周 策， 羅光強(qiáng)， 李元靈， 譚現(xiàn)鋒

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 610081； 2.山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州 253072)

GRY-1型超高溫干熱巖地層鉆孔測(cè)斜儀研制及應(yīng)用

周 策1， 羅光強(qiáng)1， 李元靈1， 譚現(xiàn)鋒2

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 610081； 2.山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州 253072)

干熱巖地層鉆孔測(cè)斜技術(shù)是干熱巖勘探和開(kāi)發(fā)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)，然而現(xiàn)階段地勘鉆孔測(cè)斜技術(shù)已不能滿足干熱巖地層的鉆孔測(cè)斜要求。其中孔底的高溫高壓是核心問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)承壓探管加無(wú)磁保溫瓶的雙層外管結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的硬磁校準(zhǔn)方法、選用耐高溫元件、采用低功耗電路設(shè)計(jì)，研制了GRY-1型干熱巖地層鉆孔測(cè)斜儀，以滿足高達(dá)280 ℃高溫、孔深3000 m的超高溫干熱巖地層鉆孔軌跡測(cè)量的要求。通過(guò)試驗(yàn)應(yīng)用，證明其在干熱巖地層中具有良好的適用性，可助力干熱巖資源的勘探和開(kāi)發(fā)。

干熱巖；高溫高壓；鉆孔軌跡測(cè)量；測(cè)斜儀；磁阻傳感器；加速度計(jì)

隨著干熱巖地層及其他地?zé)豳Y源勘探開(kāi)發(fā)的進(jìn)行，特別是鉆孔深度的增加，這對(duì)鉆井工藝和測(cè)量技術(shù)也提出了更好的挑戰(zhàn)[1-2]。雖然國(guó)內(nèi)外已獲得應(yīng)用的鉆孔測(cè)斜儀種類較多，但目前都不能配套用于干熱巖地層勘探和開(kāi)發(fā)需求[3]。美國(guó)AGI公司、歐美大地儀器設(shè)備有限公司等企業(yè)生產(chǎn)的鉆孔測(cè)斜儀適用的最高環(huán)境溫度為250 ℃。而干熱巖地層溫度可達(dá)280 ℃以上，現(xiàn)有的地勘鉆孔測(cè)斜技術(shù)已不能滿足干熱巖鉆孔測(cè)斜要求，因此需研制適用于干熱巖地層的超高溫鉆孔測(cè)斜儀，以獲取準(zhǔn)確的井眼軌跡，為干熱巖的勘探開(kāi)發(fā)利用保駕護(hù)航。

1 GRY-1型干熱巖地層鉆孔測(cè)斜儀結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 測(cè)量原理

頂角測(cè)量是通過(guò)二維集成加速度計(jì)傳感器矢量合成求得。常用鉆孔頂角計(jì)算式為：

(1)

式中：vx、vy——x軸、y軸傳感器測(cè)量值，m/s；Δx、Δy——x軸、y軸零位值，mm； vxm、vym——x軸、y軸水平輸出最大值，m/s。

鉆孔方位角是通過(guò)三維磁阻傳感器測(cè)量，再與定向角進(jìn)行合成求得的，常用鉆孔方位角三分量計(jì)算模式：

Xmi=Xmbcosθ+Ymbsin?sinθ+Zmbcos?sinθ

(2)

Ymi=Ymbcos?-Zmbsin?

