屈召貴，龔名茂，周 策，汪光宅

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高溫鉆孔測(cè)斜儀研制

屈召貴1，龔名茂2，周 策3，汪光宅3

(1. 四川旅游學(xué)院信息與工程學(xué)院，四川 成都 610100；2. 四川工商學(xué)院電子信息工程學(xué)院，四川 成都 611745；3. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734)

針對(duì)高溫高壓干熱巖鉆井定位軌跡探測(cè)設(shè)備存在耐高溫高壓性能差、穩(wěn)定性差、測(cè)量精度不高、電能消耗大等問(wèn)題，研制一套高溫鉆孔測(cè)斜裝置，解決高溫高壓多點(diǎn)連續(xù)鉆孔測(cè)斜及測(cè)溫問(wèn)題。選擇耐高溫元器件，設(shè)計(jì)控制和測(cè)量電路；采用自動(dòng)間歇供電方法，減少散熱，降低功耗；設(shè)計(jì)保溫探管、承壓探管，利用ANSYS有限元軟件對(duì)承壓外管的屈服強(qiáng)度和保溫探管的溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)進(jìn)行耦合分析和校核。最后進(jìn)行仿真測(cè)試和野外試驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，設(shè)備能在280 ℃和12 MPa高溫高壓環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)深井傾角、方位角、工具面向角及溫度的測(cè)量。

測(cè)斜儀；陀螺儀；高溫高壓；有限元分析

在礦產(chǎn)資源勘探和地質(zhì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，需要通過(guò)鉆孔了解地質(zhì)信息。存儲(chǔ)式光纖陀螺測(cè)斜是鉆井工程中了解鉆井施工質(zhì)量的重要儀器，其主要功能是測(cè)量井斜角和方位角。通過(guò)各測(cè)點(diǎn)井斜角值、方位角值以及各測(cè)點(diǎn)的孔深值，再通過(guò)姿態(tài)解算方法計(jì)算即可間接求得各測(cè)點(diǎn)的空間位置，從而獲得井身軌跡數(shù)據(jù)。目前井深可達(dá)8 000 m，溫度達(dá)300 ℃，壓力達(dá)120 MPa。這給探測(cè)設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境提出更加嚴(yán)苛條件，極大地限制了深井的探測(cè)。現(xiàn)有技術(shù)中用于超高溫環(huán)境的測(cè)斜儀器只能適用于250℃以下的環(huán)境測(cè)斜[1-4]。基于此，提出利用現(xiàn)有的光纖陀螺測(cè)斜組件，設(shè)計(jì)主控制系統(tǒng)和電源管理，設(shè)計(jì)保溫探管和承壓外管。以實(shí)現(xiàn)方位角測(cè)量范圍0°~360°，精度(±1.5)°(井斜＞3°時(shí))；井斜測(cè)量范圍0°~90°，精度(±0.15)°；測(cè)斜探管外鉆孔環(huán)境溫度–10~270 ℃范圍內(nèi)；泥漿壓力120 MPa的井孔軌跡測(cè)量。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)分析

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)測(cè)斜儀的光纖陀螺測(cè)量單元、主控制系統(tǒng)、保溫探管和承壓外管的進(jìn)行分析設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

孔內(nèi)探管主要包括耐270 ℃高溫和30 MPa壓強(qiáng)的承壓管、保溫管和測(cè)量單元機(jī)芯構(gòu)成。機(jī)芯由光纖陀螺組件、溫度傳感器、控制器、電源、吸熱體、存儲(chǔ)器、通信電路等構(gòu)成。

2 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)主要由光纖陀螺組件、主控制系統(tǒng)和電源管理構(gòu)成。其電路設(shè)計(jì)和元器件的選擇均應(yīng)滿足高溫要求–25~125 ℃。

2.1 光纖陀螺組件的選擇

光纖陀螺采用干涉型光纖陀螺儀(I-FOG)方案。由光源、光纖耦合器、光探測(cè)器、Y分支多功能集成光學(xué)芯片和光纖環(huán)組成。光纖陀螺主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 光纖陀螺的主要技術(shù)指標(biāo)

