三分量tem井中磁探頭的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種三分量TEM井中磁探頭，包括：一根用于探測(cè)Z方向的信號(hào)的垂直分量探頭；一根用于探測(cè)X方向和Y方向的信號(hào)的水平分量探頭；微型姿態(tài)傳感器，用于記錄水平分量探頭的方位角和井斜數(shù)據(jù)，該微型姿態(tài)傳感器安裝在所述水平分量探頭的上部。本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)較大的有效面積(垂直探頭有效面積S＝9000m2，水平探頭有效面積S＝2500m2)，可以將瞬變電磁水平探頭Hx、Hy線圈相互影響，抑制道間串?dāng)_和放大器震蕩自激減小到最小，同時(shí)，將姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)、Hz線圈數(shù)據(jù)、Hx、Hy線圈數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以將探頭在井中無(wú)規(guī)律指向時(shí)的數(shù)據(jù)歸一成的正北(磁北)、正東(與磁北正交的東向)、正下(重力加速度方向)三個(gè)方向上瞬變電磁數(shù)據(jù)。
【專利說(shuō)明】三分量TEM井中磁探頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種三分量TEM井中磁探頭，它應(yīng)用于地球物理勘探中電磁法技術(shù)之一，井下瞬變電磁(TEM)勘探的三分量磁場(chǎng)傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]瞬變電磁法也稱時(shí)間域電磁法(Time domain electromagnetic methods),簡(jiǎn)稱TEM，它是一種利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用線圈、磁探頭或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法。簡(jiǎn)單地說(shuō)，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律。衰減過(guò)程一股分為早、中和晚期。早期的電磁場(chǎng)相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度?。欢砥诔煞謩t相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過(guò)測(cè)量、計(jì)算供電歇期各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律(衰減曲線)，可以推斷地下異常地質(zhì)體的電性差異和空間分布形態(tài)。瞬變電磁法是低阻異常填圖和金屬礦、煤田、地下水勘查較為實(shí)用可靠的物探方法之一。
[0003]地面發(fā)射-井中接收的瞬變電磁(地-井TEM)法的研究和發(fā)展始于上世紀(jì)70年代，而研究深入、廣泛應(yīng)用的時(shí)間約為上世紀(jì)80年代中期。
[0004]圖1為瞬變電磁測(cè)井原理不意圖。國(guó)外找礦實(shí)踐表明，地-井TEM已成為一種重要的導(dǎo)電礦體勘探方法，尤其是在地面電磁法工作因礦體埋深太大，或者受地表電性干擾因素(如導(dǎo)電覆蓋、淺部硫化物、地表礦化地層等)影響大的地區(qū)，地-井TEM法的優(yōu)勢(shì)就更加突出。在加拿大、澳大利亞等國(guó)家，地-井TEM法已成為常規(guī)勘查方法，幾乎所有可用的鉆孔都必做地-井TEM測(cè)量，提交地-井TEM資料。
[0005]在國(guó)內(nèi)，自1983年以來(lái)已經(jīng)有不少單位開展地-井TEM的研究工作，在地-井TEM方法技術(shù)和儀器研制方面取得了明顯的進(jìn)展。
