基于ACME的井中激电系统采集控制软件开发与应用

席 彪，谢兴兵，毛玉蓉，严良俊，周 磊

1．油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学) ，武汉 430100 2.非常规油气湖北省协同创新中心，武汉 430100

0 引言

井中激发极化法(borehole induced polarization，以下简称井中激电或井中IP)通过在钻井中完成地面激发极化的方法进行深地勘探，因其对深部隐伏矿产勘查的优势而广泛应用于铜矿以及多金属矿藏的勘探[1-3]。普通电阻率测井近十几年广泛应用于水文地质、岩石物理等领域，但较少应用于油气及金属矿产开发，其主要原因是普通电阻率测井难以区分低阻低极化率围岩和低阻高极化率矿产。而井中IP是勘查多金属和贵金属硫化物等高极化率矿床，尤其是寻找深部盲矿体优先选用的有效井中物探方法[4-6]。该方法可充分依靠已知的钻孔信息，在发现井旁、井底盲矿，追索矿化带，估计见矿深度，查证地面激电异常等方面发挥重要作用。在老矿山、危机矿山等勘查中，利用已有的钻孔开展地-井、井-地等激发极化勘探和解释工作，探查井附近盲矿体或矿体空间延伸情况，能大大提高钻探见矿率和找矿效果，减少勘探成本，并能显著提高勘探效率，为深部找矿提供重要指示[7-10]。

现阶段国内外激电系统研制与开发大多以地面探测为主，部分仪器支持井-地模式，即井中发射地面采集模式。对于采集系统位于井中且同时支持井-井、地-井模式，即井中发射邻井采集和地面发射井中采集模式的激电系统研发较少，且发射功率均小于20 kW，勘探深度尚未突破1 000 m，难以满足深度3 000 m内50 kW大功率井中矿产资源探测需求[11-13]。

针对深度3 000 m内井中激发极化法矿产资源探测成套技术能力要求，围绕井中不同激发模式下矿体的激发极化响应特征及弱信息识别科学问题，通过理论方法研究和技术创新，解决高温高压条件下小井径(50 mm)大功率发射装置的系统设计和实现、井中/井间时间域和频率域激发极化及充电法弱信息采集、提取与影响因素校正等技术难题，实现从方法、硬件、软件和资料解释应用等方面的创新，形成了井中/井间激发极化探测技术[14]。相比地面激电采集，井中激电系统控制采集软件克服高温高压条件下的弱信号数据采集、长距离遥传通讯、数据高速传输、接收和发射同步等技术难题成功研发。

采集控制管理平台(acquisition control management expert,ACME)是中国石油测井公司自主研发EILog(express and image logging system)测井系统的重要组成部分，ACME采集软件根据不同仪器实现了测井仪器组件库的动态添加和卸载，可扩展性强[15-17]。本文基于ACME采集软件提供的SDK(software development kit)二级开发软件包，生成仪器组件开发框架，将井中激电系统采集控制软件挂接在ACME上，实现激电系统的采集、实时传输、显示、监测、保存和处理成图等功能，并成功应用于大冶市铜铁金属矿的井中探测，达到了预期效果。

1 井中激电系统简介

1.1 井中激电系统工作方式

井中激电系统根据具体功能可以分为发射系统、井中采集系统、地面(遥传)通讯系统和采集控制软件4个部分。以地-井模式为例，工作方式通常采用三极装置，如图1所示，发射系统通过给置于井口位置的供电电极A和距离井口无穷远处的供电电极B供电，向地下发射电信号，操作员通过采集控制软件使位于井中M、N处的采集系统开始采集并将采集到的电位和电位差数据通过地面(遥传)系统实时传回到位于地面的计算机中，并保存数据。

图1 井中激电系统地-井模式工作方式

1.2 发射系统

发射系统主要由两部分组成，分别为大功率恒流恒压发电机组和大功率恒流恒压发射机。大功率恒流恒压发电机提供动力源，大功率恒流恒压发射机将发电机提供的动力转换成激发极化需要的特定波形输出，并能够检测和记录波形的幅值和相位。整个发射系统具备恒压和恒流两种模式，满足不同的作业条件。发射系统最大输出电压为2 500 V，最大输出电流为20 A，最大功率为50 kW，电压和电流大小连续可调。发射系统可以发射时间域不同周期双极性占空比为50%的波形(TD50)、频率域不同频率不过零方波(FD)和编码伪随机波形。发射系统具备高精度GPS和恒温晶振系统，通过GPS系统与采集控制软件进行对时和同步。

