一种适用于山区测井的数字化测井仪——HD-4002A轻型综合测井仪

徐传国， 焦仓文， 陆士立， 马艳芳， 袁 明， 乔宝强

(核工业北京地质研究院， 北京 100029)



一种适用于山区测井的数字化测井仪
——HD-4002A轻型综合测井仪

徐传国， 焦仓文， 陆士立， 马艳芳， 袁 明， 乔宝强

(核工业北京地质研究院， 北京 100029)

HD-4002A轻型综合测井仪基于FSK微处理器并选用PW3磁芯材料设计出FSK模块，解决了在单芯电缆上同时供电与信号传输的技术难题，从而将井上设备与井下设备连接的四芯电缆改为单芯电缆，实现了整个测井仪轻型化的目的。基于三轴加速度计和三轴磁强计获取传感器信号，采用结构调整结合9位置标定法，将通过标定计算获取的修正系数植入探管内置程序中，实现在小口径钻孔中高精度数字测斜的目的。选用能量分辨率更高、测量范围更宽的锗酸铋(BGO)晶体替代传统的碘化钠(NaI)晶体作为探测器，设计采用双CPU电路结构，同时以内置Ba-133源作为稳谱基准源，通过程序软件自动稳谱，实现在小口径钻孔中连续伽玛能谱测井的目的。

铀矿勘查； 轻型测井仪； FSK模块； 数字测斜； γ能谱测井

随着我国核电产业的蓬勃发展，铀资源的需求进一步加大。自2005年开始，国家开始大力布局南方热液型铀矿的勘查工作，相应测井工作任务大幅增加。当前国内生产的综合测井仪普遍采用直径5 mm 的4芯铠装电缆，1 km电缆的电动绞车总重达250 kg以上，只能安装在测井车上，人工移动困难，无法在南方山区使用。因此，在我国南方山区铀矿勘查中仍使用20世纪50年代沿用下来的手摇绞车测井，不能连续测量，只能每隔1 m进行定点测量，遇到有铀异常时加密到10 cm点距测量，测井速度极慢。而且，测点深度需要数电缆上的深度标记，容易出错，测井工作劳动强度大，工作效率低。为了提高测井工作效率，减轻测井工作劳动强度，满足日益增长的南方山区测井需求，我们在HD-4002四芯车载综合测井仪的基础上，研制出了适应南方山区的HD-4002A轻型综合测井系统。

1 功能与特点

HD-4002A轻型综合测井系统设计主要针对南方热液型铀矿的勘查工作，也可用于其它地区铀矿勘查及其它矿产资源(如煤矿等)的地质勘查。系统由地面控制台、电脑及数据采集软件、单芯电缆绞车及基本的井下测量仪器组成，可以测量孔径小至60 mm、深度达2 km的钻孔中的γ总量、γ能谱、顶角、方位角、井径、视电阻率和自然电位等参数。系统配备基于Windows的数据采集与控制系统，采用单芯电缆传输，同时开发了多参数组合探管，故系统具备轻便(1 km绞车仅重不到100 kg)和多参数同时测量等特点。

HD-4002A轻型综合测井仪既可安装在测井车上，也可人工移动到各种复杂地形地区开展测井工作。

2 性能指标

系统工作常规性能指标：

工作电源：220 V/50 Hz；工作温度：0～75 ℃；探管耐压：25 MPa；最小测量孔径：60 mm；最大测井深度：2 km。

各探管测量参数技术指标见表1，主机及探管外形尺寸见表2。

表1 各探管测量参数技术指标

表2 主机及探管外形尺寸

3 地面控制台

地面控制台是整个系统的核心。它采用双CPU结构设计，控制协调PC机、绞车以及井下仪器工作，并设计有自检和标定功能模块[1]。地面控制台通过FSK(Frequency Shift Keying)方式与井下仪器进行数据通讯，并为其提供电源。设计的90 V开关电源，用于为井下探管供电，12 V电源为光电脉冲发生器供电。地面控制台与PC机通过USB接口实现高速数据交换，即插即用。其功能模块见图1。

HD-4002A轻型综合测井仪地面控制台对绞车的控制、深度与速度信号的采集处理及与PC机之间的数据交换部分基本与HD-4002车载综合测井仪相同[2]。最大的变化在于为了降低整个系统的重量而采用单芯电缆实现井上与井下的连接，这需要在同一根缆芯上同时完成电源和信号的可靠传输。经过反复试验和论证，