[0006]2009年-2013年，在公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目《深井物探和抗干擾電法技術(shù)研究與應(yīng)用示范》的支持下，我們研制成功一套適用于-井TEM勘探的儀器設(shè)備，包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、井下三分量探頭和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序。
[0007]三分量井下探頭是項(xiàng)目需要研制的關(guān)鍵設(shè)備之一。井下三分量探頭的設(shè)計(jì)是采用1+2的方式，即由一根垂直分量探頭(Hz)和一根水平分量探頭(Hx，Hy)實(shí)現(xiàn)三個(gè)分量磁場(chǎng)信號(hào)的采集工作，其中水平探頭，要求同時(shí)把井下X方向和Y方向的磁場(chǎng)信號(hào)同時(shí)傳上來(lái)。
[0008]由于探頭的外徑只有38mm，探頭的長(zhǎng)度也有一定的限制，因此如何在有限空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)垂直探頭(Hz)和水平探頭(Hx、Hy)有較大的有效面積是瞬變電磁水平探頭研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0009]水平探頭的姿態(tài)數(shù)據(jù)與Hx、Hy數(shù)據(jù)需要同時(shí)測(cè)量并傳送到地面接收系統(tǒng)，這是水平探頭研制的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
[0010]目前瞬變電磁接收裝置一股采用線圈或磁探頭。其中:
[0011]線圈接收裝置，使用長(zhǎng)導(dǎo)線，布置一個(gè)單圈或多圈的框，即可接收瞬變電磁信號(hào)。這種接收裝置結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，但在地形復(fù)雜地區(qū)，布置和移動(dòng)較大面積(100m*100m以上)的線框十分困難。
[0012]地面瞬變電磁感應(yīng)探頭，探頭一股采用圓柱型，直徑一股在60-80mm，長(zhǎng)度一股為300-600_。這種接收裝置布置簡(jiǎn)單、移動(dòng)方便。
[0013]井中垂直瞬變電磁探頭，探頭為圓柱型，直徑在35-45mm，長(zhǎng)度在1500-2000mm，可以接收井下垂直(沿井壁方向)的瞬變電磁信號(hào)。
[0014]現(xiàn)有技術(shù)存在以下缺點(diǎn):
[0015]1.線圈接收裝置，設(shè)備成本低，但線框布置比較費(fèi)事，線框移動(dòng)更不容易，特別是較大線框(100m*100m以上)、在不平坦的區(qū)域測(cè)量時(shí)布置和移動(dòng)線框非常困難，而且線框的一致性不好。線框接收裝置，只能測(cè)量垂直方向的瞬變信號(hào)。
[0016]2.地面瞬變電磁感應(yīng)探頭，采用多匝線圈纏繞在高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁芯上，以提高探頭的有效面積。這種接收裝置布置簡(jiǎn)單、移動(dòng)方便，但對(duì)探頭有效面積，探頭信號(hào)輸出噪聲水平有很高的要求。該地面瞬變電磁探頭只有單一分量。如果要進(jìn)行三分量測(cè)量時(shí)，必須將探頭分別放置在Z方向、X方向、Y方向，進(jìn)行三次測(cè)量，才能實(shí)現(xiàn)三分量測(cè)量。
[0017]3.井中垂直瞬變電磁探頭，其實(shí)現(xiàn)方式與地面瞬變電磁探頭類似，這種接收裝置布置簡(jiǎn)單、移動(dòng)方便，但對(duì)探頭有效面積、探頭信號(hào)輸出的噪聲水平要求更高。如果要進(jìn)行類似于井中三分量測(cè)量時(shí)，必須要圍繞井、井旁布置五個(gè)發(fā)射線框(一個(gè)發(fā)射線框以井口為中心，另外分別在井四周對(duì)稱十字型，布置四個(gè)發(fā)射線框，井口在這四個(gè)線框的外圍)，一共需要測(cè)量五次，才能實(shí)現(xiàn)基本的三分量測(cè)量。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0018]鑒于上述，本實(shí)用新型的目的是提供一種三分量TEM井中磁探頭，它可以克服上述缺陷。
