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第 47 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.3 2019 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. School of Electron- ics and Ination Engineering, Sichuan Technology and Business University, Chengdu 611745, China; 3. Institute of Exploration Technology, CAGS, Chengdu 611734, China Abstract In the detection of high-temperature and high-pressure dry heat rock drilling location trajectory, the in- strument has some problems, such as poor perance, 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 tem- perature 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. Keywords inclinometer; gyroscope; high temperature and pressure; meta-analysis 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 0360，精度1.5井斜＞3时；井斜测量范围 ChaoXing 202 煤田地质与勘探 第 47 卷 090，精度0.15；测斜探管外钻孔环境温度 –10270 ℃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 Fig.1 Block diagram of the system 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–25125 ℃。 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 Table 1 Main technical inds of fiber optic gyroscope 技术指标 数值范围 动态范围/ s-1 500 零偏稳定性/h -1 0.21σ 标度因数非线性度/10-6 100 随机游走系数/ h-1/2 0.02 环境温度范围/℃ –2585 输入电压/V 5 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。 表 2 加速度计主要技术指标 Table 2 Main technical indicators of accelerometer 技术指标 数值范围 动态范围/ms-2 5g 分辨率/ms-2 510-5g 环境温度范围/℃ –40175 标度因数温度系数/10-6℃-1 20 标度因数综合误差/10-6 501σ,1个月 输入电压/V 15 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–40150 ℃。 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–25125 ℃， 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]。 图 2 主控电路图 Fig.2 Master circuit diagram 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 ChaoXing 第 3 期 屈召贵等 高温钻孔测斜仪研制 203 图 3 通信电路图 Fig.3 Communication circuit diagram 图 4 存储电路图 Fig.4 Store circuit diagrams 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–40165 ℃。电 路如图 5 所示。 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 Fig.5 Power management circuit diagram 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 100gg 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。 图 6 承压外管图单位mm Fig.6 Pressure piping diagram ChaoXing 204 煤田地质与勘探 第 47 卷 2 22 D p Dd   1 max ≥ 2 式中 σ 为承压探管材料承受的屈服强度， MPa； σmax 为承压探管材料承受的最大屈服强度，MPa；D 为 承压探管外径，m；d 为承压探管内径，m；p 为承 受压强，MPa；η 为安全系数，值为 1.21.5，一般 取 1.3。 承压外管设计尺寸外径D73 mm， 内径d61 mm， 长 H2 600 m。 承压管选择 17-4PH 沉淀型硬化型不 锈钢，弹性模量为 2105 MPa，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 p120 MPa；校核时安全系数取 η1.3。 将材料参数代入式1、 式2可得到最大屈服强度 σmax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 D 应超过 65.48 mm。 而实际选用 D 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 Fig.7 Total deation cloud diagram 图 8 等效应力云图 Fig.8 Equivalent stress cloud diagram 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 5.721 310-7 m 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 Φ1，隔热塞漏 热功率为 Φ2，辐射漏热功率为 Φ3，残余气体漏热 功率为 Φ4，总漏热功率为设为 Φ。 取温差 ΔT 200 K，材料导热系数 λ16.6 W/mk，导入工程热物理学计算关系式，可计算 Φ11.976 W，Φ20.119 W，Φ31.23 W，当真空中 压强大于 10–3 Pa 时， 残余气体漏热可以忽略， Φ40。 ChaoXing 第 3 期 屈召贵等 高温钻孔测斜仪研制 205 图 9 保温探管图 Fig.9 Thermal insulation diagram 总漏热功率如式3所示。 123 3.325ΦΦΦΦ 3 蓄热体长度为 400 mm，经计算保温探管蓄热能 量 Q 90.432 kJ。 由此可计算保温时间 t， 如式4所示。 90432 J 27 825s7.7 h 3.325 W Q t Φ  （ ） （） 4 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 5.710–72.222 510–3 m； 图 10b 为压力场与温度场耦合总变形云图，总变形 约 8.710–73.479 210–3 m。 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 560.003 179 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 a 压力场总变形云图 b 压力场与温度场耦合总变形云图 图 10 形变云图 Fig.10 Deation diagram 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 11 耐高温测试图 Fig.11 High temperature test diagram 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 ChaoXing 206 煤田地质与勘探 第 47 卷 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 Table 3 Measured values of azimuth and inclination 第1次测量值/ 第2次测量值/ 差值/ 测点深度/m 倾角 方位角 顶角 方位角 顶角差 方位角差 100 0.16 289.04 0.05 122.74 –0.11 193.70 200 0.20 294.07 0.26 122.30 0.06 188.23 300 0.28 315.16 0.42 121.75 0.14 166.59 400 0.18 59.88 0.06 121.53 –0.12 61.65 500 0.26 116.68 0.17 118.52 –0.09 1.84 600 1.92 304.59 1.89 302.83 –0.03 –1.76 700 2.33 306.10 2.34 308.83 0.01 2.73 800 1.81 306.91 1.71 307.64 –0.10 0.73 900 1.91 307.84 1.80 309.36 –0.11 1.52 1 000 3.26 309.60 3.23 308.26 –0.03 –1.34 1 100 3.19 308.17 3.10 309.20 –0.09 1.03 1 200 1.12 308.49 0.95 306.61 –0.17 –1.88 1 300 0.82 309.33 0.80 304.87 –0.02 –4.46 1 400 0.88 310.44 0.85 314.21 –0.03 3.77 1 500 1.42 313.39 1.50 314.51 0.08 1.12 1 600 3.39 321.47 3.27 320.04 –0.12 –1.43 1 700 2.48 323.05 2.52 320.77 0.04 –2.28 1 800 0.71 318.58 0.69 318.36 –0.02 –0.22 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 090，精 度小于 0.5，方位角测量范围 0360，精度小于 2.5；温度范围和精度分别为 0300℃，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。 参考文献 [1] 屈召贵，龚名茂，汪光宅. 基于 MEMS 陀螺传感测斜仪研 制[J]. 煤田地质与勘探，2017，452143–146. 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