(3)

Zmb=Zeb

(4)

(5)

式中：X、Y、Z——分別代表磁阻傳感器三向輸出，mm； θ、?、φ——分別代表俯仰角、滾動(dòng)角和定向角(定向標(biāo)記位置角)，(°)。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本監(jiān)測(cè)儀中研制的“孔下黑匣子”數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的根本目的是監(jiān)測(cè)鉆孔軌跡，測(cè)量并記錄其傾角(其余角為頂角)、方位角、工具面向角運(yùn)動(dòng)軌跡和溫度。測(cè)斜儀本體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。采用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)和磁感應(yīng)傳感器設(shè)計(jì)的最新成果，磁感應(yīng)傳感器具有體積小、靈敏度高、線性度好、帶寬寬、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 測(cè)斜儀本體設(shè)計(jì)方案圖

整個(gè)系統(tǒng)中包含一個(gè)主系統(tǒng)和兩個(gè)分系統(tǒng)。主系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量出重力場(chǎng)三個(gè)相互垂直方向的加速度值和磁場(chǎng)三個(gè)相互垂直方向的加速度值、磁場(chǎng)強(qiáng)度值，完成頂角、工具面角和方位角的運(yùn)算。高精度測(cè)量加速度的子系統(tǒng)上安裝一個(gè)三維的重力加速度計(jì)和一個(gè)溫度傳感器，分別測(cè)量的是重力場(chǎng)三個(gè)相互垂直方向的加速度值和溫度值。測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度磁阻的子系統(tǒng)是由一個(gè)三維的磁阻計(jì)垂直安裝組成一個(gè)三維的磁阻計(jì)。

選擇霍尼韋爾公司的HMC6343型及設(shè)計(jì)研制的XA-3BM型高精度線加速度傳感器測(cè)量頂角、工具面角、方位角、三個(gè)相互垂直方向的重力場(chǎng)加速度和三個(gè)相互垂直方向的磁場(chǎng)。存儲(chǔ)選用工業(yè)溫度范圍的鐵電存儲(chǔ)器。在高精度測(cè)量加速度的子系統(tǒng)中，要求選擇高靈敏度的加速度傳感器，共有4根數(shù)據(jù)線，X、Y、Z方向和地線。微處理器的選擇內(nèi)置了24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的微處理器ADuC847對(duì)高精度測(cè)量加速度的子系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行測(cè)量。

內(nèi)置了先進(jìn)的硬磁校準(zhǔn)方法，使得在較為惡劣的磁環(huán)境情況下能夠保證輸出航向的準(zhǔn)確性，具有模擬電路難以實(shí)現(xiàn)和無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

1.3 承壓隔熱結(jié)構(gòu)

擬將鉆孔測(cè)斜儀應(yīng)用于280 ℃的孔內(nèi)高溫環(huán)境，現(xiàn)有測(cè)斜儀很難滿足這個(gè)溫度要求。一是需要耐高溫元器件且還需另配電纜絞車，不僅成本高昂，且現(xiàn)場(chǎng)使用不便。本文所述超高溫干熱巖地層鉆孔測(cè)斜儀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(見(jiàn)圖2)，將所需傳感器、電路及其他電子元件置于保溫瓶中，以保證儀器的正常工作。經(jīng)試驗(yàn)，所研制的保溫瓶在外部環(huán)境溫度為280 ℃時(shí)，瓶?jī)?nèi)部溫升<80 ℃，而一般的測(cè)井保溫管只能承受200 ℃環(huán)境溫度。采用抗高溫鉆孔測(cè)斜儀芯片、電路板以及電池，減小測(cè)斜儀體積、增大吸熱冷卻空間，將測(cè)斜儀、控制器和電池置放其中進(jìn)行保溫，將內(nèi)部元器件置于一個(gè)相對(duì)低的溫度環(huán)境內(nèi)。將保溫瓶、傳感器以及電池均安裝在承壓探管中(見(jiàn)圖3)。測(cè)斜時(shí)將孔下測(cè)斜探管與鉆桿連接下入孔內(nèi)測(cè)斜(繩索取心鉆進(jìn)可采用鋼絲繩打撈器連接)。所測(cè)得孔斜數(shù)據(jù)存放在內(nèi)部機(jī)芯中。待測(cè)斜儀提到地面時(shí)，將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)采用轉(zhuǎn)換接頭傳輸至PC機(jī)上，進(jìn)行下一步繪圖處理。

