黎晗

(中國石油集團測井有限公司長慶分公司，陜西 西安 710003)

目前，石油測井下井儀器種類眾多且具有不同特點，但隨著石油勘探開發(fā)的不斷深入，常規(guī)測井儀器已不能滿足測井的需求。一方面，全球石油儲量日益減少，易勘探的油氣井已經(jīng)處于后期開發(fā)階段，需要進行高溫、高壓層段的勘測；另一方面，測量儀器進行高溫、高壓防護，會增加設(shè)計成本和影響數(shù)據(jù)信息的傳輸。截止到目前為止，測井儀器已經(jīng)經(jīng)歷了四代發(fā)展，進入高集成、高精度和高可靠性的時代。自然伽馬能譜測量儀器是第四代測井儀器的代表，具有良好的傳輸穩(wěn)定性，可以進行高溫、高壓層段的勘測。目前，Schlumberger公司開發(fā)出Xtreme測井系統(tǒng)[1，2]，通過隔熱、吸熱和冷卻系統(tǒng)，實現(xiàn)了260℃、173MPa環(huán)境下的礦井測量作業(yè)，并在遠東地區(qū)取得了較好的應用效果。而國內(nèi)目前應用的傳統(tǒng)自然伽馬能譜測量儀器，僅實現(xiàn)了150℃、140MPa環(huán)境下的礦井測量且測量效果較差。因此，該次研究對傳統(tǒng)自然伽馬能譜測量儀器進行了優(yōu)化，使其能夠在150℃、140MPa的高溫、高壓環(huán)境下正常工作[3]，對于我國石油資源的深入開發(fā)具有十分重要的意義。

1 測井儀器的工作環(huán)境

目前，人類最深鉆探礦井為12060m，即俄羅斯柯拉半島的CT-3號礦井，其井底溫度為204℃。隨著鉆探深度的不斷增加，高溫、高壓環(huán)境對測井儀器提出了更高的要求。測井儀器在井下工作時間長短不一，可能幾分鐘，或者幾小時，因此需要維持測井儀器在高溫、高壓下的狀態(tài)，使其自身形變不會對內(nèi)部元件產(chǎn)生影響。一般來說，測井儀器外殼均采用高強度金屬材料，具有良好的導熱性，但其溫度傳導會提高腔體內(nèi)溫度，使內(nèi)部元件工作環(huán)境發(fā)生改變，因此，高溫、高壓環(huán)境下的儀器內(nèi)部溫度控制是一項重要技術(shù)指標。此外，在油田開發(fā)過程中，熱力學方法是提高開采效率最常用的方法，熱采方法主要包括注入蒸汽法(345℃以上)、火燒油層、蒸汽吞吐、自生熱裂技術(shù)等，上述熱采方法使得礦井下部產(chǎn)生局部高溫，為了更好地獲取地下地質(zhì)信息，使用的測井儀器必須能夠適應局部高溫、高壓環(huán)境。

2 測井儀器構(gòu)件

提高測井儀器耐高溫指標，應從儀器外殼和內(nèi)部元件熱穩(wěn)定性方面考慮，提高傳感器和電子線路在高溫環(huán)境下的可靠性。

2.1 儀器外殼

目前，測井儀器外殼和機械部分均采用錳鋼、不銹鋼和鈦合金材料制成，其在200～300℃下均能保持較高的穩(wěn)定性。上述材料的熱傳導性能較好，比熱低，例如，鋼(碳含量1.5%)的導熱系數(shù)為0.11cal/(cm·s·℃)，是水的100倍。在井底外殼與周圍溫度可以達到平衡，且從井底獲得的熱量比較集中。簡單地說，目前井下儀器的外殼可以保護內(nèi)部元件機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，但不具有隔熱能力。因此，借鑒航天隔熱技術(shù)，改變外殼的設(shè)計理念，通過噴涂隔熱涂層來保持其自身的機械強度，并具備良好的隔熱性能，是一種很好的方法。

