煤矿井下随钻电阻率测量模型参数

马 斌

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077）

煤矿井下随钻电阻率测量技术作为一种孔内精细物理探测方法[1-2]，在近水平孔钻孔施工时，钻进与电阻率测量交替进行，可得到以孔深延伸方向为剖面的电阻率连续曲线，用来进行煤岩识别、断裂带位置判断、水与瓦斯富集区域标识等地质超前预测[3-6]，并实时指导钻孔轨迹的延伸方向，并对煤田地质资料进行修正。工程中常采用对称四级装置作为煤矿井下随钻电阻率测量模型[7-8]，其特点是由供电电极AB 以及测量电极MN 4 个电极构成，且4 个电极等间距分布。为此,对对称四级测量模型展开研究，分析模型中的电极间距、电极激励信号、电极加工材料等工程参数，以及对电阻率测量结果的影响，筛选出最适合煤矿井下随钻电阻率测量工况的工程参数，指导电阻率测量探管的设计、生产工作，从而更好地服务于煤矿防灾治灾工作和煤炭资源的安全精细开采，降低开采事故的发生。

1 电极间距

根据石油电阻率测井行业中的横向测井理论，电极间距与探测深度成正比关系，电极间距越大，电阻率探测深度越深，为此在进行孔内电阻率测量时，要根据探测深度来选择合适的电极距，使目标地层深度上的电流密度最大，从而实现目标层位电阻率精确探测。

煤矿井下常使用直径为φ73 mm 的钻杆进行近水平孔钻孔施工，随钻电阻率测量探管安装在钻杆柱的前端，故电极直径d 也被固定为73 mm[9]。为了研究电阻率探测深度与电极间距之间的关系，将对称四极装置做简化分析，电极间距与电流密度关系简化模型如图1，供电电极为AB，测量电极为MN，假设供电电极AB 为点电极，水平分布在测量探管轴线上，且埋在均布地层介质中，A 电极上的电流为正电流，B 电极上的电流为负电流。

2 电极激励电流

在地球物理勘探领域，主动源电法勘探方法主要有直流电法、低频交流电法、激发极化法、电磁感应法等，其中电磁感应法主要用于电阻率比较高的岩石层以及石油测井中，直流电法主要用于测量砂、碎石等非导电粒子多的地层。目前国内陆上电法勘探中多使用直流电法[10]，但是直流电法并不适合在井下随钻电阻率测量中使用，因为钻孔施工时常用矿井生产水作为钻井液，钻孔内充满具备导电离子的电解液，且电阻率测量探管的A、B、M、N 4 个电极的电极间距仅为220 mm，距离较近，若给电阻率测量探管的供电电极施加直流激励，会在供电电极两端产生极化效应和电容效应，从而影响电阻率的测量结果。

1）极化效应。在给探管供电电极施加直流激励的过程中，钻孔内浅表地层中的孔隙水和供电电极之间构成原电池效应，供电电极电势与孔隙水中产生的电势相反，使流入孔内地层深处的电流减少，相当于增加了地层的等效电阻，影响了电阻率的测量深度。

2）电容效应。电容效应是由孔内浅表地层孔隙水中的电解质电容和电极引线分布电容共同引起的。若给探管供电电极通入直流激励信号，由于存在电容效应，相当于在电流通路中串入了1 个电容性负载，而电容起到阻碍直流信号传输的作用，使供电电极间流入孔内地层中的电流减小，影响了电阻率测量结果。相反，如果给供电电极通入交流激励电流后，交流电流可以通过等效电容，对孔内地层电阻率测量产生的影响较小。

根据以上分析，为了有效减少或消除极化效应和电容效应对孔内地层电阻率测量结果的影响，在设计随钻电阻率测量探管时，应采用交流电流作为电极的激励信号。在前期模拟实验中，利用ATTEN函数发生器分别产生交流方波信号和交流正弦信号经功率驱动后加载到供电电极AB，并用示波器获得测量电极MN 上的电压信号波形，采用方波激励信号和正弦波激励信号下测量电极上得到的波形图如图2。

图2 方波激励信号和正弦波激励信号下测量电极上得到的波形图Fig.2 Waveforms obtained from measuring electrodes under square wave and sine wave excitation signals

