组合测量装置和测井探管的制作方法

本发明属于矿井测量技术领域，具体涉及一种组合测量装置和测井探管。

背景技术：

我国地浸砂岩型铀矿测井技术源于油田和煤田地球物理测井，长期以来一直采用单参数测井方式，需要用到多根探管例如密度组合探管、定量γ探管、自然电位探管、井斜探管等多根探管依次独立进行测井才能采集到解释所需的数据，在需要测量数据较多时这种方式测井存在测井用时长，工作效率低，测井安全风险大，仪器设备损耗较大，测井成本高等缺点。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的用时长、效率低、成本高的问题，本发明提供了一种组合测量装置和测井探管，其具有集成度高、测井效率高、成本低、设备损耗更低等特点。

本发明所采用的技术方案为：

一种组合测量装置，包括：依次设置在探管中的伽玛三侧向电阻率模块、自电测斜模块、井径井温模块和密度测量模块；

所述伽玛三侧向电阻率模块用于测量矿井的定量γ参数和三侧向电阻率参数；

所述自电测斜模块用于测量矿井的自然电位参数和井斜参数；

所述井径井温模块用于测量矿井的井径参数和井温参数；

所述密度测量模块用于测量矿井的密度参数。

进一步地，所述伽玛三侧向电阻率模块包括依次设置的上接头、不锈钢ap电极、伽玛及三侧向电路和伽玛探测器；

所述上接头设有四芯针座，用于连接电缆头作屏蔽电极用；

所述不锈钢ap电极用于电阻率测量的电流的接头；

所述伽玛及三侧向电路用于基于电流和伽玛探测器采集的数据进行定量γ参数和三侧向电阻率参数的测量。

进一步地，所述上接头和所述不锈钢ap电极之间以及所述不锈钢ap电极和所述伽玛及三侧向电路之间均设有聚砜绝缘段。

进一步地，所述自电测斜模块包括依次设置的自电及测斜电路、铅电极和测斜传感器；

所述自电及测斜电路用于接收所述铅电极和所述测斜传感器的相应数据进行自然电位参数和井斜参数的测量；

其中所述测斜传感器包括顶角传感器和两个方位传感器。

进一步地，所述自电及测斜电路和所述伽玛探测器之间设有聚砜绝缘段。

进一步地，所述自电及测斜电路和所述测斜传感器均设置在铜管外套碳纤维绝缘管内。

进一步地，所述井径井温模块包括依次设置的铜接头、井温及井径测量电路、井径结构、井径臂和下接头；

所述铜接头用于安装加热电阻传感器；

所述井径结构用于井径测量结构件和电机的安装；

所述井径臂设有内藏式井径臂；

所述下接头设有4芯孔座连接电缆；

所述井温及井径测量电路用于井径和井温参数的测量。

进一步地，所述密度测量模块采用nai晶体和光电倍增管进行矿井密度参数的测量。

进一步地，所述下接头的4芯孔座兼容fd-3019接口以便对接fd-3019或密度短接。

根据本发明具体实施方式提供的一种测井探管，其特征在于，包括以上所述的组合测量装置。

本发明的有益效果为：通过将测量装置进行模块化设计分为伽玛三侧向电阻率模块、自电测斜模块、井径井温模块和密度测量模块，可分别同时进行定量γ参数、三侧向电阻率参数、自然电位参数、井斜参数、井径参数、井温参数、密度参数的测量，简化了硬件电路，节约空间，实现了探管体积小型化的目标，提高数据采集与传输的抗干扰能力，提高了工作效率、降低了测井成本，进一步的减小了设备的损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据一示例性实施例提供的组合测量装置的原理图；

图2是根据一示例性实施例提供的组合测量装置的结构图；

图3是根据一示例性实施例提供的定量γ测量电路；

图4是根据一示例性实施例提供的自然电位电路；

图5是根据一示例性实施例提供的电阻率测量电路；

图6是根据一示例性实施例提供的井斜测量电路；

图7是根据一示例性实施例提供的密度测量电路；

图8是根据一示例性实施例提供的井温电路图；

图9是根据一示例性实施例提供的组合探管供电和通信电路。

图中1-上接头；2-聚砜绝缘段；3-不锈钢ap电极；4-伽玛及三侧向电路；5-中间接头；6-伽玛探测器；7-自电及测斜电路；8-铅电极；9-测斜传感器；10-铜接头；11-井温及井径测量电路；12-井径结构；13-井径臂；14-下接头。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

