屈召貴， 龔名茂， 周 策

(1.四川工商學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，成都 611745；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)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(cè)過程中，需要通過鉆孔了解地質(zhì)信息。鉆孔傾斜測(cè)量是鉆探施工中重要的測(cè)試項(xiàng)目，是保證鉆孔順利進(jìn)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(qiáng)也在不斷增加，在一般地區(qū)，鉆井深度達(dá)到8 km時(shí)，其溫度將達(dá)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(cè)斜儀器只能適用于250 ℃以下的環(huán)境測(cè)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(cè)儀十分必要?；诖耍疚奶岢鲩g歇式智能電源管理解決設(shè)備功耗，減小散熱；利用高強(qiáng)度新型材料設(shè)計(jì)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(cè)量范圍與精度為0～360°(±1.5°，井斜>3°)；井斜測(cè)量范圍0～90°(±0.15°)的井孔軌跡測(cè)量。

1 干熱巖地層鉆孔測(cè)斜儀原理和構(gòu)成

超高溫鉆孔軌跡測(cè)量?jī)x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(jì)算機(jī)、測(cè)井絞車和深度計(jì)，其中地面計(jì)算機(jī)中安裝有儀器配套測(cè)量軟件，主要實(shí)現(xiàn)測(cè)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(chǔ)式陀螺測(cè)斜探管、耐壓耐溫復(fù)合保溫外管以及防震導(dǎo)向接頭、扶正器等。系統(tǒng)主要涉及井下存儲(chǔ)式陀螺測(cè)軟硬件和地面軟件。

1.1 鉆孔測(cè)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(dòng)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(shí)間短，易于實(shí)現(xiàn)而廣泛得到應(yīng)用。二位置尋北儀是利用在相位差180°的兩位置上對(duì)陀螺和加速度計(jì)采樣，通過抑制共模干擾信號(hào)的算法消除陀螺和加速度計(jì)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(biāo)系如圖1所示。載體坐標(biāo)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(diǎn)為尋北儀的質(zhì)心。地理坐標(biāo)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(diǎn)為尋北儀的質(zhì)心。Ax和Ay為加速度計(jì)。

圖1 尋北姿態(tài)坐標(biāo)系

由導(dǎo)航學(xué)旋轉(zhuǎn)變換中的歐拉定理可知，地理坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)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(duì)應(yīng)井斜測(cè)量的方位角、傾角和工具面角。

載體坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)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(biāo)系的投影。

式(3)為傾角，式(4)為工具面角。

真北方向計(jì)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(cè)點(diǎn)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(cè)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(dá)到尋北目的。

1.2 測(cè)斜實(shí)驗(yàn)儀系統(tǒng)的組成分析

整個(gè)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?？變?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(cè)量單元測(cè)斜儀機(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)斜實(shí)驗(yàn)儀的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

主控器電路板結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)光纖陀螺測(cè)斜測(cè)溫探管的電源控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、探管外溫度測(cè)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(jī)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 Kbyte Flash存儲(chǔ)器、12 Bit ADC、16 Bit定時(shí)器等外設(shè)，能滿足本項(xiàng)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(jí)RS-232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4所示。存儲(chǔ)器選用MicroChip公司的SPI接口EEPROM存儲(chǔ)器25LC1024，該存儲(chǔ)器溫度范圍達(dá)-40～150 °C，容量為256 Kbits，按照測(cè)量模塊每組數(shù)據(jù)42 Byte計(jì)算，一共可存儲(chǔ)3 160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5所示。

圖4 通信電路圖

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，通過轉(zhuǎn)換即可輸出溫度。

2.2 電源管理電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電源管理主要是解決整個(gè)測(cè)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(duì)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(shí)間。當(dāng)探管機(jī)芯在下放的過程中，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時(shí)開始供電，使其工作。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)(靜止與振動(dòng))，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(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，其單只電池開路電壓為3.65 V，容量達(dá)12 A·h，且工作溫度范圍-40～165 ℃。電路如圖6所示。

