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中深层煤层气监测井内径普遍为50 mm，传统电缆式井下摄像探头外径偏大，无法下入细口径井筒，严重制约煤层气井筒可视化检测工作。本文以44.45 mm外径自存储高清光学探头为研究对象，开展小型化紧凑结构优化设计。对CMOS成像传感器、耐高温锂电池、环形LED照明、存储主板、高压承压外壳进行紧凑排布；外壳选用高强度耐压材料，满足25 MPa高压密封要求；针对井下70 ℃长期高温工况，完成电池续航、光源稳定性、存储芯片可靠性校核；优化防水密封结构、耐磨防爆镜头组件。对比大直径电缆探头，分析44.45 mm探头在细口径井、弯曲井段、筛管井的通过性能；优化扶正器、导向头等配套机械结构，降低下放卡顿、套管刮蹭风险；实现视频、温度、压力多参数同步存储。通过室内耐压、高温老化、模拟井筒下入试验，验证小型化探头稳定性，为细口径煤层气深井成像探头小型化优化提供技术依据。
关键词：自存储光学探头；44.45 mm小外径；CMOS传感器；耐高温电池；25 MPa耐压；密封结构；细口径监测井；煤层气井筒；探头扶正器；井下成像硬件
我国大部分煤层气监测井、观测井内径仅50 mm，市面上常规电缆传输井下电视探头外径大多大于55 mm，无法下入井筒。想要开展井筒内壁检测、压裂裂缝识别、煤粉堵塞定位，必须采用外径更小的小型化井下探头。
自存储式探头内置供电、存储、成像单元，不需要井下传输电缆，硬件集成度更高，可以实现44.45 mm极小外径。但是小型化设计带来元器件排布紧凑、散热困难、高压密封难度提升、电池体积受限续航缩短等难题。因此针对1400 m煤层气井工况，开展小外径探头结构优化、高温高压适应性设计，是实现细口径井筒可视化检测的核心前提。
探头整体分为成像单元、照明单元、供电单元、主控存储单元、温压采集单元、高压承压外壳六部分。
成像单元选用小型低功耗CMOS高清传感器，体积小、功耗低，适合狭小空间安装；镜头采用耐磨蓝宝石镜片，抵御井筒煤粉、杂质刮擦。
照明采用环形分布式LED冷光源，环绕镜头布置，井下照明，同时控制整体外径。
供电选用耐高温圆柱形锂电池，适配70 ℃井下环境，内置过充过放保护板；由于探头外径受限，电池采用多节紧凑排布，在有限空间保障续航时长。
主控存储板采用小型集成电路板，集成视频编码、数据存储、时钟同步、温压信号采集功能，减少电路板数量，节约内部空间。
承压外壳采用高强度合金材质，整体一体化加工；端面采用多重O型圈高压密封，螺纹处密封胶加固，满足25 MPa耐压指标。
井下长期70 ℃环境，是小型探头故障主要诱因。锂电池高温环境下容易出现容量衰减、鼓包、电压不稳；LED光源高温下亮度衰减严重；存储芯片高温容易出现读写错误、视频丢失。
本次优化选用工业级宽温元器件，‑20 ℃~85 ℃工作区间；开展70 ℃连续48 h高温老化试验，测试续航、照明亮度、视频录制稳定性；探头内部设计被动散热结构，外壳导热，将内部热量传导至井筒水体，降低元器件温度。
煤层气井地层水含有矿物质、腐蚀性离子，容易腐蚀外壳、侵蚀密封位置。外壳表面做防腐耐磨涂层；O型圈选用耐高温耐腐蚀氟橡胶；所有接线位置做灌胶密封处理，杜绝高压渗水。
探头前端加装可更换耐磨镜头护罩，煤粉、碎石不会划伤蓝宝石镜头。
探头外径44.45 mm，和50 mm井筒预留5.5 mm间隙；外部加装弹簧式弹性扶正器，探头始终居中，不会贴靠井壁，下放过程减少刮蹭、卡顿。
流线型导向头优化，遇到井筒台阶、筛管、弯曲井段可以顺滑通过，降低卡堵概率。
开展25 MPa高压耐压保压试验、70 ℃高温浸泡试验、模拟50 mm井筒反复起下试验、煤粉磨损试验。试验结果表明探头耐压密封可靠、高温工作稳定、细口径井筒通过性良好，可以满足1400 m煤层气井长期作业。
44.45 mm小型化自存储光学探头通过紧凑硬件集成、高温元器件选型、高压密封优化、弹性扶正结构设计，适配50 mm煤层气细口径监测井；解决传统电缆探头外径过大无法下入的行业难题，结构简单、稳定性强，适合中深层煤层气井常态化井筒检测。
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