铀矿探采多参数组合测井探管设计

孙海仁，管少斌，唐晓川

（1.核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002；2.中核集团铀资源地球物理勘查技术中心重点实验室，河北 石家庄 050002）

随着我国铀矿大基地建设战略的实施，铀矿勘查重点转向北方地浸砂岩型铀矿和深部500～1500 m 深度的“第二找矿空间”［1］。随之而来的是面对更为复杂的测井环境、测井条件和一次下井所需更长的时间，以及卡管塌孔的概率更大等。以往测井中测量参数大多是分离式，即所需参数需要多次下井测量才能取得［2］，虽将井温、测斜和定量γ 等部分参数进行了组合［3］，但基本都是之于以前煤田测井参数的组合，专门针对铀矿测井参数进行组合的探管较少。

国外三大测井服务公司和国内测井技术研发单位都在积极加强常规测井系列的集成研究，改进仪器传感器设计，优化机械设计和电子线路，大大缩短了组合探管长度［4］，使常规测井仪器向着多组合、小尺寸、高可靠、低成本的方向发展［5］，在提高测量准确度的同时降低了不确定度，最大限度地解决了一次下井完成所有常规测井资料采集的问题，提高了测井作业的时效［4］。而且就目前国内外测井技术发展的总体态势来看，测井设备高度集成化、轻型化也是现代测井技术发展的一种必然趋势［1］。

国内铀矿采冶过程中，测井任务主要包括裸孔测井，固井测井和成孔测井三个阶段，其中裸孔测井主要目的是确定矿段位置、品位及厚度，划分钻孔岩性，区分渗透性和非渗透性岩矿层以及钻孔的空间倾斜等。以国内某铀矿床采冶测井为例，裸孔测井就选择了井径、井斜、视电阻率或三侧向电阻率、自然电位和放射性γ 等6 个参数。

现有国内适用于铀矿采冶的测井探管不完全针对该领域的应用需求研发，探管种类繁多，产品针对性不强。以上海地学仪器研究所开发的铀矿采冶测井探管为例，将井温、井斜、放射性γ 三个参数组合成一根探管；将井径、三侧向电阻率和密度三个参数组合成一根探管；将自然电位、视电阻率两个参数组合成一根探管。但这种组合，一次铀矿采冶裸井测井，仍需要分别下三根探管，才能得到铀矿采冶裸孔测井所有参数。下井次数多，测井时效低，制约了钻探进度。

本文专门针对当前铀矿探采，特别是采冶过程中裸孔测井领域作为研究方向，旨在解决一次测井获取所有必要常规参数的难题［3］。利用已成型的测井技术理论，在最大程度满足铀矿采冶的基础上，对铀矿探采测井必要参数进行优化组合，同时考虑不同参数物理场影响因素，对采集参数的放置位置、硬件结构、电路结构等进行优化设计。成功研制了井径、井斜、井温、三侧向电阻率、自然电位等5 参数组合，定量γ 和密度参数作为单独短节，长度控制在3 m 以内的多参数组合探管，保证了一次测井，获取多达6 种铀矿探采必要参数，减少了小队测井工作强度和测井风险［6］，解决了不同探管记录不一致造成的回差［7］，控制了数据质量。从成本、安全和数据角度等考量，这项技术对于更好地发挥测井在铀矿勘查中的作用，具有十分重要的意义［8］。

1 可行性原则

1.1 适应性原则

我国北方可地浸砂岩型铀矿，砂质结构疏松，泥质结构丰富，且普遍采用151 mm 或215 mm 小孔径钻孔，如果探管过长，极易出现卡管等现象。同时探管过长，也不利于探管的安装、下放及上提等操作，存在一定的安全隐患。故多参数组合探管的设计，必须考虑到探管的长度不宜过长，便于测井操作。

笔者以现有测井技术原理为基础，对铀矿探采参数进行重新优化组合，改进探管硬件结构，优化电路布局布线以实现电路微型化，并且采用软件编程代替硬件电路的方法来减少元器件数量［9］，以减小整体架构体积和长度，将组合探管长度控制在3 m 以内。

