一種適用于山區(qū)測井的數(shù)字化測井儀
——HD-4002A輕型綜合測井儀

徐傳國， 焦倉文， 陸士立， 馬艷芳， 袁 明， 喬寶強

(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院， 北京 100029)

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一種適用于山區(qū)測井的數(shù)字化測井儀
——HD-4002A輕型綜合測井儀

徐傳國， 焦倉文， 陸士立， 馬艷芳， 袁 明， 喬寶強

(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院， 北京 100029)

HD-4002A輕型綜合測井儀基于FSK微處理器并選用PW3磁芯材料設(shè)計出FSK模塊，解決了在單芯電纜上同時供電與信號傳輸?shù)募夹g(shù)難題，從而將井上設(shè)備與井下設(shè)備連接的四芯電纜改為單芯電纜，實現(xiàn)了整個測井儀輕型化的目的?；谌S加速度計和三軸磁強計獲取傳感器信號，采用結(jié)構(gòu)調(diào)整結(jié)合9位置標(biāo)定法，將通過標(biāo)定計算獲取的修正系數(shù)植入探管內(nèi)置程序中，實現(xiàn)在小口徑鉆孔中高精度數(shù)字測斜的目的。選用能量分辨率更高、測量范圍更寬的鍺酸鉍(BGO)晶體替代傳統(tǒng)的碘化鈉(NaI)晶體作為探測器，設(shè)計采用雙CPU電路結(jié)構(gòu)，同時以內(nèi)置Ba-133源作為穩(wěn)譜基準(zhǔn)源，通過程序軟件自動穩(wěn)譜，實現(xiàn)在小口徑鉆孔中連續(xù)伽瑪能譜測井的目的。

鈾礦勘查； 輕型測井儀； FSK模塊； 數(shù)字測斜； γ能譜測井

隨著我國核電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，鈾資源的需求進(jìn)一步加大。自2005年開始，國家開始大力布局南方熱液型鈾礦的勘查工作，相應(yīng)測井工作任務(wù)大幅增加。當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)的綜合測井儀普遍采用直徑5 mm 的4芯鎧裝電纜，1 km電纜的電動絞車總重達(dá)250 kg以上，只能安裝在測井車上，人工移動困難，無法在南方山區(qū)使用。因此，在我國南方山區(qū)鈾礦勘查中仍使用20世紀(jì)50年代沿用下來的手搖絞車測井，不能連續(xù)測量，只能每隔1 m進(jìn)行定點測量，遇到有鈾異常時加密到10 cm點距測量，測井速度極慢。而且，測點深度需要數(shù)電纜上的深度標(biāo)記，容易出錯，測井工作勞動強度大，工作效率低。為了提高測井工作效率，減輕測井工作勞動強度，滿足日益增長的南方山區(qū)測井需求，我們在HD-4002四芯車載綜合測井儀的基礎(chǔ)上，研制出了適應(yīng)南方山區(qū)的HD-4002A輕型綜合測井系統(tǒng)。

1 功能與特點

HD-4002A輕型綜合測井系統(tǒng)設(shè)計主要針對南方熱液型鈾礦的勘查工作，也可用于其它地區(qū)鈾礦勘查及其它礦產(chǎn)資源(如煤礦等)的地質(zhì)勘查。系統(tǒng)由地面控制臺、電腦及數(shù)據(jù)采集軟件、單芯電纜絞車及基本的井下測量儀器組成，可以測量孔徑小至60 mm、深度達(dá)2 km的鉆孔中的γ總量、γ能譜、頂角、方位角、井徑、視電阻率和自然電位等參數(shù)。系統(tǒng)配備基于Windows的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，采用單芯電纜傳輸，同時開發(fā)了多參數(shù)組合探管，故系統(tǒng)具備輕便(1 km絞車僅重不到100 kg)和多參數(shù)同時測量等特點。

HD-4002A輕型綜合測井儀既可安裝在測井車上，也可人工移動到各種復(fù)雜地形地區(qū)開展測井工作。

2 性能指標(biāo)

系統(tǒng)工作常規(guī)性能指標(biāo)：

工作電源：220 V/50 Hz；工作溫度：0～75 ℃；探管耐壓：25 MPa；最小測量孔徑：60 mm；最大測井深度：2 km。

各探管測量參數(shù)技術(shù)指標(biāo)見表1，主機及探管外形尺寸見表2。

表1 各探管測量參數(shù)技術(shù)指標(biāo)

