工程研究方法與測試技術

❶ 什麼是檢測技術

檢測技術是將自動化、電子、計算機、控制工程、信息處理、機械等多種學科、多種技術融合為一體並綜合運用的復合技術，廣泛應用於交通、電力、冶金、化工、建材等各領域自動化裝備及生產自動化過程。

檢測技術的研究與應用，不僅具有重要的理論意義，符合當前及今後相當長時期內我國科技發展的戰略，而且緊密結合國民經濟的實際情況，對促進企業技術進步、傳統工業技術改造和鐵路技術裝備的現代化有著重要的意義。

(1)工程研究方法與測試技術擴展閱讀：

常規檢測技術

1、超聲檢測（UT）

超聲檢測（UltrasonicTesting），業內人士簡稱UT，是工業無損檢測（NondestructiveTesting）中應用最廣泛、使用頻率最高且發展較快的一種無損檢測技術，可以用於產品製造中質量控制、原材料檢驗、改進工藝等多個方面，同時也是設備維護中不可或缺的手段之一。

2、滲透檢測（PT）

滲透檢測（PenetrantTesting），業內人士簡稱PT，是工業無損檢測（NondestructiveTesting）應用最早的無損檢測方法，由於滲透檢測簡單易操作，其在現代工業的各個領域都有廣泛的應用。

❷ 三維測量技術的方法及應用

光學主動式三維測量

目前，主動式光學三維測量測量技術已廣泛用於工業檢測、反求工程、生物醫學、機器視覺等領域。例如，復雜的葉輪和葉片的面形檢測，汽車車身的檢測，人類口腔牙型測量，整形外科效果評價，用於製鞋CAD的鞋楦三維數據採集，各種實物模型的三維信息記錄與仿形等。三維高速度、高精度測量技術將隨著測量方法的完善和信息獲取與處理技術的改進而進一步發展，在新的更加廣闊的研究和應用領域中發揮重要作用。

主動式光學非接觸測量技術大體上可分為飛行時間法、主動三角法、莫爾輪廓術、投影結構光法、自動聚焦法、離焦法、全息干涉測量法、相移測量法等。以下對幾種主要的方法進行以下簡單介紹。

3.2.1.飛行時間法

飛行時間法是基於三維面形對結構光束產生的時間調制，一般採用激光，通過測量光波的飛行時間來獲得距離信息，結合附加的掃描裝置使光脈沖掃描整個待測對象就可以得到三維數據。飛行時間法以對信號檢測的時間解析度來換取距離測量精度，要得到高的測量精度，測量系統必須要有極高的時間解析度，常用於大尺度遠距離的測量。

3.2.2.干涉法

干涉測量是將一束相干光通過分光系統分成測量光和參考光，利用測量光波與參考光波的相干疊加來確定兩束光之間的相位差，從而獲得物體表面的深度信息。這種方法測量精度高，但測量范圍受到光波波長的限制，只能測量微觀表面的形貌和微小位移，不適於大尺度物體的檢測。

3.2.3.主動三角法

光學三角法是最常用的一種光學三維測量技術，以傳統的三角測量為基礎，通過待測點相對於光學基準線偏移產生的角度變化計算該點的深度信息。根據具體照明方式的不同，光學三角法可分為兩大類：被動三角法和基於結構光的主動三角法。雙目視覺是典型的被動三維測量技術，它的優點在於其適應性強，可以在多種條件下靈活地測量物體的立體信息，缺點是需要大量的相關匹配運算以及較為復雜的空間幾何參數的校準等問題，測量精度低，計算量較大，不適於精密計量，常用於三維目標的識別、理解以及位形分析等場合，在航空領域應用較多。主動三維測量技術根據三維面形對於結構光場的調制方式不同，可分為時間調制和空間調制兩大類。飛行時間法是典型的時間調制方法，激光逐點掃描法、光切法和光柵投射法是典型的空間調制方法。

