喬寶強(qiáng)，楊懷杰，吳仙明，朱萬(wàn)鋒，胡渤

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

在原地浸出鈾礦基地的建設(shè)、生產(chǎn)中，工藝鉆孔建造是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。工藝鉆孔建造成孔的質(zhì)量直接決定其可利用年限及溶浸效果，影響地浸工藝生產(chǎn)其他工序的工作效率和原地浸出鈾礦基地鈾礦資源的開(kāi)采率［1］。在工藝鉆孔成井階段采用聚氯乙烯（PVC）套管安裝到鉆孔中，實(shí)踐證明，檢測(cè)聚氯乙烯套管完好程度和過(guò)濾器位置的最有效方法應(yīng)當(dāng)屬電流測(cè)井方法［2］。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)地浸工藝鉆孔固井質(zhì)量檢測(cè)主要使用的測(cè)井儀器為上海地學(xué)儀器研究所生產(chǎn)的JMTC-1 探管。核工業(yè)北京地質(zhì)研究院研制的HD-4002 系統(tǒng)中的電流測(cè)井方法由于輸出電流較小，無(wú)法滿足固井質(zhì)量檢測(cè)的要求。目前，國(guó)內(nèi)地浸砂巖型鈾礦開(kāi)采市場(chǎng)前景廣闊，為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，擴(kuò)大橫向市場(chǎng)，我單位在結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，重新研制了電流測(cè)井探管，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，擺脫對(duì)市場(chǎng)設(shè)備的依賴，減少對(duì)外設(shè)備采購(gòu)的成本，增強(qiáng)HD-4002 系統(tǒng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

本文以通遼錢IV 地區(qū)地浸開(kāi)采項(xiàng)目實(shí)踐為例，針對(duì)該地區(qū)對(duì)工藝鉆孔成井質(zhì)量檢測(cè)的要求，研制出的電流測(cè)井探管成功檢測(cè)出PVC套管是否存在漏點(diǎn)，判斷出過(guò)濾器的位置。

1 電流測(cè)井原理

電流測(cè)井原理如圖1。圖中的E 電源采用直流恒壓電源。地層、鉆井液組成串聯(lián)電阻，電流探管上的電極A 輸出電流束向四周流動(dòng)，由于PVC 套管的絕緣性，電流IA沿鉆井液流向過(guò)濾器或PVC 套管漏點(diǎn)，再?gòu)牡貙恿飨虻孛骐姌OB，最終返回到E 電源負(fù)極，電流檢測(cè)裝置（圖中mA）會(huì)實(shí)時(shí)記錄輸出電流的大?。?］。由于電阻與電流成反比，當(dāng)A 電極在PVC 套管中鉆井液面以上時(shí)，電阻無(wú)窮大，電流為零，當(dāng)電極A 進(jìn)入鉆井液后，隨著測(cè)井深度的增加，電阻減小，電流增大；當(dāng)電極A 接近PVC 套管漏點(diǎn)時(shí)，電流會(huì)逐漸變大，在漏點(diǎn)處出現(xiàn)峰值，隨著電極A 遠(yuǎn)離漏點(diǎn)，電流再逐漸變小；當(dāng)電極A 進(jìn)入過(guò)濾器中，回路電阻變小，電流變大，出現(xiàn)高值平臺(tái)，這就是電流測(cè)量的基本原理。在整個(gè)電流測(cè)井過(guò)程中，電流會(huì)呈現(xiàn)整體逐漸變大的趨勢(shì)。根據(jù)電流測(cè)井曲線的變化特征，在尖峰信號(hào)的峰值處為漏點(diǎn)，在高值平臺(tái)拐點(diǎn)為過(guò)濾器，從而可以檢測(cè)PVC 套管是否存在漏點(diǎn)或斷裂，判斷其對(duì)應(yīng)深度，也可檢測(cè)過(guò)濾器位置是否安裝正確［4］。

