屈召貴，龔名茂，周 策，汪光宅

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高溫鉆孔測斜儀研制

屈召貴1，龔名茂2，周 策3，汪光宅3

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

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

測斜儀；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)測過程中，需要通過鉆孔了解地質(zhì)信息。存儲式光纖陀螺測斜是鉆井工程中了解鉆井施工質(zhì)量的重要儀器，其主要功能是測量井斜角和方位角。通過各測點井斜角值、方位角值以及各測點的孔深值，再通過姿態(tài)解算方法計算即可間接求得各測點的空間位置，從而獲得井身軌跡數(shù)據(jù)。目前井深可達8 000 m，溫度達300 ℃，壓力達120 MPa。這給探測設備的應用環(huán)境提出更加嚴苛條件，極大地限制了深井的探測?，F(xiàn)有技術中用于超高溫環(huán)境的測斜儀器只能適用于250℃以下的環(huán)境測斜[1-4]?；诖?，提出利用現(xiàn)有的光纖陀螺測斜組件，設計主控制系統(tǒng)和電源管理，設計保溫探管和承壓外管。以實現(xiàn)方位角測量范圍0°~360°，精度(±1.5)°(井斜＞3°時)；井斜測量范圍0°~90°，精度(±0.15)°；測斜探管外鉆孔環(huán)境溫度–10~270 ℃范圍內(nèi)；泥漿壓力120 MPa的井孔軌跡測量。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)分析

本設計主要針對測斜儀的光纖陀螺測量單元、主控制系統(tǒng)、保溫探管和承壓外管的進行分析設計與實現(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壓強的承壓管、保溫管和測量單元機芯構(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 測量系統(tǒng)設計

測量系統(tǒng)主要由光纖陀螺組件、主控制系統(tǒng)和電源管理構(gòu)成。其電路設計和元器件的選擇均應滿足高溫要求–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、光探測器、Y分支多功能集成光學芯片和光纖環(huán)組成。光纖陀螺主要技術指標如表1所示。

表1 光纖陀螺的主要技術指標

加速度計采用石英撓性加速度計，主要技術指標如表2所示。

2.2 主控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

主控器系統(tǒng)主要承擔光纖陀螺組件供電管理、數(shù)據(jù)采集、存儲、數(shù)據(jù)通信和管外溫度測量等功能。系統(tǒng)如圖2所示。微處理器選用Microchip公司的PIC18F25K80單片機，其工作溫度范圍為–40~150 ℃。內(nèi)置32 kB flash存儲器、12Bit ADC、16Bit定時器等資源，能滿足本項目的要求。通信接口使用RS232通信協(xié)議，芯片選用ADI公司的工業(yè)級RS232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3所示。存儲器選用MicroChip公司的EEPROM存儲器25LC1024，該存儲器溫度范圍達–40 ~150 ℃，容量為256 kB，按照測量模塊每組數(shù)據(jù)42 Byte計算，一共可存儲6 241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4所示。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[5-7]。

表2 加速度計主要技術指標

圖2 主控電路圖

2.3 電源供電管理設計與實現(xiàn)

電源供電管理主要是解決整個測量系統(tǒng)的電能。由于系統(tǒng)使用高功率、一次性、便攜式電池，對于電池能量、體積要求非常高，設計中采用智能化間歇供電方式，以降低功耗、減小溫升、延長電池的使用時間。具體：測量探管在下放的過程中，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下放時開始供電工作。光纖陀螺需要(±5) V和(±15) V電源，設計中利用ADXL203加速度計進行振動檢測(探管靜止與運動)，通過繼電器開關電源。繼電器選用耐高溫繼電器HF-32-A，工作其電流可達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 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 承壓外管管體設計

機械結(jié)構(gòu)設計主要由承壓外管、保溫內(nèi)管兩部分，設計參數(shù)如下：

①承壓外管規(guī)格內(nèi)徑61 mm、外徑73mm、有效長度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平均故障間隔時間(MTBF)不小于1 000 h。承壓外管管體機械設計如圖6所示。

3.1 管體屈服強度校核

實心材料的屈服強度與尺寸無關，空心材料則與管壁厚度尺寸有關，根據(jù)材料屈服強度計算關系可知，承壓管的屈服強度計算關系如式(1)所示，最大屈服強度如式(2)所示。

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

承壓外管設計尺寸外徑=73 mm，內(nèi)徑=61 mm，長=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，屈服應力為355 MPa，屈服極限為1 180 MPa。承壓外管所需承受管外壓強=120 MPa；校核時安全系數(shù)取=1.3。

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

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應大于120 MPa的外壓作用在空心管壁所產(chǎn)生的屈服強度值，由此可根據(jù)式(1)、式(2)推導出承壓管外徑尺寸應超過65.48 mm。而實際選用為73 mm，符合設計要求。

