電流測井探管的研制及其在地浸工藝鉆孔檢測中的應(yīng)用

喬寶強，楊懷杰，吳仙明，朱萬鋒，胡渤

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團鈾資源勘查與評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029）

在原地浸出鈾礦基地的建設(shè)、生產(chǎn)中，工藝鉆孔建造是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。工藝鉆孔建造成孔的質(zhì)量直接決定其可利用年限及溶浸效果，影響地浸工藝生產(chǎn)其他工序的工作效率和原地浸出鈾礦基地鈾礦資源的開采率［1］。在工藝鉆孔成井階段采用聚氯乙烯（PVC）套管安裝到鉆孔中，實踐證明，檢測聚氯乙烯套管完好程度和過濾器位置的最有效方法應(yīng)當(dāng)屬電流測井方法［2］。

當(dāng)前，國內(nèi)地浸工藝鉆孔固井質(zhì)量檢測主要使用的測井儀器為上海地學(xué)儀器研究所生產(chǎn)的JMTC-1 探管。核工業(yè)北京地質(zhì)研究院研制的HD-4002 系統(tǒng)中的電流測井方法由于輸出電流較小，無法滿足固井質(zhì)量檢測的要求。目前，國內(nèi)地浸砂巖型鈾礦開采市場前景廣闊，為了適應(yīng)市場需求，擴大橫向市場，我單位在結(jié)合實際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，重新研制了電流測井探管，形成自主知識產(chǎn)權(quán)，擺脫對市場設(shè)備的依賴，減少對外設(shè)備采購的成本，增強HD-4002 系統(tǒng)的市場競爭力。

本文以通遼錢IV 地區(qū)地浸開采項目實踐為例，針對該地區(qū)對工藝鉆孔成井質(zhì)量檢測的要求，研制出的電流測井探管成功檢測出PVC套管是否存在漏點，判斷出過濾器的位置。

1 電流測井原理

電流測井原理如圖1。圖中的E 電源采用直流恒壓電源。地層、鉆井液組成串聯(lián)電阻，電流探管上的電極A 輸出電流束向四周流動，由于PVC 套管的絕緣性，電流IA沿鉆井液流向過濾器或PVC 套管漏點，再從地層流向地面電極B，最終返回到E 電源負(fù)極，電流檢測裝置（圖中mA）會實時記錄輸出電流的大小［3］。由于電阻與電流成反比，當(dāng)A 電極在PVC 套管中鉆井液面以上時，電阻無窮大，電流為零，當(dāng)電極A 進入鉆井液后，隨著測井深度的增加，電阻減小，電流增大；當(dāng)電極A 接近PVC 套管漏點時，電流會逐漸變大，在漏點處出現(xiàn)峰值，隨著電極A 遠(yuǎn)離漏點，電流再逐漸變?。划?dāng)電極A 進入過濾器中，回路電阻變小，電流變大，出現(xiàn)高值平臺，這就是電流測量的基本原理。在整個電流測井過程中，電流會呈現(xiàn)整體逐漸變大的趨勢。根據(jù)電流測井曲線的變化特征，在尖峰信號的峰值處為漏點，在高值平臺拐點為過濾器，從而可以檢測PVC 套管是否存在漏點或斷裂，判斷其對應(yīng)深度，也可檢測過濾器位置是否安裝正確［4］。

圖1 電流測井測量原理圖Fig.1 Diagram of current logging principle

2 電流測井探管研制

2.1 探管系統(tǒng)構(gòu)成

電流測井探管的系統(tǒng)構(gòu)成如圖2。供電電源輸出電流流向限流電阻R1，經(jīng)采樣電阻R2到達(dá)探管的A 極，再經(jīng)RE（大地電阻）返回到GND。由于隔離放大器U1輸入端的阻抗無窮大，隔離放大器輸入的電流幾乎為零，因此電源輸出電流主要流向R2。隔離放大器U1采集到的R2兩端電壓輸出至差分放大器U2的輸入端，其中R3為反饋電阻。U2輸出信號再經(jīng)濾波放大后，模擬輸出到數(shù)據(jù)傳輸電路，數(shù)據(jù)傳輸電路對模擬信號作模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)編碼，再以數(shù)字信號的方式輸出。數(shù)字輸出連接到絞車電纜，以雙極性編碼信號傳輸?shù)降孛婵刂破鳌?/p>

