孫平賀，周生偉，曹 函，高 強，程功弼，張 輝

(1.有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室(中南大學)，湖南 長沙 410083；2.有色資源與地質(zhì)災(zāi)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(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(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行了頻繁應(yīng)用[5-7]。但在進行原位調(diào)查時存在地下溫度、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蓋帽、推進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[11]探測點位往往發(fā)生偏差，極大降低原位調(diào)查的準確度和價值，因此，需采取隨鉆軌跡精準調(diào)控技術(shù)進行環(huán)境地質(zhì)調(diào)查。隨鉆軌跡精準調(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)查中直推鉆進軌跡偏斜而導(dǎo)致的調(diào)查結(jié)果不準確和可信度差的問題，同時可降低環(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

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，既可進行頂角θ、工具面角β和方位角α的實時監(jiān)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(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]，不單獨設(shè)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(wěn)壓電源進行供能，也可實現(xiàn)孔內(nèi)和地面的雙向信息傳遞[20]；在直流穩(wěn)壓電源的供能下實時監(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)測軟件進行實時顯示與儲存，為鉆進軌跡的調(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

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捎酶邚姸葻o磁材料加工裝置主體以降低磁場強度對隨鉆測量參數(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算機及監(jiān)測軟件組成，二者相互配合實現(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行磁場強度和加速度等參數(shù)的測量。鉆進過程中智能隨鉆測量裝置實時監(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)傳輸至計算機監(jiān)測軟件。

圖2 智能隨鉆測量裝置設(shè)計方案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 個方向上的磁性分量和重力分量，傳感器的技術(shù)指標見表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(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，并實現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)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(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Fig.3 Structural design of Intelligent MWD device

該智能隨鉆測量裝置可實現(xiàn)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查直推鉆進的近鉆頭隨鉆測量，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移和揮發(fā)，提高場地原位調(diào)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(nèi)實驗平臺

為了驗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)實驗平臺開展室內(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行鉆進，將鏈條的運動作為直接動力來源，可實現(xiàn)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(chǔ)上進行平臺監(jiān)測模塊和監(jiān)測軟件的開發(fā)設(shè)計，可為智能隨鉆測量裝置功能的室內(nèi)驗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行液壓馬達工作壓力和直推鉆進深度的監(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)換為標準輸出信號。TEC 磁致伸縮位移傳感器選用方塊磁環(huán)，采用多個固定夾片將其固定在鉆進平臺臺架的側(cè)邊上，通過連接支架將磁環(huán)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(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)置鉆進狀態(tài)識別算法，鉆進前可進行頂角閾值θlim的設(shè)置，鉆進過程中將微型定量傳感器監(jiān)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(tài)；當θ≥θlim時，判定鉆具處于糾偏狀態(tài)；可為環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中直推鉆進軌跡的調(diào)整提供軟件和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 室內(nèi)試驗

在研制上述室內(nèi)實驗平臺及其監(jiān)測模塊和監(jiān)測軟件的基礎(chǔ)上，構(gòu)建模擬地層進行隨鉆測量裝置的功能性驗證。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)直推鉆進流程與試驗分別如圖8 和圖9 所示。

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

圖9 室內(nèi)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(shù)均可在監(jiān)測軟件中實時顯示與儲存，姿態(tài)參數(shù)監(jiān)測界面和實測的上述數(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(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，在直推鉆進試驗中，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(xiàn)場地層條件的非均質(zhì)性，進行環(huán)境地質(zhì)調(diào)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(zhì)室內(nèi)試驗環(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 鉆進參數(shù)監(jiān)測Fig.11 Drilling parameter monitoring

4 現(xiàn)場試驗

本次現(xiàn)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(xiàn)場試驗過程中，根據(jù)鉆進深度選擇合適數(shù)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(xiàn)場試驗在江蘇蘇州某工廠廠區(qū)進行，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(xiàn)場試驗如圖13所示。

圖13 現(xiàn)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(dǎo)致裝置內(nèi)置結(jié)構(gòu)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(xù)、穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常。試驗結(jié)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(zhì)進行加工，在重復(fù)3 次試驗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(xù)研究中需對裝置與其他部分的連接方式進行優(yōu)化，不斷提高隨鉆測量裝置的強度和適配性。

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(nèi)設(shè)置微型定量傳感器進行孔內(nèi)鉆頭姿態(tài)識別，為鉆進軌跡調(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)的實時采集與存儲，監(jiān)測精度為0.01 °。

d.搭建室內(nèi)實驗平臺并進行現(xiàn)場試驗，試驗結(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)、提高力學強度和增加適配性。