深井鉆進時井底參數(shù)自動遙控系統(tǒng)用傳感器的設計研究

湯鳳林，ЧихоткинA.В.，ЕсауленкоВ.Н.，寧伏龍，段隆臣，ЧихоткинВ.Ф.

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，湖北 武漢430074；2.АстраханскийГосударственныйТехническийУниверситет，РоссияГ.Астрахань414025；3.地球深部鉆探與深地資源開發(fā)國際聯(lián)合研究中心，湖北武漢430074）

1 概述

當前我國“三深一土”戰(zhàn)略正在緊密鑼鼓的實施，在深部探測和深部找礦方面已取得一系列成果［1-3］。未來國家還計劃實施一口13000 m特深地質(zhì)井重大工程，該井深度超過了前蘇聯(lián)的12262 m科拉超深井，將創(chuàng)造新的鉆探世界紀錄，對推動地球系統(tǒng)科學發(fā)展和鉆井技術進步具有重要意義。

鉆井是一個系統(tǒng)工程，涉及鉆井設備、工具、鉆進工藝、固井和完井工藝以及操作規(guī)程、生產(chǎn)管理等。在根據(jù)井深和所鉆地層選定設備、工具之后，鉆進工藝和操作規(guī)程非常重要，直接影響著鉆井技術經(jīng)濟指標。目前主要還是依靠地面儀表顯示的讀數(shù)指標來指導鉆井工藝和操作規(guī)程。但是，地面儀表顯示的讀數(shù)與井底參數(shù)實際數(shù)值有一定的差異。據(jù)俄羅斯超深井鉆井研究結果，此差異可達20%～30%［4-7］。為了檢測和了解井底鉆進參數(shù)的真實情況，通常會在鉆井設備和鉆具上安裝各種不同類型的傳感器（見圖1）［4-15］。但是超深井鉆進時，井底條件非常惡劣，壓力可能大于100 MPa，溫度可能大于200℃，各個方向的振動可達10～100個重力加速度。這些苛刻條件對井底參數(shù)測量使用的傳感器元器件提出了特殊的要求［4-7］，需要優(yōu)選設計井下傳感器工作元件類型。

圖1 鉆井過程傳感器布置Fig.1 Deployment of the sensors in drilling process

2 傳感器系統(tǒng)元件選型

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其它所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等需求。通常傳感器工作包括以下部件：敏感元件直接感受被測量對象，并輸出與測量有確定關系的物理量信號；轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的物理信號轉(zhuǎn)換成為電信號；變換電路負責對輸出的電信號進行放大調(diào)制；轉(zhuǎn)換元件和變換電路一般需要輔助電源供電。

根據(jù)傳感器工作原理的不同，傳感器元器件類型又可分為：射流元件、電力元件、半導體線路、集成（電子）線路、一般水力元件、一般氣動元件、機械系統(tǒng)等，其性能參數(shù)很不相同。各種元件的主要性能指標見表1［4-7］。

從表1可見，與其它元器件相比，射流元件具有尺寸小、無活動零件、不受高溫和輻射影響、不懼撞擊振動、制作容易、價格低廉、容易與其它測量系統(tǒng)連接、可在危險條件下使用等優(yōu)點，非常適合作為超深鉆探傳感器工作元件。下面就以方位角傳感器為例，介紹基于射流元件的該類傳感器的設計方法。

表1 射流元件與其它類型元件性能對比Table 1 Performance comparison between jet elements and other elements