1.2 抗干扰原则

多种参数组合探管，主要需要解决的是各参数间的相互影响，特别是电磁信号的影响，导致的测井数据的不准确。故在设计时，必须考虑并解决耦合干扰影响问题，使各个测量参数，满足测井规范要求［10］。

1.3 自动识别原则

为提高测井时效，还必须考虑自动化方面的设计，如探管各参数的软件自识别等。

2 组合探管参数优选方法

根据铀矿钻孔特点和成井要求，对铀矿测井所需采集参数进行优化组合，优选应用效果较好的参数［11］，同时考虑到铀矿采冶测量需求，最终确定7 种测井参数，分别为定量γ、密度、自然电位、井径、井斜、电阻率、井温等。其中将自然电位、井径、井斜、电阻率、井温等5 个参数作为常规组合探管，将定量γ 和密度参数作为单独短节，可根据需求自由串联到组合探管上使用。此种设计方案，能最大限度地提高电路集成度、缩短探管长度、确保各种参数测量过程中互不干扰［8］。

3 组合探管组合结构设计

实际设计中，由于连接接头过多，防水密封处理浪费了大量的探管长度。单独短节拆分过细，比如自然电位和井温主要结构件是传感器，电路部分较少，如果再单独加主控和通讯系统，整体结构设计过于冗余，而且工作效率还低（通讯及通讯切换占用较多的时间），因此设计中应该合理搭配功能，划分结构。

电路方案设计时，采用分离独立模块方案。分离独立模块设计相比紧凑整合方案，测量效率更低，设计冗余重复器件更多，但通用性高，可以灵活组合搭配，方便后期扩展和组合。

由于要求组合探管长度不超过3 m，又需要放置电阻率电极和测斜及井径等占用长度较多的结构部分，所以摒弃外部短节细分的方案。综合考虑采用整体探管结构，内部电路进行细分模块的方案，整只仪器模块细分为3 组模块：三侧向电阻率模块，自然电位测斜模块和井径井温模块；再外搭密度或定量γ（长短源距）短节。组合探管电路结构和设计如图1。

图1 多参数常规组合探管结构示意图Fig.1 Structural diagram of multi parameter conventional combined probe pipe

3.1 三侧向电阻率模块

位于最上端，借用电缆接头做屏蔽电极，压缩探管长度的同时达到屏蔽电极长度要求，屏蔽电极能够聚焦发射电流，增大有效测量半径，使实测结果更接近岩层真实电阻率，分层效果更明显［6］。电阻率部分的激励电源放第一级，也避免功率走线过长，引起电流噪声干扰其他测量电路。井温测量头PT1000 外壳需要电流屏蔽，不宜与三侧向电极放在一起，因为三侧向激励供电时，激励电压的换向和抖动会对热电阻的小电流弱信号造成干扰。故井温不放在这一级。

3.2 自然电位测斜模块

位于第二级，自然电位电极最佳位置在组合管的底部，避免长探管的金属外壳破坏地层中的自然电位原始状态［8］。但底部需要加密度短节，所以放在中间，再在电极两端加接绝缘管，以达到较好的测量效果。两侧空出来位置用来放置线路板和测斜传感器，这个短节可以单独拿出来标定。要求至少传感器外管用铜管或无磁不锈钢管，在两侧整体套碳纤维绝缘管，测斜传感器在整支探管的中部。

3.3 井径井温模块

位于第三级，井温探头安装在结构接头上，由于靠近测斜磁方位传感器，所以这个接头使用铜连接头，线路板安装在这个铜接头上，井温和井径刚好共用一个AD 转换芯片，井径电机控制在这部分线路板上。往下依次是井径结构和井径臂位置，减少探管长度占用。井径测量臂同时用来作为下挂的密度短节推靠臂使用，保证密度短节的有效贴壁。尾部下接头使用4 芯孔座，兼容FD-3019 接口，方便对接FD-3019 或密度短节。

3.4 密度（长短源距）短节

使用同FD-3019 探管的24V 供电，独立采集长短源距数据，通过同FD-3019 的3 芯连接方案与井温井径模块预留的接口连接，再通过第三级将数据挂接到主仪器上，保证了两个短节的可互换通用性。同时工作测量时，井径臂的支撑能够保证密度短节的有效贴壁。

