周 策，王 瑜，劉一民，陳文俊

(1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉國(guó)土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083;2．中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都610081;3．四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065)

1 問題的提出

鉆孔測(cè)斜技術(shù)是我國(guó)地質(zhì)勘查關(guān)鍵技術(shù)之一，在我國(guó)地質(zhì)調(diào)查和國(guó)民經(jīng)濟(jì)其他領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但我國(guó)地勘現(xiàn)有鉆孔測(cè)斜儀不能配套用于將要開始或有的地區(qū)已經(jīng)開始的地質(zhì)超深鉆孔勘探和開發(fā)?，F(xiàn)有地勘鉆孔測(cè)斜儀適應(yīng)的工作環(huán)境溫度最大也只有150℃，需要研究設(shè)計(jì)在溫度高達(dá)280℃、孔深8000 m環(huán)境的地質(zhì)超深鉆孔自尋北陀螺測(cè)斜技術(shù)，并保證安全測(cè)斜。

2 解決問題的可能性

新型低功耗電子元件集成電路發(fā)展、先進(jìn)的焊接技術(shù)、密封材料技術(shù)、隔熱保溫材料及隔熱保溫技術(shù)、自尋北陀螺測(cè)斜技術(shù)提供了研究地質(zhì)超深鉆孔自尋北陀螺測(cè)斜技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。表1為幾種常見鉆孔測(cè)斜方法精度對(duì)比，從表1可以看出，自尋北陀螺測(cè)斜儀是適合地質(zhì)超深鉆孔測(cè)斜的最佳方案。

表1 幾種常見鉆孔測(cè)斜方法對(duì)比

3 解決地質(zhì)超深自尋北陀螺測(cè)斜儀技術(shù)方案

3．1 地質(zhì)超深自尋北陀螺測(cè)斜儀機(jī)芯組成設(shè)計(jì)

地質(zhì)超深自尋北陀螺測(cè)井儀主要部件選用三軸陀螺(一只動(dòng)調(diào)陀螺和一只微機(jī)械陀螺)、三軸石英加速度計(jì)、一只步進(jìn)電機(jī)，一套數(shù)據(jù)采集處理模塊，一套DC－DC電源，一塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及相關(guān)結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，工作原理框圖如圖1所示。

3．2 地質(zhì)超深自尋北陀螺測(cè)斜儀數(shù)學(xué)解算模型設(shè)計(jì)

3．2．1 初始對(duì)準(zhǔn)與傾角、方位角測(cè)量

圖1 地質(zhì)超深自尋北陀螺測(cè)斜儀組成

如圖2所示，OXYZ為地心坐標(biāo)系，OENU為當(dāng)?shù)氐仄阶鴺?biāo)系，Oxyz系為儀表坐標(biāo)系，Oxyz各軸間與OENU一致。圖中Oxyz系沿U軸旋轉(zhuǎn)為方位角ψ，這時(shí)沒有傾斜變化。

圖2 各有關(guān)坐標(biāo)系示意圖

如圖3所示，當(dāng)測(cè)斜儀從孔口沿井體運(yùn)動(dòng)，令Ox'y'U是Oxyz原在OEUN上面坐標(biāo)系，Oxyz坐標(biāo)系相對(duì)OENU和Ox'y'U各軸都可能發(fā)生姿態(tài)變化。其中ψD是Oz軸在水平面投影Oz'與ON軸的夾角，即方位角，Ox'與N軸的夾角為工具面向角ψg，Oz與OU的夾角為頂角φ。

圖3 在鉆孔中任一點(diǎn)時(shí)的OENU，Oxyz和Ox'y'U坐標(biāo)系

高溫測(cè)井儀在測(cè)井過程中，在任何點(diǎn)上、任何時(shí)候只要保持靜止，都可以實(shí)現(xiàn)初始對(duì)準(zhǔn)，計(jì)算方法如下。

