水平孔多參數綜合測試儀器研發與應用

房 勇，錢 鋒，周 策，蔡網鎖

（1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 2.四川水發勘測設計研究有限公司， 四川 成都 610000）

0 引言

目前，國內外對水平孔和大斜度孔的測井施工主要采用隨鉆測井和鉆桿輸送濕接頭測井方法［1-4］，但是這兩種測井方法有其本身的缺點。隨鉆測井施工因都采用電磁波傳播的方法測量地層電阻率，這種方法適用于低阻砂泥巖地層，對于復雜巖性地層和電阻率高于200 Ω·m 砂泥巖地層無法測量。無線數據傳輸存在誤碼率高，孔內傳輸不穩定難題。鉆桿輸送濕接頭測井方法由于儀器裸露在鉆具的最底部，儀器下放的過程中無法加壓和旋轉鉆具，下井過程中容易造成儀器損壞和工程事故。

由四川省水利水電勘測設計研究院有限公司主持實施的引大濟岷工程［5］可行性研究階段勘查，為研究引大濟岷工程隧洞巖體特征、巖溶發育特征、地應力特征和地下水特征等，在瀘定取水中線方案的引水線路中布置水平鉆孔8 個，共計2300 m，采用鉆探取心和綜合測井方法，探索建立以水平鉆孔替代平硐勘查模式。

國內外相關儀器無法滿足水平孔綜合測試的要求，因此，中國地質科學院探礦工藝研究所研制了一套適用于水平鉆孔的多參數全方位無纜（存儲式）綜試儀器。

1 水平孔多參數綜合測試儀器原理

該儀器將地球物理測井技術與數據存儲技術相結合，多參數的物理測井方法與可視化的成像技術相結合，通過鉆桿將相關傳感器輸送到大斜度及水平孔內目的層，把地層內的相關物理參數及孔壁的真實影像視頻存儲記錄，再通過地面解析得出相關物理參數及鉆孔巖心三維立體圖，為相關工程建設提供準確的計算數據及技術支撐。

水平孔綜合測試儀器具體功能模塊包括：（1）井溫、自然伽馬、井斜/方位、壓力測量功能；（2）縱波波速測量；（3）全孔壁高清成像、錄像及鉆孔軌跡測量功能；（4）能夠持續工作60 h 以上續航功能；（5）鉆孔內數據存儲模塊；（6）地面檢測與深度測量系統；（7）數據采集及回放處理系統；（8）其他輔助材料，包括絕緣短節、導向錐、硬電極、鉆桿連接件等。

1.1 壓力采集

測壓單元的傳感器可采用應變式壓力傳感器或者擴散硅壓力傳感器，本儀器選用擴散硅壓力傳感器。擴散硅壓力傳感器是以單晶硅為基體，采用先進的離子注入工藝和微機械加工工藝，制成了具有惠斯頓電橋和精密力學結構的硅敏感元件。被測壓力通過壓力接口作用在硅敏感元件上，實現了所加壓力與輸出信號的線性轉換，經激光修調的厚膜電阻網絡補償了敏感元件的溫度性能，其性能更加穩定不易漂移。壓力傳感器輸出模擬信號進入A/D模數轉換數據采集。參見圖1。

圖1 壓力采集單元設計原理Fig.1 Design principle of pressure acquisition unit

1.2 溫度采集

測溫單元［6］采用精密鉑電阻作為測溫元件，鉑電阻是根據溫度不同引起電阻變化的原理制成的，而鉑這種金屬在一定的溫度變化范圍之內，電阻與溫度的線性關系好，準確度高，所以被廣泛用作測量0～500 ℃溫度的測溫元件。

在此設備中溫度傳感器采用一體封裝技術，內部封裝導熱材料，外部采用不銹鋼外管包裹，保證外界溫度能快速傳遞到感溫器件。這種封裝導熱性好、耐壓耐腐蝕性能突出，是目前最好的封裝方式。

電路中采用PT100 作為溫度傳感器。對鉑電阻的信號采集通過高精度雙運放、一個儀表放大器和一個壓頻轉換構成。參見圖2。

圖2 溫度采集單元設計原理Fig.2 Design principle of temperature acquisition unit

1.3 自然伽馬采集

自然伽馬采集單元［7］由閃爍探頭、分壓電路、脈沖整形、高壓電源電路構成。自然伽馬測井儀的閃爍探頭是一個密閉的暗盒，內有閃爍體、光導和光電倍增管3 個部件（見圖3）。當核輻射進入閃爍體時，閃爍體中的原子受激而產生熒光。利用光導和反射物質把大部分熒光光子收集到光電倍增管的光陰極上。光子在光陰極上打出光電子，光電子在光電倍增管內不斷倍增，最后形成電子束在陽極上產生電脈沖，此脈沖經過脈沖整形后送入處理器。

