深海地熱探針的設計及應用

羅玉璽，鄭國芝，孫牽宇

（國家海洋技術中心，天津300112）

深海地熱探針的設計及應用

羅玉璽，鄭國芝，孫牽宇

（國家海洋技術中心，天津300112）

主要介紹新型自容式高精度深海地熱探針的外形結構和內部電路原理，這種探針不但可以測定海底沉積物的溫度梯度，而且還可以現(xiàn)場測定熱導率，從而實現(xiàn)地熱的原位測量。

地熱探針；原位測量；分段隔熱技術；微型溫度記錄器

隨著世界各國對海洋資源的重視日益增加，海洋地熱研究引起了人們的廣泛關注，其主要的研究區(qū)域集中在深海沉積物覆蓋的山脊和山坡區(qū)。海洋地熱研究對于了解海底深部熱狀態(tài)和熱演化以及熱液硫化物礦床和天然氣水合物等新型海洋資源的形成和分布有重要意義。

為了測量海底地熱流，探針式熱流計在20世紀50年代后出現(xiàn)了三種主要的熱流計類型，依次是Bullard型[1-4]、Ewing型[5]、Lister型[6-7]。本文所介紹的地熱探針是在這三種類型的基礎上，引入新的關鍵技術，并結合了我國海底熱流探測的現(xiàn)狀與要求自主設計的一種新型高精度自容式地熱探針。本系統(tǒng)采用8個測溫單元記錄不同深度的溫度值，計算溫度梯度。利用瞬間熱脈沖由無限長原拄形金屬探針進入無限大介質的傳導理論，記錄探針溫度衰竭的過程，最終導出熱導率 k=P/4πT(t)t。

本系統(tǒng)由溫度測量系統(tǒng)、脈沖加熱控制系統(tǒng)、溫深與傾斜校正系統(tǒng)、電源、中央控制系統(tǒng)等組成。

1 整體外形結構及特性分析

本文研究的地熱探針采用了琴弓型結構，把12個獨立工作的微型溫度記錄器裝在一根共8節(jié)充滿礦物油的不銹鋼管探針里，這根長管像琴弦附著在較粗的實心不銹鋼支撐桿上。在探針和支撐桿的頂部是導流和姿態(tài)平衡裝置，其上承載著3個圓柱型的儀器倉。外形結構如圖1所示：

圖1 整體外形結構

探針包括三部分：導流姿態(tài)平衡裝置、探針及支架。探針主要部件的尺寸如下，儀器倉：直徑380 mm、高825 mm的圓柱形倉室，重量為341 kg；支架：直徑90 mm、壁厚6 mm的不銹鋼管，內充鉛，支架重量為524 kg，長度8 130 mm；探針：直徑30 mm、壁厚2.5 mm的不銹綱管，內充硅油，探針質量為20 kg，長度8 350 mm；支架卡扣每個0.8 kg，共5個；吊環(huán)1 kg；探針系統(tǒng)總重量890 kg。

整個探針外形結構的設計采用不倒翁原理設計，使探針不受水平分力的影響，在水中永遠垂直于地心運動。

1.1 探針水中的運動特性

根據給定的海洋環(huán)境參數(shù)以及探針技術參數(shù)計算得到4 000 m水深中探針運動的軌跡，如圖2、圖3所示。

圖2 0～4 000 m探針下落軌跡

探針從水面到海底的運動過程中，最大偏移7.4 m，發(fā)生在水深約為1 500 m的地方，之后逐漸回到原垂線位置繼續(xù)下沉；在下落水深小于80 m時，波流載荷衰減，探針將不再搖擺；纜繩與鉛垂方向的夾角在-3～5°范圍內變化，搖擺角度不大。

圖3 0～80 m探針下落軌跡

1.2 探針在沉積物中的運動特性

通過計算得到：在沉積物8.0 m深度范圍內，側向摩擦系數(shù)相同、摩擦阻力系數(shù)不同時插入沉積物需要的初始速度如表1所示。

由于不同地點的海底沉積物側向摩擦系數(shù)不同，而且同一地點的沉積物不同層的摩擦系數(shù)也不盡相同，所以探針在離海底25 m處通過釋放鉤自動釋放技術，可使自身具有足夠的初始速度能夠全部插入沉積物中，對探針插入海底開始做變減速運動過程進行分析，鋼管所受壓力小于其臨界歐拉力，因此插入過程探針不會失穩(wěn)。

