超万米深井机械式随钻测温装置研制与试验

Development and Testing of a Mechanical While⁃Drilling Temperature⁃Measurement Device for Ultra⁃Deep Wells

摘要

为解决超万米深井钻探中电子测温装置因高温失效的难题，研制了一种基于不可逆热敏显色原理的机械式井下随钻测温装置. 该装置集成于绳索取心钻具内管总成，利用特定熔点材料覆盖层熔化显色记录最高温度，并通过打捞矛将内管总成打捞到地表后进行数据的读取. 试验表明，装置测温范围为37~260 ℃，测量误差低于5%，且在37~65 ℃区间分辨率为3 ℃，65~260 ℃区间分辨率为6 ℃. 此外，装置需要约需30 min达到热平衡状态以进行稳定测量，并在72 h长期恒温试验中验证了优异的稳定性.该机械式测温装置无需电子元件，成功克服了超深井高温环境限制，可为万米以深钻探工程提供有效的孔底温度随钻测量手段.

Abstract

To address the failure of electronic temperature⁃measurement devices caused by extreme downhole temperatures in ultra⁃deep (10,000⁃m⁃class) drilling, this study developed a mechanical temperature⁃measurement device for while⁃drilling applications based on an irreversible thermo⁃chromic (heat⁃sensitive color⁃development) principle. Integrated into the inner⁃tube assembly of a wireline coring drill, the device uses a color⁃developing coating composed of materials with specified melting points to record the maximum downhole temperature reached. After retrieval of the inner⁃tube assembly to the surface using an overshot, the temperature record can be read. Experimental results show that the device measures temperatures from 37 to 260 ℃, with measurement errors below 5% in the 110–260 ℃ range. The resolution is 3 ℃ from 37 to 65 ℃ and 6 ℃ from 65 to 260 ℃. In addition, the device requires about 30 minutes to reach thermal equilibrium for stable measurement, and a 72⁃hour constant⁃temperature test verified its excellent stability. Because it contains no electronic components, the mechanical device avoids the high⁃temperature limitations of ultra⁃deep wells and provides an effective method for while⁃drilling bottom⁃hole temperature measurement in drilling projects exceeding 10,000 meters.

Graphical abstract

关键词

机械式 / 温度测量 / 取心钻具 / 超万米深井 / 测温试纸.

Key words

mechanical / temperature measurement / coring tools / ultra⁃deep wells / temperature⁃indicating paper

0 引言

近年来，超万米深井已从科学探索迈入工程实施阶段，当前有多口超万米深井正在施工或已完钻，其中以深地塔科1井和深地川科1井最具代表性，未来还将谋划实施超万米科学钻探工程，表明我国已具备超万米深井钻探能力并正向更深目标迈进（张正等，2024；杨海军，2025）. 超万米钻探工程施工过程中，井下温度的准确测量获取至关重要. 井底高温直接影响到钻井工具的安全与使用效果（梁健等，2025），同时高温会显著改变钻井液的流变性能、降低其携岩能力、加速其热降解失效，并可能诱发井壁失稳、卡钻等复杂情况（范胜等，2023；吴景华等，2025；章超等，2025）. 按地温梯度3 ℃／100 m计算，10 000 m井底地层温度可达300 ℃，井底循环钻井液温度约260 ℃，而目前国内外尚无能够长期工作于260 ℃以上环境的电子式随钻测量仪器. 因此，获取可靠的超万米深井的井底温度数据，对于优化钻井液配方与性能维护、指导井身结构设计、保障钻具安全及提高机械钻速及等均具有不可替代的意义.

