CS404 小口徑超聲成像測井探管研制

馮延強(qiáng)，喬寶強(qiáng)，焦倉文，楊懷杰，馬艷芳，程紀(jì)星

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

超聲成像測井技術(shù)主要是利用井壁反射聲波幅度與傳播時(shí)間的差異來獲取不同灰度的聲學(xué)圖像，圖像中的明暗體現(xiàn)了井壁不同巖層的聲阻抗差異［1］。20 世紀(jì)60 年代石油系統(tǒng)便開始應(yīng)用井下超聲成像技術(shù)，由于反射聲波幅度衰減與裂縫發(fā)育密切相關(guān)，因此該項(xiàng)技術(shù)很快成為裂縫、崩塌及主要巖性界面等識(shí)別評(píng)價(jià)的有效手段［2］。近年來，隨著超聲脈沖反射法測量技術(shù)方法的改進(jìn)，石油系統(tǒng)在套管井采用全波測量模式可同時(shí)完成套管的工程檢測和固井水泥膠結(jié)質(zhì)量的評(píng)價(jià)工作［3］。另外，隨著聚焦超聲換能器、集成電子元器件及小型步進(jìn)電機(jī)等硬件的發(fā)展和應(yīng)用，超聲成像測井技術(shù)相關(guān)井下探管設(shè)備得以快速發(fā)展，總的發(fā)展趨勢為集成化、小型化、多功能化［4-5］。目前，石油系統(tǒng)較為成熟的國外具有代表性的超聲成像測井儀主要有美國斯倫貝謝公司的USI、UBI 系列，阿特拉斯公司的CBIL 及哈里伯頓公司的CAST 系列等；國內(nèi)主要有中石油多參數(shù)超聲工程測井儀、中海油MUIL 系列等［6］。其中美國Mount Sopris公司研制的QL40 小口徑超聲成像測井探管，可用于鈾礦勘查中小口徑鉆孔的成像測井，但其設(shè)備十分昂貴，且售后及技術(shù)支持上存在一定的局限性。因此，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的小口徑成像測井探管，滿足我國鈾礦勘查和開采的需求，具有重要意義。

在鈾礦勘查領(lǐng)域，超聲成像測井技術(shù)能夠?yàn)榫辛严逗推扑閹ёR(shí)別、礦體產(chǎn)狀提取、套管破損檢測、固井質(zhì)量評(píng)價(jià)等提供全新技術(shù)手段，彌補(bǔ)傳統(tǒng)測井技術(shù)方法的不足。目前，國內(nèi)尚無專門應(yīng)用于鈾礦勘查和開采的小口徑超聲成像測井設(shè)備。項(xiàng)目組研制的直徑Φ40 mm 的CS404 小口徑超聲成像測井探管，聲幅成像與時(shí)差成像對比明顯、成像效果清晰，在直徑90 mm 的鉆孔中裂隙寬度識(shí)別能力大于1.57 mm，達(dá)到國外進(jìn)口設(shè)備水平，能夠滿足鈾礦勘查中小口徑鉆孔的應(yīng)用需求，為該項(xiàng)技術(shù)在我國鈾礦勘查領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 CS404 小口徑超聲成像測井探管硬件、實(shí)現(xiàn)及性能指標(biāo)

1.1 硬件組成

CS404 小口徑超聲成像測井探管硬件上主要由5 部分組成：聲學(xué)總成單元、方位檢測單元、信號(hào)采集處理單元、高速數(shù)據(jù)傳輸單元和DC 電源單元（圖1）。

1）聲學(xué)總成單元，主要由聚焦超聲換能器、步進(jìn)電機(jī)、聚焦反射模塊、低密度樹脂透聲窗及壓力平衡波紋管組成。超聲換能器主要負(fù)責(zé)脈沖信號(hào)的發(fā)射和回波信號(hào)接收，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)聚焦反射模塊旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)聲束反射至井壁和井壁回波聲束反射至換能器前端窗，低密度樹脂透聲窗內(nèi)腔充滿硅油以減少聲衰減，與此同時(shí)壓力平衡波紋管與透聲窗內(nèi)腔相通，在井下不同壓力條件下，波紋管的形變將管外壓力傳遞至透聲窗內(nèi)部，以達(dá)到透聲窗內(nèi)外壓力的平衡，確保其抗壓能力。

