Numérisation du procédé de forage rotatif hydraulique pour le profilage mécanique en continu des roches sédimentaires siliciclastiques

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3701 (2023) Citer cet article

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Le forage rotatif hydraulique peut offrir les informations essentielles et les échantillons de carottes pour les recherches sur la terre solide. L'enregistrement des données factuelles de forage sur le terrain et l'analyse du processus de carottage rotatif hydraulique sont difficiles mais prometteurs pour utiliser les informations de forage massives en géophysique et en géologie. Cet article adopte la technique de surveillance du processus de forage (DPM) et enregistre les quatre paramètres de déplacement, de pression de poussée, de pression ascendante et de vitesse de rotation en séries en temps réel pour profiler les roches sédimentaires siliciclastiques le long d'un trou de forage de 108 m de profondeur. Les résultats de numérisation avec 107 zones linéaires représentent la distribution spatiale des géomatériaux forés, y compris les dépôts superficiels (remblai, loess, sol graveleux), le mudstone, le mudstone limoneux, le grès et le grès fin. Les vitesses de forage constantes variant de 0,018 à 1,905 m/min présentent la résistance au carottage in situ des géomatériaux forés. De plus, les vitesses de forage constantes permettent d'identifier la qualité de la résistance des sols aux roches dures. Les distributions d'épaisseur des six classes de qualité de résistance de base sont présentées pour toutes les roches sédimentaires et chaque type individuel des sept sols et roches. Le profil de résistance in situ déterminé dans cet article peut être utilisé pour évaluer le comportement mécanique in situ du géomatériau le long du trou de forage et peut fournir une nouvelle évaluation mécanique pour déterminer la distribution spatiale des strates géologiques et des structures dans le sous-sol. Ils sont importants car une même strate à différentes profondeurs peut avoir un comportement mécanique différent. Les résultats fournissent une nouvelle mesure quantitative pour le profilage mécanique in-situ en continu par des données de forage numériques. Les conclusions de l'article peuvent offrir une méthode nouvelle et efficace pour affiner et améliorer l'investigation au sol in situ, et peuvent fournir aux chercheurs et aux ingénieurs un nouvel outil et une référence précieuse pour numériser et utiliser les données factuelles des projets de forage en cours.

Le forage, en particulier le carottage hydraulique rotatif, est une opération courante, essentielle et importante pour offrir les carottes et les informations associées pour les recherches géophysiques et géologiques sur la terre solide1. Les informations de forage associées sont devenues l'objet d'études de plus en plus interdisciplinaires dans le cadre de la numérisation croissante des observatoires terrestres solides partout dans le monde2. Flinchum et al. ont utilisé les données de réfraction sismique et l'état physique des échantillons de carottes du processus de carottage rotatif hydraulique pour déduire la structure du sous-sol sous une crête de granit3. Allen et al. ont révélé la présence d'une zone d'altération de 30 m d'épaisseur recouvrant à la fois le cœur de la faille et la zone endommagée par les résultats d'essais en laboratoire d'échantillons de carottes le long d'un trou de forage de 100,6 m4. Les mesures en laboratoire sur les carottes extraites des forages sont largement utilisées pour quantifier les variations en fond de trou sur les propriétés mécaniques et géophysiques5,6,7.

Cependant, les mesures de carottes en laboratoire et certains tests in situ pour de nombreux trous de forage peuvent être d'un coût prohibitif et difficiles sur le plan logistique, en particulier dans certains environnements géologiques complexes où les études géophysiques sont souvent ciblées3. En fait, le forage lui-même peut également être considéré comme une mesure in situ des propriétés des géomatériaux8,9,10. Des données factuelles massives sur les paramètres de forage tels que la vitesse de forage (ou le taux de pénétration), en tant que sous-produits du processus de forage, n'ont pas été collectées et utilisées. Il peut contenir des informations mécaniques et géophysiques. La numérisation du processus de forage avec des données factuelles est difficile mais prometteuse pour la recherche dans la terre solide.

Plusieurs chercheurs se sont concentrés sur les études des informations de forage. Rizzo et al. ont utilisé les signaux électriques numériques du trou de forage pour identifier la distribution de la conductivité hydraulique11. Les informations de déformation in situ ont été surveillées et analysées par les jauges de contrainte de forage à quatre jauges (FGBS)12. La technologie de mesure en cours de forage (MWD) a été utilisée pour mesurer les paramètres de forage du taux de pénétration, de la pression de poussée et de la vitesse de rotation dans les sciences et l'ingénierie pétrolières et minières13,14,15. Yue et al. ont inventé la technique de surveillance du processus de forage (DPM) et développé la méthode des séries en temps réel dans la mesure et l'analyse des données factuelles10,16.

Récemment, de plus en plus de chercheurs prêtent attention aux données de forage dans des séries en temps réel. Les données de forage en temps réel peuvent identifier les zones faibles dans la roche volcanique17,18 et profiler la résistance du sol à la roche dans le plateau de loess19. Wang et al. ont étudié la méthode de mesure des caractéristiques du massif rocheux par des données de forage en temps réel en laboratoire20. Lui et coll. ont proposé une méthode empirique pour déterminer les propriétés mécaniques du massif rocheux et la prédiction de la propension aux coups de toit21,22. Arno et al. ont proposé l'estimation de la densité de la roche à partir des données de forage en temps réel à l'aide de la méthode d'apprentissage en profondeur23. La plupart des recherches précédentes ont étudié les informations de forage par des données d'essais en laboratoire et des méthodes empiriques. L'étude quantitative pour un profilage mécanique in-situ continu et précis par des données factuelles archivées est encore très limitée. D'autres études sur les données factuelles de terrain des projets de forage en cours et l'analyse détaillée du processus de carottage hydraulique rotatif pour le raffinement et la mise à niveau de l'investigation du sol in situ sont motivées et réalisées dans cet article.

