CS404 小口径超声成像测井探管研制

冯延强，乔宝强，焦仓文，杨怀杰，马艳芳，程纪星

（核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

超声成像测井技术主要是利用井壁反射声波幅度与传播时间的差异来获取不同灰度的声学图像，图像中的明暗体现了井壁不同岩层的声阻抗差异［1］。20 世纪60 年代石油系统便开始应用井下超声成像技术，由于反射声波幅度衰减与裂缝发育密切相关，因此该项技术很快成为裂缝、崩塌及主要岩性界面等识别评价的有效手段［2］。近年来，随着超声脉冲反射法测量技术方法的改进，石油系统在套管井采用全波测量模式可同时完成套管的工程检测和固井水泥胶结质量的评价工作［3］。另外，随着聚焦超声换能器、集成电子元器件及小型步进电机等硬件的发展和应用，超声成像测井技术相关井下探管设备得以快速发展，总的发展趋势为集成化、小型化、多功能化［4-5］。目前，石油系统较为成熟的国外具有代表性的超声成像测井仪主要有美国斯伦贝谢公司的USI、UBI 系列，阿特拉斯公司的CBIL 及哈里伯顿公司的CAST 系列等；国内主要有中石油多参数超声工程测井仪、中海油MUIL 系列等［6］。其中美国Mount Sopris公司研制的QL40 小口径超声成像测井探管，可用于铀矿勘查中小口径钻孔的成像测井，但其设备十分昂贵，且售后及技术支持上存在一定的局限性。因此，研制具有自主知识产权的小口径成像测井探管，满足我国铀矿勘查和开采的需求，具有重要意义。

在铀矿勘查领域，超声成像测井技术能够为井中裂隙和破碎带识别、矿体产状提取、套管破损检测、固井质量评价等提供全新技术手段，弥补传统测井技术方法的不足。目前，国内尚无专门应用于铀矿勘查和开采的小口径超声成像测井设备。项目组研制的直径Φ40 mm 的CS404 小口径超声成像测井探管，声幅成像与时差成像对比明显、成像效果清晰，在直径90 mm 的钻孔中裂隙宽度识别能力大于1.57 mm，达到国外进口设备水平，能够满足铀矿勘查中小口径钻孔的应用需求，为该项技术在我国铀矿勘查领域的进一步应用奠定了基础。

1 CS404 小口径超声成像测井探管硬件、实现及性能指标

1.1 硬件组成

CS404 小口径超声成像测井探管硬件上主要由5 部分组成：声学总成单元、方位检测单元、信号采集处理单元、高速数据传输单元和DC 电源单元（图1）。

1）声学总成单元，主要由聚焦超声换能器、步进电机、聚焦反射模块、低密度树脂透声窗及压力平衡波纹管组成。超声换能器主要负责脉冲信号的发射和回波信号接收，步进电机带动聚焦反射模块旋转，实现激励声束反射至井壁和井壁回波声束反射至换能器前端窗，低密度树脂透声窗内腔充满硅油以减少声衰减，与此同时压力平衡波纹管与透声窗内腔相通，在井下不同压力条件下，波纹管的形变将管外压力传递至透声窗内部，以达到透声窗内外压力的平衡，确保其抗压能力。

2）方位检测单元，采用三轴重力加速度计和三轴磁强计组成，从重力加速度传感器测量的重力场三分量获得钻孔的倾斜参数，从磁阻传感器测量的地磁场三分量获得钻孔的方位。一方面可进行数据成像时井下探管旋转引起的方位偏移修正，另一方面可确保测井结果解译裂隙、破碎带等构造的产状的准确性。

3）信号采集处理单元，主要由EP4CE15 E22C8和STM32F407 组成的FPGA 组合ARM双处理器系统，采用高速12 位AD7276 转换芯片。FPGA 负责信号采集处理单元的逻辑信号控制，包括了信号增益调节、步进电机驱动控制、超声换能器激励信号开关门信号、峰值保持电路控制以及高速AD 信号采集部分。ARM 负责信号采集处理单元的指令接收、数据处理、数据打包传输等。FPGA 与ARM之间采用FSMC 通讯，确保了数据的稳定性与高速传输。

4）高速数据传输单元，采用OFDM 传输方式将井下获取的数据实时传输至地面。数据传输单元包括了耦合电路、OFDM 调制解调两大部分，采用CAN 协议通讯方式与信号采集处理单元进行数据交换，确保井下包括声幅、时差、方位角、倾角、温度等多个测量参数实时、高效地传输至地面。

5）DC 电源单元，主要提供超声成像测井探管井下步进电机大电流驱动电压、超声换能器激励高压及普通±12 V、±5 V 等工作电压。不同于常规参数探管，该探管需要驱动功耗约6 W 的步进电机持续旋转，电流约1 A、驱动电压约6 V，另外超声换能器需要约120 V 的脉冲高压激励驱动，因此DC 电源单元采用了电源结构简单、外围电路元器件少、输出电压稳定、隔离高频变压器散热良好的UC3845 反激式开关电源系统［7］，确保了探管的工作稳定性。

1.2 系统实现

图1 CS404 小口径超声成像测井探管硬件结构示意图Fig.1 Schematic diagram of hardware structure of CS404 ultrasonic imaging logging probe

CS04 小口径超声成像测井探管由FPGA组合ARM 双处理器系统实现，地面控制台通过测井电缆、采用OFDM 数据通讯方式将操作指令发送至井下探管ARM 处理器，处理器根据指令启动FPGA 逻辑单元进行响应，系统实现原理见图2。