綜上所述，承壓管材料、尺寸及相關參數(shù)選擇是合理的。

3.2 承壓管ANSYS有限元分析與校核

通過ANSYS軟件建立承壓探管模型，進行有限元分析。網(wǎng)格采用智能網(wǎng)格劃分，尺寸級別選擇6級，智能網(wǎng)格會根據(jù)結(jié)構(gòu)表面曲率的突變而自動加密。再選擇分析類型為結(jié)構(gòu)靜力學分析，施加載荷就是技術條件120 MPa，設定求解參數(shù)(總變形、等效應力云、等效應變、最大主應力、最小主應力、方向性、位移安全因子等云圖)。總形變云圖如圖7所示，等效應力云圖如圖8所示。

圖7 總形變云圖

圖8 等效應力云圖

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)設備彈塑性變形。由圖8可知探管等效應力在兩段最小，中間次之，在管體與螺紋接頭處最大，說明此處的應力最大，安放設備應置于中間位置。分別對最大主應力，最小主應力，位移安全因子云圖進行分析，承壓探管接頭與螺紋連接處應力最大，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力、最大等效應力、應力、變形量等值進行比較分析評價，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，這與設計值是一一對應的[8-11]。

4 保溫探管設計

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℃。保溫探管機械設計圖如圖9所示。由壓蓋、堵頭、隔熱管、上吸熱體、瓶體、下吸熱體構(gòu)成。保溫探管對溫度的控制效果是通過溫度場與壓力場進行耦合分析和ANSYS軟件校核，確保設計的合理性。

4.1 溫度場分析計算

保溫探管的溫度場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、殘余氣體的導熱以及真空層間的固體傳熱。忽略真空層間的固體傳熱，設內(nèi)管壁導熱功率為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，總漏熱功率為設為。

取溫差Δ= 200 K，材料導熱系數(shù)=16.6 W/(m·k)，導入工程熱物理學計算關系式，可計算1=1.976 W，2=0.119 W，3=1.23 W，當真空中壓強大于10–3Pa時，殘余氣體漏熱可以忽略，4=0。總漏熱功率如式(3)所示。

圖9 保溫探管圖

蓄熱體長度為400 mm，經(jīng)計算保溫探管蓄熱能量=90.432 kJ。由此可計算保溫時間，如式(4)所示。

實際中要求蓄熱體在保溫時間4 h內(nèi)滿足溫升小于80℃，由式(4)計算可知在7.7 h內(nèi)都能達到要求。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，所以設計留有足夠余量。

4.2 溫度場與壓力場耦合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)生熱應力。在ANSYS軟件中采用順序耦合，即先做一個穩(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，并將溫度場結(jié)果導入靜力學結(jié)構(gòu)分析；施加載荷30 MPa進行約束。得到校核數(shù)據(jù)如圖10所示，圖10a為壓力場總變形云圖，總變形約5.7×10–7~2.222 5×10–3m；圖10b為壓力場與溫度場耦合總變形云圖，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)設計，在高溫高壓下，承壓管的總變形量增大，等效應變增大；最大變形量增大56%((0.003 179 2－0.002 225)/ 0.002 222 5)，應變增加56%，應力增加56%，承壓管最大屈服強度516.99 MPa，增大56%，為806.52 MPa，小于材料屈服極限1 180 MPa。溫度場與壓力場的耦合分析的結(jié)果可知，承壓管的設計是科學合理的[12-15]。

5 系統(tǒng)實際測試

5.1 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系，測得該井井底3 700 m處的溫度為207 ℃，加上技術性停待，實際測量時間超過4 h。取樣頻率為1點/10 s，取得了測溫原始數(shù)據(jù)15 427組；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。

圖10 形變云圖

圖11 耐高溫測試圖

儀器取回地面后，存儲卡數(shù)據(jù)完整記錄所測數(shù)據(jù)，元器件穩(wěn)定工作，說明機芯軟件硬件設計符合高溫環(huán)境，保溫瓶和承壓管設計達到預期技術指標。

5.2 姿態(tài)參數(shù)測試

現(xiàn)場測試姿態(tài)參數(shù)，測量數(shù)據(jù)如表3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傾角結(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，在傾角大于3°時，方位角上測與下測的偏差在2.5°范圍內(nèi)。

表3 方位角和傾角實測值

6 結(jié)論

a. 針對目前鉆孔軌跡測量存在耐高溫高壓性能差、穩(wěn)定性差、應用范圍較窄等不足之處，在設備機芯測量模塊上選用耐高溫等高新技術產(chǎn)品作為其測量元件，采用間歇供電技術以減小能耗和散熱。在設備外形結(jié)構(gòu)上，采用新材料設計承壓外管和保溫探管，并利用ANSYS有限元分析軟件對設計的承壓外管結(jié)構(gòu)進行強度校核，對保溫探管進行溫度場與壓力場耦合分析。

b.研制的高溫鉆孔測斜儀能在環(huán)境溫度280 ℃、壓強120 MPa的條件下工作；傾角范圍0°~90°，精度小于0.5°，方位角測量范圍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。

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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，研究方向為儀器儀表和嵌入式計算機. E-mail：35247485@qq.com

屈召貴，龔名茂，周策，等. 高溫鉆孔測斜儀研制[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

四川省教育廳重點科研項目(自然科學)(16ZA0424)

(責任編輯 聶愛蘭)