鈾礦探采多參數(shù)組合測井探管設計

孫海仁，管少斌，唐曉川

（1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002；2.中核集團鈾資源地球物理勘查技術中心重點實驗室，河北 石家莊 050002）

隨著我國鈾礦大基地建設戰(zhàn)略的實施，鈾礦勘查重點轉向北方地浸砂巖型鈾礦和深部500～1500 m 深度的“第二找礦空間”［1］。隨之而來的是面對更為復雜的測井環(huán)境、測井條件和一次下井所需更長的時間，以及卡管塌孔的概率更大等。以往測井中測量參數(shù)大多是分離式，即所需參數(shù)需要多次下井測量才能取得［2］，雖將井溫、測斜和定量γ 等部分參數(shù)進行了組合［3］，但基本都是之于以前煤田測井參數(shù)的組合，專門針對鈾礦測井參數(shù)進行組合的探管較少。

國外三大測井服務公司和國內測井技術研發(fā)單位都在積極加強常規(guī)測井系列的集成研究，改進儀器傳感器設計，優(yōu)化機械設計和電子線路，大大縮短了組合探管長度［4］，使常規(guī)測井儀器向著多組合、小尺寸、高可靠、低成本的方向發(fā)展［5］，在提高測量準確度的同時降低了不確定度，最大限度地解決了一次下井完成所有常規(guī)測井資料采集的問題，提高了測井作業(yè)的時效［4］。而且就目前國內外測井技術發(fā)展的總體態(tài)勢來看，測井設備高度集成化、輕型化也是現(xiàn)代測井技術發(fā)展的一種必然趨勢［1］。

國內鈾礦采冶過程中，測井任務主要包括裸孔測井，固井測井和成孔測井三個階段，其中裸孔測井主要目的是確定礦段位置、品位及厚度，劃分鉆孔巖性，區(qū)分滲透性和非滲透性巖礦層以及鉆孔的空間傾斜等。以國內某鈾礦床采冶測井為例，裸孔測井就選擇了井徑、井斜、視電阻率或三側向電阻率、自然電位和放射性γ 等6 個參數(shù)。

現(xiàn)有國內適用于鈾礦采冶的測井探管不完全針對該領域的應用需求研發(fā)，探管種類繁多，產品針對性不強。以上海地學儀器研究所開發(fā)的鈾礦采冶測井探管為例，將井溫、井斜、放射性γ 三個參數(shù)組合成一根探管；將井徑、三側向電阻率和密度三個參數(shù)組合成一根探管；將自然電位、視電阻率兩個參數(shù)組合成一根探管。但這種組合，一次鈾礦采冶裸井測井，仍需要分別下三根探管，才能得到鈾礦采冶裸孔測井所有參數(shù)。下井次數(shù)多，測井時效低，制約了鉆探進度。

本文專門針對當前鈾礦探采，特別是采冶過程中裸孔測井領域作為研究方向，旨在解決一次測井獲取所有必要常規(guī)參數(shù)的難題［3］。利用已成型的測井技術理論，在最大程度滿足鈾礦采冶的基礎上，對鈾礦探采測井必要參數(shù)進行優(yōu)化組合，同時考慮不同參數(shù)物理場影響因素，對采集參數(shù)的放置位置、硬件結構、電路結構等進行優(yōu)化設計。成功研制了井徑、井斜、井溫、三側向電阻率、自然電位等5 參數(shù)組合，定量γ 和密度參數(shù)作為單獨短節(jié)，長度控制在3 m 以內的多參數(shù)組合探管，保證了一次測井，獲取多達6 種鈾礦探采必要參數(shù)，減少了小隊測井工作強度和測井風險［6］，解決了不同探管記錄不一致造成的回差［7］，控制了數(shù)據質量。從成本、安全和數(shù)據角度等考量，這項技術對于更好地發(fā)揮測井在鈾礦勘查中的作用，具有十分重要的意義［8］。

