井下甚宽频带地震仪总体设计研究进展＊

李 丽 罗新恒 杨大克 薛 兵 郑 重 吕金水

1) 中国地震局地球物理研究所，北京 100081

2) 珠海市泰德企业有限公司，广东珠海 519082

3) 中国地震局地震预测研究所，北京 100036

4) 广东省地震局，广东广州 510070

地震技术创新发展主要有两种方法：一是地震技术原始性创新，这种创新是根本性的，极为重要；二是应用共性赋能技术对地震技术 “赋能” ，二者结合形成创新的地震技术。第4次工业革命的共性赋能技术是人工智能技术，这些共性赋能技术与地震技术的深度融合，引领和推动地震技术革命性转型升级[1]。针对2 000 m深井观测的国家需求，应用 “解构与重构” 设计思路，共性赋能技术与地震技术深度融合的设计方法，对井下甚宽频带地震仪进行创新性总体设计，测试和试运行结果表明，新研制的井下甚宽频带地震仪完全达到设计指标。

1 总体设计

1.1 解构、重构与创新

“解构” 概念源于海德格尔《存在与时间》中的 “deconstruction” 词，是法国哲学家、结构主义者德里达的一个术语[2]。他认为，解构是把固有的规则和人们对事物的印象进行打破、分解和颠倒之后进行重建的行为和方法论[3]。解构主义作为一种设计风格的探索兴起于20世纪80年代。 “重构” （refactoring）这个概念最初来自Smalltalk圈子。重构是在不改变软件可观察行为的前提下改善其内部结构[4]。重构与设计模式、反模式、解析极限编程被誉为软件工程四大圣经。

目前，解构与重构已成为创新思维的一种模式，也成为跟随技术创新和集成技术创新的一种方式，无论是硬件、软件，都面临着不断的解构、重构与创新。从IT到OT技术演进的共同逻辑就是硬件通用化，服务可编程。哈佛商学院大学教授迈克尔·波特认为，未来的智能互联设备有4个主要功能模块，即动力部件、执行部件、智能部件和互联部件，可以实现设备的可监测、可控制和可优化[5]。解构已有的地震设备、地震软件，以 “摆体” 为核心，不断地解构和重组动力部件、执行部件、智能部件和互联部件，实现硬件通用化、服务可编程，是地震设备和系统创新发展的方向，也是井下甚宽频带地震仪设计的创新点。

井下地震观测系统主要包括叠放式和一体化两种结构形式。叠放式井下观测系统，即在钻孔中依次安装地震仪、倾斜仪、应变仪等（图1），如美国板块边界观测（PBO）计划中使用的井下观测系统。叠放式综合观测一般只适应于200 m左右较浅的钻孔及小规模的综合观测[6]。一体化井下观测系统，地震、应变、倾斜、地磁、温度等观测单元具有标准化接口，放在独立的腔室内，可根据需要进行任意数量和种类的组合。日本东浓地震研究所（图2），东京大学、中国地震局地壳应力研究所、珠海市泰德企业有限公司和中国地质科学院地质力学研究所研发的井下地震观测系统（图3）都是一体化结构[7]。

图1 PBO计划中叠放式井下地震观测设备示意图Fig. 1 Illustration graph of multi-drop borehole seismic observation instrument in PBO plan

图2 一体化井下综合观测设备（日本东浓地震科学研究所） 结构示意图Fig. 2 Content structure graph of integrated borehole comprehensive observation instrument （Tono Research Institute of Earthquake Science，Japan）

图3 国内井下综合观测设备示意图Fig. 3 Illustration graph of three types of China borehole comprehensive observation instrument

应用 “解构与重构” 方法对井下甚宽频带地震仪进行设计。首先需要对国内外现有井下地震仪进行 “层” 与 “单元” 的拆分解构；其次需要对仪器结构、材料、电路、元器件、传感器、软件等单元存在的问题，对机械加工、组装、调试过程中存在的工艺问题，对性能指标先进性、技术指标稳定性、可靠性、电磁兼容性、环境适应性等层面存在的问题进行 “单元” 与 “层” 的系统分析与研究。在此基础上，将 “单元” 和 “层” 按照一定的逻辑规则进行重构，提出了井下甚宽频带地震仪集成研制内容，分别为：① 井下甚宽频带地震仪总体设计及长距离数据传输抗干扰技术研究； ② 井下甚宽频带地震仪内置装置设计及井下定向、定位和授时技术研究； ③ 保障井下甚宽频带地震仪在高温压和大倾角条件下可靠工作的技术研究； ④ 井下甚宽频带地震仪的试验与应用； ⑤ 井下甚宽频带地震仪的工程化、产业化技术研究[8]。

