鄧都都，阮海龍*，趙 義，陳云龍，劉智鍵，Blinov.P.A，Gyxev

（1.北京探礦工程研究所，北京 100083；2.圣彼得堡國立礦業(yè)大學(xué)油氣工程學(xué)院，俄羅斯 圣彼得堡 195213）

0 引言

隨著向地球深部進(jìn)軍戰(zhàn)略布局的逐步展開，現(xiàn)階段我國深海鉆探與深地鉆探工作量越來越多。鉆探取心是我們了解地球深部地質(zhì)情況最重要、最直接的手段［1-3］。繩索取心鉆進(jìn)工藝在鉆探回次結(jié)束后不需要提鉆，通過下放打撈器將內(nèi)管總成提至地表獲取巖心，具有取心鉆探效率高、操作方便等技術(shù)特點(diǎn)，在深海與深地鉆探中應(yīng)用非常廣泛［4-7］。

保壓取樣鉆具采用繩索打撈的方式，將地球深部的帶壓巖心取回地面，并通過特殊方式處理能夠保持巖心的原始狀態(tài)，有利于分析出巖心在地下原位時(shí)內(nèi)部各種物質(zhì)的狀態(tài)及其含量，準(zhǔn)確判斷地層中資源組成及儲量。保壓取樣技術(shù)在煤層氣、深部油氣以及海域天然氣水合物等鉆探取心中具有不可或缺的重要作用。國內(nèi)外對于保壓取樣鉆具的結(jié)構(gòu)及取心工藝均開展了大量研究，形成了多種產(chǎn)品，也進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用［8-10］。然而在現(xiàn)場應(yīng)用的過程中，國內(nèi)外的保壓取樣鉆具普遍存在保壓成功率及實(shí)際巖心采取率并不高的問題，部分原因是對井內(nèi)壓力、溫度等參數(shù)不清楚，取樣工藝欠缺導(dǎo)致。因此通過對取心全過程數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，改進(jìn)鉆探取樣工藝，對于提高取樣率有一定的指導(dǎo)意義。另外在海域天然氣水合物鉆探取樣中，原位測量水合物巖心的溫度與壓力等參數(shù)對于研究天然氣水合物的特征具有重要意義。

由于保壓取樣鉆具結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)部空間狹小，研制與之適配的溫壓采集器難度較大，國內(nèi)外具有實(shí)時(shí)測量并記錄巖心溫度與壓力數(shù)據(jù)功能的保壓取樣鉆具尚未見公開報(bào)道。對于鉆探技術(shù)人員來說，不了解井下巖心的實(shí)際參數(shù)，很難及時(shí)準(zhǔn)確地改進(jìn)取樣工藝，因此急需研制一種能夠內(nèi)置于取樣鉆具中的溫度與壓力采集器來解決上述問題。

1 TKP系列保壓取樣鉆具系統(tǒng)組成

TKP系列保壓取樣鉆具是北京探礦工程研究所經(jīng)過多年研制形成的產(chǎn)品，該鉆具主要用于海域天然氣水合物樣品的采取，目前已在我國的多個(gè)海域完成了多次試驗(yàn)驗(yàn)證，取得了良好的效果［11-13］。其中TKP-1保壓取樣鉆具為壓入式，采用板閥保壓結(jié)構(gòu)，適用于軟—中硬地層，鉆具總長3.5 m，取心直徑52 mm，取心長度1 m，保壓能力20 MPa；TKP-2保壓取樣鉆具為回轉(zhuǎn)式，采用球閥保壓結(jié)構(gòu)，適用于中硬—硬巖地層，鉆具總長4.9 m，取心直徑54 mm，取心長度3 m，保壓能力20 MPa。TKP-2保壓取樣鉆具內(nèi)管總成由撈矛頭、蓄能器、溫壓采集器、巖心管、球閥總成、取心鉆頭等組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TKP-2保壓取樣器內(nèi)管總成Fig.1 Inner tube assembly of TKP-2 series pressure core sampler