1.3 分段隔熱技術

本探針創(chuàng)新地采用了分段隔熱技術，利用熱傳導率極低且耐壓的合成纖維材質，在不影響探針剛度的前提下，將探針分成6個獨立的測溫單元，使縱向傳遞與橫向傳遞的熱能幾乎相等，減小dT/dz及P/4πT(t)t的測量誤差[1]。以往地熱探針采用一根很長的不銹鋼鋼針，忽略了探針本身的熱傳導性能，由于不銹鋼探針的導熱系數(shù)達50 W/m·K左右，致使縱向傳遞的熱能比橫向傳遞的要快很多。本研究解決了這個問題，大大提高了溫度梯度測量及熱導率測量的精度。而且將探針分段后，可進行現(xiàn)場安裝拆卸，方便運輸和使用。

表1 不同側向摩擦系數(shù)時探針插入8 m需要的條件

探針的每個獨立單元中注滿礦物油，既能有效降低探針壁厚，使其在深海環(huán)境下，內外壓力平衡，以利于提高測量效果，又能使加熱線圈散熱均勻，快速均衡地加熱探針。單元兩端的數(shù)據線和線圈引出線與隔熱連接件良好密封。各單元采用隔熱材料分隔，可避免由整個探針高熱傳導所帶來的測量誤差，提高了原位測量的精度，更加貼近測量沉積層的特性。

圖4 地熱探針內部電路框圖

2 探針內部電路組成

探針內部電路如圖4所示。圖4顯示了探針頂部3個儀器倉、探針內部結構以及它們之間的關系。其中探針桿共分8段，上7段用于測量地溫梯度[1]，每段裝有1個微型溫度記錄器；最后一段用于測量熱導率[6-7]，里面裝有5個微型溫度記錄器和加熱電阻絲。整個系統(tǒng)主要由溫深儀基準系統(tǒng)、加熱電阻絲系統(tǒng)、數(shù)據采集存儲回放系統(tǒng)、傾斜測量系統(tǒng)和探針內的微型溫度記錄器5部分組成。下面對各部分進行介紹。

2.1 溫深儀基準系統(tǒng)

溫深儀采用加拿大RBR公司的TDR－2050型溫深儀，它是一款自容式測量溫度和深度的海洋儀器，該產品的鈦合金外殼耐壓6 000 m，溫度精度達到0.002°，深度傳感器精度為滿量程的0.05%。它還具有8 MB固態(tài)存儲器，總共可存儲240萬組數(shù)據，可通過RS232與PC機進行通訊。該系統(tǒng)主要用來測量探針在下放過程中的深度變化以及溫度變化，由于它的高精度和高可靠性，也可作為探針系統(tǒng)測溫單元的基準值。

2.2 加熱電阻絲系統(tǒng)

該系統(tǒng)由16 V高能電源，加熱脈沖控制系統(tǒng)和電阻絲組成。2號倉內裝有一個電壓為16 V可重復充電的蓄電池，容量為20 Ah。通過3號倉的加熱控制電路，專給電阻絲供電。

加熱脈沖控制系統(tǒng)主控芯片采用16位超低功耗單片機MSP430F149[8]，整個電路如圖5所示。

電阻絲放熱所需的電能由專用16 V恒壓電源供給，以減小脈沖激發(fā)過程對其它功能模塊的影響。主控單片機通過采集探針的加速度變化再配合時鐘電路來確定加熱電阻絲電路的開啟時間和持續(xù)時間。工作過程就按圖6所示的次序執(zhí)行。當加速度計監(jiān)測到探針插入沉積物的動作時，為了消除插入時對沉積物的擾動且測量地溫梯度，MCU等待一段7.5 min的時間，在t＝0時刻，啟動脈沖觸發(fā)電路產生持續(xù)時間15 s、強度為15 A的電流脈沖，加到電阻絲上，向沉積物供給約250 W/m的能量。從t＝0起15 min內的溫度變化全部記錄在微型溫度記錄儀中，然后將探針拔出，加速度計從t＝0起的1 h內，忽略探針加速度變化，以免給電阻絲再次加電。

圖6 探針測量時序

圖5 加熱電阻絲系統(tǒng)

在探針插入海底沉積物的22.5 min時間內的最后15 min，5個微型溫度記錄器時鐘記錄電阻絲的溫度變化，從而得到沉積物的熱導率[6-7]。

2.3 數(shù)據采集存儲回放系統(tǒng)

