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极地冰孔测井仪设计与试验研究

极地冰孔测井仪设计与试验研究

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作者：柏洪亮吉林大学

学位级别：硕士

极地冰盖主要分布在南极大陆和北极格陵兰岛,总面积约1600万km2,约占地球冰川总量的90%,是地球上最大的淡水储存库之一。然而,随着全球气候变暖和大气CO2含量的升高,温室效应逐渐凸显,极区冰盖加速消融,极地冰川运动呈现加速趋势,这对... 详细信息

极地冰盖主要分布在南极大陆和北极格陵兰岛,总面积约1600万km2,约占地球冰川总量的90%,是地球上最大的淡水储存库之一。然而,随着全球气候变暖和大气CO2含量的升高,温室效应逐渐凸显,极区冰盖加速消融,极地冰川运动呈现加速趋势,这对全球气候、洋流和海平面变化产生巨大影响。极地冰盖探测提供的信息能帮助我们了解极地冰盖冰川运动规律,预测地球未来环境,海平面变化等,对于保护人类生产生活和减轻自然灾害损失等具有重要意义。通过测井仪在填充低温钻井液且未安装套筒的深冰孔进行测量,获取其钻孔截面形态数据,进而推演冰川运动规律,是研究冰川运动和演化最可靠的方法之一。虽然传统地质石油测井仪早已存在,但是由于精度和适用性问题,无法直接运用于极地冰盖钻孔的测量。因此世界各国早在上世纪便开始研制适用于极地冰盖钻孔参数检测的测井仪,至今已有不少国家研制出适用于极地冰盖钻孔物理参数检测的测井仪。然而,我国在极地冰川运动观测方面一直以卫星遥感数据分析为主,近些年来才开始对极地冰盖测井技术的研究,目前还未研制出能有效应用于极地冰孔的测井系统。对此,本文设计了一种用于极地冰盖钻孔高精度物理参数检测的JLCJ-1型测井仪,并针对该测井仪开展了以下研究:首先,确定了JLCJ-1型测井仪的测量参数,应实现对极地冰盖钻孔孔壁截面形态、钻孔方位角、孔斜角、温度,压力和深度等参数的精确测量;完成了JLCJ-1型测井仪整体方案设计,确定其结构由提吊机构、扶正机构、测控单元舱、钻孔截面形态测量机构及探头组成,整体长2.48 m,最大直径92 mm;提出了采用六个测量臂的结构,并且每个测量臂都有各自的测力板簧与之相配合进行冰孔孔径精确测量的测量原理,完成了钻孔截面形态测量机构的机械结构设计,孔径测量范围为100-180 mm,设计测量精度为±0.1 mm;对测井仪测控单元所用的传感器、数据采集模块和测控单元舱进行了选型和设计,可完成温度、压力、倾斜角和方位角的实时数据采集。对设计的结构以及部分零部件进行了模拟分析验证,如对测控单元舱外壳和测力板簧进行了数值模拟分析,分析结果显示,测控单元舱外壳在压力为30MPa的压力下的最大变形量仅约为0.037 mm,不会影响内部钻孔截面形态驱动装置和数控单元的正常工作;测力板簧正常工况下所承受的最大应力约为360MPa,仅为50Cr V钢的屈服强度值的一半,并且测力板簧在测井仪测量过程中弯曲的时间仅为2-4h,发生疲劳变形的可能性较低。针对极地冰孔测井仪的检测系统,开发了上位机界面及控制程序,可实现控制测井仪正常运作,完成对孔壁截面形态、钻孔方位角和孔斜、温度和井下压力的精确检测,以及对钻孔参数数据的接收、解析、实时显示和存储。建立了测井仪专用试验台,对测井仪中的六个测量臂进行了校准试验,分别得到了六个测量臂测量孔径与应变片电位信号关系的初始描述方程。针对测井仪设计了测试方案,对其钻孔截面形态测量机构、方位角和倾斜角进行了测量试验,验证了设计结构的合理性和工作可靠性,根据钻孔截面形态测量试验结果对测井仪六个测量臂的初始描述方程进行了修正,得到了1-6号测量臂最终的描述方程。针对测井仪中初始设计的测量臂调试校准工作困难、描述方程复杂及数据处理繁琐的问题,提出了一种测量臂优化设计方法,并设计了一种新型测量臂,经过对该测量臂的数值模拟分析和实验验证,确定了新型测量臂能实现其径向位移与应变片所测的电压值呈线性变化关系,极大地简化了测量臂的调试校准工作,提高了测井仪的测量精度,同时后期数据处理也更加便捷。基于该方法,可以通过更改不同设计参数,完成用于不同孔径测量范围的测量臂设计,进而实现仅通过更换测量臂即可将测井仪应用于不同孔径的钻孔测量,极大地增加了测井仪的适用范围。

关键词：极地冰盖测井仪钻孔参数检测模拟分析

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