摘要
钻井工程中发生井漏不仅严重影响安全、快速、低成本钻井，而且会严重污染矿层，影响矿层产量。开展漏失层位置测定方法与仪器的研究，对复杂地质条件下的钻井生产具有十分重要的意义。本文阐述了研发的CLY-1型多参数智能测漏仪的构成、参数采集过程、处理原理、仪器的机械结构和测试情况。采用多参数智能测漏系统的下探管直接接到钻杆或钢丝绳下端投放入孔进行测试，孔内探管沿孔深对泥浆流速（流量）、井温、井压、自然伽马等4种参量进行数值化测试，并将采集数据按一定格式存储到存储器中。探管从井中取出后，与地面电脑系统连接，将采集的数据存到存储器上形成数字文档，向相关人员提供漏涌判层的依据。
有关钻孔漏失判层监测，1974年，国内由中南矿冶学院、西南地质研究所两家单位几乎同时研制出钻孔测漏仪，中南矿冶学院研制的钻孔测漏仪是用干簧管开关电路传递信号的CL-3型钻孔测漏仪。西南地质研究所研制的钻孔测漏仪是用电感式线路传递信号的井下涡轮流量计原理的LWJ电感电桥钻孔式测漏仪，其效果较好。1978年以后，中南工业大学又研制成功LSX-2型钻孔流速流向仪，上海地质仪器厂等单位又研制成功JCL-1型钻孔测漏仪。以上仪器都是基于涡轮流量计的原理，监测静水位漏（涌）水点的位置、相对大小，并可测定垮塌超径孔段的位置和厚度。在推广使用中主要问题是，采用电缆吊测，孔内经常遇卡造成事故，报废仪器，无法使用。在渗漏流量<2 L/min（清水）和6 L/min（泥浆）情况下，不能工作。俄罗斯在解决钻孔漏失判层方面仍采用涡轮流量计的方法，存在同样问题，近年来又研制出P-4型漏层检测仪，依靠孔底压力变化确定漏层位置、强度及孔径扩大或缩小情
总而言之，在钻进多层漏失和涌漏相交的矿区，漏失判层监测技术尚需进一步完善，对漏失量小的矿区，漏失判层监测技术尚未解
CLY-1型多参数智能测漏仪由地面部分和井下部分组成，其组成框图如
图1 CLY-1型多参数智能测漏仪组成
根据CLY-1型多参数智能测漏仪的构成功能，也分为以下3个组成模块：主控硬件电路、程序及通讯模块；底层测量电路及测量程序软硬件模块；上位机主控系统软件模块。主控系统软件模块是运行于PC端，用于存储式CLY-1型多参数智能测漏仪的一个工具软件，其功能包括导出系统中的数据，以及对系统进行各种参数设置等。
主控硬件电路、程序及通讯模块主要用于底层测量环空流量、自然伽马、井温、井压等传感器、电源控制管理、存储部分的通讯、以及底层测量、上位机软件之间的信息交换。
主控硬件电路模块主要包括：一款单片封装的微控制器P89LPC938应用设计；数据采集器LM358（MV358）双运放应用设计（包括：流量、自然伽马、温度、压力等）；底层测量数据信息交换存储设计，E2PROM存储器FM24C512存储器应用；底层测量模块和上位机软件之间的数据信息交换通讯设计，低功耗全双工RS-485收发器设计应用接收发送模块，SP3232串口电路应用设计，低功耗全双工RS-485收发器应用设计；供电系统：DCZC-2065高温电池电路应用设计，系统电源应用设计，LM1117低压差电压稳压器应用设计；ACCESS数据库；Timer定时器。见
图2 主控硬件电路模块
底层测量电路及软硬件模块主要包括：数据采集器、定时开启及数据分组发送模块、消息接收模块和供电模块。数据采集由监测仪主系统完成，它将采集的数据通过串行口发送至定时开启及数据分组打包模块；定时开启及数据分组打包模块由P89LPC938FHN及其外围电路组成，它控制测流量、自然伽马和测温测压的开启和关闭，并且将接收到的数据分割、封装，然后将数据发送至发送模块；消息发送模块通过命令将数据发送至接收中心号码；消息接收模块将所接收的信息送入数据库，再将其连接起来进行分析；供电模块由耐高温高性能蓄电池组成，它能够长时间的供给系统以电能，保证整个采集发送过程的顺利进行。
整个系统信息传输流程如
图3 传输系统流程
P89LPC938是一款单片封装的微控制器，含有多种低成本的封装形式。采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2~4个时钟周期。6倍于标准80C51器件。P89LPC938集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。
P89LPC938包含1个10位、8路逐步逼近式模数转换模块。A/D转换器的原理框图见
图4 A/D转换器原理
选用SP3490和SP3491，它是一系列+3.3 V低功耗的全双工收发器，完全满足RS-485和RS-422串行协议的要求。这两个器件与Sipex SP490、SP491的管脚互相兼容，同时兼容通用工业标准规范。SP3490和SP3491由Sipex的BiCMOS工艺制造而成，可实现低功耗操作，但性能不受影响。它们符合RS-485和RS-422串行协议的电气规范，数据传输速率可高达10 Mbps（带负载）。