1.3 井中采集系统

为满足小井径3 000 m深度内井中激电法矿产资源探测的要求，井中采集系统设计直径小于50 mm，仪器外部套管、接收电极全部采用钛钢和玻璃钢等耐高压材料密封设计，内部全部使用耐高温元器件。经过高温高压釜测试，仪器设计加工满足高温高压(155 ℃、100 MPa)指标要求，验证了井中环境作业的可行性。

井中采集系统包括采集子节点和系统主控节点。采集子节点主要功能是采集电位和电位差信号，井下多仪器工作时，为了防止不同仪器相互之间命令冲突，需要搭建稳定的通讯网络，本系统通过采用CAN(controller area network)总线实现阵列式通讯结构。采集子节点将数据通过CAN总线传输至主控节点。主控节点主要功能是进行总线仲裁和数据上传，从而实现仪器内部数据传递。

井中采集系统采用了全波形阵列观测装置，通过9个采集子节点可以同时采集9个电位数据和8个电位差数据。相比传统单道激电接收机，井中全波形阵列观测装置不仅可以提升仪器分辨率，还可以在相同采集周期内获得更丰富的数据信息，极大提高了采集效率。不同采集子节点之间相互独立采集，且各接收电极距可以自由调节，得到不同电极距的多道采集数据，削弱噪音的干扰，大幅提高了抵抗外界干扰的能力，从而得到更高质量的数据。

1.4 地面(遥传)通讯系统

遥传技术已经广泛应用的测井系统，可以将井中深度几千米仪器所测数据准确地传输到地面系统[18]。采集控制软件下发命令，再通过遥传通讯以数据帧的形式发送，随后紧接着发送一个远程帧。仪器在接收遥传下发的命令后切换工作模式，在接收随后的远程帧之后，将采集好的数据通过遥传通讯上传报文。

2 采集控制软件开发

2.1 采集控制软件简介

井中激电系统采集控制软件是整个系统工作的中枢，为了更好地服务井中激电系统工作，实现高温高压条件下的数据采集、长距离遥传通讯、数据高速传输、接收和发射同步等需求，本文基于ACME测井采集软件平台开发了井中激电系统采集控制软件。ACME服务于不同种类测井仪器控制软件开发，通过软件组件化技术，极大地提高平台扩展性、可维护性以及稳定性。为适应不断研发新仪器的特点，组建了一套相对独立的组件库，满足不同仪器的设计与开发。本软件通过ACME主控程序提供的仪器组件接口、仪器通讯接口、平台服务组件接口和仪器属性接口等协议实现了仪器属性的基本访问[19]。

C++语言是基于C语言发展起来的一种面向对象的编程语言，可以直接对硬件操作访问物理内存等，拥有很好的运行效率[20]。微软公司针对C++语言开发平台内置的基础类库MFC(Microsoft foundation classes)包含大量Windows的内建控件和组件的封装类进行高效的GUI(graphical user interface)开发，减少了应用程序开发人员的工作量。在Visual Studio平台将采集控制软件封装为动态库，再将动态库添加到ACME主控程序的组件库中，实现采集控制软件在ACME上的挂接。

2.2 界面设计

为了便于操作员井场作业，井中激电系统采集控制软件GUI设计简洁。交互界面根据工作流程对应模块可以划分为文件保存参数信息设置区(图2a)、仪器工作状态监测区(图2b)、仪器采集控制区(图2c)、增益参数设置区(图2d)和数据质量监测区(图2e)5个区域。

2.3 软件工作流程设计

井中激电系统采集控制软件主要分为仪器工作模式控制、数据实时监测、增益设置和数据保存等模块。工作流程如图3所示。测井开始后首先与仪器进行通讯测试，发送通讯测试模式命令并确认仪器工作状态是否正常。通讯正常后用子节点接收电极采集标准电压进行标定，并保存仪器标定数据。在仪器标定成功后将仪器下井，到达目的层后发送采集模式命令，通过实时数据监测适当调整各采集子节点增益。确认仪器工作状态及数据质量无误后设置保存文件信息，保存数据。