表2 主機及探管外形尺寸

3 地面控制臺

地面控制臺是整個系統(tǒng)的核心。它采用雙CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制協(xié)調(diào)PC機、絞車以及井下儀器工作，并設(shè)計有自檢和標(biāo)定功能模塊[1]。地面控制臺通過FSK(Frequency Shift Keying)方式與井下儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并為其提供電源。設(shè)計的90 V開關(guān)電源，用于為井下探管供電，12 V電源為光電脈沖發(fā)生器供電。地面控制臺與PC機通過USB接口實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換，即插即用。其功能模塊見圖1。

HD-4002A輕型綜合測井儀地面控制臺對絞車的控制、深度與速度信號的采集處理及與PC機之間的數(shù)據(jù)交換部分基本與HD-4002車載綜合測井儀相同[2]。最大的變化在于為了降低整個系統(tǒng)的重量而采用單芯電纜實現(xiàn)井上與井下的連接，這需要在同一根纜芯上同時完成電源和信號的可靠傳輸。經(jīng)過反復(fù)試驗和論證，

圖1 地面控制臺功能模塊圖Fig.1 The function module diagram of ground console

我們采用FSK半雙工通信技術(shù)，利用變壓器將信號耦合到單芯鎧裝電纜，并獲得成功。

地面控制臺和每種探管中都設(shè)計有FSK模塊(圖2)。FSK微處理器是FSK模塊的核心，其基本功能是利用微處理器的串口0以FSK方式實現(xiàn)井下探管與地面操作臺的半雙工通訊，其余資源諸如串口1、中斷#INTT0、定時器0、定時器2以及端口1用于不同型號探管接口，不同型號探管利用的資源不盡相同。

圖2 FSK模塊功能方塊圖Fig.2 Function block diagram of FSK module

在FSK模塊設(shè)計中磁芯材料的選擇很重要。磁芯有選頻特性，如果磁芯選擇不恰當(dāng)，則容易造成對傳輸信號頻率產(chǎn)生選擇性，從而導(dǎo)致高頻、低頻信號幅度衰減很大，在FSK接收端容易造成誤碼。本設(shè)計選用PW3材料磁芯，其適用頻率為100～300 kHz，具體選用器件為TDK公司的EPC44，其變壓器變比為1∶1。

4 控制及采集軟件

控制及數(shù)據(jù)采集軟件HDSLog是基于Windows平臺開發(fā)的[3]，具有Windows操作系統(tǒng)的界面友好、操作方便、所見即所得的特點，與地面控制臺通過即插即用的USB接口實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換，探管選擇、深度預(yù)置、采集啟停、密度探管井徑臂的張開或收攏等指令都可以通過HDSLog界面操作來完成。HDSLog采用多線程編程技術(shù)實現(xiàn)高速、實時存儲并動態(tài)顯示測井曲線。引入ACCESS數(shù)據(jù)庫管理測井信息，采用Winsock編程技術(shù)，實現(xiàn)多管道顯示及多種數(shù)據(jù)格式存儲，可以適應(yīng)后續(xù)解釋處理軟件對數(shù)據(jù)格式的不同要求。

5 絞車系統(tǒng)

絞車重量在測井系統(tǒng)中占很高的比重，直接決定了整個測井系統(tǒng)的便攜性。本絞車采用單芯鎧裝電纜，重量較輕，不帶電纜重量僅55 kg(單芯鎧裝電纜重量40 kg/km)；設(shè)計有自動排纜、機械自鎖(電制動)和手動剎車功能；采用變頻調(diào)速控制，絞車運行平穩(wěn)；最大測井深度2 km，電纜連接器拉斷強度達(dá)140 kg。

6 井下測量系統(tǒng)

