智能激發(fā)極化測(cè)井儀器研制

李俊

摘? 要：激發(fā)極化法在地面地球物理勘探中的應(yīng)用已經(jīng)有超過(guò)了50年的歷史。在勘探深度較淺，地下水位比較高的情況下，可以取得較好的勘探效果。但很少在地質(zhì)鉆孔中應(yīng)用激發(fā)極化法。其原因是激發(fā)極化測(cè)量需要較高的體積激發(fā)電流密度和復(fù)雜的供電、測(cè)量程序。受到鉆孔直徑限制和電子測(cè)量技術(shù)的限制，過(guò)去要制造能供出大功率電流、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜供電和測(cè)量功能的井下儀器非常困難。隨著勘探深度不斷增加，地面激發(fā)極化勘探方法已很少采用。井中激發(fā)極化測(cè)量工程需求卻在變大。這就需要研制一種智能化、可靠性高、適用行業(yè)廣泛的激發(fā)極化測(cè)井儀器。該文在新儀器開(kāi)發(fā)過(guò)程中，研究設(shè)計(jì)了一套自適應(yīng)變流激發(fā)供電的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地層的大密度供電，激發(fā)出合適的極化電位，得到高置信度的測(cè)量信號(hào)。儀器采用智能化程控供電、測(cè)量和信號(hào)處理方式。儀器可以同時(shí)進(jìn)行多種參數(shù)采集測(cè)量，具有功能強(qiáng)、效果好、工作效率高以及適用面廣泛等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能化;激發(fā)極化;測(cè)井儀器;變流技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：P631.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

為了能正確評(píng)價(jià)含金屬或多金屬成分的地層或礦層，就需要采用激發(fā)極化測(cè)量方法。激發(fā)極化要向地層供入極性交變的激發(fā)電流，供電激發(fā)和自然形成的極化極性一致時(shí)，是會(huì)增強(qiáng)可觀測(cè)的總效應(yīng)，當(dāng)供電和自然極化極性方向相反，會(huì)減弱可觀測(cè)的總效應(yīng)。這2種情況下的測(cè)量結(jié)果之差消除了包括自然極化和其他因素構(gòu)成的自然電位部分。用這樣獲得的激發(fā)極化電位參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)地層中金屬或多金屬物具有較高的相關(guān)性[1]。

激發(fā)供電方法是設(shè)計(jì)激發(fā)極化測(cè)井儀器首先要解決的問(wèn)題。要求能產(chǎn)生合適的激發(fā)供電電流，能自動(dòng)根據(jù)地層不同、井液電導(dǎo)率不同和井徑大小不同等情況，自適應(yīng)地供出足夠大的、合適的激發(fā)電流。此外，要求井下激發(fā)極化儀對(duì)激發(fā)極化電位的測(cè)量要和供電保持嚴(yán)格同步，測(cè)量的信號(hào)要實(shí)時(shí)處理計(jì)算得到可以實(shí)際應(yīng)用的成果數(shù)據(jù)。為了提高整個(gè)鉆孔的物探工作效率，用戶(hù)還會(huì)希望儀器一次下井可同時(shí)測(cè)得多種參數(shù)，這些都是儀器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

1 儀器激發(fā)供電部分設(shè)計(jì)的思路和原理

JJH-1（2）極化率測(cè)井儀開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)分成為2個(gè)階段。前期是解決激發(fā)供電問(wèn)題，這是個(gè)基本問(wèn)題，也是最重要的問(wèn)題和最不容易解決的問(wèn)題。

受測(cè)井電纜總阻抗限制，我們不可能直接由地面設(shè)備通過(guò)測(cè)井電纜給地層供出大的激發(fā)電流。所以激發(fā)供電必須在井下儀器中解決。

