陳仁才，陽(yáng)林鋒

（1.重慶地質(zhì)儀器廠，重慶 400033；2.成都理工大學(xué)，成都 610059）

0 前言

地球物理測(cè)井主要涉及石油、天然氣、煤田、金屬礦產(chǎn)、水文及工程地質(zhì)等鉆孔測(cè)井領(lǐng)域。尤其在煤田地質(zhì)鉆孔中對(duì)煤的位置、厚度及灰份分析，核工業(yè)鈾礦測(cè)井中對(duì)其位置、厚度、品位及儲(chǔ)量分析，以及開(kāi)采時(shí)需要了解它們所處的地質(zhì)環(huán)境等采用測(cè)井方法更是必不可少的手段［1］。

本文介紹一種基于大多數(shù)測(cè)井領(lǐng)域必須測(cè)量的參數(shù)，研制了一種組合探管，它一次下井即可完成短源距密度、長(zhǎng)源距密度、自然γ、三側(cè)向聚焦電阻率（以下簡(jiǎn)稱三側(cè)向電阻率）、井徑、自然電位等參數(shù)的測(cè)量，從而大大提高了測(cè)井工作效率及測(cè)井安全性，同時(shí)多條測(cè)井曲線疊加形成的測(cè)井綜合成果圖為資料的解釋提供了方便。各測(cè)量參數(shù)經(jīng)刻度、預(yù)處理及數(shù)值計(jì)算，提高了測(cè)井資料解釋的準(zhǔn)確性，為勘查過(guò)程節(jié)省了時(shí)間和資金。特別是組合探管對(duì)三側(cè)向電阻率的重新設(shè)計(jì)，使其測(cè)量視電阻率范圍更寬、靈敏度及精度更高，從而大大增強(qiáng)組合探管在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 組合探管的應(yīng)用系統(tǒng)

組合探管測(cè)井工作現(xiàn)場(chǎng)示意圖如圖1，整個(gè)系統(tǒng)由測(cè)井主機(jī)、絞車及控制器、筆記本電腦、探管等組成。工作時(shí)隨著探管的提升，探管所處地層的各測(cè)量參數(shù)通過(guò)探管里相應(yīng)傳感器采集、處理后由電纜傳輸?shù)降孛鏈y(cè)井主機(jī)，再通過(guò)筆記本電腦將其數(shù)值或曲線實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

圖1 組合探管工作現(xiàn)場(chǎng)示意圖

2 組合探管的特點(diǎn)及主要功能

2.1 特點(diǎn)

組合探管分上、下兩部分，它具有體積小、重量輕、測(cè)量參數(shù)多、測(cè)量深度大、測(cè)量參數(shù)精度高、工作電壓范圍寬等特點(diǎn)。

2.2 主要測(cè)量參數(shù)

組合探管主要測(cè)量參數(shù)有：自然γ，長(zhǎng)、短源距密度，三側(cè)向電阻率、井徑、自然電位等。在探管上部的底端加上堵頭也可單獨(dú)作自然γ，三側(cè)向電阻率、自然電位等測(cè)量。

