工程研究方法与测试技术

❶ 什么是检测技术

检测技术是将自动化、电子、计算机、控制工程、信息处理、机械等多种学科、多种技术融合为一体并综合运用的复合技术，广泛应用于交通、电力、冶金、化工、建材等各领域自动化装备及生产自动化过程。

检测技术的研究与应用，不仅具有重要的理论意义，符合当前及今后相当长时期内我国科技发展的战略，而且紧密结合国民经济的实际情况，对促进企业技术进步、传统工业技术改造和铁路技术装备的现代化有着重要的意义。

(1)工程研究方法与测试技术扩展阅读：

常规检测技术

1、超声检测（UT）

超声检测（UltrasonicTesting），业内人士简称UT，是工业无损检测（NondestructiveTesting）中应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术，可以用于产品制造中质量控制、原材料检验、改进工艺等多个方面，同时也是设备维护中不可或缺的手段之一。

2、渗透检测（PT）

渗透检测（PenetrantTesting），业内人士简称PT，是工业无损检测（NondestructiveTesting）应用最早的无损检测方法，由于渗透检测简单易操作，其在现代工业的各个领域都有广泛的应用。

❷ 三维测量技术的方法及应用

光学主动式三维测量

目前，主动式光学三维测量测量技术已广泛用于工业检测、反求工程、生物医学、机器视觉等领域。例如，复杂的叶轮和叶片的面形检测，汽车车身的检测，人类口腔牙型测量，整形外科效果评价，用于制鞋CAD的鞋楦三维数据采集，各种实物模型的三维信息记录与仿形等。三维高速度、高精度测量技术将随着测量方法的完善和信息获取与处理技术的改进而进一步发展，在新的更加广阔的研究和应用领域中发挥重要作用。

主动式光学非接触测量技术大体上可分为飞行时间法、主动三角法、莫尔轮廓术、投影结构光法、自动聚焦法、离焦法、全息干涉测量法、相移测量法等。以下对几种主要的方法进行以下简单介绍。

3.2.1.飞行时间法

飞行时间法是基于三维面形对结构光束产生的时间调制，一般采用激光，通过测量光波的飞行时间来获得距离信息，结合附加的扫描装置使光脉冲扫描整个待测对象就可以得到三维数据。飞行时间法以对信号检测的时间分辨率来换取距离测量精度，要得到高的测量精度，测量系统必须要有极高的时间分辨率，常用于大尺度远距离的测量。

3.2.2.干涉法

干涉测量是将一束相干光通过分光系统分成测量光和参考光，利用测量光波与参考光波的相干叠加来确定两束光之间的相位差，从而获得物体表面的深度信息。这种方法测量精度高，但测量范围受到光波波长的限制，只能测量微观表面的形貌和微小位移，不适于大尺度物体的检测。

3.2.3.主动三角法

光学三角法是最常用的一种光学三维测量技术，以传统的三角测量为基础，通过待测点相对于光学基准线偏移产生的角度变化计算该点的深度信息。根据具体照明方式的不同，光学三角法可分为两大类：被动三角法和基于结构光的主动三角法。双目视觉是典型的被动三维测量技术，它的优点在于其适应性强，可以在多种条件下灵活地测量物体的立体信息，缺点是需要大量的相关匹配运算以及较为复杂的空间几何参数的校准等问题，测量精度低，计算量较大，不适于精密计量，常用于三维目标的识别、理解以及位形分析等场合，在航空领域应用较多。主动三维测量技术根据三维面形对于结构光场的调制方式不同，可分为时间调制和空间调制两大类。飞行时间法是典型的时间调制方法，激光逐点扫描法、光切法和光栅投射法是典型的空间调制方法。

