钻井作业过程监测仪研制

李 欣，徐正宣，吴 丽

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031;2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

我国现在处于高速发展的阶段，每年都会有许多铁路工程项目开始设计或者开工建设，传统的管理思想、管理方式和管理工具已不适应新时代的要求。铁路工程项目将进入信息化管理时代，与此同时每年因为工程质量监管不力造成的损失十分巨大，其中地质工程中，钻孔孔深的测量直接关系到此类工程的工程质量，由于多为隐蔽工程，可验证性较差，传统钻孔测试方法容易给人为的不当行为留下空间，如少数钻探勘测队伍为了压缩工期、追求经济利益，谎报钻孔深度，损害业主的利益，给工程埋下隐患。

本项目研制的钻井作业过程监测仪(图1)，实现钻井作业进尺自动监测，可以解决传统人工监测存在的管理柔性问题，对提高管理效益、确保钻井作业质量具有重要意义。

图1 仪器机械部分总装配体

另外，配合为仪器专门开发的单片机系统，还可以实现振动检测，定时摄像，孔位定时GPS监测等可根据客户需要定制添加的功能。

1 国内外研究现状

钻井作业过程中需要对钻井的深度进行测量，了解钻井现场情况并核对工作量，目前应用较多的测量方法有以下4种。

第一种为卷尺测量法，该方法直接用卷尺测量钻井杆具进入钻井中的长度，该长度即为钻井的深度，该方法虽然简单易行，但由于人为因素，测量值精确性难以保证，且需要停机进行测量，无法实现实时监测。

第二种为钻杆刻度法，该方法是在钻杆上按照一定标准打上刻度，再用卷尺测量法测量钻杆钻具的长度，最后根据刻度值可计算出钻井的深度。该方法的测量值虽然比卷尺测量法的测量值准确，但由于实际工作中应用的钻杆长度不一，该方法的通用性较差，只有个别型号的钻杆可以在其上打上刻度，而且打刻度的标准目前还没有统一。

第三种方法为激光干涉法，第四种方法为钻头传感技术，这两种方法理论上可以在钻井作业过程中应用，对钻井深度进行测量，但由于相关仪器结构复杂，对测量环境要求苛刻，仪器价格高昂，使用维护费用高，实际上难以在钻井作业过程中推广使用。

相较以上诸种方法，本仪器结构简单，因而使用和维护都很方便，所受使用环境的限制也较小，不受钻杆或钻具型号的限制，通用性较好且成本不高，能在钻井作业过程中自动及时采集与时间相对应的进尺及孔深等相关参数并形成难以篡改的电子数据资料。

2 研究方法和理论原理

本研究项目采用的方法主要为:室内研制出样品然后在地质工程钻探实际作业环境下进行实验并调整。

2.1 霍尔效应

霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的2个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。若在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。

2.2 霍尔传感器

根据霍尔原理制成的传感器利用天然磁电效应产生脉冲(该传感器不需消耗能源)。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。比如汽车的里程表基本都依据该原理制成。

2.3 单片机

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器(Microcontroller Unit)，单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

霍尔传感器和单片机技术是本项目主要的技术理论依据。这两项技术均已十分成熟可靠，为本项目的实施提供了坚实的基础。霍尔传感器为数据采集传感器，负责收集钻杆唯一数据转化为电磁脉冲输出于单片机而单片机则负责处理及存储霍尔传感器采集之数据。

3 研究成果

3.1 仪器结构介绍

仪器样机(图2)。在仪器前端设置一个旋转机构，旋转机构的旋转体上设置有与其同步转动的磁性信号发生器，轮轴内设有与磁性信号发生器适配的霍尔传感器，霍尔传感器与处理模块连接;钻井杆具与旋转体配合，钻井杆具沿钻进方向运动时，带动旋转体转动。采用霍尔传感器及相关结构可实时监测钻井杆具的位移量，通过该位移量即可得出钻井的深度。

图2 仪器样机

图3 单片机部分

图3为仪器单片机部分，用于采集霍尔传感器采集的电磁信息并转化为可读取的数据。

3.2 仪器使用介绍

使用时，将仪器置于井口处，将钻井杆具与旋转体配合，钻井杆具沿着钻进方向发生位移，并带动旋转体转动，与此同时，随着钻井的深度不断增加，钻井杆具逐渐进入钻井中并沿钻井的延伸方向继续发生位移，在钻井作业过程中，由于旋转体的转动会带动其上连接的磁性信号发生器的转动，进而使得霍尔传感器产生脉冲信号。该脉冲信号经过处理模块的处理后，可转变为钻井杆具的位移量，再通过相应计算便可得出钻井的深度。由以上分析可知，本钻井作业过程监测仪可在钻井作业过程中对钻井杆具沿钻进方向的位移量进行监测，进而可对钻井深度实时监测，同时通过处理模块还可以得出钻井杆具单位时间内的位移量等数据。