图1 地面控制台功能模块图Fig.1 The function module diagram of ground console

我们采用FSK半双工通信技术，利用变压器将信号耦合到单芯铠装电缆，并获得成功。

地面控制台和每种探管中都设计有FSK模块(图2)。FSK微处理器是FSK模块的核心，其基本功能是利用微处理器的串口0以FSK方式实现井下探管与地面操作台的半双工通讯，其余资源诸如串口1、中断#INTT0、定时器0、定时器2以及端口1用于不同型号探管接口，不同型号探管利用的资源不尽相同。

图2 FSK模块功能方块图Fig.2 Function block diagram of FSK module

在FSK模块设计中磁芯材料的选择很重要。磁芯有选频特性，如果磁芯选择不恰当，则容易造成对传输信号频率产生选择性，从而导致高频、低频信号幅度衰减很大，在FSK接收端容易造成误码。本设计选用PW3材料磁芯，其适用频率为100～300 kHz，具体选用器件为TDK公司的EPC44，其变压器变比为1∶1。

4 控制及采集软件

控制及数据采集软件HDSLog是基于Windows平台开发的[3]，具有Windows操作系统的界面友好、操作方便、所见即所得的特点，与地面控制台通过即插即用的USB接口实现高速数据交换，探管选择、深度预置、采集启停、密度探管井径臂的张开或收拢等指令都可以通过HDSLog界面操作来完成。HDSLog采用多线程编程技术实现高速、实时存储并动态显示测井曲线。引入ACCESS数据库管理测井信息，采用Winsock编程技术，实现多管道显示及多种数据格式存储，可以适应后续解释处理软件对数据格式的不同要求。

5 绞车系统

绞车重量在测井系统中占很高的比重，直接决定了整个测井系统的便携性。本绞车采用单芯铠装电缆，重量较轻，不带电缆重量仅55 kg(单芯铠装电缆重量40 kg/km)；设计有自动排缆、机械自锁(电制动)和手动刹车功能；采用变频调速控制，绞车运行平稳；最大测井深度2 km，电缆连接器拉断强度达140 kg。

6 井下测量系统

6.1 γ总量探管

G401γ总量探管主要由闪烁探测器、信号放大、成型、甄别、计数电路、数据传输电路、高压电源、低压电源等部分组成。G401γ总量探管的探测器、测量电路及探管机械结构与G404γ总量探管相同，数据传输部分采用了全新的FSK方式实现与地面操作台的半双工通讯。在探管电路中设计了FSK模块，其基本接线与主机上的FSK模块(图2)相同，只是利用中断端口INTT0连接整形后的伽玛脉冲信号输出端，FSK微处理器是FSK模块的核心，其基本功能是接收来自地面操作台的命令并解译后做出响应的操作，发送测量数据给地面操作台。

6.2 数字井斜探管

X401测斜探管集微机电系统(MEMS)传感器、数据采集、微处理器(CPU)及标准RS232串行通讯为一体。它主要分为参数测量和数据传输电路两大部分。

数据传输同样是通过FSK方式实现与地面操作台的半双工通讯，接收来自地面操作台的命令并解译后做出相应的操作，发送测量数据给地面操作台。

工作原理是通过三轴加速度计和三轴磁强计获取传感器信号，经放大滤波后进行模数转换；而后经过仪器坐标系与大地坐标系的坐标转换以及倾角、方位角和工具面角的解算算法从重力加速度传感器测量的重力场3分量获得钻孔的倾斜参数[4]，从磁阻传感器测量的地磁场3分量获得钻孔的方位[5]。图3是X401测斜探管的功能框图。

因为电路焊接与安装、机械加工等不可避免会造成三分量MEMS重力加速度计与AMR相应各敏感轴之间的平行度以及各传感器坐标轴与测量仪器坐标轴的不重合，从而导致测量系统的误差。经过机械安装调整后，直接通过坐标转换及角度解算算法获得的倾角与方位角参数测量精度还不足以达到工程化要求；为提高测量精度，软件实时修正是必不可少的重要环节。我们经过反复试验验证，从满足精度要求和软件修正复杂度两方面综合考虑总结出了一套简单易行的9位置标定法(图4)，将通过标定计算获取的修正系数植入探管内置程序中，可以确保数字测斜探管连续测量的精度达到设计指标。

