基于ACME的井中激電系統(tǒng)采集控制軟件開發(fā)與應(yīng)用

席 彪，謝興兵，毛玉蓉，嚴(yán)良俊，周 磊

1．油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué)) ，武漢 430100 2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430100

0 引言

井中激發(fā)極化法(borehole induced polarization，以下簡稱井中激電或井中IP)通過在鉆井中完成地面激發(fā)極化的方法進(jìn)行深地勘探，因其對深部隱伏礦產(chǎn)勘查的優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于銅礦以及多金屬礦藏的勘探[1-3]。普通電阻率測井近十幾年廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)、巖石物理等領(lǐng)域，但較少應(yīng)用于油氣及金屬礦產(chǎn)開發(fā)，其主要原因是普通電阻率測井難以區(qū)分低阻低極化率圍巖和低阻高極化率礦產(chǎn)。而井中IP是勘查多金屬和貴金屬硫化物等高極化率礦床，尤其是尋找深部盲礦體優(yōu)先選用的有效井中物探方法[4-6]。該方法可充分依靠已知的鉆孔信息，在發(fā)現(xiàn)井旁、井底盲礦，追索礦化帶，估計(jì)見礦深度，查證地面激電異常等方面發(fā)揮重要作用。在老礦山、危機(jī)礦山等勘查中，利用已有的鉆孔開展地-井、井-地等激發(fā)極化勘探和解釋工作，探查井附近盲礦體或礦體空間延伸情況，能大大提高鉆探見礦率和找礦效果，減少勘探成本，并能顯著提高勘探效率，為深部找礦提供重要指示[7-10]。

現(xiàn)階段國內(nèi)外激電系統(tǒng)研制與開發(fā)大多以地面探測為主，部分儀器支持井-地模式，即井中發(fā)射地面采集模式。對于采集系統(tǒng)位于井中且同時(shí)支持井-井、地-井模式，即井中發(fā)射鄰井采集和地面發(fā)射井中采集模式的激電系統(tǒng)研發(fā)較少，且發(fā)射功率均小于20 kW，勘探深度尚未突破1 000 m，難以滿足深度3 000 m內(nèi)50 kW大功率井中礦產(chǎn)資源探測需求[11-13]。

針對深度3 000 m內(nèi)井中激發(fā)極化法礦產(chǎn)資源探測成套技術(shù)能力要求，圍繞井中不同激發(fā)模式下礦體的激發(fā)極化響應(yīng)特征及弱信息識別科學(xué)問題，通過理論方法研究和技術(shù)創(chuàng)新，解決高溫高壓條件下小井徑(50 mm)大功率發(fā)射裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、井中/井間時(shí)間域和頻率域激發(fā)極化及充電法弱信息采集、提取與影響因素校正等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)從方法、硬件、軟件和資料解釋應(yīng)用等方面的創(chuàng)新，形成了井中/井間激發(fā)極化探測技術(shù)[14]。相比地面激電采集，井中激電系統(tǒng)控制采集軟件克服高溫高壓條件下的弱信號數(shù)據(jù)采集、長距離遙傳通訊、數(shù)據(jù)高速傳輸、接收和發(fā)射同步等技術(shù)難題成功研發(fā)。

采集控制管理平臺(acquisition control management expert,ACME)是中國石油測井公司自主研發(fā)EILog(express and image logging system)測井系統(tǒng)的重要組成部分，ACME采集軟件根據(jù)不同儀器實(shí)現(xiàn)了測井儀器組件庫的動態(tài)添加和卸載，可擴(kuò)展性強(qiáng)[15-17]。本文基于ACME采集軟件提供的SDK(software development kit)二級開發(fā)軟件包，生成儀器組件開發(fā)框架，將井中激電系統(tǒng)采集控制軟件掛接在ACME上，實(shí)現(xiàn)激電系統(tǒng)的采集、實(shí)時(shí)傳輸、顯示、監(jiān)測、保存和處理成圖等功能，并成功應(yīng)用于大冶市銅鐵金屬礦的井中探測，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 井中激電系統(tǒng)簡介

1.1 井中激電系統(tǒng)工作方式

井中激電系統(tǒng)根據(jù)具體功能可以分為發(fā)射系統(tǒng)、井中采集系統(tǒng)、地面(遙傳)通訊系統(tǒng)和采集控制軟件4個(gè)部分。以地-井模式為例，工作方式通常采用三極裝置，如圖1所示，發(fā)射系統(tǒng)通過給置于井口位置的供電電極A和距離井口無窮遠(yuǎn)處的供電電極B供電，向地下發(fā)射電信號，操作員通過采集控制軟件使位于井中M、N處的采集系統(tǒng)開始采集并將采集到的電位和電位差數(shù)據(jù)通過地面(遙傳)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳回到位于地面的計(jì)算機(jī)中，并保存數(shù)據(jù)。