圖5 存儲(chǔ)電路圖

(a) 振動(dòng)檢測(cè)電路

(b) 電源控制電路

3 測(cè)斜實(shí)驗(yàn)儀的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要由上位機(jī)軟件和探管機(jī)芯主控制器軟件構(gòu)成。上位機(jī)軟件主要用于參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能；探管機(jī)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(chǔ)與通功能。

上位機(jī)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(chǔ)在探管存儲(chǔ)器中的姿態(tài)參數(shù)；③用于給測(cè)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(jī)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(gè)模塊。

主控制器程序主要包括自動(dòng)測(cè)量、等間隔測(cè)量、定時(shí)測(cè)量3個(gè)流程。自動(dòng)測(cè)量：連續(xù)測(cè)量；等間隔測(cè)量(時(shí)間間隔開關(guān)測(cè)斜機(jī)芯電源測(cè)量)；定時(shí)測(cè)量3個(gè)流程(定時(shí)開關(guān)電源)，如圖8所示。

圖7 上位機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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，開展承壓外管、保溫內(nèi)管的加工試制和室內(nèi)測(cè)試。用于干熱巖地層的鉆孔測(cè)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(zhǎng)度2 680 mm；

②保溫探管規(guī)格。內(nèi)徑φ45 mm、外徑φ58 mm、有效長(zhǎng)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(shí)間(MTBF)≮1 000 h。

4.1 承壓外管管體設(shè)計(jì)與校核

承壓外管管體機(jī)械設(shè)計(jì)圖如圖9所示。

圖9 承壓外管圖

承壓探管壁厚計(jì)算公式如下式所示：

(6)

式中：σmax為承壓探管材料屈服強(qiáng)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(yīng)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(shí)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(jìn)行有限元分析，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。

4.2 保溫探管設(shè)計(jì)與校核

保溫探管機(jī)械設(shè)計(jì)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(duì)溫度的控制效果是通過溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)進(jìn)行耦合分析，確保設(shè)計(jì)的合理性。通過計(jì)算內(nèi)管壁導(dǎo)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(zhǎng)度為400 mm，經(jīng)計(jì)算探管蓄熱量Q=90.432 kJ。由此可計(jì)算機(jī)保溫時(shí)間t(h)，

(6)

圖10 保溫探管圖

理論上,蓄熱體在保溫時(shí)間4 h內(nèi)，能滿足Δt≤80 ℃。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)應(yīng)有足夠余量。施加溫度邊界條件：溫度300 ℃，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；施加圍壓載荷30 MPa，并進(jìn)行約束。通過有限元分析仿真，設(shè)計(jì)符合要求。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 姿態(tài)參數(shù)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試姿態(tài)參數(shù)如表1所示。由于該井沒有其他測(cè)斜數(shù)據(jù)參比，采用通過兩次測(cè)試數(shù)據(jù)比較，可以看出儀器測(cè)量的頂角結(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，在頂角大于3°時(shí)，方位角上測(cè)與下測(cè)的偏差在2.5°范圍內(nèi)。

表1 方位角和傾角實(shí)測(cè)值

5.2 井深與溫度測(cè)試

通過儀器存儲(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3.7 km處的溫度為207 ℃，加上起下鉆和技術(shù)性停待，實(shí)際測(cè)量時(shí)間超過43 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；超高溫溫度測(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。儀器已通過測(cè)試檢定，測(cè)溫精度達(dá)到±0.15 ℃，測(cè)量范圍為0～280 ℃。

圖11 井深-井底溫度實(shí)測(cè)曲線

6 結(jié) 語

測(cè)斜實(shí)驗(yàn)儀機(jī)芯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)進(jìn)行耦合分析。通過設(shè)計(jì)、校核與測(cè)試表明，設(shè)備能在環(huán)境溫度280 ℃、壓強(qiáng)120 MPa的條件下工作；頂角范圍0～90°,精度小于0.5°，方位角測(cè)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(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)等問題，具有應(yīng)用價(jià)值。