環境地質調查中智能直推隨鉆測量裝置的應用研究

孫平賀，周生偉，曹 函，高 強，程功弼，張 輝

(1.有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室(中南大學)，湖南 長沙 410083；2.有色資源與地質災害探查湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410083；3.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；4.江蘇蓋亞環境科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215000)

隨著工業向城市周邊地區的轉移，污染場地的面積越來越大，不僅對環境造成危害，而且也會阻礙城市的發展[1]，這些場地在開發前需進行環境地質調查與評估[2]。由于環境地質調查中污染場地土層的非均質性和空間異質性，定量精準評估其污染特性及其對人類健康潛在風險是一項非常重要而艱巨的任務[3]。

目前，環境地質調查主要采用取樣和原位調查兩種方式[4]，膜界面探測器(Membrane Interface Probe，MIP)是基于直推(Direct Push，DP)技術較為成熟的污染物原位調查設備之一，自上市以來已在不同國家進行了頻繁應用[5-7]。但在進行原位調查時存在地下溫度、壓力和地質非均質性等不確定性因素[8]的干擾，其中地質非均質性會對直推鉆進軌跡造成較大影響，而污染物的地下分布極不均勻[9]，且傳統直推鉆具主要由推進蓋帽、推進端頭和減震阻尼器等結構組成[10]，并不具備隨鉆測量、糾偏和導向的作用，在受礫石、鵝卵石等非均質條件的作用時[11]探測點位往往發生偏差，極大降低原位調查的準確度和價值，因此，需采取隨鉆軌跡精準調控技術進行環境地質調查。隨鉆軌跡精準調控技術已在煤礦領域得到廣泛應用[12-13]，而隨鉆測量(Measurement While Drilling，MWD)是軌跡精準控制的基礎和關鍵。MWD 在環境地質調查領域較少使用[14]，石油和煤礦領域使用的MWD 裝備孔徑和孔深較大[15]，不能滿足環境地質調查的需要。

本研究基于旋轉導向系統隨鉆測量裝置的工作原理，研究一種適用于環境地質調查的智能隨鉆測量裝置，以解決環境地質調查中直推鉆進軌跡偏斜而導致的調查結果不準確和可信度差的問題，同時可降低環境地質調查中對污染場地的擾動和地質非均質性對原位調查的影響，為鉆進軌跡調整提供設備基礎和數據支撐。

1 工作原理與方案設計

1.1 工作原理

智能隨鉆測量裝置在環境地質調查原位探測工作中，既可進行頂角θ、工具面角β和方位角α的實時監測；也可作為直推鉆具的組成部分傳遞直推鉆進壓力。同時，該測量裝置需采取弱擾動的工作形式來降低對場地揮發性污染物的擾動。

智能隨鉆測量裝置需與適用于環境地質調查的弱擾動導向鉆頭配合使用，整體結構如圖1 所示。該弱擾動導向鉆頭為直推鉆頭，僅在直推和糾偏狀態切換時發生轉動，可極大降低對地層的擾動。為適應該弱擾動導向鉆頭的工作需求，智能隨鉆測量裝置設有輸入軸和輸出軸，可直接與鉆頭連接實現近鉆頭隨鉆測量，該智能隨鉆測量裝置與常規近鉆頭測量系統結構不同[16-19]，不單獨設置接收裝置，通過線纜直接與計算機端連接，既可使用直流穩壓電源進行供能，也可實現孔內和地面的雙向信息傳遞[20]；在直流穩壓電源的供能下實時監測近鉆頭位置處的頂角θ、工具面角β和方位角α，并將監測參數傳輸至監測軟件進行實時顯示與儲存，為鉆進軌跡的調整提供數據基礎。

圖1 整體結構Fig.1 Overall structure

1.2 方案設計

針對環境地質調查工作的需求，基于結構組成、材料和弱擾動方法提出智能隨鉆測量裝置的結構設計方案：確定傳感器內置方式及有線傳輸的形式、采用高強度無磁材料加工裝置主體以降低磁場強度對隨鉆測量參數的影響、采用外管靜止內部單動的形式降低對環境地質調查中污染場地的擾動。智能隨鉆測量裝置的設計方案如圖2 所示，根據其布設位置不同，可分為地面部分和孔內部分，其中地面部分主要由計算機及監測軟件組成，二者相互配合實現孔內數據的接收、管理和存儲的工作；孔內部分的主要結構為傳感器，可分別設置磁通門傳感器和加速度傳感器進行磁場強度和加速度等參數的測量。鉆進過程中智能隨鉆測量裝置實時監測鉆頭位置處的頂角θ、方位角α以及工具面角β，并將所測數據傳輸至計算機監測軟件。

