地質超深鉆孔自尋北陀螺測斜儀研制

周 策，王 瑜，劉一民，陳文俊

(1．中國地質大學〈北京〉國土資源部深部地質鉆探技術重點實驗室，北京100083;2．中國地質科學院探礦工藝研究所，四川成都610081;3．四川大學制造科學與工程學院，四川成都610065)

1 問題的提出

鉆孔測斜技術是我國地質勘查關鍵技術之一，在我國地質調查和國民經濟其他領域有著廣泛的應用前景。但我國地勘現(xiàn)有鉆孔測斜儀不能配套用于將要開始或有的地區(qū)已經開始的地質超深鉆孔勘探和開發(fā)。現(xiàn)有地勘鉆孔測斜儀適應的工作環(huán)境溫度最大也只有150℃，需要研究設計在溫度高達280℃、孔深8000 m環(huán)境的地質超深鉆孔自尋北陀螺測斜技術，并保證安全測斜。

2 解決問題的可能性

新型低功耗電子元件集成電路發(fā)展、先進的焊接技術、密封材料技術、隔熱保溫材料及隔熱保溫技術、自尋北陀螺測斜技術提供了研究地質超深鉆孔自尋北陀螺測斜技術的物質基礎。表1為幾種常見鉆孔測斜方法精度對比，從表1可以看出，自尋北陀螺測斜儀是適合地質超深鉆孔測斜的最佳方案。

表1 幾種常見鉆孔測斜方法對比

3 解決地質超深自尋北陀螺測斜儀技術方案

3．1 地質超深自尋北陀螺測斜儀機芯組成設計

地質超深自尋北陀螺測井儀主要部件選用三軸陀螺(一只動調陀螺和一只微機械陀螺)、三軸石英加速度計、一只步進電機，一套數(shù)據采集處理模塊，一套DC－DC電源，一塊數(shù)據存儲模塊及相關結構件構成，工作原理框圖如圖1所示。

3．2 地質超深自尋北陀螺測斜儀數(shù)學解算模型設計

3．2．1 初始對準與傾角、方位角測量

圖1 地質超深自尋北陀螺測斜儀組成

如圖2所示，OXYZ為地心坐標系，OENU為當?shù)氐仄阶鴺讼?，Oxyz系為儀表坐標系，Oxyz各軸間與OENU一致。圖中Oxyz系沿U軸旋轉為方位角ψ，這時沒有傾斜變化。

圖2 各有關坐標系示意圖

如圖3所示，當測斜儀從孔口沿井體運動，令Ox'y'U是Oxyz原在OEUN上面坐標系，Oxyz坐標系相對OENU和Ox'y'U各軸都可能發(fā)生姿態(tài)變化。其中ψD是Oz軸在水平面投影Oz'與ON軸的夾角，即方位角，Ox'與N軸的夾角為工具面向角ψg，Oz與OU的夾角為頂角φ。

圖3 在鉆孔中任一點時的OENU，Oxyz和Ox'y'U坐標系

高溫測井儀在測井過程中，在任何點上、任何時候只要保持靜止，都可以實現(xiàn)初始對準，計算方法如下。

利用在靜止條件下，電機由 0°轉動 90°、180°、270°各位置采集的數(shù)據清除陀螺零位后，并利用陀螺加表的數(shù)據，計算出Ox'、Oy'軸的地球自轉分量ωx'，ωy':

ωx'=ωXcosφxox'+ωycosφyox'+ωzcosφzox'

ωy'=ωXcosφxoy'+ωycosφyoy'+ωzcosφzoy'

式中:φxox'、φyox'、φzox'——分別為 Ox、Oy、Oz與 Ox'的夾角;φxoy'、φyoy'、φzoy'——分別為 Ox、Oy、Oz與 Oy'的夾角。

由此可求出方位角:

ψ0=tg－1(ωy'/ωx')

則工具面向角為:

ψg0=tg－1(NAY/NAX)+tg－1(ωy'/ωx')

式中:NAX、NAY、NAZ——分別為 X，Y，Z 向加速度。

同樣由加表、陀螺可以求出Ox、Oy軸對Ox'y'z'的傾角 α0、β0，以及歐拉角 θ0、γ0，由此可求出頂角和頂角方位角:

在測井儀沿井體運動時，以上述結果為起始值，利用陀螺輸出數(shù)據計算歐拉角求出:

并由此，可求出動態(tài)過程中的αω、βω，從而在運動時求出頂角、方位角、工具面向角:

3．2．2 地質超深自尋北陀螺測斜儀數(shù)學解算誤差分析

自尋北陀螺測斜儀常見的主要誤差源中任何一種都可歸入下述5類基本誤差中的一類。

(1)結構誤差:這種誤差與全套系統(tǒng)結構有關，比如測量平臺上各元件的機械校準誤差。

(2)實際元件誤差:這是實際慣性儀表與其設計性能間的偏差。

(3)機械編排誤差:為了簡化系統(tǒng)整個系統(tǒng)機械編排時作了近似所產生的誤差。

(4)操作方法誤差:在特殊情況下采用的方法所產生的誤差，它包括精確校準時采用設備不夠理想出現(xiàn)的誤差和裝調儀表時方法不完善所引起的偏差等。

(5)由運動產生的誤差:該誤差與加速度的變化有關，因此對運動狀態(tài)下的測斜探管來說，這一誤差主要取決于運動過程中運動的次數(shù)及其持續(xù)時間。