3 方位角傳感器設計

3.1 方位角傳感器結構

俄羅斯使用的不是一般國家標準的方位角傳感器，而是將機械諧振裝置和含有空氣射流元件組合的傳感器，其結構和原理見圖2。之所以使用機械諧振裝置是因為其突出的技術指標：質(zhì)量好、穩(wěn)定性高、井底和井口數(shù)據(jù)傳輸通道參數(shù)容易協(xié)調(diào)等。使用空氣射流元件是因為其可靠性高、發(fā)生作用快、簡單和價廉，可以在其它傳感器不能使用的條件下使用。這些射流元件的頻率范圍可以與井中無線傳輸通道的頻帶相適應。利用射流及其和固體井壁的相互作用，可以設計出具有比例特征、繼電器特征和實現(xiàn)各種邏輯功能的轉(zhuǎn)換器元件。此外，空氣射流元件還有尺寸小、不含活動易磨損零件的優(yōu)點。因為這些優(yōu)點，使之適合在極端條件下（壓力＞100 MPa，溫度T＞+200℃和各個方向的振動為10～100個重力加速度）使用。供給射流裝置空氣的壓力，一般為0.01～0.1 MPa。使用如此低的空氣壓力，是因為井眼內(nèi)徑尺寸制約了空氣用量。從射流元件和機械諧振裝置輸出的傳感器信號，是頻率為f(Hz)、空氣壓力振幅為A0=0.005～0.05 MPa的系列氣動脈沖信號［4-15］。

從圖2可見，射流發(fā)生器型轉(zhuǎn)換器位于帶有偏心重錘的框架1內(nèi)，框架1用軸承3固定在支座2上。轉(zhuǎn)換器由供氣噴嘴4、接收噴嘴5和出口噴嘴6組成，出口噴嘴6通過轉(zhuǎn)換通道與接收容器7連接。機械諧振裝置13呈一端固定的舌片形式，置于射流發(fā)生器非平整表面的射流粘附區(qū)內(nèi)。在框架1內(nèi)固定有帶有壓縮氣體的氣瓶11，這個氣瓶既是轉(zhuǎn)換器的供氣來源，也同時起重錘作用。氣瓶11利用調(diào)解減速器12與供氣噴嘴連接。氣囊17與水力放大器18控制連桿連接。傳感器裝置中裝有帶磁針9的鍋狀物體10，可以鎖定滑線電阻器16的線圈。諧振裝置13的驅(qū)動系統(tǒng)14接入由滑線變阻器16、電阻15和供電電源8組成的電路中。

圖2 新型方位角傳感器結構示意Fig.2 Structure of the new type azimuth sensor

測量時，從滑線電阻器16線圈中來的電流，與按地球磁子午線確定的磁針9的位置有關。此時，減速器12打開，氣流從氣瓶11出來，經(jīng)過噴嘴4，粘附非平整管壁，進入接收噴嘴5，充滿接收容器7。充滿接收容器7后，在接收噴嘴5前產(chǎn)生反壓，使氣體脫離管壁，轉(zhuǎn)入出口噴嘴6。此后，氣體進入氣囊17，氣囊17推動水力放大器18的控制連桿。出口噴嘴中的壓力以頻率為f(Hz)進行跳躍式變化。氣流依次粘附管壁，充滿接收容器7，進入出口噴嘴6。在噴嘴5的入口端置有舌片13，舌片13在驅(qū)動系統(tǒng)14的作用下產(chǎn)生振動。氣流發(fā)生器的振動頻率，與諧振裝置的振幅有關。供電用交變電源8進行?？蚣?位于井筒彎曲平面內(nèi)。井筒彎曲方位角變化時，帶有偏心重錘11的框架1相對按子午線確定的磁針開始轉(zhuǎn)動。磁針重新鎖定滑線變阻器的線圈，使電阻發(fā)生變化?；€變阻器是接入平衡電橋的一個臂上的。所以，電橋電阻的變化，可以改變電橋?qū)蔷€臂電壓的變化，改變諧振裝置13的振幅。此時，射流元件的振動頻率也發(fā)生變化。利用水力放大器18的拉桿，把脈沖傳給井底和井口的水力傳輸通道。這樣，就把方位角轉(zhuǎn)換成了頻率為f(Hz)的跟蹤脈沖。

3.2 方位角傳感器轉(zhuǎn)換過程

方位角傳感器轉(zhuǎn)換過程如下。第一階段，把等于方位角α的框架轉(zhuǎn)動角度轉(zhuǎn)換成驅(qū)動線圈的電壓U，這是因為接入平衡電橋一個臂上的滑線變阻器的電阻Rp發(fā)生變化的結果。第二個階段，把驅(qū)動線圈上的交變電壓U轉(zhuǎn)換成舌片的振幅X。第三個階段，把舌片振幅X轉(zhuǎn)換成出口噴嘴上頻率為f的空氣脈沖。頻率為f的序列脈沖是井筒彎曲方位角傳感器的輸出信號。轉(zhuǎn)換過程示意見圖3。

