陳仁才，陽林鋒，陳 紅

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

1 概述

在以往非油氣類鉆井勘探中，物探測井始終是一項重要的勘查手段，它主要涉及煤田、核工業(yè)、金屬礦產(chǎn)、水文及工程等測井領(lǐng)域，尤其是在煤田地質(zhì)鉆孔中對煤的位置、厚度及灰分分析，核工業(yè)測井中對鈾礦的位置、厚度、品位及儲量分析，以及開采它們時需要了解所處的地質(zhì)環(huán)境等，采用測井方法是必不可少的手段［1］。在以往測井中測量參數(shù)大多是分離式，即所需參數(shù)要多次下井測量才能取得，例如要了解井中各地層聲速、自然γ、溫度及方位等參數(shù)，需要相應(yīng)探管分別下井測量。這不僅工作量大、數(shù)據(jù)采集慢，而且還因測井時間長，鉆孔狀態(tài)的不穩(wěn)定易產(chǎn)生測井事故［2－3］。對此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ZH1探管，它利用測井主機(jī)、絞車等，一次下井即可完成上述相關(guān)參數(shù)的測量，大大提高了測井工作效率及測井安全性，同時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)值計算，提高了測井資料解釋的準(zhǔn)確性，為勘查過程節(jié)省時間和資金。

圖1 探管工作現(xiàn)場示意圖

2 ZH1探管應(yīng)用系統(tǒng)

ZH1探管測井工作現(xiàn)場示意圖如圖1，整個系統(tǒng)由測井主機(jī)、絞車及控制器、筆記本電腦、ZH1探管組成。工作時隨著探管的上升或下降，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、處理并按一定格式通過電纜傳輸?shù)降孛鏈y井主機(jī)，再通過筆記本電腦將數(shù)值或曲線實時顯示出來。

3 ZH1探管的特點及主要功能

3.1 特點

探管具有體積小、重量輕、測量參數(shù)多、工作電壓適用范圍寬、測量深度大、測量參數(shù)精度高、測量數(shù)據(jù)傳輸速度快等特點；如果不需要聲速數(shù)據(jù)，探管上部可單獨使用；在結(jié)構(gòu)上巧妙的合理布局并配合測量線路，減少甚至排除各測量參數(shù)間信號的相互干擾；探管不做任何改動即可與以前相關(guān)測井主機(jī)、絞車配套，兼容性好。

3.2 主要功能

探管主要測量參數(shù)有：自然γ，傾角，方位角，井溫，聲波近、遠(yuǎn)接收聲速，時差聲速，近接收首波聲幅等。

3.3 主要參數(shù)

基本參數(shù)：

功耗：150mA×50V

電壓適用范圍：50～100V

探管外形尺寸：Φ51×2450mm

承受壓力：≤24MPa（外管尺寸Φ55，耐壓34MPa，對應(yīng)3000m深度）

重量：20kg

使用溫度范圍：－10℃～＋85℃

測井速度：≤18m/min（5cm采樣間隔）

自然伽馬測量：

測量范圍：＞30Kevγ射線

計數(shù)范圍：0～64000cps

測斜測量：

頂角范圍：0～90°

頂角精度：≤0.1°

方位角范圍：0～360°

方位角精度：±2°（頂角＞3°），

±4°（2°＜頂角≤3°）

井溫測量：

溫度測量范圍：－10℃～＋85℃（井溫探頭傳感器處 －10℃～＋95℃）

溫度靈敏度：≤0.1℃

感溫時間：＜3s

聲波速度測量：

測量范圍：＞1.5km/s

張永剛說：“智慧建筑專委會今年圍繞標(biāo)準(zhǔn)編制、課題研究 、行業(yè)活動三大工作重點，陸續(xù)進(jìn)行了許多工作，在標(biāo)準(zhǔn)編制方面：在建筑自動化及控制系統(tǒng) 、建筑節(jié)能改造、BIM技術(shù)等領(lǐng)域開展了3項國家標(biāo)準(zhǔn)、1項團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的編制工作；在課題研究方面：承擔(dān)了住房城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域國密算法研究、智能建筑綠色發(fā)展、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用等3項課題與項目；在行業(yè)活動方面：圍繞綠色智能建筑、綠色智慧社區(qū)、智能門鎖等行業(yè)熱點，組織了十余次行業(yè)峰會、項目研討會、實地調(diào)研活動。”

