存儲(chǔ)式高溫高壓鉆孔測(cè)溫儀的研制與應(yīng)用

李 忠，趙燕來，羅光強(qiáng)

（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都611734）

0 引言

地?zé)嶙鳛榫G色、可再生資源，被世界各國(guó)確定為維系社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的新“綠色能源”，地?zé)豳Y源的利用成為國(guó)際應(yīng)對(duì)氣候變化、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展的有效途徑，從而也成為全球新能源利用的熱點(diǎn)。地?zé)豳Y源可分為2 種類型：天然熱水資源和高溫巖體地?zé)豳Y源（又稱干熱巖）。高溫巖體地?zé)幔℉DR）是指溫度＞200 ℃的巖體中蘊(yùn)藏的地?zé)豳Y源，可以經(jīng)過人工開采，從巖體中直接提取出熱水蒸汽而直接用于發(fā)電和熱水利用，是可再生的“綠色能源”［1-2］。

我國(guó)具有豐富的高溫巖體地?zé)豳Y源，如西藏羊八井地區(qū)、云南騰沖地區(qū)、海南瓊海地區(qū)、臺(tái)灣及東南沿海地區(qū)、長(zhǎng)白山天池等地區(qū)。地?zé)豳Y源的開發(fā)利用對(duì)改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)，保證能源安全具有重大的戰(zhàn)略意義［3］。我國(guó)高度重視地?zé)崮艿拈_發(fā)利用，相繼出臺(tái)了《可再生能源法》和《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》等法規(guī)政策。自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局按照國(guó)家統(tǒng)一部署，積極推動(dòng)地?zé)豳Y源勘查開發(fā)，先后組織全國(guó)60 多家單位3000 多名技術(shù)人員，系統(tǒng)開展了全國(guó)地?zé)豳Y源調(diào)查，對(duì)全國(guó)水熱型地?zé)崮芎?36 個(gè)主要城市淺層地?zé)崮苓M(jìn)行了評(píng)價(jià)，初步估算了全國(guó)3～10 km 深度干熱巖型地?zé)崮芑A(chǔ)資源量［4］。2017 年在青海共和盆地 3705 m 深度鉆獲236 ℃的干熱巖，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)干熱巖勘查的重要突破。目前正以青海共和盆地為試驗(yàn)區(qū)，實(shí)施干熱巖資源勘查與試驗(yàn)性開發(fā)科技攻堅(jiān)戰(zhàn)。

當(dāng)前，鉆井仍是勘探和開發(fā)地?zé)豳Y源的主要手段，高溫巖體地?zé)徙@井施工與其他油氣鉆井施工有著本質(zhì)的區(qū)別，主要體現(xiàn)在施工巖層的環(huán)境溫度較高，一般在150 ℃以上，鉆井深度較大，一般為3000～6000 m，有時(shí)可達(dá)10000 m［5］。對(duì)于地溫梯度異常地區(qū)，地溫梯度將達(dá)到10～15 ℃/100 m，溫度還將更高，一口超過2000 m 深的高溫地?zé)峋蚋蔁釒r井，井底溫度就有可能達(dá)到200～300 ℃。

為了解決高溫環(huán)境下的測(cè)溫難題，為高溫地?zé)岷透蔁釒r勘查提供技術(shù)支撐，依托我所承擔(dān)的國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目“超高溫鉆孔軌跡測(cè)量?jī)x開發(fā)和應(yīng)用”（編號(hào)：2013YQ050791）以及地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“深海鉆探技術(shù)與工程支撐（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所）”（編號(hào)：DD20190587）、“青海共和盆地干熱巖調(diào)查評(píng)價(jià)與勘查示范（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所）”（編號(hào)：DD20201104）技術(shù)成果，研制了存儲(chǔ)式高溫高壓鉆孔測(cè)溫儀，可用于300 ℃以內(nèi)的鉆孔測(cè)溫。該儀器在廣東惠州惠熱1 井和青海共和GH-01 井進(jìn)行了實(shí)測(cè)應(yīng)用，取得了良好的效果。

1 儀器構(gòu)成

存儲(chǔ)式高溫高壓鉆孔測(cè)溫儀采用精密鉑電阻溫度傳感器作為測(cè)量元件，具有技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，利用大容量高溫鋰電池供電，溫度測(cè)量數(shù)據(jù)采用定時(shí)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)的方式獲取，儀器不需要測(cè)井電纜，一般采用鋼絲繩絞車進(jìn)行下放和提升，操作簡(jiǎn)單。

