深孔數(shù)字地溫測量記錄儀的研制與應用

牟宗玉, 袁金榜, 李小勇, 汪 力, 林肖榮, 蔡崇和

(1.湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊,湖北 宜昌 443100; 2.湖北省鄂西地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院,湖北 宜昌 443100)

深孔數(shù)字地溫測量記錄儀的研制與應用

牟宗玉1, 袁金榜1, 李小勇2, 汪 力2, 林肖榮1, 蔡崇和1

(1.湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊,湖北 宜昌 443100; 2.湖北省鄂西地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院,湖北 宜昌 443100)

地質(zhì)和地熱勘查中,為評價勘查區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件,需要選擇代表性鉆孔進行地溫測量。由湖北省地質(zhì)局第七地質(zhì)大隊研制的HBDZ 7-1型深孔數(shù)字地溫測量記錄儀,解決了以往觀測設(shè)備笨重、勞動強度大、觀測費用高和成果系統(tǒng)性差的問題。該記錄儀在宜昌興神勘查區(qū)ZK801孔和江家墩磷礦區(qū)ZK401孔2個深孔實踐應用中取得了良好的效果,是一種多快好省地進行地溫測量和記錄的有效器具。

勘查;地溫測量;記錄儀;研制

在地質(zhì)勘探中,根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》的要求需要對不同構(gòu)造部位的鉆孔進行地溫測量,以確定恒溫帶深度、溫度及地溫梯度等地質(zhì)環(huán)境溫度信息,為評價礦床開采條件提供依據(jù)[1];在地熱勘查中,為確定熱儲層的埋深、冷熱水界面的深度和成井結(jié)構(gòu)等信息,也需要進行鉆孔地溫測量。以往測量地溫,多數(shù)采用電纜連接熱敏電阻探頭下入孔內(nèi)逐點進行測量。對測量深度六七百米,甚至逾千米的鉆孔,須配備相應的電動機和絞車,全套地溫測量設(shè)備重量超過350 kg,造價2.5萬～3.0萬元,使用時攜帶與搬運不便,測量費用高,如測量一個距離為50～60 km、孔深為700～1 000 m的運費達1 200～1 350元,山高坡陡時超過1 500元。同時,測量勞動強度大、資料系統(tǒng)性和精度難以保證。

為解決上述問題,湖北省地質(zhì)局第七地質(zhì)大隊一直在探索、研究便攜性好且可自動記錄數(shù)據(jù)的地溫測量儀器,經(jīng)過設(shè)計、制造與測量實踐,成功地研制出HBDZ7-1型深孔地溫測量記錄儀(簡稱“地溫記錄儀”),經(jīng)對宜昌興神保磷和鉛鋅礦整裝勘查區(qū)ZK801孔和江家墩磷礦區(qū)ZK401孔等進行全孔地溫測量檢驗,均取得了良好的預期效果。

1 設(shè)計思路與要求

(1) 目前各地勘單位的深孔鉆探多數(shù)采用繩索取芯的工藝,因而“地溫記錄儀”須小型化,并能順利下入繩索取芯的鉆桿內(nèi)。

(2) 地溫實測時,只利用鉆機已有的鋼絲繩即可上下孔內(nèi),并通過鋼絲繩記錄下入深度,無其它輔助設(shè)施。

(3) “地溫記錄儀”須承受超過100 atm(靜水柱>1 033 m)壓力,并防止高壓水入滲,確保儀器在深孔內(nèi)正常工作。

(4) 儀器下到不同深度后須能自動記錄地溫,并儲存測量數(shù)據(jù),以便電腦讀取和打印結(jié)果。

因此,設(shè)計的地溫測量儀須以小巧輕便、造價低廉、操作簡便、數(shù)字記錄和結(jié)果可靠為基本宗旨,取消以往笨重電纜傳輸?shù)販氐妮d體?；谏鲜鰳?gòu)想,經(jīng)多次比較與試驗,選擇江蘇精創(chuàng)電氣股份有限公司生產(chǎn)原用于監(jiān)測冷藏集裝箱、冷藏車、冷庫和實驗室溫度的RC-4溫度記錄儀作為地溫測量記錄儀的“心臟”*江蘇省精創(chuàng)電器股份有限公司,RC-4迷你型溫度記錄儀使用說明書。,通過對RC-4溫度記錄儀旁側(cè)連接溫度探頭的丁字形插頭(外突1.3 cm)更變?yōu)橥馔粌H2 ～2.5 mm的鈕扣式插頭,然后與固定在外置溫度探頭的另一端的內(nèi)置電線連接,從而使改裝后的RC-4溫度記錄儀能順利下入內(nèi)徑48 mm的防水、防沖壓的護管內(nèi),形成可長期和重復使用的深孔地溫測量記錄儀(圖1)。目前研制的HBDZ 7-1型深孔地溫測量記錄儀的護管為在車床上制造完成,其材料可采用圓鋼或銅錠或適宜的厚壁銅管制作,但以銅制材料制作為佳,包括護管材料及加工等費用在內(nèi),一套設(shè)備總造價在1 800～2 000元之間,僅相當于原來采用電纜、絞車加電動機設(shè)備造價的1/15左右,或大約相當于原設(shè)備進行一次地溫測量往返的運輸費。其經(jīng)濟效益是顯而易見的。