圖3 方位角傳感器信號轉(zhuǎn)換示意Fig.3 Signal conversion of the azimuth sensor

3.3 方位角傳感器試驗臺及其試驗結果

上述新型傳感器工作原理是基于科安德（Коанд）效應的，即當射流通過非平整固體管壁時，則因射流（氣流或液流）粘附到附近的管壁上，而改變流動方向。

從圖4可見，射流發(fā)生器出口振動頻率與供氣噴嘴出口面積、接收噴嘴面積、接收容器體積、接收容器充滿和用空過程參數(shù)以及氣流流動情況有關，也與位于氣流粘附固體表面上的機械諧振裝置（舌片）的振幅及其規(guī)律有關。接收容器的充滿時間，亦即射流發(fā)生器的頻率，與從供氣噴嘴出來的射流斷面面積S有關。斷面面積S由舌片一端與粘附表面間的間隙d確定。如果舌片端是平面的，則面積S是個矩形，S=hd（式中h是舌片端的高度）。舌片不動時，面積S是個常數(shù)。舌片振動時，則d是個變量，且與舌片振動規(guī)律X（t）和管壁形狀有關?？梢钥闯?，舌片偏離平衡位置越遠，則射流瞬時斷面面積S（t）越大。如果射流斷面面積變化，則射流發(fā)生器出口沖擊頻率也隨之變化。為了分析和研究，建立了方位角試驗臺（見圖5）［4-6］，確定了射流發(fā)生器出口沖擊頻率與方位角的對應關系（見圖6）［4-7］。

此外還通過實驗確定了射流發(fā)生器出口沖擊頻率與供氣壓力（圖7）、接收容器容積（圖8）、發(fā)生器幾何形狀和尺寸間的關系（圖9）［4-7］。

試驗臺試驗結果表明，舌片和射流發(fā)生器中的主要參數(shù)有：α—舌片位置和射流粘附表面前部的夾角；β—供氣噴嘴位置與射流粘附表面前部的夾角；γ—接收噴嘴位置與射流粘附表面?zhèn)让娴膴A角；a—供氣噴嘴與舌片間的距離；b—接收噴嘴與舌片間的垂直距離；c—供氣噴嘴到射流粘附表面的距離；d—舌片端部到射流粘附表面的距離。上述參數(shù)的變化，很大程度上影響空氣脈沖行為，直至導致空氣脈沖不再發(fā)生。因此，設計射流發(fā)生器時，應特別注意這些參數(shù)取值。其中，α影響最大，其數(shù)值范圍應控制在65°～75°之間；β和γ影響次之，β應控制在20°～40°之間，γ應控制在15°～25°之間。距離b、d影響較小，可取a=2.5～5 mm，b=1～2 mm，c=0.5～1 mm，d=0.5～1 mm。

圖4 射流發(fā)生器示意Fig.4 Jet generator

圖5 方位角傳感器試驗臺示意Fig.5 Test bench for the azimuth sensor

圖6 射流發(fā)生器出口沖擊頻率與方位角的關系Fig.6 Impact frequency at the outlet of the jet generator vs azimuth

圖7 射流發(fā)生器出口沖擊頻率與空氣供給壓力的關系曲線Fig.7 Impact frequency at the outlet of the jet generator vs air supply pressure

圖8 射流發(fā)生器出口沖擊頻率與接收容器容積的關系曲線Fig.8 Impact frequency at the outlet of the jet generator outlet vs receiver volume

3.4 方位角傳感器的設計

方位角傳感器可按如下步驟進行設計：

第一步，根據(jù)井底條件計算方位角測量儀器直徑。對于超深井（大于7000 m）來說，鉆柱下部結構主要是鉆桿（鉆桿外徑144 mm、內(nèi)徑100 mm），由于鉆井液需要在鉆桿內(nèi)部循環(huán)，所以必須考慮鉆桿內(nèi)壁和井底測量儀器的間隙。所以，容器外徑等于：

