恒流源三侧向电阻率测井模块研制及应用

冯延强，刘富强，布和，于怀远，邵帅

1 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

2 核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830001

3 北京化工大学 信息科学与技术学院，北京 100029

视电阻率测井是砂岩型铀矿地球物理测井中的重要方法之一［1-3］，结合自然电位、声速时差以及自然伽马等参数，达到钻孔地层岩性识别与划分，区分渗透性和非渗透性岩矿层等目的［4-6］。三侧向电阻率测井属于聚焦测井，目前常见有恒流法、恒压法、恒功率法和自由式，其中恒功率与自由式在煤炭、石油测井广泛应用，其测量动态范围大，适用性更强，恒压法适用于低阻剖面，恒流法适用于高阻剖面［7-10］。在砂岩型铀矿测井中，现有三侧向电阻率均采用推靠井壁的测量方式，在与需要居中测量的参数组合应用时存在一定局限性［11-12］。为满足新形势下砂岩型铀矿高效测井需求，研制多参数组合式高效综合测井系统，并进一步提高砂岩型铀矿地层电阻率测量数据对综合测井在岩性识别划分、矿层解释等方面的应用效果［13］，在中核集团集中研发第四代铀矿勘查关键技术研究与示范项目中开展了新一代数字综合测井系统研制，针对目前在煤炭、石油等领域应用较为广泛的恒流法三侧向电阻率测井技术及硬件开展了进一步研究［14-15］，通过采用高电压、高电流运算放大器OPA547 作为恒流源激励输出与控制单元，研制激励控制电路、交流反馈电路以及电压检测电路，实现了满足砂岩型铀矿电阻率测井需求的新型恒流源三侧向电阻率测井模块的研制。该模块能够与自然伽马、定量伽马、井斜、井温、声波以及井径等其他参数同时组合使用，以此来提高砂岩型铀矿地球物理测井作业效率。

1 恒流法三侧向电阻率测井原理

采用的恒流法三侧向电阻率测井是一种被动聚焦地层电阻率测量方法，其电极系结构包括了无穷远端参考电极N，主回路回流电极B，上下屏蔽电极Ap和主电极Ao，屏蔽电极位于主电极两侧且通过绝缘环与主电极连接，主电极A0与屏蔽电极Ap间设计为采样电阻，其整体组成如图1 所示，N 电极与B 电极通过测井绞车铠装电缆外层铠皮连接，B 电极等效为参考电极N，B 电极与Ap电极间为长度约10 m 的绝缘隔离。工作中，恒流源通过回流电极B 和屏蔽电极Ap组成激励输出回路，通过检测主电极Ao与屏蔽电极Ap间的采样电阻r的电压，获取流入目标地层的电流值I，通过检测主电极Ao与回流电极B 之间的电压获取目标地层回路的电压值V，然后利用检测电压值与电流值的比值和电极系数K计算出地层视电阻率值，其中K为三侧向电阻率探管电极系数，由电极系结构尺寸决定。

图1 恒流法三侧向电阻率测井原理图Fig. 1 Principle diagram of three lateral resistivity logging with constant current

2 硬件电路设计与研制

恒流源电阻率测井技术的优势是可通过调整激励输出电流的高低来满足不同范围的电阻率测井需要，其难点是如何实现恒流激励输出，由于待测电阻率负载的变化会对恒流源激励输出信号中流入地层的电流形成反馈干扰，因此研究中针对该关键问题开展了3 个方面的研究，首先是通过选用高电压、高电流的激励输出芯片结合微处理器来实现数字输出控制，较传统模拟电路控制更加灵活；其次，通过交流信号检测电路，实时获取聚焦分流后流入地层电流并进行反馈控制；最后，通过交流负反馈电路将流入地层电流与激励输出电流进行差分比较，实现恒流输出目的。

2.1 OPA547 恒流源控制电路设计及实现

OPA547是一种低功耗、高电压，可大电流输出的运算放大器［16-17］，正负输入电压最大为±30 V、连续输出电流最大为500 mA，电压转化速率为6 V·µs-1，增益带宽乘积为1 MHz，输出关闭时间为1 µs，输出使能时间为3 ms，其在低频失真性能较好，能够满足恒流控制输出的使用需求。

研究中设计的OPA547 双电源恒流源控制电路如图2 所示，通过FPGA 微处理控制器输出频率为256 Hz 的方波激励信号S_256 Hz［18］，通过滤波电路和U25 跟随电路，激励控制信号进入OPA547 管脚1。OPA547 采用±15 V 工作电压，R20、R21、R22 和C39 组成反馈回路，通过R24、R29 和R31 并联功率电阻与R35 反馈电阻来调节输出电流的大小，使能管脚7（E/S）与+15 V 导通，使OPA547 处于连续工作模式，进而实现输入电压激励控制信号转化为电流激励信号输出的电路功能，以此实现了数字可调交流激励信号的输出。

图2 恒流源控制电路原理图Fig. 2 Principle diagram of constant current source control circuit

2.2 交流信号检测电路设计及实现

针对采样电阻电压（VFN）、回流电极B 与屏蔽电极Ap间电压的检测通过电压检测电路实现（图3），其中VFN 与采样阻值换算后即为聚焦分流后流入地层的激励电流I。电压信号经放大电路后进入U30 组成的带通滤波电路，然后再经过U14 和U19 组成的全波整流电路，实现采集正弦信号转化为正半波信号，实测电压检测电路采集电压信号与处理后电压信号如图4 所示，最后检测电压信号经过低通滤波电路，实现将半波信号转化为电平信号，进而实现恒流源三侧向电阻率模块激励电流I（对应VFN）与回路电压V的信号采集与实时反馈。

