HD-4002B綜合測(cè)井儀在鈾礦科學(xué)深鉆中的應(yīng)用

徐傳國(guó)，陸士立，焦倉(cāng)文，馬艷芳，王衛(wèi)國(guó)，宮圣起

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.核工業(yè)243大隊(duì)，內(nèi)蒙古赤峰 024000）

HD-4002B綜合測(cè)井儀在鈾礦科學(xué)深鉆中的應(yīng)用

徐傳國(guó)1，陸士立1，焦倉(cāng)文1，馬艷芳1，王衛(wèi)國(guó)2，宮圣起1

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.核工業(yè)243大隊(duì)，內(nèi)蒙古赤峰 024000）

針對(duì)中國(guó)鈾礦科學(xué)第一深鉆研究項(xiàng)目和未來(lái)鈾礦勘查攻深找盲的需要，在原研發(fā)的HD-4002綜合測(cè)井系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過(guò)采用特殊耐高溫高強(qiáng)度聚芳砜（PASF）材料以及氟橡膠密封圈克服鉆孔高溫、高壓影響以解決深井測(cè)井密封、絕緣問(wèn)題；采用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)克服長(zhǎng)距離鎧裝電纜引起線損的影響，研制出適合深度達(dá)3 000m的小孔徑鉆孔綜合測(cè)井需要的HD-4002B綜合測(cè)井儀。該儀器在2013年5月成功獲取中國(guó)鈾礦科學(xué)第一深鉆2 818m的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，填補(bǔ)了鈾礦地質(zhì)勘查深度測(cè)井技術(shù)的空白。

科學(xué)深鉆；綜合測(cè)井；高溫高壓；鈾礦化

為最大限度地獲取地球深部成礦條件和地質(zhì)環(huán)境信息，解決熱液型鈾礦勘查和成礦理論方面的技術(shù)瓶頸，由李子穎研究員負(fù)責(zé)的科研團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了核能開(kāi)發(fā)“相山大型鈾礦田科學(xué)鉆探深部成礦環(huán)境研究”項(xiàng)目，研究團(tuán)隊(duì)在江西省相山鈾礦大基地選址施工一口約3 000m深鉆鉆孔。數(shù)字化綜合測(cè)井作為一種經(jīng)濟(jì)、快捷、可靠、有效的方法，被設(shè)計(jì)用來(lái)獲取鉆孔所穿透地層的各種地球物理參數(shù)，包含鉆孔的井徑、井斜（方位角與頂角）、井溫、礦化層位等信息［1］。目前鈾礦勘查中使用的傳統(tǒng)綜合測(cè)井儀測(cè)井深度僅為1 000 m左右，而項(xiàng)目需要提供深度約3 000m的測(cè)井服務(wù)。在3 000 m深井中壓力達(dá)到30 MPa，溫度達(dá)到100℃，這些都是井下儀器穩(wěn)定可靠工作需要克服的技術(shù)難題，同時(shí)整機(jī)系統(tǒng)還需要解決長(zhǎng)距離電壓和信號(hào)傳輸問(wèn)題。為此，項(xiàng)目組在原研發(fā)的HD-4002綜合測(cè)井儀技術(shù)基礎(chǔ)上［2］，通過(guò)科研攻關(guān)，研制出了適合3 000m深度科學(xué)深鉆測(cè)井需求的HD-4002B綜合測(cè)井儀，并順利完成了2 818m的測(cè)井任務(wù)，獲取了γ總量、γ能譜、井斜、井徑、電阻率、自然電位、井溫等多種參數(shù)，為相山火山盆地地質(zhì)結(jié)構(gòu)和鈾多金屬成礦環(huán)境的研究提供了第一手資料。本文主要介紹了HD-4002B綜合測(cè)井儀的改進(jìn)思路及在相山科學(xué)深鉆中的應(yīng)用。

1 HD-4002B 綜合測(cè)井儀原理及特點(diǎn)

1.1 基本思路

在HD-4002車載綜合測(cè)井儀基礎(chǔ)上，通過(guò)解決井下探管在高溫（100℃）條件下工作的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)材料在高溫、高壓（30MPa）下的承受力和密封性以及長(zhǎng)電纜（3 000m）上電壓和信號(hào)傳輸?shù)壬罹疁y(cè)井的關(guān)鍵問(wèn)題而研制出HD-4002B綜合測(cè)井儀。儀器主機(jī)在HD-4002車載綜合測(cè)井儀主機(jī)的基礎(chǔ)上將井下探管的供電電壓從60 V提高到130 V；測(cè)井絞車采用3 000m的4芯鎧裝電纜絞車；配接的井下探管有γ總量探管、γ能譜探管、數(shù)字井斜探管、電法探管、井溫探管、密度三側(cè)向電阻率探管。

