HD-4002B综合测井仪在铀矿科学深钻中的应用

徐传国，陆士立，焦仓文，马艳芳，王卫国，宫圣起

（1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.核工业243大队，内蒙古赤峰 024000）

HD-4002B综合测井仪在铀矿科学深钻中的应用

徐传国1，陆士立1，焦仓文1，马艳芳1，王卫国2，宫圣起1

（1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.核工业243大队，内蒙古赤峰 024000）

针对中国铀矿科学第一深钻研究项目和未来铀矿勘查攻深找盲的需要，在原研发的HD-4002综合测井系统基础上，通过采用特殊耐高温高强度聚芳砜（PASF）材料以及氟橡胶密封圈克服钻孔高温、高压影响以解决深井测井密封、绝缘问题；采用开关电源技术克服长距离铠装电缆引起线损的影响，研制出适合深度达3 000m的小孔径钻孔综合测井需要的HD-4002B综合测井仪。该仪器在2013年5月成功获取中国铀矿科学第一深钻2 818m的测井数据，填补了铀矿地质勘查深度测井技术的空白。

科学深钻；综合测井；高温高压；铀矿化

为最大限度地获取地球深部成矿条件和地质环境信息，解决热液型铀矿勘查和成矿理论方面的技术瓶颈，由李子颖研究员负责的科研团队承担了核能开发“相山大型铀矿田科学钻探深部成矿环境研究”项目，研究团队在江西省相山铀矿大基地选址施工一口约3 000m深钻钻孔。数字化综合测井作为一种经济、快捷、可靠、有效的方法，被设计用来获取钻孔所穿透地层的各种地球物理参数，包含钻孔的井径、井斜（方位角与顶角）、井温、矿化层位等信息［1］。目前铀矿勘查中使用的传统综合测井仪测井深度仅为1 000 m左右，而项目需要提供深度约3 000m的测井服务。在3 000 m深井中压力达到30 MPa，温度达到100℃，这些都是井下仪器稳定可靠工作需要克服的技术难题，同时整机系统还需要解决长距离电压和信号传输问题。为此，项目组在原研发的HD-4002综合测井仪技术基础上［2］，通过科研攻关，研制出了适合3 000m深度科学深钻测井需求的HD-4002B综合测井仪，并顺利完成了2 818m的测井任务，获取了γ总量、γ能谱、井斜、井径、电阻率、自然电位、井温等多种参数，为相山火山盆地地质结构和铀多金属成矿环境的研究提供了第一手资料。本文主要介绍了HD-4002B综合测井仪的改进思路及在相山科学深钻中的应用。

1 HD-4002B 综合测井仪原理及特点

1.1 基本思路

在HD-4002车载综合测井仪基础上，通过解决井下探管在高温（100℃）条件下工作的稳定性、结构材料在高温、高压（30MPa）下的承受力和密封性以及长电缆（3 000m）上电压和信号传输等深井测井的关键问题而研制出HD-4002B综合测井仪。仪器主机在HD-4002车载综合测井仪主机的基础上将井下探管的供电电压从60 V提高到130 V；测井绞车采用3 000m的4芯铠装电缆绞车；配接的井下探管有γ总量探管、γ能谱探管、数字井斜探管、电法探管、井温探管、密度三侧向电阻率探管。

1.2 设备供电改进

为了克服长电缆引起的线损，采用提高地面操作台供电电压的方案。在传输功率相同的条件下，提高电压，减小电流，使电缆上的电压降减小，基于此原则，将供电电压提高到130 V。为了提高电源效率、减小体积、提高集成度，自主设计了基于开关电源SWPS技术的恒压电源，采用光耦隔离反馈技术提高电压调整率。达到0.5%稳压精度的同时减小来自动力电网对输出电压的干扰。

为了满足密度三侧向电阻率探管推靠电机电源和井下仪器工作电源不共地的要求，需要解决多组电源交调失衡问题，采用双光电耦合器做反馈控制信号并于电源输入侧共地的设计方案解决。