利用在靜止條件下，電機(jī)由 0°轉(zhuǎn)動(dòng) 90°、180°、270°各位置采集的數(shù)據(jù)清除陀螺零位后，并利用陀螺加表的數(shù)據(jù)，計(jì)算出Ox'、Oy'軸的地球自轉(zhuǎn)分量ωx'，ωy':

ωx'=ωXcosφxox'+ωycosφyox'+ωzcosφzox'

ωy'=ωXcosφxoy'+ωycosφyoy'+ωzcosφzoy'

式中:φxox'、φyox'、φzox'——分別為 Ox、Oy、Oz與 Ox'的夾角;φxoy'、φyoy'、φzoy'——分別為 Ox、Oy、Oz與 Oy'的夾角。

由此可求出方位角:

ψ0=tg－1(ωy'/ωx')

則工具面向角為:

ψg0=tg－1(NAY/NAX)+tg－1(ωy'/ωx')

式中:NAX、NAY、NAZ——分別為 X，Y，Z 向加速度。

同樣由加表、陀螺可以求出Ox、Oy軸對(duì)Ox'y'z'的傾角 α0、β0，以及歐拉角 θ0、γ0，由此可求出頂角和頂角方位角:

在測(cè)井儀沿井體運(yùn)動(dòng)時(shí)，以上述結(jié)果為起始值，利用陀螺輸出數(shù)據(jù)計(jì)算歐拉角求出:

并由此，可求出動(dòng)態(tài)過程中的αω、βω，從而在運(yùn)動(dòng)時(shí)求出頂角、方位角、工具面向角:

3．2．2 地質(zhì)超深自尋北陀螺測(cè)斜儀數(shù)學(xué)解算誤差分析

自尋北陀螺測(cè)斜儀常見的主要誤差源中任何一種都可歸入下述5類基本誤差中的一類。

(1)結(jié)構(gòu)誤差:這種誤差與全套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，比如測(cè)量平臺(tái)上各元件的機(jī)械校準(zhǔn)誤差。

(2)實(shí)際元件誤差:這是實(shí)際慣性儀表與其設(shè)計(jì)性能間的偏差。

(3)機(jī)械編排誤差:為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)機(jī)械編排時(shí)作了近似所產(chǎn)生的誤差。

(4)操作方法誤差:在特殊情況下采用的方法所產(chǎn)生的誤差，它包括精確校準(zhǔn)時(shí)采用設(shè)備不夠理想出現(xiàn)的誤差和裝調(diào)儀表時(shí)方法不完善所引起的偏差等。

(5)由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的誤差:該誤差與加速度的變化有關(guān)，因此對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的測(cè)斜探管來(lái)說，這一誤差主要取決于運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)的次數(shù)及其持續(xù)時(shí)間。

上述各類誤差都是單獨(dú)考慮的，因此需要對(duì)測(cè)斜儀探管中的陀螺、加表參數(shù)誤差專門的補(bǔ)償、測(cè)量工藝過程的補(bǔ)償以及測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)值分析模型擬合。本文僅介紹陀螺加表參數(shù)誤差補(bǔ)償方法。

3．2．3 地質(zhì)超深自尋北陀螺測(cè)斜儀數(shù)學(xué)解算陀螺加表參數(shù)誤差補(bǔ)償方法選擇

加速度計(jì)誤差模型及誤差系數(shù):

NAX=Kox+KLxWx+KyxWy+KzxWz

NAY=Koy+KxyWx+KLyWy+KzyWz

NAZ=Koz+KxzWx+KyzWy+KLzWz

式中:Kox、Koy、Koz——加 速 度 計(jì) 偏 置;KLx、KLy、KLz——線加速度計(jì)比例系數(shù);Kyx、Kzx、Kxy、Kzy、Kxz、Kyz——線加速度計(jì)交叉耦合;Wx、Wy、Wz——線加速度計(jì)輸入。

陀螺儀誤差模型及誤差系數(shù):