保壓取樣鉆具的工作原理為隨鉆取心、繩索打撈的方式。首先將鉆具內(nèi)管總成投放到井底，進(jìn)入井底外管總成后，啟動頂驅(qū)與泥漿泵，開始取心鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程中鉆桿會帶動取樣鉆具一起回轉(zhuǎn)，巖心逐漸進(jìn)入巖心管中，回次鉆進(jìn)結(jié)束后通過繩索打撈內(nèi)總成時(shí)，通過差動實(shí)現(xiàn)球閥翻轉(zhuǎn)關(guān)閉，并帶動蓄能器給巖心管充壓，保持住巖心管內(nèi)部壓力，實(shí)現(xiàn)保壓取樣。

為了監(jiān)控保壓取樣鉆具在天然氣水合物鉆探取心全過程中井內(nèi)的溫度與壓力參數(shù)，在TKP系列保壓取樣鉆具基礎(chǔ)上，研制了一套內(nèi)置的溫度與壓力采集系統(tǒng)。該采集器安裝在取樣鉆具蓄能器下端的巖心管中，位于巖心管的上部（參見圖1），實(shí)際使用過程中讀取的是巖心管內(nèi)的溫度與壓力數(shù)據(jù)。溫壓采集器主要由外殼、水密接頭、安裝板、控制器、電池、采集卡、傳感器組構(gòu)成，主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 溫壓采集器系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of the collector system

該采集器具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)小巧，整體尺寸?54 mm×355 mm，能夠直接安裝在保壓取樣鉆具的巖心管內(nèi)；

（2）采用高強(qiáng)度合金鋼制成，耐壓＞25 MPa；

（3）系統(tǒng)整體耗電量低，連續(xù)工作時(shí)間＞72 h；

（4）數(shù)據(jù)接口簡單，單一接口既能讀取數(shù)據(jù)，也能通過該接口對電池進(jìn)行充電，不需要頻繁拆卸外殼更換電池；

（5）具備24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣精度高；

（6）內(nèi)存4 MB，能夠存儲大量的數(shù)據(jù)；

（7）采集器不工作時(shí)，可以通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)休眠，降低功耗。

3 溫壓采集器工作原理及系統(tǒng)組成

3.1 工作原理

溫壓采集器的工作原理是利用傳感器采集巖心管內(nèi)的溫度與壓力信號，通過電路輸入到數(shù)據(jù)采集卡中，采集卡將該信號進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)化為控制器可以識別的數(shù)字信號，控制器再將該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲起來。通過一端的水密接頭利用定制的數(shù)據(jù)線與電腦端連接，完成數(shù)據(jù)讀取。采集系統(tǒng)的元器件采用鋰電池供電，電路原理如圖3所示。

圖3 溫壓采集器工作原理Fig.3 Working principle of the collector

3.2 主要部件

3.2.1 ADS1256數(shù)據(jù)采集卡

ADS1256是德州儀器（TI）Burr-Brown產(chǎn)品線推出的針對工業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集卡［14-16］，該采集卡具有業(yè)界最高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），由模擬多路開關(guān)（MUX）、輸入緩沖器（BUF）、可編程增益放大器（PGA）、可編程數(shù)字濾波器、串行外部接口SPI等部分組成。該數(shù)據(jù)采集卡具有以下特點(diǎn)：（1）24 bit采集精度；（2）采集電壓范圍廣，常規(guī)采集電壓為0～-5 V，通過可編程增益放（PGA）電壓采集范圍最小可到±78.125 mV；（3）提供8路模擬輸入端，通過模擬多路開關(guān)寄存器的功能可以將其配置為4路差動輸入或者8路單端輸入；（4）供電電壓5 V，通信方式SPI總線。為減小信號干擾，本采集系統(tǒng)采用差動輸入的方式，因此一共能夠采集到4路信號。

