環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中智能直推隨鉆測量裝置的應(yīng)用研究

孫平賀，周生偉，曹 函，高 強(qiáng)，程功弼，張 輝

(1.有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中南大學(xué))，湖南 長沙 410083；2.有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探查湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083；3.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；4.江蘇蓋亞環(huán)境科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215000)

隨著工業(yè)向城市周邊地區(qū)的轉(zhuǎn)移，污染場地的面積越來越大，不僅對環(huán)境造成危害，而且也會阻礙城市的發(fā)展[1]，這些場地在開發(fā)前需進(jìn)行環(huán)境地質(zhì)調(diào)查與評估[2]。由于環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中污染場地土層的非均質(zhì)性和空間異質(zhì)性，定量精準(zhǔn)評估其污染特性及其對人類健康潛在風(fēng)險(xiǎn)是一項(xiàng)非常重要而艱巨的任務(wù)[3]。

目前，環(huán)境地質(zhì)調(diào)查主要采用取樣和原位調(diào)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(shù)較為成熟的污染物原位調(diào)查設(shè)備之一，自上市以來已在不同國家進(jìn)行了頻繁應(yīng)用[5-7]。但在進(jìn)行原位調(diào)查時(shí)存在地下溫度、壓力和地質(zhì)非均質(zhì)性等不確定性因素[8]的干擾，其中地質(zhì)非均質(zhì)性會對直推鉆進(jìn)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(tǒng)直推鉆具主要由推進(jìn)蓋帽、推進(jìn)端頭和減震阻尼器等結(jié)構(gòu)組成[10]，并不具備隨鉆測量、糾偏和導(dǎo)向的作用，在受礫石、鵝卵石等非均質(zhì)條件的作用時(shí)[11]探測點(diǎn)位往往發(fā)生偏差，極大降低原位調(diào)查的準(zhǔn)確度和價(jià)值，因此，需采取隨鉆軌跡精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)進(jìn)行環(huán)境地質(zhì)調(diào)查。隨鉆軌跡精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)已在煤礦領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[12-13]，而隨鉆測量(Measurement While Drilling，MWD)是軌跡精準(zhǔn)控制的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。MWD 在環(huán)境地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域較少使用[14]，石油和煤礦領(lǐng)域使用的MWD 裝備孔徑和孔深較大[15]，不能滿足環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的需要。

本研究基于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)隨鉆測量裝置的工作原理，研究一種適用于環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的智能隨鉆測量裝置，以解決環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中直推鉆進(jìn)軌跡偏斜而導(dǎo)致的調(diào)查結(jié)果不準(zhǔn)確和可信度差的問題，同時(shí)可降低環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中對污染場地的擾動和地質(zhì)非均質(zhì)性對原位調(diào)查的影響，為鉆進(jìn)軌跡調(diào)整提供設(shè)備基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

1 工作原理與方案設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

智能隨鉆測量裝置在環(huán)境地質(zhì)調(diào)查原位探測工作中，既可進(jìn)行頂角θ、工具面角β和方位角α的實(shí)時(shí)監(jiān)測；也可作為直推鉆具的組成部分傳遞直推鉆進(jìn)壓力。同時(shí)，該測量裝置需采取弱擾動的工作形式來降低對場地?fù)]發(fā)性污染物的擾動。

智能隨鉆測量裝置需與適用于環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的弱擾動導(dǎo)向鉆頭配合使用，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該弱擾動導(dǎo)向鉆頭為直推鉆頭，僅在直推和糾偏狀態(tài)切換時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動，可極大降低對地層的擾動。為適應(yīng)該弱擾動導(dǎo)向鉆頭的工作需求，智能隨鉆測量裝置設(shè)有輸入軸和輸出軸，可直接與鉆頭連接實(shí)現(xiàn)近鉆頭隨鉆測量，該智能隨鉆測量裝置與常規(guī)近鉆頭測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同[16-19]，不單獨(dú)設(shè)置接收裝置，通過線纜直接與計(jì)算機(jī)端連接，既可使用直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行供能，也可實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)和地面的雙向信息傳遞[20]；在直流穩(wěn)壓電源的供能下實(shí)時(shí)監(jiān)測近鉆頭位置處的頂角θ、工具面角β和方位角α，并將監(jiān)測參數(shù)傳輸至監(jiān)測軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與儲存，為鉆進(jìn)軌跡的調(diào)整提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure

1.2 方案設(shè)計(jì)

針對環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作的需求，基于結(jié)構(gòu)組成、材料和弱擾動方法提出智能隨鉆測量裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案：確定傳感器內(nèi)置方式及有線傳輸?shù)男问健⒉捎酶邚?qiáng)度無磁材料加工裝置主體以降低磁場強(qiáng)度對隨鉆測量參數(shù)的影響、采用外管靜止內(nèi)部單動的形式降低對環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中污染場地的擾動。智能隨鉆測量裝置的設(shè)計(jì)方案如圖2 所示，根據(jù)其布設(shè)位置不同，可分為地面部分和孔內(nèi)部分，其中地面部分主要由計(jì)算機(jī)及監(jiān)測軟件組成，二者相互配合實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)數(shù)據(jù)的接收、管理和存儲的工作；孔內(nèi)部分的主要結(jié)構(gòu)為傳感器，可分別設(shè)置磁通門傳感器和加速度傳感器進(jìn)行磁場強(qiáng)度和加速度等參數(shù)的測量。鉆進(jìn)過程中智能隨鉆測量裝置實(shí)時(shí)監(jiān)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(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)監(jiān)測軟件。

