鉆 孔 軌 跡 探 測 實 驗 儀 研 制

屈召貴， 龔名茂， 周 策

(1.四川工商學院 電子信息工程學院，成都 611745；2.中國地質(zhì)科學院 探礦工藝研究所，成都 611734)

0 引 言

在礦產(chǎn)資源勘探和地質(zhì)監(jiān)測過程中，需要通過鉆孔了解地質(zhì)信息。鉆孔傾斜測量是鉆探施工中重要的測試項目，是保證鉆孔順利進行的依據(jù)。隨著勘探工作逐漸朝著深部發(fā)展，鉆井內(nèi)的溫度、壓強也在不斷增加，在一般地區(qū)，鉆井深度達到8 km時，其溫度將達到250 ℃，在地溫梯度異常的干熱巖地區(qū)，溫度還將更高。而現(xiàn)有技術(shù)中用于測斜儀器只能適用于250 ℃以下的環(huán)境測斜，隨著鉆井深度增加，井內(nèi)壓力也在增加，儀器設(shè)備的功耗增加，極大地限制了深井資源的開采[1-5]。因此提供一種耐高溫、高壓、高精度、低能耗的鉆孔軌跡探測儀十分必要?；诖?，本文提出間歇式智能電源管理解決設(shè)備功耗，減小散熱；利用高強度新型材料設(shè)計保溫管和承壓外管，解決280 ℃、120 MPa環(huán)境；選擇光纖蛇螺、耐高溫元器件，解決方位角測量范圍與精度為0～360°(±1.5°，井斜>3°)；井斜測量范圍0～90°(±0.15°)的井孔軌跡測量。

1 干熱巖地層鉆孔測斜儀原理和構(gòu)成

超高溫鉆孔軌跡測量儀系統(tǒng)主要分為地面部分和井下部分。地面部分主要包括地面計算機、測井絞車和深度計，其中地面計算機中安裝有儀器配套測量軟件，主要實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的顯示和管理以及井身軌跡的繪制等功能。井下部分為儀器的核心部分， 主要包括存儲式陀螺測斜探管、耐壓耐溫復合保溫外管以及防震導向接頭、扶正器等。系統(tǒng)主要涉及井下存儲式陀螺測軟硬件和地面軟件。

1.1 鉆孔測斜儀原理

陀螺尋北儀根據(jù)采樣和解算方式不同可分為連續(xù)轉(zhuǎn)動方案、多位置方案和二位置方案，其中二位置方案由于其尋北時間短，易于實現(xiàn)而廣泛得到應用。二位置尋北儀是利用在相位差180°的兩位置上對陀螺和加速度計采樣，通過抑制共模干擾信號的算法消除陀螺和加速度計的常值漂移和零位誤差，從而得到較高精度的載體與真北方向的夾角[7-9]。

建立姿態(tài)坐標系如圖1所示。載體坐標系：橫軸向右為Xb軸的正方向，縱軸向前為Yb軸的正方向，鉛垂軸向上為Zb軸的正方向，原點為尋北儀的質(zhì)心。地理坐標系：取東為Xg軸的正方向，北為Yg軸的正方向，鉛垂軸向上為Zg軸的正方向，原點為尋北儀的質(zhì)心。Ax和Ay為加速度計。

圖1 尋北姿態(tài)坐標系

由導航學旋轉(zhuǎn)變換中的歐拉定理可知，地理坐標系到載體坐標系的變換矩際如下式所示。

(1)

式中:繞方位軸Z軸旋轉(zhuǎn)角度為Ψ(航向角)，繞X軸旋轉(zhuǎn)角度為θ(俯仰角)，繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度為γ(橫滾角)。依次對應井斜測量的方位角、傾角和工具面角。

載體坐標系和地理坐標系中的重力關(guān)系如下式所示。

(2)

式中：g為重力加速度;ax、ay、az分別為重力加速度在地理坐標系的投影。

式(3)為傾角，式(4)為工具面角。

真北方向計算，

(5)

式中:ωx、ωy分別X軸Y軸方向的角速度;φ為地球緯度。令Θ=ωiecosφ，其中ωie為地球自轉(zhuǎn)角速度;φ為被測點地球緯度值[9-12]。

綜上所述，通過角速度和加速度傳感器分別測出ωx、ωy、αx、αy的數(shù)據(jù)，通過解算，即可獲取載體的姿態(tài)，達到尋北目的。

1.2 測斜實驗儀系統(tǒng)的組成分析

整個系統(tǒng)包括孔內(nèi)探管和地面數(shù)據(jù)讀取處理軟硬件，如圖2所示。孔內(nèi)探管主要包括耐280 ℃高溫和30 MPa壓力的承壓管、保溫管和測量單元測斜儀機芯構(gòu)成。機芯由光纖陀螺組件、溫度傳感器、控制器、電源、吸熱體、存儲器、通信電路等構(gòu)成。

