环境地质调查中智能直推随钻测量装置的应用研究.pdf

环境地质调查中智能直推随钻测量装置的应用研究孙平贺1,2,3，周生伟1,2,3，曹函1,2,3，高强1,2,3，程功弼4，张辉4(1.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室(中南大学)，湖南 长沙 410083；2.有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室，湖南 长沙 410083；3.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；4.江苏盖亚环境科技股份有限公司，江苏 苏州 215000)摘要:为解决环境地质调查中钻进轨迹精度低导致的污染物调查结果不准确和可信度差的技术难题，在分析现有直推钻具结构和功能特点的基础上，提出了采用单动组合的形式进行近钻头随钻测量的方法，研制智能随钻测量装置，建立室内平台监测模块，开发监测软件，分析智能随钻测量装置的稳定性和可靠性。在室内平台和现场分别开展验证实验，结果表明：智能随钻测量装置兼具轻量化和模块化，总长度为 300 mm；其随钻测量性能稳定，对钻进顶角、方位角和工具面角的监测精度可达 0.01，满足直推钻进导向要求，且内管单动的形式极大降低了对场地的扰动；随钻测量装置可实现不同顶角阈值下的钻进状态自动识别，且与常规钻杆具有良好的适配性，适用于多种直推钻进的场景。在现场试验 3 次直推钻进过程中，随钻测量装置稳定性较高，以 1.5 m/min 的速度进行连续直推钻进。智能随钻测量装置能够满足环境地质调查过程中直推钻进随钻测量的需求，为直推钻进轨迹调整提供设备基础和数据支撑，该研究成果对提高非均质条件下直推钻进轨迹精度、提升环境地质调查中污染物原位检测可信度及提升环境地质调查智能钻测一体化技术与装备水平具有重要意义。关键词：环境地质调查；污染场地；轨迹控制；智能设备；随钻测量；直推钻进中图分类号：P634.7 文献标志码：A 文章编号：1001-1986(2023)09-0156-08ApplicationofintelligentdirectpushmeasurementwhiledrillingdeviceforenvironmentalgeologicalsurveysSUN Pinghe1,2,3,ZHOU Shengwei1,2,3,CAO Han1,2,3,GAO Qiang1,2,3,CHENG Gongbi4,ZHANG Hui4(1.Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring(Central South Uni-versity),Ministry of Education,Changsha 410083,China;2.Key Laboratory of Non-Ferrous Resources and Geological HazardDetection,Changsha 410083,China;3.School of Geosciences and Info Physics,Central South University,Changsha 410083,China;4.Jiangsu Gaiya Environmental Science and Technology Co.,Ltd.,Suzhou 215000,China)Abstract:In order to solve the technical challenges of inaccuracy and poor credibility of contaminant survey results dueto the low accuracy of drilling trajectories in environmental geological surveys,the structural and functional characterist-ics of the existing direct-push drilling tools were analyzed.On this basis,the method of near-bit measurement whiledrilling using single-action combination was proposed.An intelligent measurement-while-drilling(MWD)device wasdeveloped,a laboratory platform monitoring module was established,a set of monitoring software was developed,andthe stability and reliability of the intelligent MWD device was analysed.Then,verification tests have been carried out onthe laboratory platforms and in the field separately.The results of the study show that the intelligent MWD device is 收稿日期:2023-06-11；修回日期:2023-07-13基金项目:国家重点研发计划课题(2020YFC1807203)；中南大学研究生自主探索创新项目(2022ZZTS0560)第一作者:孙平贺，1982 年生，男，吉林松原人，博士，教授，从事污染场地靶向钻测修复一体化技术、水平定向钻进技术和既有管网非开挖修复技术.E-mail：通信作者:曹函，1982 年生，女，湖北随州人，博士，副教授，从事非常规能源钻采岩石力学相关教学与科研工作.E-mail： 第 51 卷 第 9 期煤田地质与勘探Vol.51 No.92023 年 9 月COAL GEOLOGY&EXPLORATIONSep.2023孙平贺，周生伟，曹函，等.