加速度計(jì)采用石英撓性加速度計(jì)，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

2.2 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

主控器系統(tǒng)主要承擔(dān)光纖陀螺組件供電管理、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和管外溫度測(cè)量等功能。系統(tǒng)如圖2所示。微處理器選用Microchip公司的PIC18F25K80單片機(jī)，其工作溫度范圍為–40~150 ℃。內(nèi)置32 kB flash存儲(chǔ)器、12Bit ADC、16Bit定時(shí)器等資源，能滿足本項(xiàng)目的要求。通信接口使用RS232通信協(xié)議，芯片選用ADI公司的工業(yè)級(jí)RS232芯片，其工作溫度范圍為–25~125 ℃，實(shí)現(xiàn)主控制器與光纖陀螺組件通信和主控制器與PC機(jī)通信，其電路如圖3所示。存儲(chǔ)器選用MicroChip公司的EEPROM存儲(chǔ)器25LC1024，該存儲(chǔ)器溫度范圍達(dá)–40 ~150 ℃，容量為256 kB，按照測(cè)量模塊每組數(shù)據(jù)42 Byte計(jì)算，一共可存儲(chǔ)6 241組數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)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4所示。外部溫度測(cè)量部分，使用高精度的PT100溫度傳感器及專用PT100測(cè)溫轉(zhuǎn)換器MAX31865芯片，該芯片可以直接通過(guò)SPI接口輸出PT100的實(shí)際溫度所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制補(bǔ)碼，通過(guò)轉(zhuǎn)換即可輸出溫度[5-7]。

表2 加速度計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)

圖2 主控電路圖

2.3 電源供電管理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電源供電管理主要是解決整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的電能。由于系統(tǒng)使用高功率、一次性、便攜式電池，對(duì)于電池能量、體積要求非常高，設(shè)計(jì)中采用智能化間歇供電方式，以降低功耗、減小溫升、延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。具體：測(cè)量探管在下放的過(guò)程中，要求光纖陀螺組件處于斷電狀態(tài)，當(dāng)下放到指定高度停止下放時(shí)開(kāi)始供電工作。光纖陀螺需要(±5) V和(±15) V電源，設(shè)計(jì)中利用ADXL203加速度計(jì)進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)(探管靜止與運(yùn)動(dòng))，通過(guò)繼電器開(kāi)關(guān)電源。繼電器選用耐高溫繼電器HF-32-A，工作其電流可達(dá)2 A，溫度范圍為–25 ~125 ℃，符合環(huán)境要求。高溫電池型號(hào)為4ER34615S，由4只鋰/亞硫酰氯(Li-SOCl2)電池串接而成，其單只電池開(kāi)路電壓為3.65 V，容量達(dá)12 Ah，且工作溫度范圍–40~165 ℃。電路如圖5所示。

圖3 通信電路圖

3 承壓外管管體設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要由承壓外管、保溫內(nèi)管兩部分，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

①承壓外管規(guī)格內(nèi)徑61 mm、外徑73mm、有效長(zhǎng)度2 600 mm；

圖5 電源管理電路圖

②保溫探管規(guī)格內(nèi)徑45 mm、外徑59 mm、有效長(zhǎng)度2 440 mm；

③保溫性能環(huán)境溫度270 ℃，工作4 h，管內(nèi)溫升低于80 ℃；

④耐壓120 MPa；

⑤內(nèi)外殼直線度小于等于0.8 mm；

⑥使用壽命不小于5 a；

⑦抗沖擊100(為重力加速度)，11 ms；

⑧平均故障間隔時(shí)間(MTBF)不小于1 000 h。承壓外管管體機(jī)械設(shè)計(jì)如圖6所示。

3.1 管體屈服強(qiáng)度校核

實(shí)心材料的屈服強(qiáng)度與尺寸無(wú)關(guān)，空心材料則與管壁厚度尺寸有關(guān)，根據(jù)材料屈服強(qiáng)度計(jì)算關(guān)系可知，承壓管的屈服強(qiáng)度計(jì)算關(guān)系如式(1)所示，最大屈服強(qiáng)度如式(2)所示。

