深部巖層原位保真取心主動保溫系統(tǒng)創(chuàng)新設計

余 波，趙 武，陳 領，高明忠，何志強，萬 浩

（1.四川大學機械工程學院，四川成都610065；2.四川大學水利水電學院，四川成都610065）

鉆探取樣技術在各大工程領域發(fā)揮著不可替代的作用，如地質(zhì)勘查、環(huán)境檢測等都離不開取樣技術［1］。隨著鉆探取樣技術的不斷發(fā)展和進步，對樣品質(zhì)量的要求也越來越高。樣品在原始位置處的真實物化狀態(tài)對于形成相應深部開采理論的意義重大，因此如何實現(xiàn)深部巖層原位高保真取心成為了亟須攻克的難題［2-3］。針對深部巖層原位賦存環(huán)境的高溫、高壓和高地應力特征，很多學者起初僅對溫度、壓力的保真進行單獨研究，而后開始考慮溫度和壓力（或孔隙壓力）的耦合關系，但仍屬于獨立的溫壓耦合控制模塊，即將主動保溫系統(tǒng)放入壓力模擬艙中，對不同壓力下主動保溫系統(tǒng)的性能進行測試。但是，地應力在鉆探過程中會引發(fā)強擾動和應力釋放，屬于很難考量的因素，目前仍無法突破。

地底深部極端的高溫高壓環(huán)境以及在取心過程中出現(xiàn)的機械擾動、空間局促和供能不足等難題，使得在鉆井孔底難以實現(xiàn)保溫系統(tǒng)的穩(wěn)定控制以及數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸，從而導致關于深部巖層原位保真取心主動保溫技術的研究和應用發(fā)展緩慢。目前，國內(nèi)外僅有少數(shù)取心器含保溫結構，且均用于可燃冰開采。例如：日本石油公司設計的兼具保壓和冷卻功能的保溫保壓取心器（pressure temperature core sampler，PTCS）［4］；國際深海鉆探計劃（Deep Sea Drilling Program，DSDP）中使用的有保壓功能但無保溫功能的保壓取心器（pressure core sampler，PCS）［5］；大洋鉆探計劃（Ocean Drilling Program，ODP）中使用的不具備保壓、保溫功能的改進式活塞取心（advanced piston core，APC）系統(tǒng)［6］；歐盟研發(fā)的海洋天然氣水合物高壓釜取心設備（hydrate autoclave coring equipment，HYACE）中采用的沖擊式取心器（fugro pressure corer，F(xiàn)PC）和旋轉式取心器（hydrate rotary corer，HRC），其具備保壓功能，但均無保溫功能［7］；廣州海洋地質(zhì)研究所研制的保壓保溫取心系統(tǒng)（pressure and temperature preservation system，PTPS）［8］，其兼具保壓和冷卻功能；國土資源部國際合作與科學技術司研制的天然氣水合物保壓取心鉆具［9］；浙江大學自主研制的具備保壓和被動保溫功能的天然氣水合物重力活塞式保真取樣器［10］；中國地質(zhì)調(diào)查局北京探礦工程研究所研制的TKP-1型保溫保壓取樣器［11］。

上述取心器中僅少數(shù)采用了被動保溫方式，即通過在巖心襯管和內(nèi)管之間增加隔熱涂層或保溫材料來實現(xiàn)有限的保溫效果［12］，絕大多數(shù)取心器未采取任何保溫措施。在高地應力、高地溫、高巖溶水壓等深部巖體所賦存的復雜地質(zhì)條件下，如何實現(xiàn)小空間、低能耗工況下的深部巖層原位保真取心主動保溫是一個亟待解決的難題。

針對目前保溫取心技術的難點和局限，為實現(xiàn)高精度的溫度保真，提出了深部巖層原位保真取心主動保溫系統(tǒng)的創(chuàng)新設計方案：先利用功能-行為-結構（function-behavior-structure，F(xiàn)BS）模型分析確定主動保溫系統(tǒng)的功能需求，再利用TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，發(fā)明問題解決理論）中的物-場分析方法和沖突矩陣解決主動保溫系統(tǒng)初步設計方案中存在的技術沖突。