为降低强电对信号的干扰，采取磁隔离、光电隔离并举的措施将光电码盘、绞车变频控制器、PC主机等部件实现电气隔离，大大提高了系统抗干扰能力。

针对电源电路对深度记录系统的光脉冲信号的干扰，采取增加RC滤波加施密特整形的措施来提高深度记录系统结果的准确度。

1.3 高温高压工作环境下材料、元件选取

3 000 m深井温度最高会达到100℃左右，压力达到30 MPa，对于井下测量系统的密封性能是一个严峻的挑战。井下测量系统由马龙头（电缆连接器）和各种井下探管组成，通过铠装电缆与井上系统连接。马龙头和各种井下探管结构材料主体为不锈钢，绝缘部件采用工程塑料。通过查阅相关资料并反复试验，最终选用刚性和耐热性好的聚芳砜（PASF）材料［3］代替普通工程塑料，制作电法探管和马龙头的绝缘部件，克服了在钻孔高温、高压影响下普通工程塑料蠕变导致井下测量系统密封性破坏的问题；其次针对不同直径的测井探管，经理论计算结合管材确定测井探管的壁厚；密封圈均选用具有稳定性、耐高温性、耐老化性等特征的氟橡胶Ο型密封圈。实现了高温和高压环境下的井下测量系统的密封、机械性能良好的目的。

有关电子线路与元件耐高温问题，常规的电器元件选用工业级以上产品（工作温度可达85～125℃）就能够克服温漂的影响，完全可以保证工作的稳定性和测量的精度与准确性。但γ总量的测量使用光电倍增管和闪烁探测器晶体，尤其是光电倍增管工作性能受温度的影响很大。除了选用耐高温的光电倍增管和碘化钠晶体外，还要解决能量甄别阀值、坪曲线的选择等问题。一般用“坪”长和“坪”斜两个参数来表示闪烁计数器的“坪”特性，“坪”区越长，“坪”斜越小，越有利于射线强度的测量。当鉴别电压、温度、源不变时，仪器放大倍数增大，“坪”长缩短，“坪”斜变陡；反之，“坪”长增大，“坪”斜变小。鉴别电压（对应能量甄别阈值的输出电压值，下同）的大小可以等效为仪器的放大倍数，鉴别电压增大，相当于放大倍数减小，鉴别电压减小，相当于放大倍数增大。高温变化会引起甄别阈的变化，另一方面，温度变化还会引起光电倍增管（PMT）的高压模块的输出变化，最终都表现为增益的变化。在仪器改进过程中，通过设定合适的经验阈值和“坪”区来降低温度变化对探测器的影响，经性能测试验证井下测量系统在0～120℃温度区间内均能稳定工作，且测量范围和精度满足设计指标的要求。

应用高灵敏度PN结测温技术，采用小体积导热介质减小热容以及在导热介质与PN结温度传感器之间增加导热硅胶等手段提高温度响应速度，实现连续测井，提高测井效率。

1.4 性能指标

研制的HD-4002B综合测井仪依据《核仪器环境条件与试验方法》（GB/T 8993—1998）的要求做了环境试验，主要包括高低温试验、振动试验和高压密封试验。试验结果符合产品标准中关于温度、振动和密封条款的规定。G404B高温γ测井探管按照《γ测井规范》（EJ/T 611-2005）的要求在核工业放射性测量基准站进行了标定［4］，并取得了鉴定合格证书，其他探管标定方法同HD-4002车载综合测井仪。HD-4002B综合测井仪主要参数技术指标见表1。

表1 主要参数技术指标Table 1 M ain specifications ofmeasuring parameters

2 HD-4002B 综合测井仪应用及效果

2013年3月31日，位于江西邹家山的中国铀矿科学第一深钻施工孔深到2 579.88米时，委托山东煤田地质队利用重庆地质仪器厂生产的JGS-1B型测井仪进行了测井，该仪器实际获取的测井参数主要有三侧向电阻率、自然电位、自然伽马、人工伽马（长、短源距）、声波时差、井温、井径及井斜等，实际测井深度为2 577.86 m。2013年5月3日，中国铀矿科学第一深钻顺利终孔，终孔深度2 818.88m。项目组利用研制的HD-4002B综合测井仪开展了综合测井工作，成功获取了γ总量、γ能谱、井斜、井径、井温、电阻率和自然电位等参数数据。其中除了γ能谱探管只测量到1 500 m外，其他探管都测量到2 818m。两套设备在野外测井工作均严格按照测井规范和项目设计要求进行，保证了获取数据的完整性、准确性和可靠性。

以下以γ总量、井斜、井径和铀、钍、钾能谱（HD-4002B综合测井仪特有）等参数为例比较JGS-1B和HD-4002B测井仪两套仪器实际测量结果：

1）JGS-1B测井仪γ总量测井曲线和HD-4002B综合测井仪γ总量测井曲线都明确揭示该钻孔有3个明显的铀矿化层（图1），曲线的峰值与铀矿化异常点位置均高度一致。