Nωx=Kωox+Kωxωx+Kωxyωy+Kωxzωz+kaxωx

Nωy=Kωoy+Kωyωy+Kωyxωx+Kωyzωz+kayωy

Nωz=Kωoz+Kωzωz+Kωzxωx+Kωzyωy+kazωz

式中:Kωox、Kωoy、Kωoz——陀螺零位;Kωx、Kωy、Kωz——陀螺比例系數(shù);Kωxy、Kωxz、Kωyx、Kωyz、Kωzx、Kωzy——陀螺交叉耦合;Kaxy、Kay、Kaz——陀螺對(duì)加速度計(jì)的敏感系數(shù);ωx、ωy、ωz——輸入角速率。

有關(guān)K的系數(shù)都是溫度的函數(shù)。在考慮溫度變化時(shí)上述有關(guān)的K要加上ΔKT，ΔKT是溫度引起的變化。

ΔKT=KTΔT

式中:KT——溫度系數(shù)，ΔT——溫度變化量。

3．3 地質(zhì)超深自尋北陀螺測(cè)斜儀技術(shù)方案設(shè)計(jì)

3．3．1 技術(shù)方案設(shè)計(jì)分析

地質(zhì)超深自尋北陀螺測(cè)斜儀要在280℃高溫、8000 m孔深環(huán)境下使用，采用常規(guī)鉆孔測(cè)斜儀的方法，需要解決耐280℃高溫的傳感器、集成電路芯片和配套的電子元件，這些耐高溫的器件國(guó)內(nèi)外都難購(gòu)到。另需高溫測(cè)井電纜，一般高溫電纜只能承受200℃高溫，并且要配套電纜絞車，此套系統(tǒng)不僅價(jià)格昂貴，而且現(xiàn)場(chǎng)操作極為麻煩，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

(1)本技術(shù)方案是采用新材料和新方法研制新型超真空絕熱無(wú)磁保溫瓶(圖4)，當(dāng)外部環(huán)境溫度為280℃時(shí)，保溫瓶?jī)?nèi)部溫升小于60℃。

圖4 超真空絕熱無(wú)磁保溫瓶結(jié)構(gòu)示意圖

(2)將鉆孔測(cè)斜儀芯片、電路板以及電池置放其中進(jìn)行絕熱保溫。這樣測(cè)斜儀的部件以及電池都不易被高溫?fù)p壞?？傮w設(shè)計(jì)加工一個(gè)孔下測(cè)斜探管(圖5)。保溫瓶、鉆孔測(cè)斜儀以及電池均置放其中。測(cè)斜時(shí)將孔下測(cè)斜探管與鉆桿連接或采用鋼絲繩打撈器連接(繩索取心鉆進(jìn)工藝)下孔測(cè)斜。

(3)保溫瓶中的鉆孔測(cè)斜儀(圖5)采集數(shù)據(jù)方式設(shè)計(jì)為存儲(chǔ)式，下孔測(cè)斜探管可按規(guī)范分段進(jìn)行全程測(cè)量，其測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在測(cè)斜儀電路中，測(cè)斜探管提到地面時(shí)，將存儲(chǔ)的測(cè)斜信號(hào)取出采用有線或無(wú)線方式送到便攜式電腦回放讀取鉆孔測(cè)斜的數(shù)據(jù)。由于測(cè)斜探管設(shè)置可外接充電和取信號(hào)裝置，探管提到地面后無(wú)須拆卸，可避免測(cè)斜探管在高溫下操作和保持長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

3．3．2 保溫瓶溫度設(shè)計(jì)核算

采用新材料和新方法研制新型超真空絕熱無(wú)磁保溫瓶(圖4)，當(dāng)外部環(huán)境溫度為280℃時(shí)，保溫瓶?jī)?nèi)部溫升小于60℃。

由比熱容的公式:

Q=cmΔt

式中:Q——熱量，J;c——比熱容，J/(kg·℃);m——質(zhì)量，kg;Δt——溫差，℃。

圖5 地質(zhì)超深自尋北陀螺測(cè)斜儀探管機(jī)芯結(jié)構(gòu)示意圖

吸熱時(shí):Q吸=cm(t－t0)