1 取心器保溫功能問題描述

目前已有少數(shù)幾種深海沉積物取心器采用了保溫措施，如：PTCS采用了基于帕爾貼效應的熱電冷卻方式來進行主動保溫，以維持井下的低溫環(huán)境［12］；PTPS采用了被動保溫措施。PTCS和PTPS的主、被動保溫結構示意圖如圖1所示。

但是，PTCS和PTPS都只適用于深海沉積物取樣，而且取心深度較淺，通常只需要考慮低溫環(huán)境的保真，其應用局限性很大。而對于深部陸上硬巖層取心，要兼顧低溫環(huán)境和高溫環(huán)境下的溫度保真。

基于此，綜合考慮深部環(huán)境下高地應力、高地溫、高巖溶水壓等巖體所賦存的復雜地質(zhì)條件帶來的空間小、能耗低等嚴苛條件，基于FBS模型和TRIZ，提出了一套深部巖層原位保真取心主動保溫系統(tǒng)，以實現(xiàn)從低溫到高溫的溫度保真。

2 基于TRIZ的主動保溫系統(tǒng)創(chuàng)新設計流程

TRIZ由里奇·阿奇舒勒（Genrich S.Altshuller）于1964年提出［13-14］。該理論由39個工程參數(shù)及沖突矩陣、40個發(fā)明原理、四大分離原理和物理矛盾等構成，認為創(chuàng)新發(fā)明的本質(zhì)是解決矛盾的過程［15-16］。

圖1 PTCS和PTPS的主被動保溫結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of active and passive insulation structure of PTCS and PTPS

本文的深部巖層原位保真取心主動保溫系統(tǒng)的創(chuàng)新設計流程如圖2所示，具體步驟為：先分析主動保溫系統(tǒng)的設計問題，利用FBS模型確定設計需求，得到系統(tǒng)的初步功能需求分解圖和總體結構，并對得到的初步設計方案進行評估；若初步設計方案無效，再利用TRIZ中的物-場分析方法和沖突矩陣對主動保溫系統(tǒng)初步設計方案中的技術沖突進行求解和優(yōu)化，得到新的功能需求分解圖和總體結構，并再次進行評估［17］。

3 主動保溫系統(tǒng)創(chuàng)新設計

3.1 功能需求描述

在深部極端環(huán)境下的采樣作業(yè)往往面臨在常規(guī)條件下無法想象的問題。為實現(xiàn)鉆機正常取心且達到取心的深度要求，需給取心器添加主動保溫系統(tǒng)。此時所面臨的主要難題有：

1）深部環(huán)境作業(yè)空間狹小，所能利用的空間通常由鉆機尺寸決定。

2）鉆機和保溫系統(tǒng)均遠離地表，難以使用傳統(tǒng)的地表電纜供電，從而導致能量供給不足。

為保證主動保溫系統(tǒng)可以正常工作，需要解決以下問題：

1）在小空間、低供能條件下如何實現(xiàn)在主動保溫的同時保證溫度的穩(wěn)定性，即能及時進行溫度補償和冷卻。

2）在高壓力環(huán)境下如何對保溫能力進行評價。

3）如何對數(shù)據(jù)進行傳輸和存儲。

3.2 功能分解

用于深部環(huán)境的主動保溫系統(tǒng)不同于常規(guī)主動保溫系統(tǒng)，設計時需考慮深部環(huán)境下的極端工況。本文主要考慮在小空間、低供能的條件下如何實現(xiàn)主動保溫系統(tǒng)的主動恒溫控制和快速響應。針對為實現(xiàn)上述主動保溫系統(tǒng)功能所需解決的問題，利用功能定義描述方法將主動保溫系統(tǒng)的技術需求轉換為功能需求，并按照一般工業(yè)產(chǎn)品的功能劃分標準，將主動保溫系統(tǒng)的總功能劃分為恒溫控制、系統(tǒng)控制、能源提供、小空間下控溫和工況顯示五個部分。根據(jù)主動保溫系統(tǒng)的功能需求，得到其FBS模型，即功能需求分解圖，如圖3所示。