6.1 γ總量探管

G401γ總量探管主要由閃爍探測器、信號放大、成型、甄別、計數(shù)電路、數(shù)據(jù)傳輸電路、高壓電源、低壓電源等部分組成。G401γ總量探管的探測器、測量電路及探管機械結(jié)構(gòu)與G404γ總量探管相同，數(shù)據(jù)傳輸部分采用了全新的FSK方式實現(xiàn)與地面操作臺的半雙工通訊。在探管電路中設(shè)計了FSK模塊，其基本接線與主機上的FSK模塊(圖2)相同，只是利用中斷端口INTT0連接整形后的伽瑪脈沖信號輸出端，F(xiàn)SK微處理器是FSK模塊的核心，其基本功能是接收來自地面操作臺的命令并解譯后做出響應(yīng)的操作，發(fā)送測量數(shù)據(jù)給地面操作臺。

6.2 數(shù)字井斜探管

X401測斜探管集微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器、數(shù)據(jù)采集、微處理器(CPU)及標(biāo)準(zhǔn)RS232串行通訊為一體。它主要分為參數(shù)測量和數(shù)據(jù)傳輸電路兩大部分。

數(shù)據(jù)傳輸同樣是通過FSK方式實現(xiàn)與地面操作臺的半雙工通訊，接收來自地面操作臺的命令并解譯后做出相應(yīng)的操作，發(fā)送測量數(shù)據(jù)給地面操作臺。

工作原理是通過三軸加速度計和三軸磁強計獲取傳感器信號，經(jīng)放大濾波后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；而后經(jīng)過儀器坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及傾角、方位角和工具面角的解算算法從重力加速度傳感器測量的重力場3分量獲得鉆孔的傾斜參數(shù)[4]，從磁阻傳感器測量的地磁場3分量獲得鉆孔的方位[5]。圖3是X401測斜探管的功能框圖。

因為電路焊接與安裝、機械加工等不可避免會造成三分量MEMS重力加速度計與AMR相應(yīng)各敏感軸之間的平行度以及各傳感器坐標(biāo)軸與測量儀器坐標(biāo)軸的不重合，從而導(dǎo)致測量系統(tǒng)的誤差。經(jīng)過機械安裝調(diào)整后，直接通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及角度解算算法獲得的傾角與方位角參數(shù)測量精度還不足以達(dá)到工程化要求；為提高測量精度，軟件實時修正是必不可少的重要環(huán)節(jié)。我們經(jīng)過反復(fù)試驗驗證，從滿足精度要求和軟件修正復(fù)雜度兩方面綜合考慮總結(jié)出了一套簡單易行的9位置標(biāo)定法(圖4)，將通過標(biāo)定計算獲取的修正系數(shù)植入探管內(nèi)置程序中，可以確保數(shù)字測斜探管連續(xù)測量的精度達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。

6.3 井徑探管

J401井徑探管采用3臂測量方式，微處理器控制微電機操作，實現(xiàn)井徑臂的張開/收攏，采集處理井徑信息。

數(shù)據(jù)傳輸同樣是通過FSK方式實現(xiàn)與地面操作臺的半雙工通訊，接收來自地面操作臺打開、收攏井徑臂、發(fā)送井徑數(shù)據(jù)、標(biāo)定參數(shù)下載等命令，解譯后做出相應(yīng)的操作，發(fā)送測量數(shù)據(jù)給地面操作臺。

圖3 數(shù)字井斜探管功能框圖Fig.3 Function block diagram of digital inclinometer

圖4 9位置標(biāo)定法布局結(jié)構(gòu)圖Fig.4 9-position configuration①～⑨—儀器標(biāo)定時設(shè)置的9個位置。

井徑的測量是利用井徑臂帶動滑動電位器，獲得的電壓信號經(jīng)過放大器以及VFC32轉(zhuǎn)換器后，獲得頻率隨井徑變化的量，將頻率信號連接到FSK模塊上，再經(jīng)過FSK模塊上的CPU轉(zhuǎn)化為井徑值。井徑臂的張開和收攏操作受地面控制臺命令控制，利用探管上的FSK模塊控制繼電器的動作，實現(xiàn)電機電源接通和電機極性控制，從而達(dá)到井徑臂的張開和收攏的目的。

6.4 γ能譜探管

在鈾、釷混合型鈾礦床上，γ總量測井無法正確測定礦體的鈾含量，需要使用γ能譜測井儀分別測定礦體的鈾、釷、鉀含量[6]。為此，我們研制了適應(yīng)我國南方硬巖的小口徑鉆孔的測井要求γ能譜測井探管。