圖2 智能隨鉆測量裝置設(shè)計(jì)方案Fig.2 Design solution of intelligent MWD device

1.3 傳感器選型

在綜合考慮環(huán)境地質(zhì)調(diào)查直推鉆具尺寸(外徑73 mm，內(nèi)徑59 mm，總長630 mm)及姿態(tài)參數(shù)監(jiān)測要求的基礎(chǔ)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(gè)方向上的磁性分量和重力分量，傳感器的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 微型定量傳感器性能參數(shù)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(qiáng)等特點(diǎn)。頂角θ的測量通過3 軸加速度計(jì)X、Y、Z軸的加速度分量計(jì)算得到，其計(jì)算公式如下：

式中：θ為頂角，(°)；Gx為加速度計(jì)X軸分量，m/s2；Gy為加速度計(jì)Y軸分量，m/s2；Gz為加速度計(jì)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(jìn)行方位角和工具面角的監(jiān)測。

1.4 結(jié)構(gòu)組成

結(jié)合環(huán)境地質(zhì)調(diào)查直推鉆進(jìn)要求和微型定量傳感器外形結(jié)構(gòu)，傳感器固定裝置采用弱擾動的單動形式，并實(shí)現(xiàn)傳感器與鉆頭和上部控制部件運(yùn)動的一致性。智能隨鉆測量裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行加工，可降低對微型定量傳感器磁場強(qiáng)度測量的影響；該裝置采用通信電纜作為地面部分和孔內(nèi)部分的信號連接設(shè)備，起到供能和傳輸數(shù)據(jù)的作用。

圖3 智能隨鉆測量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 Structural design of Intelligent MWD device

該智能隨鉆測量裝置可實(shí)現(xiàn)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查直推鉆進(jìn)的近鉆頭隨鉆測量，具有較高的鉆頭姿態(tài)參數(shù)測量精度；且該裝置整體不振動、不回轉(zhuǎn)，微型定量傳感器僅基于單動固定裝置在無磁外管內(nèi)隨鉆頭轉(zhuǎn)動，可極大降低污染物的運(yùn)移和揮發(fā)，提高場地原位調(diào)查的精度和價(jià)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(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺

為了驗(yàn)證智能隨鉆測量裝置的穩(wěn)定性和可靠性，在已搭建的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺開展室內(nèi)模擬研究。該平臺主要由直推模塊、液壓系統(tǒng)、調(diào)節(jié)模塊和操作-控制模塊組成，其采用直推的方式進(jìn)行鉆進(jìn)，將鏈條的運(yùn)動作為直接動力來源，可實(shí)現(xiàn)不同角度下的精確直推鉆進(jìn)和糾偏測試[21]，該平臺如圖5 所示。在該平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行平臺監(jiān)測模塊和監(jiān)測軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)，可為智能隨鉆測量裝置功能的室內(nèi)驗(yàn)證提供硬件和軟件基礎(chǔ)。

2.1 平臺監(jiān)測模塊

監(jiān)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(jìn)行液壓馬達(dá)工作壓力和直推鉆進(jìn)深度的監(jiān)測，壓力變送器和磁致伸縮位移傳感器的參數(shù)見表2 和表3。

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

表3 TEC 磁致伸縮位移傳感器性能參數(shù)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(nèi)部放大電路位于不銹鋼殼體內(nèi)，將傳感器信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。TEC 磁致伸縮位移傳感器選用方塊磁環(huán)，采用多個(gè)固定夾片將其固定在鉆進(jìn)平臺臺架的側(cè)邊上，通過連接支架將磁環(huán)與鉆進(jìn)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(jiān)測軟件

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

圖7 監(jiān)測軟件界面Fig.7 Monitoring software interface

監(jiān)測軟件內(nèi)置鉆進(jìn)狀態(tài)識別算法，鉆進(jìn)前可進(jìn)行頂角閾值θlim的設(shè)置，鉆進(jìn)過程中將微型定量傳感器監(jiān)測頂角θ與閾值θlim實(shí)時(shí)對比，當(dāng)θ＜θlim時(shí)，判定鉆具處于直推鉆進(jìn)狀態(tài)；當(dāng)θ≥θlim時(shí)，判定鉆具處于糾偏狀態(tài)；可為環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中直推鉆進(jìn)軌跡的調(diào)整提供軟件和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