3.2.4.相移测量法

相移测量法是一种重要的三维测量方法，它采用正弦光栅投影和相移技术，投影在物体上的光栅，根据物体的高度而产生变形，变形的光栅图像叫做条纹图，它包含了三维信息。

相移法是一种在时间轴上的逐点运算，不会造成全面影响，计算量少。另外，这种方法具有一定抗静态噪声的能力。缺点是不能消除条纹中高频噪声引起的误差。在传统相移系统中，精确移动光栅的需要增加了系统的复杂性。而在数字相移系统中，用软件控制精确地实现相位移动。某些应用场合不允许测量多幅图像，但只要没有以上限制，相移法仍然是首选方案。

❸ 　土的原位测试技术的种类

土的原位测试方法很多，但可以归纳为下列两类：

（1）土层剖面测试法（logging or stratigraphic profiling methods）。它主要包括静力触探、动力触探、土的压入式板状膨胀仪测试及电阻率法等。土层剖面测试法具有可连续进行测试、快速、经济的优点。

（2）专门测试法（specific test methods）。它主要包括载荷测试、旁压测试、标准贯入测试、抽水和注水实验及十字板剪切测试等。土的专门测试法可得到土层中关键部位土的各种工程性质指标，精度高，测试成果可直接供设计部门使用。其精度一般可超过钻探和室内试验成果的精度。土的专门测试法和土层剖面测试法，经常配合使用，点面结合，既提高了勘测精度，又加快了勘测进度。表1—1为土的各种原位测试技术方法及其适用范围和所得指标的精度。此表基本按测试价格由低到高排列。前半部基本为剖面法，后半部基本为专门测试法。

从表1—1中可以看出，土的原位测试技术种类较多，且都有一定的适用范围，应根据实际情况加以选用。其中，静力触探测试和旁压测试应用得最广，精度也高，将重点加以介绍。

表1—1土的原位测试技术的适用范围及精度一览表

续表

注：A—很适用；B—适用；C—精度较差；——不适用；U—土的孔隙水压力；φ—土的内摩擦角；C_u—土的不排水抗剪强度；D_t—砂土相对密度；C_o—土的压缩系数；C_v—粘土固结系数；K—土的渗透系数；G—土的剪切模量；E—土的压缩模量；K₀—土的侧压力系数；OCR—土的超固结比。

在以后的章节中，每章按先概述后谈细节的统一写法贯穿始终。概述中主要写每种测试技术的发展史，国内外应用概况、种类及优缺点，以便读者对该测试技术有一总体了解。细节部分写每一种测试技术的方方面面，深入细致地论述各种问题，以便读者通过阅读可指导实践，学会应用或研究问题。细节部分写作顺序是测试基本原理、设备、操作要点、成果整理、影响测试成果精度的主要因素及相应的操作注意事项及对策，以及工程应用。

无数实践经验和理论计算证明，土的工程性质试验成果和精度，会因土类、状态、试验方法和技巧的不同而有较大出入。在测试方法中，以原位测试方法最为可靠，所求测试成果精度最高。工程设计中的土工计算成果的可靠性，主要取决于所选计算参数（土的工程性质测试指标）的准确性，所选参数精度的重要性远比所选的计算方法要重要得多。因此可以说，在工程勘察中，不进行原位测试是没有质量保证的；特别是在大型工程勘察中，它是不可缺少的手段。有了高质量的原位测试成果，才能进行可靠的工程设计，既不过于保守，浪费大量资金，又不过于冒险，造成安全问题。所以原位测试技术受到越来越大的重视。以全国性勘察规范和地基基础设计规范为例，自1974年11月1日起试行的全国通用的《工业与民用建筑地基基础设计规范》（TJ7-74）只在附录中列进了触探试验与单桩的静载荷试验要点，只在正文中“容许承载力”一节提到载荷试验与触探试验。自1978年5月1日起试行的全国通用的《工业与民用建筑工程地质勘察规范》（TJ21-77）在正文中列进了触探、载荷和十字板试验，并在附录中第一次列出静力触探试验要点，并较多地列出了单桥静力触探与动力触探指标与土的主要力学性质指标的关系。自1990年1月1日起施行的国家标准《建筑地基基础设计规范》（GBJ₇-89）在附录中增设了地基土载荷试验要点、岩基载荷试验要点、标准贯入与轻便触探试验要点，与（TJ7-74）规范比较，原位测试比重增加了。自1995年3月1日起实施的《岩土工程勘察规范》（GB500 21-94）第一次将原位测试单独列为一章，计有载荷试验、静力触探试验、圆锥动力触探试验、标准贯入试验、十字板剪切试验、旁压试验、现场剪切试验、波速测试、岩体原位应力测试及块体基础振动测试。绝大部分为土体原位测试，本书都已包括。该规范中的原位测试技术比重已远远超过（TJ21-77）规范，并对各项测试技术的适用范围、仪器主要部件的规格、测试要点、成果分析与应用等作了规定。此外，自80年代后期以来，各项原位测试技术规程也陆续出台，主要有原水电部《土工试验规程》（SDI28-86）第二分册（原位测试部分），铁道部《静力触探技术规则》（TBJ37-93），建设部《PY型预钻式旁压试验规程》（JGJ69-90）等行业标准。从以上资料可以看出，原位测试技术的重要性正在逐渐被广泛承认，测试技术逐渐成熟，相应法规日趋完善，它将发挥越来越大的作用。

