智能激發極化測井儀器研制

李俊

摘? 要：激發極化法在地面地球物理勘探中的應用已經有超過了50年的歷史。在勘探深度較淺，地下水位比較高的情況下，可以取得較好的勘探效果。但很少在地質鉆孔中應用激發極化法。其原因是激發極化測量需要較高的體積激發電流密度和復雜的供電、測量程序。受到鉆孔直徑限制和電子測量技術的限制，過去要制造能供出大功率電流、實現復雜供電和測量功能的井下儀器非常困難。隨著勘探深度不斷增加，地面激發極化勘探方法已很少采用。井中激發極化測量工程需求卻在變大。這就需要研制一種智能化、可靠性高、適用行業廣泛的激發極化測井儀器。該文在新儀器開發過程中，研究設計了一套自適應變流激發供電的技術，可以實現對地層的大密度供電，激發出合適的極化電位，得到高置信度的測量信號。儀器采用智能化程控供電、測量和信號處理方式。儀器可以同時進行多種參數采集測量，具有功能強、效果好、工作效率高以及適用面廣泛等特點。

關鍵詞：智能化;激發極化;測井儀器;變流技術

中圖分類號：P631.8 文獻標志碼：A

0 引言

為了能正確評價含金屬或多金屬成分的地層或礦層，就需要采用激發極化測量方法。激發極化要向地層供入極性交變的激發電流，供電激發和自然形成的極化極性一致時，是會增強可觀測的總效應，當供電和自然極化極性方向相反，會減弱可觀測的總效應。這2種情況下的測量結果之差消除了包括自然極化和其他因素構成的自然電位部分。用這樣獲得的激發極化電位參數來評價地層中金屬或多金屬物具有較高的相關性[1]。

激發供電方法是設計激發極化測井儀器首先要解決的問題。要求能產生合適的激發供電電流，能自動根據地層不同、井液電導率不同和井徑大小不同等情況，自適應地供出足夠大的、合適的激發電流。此外，要求井下激發極化儀對激發極化電位的測量要和供電保持嚴格同步，測量的信號要實時處理計算得到可以實際應用的成果數據。為了提高整個鉆孔的物探工作效率，用戶還會希望儀器一次下井可同時測得多種參數，這些都是儀器設計的難點。

1 儀器激發供電部分設計的思路和原理

JJH-1（2）極化率測井儀開發設計分成為2個階段。前期是解決激發供電問題，這是個基本問題，也是最重要的問題和最不容易解決的問題。

受測井電纜總阻抗限制，我們不可能直接由地面設備通過測井電纜給地層供出大的激發電流。所以激發供電必須在井下儀器中解決。

受鉆孔直徑限制，測井儀器體積也不能大。體積小，儀器的元器件就集中在一起發熱。發熱量大是導致儀器可靠性降低的主要原因。所以還要求把儀器自身功耗降低，提高總的用電效率，確保發熱最小[2]。

通過實驗和不斷改進，最后確定了JJH-1（2）極化率測井儀井下激發供電的方案。這套供電方案是一種特殊的變流裝置。方案是由地面提供高壓直流給井下儀器，井下儀器的變流裝置把輸入的高壓、小電流直流電轉換成低壓大電流，再經程控換向開關轉換為交變電流供給地層。地面供給井下直流電的好處是，直流電不會像交流電那樣通過電纜纜芯間的電容耦合到數據纜芯上干擾測量和通信的數據。采用高壓供電的好處是當供電功率一定時，線纜上的電流較小，線纜上的功率損耗會最低。

井下變流裝置采用脈寬調制（PWM）技術進行直流-直流轉換。地面供來的高壓、小電流直流電通過大功率MOS開關管和控制電路，以脈寬調制方式轉變成低壓大電流直流電。脈寬調制技術的轉換器件工作在開關狀態，所以這部分的線性損耗最小，大大減少了裝置自身的發熱量。使得整個變流轉換裝置的體積很小，具有損耗低，效率高的特點[3]。