3.2.4.相移測量法

相移測量法是一種重要的三維測量方法，它採用正弦光柵投影和相移技術，投影在物體上的光柵，根據物體的高度而產生變形，變形的光柵圖像叫做條紋圖，它包含了三維信息。

相移法是一種在時間軸上的逐點運算，不會造成全面影響，計算量少。另外，這種方法具有一定抗靜態雜訊的能力。缺點是不能消除條紋中高頻雜訊引起的誤差。在傳統相移系統中，精確移動光柵的需要增加了系統的復雜性。而在數字相移系統中，用軟體控制精確地實現相位移動。某些應用場合不允許測量多幅圖像，但只要沒有以上限制，相移法仍然是首選方案。

❸ 　土的原位測試技術的種類

土的原位測試方法很多，但可以歸納為下列兩類：

（1）土層剖面測試法（logging or stratigraphic profiling methods）。它主要包括靜力觸探、動力觸探、土的壓入式板狀膨脹儀測試及電阻率法等。土層剖面測試法具有可連續進行測試、快速、經濟的優點。

（2）專門測試法（specific test methods）。它主要包括載荷測試、旁壓測試、標准貫入測試、抽水和注水實驗及十字板剪切測試等。土的專門測試法可得到土層中關鍵部位土的各種工程性質指標，精度高，測試成果可直接供設計部門使用。其精度一般可超過鑽探和室內試驗成果的精度。土的專門測試法和土層剖面測試法，經常配合使用，點面結合，既提高了勘測精度，又加快了勘測進度。表1—1為土的各種原位測試技術方法及其適用范圍和所得指標的精度。此表基本按測試價格由低到高排列。前半部基本為剖面法，後半部基本為專門測試法。

從表1—1中可以看出，土的原位測試技術種類較多，且都有一定的適用范圍，應根據實際情況加以選用。其中，靜力觸探測試和旁壓測試應用得最廣，精度也高，將重點加以介紹。

表1—1土的原位測試技術的適用范圍及精度一覽表

續表

註：A—很適用；B—適用；C—精度較差；——不適用；U—土的孔隙水壓力；φ—土的內摩擦角；C_u—土的不排水抗剪強度；D_t—砂土相對密度；C_o—土的壓縮系數；C_v—粘土固結系數；K—土的滲透系數；G—土的剪切模量；E—土的壓縮模量；K₀—土的側壓力系數；OCR—土的超固結比。

在以後的章節中，每章按先概述後談細節的統一寫法貫穿始終。概述中主要寫每種測試技術的發展史，國內外應用概況、種類及優缺點，以便讀者對該測試技術有一總體了解。細節部分寫每一種測試技術的方方面面，深入細致地論述各種問題，以便讀者通過閱讀可指導實踐，學會應用或研究問題。細節部分寫作順序是測試基本原理、設備、操作要點、成果整理、影響測試成果精度的主要因素及相應的操作注意事項及對策，以及工程應用。

無數實踐經驗和理論計算證明，土的工程性質試驗成果和精度，會因土類、狀態、試驗方法和技巧的不同而有較大出入。在測試方法中，以原位測試方法最為可靠，所求測試成果精度最高。工程設計中的土工計算成果的可靠性，主要取決於所選計算參數（土的工程性質測試指標）的准確性，所選參數精度的重要性遠比所選的計算方法要重要得多。因此可以說，在工程勘察中，不進行原位測試是沒有質量保證的；特別是在大型工程勘察中，它是不可缺少的手段。有了高質量的原位測試成果，才能進行可靠的工程設計，既不過於保守，浪費大量資金，又不過於冒險，造成安全問題。所以原位測試技術受到越來越大的重視。以全國性勘察規范和地基基礎設計規范為例，自1974年11月1日起試行的全國通用的《工業與民用建築地基基礎設計規范》（TJ7-74）只在附錄中列進了觸探試驗與單樁的靜載荷試驗要點，只在正文中「容許承載力」一節提到載荷試驗與觸探試驗。自1978年5月1日起試行的全國通用的《工業與民用建築工程地質勘察規范》（TJ21-77）在正文中列進了觸探、載荷和十字板試驗，並在附錄中第一次列出靜力觸探試驗要點，並較多地列出了單橋靜力觸探與動力觸探指標與土的主要力學性質指標的關系。自1990年1月1日起施行的國家標准《建築地基基礎設計規范》（GBJ₇-89）在附錄中增設了地基土載荷試驗要點、岩基載荷試驗要點、標准貫入與輕便觸探試驗要點，與（TJ7-74）規范比較，原位測試比重增加了。自1995年3月1日起實施的《岩土工程勘察規范》（GB500 21-94）第一次將原位測試單獨列為一章，計有載荷試驗、靜力觸探試驗、圓錐動力觸探試驗、標准貫入試驗、十字板剪切試驗、旁壓試驗、現場剪切試驗、波速測試、岩體原位應力測試及塊體基礎振動測試。絕大部分為土體原位測試，本書都已包括。該規范中的原位測試技術比重已遠遠超過（TJ21-77）規范，並對各項測試技術的適用范圍、儀器主要部件的規格、測試要點、成果分析與應用等作了規定。此外，自80年代後期以來，各項原位測試技術規程也陸續出台，主要有原水電部《土工試驗規程》（SDI28-86）第二分冊（原位測試部分），鐵道部《靜力觸探技術規則》（TBJ37-93），建設部《PY型預鑽式旁壓試驗規程》（JGJ69-90）等行業標准。從以上資料可以看出，原位測試技術的重要性正在逐漸被廣泛承認，測試技術逐漸成熟，相應法規日趨完善，它將發揮越來越大的作用。