环境地质调查中智能直推随钻测量装置的应用研究J.煤田地质与勘探，2023，51(9)：156163.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.06.0315SUN Pinghe，ZHOU Shengwei，CAO Han，et al.Application of intelligent direct push measurement while drilling device forenvironmental geological surveysJ.Coal Geology&Exploration，2023，51(9)：156163.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.06.0315characterized by lightweight and modular,with an overall length of 300 mm.The device has a stable measurement per-formance with an accuracy up to 0.01 for the drift angle,azimuth and tool face angle,which can meet the requirementsof direct-push drilling guidance,and the single action of the inner tube greatly reduces the disturbance to the sites.Be-sides,the MWD device can automatically recognize the drilling status at different drift angle thresholds and it is well ad-apted to the conventional drill pipes,thus suitable for a wide range of direct push drilling scenarios.During the three dir-ect-push drilling processes in the field test,the MWD device showed high stability and allowed continuous direct pushdrilling at a speed of 1.5 m/min.Generally,the device is capable of meeting the needs of MWD during the direct-pushdrilling in environmental surveys and provides the equipment basis and data support for the adjustment of the direct-pushdrilling trajectory.Moreover,the research results are of great significance to improve the accuracy of the direct-pushdrilling trajectory under non-homogeneous conditions,enhance the credibility of in-situ detection of contaminants in en-vironmental geological surveys,and promote the level of intelligent drilling and surveying integrated technology andequipment for environmental geological surveys.Keywords:environmental geological survey;contaminated site;drilling trajectory control;intelligent device;measure-ment while drilling(MWD);direct-push drilling 随着工业向城市周边地区的转移，污染场地的面积越来越大，不仅对环境造成危害，而且也会阻碍城市的发展1，这些场地在开发前需进行环境地质调查与评估2。由于环境地质调查中污染场地土层的非均质性和空间异质性，定量精准评估其污染特性及其对人类健康潜在风险是一项非常重要而艰巨的任务3。目前，环境地质调查主要采用取样和原位调查两种方式4，膜界面探测器(Membrane Interface Probe，MIP)是基于直推(Direct Push，DP)技术较为成熟的污染物原位调查设备之一，自上市以来已在不同国家进行了频繁应用5-7。