ZH1多参数组合探管的开发及应用

陈仁才，阳林锋，陈 红

（1.重庆地质仪器厂，重庆400033；2.成都理工大学，成都610059）

1 概述

在以往非油气类钻井勘探中，物探测井始终是一项重要的勘查手段，它主要涉及煤田、核工业、金属矿产、水文及工程等测井领域，尤其是在煤田地质钻孔中对煤的位置、厚度及灰分分析，核工业测井中对铀矿的位置、厚度、品位及储量分析，以及开采它们时需要了解所处的地质环境等，采用测井方法是必不可少的手段［1］。在以往测井中测量参数大多是分离式，即所需参数要多次下井测量才能取得，例如要了解井中各地层声速、自然γ、温度及方位等参数，需要相应探管分别下井测量。这不仅工作量大、数据采集慢，而且还因测井时间长，钻孔状态的不稳定易产生测井事故［2－3］。对此本文介绍一种基于大多数测井领域必须测量的参数研制了ZH1探管，它利用测井主机、绞车等，一次下井即可完成上述相关参数的测量，大大提高了测井工作效率及测井安全性，同时多条测井曲线叠加形成的测井综合成果图为资料的解释提供了方便。各测量参数经刻度、预处理及数值计算，提高了测井资料解释的准确性，为勘查过程节省时间和资金。

图1 探管工作现场示意图

2 ZH1探管应用系统

ZH1探管测井工作现场示意图如图1，整个系统由测井主机、绞车及控制器、笔记本电脑、ZH1探管组成。工作时随着探管的上升或下降，探管所处地层的各测量参数通过探管里相应传感器采集、处理并按一定格式通过电缆传输到地面测井主机，再通过笔记本电脑将数值或曲线实时显示出来。

3 ZH1探管的特点及主要功能

3.1 特点

探管具有体积小、重量轻、测量参数多、工作电压适用范围宽、测量深度大、测量参数精度高、测量数据传输速度快等特点；如果不需要声速数据，探管上部可单独使用；在结构上巧妙的合理布局并配合测量线路，减少甚至排除各测量参数间信号的相互干扰；探管不做任何改动即可与以前相关测井主机、绞车配套，兼容性好。

3.2 主要功能

探管主要测量参数有：自然γ，倾角，方位角，井温，声波近、远接收声速，时差声速，近接收首波声幅等。

3.3 主要参数

基本参数：

功耗：150mA×50V

电压适用范围：50～100V

探管外形尺寸：Φ51×2450mm

承受压力：≤24MPa（外管尺寸Φ55，耐压34MPa，对应3000m深度）

重量：20kg

使用温度范围：－10℃～＋85℃

测井速度：≤18m/min（5cm采样间隔）

自然伽马测量：

测量范围：＞30Kevγ射线

计数范围：0～64000cps

测斜测量：

顶角范围：0～90°

顶角精度：≤0.1°

方位角范围：0～360°

方位角精度：±2°（顶角＞3°），

±4°（2°＜顶角≤3°）

井温测量：

温度测量范围：－10℃～＋85℃（井温探头传感器处 －10℃～＋95℃）

温度灵敏度：≤0.1℃

感温时间：＜3s

声波速度测量：

测量范围：＞1.5km/s

张永刚说：“智慧建筑专委会今年围绕标准编制、课题研究 、行业活动三大工作重点，陆续进行了许多工作，在标准编制方面：在建筑自动化及控制系统 、建筑节能改造、BIM技术等领域开展了3项国家标准、1项团体标准的编制工作；在课题研究方面：承担了住房城乡建设领域国密算法研究、智能建筑绿色发展、产品标准应用等3项课题与项目；在行业活动方面：围绕绿色智能建筑、绿色智慧社区、智能门锁等行业热点，组织了十余次行业峰会、项目研讨会、实地调研活动。”

发射周期：100ms

发射声波频率：23kHz±5kHz

刻度精度：±5μs/m

源距：0.5m～0.7m

间距：0.2m

声波幅度：≤10V

4 ZH1探管设计

4.1 结构设计

探管结构如图2所示，探管全长2.45m，重量15kg。

图2 ZH1探管结构示意图

4.2 电源设计

仪器的电源是否稳定可靠，决定该设备能否正常使用。本探管采用定制开关电源模块，电路具有过压、过流、过温等保护［4］。普通电源模块与ZH1开关电源模块性能参数对比如表1所示。

表1 普通电源模块与开关电源模块性能对比

4.3 信号采集、处理电路设计

电路工作原理框图如图3所示。

图3 ZH1多参数探管内部电路原理框图

测斜测量：由探管内安装的倾角及利用地磁场的两个分量计算的方位角传感器进行测量。

自然γ测量：利用不同岩矿石含放射性物质种类及含量不同，采用NaI（Tl）晶体和光电倍增管作传感器，对接收到信号放大、甄别、整形后送入计数器1。

井温测量：来自温度传感器信号经放大、处理后送模拟开关。

声速、声幅测量：在微处理器控制下产生脉冲，一方面去触发可控硅放电让换能器发声，另一方面去控制计数器2、3开门。利用声波在不同介质中传播速度不同的特性，用二只换能器接收。近接收首波信号经放大、处理：首波幅度信号送模拟开关；首波脉冲信号经处理后去控制计数器2关门。远接收首波信号经放大、处理后去控制计数器3关门［5］。