如圖1 所示，儀器硬件部分主要包括承壓管、保溫管和測(cè)量探管。承壓管用于儀器的承壓和密封保護(hù)，采用高強(qiáng)度的鋼材加工，可以承受100 MPa的水壓；保溫管采用真空絕熱保溫技術(shù)制造，用于隔絕外部環(huán)境的高溫，減緩?fù)獠凯h(huán)境的熱向保溫瓶?jī)?nèi)傳遞，為測(cè)井儀器贏得必要的工作時(shí)間，一定時(shí)間內(nèi)將管內(nèi)溫度保持在電子器件工作的最高工作溫度范圍內(nèi)，確保測(cè)井儀器能正常完成測(cè)井作業(yè)［6-8］；測(cè)量探管主要由鉑電阻溫度傳感器、溫度變送器、采集電路、存儲(chǔ)電路、電源轉(zhuǎn)換電路及高溫鋰電池等構(gòu)成。

圖1 儀器構(gòu)成Fig.1 Instrument composition

儀器配套的測(cè)量軟件（如圖2 所示）主要功能包括儀器時(shí)間的校正、測(cè)量時(shí)的記時(shí)以及測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的處理。時(shí)間校正主要是對(duì)測(cè)量探管內(nèi)置時(shí)鐘進(jìn)行校正，確保其時(shí)鐘與電腦時(shí)鐘保持一致；測(cè)量時(shí)的記時(shí)主要是記錄測(cè)量時(shí)儀器到達(dá)一定孔深位置時(shí)的時(shí)間，通過時(shí)間對(duì)應(yīng)，便能正確獲得該測(cè)點(diǎn)的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)；測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的處理主要是對(duì)測(cè)量探管內(nèi)自動(dòng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，可以提取存儲(chǔ)的全部測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，也可以僅按記錄的測(cè)點(diǎn)時(shí)間提取各孔深處的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，所有測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)均可導(dǎo)出為Excle 文件，便于后續(xù)報(bào)表制作和繪圖處理。

圖2 測(cè)溫儀軟件Fig.2 Thermometer software

2 儀器主要技術(shù)參數(shù)

測(cè)溫范圍：0～300 ℃；

測(cè)溫精度：±0.5 ℃；

工作環(huán)境溫度：0～300 ℃（加保溫管，在最高溫度下工作時(shí)長(zhǎng)≯2 h）；

通過對(duì)各組心肌樣品檢測(cè)，結(jié)果顯示，附子提取物組、山茱萸提取物組、附子+山茱萸提取物組與模型組比較，ATP、ADP、肌酸、肌酐的含量均升高，其中，附子+山茱萸提取物組心肌樣品中5種能量物質(zhì)升高顯著（P＜0.05、0.01）。結(jié)果見圖3。

數(shù)據(jù)采集方式：自動(dòng)；

數(shù)據(jù)保存方式：存儲(chǔ)式；

耐水壓：100 MPa；

儀器尺寸：?60 mm×2300 mm。

3 測(cè)量原理

本儀器利用鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行測(cè)溫，鉑電阻是常用的溫度傳感器之一，其測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，具有一定的非線性，溫度越高電阻變化率越小。其測(cè)溫原理是基于鉑電阻的熱效應(yīng)，即鉑電阻的阻值會(huì)隨溫度的變化而變化，呈現(xiàn)出一定的函數(shù)關(guān)系的特性［9］，因此，只要測(cè)量出感溫鉑電阻的阻值變化，就可以推算出溫度。

常用于測(cè)溫的鉑電阻主要有PT100 和PT1000兩種。PT100 表示在溫度為0 ℃時(shí)，其電阻值為100 Ω，PT1000 表示在溫度為 0 ℃時(shí)，其電阻值為1000 Ω。精度上 PT1000 要高于 PT100，PT100 主要用于-100～600 ℃，而 PT1000 最好是用于 200 ℃以下，原因是其電阻值較大，在電流相同情況下，產(chǎn)生的自熱較PT100 要高，從而會(huì)影響其測(cè)量精度。因此存儲(chǔ)式高溫高壓鉆孔測(cè)溫儀還是采用PT100作為溫度傳感器，PT100 的測(cè)量范圍為-200～850 ℃，其溫度/阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系為［10］：

-200 ℃＜t＜0 ℃時(shí)，

式中：t——環(huán)境溫度值，℃；Rt——溫度t時(shí)的電阻值 ，Ω；A、B、C—— 系 數(shù) ，A=3.90802×10-3，B=-5.80195×10-7，C=-4.2735×10-12。

PT100 測(cè)溫的本質(zhì)是測(cè)量傳感器的電阻，電阻信號(hào)常通過電橋電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)放大處理及A/D 轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)處理器換算出相應(yīng)的溫度值［11］。