1.2 設(shè)備供電改進(jìn)

為了克服長(zhǎng)電纜引起的線損，采用提高地面操作臺(tái)供電電壓的方案。在傳輸功率相同的條件下，提高電壓，減小電流，使電纜上的電壓降減小，基于此原則，將供電電壓提高到130 V。為了提高電源效率、減小體積、提高集成度，自主設(shè)計(jì)了基于開(kāi)關(guān)電源SWPS技術(shù)的恒壓電源，采用光耦隔離反饋技術(shù)提高電壓調(diào)整率。達(dá)到0.5%穩(wěn)壓精度的同時(shí)減小來(lái)自動(dòng)力電網(wǎng)對(duì)輸出電壓的干擾。

為了滿足密度三側(cè)向電阻率探管推靠電機(jī)電源和井下儀器工作電源不共地的要求，需要解決多組電源交調(diào)失衡問(wèn)題，采用雙光電耦合器做反饋控制信號(hào)并于電源輸入側(cè)共地的設(shè)計(jì)方案解決。

為降低強(qiáng)電對(duì)信號(hào)的干擾，采取磁隔離、光電隔離并舉的措施將光電碼盤、絞車變頻控制器、PC主機(jī)等部件實(shí)現(xiàn)電氣隔離，大大提高了系統(tǒng)抗干擾能力。

針對(duì)電源電路對(duì)深度記錄系統(tǒng)的光脈沖信號(hào)的干擾，采取增加RC濾波加施密特整形的措施來(lái)提高深度記錄系統(tǒng)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

1.3 高溫高壓工作環(huán)境下材料、元件選取

3 000 m深井溫度最高會(huì)達(dá)到100℃左右，壓力達(dá)到30 MPa，對(duì)于井下測(cè)量系統(tǒng)的密封性能是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。井下測(cè)量系統(tǒng)由馬龍頭（電纜連接器）和各種井下探管組成，通過(guò)鎧裝電纜與井上系統(tǒng)連接。馬龍頭和各種井下探管結(jié)構(gòu)材料主體為不銹鋼，絕緣部件采用工程塑料。通過(guò)查閱相關(guān)資料并反復(fù)試驗(yàn)，最終選用剛性和耐熱性好的聚芳砜（PASF）材料［3］代替普通工程塑料，制作電法探管和馬龍頭的絕緣部件，克服了在鉆孔高溫、高壓影響下普通工程塑料蠕變導(dǎo)致井下測(cè)量系統(tǒng)密封性破壞的問(wèn)題；其次針對(duì)不同直徑的測(cè)井探管，經(jīng)理論計(jì)算結(jié)合管材確定測(cè)井探管的壁厚；密封圈均選用具有穩(wěn)定性、耐高溫性、耐老化性等特征的氟橡膠Ο型密封圈。實(shí)現(xiàn)了高溫和高壓環(huán)境下的井下測(cè)量系統(tǒng)的密封、機(jī)械性能良好的目的。

有關(guān)電子線路與元件耐高溫問(wèn)題，常規(guī)的電器元件選用工業(yè)級(jí)以上產(chǎn)品（工作溫度可達(dá)85～125℃）就能夠克服溫漂的影響，完全可以保證工作的穩(wěn)定性和測(cè)量的精度與準(zhǔn)確性。但γ總量的測(cè)量使用光電倍增管和閃爍探測(cè)器晶體，尤其是光電倍增管工作性能受溫度的影響很大。除了選用耐高溫的光電倍增管和碘化鈉晶體外，還要解決能量甄別閥值、坪曲線的選擇等問(wèn)題。一般用“坪”長(zhǎng)和“坪”斜兩個(gè)參數(shù)來(lái)表示閃爍計(jì)數(shù)器的“坪”特性，“坪”區(qū)越長(zhǎng)，“坪”斜越小，越有利于射線強(qiáng)度的測(cè)量。當(dāng)鑒別電壓、溫度、源不變時(shí)，儀器放大倍數(shù)增大，“坪”長(zhǎng)縮短，“坪”斜變陡；反之，“坪”長(zhǎng)增大，“坪”斜變小。鑒別電壓（對(duì)應(yīng)能量甄別閾值的輸出電壓值，下同）的大小可以等效為儀器的放大倍數(shù)，鑒別電壓增大，相當(dāng)于放大倍數(shù)減小，鑒別電壓減小，相當(dāng)于放大倍數(shù)增大。高溫變化會(huì)引起甄別閾的變化，另一方面，溫度變化還會(huì)引起光電倍增管（PMT）的高壓模塊的輸出變化，最終都表現(xiàn)為增益的變化。在儀器改進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)定合適的經(jīng)驗(yàn)閾值和“坪”區(qū)來(lái)降低溫度變化對(duì)探測(cè)器的影響，經(jīng)性能測(cè)試驗(yàn)證井下測(cè)量系統(tǒng)在0～120℃溫度區(qū)間內(nèi)均能穩(wěn)定工作，且測(cè)量范圍和精度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