Dans cet article, la numérisation du processus de forage rotatif hydraulique est présentée pour combler le vide dans les projets de forage géophysiques et géologiques. Des données factuelles numériques en séries en temps réel sont enregistrées à partir du processus de carottage rotatif hydraulique le long du trou de forage de 108 m. Les résultats montrent que les données factuelles de forage peuvent présenter en continu une description quantitative du profilage mécanique in situ de la résistance des géomatériaux à la force de forage et de la résistance à la compression uniaxiale estimée des dépôts superficiels aux roches sédimentaires siliciclastiques le long du trou de forage. La résistance du géomatériau à la force de forage a été déterminée à l'aide de la vitesse de forage obtenue avec précision dans cet article à partir de la technique numérique DPM. Ces profils de résistance in situ continus sont importants lors de l'évaluation de la stabilité et de l'effondrement possible des sols et des roches environnants autour du trou de forage. Ils peuvent fournir des données factuelles et in situ supplémentaires aux résultats de carottage le long du trou de forage. En particulier, ces informations deviennent cruciales lorsqu'il manque des carottes le long de la profondeur du trou de forage. L'article présente le cadre d'une nouvelle méthodologie d'essai in situ basée sur des données de forage visant à améliorer les méthodes actuelles d'investigation du sol et les classifications de la qualité de la roche.

Le projet de Comprehensive Geological Survey dans la ville de Yan'an par China Geological Survey vise à profiler les propriétés mécaniques avec des données factuelles numériques pour développer l'espace souterrain urbain24. La ville de Yan'an est située dans la région montagneuse du plateau de loess. C'est une zone problématique typique où la conversion de la roche en sol est entraînée par divers processus physiques, chimiques et biologiques dans une zone spatialement variable et complexe couvrant les 10 à 100 premiers mètres dans cette région25. Une investigation géotechnique rapide, efficace et continue est essentielle pour l'évaluation et l'utilisation des espaces souterrains26. Par conséquent, la technologie de surveillance du processus de forage (DPM) est utilisée pour fournir en permanence la précieuse référence du profil mécanique in situ par des données factuelles numériques dans le projet.

Le projet de forage rotatif hydraulique de carottage est situé dans le district de Baota dans la ville de Yan'an avec les coordonnées GPS (36° 37′ 48′′ N, 109° 22′ 48′′ E). La profondeur du trou de forage est de 108,0 m selon les diagraphies du site, et les géomatériaux le long du trou de forage et la colonne stratigraphique standard correspondante sont illustrés à la Fig. 1. Afin d'améliorer l'efficacité sur le site, les carottes ont été prélevées uniquement dans les couches rocheuses. La précision de l'épaisseur de la strate par les diagraphies du site et les carottes est de 0,1 m et tous les taux de récupération des carottes sont supérieurs à 90 %. Sur la base des enregistrements du site et des diagraphies manuelles des échantillons de carottes, le trou de forage a un total de 51 strates pour différents sols de sol et roches sédimentaires. Les 51 strates correspondent aux 3 couches de sols du sol et aux 48 couches de roches, comme indiqué dans la colonne stratigraphique standard. La valeur maximale de l'épaisseur de la couche est de 22,2 m, elle correspond à la strate de grès peu décomposé. La valeur minimale est de 0,2 m, elle correspond à la strate de grès fin.

Huit types de strates le long de ce trou de forage de 108 m avec des carottes de roche sélectionnées et la colonne stratigraphique standard correspondante par diagraphie manuelle du site.

La diagraphie manuelle du site montre que les dépôts superficiels sont composés de remblais artificiels (ex. remblai divers et loess) et de couche alluviale (ex. sol graveleux) de 0,0 à 8,3 m le long du forage. La partie restante le long du forage (8,3 à 108,0 m) appartient à la formation de Yan'an à deux membres, constituée de sédiments siliciclastiques déposés dans des milieux alluviaux, lacustres et tourbeux au cours du Jurassique moyen24,25. Les carottes prélevées dans le membre de Zaoyuan (8,3 à 71,0 m) sont multicouches de grès fin, de mudstone et de mudstone limoneux. Les échantillons prélevés dans le membre Baotashan (71,0–108,0 m) sont dominés par le grès.

La foreuse rotative hydraulique typique de type XY-1 et le trépan compact en diamant polycristallin de 110 mm de diamètre sont utilisés pour le forage, comme illustré à la Fig. 2. La méthode de forage est un forage humide avec fluide et le fluide de forage est une boue de bentonite faite de gomme végétale SM, de bentonite et d'eau avec un rapport pondéral de 1:5:100.

Schéma de principe du système de numérisation.

Pour étudier la relation entre les paramètres de forage et le profilage mécanique des géomatériaux forés, les données de déplacement, de pression de poussée, de pression ascendante et de vitesse de rotation sont surveillées dans cette étude. L'instrument de numérisation peut être monté facilement et de manière non destructive sur la perceuse rotative hydraulique. Il peut collecter automatiquement, objectivement et en continu les données factuelles numériques en séries en temps réel sur le site. Le déplacement est utilisé pour déterminer la vitesse de forage et la profondeur du trou de forage. La pression de poussée et la vitesse de rotation sont utilisées pour comprendre la puissance de forage. La pression ascendante est utilisée pour déterminer les autres sous-processus des travaux de forage. Au cours de ce projet de forage, le système de numérisation se compose des éléments principaux suivants, comme illustré à la Fig. 2.

Le système de surveillance de la rotation (Fig. 2a) contient un transducteur de révolution électromagnétique, une plate-forme d'induction pour faire tourner le trépan et les tiges de forage, ainsi que les dispositifs de protection et de fixation associés. La rotation du foret dans le forage rotatif hydraulique fournit une force horizontale pour broyer la surface de géomatériau touchée. La précision du capteur de rotation est d'un tour par seconde (60 tours par minute).

Le système de surveillance de déplacement (Fig. 2b) contient un capteur de déplacement pivotant et les dispositifs de protection et de fixation associés. Le trépan brise les matériaux broyés et avance dans de nouveaux matériaux broyés sous le trépan. Le système peut enregistrer le déplacement du foret à partir du déplacement vers le bas ou vers le haut de la tête de mandrin pivotante le long des deux vérins hydrauliques verticaux pendant tout le processus de forage. La longueur de course du vérin des vérins correspond à la distance maximale de déplacement vertical de la tête du mandrin de perçage, qui est de 500 mm dans ce cas. La précision du capteur de déplacement est de 0,001 m.