圖1 井中激電系統(tǒng)地-井模式工作方式

1.2 發(fā)射系統(tǒng)

發(fā)射系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別為大功率恒流恒壓發(fā)電機(jī)組和大功率恒流恒壓發(fā)射機(jī)。大功率恒流恒壓發(fā)電機(jī)提供動力源，大功率恒流恒壓發(fā)射機(jī)將發(fā)電機(jī)提供的動力轉(zhuǎn)換成激發(fā)極化需要的特定波形輸出，并能夠檢測和記錄波形的幅值和相位。整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)具備恒壓和恒流兩種模式，滿足不同的作業(yè)條件。發(fā)射系統(tǒng)最大輸出電壓為2 500 V，最大輸出電流為20 A，最大功率為50 kW，電壓和電流大小連續(xù)可調(diào)。發(fā)射系統(tǒng)可以發(fā)射時(shí)間域不同周期雙極性占空比為50%的波形(TD50)、頻率域不同頻率不過零方波(FD)和編碼偽隨機(jī)波形。發(fā)射系統(tǒng)具備高精度GPS和恒溫晶振系統(tǒng)，通過GPS系統(tǒng)與采集控制軟件進(jìn)行對時(shí)和同步。

1.3 井中采集系統(tǒng)

為滿足小井徑3 000 m深度內(nèi)井中激電法礦產(chǎn)資源探測的要求，井中采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)直徑小于50 mm，儀器外部套管、接收電極全部采用鈦鋼和玻璃鋼等耐高壓材料密封設(shè)計(jì)，內(nèi)部全部使用耐高溫元器件。經(jīng)過高溫高壓釜測試，儀器設(shè)計(jì)加工滿足高溫高壓(155 ℃、100 MPa)指標(biāo)要求，驗(yàn)證了井中環(huán)境作業(yè)的可行性。

井中采集系統(tǒng)包括采集子節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)主控節(jié)點(diǎn)。采集子節(jié)點(diǎn)主要功能是采集電位和電位差信號，井下多儀器工作時(shí)，為了防止不同儀器相互之間命令沖突，需要搭建穩(wěn)定的通訊網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)通過采用CAN(controller area network)總線實(shí)現(xiàn)陣列式通訊結(jié)構(gòu)。采集子節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸至主控節(jié)點(diǎn)。主控節(jié)點(diǎn)主要功能是進(jìn)行總線仲裁和數(shù)據(jù)上傳，從而實(shí)現(xiàn)儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞。

井中采集系統(tǒng)采用了全波形陣列觀測裝置，通過9個(gè)采集子節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)采集9個(gè)電位數(shù)據(jù)和8個(gè)電位差數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)單道激電接收機(jī)，井中全波形陣列觀測裝置不僅可以提升儀器分辨率，還可以在相同采集周期內(nèi)獲得更豐富的數(shù)據(jù)信息，極大提高了采集效率。不同采集子節(jié)點(diǎn)之間相互獨(dú)立采集，且各接收電極距可以自由調(diào)節(jié)，得到不同電極距的多道采集數(shù)據(jù)，削弱噪音的干擾，大幅提高了抵抗外界干擾的能力，從而得到更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

1.4 地面(遙傳)通訊系統(tǒng)

遙傳技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用的測井系統(tǒng)，可以將井中深度幾千米儀器所測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)[18]。采集控制軟件下發(fā)命令，再通過遙傳通訊以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送，隨后緊接著發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀。儀器在接收遙傳下發(fā)的命令后切換工作模式，在接收隨后的遠(yuǎn)程幀之后，將采集好的數(shù)據(jù)通過遙傳通訊上傳報(bào)文。

2 采集控制軟件開發(fā)

