测井仪器耐高温性能优化方法试验研究

黎晗

(中国石油集团测井有限公司长庆分公司，陕西 西安 710003)

目前，石油测井下井仪器种类众多且具有不同特点，但随着石油勘探开发的不断深入，常规测井仪器已不能满足测井的需求。一方面，全球石油储量日益减少，易勘探的油气井已经处于后期开发阶段，需要进行高温、高压层段的勘测；另一方面，测量仪器进行高温、高压防护，会增加设计成本和影响数据信息的传输。截止到目前为止，测井仪器已经经历了四代发展，进入高集成、高精度和高可靠性的时代。自然伽马能谱测量仪器是第四代测井仪器的代表，具有良好的传输稳定性，可以进行高温、高压层段的勘测。目前，Schlumberger公司开发出Xtreme测井系统[1，2]，通过隔热、吸热和冷却系统，实现了260℃、173MPa环境下的矿井测量作业，并在远东地区取得了较好的应用效果。而国内目前应用的传统自然伽马能谱测量仪器，仅实现了150℃、140MPa环境下的矿井测量且测量效果较差。因此，该次研究对传统自然伽马能谱测量仪器进行了优化，使其能够在150℃、140MPa的高温、高压环境下正常工作[3]，对于我国石油资源的深入开发具有十分重要的意义。

1 测井仪器的工作环境

目前，人类最深钻探矿井为12060m，即俄罗斯柯拉半岛的CT-3号矿井，其井底温度为204℃。随着钻探深度的不断增加，高温、高压环境对测井仪器提出了更高的要求。测井仪器在井下工作时间长短不一，可能几分钟，或者几小时，因此需要维持测井仪器在高温、高压下的状态，使其自身形变不会对内部元件产生影响。一般来说，测井仪器外壳均采用高强度金属材料，具有良好的导热性，但其温度传导会提高腔体内温度，使内部元件工作环境发生改变，因此，高温、高压环境下的仪器内部温度控制是一项重要技术指标。此外，在油田开发过程中，热力学方法是提高开采效率最常用的方法，热采方法主要包括注入蒸汽法(345℃以上)、火烧油层、蒸汽吞吐、自生热裂技术等，上述热采方法使得矿井下部产生局部高温，为了更好地获取地下地质信息，使用的测井仪器必须能够适应局部高温、高压环境。

2 测井仪器构件

提高测井仪器耐高温指标，应从仪器外壳和内部元件热稳定性方面考虑，提高传感器和电子线路在高温环境下的可靠性。

2.1 仪器外壳

目前，测井仪器外壳和机械部分均采用锰钢、不锈钢和钛合金材料制成，其在200～300℃下均能保持较高的稳定性。上述材料的热传导性能较好，比热低，例如，钢(碳含量1.5%)的导热系数为0.11cal/(cm·s·℃)，是水的100倍。在井底外壳与周围温度可以达到平衡，且从井底获得的热量比较集中。简单地说，目前井下仪器的外壳可以保护内部元件机械结构的稳定，但不具有隔热能力。因此，借鉴航天隔热技术，改变外壳的设计理念，通过喷涂隔热涂层来保持其自身的机械强度，并具备良好的隔热性能，是一种很好的方法。

2.2 传感器

矿井测量仪器主要包括电学传感器，即电极、线圈和天线；声学传感器，即发射、接受声波探头；辐射传感器，即气体放电计数管和闪烁计数器等。

1)电学传感器需要选用合理材料，才能保证在200℃条件下测量结果的准确性及传感器参数稳定。

2)声学传感器采用磁性镍片类压电陶瓷，虽然镍片的居里点为335℃，但高于110℃后其发射、接受灵敏度显著降低。因此，为了使压电陶瓷在高温、高压环境中的发射和接受灵敏度显著提高，在其中增加锂、钨等元素，使其居里点提高到350±20℃[4]，满足在200℃下声波仪器的工作需要，即外部温度飙升到200℃时，其谐振频率变化为5%以下，等阻抗变化为15%以下。

3)核辐射传感器主要采用1948年的NaI和光电倍增管组成的闪烁计数器。NaI结晶体性价比高，分辨率好，适合进行矿井下的γ能谱测量，但其容易潮解，要注意密封。虽然20世纪末期出现的Bi4Ge3O12晶体具有不潮解的优点，但是其工作环境为低温环境，对外部环境要求比较高，所以不易做核辐射传感器。2001年研制的LaCI3(Ge)虽然辐射能力分辨率高，但其价格昂贵，不能替代NaI晶体。因此，NaI晶体是现阶段耐200℃高温、性价比高的优势探头。相对于其他传感器，核辐射传感器对环境要求更高，需对传感器进行改进及耐高温设置。