式中為承壓探管材料承受的屈服強(qiáng)度，MPa；max為承壓探管材料承受的最大屈服強(qiáng)度，MPa；為承壓探管外徑，m；為承壓探管內(nèi)徑，m；為承受壓強(qiáng)，MPa；為安全系數(shù)，值為1.2~1.5，一般取1.3。

承壓外管設(shè)計(jì)尺寸外徑=73 mm，內(nèi)徑=61 mm，長(zhǎng)=2 600 m。承壓管選擇17-4PH沉淀型硬化型不銹鋼，彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為355 MPa，屈服極限為1 180 MPa。承壓外管所需承受管外壓強(qiáng)=120 MPa；校核時(shí)安全系數(shù)取=1.3。

將材料參數(shù)代入式(1)、式(2)可得到最大屈服強(qiáng)度max應(yīng)大于516.99 MPa，遠(yuǎn)小于屈服極限1 180 MPa，校核強(qiáng)度符合要求。

承壓管內(nèi)徑尺寸固定(裝保溫瓶)，校核承壓管的外徑。所選材料的屈服極限1 180 MPa應(yīng)大于120 MPa的外壓作用在空心管壁所產(chǎn)生的屈服強(qiáng)度值，由此可根據(jù)式(1)、式(2)推導(dǎo)出承壓管外徑尺寸應(yīng)超過(guò)65.48 mm。而實(shí)際選用為73 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，承壓管材料、尺寸及相關(guān)參數(shù)選擇是合理的。

3.2 承壓管ANSYS有限元分析與校核

通過(guò)ANSYS軟件建立承壓探管模型，進(jìn)行有限元分析。網(wǎng)格采用智能網(wǎng)格劃分，尺寸級(jí)別選擇6級(jí)，智能網(wǎng)格會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)表面曲率的突變而自動(dòng)加密。再選擇分析類型為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，施加載荷就是技術(shù)條件120 MPa，設(shè)定求解參數(shù)(總變形、等效應(yīng)力云、等效應(yīng)變、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、方向性、位移安全因子等云圖)?？傂巫?cè)茍D如圖7所示，等效應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖7 總形變?cè)茍D

圖8 等效應(yīng)力云圖

由圖7分析，承壓探管兩端變形最大，中間最小，遞減趨勢(shì)比較明顯，承壓探管變形量在(2.222 5~ 5.721 3)×10-7m之間，不影響管內(nèi)設(shè)備彈塑性變形。由圖8可知探管等效應(yīng)力在兩段最小，中間次之，在管體與螺紋接頭處最大，說(shuō)明此處的應(yīng)力最大，安放設(shè)備應(yīng)置于中間位置。分別對(duì)最大主應(yīng)力，最小主應(yīng)力，位移安全因子云圖進(jìn)行分析，承壓探管接頭與螺紋連接處應(yīng)力最大，變形最大，安全性最低。分別取承壓探管壁厚為4、5、6、7 mm四組，其他參數(shù)保持不變，分析承壓探管等效應(yīng)力、最大等效應(yīng)力、應(yīng)力、變形量等值進(jìn)行比較分析評(píng)價(jià)，可得到壁厚為6 mm時(shí)，承壓探管的內(nèi)部應(yīng)力分析為合理，也滿足外界環(huán)境條件要求，這與設(shè)計(jì)值是一一對(duì)應(yīng)的[8-11]。

4 保溫探管設(shè)計(jì)

保溫探管主要解決在環(huán)境溫度270 ℃，工作4 h，管內(nèi)溫升小于80℃。保溫探管機(jī)械設(shè)計(jì)圖如圖9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(duì)溫度的控制效果是通過(guò)溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)進(jìn)行耦合分析和ANSYS軟件校核，確保設(shè)計(jì)的合理性。