1 可行性原則

1.1 適應性原則

我國北方可地浸砂巖型鈾礦，砂質結構疏松，泥質結構豐富，且普遍采用151 mm 或215 mm 小孔徑鉆孔，如果探管過長，極易出現(xiàn)卡管等現(xiàn)象。同時探管過長，也不利于探管的安裝、下放及上提等操作，存在一定的安全隱患。故多參數(shù)組合探管的設計，必須考慮到探管的長度不宜過長，便于測井操作。

筆者以現(xiàn)有測井技術原理為基礎，對鈾礦探采參數(shù)進行重新優(yōu)化組合，改進探管硬件結構，優(yōu)化電路布局布線以實現(xiàn)電路微型化，并且采用軟件編程代替硬件電路的方法來減少元器件數(shù)量［9］，以減小整體架構體積和長度，將組合探管長度控制在3 m 以內。

1.2 抗干擾原則

多種參數(shù)組合探管，主要需要解決的是各參數(shù)間的相互影響，特別是電磁信號的影響，導致的測井數(shù)據的不準確。故在設計時，必須考慮并解決耦合干擾影響問題，使各個測量參數(shù)，滿足測井規(guī)范要求［10］。

1.3 自動識別原則

為提高測井時效，還必須考慮自動化方面的設計，如探管各參數(shù)的軟件自識別等。

2 組合探管參數(shù)優(yōu)選方法

根據鈾礦鉆孔特點和成井要求，對鈾礦測井所需采集參數(shù)進行優(yōu)化組合，優(yōu)選應用效果較好的參數(shù)［11］，同時考慮到鈾礦采冶測量需求，最終確定7 種測井參數(shù)，分別為定量γ、密度、自然電位、井徑、井斜、電阻率、井溫等。其中將自然電位、井徑、井斜、電阻率、井溫等5 個參數(shù)作為常規(guī)組合探管，將定量γ 和密度參數(shù)作為單獨短節(jié)，可根據需求自由串聯(lián)到組合探管上使用。此種設計方案，能最大限度地提高電路集成度、縮短探管長度、確保各種參數(shù)測量過程中互不干擾［8］。

3 組合探管組合結構設計

實際設計中，由于連接接頭過多，防水密封處理浪費了大量的探管長度。單獨短節(jié)拆分過細，比如自然電位和井溫主要結構件是傳感器，電路部分較少，如果再單獨加主控和通訊系統(tǒng)，整體結構設計過于冗余，而且工作效率還低（通訊及通訊切換占用較多的時間），因此設計中應該合理搭配功能，劃分結構。

電路方案設計時，采用分離獨立模塊方案。分離獨立模塊設計相比緊湊整合方案，測量效率更低，設計冗余重復器件更多，但通用性高，可以靈活組合搭配，方便后期擴展和組合。

由于要求組合探管長度不超過3 m，又需要放置電阻率電極和測斜及井徑等占用長度較多的結構部分，所以摒棄外部短節(jié)細分的方案。綜合考慮采用整體探管結構，內部電路進行細分模塊的方案，整只儀器模塊細分為3 組模塊：三側向電阻率模塊，自然電位測斜模塊和井徑井溫模塊；再外搭密度或定量γ（長短源距）短節(jié)。組合探管電路結構和設計如圖1。

圖1 多參數(shù)常規(guī)組合探管結構示意圖Fig.1 Structural diagram of multi parameter conventional combined probe pipe

3.1 三側向電阻率模塊

位于最上端，借用電纜接頭做屏蔽電極，壓縮探管長度的同時達到屏蔽電極長度要求，屏蔽電極能夠聚焦發(fā)射電流，增大有效測量半徑，使實測結果更接近巖層真實電阻率，分層效果更明顯［6］。電阻率部分的激勵電源放第一級，也避免功率走線過長，引起電流噪聲干擾其他測量電路。井溫測量頭PT1000 外殼需要電流屏蔽，不宜與三側向電極放在一起，因為三側向激勵供電時，激勵電壓的換向和抖動會對熱電阻的小電流弱信號造成干擾。故井溫不放在這一級。