Le système de surveillance de la pression hydraulique (Fig. 2c) contient deux transducteurs de pression. Ils sont installés sur le tuyau de pression hydraulique pour le calcul de la poussée et de la force vers le haut. Pendant le processus de forage, la poussée vers le bas fournit la puissance nécessaire pour maintenir le trépan inférieur en contact avec la surface du géomatériau et la coupant pendant la rotation et la force ascendante fournit la puissance nécessaire pour déplacer la tête du mandrin de forage vers le haut le long des deux vérins hydrauliques verticaux après avoir terminé un avancement de course de vérin. De plus, le couple de perçage est un effet de réaction de la poussée et de la vitesse de rotation. Ce paramètre n'est pas un paramètre de sortie directe et il ne peut pas être modifié par les opérateurs. Il est donc difficile et coûteux de surveiller le couple de forage dans le cadre d'un projet de forage traditionnel pour une enquête au sol sur le site. Pendant le processus de forage, le couple peut être considéré comme une relation linéaire avec la poussée27,28.

Le système d'acquisition de données (Fig. 2d) contrôle l'échantillonnage des signaux du système ci-dessus. Il collecte quatre signaux simultanément sous forme de sortie de tension en série temps réel et l'intervalle d'échantillonnage temporel est de 1 s dans ce cas.

Les systèmes de surveillance et d'acquisition de données sont portables et faciles à installer. Le système de numérisation peut surveiller et analyser l'ensemble du processus de forage sans aucun effet secondaire pour la machine de forage ou les opérations de routine sur le site.

Le processus de forage rotatif hydraulique complet consiste en de nombreux allers-retours dans le temps en raison du fait que l'échantillon de carotte de sol et de roche dans l'échantillonneur à tube cylindrique au-dessus du trépan doit être récupéré une fois que l'échantillonneur à tube est plein. Chaque aller-retour peut être décrit comme suit.

le trépan avec la carotteuse et plusieurs tiges de forage d'extension sont insérés un par un jusqu'au fond du trou de forage.

l'échantillonneur de bits et les tiges sont mis en rotation par la plate-forme pour réchauffer et remuer la boue de boue, ce qui peut faciliter l'effet de forage.

le trépan commence à casser les matériaux broyés et à avancer dans de nouveaux matériaux broyés sous le trépan, qui s'arrêtera une fois que le baril de l'échantillonneur (carottage) sera rempli de carottes de sol ou de roche.

toutes les tiges de forage et l'échantillonneur sont ramenés au sol pour collecter les échantillons.

Certaines opérations auxiliaires (par exemple, interruption ou maintenance) peuvent être nécessaires au cours des processus ci-dessus. Ces quatre sous-processus comprenant (1) l'insertion de l'échantillonneur de bits (baril), (2) le carottage et le remplissage du baril avec de nouveaux matériaux broyés, (3) la récupération du baril rempli au sol et (4) la collecte des carottes sur le sol forment un aller-retour typique. Cet aller-retour est répété un par un pour forer des géomatériaux plus profonds jusqu'à ce que la profondeur de forage cible soit atteinte. Par conséquent, le nombre d'allers-retours est principalement déterminé par la longueur du canon de l'échantillonneur (carottage) et les opérations des foreurs. Dans cette étude de cas, la longueur du canon de l'échantillonneur (carottage) était de 4,15 m et un total de 26 allers-retours ont été utilisés pour compléter le trou de forage de 108 m de profondeur.

Les données de forage factuelles originales en temps réel (déplacement, pression de poussée, pression ascendante et vitesse de rotation) peuvent être collectées en continu par le système numérique équipé sur la foreuse rotative hydraulique pendant tout le processus de forage, comme illustré à la Fig. 2. Selon les données factuelles et le critère de numérisation, l'aller-retour typique de forage rotatif hydraulique de carottage peut être divisé en cinq opérations de forage individuelles. Il s'agit respectivement du processus d'insertion, du processus d'agitation, du processus de forage, du processus de récupération et d'extraction et du processus auxiliaire. Chaque opération est distincte et corrélée avec le contrôle des opérateurs ci-dessus.

Pendant le processus de forage, les opérateurs utilisent la tête de mandrin pivotante pour contrôler la broche de forage qui est reliée aux tiges de forage et au trépan pour le carottage des géomatériaux. La tête de mandrin peut serrer la broche de forage pour percer les nouveaux géomatériaux. Après avoir terminé une longueur de course de vérin mentionnée ci-dessus, la tête de mandrin détache la broche pour revenir au niveau de départ, puis elle peut serrer à nouveau la broche pour la déplacer vers le bas. Par cette opération, le trépan peut forer des géomatériaux plus profonds avec la nouvelle tige de forage ajoutée pour remplir le carottier. Par conséquent, le processus de forage comporte trois parties : la partie de carottage (ou la partie de perçage du filet), la partie de traction du mandrin vers le haut et les opérations auxiliaires.

La méthode classique des moindres carrés est utilisée pour déterminer la vitesse de forage par des données factuelles et le coefficient de détermination R2 ou r2 est généralement utilisé pour mesurer la qualité de l'ajustement pour l'étendue de la linéarité. L'intervalle de temps minimum d'une zone linéaire est généralement supérieur à 5 s.