但在进行原位调查时存在地下温度、压力和地质非均质性等不确定性因素8的干扰，其中地质非均质性会对直推钻进轨迹造成较大影响，而污染物的地下分布极不均匀9，且传统直推钻具主要由推进盖帽、推进端头和减震阻尼器等结构组成10，并不具备随钻测量、纠偏和导向的作用，在受砾石、鹅卵石等非均质条件的作用时11探测点位往往发生偏差，极大降低原位调查的准确度和价值，因此，需采取随钻轨迹精准调控技术进行环境地质调查。随钻轨迹精准调控技术已在煤矿领域得到广泛应用12-13，而随钻测量(Measurement While Drilling，MWD)是轨迹精准控制的基础和关键。MWD 在环境地质调查领域较少使用14，石油和煤矿领域使用的 MWD 装备孔径和孔深较大15，不能满足环境地质调查的需要。本研究基于旋转导向系统随钻测量装置的工作原理，研究一种适用于环境地质调查的智能随钻测量装置，以解决环境地质调查中直推钻进轨迹偏斜而导致的调查结果不准确和可信度差的问题，同时可降低环境地质调查中对污染场地的扰动和地质非均质性对原位调查的影响，为钻进轨迹调整提供设备基础和数据支撑。1工作原理与方案设计1.1工作原理智能随钻测量装置在环境地质调查原位探测工作中，既可进行顶角、工具面角 和方位角 的实时监测；也可作为直推钻具的组成部分传递直推钻进压力。同时，该测量装置需采取弱扰动的工作形式来降低对场地挥发性污染物的扰动。智能随钻测量装置需与适用于环境地质调查的弱扰动导向钻头配合使用，整体结构如图 1 所示。该弱扰动导向钻头为直推钻头，仅在直推和纠偏状态切换时发生转动，可极大降低对地层的扰动。为适应该弱扰动导向钻头的工作需求，智能随钻测量装置设有输入轴和输出轴，可直接与钻头连接实现近钻头随钻测量，该智能随钻测量装置与常规近钻头测量系统结构不同16-19，不单独设置接收装置，通过线缆直接与计算机端连接，既可使用直流稳压电源进行供能，也可实现孔内和地面的双向信息传递20；在直流稳压电源的供能下实时监测近钻头位置处的顶角、工具面角 和方位角，并将监测参数传输至监测软件进行实时显 导向钻头外部钻杆智能随钻测量装置图 1 整体结构Fig.1 Overall structure第 9 期孙平贺等：环境地质调查中智能直推随钻测量装置的应用研究 157 示与储存，为钻进轨迹的调整提供数据基础。1.2方案设计针对环境地质调查工作的需求，基于结构组成、材料和弱扰动方法提出智能随钻测量装置的结构设计方案：确定传感器内置方式及有线传输的形式、采用高强度无磁材料加工装置主体以降低磁场强度对随钻测量参数的影响、采用外管静止内部单动的形式降低对环境地质调查中污染场地的扰动。智能随钻测量装置的设计方案如图 2 所示，根据其布设位置不同，可分为地面部分和孔内部分，其中地面部分主要由计算机及监测软件组成，二者相互配合实现孔内数据的接收、管理和存储的工作；孔内部分的主要结构为传感器，可分别设置磁通门传感器和加速度传感器进行磁场强度和加速度等参数的测量。钻进过程中智能随钻测量装置实时监测钻头位置处的顶角、方位角 以及工具面角，并将所测数据传输至计算机监测软件。孔内地面监测数据直流电源无磁外管固定装置钻头计算机及监测软件传感器通信电缆图 2 智能随钻测量装置设计方案Fig.2 Design solution of intelligent MWD device 1.3传感器选型在综合考虑环境地质调查直推钻具尺寸(外径73 mm，内径 59 mm，总长 630 mm)及姿态参数监测要求的基础上，智能随钻测量装置选用 DS 系列微型定量传感器，该传感器包含 3 轴磁通门传感器和 3 轴MEMS 加速度传感器，可分别测量 3 个方向上的磁性分量和重力分量，传感器的技术指标见表 1。微型定量传感器具有体积小、精度高、抗振动和抗冲击能力强等特点。顶角 的测量通过 3 轴加速度计 X、Y、Z 轴的加速度分量计算得到，其计算公式如下：sin=G2y+G2zg(1)cos=Gxg(2)tan=G2y+G2zGx(3)g=G2x+G2y+G2z(4)式中：为顶角，()；Gx为加速度计 X 轴分量，m/s2；Gy为加速度计 Y 轴分量，m/s2；Gz为加速度计 Z 轴分量，m/s2；g 为重力加速度，m/s2。此外，微型定量传感器还可进行方位角和工具面角的监测。表1微型定量传感器性能参数Table1Performanceparametersofminiaturedosingsensor参数数值顶角测量范围/()0180顶角测量精度/()0.1方位角测量范围/()0360方位角测量精度/()2(顶角5)1(顶角10)0.5(顶角=90)功耗电流/mA50通信接口TTL直流输入电压/V5 1.4结构组成结合环境地质调查直推钻进要求和微型定量传感器外形结构，传感器固定装置采用弱扰动的单动形式，并实现传感器与钻头和上部控制部件运动的一致性。智能随钻测量装置的结构设计如图 3 所示，主要由无磁外管、单动固定装置和微型定量传感器组成，该随钻测量装置外径为 73 mm，总长度为 300 mm；无磁外管采用无磁材料 7075 铝合金进行加工，可降低对微型定量传感器磁场强度测量的影响；该装置采用通信电缆作为地面部分和孔内部分的信号连接设备，起到供能和传输数据的作用。该智能随钻测量装置可实现环境地质调查直推钻进的近钻头随钻测量，具有较高的钻头姿态参数测量精度；且该装置整体不振动、不回转，微型定量传感器仅基于单动固定装置在无磁外管内随钻头转动，可极大降低污染物的运移和挥发，提高场地原位调查的精度和价值。智能随钻测量装置的组装效果如图 4 所示。