在閱讀本書過程中，對初學者來說，建議既要掌握測試方法，又要懂得原理和應用。因為學會測試方法，才會使用儀器設備進行工程勘察和研究；懂得了原理和影響精度的因素，才能提高測試精度和靈活運用，避免測試的盲目性；懂得成果的應用才是原位測試的目的所在，也是指導測試的原則。對於技術人員和研究人員，書中大量公式和圖表可供參考，原理、問題討論及影響測試精度的因素等提供了深入研究的空間，也會使讀者從中受益。

❹ 研究思路與技術路線

1.4.1 幾點啟示和有待進一步探索的問題

由國內外已有研究成果可獲得以下幾點啟示和有待探索的問題。

1.4.1.1 關於高地應力

(1)高地應力的形成，首先取決於高地應力的來源，或是構造應力，或是自重應力，或是兩者的疊加等，這是產生高地應力的必要條件。研究高地應力的形成，應從地應力環境形成演化過程進行分析。

(2)在同樣的力源條件下，載體(岩體)儲存地應力的能力與載體的性能有關，包括其材料的強度和彈性(變形)模量以及它的結構特徵等。載體性能的差異和不均勻，將造成地應力儲存量級的差別和分異。這是在研究高地應力發育分布規律時應特別注意的。

(3)從人類工程實踐角度考慮，高地應力的界定應以它產生的特殊地質作用為標志，例如地震、斷裂活化、基坑爆裂、地下硐室中的岩爆、大變形以及鑽孔中的岩心裂餅等。否則，對它的界定就失去了實際的應用價值。

1.4.1.2 關於岩爆

(1)岩爆理論問題的核心是岩爆形成的力學機制。它是岩爆定義界定和岩爆裂度劃分的重要依據。對這一理論的深化，要從兩方面著手。一方面是岩爆現象的現場觀察，它是1：1的原型模擬試驗，豐富的現場資料，是確定岩爆力學機制的最重要的基礎資料；另一方面，是岩石岩爆機制的室內力學試驗研究，開展卸荷條件下岩石變形破裂全過程試驗是岩爆室內物理模擬的重要途徑和有效方法，它可揭示岩爆過程中變形破裂的演化過程。

(2)岩爆烈度分級在隧道工程實踐中具有廣泛應用價值。它不僅是隧道工程設計的依據，也是施工部門制定施工方案擬定防範對策的依據。從施工實踐應用角度考慮，分級的依據應便於鑒別，便於操作，便於與防治措施對照，並且可用於作為預測預報的信息。

(3)岩爆(或大變形)的預測預報應將地質分析預報和監測信息預報兩者結合起來。後者固然可以採用一些精密的儀器，但是隧道開挖施工的實際情況很難為儀器安裝提供必要的條件，為了不影響施工進程，測試必須在放炮後鑽眼之前完成，如果滯後開挖面進程時間太長，也就起不到及時預報的效果。因而採取更為簡便易操作並能取得實效的監測手段，是一個努力的方向。