應(yīng)用高靈敏度PN結(jié)測(cè)溫技術(shù)，采用小體積導(dǎo)熱介質(zhì)減小熱容以及在導(dǎo)熱介質(zhì)與PN結(jié)溫度傳感器之間增加導(dǎo)熱硅膠等手段提高溫度響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)井，提高測(cè)井效率。

1.4 性能指標(biāo)

研制的HD-4002B綜合測(cè)井儀依據(jù)《核儀器環(huán)境條件與試驗(yàn)方法》（GB/T 8993—1998）的要求做了環(huán)境試驗(yàn)，主要包括高低溫試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)和高壓密封試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于溫度、振動(dòng)和密封條款的規(guī)定。G404B高溫γ測(cè)井探管按照《γ測(cè)井規(guī)范》（EJ/T 611-2005）的要求在核工業(yè)放射性測(cè)量基準(zhǔn)站進(jìn)行了標(biāo)定［4］，并取得了鑒定合格證書(shū)，其他探管標(biāo)定方法同HD-4002車載綜合測(cè)井儀。HD-4002B綜合測(cè)井儀主要參數(shù)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 主要參數(shù)技術(shù)指標(biāo)Table 1 M ain specifications ofmeasuring parameters

2 HD-4002B 綜合測(cè)井儀應(yīng)用及效果

2013年3月31日，位于江西鄒家山的中國(guó)鈾礦科學(xué)第一深鉆施工孔深到2 579.88米時(shí)，委托山東煤田地質(zhì)隊(duì)利用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的JGS-1B型測(cè)井儀進(jìn)行了測(cè)井，該儀器實(shí)際獲取的測(cè)井參數(shù)主要有三側(cè)向電阻率、自然電位、自然伽馬、人工伽馬（長(zhǎng)、短源距）、聲波時(shí)差、井溫、井徑及井斜等，實(shí)際測(cè)井深度為2 577.86 m。2013年5月3日，中國(guó)鈾礦科學(xué)第一深鉆順利終孔，終孔深度2 818.88m。項(xiàng)目組利用研制的HD-4002B綜合測(cè)井儀開(kāi)展了綜合測(cè)井工作，成功獲取了γ總量、γ能譜、井斜、井徑、井溫、電阻率和自然電位等參數(shù)數(shù)據(jù)。其中除了γ能譜探管只測(cè)量到1 500 m外，其他探管都測(cè)量到2 818m。兩套設(shè)備在野外測(cè)井工作均嚴(yán)格按照測(cè)井規(guī)范和項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，保證了獲取數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和可靠性。

以下以γ總量、井斜、井徑和鈾、釷、鉀能譜（HD-4002B綜合測(cè)井儀特有）等參數(shù)為例比較JGS-1B和HD-4002B測(cè)井儀兩套儀器實(shí)際測(cè)量結(jié)果：

1）JGS-1B測(cè)井儀γ總量測(cè)井曲線和HD-4002B綜合測(cè)井儀γ總量測(cè)井曲線都明確揭示該鉆孔有3個(gè)明顯的鈾礦化層（圖1），曲線的峰值與鈾礦化異常點(diǎn)位置均高度一致。

2）JGS-1B測(cè)井儀按50 m間距單點(diǎn)測(cè)斜，實(shí)際測(cè)量到2 580 m，而HD-4002B綜合測(cè)井儀實(shí)現(xiàn)數(shù)字化連續(xù)測(cè)斜，實(shí)際完成2 818m全鉆孔測(cè)斜（圖2）。兩套儀器均揭示在0～1 600 m深度區(qū)間，鉆孔傾角在0.1°～2°之間，在1 600 m以上深度區(qū)間，鉆孔傾角逐漸增大，井斜測(cè)井曲線形態(tài)一致。

3）JGS-1B測(cè)井儀和HD-4002B綜合測(cè)井儀的井徑測(cè)井曲線形態(tài)的一致性非常好（圖3），與鉆孔施工工藝也基本吻合（約46m深度以上采用Φ145 mm的鉆桿鉆探，約46 m深度以下采用Φ122mm的鉆桿鉆探）。