圖2 智能隨鉆測量裝置設計方案Fig.2 Design solution of intelligent MWD device

1.3 傳感器選型

在綜合考慮環境地質調查直推鉆具尺寸(外徑73 mm，內徑59 mm，總長630 mm)及姿態參數監測要求的基礎上，智能隨鉆測量裝置選用DS 系列微型定量傳感器，該傳感器包含3 軸磁通門傳感器和3 軸MEMS 加速度傳感器，可分別測量3 個方向上的磁性分量和重力分量，傳感器的技術指標見表1。

表1 微型定量傳感器性能參數Table 1 Performance parameters of miniature dosing sensor

微型定量傳感器具有體積小、精度高、抗振動和抗沖擊能力強等特點。頂角θ的測量通過3 軸加速度計X、Y、Z軸的加速度分量計算得到，其計算公式如下：

式中：θ為頂角，(°)；Gx為加速度計X軸分量，m/s2；Gy為加速度計Y軸分量，m/s2；Gz為加速度計Z軸分量，m/s2；g為重力加速度，m/s2。

此外，微型定量傳感器還可進行方位角和工具面角的監測。

1.4 結構組成

結合環境地質調查直推鉆進要求和微型定量傳感器外形結構，傳感器固定裝置采用弱擾動的單動形式，并實現傳感器與鉆頭和上部控制部件運動的一致性。智能隨鉆測量裝置的結構設計如圖3 所示，主要由無磁外管、單動固定裝置和微型定量傳感器組成，該隨鉆測量裝置外徑為73 mm，總長度為300 mm；無磁外管采用無磁材料7075 鋁合金進行加工，可降低對微型定量傳感器磁場強度測量的影響；該裝置采用通信電纜作為地面部分和孔內部分的信號連接設備，起到供能和傳輸數據的作用。

圖3 智能隨鉆測量裝置結構設計Fig.3 Structural design of Intelligent MWD device

該智能隨鉆測量裝置可實現環境地質調查直推鉆進的近鉆頭隨鉆測量，具有較高的鉆頭姿態參數測量精度；且該裝置整體不振動、不回轉，微型定量傳感器僅基于單動固定裝置在無磁外管內隨鉆頭轉動，可極大降低污染物的運移和揮發，提高場地原位調查的精度和價值。智能隨鉆測量裝置的組裝效果如圖4 所示。

圖4 隨鉆測量裝置組裝效果Fig.4 Assembly effect of the MWD device

2 室內實驗平臺

為了驗證智能隨鉆測量裝置的穩定性和可靠性，在已搭建的室內實驗平臺開展室內模擬研究。該平臺主要由直推模塊、液壓系統、調節模塊和操作-控制模塊組成，其采用直推的方式進行鉆進，將鏈條的運動作為直接動力來源，可實現不同角度下的精確直推鉆進和糾偏測試[21]，該平臺如圖5 所示。在該平臺的基礎上進行平臺監測模塊和監測軟件的開發設計，可為智能隨鉆測量裝置功能的室內驗證提供硬件和軟件基礎。

2.1 平臺監測模塊

監測模塊分別選用CYYZ11A 系列通用壓力變送器和TEC 磁致伸縮位移傳感器進行液壓馬達工作壓力和直推鉆進深度的監測，壓力變送器和磁致伸縮位移傳感器的參數見表2 和表3。

表2 壓力變送器性能參數Table 2 Performance parameters of pressure transmitter

表3 TEC 磁致伸縮位移傳感器性能參數Table 3 Performance parameters of TEC Magnetostrictive Displacement Sensors

其中，壓力變送器采用OEM 壓力傳感器作為信號測量元件，內部放大電路位于不銹鋼殼體內，將傳感器信號轉換為標準輸出信號。TEC 磁致伸縮位移傳感器選用方塊磁環，采用多個固定夾片將其固定在鉆進平臺臺架的側邊上，通過連接支架將磁環與鉆進平臺的直推動力模塊連接，壓力變送器和位移傳感器的安裝如圖6 所示。

圖6 傳感器安裝效果Fig.6 Sensor installation effect

2.2 監測軟件

監測軟件是基于微型定量傳感器和監測模塊等部分，采用模塊化思想進行搭建的綜合化、智能化的軟件系統。該軟件的核心功能為采集微型定量傳感器的姿態參數、壓力變送器的動力參數以及磁致伸縮位移傳感器的位置參數，軟件界面如圖7 所示。

圖7 監測軟件界面Fig.7 Monitoring software interface

監測軟件內置鉆進狀態識別算法，鉆進前可進行頂角閾值θlim的設置，鉆進過程中將微型定量傳感器監測頂角θ與閾值θlim實時對比，當θ＜θlim時，判定鉆具處于直推鉆進狀態；當θ≥θlim時，判定鉆具處于糾偏狀態；可為環境地質調查中直推鉆進軌跡的調整提供軟件和數據基礎。

3 室內試驗

在研制上述室內實驗平臺及其監測模塊和監測軟件的基礎上，構建模擬地層進行隨鉆測量裝置的功能性驗證。模擬地層由網紋紅土與石英砂組成，網紋紅土取自湖南省岳麓山腳下，取土深度約為3 m，土粒密度為2.71 g/cm3，天然含水率為23.83%～26.88%，天然密度為1.90～1.95 g/cm3，天然干密度為1.59～1.75 g/cm3[22]。室內直推鉆進流程與試驗分別如圖8 和圖9 所示。