1—堵頭；2—壓蓋；3—隔熱管；4—開(kāi)槽沉頭螺釘；5—瓶體；6—上吸熱體；7—下吸熱體；8—護(hù)帽

圖2 超真空絕熱無(wú)磁保溫瓶結(jié)構(gòu)

1—上變換接頭；2—堵頭；3—隔熱管；4—瓶體；5—上吸熱體；6—測(cè)斜儀；7—下吸熱體；8—外管；9—下變換接頭

1.4 整體結(jié)構(gòu)

儀器包括孔內(nèi)探管和地面數(shù)據(jù)讀取處理軟硬件，孔內(nèi)探管主要包括耐280 ℃高溫和30MPa壓力的承壓管和高溫保溫管以及測(cè)量單元測(cè)斜儀機(jī)芯、電源、吸熱體等，測(cè)斜儀機(jī)芯傳感器為鋁質(zhì)外殼設(shè)計(jì)，體積小、質(zhì)量輕、安裝簡(jiǎn)便，每只傳感器都進(jìn)行溫度漂移與靈敏度曲線的修正和全數(shù)字補(bǔ)償，達(dá)到了寬溫度工作和高精度的有效結(jié)合；內(nèi)部集成有FLASH存儲(chǔ)器，能夠?qū)y(cè)量的數(shù)據(jù)在線存儲(chǔ)。用于干熱巖非磁性礦區(qū)復(fù)雜地層280 ℃高溫和30MPa壓力環(huán)境的鉆孔定向測(cè)斜等領(lǐng)域的方向測(cè)量與控制等系統(tǒng)。

2 保溫探管內(nèi)溫度及壓力室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 保溫測(cè)斜探管高溫試驗(yàn)

將保溫測(cè)斜探管放入高溫試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)，試驗(yàn)溫度達(dá)280 ℃，室內(nèi)環(huán)境28 ℃，4h后保溫測(cè)斜探管達(dá)到72 ℃，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 保溫測(cè)斜探管

圖5 280 ℃高溫試驗(yàn)

2.2 承壓管高壓試驗(yàn)

將承壓測(cè)斜探管放入高壓試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)，試驗(yàn)壓力達(dá)30MPa，4h后將承壓測(cè)斜探管取出，無(wú)漏，見(jiàn)圖6。

圖6 承壓管高壓試驗(yàn)

2.3 總結(jié)

通過(guò)以上試驗(yàn)證明承壓隔熱的高溫高壓探管設(shè)計(jì)是科學(xué)可行的。

3 測(cè)量工藝

GRY-1型超高溫干熱巖地層鉆孔測(cè)斜儀內(nèi)置了先進(jìn)的硬磁校準(zhǔn)方法，使得在較為惡劣的磁環(huán)境情況下能夠保證輸出航向的準(zhǔn)確性，具有模擬電路難以實(shí)現(xiàn)和無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。選用的耐高溫器件可靠性高，能在115 ℃的環(huán)境條件下工作，使用壽命長(zhǎng)。儀器具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，耐沖擊、振動(dòng)，可連續(xù)存儲(chǔ)12h內(nèi)的工作數(shù)據(jù)。

進(jìn)行測(cè)量時(shí)，先通過(guò)數(shù)據(jù)串口RS232將測(cè)斜儀連接至上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)對(duì)測(cè)斜儀進(jìn)行設(shè)置，包括測(cè)量模式、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間隔、儀器開(kāi)機(jī)時(shí)間、測(cè)量時(shí)間等，上位機(jī)界面如圖7所示。設(shè)置完成后，通過(guò)鋼絲繩或鉆桿將測(cè)斜儀下入孔內(nèi)開(kāi)始連續(xù)測(cè)量或定點(diǎn)測(cè)量。下入過(guò)程中，地面記錄下時(shí)間、孔深，儀器在孔底自動(dòng)完成頂角、方位角、工具面向角的測(cè)量，并記錄相應(yīng)的時(shí)間，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀器中。待測(cè)量結(jié)束，提出測(cè)斜儀，再通過(guò)數(shù)據(jù)串口RS232將測(cè)斜儀連接至電腦，讀取存儲(chǔ)在測(cè)斜儀中的孔斜數(shù)據(jù)。將地面記錄時(shí)間、孔深與測(cè)斜儀記錄的時(shí)間、井斜數(shù)據(jù)相對(duì)比，即可獲得精準(zhǔn)的鉆孔空間軌跡。