La figure 3 montre les détails d'un processus de forage. Il contient trois parties de carottage et quatre parties de mandrin de forage tirant vers le haut. Pendant les parties de carottage, la courbe de la profondeur d'avancement du trépan en fonction du temps de forage net peut être exprimée sous la forme d'un ensemble de segments linéaires connectés. Chaque zone linéaire présente un gradient de pente constant représentant la vitesse de forage constante d'un géomatériau homogène. Dans la Fig. 3, huit zones linéaires (Zones \({a}_{1-3}\), Zones \({a}_{6-9}\) et Zones \({a}_{11}\)) avec différents gradients constants sont représentées dans les parties centrales. La pente constante d'une zone linéaire est égale à la vitesse de forage de cette zone linéaire. Les vitesses de forage des huit zones linéaires de la partie carottage varient de 0,155 m/min (mètre par minute) à 0,418 m/min. La pression de poussée moyenne correspondante, la pression ascendante moyenne et la révolution moyenne de chaque zone dans la partie de carottage sont configurées pour fluctuer dans une petite plage de 2,688 à 2,958 MPa, 0,451 à 0,558 MPa et 113 à 120 tr/min (révolution par minute), respectivement. Les parties ascendantes du mandrin de perçage contiennent quatre zones (Zones \({a}_{0}^{*}\), \({a}_{5}^{*}\),\({a}_{10}^{*}\) et \({a}_{12}^{*}\)) avec une interruption auxiliaire occasionnelle (Zone \({a}_{4}^{*}\)). La vitesse de traction augmente dans la plage de 2,548 à 2,645 m/min, la pression de poussée moyenne diminue dans la plage de 0,615 à 0,646 MPa et la pression ascendante moyenne augmente dans la plage de 1,403 à 1,754 MPa.

Données factuelles en temps réel pour le processus de forage du carottage rotatif hydraulique le long de ce trou de forage.

Sur la base de la méthode de sélection des opérations de forage individuelles, les données factuelles originales du processus de forage net peuvent être obtenues. Ensuite, les paramètres de forage du processus de forage net sur toute la profondeur du trou de forage sont illustrés à la Fig. 4. La profondeur du trou de forage mesurée par DPM est de 108,062 m. Les figures 4a, b montrent que la courbe de profondeur de forage avec le temps de forage net peut être divisée en 107 zones linéaires avec des vitesses de forage constantes respectives. La vitesse de forage varie de 0,018 à 1,905 m/min. Chaque zone à vitesse de forage constante représente un géomatériau homogène. La profondeur de connexion de deux zones linéaires adjacentes avec des vitesses de forage différentes signifie la limite de deux strates différentes. Les brèves diagraphies du site de la Fig. 4a montrent toutes les strates du trou de forage avec les zones de vitesse de forage correspondantes. Les dépôts superficiels de l'Holocène correspondent aux zones de digitalisation nos 1 à 13 le long de la profondeur du forage 0,000–8,309 m, constitués de remblai divers, de loess et de sol graveleux. Le membre de Zaoyuan dans la formation de Yan'an du Jurassique moyen correspond aux zones de numérisation n° 14 à 89 le long de la profondeur du trou de forage de 8,309 à 71,011 m, constituées de grès fin multicouche, de mudstone et de mudstone limoneux. Le membre de Baotashan dans la formation de Yan'an du Jurassique moyen correspond aux zones de numérisation nos 90 à 103 le long de la profondeur du trou de forage de 71,011 à 108,062 m, constituées de grès. Les comparaisons détaillées des résultats de la numérisation et des enregistrements manuels traditionnels du site sont abordées dans la section suivante.

La courbe d'avancement du trépan avec le temps de forage net et les paramètres de forage associés sur toute la profondeur de forage par des données factuelles.

Les paramètres de forage associés du processus de forage net peuvent être calculés pour chaque zone de vitesse de forage. La figure 4c montre la valeur moyenne de la pression de poussée vers le bas pour chaque zone le long du trou de forage. Comme les opérations de routine pour améliorer l'efficacité du forage, la pression de poussée dans la couche de sol est fixée à la vitesse inférieure et la pression de poussée dans la couche de roche est fixée à la vitesse supérieure. Les valeurs moyennes de pression de poussée pour les strates de sol (correspondant aux zones nos 1 à 13) fluctuent dans une fourchette inférieure de 2,096 à 2,382 MPa. Les valeurs moyennes de pression de poussée pour les strates rocheuses (correspondant aux zones nos 14 à 107) fluctuent dans une plage plus élevée de 2,496 à 3,179 MPa. La figure 4d montre la valeur moyenne de la pression ascendante pour chaque zone le long du trou de forage. Comme mentionné ci-dessus, la pression vers le haut est fixée au niveau de l'engrenage de secours pour préparer l'action ultérieure pendant le processus de forage du filet. Les valeurs moyennes de vers le haut fluctuent dans la plage de vitesse de secours de 0,368 à 0,591 MPa. La figure 4e montre la valeur moyenne de la vitesse de rotation pour chaque zone le long du trou de forage. La plage de fluctuation principale des données de révolution à la vitesse de travail de routine est de 105 à 120 tr/min. De plus, les opérateurs ont augmenté la vitesse de rotation à une vitesse de travail plus élevée pour forer efficacement dans la couche de sol graveleux en tant que méthode de routine. Ainsi, les valeurs moyennes des données de révolution pour les zones de vitesse de forage n° 5 à 13 sont plus élevées que les autres.

De plus, la vitesse de forage constante avec la méthode DPM est déterminée sans prise en compte directe des effets possibles sur la poussée, la rotation et le couple. Yue a indiqué que la vitesse de forage normalisée avec d'autres paramètres de forage est presque la même que la vitesse de forage d'origine par la méthode DPM10. Dans ce trou de forage, l'effet des paramètres de forage associés pour une vitesse de forage constante peut être présenté à la Fig. 5.

La relation entre la vitesse de forage de 107 zones de profondeur et les paramètres de forage correspondants dans les mêmes zones (a) valeurs moyennes de pression descendante, (b) valeurs moyennes de pression ascendante, (c) valeurs moyennes de révolution, (d) coefficient de corrélation linéaire.