4 组合探管外形结构设计

组合探管的外形及结构加工，主要分由四部分组成，第一部分为三侧向电阻率部分，第二部分为自然电位和测斜部分，第三部分为井温及井径部分，第四部分为密度短节（可换接FD-3019 定量γ 短节），如图2 所示。

图2 多参数组合探管结构全图Fig.2 Full structural drawing of multi parameter combined probe pipe

整支探管分组合探管和密度短节部分。其中组合探管部分包含三侧向电阻率、自然电位、井斜（方位）、井温、井径等5 个测井参数，组合探管的外径为Φ50 mm，长度为2.8 m。其中三侧向电阻率屏蔽电极长度0.6 m，三侧向测量电极尺寸为Φ50 mm×0.06 m，使用不锈钢电极；自然电位测量电极尺寸为Φ50 mm×0.02 m，使用铅电极，两侧绝缘套管长度0.5 m，使用碳纤维绝缘管；测斜传感器在自然电位测量电极的下方，位于组合探管的中心点位置；温度传感器为PT1000热电阻传感器，测温范围-20～150 ℃，采用侧面凹槽结构安装，使用铜无磁性材料；井径靠臂为圆杆内藏结构，收紧时内藏在探管结构中，井径靠臂长度0.25 m，顶端装可替换耐磨合金材料；尾部为四芯连接头，方便连接FD-3019定量伽马探管或定制密度短节，密度短节长度0.85 m，内置长短源距探测器，底部预留源室挂载位置。

三侧向电阻率电路部分为单独测量模块，除三侧向电路外，结构内还安装系统电源模块和总通信模块线路板，如图3。

图3 多参数组合探管三侧向电阻率模块示意图Fig.3 Three lateral resistivity module diagram of multi parameter combined probe pipe

自然电位及测斜部分为单独测量模块，内安装测斜和自然电位测量电路线路板和测斜及方位传感器结构，外部为铅环电极和两侧的碳纤维绝缘管（图4）。

图4 多参数组合探管自然电位及测斜模块示意图Fig.4 Natural potential and inclinometer measurement module of multi parameter combined probe pipe

井温和井径部分为单独测量模块，连接测斜结构部分使用无磁铜（钛）材料，温度传感器安装在测开窗凹槽中；线路板和开闭电机及结构安装在井臂的上部，井臂下部为井径臂收纳舱，尾部为短节挂接头，如图5。

图5 多参数组合探管井温、井径模块示意图Fig.5 Module of well temperature and diameter measurement in multi parameter combined probe pipe

5 组合探管电路设计

在硬件电路的设计中，以高性能的MCU 芯片为核心［12］，用软件编程代替了部分硬件电路的功能，简化了硬件电路，节约了空间，实现了探管体积小型化的目标［3］。多参数组合探管硬件电路由5 部分模块电路组成：系统供电和通信主控模块、三侧向测量模块、自然电位和测斜测量模块、井温和井径测量模块、密度测井短节。其中前4 部分为一体的组合探管，最后一个是独立的短节。可以挂接在组合探管的尾部，但不能与定量伽马探管同时挂接。

选择Silab 生产的C8051F201 单片机作为主控芯片，其内部集成多路模数转换单元、数模转换单元、I2C、RS232、SPI、电压比较、定时计数器等满足设计需要的处理单元。通过配置相关寄存器，可实现IO 管脚功能重新定义使设计灵活方便。通过软件编程的方式提高微处理器的利用率从而代替以往大量的外围硬件电路设计，减小电路板布局节省空间［13］，系统框架图如图6所示。

图6 多参数组合探管系统框架图Fig.6 System framework of multi parameter combined probe pipe

5.1 系统供电和通信主控模块

系统供电和通信主控模块主要包含供电电压输出电路和通信电路（图7）。供电开关电源电路将上位机提供的DC200 V电压转换成隔离+24V和-14V 和非隔离+12V 和-12V 等4 组电压，再通过LDO 滤波稳压给系统供电。其中非隔离电源用于曼码传输部分供电，隔离部分给探管内部系统供电。使用光耦合隔离，保证组合探管为一个独立的供电系统，不受地面电源影响。通信电路包含两部分：曼码传输电路和RS485 总线电路。通信主控通过曼码传输电路完成与上位机的命令解析和数据发送，在获取上位机的命令后按照协议通过RS485 总线分发指令和轮询测井数据，再将数据打包组合上传至上位机，通过上位机解析还原再关联对应深度数值传送至计算机软件来绘制曲线和记录数据。