圖3 自然伽馬閃爍探頭Fig.3 Natural gamma scintillation probe

閃爍體是碘化銫晶體，它輸出脈沖的幅度與次級電子能量成正比。因此，閃爍計數器不僅可以測量射線強度，而且可以測量射線能量。主要電路如下原理設計（參見圖4）。

圖4 自然伽馬采集單元設計原理Fig.4 Design principle of gamma ray acquisition unit

1.4 聲波采集

主要測量井下巖層聲波傳播速度［8-9］。將一個受控聲波振源放入井中，聲源發出的聲波引起周圍質點的振動，在地層中產生體波即縱波和橫波，在井壁-鉆井液界面上產生誘導的界面波即偽瑞利波和斯通萊波。這些波作為地層信息的載體，被井下接收器接收，送至地面記錄下來，就是聲波測井。接收器、聲源統稱為聲系，根據聲系排列及尺寸的不同，聲波測井儀可分為補償測井儀（BHC）、長源距聲波測井儀（LSS）和陣列聲波測井儀。聲波在井內地層中傳播由于地層巖石成分、結構、孔隙中流體成分的變化其波的速度、幅度甚至頻率都會發生變化。只記錄聲波速度變化的稱為聲速測井（AC），而記錄聲幅度變化的則稱為聲幅測井。聲波速度測井中短源聲系僅記錄縱波（即首波）傳播時差，長源距聲系可記錄下縱波、橫波傳播時差（見圖5）。長源距聲波測井儀有兩個接收器（R1、R2）和兩個發射器（T1、T2）。測量是在兩個位置上進行的，在第一個位置時，發射器T1（或T2）發射、在頂部兩個接收器測量時差；當儀器提到兩個發射器和第一個位置時兩個接收器位置接近時，兩個發射器發射，R2（或R1）記錄。第一個位置記錄的結果由地面儀器存貯起來，等第二個位置記錄之后，由儀器自動計算并輸出經過井眼補償的聲波時差。

圖5 一發雙收聲波測試示意Fig.5 Test of one?shot and double?received sound waves

1.5 孔內電視原理

孔內電視原理見圖6［10-11］。

圖6 孔內電視主控硬件電路、程序及通訊模塊Fig.6 The main control hardware circuit, program and communication module of the TV in the hole

孔內電視選用OV5640 型500 萬像素的攝像頭，該系統級芯片（SOC）傳感器采用OmniVision 公司的1.4 μm 的OmniBSI?背面照度架構，以提供卓越的像素性能和最佳的一流的低光靈敏度，同時使8.5 mm×8.5 mm 超小型相機模塊設計，小于6 mm的Z 軸高度。

主控處理器選用DSP 微處理器，是以數字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0 或1 的數字信號，再對數字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實際環境格式。

模數轉換器選用AD5410/AD5420，這是一款低成本、高精度、完全集成的12/16 位轉換器，提供可編程電流源輸出，可滿足工業過程控制應用的要求。輸出電流范圍可編程為4～20 mA、0～20 mA或0～24 mA 的超范圍功能。輸出開路保護，可驅動IH 的電感負載。

存儲器選用鐵電隨機存儲器FM25L04，FM25L04 是采用先進的鐵電工藝制造的4K 位非易失性存儲器。鐵電隨機存儲器（FRAM）具有非易失性，并且可以像RAM 一樣快速讀寫，具有結構更簡單，系統可靠性更高等諸多優點。

數字溫度芯片選用帶數字溫度測量輸出的24位模/數（A/D）轉換器芯片（HX710A），HX710 采用了海芯科技集成電路專利技術，片內直接溫度測量和數字輸出（HX710A），（DVDD-AVDD）電壓差測量（HX710B），具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點，性能和可靠性俱佳。

孔內電視可獲得井孔內孔壁的真實影像視頻，通過專用軟件可獲得鉆孔巖心二維平面展開圖及鉆孔巖心三維立體圖，從而測量出任意全方位傾角的鉆孔結構產狀角度，為相關工程建設提供準確的計算數據及技術支撐。