本系統(tǒng)通過RS485總線技術按一定的時間間隔定時采集溫度參數(shù)和傾斜參數(shù)，對這些數(shù)據進行備份，當?shù)責崽结樤谒峦瓿晒ぷ骰厥丈洗螅瑢⒉杉涗浀臏囟葦?shù)據通過RS-232接口傳送給計算機進行處理，繪制圖表。

主控芯片同樣采用超低功耗的MSP430系列單片機，存儲器選用ATMEL公司生產的容量達512 kbit（64k×8）的AT24C512，通過IIC總線與單片機連接，由于IIC總線簡單的硬件接口，可減小電路板的尺寸，以達到PCB板寬度不超過30 mm的儀器倉空間要求，但這是以復雜的時序及軟件編程為代價的。

本系統(tǒng)與PC機通訊時作為從機，與微型溫度記錄器和傾斜測量系統(tǒng)通訊時作為主機。MSP430的波特率發(fā)生器使用一個分頻計數(shù)器和一個調整器[8]，能夠用低時鐘頻率實現(xiàn)高速通信，從而在系統(tǒng)低功耗的情況下實現(xiàn)高性能的串行通信。為了進行有效的數(shù)據通信,上位機與作為下位機的模塊必須設置相同的通訊協(xié)議,發(fā)送數(shù)據時約定傳輸波特率為9 600 bit/s，8位數(shù)據位，1位停止位，無校驗位。具體的命令格式篇幅有限不作介紹。

2.4 傾斜測量系統(tǒng)

為了測量地熱探針插入沉積物的傾斜信息，采用傾斜感應器反映熱流探針實際姿態(tài)，并將傾斜角度準確記錄下來，此數(shù)據用于沉積物梯度和熱導率的誤差分析。如遇地熱探針插入的傾斜角度大于30°時，所測量的地溫梯度及熱導率應為無效數(shù)據，地熱探針應重新布放。

圖7 傾斜測量系統(tǒng)

傾斜測量系統(tǒng)的測量范圍是雙軸±45°，精度是±0.5°，采樣率4次/s，組成框圖如圖7所示，由雙軸加速度傳感器、前置放大電路和單片機系統(tǒng)組成。其中單片機系統(tǒng)包括A/D轉換、時鐘電路和存儲電路。傳感器采集加速度信息，經過內部轉換后輸出電壓值，電壓值分為兩路，一個是測量X軸方向上的加速度；另一個是測量Y軸方向上的加速度。兩路電壓信號經過前置放大電路放大處理后輸出電壓給單片機自帶的12位A/D轉換模塊，最后單片機對數(shù)據進行處理，轉化為XY軸方向上的傾斜角并存儲起來，等待RS485總線的命令。

2.5 微型溫度記錄器

傳統(tǒng)地熱探針的溫度測量多是將熱敏電阻直接放在5～9 m的探針里，模擬信號經過長距離的傳輸，在儀器倉內進行數(shù)字化處理，模擬信號在傳輸過程中產生互相干擾并且衰減，不可避免地造成了較大的溫度測量誤差。而且如果儀器倉內的主控采集系統(tǒng)出現(xiàn)問題，則所有溫度數(shù)據的采集都會失敗。

考慮到以上因素，本探針采用微型數(shù)據記錄器技術。設計了一個能夠獨立工作，模塊化的微型溫度記錄器，可以實時的完成溫度的采集存儲處理，并通過RS485總線隨時可以將存儲的數(shù)據傳到儀器倉或PC機備份作后續(xù)處理。

圖8 記錄器剖面圖

微型溫度記錄器堅固耐用，可靠性高，體積小，其記錄時間和采樣率可編程設置，最高采樣時間間隔為0.5 s；測溫范圍-5～35℃，A/D轉換器為24位，使測溫精度達±0.01℃。數(shù)據保存在非易失存儲器中，可存儲100萬次測量結果。微型溫度記錄器由一個長165 mm、外直徑20 mm、內置電路的圓柱和一個長15 mm、外部直徑3 mm、內置溫度傳感器的細尖頭組成。這種溫度傳感器置于細尖頭的設計滿足了傳感器快速響應的需要。壓力倉由高強度耐腐蝕鈦合金組成，可承受相當于4 000 m水深的壓力。其詳細的特征如圖8所示。