3.3 技術沖突分析

系統(tǒng)功能分析是指用矩形和箭頭分別代表組件和功能關系，從系統(tǒng)的全局出發(fā)，對系統(tǒng)進行功能建模，以實現(xiàn)系統(tǒng)功能結構的優(yōu)化，減少資源損耗［18］。

對主動保溫系統(tǒng)FBS模型進行分析后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)在實際工程中應用時所產(chǎn)生的技術沖突有：

1）深部環(huán)境空間狹小，無法使用加熱或制冷設備直接地對取心器進行保溫；

2）深部環(huán)境下傳統(tǒng)電纜供能方式無法滿足空間使用要求，且過長的距離將導致電纜質(zhì)量過大和能量損耗大等一系列問題。

3.4 技術沖突解決

TRIZ中用于解決技術沖突的方法有2種：發(fā)明原理和分離原理。在解決主動保溫系統(tǒng)中的技術沖突時，通過功能分析和因果分析找出技術沖突產(chǎn)生的原因，并使用TRIZ解決主動保溫系統(tǒng)中的技術沖突，從而實現(xiàn)在深部環(huán)境各種極端條件下對取心器的主動保溫。針對在深部環(huán)境作業(yè)時工作空間有限，無法直接對取心器進行主動保溫這一技術沖突，通過物-場分析方法尋找解決方案。

主動保溫系統(tǒng)的物-場模型如圖4所示，表示為主動保溫系統(tǒng)對取心器的保溫作用，該作用為有效作用，但使用傳統(tǒng)加熱和制冷設備會極大地增大作業(yè)空間，使得其在深部小空間作業(yè)條件下成為有害的相互作用。主動保溫系統(tǒng)物-場模型中三元件都存在，為有害完整模型。

圖2 主動保溫系統(tǒng)創(chuàng)新設計流程Fig.2 Innovative design process for active insulation system

TRIZ將通過物-場分析方法描述的問題定義為標準問題，采用76個標準解來進行求解，其中消除有害作用的方法屬于5種標準解類型中第一類級別的第二子級，即破壞物-場模型，其標準解法有以下5種：

1）在當前設計中既存在有利作用又存在有害作用，且不存在使2種物質(zhì)直接接觸的限制條件時，可以在2種物質(zhì)間引入第3種物質(zhì)來轉移技術沖突，以消除有害作用。

2）在當前設計中既存有利作用又存在有害作用，且不允許引入新物質(zhì)時，可以通過改進2種物質(zhì)來消除有害作用。

3）排除有害作用。

4）通過引入其他功能來抵消有害作用。

5）切斷磁影響。

圖4 主動保溫系統(tǒng)的物-場模型Fig.4 Substance-field model of active insulation system

根據(jù)前文分析，采用第1種標準解法，即引入第3種物質(zhì)來消除有害作用：在主動保溫系統(tǒng)和取心器之間引入液態(tài)水作為熱量傳遞的循環(huán)介質(zhì)，通過加熱或冷卻液態(tài)水來實現(xiàn)主動保溫系統(tǒng)的熱量傳遞和溫度控制，從而避免直接將主動保溫系統(tǒng)安裝在取心器外面，這樣即保證了主動保溫系統(tǒng)的控溫作用，又克服了深部作業(yè)工作空間狹小的限制。改進后主動保溫系統(tǒng)的物-場模型如圖5所示。

圖5 改進后主動保溫系統(tǒng)的物-場模型Fig.5 Substance-field model of improved active insulation system

