贴壁密度组合探管中三侧向电阻率的设计及应用

陈仁才，阳林锋

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

0 前言

地球物理测井主要涉及石油、天然气、煤田、金属矿产、水文及工程地质等钻孔测井领域。尤其在煤田地质钻孔中对煤的位置、厚度及灰份分析，核工业铀矿测井中对其位置、厚度、品位及储量分析，以及开采时需要了解它们所处的地质环境等采用测井方法更是必不可少的手段［1］。

本文介绍一种基于大多数测井领域必须测量的参数，研制了一种组合探管，它一次下井即可完成短源距密度、长源距密度、自然γ、三侧向聚焦电阻率（以下简称三侧向电阻率）、井径、自然电位等参数的测量，从而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，为勘查过程节省了时间和资金。特别是组合探管对三侧向电阻率的重新设计，使其测量视电阻率范围更宽、灵敏度及精度更高，从而大大增强组合探管在相关领域的应用。

1 组合探管的应用系统

组合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、探管等组成。工作时随着探管的提升，探管所处地层的各测量参数通过探管里相应传感器采集、处理后由电缆传输到地面测井主机，再通过笔记本电脑将其数值或曲线实时显示出来。

图1 组合探管工作现场示意图

2 组合探管的特点及主要功能

2.1 特点

组合探管分上、下两部分，它具有体积小、重量轻、测量参数多、测量深度大、测量参数精度高、工作电压范围宽等特点。

2.2 主要测量参数

组合探管主要测量参数有：自然γ，长、短源距密度，三侧向电阻率、井径、自然电位等。在探管上部的底端加上堵头也可单独作自然γ，三侧向电阻率、自然电位等测量。

（1）基本参数：

·探管功耗：≤80mA×52V

·电压适用范围：24～120V

·探管外形尺寸：φ51×2900mm

·承受压力：≤24MPa（外管尺寸φ55，耐压34MPa，对应测井深度3000m）

·重量：26kg

·使用温度范围：－10℃～＋85℃

·测井速度：≤20m／min（5cm采样间隔）

（2）自然伽马测量：

·测量射线能量范围：＞30Kevγ射线

·计数范围：0～65000cps

（3）密度测量：

·激发源：30～80mCi137Cs，

·检查源：5μci137Cs

·短源距：180mm，长源距：350mm

·长、短源距计数范围：0～65000cps

·密度测量范围：1～4g／cm3（标定做到2.72g／cm3）

·灵敏度：0.01g／cm3

·测量精度误差：≤5%

（4）井径测量：

·测量范围：50～300mm

·灵敏度：0.5mm

·测量精度误差：≤2%

（5）三侧向电阻率：·测量范围：0～3.0kΩ·m（根据需要，可在0～6.0kΩ·m间调节）

·非线性度：≤±5%

·测量精度误差：≤2%

（6）自然电位测量：

·测量范围：－2～＋2V

·测量精度：±1mV

3 组合探管设计

3.1 结构设计

组合探管结构及各测量参数排列位置如图2所示，其中自然电位测量电极为三侧向的主电极。

3.2 电源设计

仪器的电源是否稳定可靠，决定着该设备能否正常使用。组合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，从而让探管工作电流由200mA左右下降到80mA左右［2］。

3.3 信号采集、处理电路设计

电路工作原理框图如图3所示。

图2 探管结构示意图

图3 组合探管内部电路原理框图

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，对接收到脉冲信号放大、甄别、整形后送入计数器。

（1）长、短源距γ测量

利用γ源放出并经过岩层散射吸收后γ射线被长、短源距探测器接收产生的脉冲信号经放大、甄别、整形后送入计数器。

（2）井径测量

来自井径传感器信号经处理后送模拟开关。

（3）自然电位测量

利用三侧向测量的主电极与地面电极之间的电位差，由测井主机进行测量。

（4）三侧向电阻率测量

众所周知三侧向测井又称三电极侧向测井，也叫三电极聚焦电阻率测井，如图4和5所示。在图4中AD称主电极，位于AD上下的电极Ap称为屏蔽电极（或叫聚焦电极），对应地层的视电阻率值计算公式：

图4 三电极侧向测井的电极系

式中：U—电极表面的电位（V）；

I—主电流强度（A）；

K—三侧向电极系系数（常数）［3］。

一般对主电极的供电方式有两种：恒流供电，恒功率供电。采用不同的供电方式对测量地层的视电阻率效果不同，恒流供电对高阻地层测量效果较好，恒功率供电对低阻地层测量效果较好。

对恒流供电，如果采用适当的三角波恒流源供电电流，高精度的全波整流及滤波电路、高精度A／D模数转换器、低噪音放大电路及低纹波电源，对低阻地层测量也能达到较好的效果［4－5］。

采用恒流供电，由公式Rs＝K·U／Io可知，当K、Io不变，地层的视电阻率值Rs与测量电极表面的电位U值成正比，只要测量U值便可计算出对应Rs 值［6－7］。

图5中，当接地电阻W2＝0Ω进行模拟实验，结果见图6。

在恒定三角波供电电流情况下，改变接地电阻W2的值，测得输出对应的直流电压及纹波见表1所示。

图5 三侧向电阻率测量电路框图

图6 W2＝0Ω，三侧向测量电路输出直流电压及纹波示意图

表1 电路相关测试参数表

从图7可知：当接地电阻 W2从0Ω突变到40kΩ，恒流供电电流为143μA基本保持不变，三侧向测量电路输出直流电压从1.71mV到稳定的9.99V需要时间≤70mS。

