深孔数字地温测量记录仪的研制与应用

牟宗玉, 袁金榜, 李小勇, 汪 力, 林肖荣, 蔡崇和

(1.湖北省地质局 第七地质大队,湖北 宜昌 443100; 2.湖北省鄂西地质矿产勘查开发院,湖北 宜昌 443100)

深孔数字地温测量记录仪的研制与应用

牟宗玉1, 袁金榜1, 李小勇2, 汪 力2, 林肖荣1, 蔡崇和1

(1.湖北省地质局 第七地质大队,湖北 宜昌 443100; 2.湖北省鄂西地质矿产勘查开发院,湖北 宜昌 443100)

地质和地热勘查中,为评价勘查区地质环境条件,需要选择代表性钻孔进行地温测量。由湖北省地质局第七地质大队研制的HBDZ 7-1型深孔数字地温测量记录仪,解决了以往观测设备笨重、劳动强度大、观测费用高和成果系统性差的问题。该记录仪在宜昌兴神勘查区ZK801孔和江家墩磷矿区ZK401孔2个深孔实践应用中取得了良好的效果,是一种多快好省地进行地温测量和记录的有效器具。

勘查;地温测量;记录仪;研制

在地质勘探中,根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》的要求需要对不同构造部位的钻孔进行地温测量,以确定恒温带深度、温度及地温梯度等地质环境温度信息,为评价矿床开采条件提供依据[1];在地热勘查中,为确定热储层的埋深、冷热水界面的深度和成井结构等信息,也需要进行钻孔地温测量。以往测量地温,多数采用电缆连接热敏电阻探头下入孔内逐点进行测量。对测量深度六七百米,甚至逾千米的钻孔,须配备相应的电动机和绞车,全套地温测量设备重量超过350 kg,造价2.5万～3.0万元,使用时携带与搬运不便,测量费用高,如测量一个距离为50～60 km、孔深为700～1 000 m的运费达1 200～1 350元,山高坡陡时超过1 500元。同时,测量劳动强度大、资料系统性和精度难以保证。

为解决上述问题,湖北省地质局第七地质大队一直在探索、研究便携性好且可自动记录数据的地温测量仪器,经过设计、制造与测量实践,成功地研制出HBDZ7-1型深孔地温测量记录仪(简称“地温记录仪”),经对宜昌兴神保磷和铅锌矿整装勘查区ZK801孔和江家墩磷矿区ZK401孔等进行全孔地温测量检验,均取得了良好的预期效果。

1 设计思路与要求

(1) 目前各地勘单位的深孔钻探多数采用绳索取芯的工艺,因而“地温记录仪”须小型化,并能顺利下入绳索取芯的钻杆内。

(2) 地温实测时,只利用钻机已有的钢丝绳即可上下孔内,并通过钢丝绳记录下入深度,无其它辅助设施。

(3) “地温记录仪”须承受超过100 atm(静水柱>1 033 m)压力,并防止高压水入渗,确保仪器在深孔内正常工作。

(4) 仪器下到不同深度后须能自动记录地温,并储存测量数据,以便电脑读取和打印结果。

因此,设计的地温测量仪须以小巧轻便、造价低廉、操作简便、数字记录和结果可靠为基本宗旨,取消以往笨重电缆传输地温的载体。基于上述构想,经多次比较与试验,选择江苏精创电气股份有限公司生产原用于监测冷藏集装箱、冷藏车、冷库和实验室温度的RC-4温度记录仪作为地温测量记录仪的“心脏”*江苏省精创电器股份有限公司,RC-4迷你型温度记录仪使用说明书。,通过对RC-4温度记录仪旁侧连接温度探头的丁字形插头(外突1.3 cm)更变为外突仅2 ～2.5 mm的钮扣式插头,然后与固定在外置温度探头的另一端的内置电线连接,从而使改装后的RC-4温度记录仪能顺利下入内径48 mm的防水、防冲压的护管内,形成可长期和重复使用的深孔地温测量记录仪(图1)。目前研制的HBDZ 7-1型深孔地温测量记录仪的护管为在车床上制造完成,其材料可采用圆钢或铜锭或适宜的厚壁铜管制作,但以铜制材料制作为佳,包括护管材料及加工等费用在内,一套设备总造价在1 800～2 000元之间,仅相当于原来采用电缆、绞车加电动机设备造价的1/15左右,或大约相当于原设备进行一次地温测量往返的运输费。其经济效益是显而易见的。