3.2 自然電位測斜模塊

位于第二級，自然電位電極最佳位置在組合管的底部，避免長探管的金屬外殼破壞地層中的自然電位原始狀態(tài)［8］。但底部需要加密度短節(jié)，所以放在中間，再在電極兩端加接絕緣管，以達到較好的測量效果。兩側空出來位置用來放置線路板和測斜傳感器，這個短節(jié)可以單獨拿出來標定。要求至少傳感器外管用銅管或無磁不銹鋼管，在兩側整體套碳纖維絕緣管，測斜傳感器在整支探管的中部。

3.3 井徑井溫模塊

位于第三級，井溫探頭安裝在結構接頭上，由于靠近測斜磁方位傳感器，所以這個接頭使用銅連接頭，線路板安裝在這個銅接頭上，井溫和井徑剛好共用一個AD 轉換芯片，井徑電機控制在這部分線路板上。往下依次是井徑結構和井徑臂位置，減少探管長度占用。井徑測量臂同時用來作為下掛的密度短節(jié)推靠臂使用，保證密度短節(jié)的有效貼壁。尾部下接頭使用4 芯孔座，兼容FD-3019 接口，方便對接FD-3019 或密度短節(jié)。

3.4 密度（長短源距）短節(jié)

使用同F(xiàn)D-3019 探管的24V 供電，獨立采集長短源距數(shù)據，通過同F(xiàn)D-3019 的3 芯連接方案與井溫井徑模塊預留的接口連接，再通過第三級將數(shù)據掛接到主儀器上，保證了兩個短節(jié)的可互換通用性。同時工作測量時，井徑臂的支撐能夠保證密度短節(jié)的有效貼壁。

4 組合探管外形結構設計

組合探管的外形及結構加工，主要分由四部分組成，第一部分為三側向電阻率部分，第二部分為自然電位和測斜部分，第三部分為井溫及井徑部分，第四部分為密度短節(jié)（可換接FD-3019 定量γ 短節(jié)），如圖2 所示。

圖2 多參數(shù)組合探管結構全圖Fig.2 Full structural drawing of multi parameter combined probe pipe

整支探管分組合探管和密度短節(jié)部分。其中組合探管部分包含三側向電阻率、自然電位、井斜（方位）、井溫、井徑等5 個測井參數(shù)，組合探管的外徑為Φ50 mm，長度為2.8 m。其中三側向電阻率屏蔽電極長度0.6 m，三側向測量電極尺寸為Φ50 mm×0.06 m，使用不銹鋼電極；自然電位測量電極尺寸為Φ50 mm×0.02 m，使用鉛電極，兩側絕緣套管長度0.5 m，使用碳纖維絕緣管；測斜傳感器在自然電位測量電極的下方，位于組合探管的中心點位置；溫度傳感器為PT1000熱電阻傳感器，測溫范圍-20～150 ℃，采用側面凹槽結構安裝，使用銅無磁性材料；井徑靠臂為圓桿內藏結構，收緊時內藏在探管結構中，井徑靠臂長度0.25 m，頂端裝可替換耐磨合金材料；尾部為四芯連接頭，方便連接FD-3019定量伽馬探管或定制密度短節(jié)，密度短節(jié)長度0.85 m，內置長短源距探測器，底部預留源室掛載位置。

三側向電阻率電路部分為單獨測量模塊，除三側向電路外，結構內還安裝系統(tǒng)電源模塊和總通信模塊線路板，如圖3。

圖3 多參數(shù)組合探管三側向電阻率模塊示意圖Fig.3 Three lateral resistivity module diagram of multi parameter combined probe pipe

自然電位及測斜部分為單獨測量模塊，內安裝測斜和自然電位測量電路線路板和測斜及方位傳感器結構，外部為鉛環(huán)電極和兩側的碳纖維絕緣管（圖4）。

圖4 多參數(shù)組合探管自然電位及測斜模塊示意圖Fig.4 Natural potential and inclinometer measurement module of multi parameter combined probe pipe

井溫和井徑部分為單獨測量模塊，連接測斜結構部分使用無磁銅（鈦）材料，溫度傳感器安裝在測開窗凹槽中；線路板和開閉電機及結構安裝在井臂的上部，井臂下部為井徑臂收納艙，尾部為短節(jié)掛接頭，如圖5。

