智能激发极化测井仪器研制

李俊

摘  要：激发极化法在地面地球物理勘探中的应用已经有超过了50年的历史。在勘探深度较浅，地下水位比较高的情况下，可以取得较好的勘探效果。但很少在地质钻孔中应用激发极化法。其原因是激发极化测量需要较高的体积激发电流密度和复杂的供电、测量程序。受到钻孔直径限制和电子测量技术的限制，过去要制造能供出大功率电流、实现复杂供电和测量功能的井下仪器非常困难。随着勘探深度不断增加，地面激发极化勘探方法已很少采用。井中激发极化测量工程需求却在变大。这就需要研制一种智能化、可靠性高、适用行业广泛的激发极化测井仪器。该文在新仪器开发过程中，研究设计了一套自适应变流激发供电的技术，可以实现对地层的大密度供电，激发出合适的极化电位，得到高置信度的测量信号。仪器采用智能化程控供电、测量和信号处理方式。仪器可以同时进行多种参数采集测量，具有功能强、效果好、工作效率高以及适用面广泛等特点。

关键词：智能化;激发极化;测井仪器;变流技术

中图分类号：P631.8 文献标志码：A

0 引言

为了能正确评价含金属或多金属成分的地层或矿层，就需要采用激发极化测量方法。激发极化要向地层供入极性交变的激发电流，供电激发和自然形成的极化极性一致时，是会增强可观测的总效应，当供电和自然极化极性方向相反，会减弱可观测的总效应。这2种情况下的测量结果之差消除了包括自然极化和其他因素构成的自然电位部分。用这样获得的激发极化电位参数来评价地层中金属或多金属物具有较高的相关性[1]。

激发供电方法是设计激发极化测井仪器首先要解决的问题。要求能产生合适的激发供电电流，能自动根据地层不同、井液电导率不同和井径大小不同等情况，自适应地供出足够大的、合适的激发电流。此外，要求井下激发极化仪对激发极化电位的测量要和供电保持严格同步，测量的信号要实时处理计算得到可以实际应用的成果数据。为了提高整个钻孔的物探工作效率，用户还会希望仪器一次下井可同时测得多种参数，这些都是仪器设计的难点。

1 仪器激发供电部分设计的思路和原理

JJH-1（2）极化率测井仪开发设计分成为2个阶段。前期是解决激发供电问题，这是个基本问题，也是最重要的问题和最不容易解决的问题。

受测井电缆总阻抗限制，我们不可能直接由地面设备通过测井电缆给地层供出大的激发电流。所以激发供电必须在井下仪器中解决。

受钻孔直径限制，测井仪器体积也不能大。体积小，仪器的元器件就集中在一起发热。发热量大是导致仪器可靠性降低的主要原因。所以还要求把仪器自身功耗降低，提高总的用电效率，确保发热最小[2]。

通过实验和不断改进，最后确定了JJH-1（2）极化率测井仪井下激发供电的方案。这套供电方案是一种特殊的变流装置。方案是由地面提供高压直流给井下仪器，井下仪器的变流装置把输入的高压、小电流直流电转换成低压大电流，再经程控换向开关转换为交变电流供给地层。地面供给井下直流电的好处是，直流电不会像交流电那样通过电缆缆芯间的电容耦合到数据缆芯上干扰测量和通信的数据。采用高压供电的好处是当供电功率一定时，线缆上的电流较小，线缆上的功率损耗会最低。

井下变流装置采用脉宽调制（PWM）技术进行直流-直流转换。地面供来的高压、小电流直流电通过大功率MOS开关管和控制电路，以脉宽调制方式转变成低压大电流直流电。脉宽调制技术的转换器件工作在开关状态，所以这部分的線性损耗最小，大大减少了装置自身的发热量。使得整个变流转换装置的体积很小，具有损耗低，效率高的特点[3]。

采用脉宽调制技术能带来另一个好处，这就是很容易实现智能化数字控制。除了具有体积小、发热少，可靠性高的要求以外，一个更为关键的要求是对地层激发供电的电流，可以由软件程序控制和调节。这样才能保证仪器可适用于不同直径的钻孔，保证能适用不同类型的地层，保证能适用不同导电率的井液。当实际外部条件不同时，新设计的仪器内部单片机和软件会自动控制调整激发供电强度。其基本原理是，单片机根据测得的极化信号大小作为反馈信号，随时自动调节激发供电电流的大小。这样既能保证极化信号测量状态是最佳的，又保证了不产生过剩功率，不会引起仪器自身额外的功耗增加。JJH-1（2）极化率测井仪的激发供电方案是一套智能化、自适应的较为先进的方法。实践证明这种设计有显著的优越性。图1是JJH-1（2）极化率测井仪激发供电方案的原理图。

2 仪器激发极化参数测量原理

JJH-1（2）极化率测井仪设计开发的后期阶段主要是解决测量和信号处理问题和仪器机械结构件问题、高压防水设计、电极材料选型以及野外试验等问题。

因为JJH-1（2）极化率测井仪中采用了单片机和软件，极化电位的测量原理就相对简单。极化电位的观测要和供电严格同步。在地面激发极化仪器中实现同步很麻烦，因为地面激发极化的供电装置是不移动的，测量电极是频繁移动的。供电设备和测量设备会相距较远，两者的电极是不共线的，要使测量和供电同步就要通过其他手段或装置。为了方便，过去一般是采用自同步方式的，测量先检测到一次场，根据一次场信号来同步二次场的采样时刻。在一次场信号较小时，同步时间测量时间是不精确的。在JJH-1（2）激发极化测井仪中供电和测量电极都是相对固定的。由于供电和测量都是由单片机控制，同步就很容易也可以做到非常准确。为了在测量极化信号时去除自然电位信号，除了增大激发电流外，供电还采用分时双极性方式进行，这就要求测量程序和供电程序完全严格同步和跟随换向[4]。

