深部岩层原位保真取心主动保温系统创新设计

余 波，赵 武，陈 领，高明忠，何志强，万 浩

（1.四川大学机械工程学院，四川成都610065；2.四川大学水利水电学院，四川成都610065）

钻探取样技术在各大工程领域发挥着不可替代的作用，如地质勘查、环境检测等都离不开取样技术［1］。随着钻探取样技术的不断发展和进步，对样品质量的要求也越来越高。样品在原始位置处的真实物化状态对于形成相应深部开采理论的意义重大，因此如何实现深部岩层原位高保真取心成为了亟须攻克的难题［2-3］。针对深部岩层原位赋存环境的高温、高压和高地应力特征，很多学者起初仅对温度、压力的保真进行单独研究，而后开始考虑温度和压力（或孔隙压力）的耦合关系，但仍属于独立的温压耦合控制模块，即将主动保温系统放入压力模拟舱中，对不同压力下主动保温系统的性能进行测试。但是，地应力在钻探过程中会引发强扰动和应力释放，属于很难考量的因素，目前仍无法突破。

地底深部极端的高温高压环境以及在取心过程中出现的机械扰动、空间局促和供能不足等难题，使得在钻井孔底难以实现保温系统的稳定控制以及数据的实时采集和传输，从而导致关于深部岩层原位保真取心主动保温技术的研究和应用发展缓慢。目前，国内外仅有少数取心器含保温结构，且均用于可燃冰开采。例如：日本石油公司设计的兼具保压和冷却功能的保温保压取心器（pressure temperature core sampler，PTCS）［4］；国际深海钻探计划（Deep Sea Drilling Program，DSDP）中使用的有保压功能但无保温功能的保压取心器（pressure core sampler，PCS）［5］；大洋钻探计划（Ocean Drilling Program，ODP）中使用的不具备保压、保温功能的改进式活塞取心（advanced piston core，APC）系统［6］；欧盟研发的海洋天然气水合物高压釜取心设备（hydrate autoclave coring equipment，HYACE）中采用的冲击式取心器（fugro pressure corer，FPC）和旋转式取心器（hydrate rotary corer，HRC），其具备保压功能，但均无保温功能［7］；广州海洋地质研究所研制的保压保温取心系统（pressure and temperature preservation system，PTPS）［8］，其兼具保压和冷却功能；国土资源部国际合作与科学技术司研制的天然气水合物保压取心钻具［9］；浙江大学自主研制的具备保压和被动保温功能的天然气水合物重力活塞式保真取样器［10］；中国地质调查局北京探矿工程研究所研制的TKP-1型保温保压取样器［11］。

上述取心器中仅少数采用了被动保温方式，即通过在岩心衬管和内管之间增加隔热涂层或保温材料来实现有限的保温效果［12］，绝大多数取心器未采取任何保温措施。在高地应力、高地温、高岩溶水压等深部岩体所赋存的复杂地质条件下，如何实现小空间、低能耗工况下的深部岩层原位保真取心主动保温是一个亟待解决的难题。

针对目前保温取心技术的难点和局限，为实现高精度的温度保真，提出了深部岩层原位保真取心主动保温系统的创新设计方案：先利用功能-行为-结构（function-behavior-structure，FBS）模型分析确定主动保温系统的功能需求，再利用TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，发明问题解决理论）中的物-场分析方法和冲突矩阵解决主动保温系统初步设计方案中存在的技术冲突。

1 取心器保温功能问题描述

目前已有少数几种深海沉积物取心器采用了保温措施，如：PTCS采用了基于帕尔贴效应的热电冷却方式来进行主动保温，以维持井下的低温环境［12］；PTPS采用了被动保温措施。PTCS和PTPS的主、被动保温结构示意图如图1所示。

但是，PTCS和PTPS都只适用于深海沉积物取样，而且取心深度较浅，通常只需要考虑低温环境的保真，其应用局限性很大。而对于深部陆上硬岩层取心，要兼顾低温环境和高温环境下的温度保真。

基于此，综合考虑深部环境下高地应力、高地温、高岩溶水压等岩体所赋存的复杂地质条件带来的空间小、能耗低等严苛条件，基于FBS模型和TRIZ，提出了一套深部岩层原位保真取心主动保温系统，以实现从低温到高温的温度保真。

2 基于TRIZ的主动保温系统创新设计流程

TRIZ由里奇·阿奇舒勒（Genrich S.Altshuller）于1964年提出［13-14］。该理论由39个工程参数及冲突矩阵、40个发明原理、四大分离原理和物理矛盾等构成，认为创新发明的本质是解决矛盾的过程［15-16］。

图1 PTCS和PTPS的主被动保温结构示意图Fig.1 Schematic diagram of active and passive insulation structure of PTCS and PTPS