参照图1所示，本发明的实施例提供了一种组合测量装置，包括：依次设置在探管中的伽玛三侧向电阻率模块、自电测斜模块、井径井温模块和密度测量模块；

伽玛三侧向电阻率模块用于测量矿井的定量γ参数和三侧向电阻率参数；

自电测斜模块用于测量矿井的自然电位参数和井斜参数；

井径井温模块用于测量矿井的井径参数和井温参数；

密度测量模块用于测量矿井的密度参数。

具体的，单独短接拆分过细，比如自然电位、井温本来就是传感器加测量电路应用，很少的电路，如果再单独加主控和通讯，整体过于冗余，而且工作效率还低(通讯及通讯切换占用较多的时间)，因此设计中应该合理搭配功能，划分结构。

电路方案设计时，摒弃原来的紧凑整合方案(测量效率高，但通用性低，设计复杂)，采用分离独立模块方案。分离独立模块设计相比紧凑整合方案，测量效率要低些，设计冗余重复器件更多，但功能模块功能专一，通用性高，可以灵活组合搭配，提供了可扩展支持，设计底层方案时需要整体考虑，尽量提高测量效率和合理性，方便后期扩展和组合。原设计需求时要求做到多个单独功能短接的串接模式，由于整体探管长度有要求，如果单独短接装配的话，那么加入的接头长度就不能做到整机长度需求，而且接头过多，活动部位防水和耐压也有一定的隐患。故设计的时候折中处理，电路上使用分离独立模块设计，结构上使用整体探管装配，即达到了独立模块的功能分离，方便后续组合和扩展，有满足了探管物理尺寸的要求，同时可靠性也更高。

又由于要求组合探管长度不超过3m，又需要放置电阻率电极和测斜及井径等占长度尺寸较多的结构部分，所以摒弃外部短接细分的方案。综合考虑采用整体探管结构，内部电路进行细分模块的方案，将其分为四个模块：伽玛三侧向电阻率模块、自电测斜模块、井径井温模块和密度测量模块。

伽玛三侧向电阻率模块：位于最上端，借用电缆接头做屏蔽电极，压缩探管长度的同时达到屏蔽电极长度要求，屏蔽电极能够聚焦发射电流，增大有效测量半径，使实测结果更接近岩层真实电阻率，分层效果更明显。电阻率部分的激励电源放第一级，也避免功率走线过长，引起电流噪声干扰其他测量电路。

自电测斜模块：位于第二级，自然电位电极最佳位置在组合管的底部，避免长探管的金属外壳破环地层中的自然电位原始状态。但底部需要加密度短接，所以放在中间，再在电极两端加接绝缘管，以达到较好的测量效果。两侧空出来位置用来放置线路板和测斜传感器，这个短接可以单独拿出来标定。要求至少传感器外管用铜管或无磁不锈钢管，再两侧整体套碳纤维绝缘管。测斜传感器在整支探管的中部，结构分布也达到最佳探管长度利用。

井径井温模块：位于第三级，井温探头安装在结构接头上，由于靠近测斜磁方位传感器，所以这个接头使用铜连接头，线路板安装在这个铜接头上，井温和井径刚好共用一个ad转换芯片，井径电机控制在这部分线路板上。往下依次是井径结构和井径臂位置，减少探管长度占用。井径测量臂同时用来作为下挂的密度短接推靠臂使用，保证密度短接的有效贴壁。尾部下接头使用4芯孔座，兼容fd-3019接口，方便对接fd-3019或密度测量模块的短接。

密度测量模块，使用同fd-3019探管的24v供电，独立采集长短源距数据，通过同fd-3019的3芯连接方案与井温井径模块预留的接口连接，再通过第三级将数据挂接到主仪器上，保证了两个短接的可互换通用性。同时工作测量时，井径臂的支撑能够保证密度短接的有效贴壁。

并且在实际运用中可采用c8051f201单片机作为主控芯片，其内部集成多路模数转换单元、数模转换单元、i2c、rs232、spi、电压比较、定时计数器等等满足设计需要的处理单元。通过配置相关寄存器，可实现io管脚功能重新定义使设计灵活方便。提高微处理器的利用率从而代替以往大量的外围硬件电路设计，减小电路板布局节省空间。这样在提高了工作效率、降低了测井成本，进一步的减小了设备的损耗的同时提高了装置的集成度，减小了占用的空间。