記錄器的參數(shù)設置和數(shù)據的下載均無需打開壓力倉。通過RS485總線進行數(shù)據傳輸。因此，記錄器只有更換電池才需要打開。整個電路由微型處理器、24位A/D轉換器、實時時鐘、RS485通訊和存儲器組成。系統(tǒng)由一個標準3.6 V微型鋰電池提供。我們將熱敏電阻作為傳感元件，它是橋式電路的一部分，它的偏置電壓經數(shù)字化后被存儲下來。除溫度外，還存儲了首次讀數(shù)的時間、單個電池能夠使用的總次數(shù)以及記錄開始和結束時的電池電壓。存儲器可以保存100萬次測量結果。當電源電壓低于所需的3.3 V時，既不會產生錯誤讀數(shù)，也不會影響測量的可靠性，但是在記錄停止前產生一個誤差常數(shù)。數(shù)據可以以內部二進制形式存儲，也可以由頭信息和數(shù)據本身組成的ASCⅡ數(shù)據文件輸出。因此文件可以很容易下載到電子制表軟件中進行后續(xù)處理。

從上面可以看出整個探針系統(tǒng)由5個可以獨立工作的系統(tǒng)組成，探針各部分實現(xiàn)了模塊化工作，這就大大提高了探針在水下惡劣環(huán)境中工作的可靠性。一旦某個模塊工作出現(xiàn)異常也不會使這個站位的地熱測量失敗。

3 海上作業(yè)使用

實際海上作業(yè)時，對測量站位及其附近海底的地形、沉積物厚度和沉積物性質有所了解。選擇了地勢平坦、沉積物較軟且厚的地方作為測量點。在布放探針之前，對其各個部分進行例行檢測，確認各部分均正常。船到達指定站位后，操縱絞車下放探針。在離海底25 m處，采用自動釋放技術，使探針靠姿態(tài)平衡裝置的重力及導向裝置，使其快速插入沉積物。插入海底沉積物7.5 min后，產生加熱脈沖。再記錄15min的數(shù)據，隨即回收探針。若不測熱導率，則只停留7.5 min。

2010年3月，搭載中國海洋大學“東方紅2號科考船，在南海北部站位重復使用，獲得了多組完整的原位測量有效數(shù)據。經過數(shù)據回放，得到的原始溫度曲線既有布放時溫度剖面，經過插入沉積物后的脈沖加熱、熱能衰竭，也有回收時的溫度剖面，如圖9所示。

圖9 溫度隨時間的變化

通過處理計算：

梯度：0.064 45℃/m

熱導率：0.163 4 Kcal/m2h℃

4 總結

地熱探針是海底沉積物溫度梯度及熱導率原位測量的專用設備。通過這種測量能夠得到該海區(qū)熱流值和地熱情況，是地質構造研究、石油資源的成熟度研究及物理環(huán)境評價等不可缺少的重要基礎資料。

目前，國內對海底地熱原位測量技術的研究與國外有較大的差距。雖然通過國際合作獲得了多個測點寶貴的熱流數(shù)據及海底熱液多金屬硫化物樣品[9-11]，在地質構造研究、油氣資源及環(huán)境評價中得到了廣泛的應用。但所選用的設備皆為進口的Bullard型探針和Ewing型地熱設備，前者進口費用昂貴，后者只能現(xiàn)場測量海底沉積物的地溫梯度而無法測量原位的熱導率，這就制約了國內在海底地熱領域的研究與發(fā)展。而本課題組所承擔的國家十一五863項目“深海沉積物地熱探針”的研制成功，具有國內海底地熱原位、快速測量裝備的自主知識產權，具有十分重大的意義。

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Design and Application of the Deep Sea Sediment Geothermal Probe

LUO Yu-Xi,ZHENG Guo-Zhi,SUN Qian-Yu
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

The construction and circuit principle of deep sea sediment geothermal probe were introduced.The probe was a new-style self-contained high precision instrument.It can measure not only thermal gradient of sea sediment,but also in-situ thermal conductivity.Therefore,the new geothermal probe realized in-situ measurement of marine geothermal heat flow.

geothermal probe;in-situ measurement;segmental technique heat insulation;minitype temperature recorder

P716+.7

B

1003-2029（2012）01-0062-05

2011-10-10

國家高技術研究發(fā)展計劃（863）資助項目（2006AA09Z229）