图1 HBDZ7-1型深孔地温测量记录仪工作原理图Fig.1 Functional diagram of HBDZ7-1 deep hole ground temperature measurement instrument

2 工作原理与工作方法

“地温记录仪”是由专门外置温度探头连接仪器中的NTC热敏电阻传感器进行温度测定与记录。在实施地温测量时,将“地温记录仪”固定在钢丝绳前端下入孔内,一般为自上而下或自下而上每隔25～50 m设一测点进行观测。

当“地温记录仪”由钢丝绳下入钻孔后,根据钢丝绳下入长度计算“地温记录仪”所处孔深,并记录当时时间。由于外置温度探头连接的热敏电阻传感器会按照事先设定的时间间隔不间断地记录不同孔深的温度和时间数据,直至测量结束取出仪器后停止。为使每一测点(深度点)的测量、记录成果更符合实际,在提升或下降过程中,各测点以停留4～6 min为宜。

最后将RC-4温度记录仪取出,通过USB接口的数据线导入电脑,按照“深度—时间—温度”的对应关系,即可整理出钻孔内不同深度的地温数据,并制作相关图表。

3 “地温记录仪”结构、功能和主要技术参数

“地温记录仪”是由RC-4温度记录仪加装防高压水入渗、防冲压钢制或铜制外套和温度探头等组成,主要用于钻孔中地温测量,用时与电脑连接。外套上下两端均在丝扣和密封橡胶圈的护管内,以防止高度达数百米甚至千余米静水柱的水压渗入,确保“地温记录仪”能正常工作。

其主要技术参数见表1。

表1 HBDZ 7-1型深孔地温测量记录仪技术参数表

4 “地温记录仪”应用实例与效果

4.1 地温测量前的准备

(1) 初次使用“地温记录仪”进行测量前,须在电脑上安装RC-4温度记录仪数据管理软件,将RC-4温度记录仪用USB线连接至电脑,对RC-4温度记录仪的各项参数进行设置,如数据记录间隔、校准记录仪时钟等。具体操作按照RC-4温度记录仪使用说明书进行。

(2) 在RC-4温度记录仪装入护管前,须同步记录计时装置(如手表、手机等)的时间,并用精度较高的水银温度计对仪器进行温度的显示校正,记录校正值填入设置界面相应位置并予以保存,以使最终输出结果与实际相符。这是确保测量结果准确的必要步骤。温度记录仪在设置好记录间隔、开启记录功能后装入护管,护管的上、下护盖必须安装2～3个橡胶密封圈(圈外宜涂少许机油作润滑剂),并上紧丝扣(最好在丝扣上涂上红油漆和加棉纱条,并在接缝处缠防水胶布),以确保防水效果。

(3) “地温记录仪”安装完成后,即可将该仪器通过钻机钢丝绳下入孔内进行地温测量与记录工作。

(4) 为进行全孔不同深度部位地温的测量,一般多为将“地温记录仪”自上而下(也可自下而上)每隔30～35 m停留5～6 min,并记录每次停留时“地温记录仪”所在孔深和对应时刻。RC-4温度记录仪则按事先设定时间间隔不间断地记录温度与时间数据。

4.2 兴神保磷铅锌矿整装勘查区ZK801孔实测效果

该孔于2014年6月下旬终孔,孔深1 461.44 m,孔口标高1 052.93 m。实测终孔静水位埋深266.50 m,见工业磷矿层深度1 367.37 m。在测量地温过程中,仪器承受静水压力为107.1个标准大气压。