1.6 地面深度系統

地面深度系統由深度傳感器、深度計量系統、深度采集系統組成。主要功能是對深度和時間等信息進行計量和存儲。

（1）光電編碼器是深度計量的傳感器，它安裝在絞車前面的導向輪上，在測井時導向輪帶動編碼器轉動，編碼器分別輸出A、B 兩路脈沖，此A、B 脈沖的相位互為90°。深度系統根據A、B 脈沖的相位和脈沖數來實現當前的深度值。

深度時間計量主要功能是計量存儲深度和時間信息，它主要由存儲器、主處理器、深度預處理、電源部分構成。

（2）存儲器主要存儲深度、時間和鋼絲拉力信息，它由一個NAND 型存儲器和一個鐵電存儲器構成，NAND 型存儲器主要存儲深度、時間和鋼絲拉力信息

（3）主處理器采用一顆美國意法半導體的STM2 系列單片機，它的數據處理速度快，有兩種“看門狗”，在受到干擾后能自動重啟并很快進入工作模式，保證數據的連續性。

（4）深度預處理主要是對深度輸入信號保護、濾波、整形。圖7中兩個非門用于信號整形，ZS1、ZS2對輸入信號具有保護功能，CS1、CS2對信號中的高頻尖刺濾波，保證信號的純正干凈。

圖7 深度預處理設計原理Fig.7 Design principle of deep preprocessing

（5）電源部分使用一個低壓差電源芯片，此芯片可以用后備電池供電，在設備停電后會自動切換到后備電源供電。

2 水平孔多參數綜合測試儀器構成

2.1 地面系統

地面系統主要由多種傳感器、傳感器接線盒、傳感器總線、下井儀總線和數據處理面板（機箱）組成，并與地面計算機和井下儀通訊。

系統可實現兩部分功能：深度數據采集、處理和井下儀器參數設置、數據讀取。

通過RS-232 總線與地面控制計算機連接，通訊速率9600 波特率，并提供深度等數據；為下井儀提供CAN 通訊接口，通訊速率1 Mbit/s，工作電源DC40 V±1 V，功率≮20 W。

存儲式鉆具輸送測井系統中的深度跟蹤就是地面儀器采集的井深數據始終要與井隊下鉆（下測）、起鉆（上測）、“等待”3 種基本狀態時井下儀器最下端的位置（鉆頭位置）保持一致。數據處理面板的深度跟蹤是通過測量輪上的深度傳感器記錄鉆桿移動的距離，完成深度數據采集、處理和井下儀器參數設置、數據讀取。

2.2 井下儀器

井下儀器主要包括：井斜方位+自然伽馬+井溫測井組合儀、數字聲速測井儀、孔內電視及緩沖短節。井下儀器組成如圖8 所示。

圖8 井下儀器組成Fig.8 Composition of downhole instruments

2.3 測試方案

針對水平孔和大斜度孔的測井難題，采用存儲式綜合測井技術方法。研制的水平孔多參數綜合測試儀器為鉆桿輸送存儲式測井儀器，儀器在鉆具的底部，鉆具可以將測井儀器直接輸送到井底，儀器下放的過程中可以加壓、旋轉鉆具和循環泥漿，測井過程中可以避免造成儀器損壞和工程事故。利用井下大容量的存儲器及電池供電，無需電纜，一次下井可完成井斜、方位、井溫、壓力、聲波、井下電視等測井項目［12-15］。

3 儀器研發實現

3.1 儀器主要技術指標

研制的水平孔多參數綜合測試儀器如圖9所示。

圖9 存儲式水平孔多參數綜合測井儀器探管Fig.9 Probe pipe of multi?parameter integrated logging instrument for storage horizontal hole

儀器主要技術指標：外徑45 mm，最高工作溫度125 ℃，最大承受壓力60 MPa，自然伽馬測量范圍0～1000 API，傾斜角范圍0～90°，方位角范圍0～360°，聲速時差Δt范圍105～650 μs/m，最高測速600 m/h，供電要求DC36 V/200 mA。

3.2 室內試驗

為了保證孔內電視測試的可靠性及精度，我們在室內進行了相關的測試。測試方法：將一根內徑為?70 mm 的亞克力管水平放置以模擬近水平鉆孔， 將深度計數輪固定于亞克力管前端，以記錄深度，在亞克力管兩邊放置兩臺激光方位儀，可模擬鉆孔巖層裂隙；將井下電視經過深度計數輪送入亞克力管內進行圖像數據采集，隨后通過計算機對采集數據進行分析、對比，獲取模擬鉆孔巖層裂隙的傾角及傾向。試驗數據見表1。

表1 室內試驗數據（部分）Table 1 Laboratory test data (part)