放熱時(shí):Q放=cm(t0－t)

式中:t——末溫，℃;t0——初溫，℃。

Q＞0時(shí)為吸熱，Q＜0時(shí)為放熱。

吸熱時(shí):t=Q/cm+t0

放熱時(shí):t=t0－Q/cm

一般鋼鐵的比熱容c=460 J/(kg·℃)。

初溫可設(shè)定為保溫瓶?jī)?nèi)部溫升60℃，即t0=60℃。

地質(zhì)超深自尋北陀螺測(cè)斜儀探管質(zhì)量m=5 kg。

儀器功率4.8 W，那么每小時(shí)發(fā)熱量4.8 W×3600 s=17280 J。

工作8 h，發(fā)熱量 Q=8×17280=138240 J。

吸熱時(shí):t=Q/(cm)+t0=138240/(460×5)+60=120℃。

因此設(shè)計(jì)的地質(zhì)超深自尋北陀螺測(cè)斜儀機(jī)芯探管最大耐溫應(yīng)在120℃。

當(dāng)然也可在超真空絕熱無(wú)磁保溫瓶?jī)?nèi)灌入高溫吸熱硅油材料，降低發(fā)熱產(chǎn)生的溫升。

3．4 地質(zhì)超深自尋北陀螺測(cè)斜儀測(cè)量工藝設(shè)計(jì)

3．4．1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

通過測(cè)井儀內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，可以將測(cè)井的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，回到地面后進(jìn)行重放。

3．4．2 零速校正

如果測(cè)井儀工作時(shí)間長(zhǎng)，可以通過在井內(nèi)任何位置停(5 min)下來(lái)進(jìn)行零速校正，消除頂角、頂角方位角，工具面向角積累的誤差。

3．4．3 點(diǎn)工作方式

測(cè)井儀可以停止在井內(nèi)任何點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

3．4．4 連續(xù)測(cè)量方式

測(cè)斜儀可以在孔內(nèi)連續(xù)工作，記錄下時(shí)間、頂角、方位角、工具面向角的連續(xù)變化。地面記錄下時(shí)間、孔深。

3．4．5 數(shù)據(jù)輸出讀取方式

(1)雙向通信三芯電纜傳輸距離≥1000 m，串口RS485。

(2)記錄存儲(chǔ)方式

①回放數(shù)據(jù)串口RS232，按通訊協(xié)議執(zhí)行，將地面記錄時(shí)間、孔深與孔內(nèi)連續(xù)工作記錄下時(shí)間、頂角、頂角方位角、工具面向角對(duì)應(yīng)的時(shí)空關(guān)系，獲取測(cè)量鉆孔不同孔深位置的時(shí)間、孔深、頂角、頂角方位角、工具面向角;

②可連續(xù)存儲(chǔ)8 h內(nèi)的工作數(shù)據(jù)。

3．4．6 本設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)能自動(dòng)完成頂角、頂角方位角、工具面向角的初始對(duì)準(zhǔn)。

(2)在測(cè)量過程中可用零速校正清除測(cè)量過程中積累誤差。

(3)數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)。

(4)設(shè)計(jì)方案選用的耐高溫器件可靠性高，使用壽命長(zhǎng)。能在120℃的環(huán)境條件下工作。

(5)設(shè)計(jì)的該儀器具有良好的環(huán)境適應(yīng)性、耐沖擊、振動(dòng)。

(6)可連續(xù)測(cè)量，也可定點(diǎn)測(cè)量。

(7)不受磁干擾，在有磁鐵礦，地磁異常的情況下，也能正常工作。

4 地質(zhì)超深自尋北陀螺測(cè)斜儀測(cè)試

選擇了校驗(yàn)臺(tái)測(cè)試及鉆孔中測(cè)量易產(chǎn)生的故障溫度、壓力、沖擊、振動(dòng)。

(1)研制的地質(zhì)超深自尋北陀螺測(cè)斜儀采用數(shù)字多用表、萬(wàn)能分度頭和JJG－2型測(cè)斜儀校驗(yàn)臺(tái)等儀器設(shè)備、調(diào)試和標(biāo)定。表2為地質(zhì)超深鉆孔自尋北陀螺測(cè)斜儀器傾角和方位角值測(cè)試表。

