自存儲式高清探頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化及44.45mm小外徑適配性技術(shù)研究

摘要

中深層煤層氣監(jiān)測井內(nèi)徑普遍為50 mm，傳統(tǒng)電纜式井下攝像探頭外徑偏大，無法下入細(xì)口徑井筒，嚴(yán)重制約煤層氣井筒可視化檢測工作。本文以44.45 mm外徑自存儲高清光學(xué)探頭為研究對象，開展小型化緊湊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。對CMOS成像傳感器、耐高溫鋰電池、環(huán)形LED照明、存儲主板、高壓承壓外殼進(jìn)行緊湊排布；外殼選用高強(qiáng)度耐壓材料，滿足25 MPa高壓密封要求；針對井下70 ℃長期高溫工況，完成電池續(xù)航、光源穩(wěn)定性、存儲芯片可靠性校核；優(yōu)化防水密封結(jié)構(gòu)、耐磨防爆鏡頭組件。對比大直徑電纜探頭，分析44.45 mm探頭在細(xì)口徑井、彎曲井段、篩管井的通過性能；優(yōu)化扶正器、導(dǎo)向頭等配套機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低下放卡頓、套管刮蹭風(fēng)險；實現(xiàn)視頻、溫度、壓力多參數(shù)同步存儲。通過室內(nèi)耐壓、高溫老化、模擬井筒下入試驗，驗證小型化探頭穩(wěn)定性，為細(xì)口徑煤層氣深井成像探頭小型化優(yōu)化提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：自存儲光學(xué)探頭；44.45 mm小外徑；CMOS傳感器；耐高溫電池；25 MPa耐壓；密封結(jié)構(gòu)；細(xì)口徑監(jiān)測井；煤層氣井筒；探頭扶正器；井下成像硬件

引言

我國大部分煤層氣監(jiān)測井、觀測井內(nèi)徑僅50 mm，市面上常規(guī)電纜傳輸井下電視探頭外徑大多大于55 mm，無法下入井筒。想要開展井筒內(nèi)壁檢測、壓裂裂縫識別、煤粉堵塞定位，必須采用外徑更小的小型化井下探頭。

自存儲式探頭內(nèi)置供電、存儲、成像單元，不需要井下傳輸電纜，硬件集成度更高，可以實現(xiàn)44.45 mm極小外徑。但是小型化設(shè)計帶來元器件排布緊湊、散熱困難、高壓密封難度提升、電池體積受限續(xù)航縮短等難題。因此針對1400 m煤層氣井工況，開展小外徑探頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高溫高壓適應(yīng)性設(shè)計，是實現(xiàn)細(xì)口徑井筒可視化檢測的核心前提。

1 44.45 mm探頭硬件結(jié)構(gòu)緊湊化設(shè)計

探頭整體分為成像單元、照明單元、供電單元、主控存儲單元、溫壓采集單元、高壓承壓外殼六部分。

成像單元選用小型低功耗CMOS高清傳感器，體積小、功耗低，適合狹小空間安裝；鏡頭采用耐磨藍(lán)寶石鏡片，抵御井筒煤粉、雜質(zhì)刮擦。

照明采用環(huán)形分布式LED冷光源，環(huán)繞鏡頭布置，井下照明，同時控制整體外徑。

供電選用耐高溫圓柱形鋰電池，適配70 ℃井下環(huán)境，內(nèi)置過充過放保護(hù)板；由于探頭外徑受限，電池采用多節(jié)緊湊排布，在有限空間保障續(xù)航時長。

主控存儲板采用小型集成電路板，集成視頻編碼、數(shù)據(jù)存儲、時鐘同步、溫壓信號采集功能，減少電路板數(shù)量，節(jié)約內(nèi)部空間。

承壓外殼采用高強(qiáng)度合金材質(zhì)，整體一體化加工；端面采用多重O型圈高壓密封，螺紋處密封膠加固，滿足25 MPa耐壓指標(biāo)。

2 高溫工況下元器件性能校核

井下長期70 ℃環(huán)境，是小型探頭故障主要誘因。鋰電池高溫環(huán)境下容易出現(xiàn)容量衰減、鼓包、電壓不穩(wěn)；LED光源高溫下亮度衰減嚴(yán)重；存儲芯片高溫容易出現(xiàn)讀寫錯誤、視頻丟失。

本次優(yōu)化選用工業(yè)級寬溫元器件，?20 ℃~85 ℃工作區(qū)間；開展70 ℃連續(xù)48 h高溫老化試驗，測試?yán)m(xù)航、照明亮度、視頻錄制穩(wěn)定性；探頭內(nèi)部設(shè)計被動散熱結(jié)構(gòu)，外殼導(dǎo)熱，將內(nèi)部熱量傳導(dǎo)至井筒水體，降低元器件溫度。

3 密封結(jié)構(gòu)與防腐耐磨優(yōu)化

煤層氣井地層水含有礦物質(zhì)、腐蝕性離子，容易腐蝕外殼、侵蝕密封位置。外殼表面做防腐耐磨涂層；O型圈選用耐高溫耐腐蝕氟橡膠；所有接線位置做灌膠密封處理，杜絕高壓滲水。

探頭前端加裝可更換耐磨鏡頭護(hù)罩，煤粉、碎石不會劃傷藍(lán)寶石鏡頭。

4 細(xì)口徑井筒適配性優(yōu)化

探頭外徑44.45 mm，和50 mm井筒預(yù)留5.5 mm間隙；外部加裝彈簧式彈性扶正器，探頭始終居中，不會貼靠井壁，下放過程減少刮蹭、卡頓。

流線型導(dǎo)向頭優(yōu)化，遇到井筒臺階、篩管、彎曲井段可以順滑通過，降低卡堵概率。

5 室內(nèi)性能試驗

開展25 MPa高壓耐壓保壓試驗、70 ℃高溫浸泡試驗、模擬50 mm井筒反復(fù)起下試驗、煤粉磨損試驗。試驗結(jié)果表明探頭耐壓密封可靠、高溫工作穩(wěn)定、細(xì)口徑井筒通過性良好，可以滿足1400 m煤層氣井長期作業(yè)。

6 結(jié)論

44.45 mm小型化自存儲光學(xué)探頭通過緊湊硬件集成、高溫元器件選型、高壓密封優(yōu)化、彈性扶正結(jié)構(gòu)設(shè)計，適配50 mm煤層氣細(xì)口徑監(jiān)測井；解決傳統(tǒng)電纜探頭外徑過大無法下入的行業(yè)難題，結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)，適合中深層煤層氣井常態(tài)化井筒檢測。

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設(shè)備類關(guān)鍵詞

井下電視成像、井下光學(xué)成像、分層測溫線纜、深井測溫系統(tǒng)、雙目測井成像、自存儲式井下探頭、地下水監(jiān)測設(shè)備、井下成像探頭、耐高溫測井線纜

技術(shù)工藝關(guān)鍵詞

精準(zhǔn)測井、井下可視化探測、井筒檢測、分層溫度監(jiān)測、地?zé)峋淳?、井筒缺陷排查、地?zé)岷畬佣ㄎ?、深井耐壓探測、井下立體成像

行業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵詞

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