上述各類誤差都是單獨考慮的，因此需要對測斜儀探管中的陀螺、加表參數(shù)誤差專門的補償、測量工藝過程的補償以及測量數(shù)據的數(shù)值分析模型擬合。本文僅介紹陀螺加表參數(shù)誤差補償方法。

3．2．3 地質超深自尋北陀螺測斜儀數(shù)學解算陀螺加表參數(shù)誤差補償方法選擇

加速度計誤差模型及誤差系數(shù):

NAX=Kox+KLxWx+KyxWy+KzxWz

NAY=Koy+KxyWx+KLyWy+KzyWz

NAZ=Koz+KxzWx+KyzWy+KLzWz

式中:Kox、Koy、Koz——加 速 度 計 偏 置;KLx、KLy、KLz——線加速度計比例系數(shù);Kyx、Kzx、Kxy、Kzy、Kxz、Kyz——線加速度計交叉耦合;Wx、Wy、Wz——線加速度計輸入。

陀螺儀誤差模型及誤差系數(shù):

Nωx=Kωox+Kωxωx+Kωxyωy+Kωxzωz+kaxωx

Nωy=Kωoy+Kωyωy+Kωyxωx+Kωyzωz+kayωy

Nωz=Kωoz+Kωzωz+Kωzxωx+Kωzyωy+kazωz

式中:Kωox、Kωoy、Kωoz——陀螺零位;Kωx、Kωy、Kωz——陀螺比例系數(shù);Kωxy、Kωxz、Kωyx、Kωyz、Kωzx、Kωzy——陀螺交叉耦合;Kaxy、Kay、Kaz——陀螺對加速度計的敏感系數(shù);ωx、ωy、ωz——輸入角速率。

有關K的系數(shù)都是溫度的函數(shù)。在考慮溫度變化時上述有關的K要加上ΔKT，ΔKT是溫度引起的變化。

ΔKT=KTΔT

式中:KT——溫度系數(shù)，ΔT——溫度變化量。

3．3 地質超深自尋北陀螺測斜儀技術方案設計

3．3．1 技術方案設計分析

地質超深自尋北陀螺測斜儀要在280℃高溫、8000 m孔深環(huán)境下使用，采用常規(guī)鉆孔測斜儀的方法，需要解決耐280℃高溫的傳感器、集成電路芯片和配套的電子元件，這些耐高溫的器件國內外都難購到。另需高溫測井電纜，一般高溫電纜只能承受200℃高溫，并且要配套電纜絞車，此套系統(tǒng)不僅價格昂貴，而且現(xiàn)場操作極為麻煩，費時費力。

(1)本技術方案是采用新材料和新方法研制新型超真空絕熱無磁保溫瓶(圖4)，當外部環(huán)境溫度為280℃時，保溫瓶內部溫升小于60℃。

圖4 超真空絕熱無磁保溫瓶結構示意圖

(2)將鉆孔測斜儀芯片、電路板以及電池置放其中進行絕熱保溫。這樣測斜儀的部件以及電池都不易被高溫損壞?？傮w設計加工一個孔下測斜探管(圖5)。保溫瓶、鉆孔測斜儀以及電池均置放其中。測斜時將孔下測斜探管與鉆桿連接或采用鋼絲繩打撈器連接(繩索取心鉆進工藝)下孔測斜。

(3)保溫瓶中的鉆孔測斜儀(圖5)采集數(shù)據方式設計為存儲式，下孔測斜探管可按規(guī)范分段進行全程測量，其測量數(shù)據存儲在測斜儀電路中，測斜探管提到地面時，將存儲的測斜信號取出采用有線或無線方式送到便攜式電腦回放讀取鉆孔測斜的數(shù)據。由于測斜探管設置可外接充電和取信號裝置，探管提到地面后無須拆卸，可避免測斜探管在高溫下操作和保持長期穩(wěn)定工作。

3．3．2 保溫瓶溫度設計核算

采用新材料和新方法研制新型超真空絕熱無磁保溫瓶(圖4)，當外部環(huán)境溫度為280℃時，保溫瓶內部溫升小于60℃。

由比熱容的公式:

Q=cmΔt

式中:Q——熱量，J;c——比熱容，J/(kg·℃);m——質量，kg;Δt——溫差，℃。

圖5 地質超深自尋北陀螺測斜儀探管機芯結構示意圖

吸熱時:Q吸=cm(t－t0)

放熱時:Q放=cm(t0－t)