4.1 溫度場(chǎng)分析計(jì)算

保溫探管的溫度場(chǎng)主要考慮瓶口的軸向?qū)?內(nèi)管壁、隔熱塞)，內(nèi)外管之間的輻射漏熱、殘余氣體的導(dǎo)熱以及真空層間的固體傳熱。忽略真空層間的固體傳熱，設(shè)內(nèi)管壁導(dǎo)熱功率為1，隔熱塞漏熱功率為2，輻射漏熱功率為3，殘余氣體漏熱功率為4，總漏熱功率為設(shè)為。

取溫差Δ= 200 K，材料導(dǎo)熱系數(shù)=16.6 W/(m·k)，導(dǎo)入工程熱物理學(xué)計(jì)算關(guān)系式，可計(jì)算1=1.976 W，2=0.119 W，3=1.23 W，當(dāng)真空中壓強(qiáng)大于10–3Pa時(shí)，殘余氣體漏熱可以忽略，4=0?？偮峁β嗜缡?3)所示。

圖9 保溫探管圖

蓄熱體長(zhǎng)度為400 mm，經(jīng)計(jì)算保溫探管蓄熱能量=90.432 kJ。由此可計(jì)算保溫時(shí)間，如式(4)所示。

實(shí)際中要求蓄熱體在保溫時(shí)間4 h內(nèi)滿足溫升小于80℃，由式(4)計(jì)算可知在7.7 h內(nèi)都能達(dá)到要求。實(shí)際上傳入保溫瓶?jī)?nèi)的熱量不可能立即全部被保溫瓶貯存，所以設(shè)計(jì)留有足夠余量。

4.2 溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)耦合ANSYS有限元校核

保溫探管結(jié)構(gòu)溫度變化，由于熱脹冷縮產(chǎn)生變形，若變形受到某些限制，如位移受到約束或施加相反力，則在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱應(yīng)力。在ANSYS軟件中采用順序耦合，即先做一個(gè)穩(wěn)態(tài)熱分析，再做靜力結(jié)構(gòu)分析。穩(wěn)態(tài)熱分析：建立熱穩(wěn)態(tài)模型，施加熱載荷，查看校核數(shù)據(jù)；靜力結(jié)構(gòu)分析：把單元類型轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)單元，定義包括熱膨脹系數(shù)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料屬性，施加包括從熱分析得到的溫度在內(nèi)的結(jié)構(gòu)載荷，求解并校核。

施加溫度邊界條件：溫度270 ℃，求解溫度場(chǎng)，并將溫度場(chǎng)結(jié)果導(dǎo)入靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析；施加載荷30 MPa進(jìn)行約束。得到校核數(shù)據(jù)如圖10所示，圖10a為壓力場(chǎng)總變形云圖，總變形約5.7×10–7~2.222 5×10–3m；圖10b為壓力場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合總變形云圖，總變形約8.7×10–7~3.479 2×10–3m。

由圖10分析可得，采用分體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在高溫高壓下，承壓管的總變形量增大，等效應(yīng)變?cè)龃?；最大變形量增?6%((0.003 179 2－0.002 225)/ 0.002 222 5)，應(yīng)變?cè)黾?6%，應(yīng)力增加56%，承壓管最大屈服強(qiáng)度516.99 MPa，增大56%，為806.52 MPa，小于材料屈服極限1 180 MPa。溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的耦合分析的結(jié)果可知，承壓管的設(shè)計(jì)是科學(xué)合理的[12-15]。

5 系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試

5.1 井深與溫度測(cè)試

通過(guò)儀器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和儀器到達(dá)井底的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)得該井井底3 700 m處的溫度為207 ℃，加上技術(shù)性停待，實(shí)際測(cè)量時(shí)間超過(guò)4 h。取樣頻率為1點(diǎn)/10 s，取得了測(cè)溫原始數(shù)據(jù)15 427組；溫度測(cè)量單元由9 ℃上升至207 ℃，溫升198 ℃，測(cè)得井底溫度為207 ℃。將井深與井底溫度對(duì)應(yīng)，得到如圖11的井深–井溫的連續(xù)測(cè)量曲線。