Sur la figure 5a, à mesure que la vitesse de forage de zone de la strate rocheuse augmente, les valeurs moyennes de la pression de poussée vers le bas sont fixées pour fluctuer dans une certaine plage de vitesse élevée. Au fur et à mesure que la vitesse de forage de zone de la strate de sol augmente, les valeurs moyennes de la pression de poussée vers le bas sont fixées pour fluctuer dans la plage inférieure. Les relations similaires entre la vitesse de forage de la zone et les paramètres de forage associés sont également illustrées sur les figures 5b, c. La figure 5d montre le coefficient de détermination pour la vitesse de forage constante de toutes les 107 zones. La valeur moyenne du coefficient de détermination est de 0,9954. Selon la figure 5, les paramètres de forage associés fluctuent dans une certaine plage avec l'augmentation de la vitesse de forage, tandis que tous les coefficients de détermination pour l'augmentation de la vitesse de forage sont supérieurs à 0,99. La pression de poussée vers le bas, la pression vers le haut et la vitesse de rotation pendant le processus de forage net ont des effets limités sur les variations de la vitesse de forage constante pour les zones de géomatériaux homogènes. Par conséquent, les vitesses de forage étaient principalement liées aux propriétés du géomatériau foré puisque la poussée, la rotation et le couple appliqués présentaient des variations limitées pour différentes zones de géomatériau homogènes dans cette étude de cas.

D'après les résultats de la Fig. 4, chaque strate peut correspondre à plusieurs zones mécaniques constantes (ou zones à vitesse de forage constante). Cela signifie que les résultats de la numérisation peuvent montrer les profils détaillés de résistance au carottage et les distributions spatiales associées pour une strate par des diagraphies manuelles. Les vitesses de forage similaires des zones linéaires représentent les géomatériaux avec des profils de résistance au carottage sur site similaires et la position du saut de gradient de courbe entre deux zones linéaires connectées peut représenter les limites d'interface de différents profils de résistance au carottage sur site. Les distributions spatiales de zone mécanique constante à vitesse de forage (ou résistance de forage) constante pour le profilage des différents géomatériaux par les résultats de numérisation sont cohérentes avec les distributions des carottes par diagraphies de site. Les épaisseurs des strates et la profondeur des forages par les résultats de numérisation ont été vérifiées par les diagraphies manuelles correspondantes.

Selon les résultats d'analyse ci-dessus, chaque zone mécanique constante avec sa vitesse de forage (ou résistance de forage) constante correspond à un géomatériau homogène. Par conséquent, la méthode de numérisation peut profiler la résistance au carottage des sols aux roches sédimentaires siliciclastiques par des données factuelles. Un total de 107 zones mécaniques constantes peut être obtenu pour les huit types de sols à roches sédimentaires siliciclastiques. La figure 6 présente le nombre de zones dans différentes strates avec la vitesse de forage associée. Pour les sols à roches sédimentaires le long du forage, les vitesses de forage constantes sont de 0,018 à 1,905 m/min, les valeurs moyennes et médianes de 0,373 et 0,295 m/min, respectivement. Les couches de sol ont treize zones et les couches rocheuses ont quatre-vingt-quatorze zones. Les mêmes zones de géomatériaux fluctuent dans la même plage de vitesse de forage. Différents géomatériaux présentent différentes plages de fluctuation de la vitesse de forage. En outre, les vitesses de forage des couches de sol fluctuent dans une large gamme que celles des couches rocheuses. Cela indique que la vitesse de forage d'une couche de roche est plus stable que la vitesse de forage dans une couche de sol.

Le nombre de zones mécaniques constantes dans différentes strates avec la vitesse de forage de zone associée.

Avec la vitesse de forage de 107 zones dans différentes strates, les vitesses moyennes de forage de chaque géomatériau et les données associées peuvent être calculées à la Fig. 7 et au tableau 1. Les vitesses moyennes de forage et les écarts-types correspondants des couches de loess et de sol graveleux sont plus élevés que les autres. La vitesse moyenne de forage du mudstone est la plus élevée parmi les cinq types de couches rocheuses. Les vitesses moyennes de forage des quatre autres types de roches sont affichées par ordre décroissant et la vitesse de forage la plus faible correspond au grès fin. Il est évident que les zones à plus faible vitesse de forage représentent un géomatériau plus résistant ou moins facilement forable.

La vitesse moyenne de forage de la zone et l'écart type correspondant de huit strates dans le trou de forage.

En outre, les vitesses de forage moyennes de différents géomatériaux le long de ce trou de forage sont ensuite comparées à d'autres géomatériaux avec leur vitesse de forage moyenne correspondante sur la Fig. 8. Ces valeurs sont obtenues dans différentes conditions de sol, différentes foreuses hydrauliques et trépans par la méthode de numérisation19,29,30. Les résultats de la numérisation illustrent que les variations de vitesse de forage mesurées par les données factuelles de forage sont compatibles et cohérentes avec les propriétés de différents géomatériaux provenant de différentes conditions de sol, de différentes foreuses hydrauliques et de trépans.

La vitesse de forage moyenne pour différents géomatériaux dans le trou de forage.

Selon la norme britannique et européenne31, la vitesse de forage est liée à la résistance mécanique de la formation forée. Elkatatny a proposé que la vitesse de forage joue un rôle clé pendant le processus de forage32. Dans cet article, les résultats ci-dessus montrent que la vitesse de forage constante peut représenter la propriété de résistance des géomatériaux forés. Les diagraphies parallèles du site vérifient l'exactitude de la vitesse de forage constante à partir de données de terrain factuelles. D'autres discussions sur la comparaison entre les vitesses de forage constantes et les résultats des tests traditionnels des propriétés de résistance mécanique sont présentées ci-après.

La résistance à la compression uniaxiale est le paramètre de résistance classique pour mesurer la propriété de base du massif rocheux. La résistance à la compression uniaxiale des carottes le long de ce trou de forage a été obtenue par des essais en laboratoire. Trente et une carottes prélevées à des profondeurs de 11,9 à 108,0 m ont été testées avec la méthode standard GB/T 50218-2014. La profondeur initiale et la profondeur finale de chaque carotte d'une hauteur de 10 cm ont été enregistrées sur place. La profondeur de chaque éprouvette correspond à une ou plusieurs zones linéaires d'épaisseurs différentes à la même profondeur. Les vitesses de forage pondérées d'une ou plusieurs zones linéaires à la même profondeur sont comparées aux résultats des tests de résistance à la compression uniaxiale, comme le montre la Fig. 9. Les carottes de grès fin légèrement décomposé avec la vitesse de forage la plus faible ont les valeurs les plus élevées de résistance à la compression uniaxiale. Inversement, les valeurs les plus basses de la résistance à la compression uniaxiale sont les carottes de mudstone avec la vitesse de forage la plus élevée parmi les strates rocheuses. Les résultats indiquent que les valeurs de résistance à la compression uniaxiale diminuent à mesure que la vitesse de forage correspondante augmente. L'équation de régression de la Fig. 9 peut être exprimée comme Eq. (1). Avec cette équation, les valeurs estimées de la résistance à la compression uniaxiale par les résultats de numérisation peuvent être obtenues par la vitesse de forage correspondante.