數(shù)據(jù)傳輸同樣是通過FSK方式實現(xiàn)與地面操作臺的半雙工通訊，接收來自地面操作臺的命令，解譯后進(jìn)行相應(yīng)的操作，發(fā)送測量數(shù)據(jù)給地面操作臺。

為了達(dá)到在小口徑鉆孔中連續(xù)伽瑪能譜測井的目的，測量部分要實現(xiàn)高速、高精度數(shù)據(jù)采集和自動快速穩(wěn)譜等功能[7]。 γ能譜探管選用直徑30 mm、長100 mm的鍺酸鉍(BGO)晶體作為探測器，提高了γ射線的探測效率。BGO晶體的能量分辨率可達(dá)到18%，能夠滿足測定U、Th含量的要求，而且具有良好的積分線性，其能量測量范圍為50 keV～3 MeV。它采用雙CPU結(jié)構(gòu)，利用一個雙端口存儲器把兩個微處理器連接起來，一個高速微處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲，另一個微處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送并完成其它工作，這樣就基本構(gòu)成一個高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

采用高速A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和高性能CPU提高數(shù)據(jù)處理速度，解決了測井速度和能譜測量計數(shù)率統(tǒng)計誤差之間的矛盾，實現(xiàn)了高采集數(shù)據(jù)吞吐率減小統(tǒng)計漲落引起測量誤差的目標(biāo)。本儀器內(nèi)置Ba-133源作為穩(wěn)譜基準(zhǔn)源，通過程序軟件實現(xiàn)自動穩(wěn)譜功能，解決了環(huán)境溫度的變化和高含量鈾礦體中強γ射線對儀器自動穩(wěn)譜系統(tǒng)干擾的難題，保證了儀器穩(wěn)定、準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)。

7 性能測試及野外試驗

井下儀器全部與馬龍頭(電纜連接器)連接后進(jìn)行了水壓密封試驗，壓力試驗機注水加壓到25 MPa時均未出現(xiàn)進(jìn)水現(xiàn)象。在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院例行試驗室，對測井儀的主機、伽瑪總量、井斜、井徑和多道伽瑪能譜探管均按規(guī)范做了溫度穩(wěn)定性測量，在井下溫度5～40 ℃范圍內(nèi)，相對于20℃時各測井參數(shù)的變化均小于±10%。說明儀器的溫度和壓力指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求。對于需要定量測量的G401γ總量探管，我們按規(guī)范將探管送到核工業(yè)放射性測量基準(zhǔn)站進(jìn)行檢定，取得了檢定合格證書。以兩根G401γ總量探管標(biāo)定數(shù)據(jù)為例：1301號探管鈾換算系數(shù)為29.8(nC·kg-1h-1)/(0.01%eU),在0.01%eU到1%eU標(biāo)準(zhǔn)模型井標(biāo)定相對誤差最大值為-3.6%；1302號探管鈾換算系數(shù)為29.69(nC·kg-1h-1)/(0.01%eU),在0.01%eU到1%eU標(biāo)準(zhǔn)模型井標(biāo)定相對誤差最大值為-2.6%。

2010年8月，在江西相山地區(qū)3個鉆孔內(nèi)采用HD-4002A輕型綜合測井儀開展了γ總量、井斜、井徑等參數(shù)的野外測井試驗，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定。在孔號為ZK52-22和ZK71-83 的2個見礦孔中，采用HD-4002A與符合《核工業(yè)鈾礦測井規(guī)范》并在測井生產(chǎn)中普遍采用的FD-3019測井儀進(jìn)行實時測量，測量數(shù)據(jù)見表3。從表3可見，兩種儀器在鈾異常段測得的米百分含量相對誤差小于5%。說明HD-4002A輕型綜合測井儀的測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，與FD-3019測井儀一致性良好，完全滿足放射性γ測井規(guī)范要求。而從自動化程度、工作效率、勞動強度的比較上，HD-4002A輕型綜合測井儀均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于只能定點測量的FD-3019型手搖絞車型測井儀，表明HD-4002A輕型綜合測井儀是一種適用于復(fù)雜山區(qū)地形鈾礦勘查的輕型高精度數(shù)字測井系統(tǒng)。