圖5 多參數(shù)組合探管井溫、井徑模塊示意圖Fig.5 Module of well temperature and diameter measurement in multi parameter combined probe pipe

5 組合探管電路設計

在硬件電路的設計中，以高性能的MCU 芯片為核心［12］，用軟件編程代替了部分硬件電路的功能，簡化了硬件電路，節(jié)約了空間，實現(xiàn)了探管體積小型化的目標［3］。多參數(shù)組合探管硬件電路由5 部分模塊電路組成：系統(tǒng)供電和通信主控模塊、三側向測量模塊、自然電位和測斜測量模塊、井溫和井徑測量模塊、密度測井短節(jié)。其中前4 部分為一體的組合探管，最后一個是獨立的短節(jié)。可以掛接在組合探管的尾部，但不能與定量伽馬探管同時掛接。

選擇Silab 生產的C8051F201 單片機作為主控芯片，其內部集成多路模數(shù)轉換單元、數(shù)模轉換單元、I2C、RS232、SPI、電壓比較、定時計數(shù)器等滿足設計需要的處理單元。通過配置相關寄存器，可實現(xiàn)IO 管腳功能重新定義使設計靈活方便。通過軟件編程的方式提高微處理器的利用率從而代替以往大量的外圍硬件電路設計，減小電路板布局節(jié)省空間［13］，系統(tǒng)框架圖如圖6所示。

圖6 多參數(shù)組合探管系統(tǒng)框架圖Fig.6 System framework of multi parameter combined probe pipe

5.1 系統(tǒng)供電和通信主控模塊

系統(tǒng)供電和通信主控模塊主要包含供電電壓輸出電路和通信電路（圖7）。供電開關電源電路將上位機提供的DC200 V電壓轉換成隔離+24V和-14V 和非隔離+12V 和-12V 等4 組電壓，再通過LDO 濾波穩(wěn)壓給系統(tǒng)供電。其中非隔離電源用于曼碼傳輸部分供電，隔離部分給探管內部系統(tǒng)供電。使用光耦合隔離，保證組合探管為一個獨立的供電系統(tǒng)，不受地面電源影響。通信電路包含兩部分：曼碼傳輸電路和RS485 總線電路。通信主控通過曼碼傳輸電路完成與上位機的命令解析和數(shù)據發(fā)送，在獲取上位機的命令后按照協(xié)議通過RS485 總線分發(fā)指令和輪詢測井數(shù)據，再將數(shù)據打包組合上傳至上位機，通過上位機解析還原再關聯(lián)對應深度數(shù)值傳送至計算機軟件來繪制曲線和記錄數(shù)據。

圖7 系統(tǒng)供電和通信主控模塊電路實物圖Fig.7 Physical circuit of system power supply and communication main control module

5.2 自然電位和測斜測量模塊

自然電位和測斜測量模塊包含自然電位和測斜等三個測量參數(shù)（圖8、9）。自然電位是把地面來的N電極電平信號和測量點的SP電極電平信號進行差分放大，然后送入A/D轉換器轉換，從而測量兩點之間的電位差。測斜部分采用重力加速度傳感器測量鉆孔頂角。采用巨磁效應磁阻傳感器測量大地磁場及鉆孔方向的磁矢量。通過高精度數(shù)字轉換及處理，計算出鉆孔的頂角和傾斜方位角。其中自然電位共用頂角ADC轉換器件。

圖8 測斜采集電路模塊實物圖Fig.8 Photo of inclinometer acquisition circuit module

圖9 頂角及方位傳感器電路模塊實物圖Fig.9 Photo of apex and azimuth module

5.3 三側向電阻率測量電路

三側向測量模塊主要包含三側向供電電路和三側向測量電路（圖10、11）。將地面的DC200V供電通過開關電路轉換成恒流/恒壓供電，再通過可控H 橋電路產生64 Hz 的激勵供電，為了提高三側向電法測井的動態(tài)范圍，在低阻抗時使用恒流供電，在高阻抗時使用恒壓供電，來兼顧低阻時的分辨率和高阻的范圍。再將測量電極A0 的電壓和電流數(shù)據通過測量電路放大量化，從而計算出三側向電阻率成果值。