(1) 2014年7月1日使用HBDZ 7-1型深孔数字地温测量记录仪进行地温测量。“地温记录仪”为利用钻机的钢丝绳自上而下由绳索取芯的钻杆中缓慢下入孔内。下入之前,设置RC-4温度记录仪的记录间隔时间为1 min。“地温记录仪”在下入过程中,每隔30～35 m设一测点,各测点停留5～6 min,同时记录暂停下入时的时间、暂停持续时长以及当前深度。该孔共计设测点41个。考虑该孔见工业磷矿层深度为1 367.37 m,故“地温记录仪”只下入至孔深1 373.50 m,即位于工业磷矿层以下约6 m;随后提升“地温记录仪”,取出RC-4温度记录仪,连接电脑,查看测量结果,输出时间与温度之间的关系曲线,再与下入钢丝绳时记录的时间与深度数据结合,即得到该孔内地温与孔深的关系曲线。测量结果见表2及图2、图3。

表2 ZK801钻孔主要测深点地温测量结果表(部分)

注:1)孔深167.5 m以上,地温随深度增加而降低,累计温差-6.6 ℃;2)孔深167.5～268.0 m,地温随深度增加而升高,但升幅很小,累计温差+0.6 ℃;3)孔深268.0 m以下地温随深度增加而升高的增温幅度较大:由268.0～1 373.5 m累计增温+14.5℃,平均每百米增温1.31℃。

图2 ZK801孔地温与时间关系曲线图Fig.2 Curve of ground temperature of ZK801 hole and time relation

(2) 表2为依据测量时间与不同深度的地温测量结果(由于笔者在温度记录仪中设置为每分钟自动记录一次,本次测量过程中共记录数百组数据。该表对各测点之间的记录数据已省略,仅列出部分测深点的相应地温)。图2为测量时间与相应地温的关系曲线,由RC-4温度记录仪管理软件自动生成,图3为根据测量结果绘制的深度与地温变化曲线。

(3) 从表2和图3可看出:ZK801孔所处地段,工业磷矿层赋存部位在自然条件下,其地下温度为28.3℃。由于勘查区一带地形高陡,受大气影响的深度较大,在深度167.5 m以上为受气温(季节)影响的温度变化带(简称“变温带”),温差6.6℃;深度167.5～268 m属大气温度影响很小的常温带,其温度在13.2～13.8℃之间,温差仅0.6℃,该带温度约高于当地年平均气温2.5～3℃;268 m以下为地热增温带,但增幅小于地球每百米3°的平均增温梯度。该孔所在地段,平均地热增温梯度为1.31℃/100 m。这一地温变化特点与2013年本队采用电缆连接热敏电阻探头的测温仪对近邻的江家墩矿区和宜昌磷矿北部竹园沟—下坪勘查区的钻孔地温实测结果为1.03～1.38℃/100 m的地热增温率基本一致。说明该孔采用HBDZ 7-1型地温记录仪测量结果的可靠性较高。

图3 ZK801孔地温随深度变化曲线图Fig.3 Curve of ground temperature of depth variation of ZK801 hole

4.3 江家墩磷矿区ZK401孔实测效果

(1) 该孔于2014年10月下旬终孔,孔深794.63 m。实测终孔静水位425.40 m。在测量地温过程中,仪器承受最大静水压力33.84个标准大气压。

(2) 2014年10月29日使用地温测量记录仪进行地温测量。在测量过程中,每隔25 m设一测点,各测点均停留4 min,同时记录其时间及对应孔深,该孔共计设测点31个。随后提升“地温记录仪”,取出RC-4温度记录仪,连接电脑即可查看全孔测量结果,输出时间与温度的关系曲线,再同下入钢丝绳时记录的时间与深度对应,即可得到该孔内地温与孔深的关系曲线。测量结果见表3、图4。

