李 麗 羅新恒 楊大克 薛 兵 鄭 重 呂金水
1) 中國地震局地球物理研究所,北京 100081
2) 珠海市泰德企業(yè)有限公司,廣東珠海 519082
3) 中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所,北京 100036
4) 廣東省地震局,廣東廣州 510070
地震技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展主要有兩種方法:一是地震技術(shù)原始性創(chuàng)新,這種創(chuàng)新是根本性的,極為重要;二是應(yīng)用共性賦能技術(shù)對(duì)地震技術(shù) “賦能” ,二者結(jié)合形成創(chuàng)新的地震技術(shù)。第4次工業(yè)革命的共性賦能技術(shù)是人工智能技術(shù),這些共性賦能技術(shù)與地震技術(shù)的深度融合,引領(lǐng)和推動(dòng)地震技術(shù)革命性轉(zhuǎn)型升級(jí)[1]。針對(duì)2 000 m深井觀測(cè)的國家需求,應(yīng)用 “解構(gòu)與重構(gòu)” 設(shè)計(jì)思路,共性賦能技術(shù)與地震技術(shù)深度融合的設(shè)計(jì)方法,對(duì)井下甚寬頻帶地震儀進(jìn)行創(chuàng)新性總體設(shè)計(jì),測(cè)試和試運(yùn)行結(jié)果表明,新研制的井下甚寬頻帶地震儀完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。
“解構(gòu)” 概念源于海德格爾《存在與時(shí)間》中的 “deconstruction” 詞,是法國哲學(xué)家、結(jié)構(gòu)主義者德里達(dá)的一個(gè)術(shù)語[2]。他認(rèn)為,解構(gòu)是把固有的規(guī)則和人們對(duì)事物的印象進(jìn)行打破、分解和顛倒之后進(jìn)行重建的行為和方法論[3]。解構(gòu)主義作為一種設(shè)計(jì)風(fēng)格的探索興起于20世紀(jì)80年代。 “重構(gòu)” (refactoring)這個(gè)概念最初來自Smalltalk圈子。重構(gòu)是在不改變軟件可觀察行為的前提下改善其內(nèi)部結(jié)構(gòu)[4]。重構(gòu)與設(shè)計(jì)模式、反模式、解析極限編程被譽(yù)為軟件工程四大圣經(jīng)。
目前,解構(gòu)與重構(gòu)已成為創(chuàng)新思維的一種模式,也成為跟隨技術(shù)創(chuàng)新和集成技術(shù)創(chuàng)新的一種方式,無論是硬件、軟件,都面臨著不斷的解構(gòu)、重構(gòu)與創(chuàng)新。從IT到OT技術(shù)演進(jìn)的共同邏輯就是硬件通用化,服務(wù)可編程。哈佛商學(xué)院大學(xué)教授邁克爾·波特認(rèn)為,未來的智能互聯(lián)設(shè)備有4個(gè)主要功能模塊,即動(dòng)力部件、執(zhí)行部件、智能部件和互聯(lián)部件,可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可監(jiān)測(cè)、可控制和可優(yōu)化[5]。解構(gòu)已有的地震設(shè)備、地震軟件,以 “擺體” 為核心,不斷地解構(gòu)和重組動(dòng)力部件、執(zhí)行部件、智能部件和互聯(lián)部件,實(shí)現(xiàn)硬件通用化、服務(wù)可編程,是地震設(shè)備和系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展的方向,也是井下甚寬頻帶地震儀設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)。
井下地震觀測(cè)系統(tǒng)主要包括疊放式和一體化兩種結(jié)構(gòu)形式。疊放式井下觀測(cè)系統(tǒng),即在鉆孔中依次安裝地震儀、傾斜儀、應(yīng)變儀等(圖1),如美國板塊邊界觀測(cè)(PBO)計(jì)劃中使用的井下觀測(cè)系統(tǒng)。疊放式綜合觀測(cè)一般只適應(yīng)于200 m左右較淺的鉆孔及小規(guī)模的綜合觀測(cè)[6]。一體化井下觀測(cè)系統(tǒng),地震、應(yīng)變、傾斜、地磁、溫度等觀測(cè)單元具有標(biāo)準(zhǔn)化接口,放在獨(dú)立的腔室內(nèi),可根據(jù)需要進(jìn)行任意數(shù)量和種類的組合。日本東濃地震研究所(圖2),東京大學(xué)、中國地震局地殼應(yīng)力研究所、珠海市泰德企業(yè)有限公司和中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所研發(fā)的井下地震觀測(cè)系統(tǒng)(圖3)都是一體化結(jié)構(gòu)[7]。