[0019]本實(shí)用新型采用的技術(shù)解決方案為:
[0020]一種三分量TEM井中磁探頭，其特征在于包括:
[0021]一根用于探測(cè)Z方向的信號(hào)的垂直分量探頭；
[0022]一根用于探測(cè)X方向和Y方向的信號(hào)的水平分量探頭；
[0023]微型姿態(tài)傳感器，用于記錄水平分量探頭的方位角和井斜數(shù)據(jù)，該微型姿態(tài)傳感器安裝在所述水平分量探頭的上部。
[0024]所述垂直分量探頭包括具有磁芯的垂直分量線圈和垂直分量探頭前置放大器，該線圈由多股漆包線經(jīng)分段用蜂房繞法繞制而成。
[0025]所述水平分量探頭包括空心的Hx線圈、空心的Hy線圈和水平分量探頭前置放大器，Hx線圈、Hy線圈分別在兩個(gè)骨架上繞制，這兩個(gè)骨架按Hx線圈與Hy線圈相互垂直的姿態(tài)連接固定。
[0026]所述微型姿態(tài)傳感器與裝有Hx線圈、Hy線圈和水平分量探頭前置放大器部分的探管采用直插方式硬連接，由雙層密封圈密封，用螺絲固定。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0028]1.可以實(shí)現(xiàn)較大的有效面積(垂直探頭有效面積=9000m2，水平探頭有效面積=2500m2)；
[0029]2.可以將瞬變電磁水平探頭Hx和Hy線圈的相互影響、抑制道間串?dāng)_和放大器震蕩自激減小到最?。?br> [0030]3.對(duì)姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)、Hz線圈數(shù)據(jù)、Hx和Hy線圈數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以將探頭在井中無(wú)規(guī)律指向時(shí)的數(shù)據(jù)歸一成正北(磁北)、正東(與磁北正交的東向)、正下(重力加速度方向)三個(gè)方向上瞬變電磁衰減曲線。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1是瞬變電磁測(cè)井原理示意圖；
[0032]圖2是垂直分量探頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3是水平分量探頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖4是544姿態(tài)傳感器的坐標(biāo)和Hx、Hy線圈示意圖。
[0035]圖中:a發(fā)射線框及發(fā)射電流方向山發(fā)射電流產(chǎn)生的一次場(chǎng)；c井旁的良導(dǎo)體；D良導(dǎo)體產(chǎn)生的二次場(chǎng)；e輸出電纜；f井壁；g井下探頭。
[0036]I輸出電纜；2馬籠頭；3垂直分量探頭前置放大器；4垂直分量探頭前置放大器電池；5垂直分量線圈；6磁場(chǎng)信號(hào)、定位信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)；7544姿態(tài)傳感器；8姿態(tài)傳感器電池；9前置放大器；10Hx、Hy磁場(chǎng)信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)；11前置放大器電池；12Hx分量線圈；13Hy分量線圈；14Hy線圈輸出；15Hx線圈輸出；16姿態(tài)傳感器。

【具體實(shí)施方式】
[0037]本實(shí)用新型涉及一種三分量TEM井中磁探頭，包括:
[0038]一根用于探測(cè)Z方向的信號(hào)的垂直分量探頭；
[0039]一根用于探測(cè)X方向和Y方向的信號(hào)的水平分量探頭；
[0040]微型姿態(tài)傳感器，用于記錄水平分量探頭的方位角和井斜數(shù)據(jù)，該微型姿態(tài)傳感器安裝在所述水平分量探頭的上部。