采用脈寬調制技術能帶來另一個好處，這就是很容易實現智能化數字控制。除了具有體積小、發熱少，可靠性高的要求以外，一個更為關鍵的要求是對地層激發供電的電流，可以由軟件程序控制和調節。這樣才能保證儀器可適用于不同直徑的鉆孔，保證能適用不同類型的地層，保證能適用不同導電率的井液。當實際外部條件不同時，新設計的儀器內部單片機和軟件會自動控制調整激發供電強度。其基本原理是，單片機根據測得的極化信號大小作為反饋信號，隨時自動調節激發供電電流的大小。這樣既能保證極化信號測量狀態是最佳的，又保證了不產生過剩功率，不會引起儀器自身額外的功耗增加。JJH-1（2）極化率測井儀的激發供電方案是一套智能化、自適應的較為先進的方法。實踐證明這種設計有顯著的優越性。圖1是JJH-1（2）極化率測井儀激發供電方案的原理圖。

2 儀器激發極化參數測量原理

JJH-1（2）極化率測井儀設計開發的后期階段主要是解決測量和信號處理問題和儀器機械結構件問題、高壓防水設計、電極材料選型以及野外試驗等問題。

因為JJH-1（2）極化率測井儀中采用了單片機和軟件，極化電位的測量原理就相對簡單。極化電位的觀測要和供電嚴格同步。在地面激發極化儀器中實現同步很麻煩，因為地面激發極化的供電裝置是不移動的，測量電極是頻繁移動的。供電設備和測量設備會相距較遠，兩者的電極是不共線的，要使測量和供電同步就要通過其他手段或裝置。為了方便，過去一般是采用自同步方式的，測量先檢測到一次場，根據一次場信號來同步二次場的采樣時刻。在一次場信號較小時，同步時間測量時間是不精確的。在JJH-1（2）激發極化測井儀中供電和測量電極都是相對固定的。由于供電和測量都是由單片機控制，同步就很容易也可以做到非常準確。為了在測量極化信號時去除自然電位信號，除了增大激發電流外，供電還采用分時雙極性方式進行，這就要求測量程序和供電程序完全嚴格同步和跟隨換向[4]。

在設計JJH-1（2）極化率測井儀時，考慮到為提高整個鉆孔測量的效率、增強儀器適用性能，在測量視極化率的同時還能測量視電阻率和自然電位等信號。這樣一次下井測量就可以同時測得6個參數。所以JJH-1（2）極化率測井儀的測量工作效率較高。圖2是JJH-1（2）極化率測井儀的視極化率和視電阻率測量的原理圖。

儀器采用電位電極系。為了兼顧在國外引用，設計了0.4 m（16英寸）和1.6 m （64英寸）2種極距。各測量放大器由儀器中的單片機控制，量程和增益是由單片機內置軟件實時調整的。測量的視極化率信號經過單片機計算和處理后，再進行基帶波形編碼調制，由長線驅動器傳輸到地面記錄。儀器中的單片機還根據測量的極化率信號質量情況，自適應調整激發電流大小。由于取得最佳測量信號質量是最終目標，以測量信號來調整激勵電流就可以綜合克服孔徑大小、井液導電率不同、地層不同等各種影響因素，保證取得的資料是最佳的。在一般情況下JJH-1（2）極化率測井儀總是可以得到較好的測井質量，測井資料的質量幾乎和操作人員的能力差別無關、不會受人為因素會影響，這種設計思想是較為先進的。

3 JJH-1（2）極化率測井儀和國外同類儀器技術對比

固體礦藏測井設備生產商RG、蒙特和ALT等幾家國外廠商也生產極化率測井儀器。ALT的測量記錄的成果曲線除了有不同電極距的曲線，還有不同電極距不同延時的幾條曲線。在線性極化范圍內，不同延時的極化率曲線完全是一致的，但幅度不同。按延時衰減，衰減規律是二次場的指數衰減規律。國外儀器把這種幅度衰減調制成假彩色的色溫圖，作為測井資料的圖像方式記錄。

