房 勇，錢 鋒，周 策，蔡網(wǎng)鎖

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 2.四川水發(fā)勘測設(shè)計研究有限公司， 四川 成都 610000）

0 引言

目前，國內(nèi)外對水平孔和大斜度孔的測井施工主要采用隨鉆測井和鉆桿輸送濕接頭測井方法［1-4］，但是這兩種測井方法有其本身的缺點(diǎn)。隨鉆測井施工因都采用電磁波傳播的方法測量地層電阻率，這種方法適用于低阻砂泥巖地層，對于復(fù)雜巖性地層和電阻率高于200 Ω·m 砂泥巖地層無法測量。無線數(shù)據(jù)傳輸存在誤碼率高，孔內(nèi)傳輸不穩(wěn)定難題。鉆桿輸送濕接頭測井方法由于儀器裸露在鉆具的最底部，儀器下放的過程中無法加壓和旋轉(zhuǎn)鉆具，下井過程中容易造成儀器損壞和工程事故。

由四川省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司主持實(shí)施的引大濟(jì)岷工程［5］可行性研究階段勘查，為研究引大濟(jì)岷工程隧洞巖體特征、巖溶發(fā)育特征、地應(yīng)力特征和地下水特征等，在瀘定取水中線方案的引水線路中布置水平鉆孔8 個，共計2300 m，采用鉆探取心和綜合測井方法，探索建立以水平鉆孔替代平硐勘查模式。

國內(nèi)外相關(guān)儀器無法滿足水平孔綜合測試的要求，因此，中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所研制了一套適用于水平鉆孔的多參數(shù)全方位無纜（存儲式）綜試儀器。

1 水平孔多參數(shù)綜合測試儀器原理

該儀器將地球物理測井技術(shù)與數(shù)據(jù)存儲技術(shù)相結(jié)合，多參數(shù)的物理測井方法與可視化的成像技術(shù)相結(jié)合，通過鉆桿將相關(guān)傳感器輸送到大斜度及水平孔內(nèi)目的層，把地層內(nèi)的相關(guān)物理參數(shù)及孔壁的真實(shí)影像視頻存儲記錄，再通過地面解析得出相關(guān)物理參數(shù)及鉆孔巖心三維立體圖，為相關(guān)工程建設(shè)提供準(zhǔn)確的計算數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐。

水平孔綜合測試儀器具體功能模塊包括：（1）井溫、自然伽馬、井斜/方位、壓力測量功能；（2）縱波波速測量；（3）全孔壁高清成像、錄像及鉆孔軌跡測量功能；（4）能夠持續(xù)工作60 h 以上續(xù)航功能；（5）鉆孔內(nèi)數(shù)據(jù)存儲模塊；（6）地面檢測與深度測量系統(tǒng)；（7）數(shù)據(jù)采集及回放處理系統(tǒng)；（8）其他輔助材料，包括絕緣短節(jié)、導(dǎo)向錐、硬電極、鉆桿連接件等。

1.1 壓力采集

測壓單元的傳感器可采用應(yīng)變式壓力傳感器或者擴(kuò)散硅壓力傳感器，本儀器選用擴(kuò)散硅壓力傳感器。擴(kuò)散硅壓力傳感器是以單晶硅為基體，采用先進(jìn)的離子注入工藝和微機(jī)械加工工藝，制成了具有惠斯頓電橋和精密力學(xué)結(jié)構(gòu)的硅敏感元件。被測壓力通過壓力接口作用在硅敏感元件上，實(shí)現(xiàn)了所加壓力與輸出信號的線性轉(zhuǎn)換，經(jīng)激光修調(diào)的厚膜電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償了敏感元件的溫度性能，其性能更加穩(wěn)定不易漂移。壓力傳感器輸出模擬信號進(jìn)入A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集。參見圖1。

圖1 壓力采集單元設(shè)計原理Fig.1 Design principle of pressure acquisition unit

1.2 溫度采集

測溫單元［6］采用精密鉑電阻作為測溫元件，鉑電阻是根據(jù)溫度不同引起電阻變化的原理制成的，而鉑這種金屬在一定的溫度變化范圍之內(nèi)，電阻與溫度的線性關(guān)系好，準(zhǔn)確度高，所以被廣泛用作測量0～500 ℃溫度的測溫元件。