本文的深部岩层原位保真取心主动保温系统的创新设计流程如图2所示，具体步骤为：先分析主动保温系统的设计问题，利用FBS模型确定设计需求，得到系统的初步功能需求分解图和总体结构，并对得到的初步设计方案进行评估；若初步设计方案无效，再利用TRIZ中的物-场分析方法和冲突矩阵对主动保温系统初步设计方案中的技术冲突进行求解和优化，得到新的功能需求分解图和总体结构，并再次进行评估［17］。

3 主动保温系统创新设计

3.1 功能需求描述

在深部极端环境下的采样作业往往面临在常规条件下无法想象的问题。为实现钻机正常取心且达到取心的深度要求，需给取心器添加主动保温系统。此时所面临的主要难题有：

1）深部环境作业空间狭小，所能利用的空间通常由钻机尺寸决定。

2）钻机和保温系统均远离地表，难以使用传统的地表电缆供电，从而导致能量供给不足。

为保证主动保温系统可以正常工作，需要解决以下问题：

1）在小空间、低供能条件下如何实现在主动保温的同时保证温度的稳定性，即能及时进行温度补偿和冷却。

2）在高压力环境下如何对保温能力进行评价。

3）如何对数据进行传输和存储。

3.2 功能分解

用于深部环境的主动保温系统不同于常规主动保温系统，设计时需考虑深部环境下的极端工况。本文主要考虑在小空间、低供能的条件下如何实现主动保温系统的主动恒温控制和快速响应。针对为实现上述主动保温系统功能所需解决的问题，利用功能定义描述方法将主动保温系统的技术需求转换为功能需求，并按照一般工业产品的功能划分标准，将主动保温系统的总功能划分为恒温控制、系统控制、能源提供、小空间下控温和工况显示五个部分。根据主动保温系统的功能需求，得到其FBS模型，即功能需求分解图，如图3所示。

3.3 技术冲突分析

系统功能分析是指用矩形和箭头分别代表组件和功能关系，从系统的全局出发，对系统进行功能建模，以实现系统功能结构的优化，减少资源损耗［18］。

对主动保温系统FBS模型进行分析后发现，该系统在实际工程中应用时所产生的技术冲突有：

1）深部环境空间狭小，无法使用加热或制冷设备直接地对取心器进行保温；

2）深部环境下传统电缆供能方式无法满足空间使用要求，且过长的距离将导致电缆质量过大和能量损耗大等一系列问题。

3.4 技术冲突解决

TRIZ中用于解决技术冲突的方法有2种：发明原理和分离原理。在解决主动保温系统中的技术冲突时，通过功能分析和因果分析找出技术冲突产生的原因，并使用TRIZ解决主动保温系统中的技术冲突，从而实现在深部环境各种极端条件下对取心器的主动保温。针对在深部环境作业时工作空间有限，无法直接对取心器进行主动保温这一技术冲突，通过物-场分析方法寻找解决方案。

主动保温系统的物-场模型如图4所示，表示为主动保温系统对取心器的保温作用，该作用为有效作用，但使用传统加热和制冷设备会极大地增大作业空间，使得其在深部小空间作业条件下成为有害的相互作用。主动保温系统物-场模型中三元件都存在，为有害完整模型。

图2 主动保温系统创新设计流程Fig.2 Innovative design process for active insulation system

TRIZ将通过物-场分析方法描述的问题定义为标准问题，采用76个标准解来进行求解，其中消除有害作用的方法属于5种标准解类型中第一类级别的第二子级，即破坏物-场模型，其标准解法有以下5种：

1）在当前设计中既存在有利作用又存在有害作用，且不存在使2种物质直接接触的限制条件时，可以在2种物质间引入第3种物质来转移技术冲突，以消除有害作用。

2）在当前设计中既存有利作用又存在有害作用，且不允许引入新物质时，可以通过改进2种物质来消除有害作用。

3）排除有害作用。

4）通过引入其他功能来抵消有害作用。

5）切断磁影响。

图4 主动保温系统的物-场模型Fig.4 Substance-field model of active insulation system

根据前文分析，采用第1种标准解法，即引入第3种物质来消除有害作用：在主动保温系统和取心器之间引入液态水作为热量传递的循环介质，通过加热或冷却液态水来实现主动保温系统的热量传递和温度控制，从而避免直接将主动保温系统安装在取心器外面，这样即保证了主动保温系统的控温作用，又克服了深部作业工作空间狭小的限制。改进后主动保温系统的物-场模型如图5所示。

图5 改进后主动保温系统的物-场模型Fig.5 Substance-field model of improved active insulation system