选用LM358，里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组，音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
选用FM24C512，是一款512 kb的非易失性存储器，它采用先进的铁电处理技术。
FM24C512以总线速度进行写操作，无须延时。下一个总线周期可以立即开始无需进行数据轮询。另外，FM24C512具有比EEPROM高得多的写操作次数。而且，写操作不需要在内部提升写电路的电源供电电压。
根据法拉第电磁感应定律，当导体做切割磁力线运动时，导体上能感应出与速度成正比的电压，由此定律可推导出流体的体积流量：
| （1） |
式中：B——磁场强度；Ue——感应电压；D——管道内径。
由
流速传感器为2000型电磁流量计短节，流量测量范围3~2000 m³/d。其技术指标见
| 型号 | CDL |
|---|---|
| 外径×长度 | Ø35 mm×260 mm |
| 质量 | 约2.8 kg |
| 供电电压 | 6 V |
| 自检工作电流 | <50 mmA |
| 稳定工作电流 | 约35 mA |
| 主要用途 | 分层注水测量、检漏 |
| 工作温度 | 0~90 ℃（需定制） |
| 工作压力 | 普通型≤50 MPa |
| 连续测量时间 | 由电池容量决定，高温锂电池可达60 h，充电电池组可达8 h |
| 采样周期 | 5~10 s |
| 测量范围 |
3~2000 |
| 精确度 | 示值的±1%或满量程的±0.2%取最大值 |
| 零点温飘 | <0.005%/℃（F·S） |
| 始动流量 |
≤1 |
| 分辨率 |
0.1 |
测温传感器常用的铂电阻有PT100和PT1000两种，PT1000精度高于PT100，PT100主要用于-100~600 ℃，而PT1000的高温一般在200 ℃以下，原因是产生的自热影响其测量精度，因此在本方案中选用PT100作为测温传感器。
主要技术指标：测温传感器LM35AH型；温升0~50 ℃/s；温度指标0~100 ℃；精度±0.3 ℃。
本仪器采用了两种类型的井压传感器，根据实际应用环境选型，以适应低于100 ℃常温环境和高于100 ℃高温环境钻孔测试。
自然伽马测井是沿井身测量岩层的天然伽马射线强度的方法。根据自然伽马测井结果可以划分出钻孔的地质剖面、确定砂泥岩剖面中砂岩泥质含量和定性地判断岩层的渗透性，为钻孔漏失判层提供地层地质依据。
自然伽马传感器：范围500 API；精度5%；灵敏度2.2 CPS/API；碘化钠晶体选用Ø27 mm×160 mm，光电倍增管选用高温CR225-02型。
主控系统软件包括USB/串口通信、读取数据、参数设置、使用说明等4个模块，见
图5 主控系统软件结构
主控系统软件模块功能主要包括：
（1）用于连接和数据信息传输的USB/串行通信模块。
（2）用于读取存储在CLY-1型多参数智能测漏仪中的数据。
（3）用于给CLY-1型多参数智能测漏仪设置参数的参数设置模块。
（4）用于方便用户使用的使用说明。
主控软硬件软件设计主要分为两个部分，一为数据回放模式，二为参数配置模式。
如
图6 数据回放模式软件设计
如
图7 参数配置模式软件设计
（1）压力测量范围0~40 MPa，压力非线性精度≤0.1%。
（2）温度测量范围0~100 ℃，温度准确度≤±0.5 ℃。
（3）流量测量范围0~1223
（4）伽马测量范围0~150 API，自然伽马非线性精度±10 API。
（5）环境温度响应，温升时间≥50 ℃/s。
CLY-1型多参数智能测漏仪（见
图8 CLY-1型多参数智能测漏仪结构示意
研发的CLY-1型多参数智能测漏仪，是利用测漏仪井下探管直接接到钻杆或钢绳下端入井下进行测试，井内探管沿孔深对井内冲洗液流速（流量）、井温、井压、自然伽马等4种参量进行数值化测试，并将测试数据按一定格式存储到井下探管内的存储器中。温升指标0~50 ℃/s，减少了井温测量的滞后等待，使得井温的测量更为准确。通过贵州省赫章县猪拱塘铅锌矿区ZK708、ZK1730孔试验应用证明，本仪器结构轻巧、携带方便，能够适应各种恶劣的钻井环境，且功能齐全，操作简单，自然伽马测试对钻孔围岩岩性的确定，为漏失层位的判据提供更多信息，测量传感器响应快，数据采集更为稳定可靠，能够直接连接到钻杆下入孔内监测，大大缩短了测试时间，提高了测试操作工作效率，为绿色勘察与水平定向钻探技术提供了技术支持。
参考文献
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