式中:t——末溫，℃;t0——初溫，℃。

Q＞0時為吸熱，Q＜0時為放熱。

吸熱時:t=Q/cm+t0

放熱時:t=t0－Q/cm

一般鋼鐵的比熱容c=460 J/(kg·℃)。

初溫可設定為保溫瓶內部溫升60℃，即t0=60℃。

地質超深自尋北陀螺測斜儀探管質量m=5 kg。

儀器功率4.8 W，那么每小時發(fā)熱量4.8 W×3600 s=17280 J。

工作8 h，發(fā)熱量 Q=8×17280=138240 J。

吸熱時:t=Q/(cm)+t0=138240/(460×5)+60=120℃。

因此設計的地質超深自尋北陀螺測斜儀機芯探管最大耐溫應在120℃。

當然也可在超真空絕熱無磁保溫瓶內灌入高溫吸熱硅油材料，降低發(fā)熱產生的溫升。

3．4 地質超深自尋北陀螺測斜儀測量工藝設計

3．4．1 數(shù)據存儲

通過測井儀內設置的數(shù)據存儲模塊，可以將測井的數(shù)據存儲起來，回到地面后進行重放。

3．4．2 零速校正

如果測井儀工作時間長，可以通過在井內任何位置停(5 min)下來進行零速校正，消除頂角、頂角方位角，工具面向角積累的誤差。

3．4．3 點工作方式

測井儀可以停止在井內任何點進行測量。

3．4．4 連續(xù)測量方式

測斜儀可以在孔內連續(xù)工作，記錄下時間、頂角、方位角、工具面向角的連續(xù)變化。地面記錄下時間、孔深。

3．4．5 數(shù)據輸出讀取方式

(1)雙向通信三芯電纜傳輸距離≥1000 m，串口RS485。

(2)記錄存儲方式

①回放數(shù)據串口RS232，按通訊協(xié)議執(zhí)行，將地面記錄時間、孔深與孔內連續(xù)工作記錄下時間、頂角、頂角方位角、工具面向角對應的時空關系，獲取測量鉆孔不同孔深位置的時間、孔深、頂角、頂角方位角、工具面向角;

②可連續(xù)存儲8 h內的工作數(shù)據。

3．4．6 本設計特點

(1)能自動完成頂角、頂角方位角、工具面向角的初始對準。

(2)在測量過程中可用零速校正清除測量過程中積累誤差。

(3)數(shù)據可以存儲。

(4)設計方案選用的耐高溫器件可靠性高，使用壽命長。能在120℃的環(huán)境條件下工作。

(5)設計的該儀器具有良好的環(huán)境適應性、耐沖擊、振動。

(6)可連續(xù)測量，也可定點測量。

(7)不受磁干擾，在有磁鐵礦，地磁異常的情況下，也能正常工作。

4 地質超深自尋北陀螺測斜儀測試

選擇了校驗臺測試及鉆孔中測量易產生的故障溫度、壓力、沖擊、振動。

(1)研制的地質超深自尋北陀螺測斜儀采用數(shù)字多用表、萬能分度頭和JJG－2型測斜儀校驗臺等儀器設備、調試和標定。表2為地質超深鉆孔自尋北陀螺測斜儀器傾角和方位角值測試表。

(2)高溫貯存:儀器應能經受+280℃、24 h的高溫貯存試驗，試驗后逐漸恢復至常溫。

(3)高溫工作:產品在+280℃環(huán)境下能正常工作。

(4)密封壓力試驗:將探頭放在密封試壓容器內密封加水壓，壓力80 MPa，持續(xù)時間2 h。

表2 地質超深鉆孔自尋北陀螺測斜儀器傾角和方位角值測試 /(°)

(5)沖擊試驗:產品軸向沖擊加速度為70g、持續(xù)時間5～8 ms，共沖擊1次。

(6)振動試驗:儀器在頻率10～200 Hz，加速度10g條件下，工作3 min。

5 結語

(1)隨著地質超深地質勘探工作的發(fā)展，對鉆進工藝和鉆孔測斜技術提出了更高的要求，現(xiàn)有的地勘鉆孔測斜技術已不能滿足溫度高達280℃、8000 m孔深地層環(huán)境的鉆孔測斜要求，需研制適合上述工作環(huán)境的地質超深地勘鉆孔測斜儀器和技術方法。

(2)研制在地質超深鉆孔中既能保證質量又能保證安全的鉆孔測斜儀以及研究相應的測試工藝技術方法，是地質超深鉆孔勘探和開發(fā)不可缺少關鍵技術。

(3)勘探和開采鉆孔如不能測量孔斜質量或者測量質量不可靠將會帶來不可估量的損失，甚至可能影響整個勘探和開發(fā)系統(tǒng)的成敗。

(4)本項技術的成功不僅填補了地質超深鉆孔測斜的空白，而且還可用于其他特種鉆孔勘探，如為地下干熱巖地質鉆探找礦和開采的鉆孔孔斜質量的測量提供技術支撐。

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