目前，测温技术主要包括热电式（韩文康等，2026）、电阻式（劳钧杰等，2025；吴传平等，2025）、半导体式（孙伦业等，2022；赵传锋等，2026）及光纤式（迟名等，2025）等类型. 国际上，美国、欧洲等国家和地区围绕高温井下监测与测温开展了大量研究，涉及MEMS井下传感器（Andarawis et al.， 2022）、地热井IoT监测系统（Prauzek et al.， 2023）、光纤分布式温度传感（Lillo et al.， 2022；Konowski et al.， 2024）以及高温随钻/测井工具（Vedum et al.， 2017；Sugiura and Jones， 2025）等方向. 这些方法能够实现单点或分布式的温度剖面测量，具有分辨率高、响应速度快的特点，相关技术也已在国内的地热勘查（刘清晓等，2024）、油气开发（李家骏等，2025；张昊等，2025）及工程监测（任传运等，2025；徐豪等，2025）等领域得到广泛应用. 然而，上述方法及其数据处理电路均存在固有的耐温极限. 当前主流军品级电子元器件通常难以在175 ℃至200 ℃环境中长期稳定工作. 当应用于深部钻探工程时，特别是万米以深的目标层段，受地温梯度影响，井下温度极易超出此阈值，导致电子系统失效、测量中断或数据失真，无法满足超深井高温环境下的可靠测温需求. 若测温装置不包含任何电子元器件，即采用机械式测温方法，则可有效解决此问题. 因此，本文提出一种机械式的井下随钻测温装置，以期突破常规电子式测温系统的耐温极限，实现超高温环境下的井下温度可靠测量.

1 工作原理

图1所示为机械式随钻测温装置的结构及工作原理示意图. 如图1a所示，机械式随钻测温装置由绳索取心钻具内管总成、测量短节和捞矛头三部分组成，其中测量短节安装于捞矛头与岩心管之间，实现测温功能. 测量短节内部装有经过标定的测温试纸，当井下温度发生变化时，试纸对应温度刻度的颜色随之改变，通过人工观察颜色变化并读取相应数值，即可获取温度信息.

实际作业时，测温短节随绳索取心钻具内管投入井底开始测温. 提取岩心时，整套装置通过打捞矛随内管总成提至地表，卸下测量短节的密封盖板后进行温度读取. 测温试纸为一次性使用，每次读数后需更换，且仅记录当次入井期间井底的最高温度，无法单次获取多个温度测值.

进一步结合图1b对测温试纸的工作原理进行介绍. 测温试纸由基底、底色层和多级热敏覆盖层组成，不同温度区间的覆盖层选用具有特定熔点的材料：低温区常用蜡聚合物，中温区采用聚氨酯或丙烯酸共聚物，高温区则使用环氧树脂、酚醛树脂或高交联聚合物. 当环境温度升至某一覆盖层材料的熔点时，该层熔化并失去遮蔽能力，对应位置的底色随即显露. 若温度继续升高，更高熔点的覆盖层依次熔化，使更高温度对应的底色区域逐步显现. 随后通过识别显露底色的最高温度区段，即可读取该测温点所经历的最高温度. 覆盖层熔化显色过程不可逆，因此试纸仅能记录测量周期内出现的温度峰值. 同时，受覆盖层材料熔点精度的限制，该方法本质上测量的是某一温度区间.

2 结构仿真

为优化随钻测温短节的热响应性能，对其升温过程进行了仿真分析. 图2a为环境温度200 ℃条件下的仿真结果. 分析表明，盖板下方存放试纸的空腔区域升温速率显著高于同截面实心部分，其原因是空腔结构减小了内壁有效厚度并降低了热阻，从而加速了热量传递. 据此，在测温短节盖板上设计沟槽结构，以使井底温度快速传递至测温试纸，有效缩短响应时间. 进一步对不同盖板厚度下的升温过程进行仿真（图2b），结果显示盖板越薄升温越快，但不同厚度间的升温速率差异有限. 综合结构强度与温度响应速度要求，盖板厚度确定为12 mm.

随后，评估了45碳素钢、42CrMo和2Cr13三种常用材料对测温短节升温性能的影响. 图2c仿真结果表明，45碳素钢因热导率较高、比热容较低，升温速度最快，但其力学性能弱于42CrMo. 为兼顾力学性能与升温速度，选择42CrMo作为钻具材料. 最后，对优化后的测温短节在150 ℃、200 ℃和250 ℃工况下的升温行为进行了仿真验证. 图2d升温曲线显示，不同温度下曲线形态一致，均呈现初期快速上升后逐渐趋稳的特征. 鉴于更高温度下传热规律未发生本质变化，该温度范围内的分析已可充分表征钻具的热响应特性.