在阅读本书过程中，对初学者来说，建议既要掌握测试方法，又要懂得原理和应用。因为学会测试方法，才会使用仪器设备进行工程勘察和研究；懂得了原理和影响精度的因素，才能提高测试精度和灵活运用，避免测试的盲目性；懂得成果的应用才是原位测试的目的所在，也是指导测试的原则。对于技术人员和研究人员，书中大量公式和图表可供参考，原理、问题讨论及影响测试精度的因素等提供了深入研究的空间，也会使读者从中受益。

❹ 研究思路与技术路线

1.4.1 几点启示和有待进一步探索的问题

由国内外已有研究成果可获得以下几点启示和有待探索的问题。

1.4.1.1 关于高地应力

(1)高地应力的形成，首先取决于高地应力的来源，或是构造应力，或是自重应力，或是两者的叠加等，这是产生高地应力的必要条件。研究高地应力的形成，应从地应力环境形成演化过程进行分析。

(2)在同样的力源条件下，载体(岩体)储存地应力的能力与载体的性能有关，包括其材料的强度和弹性(变形)模量以及它的结构特征等。载体性能的差异和不均匀，将造成地应力储存量级的差别和分异。这是在研究高地应力发育分布规律时应特别注意的。

(3)从人类工程实践角度考虑，高地应力的界定应以它产生的特殊地质作用为标志，例如地震、断裂活化、基坑爆裂、地下硐室中的岩爆、大变形以及钻孔中的岩心裂饼等。否则，对它的界定就失去了实际的应用价值。

1.4.1.2 关于岩爆

(1)岩爆理论问题的核心是岩爆形成的力学机制。它是岩爆定义界定和岩爆裂度划分的重要依据。对这一理论的深化，要从两方面着手。一方面是岩爆现象的现场观察，它是1：1的原型模拟试验，丰富的现场资料，是确定岩爆力学机制的最重要的基础资料；另一方面，是岩石岩爆机制的室内力学试验研究，开展卸荷条件下岩石变形破裂全过程试验是岩爆室内物理模拟的重要途径和有效方法，它可揭示岩爆过程中变形破裂的演化过程。

(2)岩爆烈度分级在隧道工程实践中具有广泛应用价值。它不仅是隧道工程设计的依据，也是施工部门制定施工方案拟定防范对策的依据。从施工实践应用角度考虑，分级的依据应便于鉴别，便于操作，便于与防治措施对照，并且可用于作为预测预报的信息。

(3)岩爆(或大变形)的预测预报应将地质分析预报和监测信息预报两者结合起来。后者固然可以采用一些精密的仪器，但是隧道开挖施工的实际情况很难为仪器安装提供必要的条件，为了不影响施工进程，测试必须在放炮后钻眼之前完成，如果滞后开挖面进程时间太长，也就起不到及时预报的效果。因而采取更为简便易操作并能取得实效的监测手段，是一个努力的方向。