圖1 PBO計(jì)劃中疊放式井下地震觀測(cè)設(shè)備示意圖Fig. 1 Illustration graph of multi-drop borehole seismic observation instrument in PBO plan
圖2 一體化井下綜合觀測(cè)設(shè)備(日本東濃地震科學(xué)研究所) 結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Content structure graph of integrated borehole comprehensive observation instrument (Tono Research Institute of Earthquake Science,Japan)
圖3 國內(nèi)井下綜合觀測(cè)設(shè)備示意圖Fig. 3 Illustration graph of three types of China borehole comprehensive observation instrument
應(yīng)用 “解構(gòu)與重構(gòu)” 方法對(duì)井下甚寬頻帶地震儀進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先需要對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)有井下地震儀進(jìn)行 “層” 與 “單元” 的拆分解構(gòu);其次需要對(duì)儀器結(jié)構(gòu)、材料、電路、元器件、傳感器、軟件等單元存在的問題,對(duì)機(jī)械加工、組裝、調(diào)試過程中存在的工藝問題,對(duì)性能指標(biāo)先進(jìn)性、技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定性、可靠性、電磁兼容性、環(huán)境適應(yīng)性等層面存在的問題進(jìn)行 “單元” 與 “層” 的系統(tǒng)分析與研究。在此基礎(chǔ)上,將 “單元” 和 “層” 按照一定的邏輯規(guī)則進(jìn)行重構(gòu),提出了井下甚寬頻帶地震儀集成研制內(nèi)容,分別為:① 井下甚寬頻帶地震儀總體設(shè)計(jì)及長距離數(shù)據(jù)傳輸抗干擾技術(shù)研究; ② 井下甚寬頻帶地震儀內(nèi)置裝置設(shè)計(jì)及井下定向、定位和授時(shí)技術(shù)研究; ③ 保障井下甚寬頻帶地震儀在高溫壓和大傾角條件下可靠工作的技術(shù)研究; ④ 井下甚寬頻帶地震儀的試驗(yàn)與應(yīng)用; ⑤ 井下甚寬頻帶地震儀的工程化、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究[8]。
定型技術(shù)設(shè)計(jì)的作用是固定地震儀的技術(shù)狀態(tài)。定型設(shè)計(jì)是地震儀能否實(shí)現(xiàn)其預(yù)定性能的關(guān)鍵環(huán)境。井下甚寬頻帶地震儀的定型設(shè)計(jì)主要進(jìn)行了電磁兼容性、環(huán)境適應(yīng)性與可靠性3個(gè)方面。
1.2.1 電磁兼容性設(shè)計(jì)
在選用元材料和結(jié)構(gòu)形式時(shí),分析了金屬材料、涂層和緊固件對(duì)電磁兼容性的影響;研究了元器件空間分布、隔離等結(jié)構(gòu)對(duì)電磁兼容性的影響;測(cè)試了電子器件布局方式對(duì)內(nèi)部電磁干擾的強(qiáng)度。此外,還考慮了輻射敏感度和電源瞬態(tài)敏感度等電磁兼容性。
1.2.2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)