圖8 室內直推鉆進流程Fig.8 Laboratory direct-push drilling process

圖9 室內驗證試驗Fig.9 Laboratory validation tests

在直推鉆進過程中，液壓油缸的輸入壓力控制在2.1 MPa，頂角、工具面角、方位角、鉆進深度和鉆進速度等參數均可在監測軟件中實時顯示與儲存，姿態參數監測界面和實測的上述數據分別如圖10 和圖11 所示。由于室內試驗空間的局限性，直推鉆進的深度較淺，最大直推鉆進深度為492.765 mm。鉆進過程中頂角和工具面角的波動較小，其中頂角的波動范圍為0～0.4°，主要分布區間為0.2°～0.4°；工具面角的變化范圍為252.7°～261.2°，最大變化率為3.25 %；方位角表示導向鉆頭的偏斜方位，其在鉆進過程中的偏斜方位不斷發生變化。由上述鉆頭姿態參數變化規律可知，在直推鉆進試驗中，智能隨鉆測量裝置性能穩定、適應性好，可滿足環境地質調查直推導向鉆進的功能性要求。同時，方位角的變化也反映出直推鉆進過程中偏斜的隨機性，考慮到現場地層條件的非均質性，進行環境地質調查隨鉆測量裝置的研制對直推鉆進軌跡控制十分必要。綜上，在淺層均質室內試驗環境中，該智能隨鉆測量裝置具有良好的穩定性和可靠性。

圖10 姿態參數監測界面Fig.10 Attitude parameter monitoring interface

圖11 鉆進參數監測Fig.11 Drilling parameter monitoring

4 現場試驗

本次現場試驗的目的為驗證智能隨鉆測量裝置的適配性和強度。在現場試驗過程中，根據鉆進深度選擇合適數量的鉆桿通過電纜線進行連接，具體連接形式如圖12 所示。

圖12 智能隨鉆測量裝置-鉆桿連接形式Fig.12 Intelligent MWD device-drill pipe connections

現場試驗在江蘇蘇州某工廠廠區進行，該地區地層以黏土和粉質黏土為主。本次現場試驗所用鉆機為GY-SR90 型直推鉆機，其最大推進力為160 kN，最大起拔力可達214 kN，鉆機在使用地錨的工況下在該場地的最大直推鉆進深度可達22 m，現場試驗如圖13所示。

圖13 現場直推鉆進試驗Fig.13 Field direct-push drilling test

本驗證試驗未安裝微型定量傳感器以避免因隨鉆測量裝置強度過低而導致裝置內置結構的破壞。通過上述直推鉆機，分別進行3 次鉆進深度為4.5 m 的直推鉆進試驗，直推鉆進速度為1.5 m/min，鉆進過程連續、穩定，未出現異常。試驗結束后進行隨鉆測量裝置磨損情況的檢查，其磨損情況如圖14 所示。

圖14 隨鉆測量裝置磨損情況Fig.14 Wear of MWD device

智能隨鉆測量裝置外管采用7075 鋁合金材質進行加工，在重復3 次試驗的過程中裝置自身未出現斷裂失效、與上部鉆桿連接處也未出現失效的情況。由圖14 可知，無磁外管和上部鉆桿連接位置處出現輕微損傷，考慮到深部鉆進時采用M4 螺絲連接可能會存在提升鉆具過程中剪切力過大而失效的情況，因此，在后續研究中需對裝置與其他部分的連接方式進行優化，不斷提高隨鉆測量裝置的強度和適配性。

5 結論

a.針對環境地質調查中現有鉆測一體化技術鉆進軌跡難以控制、探測點位偏差大的問題，研制了智能隨鉆測量裝置，通過裝置內設置微型定量傳感器進行孔內鉆頭姿態識別，為鉆進軌跡調整提供數據基礎，提高了環境地質調查中鉆測一體化靶向鉆進的精度。

b.研發適用于環境地質調查的智能隨鉆輕量化測量裝置，裝置的外徑為73 mm、長度為300 mm，且該裝置在隨鉆測量過程中外管不回轉，僅內部單動固定裝置隨鉆頭進行小范圍轉動，能夠極大降低對環境地質調查中污染場地的擾動；該裝置屬于近鉆頭測量，能夠提高鉆頭姿態監測的準確性。

c.研發配套監測軟件，可完成頂角、方位角和工具面角等參數的實時采集與存儲，監測精度為0.01 °。

d.搭建室內實驗平臺并進行現場試驗，試驗結果表明：頂角的變化范圍為0～0.4°、工具面角的變化率為3.25 %，智能隨鉆測量裝置具有較高的穩定性和可靠性；后續工作中需要不斷優化裝置結構、提高力學強度和增加適配性。