深海钻探大深度超高温测斜仪的研制_周策.pdf

2020年第8期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-11-06修回日期 2019-11-07 基金项目 本文受中国地质调查局 深海钻探技术与工程支撑 项目资助， 项目编码 （号） DD20190584。 第一作者简介 周策 （1965-） ， 男 （汉族） ， 四川成都人， 教授级高级工程师， 现从事地质监测技术与仪器的研究工作。 深海钻探大深度超高温测斜仪的研制 周策*， 罗光强， 李忠， 赵燕来 （中国地质科学院探矿工艺研究所， 四川 成都 611734） 摘要 深海钻探超高温高压测斜技术是深海钻探和开发不可缺少关键技术， 随着深海地层天然气 水合物利用开发的进行， 这对钻进工艺和钻孔测斜技术提出更高的要求， 这其中孔底的高温高压是 核心问题。为此， 设计无磁承压外管加无磁保温瓶的双层外管结构， 采用先进的硬磁校准方法、 选用 耐高温元件、 采用低功耗电路设计， 研制了深海钻探大深度超高温测斜仪， 以满足高达260℃高温、 孔 深7000m的深海钻孔测温、 测压、 测斜的要求。 关键词 测斜仪； 倾角； 方位角； 温度； 压力 中图分类号 TE927 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202008-0087-05 1概述 深海钻探超高温高压测斜技术是深海钻探和开发 不可缺少关键技术， 随着深海地层天然气水合物利用开 发的进行， 这对深海钻进工艺和钻孔测斜技术提出更高 的要求。虽然国内外地勘市场钻孔测斜仪种类很多， 但 目前都不能配套用于将要开始或有的地区已经开始的 深海地层勘探和开发需求。美国AGI公司、 欧美大地仪 器设备有限公司等企业生产的钻孔测斜仪适用的最高 环境温度为200℃。而深海地层温度可达260℃以上， 现 有的地勘钻孔测斜技术已不能满足深海地层的钻孔测 温测压测斜要求， 因此需采用新的测量技术方法， 研制 适用于深海地层的深海钻探大深度超高温测斜仪， 不仅 获取准确的井眼轨迹， 还要测得井下温度、 压力为深海 地层的天然气水合物勘探开发利用保驾护航。 2深海钻探大深度超高温测斜仪技术方案 2.1耐高温高压测斜仪探管组成 图1为耐高温高压测量组件结构图， 耐高温高压测 斜仪探管包括承压外管、 真空隔热外管、 存储式测温测 压测斜探管； 其中存储式测温测压测斜置于无磁真空隔 热外管内， 无磁真空隔热外管置于承压外管内； 无磁真 空隔热外管包括压盖、 堵头、 隔热管、 上蓄热体、 瓶体、 下 蓄热体； 真空隔热外管外部为一个瓶体， 瓶体上端开口 下端封闭， 瓶体上端开口处有一个堵头， 堵头上表面有 一个压盖， 瓶体内部为一个隔热管， 下蓄热体、 存储式测 温测压测斜探管、 上蓄热体在隔热管内从下至上依次连 接， 承压管上接打捞器， 上接头连接密封， 并在上接头上 安装铂电阻温度传感器和蓝宝石压力传感器以便直接 测量钻孔内温度和压力， 下接导向装置和下接头连接密 封。本耐高温高压测斜仪探管， 耐高温、 耐高压、 精度 高， 可以实现0℃～260℃高温环境条件下钻孔内井斜 角、 方位角、 仪器工具面向角、 压力、 温度的连续测量。 图1耐高温高压测量组件结构图 2.2耐高温测斜仪机芯电路设计 见图2耐高温测斜仪机芯电路设计原理框图， 测斜 传感组件1测得井眼的倾角、 方位角及工具面角， 压力 传感组件2和温度传感组件3测得井眼的压力和温度， 并将数据传输给FPGA数据采集及其接口电路4， FP- GA数据采集及其接口电路4一方面将采集的数据传输 87 ChaoXing 2020年第8期西部探矿工程 给存储器5， 一方面将数据传输给DSP数字信号处理器 7， DSP同时也接受程序存储器9存储的程序， 按照程序 对数据进行处理， 处理过程受监控复位电路8的监控， 遇 到异常情况可以复位DSP， 电源包括井下电源10和电 路内部电源6， 以保证突发情况下可以继续工作。 图2耐高温测斜仪机芯电路设计原理框图 3温漂漂移校正设计 由于测温测压测斜仪涉及大量的电子器件， 而且 其工作温度最终将在-10℃～80℃内变化， 直接关系到 仪器测量精度， 因此必须进行温度漂移校正。在设计 过程中系统的尺寸和温度漂移的影响是两个最关键的 因素， 采用磁阻、 加速度计测斜技术已经基本上解决系 统尺寸问题， 温度问题还需要进一步研究。温度漂移 校正拟从以下4个方面进行研究 ①分析研究高温环境 对传感器影响特性； ②建立传感器温度漂移补偿模型； ③设计实验方案； 数据采集及处理； ④误差补偿修正及 实验验证， 其技术路线如图温度漂移校正技术路线所 示。主要对传感器温度漂移补偿模型、 高温环境对传 感器影响特性、 数据采集及处理进行了具体的分析。 