在完成材料及结构优化后，进一步对采用42CrMo合金钢的测温短节在200 MPa外压工况下进行了静力学仿真分析. 由图3a等效应力分布结果可知，结构高应力主要集中于盖板螺钉孔边缘及盖板与筒体连接过渡区域，说明孔边及截面突变位置存在一定的局部应力集中现象，而筒体主体区域应力分布相对均匀. 仿真结果显示，测温短节最大等效应力为839.3 MPa，低于42CrMo合金钢屈服强度980 MPa，表明结构在200 MPa外压作用下未发生屈服失效. 由图3b总位移分布结果可知，较大位移主要出现在盖板中部区域，说明盖板在外压作用下产生局部挠曲，但整体变形仍处于可控范围内. 综合分析可知，测温短节具有较好的整体承压能力和结构刚度，但螺钉孔及盖板连接区域仍是强度薄弱部位，因此在后续加工过程中应避免尖角结构，并适当增加倒角或圆角过渡，以降低局部应力集中和最大等效应力，提高结构承压可靠性.

3 室内试验

基于优化设计方案，加工了随钻测温装置样机，并利用电热恒温干燥箱对其进行温度试验. 受整套装置长度限制，试验时仅将测温短节置于干燥箱内，通过干燥箱控制按键设定不同的温度及保持时间，完成对测温装置的试验. 室内试验装置及测量短节实物照片如图4所示.

3.1　测温试纸试验

为评估不同测温试纸对测量结果的影响，选取A型与B型两种常用试纸进行对比分析. A型试纸测温范围为37 ℃至260 ℃，温度分辨率为3 ℃或6 ℃. B型试纸测温范围为40 ℃至150 ℃，分辨率为10 ℃. 两种试纸的测温点离散分布，仅60 ℃和110 ℃为共同测温点. 图5a和图5b分别给出了两种试纸在60 ℃和110 ℃条件下的显色结果，均可清晰辨识是否达到目标温度. 进一步在50 ℃至150 ℃区间内测试了两种试纸的温度响应时间以评价其响应性能，结果如图5c和图5d所示，两种试纸均在6 s内完成响应. 经多次重复实验，记录显色变化及对应温度读数，并与标准温度值对照计算测量偏差. 结果表明，两种试纸在测量灵敏度与稳定性方面表现相近，但A型试纸在测温范围与温度分辨率上具有显著优势，更适用于井下复杂环境下的温度监测. 因此，选用A型试纸作为测温试纸，该随钻测温装置可测量37 ℃至260 ℃范围内的温度，其中37 ℃至65 ℃区间分辨率为3 ℃，65 ℃至260 ℃区间分辨率为6 ℃.

3.2　测温特性试验

为验证随钻测温装置的测量特性，在37 ℃至260 ℃范围内开展了温度测量试验，并对测量结果及其误差进行了系统分析. 试验过程中，每个设定温度点均执行10次独立测量，选取平均值作为有效测量值. 鉴于目标应用场景集中于中高温地热井环境，低温段温差较小且试纸的显色阶梯会放大误差百分比，影响整体误差评价的客观性，故将110 ℃以上区间作为误差分析范围. 图6a和图6b的结果表明，随钻测温装置在整个试验温区内的测量误差均低于5%，且误差随温度升高呈现先下降后上升的趋势，这主要归因于测温试纸基于离散温度点显色. 在110 ℃至约200 ℃区间，各显色点温度间隔相对均匀，随着温度升高，相对误差逐渐减小. 在200 ℃以上区间，相邻可用显色温度段间隔显著增大，导致读取温度时的离散误差增大，进而使整体误差上升.

3.3　高温动态响应时间试验

为验证装置在高温工况下的动态响应时间，研究选取150 ℃和200 ℃两组典型高温进行恒温试验. 如图7a、7b所示试验结果可知，在升至两个目标温度点的过程中，装置均需约30 min达到稳定测量状态. 该响应时间主要源于外部环境热量需通过热传导进入装置内部，随后测温试纸才能准确响应. 在实际井下随钻测温应用中，装置随绳索取心钻具内管总成下放过程耗时较长，其温度已在此过程中逐步升高，因此到达孔底时，装置与孔底高温环境达到热平衡所需时间远少于30 min. 同时，孔底取心作业持续时间通常超过30 min，因此该装置在井下应用时能够充分达到热平衡并进行有效温度测量，其动态响应性能满足实际工程需求.