2.2 供電電源

地面控制器的供電電壓為直流110 V，進入井下電流探管后，首先經(jīng)DC-DC 開關(guān)電源模塊降壓至48 V，然后再由LM317 電壓調(diào)節(jié)芯片對48 V 電壓進行調(diào)節(jié)。采用LM317 芯片，可根據(jù)不同地區(qū)的大地阻抗調(diào)節(jié)LM317 的輸出電壓，本文中的應(yīng)用地區(qū)為通遼錢IV 地塊，根據(jù)當(dāng)?shù)氐拇蟮刈杩?，調(diào)節(jié)LM317 的輸出電壓在15～20 V 之間。

2.3 電流測量

電流測量主要包括電流采樣、隔離放大和濾波放大三部分。

2.3.1 電流采樣

電流采樣使用限流電阻加精密采樣電阻的方式，限流電阻的作用是在低阻區(qū)防止輸出電流過大，避免采樣電阻兩端電壓過高，超出隔離放大器測量范圍。采樣電阻采用精度為0.1%的精密電阻，從而提高電壓測量的準(zhǔn)確性。采樣電阻大小的選取，要考慮流過采樣電阻電流的大小和后端隔離放大器輸入電壓的范圍。

2.3.2 隔離放大

圖2 電流探管系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.2 Schematic block diagram of current probe

圖3 數(shù)據(jù)傳輸信號波形圖Fig.3 Waveform diagram of data transmission signal

隔離放大器采用精密小型隔離放大器ACPL-C79A 芯片［5］，增益放大倍數(shù)為8.12 倍，精度為±1%，輸入電壓線性范圍為±300 mV。因此，根據(jù)該芯片的特性，采樣電阻兩端電壓要控制在±300 mV 以內(nèi)。ACPL-C79A 的輸入端電源和輸出端電源采用兩路獨立兩源，電源不共地，輸入端電源由直流-直流（DC-DC）隔離電源模塊提供，電壓為5 V。

隔離放大器的差分輸出電壓再通過差分放大電路轉(zhuǎn)換成相對于地信號的單端電壓。差分電路中的放大器采用LM324 運算放大器芯片。

2.3.3 濾波放大

濾波放大電路對差分放大電路的輸出信號進行濾波、放大和零點調(diào)節(jié)。濾波分為電阻和電容組成的π 形無源濾波電路和由運算放大器組成的有源濾波［6］電路兩種，主要用于濾除高頻分量。放大電路采用兩級負(fù)反饋放大，第一級為固定增益放大，經(jīng)第一級放大后，正值電壓信號轉(zhuǎn)為負(fù)值，再經(jīng)第二級負(fù)反饋放大電路后電壓轉(zhuǎn)為正值。第二級放大電路增益采用滑動變阻器作為反饋電阻，根據(jù)測得電壓信號，通過修改滑動變阻器的大小，調(diào)整輸出模擬電壓在可被測量的范圍內(nèi)。

零點調(diào)節(jié)電壓作為第二級運算放大器同向端的輸入，與反向輸入端的負(fù)值電壓信號構(gòu)成加法電路，當(dāng)被測電流為零時，通過零點電壓的調(diào)節(jié)，確保放大濾波電路的模擬輸出為零。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸采用雙極性編碼的串行數(shù)據(jù)格式［7］，如圖3 所示。串行數(shù)據(jù)是一幀一幀的發(fā)送。一幀數(shù)據(jù)的寬度為32768 μs，分成8 個道，每道的寬度為4096 μs。D1 至D7 為數(shù)據(jù)道，D8 為同步道，每個道有16位二進制數(shù)，一對正負(fù)極性脈沖表示“1”，零電平表示“0”，每位數(shù)據(jù)的周期為256 μs。同步道有16 對正負(fù)極性脈沖。數(shù)據(jù)道最大可傳輸14位二進制數(shù)，即最多只有14 對正負(fù)極性脈沖，以區(qū)別于同步道。采用這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳送數(shù)據(jù)的優(yōu)點是信號中沒有直流成分，傳送數(shù)據(jù)可靠。地面控制器的基本任務(wù)，就是有序地從每幀數(shù)據(jù)中取出各道信號，并轉(zhuǎn)換成單極性數(shù)據(jù)進行處理，然后送計算機［8］。

2.5 主要技術(shù)參數(shù)

本文研制的電流探管型號為DF514，與上海地學(xué)儀器研究所生產(chǎn)的JMTC-1 型探管主要技術(shù)參數(shù)對比如表1。兩根探管的主要區(qū)別在于探管長度和電流測量范圍。由于JMTC-1 是組合探管，除了電流參數(shù)外還包括超聲阻尼、伽馬、溫度、方位角、頂角和壓力等參數(shù)，所以探管較長。DF514 探管的電流測量范圍是JMTC-1 探管的近兩倍，相比之下，適用的回路電阻范圍更寬。