圖11 三側向測量電極采集模塊電路實物圖Fig.11 Photo of circuit module for three side measuring electrode acquisition

5.4 井溫和井徑測量模塊

井溫和井徑測量模塊包含井溫和井徑兩個測量參數(shù)（圖12、13、14）。井溫使用PT1000 熱電阻傳感器，通過帶恒流專用ADC，直接量化溫度數(shù)據，通過刻度標定轉換算成實際溫度值。井徑通過電機驅動靠臂放大最大臂位置，借助彈簧拉力使井徑臂緊貼井壁，井壁開合角度變化推動軸向的位移傳感器，通過檢測位移傳感器的阻值變化來換算井徑值，同時靠臂也用作密度測量時的腿靠臂。兩路模擬信號共用一組ADC 轉換器。

圖12 井溫溫度傳感器實物圖Fig.12 Photo of well temperature sensor

圖13 井徑臂及可換耐磨頭實物圖Fig.13 Photo of well diameter arm and replaceable wear-resistant head

圖14 井徑電機及位移檢測、限位結構實物圖Fig.14 Photo of shaft diameter motor，displacement detection and limit structure

5.5 密度測量電路

密度測井短節(jié)是一個獨立的測井短節(jié)，使用四芯航空插頭掛接在組合探管的尾部，它與定量伽馬探管選一個連接或者不連接。密度測井短節(jié)內部有長源距和短源距兩個伽馬探測器，使用不同規(guī)格NaI（TI）晶體和光電倍增管組成伽馬探測器。帶有屏蔽鉛層，貼壁側允許伽馬射線射入，底部帶有源室掛接頭（圖15）。DC/DC 變換電路把系統(tǒng)24V 直流電變換為伽馬射線探測所需的高壓電源。上下兩個源距的伽馬射線探測器檢測到的信號經放大甄別成形后由CPU 計數(shù)，再將計數(shù)率數(shù)值換算成密度成果值。

圖15 密度高壓模塊電路實物圖Fig.15 Photo of circuit module for density high voltage

6 軟件通訊方案及協(xié)議設計

本探管為多參數(shù)組合的數(shù)字測井探管，探管內部按功能劃分為5 個獨立測量單元和一個主控通信單元。獨立測量模塊獨立工作，按照采樣間隔將測量數(shù)據數(shù)字化后存儲在內部的緩存緩沖區(qū)內；主控通信模塊按照定義的測量參數(shù)來查詢獨立測量模塊，來讀取各個測量模塊的測量成果數(shù)據，再按照定義的參數(shù)順序將所有的測量數(shù)據組合打包成數(shù)據幀傳輸?shù)降孛?，探管內部通信拓撲框圖見圖16。

圖16 探管內部通信拓撲框圖Fig.16 Topology block diagram of probe internal communication

為提高內部各模塊通信可靠性和擴展性，探管內部模塊之間使用RS485 總線連接，使用差分電壓信號傳輸，抗干擾性和EMC 較好，總線收發(fā)靈敏度高。而且方便擴展，最多可擴展32 個通信節(jié)點。通信傳輸采用半雙工方式，由主控通信單元模塊作為控制端，按照測量項目來輪詢對應的獨立測量模塊，獨立測量模塊僅在主控單元查詢時與主控單元握手通信。當某一測量模塊通信異常時，內部程序設計該模塊掛起不應答，直到模塊恢復正常，主控模塊在詢問獨立測量模塊無應答等待超過內部超時設置時，判定該模塊為異常，填充數(shù)據為異常報警代碼，繼續(xù)訪問其他獨立測量模塊。從而保證某一獨立測量模塊異常時不影響其他正常工作的獨立測量模塊的數(shù)據傳輸?？偩€傳輸速率為38 400 bps，使用改進modbus 協(xié)議握手傳輸［14］。

Modbus 是一種串行通信協(xié)議，是Modicon公司（現(xiàn)在的施耐德電氣Schneider Electric）于1979 年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表。Modbus 已經成為工業(yè)領域通信協(xié)議的業(yè)界標準（De facto），并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設備之間常用的連接方式［15］。此處我們只是借用此協(xié)議框架，精簡內部的指令和格式，方便靈活使用。