图7 W1＝0Ω→40kΩ，三侧向测量电路输出直流电压稳定时间示意图

通过以上模拟实验表明：

①电路中恒流供电电流稳定；

②接地电阻W2每增加1Ω，三侧向测量电路输出直流电压增加0.24mV左右；

③接地电阻为1kΩ时，三侧向测量电路输出直流电压为251.4mV，其纹波Vpp≤80μV；

④接地电阻从0Ω突变到40kΩ，三侧向测量电路输出直流电压从1.71mV到稳定的10.0V输出需要时间≤70mS。

组合探管设计中采用16位A／D，最大读数65535，满度10V，则转换后1个数字表示0.15259mV；组合探管中三侧向电极系系数（常数）K＝0.06。因此 ：

①三侧向视电阻率Rs测量值理论上灵敏度≤0.06Ω·m（探管实际工作时存在电源纹波、测井地层中自然电位干扰等因数影响，灵敏度有所降低）；

②测井时5cm采样间隔，绞车30m／min的提升速度，能保证采样点对相应地层的真实反映。

（5）信号采集、数据发送

在微处理器控制下井径、三侧向电阻率等模拟信号经模拟开关进入16位A／D转换成数字信号；自然γ、长源距γ、短源距γ数据经计数器分别计数。这些数据统一由单片机读取，经编码后串行发送到地面测井主机。

3.4 软件设计

组合探管软件设计流程框图如图8，下位机单片机中的UART0异步、全双工串口通过RS232串行口通讯与上位机（PC机或笔记本）进行串行通信，单片机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。

图8 探管软件设计流程框图

3.5 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。组合探管测量自然γ、密度参数可分别在厂里的自然γ、密度标准刻度井里进行；井径刻度是在不同井径的刻度环中进行；三侧向电阻率刻度是在专用刻度器中进行。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。

4 应用实例

由于用户对我们厂原来生产的M552贴壁补偿密度组合探管测量的长、短源距密度（可计算补偿密度）、自然γ、井径等测量参数的效果反映较好，现仅针对当前部分用户提出三侧向电阻率测量在部分地区反映地层界面不理想问题，我们这次组合探管试制中进行了重新设计，并在试制完成后就探管中三侧向电阻率测量问题在厂里试验井（井深200m）及重庆某地野外测井现场（井深410m）与某单位生产的“单参数三侧向恒功率供电测量探管”进行了测井对比试验。因孔深测井资料较多，现仅截取主要部分原始资料见图9～11进行说明。

图9 重庆地质仪器厂试验井156～176m恒流源、恒功率供电三侧向测量对比图

（1）试验井159m以上为铁套管，由图9可见：恒流供电在采用了高精度整流、滤波等电路后，在低阻泥岩段测量的三侧向电阻率曲线与某厂的恒功率供电测量的差不多；在砂岩、泥岩及它们的互成地段，我们恒流供电测量的三侧向电阻率曲线反映地层的细节、界面更清楚。

（2）从图10上看，组合探管测量的长源距密度、短源距密度、三侧向电阻率及井径曲线对79m附近六米左右套管反映较好；密度曲线在一定程度上受井径变化的影响；自然γ、三侧向电阻率曲线对地层有较好分层能力。

图10 重庆某地zk1钻孔M552探管10～120m段测井曲线图

（3）图11为同一钻孔同一横向比例尺的上、下两段测井曲线。从图上可见：①在79m附近的有六米左右铁套管，组合探管采用恒流源供电测量的电阻率曲线（绿色）比某单位恒功率供电的曲线（红色）反映效果要好；②在低阻区，恒流供电与恒功率供电对三侧向测量曲线基本吻合；③随着地层电阻率增高，组合探管恒流供电比恒功率供电测量的电阻率曲线反映的地层界面更清晰。

11 重庆某地zk1钻孔恒流、恒功率供电三侧向测量对比图

5 结语

通过本次组合探管设计及试验发现：①三侧向测量，利用恒流供电，只要电路采用了低纹波电源、高精度的整流、滤波等线路，对低阻区电阻率测量也能达到较理想的效果，对高阻区电阻率测量效果更佳。②探管具有工作电流小、测量参数多、测量速度快（5cm采样，速度≤20m／min）、测量参数资料准确可靠且测井资料易于处理特点。随着国家探矿、地质勘察工作的深入，钻孔深度不断增加，为减少野外测井工作量，提高测井工作效率，我相信组合探管的研制成功，可大大增强它在相关领域的推广、应用。

［1］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）.

［2］宋延杰，陈科贵，王向公.地球物理测井［M］.北京：石油工业出版社.2011.

［3］仵杰，段雁超.侧向测井中的电流线绘制与应用研究［J］.石油仪器，2011，25（4）.

［4］杨晓丽，杜黎君，肖坤德.对电流聚焦电阻率测井仪器的分析［J］.石油仪器，2009，23（6）.

［5］李科，鲁保平，张家田.数字相敏检波器在测井仪器中的应用研究［J］.石油仪器，2011，25（1）.