表1 DF514 與JTMC-1 探管主要技術(shù)參數(shù)對比Table 1 Comparison of main technical parameters of DF514 and JTMC-1 probe

3 測井應(yīng)用

通遼錢IV 地區(qū)地浸工藝鉆孔施工示意如圖4。在礦段位置放置過濾器，如圖4 中402～418 m 之間。過濾器上方為提升裝置，提升裝置長度為5 m，如圖4 中397～402 m 之間。過濾裝置與PVC 套管之間采用膨脹隔塞固定［9］。電流測井時，由于提升管內(nèi)徑小于電流測井探管直徑，且位于PVC 套管中心位置，電流探管在沿PVC 套管壁下放到提升裝置上方后無法進入提升裝置，此時電流數(shù)據(jù)達(dá)到最大，且保持不變。因此，根據(jù)電流測井曲線判斷出提升裝置的上方位置后，再加上5 m 長的提升管，即為過濾器的位置。

圖4 鉆孔施工示意圖Fig.4 Schematic diagram of drilling construction

圖4中過濾器頂端位置為402 m，提升管頂端位置為397 m，對該施工鉆孔的電流測井曲線如圖5。該電流曲線反映出，當(dāng)探管處于提升管上方位置時，由于井液通過提升管內(nèi)部連接過濾器同巖礦層溝通，回路電流在取樣電阻上產(chǎn)生電壓降，電流曲線出現(xiàn)極大值，且數(shù)據(jù)基本保持不變，地面的操作人員根據(jù)電流曲線達(dá)到最大值后出現(xiàn)拐點的形態(tài)可判斷探管已到底部。圖5 中電流曲線出現(xiàn)拐點的位置在397.1 m，再加上提升管的長度5 m，過濾器的位置即為402.1 m，與圖4 中鉆孔的施工深度誤差為0.1 m，達(dá)到PVC 套管施工質(zhì)量的A 級（0～0.5 m）。

圖5 電流測井曲線圖Fig.5 Current logging curve

本文中研制的電流測井探管DF514 與JMTC-1 型組合探管在同一個鉆孔中開展了對比實驗，電流測井對比曲線如圖6。DF514 探管的電流數(shù)值略大于JMTC-1 型電流探管，原因是DF514 的輸出電流較大。但兩根探管的曲線形態(tài)基本一致。且在390.5 m 的位置均出現(xiàn)了極大值的拐點，說明兩根探管測得的提升管位置相同。

圖6 JMTC-1 與DF514 電流探管測井曲線對比圖Fig.6 Comparison of logging curves between JMTC-1 and DF514 current probe

圖7 有漏點鉆孔電流測井曲線圖Fig.7 Current logging curve of boreholes with leaks

圖7 為使用DF514 探管測得的一個有漏點鉆孔的電流測井曲線圖。該鉆孔中共有3 處漏點，分別位于124 m、155.8 m 和307.4 m。從圖7 中看出，在有漏點的位置，電流數(shù)值均會呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢，達(dá)到峰值后數(shù)值再逐漸減小，峰值位置即為漏點。這是因為電流探管在逐漸靠近漏點時，電流會從PVC 套的漏點位置流向地層，與地面電極形成回路，隨著探管逐漸靠近漏點，回路電阻變小，在漏點位置電阻達(dá)到最小值。當(dāng)探管下降到漏點以下時，隨著探管遠(yuǎn)離漏點，回路電阻變大，電流數(shù)值再次變小。漏點越大，相應(yīng)的回路電阻越小，電流越大，出現(xiàn)的電流峰值越高，如圖7 中307.4 m 處的漏點。與圖5 和圖6 對比，從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，該鉆孔的整體電流數(shù)值高于無漏點鉆孔中的電流。

4 結(jié)論

本文基于電流測井方法在地浸工藝鉆孔固井質(zhì)量檢測中的有效性，結(jié)合其測井原理，成功研制了電流測井探管DF514，得出如下結(jié)論：

1）與目前市場上常用的JMTC-1型組合探管的指標(biāo)參數(shù)及應(yīng)用對比，驗證了其可行性。

2）通過在通遼錢IV 地區(qū)的現(xiàn)場應(yīng)用，準(zhǔn)確判斷了過濾器的位置，查明了PVC 套管是否存在漏點及存在漏點的位置，進一步驗證了該電流測井探管適用于地浸工藝鉆孔固井質(zhì)量檢測。

3）形成一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電流測井技術(shù)及設(shè)備，擺脫了對外市場的依賴。