受鉆孔直徑限制，測(cè)井儀器體積也不能大。體積小，儀器的元器件就集中在一起發(fā)熱。發(fā)熱量大是導(dǎo)致儀器可靠性降低的主要原因。所以還要求把儀器自身功耗降低，提高總的用電效率，確保發(fā)熱最小[2]。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和不斷改進(jìn)，最后確定了JJH-1（2）極化率測(cè)井儀井下激發(fā)供電的方案。這套供電方案是一種特殊的變流裝置。方案是由地面提供高壓直流給井下儀器，井下儀器的變流裝置把輸入的高壓、小電流直流電轉(zhuǎn)換成低壓大電流，再經(jīng)程控?fù)Q向開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換為交變電流供給地層。地面供給井下直流電的好處是，直流電不會(huì)像交流電那樣通過(guò)電纜纜芯間的電容耦合到數(shù)據(jù)纜芯上干擾測(cè)量和通信的數(shù)據(jù)。采用高壓供電的好處是當(dāng)供電功率一定時(shí)，線纜上的電流較小，線纜上的功率損耗會(huì)最低。

井下變流裝置采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)進(jìn)行直流-直流轉(zhuǎn)換。地面供來(lái)的高壓、小電流直流電通過(guò)大功率MOS開(kāi)關(guān)管和控制電路，以脈寬調(diào)制方式轉(zhuǎn)變成低壓大電流直流電。脈寬調(diào)制技術(shù)的轉(zhuǎn)換器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以這部分的線性損耗最小，大大減少了裝置自身的發(fā)熱量。使得整個(gè)變流轉(zhuǎn)換裝置的體積很小，具有損耗低，效率高的特點(diǎn)[3]。

采用脈寬調(diào)制技術(shù)能帶來(lái)另一個(gè)好處，這就是很容易實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)字控制。除了具有體積小、發(fā)熱少，可靠性高的要求以外，一個(gè)更為關(guān)鍵的要求是對(duì)地層激發(fā)供電的電流，可以由軟件程序控制和調(diào)節(jié)。這樣才能保證儀器可適用于不同直徑的鉆孔，保證能適用不同類(lèi)型的地層，保證能適用不同導(dǎo)電率的井液。當(dāng)實(shí)際外部條件不同時(shí)，新設(shè)計(jì)的儀器內(nèi)部單片機(jī)和軟件會(huì)自動(dòng)控制調(diào)整激發(fā)供電強(qiáng)度。其基本原理是，單片機(jī)根據(jù)測(cè)得的極化信號(hào)大小作為反饋信號(hào)，隨時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)激發(fā)供電電流的大小。這樣既能保證極化信號(hào)測(cè)量狀態(tài)是最佳的，又保證了不產(chǎn)生過(guò)剩功率，不會(huì)引起儀器自身額外的功耗增加。JJH-1（2）極化率測(cè)井儀的激發(fā)供電方案是一套智能化、自適應(yīng)的較為先進(jìn)的方法。實(shí)踐證明這種設(shè)計(jì)有顯著的優(yōu)越性。圖1是JJH-1（2）極化率測(cè)井儀激發(fā)供電方案的原理圖。

2 儀器激發(fā)極化參數(shù)測(cè)量原理

JJH-1（2）極化率測(cè)井儀設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的后期階段主要是解決測(cè)量和信號(hào)處理問(wèn)題和儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)件問(wèn)題、高壓防水設(shè)計(jì)、電極材料選型以及野外試驗(yàn)等問(wèn)題。

因?yàn)镴JH-1（2）極化率測(cè)井儀中采用了單片機(jī)和軟件，極化電位的測(cè)量原理就相對(duì)簡(jiǎn)單。極化電位的觀測(cè)要和供電嚴(yán)格同步。在地面激發(fā)極化儀器中實(shí)現(xiàn)同步很麻煩，因?yàn)榈孛婕ぐl(fā)極化的供電裝置是不移動(dòng)的，測(cè)量電極是頻繁移動(dòng)的。供電設(shè)備和測(cè)量設(shè)備會(huì)相距較遠(yuǎn)，兩者的電極是不共線的，要使測(cè)量和供電同步就要通過(guò)其他手段或裝置。為了方便，過(guò)去一般是采用自同步方式的，測(cè)量先檢測(cè)到一次場(chǎng)，根據(jù)一次場(chǎng)信號(hào)來(lái)同步二次場(chǎng)的采樣時(shí)刻。在一次場(chǎng)信號(hào)較小時(shí)，同步時(shí)間測(cè)量時(shí)間是不精確的。在JJH-1（2）激發(fā)極化測(cè)井儀中供電和測(cè)量電極都是相對(duì)固定的。由于供電和測(cè)量都是由單片機(jī)控制，同步就很容易也可以做到非常準(zhǔn)確。為了在測(cè)量極化信號(hào)時(shí)去除自然電位信號(hào)，除了增大激發(fā)電流外，供電還采用分時(shí)雙極性方式進(jìn)行，這就要求測(cè)量程序和供電程序完全嚴(yán)格同步和跟隨換向[4]。

