煤礦井下隨鉆電阻率測量模型參數

馬 斌

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

煤礦井下隨鉆電阻率測量技術作為一種孔內精細物理探測方法[1-2]，在近水平孔鉆孔施工時，鉆進與電阻率測量交替進行，可得到以孔深延伸方向為剖面的電阻率連續曲線，用來進行煤巖識別、斷裂帶位置判斷、水與瓦斯富集區域標識等地質超前預測[3-6]，并實時指導鉆孔軌跡的延伸方向，并對煤田地質資料進行修正。工程中常采用對稱四級裝置作為煤礦井下隨鉆電阻率測量模型[7-8]，其特點是由供電電極AB 以及測量電極MN 4 個電極構成，且4 個電極等間距分布。為此,對對稱四級測量模型展開研究，分析模型中的電極間距、電極激勵信號、電極加工材料等工程參數，以及對電阻率測量結果的影響，篩選出最適合煤礦井下隨鉆電阻率測量工況的工程參數，指導電阻率測量探管的設計、生產工作，從而更好地服務于煤礦防災治災工作和煤炭資源的安全精細開采，降低開采事故的發生。

1 電極間距

根據石油電阻率測井行業中的橫向測井理論，電極間距與探測深度成正比關系，電極間距越大，電阻率探測深度越深，為此在進行孔內電阻率測量時，要根據探測深度來選擇合適的電極距，使目標地層深度上的電流密度最大，從而實現目標層位電阻率精確探測。

煤礦井下常使用直徑為φ73 mm 的鉆桿進行近水平孔鉆孔施工，隨鉆電阻率測量探管安裝在鉆桿柱的前端，故電極直徑d 也被固定為73 mm[9]。為了研究電阻率探測深度與電極間距之間的關系，將對稱四極裝置做簡化分析，電極間距與電流密度關系簡化模型如圖1，供電電極為AB，測量電極為MN，假設供電電極AB 為點電極，水平分布在測量探管軸線上，且埋在均布地層介質中，A 電極上的電流為正電流，B 電極上的電流為負電流。

2 電極激勵電流

在地球物理勘探領域，主動源電法勘探方法主要有直流電法、低頻交流電法、激發極化法、電磁感應法等，其中電磁感應法主要用于電阻率比較高的巖石層以及石油測井中，直流電法主要用于測量砂、碎石等非導電粒子多的地層。目前國內陸上電法勘探中多使用直流電法[10]，但是直流電法并不適合在井下隨鉆電阻率測量中使用，因為鉆孔施工時常用礦井生產水作為鉆井液，鉆孔內充滿具備導電離子的電解液，且電阻率測量探管的A、B、M、N 4 個電極的電極間距僅為220 mm，距離較近，若給電阻率測量探管的供電電極施加直流激勵，會在供電電極兩端產生極化效應和電容效應，從而影響電阻率的測量結果。

1）極化效應。在給探管供電電極施加直流激勵的過程中，鉆孔內淺表地層中的孔隙水和供電電極之間構成原電池效應，供電電極電勢與孔隙水中產生的電勢相反，使流入孔內地層深處的電流減少，相當于增加了地層的等效電阻，影響了電阻率的測量深度。

2）電容效應。電容效應是由孔內淺表地層孔隙水中的電解質電容和電極引線分布電容共同引起的。若給探管供電電極通入直流激勵信號，由于存在電容效應，相當于在電流通路中串入了1 個電容性負載，而電容起到阻礙直流信號傳輸的作用，使供電電極間流入孔內地層中的電流減小，影響了電阻率測量結果。相反，如果給供電電極通入交流激勵電流后，交流電流可以通過等效電容，對孔內地層電阻率測量產生的影響較小。

根據以上分析，為了有效減少或消除極化效應和電容效應對孔內地層電阻率測量結果的影響，在設計隨鉆電阻率測量探管時，應采用交流電流作為電極的激勵信號。在前期模擬實驗中，利用ATTEN函數發生器分別產生交流方波信號和交流正弦信號經功率驅動后加載到供電電極AB，并用示波器獲得測量電極MN 上的電壓信號波形，采用方波激勵信號和正弦波激勵信號下測量電極上得到的波形圖如圖2。

圖2 方波激勵信號和正弦波激勵信號下測量電極上得到的波形圖Fig.2 Waveforms obtained from measuring electrodes under square wave and sine wave excitation signals

