羅光強， 周 策， 劉一民， 韓 銳

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川 成都 611734； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心,四川 成都 611734； 3.安徽萬瑞冷電科技有限公司，安徽 合肥 230088)

鉆孔測量技術(shù)是地質(zhì)勘查關(guān)鍵技術(shù)之一，在我國地質(zhì)調(diào)查和國民經(jīng)濟其他領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。為實現(xiàn)國家新能源開發(fā)的戰(zhàn)略目標(biāo)，以超高溫大深度鉆孔測量為目標(biāo)，解決超高溫大深度地層耐高溫高壓環(huán)境測量問題，研究一套適用于超高溫大深度井的鉆孔測量，實現(xiàn)270 ℃高溫、120 MPa壓力環(huán)境條件下的耐高溫高壓復(fù)合保溫管裝置，解決高溫高壓環(huán)境下鉆孔測量的惡劣環(huán)境難題[1-5]。

1 耐高溫高壓復(fù)合保溫管基本構(gòu)成

耐高溫高壓復(fù)合保溫外管主要由復(fù)合承壓管、金屬保溫瓶和全氟密封圈組成。復(fù)合承壓管主要包括承壓管體、密封堵頭、打撈頭、導(dǎo)向裝置；金屬保溫瓶主要包括瓶體、壓蓋、堵頭隔熱管、上吸熱體、下吸熱體、減震裝置。采用真空絕熱保溫、內(nèi)部溫升吸熱控制、耐高溫高壓密封和承壓外管抗壓減震導(dǎo)正等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)耐溫270 ℃、耐壓120 MPa的功能。

耐高溫高壓復(fù)合保溫管基本構(gòu)成如圖1所示。

1.1 復(fù)合承壓管設(shè)計

復(fù)合承壓管的作用是能耐壓120 MPa，保護儀器，其耐壓由承壓管體和密封堵頭通過兩道徑向密封來完成。承壓管耐壓指標(biāo)為120 MPa，屬于超高壓應(yīng)用環(huán)境，對承壓外管的耐水壓強度要求比較高。但由于受鉆井直徑影響，承壓外管的外徑確定為73 mm，而其內(nèi)徑受到內(nèi)部測斜探管和保溫管的影響，尺寸不得小于60 mm，由此留給承壓管的壁厚空間僅有6.5 mm，不能依靠承壓管壁厚的增加來提高其耐水壓能力，只能依靠承壓管材料本身的強度增加來滿足其耐壓能力。

測井儀器用承壓外管常用材料有不銹鋼0Cr18Ni9(304)、沉淀硬化型不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)、鈦合金TC4、TC11等[6]，其機械及力學(xué)性能如表1所示。

表1 材料機械性能比較

注：17-4PH熱處理狀態(tài)：1040 ℃水或空冷，480 ℃回火4 h空冷(H1025)。

通過上述承壓管壁厚條件和上述材料的強度，進行了初步的強度校核，其壓力校驗計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：σmax——承壓管材料屈服強度，MPa；D——承壓管外徑，mm；d——承壓管內(nèi)徑，mm；P——承受外壓，MPa；n——安全系數(shù)，值為1.2～1.5，一般取1.3。

經(jīng)過計算，承壓管的屈服強度為832.70 N/mm2。比較上述幾種材料屈服強度，可以得出材料304的屈服強度太小，承壓達不到要求，鈦合金和沉淀不銹鋼承壓方面都可以滿足要求。經(jīng)過材料成本、加工性能以及強度等方面的綜合比較，最終選擇了強度更高的17-4PH作為承壓管的加工材料。

1.2 金屬保溫瓶設(shè)計

金屬保溫瓶的作用是減少來自外部的熱傳導(dǎo)和吸收內(nèi)部機芯熱量，以確保其內(nèi)部溫度在儀器工作的允許溫度范圍內(nèi)，主要是通過真空絕熱保溫、內(nèi)部溫升吸熱體控制實現(xiàn)。

