恒流源三側(cè)向電阻率測(cè)井模塊研制及應(yīng)用

馮延強(qiáng)，劉富強(qiáng)，布和，于懷遠(yuǎn)，邵帥

1 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

2 核工業(yè)二一六大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830001

3 北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029

視電阻率測(cè)井是砂巖型鈾礦地球物理測(cè)井中的重要方法之一［1-3］，結(jié)合自然電位、聲速時(shí)差以及自然伽馬等參數(shù)，達(dá)到鉆孔地層巖性識(shí)別與劃分，區(qū)分滲透性和非滲透性巖礦層等目的［4-6］。三側(cè)向電阻率測(cè)井屬于聚焦測(cè)井，目前常見(jiàn)有恒流法、恒壓法、恒功率法和自由式，其中恒功率與自由式在煤炭、石油測(cè)井廣泛應(yīng)用，其測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大，適用性更強(qiáng)，恒壓法適用于低阻剖面，恒流法適用于高阻剖面［7-10］。在砂巖型鈾礦測(cè)井中，現(xiàn)有三側(cè)向電阻率均采用推靠井壁的測(cè)量方式，在與需要居中測(cè)量的參數(shù)組合應(yīng)用時(shí)存在一定局限性［11-12］。為滿足新形勢(shì)下砂巖型鈾礦高效測(cè)井需求，研制多參數(shù)組合式高效綜合測(cè)井系統(tǒng)，并進(jìn)一步提高砂巖型鈾礦地層電阻率測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)綜合測(cè)井在巖性識(shí)別劃分、礦層解釋等方面的應(yīng)用效果［13］，在中核集團(tuán)集中研發(fā)第四代鈾礦勘查關(guān)鍵技術(shù)研究與示范項(xiàng)目中開(kāi)展了新一代數(shù)字綜合測(cè)井系統(tǒng)研制，針對(duì)目前在煤炭、石油等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的恒流法三側(cè)向電阻率測(cè)井技術(shù)及硬件開(kāi)展了進(jìn)一步研究［14-15］，通過(guò)采用高電壓、高電流運(yùn)算放大器OPA547 作為恒流源激勵(lì)輸出與控制單元，研制激勵(lì)控制電路、交流反饋電路以及電壓檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)了滿足砂巖型鈾礦電阻率測(cè)井需求的新型恒流源三側(cè)向電阻率測(cè)井模塊的研制。該模塊能夠與自然伽馬、定量伽馬、井斜、井溫、聲波以及井徑等其他參數(shù)同時(shí)組合使用，以此來(lái)提高砂巖型鈾礦地球物理測(cè)井作業(yè)效率。

1 恒流法三側(cè)向電阻率測(cè)井原理

采用的恒流法三側(cè)向電阻率測(cè)井是一種被動(dòng)聚焦地層電阻率測(cè)量方法，其電極系結(jié)構(gòu)包括了無(wú)窮遠(yuǎn)端參考電極N，主回路回流電極B，上下屏蔽電極Ap和主電極Ao，屏蔽電極位于主電極兩側(cè)且通過(guò)絕緣環(huán)與主電極連接，主電極A0與屏蔽電極Ap間設(shè)計(jì)為采樣電阻，其整體組成如圖1 所示，N 電極與B 電極通過(guò)測(cè)井絞車(chē)鎧裝電纜外層鎧皮連接，B 電極等效為參考電極N，B 電極與Ap電極間為長(zhǎng)度約10 m 的絕緣隔離。工作中，恒流源通過(guò)回流電極B 和屏蔽電極Ap組成激勵(lì)輸出回路，通過(guò)檢測(cè)主電極Ao與屏蔽電極Ap間的采樣電阻r的電壓，獲取流入目標(biāo)地層的電流值I，通過(guò)檢測(cè)主電極Ao與回流電極B 之間的電壓獲取目標(biāo)地層回路的電壓值V，然后利用檢測(cè)電壓值與電流值的比值和電極系數(shù)K計(jì)算出地層視電阻率值，其中K為三側(cè)向電阻率探管電極系數(shù)，由電極系結(jié)構(gòu)尺寸決定。