2）方位檢測單元，采用三軸重力加速度計(jì)和三軸磁強(qiáng)計(jì)組成，從重力加速度傳感器測量的重力場三分量獲得鉆孔的傾斜參數(shù)，從磁阻傳感器測量的地磁場三分量獲得鉆孔的方位。一方面可進(jìn)行數(shù)據(jù)成像時(shí)井下探管旋轉(zhuǎn)引起的方位偏移修正，另一方面可確保測井結(jié)果解譯裂隙、破碎帶等構(gòu)造的產(chǎn)狀的準(zhǔn)確性。

3）信號(hào)采集處理單元，主要由EP4CE15 E22C8和STM32F407 組成的FPGA 組合ARM雙處理器系統(tǒng)，采用高速12 位AD7276 轉(zhuǎn)換芯片。FPGA 負(fù)責(zé)信號(hào)采集處理單元的邏輯信號(hào)控制，包括了信號(hào)增益調(diào)節(jié)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、超聲換能器激勵(lì)信號(hào)開關(guān)門信號(hào)、峰值保持電路控制以及高速AD 信號(hào)采集部分。ARM 負(fù)責(zé)信號(hào)采集處理單元的指令接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)打包傳輸?shù)取PGA 與ARM之間采用FSMC 通訊，確保了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與高速傳輸。

4）高速數(shù)據(jù)傳輸單元，采用OFDM 傳輸方式將井下獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地面。數(shù)據(jù)傳輸單元包括了耦合電路、OFDM 調(diào)制解調(diào)兩大部分，采用CAN 協(xié)議通訊方式與信號(hào)采集處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，確保井下包括聲幅、時(shí)差、方位角、傾角、溫度等多個(gè)測量參數(shù)實(shí)時(shí)、高效地傳輸至地面。

5）DC 電源單元，主要提供超聲成像測井探管井下步進(jìn)電機(jī)大電流驅(qū)動(dòng)電壓、超聲換能器激勵(lì)高壓及普通±12 V、±5 V 等工作電壓。不同于常規(guī)參數(shù)探管，該探管需要驅(qū)動(dòng)功耗約6 W 的步進(jìn)電機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)，電流約1 A、驅(qū)動(dòng)電壓約6 V，另外超聲換能器需要約120 V 的脈沖高壓激勵(lì)驅(qū)動(dòng)，因此DC 電源單元采用了電源結(jié)構(gòu)簡單、外圍電路元器件少、輸出電壓穩(wěn)定、隔離高頻變壓器散熱良好的UC3845 反激式開關(guān)電源系統(tǒng)［7］，確保了探管的工作穩(wěn)定性。

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

圖1 CS404 小口徑超聲成像測井探管硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hardware structure of CS404 ultrasonic imaging logging probe

CS04 小口徑超聲成像測井探管由FPGA組合ARM 雙處理器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，地面控制臺(tái)通過測井電纜、采用OFDM 數(shù)據(jù)通訊方式將操作指令發(fā)送至井下探管ARM 處理器，處理器根據(jù)指令啟動(dòng)FPGA 邏輯單元進(jìn)行響應(yīng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理見圖2。