圖9 方位角傳感器中舌片（a）和射流發(fā)生器（b）尺寸、角度Fig.9 Size and arrangement of the azimuth angle sensor tongue(a)and the jet generator(b)

式中：rT——鉆桿外徑；h——鉆桿壁厚；rBT——鉆桿內(nèi)徑；rK——測量儀器外壁到鉆桿內(nèi)壁的距離（間隙）。

第二步，計算測量儀器內(nèi)傳感器的尺寸。傳感器位于轉(zhuǎn)動框架內(nèi)（參見圖2），所以傳感器外徑等于：

式中：D傳——傳感器外徑；D儀器——測量儀器外徑；hK——井底測量儀器壁厚；hз——測量儀器內(nèi)壁和轉(zhuǎn)動框架的間隙；hр——轉(zhuǎn)動框架壁厚。

超深井鉆進時，方位角測量儀器直徑通常為40～50 mm，必要時測量容器長度可達10 m，即可與一根鉆桿長度相應。

第三步，計算射流轉(zhuǎn)換器的尺寸和接收容器的容積。射流轉(zhuǎn)換器由一組噴嘴、粘附表面和舌片組成，置于轉(zhuǎn)動框架內(nèi)。轉(zhuǎn)換器的最大尺寸元件是舌片，其長度可達80～90 mm。所以，必須將其置于與傳感器垂直軸線平行的位置上（見圖9）。轉(zhuǎn)換器元件的幾何形狀應與圖9一致。

接收容器容積決定傳感器出口信號的頻率范圍。計算表明，為了與無線組合傳輸通道傳感器配合，噴嘴直徑為1.5 mm時，接收容器的容積為3～4 L即可。射流傳感器尺寸減小時，接收容器的容積也應減小。如果傳感器直徑為40 mm、長度為2～3 m，則在傳感器內(nèi)可以安置容積為3～4 L的接收容器。

第四步，計算傳感器的電路。要計算電橋上滑線變阻器和各個臂的電阻額定值以及驅(qū)動裝置電磁線圈的匝數(shù)。

第五步，確定傳感器頻率范圍與通信傳輸通道通過范圍是否一致。

第六步，計算供氣瓶的容積。供氣瓶容積應能保證傳感器在井底工作的時間。為了保證供給射流傳感器的氣體，必須使氣體壓力保持在0.01～0.12 MPa范圍內(nèi)，氣體在傳感器中的消耗量不大（為10～20 L/h）。如果射流傳感器直徑為50 mm，長度為2 m，則其容積為3925 cm3。

第七步，按數(shù)學模型計算傳感器。

方位角傳感器設計計算框圖見圖10［4-7］。

4 結論和建議

（1）鉆探工程中，當根據(jù)鉆孔深度和所鉆地層選定鉆探設備和鉆具（含鉆頭）之后，鉆探工藝和操作規(guī)程決定著鉆探工程技術經(jīng)濟指標的好壞。而鉆探工藝和操作規(guī)程決策和優(yōu)化依賴地面儀表顯示的井底參數(shù)及其準確性。從目前情況看，地面儀表所示讀數(shù)與孔底實際參數(shù)有一定差距，孔越深，差距越大，影響了鉆進技術經(jīng)濟指標的提高，成為當前超深鉆探急需解決的難題之一。

（2）消除上述差距的有力措施就是研發(fā)井底多參數(shù)測量監(jiān)控系統(tǒng)加以解決。在監(jiān)控系統(tǒng)中，傳感器是關鍵部件。俄羅斯研發(fā)的井底傳感器不是通常所用的標準傳感器，而是新型傳感器。文中以方位角傳感器設計和計算方法為例，闡明了其設計思想和實施方案，以指導后續(xù)深井傳感器選型和檢測方案設計，以對安全高效實施13000 m特深地質(zhì)井具有重要意義。建議有關部門和單位對其進行全面分析研究，確認其合理性、參考性和可用性。

（3）對于這樣一口特深地質(zhì)井來說，為了鉆井順利優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，井底參數(shù)檢測控制非常重要，俄羅斯研發(fā)的井底參數(shù)遙控系統(tǒng)（含傳感器）或許具有一定的參考價值。

圖10 方位角傳感器設計流程Fig.10 Design chart for the azimuth sensor