3.4　测温装置长期稳定性试验

随钻测温装置的提取与下放频率与取心作业同步，其在井下滞留时间通常较长. 为评估装置在长期高温工况下的测量稳定性，选取150 ℃和200 ℃两种典型温度，在恒温条件下开展了72 h耐久性试验. 每组试验持续恒温加热72 h，分别于0 h、12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h记录测温读数，以观测测量值随时间的变化. 图8的试验结果表明，72 h内各时间点的测量读数保持稳定. 由此可见，该随钻测温装置在长期高温工况下具有优异的稳定性与可靠性.

3.5　同类技术对比分析

为评估测温装置在高温地质钻探中的适用性，从测温范围、分辨率及结构特点等方面，与现有典型高温测温技术进行了对比分析，结果如表1所示. 现有高温井下测温技术主要包括机械式无源测温、电子式随钻测温和光纤分布式测温3类. 机械式测温方法具有结构简单、无需供电、耐温能力较强等优点. 其中，毛细管/熔点阈值式测温范围可达70~630 ℃，分辨率仅为30~117 ℃，更适用于温度阈值判断. 液体膨胀式机械温度计最高测温范围约350 ℃，分辨率约2 ℃，但多为单点测量，且含汞介质存在安全与环境风险. 双金属式温度记录仪可在0~470 ℃范围内工作，分辨率约1 ℃，然而其装置尺寸较大，在小口径及高狗腿度钻孔中的应用受到一定限制.

电子式随钻测温系统与光纤分布式测温具有更高的测温分辨率，高温元件式随钻测温系统分辨率可达0.05 ℃，金属保温瓶式系统为0.1~0.5 ℃，光纤DTS可达0.01 ℃. 但上述技术在高温地质钻探中仍受限于电子元件耐温上限、隔热保护时间、井下供电及随钻布设条件等因素. 本文提出的测温装置测温范围为37~260 ℃，分辨率为3~6 ℃，虽然分辨率低于电子式与光纤式系统，但具备无源、小型化、结构简单、耐高温和易于布设等特点，更适用于小口径高温地质钻探中的温度阈值识别与辅助测温.

4 现场试验

为检验测温装置在实际工况下的性能，借助某公司试验基地开展了现场试验. 鉴于超高温井试验条件难以获取，现场通过人工加热方式升高孔底温度以模拟井下高温环境，同时考核装置的整体装配与工况适应性. 试验过程中，设置不同时间间隔将随钻测温装置通过绳索提至地表进行数据读取. 图9的现场试验结果表明，测量温度随时间增加逐渐上升，但受气温较低及初期环境散热影响，前期升温速率较缓，中后期升温速率逐渐增大. 最终测得孔底温度为82 ℃，与温度计实测的井底泥浆温度相差2 ℃. 由此可见，该随钻测温装置在实际应用中具备可行性.

5 结论

本文提出了一种机械式井下随钻测温装置，其测温范围为37 ℃至260 ℃，其中37 ℃至65 ℃区间分辨率为3 ℃，65 ℃至260 ℃区间分辨率为6 ℃，全量程测量误差均低于5%. 装置在高温工况下约30 min达到热平衡，72 h连续恒温试验中测量稳定性优异. 现场试验测得孔底温度82 ℃，与温度计实测值相差2 ℃，验证了装置的实际可行性.

本文创新点主要有两个方面. 第一，提出了一种基于热敏覆盖层不可逆显色原理的机械式测温方法，装置不含任何电子元器件，从原理上规避了电子系统在超高温环境下易失效的问题，因此能够在超高温井下长期可靠测量井底温度. 第二，将测温装置集成于绳索取心钻具内管总成，实现了测温与取心作业的同步进行，无需单独下放测量工具，不增加现场额外工作量，不影响钻探效率，并且能够在多个取心回次连续获取井底温度数据.

然而，目前装置仅能记录单次最高温度，后续将通过多段触发式试纸设计实现多温度点记录. 同时该装置的测温上限与分辨率有待提升，未来将研发耐更高温度的感温材料，扩展量程并细化温度识别区间. 此外，未来还需推进装置小型化以增强对小直径井眼的适应性，并围绕机械与电子混合测温、随钻实时监测及极端工况适应性等方向持续优化，以提升装置在特深井钻探中的应用能力.

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基金资助

深地国家科技重大专项资助：超万米科学钻探井身结构及绳索取心钻具研发(2024ZD1000901)

中国地质调查局地质调查项目“固体矿产高效精准勘探技术及自动化钻探装备升级与应用”(DD20242850)