图3温度漂移校正技术路线 3.1温度影响特性研究 为适应井下作业环境， 一般要求磁阻及加速度计 具备较宽的工作温度范围。虽然测斜仪外设置有保温 瓶， 但由于磁阻的核心部件对温度比较敏感， 当作业环 境的温度发生变化时， 在磁阻的输出信号中将产生热 致非互易相位噪声， 这种噪声是导致磁阻零偏和标度 因数不稳定的主要原因。综上所述， 对测斜仪进行温 度特性分析和研究， 从而对测斜仪输出进行温度补偿， 提高仪器输出精度， 使其能满足测井精度需求。 3.2温度补偿模型的建立 建立温度补偿模型通常从以下几方面开展工作 研 究高温环境对仪器影响特性， 建立温度补偿模型， 设计 试验方案， 数据采集及处理， 误差补偿修正及实验验证。 多项式拟合建模 设误差项模型各项参数的最高次项取2阶， 这样对 测斜机芯测得的方位角、 顶角 （倾角） 温度对应关系 比较合理。二次型回归模型如下， 若有 m 个因素 X1，，Xm， 则模型为 Yβ0∑ i1 m βiXi∑ i1 m βijX 2 i ∑ i＜j βijXiXjε（1） 式中β0、 {βi}、 {βij}、 {βii}待定系数； E随机误差。 3.3温度实验设计方案 为了解决温度对测斜仪精度的影响， 通常采用温度 建模的方法对其输出进行补偿。若使用全面设计温度试 验的方案， 存在实验量大、 耗时长等问题。将均匀设计法 引入测斜仪温度建模的实验设计中可克服上述缺点。 （1） 均匀设计表的构造。均匀设计的本质是一个 优化问题， 是只考虑在试验范围内试验点均匀散布的 一种试验设计方法。要设计一个试验， 首先要明确试 验的因素和水平。因素是指对实验指标有影响的参 量， 每个因素要根据以往的经验来选择一个试验范围， 然后在该试验范围内挑出几个有代表性的值来进行试 验， 这些值称作该因素的水平。均匀设计表的构造包 括确定均匀设计表的生成向量、 进行同余运算、 按均匀 设计最佳原则挑选N列。每个均匀设计表都附有一个 使用表， 指示我们如何从均匀设计表中选用适当的列， 以及由这些列所组成的试验方案的均匀度。Lp-偏差 表示刻画均匀度的标准， 其值越小， 表示均匀度越好。 D（x1，，xn） sup x∈C | | | | | | nx n -γx（2） （2） 测斜仪温度建模实验设计。试验方案主要分为 两步进行。首先选取合适的因素和相应的水平， 再选取 适合该试验的均匀设计表。根据该表的使用表从中选 88 ChaoXing 2020年第8期西部探矿工程 出列号， 将因素分别安排到这些列号上， 并将这些因素 的水平按所在列的指示分别对号， 则实验就安排好了。 测斜仪工作中存在上行和下行， 即温度存在升温 和降温两种过程。考虑到工作过程中会加置保温瓶， 所以需要承受工作环境温度在-20℃～80℃内。因此， 确定测斜仪温度建模实验设计为三因素问题， 即温变 区间、 升温速率和降温速率。其水平确定如下。温度 范围 0℃～40℃、 0℃～50℃、 0℃～60℃、 10℃～70℃、 20℃～80℃。升温速率为 （0.2、 0.5、 1、 2、 4） ℃/min； 降温 速率为 （-4、 -2、 -1、 -0.5、 -0.2） ℃/min。这样确定了 各个因素的具体水平值， 使实验设计覆盖了测斜仪工 作的整个温度区间和整个温变速率区间。选用 U5（53）， 该使用表Lp偏差为0.4570。实验设计方案如 表1所示。实验过程及所用时间与全温度范围实验设 计比较表如表2所示。 根据均匀设计法的基本原理和特点， 结合实际情 实验内容 全温范围 实验 均匀设计 试验 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 实验过程 0～0.1℃/min→80～-0.1℃/min→0℃ 0～0.5℃/min→80～-0.5℃/min→0℃ 0～1℃/min→80～-1℃/min→0℃ 0～3℃/min→80～-3℃/min→0℃ 0～5℃/min→80～-5℃/min→0℃ 0～0.5℃/min→40～-0.5℃/min→0℃ 0～2℃/min→50～-1℃/min→0℃ 0～0.2℃/min→60～-2℃/min→0℃ 10～1℃/min→70～-4℃/min→10℃ 20～4℃/min→80～-0.2℃/min→20℃ 实验用时min 2000 400 200 66 40 240 90 330 75 315 表2实验过程及时间对比 实验编号 1 2 3 4 5 Lp偏差 因素 温度范围℃ 0～40 0～50 0～60 10～70 20～80 0.4570 升温速率℃/min 0.5 2 0.2 1 4 降温速率℃/min -0.5 -1 -2 -4 -0.2 表1测斜仪温度建模实验设计 况构造了温度建模试验所需的均匀设计表， 由Lp-偏差 确定了最佳的实验方案。