FPGA 接收到ARM 啟動(dòng)指令后，輸出步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)來啟動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)觸發(fā)TMR 磁開關(guān)信號(hào)，F(xiàn)PGA 在收到TMR 信號(hào)后便啟動(dòng)系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行360°井壁掃描成像測量。在沒有收到停止指令前，F(xiàn)PGA 會(huì)按照TMR 信號(hào)周期性地進(jìn)行如圖2虛線框中所示流程。首先，F(xiàn)PGA 輸出超聲換能器脈沖激勵(lì)控制信號(hào)，并在延遲約50 μS后打開回波信號(hào)接收的開門信號(hào)，接收到回波信號(hào)后依次啟動(dòng)信號(hào)增益調(diào)節(jié)電路、信號(hào)峰值保持電路及AD 轉(zhuǎn)換電路。AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果是回波脈沖信號(hào)峰值電壓對應(yīng)的精度為12 位的數(shù)字信號(hào)，即成像中的聲幅數(shù)據(jù)。于此同時(shí)FPGA 根據(jù)峰值電壓到達(dá)的時(shí)間，獲取回波脈沖信號(hào)激勵(lì)至接收的累計(jì)時(shí)長，也就是聲波信號(hào)在單個(gè)測量周期中的傳播時(shí)間，即成像中的時(shí)差數(shù)據(jù)。

ARM 處理器在接收FPGA 回傳的聲幅、時(shí)差數(shù)據(jù)后，讀取方位檢測模塊的方位角，進(jìn)行初步的方位修正等數(shù)據(jù)處理后打包上傳。ARM 通過CAN 協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)出，井下數(shù)據(jù)傳輸單元接收到ARM 回傳數(shù)據(jù)后經(jīng)測井電纜傳輸測量數(shù)據(jù)至地面，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)超聲成像測量的整個(gè)過程。

1.3 性能指標(biāo)

CS404 小口徑超聲成像測井探管是專門為滿足鈾礦勘查領(lǐng)域小口徑鉆孔中裂隙和破碎帶識(shí)別、斷裂構(gòu)造產(chǎn)狀分析等應(yīng)用而研制的。其主要性能指標(biāo)見表1，通過與美國QL40 型探管對比，除縱向分辨率外，該型小口徑超聲成像測井探管性能指標(biāo)達(dá)到國外進(jìn)口設(shè)備水平，可滿足我國鈾礦勘查領(lǐng)域超聲成像測井技術(shù)的應(yīng)用需求。

2 試驗(yàn)對比

2.1 室內(nèi)模型對比試驗(yàn)

開展了室內(nèi)模型中聲幅、時(shí)差成像質(zhì)量分析，并與模型中設(shè)計(jì)靶區(qū)進(jìn)行對比。圖3中最右側(cè)為室內(nèi)模型3D 設(shè)計(jì)效果圖，其淺色顯示為鋁材質(zhì)基體，深色顯示為高密度硬海綿模擬的井壁裂隙、破碎帶。試驗(yàn)中，利用可調(diào)速步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)探管在模型中進(jìn)行上拉、下放測量利用扶正器使探管居中。

圖2 CS404 小口徑超聲成像測井探管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram showing the realizaing principle of CS404 ultrasonic imaging logging probe realization

表1 CS404、QL40 小口徑超聲成像測井探管性能指標(biāo)對比Table 1 Performance index of CS404 and QL40 ultrasonic imaging logging probe

圖3 CS404 小口徑超聲成像測井探管室內(nèi)模型試驗(yàn)成像Fig.3 Test image of indoor model by CS404 ultrasonic imaging logging probe

從成像質(zhì)量分析，圖像中亮色代表高值、暗色代表低值，聲幅成像與時(shí)差成像均效果明顯，對比清晰。通過聲幅與時(shí)差成像對比可見，在各個(gè)反射靶區(qū)中，聲幅成像亮色區(qū)域（代表聲衰減較小）均能與時(shí)差成像的暗色區(qū)域（代表聲傳播時(shí)間較短）對應(yīng)，與聲波傳輸、衰減、反射及吸收綜合作用的實(shí)際規(guī)律一致。