图7 系统供电和通信主控模块电路实物图Fig.7 Physical circuit of system power supply and communication main control module

5.2 自然电位和测斜测量模块

自然电位和测斜测量模块包含自然电位和测斜等三个测量参数（图8、9）。自然电位是把地面来的N电极电平信号和测量点的SP电极电平信号进行差分放大，然后送入A/D转换器转换，从而测量两点之间的电位差。测斜部分采用重力加速度传感器测量钻孔顶角。采用巨磁效应磁阻传感器测量大地磁场及钻孔方向的磁矢量。通过高精度数字转换及处理，计算出钻孔的顶角和倾斜方位角。其中自然电位共用顶角ADC转换器件。

图8 测斜采集电路模块实物图Fig.8 Photo of inclinometer acquisition circuit module

图9 顶角及方位传感器电路模块实物图Fig.9 Photo of apex and azimuth module

5.3 三侧向电阻率测量电路

三侧向测量模块主要包含三侧向供电电路和三侧向测量电路（图10、11）。将地面的DC200V供电通过开关电路转换成恒流/恒压供电，再通过可控H 桥电路产生64 Hz 的激励供电，为了提高三侧向电法测井的动态范围，在低阻抗时使用恒流供电，在高阻抗时使用恒压供电，来兼顾低阻时的分辨率和高阻的范围。再将测量电极A0 的电压和电流数据通过测量电路放大量化，从而计算出三侧向电阻率成果值。

图11 三侧向测量电极采集模块电路实物图Fig.11 Photo of circuit module for three side measuring electrode acquisition

5.4 井温和井径测量模块

井温和井径测量模块包含井温和井径两个测量参数（图12、13、14）。井温使用PT1000 热电阻传感器，通过带恒流专用ADC，直接量化温度数据，通过刻度标定转换算成实际温度值。井径通过电机驱动靠臂放大最大臂位置，借助弹簧拉力使井径臂紧贴井壁，井壁开合角度变化推动轴向的位移传感器，通过检测位移传感器的阻值变化来换算井径值，同时靠臂也用作密度测量时的腿靠臂。两路模拟信号共用一组ADC 转换器。

图12 井温温度传感器实物图Fig.12 Photo of well temperature sensor

图13 井径臂及可换耐磨头实物图Fig.13 Photo of well diameter arm and replaceable wear-resistant head

图14 井径电机及位移检测、限位结构实物图Fig.14 Photo of shaft diameter motor，displacement detection and limit structure

5.5 密度测量电路

密度测井短节是一个独立的测井短节，使用四芯航空插头挂接在组合探管的尾部，它与定量伽马探管选一个连接或者不连接。密度测井短节内部有长源距和短源距两个伽马探测器，使用不同规格NaI（TI）晶体和光电倍增管组成伽马探测器。带有屏蔽铅层，贴壁侧允许伽马射线射入，底部带有源室挂接头（图15）。DC/DC 变换电路把系统24V 直流电变换为伽马射线探测所需的高压电源。上下两个源距的伽马射线探测器检测到的信号经放大甄别成形后由CPU 计数，再将计数率数值换算成密度成果值。

图15 密度高压模块电路实物图Fig.15 Photo of circuit module for density high voltage

6 软件通讯方案及协议设计

本探管为多参数组合的数字测井探管，探管内部按功能划分为5 个独立测量单元和一个主控通信单元。独立测量模块独立工作，按照采样间隔将测量数据数字化后存储在内部的缓存缓冲区内；主控通信模块按照定义的测量参数来查询独立测量模块，来读取各个测量模块的测量成果数据，再按照定义的参数顺序将所有的测量数据组合打包成数据帧传输到地面，探管内部通信拓扑框图见图16。