由圖2 可知，采用方波交流激勵時，在測量電極MN 上得到的方波電壓信號在邊沿上具有過沖現象，且在信號上升沿和下降沿疊加了很多的高頻諧波干擾，后續信號調理和信號采集電路很難濾除掉方波中的高頻干擾和信號過沖，增加了電路設計的復雜性并影響了電阻率的測量精度。而采用正弦波作為供電電極AB 的激勵源時，在測量電極MN 上會得到噪聲比較小的正弦信號，無高頻諧波干擾，方便于在微處理器中進行FFT、數字相關等以正弦信號為處理對象的數字信號處理方法，因此，應采用正弦激勵電流作為電極激勵電流。

在陸地上常用的電阻率測量方法中，不同電阻率測量方法對應的激勵電流頻率關系見表1。

表1 不同測量方法所對應的激勵電流頻率Tab.1 Frequency of excitation current corresponding to different measurement methods

隨鉆電阻率測量屬于傳導電阻率測量法，由表1 可知，激勵電流頻率應該選在0.2～2 kHz 范圍內，綜合比較，在設計電阻率測量探管電路時，應利用微處理器和直接數字頻率合成技術，使激勵電流頻率可在0.2～2 kHz 之間靈活調整，最終通過標準樣品試樣的方法確定出最佳激勵電流頻率。

3 電極供電方式

電阻率類測量儀器常見的電極供電方式有恒流式供電、自由式供電2 種[11]，其各自的特點如下：

1）恒流式供電。在給供電電極AB 供電時，通過運放等恒流源，保持電流I 恒定不變，通過檢測測量電極MN 電極間的電位差來計算地層的電阻率，顯然根據歐姆定律，被測量地層電阻率越大，測量電極上得到的電位差就越大，電阻率值的測量誤差就會越小，因此恒流式供電適合測量高電阻率地層。由于供電電流I 恒定，在被測地層的電阻率變化比較大時，就要求信號采集電路的動態范圍要足夠寬，甚至最大采集電壓與最小采集電壓相差上萬倍，這給電路設計造成了困難，會造成測量小信號時放大倍數不夠，而測量大信號時因放大倍數大造成飽和失真現象。

2）自由式供電。供電電極上激勵電流既不作恒流限制也不作恒壓限制，在做電阻率測量時，同時測量供電電極AB 上的電流值I 和測量電極MN 上的電壓差△v，電壓電流值作求商處理便可以得到電阻率值，由于電壓電流均可以適應地層的電阻率而變化，因此可以測量的地層電阻率范圍寬。設計信號采集電路時，雖然增加了電路的復雜性，但降低了信號采集電路對寬動態范圍自適應的要求。

在煤礦井下隨鉆電阻率測量時，經常遇到煤層的電阻率高，而遇到泥巖等富水地層時電阻率低，同一鉆孔內電阻率變化較大的現象，因此不適合采用恒流供電方式?；谝陨? 種供電方式各自的特點，并考慮煤礦井下孔內電阻率測量的具體工況，電極供電方式應采用自由式供電。

4 電極材料

電極材料的選擇對電阻率測量結果的精確性，以及電阻率探管長期工作的可靠性等方面有著重要的影響[12]。為了降低干擾，減小檢測誤差，電極材料自身的電阻不宜過大，電極的環電極形狀決定了電極材料應具備良好的可加工性，電阻率探管長期在孔內工作，要求電極材料應具備抗腐蝕，抗老化等特征；電極材料還應具備耐磨性，通過比較常見導電金屬材料的綜合性能發現，海洋工業中常用的錫黃銅具有良好的導電性能[13]，良好的抗腐蝕性能和耐磨性，同時易切削，易焊接，具備良好的冷熱加工性能，因此錫黃銅最適合制作電阻率測量探管的電極。

5 結 語

以煤礦井下隨鉆測量時使用的對稱四級裝置模型為研究目標，詳細展開了裝置模型中最優電極間距的理論分析計算，得到了探測深度與電極間距之間的最優解，并展開了電極激勵信號的研究，通過調研以及實驗的方法，得到了在隨鉆電阻率測量工況下，正弦交流激勵電流為電極最好的激勵電流，闡述了自由供電方式對隨鉆電阻率測量工況的適用性，最后通過分析對電極材料的要求，選取了錫黃銅作為最佳電極材料，這些結論可用于指導電阻率測量探管的生產試制工作，使電阻率測量探管具備更好的工況適用性、測量準確性及工作可靠性，從而更好的服務于煤礦井下精細勘探與防災治災工作。