2.1 采集控制軟件簡介

井中激電系統(tǒng)采集控制軟件是整個(gè)系統(tǒng)工作的中樞，為了更好地服務(wù)井中激電系統(tǒng)工作，實(shí)現(xiàn)高溫高壓條件下的數(shù)據(jù)采集、長距離遙傳通訊、數(shù)據(jù)高速傳輸、接收和發(fā)射同步等需求，本文基于ACME測井采集軟件平臺開發(fā)了井中激電系統(tǒng)采集控制軟件。ACME服務(wù)于不同種類測井儀器控制軟件開發(fā)，通過軟件組件化技術(shù)，極大地提高平臺擴(kuò)展性、可維護(hù)性以及穩(wěn)定性。為適應(yīng)不斷研發(fā)新儀器的特點(diǎn)，組建了一套相對獨(dú)立的組件庫，滿足不同儀器的設(shè)計(jì)與開發(fā)。本軟件通過ACME主控程序提供的儀器組件接口、儀器通訊接口、平臺服務(wù)組件接口和儀器屬性接口等協(xié)議實(shí)現(xiàn)了儀器屬性的基本訪問[19]。

C++語言是基于C語言發(fā)展起來的一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，可以直接對硬件操作訪問物理內(nèi)存等，擁有很好的運(yùn)行效率[20]。微軟公司針對C++語言開發(fā)平臺內(nèi)置的基礎(chǔ)類庫MFC(Microsoft foundation classes)包含大量Windows的內(nèi)建控件和組件的封裝類進(jìn)行高效的GUI(graphical user interface)開發(fā)，減少了應(yīng)用程序開發(fā)人員的工作量。在Visual Studio平臺將采集控制軟件封裝為動態(tài)庫，再將動態(tài)庫添加到ACME主控程序的組件庫中，實(shí)現(xiàn)采集控制軟件在ACME上的掛接。

2.2 界面設(shè)計(jì)

為了便于操作員井場作業(yè)，井中激電系統(tǒng)采集控制軟件GUI設(shè)計(jì)簡潔。交互界面根據(jù)工作流程對應(yīng)模塊可以劃分為文件保存參數(shù)信息設(shè)置區(qū)(圖2a)、儀器工作狀態(tài)監(jiān)測區(qū)(圖2b)、儀器采集控制區(qū)(圖2c)、增益參數(shù)設(shè)置區(qū)(圖2d)和數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測區(qū)(圖2e)5個(gè)區(qū)域。

2.3 軟件工作流程設(shè)計(jì)

井中激電系統(tǒng)采集控制軟件主要分為儀器工作模式控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、增益設(shè)置和數(shù)據(jù)保存等模塊。工作流程如圖3所示。測井開始后首先與儀器進(jìn)行通訊測試，發(fā)送通訊測試模式命令并確認(rèn)儀器工作狀態(tài)是否正常。通訊正常后用子節(jié)點(diǎn)接收電極采集標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行標(biāo)定，并保存儀器標(biāo)定數(shù)據(jù)。在儀器標(biāo)定成功后將儀器下井，到達(dá)目的層后發(fā)送采集模式命令，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測適當(dāng)調(diào)整各采集子節(jié)點(diǎn)增益。確認(rèn)儀器工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)質(zhì)量無誤后設(shè)置保存文件信息，保存數(shù)據(jù)。

儀器工作模式控制模塊主要分為儀器通訊測試模式、儀器標(biāo)定模式、采集模式以及采樣率設(shè)置模式。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊分為單次報(bào)文數(shù)據(jù)監(jiān)測和長時(shí)間全波形實(shí)時(shí)監(jiān)測。單次報(bào)文數(shù)據(jù)監(jiān)測的主要目的是判斷儀器增益調(diào)整以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性；長時(shí)間全波形實(shí)時(shí)監(jiān)測的作用是整體把控多次采集數(shù)據(jù)，以及監(jiān)測整個(gè)測井過程的數(shù)據(jù)質(zhì)量。增益設(shè)置模塊的作用是根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，針對信號微弱數(shù)據(jù)或過飽和數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)調(diào)整增益，有效解決弱信息采集問題，同時(shí)避免出現(xiàn)過飽和數(shù)據(jù)的情況。數(shù)據(jù)保存模塊的功能主要是將發(fā)射源信息、測井方法和測井模式等參數(shù)信息(表1)，以及原始報(bào)文解碼后的數(shù)據(jù)(表2)保存到las文件。

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1 數(shù)據(jù)解碼

地面接收到儀器的原始報(bào)文數(shù)據(jù)是十六進(jìn)制的32位無符號整數(shù)，需要將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，計(jì)算得到實(shí)測電位或電位差:

V=Ndata·Q·kVGA。

(1)

圖2 井中激電系統(tǒng)采集控制軟件界面

圖3 井中激電系統(tǒng)采集控制軟件工作流程

式中：V為實(shí)測電位或電位差；Ndata為原始報(bào)文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的十進(jìn)制數(shù)據(jù)；Q為模數(shù)轉(zhuǎn)換算子；kVGA為儀器增益系數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸驗(yàn)證