1.2 定型技术设计

定型技术设计的作用是固定地震仪的技术状态。定型设计是地震仪能否实现其预定性能的关键环境。井下甚宽频带地震仪的定型设计主要进行了电磁兼容性、环境适应性与可靠性3个方面。

1.2.1 电磁兼容性设计

在选用元材料和结构形式时，分析了金属材料、涂层和紧固件对电磁兼容性的影响；研究了元器件空间分布、隔离等结构对电磁兼容性的影响；测试了电子器件布局方式对内部电磁干扰的强度。此外，还考虑了辐射敏感度和电源瞬态敏感度等电磁兼容性。

1.2.2 环境适应性设计

仪器外壳整体采用不锈钢壳体，用第四强度理论进行了壳体承压和壁厚的设计计算，耐压和密封能力达到仪器最大使用水深（2 000 m）的125%，而且具备相当的防锈抗腐蚀能力。

1.2.3 可靠性设计

从系统出发进行仪器集成和优化设计，不求部件最优，而求系统整体更优。选用优质元器件和失效率低的元器件，提供元器件的可靠性。采用高弹性、抗老化、耐水浸、无划痕、标准规格的O型密封圈和相应的密封结构，保证O型密封圈有足够的压弹性。设置故障自动设别和内自测系统，充分考虑误操作等外界因素诱导引起的传感器核心元器件和软件运行失效的可能性，确保仪器在断电和故障维修时不丢失存储的数据。

用表征整机可靠性的平均故障间隔时间（MTBF）来作为地震仪可靠性指标。对于7×24小时连续运行的井下地震仪，若要求其无故障工作的可靠度（R）达到99%以上，则地震仪的MTBF必须大于4 500小时。因此，井下甚宽频带地震仪MTBF考核指标设计为5 000小时。

2 结构与功能设计

2.1 结构设计

井下甚宽频带地震仪主要结构由防水线缆、深井防水接头、扶正器、密封腔、采集单元、甚宽频带传感器、井锁装置以及导锥等8个部分组成（图4）。整个探头是一个有机的整体，各个部件相互作用且紧密相连。系统主要由传感器外壳（含吊环、扶正器、密封接头、连接头、井锁和导锥）和传感器内核芯体（含传感器通讯控制及采集单元、传感器核心芯体及反馈电路、传感器姿态系统等）组成。系统由两个密封舱组成，一个是地震仪主仪器舱，另一个是井锁舱，两个密封舱之间通过密封连接头连接，各舱室均可耐20 MPa的抗压防水能力。

图4 井下甚宽频带地震仪主要结构Fig. 4 Main contents of downhole very broadband seismograph

2.2 功能设计

井下甚宽频带地震仪采用模块化设计（图5），实现模拟部分和数字部分模块分离。对于电磁干扰敏感的传感器采用屏蔽保护等方式；对于温度敏感的传感器，关键核心机械部件采用保温、远离发热源（如电源模块、数字模块及电路模块等）的方式。信号传输线缆采用专门设计的屏蔽线缆，解决信号串扰问题。为防止电缆与井壁之间的互绕，传感器线缆的预应力影响，井底采用深海聚氨酯柔性电缆；传感器安装锁壁自控系统，其锁控装置能可靠锁壁，能地表程控解锁壁，解锁、锁壁完成后自动停机以防电机损坏，电机水下2 000 m可靠运转工作并实现动密封。

图5 井下甚宽频带地震仪的总体设计框图Fig. 5 Overall design of downhole very broadband seismograph

系统探头采用专门设计的防水电缆，该防水电缆为密封防水电缆，实现与外界供电及采集控制系统的连接，供电、信号、控制、授时全部由这根线缆完成。线缆须防水、耐磨、耐候，而且能承受至少1 t的拉力，并实现信号的采集传输、传感器状态监测及控制。