在设计JJH-1（2）极化率测井仪时，考虑到为提高整个钻孔测量的效率、增强仪器适用性能，在测量视极化率的同时还能测量视电阻率和自然电位等信号。这样一次下井测量就可以同时测得6个参数。所以JJH-1（2）极化率测井仪的测量工作效率较高。图2是JJH-1（2）极化率测井仪的视极化率和视电阻率测量的原理图。

仪器采用电位电极系。为了兼顾在国外引用，设计了0.4 m（16英寸）和1.6 m （64英寸）2种极距。各测量放大器由仪器中的单片机控制，量程和增益是由单片机内置软件实时调整的。测量的视极化率信号经过单片机计算和处理后，再进行基带波形编码调制，由长线驱动器传输到地面记录。仪器中的单片机还根据测量的极化率信号质量情况，自适应调整激发电流大小。由于取得最佳测量信号质量是最终目标，以测量信号来调整激励电流就可以综合克服孔径大小、井液导电率不同、地层不同等各种影响因素，保证取得的资料是最佳的。在一般情况下JJH-1（2）极化率测井仪总是可以得到较好的测井质量，测井资料的质量几乎和操作人员的能力差别无关、不会受人为因素会影响，这种设计思想是较为先进的。

3 JJH-1（2）极化率测井仪和国外同类仪器技术对比

固体矿藏测井设备生产商RG、蒙特和ALT等几家国外厂商也生产极化率测井仪器。ALT的测量记录的成果曲线除了有不同电极距的曲线，还有不同电极距不同延时的几条曲线。在线性极化范围内，不同延时的极化率曲线完全是一致的，但幅度不同。按延时衰减，衰减规律是二次场的指数衰减规律。国外仪器把这种幅度衰减调制成假彩色的色温图，作为测井资料的图像方式记录。

JJH-1（2）极化率测井仪设计和国外是同期进行的。输出的成果数据没有采用国外公司的彩色色温图像记录方式。这主要考虑到二次场的指数衰减规律是确定的，不同时间的衰减率数学上已经是确定的，记录用这种衰减率形成的曲线或假彩色图像并不会增加信息量。另外，考虑到国内测井工作量很大、钻孔很深，现场需要尽可能提高测井效率。为了尽量减少无信息量的数据，加快有用数据的处理、传输和记录，做到尽可能满足有关的测井规范要求，JJH-1（2）极化率测井仪测量和记录的参数是2种极距（电位电极系）的视电阻率ρ16、ρ64和两种极距的视极化η16、η64，还有自然电位和充电率等6個。

4 仪器使用情况和效益

JJH-1（2）极化率测井仪研制完成后在各地进行了实验性应用。实验应用取得了较好的效果。过去在金属和多金属钻孔的地球物理勘探工作中，主要视电阻率、磁化率、磁三分量等参数进行测井。对于非磁性的、和弱磁性的多金属矿层，一些参数的反映并不很明显。虽然视电阻率有明显反映，但不能反映其中的金属矿物类型。JJH-1（2）极化率测井仪很适合在金属和多金属矿的钻孔中测量。其视电阻率和极化率在矿层的反应相互映照，异常非常显著。图3是在西北某地磁铁矿钻孔中实测的资料。图中可见在深度150 m以下的近90 m深度地层上，视电阻率呈现低阻，极化率呈现较高的值。取芯资料表明这个磁铁矿层有多金属伴生和岩脉穿插。整体看该井段的视电阻率值都低，不能反映有多金属共生和岩脉穿插的实际情况。在视极化率曲线上就可以看到磁铁矿层不是均匀体，有多个小视极化率异常在其中，它们和穿插岩脉是对应的。视极化率总体比较高，这是伴生有色金属的化学性质活泼和极化电位较高造成的。充电率是用和视极化率相关的参数计算的结果，所以充电率的反映和视极化率曲线是一致的。

5 结论

随着浅层地球物理勘探逐渐转到深部地球物理勘探，地面激发极化勘探方法的工作量就在不断减少。一方面因为地面激发极化仪器勘探深度有限，另一方面是钻探技术不断进步，钻探成本不断降低，钻探已经成为非常实用的勘探手段。激发极化方法和仪器普遍应用于钻孔中。JJH-1（2）极化率测井仪就是为了适应实际勘探深度不断加深，钻孔勘探手段不断增强而开发出来的一套专业仪器设备。设计JJH-1（2）极化率测井仪的过程是一个不断实验、改进、不断设想、创新的过程。在设计中尽可能地将最新的电子技术应用到仪器中去，在设计中运用单片机和软件编程技术实现了一些可行的、实用的人工智能。JJH-1（2）极化率测井仪的研制设计的思想是比较有新意的，设计中解决了把地面激发仪器功能实现到孔中激发极化仪器中的难度问题，在整个业界的钻孔地球物理仪器设计中是第一次采用PWM技术和一系列的能自适应功能，大大增强了仪器的性能和适用性。

参考文献

[1]程志平.电法勘探教程[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[2]蔡柏林 .金属矿钻孔地球物理勘探[M].北京：地质出版社， 1986.

[3]潘和平.井中激发极化法在矿产资源勘探中的作用[J].物探与化探， 2013，37（4）：620-625.

[4]赵淑琴，李科，胡育强.一种高效的PWM开关电源控制新技术[J].现代电自技术，2007（18）：169-172.