2 測斜實驗儀的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

主控器電路板結(jié)構(gòu)主要承擔光纖陀螺測斜測溫探管的電源控制、數(shù)據(jù)存儲、探管外溫度測量等功能，如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

圖3 主控電路圖

2.1 主控制器元器件選擇分析

單片機選用Microchip公司的PIC18F25K80單片機，其工作溫度范圍為-40～150 ℃。內(nèi)置32 Kbyte Flash存儲器、12 Bit ADC、16 Bit定時器等外設(shè)，能滿足本項目的要求。通信接口使用RS-232通信，芯片選用ADI公司的工業(yè)級RS-232芯片，其工作溫度范圍為-25～125 ℃。實現(xiàn)主控制器與光纖陀螺組件通信和主控制器與PC機通信,其電路如圖4所示。存儲器選用MicroChip公司的SPI接口EEPROM存儲器25LC1024，該存儲器溫度范圍達-40～150 °C，容量為256 Kbits，按照測量模塊每組數(shù)據(jù)42 Byte計算，一共可存儲3 160組數(shù)據(jù)。存儲光纖陀螺組件傳送的姿態(tài)參數(shù)和溫度參數(shù),電路如圖5所示。

圖4 通信電路圖

外部溫度測量部分，使用高精度的Pt100溫度傳感器及專用Pt100測溫轉(zhuǎn)換器MAX31865芯片，該芯片可以直接通過SPI接口輸出Pt100的實際溫度所對應的二進制補碼，通過轉(zhuǎn)換即可輸出溫度。

2.2 電源管理電路設(shè)計與實現(xiàn)

電源管理主要是解決整個測量系統(tǒng)的供電。由于系統(tǒng)使用高功率、一次性、便攜式電池，對于電池能量、體積要求非常高。采用智能化間歇供電方式，以降低功耗、減小溫升、提高電池的使用時間。當探管機芯在下放的過程中，要求光纖陀螺組件處于斷電狀態(tài)，當下放到指定高度停止時開始供電，使其工作。光纖陀螺需要±5 V和±15 V電源，設(shè)計中利用ADXL203加速度計進行振動檢測(靜止與振動)，通過繼電器管理。繼電器選用宏發(fā)的高溫繼電器HF-32-A，其電流可達2 A，溫度范圍為-25～125 ℃，符合環(huán)境要求。高溫電池型號為4ER34615S，由4只鋰/亞硫酰氯(Li-SOCl2)電池串接而成，其單只電池開路電壓為3.65 V，容量達12 A·h，且工作溫度范圍-40～165 ℃。電路如圖6所示。

圖5 存儲電路圖

(a) 振動檢測電路

(b) 電源控制電路

3 測斜實驗儀的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要由上位機軟件和探管機芯主控制器軟件構(gòu)成。上位機軟件主要用于參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)導出等功能；探管機芯主控制器軟件包括光纖陀螺參數(shù)獲取、管外溫度采集、電源管理、數(shù)據(jù)存儲與通功能。

上位機軟件功能模塊主要包括：①用于連接和數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)拇型ㄐ拍K；②用于讀出存儲在探管存儲器中的姿態(tài)參數(shù)；③用于給測量探管的參數(shù)設(shè)置模塊；④用于方便用戶使用的使用說明模塊。上位機軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要包括串口通信、讀取數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置、使用說明等6個模塊。

主控制器程序主要包括自動測量、等間隔測量、定時測量3個流程。自動測量：連續(xù)測量；等間隔測量(時間間隔開關(guān)測斜機芯電源測量)；定時測量3個流程(定時開關(guān)電源)，如圖8所示。

圖7 上位機軟件結(jié)構(gòu)圖

圖8 主控制器流程圖

4 承壓管和保溫管機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計主要由承壓外管、保溫內(nèi)管兩部分，開展承壓外管、保溫內(nèi)管的加工試制和室內(nèi)測試。用于干熱巖地層的鉆孔測斜儀傳感器組件裝配。

①承壓外管規(guī)格。內(nèi)徑φ60 mm、外徑φ73 mm、有效長度2 680 mm；

②保溫探管規(guī)格。內(nèi)徑φ45 mm、外徑φ58 mm、有效長度2 440 mm；

③保溫性能。環(huán)境溫度300 ℃，工作4 h，管內(nèi)溫升<80 ℃；

④耐壓120 MPa；

⑤內(nèi)外殼直線度≤0.8 mm；

⑥使用壽命≮5 a；

⑦抗沖擊：100 g，11 ms(1/2 sine)；

⑧平均故障間隔時間(MTBF)≮1 000 h。

4.1 承壓外管管體設(shè)計與校核

承壓外管管體機械設(shè)計圖如圖9所示。

圖9 承壓外管圖

承壓探管壁厚計算公式如下式所示：

(6)