图3 电压检测电路原理图Fig. 3 Voltage detection circuit

图4 电压检测电路实测信号波形图Fig. 4 Voltage detection circuit measured signal waveform

2.3 反馈恒流电路设计及实现

反馈恒流电路通过对主电极流入采样电阻r电流的监测，获得采样电压经前放电路进行放大后反馈至恒流激励控制电路，在FPGA输出256 Hz 方波信号进入反馈比较电路前通过带通滤波器，然后将方波信号转化为正弦信号，通过比较正弦激励信号与主电极检测反馈信号，利用运放积分反馈电路进而实现输出激励控制信号的稳定输出，实现反馈恒流的目的。

研究中设计的恒流反馈电路如图5 所示，相较图2 恒流源激励控制电路在输入控制信号增加了U21 运放形成的带通滤波电路，主电极Ao采样电阻电压通过U28、U29 运算放大电路后反馈至U21 积分电路，然后输出恒流激励信号S_256 Hz。经检测电流信号负反馈调节后，确保了流入目标地层的激励电流稳定输出。

图5 恒流源反馈控制电路原理图Fig. 5 Principle diagram of constant current source feedback control circuit

3 刻度与应用检验

3.1 探管结构与系数刻度

研究的恒流源三侧向电阻率探管直径为46 mm，主电极Ao长度为10 cm，屏蔽电极Ap与主电极Ao间采用3 cm 长度PEEK 绝缘环，该模块与其他参数组合使用时上端屏蔽电极Ap 长度为165 cm、下端屏蔽电极Ap 为193 cm，多参数组合探管总长为374 cm。

为提高砂岩型铀矿地层电阻率的测量精度，研制模块的响应范围设计为1～1 000 Ωm，电极系数K为6.67，刻度值档位分别为1、3、10、30、100、300 和1 000 Ωm。各档位取20 次测量数据平均作为系数刻度数据，刻度过程数据如表1 所示，可见随着电阻率值的增大，激励电流由1 Ωm 时的404 mA 降低至392 mA，衰减比例为2.97 %。刻度数据拟合系数如图6 所示，线性相关系数R2=0.999 9，可见在刻度范围内，研制的恒流源三侧向电阻率模块的线性响应较好，且刻度后测量值与理论值相对偏差较小，均在±5 %以内。

表1 研制模块系数刻度数据结果统计表Table 1 Statisticsof scale data results for development module coefficient

图6 恒流源三侧向电阻率模块刻度系数线性拟合图Fig. 6 Linear fitting diagram of scale coefficients for the three lateral resistivity module with constant current source

3.2 准确性检验

在系数刻度基础上，利用实验室刻度盒进行了研制模块的准确性检验。在每个刻度档位测量1 组数据，每组数据长度为30 点，通过各组数据实测结果均值与理论结果进行比较，统计相对偏差与各组数据变异系数。实测数据如表2 所示，实测结果与理论结果数据统计见表3。可见，测量结果与标称值相对偏差均在±10 %以内，变异系数随着测量电阻率值减小而增大，满足设计量程范围内准确性误差不超过10 %的指标要求。

表2 研制模块准确性实测数据统计表Fig. 2 Statistics of accuracy measurement data for development modules

3.3 性能指标

结合环境温度试验、功耗测试以及与其他参数组合测试，研制的恒流源三侧向电阻率模块基本性能指标参数：1）仪器耐温：-10～85 ℃；2）探管承压：35 MPa；3）模块尺寸：直径46 mm，Ao电极10 cm，上端Ap为1.65 m，下端Ap为1.93 m；4）测量范围：1～1 000 Ωm（精度：5 %）；5）激励信号：256 Hz正弦波。

3.4 测井应用及对比分析

研制模块与自然伽马、自然电位、定量伽马和声波等参数组合后形成多参数数字化组合探管，在新疆某砂岩型铀矿钻孔进行了实际测井应用，其中研制模块实测三侧向电阻率、组合探管中自然电位、自然伽马在250 至380 m深度测井曲线与地质岩心编录对比如图7 所示。其中，自然伽马曲线343.65 至358.85 m 为铀矿化段引起的高值异常，综合对比可见，在深度281.75、297.50、298.80、325.60、334.00、356.50 以及371.00 m 岩性分界面，研制模块测井曲线变化与地质岩心综合编录结果一致，实际测井应用中具有较好的岩性划分识别效果。

图7 研制模块在某砂岩型铀矿钻孔测井曲线图Fig. 7 Logging curves by the developed module in a sandstone type uranium mine

在砂岩型铀矿钻孔应用的同时，研制模块与其他参数形成的组合探管在某典型煤层钻孔开展了测井应用，其中研制模块测量三侧向电阻率、自然电位以及自然伽马数据曲线如图8 所示，其中163.40 m 深度处为0.56 m 厚度的薄层钙质夹层，170.80 至177.00 m 深度为厚度为6.20 m 的煤层，与地质综合编录岩心对比分析可见，研制模块在不同岩性地层有明显响应，其中163.40 m 深度薄层以及煤层界面等响应较为明显，可见研制模块在交互薄层、岩性分界面等细节显示明显，响应精度较高。

4 结 论

1）针对恒流法视电阻率测井技术中的恒流激励控制电路、交流信号检测电路以及负反馈恒流输出电路等关键电路进行设计与研制，研制了基于OPA547 恒流源的高电压、高电流三侧向电阻率测井模块。

2）通过现场测井试验并对比分析，研制的恒流源三侧向电阻率模块能够满足砂岩型铀矿地球物理测井中视电阻率测井需求，且可与其他参数模块组合使用，能够提高实际应用中测井作业效率。

3）通过综合测井解释与地质综合岩心编录结果对比，研制模块在地层岩性划分、界面识别、薄层和交互层等细节显示明显，响应精度较高。