TRIZ中通用的工程技術參數(shù)可由沖突矩陣轉換而來，沖突矩陣作為解決技術沖突的有效工具，可提供有用的發(fā)明原理［18］。

為保證主動保溫系統(tǒng)在深部環(huán)境狹小空間中正常工作，應盡量減少加熱和制冷設備、電源以及控制單元的空間占用量。但由于鉆取深度太深，主動保溫系統(tǒng)的供能需求相較于淺層取心作業(yè)大大增加，在這種情況下，如果繼續(xù)使用電纜，則將引起電能損耗嚴重、電纜線質(zhì)量過大、產(chǎn)生擾動等一系列嚴重問題，從而導致無法正常鉆探和取心。

對應于39個工程參數(shù)，主動保溫系統(tǒng)因采用傳統(tǒng)地面電纜供能方式而導致長距離供能不足和能量損耗大所對應的參數(shù)是No.3運動物體的長度；而受主動保溫系統(tǒng)需在深部小空間中作業(yè)影響的參數(shù)分別是No.21功率和No.32可制造性。當限制主動保溫系統(tǒng)的供能方式和工作空間時，其功率和可制造性必定惡化。針對上述技術沖突，可使用沖突矩陣找到對應的發(fā)明原理。主動保溫系統(tǒng)的技術沖突參數(shù)和對應的發(fā)明原理如表1所示。

表1 主動保溫系統(tǒng)的技術沖突參數(shù)和對應的發(fā)明原理Table 1 Technical conflict parameters of active insulation system and corresponding invention principle

對于由作業(yè)空間狹小引起的主動保溫系統(tǒng)功率惡化這一技術沖突，可通過發(fā)明原理1（分割原理）或發(fā)明原理35（物理或化學參數(shù)改變）來解決。

發(fā)明原理1：分割原理。

1）將物體分割成相互獨立的幾個部分；

2）將物體分割成容易組裝和拆卸的幾個部分；

3）提高物體的可分性。

基于發(fā)明原理1，將主動保溫系統(tǒng)的加熱、制冷模塊以及電源模塊分割成獨立的幾個部分，并且采用分開布置或者軸向布置的方式，以最大程度地利用井底有限的空間，保證其正常運行。本文不考慮使用化學方法來控制溫度，比如相變制熱等，因此不涉及物體物化狀態(tài)的改變，不考慮發(fā)明原理35。

對于主動保溫系統(tǒng)長距離布置電纜引起的可制造性惡化這一技術沖突，可通過發(fā)明原理17（空間維數(shù)變化）和發(fā)明原理29（氣壓與液壓結構）來解決。

發(fā)明原理17：空間維數(shù)變化。

1）將一維線性運動變?yōu)槎S平面運動或三維空間運動；

2）單層排列變?yōu)槎鄬优帕校?/p>

3）將物體傾斜或側向放置；

4）利用給定表面的反面。

基于發(fā)明原理17，將電纜從地表布置至鉆井孔底的長距離作業(yè)方式看成近似的一維空間作業(yè)方式，同時結合發(fā)明原理1，使用獨立的大功率移動電源，使電源可以隨主動保溫系統(tǒng)一起在鉆井孔底作業(yè)，縮小軸向作業(yè)空間，以解決傳統(tǒng)電纜供能方式帶來的能量損失和擾動等一系列問題。由于氣動和液壓結構對操作空間的要求較高，不考慮發(fā)明原理29。

綜上，為改善井下長距離供能對主動保溫系統(tǒng)功率和可制造性的影響，基于發(fā)明原理1和發(fā)明原理17，將原來從地面延伸至鉆井孔底的電纜解脫、分離出來，采用獨立的大功率移動電源進行供電。移動電源隨主動保溫系統(tǒng)一起在井下工作，與主動保溫系統(tǒng)一直處于相對靜止的狀態(tài)，避免電纜供電帶來的擾動、纏繞等問題。

