高温钻孔测斜仪研制

屈召贵，龚名茂，周 策，汪光宅



高温钻孔测斜仪研制

屈召贵1，龚名茂2，周 策3，汪光宅3

(1. 四川旅游学院信息与工程学院，四川 成都 610100；2. 四川工商学院电子信息工程学院，四川 成都 611745；3. 中国地质科学院探矿工艺研究所，四川 成都 611734)

针对高温高压干热岩钻井定位轨迹探测设备存在耐高温高压性能差、稳定性差、测量精度不高、电能消耗大等问题，研制一套高温钻孔测斜装置，解决高温高压多点连续钻孔测斜及测温问题。选择耐高温元器件，设计控制和测量电路；采用自动间歇供电方法，减少散热，降低功耗；设计保温探管、承压探管，利用ANSYS有限元软件对承压外管的屈服强度和保温探管的温度场与压力场进行耦合分析和校核。最后进行仿真测试和野外试验，根据测试数据表明，设备能在280 ℃和12 MPa高温高压环境条件下实现深井倾角、方位角、工具面向角及温度的测量。

测斜仪；陀螺仪；高温高压；有限元分析

在矿产资源勘探和地质监测过程中，需要通过钻孔了解地质信息。存储式光纤陀螺测斜是钻井工程中了解钻井施工质量的重要仪器，其主要功能是测量井斜角和方位角。通过各测点井斜角值、方位角值以及各测点的孔深值，再通过姿态解算方法计算即可间接求得各测点的空间位置，从而获得井身轨迹数据。目前井深可达8 000 m，温度达300 ℃，压力达120 MPa。这给探测设备的应用环境提出更加严苛条件，极大地限制了深井的探测。现有技术中用于超高温环境的测斜仪器只能适用于250℃以下的环境测斜[1-4]。基于此，提出利用现有的光纤陀螺测斜组件，设计主控制系统和电源管理，设计保温探管和承压外管。以实现方位角测量范围0°~360°，精度(±1.5)°(井斜＞3°时)；井斜测量范围0°~90°，精度(±0.15)°；测斜探管外钻孔环境温度–10~270 ℃范围内；泥浆压力120 MPa的井孔轨迹测量。

1 系统组成结构分析

本设计主要针对测斜仪的光纤陀螺测量单元、主控制系统、保温探管和承压外管的进行分析设计与实现，系统如图1所示。

图1 系统框图

孔内探管主要包括耐270 ℃高温和30 MPa压强的承压管、保温管和测量单元机芯构成。机芯由光纤陀螺组件、温度传感器、控制器、电源、吸热体、存储器、通信电路等构成。

2 测量系统设计

测量系统主要由光纤陀螺组件、主控制系统和电源管理构成。其电路设计和元器件的选择均应满足高温要求–25~125 ℃。

2.1 光纤陀螺组件的选择

光纤陀螺采用干涉型光纤陀螺仪(I-FOG)方案。由光源、光纤耦合器、光探测器、Y分支多功能集成光学芯片和光纤环组成。光纤陀螺主要技术指标如表1所示。

表1 光纤陀螺的主要技术指标

加速度计采用石英挠性加速度计，主要技术指标如表2所示。

2.2 主控系统设计与实现

主控器系统主要承担光纤陀螺组件供电管理、数据采集、存储、数据通信和管外温度测量等功能。系统如图2所示。微处理器选用Microchip公司的PIC18F25K80单片机，其工作温度范围为–40~150 ℃。内置32 kB flash存储器、12Bit ADC、16Bit定时器等资源，能满足本项目的要求。通信接口使用RS232通信协议，芯片选用ADI公司的工业级RS232芯片，其工作温度范围为–25~125 ℃，实现主控制器与光纤陀螺组件通信和主控制器与PC机通信，其电路如图3所示。存储器选用MicroChip公司的EEPROM存储器25LC1024，该存储器温度范围达–40 ~150 ℃，容量为256 kB，按照测量模块每组数据42 Byte计算，一共可存储6 241组数据，存储光纤陀螺组件传送的姿态参数和温度参数，电路如图4所示。外部温度测量部分，使用高精度的PT100温度传感器及专用PT100测温转换器MAX31865芯片，该芯片可以直接通过SPI接口输出PT100的实际温度所对应的二进制补码，通过转换即可输出温度[5-7]。