仪器工作模式控制模块主要分为仪器通讯测试模式、仪器标定模式、采集模式以及采样率设置模式。数据实时监测模块分为单次报文数据监测和长时间全波形实时监测。单次报文数据监测的主要目的是判断仪器增益调整以及数据传输的正确性；长时间全波形实时监测的作用是整体把控多次采集数据，以及监测整个测井过程的数据质量。增益设置模块的作用是根据数据实时监测，针对信号微弱数据或过饱和数据采集子节点实时调整增益，有效解决弱信息采集问题，同时避免出现过饱和数据的情况。数据保存模块的功能主要是将发射源信息、测井方法和测井模式等参数信息(表1)，以及原始报文解码后的数据(表2)保存到las文件。

3 数据预处理

3.1 数据解码

地面接收到仪器的原始报文数据是十六进制的32位无符号整数，需要将原始数据转换为十进制数，计算得到实测电位或电位差:

V=Ndata·Q·kVGA。

(1)

图2 井中激电系统采集控制软件界面

图3 井中激电系统采集控制软件工作流程

式中：V为实测电位或电位差；Ndata为原始报文数据转换后的十进制数据；Q为模数转换算子；kVGA为仪器增益系数。

3.2 数据传输验证

接收到上传的报文后，对固定格式的报文头进行识别，避免井中采集系统报文传送错误。报文头识别成功后，再对激电系统返回命令识别，验证仪器接收命令是否正常，确保井中采集系统工作模式正常和切换指令顺利。完成所有识别后再对数据区进行解码，解码结果累加与报文尾校验位对比，校验失败则在采集控制软件界面上的仪器工作状态监测区中显示错误帧，从而确保数据传输过程的正确性。

3.3 周期性数据滑动叠加

时间域双极性周期性信号可以通过数据多周期叠加和正负(双极性)叠加消除随机干扰。图4是数据多周期叠加和正负(双极性)叠加的效果图，单周期数据因受干扰出现明显的波形，多周期叠加数据可有效压制随机干扰，正负(双极性)叠加数据对随机干扰的压制效果尤为明显。

对于连续测井数据，在深度域可以采用滑动叠加技术消除随机干扰。滑动叠加也叫移动平均法，是用一组最近时间点实际数据值来预测当前时间点数据值的一种常用方法，可有效压制随机干扰。滑动叠加技术适用于即期预测，能有效地消除预测中的随机波动，是非常有用的。其基本思想是：根据周期时间序列资料，按照一定的多周期窗口逐项推移，依次计算包含一定项数周期的序时平均值(图5)。

表1 Las文件头信息

表2 Las文件数据格式

图4 数据多周期叠加(a)和正负(双极性)叠加(b)效果

因此，当时间序列的数值由于受周期变动和随机波动的影响起伏较大，不易显示出周期信号的变化趋势时，使用滑动叠加技术可以消除这些因素的影响，显示出信号的的变化方向与趋势(即趋势线)，然后依趋势线分析预测周期序列随深度的长期趋势。经滑动叠加数据结果如图6所示。

3.4 激电视参数计算

时间域激电法工作原理是向地下供一定时间的稳态电流I，在t=0时刻断电后，观测衰减电位差ΔV2(t)，如图7所示。场电位差ΔV(极化场电位差)是一次场电位差ΔV1和二次场电位差ΔV2(tc)之和：

ΔV=ΔV2(tc)+ΔV1。

(2)

当切断AB极供电电流后，一次场电位差立即消失，被极化的地下介质在激发极化电动势推动下通过介质本身和周围溶液放电。这时的二次场电位差ΔV2(t)将随时间衰减逐渐趋于0。实践证明，充电达到饱和的二次场电位差和断电瞬间的二次场电位差是相等的，即

ΔV2(t)|t=0=ΔV2(tc)。

(3)

在二次场与电流成线性关系的条件下，极化率η(tc,t)为

(4)