传感器吊环是为实现传感器的安装和下放而设计的。导锥是为了探头能顺利下井而设计的一个导向装置。扶正器和井锁是探头与井壁耦合的关键部件。最终在井下，探头就是靠扶正器张开的3个臂和井锁张开的3个臂牢牢的将地震仪卡在井壁上。其中，扶正器是靠一个含有弹簧的机械结构自动张开，井锁是靠远程控制电机锁壁和解锁。密封接头和连接头是专门设计的防水耐压密封接头，密封接头为线缆和整个探头提供电气连接通道，连接头为两个密封舱提供电气连接通道。

地震仪主体舱内是整个井下甚宽频带地震仪的核心部分，里面主要包含有采集传输模块、反馈调理电路、三分向的芯体主体以及姿态仪等多个部分。在传输距离大于300 m长距离传输的情况下，探头内集成有采集器，并且采用数字传输方式将信号无衰减地传到井上。反馈调理电路将地震仪的各参数（频带、灵敏度、阻尼等）调节到要求的范围内。姿态仪是为了确定探头最终的安装方位而专门设计的定向装置，包含有三分向的陀螺仪和三分向的加速度计，该模块确定探头的安装方向和最终倾角。

3 壳体设计

井下地震仪工作时通常处于高温、高压、高湿环境中，仪器外壳需要应对复杂的应力环境，以确保内部电路能够正常工作。受井下管柱空间的限制，井下仪器的外壳通常设计为圆筒状。如何在满足外壳强度要求的前提下，增大仪器内腔容积便于电路元件安装、尽力缩短仪器长度就成为井下仪器设计的重点。此外，如何经济、安全地验证仪器承受压力的能力，也是设计时需要考虑的[9]。

3.1 外壳设计一般原则

3.1.1 设计标准的选择

由于行业的特殊性，目前国内尚无专门针对井下地震仪外壳耐压强度校核的相关资料，可以查阅到的相关资料基本上都是有关石化工业压力容器设计方面的。这些资料上的理论公式和设计准则基本上都源于国家标准《钢制压力容器GB 150》和《钢制压力容器—分析设计标准JB 4732》，但是GB 150和JB 4732在其适用范围中均明确规定不适用于内直径小于150 mm的容器，而井下地震仪内径均小于150 mm，故在井下仪器外壳强度校核过程中参照GB 150、JB 4732及其关联资料并不特别合适，可能导致较大偏差。

3.1.2 强度理论选用原则及强度校核

圆筒受压时处于三向应力状态，而材料的相关力学性能均由单向拉伸试验得来。为准确评定复杂应力状态下零件是否失效，工程上提出了几个合理的科学假设，逐步形成了常用的4个经典强度理论-最大拉应力理论、最大伸长线应变理论、最大切应力理论和形状改变能密度理论。其中第二强度理论经过多年实践证明和实际相差很大，目前已经极少采用。井下仪器外壳多采用不锈钢、钛合金及高温合金等塑性材料加工，且承受外压作用。经过多年实践经验检验，采用第三强度理论、第四强度理论进行强度设计更符合实际，目前JB 4732就采用第三强度理论[9]。

3.1.3 材料选用原则

井下仪器外壳材料选择须兼顾耐压强度、功能实现等多方面考虑，一般选取高强度不锈钢。我国从20世纪70年代开始了对高强度不锈钢的研制工作，典型牌号有00Cr13Ni8Mo2NbTi、00Cr12Ni8Cu2AlNb、00Cr10Ni10Mo2Ti1等10余种[10]。井下仪器外壳材料普遍采用经济型不锈钢材料，如0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH）、2Cr13和1Cr18Ni9Ti等，可满足一般油、气、水井耐压及耐腐蚀要求，性价比高。其中，强度、耐腐蚀综合性能较好的0Cr17Ni4Cu4Nb应用最为普遍；对于无磁、耐压强度要求高的场合，可选用奥氏体不锈钢06Cr19Ni10（美国钢号304，日本钢号SUS304）、0Cr17Ni12Mo2（美国钢号316，日本钢号SUS316）[9]。这3种不锈钢的物理参数见表1。

表1 井下地震仪外壳选用材料物理参数表Table 1 Physical parameters of shell materials of downhole seismic instruments

3.2 外壳强度设计计算

3.2.1 外壳结构的强度问题

利用金属材料制成的圆筒形承压外壳，其典型结构如图6所示。图中承压外壳的上部和上接头相连，下部与下接头相连，中间放置电路骨架。仪器在井下工作时，主要由仪器外壳来承受外部压力，保护内部的电子线路不受影响[11]。