2.2 傳感器

礦井測量儀器主要包括電學傳感器，即電極、線圈和天線；聲學傳感器，即發(fā)射、接受聲波探頭；輻射傳感器，即氣體放電計數(shù)管和閃爍計數(shù)器等。

1)電學傳感器需要選用合理材料，才能保證在200℃條件下測量結(jié)果的準確性及傳感器參數(shù)穩(wěn)定。

2)聲學傳感器采用磁性鎳片類壓電陶瓷，雖然鎳片的居里點為335℃，但高于110℃后其發(fā)射、接受靈敏度顯著降低。因此，為了使壓電陶瓷在高溫、高壓環(huán)境中的發(fā)射和接受靈敏度顯著提高，在其中增加鋰、鎢等元素，使其居里點提高到350±20℃[4]，滿足在200℃下聲波儀器的工作需要，即外部溫度飆升到200℃時，其諧振頻率變化為5%以下，等阻抗變化為15%以下。

3)核輻射傳感器主要采用1948年的NaI和光電倍增管組成的閃爍計數(shù)器。NaI結(jié)晶體性價比高，分辨率好，適合進行礦井下的γ能譜測量，但其容易潮解，要注意密封。雖然20世紀末期出現(xiàn)的Bi4Ge3O12晶體具有不潮解的優(yōu)點，但是其工作環(huán)境為低溫環(huán)境，對外部環(huán)境要求比較高，所以不易做核輻射傳感器。2001年研制的LaCI3(Ge)雖然輻射能力分辨率高，但其價格昂貴，不能替代NaI晶體。因此，NaI晶體是現(xiàn)階段耐200℃高溫、性價比高的優(yōu)勢探頭。相對于其他傳感器，核輻射傳感器對環(huán)境要求更高，需對傳感器進行改進及耐高溫設(shè)置。

2.3 電子元件

井下測量儀器在使用時存在2個問題：①腔體內(nèi)電子線路、元件產(chǎn)生的熱能，僅被吸熱劑吸收，沒有其他熱能彌散渠道，研究資料顯示，測井儀器從170℃飆升到200℃時，其內(nèi)部儀器長度增加18%左右，同時，儀器長度的增加會導致生產(chǎn)成本的提高；②儀器外殼均具有磁性，會對內(nèi)部電子線路產(chǎn)生干擾，特別是在下降速度提高和溫度變化明顯的情況下，其干擾情況更加復雜和無規(guī)律。

為了讓測井儀器中的電子線路在高溫環(huán)境下正常工作，一般采取兩種方法，即選擇耐高溫元器件和保溫瓶。耐高溫元器件的價格明顯高于一般元件，而且對元件進行溫度篩選時，又將提高元件成本。同時，元件在接近極限的工作環(huán)境下進行試驗，又將降低元件的壽命[5]。因此，在耐高溫測井儀器中，添加熔點適中、熔解熱高的吸熱劑，使其內(nèi)部溫度不高于60℃。

2.4 測井儀器構(gòu)造

通過上述分析，可知礦井測量儀器耐高溫性主要受兩方面因素影響：外部環(huán)境的熱對流影響和內(nèi)部元件工作產(chǎn)生的熱量。因此，加強儀器隔熱、降低工作元件散熱率，是提高測量儀器耐熱性的主要手段。目前，我國主要采用保溫瓶隔離手段進行儀器隔熱，即在儀器和外部環(huán)境之間建立真空層，其直徑為17mm。同時，通過使用低能耗元件，合理設(shè)計電路來減少內(nèi)部儀器的散熱率。為了讓測井儀器提高耐高溫性能，應減少元件數(shù)量，間接增加腔體空間，促進元件散熱。同時，利用單片機集成元件替代多項元件，在保持相應功能不變的情況下，增加元件的測量精度，節(jié)省相應空間。另外，要注意元件的排列順序、布線和焊接精度，避免各個元件之間的干擾。例如，大規(guī)模集成電路不僅可以縮小儀器體積，而且可以簡化儀器結(jié)構(gòu)，使得儀器耐熱性達到220℃/h。該次研究以伽馬能譜測量儀器為例，分析其在正常工作時序下，隔熱層、相變儲能設(shè)計對于儀器耐高溫性能的影響。

圖1為采用隔熱涂層、變儲能材料技術(shù)進行隔熱的自然伽馬能譜測井儀結(jié)構(gòu)示意圖，隔熱層將儀器整個外部進行覆蓋，并形成8mm真空層，延長外部熱能向內(nèi)部傳導時間。同時，相變儲能材料有足夠時間吸收熱能，保持腔內(nèi)溫度的穩(wěn)定，避免出現(xiàn)局部過熱導致的儀器損毀現(xiàn)象。

圖1 自然伽馬能譜測井儀結(jié)構(gòu)示意圖

3 隔熱涂層技術(shù)