金屬保溫瓶之所以可以長時間耐高溫，主要依賴兩個方面：一是良好的絕熱性能，真空絕熱保溫技術(shù)；二是吸熱體的蓄熱可以吸收足夠的蓄熱量。

金屬保溫瓶主要由保溫瓶體、壓蓋、堵頭、隔熱管、上吸熱體、下吸熱體、減震裝置等組成，這些組件的選材、尺寸設(shè)計、安裝位置等等都可能影響保溫瓶的保溫效果。

金屬保溫瓶瓶體采用類似保溫杯的內(nèi)外殼體材料1Cr18Ni9Ti，該材料熱傳導(dǎo)系數(shù)低〔20 W/(m·K)〕，材料彈性模量較高(286000 MPa)，且材料采用抽真空結(jié)構(gòu)，保溫瓶瓶體是保溫裝置的核心部件，可以保證高溫環(huán)境下測斜儀正常的基礎(chǔ)。吸熱體有上、下兩部分，主要以石蠟(相變溫度60 ℃，密度900 kg/m3)為制作材料，通過固-液相轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)吸熱過程，其尺寸與選材主要根據(jù)測斜儀內(nèi)部機芯發(fā)熱情況、持續(xù)工作時間與外界環(huán)境溫度來確定。隔熱管選用SiO2纖維增強氣凝膠材料，其導(dǎo)熱系數(shù)較低〔0.017 W/(m·K)〕。

金屬保溫瓶的漏熱主要是通過瓶口的傳熱，及通過隔熱管與管壁之間的傳熱；蓄熱主要是通過固液之間的轉(zhuǎn)換，利用材料的物理性能來儲存熱量，將保溫瓶內(nèi)的溫度控制在一定的范圍內(nèi)，根據(jù)計算公式可以確定最優(yōu)的吸熱體尺寸長度。

2 耐高溫高壓復(fù)合保溫管密封設(shè)計

耐高溫承高壓密封技術(shù)是確保儀器下井不被壓壞、不會因密封泄露進水而損壞的關(guān)鍵，主要是通過選用強度較高的材料進行加工、密封的設(shè)計以及耐高溫密封圈來保證的。

根據(jù)流體力學(xué)滲流模型，軸向的微小滲漏公式：

(2)

式中：Q——滲漏量；d——管壁內(nèi)徑；h——縫隙的厚度；Δp——縫隙兩側(cè)的壓力差；μ——泥漿的粘度；L——裂縫縫隙的長度。

根據(jù)上述密封性理論與計算，可以采用改變承壓探管密封接觸面的形狀增強其密封性能。將密封接觸面設(shè)計為雙凹槽的密封形式，雙凹槽的密封形式可以增加裂縫縫隙的長度L，這樣可以顯著降低滲漏量Q，如圖2所示。

圖2 雙凹槽的密封形式

雙凹槽的密封形式不僅能增強密封處的機械強度，還可以通過兩道密封圈進行自補償，但其對管體與端頭的加工精度要求較高。在嚴格密封溝槽設(shè)計的同時，也通過減少密封環(huán)節(jié)來進一步提高密封的可靠性，承壓管按照常規(guī)一般是用管材進行加工，管子為通管，至少有2處需要密封，本儀器的承壓管設(shè)計為盲管，只有1端需要密封，加工采用的是棒料鏜孔的方式，由于長度較長，其加工難度有所增加，但密封的可靠性有所提高。

同時，為了減少因機械加工時的精度誤差、長時間工作磨損導(dǎo)致密封接觸面的破壞對儀器整機密封效果的影響，本儀器系統(tǒng)采用了2種外部輔助措施來提高儀器系統(tǒng)的密封性能和安全系數(shù)。

(1)在密封接觸面加裝O形橡膠密封圈，它具有良好的變形性能，在一定壓力下能補償間隙。密封圈的材料有天然橡膠、丁苯橡膠、氟橡膠和全氟橡膠等等，不同的材質(zhì)有著不同的溫度極限和物理性能[7]，見表2。

表2 橡膠密封圈的性能比較

從表2可以看出全氟橡膠耐溫可以到達要求，全氟橡膠具有工作溫度范圍大、耐腐蝕、彈性好、抗撕裂力強、結(jié)構(gòu)性能具有可設(shè)計性等特點，全氟橡膠密封圈可以彌補承壓探管的加工精度、擰卸磨損、其他外力破壞等因素造成的泄露，提高承壓探管密封的安全性能。因此，設(shè)計在承壓的密封雙凹槽面上加設(shè)兩道全氟橡膠O形密封圈，可以顯著提高密封接觸面的密封效果[8]。