在微处理器控制下进入16位A/D模数转换器的信号经转换成数字后分别得到温度、声幅数据；在微处理器控制下进入计数器的信号经分别记录后得到自然γ、声波近接收、远接收及时差等数据。以上数据经微处理器处理、驱动后经电缆送到地面测井主机。当然，由于γ探测器所用高压、声波发声换能器所需高压的产生，它们会对电路产生较大干扰，因此对采集的声波、井温等模拟信号需要作特别的处理［6］。

4.4 软件设计

ZH1探管的软件逻辑流程如图4，下位机单片机中的UART0异步、全双工串口通过RS232串行口通讯构件与上位机（PC机或笔记本）进行串行通信。井下单片机在上电复位后就等待定时器中断信号、近接收或远接收首波产生的中断脉冲、测斜传感器的串行中断信号等，当接收到不同中断就执行相应操作。一旦达到规定时间，单片机就通过电缆向地面发送数据。为了保证在测井中能有较快的提升/下放速度，又不至于影响测量参数的质量，这就要求合理地分配时间，同时选择较高计数时钟频率的计数器［7］。

图4 ZH1探管软件设计流程框图

4.5 测量参数的刻度及数据处理

探管测量参数的刻度是测井资料解释的重要一环。本探管测量的倾角、方位角由传感器直接读出，声波近接收、远接收、时差声速的刻度系数可直接算出来。探管自然γ、井温的刻度可在厂里进行。探管各测量参数值正确与否，可在现场简单的检查。各测量参数的数据处理在地面测井处理软件中进行，十分方便。

5 应用实例

ZH1探管试制完成后已在重庆地质仪器厂210米试验井及多口野外测井现场中使用。部分资料见图5、图6。

图5 ZH1探管在重仪厂试验井100～188m中的实测资料

图6 重庆XX钻孔密度、声速、自然γ、聚焦电阻率、井温及井径综合图

重庆地质仪器厂测井试验孔设计为直孔、孔径91mm，孔深210m，套管长度160m，套管下为砂岩、泥岩互成。本探管测量深度为188m。为让资料便于观察，图5仅将曲线100～188m段显示出来。从图五可见：①套管长度159.95m；②全孔倾角＜1°；③铁套管中时差声速在5.6km/s左右，远接收、近接收声速逐渐减小，说明它们受孔径影响在增大；④砂岩、泥岩时差声速在2.8～3.7km/s；⑤钻孔所处地层地温梯度每100m在1.8℃；⑥自然γ在套管内不同地层中有反应，且套管外分层能力比声波强。

该钻孔为重庆XX地区煤田孔，孔径91mm，孔深1506.1m，套管长度8m，套管下为砂岩、泥岩及煤。探管实测深度1503m。在该孔我们作了M552－1贴壁补偿密度探管、ZH1探管测量工作。由于煤系地层在1150m以下，为便于观察，图6仅显示测井资料经处理后1000～1503m段的资料。从图上可见：

①补偿密度曲线与声速曲线十分吻合，它们对煤层的反映也很明显；

②自然γ、聚焦电阻率、补偿密度、声速在孔内有较好的岩层分层效果；

③煤层所处位置地层较疏松，井径变化明显，它对密度、声速影响也大，从而影响对煤层的分层解释（钻孔地质结构复杂，ZH1探管测量未加居中器）；

④1000～1500m地温从30℃变到39.3℃，变化正常；

⑤从ZH1测井曲线可见，由地面至1500m，倾角从0°～11.2°，方位角从120°变到80°多；⑥从测量的自然电位曲线看，它对不同地层反映效果也比较明显。

6 总结

通过ZH1探管测量参数与相应单参数测量探管进行多次反复实测对比，ZH1探管具有工作电流小、测量参数多、测量速度快（5cm采样，速度可达18m/min）、测量参数资料准确可靠且测井资料易于处理等优点。随着国家探矿工作的深入，钻孔深度不断增加，为减少测井工作量，提高测井工作效率，对不同测量方法探头进行组合显得尤为必要。ZH1探管成功研制仅是开始，其它组合探管将陆续推出。

［1］王惠濂.综合地球物理测井［M］.北京：地质出版社，1987.

［2］张焕武，马恩军.国外集成化测井技术［J］.测井技术.2001，25（4）：245－247.

［3］徐涛，刘国权.HBZH－1型多参数组合测井仪.［J］.石油仪器，2006，20（5）：37－38.

［4］容焱，王其岗.高可靠性DC－DC开关电源的浪涌电流抑制电流设计［J］.电源技术应用，2011，14（7）：43－50.

［5］张寒秋，马国忠.提高多参数组合仪测井质量的技术方法［J］.石油工业技术监督，2006（5）：25－28.

［6］夏光荣，唐文君.小数控仪器实现组合测井的技术改进及应用.石油仪器［J］.2008，22（6）：27－29.

［7］邱春宁，康志磊.声波测井数据采集系统改进方法［J］.重庆科技学院学报 （自然科学版），2011，13（5）：149－151.