圖1 電流測(cè)井測(cè)量原理圖Fig.1 Diagram of current logging principle

2 電流測(cè)井探管研制

2.1 探管系統(tǒng)構(gòu)成

電流測(cè)井探管的系統(tǒng)構(gòu)成如圖2。供電電源輸出電流流向限流電阻R1，經(jīng)采樣電阻R2到達(dá)探管的A 極，再經(jīng)RE（大地電阻）返回到GND。由于隔離放大器U1輸入端的阻抗無(wú)窮大，隔離放大器輸入的電流幾乎為零，因此電源輸出電流主要流向R2。隔離放大器U1采集到的R2兩端電壓輸出至差分放大器U2的輸入端，其中R3為反饋電阻。U2輸出信號(hào)再經(jīng)濾波放大后，模擬輸出到數(shù)據(jù)傳輸電路，數(shù)據(jù)傳輸電路對(duì)模擬信號(hào)作模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)編碼，再以數(shù)字信號(hào)的方式輸出。數(shù)字輸出連接到絞車電纜，以雙極性編碼信號(hào)傳輸?shù)降孛婵刂破鳌?/p>

2.2 供電電源

地面控制器的供電電壓為直流110 V，進(jìn)入井下電流探管后，首先經(jīng)DC-DC 開(kāi)關(guān)電源模塊降壓至48 V，然后再由LM317 電壓調(diào)節(jié)芯片對(duì)48 V 電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用LM317 芯片，可根據(jù)不同地區(qū)的大地阻抗調(diào)節(jié)LM317 的輸出電壓，本文中的應(yīng)用地區(qū)為通遼錢IV 地塊，根據(jù)當(dāng)?shù)氐拇蟮刈杩?，調(diào)節(jié)LM317 的輸出電壓在15～20 V 之間。

2.3 電流測(cè)量

電流測(cè)量主要包括電流采樣、隔離放大和濾波放大三部分。

2.3.1 電流采樣

電流采樣使用限流電阻加精密采樣電阻的方式，限流電阻的作用是在低阻區(qū)防止輸出電流過(guò)大，避免采樣電阻兩端電壓過(guò)高，超出隔離放大器測(cè)量范圍。采樣電阻采用精度為0.1%的精密電阻，從而提高電壓測(cè)量的準(zhǔn)確性。采樣電阻大小的選取，要考慮流過(guò)采樣電阻電流的大小和后端隔離放大器輸入電壓的范圍。

2.3.2 隔離放大

圖2 電流探管系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.2 Schematic block diagram of current probe

圖3 數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)波形圖Fig.3 Waveform diagram of data transmission signal

隔離放大器采用精密小型隔離放大器ACPL-C79A 芯片［5］，增益放大倍數(shù)為8.12 倍，精度為±1%，輸入電壓線性范圍為±300 mV。因此，根據(jù)該芯片的特性，采樣電阻兩端電壓要控制在±300 mV 以內(nèi)。ACPL-C79A 的輸入端電源和輸出端電源采用兩路獨(dú)立兩源，電源不共地，輸入端電源由直流-直流（DC-DC）隔離電源模塊提供，電壓為5 V。

隔離放大器的差分輸出電壓再通過(guò)差分放大電路轉(zhuǎn)換成相對(duì)于地信號(hào)的單端電壓。差分電路中的放大器采用LM324 運(yùn)算放大器芯片。

2.3.3 濾波放大

濾波放大電路對(duì)差分放大電路的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波、放大和零點(diǎn)調(diào)節(jié)。濾波分為電阻和電容組成的π 形無(wú)源濾波電路和由運(yùn)算放大器組成的有源濾波［6］電路兩種，主要用于濾除高頻分量。放大電路采用兩級(jí)負(fù)反饋放大，第一級(jí)為固定增益放大，經(jīng)第一級(jí)放大后，正值電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為負(fù)值，再經(jīng)第二級(jí)負(fù)反饋放大電路后電壓轉(zhuǎn)為正值。第二級(jí)放大電路增益采用滑動(dòng)變阻器作為反饋電阻，根據(jù)測(cè)得電壓信號(hào)，通過(guò)修改滑動(dòng)變阻器的大小，調(diào)整輸出模擬電壓在可被測(cè)量的范圍內(nèi)。