儀器外殼整體采用不銹鋼殼體,用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行了殼體承壓和壁厚的設(shè)計(jì)計(jì)算,耐壓和密封能力達(dá)到儀器最大使用水深(2 000 m)的125%,而且具備相當(dāng)?shù)姆冷P抗腐蝕能力。
1.2.3 可靠性設(shè)計(jì)
從系統(tǒng)出發(fā)進(jìn)行儀器集成和優(yōu)化設(shè)計(jì),不求部件最優(yōu),而求系統(tǒng)整體更優(yōu)。選用優(yōu)質(zhì)元器件和失效率低的元器件,提供元器件的可靠性。采用高彈性、抗老化、耐水浸、無劃痕、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的O型密封圈和相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu),保證O型密封圈有足夠的壓彈性。設(shè)置故障自動(dòng)設(shè)別和內(nèi)自測(cè)系統(tǒng),充分考慮誤操作等外界因素誘導(dǎo)引起的傳感器核心元器件和軟件運(yùn)行失效的可能性,確保儀器在斷電和故障維修時(shí)不丟失存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。
用表征整機(jī)可靠性的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)來作為地震儀可靠性指標(biāo)。對(duì)于7×24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行的井下地震儀,若要求其無故障工作的可靠度(R)達(dá)到99%以上,則地震儀的MTBF必須大于4 500小時(shí)。因此,井下甚寬頻帶地震儀MTBF考核指標(biāo)設(shè)計(jì)為5 000小時(shí)。
井下甚寬頻帶地震儀主要結(jié)構(gòu)由防水線纜、深井防水接頭、扶正器、密封腔、采集單元、甚寬頻帶傳感器、井鎖裝置以及導(dǎo)錐等8個(gè)部分組成(圖4)。整個(gè)探頭是一個(gè)有機(jī)的整體,各個(gè)部件相互作用且緊密相連。系統(tǒng)主要由傳感器外殼(含吊環(huán)、扶正器、密封接頭、連接頭、井鎖和導(dǎo)錐)和傳感器內(nèi)核芯體(含傳感器通訊控制及采集單元、傳感器核心芯體及反饋電路、傳感器姿態(tài)系統(tǒng)等)組成。系統(tǒng)由兩個(gè)密封艙組成,一個(gè)是地震儀主儀器艙,另一個(gè)是井鎖艙,兩個(gè)密封艙之間通過密封連接頭連接,各艙室均可耐20 MPa的抗壓防水能力。
圖4 井下甚寬頻帶地震儀主要結(jié)構(gòu)Fig. 4 Main contents of downhole very broadband seismograph
井下甚寬頻帶地震儀采用模塊化設(shè)計(jì)(圖5),實(shí)現(xiàn)模擬部分和數(shù)字部分模塊分離。對(duì)于電磁干擾敏感的傳感器采用屏蔽保護(hù)等方式;對(duì)于溫度敏感的傳感器,關(guān)鍵核心機(jī)械部件采用保溫、遠(yuǎn)離發(fā)熱源(如電源模塊、數(shù)字模塊及電路模塊等)的方式。信號(hào)傳輸線纜采用專門設(shè)計(jì)的屏蔽線纜,解決信號(hào)串?dāng)_問題。為防止電纜與井壁之間的互繞,傳感器線纜的預(yù)應(yīng)力影響,井底采用深海聚氨酯柔性電纜;傳感器安裝鎖壁自控系統(tǒng),其鎖控裝置能可靠鎖壁,能地表程控解鎖壁,解鎖、鎖壁完成后自動(dòng)停機(jī)以防電機(jī)損壞,電機(jī)水下2 000 m可靠運(yùn)轉(zhuǎn)工作并實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封。
圖5 井下甚寬頻帶地震儀的總體設(shè)計(jì)框圖Fig. 5 Overall design of downhole very broadband seismograph
系統(tǒng)探頭采用專門設(shè)計(jì)的防水電纜,該防水電纜為密封防水電纜,實(shí)現(xiàn)與外界供電及采集控制系統(tǒng)的連接,供電、信號(hào)、控制、授時(shí)全部由這根線纜完成。線纜須防水、耐磨、耐候,而且能承受至少1 t的拉力,并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集傳輸、傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)及控制。