從試驗數據可以看出，傾角、傾向的誤差均在5°以內，滿足誤差要求。

4 野外生產試驗

4.1 鉆孔基本情況

在引大濟岷工程SPZK1～SPZK8 共8 個水平定向勘探孔中測試應用。以SPZK7 水平鉆孔為例，該孔位于寶興縣靈關鎮，在寶興河右岸，鉆孔設計孔深200 m。該孔于2022 年3 月25 日開鉆，4 月18 日完成設計孔深，終孔深度200.05 m。 鉆孔結構見表2。

表2 鉆孔結構Table 2 Borehole structure

4.2 測試情況

2022 年4 月25 日，對該孔進行了綜合物探測試，測試內容包括：井溫、井斜、方位、自然伽馬、聲波、水壓力及孔內電視。測試孔段0～191 m，?89 mm 套管深度49.2 m，?76 mm 裸孔深度為49.2～191 m。

現場操作：儀器在下井前必須要進行維護和相關設置。（1）檢查O 形密封圈是否破損，有問題及時更換；（2）鋰電池電壓是否充足；（3）安裝地面深度計量裝置，連接地面深度及記錄箱，確保數值的走向與鉆桿的起下一致；（4）連接井下儀器并下井，在井下儀器與孔口齊平時，及時與地面深度進行同步設置；（5）儀器的下放及上提，整個過程需盡量保證勻速，下放和上提速度≯3 m/min；（6）儀器上井后及時清洗，取下電池，數據回放。操作過程參見圖10。

圖10 儀器下井及儀器提出鉆孔Fig.10 Instrument drilling and instrument drilling

4.3 測試結果

本孔為定向測斜，終止深度200.05 m，孔斜度90.1°（初始角86.8°），方位角253.1°（初始方位角244.3°），水平距離177.02 m，垂直深度為6.97 m，鉆孔位置平面投影如圖11 所示。

圖11 鉆孔位置立體投影Fig.11 Stereoscopic projection of drilling position

放射性測井發現本孔地層巖體自然放射性照射率一般在109 API，全孔不存在高放射性異常。聲波測井表明鉆孔揭露地層聲波速度一般值為3.63～5.85 km/s；本孔最高地溫為14.8 ℃。

4.4 孔內電視測試對比

為了驗證孔內電視測試的準確性及精度，我們在同一鉆孔用有纜的孔內電視也進行了測試，對比情況如圖12 所示，產狀對比見表3。

表3 產狀對比數據Table 3 Comparative data of occurrence

圖12 孔內電視測試對比Fig.12 Comparison of TV test in hole

對比結果分析：

（1）根據圖12 分析可以看出，電纜實測展開圖與存儲實測展開圖的圖像基本一致，圖像形狀有些誤差是因為有纜儀器和存儲儀器取得展開點相差90°，在同一段深度有大概1 m 的誤差，這是由于兩次測井起始零點的誤差。

（2）由圖12 可以看出，存儲成像分辨率更高一些，層次感較強，圖像更加細膩，這是由于存儲測井圖像像素是無損存儲的，有纜的孔內電視受到電纜的影響，圖像在傳輸的時候會損失一些像素，導致圖像模糊一些。

（3）圖像顏色差距是因為補光燈光照的強度和補光燈燈珠色差影響，可改進燈光的色差來達到最佳的圖像效果。

（4）對同深度段的產狀測量結果進行對比，傾角、傾向的誤差均在5°以內，主要是由于儀器的扶正、孔徑的變化和后期產狀解釋引起的誤差。

5 結論

（1）水平孔多參數綜合測試儀器采用存儲器存儲孔內測試信息，通過鉆桿下放及上拉測量探管進行單、多點測量，然后進行地面回放，解決水平深孔裸眼測試中的安全和高效問題。研制的儀器具有操作簡單、一次測量點多、精度高、省時省力、抗干擾、抗衰減和抗畸變能力強、不易被卡埋、不需要昂貴笨重的絞車和電纜，大幅度提高深孔的測試安全、效率和質量，具有創新性。

（2）引大濟岷工程8 個水平定向勘探孔的測試表明，研制的水平孔多參數綜合測試儀及配套測試工藝技術方法，結構設計方案比較合理，測試結果準確可行。與水利水電行業勘查需求緊密結合，解決了長期困擾水利水電行業勘查水平鉆孔綜合測試的難題，其應用也可推廣至隧道、交通、高速公路、高鐵、礦山、新能源地熱、地質災害防治工程等領域。