零點(diǎn)調(diào)節(jié)電壓作為第二級(jí)運(yùn)算放大器同向端的輸入，與反向輸入端的負(fù)值電壓信號(hào)構(gòu)成加法電路，當(dāng)被測(cè)電流為零時(shí)，通過(guò)零點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié)，確保放大濾波電路的模擬輸出為零。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸采用雙極性編碼的串行數(shù)據(jù)格式［7］，如圖3 所示。串行數(shù)據(jù)是一幀一幀的發(fā)送。一幀數(shù)據(jù)的寬度為32768 μs，分成8 個(gè)道，每道的寬度為4096 μs。D1 至D7 為數(shù)據(jù)道，D8 為同步道，每個(gè)道有16位二進(jìn)制數(shù)，一對(duì)正負(fù)極性脈沖表示“1”，零電平表示“0”，每位數(shù)據(jù)的周期為256 μs。同步道有16 對(duì)正負(fù)極性脈沖。數(shù)據(jù)道最大可傳輸14位二進(jìn)制數(shù)，即最多只有14 對(duì)正負(fù)極性脈沖，以區(qū)別于同步道。采用這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳送數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)中沒(méi)有直流成分，傳送數(shù)據(jù)可靠。地面控制器的基本任務(wù)，就是有序地從每幀數(shù)據(jù)中取出各道信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成單極性數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后送計(jì)算機(jī)［8］。

2.5 主要技術(shù)參數(shù)

本文研制的電流探管型號(hào)為DF514，與上海地學(xué)儀器研究所生產(chǎn)的JMTC-1 型探管主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表1。兩根探管的主要區(qū)別在于探管長(zhǎng)度和電流測(cè)量范圍。由于JMTC-1 是組合探管，除了電流參數(shù)外還包括超聲阻尼、伽馬、溫度、方位角、頂角和壓力等參數(shù)，所以探管較長(zhǎng)。DF514 探管的電流測(cè)量范圍是JMTC-1 探管的近兩倍，相比之下，適用的回路電阻范圍更寬。

表1 DF514 與JTMC-1 探管主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of main technical parameters of DF514 and JTMC-1 probe

3 測(cè)井應(yīng)用

通遼錢IV 地區(qū)地浸工藝鉆孔施工示意如圖4。在礦段位置放置過(guò)濾器，如圖4 中402～418 m 之間。過(guò)濾器上方為提升裝置，提升裝置長(zhǎng)度為5 m，如圖4 中397～402 m 之間。過(guò)濾裝置與PVC 套管之間采用膨脹隔塞固定［9］。電流測(cè)井時(shí)，由于提升管內(nèi)徑小于電流測(cè)井探管直徑，且位于PVC 套管中心位置，電流探管在沿PVC 套管壁下放到提升裝置上方后無(wú)法進(jìn)入提升裝置，此時(shí)電流數(shù)據(jù)達(dá)到最大，且保持不變。因此，根據(jù)電流測(cè)井曲線判斷出提升裝置的上方位置后，再加上5 m 長(zhǎng)的提升管，即為過(guò)濾器的位置。

