摘要
在绳索取心钻探过程中，井底温度与压力的实时测量，有助于改进取心工艺，提高岩心采取率；同时岩心在井底的原位测量数据对于了解岩心的物理特性有着重要意义，这一点在海域天然气水合物勘探中尤为明显。本文主要介绍了一种内置于保压取样钻具中的温压采集器的结构及其工作原理。该采集器采用干电池供电，单次工作时间>72 h，能够采集与存储整个取样过程中岩心管内的温度与压力参数，与电脑端连接后就能得到全部数据。通过搭载海洋地质十号钻探船，该采集器完成了一个回次的海试试验，得到了整个绳索取心钻进过程的温度与压力数据。经过分析，收集到的数据与实际取心工艺过程相符，数据平稳可靠。
随着向地球深部进军战略布局的逐步展开，现阶段我国深海钻探与深地钻探工作量越来越多。钻探取心是我们了解地球深部地质情况最重要、最直接的手
保压取样钻具采用绳索打捞的方式，将地球深部的带压岩心取回地面，并通过特殊方式处理能够保持岩心的原始状态，有利于分析出岩心在地下原位时内部各种物质的状态及其含量，准确判断地层中资源组成及储量。保压取样技术在煤层气、深部油气以及海域天然气水合物等钻探取心中具有不可或缺的重要作用。国内外对于保压取样钻具的结构及取心工艺均开展了大量研究，形成了多种产品，也进行了现场应
由于保压取样钻具结构紧凑、内部空间狭小，研制与之适配的温压采集器难度较大，国内外具有实时测量并记录岩心温度与压力数据功能的保压取样钻具尚未见公开报道。对于钻探技术人员来说，不了解井下岩心的实际参数，很难及时准确地改进取样工艺，因此急需研制一种能够内置于取样钻具中的温度与压力采集器来解决上述问题。
TKP系列保压取样钻具是北京探矿工程研究所经过多年研制形成的产品，该钻具主要用于海域天然气水合物样品的采取，目前已在我国的多个海域完成了多次试验验证，取得了良好的效
图1 TKP-2保压取样器内管总成
Fig.1 Inner tube assembly of TKP-2 series pressure core sampler
保压取样钻具的工作原理为随钻取心、绳索打捞的方式。首先将钻具内管总成投放到井底，进入井底外管总成后，启动顶驱与泥浆泵，开始取心钻进。在钻进过程中钻杆会带动取样钻具一起回转，岩心逐渐进入岩心管中，回次钻进结束后通过绳索打捞内总成时，通过差动实现球阀翻转关闭，并带动蓄能器给岩心管充压，保持住岩心管内部压力，实现保压取样。
为了监控保压取样钻具在天然气水合物钻探取心全过程中井内的温度与压力参数，在TKP系列保压取样钻具基础上，研制了一套内置的温度与压力采集系统。该采集器安装在取样钻具蓄能器下端的岩心管中，位于岩心管的上部（参见
图2 温压采集器系统组成
Fig.2 Composition of the collector system
该采集器具有以下技术特点：
（1）结构小巧，整体尺寸Ø54 mm×355 mm，能够直接安装在保压取样钻具的岩心管内；
（2）采用高强度合金钢制成，耐压>25 MPa；
（3）系统整体耗电量低，连续工作时间>72 h；
（4）数据接口简单，单一接口既能读取数据，也能通过该接口对电池进行充电，不需要频繁拆卸外壳更换电池；
（5）具备24位数据采集系统，采样精度高；
（6）内存4 MB，能够存储大量的数据；
（7）采集器不工作时，可以通过软件程序实现系统休眠，降低功耗。
温压采集器的工作原理是利用传感器采集岩心管内的温度与压力信号，通过电路输入到数据采集卡中，采集卡将该信号进行处理并转化为控制器可以识别的数字信号，控制器再将该数据进行处理并存储起来。通过一端的水密接头利用定制的数据线与电脑端连接，完成数据读取。采集系统的元器件采用锂电池供电，电路原理如
图3 温压采集器工作原理
Fig.3 Working principle of the collector
ADS1256是德州仪器（TI）Burr-Brown 产品线推出的针对工业应用的数据采集
本采集器使用ESP32集成数据开发板，该类开发板在物联网中应用广
由于采集器内部空间尺寸非常小，选用的压力传感器在具备高精度的前提下，体积小巧是首选。本采集系统采用的是溅射薄膜压力传感器，该传感器性能稳定、结构紧凑，整体尺寸Ø14 mm×45 mm，测量范围0~30 MPa，测量精度±0.1%，激励电压5~12 V，工作温度-30~160 ℃，