图6 井下仪器承压结构示意图Fig. 6 Illustration graph of pressure bearing structure of downhole instrument

通常，当外壳承受外压时，筒壁受的是压应力。若压应力增大到材料的屈服极限或强度极限，筒壁将会破损。但在外壳的壁厚与直径比较小，且强度足够大的条件下，也会产生外壳压扁或折皱的现象，这就是失稳。失稳前，筒壁内只存在压应力；失稳后，由于突然变形，在筒壁内产生以弯曲为主的复杂的附加压力。这种变形和附加压应力会迅速发展，直到筒壁折皱为止。外壳失稳是突然出现的，在失稳前，一般无明显迹象[12]，因此，这种破坏形式危害性更大。由此可见，对受外压的圆筒体不仅要进行强度设计计算，还要进行稳性设计校核。

3.2.2 承压外壳的受力模型

承压外壳的截面为厚壁圆环（图7）。Ri是外壳的内径，Ro是 外壳的外径，Pi是内部压力，Po是外部压力，Po在计算外壳承压时通常取值为140 MPa，Pi通常为1个大气压，即0.1 MPa。由于承压外壳的壁厚和外壳内径属于同一量级，因此，对仪器外壳的应力计算应采用基于弹性力学的厚壁圆筒强度理论来计算。这种形状的外壳在外压力作用下，应力是轴向对称地均匀分布在整个圆环上，因而，受力情况好，承载能力高。仪器在井下工作时，外壳主要受重力、轴向力和井中液体压力的作用。重力和轴向力主要产生轴向应力，与井下压力产生的轴向应力叠加就是外壳截面受到的轴向应力。在大多数情况下，仪器的重力和轴向力所产生的轴向应力相对于井下最大140 MPa压力产生的轴向应力可以忽略，因此，在此处对仪器外壳进行受力分析时，不考虑重力和轴向力的影响[11]。

图7 承压外壳截面受压图Fig. 7 Illustration graph of cross section pressure for pressure bearing shell

3.2.3 外壳承压设计计算

图8是承压外壳截面单元体的受力示意图。根据铁摩辛柯公式和第四强度理论可得厚壁截面上任意一点的应力σ：

图8 截面单元体受力示意图Fig. 8 Illustration graph of cross section element stress

由式（1）可知，承压外壳在r=Ri时应力最大，即：

如果外壳材料的屈服应力是 σs，除以安全系数n即得到材料的许用应力 [σ]，根据强度条件σmax≤[σ]，即可得到外壳承压设计时要满足的强度公式[11]：

3.2.4 外壳壁厚设计计算

外壳失稳时的压力称为临界压力，用Pk表示。为了保证外壳不失稳，外壳的结构设计必须满足外壳的临界压力Pk大于工作压力Po这一条件，即[12]

式中，m为稳定安全系数。长圆筒的临界压力壳按勃莱斯公式计算：

式中，μ为圆筒材料的泊松比，So为外壳的计算壁厚，D为外壳的平均直径，Et为外壳材料在工作温度t下的弹性模量。将式（4）代入式（5）得到满足稳定条件的最小壁厚为：

4 结语

工程样机完成后，在实验室内开展了指标测试，达到了设计要求。先后在青海天峻县观测站（高原低温环境）、四川宜宾筠连县地震台（＞150 m）、湖南益阳（2 000 m）试运行。结果表明，在当前的工艺条件下，通过优化总体设计、精化核心设计，在孔径小于250 mm、压力达20 MPa（约2 000 m水深）、温度达70°C、倾角达5°的环境中，有实现在长时间里以120 s—50 Hz速度平坦、动态范围大于145 dB的质量连续地记录地震波形（图9—11），并通过改进的数字传输方法，将高保真的观测数据稳定地传输至地表。

图9 2018年10月22日加拿大温哥华岛附近海域发生M6.7地震Fig. 9 A M6.7 earthquake occured near Vancouver Island，Canada on Oct. 22，2018

图10 2018年12月16日四川宜宾市兴文县发生M5.7地震Fig. 10 A M5.7 earthquake occured in Sichuan Yibin Xingwen on Dec. 16，2018

图11 2021年4月28日印度发生M6.2地震Fig. 11 A M6.2 earthquake occured in India on Apr. 28，2021