2.3 电子元件

井下测量仪器在使用时存在2个问题：①腔体内电子线路、元件产生的热能，仅被吸热剂吸收，没有其他热能弥散渠道，研究资料显示，测井仪器从170℃飙升到200℃时，其内部仪器长度增加18%左右，同时，仪器长度的增加会导致生产成本的提高；②仪器外壳均具有磁性，会对内部电子线路产生干扰，特别是在下降速度提高和温度变化明显的情况下，其干扰情况更加复杂和无规律。

为了让测井仪器中的电子线路在高温环境下正常工作，一般采取两种方法，即选择耐高温元器件和保温瓶。耐高温元器件的价格明显高于一般元件，而且对元件进行温度筛选时，又将提高元件成本。同时，元件在接近极限的工作环境下进行试验，又将降低元件的寿命[5]。因此，在耐高温测井仪器中，添加熔点适中、熔解热高的吸热剂，使其内部温度不高于60℃。

2.4 测井仪器构造

通过上述分析，可知矿井测量仪器耐高温性主要受两方面因素影响：外部环境的热对流影响和内部元件工作产生的热量。因此，加强仪器隔热、降低工作元件散热率，是提高测量仪器耐热性的主要手段。目前，我国主要采用保温瓶隔离手段进行仪器隔热，即在仪器和外部环境之间建立真空层，其直径为17mm。同时，通过使用低能耗元件，合理设计电路来减少内部仪器的散热率。为了让测井仪器提高耐高温性能，应减少元件数量，间接增加腔体空间，促进元件散热。同时，利用单片机集成元件替代多项元件，在保持相应功能不变的情况下，增加元件的测量精度，节省相应空间。另外，要注意元件的排列顺序、布线和焊接精度，避免各个元件之间的干扰。例如，大规模集成电路不仅可以缩小仪器体积，而且可以简化仪器结构，使得仪器耐热性达到220℃/h。该次研究以伽马能谱测量仪器为例，分析其在正常工作时序下，隔热层、相变储能设计对于仪器耐高温性能的影响。

图1为采用隔热涂层、变储能材料技术进行隔热的自然伽马能谱测井仪结构示意图，隔热层将仪器整个外部进行覆盖，并形成8mm真空层，延长外部热能向内部传导时间。同时，相变储能材料有足够时间吸收热能，保持腔内温度的稳定，避免出现局部过热导致的仪器损毁现象。

图1 自然伽马能谱测井仪结构示意图

3 隔热涂层技术

3.1 物理性能

隔热涂层属于复合型涂层技术，由耐腐蚀性氧化粘结底层和金属陶瓷构成。粘结底层粘结性良好，可以在高温下与钢和合金较好地结合，因此被用于金属陶瓷和内部合金的过渡层。金属陶瓷材料涂层可以保护内部仪器，使其内部温度不会骤然上升[6]。纳米YSZ隔热涂层(Y2O3(纳米氧化钇)-ZrO2(氧化锆))，在200℃下的导热系数为2.016kJ/(m·h·K)，比热容为0.51kJ/(kg·K)，密度为4.58kg/m3，可以有效控制温度传导，降低金属核心的耐热性。因此，纳米YSZ隔热涂层属于一种优良隔热层，覆盖在矿井测量仪器外面延迟热能传导。在内部采取相变储能设计的情况下，纳米YSZ隔热涂层可以保证内部仪器温度的稳定，而隔热涂层的组成、厚度、喷涂方式，均对仪器内部温度变化产生影响。该次研究以等离子喷涂方式，0.5mm厚度的纳米YSZ隔热涂层为研究对象，分析其隔热效果。

3.2 试验分析

试验材料：能谱探头、恒温干燥箱(鼓风)、铂丝温度传感器和数据收集系统。干燥箱型号为DGG 9080，测试精度为0.1±1℃，铂丝温度传感器的灵敏度为0.2±1Ω/℃，温度测试范围为0～240℃；能谱探头外部喷涂纳米YSZ隔热涂层，其厚度为0.5mm，并将端口用热绝缘物质封住。

由于仪器下井速率为1800～2600m/h，试验温度上升率为2.1℃/min，模拟器下井→测试→上井的温度情况如图2所示。能谱探头在内部光电倍增管末端按照铂丝温度传感器，每隔15min采集一次数据，得到腔内温度上升速率曲线(图2)。

图2 外部环境温度与腔体内部温度上升曲线

由图2可知，能谱探头外部进行纳米YSZ隔热涂层处理后，当外部温度飙升时，腔体内部温度变化并不明显；由于经过纳米YSZ隔热涂层处理，腔体内部温度存在一定的滞后性，不会立刻随着外部温度的降低而降低，还会持续上升一段时间，当温度达到235℃以后，腔体内部温度随着外部温度的降低而逐渐降低，但内部温度会高于外部温度。试验数据显示：在没有采取相变储能技术的情况下，纳米YSZ隔热涂层可以在一定程度上阻隔外部热能的传递。