傳感器吊環(huán)是為實(shí)現(xiàn)傳感器的安裝和下放而設(shè)計(jì)的。導(dǎo)錐是為了探頭能順利下井而設(shè)計(jì)的一個(gè)導(dǎo)向裝置。扶正器和井鎖是探頭與井壁耦合的關(guān)鍵部件。最終在井下,探頭就是靠扶正器張開的3個(gè)臂和井鎖張開的3個(gè)臂牢牢的將地震儀卡在井壁上。其中,扶正器是靠一個(gè)含有彈簧的機(jī)械結(jié)構(gòu)自動(dòng)張開,井鎖是靠遠(yuǎn)程控制電機(jī)鎖壁和解鎖。密封接頭和連接頭是專門設(shè)計(jì)的防水耐壓密封接頭,密封接頭為線纜和整個(gè)探頭提供電氣連接通道,連接頭為兩個(gè)密封艙提供電氣連接通道。
地震儀主體艙內(nèi)是整個(gè)井下甚寬頻帶地震儀的核心部分,里面主要包含有采集傳輸模塊、反饋調(diào)理電路、三分向的芯體主體以及姿態(tài)儀等多個(gè)部分。在傳輸距離大于300 m長距離傳輸?shù)那闆r下,探頭內(nèi)集成有采集器,并且采用數(shù)字傳輸方式將信號(hào)無衰減地傳到井上。反饋調(diào)理電路將地震儀的各參數(shù)(頻帶、靈敏度、阻尼等)調(diào)節(jié)到要求的范圍內(nèi)。姿態(tài)儀是為了確定探頭最終的安裝方位而專門設(shè)計(jì)的定向裝置,包含有三分向的陀螺儀和三分向的加速度計(jì),該模塊確定探頭的安裝方向和最終傾角。
井下地震儀工作時(shí)通常處于高溫、高壓、高濕環(huán)境中,儀器外殼需要應(yīng)對(duì)復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境,以確保內(nèi)部電路能夠正常工作。受井下管柱空間的限制,井下儀器的外殼通常設(shè)計(jì)為圓筒狀。如何在滿足外殼強(qiáng)度要求的前提下,增大儀器內(nèi)腔容積便于電路元件安裝、盡力縮短儀器長度就成為井下儀器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。此外,如何經(jīng)濟(jì)、安全地驗(yàn)證儀器承受壓力的能力,也是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的[9]。
3.1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選擇
由于行業(yè)的特殊性,目前國內(nèi)尚無專門針對(duì)井下地震儀外殼耐壓強(qiáng)度校核的相關(guān)資料,可以查閱到的相關(guān)資料基本上都是有關(guān)石化工業(yè)壓力容器設(shè)計(jì)方面的。這些資料上的理論公式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則基本上都源于國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼制壓力容器GB 150》和《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JB 4732》,但是GB 150和JB 4732在其適用范圍中均明確規(guī)定不適用于內(nèi)直徑小于150 mm的容器,而井下地震儀內(nèi)徑均小于150 mm,故在井下儀器外殼強(qiáng)度校核過程中參照GB 150、JB 4732及其關(guān)聯(lián)資料并不特別合適,可能導(dǎo)致較大偏差。
3.1.2 強(qiáng)度理論選用原則及強(qiáng)度校核
圓筒受壓時(shí)處于三向應(yīng)力狀態(tài),而材料的相關(guān)力學(xué)性能均由單向拉伸試驗(yàn)得來。為準(zhǔn)確評(píng)定復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下零件是否失效,工程上提出了幾個(gè)合理的科學(xué)假設(shè),逐步形成了常用的4個(gè)經(jīng)典強(qiáng)度理論-最大拉應(yīng)力理論、最大伸長線應(yīng)變理論、最大切應(yīng)力理論和形狀改變能密度理論。其中第二強(qiáng)度理論經(jīng)過多年實(shí)踐證明和實(shí)際相差很大,目前已經(jīng)極少采用。井下儀器外殼多采用不銹鋼、鈦合金及高溫合金等塑性材料加工,且承受外壓作用。經(jīng)過多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn),采用第三強(qiáng)度理論、第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)更符合實(shí)際,目前JB 4732就采用第三強(qiáng)度理論[9]。