圖10 形變?cè)茍D

圖11 耐高溫測(cè)試圖

儀器取回地面后，存儲(chǔ)卡數(shù)據(jù)完整記錄所測(cè)數(shù)據(jù)，元器件穩(wěn)定工作，說(shuō)明機(jī)芯軟件硬件設(shè)計(jì)符合高溫環(huán)境，保溫瓶和承壓管設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期技術(shù)指標(biāo)。

5.2 姿態(tài)參數(shù)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試姿態(tài)參數(shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。由于該井沒(méi)有其他測(cè)斜數(shù)據(jù)參比，采用通過(guò)兩次測(cè)試數(shù)據(jù)比較，可以看出儀器測(cè)量的傾角結(jié)果重復(fù)性較好，在0.2°之內(nèi)，方位角數(shù)據(jù)在頂角小于3°時(shí)的誤差是比較大的，在傾角大于3°時(shí)，方位角上測(cè)與下測(cè)的偏差在2.5°范圍內(nèi)。

表3 方位角和傾角實(shí)測(cè)值

6 結(jié)論

a. 針對(duì)目前鉆孔軌跡測(cè)量存在耐高溫高壓性能差、穩(wěn)定性差、應(yīng)用范圍較窄等不足之處，在設(shè)備機(jī)芯測(cè)量模塊上選用耐高溫等高新技術(shù)產(chǎn)品作為其測(cè)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(jì)承壓外管和保溫探管，并利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)的承壓外管結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)保溫探管進(jìn)行溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)耦合分析。

b.研制的高溫鉆孔測(cè)斜儀能在環(huán)境溫度280 ℃、壓強(qiáng)120 MPa的條件下工作；傾角范圍0°~90°，精度小于0.5°，方位角測(cè)量范圍0°~360°，精度小于2.5°；溫度范圍和精度分別為0~300℃，(±1)℃；不受磁性干擾，消除了機(jī)械框架陀螺測(cè)斜儀的累計(jì)誤差，提高了測(cè)量精度；并解決了供電節(jié)能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等問(wèn)題，具有應(yīng)用價(jià)值。

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Development of high temperature borehole inclinometer

QU Zhaogui1, GONG Mingmao2, ZHOU Ce3, WANG Guangzhai3

(1. School of Information Engineering, Sichuan Tourism University, Chengdu 610100, China; 2. School of Electronics and Information Engineering, Sichuan Technology and Business University, Chengdu 611745, China; 3. Institute of Exploration Technology, CAGS, Chengdu 611734, China)

In the detection of high-temperature and high-pressure dry heat rock drilling location trajectory, the instrument has some problems, such as poor performance, poor stability, low measurement accuracy and large energy consumption. A set of high temperature borehole inclining device is designed to solve the problem of high temperature and high pressure measurement deviation and temperature measurement. Adopt high temperature resistant components, design control and measurement circuit. Automatic intermittent power supply is adopted to reduce heat dissipation and power consumption. The design of heat preservation pipe and pressure detection pipe is carried out by using ANSYS finite element software to conduct coupling analysis and check on the yield strength of the external pressure pipe and the temperature field and pressure field of the heat preservation detection pipe. Finally through the simulation test and experiment, according to the test data show that equipment can at 280 ℃ and 12 MPa under the condition of high temperature and high pressure environment deep dip angle, azimuth angle, tool face angle and temperature measurement.

inclinometer; gyroscope; high temperature and pressure; meta-analysis

Education Department of Sichuan Province Key Scientific Research Project(Natural Science)(16ZA0424)

屈召貴，1980年生，男，四川巴中人，碩士，副教授，研究方向?yàn)閮x器儀表和嵌入式計(jì)算機(jī). E-mail：35247485@qq.com

屈召貴，龔名茂，周策，等. 高溫鉆孔測(cè)斜儀研制[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(3)：201–207.

QU Zhaogui，GONG Mingmao，ZHOU Ce，et al. Development of high temperature borehole inclinometer[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：201–207.

1001-1986(2019)03-0201-07

TH763.5

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.031

2018-04-07

四川省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(自然科學(xué))(16ZA0424)

(責(zé)任編輯 聶愛(ài)蘭)