式中：σmax為承壓探管材料屈服強度，MPa；D為承壓探管外徑，mm；d為承壓探管內(nèi)徑，mm；p為承受外壓，MPa；n為安全系數(shù)，值為1.2～1.5，一般取1.3。

承壓外管尺寸外徑D=73 mm，內(nèi)徑d=61 mm。承壓外管選擇17-4PH沉淀型硬化型不銹鋼，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，屈服應力為355 MPa，屈服極限為1 180 MPa。承壓外管所需承受外壓外壓p=120 MPa；校核時安全系數(shù)取n=1.3。將以上所選取的參數(shù)值代入式(6)，可得到σ=895.43 MPa。

所以σmax=1 180 MPa大于895.43 MPa，承受外壓管材尺寸及相關(guān)參數(shù)選擇是合理的。

建立承壓探管模型進行有限元分析，可得到壁厚為6 mm時，承壓探管的內(nèi)部應力分析為合理，也滿足外界環(huán)境條件要求。

4.2 保溫探管設(shè)計與校核

保溫探管機械設(shè)計圖如圖10所示。由壓蓋、堵頭、隔熱管、上吸熱體、瓶體、下吸熱體構(gòu)成。保溫探管對溫度的控制效果是通過溫度場與壓力場進行耦合分析，確保設(shè)計的合理性。通過計算內(nèi)管壁導熱、隔熱塞漏熱、輻射漏熱和殘余氣體漏熱可得容器的總漏熱φ=3.315 W。蓄熱體長度為400 mm，經(jīng)計算探管蓄熱量Q=90.432 kJ。由此可計算機保溫時間t(h)，

(6)

圖10 保溫探管圖

理論上,蓄熱體在保溫時間4 h內(nèi)，能滿足Δt≤80 ℃。實際上傳入保溫瓶內(nèi)的熱量不可能立即全部被保溫瓶貯存，所以設(shè)計應有足夠余量。施加溫度邊界條件：溫度300 ℃，求解溫度場，并將溫度場結(jié)果導入靜力學結(jié)構(gòu)分析；施加圍壓載荷30 MPa，并進行約束。通過有限元分析仿真，設(shè)計符合要求。

5 系統(tǒng)測試

5.1 姿態(tài)參數(shù)測試

現(xiàn)場測試姿態(tài)參數(shù)如表1所示。由于該井沒有其他測斜數(shù)據(jù)參比，采用通過兩次測試數(shù)據(jù)比較，可以看出儀器測量的頂角結(jié)果重復性較好，在0.2°之內(nèi)，方位角數(shù)據(jù)在頂角小于3°時的誤差是比較大的，在頂角大于3°時，方位角上測與下測的偏差在2.5°范圍內(nèi)。

表1 方位角和傾角實測值

5.2 井深與溫度測試

通過儀器存儲的數(shù)據(jù)和儀器到達井底的時間對應關(guān)系，測得該井井底3.7 km處的溫度為207 ℃，加上起下鉆和技術(shù)性停待，實際測量時間超過43 h。取樣頻率為1點/10 s，取得了測溫原始數(shù)據(jù)15 427組；超高溫溫度測量單元由9 ℃上升至207 ℃，溫升198 ℃，測得井底溫度為207 ℃。將井深與井底溫度對應，得到如圖11的井深-井溫的連續(xù)測量曲線。儀器已通過測試檢定，測溫精度達到±0.15 ℃，測量范圍為0～280 ℃。

圖11 井深-井底溫度實測曲線

6 結(jié) 語

測斜實驗儀機芯選用耐高溫等高新技術(shù)產(chǎn)品作為其測量元件，采用間歇供電技術(shù)以減小能耗和散熱。在設(shè)備外形結(jié)構(gòu)上，采用新材料設(shè)計承壓外管和保溫探管，并利用ANSYS有限元分析軟件對設(shè)計的承壓外管結(jié)構(gòu)進行強度校核，對保溫探管進行溫度場與壓力場進行耦合分析。通過設(shè)計、校核與測試表明，設(shè)備能在環(huán)境溫度280 ℃、壓強120 MPa的條件下工作；頂角范圍0～90°,精度小于0.5°，方位角測量范圍在0～360°，精度小于2.5°；溫度范圍和精度：0～280 ℃，±1 ℃；消除了機械框架陀螺測斜儀的累計誤差，提高了測量精度；并解決了供電節(jié)能和數(shù)據(jù)存儲等問題，具有應用價值。