發(fā)射周期：100ms

發(fā)射聲波頻率：23kHz±5kHz

刻度精度：±5μs/m

源距：0.5m～0.7m

間距：0.2m

聲波幅度：≤10V

4 ZH1探管設(shè)計

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

探管結(jié)構(gòu)如圖2所示，探管全長2.45m，重量15kg。

圖2 ZH1探管結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 電源設(shè)計

儀器的電源是否穩(wěn)定可靠，決定該設(shè)備能否正常使用。本探管采用定制開關(guān)電源模塊，電路具有過壓、過流、過溫等保護(hù)［4］。普通電源模塊與ZH1開關(guān)電源模塊性能參數(shù)對比如表1所示。

表1 普通電源模塊與開關(guān)電源模塊性能對比

4.3 信號采集、處理電路設(shè)計

電路工作原理框圖如圖3所示。

圖3 ZH1多參數(shù)探管內(nèi)部電路原理框圖

測斜測量：由探管內(nèi)安裝的傾角及利用地磁場的兩個分量計算的方位角傳感器進(jìn)行測量。

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，對接收到信號放大、甄別、整形后送入計數(shù)器1。

井溫測量：來自溫度傳感器信號經(jīng)放大、處理后送模擬開關(guān)。

聲速、聲幅測量：在微處理器控制下產(chǎn)生脈沖，一方面去觸發(fā)可控硅放電讓換能器發(fā)聲，另一方面去控制計數(shù)器2、3開門。利用聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同的特性，用二只換能器接收。近接收首波信號經(jīng)放大、處理：首波幅度信號送模擬開關(guān)；首波脈沖信號經(jīng)處理后去控制計數(shù)器2關(guān)門。遠(yuǎn)接收首波信號經(jīng)放大、處理后去控制計數(shù)器3關(guān)門［5］。

在微處理器控制下進(jìn)入16位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號經(jīng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字后分別得到溫度、聲幅數(shù)據(jù)；在微處理器控制下進(jìn)入計數(shù)器的信號經(jīng)分別記錄后得到自然γ、聲波近接收、遠(yuǎn)接收及時差等數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)經(jīng)微處理器處理、驅(qū)動后經(jīng)電纜送到地面測井主機(jī)。當(dāng)然，由于γ探測器所用高壓、聲波發(fā)聲換能器所需高壓的產(chǎn)生，它們會對電路產(chǎn)生較大干擾，因此對采集的聲波、井溫等模擬信號需要作特別的處理［6］。

4.4 軟件設(shè)計

ZH1探管的軟件邏輯流程如圖4，下位機(jī)單片機(jī)中的UART0異步、全雙工串口通過RS232串行口通訊構(gòu)件與上位機(jī)（PC機(jī)或筆記本）進(jìn)行串行通信。井下單片機(jī)在上電復(fù)位后就等待定時器中斷信號、近接收或遠(yuǎn)接收首波產(chǎn)生的中斷脈沖、測斜傳感器的串行中斷信號等，當(dāng)接收到不同中斷就執(zhí)行相應(yīng)操作。一旦達(dá)到規(guī)定時間，單片機(jī)就通過電纜向地面發(fā)送數(shù)據(jù)。為了保證在測井中能有較快的提升/下放速度，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間，同時選擇較高計數(shù)時鐘頻率的計數(shù)器［7］。

圖4 ZH1探管軟件設(shè)計流程框圖

4.5 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)。本探管測量的傾角、方位角由傳感器直接讀出，聲波近接收、遠(yuǎn)接收、時差聲速的刻度系數(shù)可直接算出來。探管自然γ、井溫的刻度可在廠里進(jìn)行。探管各測量參數(shù)值正確與否，可在現(xiàn)場簡單的檢查。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。