3.5 結構布局

針對主動保溫系統(tǒng)的設計需求，使用TRIZ解決了設計過程中的技術沖突：運用物-場分析方法，通過引入中間傳熱介質(zhì)和采用軸向布置方式，對主動保溫系統(tǒng)作業(yè)空間不足這一技術沖突進行了初步解決；運用沖突矩陣和相關發(fā)明原理，采用獨立大功率移動電源供電方式，對井下長距離供能這一技術沖突進行了初步解決。

基于上述初步解決方案，對保真取心器的主動保溫系統(tǒng)進行了初步設計。主動保溫系統(tǒng)主要由電源、控制芯片、循環(huán)微泵、帕爾貼制冷器、循環(huán)介質(zhì)（水）及石墨烯加熱涂層等構成，如圖6所示。

圖6 保真取心器主動保溫系統(tǒng)的結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of active insulation system of fidelity core sampler

4 主動保溫系統(tǒng)可行性驗證

利用TRIZ改進后的主動保溫系統(tǒng)的功能需求分解圖如圖7所示。該主動保溫系統(tǒng)在12 V電源電壓下工作，采用PID（proportion integral differential，比例積分微分）控制芯片和溫度傳感器，利用石墨烯加熱涂層的加熱作用和帕爾貼制冷器的制冷作用，在循環(huán)微泵的熱對流條件下實現(xiàn)取心器的恒溫控制。

圖7 改進后主動保溫系統(tǒng)的功能需求分解圖Fig.7 Functional requirement decomposition diagram of improved active insulation system

主動保溫系統(tǒng)通過外部熱交換器進行冷熱水的循環(huán)，實現(xiàn)對恒溫試驗容器（模擬取心器）的恒溫控制；同時通過帕爾貼制冷器和石墨烯加熱涂層對恒溫試驗容器進行主動熱補償，保證其所需的溫度要求；PID控制芯片和溫度傳感器配合使用，以實時控制和監(jiān)測溫度。改進后主動保溫系統(tǒng)的工作原理如圖8所示。

4.1 試驗平臺搭建

在實驗室內(nèi)搭建試驗平臺，對主動保溫系統(tǒng)進行可行性預研試驗。在深部開采作業(yè)中，隨深度的延伸，地溫梯度一般為30～50℃/km，千米深部巖溫超過40℃［2］。考慮到中國未來礦產(chǎn)資源開發(fā)將全面進入1 000～2 000 m深部巖層，該深度下巖體溫度應取100℃，但考慮到室內(nèi)實驗操作的安全規(guī)范，保證試驗用循環(huán)介質(zhì)（水）不發(fā)生沸騰，取試驗溫度小于100℃。

圖8 改進后主動保溫系統(tǒng)的工作原理Fig.8 Working principle of improved active insulation system

在恒溫試驗容器內(nèi)安裝PT100溫度傳感器并連接無紙記錄儀，記錄恒溫試驗容器內(nèi)部循環(huán)介質(zhì)（水）的實時溫度，利用安裝在恒溫試驗容器內(nèi)壁的石墨烯加熱涂層加熱循環(huán)介質(zhì)（水），當循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度達到設定溫度時，無紙記錄儀發(fā)出信號以控制石墨烯加熱涂層和帕爾貼制冷器實時啟停：當恒溫試驗容器內(nèi)循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度低于設定溫度時，石墨烯涂加熱層開始對循環(huán)介質(zhì)（水）進行加熱；當恒溫試驗容器內(nèi)循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度高于設定溫度時，帕爾貼制冷器對循環(huán)介質(zhì)（水）進行冷卻，被冷卻的循環(huán)介質(zhì)（水）在循環(huán)微泵的作用下在管路內(nèi)部循環(huán)，使恒溫試驗容器內(nèi)循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度降低。通過石墨烯加熱涂層和帕爾貼制冷器的交替工作，可實現(xiàn)對恒溫試驗容器內(nèi)循壞介質(zhì)（水）的恒溫控制。同時，在試驗平臺上安裝增壓系統(tǒng)，以給恒溫試驗容器提供一定的壓力，模擬主動保溫系統(tǒng)在高壓工況下的工作情況和恒溫效果，從而探索溫度和壓力的耦合關系。基于PID溫度控制算法，無紙記錄儀可實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)的采集和儲存。主動保溫系統(tǒng)試驗平臺實物圖如圖9所示。