[0041]所述垂直分量探頭包括具有磁芯的垂直分量線圈和垂直分量探頭前置放大器，該線圈由多股漆包線經(jīng)分段用蜂房繞法繞制而成。
[0042]所述水平分量探頭包括空心的Hx線圈、空心的Hy線圈和水平分量探頭前置放大器，Hx線圈、Hy線圈分別在兩個(gè)骨架上繞制，這兩個(gè)骨架按Hx線圈與Hy線圈相互垂直的姿態(tài)連接固定。
[0043]所述微型姿態(tài)傳感器與裝有Hx線圈、Hy線圈和水平分量探頭前置放大器部分的探管采用直插方式硬連接，由雙層密封圈密封，用螺絲固定。
[0044]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明。
[0045]井下三分量探頭采用1+2的方式，它包括一根垂直分量探頭(Hz)和一根水平分量探頭(Hx，Hy)。對(duì)其結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程詳細(xì)說(shuō)明如下:
[0046]1.垂直分量探頭(Hz)
[0047]探頭線圈部分的繞制是探頭研制的重點(diǎn)，通常使用的有效面積S的計(jì)算公式為:
[0048]S = S0XyXK
[0049]Sci為線圈的物理面積。μ是線圈磁芯的有效導(dǎo)磁率，與磁芯的導(dǎo)磁率μ C1和磁芯的長(zhǎng)徑比對(duì)有關(guān)?？招木€圈的μ = I。K為探頭前置放大器的放大倍數(shù)。
[0050]由此可以看出，提高線圈部分有效面積S的方法是:①提高線圈面積Stlt5②提高磁芯材料的導(dǎo)磁率μ ο。③增加磁芯的長(zhǎng)徑比。
[0051]我們采取的方法是適當(dāng)增加線圈圈數(shù)。為防止線圈圈數(shù)增加后，線圈的分布電容增加，我們采用多股漆包線，分段用蜂房繞法繞制。通過(guò)選擇μ C1較高、高溫特性好的磁芯材料、合適的磁芯的長(zhǎng)徑比對(duì)、多圈蜂房繞繞制、30?40放大器的K值，就可以實(shí)現(xiàn)探頭有效面積S = 9000m2。
[0052]圖2是垂直分量探頭結(jié)構(gòu)示意圖。垂直分量探頭線圈5、垂直分量探頭前置放大器3及其電池4安裝在一根探管內(nèi)。
[0053]2.水平分量探頭
[0054]由于水平分量探頭要輸出兩個(gè)分量(Hx、Hy)，因此需要制作這兩個(gè)分量的線圈，即Hx線圈和Hy線圈。為了減少Hx、Hy線圈之間的相互影響，抑制道間串?dāng)_和放大器震蕩自激，我們采取空心線圈來(lái)制作水平分量線圈?？招腍x線圈和空心Hy線圈分別在兩個(gè)骨架上繞制，每根骨架的圈數(shù)為700圈，Hx、Hy線圈都是1400圈。骨架連接固定時(shí)，必須保證Hx線圈與Hy線圈相互垂直。探頭前置放大器的K = 420，探頭的有效面積達(dá)到2500m2，Hx線圈和Hy線圈相互干擾很小,其幅頻特性曲線也比較一致。
[0055]圖3為水平分量探頭結(jié)構(gòu)示意圖。Hx分量線圈12、Hy分量線圈13、水平分量探頭前置放大器9及其電池11安裝在一根探管內(nèi)。Hx線圈與Hy線圈相互垂直如圖4所示。
[0056]3.水平分量線圈方向與姿態(tài)傳感器坐標(biāo)的的關(guān)系
[0057]實(shí)際工作時(shí)，每口井的測(cè)量分兩步進(jìn)行，首先將垂直探頭依次下放到井中需要測(cè)量的深度位置，記錄每個(gè)位置點(diǎn)的垂直(沿井壁)方向二次場(chǎng)衰減曲線；然后將水平分量探頭依次下放到井中相同的位置，記錄每個(gè)點(diǎn)的Hx、Hy方向二次場(chǎng)衰減曲線。由于Hx、Hy方向受測(cè)井電纜隨機(jī)旋轉(zhuǎn)的影響，會(huì)使得井中各測(cè)點(diǎn)測(cè)得Hx、Hy方向的二次場(chǎng)衰減曲線因探頭位置不同而無(wú)規(guī)律可言。
[0058]為了將測(cè)量得到的Hz、HX、Hy三方向衰減信號(hào)歸一為正北(磁北)、正東(與磁北正交的東向)、正下(重力加速度方向)三個(gè)方向上，需要在測(cè)量Hx、Hy方向衰減信號(hào)時(shí)，同時(shí)記錄水平探頭的旋轉(zhuǎn)角度(方位角)和井斜數(shù)據(jù)。為此，我們?cè)谒教筋^的上部，安裝了一個(gè)測(cè)量姿態(tài)的姿態(tài)傳感器7。