在此設(shè)備中溫度傳感器采用一體封裝技術(shù)，內(nèi)部封裝導(dǎo)熱材料，外部采用不銹鋼外管包裹，保證外界溫度能快速傳遞到感溫器件。這種封裝導(dǎo)熱性好、耐壓耐腐蝕性能突出，是目前最好的封裝方式。

電路中采用PT100 作為溫度傳感器。對鉑電阻的信號采集通過高精度雙運(yùn)放、一個儀表放大器和一個壓頻轉(zhuǎn)換構(gòu)成。參見圖2。

圖2 溫度采集單元設(shè)計原理Fig.2 Design principle of temperature acquisition unit

1.3 自然伽馬采集

自然伽馬采集單元［7］由閃爍探頭、分壓電路、脈沖整形、高壓電源電路構(gòu)成。自然伽馬測井儀的閃爍探頭是一個密閉的暗盒，內(nèi)有閃爍體、光導(dǎo)和光電倍增管3 個部件（見圖3）。當(dāng)核輻射進(jìn)入閃爍體時，閃爍體中的原子受激而產(chǎn)生熒光。利用光導(dǎo)和反射物質(zhì)把大部分熒光光子收集到光電倍增管的光陰極上。光子在光陰極上打出光電子，光電子在光電倍增管內(nèi)不斷倍增，最后形成電子束在陽極上產(chǎn)生電脈沖，此脈沖經(jīng)過脈沖整形后送入處理器。

圖3 自然伽馬閃爍探頭Fig.3 Natural gamma scintillation probe

閃爍體是碘化銫晶體，它輸出脈沖的幅度與次級電子能量成正比。因此，閃爍計數(shù)器不僅可以測量射線強(qiáng)度，而且可以測量射線能量。主要電路如下原理設(shè)計（參見圖4）。

圖4 自然伽馬采集單元設(shè)計原理Fig.4 Design principle of gamma ray acquisition unit

1.4 聲波采集

主要測量井下巖層聲波傳播速度［8-9］。將一個受控聲波振源放入井中，聲源發(fā)出的聲波引起周圍質(zhì)點(diǎn)的振動，在地層中產(chǎn)生體波即縱波和橫波，在井壁-鉆井液界面上產(chǎn)生誘導(dǎo)的界面波即偽瑞利波和斯通萊波。這些波作為地層信息的載體，被井下接收器接收，送至地面記錄下來，就是聲波測井。接收器、聲源統(tǒng)稱為聲系，根據(jù)聲系排列及尺寸的不同，聲波測井儀可分為補(bǔ)償測井儀（BHC）、長源距聲波測井儀（LSS）和陣列聲波測井儀。聲波在井內(nèi)地層中傳播由于地層巖石成分、結(jié)構(gòu)、孔隙中流體成分的變化其波的速度、幅度甚至頻率都會發(fā)生變化。只記錄聲波速度變化的稱為聲速測井（AC），而記錄聲幅度變化的則稱為聲幅測井。聲波速度測井中短源聲系僅記錄縱波（即首波）傳播時差，長源距聲系可記錄下縱波、橫波傳播時差（見圖5）。長源距聲波測井儀有兩個接收器（R1、R2）和兩個發(fā)射器（T1、T2）。測量是在兩個位置上進(jìn)行的，在第一個位置時，發(fā)射器T1（或T2）發(fā)射、在頂部兩個接收器測量時差；當(dāng)儀器提到兩個發(fā)射器和第一個位置時兩個接收器位置接近時，兩個發(fā)射器發(fā)射，R2（或R1）記錄。第一個位置記錄的結(jié)果由地面儀器存貯起來，等第二個位置記錄之后，由儀器自動計算并輸出經(jīng)過井眼補(bǔ)償?shù)穆暡〞r差。

圖5 一發(fā)雙收聲波測試示意Fig.5 Test of one?shot and double?received sound waves

1.5 孔內(nèi)電視原理

孔內(nèi)電視原理見圖6［10-11］。

圖6 孔內(nèi)電視主控硬件電路、程序及通訊模塊Fig.6 The main control hardware circuit, program and communication module of the TV in the hole