在設(shè)計(jì)JJH-1（2）極化率測(cè)井儀時(shí)，考慮到為提高整個(gè)鉆孔測(cè)量的效率、增強(qiáng)儀器適用性能，在測(cè)量視極化率的同時(shí)還能測(cè)量視電阻率和自然電位等信號(hào)。這樣一次下井測(cè)量就可以同時(shí)測(cè)得6個(gè)參數(shù)。所以JJH-1（2）極化率測(cè)井儀的測(cè)量工作效率較高。圖2是JJH-1（2）極化率測(cè)井儀的視極化率和視電阻率測(cè)量的原理圖。

儀器采用電位電極系。為了兼顧在國(guó)外引用，設(shè)計(jì)了0.4 m（16英寸）和1.6 m （64英寸）2種極距。各測(cè)量放大器由儀器中的單片機(jī)控制，量程和增益是由單片機(jī)內(nèi)置軟件實(shí)時(shí)調(diào)整的。測(cè)量的視極化率信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)計(jì)算和處理后，再進(jìn)行基帶波形編碼調(diào)制，由長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器傳輸?shù)降孛嬗涗?。儀器中的單片機(jī)還根據(jù)測(cè)量的極化率信號(hào)質(zhì)量情況，自適應(yīng)調(diào)整激發(fā)電流大小。由于取得最佳測(cè)量信號(hào)質(zhì)量是最終目標(biāo)，以測(cè)量信號(hào)來(lái)調(diào)整激勵(lì)電流就可以綜合克服孔徑大小、井液導(dǎo)電率不同、地層不同等各種影響因素，保證取得的資料是最佳的。在一般情況下JJH-1（2）極化率測(cè)井儀總是可以得到較好的測(cè)井質(zhì)量，測(cè)井資料的質(zhì)量幾乎和操作人員的能力差別無(wú)關(guān)、不會(huì)受人為因素會(huì)影響，這種設(shè)計(jì)思想是較為先進(jìn)的。

3 JJH-1（2）極化率測(cè)井儀和國(guó)外同類(lèi)儀器技術(shù)對(duì)比

固體礦藏測(cè)井設(shè)備生產(chǎn)商RG、蒙特和ALT等幾家國(guó)外廠商也生產(chǎn)極化率測(cè)井儀器。ALT的測(cè)量記錄的成果曲線除了有不同電極距的曲線，還有不同電極距不同延時(shí)的幾條曲線。在線性極化范圍內(nèi)，不同延時(shí)的極化率曲線完全是一致的，但幅度不同。按延時(shí)衰減，衰減規(guī)律是二次場(chǎng)的指數(shù)衰減規(guī)律。國(guó)外儀器把這種幅度衰減調(diào)制成假彩色的色溫圖，作為測(cè)井資料的圖像方式記錄。

