной сегмента менее 100 мм.
Второе допущение - в расчет не принимались валуны, если они своим краем попадали под скважину диаметром 76-93 мм. Предполагалось, что в первом случае валун будет смещен за пределы ствола скважины, если он не очень крупный; если же валун крупный, то скважина будет искривлена; возможен также вариант выбуривания мелких обломков, не позволяющих распознать валун. Во втором случае скважина будет огибать валун независимо от его размера.
Если исходить из случайного распределения валунов в слое, то количественной оценкой содержания валунов по буровым скважинам будет среднее арифметическое значение для конкретного диаметра -- X t «В качестве дополнительной меры, характеризующей разброс индивидуальных значений величины XI может служить среднеквадратичное отклонение (стандартная погрешность) S .
Вероятностью достоверного определения количества валунов Р при бурении различными диаметрами явпяется отношение наблюдаемого содержания X к действительному 0/(Р = Х/С1/) Зная Р , можно вносить коррективы в значения наблюдаемого количества валунов.
Статистическая обработка материалов графического моделирования выполнена на ЭВМ "Наири-К". Результаты обработки для содержания валунов Qj/= 5, 10, 30, 50 и 70$ приведены в табл.3.8., из рассмотрения которой можно сделать следующие выводы: 1) С увеличением диаметра бурения наблюдаемое значение содержания валунов приближается к истинному. Так, при Д=1000 мм наблюдаемое значение практически совпадает с истинным. 2) Коэффициент вариации уменьшается с возрастанием содержания валунов в массиве и увеличением диаметра бурения. 3) Средняя систематическая погрешность определения количества валунов снижается с увеличением диаметра бурения и возрастает с увеличением содержания валунов. Особенно велики погрешности при высоком содержании валунов и бурении малыми диаметрами: 76, 93, 132 мм. Например, при содержании валунов Q/ = 7G/& и бурении скважин диаметром 76 мм систематическая погрешность составляет 42$. Для практических целей такая погрешность недопустима, поэтому в случае высокого содержания валунов бурение должно вестись скважинами большего диаметра. 4) При мал« к содержании валунгов и диаметре бурения валуны могут быть не обнаружены. 5) Относительная погрешность уменьшается с увеличением диаметра бурения. 6) Вероятность достоверного определения количества валунов возрастает с увеличением диаметра бурения. 7) Отношения A/SA C3 J E/SE 3 , что свидетельствует о том, что распределение валунов на модели согласуется с нормальным законом.
Главный вывод, подтверждающий теоретические предположения,-- зависимость погрешностей от геологических и технических факторов. Этот вывод иллюстрируется графиками, (рис.3.3., 3.4.).
