[科普中国]-煤田测井仪

用以在煤田勘探钻孔中沿钻孔剖面测量各岩层各种地球物理参数，并将有关信息传输到地面加以记录的仪器与设备的总称。煤田测井仪一般主要由探管、地面设备和探管升降设备等三部分组成。

探管又称孔下仪器，是孔内测量装置;地面设备包括地面控制仪(通称面板)、深度编码装置和记录采集系统等; 探管升降设备由绞车和电缆等组成。

发展概况最初的测井装置是用电话线把电极系下入钻孔内，在地面用电位计逐点进行不连续测量。根据电话线在孔内的相应长度，确定测点深度，再根据测量成果人工绘制测井曲线。最早出现的专用测井仪是半自动测井仪。这种仪器由控制电缆升降的滑轮驱动记录纸按一定纵向比例与电缆同步移动; 借助人工控制补偿电路，时刻保持电位计补偿平衡;由与其相连接的机械装置使记录笔随补偿电位的大小改变横向位置，从而在记录纸上绘制出与深度相应的测井曲线，实现孔内连续测量。进一步的发展是用模拟电路代替由人工控制的补偿电路，使测井记录过程全部自动化，出现了全自动测井仪。上述测井仪都是用模拟电路处理信号，最终以模拟电压的形式输出探管探测到的沿钻孔剖面各岩层的各种物性数据。这种测井仪，统称模拟测井仪。下图中上为模拟测井仪的基本框图。

20世纪60年代，随着数字技术与计算机技术的发展，出现了数字测井仪。它采用数字电路处理与传输信号，以数字方式沿钻孔深度按一定间隔离散采样，最终按一定格式将各岩层的物性数据记录在磁带或磁盘等介质上。中国在20世纪70年代开始研制数字测井仪，80年代逐步得到广泛的应用。下图中下为数字测井仪的基本框图。

在由模拟测井仪向数字测井仪发展的过程中，还有一些过渡型仪器，其特点是探管探测的信号以模拟形式传输到地面，再经模数转换器变成数字格式记录。数字测井仪一般通过监视屏幕或打印机或绘图仪等计算机外围设备，获得与模拟测井曲线相似的记录。这种记录称为监视记录。1

探管下入钻孔，测量钻孔岩石剖面上各岩层地球物理参数，并将这些信息转换成便于传输的信号的装置。探管外壳一般为圆柱形管，为防止冲洗液渗入，它应能承受一定的压力，多由不锈钢等金属制成，并密封牢靠。探管中安设的元器件及电路应能适应钻孔内温度随深度而变化的环境。由于煤田勘探钻孔直径一般较小，煤田测井仪探管的外径一般都在45～65mm左右。根据某些测井方法的特殊要求，有些探管的外部还装有居中器或各类推靠器，使探管下入钻孔后始终保持居中或贴近孔壁;有些，用加长管使探管轴尽量与钻孔轴保持一致。探管内电路使用的电流通常由地面电源通过电缆向下输送，模拟测井仪以恒压供电为主;数字测井仪则以恒流供电为主; 无电缆测井仪等少数特殊测井仪则采用密封在探管内的电池供电。由于各种测井方法所测量的物理参数不同，因而需使用不同的探管。

电测井探管最简单的自然电位和电阻率模拟测井所用的探管，仅由若干电极构成(见电测井)。复杂的探管则需配有相应的电路，以便在孔内向岩层供电，测量电极之间的电位差，并将其以模拟或数字方式传输至地面。采用数字传输需将电位差进行调制(电压频率转换或模数转换)。侧向测井所用的探管，配有跟踪电路，使中心电极与屏蔽电极保持等电位，不让向岩层供电电流在冲洗液中沿孔轴方向流动。

γ探管曾称自然伽马探管，由γ射线探测器、信号处理与输出电路以及电源等三部分组成。γ射线探测器最早多为盖革计数管，目前已广泛地被闪烁计数器代替。闪烁计数器由NaI、CsI晶体等闪烁荧光体与光电倍增管组成。γ射线射入闪烁荧光体后，会产生具有一定动能的电子，激发荧光体产生闪光脉冲，其闪光亮度与电子的能量成正比，它反映γ射线的能量。光电倍增管可将荧光体的闪光脉冲转换成电脉冲信号，其幅度大小与闪光亮度成正比。光电倍增管输出的电脉冲信号，一般要经过放大、整形等处理，再用功率放大器使其具有一定的功率，然后通过电缆向地面传输。采用数字式记录探管时，这一信号处理还要借助模数转换器，将信号以脉冲计数率(单位时间内的脉冲信号个数)编码通过电缆传输至地面。采用具有能谱测量的γ探管，要对光电倍增管输出的脉冲信号进行幅度分析，并按对应的能量窗，分别统计其脉冲计数率。

电源部分除工作电源外，还配置有直流变换器，以便将地面送来的低压变成高压直流电，以满足光电倍增管工作电压的需要。

密度探管探管的电路与γ探管的电路相似。所不同的是，密度探管内装有产生γ射线的放射源。采用双源距补偿密度测井时，探管内安置有两个探测器及其各自的信号处理电路。密度测井所需的γ射线源，应是能量中等、半衰期较长的放射性同位素，常用的有Co和Cs等。

密度探管的最下端放置射线源，其上方一定距离(20～50cm)处安装由1～2个闪烁计数器组成的探测器。在射线源与探测器之间充填有屏蔽物质用以阻止射线源直接照射探测器。为提高密度测井的垂直分辨率，有些探管在射线源和探测器部位分别装有定向瞄准装置，用以限制放射源的发射方向和探测器的接收方向。为减小孔径及冲洗液的影响，密度探管常配有推靠装置，使探管紧贴孔壁。有的探管将射线源和探测器安装在活动臂上，使它们更贴近孔壁。少数密度探管除具有定向瞄准装置外，还装有居中器，使探管保持位于钻孔中心，以便探测一次散射γ射线。