可见，极化率是电位差瞬时值的比值，无量纲，采用百分率表示。由于ΔV2(t)和ΔV都与供电电流成正比，因此极化率与电流无关，但取决于供电时间tc和测量延迟时间t。

利用测得的一次场电位差ΔV1，可以计算出介质的电阻率：

(5)

式中，K为装置系数。

图7 全波形激发极化效应

在二次场、总场与电流成线性关系的条件下，也可用总场电位差ΔV计算出包括介质激发极化效应在内的等效电阻率：

(6)

充电率m的定义公式为

(7)

研究地下介质的激发极化性质还可直接利用二次场及其时间特性，当直接利用二次场电位差时，可计算参数激电率：

(8)

在频率域测量时，测到的是视频散率(视频率效应)：

(9)

(10)

其中，

式中，ΔVMN为M、N极间电位差。

4 应用效果

4.1 试验区和试验井概况

试验区如图8所示，位于湖北省黄石市大冶市铜绿山，即位于鄂东南地区大冶市西南1 km处的铜绿山矿田。大广高速从矿田西部穿过，106国道及武(昌)—九(江)铁路从矿田东部通过，区内有连接各自然村的市(县)级水泥公路和矿山简易公路，交通条件十分便利，有利于实验展开。

图8 试验区地理位置图

钻孔地质剖面概况如图9所示，ZK407、ZK408井发现连续矿体，推测ZK409孔处可能存在矿体。ZK409井位于114°55′48″E，30°04′56″N，井深1 041.20 m。钻孔岩性基本结构为：0～757.06 m为岩体，757.06～1 029.20 m为大理岩，1 029.20～1 041.20 m为岩体。在上接触带附近762.76～778.86 m 见铜铁矿体1层，主要为含铜赤铁矿磁铁矿矿石。在下接触带附近1 025.90～1 029.20 m处见含铜赤铁矿磁铁矿石榴石矽卡岩。1 029.20～1 041.20 m岩体强矽卡岩化。

4.2 试验概况

实验采用地面发射井中接收即地-井模式，采集控制软件与发射系统完成对时和同步后向地下发射空占比各为50%的正负方波信号(TD50)，周期为16 s。图10为采集过程中的全波形井中激电观测曲线，通过实时监测数据曲线，及时调整各通道增益，有效改善信号过饱和及信号微弱情况。由于两个采集通道采用的电极距不同，随电极距增大会有信号放大效果，因此在数值上会有倍数差异。在实验全过程实时观察不同采集通道的信号一致性情况，有效确保采集数据质量。

4.3 井场实测结果

通过采集控制软件对数据预处理，将采集得到的数据进行周期性数据滑动叠加后，取关断后120 ms的电位差值作为二次场值进行视电阻率和视极化率的计算，得到如图11所示的数据处理结果。可以看出，仪器对于矿层外部的较强信号和矿层中的微弱信号均能进行精度较高的采集，钻井岩样数据762.76～778.86 m铜铁矿层位置视电阻率和视极化率变化明显，数据处理结果与地质资料高度吻合，达到了预期效果。

图9 钻孔地质剖面图

图10 全波形井中IP电位曲线(a)和电位差曲线(b)

图11 视电阻率曲线(a)和视极化率曲线(b)

5 结语

本文基于采集控制管理平台(ACME)完成了井中激电系统采集控制软件的开发，实现了高温高压条件下激电系统的数据采集、实时传输、显示、监测、保存和处理成图等功能。井中激电系统及其采集控制处理软件成功应用于大冶市铜铁金属矿激发极化法测井，完成对井中激电系统的实时控制，获取高质量的井中激电数据，通过对数据的处理和分析，得到的结果正确可信，和已知资料高度一致，达到了预期效果。

但目前采集控制软件与井中采集系统之间的长距离通讯受地面(遥传)通讯传输速率限制，抑制井中采集系统的采样率，从而限制了仪器分辨率，采集控制软件和井中采集系统之间的通讯效率还有提升空间，值得进一步研究。

致谢：湖北省地质局第一地质大队和地球物理勘探大队提供了试验区地质资料并在试验过程中提供了帮助，在此一并表示感谢。