6.3 井径探管

J401井径探管采用3臂测量方式，微处理器控制微电机操作，实现井径臂的张开/收拢，采集处理井径信息。

数据传输同样是通过FSK方式实现与地面操作台的半双工通讯，接收来自地面操作台打开、收拢井径臂、发送井径数据、标定参数下载等命令，解译后做出相应的操作，发送测量数据给地面操作台。

图3 数字井斜探管功能框图Fig.3 Function block diagram of digital inclinometer

图4 9位置标定法布局结构图Fig.4 9-position configuration①～⑨—仪器标定时设置的9个位置。

井径的测量是利用井径臂带动滑动电位器，获得的电压信号经过放大器以及VFC32转换器后，获得频率随井径变化的量，将频率信号连接到FSK模块上，再经过FSK模块上的CPU转化为井径值。井径臂的张开和收拢操作受地面控制台命令控制，利用探管上的FSK模块控制继电器的动作，实现电机电源接通和电机极性控制，从而达到井径臂的张开和收拢的目的。

6.4 γ能谱探管

在铀、钍混合型铀矿床上，γ总量测井无法正确测定矿体的铀含量，需要使用γ能谱测井仪分别测定矿体的铀、钍、钾含量[6]。为此，我们研制了适应我国南方硬岩的小口径钻孔的测井要求γ能谱测井探管。

数据传输同样是通过FSK方式实现与地面操作台的半双工通讯，接收来自地面操作台的命令，解译后进行相应的操作，发送测量数据给地面操作台。

为了达到在小口径钻孔中连续伽玛能谱测井的目的，测量部分要实现高速、高精度数据采集和自动快速稳谱等功能[7]。 γ能谱探管选用直径30 mm、长100 mm的锗酸铋(BGO)晶体作为探测器，提高了γ射线的探测效率。BGO晶体的能量分辨率可达到18%，能够满足测定U、Th含量的要求，而且具有良好的积分线性，其能量测量范围为50 keV～3 MeV。它采用双CPU结构，利用一个双端口存储器把两个微处理器连接起来，一个高速微处理器实现数据的采集和存储，另一个微处理器实现数据的读取和发送并完成其它工作，这样就基本构成一个高速数据采集系统。

采用高速A/D模数转换器和高性能CPU提高数据处理速度，解决了测井速度和能谱测量计数率统计误差之间的矛盾，实现了高采集数据吞吐率减小统计涨落引起测量误差的目标。本仪器内置Ba-133源作为稳谱基准源，通过程序软件实现自动稳谱功能，解决了环境温度的变化和高含量铀矿体中强γ射线对仪器自动稳谱系统干扰的难题，保证了仪器稳定、准确地获取数据。

7 性能测试及野外试验

井下仪器全部与马龙头(电缆连接器)连接后进行了水压密封试验，压力试验机注水加压到25 MPa时均未出现进水现象。在核工业北京地质研究院例行试验室，对测井仪的主机、伽玛总量、井斜、井径和多道伽玛能谱探管均按规范做了温度稳定性测量，在井下温度5～40 ℃范围内，相对于20℃时各测井参数的变化均小于±10%。说明仪器的温度和压力指标均达到了设计要求。对于需要定量测量的G401γ总量探管，我们按规范将探管送到核工业放射性测量基准站进行检定，取得了检定合格证书。以两根G401γ总量探管标定数据为例：1301号探管铀换算系数为29.8(nC·kg-1h-1)/(0.01%eU),在0.01%eU到1%eU标准模型井标定相对误差最大值为-3.6%；1302号探管铀换算系数为29.69(nC·kg-1h-1)/(0.01%eU),在0.01%eU到1%eU标准模型井标定相对误差最大值为-2.6%。

2010年8月，在江西相山地区3个钻孔内采用HD-4002A轻型综合测井仪开展了γ总量、井斜、井径等参数的野外测井试验，整个系统工作稳定。在孔号为ZK52-22和ZK71-83 的2个见矿孔中，采用HD-4002A与符合《核工业铀矿测井规范》并在测井生产中普遍采用的FD-3019测井仪进行实时测量，测量数据见表3。从表3可见，两种仪器在铀异常段测得的米百分含量相对误差小于5%。说明HD-4002A轻型综合测井仪的测量数据准确可靠，与FD-3019测井仪一致性良好，完全满足放射性γ测井规范要求。而从自动化程度、工作效率、劳动强度的比较上，HD-4002A轻型综合测井仪均远远优于只能定点测量的FD-3019型手摇绞车型测井仪，表明HD-4002A轻型综合测井仪是一种适用于复杂山区地形铀矿勘查的轻型高精度数字测井系统。