3.1 物理性能

隔熱涂層屬于復合型涂層技術(shù)，由耐腐蝕性氧化粘結(jié)底層和金屬陶瓷構(gòu)成。粘結(jié)底層粘結(jié)性良好，可以在高溫下與鋼和合金較好地結(jié)合，因此被用于金屬陶瓷和內(nèi)部合金的過渡層。金屬陶瓷材料涂層可以保護內(nèi)部儀器，使其內(nèi)部溫度不會驟然上升[6]。納米YSZ隔熱涂層(Y2O3(納米氧化釔)-ZrO2(氧化鋯))，在200℃下的導熱系數(shù)為2.016kJ/(m·h·K)，比熱容為0.51kJ/(kg·K)，密度為4.58kg/m3，可以有效控制溫度傳導，降低金屬核心的耐熱性。因此，納米YSZ隔熱涂層屬于一種優(yōu)良隔熱層，覆蓋在礦井測量儀器外面延遲熱能傳導。在內(nèi)部采取相變儲能設(shè)計的情況下，納米YSZ隔熱涂層可以保證內(nèi)部儀器溫度的穩(wěn)定，而隔熱涂層的組成、厚度、噴涂方式，均對儀器內(nèi)部溫度變化產(chǎn)生影響。該次研究以等離子噴涂方式，0.5mm厚度的納米YSZ隔熱涂層為研究對象，分析其隔熱效果。

3.2 試驗分析

試驗材料：能譜探頭、恒溫干燥箱(鼓風)、鉑絲溫度傳感器和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。干燥箱型號為DGG 9080，測試精度為0.1±1℃，鉑絲溫度傳感器的靈敏度為0.2±1Ω/℃，溫度測試范圍為0～240℃；能譜探頭外部噴涂納米YSZ隔熱涂層，其厚度為0.5mm，并將端口用熱絕緣物質(zhì)封住。

由于儀器下井速率為1800～2600m/h，試驗溫度上升率為2.1℃/min，模擬器下井→測試→上井的溫度情況如圖2所示。能譜探頭在內(nèi)部光電倍增管末端按照鉑絲溫度傳感器，每隔15min采集一次數(shù)據(jù)，得到腔內(nèi)溫度上升速率曲線(圖2)。

圖2 外部環(huán)境溫度與腔體內(nèi)部溫度上升曲線

由圖2可知，能譜探頭外部進行納米YSZ隔熱涂層處理后，當外部溫度飆升時，腔體內(nèi)部溫度變化并不明顯；由于經(jīng)過納米YSZ隔熱涂層處理，腔體內(nèi)部溫度存在一定的滯后性，不會立刻隨著外部溫度的降低而降低，還會持續(xù)上升一段時間，當溫度達到235℃以后，腔體內(nèi)部溫度隨著外部溫度的降低而逐漸降低，但內(nèi)部溫度會高于外部溫度。試驗數(shù)據(jù)顯示：在沒有采取相變儲能技術(shù)的情況下，納米YSZ隔熱涂層可以在一定程度上阻隔外部熱能的傳遞。

4 相變儲能技術(shù)

儲能技術(shù)主要用于吸收熱能，起到降低溫度的目的。儲能降溫技術(shù)主要分為3種：顯熱儲能材料、潛熱儲能材料和化學儲能材料[7]。

1)顯熱儲能材料就是通過提高儲能材料的溫度，實現(xiàn)降溫儲能的目的，所以存儲熱量隨儲能材料的比熱和密度的不同而不同。

2)潛熱儲能材料相對于顯熱儲能材料來說儲能能力更高，這是因為潛熱儲能材料是通過發(fā)生相變而實現(xiàn)吸收熱能的目的。由于相變轉(zhuǎn)化過程中需要吸收更多的熱能，所以其吸收熱能是顯熱材料的10倍。

3)化學儲能材料主要是利用化學物質(zhì)在進行可逆化反應過程中吸熱和放熱原理，實現(xiàn)熱能的吸收和釋放。雖然化學儲能材料在吸熱能力方面優(yōu)于顯熱儲能材料和潛熱儲能材料，但其在應用方面存在諸多技術(shù)難題，不能在短時間內(nèi)廣泛應用。