孔內(nèi)電視選用OV5640 型500 萬像素的攝像頭，該系統(tǒng)級芯片（SOC）傳感器采用OmniVision 公司的1.4 μm 的OmniBSI?背面照度架構(gòu)，以提供卓越的像素性能和最佳的一流的低光靈敏度，同時使8.5 mm×8.5 mm 超小型相機(jī)模塊設(shè)計，小于6 mm的Z 軸高度。

主控處理器選用DSP 微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0 或1 的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用AD5410/AD5420，這是一款低成本、高精度、完全集成的12/16 位轉(zhuǎn)換器，提供可編程電流源輸出，可滿足工業(yè)過程控制應(yīng)用的要求。輸出電流范圍可編程為4～20 mA、0～20 mA或0～24 mA 的超范圍功能。輸出開路保護(hù)，可驅(qū)動IH 的電感負(fù)載。

存儲器選用鐵電隨機(jī)存儲器FM25L04，F(xiàn)M25L04 是采用先進(jìn)的鐵電工藝制造的4K 位非易失性存儲器。鐵電隨機(jī)存儲器（FRAM）具有非易失性，并且可以像RAM 一樣快速讀寫，具有結(jié)構(gòu)更簡單，系統(tǒng)可靠性更高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)字溫度芯片選用帶數(shù)字溫度測量輸出的24位模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器芯片（HX710A），HX710 采用了海芯科技集成電路專利技術(shù)，片內(nèi)直接溫度測量和數(shù)字輸出（HX710A），（DVDD-AVDD）電壓差測量（HX710B），具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，性能和可靠性俱佳。

孔內(nèi)電視可獲得井孔內(nèi)孔壁的真實(shí)影像視頻，通過專用軟件可獲得鉆孔巖心二維平面展開圖及鉆孔巖心三維立體圖，從而測量出任意全方位傾角的鉆孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀角度，為相關(guān)工程建設(shè)提供準(zhǔn)確的計算數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐。

1.6 地面深度系統(tǒng)

地面深度系統(tǒng)由深度傳感器、深度計量系統(tǒng)、深度采集系統(tǒng)組成。主要功能是對深度和時間等信息進(jìn)行計量和存儲。

（1）光電編碼器是深度計量的傳感器，它安裝在絞車前面的導(dǎo)向輪上，在測井時導(dǎo)向輪帶動編碼器轉(zhuǎn)動，編碼器分別輸出A、B 兩路脈沖，此A、B 脈沖的相位互為90°。深度系統(tǒng)根據(jù)A、B 脈沖的相位和脈沖數(shù)來實(shí)現(xiàn)當(dāng)前的深度值。

深度時間計量主要功能是計量存儲深度和時間信息，它主要由存儲器、主處理器、深度預(yù)處理、電源部分構(gòu)成。

（2）存儲器主要存儲深度、時間和鋼絲拉力信息，它由一個NAND 型存儲器和一個鐵電存儲器構(gòu)成，NAND 型存儲器主要存儲深度、時間和鋼絲拉力信息

（3）主處理器采用一顆美國意法半導(dǎo)體的STM2 系列單片機(jī)，它的數(shù)據(jù)處理速度快，有兩種“看門狗”，在受到干擾后能自動重啟并很快進(jìn)入工作模式，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

（4）深度預(yù)處理主要是對深度輸入信號保護(hù)、濾波、整形。圖7中兩個非門用于信號整形，ZS1、ZS2對輸入信號具有保護(hù)功能，CS1、CS2對信號中的高頻尖刺濾波，保證信號的純正干凈。

圖7 深度預(yù)處理設(shè)計原理Fig.7 Design principle of deep preprocessing

（5）電源部分使用一個低壓差電源芯片，此芯片可以用后備電池供電，在設(shè)備停電后會自動切換到后備電源供電。

2 水平孔多參數(shù)綜合測試儀器構(gòu)成

2.1 地面系統(tǒng)

地面系統(tǒng)主要由多種傳感器、傳感器接線盒、傳感器總線、下井儀總線和數(shù)據(jù)處理面板（機(jī)箱）組成，并與地面計算機(jī)和井下儀通訊。

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)兩部分功能：深度數(shù)據(jù)采集、處理和井下儀器參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)讀取。

通過RS-232 總線與地面控制計算機(jī)連接，通訊速率9600 波特率，并提供深度等數(shù)據(jù)；為下井儀提供CAN 通訊接口，通訊速率1 Mbit/s，工作電源DC40 V±1 V，功率≮20 W。