2012年9—11月，在江西相山地区李家岭矿床、居隆庵矿床以及桃园乡游坊罗陂地区进行了γ能谱测井试验工作，共测量了6个钻孔，累计测井深度6352.89 m。测井方式采用连续测量，异常段探管提升速度为1～2 m/min。项目组将N451γ能谱测井解释结果与江西261大队FD-3019γ总量测井仪测井解释结果作了对比，工业矿(U含量≥0.05%)32.6 m、矿化段(U含量在0.03%～0.05%)7.5 m、异常段(U含量在0.01%～0.03%)31.4 m。总计米百分值(m%)的相对误差为-4.23%。表明γ能谱测井结果良好，符合《γ测井规范 EJ/T 611-2005》中“检查测井异常面积或米百分值允许相对误差应不大于10%”的规定。以ZK80-37号钻孔中530～640 m范围内FD-3019伽玛总量测井仪和N451型伽玛能谱测井仪实际测得的测井曲线(图5)为例可以看出，FD-3019的总量测井曲线与N451的能谱测井U窗计数率曲线在形态和异常位置上是非常一致的，N451的能谱测井Th窗计数率曲线基本为本底线。说明了N451型伽玛能谱测井仪对异常识别的准确性，且直接指出了异常是铀元素所导致。

表3 HD-4002A与FD-3019测量数据对比表

图5 ZK80-37伽玛能谱测井曲线与伽玛总量测井曲线对比图(孔深530～640 m段)Fig.5 Comparison between γ spectrum logging curves and γ logging curves measured in the drilling hole ZK80-37(the hole depth from 530 to 640 meters )a—N451伽玛能谱测井曲线； b—FD-3019伽玛总量测井曲线。1—N451 U窗；2—N451 Th窗；3—FD-3019总道。

致谢：研制HD-4002A轻型综合测井系统过程中，我们得到了总装备部、中核集团地矿事业部、江西省核工业局261大队等单位的大力支持，借此机会谨表感谢。

[1]何立民.单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990.

[2]陆士立，袁 明，焦仓文，等．HD-4002型综合测井仪[J]．铀矿地质，2005,21(3):184-192.

[3]陈建春.Visual C++高级编程技术[M].北京：电子工业出版社，1999.

[4]朱金冬，任建新，唐品利，等.一种新型陀螺测斜仪的硬件设计及其误差补偿技术[J]．测井技术，2006，30(6)：580-582.

[5]林 君.地球物理弱磁测量仪器进展[J]．石油仪器，1997，11(2)：7-11.

[6]袁 明，陆士立，焦仓文，等.HDP-4型四道γ能谱仪[J].地球物理学进展，2005，20(2)：412-416.

[7]卢贤栋,唐声喤,陆士立,等.野外能谱测量[M].北京：原子能出版社，1977.

A Mountain Logging Adaptable Digital Instrument——HD-4002A Comprehensive Light Logging Instrument

XU Chuan-guo,JIAO Cang-wen,LU Shi-li,MA Yan-fang,YUAN Ming,QIAO Bao-qiang

(BeijingResearchInstituteofUraniumGeology,Beijing100029,China)

Based on the FSK micro-processor and PW3 magnetic core material, the FSK module was designed to solve the technical problem of power supply and signal transmission in a single cable which replace the four core cables to connect the inoue equipments and downhole equipments and realize the light duty goal of HD-4002A logging instrument.Based on the triaxial accelerometer and three axis magnetometer，HD-4002A single conductor logging instrument obtain the sensor signals, and implant the corrected coefficient to the agent inside program by using the structural adjustment of nine position calibration method to realize high precision digital inclination measurement in slim hole.Instead of traditional NaI crystals, The instrument chose BGO crystals as the detector which has higher-energy resolution and wider measurement range, use double CPU circuit structure built-in Ba-133 as a stabilizer benchmark source to realize the goal of consecutive gamma ray spectrum logging in the slim hole through the application of software automatic stabilizer.

uranium exploration;light logging instrument;FSK module;digital inclination measurement;gamma-ray spectrum logging

10.3969/j.issn.1000-0658.2015.02.005

2013-05-10 [改回日期]2014-09-29

徐传国(1969-)，男，高级工程师，1992年毕业于长春地质学院，从事放射性、环境监测、地质勘探仪器研发。E-mail：584914828@qq.com

1000-0658(2015)02-0096-07

P631.6+3

A