Comparaison entre la résistance à la compression uniaxiale de la roche \({R}_{c}\) du test de laboratoire et la vitesse de forage de la zone correspondante à partir des résultats de numérisation.

Actuellement, les méthodes efficaces pour obtenir la propriété de résistance de la roche en temps réel sur site sont rares33. Selon l'éq. (1), les vitesses de forage constantes peuvent estimer la propriété de résistance des géomatériaux forés. Les valeurs estimées sont cohérentes avec la résistance à la compression uniaxiale par des tests de laboratoire traditionnels. Par conséquent, les vitesses de forage constantes fournissent la prédiction de la propriété de résistance par des données de terrain factuelles in situ. Les données factuelles originales sont pratiques et efficaces pour enregistrer des séries en temps réel sur site. Le résultat de la prédiction est précis et applicable pour les roches sédimentaires siliciclastiques le long de ce forage de 108 m de profondeur. Pour construire une méthode de prédiction généralisée basée sur des données de forage factuelles pour des applications plus larges, davantage d'études sur divers types de géomatériaux, machines de forage et conditions de forage sont nécessaires.

Les données de numérisation peuvent également montrer les résultats de zonage de la désignation de la qualité de la résistance du géomatériau par la méthode similaire avec la désignation de la qualité de la roche (RQD). En mécanique classique des roches, le RQD ne peut représenter que le degré de fracturation dans un noyau rocheux et ne peut pas représenter la résistance et le degré d'altération des blocs rocheux en raison de sa définition géométrique comme suit. Le RQD est le pourcentage de récupération de la carotte de forage incorporant des morceaux de carotte solide d'une longueur supérieure à 100 mm mesurés le long de l'axe de la carotte34. Chaque morceau de noyau solide est défini comme un morceau supérieur à 100 mm entre les fractures naturelles. Les pièces à noyau solide peuvent avoir de fortes variations de résistance mécanique (telles que UCS). Par conséquent, un nouveau paramètre de vitesse de forage constante et d'épaisseur de zone est nécessaire pour montrer les profils de résistance des géomatériaux. La figure 10 illustre l'épaisseur des 107 zones linéaires avec les vitesses de forage correspondantes.

Variations d'épaisseur de zone avec leur vitesse de forage de zone correspondante.

Pour les sols à roches sédimentaires le long du forage, les épaisseurs de zone varient de 0,137 à 4,970 m, et les valeurs moyennes et médianes sont respectivement de 1,010 m et 0,746 m. L'épaisseur de chaque zone et sa vitesse de forage peuvent être agencées pour former le tableau de n paires du plus petit au plus grand : \((V_{DPM1} ,H_{1} )\),\((V_{DPM2} ,H_{2} )\),…, \((V_{DPMn} ,H_{n} )\) où \(V{}_{DPM1} \le V{}_{DPM2} \le \cdots \le V {}_{DPMn}\). Sur la base des données de numérisation le long du trou de forage, le \(RQD(V_{DPM} )\) peut être défini comme le rapport en pourcentage des épaisseurs de zone cumulées avec la vitesse de forage inférieure à une valeur donnée sur toute la profondeur de forage :

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

\(RQD(V_{DPM} )\) dans cet article n'est pas purement une extension de la méthode RQD géométrique traditionnelle. Il s'agit d'un nouveau paramètre de vitesse de forage et d'épaisseur de zone constantes avec la méthode de calcul similaire du RQD. Les valeurs de \(RQD(V_{DPM} )\) et les vitesses de forage de zone associées peuvent indiquer les résultats de zonage des profils de résistance des géomatériaux. Elle peut être un complément aux méthodes traditionnelles d'investigation géologique in-situ. La figure 11 montre les distributions de l'épaisseur de la zone de numérisation avec la vitesse de forage pour profiler statistiquement la résistance du géomatériau. L'axe vertical est la valeur \(RQD(V_{DPM} )\) de l'Eq. (2) et l'axe horizontal est la vitesse de forage de la zone correspondante. La figure 12 montre les distributions détaillées pour profiler chacun des six types de géomatériaux le long du trou de forage. Les valeurs de \(RQD(V_{DPM} )\) et la résistance à la compression uniaxiale associée par les résultats de numérisation sont également présentées pour montrer les résultats de zonage des profils de résistance des géomatériaux. La figure 13 montre les distributions de l'épaisseur de la zone de numérisation avec la résistance à la compression uniaxiale par les résultats de numérisation pour le profilage statistique de la résistance du géomatériau. L'axe vertical est la valeur \(RQD(V_{DPM} )\) de l'Eq. (2) et l'axe horizontal est la résistance à la compression uniaxiale correspondante par numérisation des résultats de l'équation. (1). La figure 14 montre les distributions détaillées pour profiler chacun des six types de géomatériaux le long du forage.

Distributions de l'épaisseur de la zone de numérisation avec la vitesse de forage (\({\mathrm{RQD}}_{\mathrm{DPM}}\)) pour profiler statistiquement la résistance du géomatériau.

Distributions de l'épaisseur de la zone de digitalisation avec la vitesse de forage (\({\mathrm{RQD}}_{\mathrm{RQD}}\)) pour profiler statistiquement chacun des 6 types de géomatériaux.

Distributions de l'épaisseur de la zone de numérisation avec UCS pour profiler statistiquement la résistance du géomatériau.