（1）基本參數(shù)：

·探管功耗：≤80mA×52V

·電壓適用范圍：24～120V

·探管外形尺寸：φ51×2900mm

·承受壓力：≤24MPa（外管尺寸φ55，耐壓34MPa，對(duì)應(yīng)測(cè)井深度3000m）

·重量：26kg

·使用溫度范圍：－10℃～＋85℃

·測(cè)井速度：≤20m／min（5cm采樣間隔）

（2）自然伽馬測(cè)量：

·測(cè)量射線能量范圍：＞30Kevγ射線

·計(jì)數(shù)范圍：0～65000cps

（3）密度測(cè)量：

·激發(fā)源：30～80mCi137Cs，

·檢查源：5μci137Cs

·短源距：180mm，長(zhǎng)源距：350mm

·長(zhǎng)、短源距計(jì)數(shù)范圍：0～65000cps

·密度測(cè)量范圍：1～4g／cm3（標(biāo)定做到2.72g／cm3）

·靈敏度：0.01g／cm3

·測(cè)量精度誤差：≤5%

（4）井徑測(cè)量：

·測(cè)量范圍：50～300mm

·靈敏度：0.5mm

·測(cè)量精度誤差：≤2%

（5）三側(cè)向電阻率：·測(cè)量范圍：0～3.0kΩ·m（根據(jù)需要，可在0～6.0kΩ·m間調(diào)節(jié)）

·非線性度：≤±5%

·測(cè)量精度誤差：≤2%

（6）自然電位測(cè)量：

·測(cè)量范圍：－2～＋2V

·測(cè)量精度：±1mV

3 組合探管設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

組合探管結(jié)構(gòu)及各測(cè)量參數(shù)排列位置如圖2所示，其中自然電位測(cè)量電極為三側(cè)向的主電極。

3.2 電源設(shè)計(jì)

儀器的電源是否穩(wěn)定可靠，決定著該設(shè)備能否正常使用。組合探管采用定制開(kāi)關(guān)電源模塊，電路具有過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫等保護(hù)，從而讓探管工作電流由200mA左右下降到80mA左右［2］。

3.3 信號(hào)采集、處理電路設(shè)計(jì)

電路工作原理框圖如圖3所示。

圖2 探管結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 組合探管內(nèi)部電路原理框圖

自然γ測(cè)量：利用不同巖礦石含放射性物質(zhì)種類及含量不同，采用NaI（Tl）晶體和光電倍增管作傳感器，對(duì)接收到脈沖信號(hào)放大、甄別、整形后送入計(jì)數(shù)器。

（1）長(zhǎng)、短源距γ測(cè)量

利用γ源放出并經(jīng)過(guò)巖層散射吸收后γ射線被長(zhǎng)、短源距探測(cè)器接收產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)放大、甄別、整形后送入計(jì)數(shù)器。

（2）井徑測(cè)量

來(lái)自井徑傳感器信號(hào)經(jīng)處理后送模擬開(kāi)關(guān)。

（3）自然電位測(cè)量

利用三側(cè)向測(cè)量的主電極與地面電極之間的電位差，由測(cè)井主機(jī)進(jìn)行測(cè)量。

（4）三側(cè)向電阻率測(cè)量

眾所周知三側(cè)向測(cè)井又稱三電極側(cè)向測(cè)井，也叫三電極聚焦電阻率測(cè)井，如圖4和5所示。在圖4中AD稱主電極，位于AD上下的電極Ap稱為屏蔽電極（或叫聚焦電極），對(duì)應(yīng)地層的視電阻率值計(jì)算公式：

圖4 三電極側(cè)向測(cè)井的電極系

式中：U—電極表面的電位（V）；

I—主電流強(qiáng)度（A）；

K—三側(cè)向電極系系數(shù)（常數(shù)）［3］。

一般對(duì)主電極的供電方式有兩種：恒流供電，恒功率供電。采用不同的供電方式對(duì)測(cè)量地層的視電阻率效果不同，恒流供電對(duì)高阻地層測(cè)量效果較好，恒功率供電對(duì)低阻地層測(cè)量效果較好。

對(duì)恒流供電，如果采用適當(dāng)?shù)娜遣ê懔髟垂╇婋娏?，高精度的全波整流及濾波電路、高精度A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、低噪音放大電路及低紋波電源，對(duì)低阻地層測(cè)量也能達(dá)到較好的效果［4－5］。

采用恒流供電，由公式Rs＝K·U／Io可知，當(dāng)K、Io不變，地層的視電阻率值Rs與測(cè)量電極表面的電位U值成正比，只要測(cè)量U值便可計(jì)算出對(duì)應(yīng)Rs 值［6－7］。