存儲式鉆具輸送測井系統(tǒng)中的深度跟蹤就是地面儀器采集的井深數(shù)據(jù)始終要與井隊下鉆（下測）、起鉆（上測）、“等待”3 種基本狀態(tài)時井下儀器最下端的位置（鉆頭位置）保持一致。數(shù)據(jù)處理面板的深度跟蹤是通過測量輪上的深度傳感器記錄鉆桿移動的距離，完成深度數(shù)據(jù)采集、處理和井下儀器參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)讀取。

2.2 井下儀器

井下儀器主要包括：井斜方位+自然伽馬+井溫測井組合儀、數(shù)字聲速測井儀、孔內(nèi)電視及緩沖短節(jié)。井下儀器組成如圖8 所示。

圖8 井下儀器組成Fig.8 Composition of downhole instruments

2.3 測試方案

針對水平孔和大斜度孔的測井難題，采用存儲式綜合測井技術(shù)方法。研制的水平孔多參數(shù)綜合測試儀器為鉆桿輸送存儲式測井儀器，儀器在鉆具的底部，鉆具可以將測井儀器直接輸送到井底，儀器下放的過程中可以加壓、旋轉(zhuǎn)鉆具和循環(huán)泥漿，測井過程中可以避免造成儀器損壞和工程事故。利用井下大容量的存儲器及電池供電，無需電纜，一次下井可完成井斜、方位、井溫、壓力、聲波、井下電視等測井項目［12-15］。

3 儀器研發(fā)實(shí)現(xiàn)

3.1 儀器主要技術(shù)指標(biāo)

研制的水平孔多參數(shù)綜合測試儀器如圖9所示。

圖9 存儲式水平孔多參數(shù)綜合測井儀器探管Fig.9 Probe pipe of multi?parameter integrated logging instrument for storage horizontal hole

儀器主要技術(shù)指標(biāo)：外徑45 mm，最高工作溫度125 ℃，最大承受壓力60 MPa，自然伽馬測量范圍0～1000 API，傾斜角范圍0～90°，方位角范圍0～360°，聲速時差Δt范圍105～650 μs/m，最高測速600 m/h，供電要求DC36 V/200 mA。

3.2 室內(nèi)試驗

為了保證孔內(nèi)電視測試的可靠性及精度，我們在室內(nèi)進(jìn)行了相關(guān)的測試。測試方法：將一根內(nèi)徑為?70 mm 的亞克力管水平放置以模擬近水平鉆孔， 將深度計數(shù)輪固定于亞克力管前端，以記錄深度，在亞克力管兩邊放置兩臺激光方位儀，可模擬鉆孔巖層裂隙；將井下電視經(jīng)過深度計數(shù)輪送入亞克力管內(nèi)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，隨后通過計算機(jī)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、對比，獲取模擬鉆孔巖層裂隙的傾角及傾向。試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)（部分）Table 1 Laboratory test data (part)

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，傾角、傾向的誤差均在5°以內(nèi)，滿足誤差要求。

4 野外生產(chǎn)試驗

4.1 鉆孔基本情況

在引大濟(jì)岷工程SPZK1～SPZK8 共8 個水平定向勘探孔中測試應(yīng)用。以SPZK7 水平鉆孔為例，該孔位于寶興縣靈關(guān)鎮(zhèn)，在寶興河右岸，鉆孔設(shè)計孔深200 m。該孔于2022 年3 月25 日開鉆，4 月18 日完成設(shè)計孔深，終孔深度200.05 m。 鉆孔結(jié)構(gòu)見表2。

表2 鉆孔結(jié)構(gòu)Table 2 Borehole structure

4.2 測試情況

2022 年4 月25 日，對該孔進(jìn)行了綜合物探測試，測試內(nèi)容包括：井溫、井斜、方位、自然伽馬、聲波、水壓力及孔內(nèi)電視。測試孔段0～191 m，?89 mm 套管深度49.2 m，?76 mm 裸孔深度為49.2～191 m。