JJH-1（2）極化率測井儀設計和國外是同期進行的。輸出的成果數據沒有采用國外公司的彩色色溫圖像記錄方式。這主要考慮到二次場的指數衰減規律是確定的，不同時間的衰減率數學上已經是確定的，記錄用這種衰減率形成的曲線或假彩色圖像并不會增加信息量。另外，考慮到國內測井工作量很大、鉆孔很深，現場需要盡可能提高測井效率。為了盡量減少無信息量的數據，加快有用數據的處理、傳輸和記錄，做到盡可能滿足有關的測井規范要求，JJH-1（2）極化率測井儀測量和記錄的參數是2種極距（電位電極系）的視電阻率ρ16、ρ64和兩種極距的視極化η16、η64，還有自然電位和充電率等6個。

4 儀器使用情況和效益

JJH-1（2）極化率測井儀研制完成后在各地進行了實驗性應用。實驗應用取得了較好的效果。過去在金屬和多金屬鉆孔的地球物理勘探工作中，主要視電阻率、磁化率、磁三分量等參數進行測井。對于非磁性的、和弱磁性的多金屬礦層，一些參數的反映并不很明顯。雖然視電阻率有明顯反映，但不能反映其中的金屬礦物類型。JJH-1（2）極化率測井儀很適合在金屬和多金屬礦的鉆孔中測量。其視電阻率和極化率在礦層的反應相互映照，異常非常顯著。圖3是在西北某地磁鐵礦鉆孔中實測的資料。圖中可見在深度150 m以下的近90 m深度地層上，視電阻率呈現低阻，極化率呈現較高的值。取芯資料表明這個磁鐵礦層有多金屬伴生和巖脈穿插。整體看該井段的視電阻率值都低，不能反映有多金屬共生和巖脈穿插的實際情況。在視極化率曲線上就可以看到磁鐵礦層不是均勻體，有多個小視極化率異常在其中，它們和穿插巖脈是對應的。視極化率總體比較高，這是伴生有色金屬的化學性質活潑和極化電位較高造成的。充電率是用和視極化率相關的參數計算的結果，所以充電率的反映和視極化率曲線是一致的。

5 結論

隨著淺層地球物理勘探逐漸轉到深部地球物理勘探，地面激發極化勘探方法的工作量就在不斷減少。一方面因為地面激發極化儀器勘探深度有限，另一方面是鉆探技術不斷進步，鉆探成本不斷降低，鉆探已經成為非常實用的勘探手段。激發極化方法和儀器普遍應用于鉆孔中。JJH-1（2）極化率測井儀就是為了適應實際勘探深度不斷加深，鉆孔勘探手段不斷增強而開發出來的一套專業儀器設備。設計JJH-1（2）極化率測井儀的過程是一個不斷實驗、改進、不斷設想、創新的過程。在設計中盡可能地將最新的電子技術應用到儀器中去，在設計中運用單片機和軟件編程技術實現了一些可行的、實用的人工智能。JJH-1（2）極化率測井儀的研制設計的思想是比較有新意的，設計中解決了把地面激發儀器功能實現到孔中激發極化儀器中的難度問題，在整個業界的鉆孔地球物理儀器設計中是第一次采用PWM技術和一系列的能自適應功能，大大增強了儀器的性能和適用性。

參考文獻

[1]程志平.電法勘探教程[M].北京：冶金工業出版社，2007.

[2]蔡柏林 .金屬礦鉆孔地球物理勘探[M].北京：地質出版社， 1986.

[3]潘和平.井中激發極化法在礦產資源勘探中的作用[J].物探與化探， 2013，37（4）：620-625.

[4]趙淑琴，李科，胡育強.一種高效的PWM開關電源控制新技術[J].現代電自技術，2007（18）：169-172.