(3) 从表3和图4可看出:该孔工业矿层赋存部位在自然条件下,其地下温度为15℃左右。由于勘查区一带地形坡陡,临空面发育,且ZK401孔南东和北西两侧又为深沟切割,受大气变化影响的深度较大,因而其变温带深度显著增大亦是合理的。该带地温在10.9～11.8℃之间,温差仅0.9℃,其平均温度为11.35℃,约高于当地年平均气温1.5℃。425 m以下为增温带,但其增温率仅为每百米1.11℃,与实例1的ZK801孔及宜昌磷矿北部其它勘查孔的实测结果(1.03～1.38℃/100 m)基本一致。

图4 ZK401孔地温随深度变化曲线图Fig.4 Curve of ground temperature of depth variation of ZK401 hole

表3 ZK401钻孔主要测深点地温测量结果表(部分)

注:1)孔深400.0 m以上,地温随深度增加而降低,累计温差-10.6℃;2)孔深425.0 m以下,地温随 深度增加而升高,但升幅很小,累计温差+3.9℃,平均每百米增温1.11℃。

5 结语

(1) HBDZ 7-1型深孔地温测量记录仪轻巧耐用,携带、使用方便,测温数据可靠,大幅提高了深孔地温测量工作效率。在兴神保磷矿和宜昌磷矿北部整装勘查区2个深孔的实践应用,均取得了良好的效果。从地温测量成果曲线和测量记录表中可直观地反映不同深度的地温变化特点与规律,具有观测资料系统性、连续性强和降低深孔地温测量费用与劳动强度等优点,不失为一种多快好省地进行钻孔地温测量的仪器。

(2) 该地温测量记录仪的研制与实践应用关键是防冲压的护管设计与护管(筒)防水,护管材料可采用圆钢、铜锭或铜管制作,以铜制材料为佳。兴神保磷矿和宜昌磷矿北部整装勘查区测量地温的钻孔,孔深多>1 300 m,钻孔中静水位埋深在250.0～450.0 m之间,亦即仪器承受静水压力为80～110 atm。为此,止水胶圈和丝扣的密封性好坏成为制约测量工作成败的最重要一环,否则将会使地温测量工作前功尽弃。因此,在实施测量前,必须详细检查密封圈的完好性和护管丝扣的紧固性,尤其是当发现密封胶圈有损时,必须予以更换;另外,安装在CR-4温度记录仪中的CR2450钮扣电池容量充足与否,均是在实施地温测量前必须予以高度重视的关键环节。

致谢:HBDZ 7-1型深孔地温测量记录仪在设计和制作过程中,得到蔡崇和、王爱军和肖国辉等同志的大力协助,在此深表谢意。

[1] 国家技术监督局.矿区水文地质工程地质勘探规范：GB12719—91[S].

(责任编辑：陈文宝)

Development and Application of Deep Hole Digital GoundTemperature Measurement Instrument

MOU Zongyu1, YUAN Jinbang1, LI Xiaoyong2, WANG Li2, LIN Xiaorong1, CAI Chonghe1

(1.SeventhGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Yichang,Hubei443100; 2.GeologicalMineralInvestigationInstituteofWesternHibei,Yichang,Hubei443100)

Itneed to choose the representative borehole temperature measurement for geological environmental conditions in geological and geothermal exploration.The problems including heavy equipment,high labor intensity,high cost and the results of systematic observation are solved by deep hole digital ground temperature measurement instrument. The application of two deep holes in Xingsjem exploration area and Jiangjiadun in phosphorus mineral area has achieved good results,is a more effective instrument for earth temperature measurement and recorder.

exploration; earth temperature measuring; recorder; development

2015-03-18;改回日期:2015-07-15

牟宗玉(1972-),男,高级工程师,地质矿产勘查专业,从事矿产勘查、研究工作。E-mail:526133972@qq.com

P314.3; TP216

A

1671-1211(2016)02-0226-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.02.020

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160303.1056.006.html 数字出版日期:2016-03-03 10:56