(2)高溫貯存:儀器應(yīng)能經(jīng)受+280℃、24 h的高溫貯存試驗(yàn)，試驗(yàn)后逐漸恢復(fù)至常溫。

(3)高溫工作:產(chǎn)品在+280℃環(huán)境下能正常工作。

(4)密封壓力試驗(yàn):將探頭放在密封試壓容器內(nèi)密封加水壓，壓力80 MPa，持續(xù)時(shí)間2 h。

表2 地質(zhì)超深鉆孔自尋北陀螺測(cè)斜儀器傾角和方位角值測(cè)試 /(°)

(5)沖擊試驗(yàn):產(chǎn)品軸向沖擊加速度為70g、持續(xù)時(shí)間5～8 ms，共沖擊1次。

(6)振動(dòng)試驗(yàn):儀器在頻率10～200 Hz，加速度10g條件下，工作3 min。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)隨著地質(zhì)超深地質(zhì)勘探工作的發(fā)展，對(duì)鉆進(jìn)工藝和鉆孔測(cè)斜技術(shù)提出了更高的要求，現(xiàn)有的地勘鉆孔測(cè)斜技術(shù)已不能滿足溫度高達(dá)280℃、8000 m孔深地層環(huán)境的鉆孔測(cè)斜要求，需研制適合上述工作環(huán)境的地質(zhì)超深地勘鉆孔測(cè)斜儀器和技術(shù)方法。

(2)研制在地質(zhì)超深鉆孔中既能保證質(zhì)量又能保證安全的鉆孔測(cè)斜儀以及研究相應(yīng)的測(cè)試工藝技術(shù)方法，是地質(zhì)超深鉆孔勘探和開發(fā)不可缺少關(guān)鍵技術(shù)。

(3)勘探和開采鉆孔如不能測(cè)量孔斜質(zhì)量或者測(cè)量質(zhì)量不可靠將會(huì)帶來(lái)不可估量的損失，甚至可能影響整個(gè)勘探和開發(fā)系統(tǒng)的成敗。

(4)本項(xiàng)技術(shù)的成功不僅填補(bǔ)了地質(zhì)超深鉆孔測(cè)斜的空白，而且還可用于其他特種鉆孔勘探，如為地下干熱巖地質(zhì)鉆探找礦和開采的鉆孔孔斜質(zhì)量的測(cè)量提供技術(shù)支撐。

［1］ 蔡春龍，劉翼，劉一薇．MEMS儀表慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)［J］．中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，17(5)．

［2］ 郭帥，欒一秀，袁洪波，等．動(dòng)調(diào)式陀螺測(cè)斜儀控制電路設(shè)計(jì)［J］．石油儀器，2012，26(3)．

［3］ 高爽，張春熹，顏廷洋．光纖陀螺油井測(cè)斜儀研究與設(shè)計(jì)［J］．測(cè)井技術(shù)，2006，30(6)．

［4］ 張憲起，董冀，俞瑛．微機(jī)械陀螺儀性能指標(biāo)測(cè)試及計(jì)算方法［J］．集成電路通訊，2009，27(4)．

［5］ GJB1183－1991，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)用動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀通用規(guī)范［S］．

［6］ 宋凝芳．光纖陀螺捷聯(lián)慣性系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，10(1)．

［7］ 林彥兵，閆吉曾．基于地磁參數(shù)和子午線收斂角計(jì)算的井斜方位角校正方法［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(12)．

［8］ 蔣慶仙，馬小輝，陳曉璧，等．光纖陀螺尋北儀的二位置尋北方案［J］．中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，14(3)．