参照图2所示在本发明的一些具体实施例中，伽玛三侧向电阻率模块包括依次设置的上接头1、不锈钢ap电极3、伽玛及三侧向电路4和伽玛探测器6；

上接头1设有四芯针座，用于连接电缆头作屏蔽电极用；

不锈钢ap电极3用于电阻率测量的电流的接头；

伽玛及三侧向电路4用于基于电流和伽玛探测器6采集的数据进行定量γ参数和三侧向电阻率参数的测量。连接在中间的中间接头5起到固定线路的作用。

具体参照图3和图4所示分别为定量γ电路图和自然电位电路图即伽玛及三侧向电路。定量γ电路由高压电源、核辐射探测器即伽玛探测器、钳位电路、幅度甄别电路、单稳态输出、γ计数电路等模块组成。通过将核辐射探测器发出的负脉冲信号，通过r、l、c元件组成的成型电路进行整形，形成圆滑的钟型脉冲，使甄别电路能有效的检测出γ脉冲。对信号的幅度进行甄别之前，钳位电路把无脉冲电位设置在零电平，避免基线随外界条件产生偏置。甄别电路由阈值比较电压脉冲选择参考电位，输出能量在阈值以上的脉冲信号。甄别电路只能被脉冲幅度相当于30kevγ射线能量换算成模拟电压值大约330mv以上的信号触发。经过甄别后输出的脉冲信号直接加到mcu管脚上进行计数，以达到对γ脉冲的探测。

自然电位测量电路采样信号来自探管上电极m和地面电极n，由于连接电缆为单芯系统，采用七芯十米短电缆，将短电缆上的电极环作为地面参考电极n，以达到测量mn电极的目的。从m、n电极拾取的自然电位信号经隔离放大器放大后得到信号inn，由于井中电磁场对低幅度电信号干扰较强，需对信号进行滤波处理。通过一级一阶有源低通滤波器和一级二阶有源低通滤波器滤波后，将平滑的模拟信号输入微控制器的a/d转换器输入端，进行模数转换，在mcu对输出的自然电位模拟信号进行a/d处理后，mcu内部进行计数及数据处理，然后送入单芯数据传输电路将自然电位信息打包统一向地面传送。

并且在上接头和不锈钢ap电极之间以及不锈钢ap电极和伽玛及三侧向电路之间均设有聚砜绝缘段2，从而起到良好的绝缘隔离作用，避免信号间的干扰。

自电测斜模块包括依次设置的自电及测斜电路7、铅电极8和测斜传感器9；

自电及测斜电路7用于接收铅电极8和测斜传感器9的相应数据进行自然电位参数和井斜参数的测量；

其中测斜传感器9包括顶角传感器和两个方位传感器。

自电及测斜电路7和伽玛探测器6之间设有聚砜绝缘段2，起到避免相互干扰的作用。

自电及测斜电路7和测斜传感器9均设置在铜管外套碳纤维绝缘管内。

具体的，参照图5和图6所示，三侧向电阻率的测量原理与自然电位原理大致相同。核心区别为视电阻率的测量是在人工恒流源环境下采样，自然电位为天然场下测量。测量电路器件组成包括隔离放大器ina117m、整流器、mcu内部模数转换电路、单芯传输电路等。模拟采样信号取自探管电极m和地面参考电极n，测量时需要ab供电电路给电极mn提供一个交变5ma恒流源。采集电路在交变电源的正峰值与负峰值期间对模拟信号进行采集。参考电极n采用十米外接短电缆上的类似电极环。测井数据资料表明，m、n电极相距五米以外就可视为无穷远，对视电阻率的测量数据影响极小。

井斜测量电路基本原理为从三轴重力加速度计和三轴磁强计获取六路模拟传感器信号，经放大滤波后进行进入测斜板mcu模数转换单元；得到的数据由仪器坐标系与大地坐标系的坐标转换以及顶角、方位角、工具面角的九位置解算算法配置测斜初始化文件，可以换算得到探管在井中顶角与方位角信息。

密度测量电路原理图如图7所示，dc/dc1把地面供给的200v转换为本机所需低压电源。dc/dc2把低压转换为光电倍增管所用的高压。自然γ、长、短源距散射γ探测器都是用nai晶体和光电倍增管组成。光电倍增管输出的散射γ信号经电压放大和甄别送到mcu中计数，并转换为单位时间计数率。mcu把测量数据数据处理后一同送到编码输出电路发送到地面。