1.4.2 研究思路与研究原则

1.4.2.1 研究思路

鉴于以上认识，结合二郎山隧道工程的实际情况，确定了本项目的如下研究思路。

(1)采用地应力常规测试和Kaiser效应测试，补充必要的地应力场的实测资料，通过数值模拟，全过程再现地应力场的形式演化过程，进而掌握隧道区高地应力的形成机制和地应力场的发育分布规律。

(2)以岩爆的现场调研为基础，配合室内岩爆力学机制的实验研究，建立岩爆形成力学机制模型，制定更为合理实用的岩爆烈度分级和防治方案。

(3)以施工地质工作为基础，采取地质分析与现场监测相结合的方法，建立一套便于操作、取得实效的岩爆(大变形)的预测预报方法。

这一套研究思路，可概括为“形成演化机制分析与量化评价相结合”的研究思路。

1.4.2.2 研究原则

这是一项生产性科研，其中含有一些重要的理论问题，但必须以解决生产实际问题为前提，保证研究能及时向生产单位提供有价值的研究成果，为此制定了下列研究原则。

(1)采取现场施工跟踪研究方法。紧密结合工程实践，对隧道施工中围岩的变形破裂现场跟踪观察。在隧道贯通以前，始终有研究人员坚守在现场，掌握施工进程中出现的问题，及时做出分析判断，向生产施工部门报告。

(2)采用一些新的现场测试手段和方法，迅速准确获得围岩应力应变和变形破坏的新信息。研究中还创新地提出了一些新的测试方法，如岩体结构测氡勘测、围岩变形跟踪监测预报系统(TMS)、围岩二次应力改进型(W型)门塞式应力恢复测试法等，取得了明显的实效。

(3)通过对已开挖硐段围岩变形破裂发育分布规律的认识以及监测、测试提供的信息，预测前进方向可能出现的围岩稳定性问题，从而指导施工单位事先采取有效的工程防范措施，防患于未然。

(4)与隧道设计、施工、监理和主管部门紧密配合，及时互通情况，掌握工程进程中不断出现的新问题，根据实际情况调整工程进程的工作内容(见第11章)。

1.4.3 技术路线

根据拟定的研究思路与研究原则，制定了如图1-4所示技术路线与程序框图。

图1-4 技术路线与程序框图

Fig.1-4 Research approach and Scheme

❺ 　油藏工程研究和油藏数值模拟技术

油藏工程研究是一项系统工程，在油藏地质特征认识的基础上研究确定油田开发方针、原则、层系划分、开采方式、天然能量利用、注水方式、注水时机、压力保持水平、开发井井距、合理采油速度、投产次序、实施要求、生产指标预测等一系列问题，最终确定油田总体开发方案。

由于油田实际情况十分复杂，而海上油田又受到诸多条件限制，在油田方案编制过程中对于那些不确定因素，主要采用全体油藏模型或辅助模型的敏感性分析予以解决。随着油田投产后静态及动态资料增加，还需要修改原有的地质模型，通过全体油藏模型数值模拟研究加深对地质模型的新认识，并在油田生产历史拟合基础上进行生产预测。

因此，油藏数值模拟技术是油藏工程研究、油田动态分析中的一项十分重要的手段。

中国海油的油藏数值模拟研究起步于20世纪80年代初。为了尽快缩短这项技术与国际先进水平的差距，当时从美国岩心公司引进3套大型油藏模拟软件（黑油模型软件、组分模型软件、裂缝模型软件），购置了计算机设备，用于埕北油田、渤中34-2/4油田、渤中28-1油田、涠洲10-3油田、惠州21-1油田的油藏工程研究。80年代后期，利用世界银行贷款和中国海油出资从美国SSI公司引进compⅡ、Ⅲ、Ⅳ模型软件，并装备了VAX8650型计算机，用于锦州20-2凝析气田总体开发方案及射孔方案的编制、渤中28-1油田生产历史拟合、流花11-1油田、绥中36-1油田试验区、锦州9-3油田方案编制。