3.1.3 材料選用原則
井下儀器外殼材料選擇須兼顧耐壓強(qiáng)度、功能實(shí)現(xiàn)等多方面考慮,一般選取高強(qiáng)度不銹鋼。我國從20世紀(jì)70年代開始了對(duì)高強(qiáng)度不銹鋼的研制工作,典型牌號(hào)有00Cr13Ni8Mo2NbTi、00Cr12Ni8Cu2AlNb、00Cr10Ni10Mo2Ti1等10余種[10]。井下儀器外殼材料普遍采用經(jīng)濟(jì)型不銹鋼材料,如0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)、2Cr13和1Cr18Ni9Ti等,可滿足一般油、氣、水井耐壓及耐腐蝕要求,性價(jià)比高。其中,強(qiáng)度、耐腐蝕綜合性能較好的0Cr17Ni4Cu4Nb應(yīng)用最為普遍;對(duì)于無磁、耐壓強(qiáng)度要求高的場(chǎng)合,可選用奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10(美國鋼號(hào)304,日本鋼號(hào)SUS304)、0Cr17Ni12Mo2(美國鋼號(hào)316,日本鋼號(hào)SUS316)[9]。這3種不銹鋼的物理參數(shù)見表1。
表1 井下地震儀外殼選用材料物理參數(shù)表Table 1 Physical parameters of shell materials of downhole seismic instruments
3.2.1 外殼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題
利用金屬材料制成的圓筒形承壓外殼,其典型結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中承壓外殼的上部和上接頭相連,下部與下接頭相連,中間放置電路骨架。儀器在井下工作時(shí),主要由儀器外殼來承受外部壓力,保護(hù)內(nèi)部的電子線路不受影響[11]。
圖6 井下儀器承壓結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 6 Illustration graph of pressure bearing structure of downhole instrument
通常,當(dāng)外殼承受外壓時(shí),筒壁受的是壓應(yīng)力。若壓應(yīng)力增大到材料的屈服極限或強(qiáng)度極限,筒壁將會(huì)破損。但在外殼的壁厚與直徑比較小,且強(qiáng)度足夠大的條件下,也會(huì)產(chǎn)生外殼壓扁或折皺的現(xiàn)象,這就是失穩(wěn)。失穩(wěn)前,筒壁內(nèi)只存在壓應(yīng)力;失穩(wěn)后,由于突然變形,在筒壁內(nèi)產(chǎn)生以彎曲為主的復(fù)雜的附加壓力。這種變形和附加壓應(yīng)力會(huì)迅速發(fā)展,直到筒壁折皺為止。外殼失穩(wěn)是突然出現(xiàn)的,在失穩(wěn)前,一般無明顯跡象[12],因此,這種破壞形式危害性更大。由此可見,對(duì)受外壓的圓筒體不僅要進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算,還要進(jìn)行穩(wěn)性設(shè)計(jì)校核。
3.2.2 承壓外殼的受力模型