井径井温模块包括依次设置的铜接头10、井温及井径测量电路11、井径结构12、井径臂13和下接头14；

铜接头10用于安装加热电阻传感器；

井径结构12用于井径测量结构件和电机的安装；

井径臂13设有内藏式井径臂；

下接头14设有4芯孔座连接电缆；

井温及井径测量电路用于井径和井温参数的测量。

参照图8所示的井温测量电路，由电源供电到a、b电极，在m、n电极上测量电压信号的变化，经单片机数字编码后传送到地面仪器。

温度的测量采用小时间常数的pt100铂电阻作为传感器，能快速响应地层中温度的变化，温度信号经单片机数字编码后传送到地面仪器。

下接头的4芯孔座兼容fd-3019接口以便对接fd-3019或密度短接。

fd-3019探头是用于定量划分铀矿层品位及厚度的井下仪器，探管只给其提供工作电源及数据传输通道，这样并不影响该探管的定期标定，使用非常方便。

地面仪器和下井探管是通过测井绞车上缠绕的3000m四芯铠装电缆进行-连接，地面主机将200v的直流电压通过电缆2、3芯供给下井探管，下井探管在接收到经长电缆降压的直流电压，通过探管内的pwm电源电路将其转化为可为探管工作使用的各种电压，而井下仪器所测得的各种数据则是通过1、4芯传送至地面主机与电脑连接进行存储和处理。三侧向电阻率、井径、井斜、自然电位、定量γ、井温测得的数据，通过由单片机at89c2051控制mc8051八选一模拟开关分道传输至地面主机进行处理。

参照图9所示供电开关电源电路将地面仪提供的dc200v电压转换成隔离+24v和-14v和非隔离+12v和-12v等4组电压，再通过ldo滤波稳压给系统供电。其中非隔离电源用于曼码传输部分供电，隔离部分给探管内部系统供电。使用光耦合隔离，保证组合探管为一个独立的供电系统，不受地面电源影响。通信电路包含两部分：曼码传输电路和rs485总线电路。通信主控通过曼码传输电路完成与地面仪的命令解析和数据发送，在获取地面仪的命令后按照项目协议通过rs485总线分发指令和轮询测井数据，再将数据打包组合上传至地面仪，通过地面仪解析还原再关联对应深度数值传送至计算机软件来绘制曲线和记录数据。

整支探管分组合探管和密度短节部分。其中组合探管部分包含三侧向电阻率、自然电位、井斜(方位)、井温、井径等五个测井参数，组合探管的外径为φ50mm，长度为2.8m。其中三侧向电阻率屏蔽电极长度0.6m，三侧向测量电极尺寸为φ50mm*0.06m，使用不锈钢电极；自然电位测量电极尺寸为φ50mm*0.02m，使用铅电极，两侧绝缘套管长度0.5m，使用炭纤维绝缘管；测斜传感器在自然电位测量电极的下方，位于组合探管的中点位置；温度传感器为pt1000热电阻传感器，测温范围-20～150℃，采用侧面凹槽结构安装，使用铜无磁性材料；井径靠臂为圆杆内藏结构，收紧时内藏在探管结构中，井径靠臂长度0.25m，顶端装可替换耐磨合金材料；尾部为四芯连接接头，方便连接fd-3019定量伽玛探管或定制密度短接，密度短节长度0.85m，内置长短源距探测器，底部预留源室挂载位置。

在具体使用时，挂接fd3019短接时，下放测量：自然电位，顶角，方位，温度，定量伽玛；上提测量：三侧向电阻率，井径，定量伽玛(贴壁)。挂接密度短接时，下放测量：自然电位，顶角，方位，温度，密度(不贴壁)，上提测量：三侧向电阻率，井径，密度(贴壁)。

基于同样的设计思路本发明的实施例还提供了一种测井探管，包括以上实施例所述的组合测量装置。其具体实现方式可参照上述实施例所提供的组合测量装置的具体实现方式，本发明在此不再赘述。

本发明上述实施例所提供的组合测量装置和测井探管，以现有成型独立测井技术原理为基础，将部分电路原理进行改进以减小整体架构体积、提高器件利用率，增加信号屏蔽环节使各组数据采集互不干扰，优化电路布局布线以实现电路微型化。在小口径下实现多参数组合探管的设计与研发，从而提高了测井的效率、降低了成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。