基于上述原因，礦井測量儀器的儲能降溫技術(shù)主要采用潛熱材料。同時，潛熱材料在固→液相變過程中，吸收大量熱量，而且其冷卻結(jié)晶率大，熱導率好，化學性穩(wěn)定，對腔內(nèi)元件的腐蝕性小，無毒、阻燃，生產(chǎn)成本低。因此，潛熱材料是石油礦井吸熱儲能材料的首選。

4.1 潛熱儲能材料

潛熱儲能材料的選擇應該從熔點、導熱系數(shù)、熔解熱和比熱等方面考慮，同時考慮相變過程中的腐蝕性、重復利用性和生產(chǎn)成本。由于隔熱層的隔熱能力有限，所以要選擇導熱系數(shù)好、吸熱速度快、相變焓值大和膨脹系數(shù)小的金屬作為相變材料。鉍合金具有上述特點，是理想的低溫金屬儲能材料，其相變溫度為100～150℃，且與不銹鋼容器相融合，是井下勘測的首選吸熱材料。相對于傳統(tǒng)石蠟、硬脂酸等相變材料，鉍合金在導熱系數(shù)、熱反應方面具有絕對優(yōu)勢，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

如表1所示，鉍合金A、B的導熱系數(shù)比較高，其相變吸熱反應速度快；相對于石蠟材料來說，鉍合金A、B的體積熔解熱更高，熔點更高；同時，鉍合金A、B的密度更大，有限空間能裝載的合金量更多。因此，鉍合金適合作為石油礦井勘測儀器的相變儲能物質(zhì)，可以吸收更多的熱量。

表1 鉍合金與石蠟儲熱材料的性能比較

4.2 試驗分析

相變儲能材料的安裝位置應該在熱源流動的顯著位置，能夠更快地吸收熱能，但傳導面積相同時，相變儲能物質(zhì)的質(zhì)量應該與最大耐高溫時間相一致。井下勘測儀器的外殼噴涂納米YSZ隔熱涂層，并在儀器首、尾安裝封裝鉍合金的能譜探頭。圖3為外部溫度變化和內(nèi)部溫度上升曲線圖。

圖3 外部溫度變化與內(nèi)部溫度上升曲線

對比鉍合金B(yǎng)和傳統(tǒng)石蠟的相變吸收性能曲線發(fā)現(xiàn)，兩種潛熱材料均出現(xiàn)溫度上升滯后現(xiàn)象，但是鉍合金B(yǎng)滯后效果遜色于傳統(tǒng)石蠟，主要歸咎于兩種物質(zhì)的比熱容不同[8]；雖然鉍合金B(yǎng)的比熱容小于傳統(tǒng)石蠟，但是其導熱能力較強，可以快速從外層向內(nèi)部散熱，其穩(wěn)定上升率小于石蠟。在礦井鉆探過程中，經(jīng)常出現(xiàn)鉆頭遇阻，或者卡殼的問題，導致儀器長期處于125℃的高溫中，造成潛熱物質(zhì)的不必要消耗。鉍合金B(yǎng)的熔點較高，可以進行有效的溫度控制，降低潛熱物質(zhì)的消耗。同時，在納米YSZ隔熱涂層的幫助下，鉍合金B(yǎng)可以在150℃溫度中正常作業(yè)3～4h。

5 結(jié)語

從隔熱涂層和相變儲能技術(shù)方面，分析了石油礦井下勘測儀器的耐高溫技術(shù)，并在試驗條件下，利用伽馬能譜勘測儀器進行腔內(nèi)溫度測試。試驗結(jié)果顯示：150℃環(huán)境下，在納米YSZ隔熱涂層的幫助下，鉍合金B(yǎng)能夠正常作業(yè)3～4h，增加了礦井勘測儀器的正常工作時間。因此，通過隔熱涂層和相變儲能技術(shù)，可以有效地吸收和隔離儀器外的熱量，并將儀器內(nèi)部元件的溫度控制在150℃內(nèi)。目前，利用伽馬能譜儀器進行了10多次3h循環(huán)升溫試驗，證實了采取耐高溫技術(shù)可以有效降低儀器內(nèi)部元件的故障率。同時，該耐高溫設(shè)計在華北、大慶等油田進行測試，在大深度、高溫礦井的勘測中，可以獲得較好的勘測成功率，取得了比較滿意的效果。因此，隔熱涂層和相變儲能技術(shù)可以有效提高我國石油礦井勘測儀器的耐高溫性，大大提高礦井的勘測范圍。

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