圖1 HBDZ7-1型深孔地溫測量記錄儀工作原理圖Fig.1 Functional diagram of HBDZ7-1 deep hole ground temperature measurement instrument

2 工作原理與工作方法

“地溫記錄儀”是由專門外置溫度探頭連接儀器中的NTC熱敏電阻傳感器進行溫度測定與記錄。在實施地溫測量時,將“地溫記錄儀”固定在鋼絲繩前端下入孔內(nèi),一般為自上而下或自下而上每隔25～50 m設(shè)一測點進行觀測。

當“地溫記錄儀”由鋼絲繩下入鉆孔后,根據(jù)鋼絲繩下入長度計算“地溫記錄儀”所處孔深,并記錄當時時間。由于外置溫度探頭連接的熱敏電阻傳感器會按照事先設(shè)定的時間間隔不間斷地記錄不同孔深的溫度和時間數(shù)據(jù),直至測量結(jié)束取出儀器后停止。為使每一測點(深度點)的測量、記錄成果更符合實際,在提升或下降過程中,各測點以停留4～6 min為宜。

最后將RC-4溫度記錄儀取出,通過USB接口的數(shù)據(jù)線導入電腦,按照“深度—時間—溫度”的對應關(guān)系,即可整理出鉆孔內(nèi)不同深度的地溫數(shù)據(jù),并制作相關(guān)圖表。

3 “地溫記錄儀”結(jié)構(gòu)、功能和主要技術(shù)參數(shù)

“地溫記錄儀”是由RC-4溫度記錄儀加裝防高壓水入滲、防沖壓鋼制或銅制外套和溫度探頭等組成,主要用于鉆孔中地溫測量,用時與電腦連接。外套上下兩端均在絲扣和密封橡膠圈的護管內(nèi),以防止高度達數(shù)百米甚至千余米靜水柱的水壓滲入,確?！暗販赜涗泝x”能正常工作。

其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 HBDZ 7-1型深孔地溫測量記錄儀技術(shù)參數(shù)表

4 “地溫記錄儀”應用實例與效果

4.1 地溫測量前的準備

(1) 初次使用“地溫記錄儀”進行測量前,須在電腦上安裝RC-4溫度記錄儀數(shù)據(jù)管理軟件,將RC-4溫度記錄儀用USB線連接至電腦,對RC-4溫度記錄儀的各項參數(shù)進行設(shè)置,如數(shù)據(jù)記錄間隔、校準記錄儀時鐘等。具體操作按照RC-4溫度記錄儀使用說明書進行。

(2) 在RC-4溫度記錄儀裝入護管前,須同步記錄計時裝置(如手表、手機等)的時間,并用精度較高的水銀溫度計對儀器進行溫度的顯示校正,記錄校正值填入設(shè)置界面相應位置并予以保存,以使最終輸出結(jié)果與實際相符。這是確保測量結(jié)果準確的必要步驟。溫度記錄儀在設(shè)置好記錄間隔、開啟記錄功能后裝入護管,護管的上、下護蓋必須安裝2～3個橡膠密封圈(圈外宜涂少許機油作潤滑劑),并上緊絲扣(最好在絲扣上涂上紅油漆和加棉紗條,并在接縫處纏防水膠布),以確保防水效果。

(3) “地溫記錄儀”安裝完成后,即可將該儀器通過鉆機鋼絲繩下入孔內(nèi)進行地溫測量與記錄工作。

(4) 為進行全孔不同深度部位地溫的測量,一般多為將“地溫記錄儀”自上而下(也可自下而上)每隔30～35 m停留5～6 min,并記錄每次停留時“地溫記錄儀”所在孔深和對應時刻。RC-4溫度記錄儀則按事先設(shè)定時間間隔不間斷地記錄溫度與時間數(shù)據(jù)。