PT100 的連接方式可以分為二線制、三線制和四線制。二線制連接時(shí)，由于引線電阻與PT100 串聯(lián)，增大了電阻，會(huì)影響測(cè)量精度；三線制連接時(shí)，對(duì)PT100 額外增加了第三條線，由于引線電阻具有相同特性，能夠?qū)€纜電阻進(jìn)行補(bǔ)償，消除線纜電阻的影響［12］；四線制能夠嚴(yán)格地消除線纜電阻的影響，適用于測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合。實(shí)際使用中，由于三線制的三根線的線型相同，長(zhǎng)度相同，只要連接時(shí)盡量減小接觸電阻，引線的影響基本可以忽略不計(jì)，因此，三線制在實(shí)際應(yīng)用中更為普遍，本儀器也采用三線制接法。

儀器測(cè)量時(shí)，要求傳感器必須暴露在高溫高壓環(huán)境中，因此在測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)上，采用了絕大部分測(cè)溫場(chǎng)合使用的裝配式的鉑電阻結(jié)構(gòu)形式（如圖3 所示），主要由保護(hù)管、延長(zhǎng)導(dǎo)線、測(cè)溫鉑電阻、氧化鋁裝配而成，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用范圍廣，成本較低。為了確保儀器能承受鉆孔內(nèi)100 MPa 的液柱壓力而不被破壞，保護(hù)管采用了高強(qiáng)度的鋼材，通過耐高溫O 形密封圈密封，延長(zhǎng)的導(dǎo)線采用了可以耐溫300 ℃的高溫線。這些技術(shù)措施，保證了傳感器可以在高溫高壓環(huán)境狀態(tài)下正常工作。

4 測(cè)溫儀誤差修正

由于環(huán)境溫度對(duì)電阻和放大器性能的影響，鉑電阻的電阻與溫度之間也存在著非線性關(guān)系，同時(shí)溫度變送器、采集電路A/D 轉(zhuǎn)換等在生產(chǎn)制造過程中均會(huì)出現(xiàn)一定的偏差［13］，致使整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)在環(huán)境溫度變化較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，因此必須要對(duì)儀器進(jìn)行誤差修正，消除各環(huán)節(jié)形成的誤差。

圖3 鉑電阻封裝示意Fig.3 Platinum resistance package

鉆孔測(cè)溫儀測(cè)溫傳感器部分是暴露在高溫環(huán)境中的，工作時(shí)的溫度變化范圍較大。而其余的溫度變送器、采集電路A/D 轉(zhuǎn)換、電源轉(zhuǎn)換電路及高溫鋰電池等其他電路部分是全部置于保溫管的內(nèi)部的。由于保溫管的保溫作用，正常工作時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，該部分工作時(shí)的溫升一般在30～40 ℃，且溫度不會(huì)超過電子器件自身的工作溫度范圍，該溫升變化對(duì)測(cè)量精度的影響相對(duì)較小。因此本儀器未再對(duì)該電路部分的溫度變化對(duì)測(cè)量精度的影響進(jìn)行單獨(dú)的修正，而是采用整機(jī)直接修正的方式進(jìn)行。將鉑電阻傳感器、溫度變送器、采集電路A/D 轉(zhuǎn)換的誤差等作為一個(gè)整體進(jìn)行修正，重點(diǎn)是對(duì)測(cè)溫傳感器部分的溫度變化進(jìn)行修正，以確保在滿足儀器測(cè)量精度要求情況下降低修正工作量。當(dāng)然，如果還要再進(jìn)一步的提高儀器測(cè)量精度的話，還是可以先單獨(dú)進(jìn)行各部分的修正，然后再進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的修正。

儀器誤差修正采用經(jīng)過計(jì)量檢定的高精度恒溫油槽（如圖4 所示）進(jìn)行。油槽溫度范圍-40～300 ℃，溫度波動(dòng)度≤±0.01 ℃/30 min，測(cè)量分辨率為0.001 ℃，溫度均勻度≤0.01 ℃。以恒溫油槽的溫度值作為標(biāo)準(zhǔn)值，利用恒溫油槽模擬不同的環(huán)境溫度，將鉆孔測(cè)溫儀測(cè)溫傳感器部分放入到恒溫油槽中（如圖5 所示），同步采集儀器測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。將采集到的各溫度點(diǎn)下的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行3 階多項(xiàng)式擬合［14-16］，即可得到誤差修正系數(shù)，完成儀器的誤差修正。

實(shí)際修正時(shí)，分別以25 ℃的間隔，由50 ℃開始，一直到275 ℃（300 ℃的點(diǎn)由于硅油高溫產(chǎn)生的油煙太嚴(yán)重而放棄）。在每個(gè)修正溫度點(diǎn)下，恒溫保持時(shí)間為30 min，所有修正點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)行3階多項(xiàng)式擬合，得到擬合公式如下：