JJH-1（2）極化率測(cè)井儀設(shè)計(jì)和國(guó)外是同期進(jìn)行的。輸出的成果數(shù)據(jù)沒(méi)有采用國(guó)外公司的彩色色溫圖像記錄方式。這主要考慮到二次場(chǎng)的指數(shù)衰減規(guī)律是確定的，不同時(shí)間的衰減率數(shù)學(xué)上已經(jīng)是確定的，記錄用這種衰減率形成的曲線或假彩色圖像并不會(huì)增加信息量。另外，考慮到國(guó)內(nèi)測(cè)井工作量很大、鉆孔很深，現(xiàn)場(chǎng)需要盡可能提高測(cè)井效率。為了盡量減少無(wú)信息量的數(shù)據(jù)，加快有用數(shù)據(jù)的處理、傳輸和記錄，做到盡可能滿(mǎn)足有關(guān)的測(cè)井規(guī)范要求，JJH-1（2）極化率測(cè)井儀測(cè)量和記錄的參數(shù)是2種極距（電位電極系）的視電阻率ρ16、ρ64和兩種極距的視極化η16、η64，還有自然電位和充電率等6個(gè)。

4 儀器使用情況和效益

JJH-1（2）極化率測(cè)井儀研制完成后在各地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用取得了較好的效果。過(guò)去在金屬和多金屬鉆孔的地球物理勘探工作中，主要視電阻率、磁化率、磁三分量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)井。對(duì)于非磁性的、和弱磁性的多金屬礦層，一些參數(shù)的反映并不很明顯。雖然視電阻率有明顯反映，但不能反映其中的金屬礦物類(lèi)型。JJH-1（2）極化率測(cè)井儀很適合在金屬和多金屬礦的鉆孔中測(cè)量。其視電阻率和極化率在礦層的反應(yīng)相互映照，異常非常顯著。圖3是在西北某地磁鐵礦鉆孔中實(shí)測(cè)的資料。圖中可見(jiàn)在深度150 m以下的近90 m深度地層上，視電阻率呈現(xiàn)低阻，極化率呈現(xiàn)較高的值。取芯資料表明這個(gè)磁鐵礦層有多金屬伴生和巖脈穿插。整體看該井段的視電阻率值都低，不能反映有多金屬共生和巖脈穿插的實(shí)際情況。在視極化率曲線上就可以看到磁鐵礦層不是均勻體，有多個(gè)小視極化率異常在其中，它們和穿插巖脈是對(duì)應(yīng)的。視極化率總體比較高，這是伴生有色金屬的化學(xué)性質(zhì)活潑和極化電位較高造成的。充電率是用和視極化率相關(guān)的參數(shù)計(jì)算的結(jié)果，所以充電率的反映和視極化率曲線是一致的。

5 結(jié)論

隨著淺層地球物理勘探逐漸轉(zhuǎn)到深部地球物理勘探，地面激發(fā)極化勘探方法的工作量就在不斷減少。一方面因?yàn)榈孛婕ぐl(fā)極化儀器勘探深度有限，另一方面是鉆探技術(shù)不斷進(jìn)步，鉆探成本不斷降低，鉆探已經(jīng)成為非常實(shí)用的勘探手段。激發(fā)極化方法和儀器普遍應(yīng)用于鉆孔中。JJH-1（2）極化率測(cè)井儀就是為了適應(yīng)實(shí)際勘探深度不斷加深，鉆孔勘探手段不斷增強(qiáng)而開(kāi)發(fā)出來(lái)的一套專(zhuān)業(yè)儀器設(shè)備。設(shè)計(jì)JJH-1（2）極化率測(cè)井儀的過(guò)程是一個(gè)不斷實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)、不斷設(shè)想、創(chuàng)新的過(guò)程。在設(shè)計(jì)中盡可能地將最新的電子技術(shù)應(yīng)用到儀器中去，在設(shè)計(jì)中運(yùn)用單片機(jī)和軟件編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一些可行的、實(shí)用的人工智能。JJH-1（2）極化率測(cè)井儀的研制設(shè)計(jì)的思想是比較有新意的，設(shè)計(jì)中解決了把地面激發(fā)儀器功能實(shí)現(xiàn)到孔中激發(fā)極化儀器中的難度問(wèn)題，在整個(gè)業(yè)界的鉆孔地球物理儀器設(shè)計(jì)中是第一次采用PWM技術(shù)和一系列的能自適應(yīng)功能，大大增強(qiáng)了儀器的性能和適用性。

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