TRIZ中通用的工程技术参数可由冲突矩阵转换而来，冲突矩阵作为解决技术冲突的有效工具，可提供有用的发明原理［18］。

为保证主动保温系统在深部环境狭小空间中正常工作，应尽量减少加热和制冷设备、电源以及控制单元的空间占用量。但由于钻取深度太深，主动保温系统的供能需求相较于浅层取心作业大大增加，在这种情况下，如果继续使用电缆，则将引起电能损耗严重、电缆线质量过大、产生扰动等一系列严重问题，从而导致无法正常钻探和取心。

对应于39个工程参数，主动保温系统因采用传统地面电缆供能方式而导致长距离供能不足和能量损耗大所对应的参数是No.3运动物体的长度；而受主动保温系统需在深部小空间中作业影响的参数分别是No.21功率和No.32可制造性。当限制主动保温系统的供能方式和工作空间时，其功率和可制造性必定恶化。针对上述技术冲突，可使用冲突矩阵找到对应的发明原理。主动保温系统的技术冲突参数和对应的发明原理如表1所示。

表1 主动保温系统的技术冲突参数和对应的发明原理Table 1 Technical conflict parameters of active insulation system and corresponding invention principle

对于由作业空间狭小引起的主动保温系统功率恶化这一技术冲突，可通过发明原理1（分割原理）或发明原理35（物理或化学参数改变）来解决。

发明原理1：分割原理。

1）将物体分割成相互独立的几个部分；

2）将物体分割成容易组装和拆卸的几个部分；

3）提高物体的可分性。

基于发明原理1，将主动保温系统的加热、制冷模块以及电源模块分割成独立的几个部分，并且采用分开布置或者轴向布置的方式，以最大程度地利用井底有限的空间，保证其正常运行。本文不考虑使用化学方法来控制温度，比如相变制热等，因此不涉及物体物化状态的改变，不考虑发明原理35。

对于主动保温系统长距离布置电缆引起的可制造性恶化这一技术冲突，可通过发明原理17（空间维数变化）和发明原理29（气压与液压结构）来解决。

发明原理17：空间维数变化。

1）将一维线性运动变为二维平面运动或三维空间运动；

2）单层排列变为多层排列；

3）将物体倾斜或侧向放置；

4）利用给定表面的反面。

基于发明原理17，将电缆从地表布置至钻井孔底的长距离作业方式看成近似的一维空间作业方式，同时结合发明原理1，使用独立的大功率移动电源，使电源可以随主动保温系统一起在钻井孔底作业，缩小轴向作业空间，以解决传统电缆供能方式带来的能量损失和扰动等一系列问题。由于气动和液压结构对操作空间的要求较高，不考虑发明原理29。

综上，为改善井下长距离供能对主动保温系统功率和可制造性的影响，基于发明原理1和发明原理17，将原来从地面延伸至钻井孔底的电缆解脱、分离出来，采用独立的大功率移动电源进行供电。移动电源随主动保温系统一起在井下工作，与主动保温系统一直处于相对静止的状态，避免电缆供电带来的扰动、缠绕等问题。

3.5 结构布局

针对主动保温系统的设计需求，使用TRIZ解决了设计过程中的技术冲突：运用物-场分析方法，通过引入中间传热介质和采用轴向布置方式，对主动保温系统作业空间不足这一技术冲突进行了初步解决；运用冲突矩阵和相关发明原理，采用独立大功率移动电源供电方式，对井下长距离供能这一技术冲突进行了初步解决。

基于上述初步解决方案，对保真取心器的主动保温系统进行了初步设计。主动保温系统主要由电源、控制芯片、循环微泵、帕尔贴制冷器、循环介质（水）及石墨烯加热涂层等构成，如图6所示。

图6 保真取心器主动保温系统的结构示意图Fig.6 Schematic diagram of active insulation system of fidelity core sampler

4 主动保温系统可行性验证

利用TRIZ改进后的主动保温系统的功能需求分解图如图7所示。该主动保温系统在12 V电源电压下工作，采用PID（proportion integral differential，比例积分微分）控制芯片和温度传感器，利用石墨烯加热涂层的加热作用和帕尔贴制冷器的制冷作用，在循环微泵的热对流条件下实现取心器的恒温控制。

图7 改进后主动保温系统的功能需求分解图Fig.7 Functional requirement decomposition diagram of improved active insulation system

主动保温系统通过外部热交换器进行冷热水的循环，实现对恒温试验容器（模拟取心器）的恒温控制；同时通过帕尔贴制冷器和石墨烯加热涂层对恒温试验容器进行主动热补偿，保证其所需的温度要求；PID控制芯片和温度传感器配合使用，以实时控制和监测温度。改进后主动保温系统的工作原理如图8所示。