FPGA 接收到ARM 启动指令后，输出步进电机控制信号来启动电机旋转。电机旋转过程中会触发TMR 磁开关信号，FPGA 在收到TMR 信号后便启动系统连续进行360°井壁扫描成像测量。在没有收到停止指令前，FPGA 会按照TMR 信号周期性地进行如图2虚线框中所示流程。首先，FPGA 输出超声换能器脉冲激励控制信号，并在延迟约50 μS后打开回波信号接收的开门信号，接收到回波信号后依次启动信号增益调节电路、信号峰值保持电路及AD 转换电路。AD 转换结果是回波脉冲信号峰值电压对应的精度为12 位的数字信号，即成像中的声幅数据。于此同时FPGA 根据峰值电压到达的时间，获取回波脉冲信号激励至接收的累计时长，也就是声波信号在单个测量周期中的传播时间，即成像中的时差数据。

ARM 处理器在接收FPGA 回传的声幅、时差数据后，读取方位检测模块的方位角，进行初步的方位修正等数据处理后打包上传。ARM 通过CAN 协议将数据发出，井下数据传输单元接收到ARM 回传数据后经测井电缆传输测量数据至地面，以此实现系统超声成像测量的整个过程。

1.3 性能指标

CS404 小口径超声成像测井探管是专门为满足铀矿勘查领域小口径钻孔中裂隙和破碎带识别、断裂构造产状分析等应用而研制的。其主要性能指标见表1，通过与美国QL40 型探管对比，除纵向分辨率外，该型小口径超声成像测井探管性能指标达到国外进口设备水平，可满足我国铀矿勘查领域超声成像测井技术的应用需求。

2 试验对比

2.1 室内模型对比试验

开展了室内模型中声幅、时差成像质量分析，并与模型中设计靶区进行对比。图3中最右侧为室内模型3D 设计效果图，其浅色显示为铝材质基体，深色显示为高密度硬海绵模拟的井壁裂隙、破碎带。试验中，利用可调速步进电机带动探管在模型中进行上拉、下放测量利用扶正器使探管居中。

图2 CS404 小口径超声成像测井探管系统实现原理示意图Fig.2 Schematic diagram showing the realizaing principle of CS404 ultrasonic imaging logging probe realization

表1 CS404、QL40 小口径超声成像测井探管性能指标对比Table 1 Performance index of CS404 and QL40 ultrasonic imaging logging probe

图3 CS404 小口径超声成像测井探管室内模型试验成像Fig.3 Test image of indoor model by CS404 ultrasonic imaging logging probe

从成像质量分析，图像中亮色代表高值、暗色代表低值，声幅成像与时差成像均效果明显，对比清晰。通过声幅与时差成像对比可见，在各个反射靶区中，声幅成像亮色区域（代表声衰减较小）均能与时差成像的暗色区域（代表声传播时间较短）对应，与声波传输、衰减、反射及吸收综合作用的实际规律一致。

从成像结果与模型设计靶区对比可见，无论是水平、西倾（模型中自上而下第1 和第5 靶区）还是南倾（模型中自上而下第3靶区）均能较好识别。在靶区不同宽度时（模型中第1、3、5 靶区），研制探管均能实现较好的分辨与识别，成像质量对比明显。另外，模型中自上而下第6 靶区为挖空区域，即声波不经过模型而直接入射至模型外管的内壁并形成反射。因此其在声幅上没有被衰减吸收，表现为亮色；在时差上，由于声波传播距离较远，同样表现为亮色。

通过室内模型对比试验，验证了研制的CS404 小口径超声成像测井探管对于不同反射靶区（模拟井下不同产状裂隙、破碎带等）的识别和探测能力，试验结果与设计结果一致。

2.2 野外钻孔实测对比试验

在室内模型试验基础上，又在相山铀矿田CUSD1 科学钻孔进行了与Mount Sopris 公司QL40 进口探管的野外实测对比试验。试验中从钻孔裂隙深度、倾角、方位角及破碎带识别等几方面进行了对比分析，其中典型的钻孔深度405.4～410.3 m 段的试验对比结果如图4 所示，共识别出3 个裂隙，多处破碎带，其具体对比分析结果如表2 所示。

图4 研制的CS404 探管与美国QL40 探管于CUSD1 钻孔成像结果对比Fig.4 Imaging results of drill hole CUSD1 by author developed CS404 probe and US QL40 probe

表2 CUSD1 钻孔405.4～410.3 m 段试验结果对比Table 2 Comparison of test results at depth 405.4～410.3 m of the drill hole CUSD1

从表2 对比分析结果，研制探管与Mount Sopris 公司的QL40 探管在裂隙深度解译结果偏差在-0.1～-0.03 m 范围内，倾角解译结果偏差在-1.67°～0.30°范围内，方位角解译结果偏差在-22.03°～26.01°范围内。从图4 成像对比图中，在409～410 m 段研制探管与QL40探管均有明显成像错位现象，通过分析，认为是由于井壁不平整导致探管通过此位置时两探管均发生旋转。关于破碎带识别，研制探管与QL40 探管在深度410 m 附近均识别到一大一小明显的环状带，识别结果一致。

基于野外CUSD1 科学钻孔实测对比试验结果分析，可见研制探管在裂隙、破碎带识别上与国外进口QL40 探管效果一致，裂隙深度、倾角解译结果与QL40 探管偏差较小，虽然裂隙方位解译结果与QL40 探管偏差较大，但可通过后期数据处理时方位修正来进行校正。

3 结论

研制的CS404 小口径超声成像测井探管，通过与Mount Sopris 公司QL40 进口探管在室内模型和野外铀矿钻孔的对比试验，实测验证了其各项技术性能。系统实现性能指标及成像结果均达到国外先进进口设备水平，声幅成像与时差成像对比明显、成像效果清晰，能够为我国铀矿勘查和开采中裂隙、破碎带识别及产状提取提供一种全新技术手段。