3.3 仪器优势

(1)采用成熟单片机技术结合简单机械结构，因而性能稳定持久，操作简便。

(2)霍尔效应作为一种磁电效应，相较光学测量、传感测量等其他测量方法抗干扰能力强，能够适应复杂的钻探工程现场环境。

(3)一个霍尔传感器成本仅需不到1元人民币，单片机板价格也是按米计量，加上简单的机械部分，仪器整体造价可控制在千元左右的较低范围内。

(4)全过程实时监测钻井作业，提供与时间相对应的完整资料链，可协助相关专业人员深入了解钻探钻进情况及现场地质情况。

(5)作为铁路工程信息化管理的一种新方法，自动客观、公正地进行实时记录，实现了数据难以篡改的保存以及备查备用，节约人力资源且避免弄虚作假。

3.4 存储文件格式

本仪器在采集结束后会以TXT文件的格式保存在SD存储卡中。单个钻孔监测数据大小仅为数MB甚至更小，在目前动辄8、16 GB的SD存储卡容量下几乎可忽略不计。为日后扩展GPS定位，定时摄像，振动监控等功能留下了极其充裕的空间。

3.5 可进一步实现的功能

本仪器预留有进一步开发模块。现可进一步实现的功能有:

(1)振动监控(主要监控被监测设备是否处于工作状态);

(2)GPS定位(可实时对孔位进行校核，精度可达1 m以内);

(3)定时拍照、摄像等。

亦可根据客户单位的需要对本产品订制功能进行进一步的开发。

4 现场试验应用

为保证仪器的功能实用以及稳定耐用，反复在室内进行试验和到地质工程钻探现场进行现场试验。其中现场实验主要在成绵乐城际高速铁路、成渝客运专线以及都江堰水文化博物馆等钻探现场进行。

4.1 工程概况

成绵乐高速铁路起于沙河堡新客站，沿宝成铁路引入既有江油站，另外一个方向经成都南至双流国际机场，最终抵乐山，正线长323.19 km，主要经绵阳、德阳、广汉、成都、彭山、眉山、夹江、峨眉至乐山，全线50%左右的路段为桥梁隧道，其中新建桥梁121座长148.85 km，隧道11座长12.525 km。

该工程中涉及大量的钻孔工程量，在设计方中铁二院工程集团有限责任公司的支持下，完成了本项目的部分现场试验和调试工作。

4.2 现场试验

图4为试验现场，当时正在钻探工程现场进行试验前的准备工作。

图4 试验现场

仪器测试采集反馈的原始数据形式如表1所示，括号中文字为对数据含义的注解。

表1 仪器采集的原始数据形式

本项目通过大量的现场对比试验、调试，检测和改进仪器性能和准确度。鉴于篇幅限制，表1仅列出1组工作量数据。

部分现场试验情况统计分析如表2所示。试验数据统计见图5。

表2 部分现场试验情况统计分析

图5 试验数据统计

结合图5及表2可以得出，仪器测量数据与现场实际测量的数据非常接近，最大绝对误差仅为0.21 m，平均绝对误差为0.155 m;最大相对误差约为0.56%，平均相对误差约为0.38%;能够满足实际地质工程中对钻探作业工作量监测的要求。

5 结语

(1)我国目前有大量的铁路工程需要实施，而随着科学技术的发展进步，铁路工程信息化管理是未来铁路工程技术发展的一个趋势，本项目研制的钻井作业过程监测仪为在铁路工程中监测钻探作业提供了一种新方法，符合这一趋势。

(2)经过反复现场试验及调试改进，本仪器的监测精度已完全能够满足实际地质工程中对钻探作业工作量监测的要求。而相较于其他监测方法，本仪器具有以全过程实时自动监测为核心的一系列特有优势。

(3)本仪器已经完成了样品机机械部分和单片机处理模块的研制，本仪器的基本功能已经实现，并已获得国家实用新型专利(专利号:ZL2010201358478)。且基于专门为本仪器开发的单片机系统，本仪器预留有进一步开发模块，可根据工程现场需要进一步实现定时拍照、摄像及振动监测等功能。

(4)本仪器已获得联合研发企业、亦是潜在客户——中铁二院工程集团有限责任公司的推广意向。目前，在本项目成果的基础上，正同客户单位就仪器的进一步改进以及商业化推广进行更加深入的合作，本仪器具有广阔的推广应用前景。

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