表2 加速度计主要技术指标

图2 主控电路图

2.3 电源供电管理设计与实现

电源供电管理主要是解决整个测量系统的电能。由于系统使用高功率、一次性、便携式电池，对于电池能量、体积要求非常高，设计中采用智能化间歇供电方式，以降低功耗、减小温升、延长电池的使用时间。具体：测量探管在下放的过程中，要求光纤陀螺组件处于断电状态，当下放到指定高度停止下放时开始供电工作。光纤陀螺需要(±5) V和(±15) V电源，设计中利用ADXL203加速度计进行振动检测(探管静止与运动)，通过继电器开关电源。继电器选用耐高温继电器HF-32-A，工作其电流可达2 A，温度范围为–25 ~125 ℃，符合环境要求。高温电池型号为4ER34615S，由4只锂/亚硫酰氯(Li-SOCl2)电池串接而成，其单只电池开路电压为3.65 V，容量达12 Ah，且工作温度范围–40~165 ℃。电路如图5所示。

图3 通信电路图

3 承压外管管体设计

机械结构设计主要由承压外管、保温内管两部分，设计参数如下：

①承压外管规格内径61 mm、外径73mm、有效长度2 600 mm；

图5 电源管理电路图

②保温探管规格内径45 mm、外径59 mm、有效长度2 440 mm；

③保温性能环境温度270 ℃，工作4 h，管内温升低于80 ℃；

④耐压120 MPa；

⑤内外壳直线度小于等于0.8 mm；

⑥使用寿命不小于5 a；

⑦抗冲击100(为重力加速度)，11 ms；

⑧平均故障间隔时间(MTBF)不小于1 000 h。承压外管管体机械设计如图6所示。

3.1 管体屈服强度校核

实心材料的屈服强度与尺寸无关，空心材料则与管壁厚度尺寸有关，根据材料屈服强度计算关系可知，承压管的屈服强度计算关系如式(1)所示，最大屈服强度如式(2)所示。

式中为承压探管材料承受的屈服强度，MPa；max为承压探管材料承受的最大屈服强度，MPa；为承压探管外径，m；为承压探管内径，m；为承受压强，MPa；为安全系数，值为1.2~1.5，一般取1.3。

承压外管设计尺寸外径=73 mm，内径=61 mm，长=2 600 m。承压管选择17-4PH沉淀型硬化型不锈钢，弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3，屈服应力为355 MPa，屈服极限为1 180 MPa。承压外管所需承受管外压强=120 MPa；校核时安全系数取=1.3。

将材料参数代入式(1)、式(2)可得到最大屈服强度max应大于516.99 MPa，远小于屈服极限1 180 MPa，校核强度符合要求。

承压管内径尺寸固定(装保温瓶)，校核承压管的外径。所选材料的屈服极限1 180 MPa应大于120 MPa的外压作用在空心管壁所产生的屈服强度值，由此可根据式(1)、式(2)推导出承压管外径尺寸应超过65.48 mm。而实际选用为73 mm，符合设计要求。

综上所述，承压管材料、尺寸及相关参数选择是合理的。

3.2 承压管ANSYS有限元分析与校核

通过ANSYS软件建立承压探管模型，进行有限元分析。网格采用智能网格划分，尺寸级别选择6级，智能网格会根据结构表面曲率的突变而自动加密。再选择分析类型为结构静力学分析，施加载荷就是技术条件120 MPa，设定求解参数(总变形、等效应力云、等效应变、最大主应力、最小主应力、方向性、位移安全因子等云图)。总形变云图如图7所示，等效应力云图如图8所示。

图7 总形变云图

图8 等效应力云图

由图7分析，承压探管两端变形最大，中间最小，递减趋势比较明显，承压探管变形量在(2.222 5~ 5.721 3)×10-7m之间，不影响管内设备弹塑性变形。由图8可知探管等效应力在两段最小，中间次之，在管体与螺纹接头处最大，说明此处的应力最大，安放设备应置于中间位置。分别对最大主应力，最小主应力，位移安全因子云图进行分析，承压探管接头与螺纹连接处应力最大，变形最大，安全性最低。分别取承压探管壁厚为4、5、6、7 mm四组，其他参数保持不变，分析承压探管等效应力、最大等效应力、应力、变形量等值进行比较分析评价，可得到壁厚为6 mm时，承压探管的内部应力分析为合理，也满足外界环境条件要求，这与设计值是一一对应的[8-11]。

4 保温探管设计

保温探管主要解决在环境温度270 ℃，工作4 h，管内温升小于80℃。保温探管机械设计图如图9所示。由压盖、堵头、隔热管、上吸热体、瓶体、下吸热体构成。保温探管对温度的控制效果是通过温度场与压力场进行耦合分析和ANSYS软件校核，确保设计的合理性。

4.1 温度场分析计算

保温探管的温度场主要考虑瓶口的轴向导热(内管壁、隔热塞)，内外管之间的辐射漏热、残余气体的导热以及真空层间的固体传热。忽略真空层间的固体传热，设内管壁导热功率为1，隔热塞漏热功率为2，辐射漏热功率为3，残余气体漏热功率为4，总漏热功率为设为。