接收到上傳的報(bào)文后，對固定格式的報(bào)文頭進(jìn)行識別，避免井中采集系統(tǒng)報(bào)文傳送錯(cuò)誤。報(bào)文頭識別成功后，再對激電系統(tǒng)返回命令識別，驗(yàn)證儀器接收命令是否正常，確保井中采集系統(tǒng)工作模式正常和切換指令順利。完成所有識別后再對數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行解碼，解碼結(jié)果累加與報(bào)文尾校驗(yàn)位對比，校驗(yàn)失敗則在采集控制軟件界面上的儀器工作狀態(tài)監(jiān)測區(qū)中顯示錯(cuò)誤幀，從而確保數(shù)據(jù)傳輸過程的正確性。

3.3 周期性數(shù)據(jù)滑動疊加

時(shí)間域雙極性周期性信號可以通過數(shù)據(jù)多周期疊加和正負(fù)(雙極性)疊加消除隨機(jī)干擾。圖4是數(shù)據(jù)多周期疊加和正負(fù)(雙極性)疊加的效果圖，單周期數(shù)據(jù)因受干擾出現(xiàn)明顯的波形，多周期疊加數(shù)據(jù)可有效壓制隨機(jī)干擾，正負(fù)(雙極性)疊加數(shù)據(jù)對隨機(jī)干擾的壓制效果尤為明顯。

對于連續(xù)測井?dāng)?shù)據(jù)，在深度域可以采用滑動疊加技術(shù)消除隨機(jī)干擾?；瑒盈B加也叫移動平均法，是用一組最近時(shí)間點(diǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)值來預(yù)測當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)值的一種常用方法，可有效壓制隨機(jī)干擾?；瑒盈B加技術(shù)適用于即期預(yù)測，能有效地消除預(yù)測中的隨機(jī)波動，是非常有用的。其基本思想是：根據(jù)周期時(shí)間序列資料，按照一定的多周期窗口逐項(xiàng)推移，依次計(jì)算包含一定項(xiàng)數(shù)周期的序時(shí)平均值(圖5)。

表1 Las文件頭信息

表2 Las文件數(shù)據(jù)格式

圖4 數(shù)據(jù)多周期疊加(a)和正負(fù)(雙極性)疊加(b)效果

因此，當(dāng)時(shí)間序列的數(shù)值由于受周期變動和隨機(jī)波動的影響起伏較大，不易顯示出周期信號的變化趨勢時(shí)，使用滑動疊加技術(shù)可以消除這些因素的影響，顯示出信號的的變化方向與趨勢(即趨勢線)，然后依趨勢線分析預(yù)測周期序列隨深度的長期趨勢。經(jīng)滑動疊加數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。

3.4 激電視參數(shù)計(jì)算

時(shí)間域激電法工作原理是向地下供一定時(shí)間的穩(wěn)態(tài)電流I，在t=0時(shí)刻斷電后，觀測衰減電位差ΔV2(t)，如圖7所示。場電位差ΔV(極化場電位差)是一次場電位差ΔV1和二次場電位差ΔV2(tc)之和：

ΔV=ΔV2(tc)+ΔV1。

(2)

當(dāng)切斷AB極供電電流后，一次場電位差立即消失，被極化的地下介質(zhì)在激發(fā)極化電動勢推動下通過介質(zhì)本身和周圍溶液放電。這時(shí)的二次場電位差ΔV2(t)將隨時(shí)間衰減逐漸趨于0。實(shí)踐證明，充電達(dá)到飽和的二次場電位差和斷電瞬間的二次場電位差是相等的，即

ΔV2(t)|t=0=ΔV2(tc)。

(3)

在二次場與電流成線性關(guān)系的條件下，極化率η(tc,t)為

(4)

可見，極化率是電位差瞬時(shí)值的比值，無量綱，采用百分率表示。由于ΔV2(t)和ΔV都與供電電流成正比，因此極化率與電流無關(guān)，但取決于供電時(shí)間tc和測量延遲時(shí)間t。

利用測得的一次場電位差ΔV1，可以計(jì)算出介質(zhì)的電阻率：

(5)

式中，K為裝置系數(shù)。

圖7 全波形激發(fā)極化效應(yīng)

在二次場、總場與電流成線性關(guān)系的條件下，也可用總場電位差ΔV計(jì)算出包括介質(zhì)激發(fā)極化效應(yīng)在內(nèi)的等效電阻率：

(6)

充電率m的定義公式為

(7)