現(xiàn)場操作：儀器在下井前必須要進(jìn)行維護(hù)和相關(guān)設(shè)置。（1）檢查O 形密封圈是否破損，有問題及時更換；（2）鋰電池電壓是否充足；（3）安裝地面深度計量裝置，連接地面深度及記錄箱，確保數(shù)值的走向與鉆桿的起下一致；（4）連接井下儀器并下井，在井下儀器與孔口齊平時，及時與地面深度進(jìn)行同步設(shè)置；（5）儀器的下放及上提，整個過程需盡量保證勻速，下放和上提速度≯3 m/min；（6）儀器上井后及時清洗，取下電池，數(shù)據(jù)回放。操作過程參見圖10。

圖10 儀器下井及儀器提出鉆孔Fig.10 Instrument drilling and instrument drilling

4.3 測試結(jié)果

本孔為定向測斜，終止深度200.05 m，孔斜度90.1°（初始角86.8°），方位角253.1°（初始方位角244.3°），水平距離177.02 m，垂直深度為6.97 m，鉆孔位置平面投影如圖11 所示。

圖11 鉆孔位置立體投影Fig.11 Stereoscopic projection of drilling position

放射性測井發(fā)現(xiàn)本孔地層巖體自然放射性照射率一般在109 API，全孔不存在高放射性異常。聲波測井表明鉆孔揭露地層聲波速度一般值為3.63～5.85 km/s；本孔最高地溫為14.8 ℃。

4.4 孔內(nèi)電視測試對比

為了驗證孔內(nèi)電視測試的準(zhǔn)確性及精度，我們在同一鉆孔用有纜的孔內(nèi)電視也進(jìn)行了測試，對比情況如圖12 所示，產(chǎn)狀對比見表3。

表3 產(chǎn)狀對比數(shù)據(jù)Table 3 Comparative data of occurrence

圖12 孔內(nèi)電視測試對比Fig.12 Comparison of TV test in hole

對比結(jié)果分析：

（1）根據(jù)圖12 分析可以看出，電纜實(shí)測展開圖與存儲實(shí)測展開圖的圖像基本一致，圖像形狀有些誤差是因為有纜儀器和存儲儀器取得展開點(diǎn)相差90°，在同一段深度有大概1 m 的誤差，這是由于兩次測井起始零點(diǎn)的誤差。

（2）由圖12 可以看出，存儲成像分辨率更高一些，層次感較強(qiáng)，圖像更加細(xì)膩，這是由于存儲測井圖像像素是無損存儲的，有纜的孔內(nèi)電視受到電纜的影響，圖像在傳輸?shù)臅r候會損失一些像素，導(dǎo)致圖像模糊一些。

（3）圖像顏色差距是因為補(bǔ)光燈光照的強(qiáng)度和補(bǔ)光燈燈珠色差影響，可改進(jìn)燈光的色差來達(dá)到最佳的圖像效果。

（4）對同深度段的產(chǎn)狀測量結(jié)果進(jìn)行對比，傾角、傾向的誤差均在5°以內(nèi)，主要是由于儀器的扶正、孔徑的變化和后期產(chǎn)狀解釋引起的誤差。

5 結(jié)論

（1）水平孔多參數(shù)綜合測試儀器采用存儲器存儲孔內(nèi)測試信息，通過鉆桿下放及上拉測量探管進(jìn)行單、多點(diǎn)測量，然后進(jìn)行地面回放，解決水平深孔裸眼測試中的安全和高效問題。研制的儀器具有操作簡單、一次測量點(diǎn)多、精度高、省時省力、抗干擾、抗衰減和抗畸變能力強(qiáng)、不易被卡埋、不需要昂貴笨重的絞車和電纜，大幅度提高深孔的測試安全、效率和質(zhì)量，具有創(chuàng)新性。

（2）引大濟(jì)岷工程8 個水平定向勘探孔的測試表明，研制的水平孔多參數(shù)綜合測試儀及配套測試工藝技術(shù)方法，結(jié)構(gòu)設(shè)計方案比較合理，測試結(jié)果準(zhǔn)確可行。與水利水電行業(yè)勘查需求緊密結(jié)合，解決了長期困擾水利水電行業(yè)勘查水平鉆孔綜合測試的難題，其應(yīng)用也可推廣至隧道、交通、高速公路、高鐵、礦山、新能源地?zé)?、地質(zhì)災(zāi)害防治工程等領(lǐng)域。