在研制上述室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺及其監(jiān)測模塊和監(jiān)測軟件的基礎(chǔ)上，構(gòu)建模擬地層進(jìn)行隨鉆測量裝置的功能性驗(yàn)證。模擬地層由網(wǎng)紋紅土與石英砂組成，網(wǎng)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(nèi)直推鉆進(jìn)流程與試驗(yàn)分別如圖8 和圖9 所示。

圖8 室內(nèi)直推鉆進(jìn)流程Fig.8 Laboratory direct-push drilling process

圖9 室內(nèi)驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.9 Laboratory validation tests

在直推鉆進(jìn)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(jìn)深度和鉆進(jìn)速度等參數(shù)均可在監(jiān)測軟件中實(shí)時(shí)顯示與儲存，姿態(tài)參數(shù)監(jiān)測界面和實(shí)測的上述數(shù)據(jù)分別如圖10 和圖11 所示。由于室內(nèi)試驗(yàn)空間的局限性，直推鉆進(jìn)的深度較淺，最大直推鉆進(jìn)深度為492.765 mm。鉆進(jìn)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(qū)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(dǎo)向鉆頭的偏斜方位，其在鉆進(jìn)過程中的偏斜方位不斷發(fā)生變化。由上述鉆頭姿態(tài)參數(shù)變化規(guī)律可知，在直推鉆進(jìn)試驗(yàn)中，智能隨鉆測量裝置性能穩(wěn)定、適應(yīng)性好，可滿足環(huán)境地質(zhì)調(diào)查直推導(dǎo)向鉆進(jìn)的功能性要求。同時(shí)，方位角的變化也反映出直推鉆進(jìn)過程中偏斜的隨機(jī)性，考慮到現(xiàn)場地層條件的非均質(zhì)性，進(jìn)行環(huán)境地質(zhì)調(diào)查隨鉆測量裝置的研制對直推鉆進(jìn)軌跡控制十分必要。綜上，在淺層均質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境中，該智能隨鉆測量裝置具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。

圖10 姿態(tài)參數(shù)監(jiān)測界面Fig.10 Attitude parameter monitoring interface

圖11 鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測Fig.11 Drilling parameter monitoring

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

本次現(xiàn)場試驗(yàn)的目的為驗(yàn)證智能隨鉆測量裝置的適配性和強(qiáng)度。在現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，根據(jù)鉆進(jìn)深度選擇合適數(shù)量的鉆桿通過電纜線進(jìn)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(xiàn)場試驗(yàn)在江蘇蘇州某工廠廠區(qū)進(jìn)行，該地區(qū)地層以黏土和粉質(zhì)黏土為主。本次現(xiàn)場試驗(yàn)所用鉆機(jī)為GY-SR90 型直推鉆機(jī)，其最大推進(jìn)力為160 kN，最大起拔力可達(dá)214 kN，鉆機(jī)在使用地錨的工況下在該場地的最大直推鉆進(jìn)深度可達(dá)22 m，現(xiàn)場試驗(yàn)如圖13所示。

圖13 現(xiàn)場直推鉆進(jìn)試驗(yàn)Fig.13 Field direct-push drilling test

本驗(yàn)證試驗(yàn)未安裝微型定量傳感器以避免因隨鉆測量裝置強(qiáng)度過低而導(dǎo)致裝置內(nèi)置結(jié)構(gòu)的破壞。通過上述直推鉆機(jī)，分別進(jìn)行3 次鉆進(jìn)深度為4.5 m 的直推鉆進(jìn)試驗(yàn)，直推鉆進(jìn)速度為1.5 m/min，鉆進(jìn)過程連續(xù)、穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常。試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)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(zhì)進(jìn)行加工，在重復(fù)3 次試驗(yàn)的過程中裝置自身未出現(xiàn)斷裂失效、與上部鉆桿連接處也未出現(xiàn)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(xiàn)輕微損傷，考慮到深部鉆進(jìn)時(shí)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(xù)研究中需對裝置與其他部分的連接方式進(jìn)行優(yōu)化，不斷提高隨鉆測量裝置的強(qiáng)度和適配性。

5 結(jié)論

a.針對環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中現(xiàn)有鉆測一體化技術(shù)鉆進(jìn)軌跡難以控制、探測點(diǎn)位偏差大的問題，研制了智能隨鉆測量裝置，通過裝置內(nèi)設(shè)置微型定量傳感器進(jìn)行孔內(nèi)鉆頭姿態(tài)識別，為鉆進(jìn)軌跡調(diào)整提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提高了環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中鉆測一體化靶向鉆進(jìn)的精度。

b.研發(fā)適用于環(huán)境地質(zhì)調(diào)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(zhuǎn)，僅內(nèi)部單動固定裝置隨鉆頭進(jìn)行小范圍轉(zhuǎn)動，能夠極大降低對環(huán)境地質(zhì)調(diào)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(tài)監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

c.研發(fā)配套監(jiān)測軟件，可完成頂角、方位角和工具面角等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與存儲，監(jiān)測精度為0.01 °。

d.搭建室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺并進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(wěn)定性和可靠性；后續(xù)工作中需要不斷優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)、提高力學(xué)強(qiáng)度和增加適配性。