2012年9—11月，在江西相山地區(qū)李家?guī)X礦床、居隆庵礦床以及桃園鄉(xiāng)游坊羅陂地區(qū)進(jìn)行了γ能譜測井試驗工作，共測量了6個鉆孔，累計測井深度6352.89 m。測井方式采用連續(xù)測量，異常段探管提升速度為1～2 m/min。項目組將N451γ能譜測井解釋結(jié)果與江西261大隊FD-3019γ總量測井儀測井解釋結(jié)果作了對比，工業(yè)礦(U含量≥0.05%)32.6 m、礦化段(U含量在0.03%～0.05%)7.5 m、異常段(U含量在0.01%～0.03%)31.4 m?？傆嬅装俜种?m%)的相對誤差為-4.23%。表明γ能譜測井結(jié)果良好，符合《γ測井規(guī)范 EJ/T 611-2005》中“檢查測井異常面積或米百分值允許相對誤差應(yīng)不大于10%”的規(guī)定。以ZK80-37號鉆孔中530～640 m范圍內(nèi)FD-3019伽瑪總量測井儀和N451型伽瑪能譜測井儀實際測得的測井曲線(圖5)為例可以看出，F(xiàn)D-3019的總量測井曲線與N451的能譜測井U窗計數(shù)率曲線在形態(tài)和異常位置上是非常一致的，N451的能譜測井Th窗計數(shù)率曲線基本為本底線。說明了N451型伽瑪能譜測井儀對異常識別的準(zhǔn)確性，且直接指出了異常是鈾元素所導(dǎo)致。

表3 HD-4002A與FD-3019測量數(shù)據(jù)對比表

圖5 ZK80-37伽瑪能譜測井曲線與伽瑪總量測井曲線對比圖(孔深530～640 m段)Fig.5 Comparison between γ spectrum logging curves and γ logging curves measured in the drilling hole ZK80-37(the hole depth from 530 to 640 meters )a—N451伽瑪能譜測井曲線； b—FD-3019伽瑪總量測井曲線。1—N451 U窗；2—N451 Th窗；3—FD-3019總道。

致謝：研制HD-4002A輕型綜合測井系統(tǒng)過程中，我們得到了總裝備部、中核集團地礦事業(yè)部、江西省核工業(yè)局261大隊等單位的大力支持，借此機會謹(jǐn)表感謝。

[1]何立民.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

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[3]陳建春.Visual C++高級編程技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999.

[4]朱金冬，任建新，唐品利，等.一種新型陀螺測斜儀的硬件設(shè)計及其誤差補償技術(shù)[J]．測井技術(shù)，2006，30(6)：580-582.

[5]林 君.地球物理弱磁測量儀器進(jìn)展[J]．石油儀器，1997，11(2)：7-11.

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A Mountain Logging Adaptable Digital Instrument——HD-4002A Comprehensive Light Logging Instrument

XU Chuan-guo,JIAO Cang-wen,LU Shi-li,MA Yan-fang,YUAN Ming,QIAO Bao-qiang

(BeijingResearchInstituteofUraniumGeology,Beijing100029,China)

Based on the FSK micro-processor and PW3 magnetic core material, the FSK module was designed to solve the technical problem of power supply and signal transmission in a single cable which replace the four core cables to connect the inoue equipments and downhole equipments and realize the light duty goal of HD-4002A logging instrument.Based on the triaxial accelerometer and three axis magnetometer，HD-4002A single conductor logging instrument obtain the sensor signals, and implant the corrected coefficient to the agent inside program by using the structural adjustment of nine position calibration method to realize high precision digital inclination measurement in slim hole.Instead of traditional NaI crystals, The instrument chose BGO crystals as the detector which has higher-energy resolution and wider measurement range, use double CPU circuit structure built-in Ba-133 as a stabilizer benchmark source to realize the goal of consecutive gamma ray spectrum logging in the slim hole through the application of software automatic stabilizer.

uranium exploration;light logging instrument;FSK module;digital inclination measurement;gamma-ray spectrum logging

10.3969/j.issn.1000-0658.2015.02.005

2013-05-10 [改回日期]2014-09-29

徐傳國(1969-)，男，高級工程師，1992年畢業(yè)于長春地質(zhì)學(xué)院，從事放射性、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)勘探儀器研發(fā)。E-mail：584914828@qq.com

1000-0658(2015)02-0096-07

P631.6+3

A