圖4 鉆孔施工示意圖Fig.4 Schematic diagram of drilling construction

圖4中過(guò)濾器頂端位置為402 m，提升管頂端位置為397 m，對(duì)該施工鉆孔的電流測(cè)井曲線如圖5。該電流曲線反映出，當(dāng)探管處于提升管上方位置時(shí)，由于井液通過(guò)提升管內(nèi)部連接過(guò)濾器同巖礦層溝通，回路電流在取樣電阻上產(chǎn)生電壓降，電流曲線出現(xiàn)極大值，且數(shù)據(jù)基本保持不變，地面的操作人員根據(jù)電流曲線達(dá)到最大值后出現(xiàn)拐點(diǎn)的形態(tài)可判斷探管已到底部。圖5 中電流曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的位置在397.1 m，再加上提升管的長(zhǎng)度5 m，過(guò)濾器的位置即為402.1 m，與圖4 中鉆孔的施工深度誤差為0.1 m，達(dá)到PVC 套管施工質(zhì)量的A 級(jí)（0～0.5 m）。

圖5 電流測(cè)井曲線圖Fig.5 Current logging curve

本文中研制的電流測(cè)井探管DF514 與JMTC-1 型組合探管在同一個(gè)鉆孔中開(kāi)展了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，電流測(cè)井對(duì)比曲線如圖6。DF514 探管的電流數(shù)值略大于JMTC-1 型電流探管，原因是DF514 的輸出電流較大。但兩根探管的曲線形態(tài)基本一致。且在390.5 m 的位置均出現(xiàn)了極大值的拐點(diǎn)，說(shuō)明兩根探管測(cè)得的提升管位置相同。

圖6 JMTC-1 與DF514 電流探管測(cè)井曲線對(duì)比圖Fig.6 Comparison of logging curves between JMTC-1 and DF514 current probe

圖7 有漏點(diǎn)鉆孔電流測(cè)井曲線圖Fig.7 Current logging curve of boreholes with leaks

圖7 為使用DF514 探管測(cè)得的一個(gè)有漏點(diǎn)鉆孔的電流測(cè)井曲線圖。該鉆孔中共有3 處漏點(diǎn)，分別位于124 m、155.8 m 和307.4 m。從圖7 中看出，在有漏點(diǎn)的位置，電流數(shù)值均會(huì)呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢(shì)，達(dá)到峰值后數(shù)值再逐漸減小，峰值位置即為漏點(diǎn)。這是因?yàn)殡娏魈焦茉谥饾u靠近漏點(diǎn)時(shí)，電流會(huì)從PVC 套的漏點(diǎn)位置流向地層，與地面電極形成回路，隨著探管逐漸靠近漏點(diǎn)，回路電阻變小，在漏點(diǎn)位置電阻達(dá)到最小值。當(dāng)探管下降到漏點(diǎn)以下時(shí)，隨著探管遠(yuǎn)離漏點(diǎn)，回路電阻變大，電流數(shù)值再次變小。漏點(diǎn)越大，相應(yīng)的回路電阻越小，電流越大，出現(xiàn)的電流峰值越高，如圖7 中307.4 m 處的漏點(diǎn)。與圖5 和圖6 對(duì)比，從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，該鉆孔的整體電流數(shù)值高于無(wú)漏點(diǎn)鉆孔中的電流。

4 結(jié)論

本文基于電流測(cè)井方法在地浸工藝鉆孔固井質(zhì)量檢測(cè)中的有效性，結(jié)合其測(cè)井原理，成功研制了電流測(cè)井探管DF514，得出如下結(jié)論：

1）與目前市場(chǎng)上常用的JMTC-1型組合探管的指標(biāo)參數(shù)及應(yīng)用對(duì)比，驗(yàn)證了其可行性。

2）通過(guò)在通遼錢IV 地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，準(zhǔn)確判斷了過(guò)濾器的位置，查明了PVC 套管是否存在漏點(diǎn)及存在漏點(diǎn)的位置，進(jìn)一步驗(yàn)證了該電流測(cè)井探管適用于地浸工藝鉆孔固井質(zhì)量檢測(cè)。

3）形成一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電流測(cè)井技術(shù)及設(shè)備，擺脫了對(duì)外市場(chǎng)的依賴。