由图2 可知，采用方波交流激励时，在测量电极MN 上得到的方波电压信号在边沿上具有过冲现象，且在信号上升沿和下降沿叠加了很多的高频谐波干扰，后续信号调理和信号采集电路很难滤除掉方波中的高频干扰和信号过冲，增加了电路设计的复杂性并影响了电阻率的测量精度。而采用正弦波作为供电电极AB 的激励源时，在测量电极MN 上会得到噪声比较小的正弦信号，无高频谐波干扰，方便于在微处理器中进行FFT、数字相关等以正弦信号为处理对象的数字信号处理方法，因此，应采用正弦激励电流作为电极激励电流。

在陆地上常用的电阻率测量方法中，不同电阻率测量方法对应的激励电流频率关系见表1。

表1 不同测量方法所对应的激励电流频率Tab.1 Frequency of excitation current corresponding to different measurement methods

随钻电阻率测量属于传导电阻率测量法，由表1 可知，激励电流频率应该选在0.2～2 kHz 范围内，综合比较，在设计电阻率测量探管电路时，应利用微处理器和直接数字频率合成技术，使激励电流频率可在0.2～2 kHz 之间灵活调整，最终通过标准样品试样的方法确定出最佳激励电流频率。

3 电极供电方式

电阻率类测量仪器常见的电极供电方式有恒流式供电、自由式供电2 种[11]，其各自的特点如下：

1）恒流式供电。在给供电电极AB 供电时，通过运放等恒流源，保持电流I 恒定不变，通过检测测量电极MN 电极间的电位差来计算地层的电阻率，显然根据欧姆定律，被测量地层电阻率越大，测量电极上得到的电位差就越大，电阻率值的测量误差就会越小，因此恒流式供电适合测量高电阻率地层。由于供电电流I 恒定，在被测地层的电阻率变化比较大时，就要求信号采集电路的动态范围要足够宽，甚至最大采集电压与最小采集电压相差上万倍，这给电路设计造成了困难，会造成测量小信号时放大倍数不够，而测量大信号时因放大倍数大造成饱和失真现象。

2）自由式供电。供电电极上激励电流既不作恒流限制也不作恒压限制，在做电阻率测量时，同时测量供电电极AB 上的电流值I 和测量电极MN 上的电压差△v，电压电流值作求商处理便可以得到电阻率值，由于电压电流均可以适应地层的电阻率而变化，因此可以测量的地层电阻率范围宽。设计信号采集电路时，虽然增加了电路的复杂性，但降低了信号采集电路对宽动态范围自适应的要求。

在煤矿井下随钻电阻率测量时，经常遇到煤层的电阻率高，而遇到泥岩等富水地层时电阻率低，同一钻孔内电阻率变化较大的现象，因此不适合采用恒流供电方式。基于以上2 种供电方式各自的特点，并考虑煤矿井下孔内电阻率测量的具体工况，电极供电方式应采用自由式供电。

4 电极材料

电极材料的选择对电阻率测量结果的精确性，以及电阻率探管长期工作的可靠性等方面有着重要的影响[12]。为了降低干扰，减小检测误差，电极材料自身的电阻不宜过大，电极的环电极形状决定了电极材料应具备良好的可加工性，电阻率探管长期在孔内工作，要求电极材料应具备抗腐蚀，抗老化等特征；电极材料还应具备耐磨性，通过比较常见导电金属材料的综合性能发现，海洋工业中常用的锡黄铜具有良好的导电性能[13]，良好的抗腐蚀性能和耐磨性，同时易切削，易焊接，具备良好的冷热加工性能，因此锡黄铜最适合制作电阻率测量探管的电极。

5 结 语

以煤矿井下随钻测量时使用的对称四级装置模型为研究目标，详细展开了装置模型中最优电极间距的理论分析计算，得到了探测深度与电极间距之间的最优解，并展开了电极激励信号的研究，通过调研以及实验的方法，得到了在随钻电阻率测量工况下，正弦交流激励电流为电极最好的激励电流，阐述了自由供电方式对随钻电阻率测量工况的适用性，最后通过分析对电极材料的要求，选取了锡黄铜作为最佳电极材料，这些结论可用于指导电阻率测量探管的生产试制工作，使电阻率测量探管具备更好的工况适用性、测量准确性及工作可靠性，从而更好的服务于煤矿井下精细勘探与防灾治灾工作。