協(xié)議常量定義：

主機代碼：0x0A

測量模塊代碼：三側向測量模塊代碼（0x11）、自電測斜測量模塊代碼（0x33）、井溫井徑測量模塊代碼（0x55）

功能碼：寫參數(shù)（0x06）、讀數(shù)據（0x03）

校驗碼：CRC16 校驗碼。

例：三側向供電。

主機命令：0x0A 0x11 0x06 0x01 0x0A 0xAB 0xD8

模塊應答：0x0A 0x11 0x06 0x01 0x0A 0xAB 0xD8

井溫井徑數(shù)據讀取：

主機命令：0x0A 0x55 0x03 0x04 0xDF 0x12

模塊應答：0x0A 0x55 0x03 0x04 0xXX 0xXX 0xXX 0xXX 0xXX 0xXX

組合探管與上位機通信是長電纜傳輸，傳輸線路長，電纜容感參數(shù)復雜，容易受到外部干擾，這里采用改良曼碼傳輸。改良曼碼使用雙極性差分信號傳輸碼元信息，使用固定的時鐘頻率同步探管和上位機，傳輸信號使用正負脈沖電平來保證傳輸線路平衡。

7 物理場耦合試驗測試

為進一步分析多參數(shù)耦合影響，筆者利用上海地學儀器原有各獨立試驗參數(shù)短節(jié)或組合探管本身可拆解短節(jié)，在室內實驗室開展比對測試，測試每個單獨短節(jié)參數(shù)指標與全參數(shù)組合后試驗探管參數(shù)指標，以測試數(shù)據驗證組合方案的可行性。本次試驗測試的參數(shù)包括井溫、井徑、三側向電阻率、自然電位、測斜參數(shù)等5 個參數(shù)。

7.1 井溫參數(shù)

使用水溫裝置和溫度計測試探管井溫修正系數(shù)，比較單獨短節(jié)時測試數(shù)據與全參數(shù)組合時測試數(shù)據，比對數(shù)據如表1 所示。

表1 溫度單獨短節(jié)和全參數(shù)組合時測試數(shù)據對比Table 1 Temperature data comparison of single nipple and full parameter combination

7.2 井徑參數(shù)

井徑刻度器采用高強度鎢鋼或鈦合金制作井徑規(guī)，井徑規(guī)直徑范圍為60～500 mm，允許誤差為±1 mm，單獨短節(jié)時測試數(shù)據與全參數(shù)組合時測試數(shù)據比對如表2 所示。

表2 井徑單獨短節(jié)和全參數(shù)組合時測試數(shù)據對比Table 2 Well diameter data comparison of single nipple and full parameter combination

7.3 三側向電阻率和自然電位參數(shù)

刻度器選擇多檔位可調電阻率和自然電位刻度器，電阻率測量范圍為（0～2×105）Ω·m，自然電位測量范圍通常為±500 mV。比較單獨短節(jié)時測試數(shù)據與全參數(shù)組合時測試數(shù)據，比對數(shù)據如表3、4所示。

從以上單獨短節(jié)測試數(shù)據與全參數(shù)組合測試數(shù)據比對結果可以看出，多參數(shù)組合后各參數(shù)性能仍然能滿足相關技術要求，組合方式可行。

8 結論

多參數(shù)組合探管克服了多參數(shù)集成信號耦合抗干擾技術［17］、探管結構小型化技術和多參數(shù)數(shù)據收錄同步技術等關鍵技術，解決了多參數(shù)集成信號耦合干擾問題，同時將組合探管長度控制在2.8 m，適應了鈾礦勘查測井需求。同時多參數(shù)組合探管設計時采用分離獨立模塊方案，分離獨立模塊設計功能模塊專一，通用性高，可以靈活組合搭配，提供了可擴展支持，提高了設計的合理性，方便了后期擴展和組合應用。

致謝：設計研究和實驗過程中，得到了上海地學儀器研究所、核工業(yè)北京地質研究院、中核內蒙古礦業(yè)有限公司等單位領導和專家的支持、指導和幫助，在此表示衷心的感謝。