ZH1多參數(shù)組合探管的開發(fā)及應(yīng)用

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(xiàng)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(shí)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(shí)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(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)省時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)時(shí)顯示出來。

3 ZH1探管的特點(diǎn)及主要功能

3.1 特點(diǎn)

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(diǎn)；如果不需要聲速數(shù)據(jù)，探管上部可單獨(dú)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(shí)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(jì)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(shí)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(diǎn)，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(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)、1項(xiàng)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(xiàng)課題與項(xiàng)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(diǎn)，組織了十余次行業(yè)峰會、項(xiàng)目研討會、實(shí)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(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jì)

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(jì)

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(gè)分量計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(jì)

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(shí)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(shí)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(shí)間，同時(shí)選擇較高計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率的計(jì)數(shù)器［7］。

圖4 ZH1探管軟件設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)例

ZH1探管試制完成后已在重慶地質(zhì)儀器廠210米試驗(yàn)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(yàn)井100～188m中的實(shí)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(yàn)孔設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)。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(jì)［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(shí)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(bào) （自然科學(xué)版），2011，13（5）：149－151.