4.1 试验平台搭建

在实验室内搭建试验平台，对主动保温系统进行可行性预研试验。在深部开采作业中，随深度的延伸，地温梯度一般为30～50℃/km，千米深部岩温超过40℃［2］。考虑到中国未来矿产资源开发将全面进入1 000～2 000 m深部岩层，该深度下岩体温度应取100℃，但考虑到室内实验操作的安全规范，保证试验用循环介质（水）不发生沸腾，取试验温度小于100℃。

图8 改进后主动保温系统的工作原理Fig.8 Working principle of improved active insulation system

在恒温试验容器内安装PT100温度传感器并连接无纸记录仪，记录恒温试验容器内部循环介质（水）的实时温度，利用安装在恒温试验容器内壁的石墨烯加热涂层加热循环介质（水），当循环介质（水）的温度达到设定温度时，无纸记录仪发出信号以控制石墨烯加热涂层和帕尔贴制冷器实时启停：当恒温试验容器内循环介质（水）的温度低于设定温度时，石墨烯涂加热层开始对循环介质（水）进行加热；当恒温试验容器内循环介质（水）的温度高于设定温度时，帕尔贴制冷器对循环介质（水）进行冷却，被冷却的循环介质（水）在循环微泵的作用下在管路内部循环，使恒温试验容器内循环介质（水）的温度降低。通过石墨烯加热涂层和帕尔贴制冷器的交替工作，可实现对恒温试验容器内循坏介质（水）的恒温控制。同时，在试验平台上安装增压系统，以给恒温试验容器提供一定的压力，模拟主动保温系统在高压工况下的工作情况和恒温效果，从而探索温度和压力的耦合关系。基于PID温度控制算法，无纸记录仪可实现相关数据的采集和储存。主动保温系统试验平台实物图如图9所示。

图9 主动保温系统试验平台实物图Fig.9 Physical map of active insulation system test platform

4.2 可行性试验开展

分别在制冷和加热工况下测试主动保温系统的工作情况和保温效果。

1）制冷工况。试验时室温为28.2℃，循环介质（水）的初始温度为29.3℃，体积为580 mL；循环微泵的流量为6 L/min；设定制冷至21℃。由图10所示的循环介质（水）的温度—时间曲线可知，帕尔贴制冷器在0～15 min的制冷效果较为明显，降温速率达到0.4℃/min；经过40 min的制冷后，在最后的15 min内管路中循环介质（水）的温度基本不变，维持在21℃左右。

图10 制冷工况下循环介质（水）的温度—时间曲线Fig.10 Temperature-time curve of circulating medium（water）under refrigeration condition

2）加热工况。使用石墨烯加热涂层加热恒温试验容器中的循环介质（水），得到循环介质（水）的温度—时间曲线，如图11所示。调节无纸记录仪设定需要的恒定温度，并使石墨烯加热涂层开始加热，达到设定温度后继续测定20 min内循环介质（水）的温度变化情况，然后继续下一设定温度的测试。

图11 加热工况下循环介质（水）的温度—时间曲线Fig.11 Temperature-time curve of circulating medium（water）under heating condition

由图11可知，石墨烯加热涂层加热升温后，通过主动保温系统的PID调节可以实现一定范围内的恒温控制。由于实际取心器提心时间为20 min左右，测试时在设定温度为80，85，90℃时均恒温20 min，结果表明恒温精度可达2.44%。后期可通过改进PID算法来进一步优化设定温度周围的小波动。

综上可知，在制冷和加热两种工况下，主动保温系统均可使恒温试验容器内循环介质（水）保持恒温，说明该主动保温系统具有可行性，这可为后续的进一步研究内容提供理论依据。

5 结 论

为了实现深部硬岩取心的温度保真，提出了一套可在更宽温度范围内进行加热和制冷的主动保温系统。结合TRIZ和FBS模型，对深部原位环境下的主动保温系统进行了创新设计：首先，基于FBS模型，对主动保温系统的功能需求进行初步映射，形成初始的功能需求分解图；然后，对主动保温系统初始设计方案中存在的技术冲突进行因果分析和功能分析，并运用物-场分析方法和技术冲突矩阵提出了2种解决方法，分别是通过引入第3种物质和采用分割方法，初步实现了在深部小空间作业条件下主动保温系统的恒温控制功能，并得到了主动保温系统的能量供给方案，形成了一套由热管、帕尔贴制冷器以及石墨烯加热涂层等组成的高效主动保温系统。最后，基于主动保温系统的工作原理，搭建了主动保温系统可行性预研试验平台。通过试验验证可知，所设计的主动保温系统可实现不同设定温度的恒温控制，即可实现不同深度下的温度保真。但是，该主动保温系统还存在一些不足，为实现更加真实的高精度深部温度保真模拟，还需进一步研究其控温精度和温压耦合等相关内容，以不断完善其功能。