陳仁才，陽林鋒

（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)等鉆孔測井領(lǐng)域。尤其在煤田地質(zhì)鉆孔中對煤的位置、厚度及灰份分析，核工業(yè)鈾礦測井中對其位置、厚度、品位及儲量分析，以及開采時(shí)需要了解它們所處的地質(zhì)環(huán)境等采用測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)測井領(lǐng)域必須測量的參數(shù)，研制了一種組合探管，它一次下井即可完成短源距密度、長源距密度、自然γ、三側(cè)向聚焦電阻率（以下簡稱三側(cè)向電阻率）、井徑、自然電位等參數(shù)的測量，從而大大提高了測井工作效率及測井安全性，同時(shí)多條測井曲線疊加形成的測井綜合成果圖為資料的解釋提供了方便。各測量參數(shù)經(jīng)刻度、預(yù)處理及數(shù)值計(jì)算，提高了測井資料解釋的準(zhǔn)確性，為勘查過程節(jié)省了時(shí)間和資金。特別是組合探管對三側(cè)向電阻率的重新設(shè)計(jì)，使其測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)

組合探管測井工作現(xiàn)場示意圖如圖1，整個(gè)系統(tǒng)由測井主機(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量參數(shù)通過探管里相應(yīng)傳感器采集、處理后由電纜傳輸?shù)降孛鏈y井主機(jī)，再通過筆記本電腦將其數(shù)值或曲線實(shí)時(shí)顯示出來。

圖1 組合探管工作現(xiàn)場示意圖

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、測量參數(shù)多、測量深度大、測量參數(shù)精度高、工作電壓范圍寬等特點(diǎn)。

2.2 主要測量參數(shù)

組合探管主要測量參數(shù)有：自然γ，長、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，對應(yīng)測井深度3000m）

·重量：26kg

·使用溫度范圍：－10℃～＋85℃

·測井速度：≤20m／min（5cm采樣間隔）

（2）自然伽馬測量：

·測量射線能量范圍：＞30Kevγ射線

·計(jì)數(shù)范圍：0～65000cps

（3）密度測量：

·激發(fā)源：30～80mCi137Cs，

·檢查源：5μci137Cs

·短源距：180mm，長源距：350mm

·長、短源距計(jì)數(shù)范圍：0～65000cps

·密度測量范圍：1～4g／cm3（標(biāo)定做到2.72g／cm3）

·靈敏度：0.01g／cm3

·測量精度誤差：≤5%

（4）井徑測量：

·測量范圍：50～300mm

·靈敏度：0.5mm

·測量精度誤差：≤2%

（5）三側(cè)向電阻率：·測量范圍：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%

·測量精度誤差：≤2%

（6）自然電位測量：

·測量范圍：－2～＋2V

·測量精度：±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)及各測量參數(shù)排列位置如圖2所示，其中自然電位測量電極為三側(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關(guān)電源模塊，電路具有過壓、過流、過溫等保護(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，對接收到脈沖信號放大、甄別、整形后送入計(jì)數(shù)器。

（1）長、短源距γ測量

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

（2）井徑測量

來自井徑傳感器信號經(jīng)處理后送模擬開關(guān)。

（3）自然電位測量

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

（4）三側(cè)向電阻率測量

眾所周知三側(cè)向測井又稱三電極側(cè)向測井，也叫三電極聚焦電阻率測井，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），對應(yīng)地層的視電阻率值計(jì)算公式：

圖4 三電極側(cè)向測井的電極系

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測量地層的視電阻率效果不同，恒流供電對高阻地層測量效果較好，恒功率供電對低阻地層測量效果較好。

對恒流供電，如果采用適當(dāng)?shù)娜遣ê懔髟垂╇婋娏鳎呔鹊娜ㄕ骷盀V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，對低阻地層測量也能達(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與測量電極表面的電位U值成正比，只要測量U值便可計(jì)算出對應(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，測得輸出對應(yīng)的直流電壓及紋波見表1所示。

圖5 三側(cè)向電阻率測量電路框圖

圖6 W2＝0Ω，三側(cè)向測量電路輸出直流電壓及紋波示意圖

表1 電路相關(guān)測試參數(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)向測量電路輸出直流電壓穩(wěn)定時(shí)間示意圖

通過以上模擬實(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)對相應(yīng)地層的真實(shí)反映。

（5）信號采集、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經(jīng)模擬開關(guān)進(jìn)入16位A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；自然γ、長源距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)通過電纜向地面發(fā)送數(shù)據(jù)。為了保證在測井中能有較快的提升速度，又不至于影響測量參數(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 測量參數(shù)的刻度及數(shù)據(jù)處理

探管測量參數(shù)的刻度是測井資料解釋的重要一環(huán)。組合探管測量自然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。各測量參數(shù)的數(shù)據(jù)處理在地面測井處理軟件中進(jìn)行，十分方便。

4 應(yīng)用實(shí)例

由于用戶對我們廠原來生產(chǎn)的M552貼壁補(bǔ)償密度組合探管測量的長、短源距密度（可計(jì)算補(bǔ)償密度）、自然γ、井徑等測量參數(shù)的效果反映較好，現(xiàn)僅針對當(dāng)前部分用戶提出三側(cè)向電阻率測量在部分地區(qū)反映地層界面不理想問題，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)向電阻率測量問題在廠里試驗(yàn)井（井深200m）及重慶某地野外測井現(xiàn)場（井深410m）與某單位生產(chǎn)的“單參數(shù)三側(cè)向恒功率供電測量探管”進(jìn)行了測井對比試驗(yàn)。因孔深測井資料較多，現(xiàn)僅截取主要部分原始資料見圖9～11進(jìn)行說明。

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)向測量對比圖

（1）試驗(yàn)井159m以上為鐵套管，由圖9可見：恒流供電在采用了高精度整流、濾波等電路后，在低阻泥巖段測量的三側(cè)向電阻率曲線與某廠的恒功率供電測量的差不多；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，組合探管測量的長源距密度、短源距密度、三側(cè)向電阻率及井徑曲線對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、下兩段測井曲線。從圖上可見：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三側(cè)向測量曲線基本吻合；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)向測量對比圖

5 結(jié)語

通過本次組合探管設(shè)計(jì)及試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①三側(cè)向測量，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，對低阻區(qū)電阻率測量也能達(dá)到較理想的效果，對高阻區(qū)電阻率測量效果更佳。②探管具有工作電流小、測量參數(shù)多、測量速度快（5cm采樣，速度≤20m／min）、測量參數(shù)資料準(zhǔn)確可靠且測井資料易于處理特點(diǎn)。隨著國家探礦、地質(zhì)勘察工作的深入，鉆孔深度不斷增加，為減少野外測井工作量，提高測井工作效率，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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