圖5中，當(dāng)接地電阻W2＝0Ω進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖6。

在恒定三角波供電電流情況下，改變接地電阻W2的值，測(cè)得輸出對(duì)應(yīng)的直流電壓及紋波見(jiàn)表1所示。

圖5 三側(cè)向電阻率測(cè)量電路框圖

圖6 W2＝0Ω，三側(cè)向測(cè)量電路輸出直流電壓及紋波示意圖

表1 電路相關(guān)測(cè)試參數(shù)表

從圖7可知：當(dāng)接地電阻 W2從0Ω突變到40kΩ，恒流供電電流為143μA基本保持不變，三側(cè)向測(cè)量電路輸出直流電壓從1.71mV到穩(wěn)定的9.99V需要時(shí)間≤70mS。

圖7 W1＝0Ω→40kΩ，三側(cè)向測(cè)量電路輸出直流電壓穩(wěn)定時(shí)間示意圖

通過(guò)以上模擬實(shí)驗(yàn)表明：

①電路中恒流供電電流穩(wěn)定；

②接地電阻W2每增加1Ω，三側(cè)向測(cè)量電路輸出直流電壓增加0.24mV左右；

③接地電阻為1kΩ時(shí)，三側(cè)向測(cè)量電路輸出直流電壓為251.4mV，其紋波Vpp≤80μV；

④接地電阻從0Ω突變到40kΩ，三側(cè)向測(cè)量電路輸出直流電壓從1.71mV到穩(wěn)定的10.0V輸出需要時(shí)間≤70mS。

組合探管設(shè)計(jì)中采用16位A／D，最大讀數(shù)65535，滿度10V，則轉(zhuǎn)換后1個(gè)數(shù)字表示0.15259mV；組合探管中三側(cè)向電極系系數(shù)（常數(shù)）K＝0.06。因此 ：

①三側(cè)向視電阻率Rs測(cè)量值理論上靈敏度≤0.06Ω·m（探管實(shí)際工作時(shí)存在電源紋波、測(cè)井地層中自然電位干擾等因數(shù)影響，靈敏度有所降低）；

②測(cè)井時(shí)5cm采樣間隔，絞車30m／min的提升速度，能保證采樣點(diǎn)對(duì)相應(yīng)地層的真實(shí)反映。

（5）信號(hào)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送

在微處理器控制下井徑、三側(cè)向電阻率等模擬信號(hào)經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)入16位A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；自然γ、長(zhǎng)源距γ、短源距γ數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)數(shù)器分別計(jì)數(shù)。這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一由單片機(jī)讀取，經(jīng)編碼后串行發(fā)送到地面測(cè)井主機(jī)。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

組合探管軟件設(shè)計(jì)流程框圖如圖8，下位機(jī)單片機(jī)中的UART0異步、全雙工串口通過(guò)RS232串行口通訊與上位機(jī)（PC機(jī)或筆記本）進(jìn)行串行通信，單片機(jī)通過(guò)電纜向地面發(fā)送數(shù)據(jù)。為了保證在測(cè)井中能有較快的提升速度，又不至于影響測(cè)量參數(shù)的質(zhì)量，這就要求合理地分配時(shí)間，同時(shí)選擇較高計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率的計(jì)數(shù)器。

圖8 探管軟件設(shè)計(jì)流程框圖

3.5 測(cè)量參數(shù)的刻度及數(shù)據(jù)處理

探管測(cè)量參數(shù)的刻度是測(cè)井資料解釋的重要一環(huán)。組合探管測(cè)量自然γ、密度參數(shù)可分別在廠里的自然γ、密度標(biāo)準(zhǔn)刻度井里進(jìn)行；井徑刻度是在不同井徑的刻度環(huán)中進(jìn)行；三側(cè)向電阻率刻度是在專用刻度器中進(jìn)行。各測(cè)量參數(shù)的數(shù)據(jù)處理在地面測(cè)井處理軟件中進(jìn)行，十分方便。