4）在鈾、釷混合型鈾礦床上，γ總量測(cè)井無(wú)法直接準(zhǔn)確測(cè)定礦體的鈾含量，HD-4002B綜合測(cè)井儀配套研制的N454B型小口徑能譜測(cè)量探管能分別測(cè)定礦體的鈾、釷和鉀含量［5］。在鈾礦科學(xué)深鉆中的能譜測(cè)井曲線（圖4）顯示的礦化點(diǎn)位與γ總量測(cè)井曲線顯示的礦化深度一致，且明確揭示異常區(qū)均屬于鈾礦化，釷含量基本為本底值。

圖1 JGS-1B和HD-4002B綜合測(cè)井儀γ總量測(cè)井曲線對(duì)比圖Fig.1 Comparison ofγtotal curves of JGS-1B and HD-4002B logger

圖2 JGS-1B和HD-4002B綜合測(cè)井儀井斜測(cè)井曲線對(duì)比圖Fig.2 Comparison of inclination curves of JGS-1B and HD-4002B logger

3 結(jié)論

1）新研制的HD-4002B綜合測(cè)井儀，采用高強(qiáng)度聚芳砜（PASF）材料加工探管的絕緣部件和選用氟橡膠Ο型密封圈等措施解決鉆孔高溫、高壓環(huán)境下的探管的絕緣和密封問(wèn)題；應(yīng)用PN結(jié)測(cè)溫技術(shù)以及獨(dú)特的減小熱容目的的絕緣導(dǎo)熱技術(shù)以提高測(cè)溫響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)井溫參數(shù)的連續(xù)測(cè)量。

圖3 JGS-1B和HD-4002B綜合測(cè)井儀井徑測(cè)井曲線對(duì)比圖Fig.3 Com parison of caliper curves of JGS-1B and HD-4002B logger

圖4 HD-4002B綜合測(cè)井儀U、Th和K測(cè)井曲線Fig.4 U，Th and K curves of HD-4002B logger

2）使用HD-4002B綜合測(cè)井儀完成2818m鈾礦科學(xué)深鉆的測(cè)井工作，成功獲取了自然γ、井斜、井徑、井溫、電阻率和自然電位等地球物理測(cè)井參數(shù)，可利用獲取的測(cè)井資料推斷解釋出鉆孔中不同巖體之間的界面，巖體內(nèi)鈾礦化的具體位置、品位，巖體內(nèi)斷裂構(gòu)造及裂隙構(gòu)造發(fā)育情況，以及多金屬礦化可能發(fā)育位置，為相山火山盆地深部鈾及多金屬成礦環(huán)境及成礦條件的研究提供依據(jù)。

3）HD-4002B綜合測(cè)井儀適用于最小孔徑至60mm、最大孔深達(dá)3 000m的鉆孔測(cè)井工作，經(jīng)濟(jì)高效，可廣泛應(yīng)用在鈾礦、煤田和有色多金屬礦種的地質(zhì)勘查工作中。

［1］李舟波．鉆井地球物理測(cè)井［M］.北京：地質(zhì)出版社，1986．

［2］陸士立，袁明，焦倉(cāng)文，等．HD-4002型綜合測(cè)井儀［J］．鈾礦地質(zhì)，2005，21（3）:183-192．

［3］鄭曉林．剛性和耐熱性好的聚芳砜樹(shù)脂［J］．化工新型材料，1984，4:38-39．

［4］中華人民共和國(guó)核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EJ/T611—2004．γ測(cè)井規(guī)范［S］．北京：中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司，2004．

［5］盧賢棟，唐聲喤，陸士立，等.野外能譜測(cè)量［M］.北京:原子能出版社，1977.

App lication of integrated HD-4002B well logger in deep scientific drilling project of uranium

XU Chuanguo1，LU Shili1，JIAO Cangwen1，MA Yanfang1，WANGWeiguo2，GONG Shengqi1
（1.Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China；2.Geologic Party No.243，CNNC，Chifeng，Inner Mongolia 024000，China）

To meet the demand of the first deep scientific drilling project and the HD-4002B was developed on the basis of the compositewell logger HD-4002，HD-4200B iswith the feature of 3 000 meter logging depth，employing PASF and fluororubber“O”ring to resolve the sealing and insulation under high temperature and high pressure circumstance，and applying switching power supply technique to realize high power supply to probe to reduce armor line loss.It had successfully surveyed to the depth of 2 818meter in the first depth uranium scientific borehole finished in May 2013，and it was the first time in the deep uranium deposit prospecting.

deep scientific drilling；composite well logging；high temperature and high pressure; uranium mineralization

P619.14;P319.3+1

A

1672-0636（2015）02-0091-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2015.02.006

2015-01-13；

2015-01-21

徐傳國(guó)（1969—），男，安徽宿松人，高級(jí)工程師，主要從事儀器開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和銷售工作。

E-mail：584914828@qq.com