1.4.2 研究思路與研究原則

1.4.2.1 研究思路

鑒於以上認識，結合二郎山隧道工程的實際情況，確定了本項目的如下研究思路。

(1)採用地應力常規測試和Kaiser效應測試，補充必要的地應力場的實測資料，通過數值模擬，全過程再現地應力場的形式演化過程，進而掌握隧道區高地應力的形成機制和地應力場的發育分布規律。

(2)以岩爆的現場調研為基礎，配合室內岩爆力學機制的實驗研究，建立岩爆形成力學機制模型，制定更為合理實用的岩爆烈度分級和防治方案。

(3)以施工地質工作為基礎，採取地質分析與現場監測相結合的方法，建立一套便於操作、取得實效的岩爆(大變形)的預測預報方法。

這一套研究思路，可概括為「形成演化機制分析與量化評價相結合」的研究思路。

1.4.2.2 研究原則

這是一項生產性科研，其中含有一些重要的理論問題，但必須以解決生產實際問題為前提，保證研究能及時向生產單位提供有價值的研究成果，為此制定了下列研究原則。

(1)採取現場施工跟蹤研究方法。緊密結合工程實踐，對隧道施工中圍岩的變形破裂現場跟蹤觀察。在隧道貫通以前，始終有研究人員堅守在現場，掌握施工進程中出現的問題，及時做出分析判斷，向生產施工部門報告。

(2)採用一些新的現場測試手段和方法，迅速准確獲得圍岩應力應變和變形破壞的新信息。研究中還創新地提出了一些新的測試方法，如岩體結構測氡勘測、圍岩變形跟蹤監測預報系統(TMS)、圍岩二次應力改進型(W型)門塞式應力恢復測試法等，取得了明顯的實效。

(3)通過對已開挖硐段圍岩變形破裂發育分布規律的認識以及監測、測試提供的信息，預測前進方向可能出現的圍岩穩定性問題，從而指導施工單位事先採取有效的工程防範措施，防患於未然。

(4)與隧道設計、施工、監理和主管部門緊密配合，及時互通情況，掌握工程進程中不斷出現的新問題，根據實際情況調整工程進程的工作內容(見第11章)。

1.4.3 技術路線

根據擬定的研究思路與研究原則，制定了如圖1-4所示技術路線與程序框圖。

圖1-4 技術路線與程序框圖

Fig.1-4 Research approach and Scheme

❺ 　油藏工程研究和油藏數值模擬技術

油藏工程研究是一項系統工程，在油藏地質特徵認識的基礎上研究確定油田開發方針、原則、層系劃分、開采方式、天然能量利用、注水方式、注水時機、壓力保持水平、開發井井距、合理採油速度、投產次序、實施要求、生產指標預測等一系列問題，最終確定油田總體開發方案。

由於油田實際情況十分復雜，而海上油田又受到諸多條件限制，在油田方案編制過程中對於那些不確定因素，主要採用全體油藏模型或輔助模型的敏感性分析予以解決。隨著油田投產後靜態及動態資料增加，還需要修改原有的地質模型，通過全體油藏模型數值模擬研究加深對地質模型的新認識，並在油田生產歷史擬合基礎上進行生產預測。

因此，油藏數值模擬技術是油藏工程研究、油田動態分析中的一項十分重要的手段。

中國海油的油藏數值模擬研究起步於20世紀80年代初。為了盡快縮短這項技術與國際先進水平的差距，當時從美國岩心公司引進3套大型油藏模擬軟體（黑油模型軟體、組分模型軟體、裂縫模型軟體），購置了計算機設備，用於埕北油田、渤中34-2/4油田、渤中28-1油田、潿洲10-3油田、惠州21-1油田的油藏工程研究。80年代後期，利用世界銀行貸款和中國海油出資從美國SSI公司引進compⅡ、Ⅲ、Ⅳ模型軟體，並裝備了VAX8650型計算機，用於錦州20-2凝析氣田總體開發方案及射孔方案的編制、渤中28-1油田生產歷史擬合、流花11-1油田、綏中36-1油田試驗區、錦州9-3油田方案編制。