圖7 干熱巖地層鉆孔測(cè)斜儀軟件人機(jī)界面

4 野外試驗(yàn)應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)鉆孔介紹

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局于2013年啟動(dòng)我國(guó)干熱巖資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作，分別在廣東、福建、海南、湖南等地開(kāi)展了區(qū)域地質(zhì)調(diào)查與深部地球物理勘查，最終選定福建省漳州市清泉林場(chǎng)作為我國(guó)干熱巖資源勘查優(yōu)先靶區(qū)。為查明該區(qū)域的地質(zhì)條件及干熱巖地層地?zé)豳Y源的賦存情況，由山東省魯北地質(zhì)工程勘察院在該區(qū)域進(jìn)行干熱巖地?zé)峥茖W(xué)鉆探工程施工。該鉆孔(干熱1井)設(shè)計(jì)深度為4000m，套管深度2500m，終孔直徑為152mm。

4.2 試驗(yàn)方法

本次野外試驗(yàn)共進(jìn)行閉水試驗(yàn)、下鉆測(cè)斜、提鉆測(cè)斜3種試驗(yàn)方法，以檢驗(yàn)GRY-1型干熱巖地層鉆孔測(cè)斜儀密封、隔熱及測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性等性能。閉水試驗(yàn)為先導(dǎo)試驗(yàn)，主要為驗(yàn)證承壓管的密封性能及了解孔底情況。為避免測(cè)斜儀核心組件因密封失效而損毀，進(jìn)行閉水試驗(yàn)時(shí)，并不在外管內(nèi)裝入機(jī)芯，而是放入濕度試紙及餾點(diǎn)溫度計(jì)。下鉆測(cè)斜及提鉆測(cè)斜時(shí)，將測(cè)斜儀組裝完備，通過(guò)鉆桿連接下入孔內(nèi)，進(jìn)行完整的鉆孔測(cè)斜工作。

4.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)時(shí)，測(cè)斜儀通過(guò)鉆桿連接下入孔底。鉆具前端為平底磨鞋，上接?127mm鉆桿，測(cè)斜儀裝入鉆具內(nèi)通道。試驗(yàn)過(guò)程中共下入?89mm鉆桿10個(gè)立根，?127mm鉆桿47個(gè)立根，下入孔深為1625m。由于準(zhǔn)備工作耗費(fèi)一定時(shí)間，加之下鉆過(guò)程中出現(xiàn)設(shè)備故障耽擱一定時(shí)間，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程耗時(shí)約11h。

由于儀器調(diào)試中將讀取數(shù)據(jù)頻次設(shè)置為10s存一次，因此所獲得的數(shù)據(jù)量較大，這樣便于去除由于鉆具振動(dòng)等外在因素造成的大幅波動(dòng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，直接選取穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)并求平均值，即可提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度和可靠性。整理原始數(shù)據(jù)后繪制出下鉆及提鉆所測(cè)得的頂角隨孔深變化曲線如圖8所示。

圖8 提下鉆測(cè)斜數(shù)據(jù)對(duì)比曲線

由圖8可以看出，下鉆及提鉆所測(cè)得的頂角變化曲線吻合地很好，大部分孔段是完全重合的。這表明測(cè)斜儀所測(cè)得的頂角數(shù)據(jù)是可靠的。

4.4 試驗(yàn)應(yīng)用總結(jié)

