电流测井探管的研制及其在地浸工艺钻孔检测中的应用

乔宝强，杨怀杰，吴仙明，朱万锋，胡渤

（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）

在原地浸出铀矿基地的建设、生产中，工艺钻孔建造是其中的关键环节。工艺钻孔建造成孔的质量直接决定其可利用年限及溶浸效果，影响地浸工艺生产其他工序的工作效率和原地浸出铀矿基地铀矿资源的开采率［1］。在工艺钻孔成井阶段采用聚氯乙烯（PVC）套管安装到钻孔中，实践证明，检测聚氯乙烯套管完好程度和过滤器位置的最有效方法应当属电流测井方法［2］。

当前，国内地浸工艺钻孔固井质量检测主要使用的测井仪器为上海地学仪器研究所生产的JMTC-1 探管。核工业北京地质研究院研制的HD-4002 系统中的电流测井方法由于输出电流较小，无法满足固井质量检测的要求。目前，国内地浸砂岩型铀矿开采市场前景广阔，为了适应市场需求，扩大横向市场，我单位在结合实际应用的基础上，重新研制了电流测井探管，形成自主知识产权，摆脱对市场设备的依赖，减少对外设备采购的成本，增强HD-4002 系统的市场竞争力。

本文以通辽钱IV 地区地浸开采项目实践为例，针对该地区对工艺钻孔成井质量检测的要求，研制出的电流测井探管成功检测出PVC套管是否存在漏点，判断出过滤器的位置。

1 电流测井原理

电流测井原理如图1。图中的E 电源采用直流恒压电源。地层、钻井液组成串联电阻，电流探管上的电极A 输出电流束向四周流动，由于PVC 套管的绝缘性，电流IA沿钻井液流向过滤器或PVC 套管漏点，再从地层流向地面电极B，最终返回到E 电源负极，电流检测装置（图中mA）会实时记录输出电流的大小［3］。由于电阻与电流成反比，当A 电极在PVC 套管中钻井液面以上时，电阻无穷大，电流为零，当电极A 进入钻井液后，随着测井深度的增加，电阻减小，电流增大；当电极A 接近PVC 套管漏点时，电流会逐渐变大，在漏点处出现峰值，随着电极A 远离漏点，电流再逐渐变小；当电极A 进入过滤器中，回路电阻变小，电流变大，出现高值平台，这就是电流测量的基本原理。在整个电流测井过程中，电流会呈现整体逐渐变大的趋势。根据电流测井曲线的变化特征，在尖峰信号的峰值处为漏点，在高值平台拐点为过滤器，从而可以检测PVC 套管是否存在漏点或断裂，判断其对应深度，也可检测过滤器位置是否安装正确［4］。

图1 电流测井测量原理图Fig.1 Diagram of current logging principle

2 电流测井探管研制

2.1 探管系统构成

电流测井探管的系统构成如图2。供电电源输出电流流向限流电阻R1，经采样电阻R2到达探管的A 极，再经RE（大地电阻）返回到GND。由于隔离放大器U1输入端的阻抗无穷大，隔离放大器输入的电流几乎为零，因此电源输出电流主要流向R2。隔离放大器U1采集到的R2两端电压输出至差分放大器U2的输入端，其中R3为反馈电阻。U2输出信号再经滤波放大后，模拟输出到数据传输电路，数据传输电路对模拟信号作模/数（A/D）转换，数据编码，再以数字信号的方式输出。数字输出连接到绞车电缆，以双极性编码信号传输到地面控制器。

2.2 供电电源

地面控制器的供电电压为直流110 V，进入井下电流探管后，首先经DC-DC 开关电源模块降压至48 V，然后再由LM317 电压调节芯片对48 V 电压进行调节。采用LM317 芯片，可根据不同地区的大地阻抗调节LM317 的输出电压，本文中的应用地区为通辽钱IV 地块，根据当地的大地阻抗，调节LM317 的输出电压在15～20 V 之间。

2.3 电流测量

电流测量主要包括电流采样、隔离放大和滤波放大三部分。

2.3.1 电流采样

电流采样使用限流电阻加精密采样电阻的方式，限流电阻的作用是在低阻区防止输出电流过大，避免采样电阻两端电压过高，超出隔离放大器测量范围。采样电阻采用精度为0.1%的精密电阻，从而提高电压测量的准确性。采样电阻大小的选取，要考虑流过采样电阻电流的大小和后端隔离放大器输入电压的范围。

2.3.2 隔离放大

图2 电流探管系统构成示意图Fig.2 Schematic block diagram of current probe

图3 数据传输信号波形图Fig.3 Waveform diagram of data transmission signal

隔离放大器采用精密小型隔离放大器ACPL-C79A 芯片［5］，增益放大倍数为8.12 倍，精度为±1%，输入电压线性范围为±300 mV。因此，根据该芯片的特性，采样电阻两端电压要控制在±300 mV 以内。ACPL-C79A 的输入端电源和输出端电源采用两路独立两源，电源不共地，输入端电源由直流-直流（DC-DC）隔离电源模块提供，电压为5 V。

隔离放大器的差分输出电压再通过差分放大电路转换成相对于地信号的单端电压。差分电路中的放大器采用LM324 运算放大器芯片。

2.3.3 滤波放大

滤波放大电路对差分放大电路的输出信号进行滤波、放大和零点调节。滤波分为电阻和电容组成的π 形无源滤波电路和由运算放大器组成的有源滤波［6］电路两种，主要用于滤除高频分量。放大电路采用两级负反馈放大，第一级为固定增益放大，经第一级放大后，正值电压信号转为负值，再经第二级负反馈放大电路后电压转为正值。第二级放大电路增益采用滑动变阻器作为反馈电阻，根据测得电压信号，通过修改滑动变阻器的大小，调整输出模拟电压在可被测量的范围内。