3.2.2 ESP32核心處理器

本采集器使用ESP32集成數(shù)據(jù)開發(fā)板，該類開發(fā)板在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用廣泛［17-18］，是市場上非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，其搭載樂鑫公司生產(chǎn)的ESP32-WROVER-B核心處理器。開發(fā)板的主要參數(shù)為：240 MHz雙 核32位LX6微 處 理 器；4MB的flash QSPI閃存/SRAM，能夠存儲大量的數(shù)據(jù)；開發(fā)板支持藍(lán)牙與WIFI通信功能，有良好的擴(kuò)展性能；具備兩路SPI接口、一路I2C接口、2路串口，能夠與多種模塊進(jìn)行對接通信。

3.2.3 壓力傳感器

由于采集器內(nèi)部空間尺寸非常小，選用的壓力傳感器在具備高精度的前提下，體積小巧是首選。本采集系統(tǒng)采用的是濺射薄膜壓力傳感器，該傳感器性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊，整體尺寸?14 mm×45 mm，測量范圍0～30 MPa，測量精度±0.1%，激勵(lì)電壓5～12 V，工作溫度-30～160℃，圖4為傳感器實(shí)物。

圖4 壓力傳感器Fig.4 Pressure sensor

3.3 系統(tǒng)硬件連接

溫壓采集器主要由傳感器、采集卡、時(shí)鐘模塊、開發(fā)板等硬件組成。開發(fā)板供電3.7 V，板載有引腳可以輸出5 V電壓，利用該引腳對溫度傳感器、壓力傳感器以及ADS1256數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行供電；將傳感器的信號輸出引腳接到ADS1256數(shù)據(jù)采集卡的AIN端口；利用SPI總線將采集卡與開發(fā)板連接；將時(shí)鐘模塊通過I2C總線與開發(fā)板進(jìn)行連接。實(shí)際完成的采集器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 溫壓采集器內(nèi)部電路實(shí)物結(jié)構(gòu)Fig.5 Physical structure of the collector internal circuit

3.4 采集卡控制程序

本采集卡采用ESP32核心處理器，集成開發(fā)環(huán)境采用Arduino IDE軟件，Arduino是由一個(gè)歐洲團(tuán)隊(duì)開發(fā)出的一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，現(xiàn)階段已經(jīng)有大量的硬件開發(fā)者開始使用Arduino來開發(fā)產(chǎn)品，也有很多軟件工程師使用Arduino進(jìn)入硬件、物聯(lián)網(wǎng)等開發(fā)領(lǐng)域［19-20］。本軟件控制程序采用C語言編寫，該語言構(gòu)架簡單、應(yīng)用廣泛?？刂瞥绦虬ㄏ到y(tǒng)初始化配置、串口通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與存儲、數(shù)據(jù)讀取與刪除等功能，圖6為其流程圖。

圖6 溫壓采集器控制流程Fig.6 Collector workflow

程序開始工作后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，系統(tǒng)整體功能自檢，完成對系統(tǒng)的內(nèi)部文件數(shù)據(jù)進(jìn)行配置，完成開發(fā)板全部引腳的定義與功能配置。

第二步完成SPI通信與I2C通信的配置，與時(shí)鐘模塊、ADS1256采集卡模塊之間進(jìn)行通信連接；進(jìn)行串口通信的配置，設(shè)置波特率，設(shè)置采樣頻率，設(shè)置各個(gè)模塊的功能參數(shù)，做好數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)備。

第三步將傳感器接收到的信號輸入到ADS1256數(shù)據(jù)采集卡中，利用該采集卡將原始信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，完成A/D轉(zhuǎn)換功能。

第四步利用ESP32處理器將數(shù)據(jù)完成運(yùn)算和整合，并存儲到內(nèi)部文件數(shù)據(jù)系統(tǒng)中。

第五步與電腦進(jìn)行連接，利用串口通信完成數(shù)據(jù)的讀取，當(dāng)串口讀取到“R”時(shí)就將flash中存儲的全部數(shù)據(jù)都讀取出來；當(dāng)串口讀取到“D”時(shí)就清除flash。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2021年6月，本研究團(tuán)隊(duì)搭載海洋地質(zhì)十號鉆探船到南海某海域進(jìn)行取樣作業(yè)，由于本航次為常規(guī)取樣作業(yè)任務(wù)，該海域也并未處于天然氣水合物區(qū)，因此在此次取樣作業(yè)中，溫壓采集器只進(jìn)行了一個(gè)回次的繩索取心功能性試驗(yàn)。