本次試驗(yàn)應(yīng)用說(shuō)明，研制的GRY-1型干熱巖地層鉆孔測(cè)斜儀滿足設(shè)計(jì)要求，下鉆測(cè)斜與提鉆測(cè)斜數(shù)據(jù)吻合較好，其測(cè)斜穩(wěn)定可靠。在孔底的高溫環(huán)境下，測(cè)斜儀保溫瓶?jī)?nèi)機(jī)芯在長(zhǎng)達(dá)11h的運(yùn)行后，隔熱保溫瓶?jī)?nèi)溫度從30 ℃上升到39 ℃，溫度上升僅9 ℃，說(shuō)明本儀器的隔熱保溫設(shè)計(jì)及低功耗電路散熱設(shè)計(jì)是科學(xué)可行的，有相當(dāng)?shù)倪m用性。

5 結(jié)論

(1)干熱巖地層鉆孔測(cè)斜技術(shù)是干熱巖地質(zhì)勘探和開(kāi)發(fā)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)，然而現(xiàn)有的地勘鉆孔測(cè)斜技術(shù)已不能滿足干熱巖地層的鉆孔測(cè)斜要求。而干熱巖地層鉆孔測(cè)斜技術(shù)的核心問(wèn)題就是孔底高溫高壓環(huán)境對(duì)測(cè)斜儀的挑戰(zhàn)。

(2)采用承壓探管加無(wú)磁保溫瓶的雙層外管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的GRY-1型干熱巖地層鉆孔測(cè)斜儀，極大地降低了干熱巖地層的高溫高壓環(huán)境對(duì)測(cè)斜儀的影響。

(3)GRY-1型干熱巖地層鉆孔測(cè)斜儀內(nèi)置先進(jìn)的硬磁校準(zhǔn)方法、選用耐高溫元件、采用低功耗電路設(shè)計(jì)，提高了儀器精度和壽命，降低了自發(fā)熱，使之具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力。

(4)通過(guò)在干熱巖地層中的試驗(yàn)應(yīng)用，驗(yàn)證了GRY-1型干熱巖地層鉆孔測(cè)斜儀的設(shè)計(jì)是可靠的、科學(xué)合理的，其在干熱巖地層鉆孔軌跡測(cè)量中有著良好的適用性。

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Development and Application of GRY-1 Borehole Inclinometer for Ultra-high Temperature Hot Dry Rock Drilling/

ZHOUCe1,LUOGuang-qiang1,LIYuan-ling1,TANXian-feng2

(1.Institute of Exploration Technology of CAGS, Chengdu Sichuan 610081, China; 2.Lubei Geo-engineering Surveying Institute of Shandong Province, Dezhou Shandong 253072, China)

Drilling-hole trajectory measurement is an indispensable technology of the exploration and development of HDR. However, this technology at present stage cannot meet the requirements of inclination measurement in HDR strata. High temperature and high pressure at the hole bottom is the key problem. For this reason, by the double-layer outer tube structure design with the pressure-bearing probe tube and non magnetic thermos bottle, the use of the advanced hard magnetic calibration, the selection of high temperature resistance elements and low-power circuit design, GRY-1 inclinometer is developed to meet the requirements of the drilling-hole in HDR strata at the temperature up to 280℃ and depth of 3000 meters. The practical results show that GRY-1 inclinometer has good applicability in HDR strata and can contribute to the exploration and development of HDR resources.

hot dry rock; high temperature and high pressure; borehole trajectory measurement; inclinometer; magnetic resistance sensor; accelerometer

2016-04-25；

2017-02-22

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)“超高溫鉆孔軌跡測(cè)量?jī)x開(kāi)發(fā)和應(yīng)用”(編號(hào)：2013YQ050791)；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“干熱巖高溫鉆探器具及工藝研究”子課題“干熱巖地層鉆孔測(cè)斜技術(shù)的研究”(編號(hào)：201411094-03)

周策，男，漢族，1965年生，教授級(jí)高級(jí)工程師，探礦工程專業(yè)，從事地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)與儀器的研究工作，四川省成都市一環(huán)路北二段1號(hào)，449730588@qq.com。

P634.3；TE242.9

A

1672-7428(2017)04-0044-05