4.2 興神保磷鉛鋅礦整裝勘查區(qū)ZK801孔實測效果

該孔于2014年6月下旬終孔,孔深1 461.44 m,孔口標高1 052.93 m。實測終孔靜水位埋深266.50 m,見工業(yè)磷礦層深度1 367.37 m。在測量地溫過程中,儀器承受靜水壓力為107.1個標準大氣壓。

(1) 2014年7月1日使用HBDZ 7-1型深孔數(shù)字地溫測量記錄儀進行地溫測量?！暗販赜涗泝x”為利用鉆機的鋼絲繩自上而下由繩索取芯的鉆桿中緩慢下入孔內(nèi)。下入之前,設(shè)置RC-4溫度記錄儀的記錄間隔時間為1 min。“地溫記錄儀”在下入過程中,每隔30～35 m設(shè)一測點,各測點停留5～6 min,同時記錄暫停下入時的時間、暫停持續(xù)時長以及當前深度。該孔共計設(shè)測點41個?？紤]該孔見工業(yè)磷礦層深度為1 367.37 m,故“地溫記錄儀”只下入至孔深1 373.50 m,即位于工業(yè)磷礦層以下約6 m;隨后提升“地溫記錄儀”,取出RC-4溫度記錄儀,連接電腦,查看測量結(jié)果,輸出時間與溫度之間的關(guān)系曲線,再與下入鋼絲繩時記錄的時間與深度數(shù)據(jù)結(jié)合,即得到該孔內(nèi)地溫與孔深的關(guān)系曲線。測量結(jié)果見表2及圖2、圖3。

表2 ZK801鉆孔主要測深點地溫測量結(jié)果表(部分)

注:1)孔深167.5 m以上,地溫隨深度增加而降低,累計溫差-6.6 ℃;2)孔深167.5～268.0 m,地溫隨深度增加而升高,但升幅很小,累計溫差+0.6 ℃;3)孔深268.0 m以下地溫隨深度增加而升高的增溫幅度較大:由268.0～1 373.5 m累計增溫+14.5℃,平均每百米增溫1.31℃。

圖2 ZK801孔地溫與時間關(guān)系曲線圖Fig.2 Curve of ground temperature of ZK801 hole and time relation

(2) 表2為依據(jù)測量時間與不同深度的地溫測量結(jié)果(由于筆者在溫度記錄儀中設(shè)置為每分鐘自動記錄一次,本次測量過程中共記錄數(shù)百組數(shù)據(jù)。該表對各測點之間的記錄數(shù)據(jù)已省略,僅列出部分測深點的相應地溫)。圖2為測量時間與相應地溫的關(guān)系曲線,由RC-4溫度記錄儀管理軟件自動生成,圖3為根據(jù)測量結(jié)果繪制的深度與地溫變化曲線。

(3) 從表2和圖3可看出:ZK801孔所處地段,工業(yè)磷礦層賦存部位在自然條件下,其地下溫度為28.3℃。由于勘查區(qū)一帶地形高陡,受大氣影響的深度較大,在深度167.5 m以上為受氣溫(季節(jié))影響的溫度變化帶(簡稱“變溫帶”),溫差6.6℃;深度167.5～268 m屬大氣溫度影響很小的常溫帶,其溫度在13.2～13.8℃之間,溫差僅0.6℃,該帶溫度約高于當?shù)啬昶骄鶜鉁?.5～3℃;268 m以下為地熱增溫帶,但增幅小于地球每百米3°的平均增溫梯度。該孔所在地段,平均地熱增溫梯度為1.31℃/100 m。這一地溫變化特點與2013年本隊采用電纜連接熱敏電阻探頭的測溫儀對近鄰的江家墩礦區(qū)和宜昌磷礦北部竹園溝—下坪勘查區(qū)的鉆孔地溫實測結(jié)果為1.03～1.38℃/100 m的地熱增溫率基本一致。說明該孔采用HBDZ 7-1型地溫記錄儀測量結(jié)果的可靠性較高。

圖3 ZK801孔地溫隨深度變化曲線圖Fig.3 Curve of ground temperature of depth variation of ZK801 hole

4.3 江家墩磷礦區(qū)ZK401孔實測效果

(1) 該孔于2014年10月下旬終孔,孔深794.63 m。實測終孔靜水位425.40 m。在測量地溫過程中,儀器承受最大靜水壓力33.84個標準大氣壓。

(2) 2014年10月29日使用地溫測量記錄儀進行地溫測量。在測量過程中,每隔25 m設(shè)一測點,各測點均停留4 min,同時記錄其時間及對應孔深,該孔共計設(shè)測點31個。隨后提升“地溫記錄儀”,取出RC-4溫度記錄儀,連接電腦即可查看全孔測量結(jié)果,輸出時間與溫度的關(guān)系曲線,再同下入鋼絲繩時記錄的時間與深度對應,即可得到該孔內(nèi)地溫與孔深的關(guān)系曲線。測量結(jié)果見表3、圖4。