Distributions de l'épaisseur de la zone de numérisation avec UCS pour profiler statistiquement chacun des 6 types de géomatériaux.

A partir des schémas de variation similaires, les courbes des Figs. 11 et 13 peuvent être divisés en six sections à mesure que la vitesse de forage augmente le long de l'axe horizontal :

La section I signifie que la valeur estimée des classes de qualité de résistance de base par les résultats de la numérisation est la première classe avec une vitesse de forage variant de 0,018 à 0,175 m/min. Les valeurs estimées de la résistance à la compression uniaxiale par les données de numérisation sont de 65,6 à 80,2 MPa. Le pourcentage d'épaisseur de numérisation avec la vitesse de forage inférieure à la valeur limite supérieure de cette section (c'est-à-dire 0,175 m/min) est d'environ 10,38 %. Le géomatériau de cette section est principalement du grès fin légèrement décomposé, comme le montrent les Fig. 12 et 14, correspondant aux notes de qualité de base de I par relevés de site et essais en laboratoire.

La section II signifie que la valeur estimée des notes de qualité de résistance de base par les résultats de numérisation est la deuxième note avec les valeurs de vitesse de forage variant de 0,175 à 0,240 m/min. Les valeurs estimées de résistance à la compression uniaxiale par les données de numérisation sont de 60,3 à 65,6 MPa et les valeurs de \(RQD(V_{DPM} )\) sont de 10,38 à 28,55 %. La section contient principalement du grès fin légèrement décomposé et du grès légèrement décomposé, comme le montrent les Fig. 12 et 14, correspondant aux grades de qualité de base I et II par relevés de site et essais en laboratoire.

La section III signifie que la valeur estimée des grades de qualité de résistance de base par les résultats de numérisation est le troisième grade avec des valeurs de vitesse de forage variant de 0,240 à 0,319 m/min. Les valeurs estimées de la résistance à la compression uniaxiale par les données de numérisation sont de 54,5 à 60,3 MPa et les valeurs de \(RQD(V_{DPM} )\) sont de 28,55 à 49,33 %. La section contient principalement des grès légèrement décomposés et des mudstone limoneux, comme le montrent les Fig. 12 et 14, correspondant aux notes de qualité de base II et III par relevés de site et essais en laboratoire.

La section IV signifie que la valeur estimée des notes de qualité de résistance de base par les résultats de la numérisation est la quatrième classe avec des valeurs de vitesse de forage variant de 0,319 à 0,397 m/min. Les valeurs estimées de la résistance à la compression uniaxiale par les données de numérisation sont de 49,3 à 54,5 MPa et les valeurs de \(RQD(V_{DPM} )\) sont de 49,33 à 73,19 %. Les géomatériaux de cette section sont principalement du mudstone limoneux et du grès modérément décomposé, comme le montrent les Fig. 12 et 14, correspondant aux notes de qualité de base de III et IV par relevés de site et essais en laboratoire.

La section V signifie que la valeur estimée des degrés de qualité de résistance de base par les résultats de la numérisation est le cinquième degré avec des valeurs de vitesse de forage variant de 0,397 à 0,623 m/min. Les valeurs estimées de la résistance à la compression uniaxiale par les données de numérisation sont de 36,8 à 49,3 MPa et les valeurs de \(RQD(V_{DPM} )\) sont de 73,19 à 93,56 %. Le géomatériau de cette section est principalement du mudstone comme le montrent les Fig. 12 et 14, correspondant aux notes de qualité de base de V par relevés de site et essais en laboratoire.

La section VI signifie que la valeur estimée des notes de qualité de résistance de base par les résultats de la numérisation est la sixième classe avec des valeurs de vitesse de forage variant de 0,623 à 1,905 m/min. Les valeurs estimées de la résistance à la compression uniaxiale par les données de numérisation sont de 7,1 à 36,8 MPa et les valeurs de \(RQD(V_{DPM} )\) sont de 93,56 à 100,00 %. Le géomatériau de cette section est le sol comme le montrent les Fig. 12 et 14.

Les critères de classification de qualité de résistance de base des masses rocheuses de la norme GB/T 50218-2014 et la méthode de numérisation sont résumés plus en détail dans le tableau 2. En outre, la répartition en pourcentage des épaisseurs de zone avec les six niveaux de qualité de base peut être mesurée avec des données de numérisation pour les différents géomatériaux de sol. Dans le tableau 3, parmi l'épaisseur totale de 8,305 m pour les couches de sol le long du forage, 83,8% du sol correspond aux notes de qualité de base de VI déterminées par les données de numérisation. 77,6 % des mudstones le long du trou de forage appartiennent au grade V. 86,2 % des grès moyennement décomposés sont au grade IV. La majeure partie du mudstone limoneux, qui a une épaisseur totale de 16,372 m, correspond aux classes de qualité de base III et IV. La plupart des grès légèrement décomposés correspondent aux classes de qualité de base II et III. Pour le grès fin peu décomposé, qui a une épaisseur totale de 18,128 m le long du forage, 97,2 % correspond aux grades de qualité de base I et II.

La figure 15 montre la comparaison entre les grades de classification technique déterminés par les données de numérisation et les diagraphies manuelles le long du trou de forage. Les niveaux de qualité de base des masses rocheuses déterminés par des diagraphies manuelles avec des profondeurs de forage pour différents géomatériaux sont illustrés à la Fig. 15a. Les notes de I à V représentent les résultats des tests de laboratoire pour la masse rocheuse à partir de la méthode GB/T 50218-2014, et VI représente les couches de sol. Les distributions des six sections pour les classifications d'ingénierie par données de numérisation et les diagraphies manuelles correspondantes sont présentées à la Fig. 15b.

Comparaison entre les grades de classification technique déterminés par les données de numérisation et les diagraphies manuelles le long du trou de forage.