采集器工作流程：

（1）為保證設(shè)備電量充足，先通過電腦端對采集器進(jìn)行充電。

（2）作業(yè)前將采集器通過數(shù)據(jù)線與電腦連接，測試采集與存儲數(shù)據(jù)功能是否正常。

（3）將采集控制程序上傳到采集器的芯片中，設(shè)置采樣時(shí)間間隔為5 s，設(shè)置串口通信波特率115200 bps。

（4）程序上傳成功后再次讀取溫度與壓力數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)正常后，清除flash。

（5）將采集器與取樣鉆具進(jìn)行連接，組裝取樣鉆具。

（6）開始進(jìn)行取樣作業(yè)，采集器跟隨取樣鉆具下井，記錄實(shí)際的下井時(shí)間與出井時(shí)間。

（7）出井后將采集器從取樣鉆具內(nèi)部拆除，并將其清洗干凈，通過數(shù)據(jù)線連接到電腦端，然后讀取繩索取心全過程的溫度與壓力數(shù)據(jù)。

本海域作業(yè)水深329 m，現(xiàn)場先完成了10個(gè)回次的連續(xù)保壓取樣作業(yè)任務(wù)，在第11個(gè)回次時(shí)，將溫壓采集器安裝到取樣鉆具中，進(jìn)行功能性測試，采集器得到的溫度與壓力數(shù)據(jù)如圖7所示。實(shí)際取樣過程為上午8：24取樣鉆具開始下井，從圖中可以看出，此時(shí)隨著入海深度越大，內(nèi)部壓力開始逐漸上升，8：28左右壓力達(dá)到峰值3.2 MPa，根據(jù)作業(yè)水深判斷此時(shí)內(nèi)管總成已經(jīng)到達(dá)了井底。取樣鉆具在井底實(shí)際工作時(shí)間約15 min，采集到的壓力數(shù)據(jù)維持在2.7 MPa左右，數(shù)據(jù)平穩(wěn)。8：45現(xiàn)場開始打撈內(nèi)管總成，8：53取樣鉆具出井，發(fā)現(xiàn)取樣器的球閥并未完全關(guān)閉，此回次保壓失敗。通過溫壓采集曲線可以看出，球閥在井底并未關(guān)閉成功，因此在打撈過程中巖心管的壓力一直在下降。實(shí)際采集器得到的溫度與壓力曲線與取樣鉆具作業(yè)工藝過程吻合完好，也進(jìn)一步地說明了該采集器得到的數(shù)據(jù)可信。

圖7 溫壓數(shù)據(jù)曲線Fig.7 Temperature and pressure data curves

5 結(jié)論

（1）應(yīng)用ESP32處理器與數(shù)據(jù)采集卡，成功地搭建了一套內(nèi)置于保壓取樣鉆具的溫壓采集系統(tǒng)，該采集系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、采集精度高、工作時(shí)間長的特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)硬件電路及軟件程序，實(shí)現(xiàn)了溫度與壓力數(shù)據(jù)的采集與存儲。

（2）由于本航次并未進(jìn)行天然氣水合物取樣作業(yè)任務(wù)，因此該采集器只進(jìn)行了一個(gè)回次的功能性試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)繩索取心全過程溫度與壓力數(shù)據(jù)的監(jiān)測，得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際取心工藝過程相符，數(shù)據(jù)可信。后續(xù)本團(tuán)隊(duì)將找合適的天然氣水合物目標(biāo)層進(jìn)行全過程的保壓取樣作業(yè)，進(jìn)一步地驗(yàn)證與完善該采集器的功能。

（3）及時(shí)了解鉆探取心過程的溫度與壓力等參數(shù)，有利于改進(jìn)取心工藝，提高巖心采取率，而且?guī)r心的原位測量技術(shù)有利于分析巖心的特征，因此該采集器在海域天然氣水合物鉆探取樣中具有一定的意義。