中子探管探管除使用中子源 (见放射性测井)外，其结构与密度探管类似。中子-γ测井用的探测器，与γ探管或密度探管的探测器相似，中子中子测井使用能探测中子(主要是热中子或超热中子)的中子探测器。

最初的中子探测器多使用三氟化硼BF3正比计数管。它是一种安有正、负电极的圆柱形密封管，管内充有BF3气体，中子射入后，与硼产生核反应生成α粒子，在电场作用下使气体电离产生电脉冲信号。近年来使用的中子探测器主要是~He计数管和铊激活锂玻璃闪烁计数器。前者用He气体代替BF3，其探测效率要比BF3计数管高很多，特别适合于探测热中子和超热中子;后者利用中子与Li产生核反应生成的带电粒子使其发生荧光脉冲。

声波探管发射和接收声波均使用换能器 (电声和声电转换的器件)。目前多使用压电陶瓷等制成的圆柱形换能器，它们既能在电激化下会产生机械振动并形成声波，也能由声波的机械振动产生电振荡信号。

声波探管一般借助居中器使其保持在钻孔中心部位。探管内安置1～2个发射换能器和1～4个接收换能器，两者之间相隔一定距离，并用刻花金属管或橡胶软管等隔声体连接，以阻止声波沿探管直接传播。

声发射电路的功能是，通过自激振荡周期地使发射换能器线圈激化而发射周期性的声波振动脉冲，接收换能器接收到沿岩层界面滑行的声波后立即产生周期性的电振荡信号。接收电路在同步信号控制下，在声波发射后一定时间间隔开始接收信号 (见声波测井)。

组合探管将多种测井方法采用的探测器组合安置在一起，可在钻孔内一次同时测量各岩层多种地球物理参数的探管。煤田测井中常用的组合探管有同时测电阻率、自然电位、γ和散射γ的探管，三侧向、双源距密度、γ和孔径探管，以及具有多种电极距的电阻率和激发极化探管等。由模拟电路构成的组合探管，往往可将反映各种地球物理参数的输出信号分别调制成直流、交流、正极性脉冲和负极性脉冲，并用同一电缆传输至地面，可提高缆芯利用率。由数字电路构成的探管，往往在各个信号分别进行模数转换后，会在采样指令控制下采用串行方式传输。信号调制多采用不归零二进制或频移键控 (FSK) 方式。

地面控制仪又称面板，测井中供给孔内探管所需电源，控制探管工作，接收探管传输来的测量信号并将其处理成一定格式的可供记录的信号的地面装置。模拟式测井，不同测井方法的探管具有不同的信号传输方式，需选用不同的地面控制仪。与组合探管相应的地面控制仪，尚需根据信号的特征，将其分别检拾并传输至各自的处理电路中。数字式测井，不同测井方法的探管都用同一种方式传输信号，可使用同一个地面控制仪。模拟电路的特点是，把测得的各种信号最终处理成直流模拟电压，供记录系统记录。数字电路的特点是，按一定格式编排所测得信号，供采集系统记录。

深度编码装置测井时记录探管所在深度，用以了解测量信号对应岩层深度的地面装置。一般，用固定周长的滑轮来丈量电缆的长度，以确定探管在钻孔内的深度。有时，先在电缆上每隔一个固定距离，制作一个磁性或机械的深度记号，测井时用安置在孔口的记号检拾器识别深度记号，以确定探管的深度。

记录采集系统包括模拟式记录系统和数字式采集系统。①模拟式记录系统。通常用检流计照相或推笔式电动机将各种信号产生的直流电位差记录下来。当电缆运动带动滑轮转动时，借助机械或电驱动记录纸按一定比例移动，记录仪上便可输出沿钻孔深度变化的测井曲线图。②数字采集系统。在采集软件的控制下，按固定深度间隔或时间间隔依次将以一定格式编排的反映各岩层地球物理性质的数据连同深度信号录制在磁盘或磁带上，同时以一定方式绘制测井曲线作为采集监视记录。使用组合探管时，因测定各种地球物理参数的探测器位于探管的不同部位，所记录的深度信息需经一定换算。

探管升降设备包括电缆和绞车。

电缆用来连接地面控制仪与探管的电缆。它除可向探管供电，传输指令与接收信号等电路连接作用外，还要承受探管的重量，保证探管在孔内升降和丈量所测岩层的深度，要具有一定的承载拉力和较小的伸长系数。

测井常用的电缆有橡胶电缆与铠装电缆两类。橡胶电缆的外部裹有绝缘橡胶，中心为若干相互绝缘的导电金属丝缆心，为使其具有较好的导电能力与承载拉力，缆芯多由若干股铜丝和钢丝绞合而成。铠装电缆的外部由若干股钢丝绞合制成，具有较小的伸长系数，在同样直径条件下，它比橡胶电缆具有更大的承载拉力。常用的缆芯有单芯式、三芯式、四芯式和七芯式等。由于测井方法的发展将使测井信息大量增加，因而，光缆将成为测井作业的信号连通器材。

绞车用于控制电缆升降和盘放电缆的设备。目前，恒速绞车已逐渐取代早期使用的普通绞车，可以保证测井时电缆升降速度不变。由于缆芯间的电容与绞车盘放电缆的钢筒会产生电感作用，测井作业时应考虑它们的干扰作用。2

本词条内容贡献者为:

李兵 - 副教授 - 西南大学