圖4 恒溫油槽Fig.4 Thermostat bath

圖5 測(cè)溫儀誤差修正Fig.5 Error correction of the thermometer

式中：t——修正前的測(cè)量值，℃；T——修正后的值，℃。

利用擬合公式（3）即可對(duì)儀器的測(cè)量值進(jìn)行修正，儀器修正前后的數(shù)據(jù)對(duì)比如表1 所示。從表中可以看出，修正前儀器測(cè)量最大偏差為3.8 ℃，通過擬合修正后，最大偏差降低到0.3 ℃，儀器修正效果滿足使用要求。

5 儀器應(yīng)用

5.1 廣東惠州惠熱1 井應(yīng)用

惠熱1 井位于廣東省惠州市惠城區(qū)橫瀝鎮(zhèn)黃沙洞村，是為推進(jìn)東南沿海地區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查而實(shí)施的干熱巖地質(zhì)調(diào)查井。鉆井目的是根據(jù)靶區(qū)內(nèi)干熱巖成藏機(jī)理、溫度特性，選擇重點(diǎn)區(qū)開展深部高溫巖體鉆探，查明區(qū)內(nèi)深部干熱巖溫度與熱物性特征，為干熱巖資源儲(chǔ)量評(píng)價(jià)與開發(fā)利用提供相關(guān)參數(shù)。該井是東南沿海廈門-瓊北地區(qū)首口地?zé)嵘罹?，終孔井深3009.17 m，井口溫度超過100 ℃，自噴涌水量100～200 m3/h，井下壓力大，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

表1 測(cè)溫儀修正數(shù)據(jù)Table 1 Correction data of the thermometer ℃

為了獲得井底溫度，2018 年 10 月 11—15 日期間，受施工單位邀請(qǐng)，利用存儲(chǔ)式高溫高壓鉆孔測(cè)溫儀進(jìn)行了2 次下井測(cè)溫作業(yè)（如圖6 所示），圖7 為2 次下井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖?？梢钥闯? 次測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)一致性非常好，通過2 次測(cè)量，獲得井下最高溫度數(shù)據(jù)為127.7 ℃。該井是迄今為止中國(guó)東部水溫最高，壓力和流量最大的高產(chǎn)能自噴地?zé)峋?。本次測(cè)溫對(duì)惠熱1 井的順利完工提供了極大的幫助和技術(shù)支撐，受到了施工單位的好評(píng)和感謝。

5.2 青海共和GH-01 井應(yīng)用

GH-01 井是中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局部署的青海共和盆地干熱巖勘查與試驗(yàn)性開發(fā)科技攻堅(jiān)戰(zhàn)首眼鉆井，位于青海省海南州共和縣恰卜恰鎮(zhèn)東側(cè)5 km 左右湖積臺(tái)地上，井深4000 m，該井具有井深大、井溫高、井下壓力異常等難點(diǎn)。

圖6 惠熱1 井測(cè)溫照片F(xiàn)ig.6 Temperature measurement at Huire-1

圖7 惠熱1 井測(cè)溫曲線Fig.7 Temperature measurement curve of Huire-1

為了準(zhǔn)確了解該井的溫度值，為后續(xù)相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)，青海共和干熱巖科技攻堅(jiān)戰(zhàn)指揮部組織中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局所屬的中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心和中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所分別利用自主研發(fā)的高溫高壓測(cè)溫設(shè)備開展 GH-01 井的測(cè)溫工作。2019 年 10 月 20 日，利用存儲(chǔ)式高溫高壓鉆孔測(cè)溫儀對(duì)該井進(jìn)行了測(cè)溫（如圖8 所示），儀器在井內(nèi)工作時(shí)長(zhǎng)約8 h，受井底沉渣影響，儀器下放的最大深度為3980 m，井底最高溫度＞200 ℃。3 家單位測(cè)得的井溫曲線形態(tài)基本一致，井底最高溫度值接近，說明儀器工作可靠，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

圖8 GH-01 井測(cè)溫照片F(xiàn)ig.8 Temperature measurement at GH-01

6 結(jié)語

利用精密鉑電阻測(cè)溫技術(shù)和真空絕熱保溫技術(shù)研發(fā)的存儲(chǔ)式高溫高壓鉆孔測(cè)溫儀，具有技術(shù)成熟、測(cè)量精度高、適用工作環(huán)境溫度高、使用操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。在鉆井實(shí)際測(cè)溫中均取得了滿意的效果，為高溫高壓環(huán)境下的鉆孔測(cè)溫提供了新的儀器選擇。可滿足高溫地?zé)峒案蔁釒r勘探開發(fā)鉆孔測(cè)溫需求，為深部地?zé)崮芎透蔁釒r勘查開發(fā)提供了技術(shù)支撐。