取温差Δ= 200 K，材料导热系数=16.6 W/(m·k)，导入工程热物理学计算关系式，可计算1=1.976 W，2=0.119 W，3=1.23 W，当真空中压强大于10–3Pa时，残余气体漏热可以忽略，4=0。总漏热功率如式(3)所示。

图9 保温探管图

蓄热体长度为400 mm，经计算保温探管蓄热能量=90.432 kJ。由此可计算保温时间，如式(4)所示。

实际中要求蓄热体在保温时间4 h内满足温升小于80℃，由式(4)计算可知在7.7 h内都能达到要求。实际上传入保温瓶内的热量不可能立即全部被保温瓶贮存，所以设计留有足够余量。

4.2 温度场与压力场耦合ANSYS有限元校核

保温探管结构温度变化，由于热胀冷缩产生变形，若变形受到某些限制，如位移受到约束或施加相反力，则在结构中产生热应力。在ANSYS软件中采用顺序耦合，即先做一个稳态热分析，再做静力结构分析。稳态热分析：建立热稳态模型，施加热载荷，查看校核数据；静力结构分析：把单元类型转换成结构单元，定义包括热膨胀系数在内的结构材料属性，施加包括从热分析得到的温度在内的结构载荷，求解并校核。

施加温度边界条件：温度270 ℃，求解温度场，并将温度场结果导入静力学结构分析；施加载荷30 MPa进行约束。得到校核数据如图10所示，图10a为压力场总变形云图，总变形约5.7×10–7~2.222 5×10–3m；图10b为压力场与温度场耦合总变形云图，总变形约8.7×10–7~3.479 2×10–3m。

由图10分析可得，采用分体结构设计，在高温高压下，承压管的总变形量增大，等效应变增大；最大变形量增大56%((0.003 179 2－0.002 225)/ 0.002 222 5)，应变增加56%，应力增加56%，承压管最大屈服强度516.99 MPa，增大56%，为806.52 MPa，小于材料屈服极限1 180 MPa。温度场与压力场的耦合分析的结果可知，承压管的设计是科学合理的[12-15]。

5 系统实际测试

5.1 井深与温度测试

通过仪器存储的数据和仪器到达井底的时间对应关系，测得该井井底3 700 m处的温度为207 ℃，加上技术性停待，实际测量时间超过4 h。取样频率为1点/10 s，取得了测温原始数据15 427组；温度测量单元由9 ℃上升至207 ℃，温升198 ℃，测得井底温度为207 ℃。将井深与井底温度对应，得到如图11的井深–井温的连续测量曲线。

图10 形变云图

图11 耐高温测试图

仪器取回地面后，存储卡数据完整记录所测数据，元器件稳定工作，说明机芯软件硬件设计符合高温环境，保温瓶和承压管设计达到预期技术指标。

5.2 姿态参数测试

现场测试姿态参数，测量数据如表3所示。由于该井没有其他测斜数据参比，采用通过两次测试数据比较，可以看出仪器测量的倾角结果重复性较好，在0.2°之内，方位角数据在顶角小于3°时的误差是比较大的，在倾角大于3°时，方位角上测与下测的偏差在2.5°范围内。

表3 方位角和倾角实测值

6 结论

a. 针对目前钻孔轨迹测量存在耐高温高压性能差、稳定性差、应用范围较窄等不足之处，在设备机芯测量模块上选用耐高温等高新技术产品作为其测量元件，采用间歇供电技术以减小能耗和散热。在设备外形结构上，采用新材料设计承压外管和保温探管，并利用ANSYS有限元分析软件对设计的承压外管结构进行强度校核，对保温探管进行温度场与压力场耦合分析。

b.研制的高温钻孔测斜仪能在环境温度280 ℃、压强120 MPa的条件下工作；倾角范围0°~90°，精度小于0.5°，方位角测量范围0°~360°，精度小于2.5°；温度范围和精度分别为0~300℃，(±1)℃；不受磁性干扰，消除了机械框架陀螺测斜仪的累计误差，提高了测量精度；并解决了供电节能和数据存储等问题，具有应用价值。

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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)

屈召贵，1980年生，男，四川巴中人，硕士，副教授，研究方向为仪器仪表和嵌入式计算机. E-mail：35247485@qq.com

屈召贵，龚名茂，周策，等. 高温钻孔测斜仪研制[J]. 煤田地质与勘探，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

四川省教育厅重点科研项目(自然科学)(16ZA0424)

(责任编辑 聂爱兰)