2）JGS-1B测井仪按50 m间距单点测斜，实际测量到2 580 m，而HD-4002B综合测井仪实现数字化连续测斜，实际完成2 818m全钻孔测斜（图2）。两套仪器均揭示在0～1 600 m深度区间，钻孔倾角在0.1°～2°之间，在1 600 m以上深度区间，钻孔倾角逐渐增大，井斜测井曲线形态一致。

3）JGS-1B测井仪和HD-4002B综合测井仪的井径测井曲线形态的一致性非常好（图3），与钻孔施工工艺也基本吻合（约46m深度以上采用Φ145 mm的钻杆钻探，约46 m深度以下采用Φ122mm的钻杆钻探）。

4）在铀、钍混合型铀矿床上，γ总量测井无法直接准确测定矿体的铀含量，HD-4002B综合测井仪配套研制的N454B型小口径能谱测量探管能分别测定矿体的铀、钍和钾含量［5］。在铀矿科学深钻中的能谱测井曲线（图4）显示的矿化点位与γ总量测井曲线显示的矿化深度一致，且明确揭示异常区均属于铀矿化，钍含量基本为本底值。

图1 JGS-1B和HD-4002B综合测井仪γ总量测井曲线对比图Fig.1 Comparison ofγtotal curves of JGS-1B and HD-4002B logger

图2 JGS-1B和HD-4002B综合测井仪井斜测井曲线对比图Fig.2 Comparison of inclination curves of JGS-1B and HD-4002B logger

3 结论

1）新研制的HD-4002B综合测井仪，采用高强度聚芳砜（PASF）材料加工探管的绝缘部件和选用氟橡胶Ο型密封圈等措施解决钻孔高温、高压环境下的探管的绝缘和密封问题；应用PN结测温技术以及独特的减小热容目的的绝缘导热技术以提高测温响应速度，实现井温参数的连续测量。

图3 JGS-1B和HD-4002B综合测井仪井径测井曲线对比图Fig.3 Com parison of caliper curves of JGS-1B and HD-4002B logger

图4 HD-4002B综合测井仪U、Th和K测井曲线Fig.4 U，Th and K curves of HD-4002B logger

2）使用HD-4002B综合测井仪完成2818m铀矿科学深钻的测井工作，成功获取了自然γ、井斜、井径、井温、电阻率和自然电位等地球物理测井参数，可利用获取的测井资料推断解释出钻孔中不同岩体之间的界面，岩体内铀矿化的具体位置、品位，岩体内断裂构造及裂隙构造发育情况，以及多金属矿化可能发育位置，为相山火山盆地深部铀及多金属成矿环境及成矿条件的研究提供依据。

3）HD-4002B综合测井仪适用于最小孔径至60mm、最大孔深达3 000m的钻孔测井工作，经济高效，可广泛应用在铀矿、煤田和有色多金属矿种的地质勘查工作中。

［1］李舟波．钻井地球物理测井［M］.北京：地质出版社，1986．

［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）:183-192．

［3］郑晓林．刚性和耐热性好的聚芳砜树脂［J］．化工新型材料，1984，4:38-39．

［4］中华人民共和国核行业标准EJ/T611—2004．γ测井规范［S］．北京：中国核工业集团公司，2004．

［5］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.

App lication of integrated HD-4002B well logger in deep scientific drilling project of uranium

XU Chuanguo1，LU Shili1，JIAO Cangwen1，MA Yanfang1，WANGWeiguo2，GONG Shengqi1
（1.Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China；2.Geologic Party No.243，CNNC，Chifeng，Inner Mongolia 024000，China）

To meet the demand of the first deep scientific drilling project and the HD-4002B was developed on the basis of the compositewell logger HD-4002，HD-4200B iswith the feature of 3 000 meter logging depth，employing PASF and fluororubber“O”ring to resolve the sealing and insulation under high temperature and high pressure circumstance，and applying switching power supply technique to realize high power supply to probe to reduce armor line loss.It had successfully surveyed to the depth of 2 818meter in the first depth uranium scientific borehole finished in May 2013，and it was the first time in the deep uranium deposit prospecting.

deep scientific drilling；composite well logging；high temperature and high pressure; uranium mineralization

P619.14;P319.3+1

A

1672-0636（2015）02-0091-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2015.02.006

2015-01-13；

2015-01-21

徐传国（1969—），男，安徽宿松人，高级工程师，主要从事仪器开发、生产和销售工作。

E-mail：584914828@qq.com