研究地下介質(zhì)的激發(fā)極化性質(zhì)還可直接利用二次場及其時(shí)間特性，當(dāng)直接利用二次場電位差時(shí)，可計(jì)算參數(shù)激電率：

(8)

在頻率域測量時(shí)，測到的是視頻散率(視頻率效應(yīng))：

(9)

(10)

其中，

式中，ΔVMN為M、N極間電位差。

4 應(yīng)用效果

4.1 試驗(yàn)區(qū)和試驗(yàn)井概況

試驗(yàn)區(qū)如圖8所示，位于湖北省黃石市大冶市銅綠山，即位于鄂東南地區(qū)大冶市西南1 km處的銅綠山礦田。大廣高速從礦田西部穿過，106國道及武(昌)—九(江)鐵路從礦田東部通過，區(qū)內(nèi)有連接各自然村的市(縣)級水泥公路和礦山簡易公路，交通條件十分便利，有利于實(shí)驗(yàn)展開。

圖8 試驗(yàn)區(qū)地理位置圖

鉆孔地質(zhì)剖面概況如圖9所示，ZK407、ZK408井發(fā)現(xiàn)連續(xù)礦體，推測ZK409孔處可能存在礦體。ZK409井位于114°55′48″E，30°04′56″N，井深1 041.20 m。鉆孔巖性基本結(jié)構(gòu)為：0～757.06 m為巖體，757.06～1 029.20 m為大理巖，1 029.20～1 041.20 m為巖體。在上接觸帶附近762.76～778.86 m 見銅鐵礦體1層，主要為含銅赤鐵礦磁鐵礦礦石。在下接觸帶附近1 025.90～1 029.20 m處見含銅赤鐵礦磁鐵礦石榴石矽卡巖。1 029.20～1 041.20 m巖體強(qiáng)矽卡巖化。

4.2 試驗(yàn)概況

實(shí)驗(yàn)采用地面發(fā)射井中接收即地-井模式，采集控制軟件與發(fā)射系統(tǒng)完成對時(shí)和同步后向地下發(fā)射空占比各為50%的正負(fù)方波信號(TD50)，周期為16 s。圖10為采集過程中的全波形井中激電觀測曲線，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線，及時(shí)調(diào)整各通道增益，有效改善信號過飽和及信號微弱情況。由于兩個(gè)采集通道采用的電極距不同，隨電極距增大會有信號放大效果，因此在數(shù)值上會有倍數(shù)差異。在實(shí)驗(yàn)全過程實(shí)時(shí)觀察不同采集通道的信號一致性情況，有效確保采集數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4.3 井場實(shí)測結(jié)果

通過采集控制軟件對數(shù)據(jù)預(yù)處理，將采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)滑動疊加后，取關(guān)斷后120 ms的電位差值作為二次場值進(jìn)行視電阻率和視極化率的計(jì)算，得到如圖11所示的數(shù)據(jù)處理結(jié)果?？梢钥闯?，儀器對于礦層外部的較強(qiáng)信號和礦層中的微弱信號均能進(jìn)行精度較高的采集，鉆井巖樣數(shù)據(jù)762.76～778.86 m銅鐵礦層位置視電阻率和視極化率變化明顯，數(shù)據(jù)處理結(jié)果與地質(zhì)資料高度吻合，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖9 鉆孔地質(zhì)剖面圖

圖10 全波形井中IP電位曲線(a)和電位差曲線(b)

圖11 視電阻率曲線(a)和視極化率曲線(b)

5 結(jié)語

本文基于采集控制管理平臺(ACME)完成了井中激電系統(tǒng)采集控制軟件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了高溫高壓條件下激電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)傳輸、顯示、監(jiān)測、保存和處理成圖等功能。井中激電系統(tǒng)及其采集控制處理軟件成功應(yīng)用于大冶市銅鐵金屬礦激發(fā)極化法測井，完成對井中激電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，獲取高質(zhì)量的井中激電數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的處理和分析，得到的結(jié)果正確可信，和已知資料高度一致，達(dá)到了預(yù)期效果。

但目前采集控制軟件與井中采集系統(tǒng)之間的長距離通訊受地面(遙傳)通訊傳輸速率限制，抑制井中采集系統(tǒng)的采樣率，從而限制了儀器分辨率，采集控制軟件和井中采集系統(tǒng)之間的通訊效率還有提升空間，值得進(jìn)一步研究。

致謝：湖北省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊(duì)和地球物理勘探大隊(duì)提供了試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)資料并在試驗(yàn)過程中提供了幫助，在此一并表示感謝。