Pour ce trou de forage, les niveaux de classification de la qualité de la résistance des géomatériaux forés sont illustrés à la Fig. 16. Les résultats de la numérisation montrent que les vitesses de forage constantes sont corrélées avec la résistance à la compression uniaxiale, la désignation de la qualité de la roche et les six niveaux de qualité de la résistance de base pour classer la qualité de la résistance des dépôts superficiels aux roches sédimentaires. Les résultats peuvent améliorer la pratique actuelle de forage pour les essais in situ de profils continus et mécaniques.

Distributions de la vitesse de forage avec son épaisseur de zone linéaire.

L'article propose une nouvelle méthode de numérisation pour l'exploitation des informations de forage. Les données factuelles numériques en série en temps réel le long du trou de forage de 108 m de profondeur sont enregistrées et analysées pour obtenir de manière continue et rentable le profilage de résistance in situ des géomatériaux forés.

Au total, 107 zones linéaires sont identifiées par des vitesses de forage constantes. La vitesse de forage constante inférieure d'une zone linéaire indique une zone ou des strates de géomatériaux homogènes plus fortes. Le mudstone, le grès modérément décomposé, le mudstone limoneux, le grès légèrement décomposé et le grès fin ont des vitesses de forage constantes moyennes de 0,452 m/min, 0,354 m/min, 0,290 m/min, 0,236 m/min et 0,149 m/min, respectivement. Les zones linéaires avec des vitesses de forage constantes peuvent montrer avec précision et efficacité les limites d'interface et les distributions spatiales des 51 strates pour 8 types de sols et de roches sédimentaires. Chaque strate manuelle par exploitation traditionnelle de chantier est représentée par une ou plusieurs zones mécaniques constantes. Les résultats de la numérisation fournissent un profil plus détaillé de la résistance du géomatériau le long du trou de forage.

De plus, la résistance à la compression uniaxiale des carottes de roche provenant d'essais en laboratoire a l'équation de corrélation \(R_{c} \, = { 82}{{.090}} \times e^{{{ - 1.{286} \times {\text{Vitesse de forage (m/min)}}}}\) avec la vitesse de forage. Six classes de qualité de résistance sont déterminées par la vitesse de forage, la résistance à la compression uniaxiale \(R_{c}\) et la désignation de la qualité de la roche. La vitesse de forage,\(R_{c}\) et \(RQD(V_{DPM} )\) ont les plages suivantes : (1) pour la classe I, 0,018–0,175 m/min, 65,6–80,2 MPa et 0,00–10,38 % ; (2) pour le grade II, 0,175–0,240 m/min, 60,3–65,6 MPa et 10,38–28,55 % ; (3) pour le grade III, 0,240–0,319 m/min, 54,5–60,3 MPa et 28,55–49,33 % ; (4) pour le grade IV, 0,319–0,397 m/min, 49,3–54,5 MPa et 49,33–73,19 % ; (5) pour le grade V, 0,397–0,623 m/min, 36,8–49,3 MPa et 73,19–93,56 % ; (6) pour le grade VI, 0,623–1,905 m/min, 7,1–36,8 MPa et 93,56–100,00 %, respectivement. Les distributions d'épaisseur de chaque classe de qualité de résistance par les données de numérisation peuvent également être obtenues à 10,4 %, 18,2 %, 19,6 %, 23,9 %, 21,5 % et 6,4 % pour les classes de qualité I à VI, respectivement.

Les résultats d'analyse montrent que les données de numérisation peuvent offrir une référence supplémentaire, continue et quantitative pour les distributions spatiales détaillées des dépôts superficiels aux roches sédimentaires siliciclastiques et le profilage mécanique in-situ associé. Cette étude propose une méthode rentable pour améliorer la pratique de forage actuelle pour les tests in situ du profil de résistance et de la distribution spatiale des géomatériaux. De plus, les données de forage numérisées peuvent également être affectées par différentes perceuses et forets. Pour le même géomatériau foré, la vitesse de forage constante d'une perceuse de grande puissance ou d'un nouveau foret plus affûté doit être supérieure à la vitesse de forage constante d'une perceuse de faible puissance ou d'un ancien foret émoussé. Pour des applications plus larges de la nouvelle méthode à l'avenir, davantage d'études sur des foreuses et des trépans standardisés sont nécessaires pour développer un test standard d'investigation du sol in situ. De plus, le résultat du profil de résistance DPM le long du trou de forage peut être utilisé pour déterminer et prédire la déformation et l'effondrement des géomatériaux entourant le trou de forage.

On pense que le document comblera le vide de l'utilisation des données de forage massives en géophysique et en géologie, et qu'il fournira également un outil continu et rentable pour enregistrer et analyser les données factuelles des projets de forage en cours.

Les données utilisées dans cette étude sont accessibles au public sur Figshare à partir de https://doi.org/10.6084/m9.figshare.14979582.

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L'article a été partiellement soutenu par des subventions du Conseil des subventions de recherche de la région administrative spéciale de Hong Kong, République populaire de Chine (projets nos HKU 17207518 et R5037-18). Le premier auteur remercie également HKU pour sa bourse pour ses études de doctorat.

Département de génie civil, Université chinoise des géosciences (Pékin), Pékin, République populaire de Chine

XF Wang et ZJ Zhang

Département de génie géotechnique, Université de Tongji, Shanghai, République populaire de Chine

WV Yue

Département de génie civil, Université de Hong Kong, Hong Kong, République populaire de Chine

ZQ Yue

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Les contributions de XFW comprenaient la conceptualisation, la collecte de données, l'investigation, la méthodologie, la validation et la rédaction du projet original. Les contributions de ZJZ comprenaient l'administration du projet, la collecte de données, la révision et l'édition. Les contributions de WVY comprenaient l'administration, la révision et l'édition du projet. Les contributions de ZQY comprenaient la conceptualisation, l'acquisition de financement, la supervision, la révision et l'édition. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance avec ZQ ​​Yue.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Wang, XF, Zhang, ZJ, Yue, WV et al. Numérisation du procédé de forage rotatif hydraulique pour le profilage mécanique en continu des roches sédimentaires siliciclastiques. Sci Rep 13, 3701 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30837-z

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Reçu : 26 novembre 2022

Accepté : 02 mars 2023

Publié: 06 mars 2023

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

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