(2)2種材料的膨脹實現(xiàn)自密封，承壓外管的密封部件由承壓管體與密封堵頭組成，二者通過一定的預(yù)緊力扭緊實現(xiàn)密封。由于環(huán)境溫度高達270 ℃，可以利用不同材料之間的熱膨脹差異實現(xiàn)自密封的效果。黃銅與17-4PH沉淀型硬化型不銹鋼的線膨脹系統(tǒng)如表3所示。

表3 2種材料的線膨脹系數(shù)比較

17-4PH沉淀型硬化型不銹鋼作為承壓管體的材料，選用黃銅作為密封堵頭的材料，承壓管體的線膨脹系數(shù)略小于黃銅的熱膨脹系數(shù)，在相同溫度變化下，密封堵頭的熱膨脹量會略大于承壓管體的熱膨脹量，會縮小二者之間的間隙，從而實現(xiàn)材料膨脹自密封功能[9]。單種材料的線膨脹量l與不同材料的熱膨脹量的差值Δl計算公式為：

(3)

當(dāng)儀器下放到溫度為270 ℃的工作區(qū)域時，與地表溫度溫差Δt為245 ℃(假設(shè)地表溫度為25 ℃)，本設(shè)計中承壓外管長度l0為2680 mm，通過上式計算得到Δl=2.54 mm，外管半徑變化量Δr=Δl/2π=0.404 mm。

3 室內(nèi)測試與現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 室內(nèi)測試

3.1.1 高溫測試

先將恒溫箱加熱至270 ℃，然后將編好號的6只保溫瓶放入恒溫箱中，將溫度計放置在保溫瓶內(nèi)，每小時記錄一次保溫瓶內(nèi)的溫度(見表4)。

表4 金屬保溫瓶溫度試驗比較

從表4可以看出，設(shè)計的保溫瓶滿足瓶內(nèi)溫升<80 ℃的要求，滿足高溫要求。

3.1.2 高壓測試

由于測試設(shè)備的限制，耐高溫高壓測試容器的溫度只能升溫至175 ℃，且高溫高壓實現(xiàn)風(fēng)險較高，上面已驗證高溫性能，下面主要分析耐壓性能。將6只耐高溫高壓復(fù)合外管放置在超高壓測試容器內(nèi)，1 h后逐漸加壓至140 MPa，穩(wěn)壓2 h，取出復(fù)合承壓管，試驗過程如圖3所示。

圖3 高壓測試過程

取出復(fù)合承壓外管，6只均無液體滲漏，說明復(fù)合承壓管可以滿足140 MPa的高壓要求。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

耐高溫高壓復(fù)合保溫外管多次應(yīng)用于不同地區(qū)鉆井現(xiàn)場測量工作，且采用不同工藝測量，都能正常工作。主要應(yīng)用在以下現(xiàn)場。

(1)2016年6月應(yīng)用于北京通州西集1井，井口出水溫度92 ℃，采用測井絞車方式測量，儀器入井深度2400 m，儀器測量數(shù)據(jù)正常。

(2)2017年7月應(yīng)用于青海共和GR1井，采用鉆桿上提下放方式測量，測量至井深3400 m，承壓達到43 MPa，井底溫度207 ℃，耐溫耐壓正常。

(3)2017年10月應(yīng)用于大慶“松科二井”，采用鋼絲繩絞車方式測量，測量至井深5800 m，承壓達到85 MPa，井底溫度177.5 ℃，耐溫耐壓正常。

另外，還包括2017年11月應(yīng)用于北京延慶世園會探采1號井、2018年1月應(yīng)用于云南施甸縣契丹文化旅游城地?zé)峋?，均取得了良好的?yīng)用效果。經(jīng)過多次現(xiàn)場應(yīng)用與反復(fù)改進，復(fù)合保溫外管也逐步完善，滿足現(xiàn)場不同工藝的測試要求。

4 結(jié)語

通過270 ℃高溫測試、140 MPa高壓測試及多次現(xiàn)場應(yīng)用試驗，證明耐高溫高壓復(fù)合保溫外管滿足超高溫高壓工作要求，穩(wěn)定可靠，現(xiàn)場適用性強，可以廣泛應(yīng)用于高溫高壓地?zé)崮?、科學(xué)鉆探、深部礦產(chǎn)資源勘探以及深部油氣資源勘探工程的需求，支持國家重要能源資源勘探工作。