(3) 從表3和圖4可看出:該孔工業(yè)礦層賦存部位在自然條件下,其地下溫度為15℃左右。由于勘查區(qū)一帶地形坡陡,臨空面發(fā)育,且ZK401孔南東和北西兩側(cè)又為深溝切割,受大氣變化影響的深度較大,因而其變溫帶深度顯著增大亦是合理的。該帶地溫在10.9～11.8℃之間,溫差僅0.9℃,其平均溫度為11.35℃,約高于當?shù)啬昶骄鶜鉁?.5℃。425 m以下為增溫帶,但其增溫率僅為每百米1.11℃,與實例1的ZK801孔及宜昌磷礦北部其它勘查孔的實測結(jié)果(1.03～1.38℃/100 m)基本一致。

圖4 ZK401孔地溫隨深度變化曲線圖Fig.4 Curve of ground temperature of depth variation of ZK401 hole

表3 ZK401鉆孔主要測深點地溫測量結(jié)果表(部分)

注:1)孔深400.0 m以上,地溫隨深度增加而降低,累計溫差-10.6℃;2)孔深425.0 m以下,地溫隨 深度增加而升高,但升幅很小,累計溫差+3.9℃,平均每百米增溫1.11℃。

5 結(jié)語

(1) HBDZ 7-1型深孔地溫測量記錄儀輕巧耐用,攜帶、使用方便,測溫數(shù)據(jù)可靠,大幅提高了深孔地溫測量工作效率。在興神保磷礦和宜昌磷礦北部整裝勘查區(qū)2個深孔的實踐應用,均取得了良好的效果。從地溫測量成果曲線和測量記錄表中可直觀地反映不同深度的地溫變化特點與規(guī)律,具有觀測資料系統(tǒng)性、連續(xù)性強和降低深孔地溫測量費用與勞動強度等優(yōu)點,不失為一種多快好省地進行鉆孔地溫測量的儀器。

(2) 該地溫測量記錄儀的研制與實踐應用關(guān)鍵是防沖壓的護管設(shè)計與護管(筒)防水,護管材料可采用圓鋼、銅錠或銅管制作,以銅制材料為佳。興神保磷礦和宜昌磷礦北部整裝勘查區(qū)測量地溫的鉆孔,孔深多>1 300 m,鉆孔中靜水位埋深在250.0～450.0 m之間,亦即儀器承受靜水壓力為80～110 atm。為此,止水膠圈和絲扣的密封性好壞成為制約測量工作成敗的最重要一環(huán),否則將會使地溫測量工作前功盡棄。因此,在實施測量前,必須詳細檢查密封圈的完好性和護管絲扣的緊固性,尤其是當發(fā)現(xiàn)密封膠圈有損時,必須予以更換;另外,安裝在CR-4溫度記錄儀中的CR2450鈕扣電池容量充足與否,均是在實施地溫測量前必須予以高度重視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

致謝:HBDZ 7-1型深孔地溫測量記錄儀在設(shè)計和制作過程中,得到蔡崇和、王愛軍和肖國輝等同志的大力協(xié)助,在此深表謝意。

[1] 國家技術(shù)監(jiān)督局.礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范：GB12719—91[S].

(責任編輯：陳文寶)

Development and Application of Deep Hole Digital GoundTemperature Measurement Instrument

MOU Zongyu1, YUAN Jinbang1, LI Xiaoyong2, WANG Li2, LIN Xiaorong1, CAI Chonghe1

(1.SeventhGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Yichang,Hubei443100; 2.GeologicalMineralInvestigationInstituteofWesternHibei,Yichang,Hubei443100)

Itneed to choose the representative borehole temperature measurement for geological environmental conditions in geological and geothermal exploration.The problems including heavy equipment,high labor intensity,high cost and the results of systematic observation are solved by deep hole digital ground temperature measurement instrument. The application of two deep holes in Xingsjem exploration area and Jiangjiadun in phosphorus mineral area has achieved good results,is a more effective instrument for earth temperature measurement and recorder.

exploration; earth temperature measuring; recorder; development

2015-03-18;改回日期:2015-07-15

牟宗玉(1972-),男,高級工程師,地質(zhì)礦產(chǎn)勘查專業(yè),從事礦產(chǎn)勘查、研究工作。E-mail:526133972@qq.com

P314.3; TP216

A

1671-1211(2016)02-0226-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.02.020

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160303.1056.006.html 數(shù)字出版日期:2016-03-03 10:56