无磁外管单动固定装置微型定量传感器图 3 智能随钻测量装置结构设计Fig.3 Structural design of Intelligent MWD device 158 煤田地质与勘探第 51 卷2室内实验平台为了验证智能随钻测量装置的稳定性和可靠性，在已搭建的室内实验平台开展室内模拟研究。该平台主要由直推模块、液压系统、调节模块和操作控制模块组成，其采用直推的方式进行钻进，将链条的运动作为直接动力来源，可实现不同角度下的精确直推钻进和纠偏测试21，该平台如图 5 所示。在该平台的基础上进行平台监测模块和监测软件的开发设计，可为智能随钻测量装置功能的室内验证提供硬件和软件基础。直推模块液压系统操作控制模块调节模块图 5 室内实验平台Fig.5 Laboratory test platform 2.1平台监测模块监测模块分别选用 CYYZ11A 系列通用压力变送器和 TEC 磁致伸缩位移传感器进行液压马达工作压力和直推钻进深度的监测，压力变送器和磁致伸缩位移传感器的参数见表 2 和表 3。其中，压力变送器采用 OEM 压力传感器作为信号测量元件，内部放大电路位于不锈钢壳体内，将传感器信号转换为标准输出信号。TEC 磁致伸缩位移传感器选用方块磁环，采用多个固定夹片将其固定在钻进平台台架的侧边上，通过连接支架将磁环与钻进平台的直推动力模块连接，压力变送器和位移传感器的安装如图 6 所示。2.2监测软件监测软件是基于微型定量传感器和监测模块等部分，采用模块化思想进行搭建的综合化、智能化的软件系统。该软件的核心功能为采集微型定量传感器的姿态参数、压力变送器的动力参数以及磁致伸缩位移传感器的位置参数，软件界面如图 7 所示。监测软件内置钻进状态识别算法，钻进前可进行顶角阈值 lim的设置，钻进过程中将微型定量传感器监测顶角 与阈值 lim实时对比，当 lim时，判定钻具处于直推钻进状态；当 lim时，判定钻具处于纠偏状态；可为环境地质调查中直推钻进轨迹的调整提供软件和数据基础。3室内试验在研制上述室内实验平台及其监测模块和监测软件的基础上，构建模拟地层进行随钻测量装置的功能性验证。模拟地层由网纹红土与石英砂组成，网纹红土取自湖南省岳麓山脚下，取土深度约为 3 m，土粒密度为 2.71 g/cm3，天然含水率为 23.83%26.88%，天然密 表2压力变送器性能参数Table2Performanceparametersofpressuretransmitter性能参数量程/MPa010输出信号/mA420直流供电电压/V24精度/%FS0.1介质温度/4085温度漂移/(%FS1)0.01(温度补偿范围内)0.05(温度补偿范围外)注：测量介质为液压油，接液材料为不锈钢隔离膜片，防护等级为ZP54，引线方式为电缆直接引出。表3TEC 磁致伸缩位移传感器性能参数Table3PerformanceparametersofTECMagnetostrictiveDisplacementSensors性能参数量程/mm2 500输出信号(电流)/mA420磁环个数1直流供电电压/V24分辨力/mm0.037 5首末端盲区/mm28+66注：磁环类型为方块磁环，出线类型为直出线缆方式。微型定量传感器单动固定装置组合形式无磁外管图 4 随钻测量装置组装效果Fig.4 Assembly effect of the MWD device 磁致伸缩位移传感器压力变送器图 6 传感器安装效果Fig.6 Sensor installation effect第 9 期孙平贺等：环境地质调查中智能直推随钻测量装置的应用研究 159 度为1.901.95 g/cm3，天然干密度为1.591.75 g/cm322。室内直推钻进流程与试验分别如图 8 和图 9 所示。在直推钻进过程中，液压油缸的输入压力控制在2.1 MPa，顶角、工具面角、方位角、钻进深度和钻进速度等参数均可在监测软件中实时显示与储存，姿态参数监测界面和实测的上述数据分别如图 10 和图 11 所示。由于室内试验空间的局限性，直推钻进的深度较浅，最大直推钻进深度为 492.765 mm。钻进过程中顶角和工具面角的波动较小，其中顶角的波动范围为 00.4，主要分布区间为 0.20.4；工具面角的变化范围为 252.7261.2，最大变化率为 3.25%；方位角表示导向钻头的偏斜方位，其在钻进过程中的偏斜方位不断发生变化。由上述钻头姿态参数变化规律可知，在直推钻进试验中，智能随钻测量装置性能稳定、适应性好，可满足环境地质调查直推导向钻进的功能性要求。同时，方位角的变化也反映出直推钻进过程中偏斜的随机性，考虑到现场地层条件的非均质性，进行环境地质调查随钻测量装置的研制对直推钻进轨迹控制十分必要。综上，在浅层均质室内试验环境中，该智能随钻测量装置具有良好的稳定性和可靠性。4现场试验本次现场试验的目的为验证智能随钻测量装置的适配性和强度。在现场试验过程中，根据钻进深度选择合适数量的钻杆通过电缆线进行连接，具体连接形式如图 12 所示。现场试验在江苏苏州某工厂厂区进行，该地区地层以黏土和粉质黏土为主。本次现场试验所用钻机为 GY-SR90 型直推钻机，其最大推进力为 160 kN，最大起拔力可达 214 kN，钻机在使用地锚的工况下在该场地的最大直推钻进深度可达 22 m，现场试验如图 13 污染土层精确直推钻进监测系统姿态参数顶角其他参数电压地磁场强度温度高斯姿态参数方位角重力分量磁性分量传感器分量00Gx00MxGy00MyGzV00000Mz图 7 监测软件界面Fig.7 Monitoring software interface 构建模拟地层安装钻具及智能随钻测量装置连接并检查通信线缆室内试验连接成功？