5 應(yīng)用實例

ZH1探管試制完成后已在重慶地質(zhì)儀器廠210米試驗井及多口野外測井現(xiàn)場中使用。部分資料見圖5、圖6。

圖5 ZH1探管在重儀廠試驗井100～188m中的實測資料

圖6 重慶XX鉆孔密度、聲速、自然γ、聚焦電阻率、井溫及井徑綜合圖

重慶地質(zhì)儀器廠測井試驗孔設(shè)計為直孔、孔徑91mm，孔深210m，套管長度160m，套管下為砂巖、泥巖互成。本探管測量深度為188m。為讓資料便于觀察，圖5僅將曲線100～188m段顯示出來。從圖五可見：①套管長度159.95m；②全孔傾角＜1°；③鐵套管中時差聲速在5.6km/s左右，遠(yuǎn)接收、近接收聲速逐漸減小，說明它們受孔徑影響在增大；④砂巖、泥巖時差聲速在2.8～3.7km/s；⑤鉆孔所處地層地溫梯度每100m在1.8℃；⑥自然γ在套管內(nèi)不同地層中有反應(yīng)，且套管外分層能力比聲波強(qiáng)。

該鉆孔為重慶XX地區(qū)煤田孔，孔徑91mm，孔深1506.1m，套管長度8m，套管下為砂巖、泥巖及煤。探管實測深度1503m。在該孔我們作了M552－1貼壁補(bǔ)償密度探管、ZH1探管測量工作。由于煤系地層在1150m以下，為便于觀察，圖6僅顯示測井資料經(jīng)處理后1000～1503m段的資料。從圖上可見：

①補(bǔ)償密度曲線與聲速曲線十分吻合，它們對煤層的反映也很明顯；

②自然γ、聚焦電阻率、補(bǔ)償密度、聲速在孔內(nèi)有較好的巖層分層效果；

③煤層所處位置地層較疏松，井徑變化明顯，它對密度、聲速影響也大，從而影響對煤層的分層解釋（鉆孔地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，ZH1探管測量未加居中器）；

④1000～1500m地溫從30℃變到39.3℃，變化正常；

⑤從ZH1測井曲線可見，由地面至1500m，傾角從0°～11.2°，方位角從120°變到80°多；⑥從測量的自然電位曲線看，它對不同地層反映效果也比較明顯。

6 總結(jié)

通過ZH1探管測量參數(shù)與相應(yīng)單參數(shù)測量探管進(jìn)行多次反復(fù)實測對比，ZH1探管具有工作電流小、測量參數(shù)多、測量速度快（5cm采樣，速度可達(dá)18m/min）、測量參數(shù)資料準(zhǔn)確可靠且測井資料易于處理等優(yōu)點。隨著國家探礦工作的深入，鉆孔深度不斷增加，為減少測井工作量，提高測井工作效率，對不同測量方法探頭進(jìn)行組合顯得尤為必要。ZH1探管成功研制僅是開始，其它組合探管將陸續(xù)推出。

［1］王惠濂.綜合地球物理測井［M］.北京：地質(zhì)出版社，1987.

［2］張煥武，馬恩軍.國外集成化測井技術(shù)［J］.測井技術(shù).2001，25（4）：245－247.

［3］徐濤，劉國權(quán).HBZH－1型多參數(shù)組合測井儀.［J］.石油儀器，2006，20（5）：37－38.

［4］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［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2011，14（7）：43－50.

［5］張寒秋，馬國忠.提高多參數(shù)組合儀測井質(zhì)量的技術(shù)方法［J］.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2006（5）：25－28.

［6］夏光榮，唐文君.小數(shù)控儀器實現(xiàn)組合測井的技術(shù)改進(jìn)及應(yīng)用.石油儀器［J］.2008，22（6）：27－29.

［7］邱春寧，康志磊.聲波測井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)改進(jìn)方法［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報 （自然科學(xué)版），2011，13（5）：149－151.