圖1 恒流法三側(cè)向電阻率測(cè)井原理圖Fig. 1 Principle diagram of three lateral resistivity logging with constant current

2 硬件電路設(shè)計(jì)與研制

恒流源電阻率測(cè)井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是可通過(guò)調(diào)整激勵(lì)輸出電流的高低來(lái)滿足不同范圍的電阻率測(cè)井需要，其難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)恒流激勵(lì)輸出，由于待測(cè)電阻率負(fù)載的變化會(huì)對(duì)恒流源激勵(lì)輸出信號(hào)中流入地層的電流形成反饋干擾，因此研究中針對(duì)該關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展了3 個(gè)方面的研究，首先是通過(guò)選用高電壓、高電流的激勵(lì)輸出芯片結(jié)合微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出控制，較傳統(tǒng)模擬電路控制更加靈活；其次，通過(guò)交流信號(hào)檢測(cè)電路，實(shí)時(shí)獲取聚焦分流后流入地層電流并進(jìn)行反饋控制；最后，通過(guò)交流負(fù)反饋電路將流入地層電流與激勵(lì)輸出電流進(jìn)行差分比較，實(shí)現(xiàn)恒流輸出目的。

2.1 OPA547 恒流源控制電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

OPA547是一種低功耗、高電壓，可大電流輸出的運(yùn)算放大器［16-17］，正負(fù)輸入電壓最大為±30 V、連續(xù)輸出電流最大為500 mA，電壓轉(zhuǎn)化速率為6 V·μs-1，增益帶寬乘積為1 MHz，輸出關(guān)閉時(shí)間為1 μs，輸出使能時(shí)間為3 ms，其在低頻失真性能較好，能夠滿足恒流控制輸出的使用需求。

研究中設(shè)計(jì)的OPA547 雙電源恒流源控制電路如圖2 所示，通過(guò)FPGA 微處理控制器輸出頻率為256 Hz 的方波激勵(lì)信號(hào)S_256 Hz［18］，通過(guò)濾波電路和U25 跟隨電路，激勵(lì)控制信號(hào)進(jìn)入OPA547 管腳1。OPA547 采用±15 V 工作電壓，R20、R21、R22 和C39 組成反饋回路，通過(guò)R24、R29 和R31 并聯(lián)功率電阻與R35 反饋電阻來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流的大小，使能管腳7（E/S）與+15 V 導(dǎo)通，使OPA547 處于連續(xù)工作模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸入電壓激勵(lì)控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流激勵(lì)信號(hào)輸出的電路功能，以此實(shí)現(xiàn)了數(shù)字可調(diào)交流激勵(lì)信號(hào)的輸出。

圖2 恒流源控制電路原理圖Fig. 2 Principle diagram of constant current source control circuit

2.2 交流信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

針對(duì)采樣電阻電壓（VFN）、回流電極B 與屏蔽電極Ap間電壓的檢測(cè)通過(guò)電壓檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)（圖3），其中VFN 與采樣阻值換算后即為聚焦分流后流入地層的激勵(lì)電流I。電壓信號(hào)經(jīng)放大電路后進(jìn)入U(xiǎn)30 組成的帶通濾波電路，然后再經(jīng)過(guò)U14 和U19 組成的全波整流電路，實(shí)現(xiàn)采集正弦信號(hào)轉(zhuǎn)化為正半波信號(hào)，實(shí)測(cè)電壓檢測(cè)電路采集電壓信號(hào)與處理后電壓信號(hào)如圖4 所示，最后檢測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波電路，實(shí)現(xiàn)將半波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電平信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒流源三側(cè)向電阻率模塊激勵(lì)電流I（對(duì)應(yīng)VFN）與回路電壓V的信號(hào)采集與實(shí)時(shí)反饋。

圖3 電壓檢測(cè)電路原理圖Fig. 3 Voltage detection circuit

圖4 電壓檢測(cè)電路實(shí)測(cè)信號(hào)波形圖Fig. 4 Voltage detection circuit measured signal waveform