4 相变储能技术

储能技术主要用于吸收热能，起到降低温度的目的。储能降温技术主要分为3种：显热储能材料、潜热储能材料和化学储能材料[7]。

1)显热储能材料就是通过提高储能材料的温度，实现降温储能的目的，所以存储热量随储能材料的比热和密度的不同而不同。

2)潜热储能材料相对于显热储能材料来说储能能力更高，这是因为潜热储能材料是通过发生相变而实现吸收热能的目的。由于相变转化过程中需要吸收更多的热能，所以其吸收热能是显热材料的10倍。

3)化学储能材料主要是利用化学物质在进行可逆化反应过程中吸热和放热原理，实现热能的吸收和释放。虽然化学储能材料在吸热能力方面优于显热储能材料和潜热储能材料，但其在应用方面存在诸多技术难题，不能在短时间内广泛应用。

基于上述原因，矿井测量仪器的储能降温技术主要采用潜热材料。同时，潜热材料在固→液相变过程中，吸收大量热量，而且其冷却结晶率大，热导率好，化学性稳定，对腔内元件的腐蚀性小，无毒、阻燃，生产成本低。因此，潜热材料是石油矿井吸热储能材料的首选。

4.1 潜热储能材料

潜热储能材料的选择应该从熔点、导热系数、熔解热和比热等方面考虑，同时考虑相变过程中的腐蚀性、重复利用性和生产成本。由于隔热层的隔热能力有限，所以要选择导热系数好、吸热速度快、相变焓值大和膨胀系数小的金属作为相变材料。铋合金具有上述特点，是理想的低温金属储能材料，其相变温度为100～150℃，且与不锈钢容器相融合，是井下勘测的首选吸热材料。相对于传统石蜡、硬脂酸等相变材料，铋合金在导热系数、热反应方面具有绝对优势，相关数据如表1所示。

如表1所示，铋合金A、B的导热系数比较高，其相变吸热反应速度快；相对于石蜡材料来说，铋合金A、B的体积熔解热更高，熔点更高；同时，铋合金A、B的密度更大，有限空间能装载的合金量更多。因此，铋合金适合作为石油矿井勘测仪器的相变储能物质，可以吸收更多的热量。

表1 铋合金与石蜡储热材料的性能比较

4.2 试验分析

相变储能材料的安装位置应该在热源流动的显著位置，能够更快地吸收热能，但传导面积相同时，相变储能物质的质量应该与最大耐高温时间相一致。井下勘测仪器的外壳喷涂纳米YSZ隔热涂层，并在仪器首、尾安装封装铋合金的能谱探头。图3为外部温度变化和内部温度上升曲线图。

图3 外部温度变化与内部温度上升曲线

对比铋合金B和传统石蜡的相变吸收性能曲线发现，两种潜热材料均出现温度上升滞后现象，但是铋合金B滞后效果逊色于传统石蜡，主要归咎于两种物质的比热容不同[8]；虽然铋合金B的比热容小于传统石蜡，但是其导热能力较强，可以快速从外层向内部散热，其稳定上升率小于石蜡。在矿井钻探过程中，经常出现钻头遇阻，或者卡壳的问题，导致仪器长期处于125℃的高温中，造成潜热物质的不必要消耗。铋合金B的熔点较高，可以进行有效的温度控制，降低潜热物质的消耗。同时，在纳米YSZ隔热涂层的帮助下，铋合金B可以在150℃温度中正常作业3～4h。

5 结语

从隔热涂层和相变储能技术方面，分析了石油矿井下勘测仪器的耐高温技术，并在试验条件下，利用伽马能谱勘测仪器进行腔内温度测试。试验结果显示：150℃环境下，在纳米YSZ隔热涂层的帮助下，铋合金B能够正常作业3～4h，增加了矿井勘测仪器的正常工作时间。因此，通过隔热涂层和相变储能技术，可以有效地吸收和隔离仪器外的热量，并将仪器内部元件的温度控制在150℃内。目前，利用伽马能谱仪器进行了10多次3h循环升温试验，证实了采取耐高温技术可以有效降低仪器内部元件的故障率。同时，该耐高温设计在华北、大庆等油田进行测试，在大深度、高温矿井的勘测中，可以获得较好的勘测成功率，取得了比较满意的效果。因此，隔热涂层和相变储能技术可以有效提高我国石油矿井勘测仪器的耐高温性，大大提高矿井的勘测范围。

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