必须指出的是，由于不同时期应用的模拟软件及计算机设备的差别，研究成果的精度有较大的差别。

就以模型网格设计来看，它要求与油藏地质模式、油藏类型相符合，又必须与所使用的计算机运算能力相适应。以埕北油田为例，在80年代初编制A、B平台射孔方案时，由于计算机内存较小、运算速度较慢，因此模拟网格设置较粗。该油田面积虽不大，但水体即为油藏含油面积的100多倍，而且已钻完54口开发井，油层分为上、下互相连通的5个不同渗透性小层，受计算机能力的限制，在设置全体油藏模型网格时不得不将纵向上5个层合并为2层，采用的网格数仅为1344个。同是这个油田，90年代初在研究油田注水可行性、生产预测时在纵向上就采用了5个层，全体油藏模型的网格数为4485个，使节点数增加了3倍，为较高精度油藏数值模拟创造了条件。

90年代中后期，又从SSI公司引进WORKBENCH、从GeoQuest公司引进Eclipse模型软件。通过每年支付一定数额维护费方式从软件公司及时获得最新软件版本，保证模拟软件的先进性。在充分利用取得的三维地震资料、岩心描述和测井数据，通过对油藏精细描述，弄清了油田储集层分布及变化、孔隙结构、油水分布规律，建立了油田地质模型、油藏模型这样一个完整的模拟体系。这项技术应用于绥中36-1油田试验区可采储量标定、秦皇岛32-6油田开发方案编制、流花11-1油田动态分析中。例如在绥中36-1油田试验区可采储量标定时，采用Eclipse模型软件，按照试验区实际情况建立油藏模型网格节点就多达28244个，秦皇岛32-6油田总体开发方案编制时所采用模型网格节点数高达188160个，流花11-1油田在动态历史拟合及生产预测时采用Eclipse模型软件，使预测结果更加接近油田的实际生产指标。

总之，应用最新油藏数值模拟软件以及计算机功能的增强，为高精度油藏数值模拟创造了必要条件。

海上油气田的开发实践充分表明，油藏数值模拟技术不仅在油气田评价和总体开发方案编制阶段是必不可少的，而且在方案实施进程中、开采过程中的动态分析、调整措施确定、注水方案制定、生产前景预测以及可采储量研究中也十分重要。

一、编制油田开发方案和射孔方案

（一）建立与地质模式相适应的油藏模型

埕北油田是我国在海上第一个与外国石油公司合作开发的油田。该油田位于渤海湾西部海域，于1972年由中方发现，探明石油地质储量2084×10⁴t，是一个具有气顶和边水的构造

层状油藏。1977年底至1981年10月，油田经过历时4年的试采，查明了油田驱动类型、边水能量及油气水性质等，为编制油田开发方案积累了重要数据。

1980年5月与日中石油开发株式会社签订合作开发埕北油田的合同，中、日双方合作进行以油田地质、油藏数值模拟为主要内容的综合研究。油藏数值模拟研究包括下列内容：①模型建立；②油藏模型建成后，输入各种网格参数和油水、油气界面数据，模型自动计算地质储量；③模拟限制条件和不确定因素敏感性分析；④油藏模拟生产历史拟合，通过全体模型模拟试采阶段生产历史和生产预测；⑤利用单井径向模型进行油井底水锥进研究。

在此基础上编制油田开发方案，方案预测油田以年产47×10⁴t稳产2年，采油速度2.3%，开采15年（至2000年）累积产油418.8×10⁴t，采出程度20.1%，综合含水87.5%。油田自1985年9月、1987年1月（B、A平台）投产以来，在没有进行大的方案调整情况下，截至1996年油田已累积产油429×10⁴t，采出程度20.6%，综合含水81.2%，提前4年实现方案预计15年的生产指标（图9-30）。

锦州20-2凝析气田气资源的动态核实结果，为制定今后凝析气田开采方案提供了可靠的资料依据。