從成像結(jié)果與模型設(shè)計(jì)靶區(qū)對比可見，無論是水平、西傾（模型中自上而下第1 和第5 靶區(qū)）還是南傾（模型中自上而下第3靶區(qū)）均能較好識(shí)別。在靶區(qū)不同寬度時(shí)（模型中第1、3、5 靶區(qū)），研制探管均能實(shí)現(xiàn)較好的分辨與識(shí)別，成像質(zhì)量對比明顯。另外，模型中自上而下第6 靶區(qū)為挖空區(qū)域，即聲波不經(jīng)過模型而直接入射至模型外管的內(nèi)壁并形成反射。因此其在聲幅上沒有被衰減吸收，表現(xiàn)為亮色；在時(shí)差上，由于聲波傳播距離較遠(yuǎn)，同樣表現(xiàn)為亮色。

通過室內(nèi)模型對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了研制的CS404 小口徑超聲成像測井探管對于不同反射靶區(qū)（模擬井下不同產(chǎn)狀裂隙、破碎帶等）的識(shí)別和探測能力，試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果一致。

2.2 野外鉆孔實(shí)測對比試驗(yàn)

在室內(nèi)模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，又在相山鈾礦田CUSD1 科學(xué)鉆孔進(jìn)行了與Mount Sopris 公司QL40 進(jìn)口探管的野外實(shí)測對比試驗(yàn)。試驗(yàn)中從鉆孔裂隙深度、傾角、方位角及破碎帶識(shí)別等幾方面進(jìn)行了對比分析，其中典型的鉆孔深度405.4～410.3 m 段的試驗(yàn)對比結(jié)果如圖4 所示，共識(shí)別出3 個(gè)裂隙，多處破碎帶，其具體對比分析結(jié)果如表2 所示。

圖4 研制的CS404 探管與美國QL40 探管于CUSD1 鉆孔成像結(jié)果對比Fig.4 Imaging results of drill hole CUSD1 by author developed CS404 probe and US QL40 probe

表2 CUSD1 鉆孔405.4～410.3 m 段試驗(yàn)結(jié)果對比Table 2 Comparison of test results at depth 405.4～410.3 m of the drill hole CUSD1

從表2 對比分析結(jié)果，研制探管與Mount Sopris 公司的QL40 探管在裂隙深度解譯結(jié)果偏差在-0.1～-0.03 m 范圍內(nèi)，傾角解譯結(jié)果偏差在-1.67°～0.30°范圍內(nèi)，方位角解譯結(jié)果偏差在-22.03°～26.01°范圍內(nèi)。從圖4 成像對比圖中，在409～410 m 段研制探管與QL40探管均有明顯成像錯(cuò)位現(xiàn)象，通過分析，認(rèn)為是由于井壁不平整導(dǎo)致探管通過此位置時(shí)兩探管均發(fā)生旋轉(zhuǎn)。關(guān)于破碎帶識(shí)別，研制探管與QL40 探管在深度410 m 附近均識(shí)別到一大一小明顯的環(huán)狀帶，識(shí)別結(jié)果一致。

基于野外CUSD1 科學(xué)鉆孔實(shí)測對比試驗(yàn)結(jié)果分析，可見研制探管在裂隙、破碎帶識(shí)別上與國外進(jìn)口QL40 探管效果一致，裂隙深度、傾角解譯結(jié)果與QL40 探管偏差較小，雖然裂隙方位解譯結(jié)果與QL40 探管偏差較大，但可通過后期數(shù)據(jù)處理時(shí)方位修正來進(jìn)行校正。

3 結(jié)論

研制的CS404 小口徑超聲成像測井探管，通過與Mount Sopris 公司QL40 進(jìn)口探管在室內(nèi)模型和野外鈾礦鉆孔的對比試驗(yàn)，實(shí)測驗(yàn)證了其各項(xiàng)技術(shù)性能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)及成像結(jié)果均達(dá)到國外先進(jìn)進(jìn)口設(shè)備水平，聲幅成像與時(shí)差成像對比明顯、成像效果清晰，能夠?yàn)槲覈櫟V勘查和開采中裂隙、破碎帶識(shí)別及產(chǎn)狀提取提供一種全新技術(shù)手段。