图16 探管内部通信拓扑框图Fig.16 Topology block diagram of probe internal communication

为提高内部各模块通信可靠性和扩展性，探管内部模块之间使用RS485 总线连接，使用差分电压信号传输，抗干扰性和EMC 较好，总线收发灵敏度高。而且方便扩展，最多可扩展32 个通信节点。通信传输采用半双工方式，由主控通信单元模块作为控制端，按照测量项目来轮询对应的独立测量模块，独立测量模块仅在主控单元查询时与主控单元握手通信。当某一测量模块通信异常时，内部程序设计该模块挂起不应答，直到模块恢复正常，主控模块在询问独立测量模块无应答等待超过内部超时设置时，判定该模块为异常，填充数据为异常报警代码，继续访问其他独立测量模块。从而保证某一独立测量模块异常时不影响其他正常工作的独立测量模块的数据传输。总线传输速率为38 400 bps，使用改进modbus 协议握手传输［14］。

Modbus 是一种串行通信协议，是Modicon公司（现在的施耐德电气Schneider Electric）于1979 年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。Modbus 已经成为工业领域通信协议的业界标准（De facto），并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式［15］。此处我们只是借用此协议框架，精简内部的指令和格式，方便灵活使用。

协议常量定义：

主机代码：0x0A

测量模块代码：三侧向测量模块代码（0x11）、自电测斜测量模块代码（0x33）、井温井径测量模块代码（0x55）

功能码：写参数（0x06）、读数据（0x03）

校验码：CRC16 校验码。

例：三侧向供电。

主机命令：0x0A 0x11 0x06 0x01 0x0A 0xAB 0xD8

模块应答：0x0A 0x11 0x06 0x01 0x0A 0xAB 0xD8

井温井径数据读取：

主机命令：0x0A 0x55 0x03 0x04 0xDF 0x12

模块应答：0x0A 0x55 0x03 0x04 0xXX 0xXX 0xXX 0xXX 0xXX 0xXX

组合探管与上位机通信是长电缆传输，传输线路长，电缆容感参数复杂，容易受到外部干扰，这里采用改良曼码传输。改良曼码使用双极性差分信号传输码元信息，使用固定的时钟频率同步探管和上位机，传输信号使用正负脉冲电平来保证传输线路平衡。

7 物理场耦合试验测试

为进一步分析多参数耦合影响，笔者利用上海地学仪器原有各独立试验参数短节或组合探管本身可拆解短节，在室内实验室开展比对测试，测试每个单独短节参数指标与全参数组合后试验探管参数指标，以测试数据验证组合方案的可行性。本次试验测试的参数包括井温、井径、三侧向电阻率、自然电位、测斜参数等5 个参数。

7.1 井温参数

使用水温装置和温度计测试探管井温修正系数，比较单独短节时测试数据与全参数组合时测试数据，比对数据如表1 所示。

表1 温度单独短节和全参数组合时测试数据对比Table 1 Temperature data comparison of single nipple and full parameter combination

7.2 井径参数

井径刻度器采用高强度钨钢或钛合金制作井径规，井径规直径范围为60～500 mm，允许误差为±1 mm，单独短节时测试数据与全参数组合时测试数据比对如表2 所示。

表2 井径单独短节和全参数组合时测试数据对比Table 2 Well diameter data comparison of single nipple and full parameter combination

7.3 三侧向电阻率和自然电位参数

刻度器选择多档位可调电阻率和自然电位刻度器，电阻率测量范围为（0～2×105）Ω·m，自然电位测量范围通常为±500 mV。比较单独短节时测试数据与全参数组合时测试数据，比对数据如表3、4所示。

从以上单独短节测试数据与全参数组合测试数据比对结果可以看出，多参数组合后各参数性能仍然能满足相关技术要求，组合方式可行。

8 结论

多参数组合探管克服了多参数集成信号耦合抗干扰技术［17］、探管结构小型化技术和多参数数据收录同步技术等关键技术，解决了多参数集成信号耦合干扰问题，同时将组合探管长度控制在2.8 m，适应了铀矿勘查测井需求。同时多参数组合探管设计时采用分离独立模块方案，分离独立模块设计功能模块专一，通用性高，可以灵活组合搭配，提供了可扩展支持，提高了设计的合理性，方便了后期扩展和组合应用。

致谢：设计研究和实验过程中，得到了上海地学仪器研究所、核工业北京地质研究院、中核内蒙古矿业有限公司等单位领导和专家的支持、指导和帮助，在此表示衷心的感谢。