2.3 反饋恒流電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

反饋恒流電路通過(guò)對(duì)主電極流入采樣電阻r電流的監(jiān)測(cè)，獲得采樣電壓經(jīng)前放電路進(jìn)行放大后反饋至恒流激勵(lì)控制電路，在FPGA輸出256 Hz 方波信號(hào)進(jìn)入反饋比較電路前通過(guò)帶通濾波器，然后將方波信號(hào)轉(zhuǎn)化為正弦信號(hào)，通過(guò)比較正弦激勵(lì)信號(hào)與主電極檢測(cè)反饋信號(hào)，利用運(yùn)放積分反饋電路進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出激勵(lì)控制信號(hào)的穩(wěn)定輸出，實(shí)現(xiàn)反饋恒流的目的。

研究中設(shè)計(jì)的恒流反饋電路如圖5 所示，相較圖2 恒流源激勵(lì)控制電路在輸入控制信號(hào)增加了U21 運(yùn)放形成的帶通濾波電路，主電極Ao采樣電阻電壓通過(guò)U28、U29 運(yùn)算放大電路后反饋至U21 積分電路，然后輸出恒流激勵(lì)信號(hào)S_256 Hz。經(jīng)檢測(cè)電流信號(hào)負(fù)反饋調(diào)節(jié)后，確保了流入目標(biāo)地層的激勵(lì)電流穩(wěn)定輸出。

圖5 恒流源反饋控制電路原理圖Fig. 5 Principle diagram of constant current source feedback control circuit

3 刻度與應(yīng)用檢驗(yàn)

3.1 探管結(jié)構(gòu)與系數(shù)刻度

研究的恒流源三側(cè)向電阻率探管直徑為46 mm，主電極Ao長(zhǎng)度為10 cm，屏蔽電極Ap與主電極Ao間采用3 cm 長(zhǎng)度PEEK 絕緣環(huán)，該模塊與其他參數(shù)組合使用時(shí)上端屏蔽電極Ap 長(zhǎng)度為165 cm、下端屏蔽電極Ap 為193 cm，多參數(shù)組合探管總長(zhǎng)為374 cm。

為提高砂巖型鈾礦地層電阻率的測(cè)量精度，研制模塊的響應(yīng)范圍設(shè)計(jì)為1～1 000 Ωm，電極系數(shù)K為6.67，刻度值檔位分別為1、3、10、30、100、300 和1 000 Ωm。各檔位取20 次測(cè)量數(shù)據(jù)平均作為系數(shù)刻度數(shù)據(jù)，刻度過(guò)程數(shù)據(jù)如表1 所示，可見(jiàn)隨著電阻率值的增大，激勵(lì)電流由1 Ωm 時(shí)的404 mA 降低至392 mA，衰減比例為2.97 %?？潭葦?shù)據(jù)擬合系數(shù)如圖6 所示，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.999 9，可見(jiàn)在刻度范圍內(nèi)，研制的恒流源三側(cè)向電阻率模塊的線性響應(yīng)較好，且刻度后測(cè)量值與理論值相對(duì)偏差較小，均在±5 %以?xún)?nèi)。

表1 研制模塊系數(shù)刻度數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statisticsof scale data results for development module coefficient

圖6 恒流源三側(cè)向電阻率模塊刻度系數(shù)線性擬合圖Fig. 6 Linear fitting diagram of scale coefficients for the three lateral resistivity module with constant current source

3.2 準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

在系數(shù)刻度基礎(chǔ)上，利用實(shí)驗(yàn)室刻度盒進(jìn)行了研制模塊的準(zhǔn)確性檢驗(yàn)。在每個(gè)刻度檔位測(cè)量1 組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為30 點(diǎn)，通過(guò)各組數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果均值與理論結(jié)果進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)相對(duì)偏差與各組數(shù)據(jù)變異系數(shù)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2 所示，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3?？梢?jiàn)，測(cè)量結(jié)果與標(biāo)稱(chēng)值相對(duì)偏差均在±10 %以?xún)?nèi)，變異系數(shù)隨著測(cè)量電阻率值減小而增大，滿足設(shè)計(jì)量程范圍內(nèi)準(zhǔn)確性誤差不超過(guò)10 %的指標(biāo)要求。