圖9 主動保溫系統(tǒng)試驗平臺實物圖Fig.9 Physical map of active insulation system test platform

4.2 可行性試驗開展

分別在制冷和加熱工況下測試主動保溫系統(tǒng)的工作情況和保溫效果。

1）制冷工況。試驗時室溫為28.2℃，循環(huán)介質(zhì)（水）的初始溫度為29.3℃，體積為580 mL；循環(huán)微泵的流量為6 L/min；設定制冷至21℃。由圖10所示的循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度—時間曲線可知，帕爾貼制冷器在0～15 min的制冷效果較為明顯，降溫速率達到0.4℃/min；經(jīng)過40 min的制冷后，在最后的15 min內(nèi)管路中循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度基本不變，維持在21℃左右。

圖10 制冷工況下循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度—時間曲線Fig.10 Temperature-time curve of circulating medium（water）under refrigeration condition

2）加熱工況。使用石墨烯加熱涂層加熱恒溫試驗容器中的循環(huán)介質(zhì)（水），得到循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度—時間曲線，如圖11所示。調(diào)節(jié)無紙記錄儀設定需要的恒定溫度，并使石墨烯加熱涂層開始加熱，達到設定溫度后繼續(xù)測定20 min內(nèi)循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度變化情況，然后繼續(xù)下一設定溫度的測試。

圖11 加熱工況下循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度—時間曲線Fig.11 Temperature-time curve of circulating medium（water）under heating condition

由圖11可知，石墨烯加熱涂層加熱升溫后，通過主動保溫系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的恒溫控制。由于實際取心器提心時間為20 min左右，測試時在設定溫度為80，85，90℃時均恒溫20 min，結果表明恒溫精度可達2.44%。后期可通過改進PID算法來進一步優(yōu)化設定溫度周圍的小波動。

綜上可知，在制冷和加熱兩種工況下，主動保溫系統(tǒng)均可使恒溫試驗容器內(nèi)循環(huán)介質(zhì)（水）保持恒溫，說明該主動保溫系統(tǒng)具有可行性，這可為后續(xù)的進一步研究內(nèi)容提供理論依據(jù)。

5 結 論

為了實現(xiàn)深部硬巖取心的溫度保真，提出了一套可在更寬溫度范圍內(nèi)進行加熱和制冷的主動保溫系統(tǒng)。結合TRIZ和FBS模型，對深部原位環(huán)境下的主動保溫系統(tǒng)進行了創(chuàng)新設計：首先，基于FBS模型，對主動保溫系統(tǒng)的功能需求進行初步映射，形成初始的功能需求分解圖；然后，對主動保溫系統(tǒng)初始設計方案中存在的技術沖突進行因果分析和功能分析，并運用物-場分析方法和技術沖突矩陣提出了2種解決方法，分別是通過引入第3種物質(zhì)和采用分割方法，初步實現(xiàn)了在深部小空間作業(yè)條件下主動保溫系統(tǒng)的恒溫控制功能，并得到了主動保溫系統(tǒng)的能量供給方案，形成了一套由熱管、帕爾貼制冷器以及石墨烯加熱涂層等組成的高效主動保溫系統(tǒng)。最后，基于主動保溫系統(tǒng)的工作原理，搭建了主動保溫系統(tǒng)可行性預研試驗平臺。通過試驗驗證可知，所設計的主動保溫系統(tǒng)可實現(xiàn)不同設定溫度的恒溫控制，即可實現(xiàn)不同深度下的溫度保真。但是，該主動保溫系統(tǒng)還存在一些不足，為實現(xiàn)更加真實的高精度深部溫度保真模擬，還需進一步研究其控溫精度和溫壓耦合等相關內(nèi)容，以不斷完善其功能。