承壓外殼的截面為厚壁圓環(huán)(圖7)。Ri是外殼的內(nèi)徑,Ro是 外殼的外徑,Pi是內(nèi)部壓力,Po是外部壓力,Po在計(jì)算外殼承壓時(shí)通常取值為140 MPa,Pi通常為1個(gè)大氣壓,即0.1 MPa。由于承壓外殼的壁厚和外殼內(nèi)徑屬于同一量級(jí),因此,對(duì)儀器外殼的應(yīng)力計(jì)算應(yīng)采用基于彈性力學(xué)的厚壁圓筒強(qiáng)度理論來計(jì)算。這種形狀的外殼在外壓力作用下,應(yīng)力是軸向?qū)ΨQ地均勻分布在整個(gè)圓環(huán)上,因而,受力情況好,承載能力高。儀器在井下工作時(shí),外殼主要受重力、軸向力和井中液體壓力的作用。重力和軸向力主要產(chǎn)生軸向應(yīng)力,與井下壓力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力疊加就是外殼截面受到的軸向應(yīng)力。在大多數(shù)情況下,儀器的重力和軸向力所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力相對(duì)于井下最大140 MPa壓力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力可以忽略,因此,在此處對(duì)儀器外殼進(jìn)行受力分析時(shí),不考慮重力和軸向力的影響[11]。
圖7 承壓外殼截面受壓圖Fig. 7 Illustration graph of cross section pressure for pressure bearing shell
3.2.3 外殼承壓設(shè)計(jì)計(jì)算
圖8是承壓外殼截面單元體的受力示意圖。根據(jù)鐵摩辛柯公式和第四強(qiáng)度理論可得厚壁截面上任意一點(diǎn)的應(yīng)力σ:
圖8 截面單元體受力示意圖Fig. 8 Illustration graph of cross section element stress
由式(1)可知,承壓外殼在r=Ri時(shí)應(yīng)力最大,即:
如果外殼材料的屈服應(yīng)力是 σs,除以安全系數(shù)n即得到材料的許用應(yīng)力 [σ],根據(jù)強(qiáng)度條件σmax≤[σ],即可得到外殼承壓設(shè)計(jì)時(shí)要滿足的強(qiáng)度公式[11]:
3.2.4 外殼壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算
外殼失穩(wěn)時(shí)的壓力稱為臨界壓力,用Pk表示。為了保證外殼不失穩(wěn),外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足外殼的臨界壓力Pk大于工作壓力Po這一條件,即[12]
式中,m為穩(wěn)定安全系數(shù)。長圓筒的臨界壓力殼按勃萊斯公式計(jì)算:
式中,μ為圓筒材料的泊松比,So為外殼的計(jì)算壁厚,D為外殼的平均直徑,Et為外殼材料在工作溫度t下的彈性模量。將式(4)代入式(5)得到滿足穩(wěn)定條件的最小壁厚為:
工程樣機(jī)完成后,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展了指標(biāo)測(cè)試,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。先后在青海天峻縣觀測(cè)站(高原低溫環(huán)境)、四川宜賓筠連縣地震臺(tái)(>150 m)、湖南益陽(2 000 m)試運(yùn)行。結(jié)果表明,在當(dāng)前的工藝條件下,通過優(yōu)化總體設(shè)計(jì)、精化核心設(shè)計(jì),在孔徑小于250 mm、壓力達(dá)20 MPa(約2 000 m水深)、溫度達(dá)70°C、傾角達(dá)5°的環(huán)境中,有實(shí)現(xiàn)在長時(shí)間里以120 s—50 Hz速度平坦、動(dòng)態(tài)范圍大于145 dB的質(zhì)量連續(xù)地記錄地震波形(圖9—11),并通過改進(jìn)的數(shù)字傳輸方法,將高保真的觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定地傳輸至地表。
圖9 2018年10月22日加拿大溫哥華島附近海域發(fā)生M6.7地震Fig. 9 A M6.7 earthquake occured near Vancouver Island,Canada on Oct. 22,2018
圖10 2018年12月16日四川宜賓市興文縣發(fā)生M5.7地震Fig. 10 A M5.7 earthquake occured in Sichuan Yibin Xingwen on Dec. 16,2018
圖11 2021年4月28日印度發(fā)生M6.2地震Fig. 11 A M6.2 earthquake occured in India on Apr. 28,2021