必須指出的是，由於不同時期應用的模擬軟體及計算機設備的差別，研究成果的精度有較大的差別。

就以模型網格設計來看，它要求與油藏地質模式、油藏類型相符合，又必須與所使用的計算機運算能力相適應。以埕北油田為例，在80年代初編制A、B平台射孔方案時，由於計算機內存較小、運算速度較慢，因此模擬網格設置較粗。該油田面積雖不大，但水體即為油藏含油麵積的100多倍，而且已鑽完54口開發井，油層分為上、下互相連通的5個不同滲透性小層，受計算機能力的限制，在設置全體油藏模型網格時不得不將縱向上5個層合並為2層，採用的網格數僅為1344個。同是這個油田，90年代初在研究油田注水可行性、生產預測時在縱向上就採用了5個層，全體油藏模型的網格數為4485個，使節點數增加了3倍，為較高精度油藏數值模擬創造了條件。

90年代中後期，又從SSI公司引進WORKBENCH、從GeoQuest公司引進Eclipse模型軟體。通過每年支付一定數額維護費方式從軟體公司及時獲得最新軟體版本，保證模擬軟體的先進性。在充分利用取得的三維地震資料、岩心描述和測井數據，通過對油藏精細描述，弄清了油田儲集層分布及變化、孔隙結構、油水分布規律，建立了油田地質模型、油藏模型這樣一個完整的模擬體系。這項技術應用於綏中36-1油田試驗區可采儲量標定、秦皇島32-6油田開發方案編制、流花11-1油田動態分析中。例如在綏中36-1油田試驗區可采儲量標定時，採用Eclipse模型軟體，按照試驗區實際情況建立油藏模型網格節點就多達28244個，秦皇島32-6油田總體開發方案編制時所採用模型網格節點數高達188160個，流花11-1油田在動態歷史擬合及生產預測時採用Eclipse模型軟體，使預測結果更加接近油田的實際生產指標。

總之，應用最新油藏數值模擬軟體以及計算機功能的增強，為高精度油藏數值模擬創造了必要條件。

海上油氣田的開發實踐充分表明，油藏數值模擬技術不僅在油氣田評價和總體開發方案編制階段是必不可少的，而且在方案實施進程中、開采過程中的動態分析、調整措施確定、注水方案制定、生產前景預測以及可采儲量研究中也十分重要。

一、編制油田開發方案和射孔方案

（一）建立與地質模式相適應的油藏模型

埕北油田是我國在海上第一個與外國石油公司合作開發的油田。該油田位於渤海灣西部海域，於1972年由中方發現，探明石油地質儲量2084×10⁴t，是一個具有氣頂和邊水的構造

層狀油藏。1977年底至1981年10月，油田經過歷時4年的試采，查明了油田驅動類型、邊水能量及油氣水性質等，為編制油田開發方案積累了重要數據。

1980年5月與日中石油開發株式會社簽訂合作開發埕北油田的合同，中、日雙方合作進行以油田地質、油藏數值模擬為主要內容的綜合研究。油藏數值模擬研究包括下列內容：①模型建立；②油藏模型建成後，輸入各種網格參數和油水、油氣界面數據，模型自動計算地質儲量；③模擬限制條件和不確定因素敏感性分析；④油藏模擬生產歷史擬合，通過全體模型模擬試采階段生產歷史和生產預測；⑤利用單井徑向模型進行油井底水錐進研究。

在此基礎上編制油田開發方案，方案預測油田以年產47×10⁴t穩產2年，採油速度2.3%，開采15年（至2000年）累積產油418.8×10⁴t，采出程度20.1%，綜合含水87.5%。油田自1985年9月、1987年1月（B、A平台）投產以來，在沒有進行大的方案調整情況下，截至1996年油田已累積產油429×10⁴t，采出程度20.6%，綜合含水81.2%，提前4年實現方案預計15年的生產指標（圖9-30）。

錦州20-2凝析氣田氣資源的動態核實結果，為制定今後凝析氣田開采方案提供了可靠的資料依據。