表2 研制模塊準(zhǔn)確性實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Fig. 2 Statistics of accuracy measurement data for development modules

3.3 性能指標(biāo)

結(jié)合環(huán)境溫度試驗(yàn)、功耗測(cè)試以及與其他參數(shù)組合測(cè)試，研制的恒流源三側(cè)向電阻率模塊基本性能指標(biāo)參數(shù)：1）儀器耐溫：-10～85 ℃；2）探管承壓：35 MPa；3）模塊尺寸：直徑46 mm，Ao電極10 cm，上端Ap為1.65 m，下端Ap為1.93 m；4）測(cè)量范圍：1～1 000 Ωm（精度：5 %）；5）激勵(lì)信號(hào)：256 Hz正弦波。

3.4 測(cè)井應(yīng)用及對(duì)比分析

研制模塊與自然伽馬、自然電位、定量伽馬和聲波等參數(shù)組合后形成多參數(shù)數(shù)字化組合探管，在新疆某砂巖型鈾礦鉆孔進(jìn)行了實(shí)際測(cè)井應(yīng)用，其中研制模塊實(shí)測(cè)三側(cè)向電阻率、組合探管中自然電位、自然伽馬在250 至380 m深度測(cè)井曲線與地質(zhì)巖心編錄對(duì)比如圖7 所示。其中，自然伽馬曲線343.65 至358.85 m 為鈾礦化段引起的高值異常，綜合對(duì)比可見(jiàn)，在深度281.75、297.50、298.80、325.60、334.00、356.50 以及371.00 m 巖性分界面，研制模塊測(cè)井曲線變化與地質(zhì)巖心綜合編錄結(jié)果一致，實(shí)際測(cè)井應(yīng)用中具有較好的巖性劃分識(shí)別效果。

圖7 研制模塊在某砂巖型鈾礦鉆孔測(cè)井曲線圖Fig. 7 Logging curves by the developed module in a sandstone type uranium mine

在砂巖型鈾礦鉆孔應(yīng)用的同時(shí)，研制模塊與其他參數(shù)形成的組合探管在某典型煤層鉆孔開(kāi)展了測(cè)井應(yīng)用，其中研制模塊測(cè)量三側(cè)向電阻率、自然電位以及自然伽馬數(shù)據(jù)曲線如圖8 所示，其中163.40 m 深度處為0.56 m 厚度的薄層鈣質(zhì)夾層，170.80 至177.00 m 深度為厚度為6.20 m 的煤層，與地質(zhì)綜合編錄巖心對(duì)比分析可見(jiàn)，研制模塊在不同巖性地層有明顯響應(yīng)，其中163.40 m 深度薄層以及煤層界面等響應(yīng)較為明顯，可見(jiàn)研制模塊在交互薄層、巖性分界面等細(xì)節(jié)顯示明顯，響應(yīng)精度較高。

4 結(jié) 論

1）針對(duì)恒流法視電阻率測(cè)井技術(shù)中的恒流激勵(lì)控制電路、交流信號(hào)檢測(cè)電路以及負(fù)反饋恒流輸出電路等關(guān)鍵電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與研制，研制了基于OPA547 恒流源的高電壓、高電流三側(cè)向電阻率測(cè)井模塊。

2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井試驗(yàn)并對(duì)比分析，研制的恒流源三側(cè)向電阻率模塊能夠滿足砂巖型鈾礦地球物理測(cè)井中視電阻率測(cè)井需求，且可與其他參數(shù)模塊組合使用，能夠提高實(shí)際應(yīng)用中測(cè)井作業(yè)效率。

3）通過(guò)綜合測(cè)井解釋與地質(zhì)綜合巖心編錄結(jié)果對(duì)比，研制模塊在地層巖性劃分、界面識(shí)別、薄層和交互層等細(xì)節(jié)顯示明顯，響應(yīng)精度較高。