零点调节电压作为第二级运算放大器同向端的输入，与反向输入端的负值电压信号构成加法电路，当被测电流为零时，通过零点电压的调节，确保放大滤波电路的模拟输出为零。

2.4 数据传输

数据传输采用双极性编码的串行数据格式［7］，如图3 所示。串行数据是一帧一帧的发送。一帧数据的宽度为32768 μs，分成8 个道，每道的宽度为4096 μs。D1 至D7 为数据道，D8 为同步道，每个道有16位二进制数，一对正负极性脉冲表示“1”，零电平表示“0”，每位数据的周期为256 μs。同步道有16 对正负极性脉冲。数据道最大可传输14位二进制数，即最多只有14 对正负极性脉冲，以区别于同步道。采用这种数据结构传送数据的优点是信号中没有直流成分，传送数据可靠。地面控制器的基本任务，就是有序地从每帧数据中取出各道信号，并转换成单极性数据进行处理，然后送计算机［8］。

2.5 主要技术参数

本文研制的电流探管型号为DF514，与上海地学仪器研究所生产的JMTC-1 型探管主要技术参数对比如表1。两根探管的主要区别在于探管长度和电流测量范围。由于JMTC-1 是组合探管，除了电流参数外还包括超声阻尼、伽马、温度、方位角、顶角和压力等参数，所以探管较长。DF514 探管的电流测量范围是JMTC-1 探管的近两倍，相比之下，适用的回路电阻范围更宽。

表1 DF514 与JTMC-1 探管主要技术参数对比Table 1 Comparison of main technical parameters of DF514 and JTMC-1 probe

3 测井应用

通辽钱IV 地区地浸工艺钻孔施工示意如图4。在矿段位置放置过滤器，如图4 中402～418 m 之间。过滤器上方为提升装置，提升装置长度为5 m，如图4 中397～402 m 之间。过滤装置与PVC 套管之间采用膨胀隔塞固定［9］。电流测井时，由于提升管内径小于电流测井探管直径，且位于PVC 套管中心位置，电流探管在沿PVC 套管壁下放到提升装置上方后无法进入提升装置，此时电流数据达到最大，且保持不变。因此，根据电流测井曲线判断出提升装置的上方位置后，再加上5 m 长的提升管，即为过滤器的位置。

图4 钻孔施工示意图Fig.4 Schematic diagram of drilling construction

图4中过滤器顶端位置为402 m，提升管顶端位置为397 m，对该施工钻孔的电流测井曲线如图5。该电流曲线反映出，当探管处于提升管上方位置时，由于井液通过提升管内部连接过滤器同岩矿层沟通，回路电流在取样电阻上产生电压降，电流曲线出现极大值，且数据基本保持不变，地面的操作人员根据电流曲线达到最大值后出现拐点的形态可判断探管已到底部。图5 中电流曲线出现拐点的位置在397.1 m，再加上提升管的长度5 m，过滤器的位置即为402.1 m，与图4 中钻孔的施工深度误差为0.1 m，达到PVC 套管施工质量的A 级（0～0.5 m）。

图5 电流测井曲线图Fig.5 Current logging curve

本文中研制的电流测井探管DF514 与JMTC-1 型组合探管在同一个钻孔中开展了对比实验，电流测井对比曲线如图6。DF514 探管的电流数值略大于JMTC-1 型电流探管，原因是DF514 的输出电流较大。但两根探管的曲线形态基本一致。且在390.5 m 的位置均出现了极大值的拐点，说明两根探管测得的提升管位置相同。

图6 JMTC-1 与DF514 电流探管测井曲线对比图Fig.6 Comparison of logging curves between JMTC-1 and DF514 current probe

图7 有漏点钻孔电流测井曲线图Fig.7 Current logging curve of boreholes with leaks

图7 为使用DF514 探管测得的一个有漏点钻孔的电流测井曲线图。该钻孔中共有3 处漏点，分别位于124 m、155.8 m 和307.4 m。从图7 中看出，在有漏点的位置，电流数值均会呈现逐渐变大的趋势，达到峰值后数值再逐渐减小，峰值位置即为漏点。这是因为电流探管在逐渐靠近漏点时，电流会从PVC 套的漏点位置流向地层，与地面电极形成回路，随着探管逐渐靠近漏点，回路电阻变小，在漏点位置电阻达到最小值。当探管下降到漏点以下时，随着探管远离漏点，回路电阻变大，电流数值再次变小。漏点越大，相应的回路电阻越小，电流越大，出现的电流峰值越高，如图7 中307.4 m 处的漏点。与图5 和图6 对比，从图中还可以发现，该钻孔的整体电流数值高于无漏点钻孔中的电流。

4 结论

本文基于电流测井方法在地浸工艺钻孔固井质量检测中的有效性，结合其测井原理，成功研制了电流测井探管DF514，得出如下结论：

1）与目前市场上常用的JMTC-1型组合探管的指标参数及应用对比，验证了其可行性。

2）通过在通辽钱IV 地区的现场应用，准确判断了过滤器的位置，查明了PVC 套管是否存在漏点及存在漏点的位置，进一步验证了该电流测井探管适用于地浸工艺钻孔固井质量检测。

3）形成一套具有自主知识产权的电流测井技术及设备，摆脱了对外市场的依赖。