观察钻具状态观察监测界面钻进至指定位置?实验结束接通电源调整液压马达工作压力及钻进位置直推钻进NNYY图 8 室内直推钻进流程Fig.8 Laboratory direct-push drilling process 直推钻进模拟地层图 9 室内验证试验Fig.9 Laboratory validation tests 污染土层精确直推钻进监测系统姿态参数顶角其他参数电压地磁场强度温度高斯姿态参数方位角重力分量磁性分量传感器分量0180.30Gx0.997 90.198 6MxGy0.006 90.002 5MyGzV25.670.395 14.950.056 60.341 5Mz图 10 姿态参数监测界面Fig.10 Attitude parameter monitoring interface 160 煤田地质与勘探第 51 卷所示。本验证试验未安装微型定量传感器以避免因随钻测量装置强度过低而导致装置内置结构的破坏。通过上述直推钻机，分别进行 3 次钻进深度为 4.5 m 的直推钻进试验，直推钻进速度为 1.5 m/min，钻进过程连续、稳定，未出现异常。试验结束后进行随钻测量装置磨损情况的检查，其磨损情况如图 14 所示。钻杆连接处损伤 无磁外管 上部钻杆 M4 螺丝 图 14 随钻测量装置磨损情况Fig.14 Wear of MWD device 智能随钻测量装置外管采用 7075 铝合金材质进行加工，在重复 3 次试验的过程中装置自身未出现断裂失效、与上部钻杆连接处也未出现失效的情况。由图 14 可知，无磁外管和上部钻杆连接位置处出现轻微损伤，考虑到深部钻进时采用 M4 螺丝连接可能会存在提升钻具过程中剪切力过大而失效的情况，因此，在后续研究中需对装置与其他部分的连接方式进行优化，不断提高随钻测量装置的强度和适配性。5结论a.针对环境地质调查中现有钻测一体化技术钻进轨迹难以控制、探测点位偏差大的问题，研制了智能 010020030040050000.50100200300400500601201800100200300400500246810121416顶角/()钻进深度/mm0(顶角最小)0.4(顶角最大)01002003004005000240210300工具面角/()钻进深度/mm方程 y=a+bx截距 7.787 040.239 7斜率 0.004 967.929 41104最小值252.7最大值261.2方位角/()钻进深度/mm钻进速度/(mms1)钻进深度/mm(a)顶角(b)工具面角(c)方位角(d)钻进速度270300360图 11 钻进参数监测Fig.11 Drilling parameter monitoring 上部钻杆 智能随钻测量装置 图 12 智能随钻测量装置钻杆连接形式Fig.12 Intelligent MWD device-drill pipe connections 智能随钻测量装置 钻孔 上部钻杆 GY-SR90 型钻机 图 13 现场直推钻进试验Fig.13 Field direct-push drilling test第 9 期孙平贺等：环境地质调查中智能直推随钻测量装置的应用研究 161 随钻测量装置，通过装置内设置微型定量传感器进行孔内钻头姿态识别，为钻进轨迹调整提供数据基础，提高了环境地质调查中钻测一体化靶向钻进的精度。b.研发适用于环境地质调查的智能随钻轻量化测量装置，装置的外径为 73 mm、长度为 300 mm，且该装置在随钻测量过程中外管不回转，仅内部单动固定装置随钻头进行小范围转动，能够极大降低对环境地质调查中污染场地的扰动；该装置属于近钻头测量，能够提高钻头姿态监测的准确性。c.研发配套监测软件，可完成顶角、方位角和工具面角等参数的实时采集与存储，监测精度为 0.01。d.搭建室内实验平台并进行现场试验，试验结果表明：顶角的变化范围为 00.4、工具面角的变化率为 3.25%，智能随钻测量装置具有较高的稳定性和可靠性；后续工作中需要不断优化装置结构、提高力学强度和增加适配性。参考文献(References)CHEN Ruishan，DE SHERBININ A，YE Chao，et al.Chinas soilpollution：Farms on the frontlineJ.Science，2014，344(6185)：691.1 姜林，赵莹，钟茂生，等.污染场地土壤气中VOCs定量被动采样技术研究及应用J.环境科学研究，2017，30(11)：17461753.JIANG Lin，ZHAO Ying，ZHONG Maosheng，et al.Passivesampling technology research and application for volatile organ-ic compounds from soil gas in contaminated sitesJ.Research ofEnvironmental Sciences，2017，30(11)：17461753.2 CACHADA A，DA SILVA E F，DUARTE A C，et al.Risk as-sessment of urban soils contamination：The particular case ofpolycyclic aromatic hydrocarbonsJ.Science of the Total Envir-onment，2016，551552：271284.3 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