图4 压力传感器
Fig.4 Pressure sensor
温压采集器主要由传感器、采集卡、时钟模块、开发板等硬件组成。开发板供电3.7 V，板载有引脚可以输出5 V电压，利用该引脚对温度传感器、压力传感器以及ADS1256数据采集卡进行供电；将传感器的信号输出引脚接到ADS1256数据采集卡的AIN端口；利用SPI总线将采集卡与开发板连接；将时钟模块通过I2C总线与开发板进行连接。实际完成的采集器内部电路结构如
图5 温压采集器内部电路实物结构
Fig.5 Physical structure of the collector internal circuit
本采集卡采用ESP32核心处理器，集成开发环境采用Arduino IDE软件，Arduino是由一个欧洲团队开发出的一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，现阶段已经有大量的硬件开发者开始使用Arduino来开发产品，也有很多软件工程师使用Arduino进入硬件、物联网等开发领
图6 温压采集器控制流程
Fig.6 Collector workflow
程序开始工作后，首先进行系统的初始化，系统整体功能自检，完成对系统的内部文件数据进行配置，完成开发板全部引脚的定义与功能配置。
第二步完成SPI通信与I2C通信的配置，与时钟模块、ADS1256采集卡模块之间进行通信连接；进行串口通信的配置，设置波特率，设置采样频率，设置各个模块的功能参数，做好数据接收的准备。
第三步将传感器接收到的信号输入到ADS1256数据采集卡中，利用该采集卡将原始信号转换为数字信号，完成A/D转换功能。
第四步利用ESP32处理器将数据完成运算和整合，并存储到内部文件数据系统中。
第五步与电脑进行连接，利用串口通信完成数据的读取，当串口读取到“R”时就将flash中存储的全部数据都读取出来；当串口读取到“D”时就清除flash。
2021年6月，本研究团队搭载海洋地质十号钻探船到南海某海域进行取样作业，由于本航次为常规取样作业任务，该海域也并未处于天然气水合物区，因此在此次取样作业中，温压采集器只进行了一个回次的绳索取心功能性试验。
采集器工作流程：
（1）为保证设备电量充足，先通过电脑端对采集器进行充电。
（2）作业前将采集器通过数据线与电脑连接，测试采集与存储数据功能是否正常。
（3）将采集控制程序上传到采集器的芯片中，设置采样时间间隔为5 s，设置串口通信波特率115200 bps。
（4）程序上传成功后再次读取温度与压力数据，显示数据正常后，清除flash。
（5）将采集器与取样钻具进行连接，组装取样钻具。
（6）开始进行取样作业，采集器跟随取样钻具下井，记录实际的下井时间与出井时间。
（7）出井后将采集器从取样钻具内部拆除，并将其清洗干净，通过数据线连接到电脑端，然后读取绳索取心全过程的温度与压力数据。
本海域作业水深329 m，现场先完成了10个回次的连续保压取样作业任务，在第11个回次时，将温压采集器安装到取样钻具中，进行功能性测试，采集器得到的温度与压力数据如
图7 温压数据曲线
Fig.7 Temperature and pressure data curves
（1）应用ESP32处理器与数据采集卡，成功地搭建了一套内置于保压取样钻具的温压采集系统，该采集系统具有结构紧凑、采集精度高、工作时间长的特点，通过设计硬件电路及软件程序，实现了温度与压力数据的采集与存储。
（2）由于本航次并未进行天然气水合物取样作业任务，因此该采集器只进行了一个回次的功能性试验，实现绳索取心全过程温度与压力数据的监测，得到的数据与实际取心工艺过程相符，数据可信。后续本团队将找合适的天然气水合物目标层进行全过程的保压取样作业，进一步地验证与完善该采集器的功能。
（3）及时了解钻探取心过程的温度与压力等参数，有利于改进取心工艺，提高岩心采取率，而且岩心的原位测量技术有利于分析岩心的特征，因此该采集器在海域天然气水合物钻探取样中具有一定的意义。
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