4 應(yīng)用實(shí)例

由于用戶對(duì)我們廠原來(lái)生產(chǎn)的M552貼壁補(bǔ)償密度組合探管測(cè)量的長(zhǎng)、短源距密度（可計(jì)算補(bǔ)償密度）、自然γ、井徑等測(cè)量參數(shù)的效果反映較好，現(xiàn)僅針對(duì)當(dāng)前部分用戶提出三側(cè)向電阻率測(cè)量在部分地區(qū)反映地層界面不理想問(wèn)題，我們這次組合探管試制中進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并在試制完成后就探管中三側(cè)向電阻率測(cè)量問(wèn)題在廠里試驗(yàn)井（井深200m）及重慶某地野外測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)（井深410m）與某單位生產(chǎn)的“單參數(shù)三側(cè)向恒功率供電測(cè)量探管”進(jìn)行了測(cè)井對(duì)比試驗(yàn)。因孔深測(cè)井資料較多，現(xiàn)僅截取主要部分原始資料見(jiàn)圖9～11進(jìn)行說(shuō)明。

圖9 重慶地質(zhì)儀器廠試驗(yàn)井156～176m恒流源、恒功率供電三側(cè)向測(cè)量對(duì)比圖

（1）試驗(yàn)井159m以上為鐵套管，由圖9可見(jiàn)：恒流供電在采用了高精度整流、濾波等電路后，在低阻泥巖段測(cè)量的三側(cè)向電阻率曲線與某廠的恒功率供電測(cè)量的差不多；在砂巖、泥巖及它們的互成地段，我們恒流供電測(cè)量的三側(cè)向電阻率曲線反映地層的細(xì)節(jié)、界面更清楚。

（2）從圖10上看，組合探管測(cè)量的長(zhǎng)源距密度、短源距密度、三側(cè)向電阻率及井徑曲線對(duì)79m附近六米左右套管反映較好；密度曲線在一定程度上受井徑變化的影響；自然γ、三側(cè)向電阻率曲線對(duì)地層有較好分層能力。

圖10 重慶某地zk1鉆孔M552探管10～120m段測(cè)井曲線圖

（3）圖11為同一鉆孔同一橫向比例尺的上、下兩段測(cè)井曲線。從圖上可見(jiàn)：①在79m附近的有六米左右鐵套管，組合探管采用恒流源供電測(cè)量的電阻率曲線（綠色）比某單位恒功率供電的曲線（紅色）反映效果要好；②在低阻區(qū)，恒流供電與恒功率供電對(duì)三側(cè)向測(cè)量曲線基本吻合；③隨著地層電阻率增高，組合探管恒流供電比恒功率供電測(cè)量的電阻率曲線反映的地層界面更清晰。

11 重慶某地zk1鉆孔恒流、恒功率供電三側(cè)向測(cè)量對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次組合探管設(shè)計(jì)及試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①三側(cè)向測(cè)量，利用恒流供電，只要電路采用了低紋波電源、高精度的整流、濾波等線路，對(duì)低阻區(qū)電阻率測(cè)量也能達(dá)到較理想的效果，對(duì)高阻區(qū)電阻率測(cè)量效果更佳。②探管具有工作電流小、測(cè)量參數(shù)多、測(cè)量速度快（5cm采樣，速度≤20m／min）、測(cè)量參數(shù)資料準(zhǔn)確可靠且測(cè)井資料易于處理特點(diǎn)。隨著國(guó)家探礦、地質(zhì)勘察工作的深入，鉆孔深度不斷增加，為減少野外測(cè)井工作量，提高測(cè)井工作效率，我相信組合探管的研制成功，可大大增強(qiáng)它在相關(guān)領(lǐng)域的推廣、應(yīng)用。

［1］容焱，王其崗.高可靠性DC-DC開(kāi)關(guān)電源的浪涌電流抑制電流設(shè)計(jì)［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2011，14（7）.

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［5］李科，魯保平，張家田.數(shù)字相敏檢波器在測(cè)井儀器中的應(yīng)用研究［J］.石油儀器，2011，25（1）.