由此可见采用均匀设计方法 进行试验可节约60左右时间， 提高实验效率。根据均 匀设计特点， 可达到与全温范围实验相同的实验效果。 因此， 该方法应用到测斜仪温补实验中， 缩短了研究周 期， 节约了成本， 有助于测斜仪温度补偿的工程化实现。 3.4数据采集与预处理 在静态条件下， 控制温箱的温度变化， 采集测斜仪 探管测斜机芯的输出数据。按照图4所示温度变化曲 线进行测试， 在整个温度变化过程都进行数据采集， 测 温过程时间总计350min。由于采用高温环境下存储测 斜仪， 主要将温度设置为常温下逐渐加热的方法， 即 25℃～80℃。每个温度点保温30min， 要确定式 （1） 的 待定系数， 需要分别采集25℃、 40℃、 60℃、 70℃、 80℃共 5个温度点的磁阻和加表输出数据。 4校正台测试 采用数字多用表、 万能分度头和JJG-2型测斜仪 校验台等仪器设备、 调试和标定耐高温高压测斜仪器 89 ChaoXing 2020年第8期西部探矿工程 的倾角和方位角的变化量。见表3。 5测量工艺研究 进行测量时， 先通过数据串口RS232将测斜仪连 接至上位机， 通过上位机对测斜仪进行设置， 包括测量 模式、 数据存储间隔、 仪器开机时间、 测量时间等， 上位 机界面如图5测量人机界面所示。设置完成后， 通过钢 丝绳、 钻杆或直接投入将测斜仪下入孔内开始连续测 量或定点测量。下入过程中， 地面记录下时间、 孔深， 仪器在孔底自动完成顶角、 顶角方位角、 工具面向角的 测量， 并记录相应的时间， 将数据存储在仪器中。待测 量结束， 提出测斜仪， 再通过数据串口RS232将测斜仪 连接至电脑， 读取存储在测斜仪中的孔斜数据。将地 校正台读数 顶角 （） 90 85 80 70 60 50 40 30 20 10 0 结论 方位角 （） 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 顶角为85～0时方位角误差最大值为1.5， 顶角90～0最大误差0.08， 合格。 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 实测读数 顶角 （） 89.98 84.99 79.96 69.97 60.01 49.96 39.96 29.92 19.9 10.08 0 误差 （） 0.02 -0.01 -0.04 -0.03 0.01 -0.04 -0.04 -0.08 -0.1 0.08 0 方位角 （） 359.8 0.5 1.06 1.12 1.3 1.4 1.42 1.47 0.88 359 误差 （） -0.2 0.5 1.06 1.12 1.3 1.4 1.42 1.47 0.88 -1.5 方位角 （） 88.4 88.85 88.9 88.7 89 90.53 90.84 90.9 89 88.8 误差 （） -1.6 -1.15 -1.1 -1.3 -1 0.53 0.8 0.9 -1 -1.2 方位角 （） 178.58 178.8 178.5 178.8 178.5 178.8 178.7 178.1 181.5 181.5 误差 （） -1.42 -1.2 -1.5 -1.2 -1.5 -1.2 -1.3 -1.5 1.5 1.5 方位角 （） 271.17 2715 271.5 271.39 271.06 270.51 270.55 269.66 268.5 268.5 误差 （） 1.17 1.5 1.5 1.39 1.06 0.51 0.55 0.66 1.5 -1.5 表3顶角和方位角值计量检测表 图4温度试验温度变化曲线 面记录时间、 孔深与测斜仪记录的时间、 井斜数据相对 比， 即可获得精准的钻孔空间轨迹。 6结语 通过研究深海钻探超高温高压测斜技术， 研制了 在大深度钻孔中既能保证质量又能保证安全的深海钻 探超高温高压测斜仪以及研究相应的测试工艺技术方 法， 它是深海钻探超高温高压钻孔勘探和开发不可缺 少关键技术。本项技术的成功不仅填补了地质超深钻 孔测斜的空白， 而且还可用作其他特种钻孔勘探， 如为 地下干热岩地质钻探找矿和开采的钻孔孔斜质量的测 量提供技术支撑。既造福民生又符合国家能源战略要 求是具有重大经济和社会效益。（下转第94页） 图5测量人机界面 90 ChaoXing 2020年第8期西部探矿工程 [1]王璞珺,迟元林,刘万洙,等.松辽盆地火山岩相 类型、 特征和 储层意义[J].吉林大学学报地球科学版,2003,334449-455. 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