[0059]姿態(tài)測(cè)量選用商品化的由三軸磁通門磁力儀和三軸加速度計(jì)組成的微型姿態(tài)傳感器M0DEL544，M0DEL544與裝有Hx、Hy線圈和水平分量探頭放大器部分的探管采用直插方式硬連接，由雙層密封圈密封，螺絲固定。姿態(tài)傳感器輸出三個(gè)磁分量、三個(gè)重力分量和溫度共7個(gè)參數(shù)。
[0060]我們定義水平分量探頭里相互垂直的兩個(gè)線圈的法線方向分別為Hx和Hy，Hx線圈的法線方向與姿態(tài)傳感器7標(biāo)注的Y方向一致，Hy圈的法線方向與姿態(tài)傳感器7標(biāo)注的Z方向一致，如圖4所示。這樣，只要知道了姿態(tài)傳感器7的旋轉(zhuǎn)角度，也就知道了水平分量線圈的旋轉(zhuǎn)角度。
[0061]4.水平探頭輸出數(shù)據(jù)方式
[0062]下井儀器測(cè)量的信號(hào)是用電纜傳輸?shù)降孛娴慕邮諆x器中的。因受下井電纜芯數(shù)的限制，故很多連線功能都是復(fù)用的。水平探頭輸出的數(shù)據(jù)有三組:探頭姿態(tài)數(shù)據(jù)、Hy磁場(chǎng)信號(hào)、Hx磁場(chǎng)信號(hào)。由接收裝置通過(guò)控制繼電器來(lái)選擇探頭輸出數(shù)據(jù)的類別。除了兩根專門的數(shù)據(jù)接收電纜線芯外，接收裝置另有兩根控制線，一根是姿態(tài)/HyHx輸出控制線，另一根是Hy/Hx輸出控制線。
[0063]當(dāng)姿態(tài)/HyHx控制線為高電平時(shí)，探頭輸出為姿態(tài)信號(hào)；
[0064]當(dāng)姿態(tài)/HyHx控制線為低電平且Hy/Hx控制線為高電平時(shí)，探頭輸出為Hy磁場(chǎng)信號(hào);
[0065]當(dāng)姿態(tài)/HyHx控制線為低電平且Hy/Hx控制線為低電平時(shí)，探頭輸出為Hx磁場(chǎng)信號(hào)。
[0066]5.Hz、Hx、Hy三方向衰減信號(hào)歸一化處理
[0067]通過(guò)姿態(tài)傳感器記錄探頭在每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度及傾斜角度，將各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的Hz、Hx、Hy三個(gè)分量的衰減曲線轉(zhuǎn)換到正北(磁北)、正東(與磁北正交的東向)、正下(重力加速度方向)三個(gè)方向上，再經(jīng)過(guò)瞬變電磁資料處理，解釋和推斷井中、井旁的電性異常情況。
[0068]與前面介紹的瞬變電磁接收裝置相比，通過(guò)本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的三分量探頭，可以實(shí)現(xiàn)較大的有效面積(垂直探頭有效面積S = 9000m2，水平探頭有效面積S = 2500m2)，可以將瞬變電磁水平探頭Hx、Hy線圈相互影響，抑制道間串?dāng)_和放大器震蕩自激減小到最小，同時(shí)，將姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)、Hz線圈數(shù)據(jù)、Hx、Hy線圈數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以將探頭在井中無(wú)規(guī)律指向時(shí)的數(shù)據(jù)歸一成的正北(磁北)、正東(與磁北正交的東向)、正下(重力加速度方向)三個(gè)方向上的瞬變電磁數(shù)據(jù)。
[0069]參考資料
[0070]I耿勝利、趙慶安:MC-01超低鐵芯磁探頭的研制，《傳感器世界》2002年第4期。
[0071]2蔣邦遠(yuǎn)，實(shí)用近區(qū)瞬變電磁法勘探，地質(zhì)出版社，1998。
[0072]3陳鵬萬(wàn)編:電磁學(xué)(高等學(xué)校試用教材)，人民教育出版社，1978。
[0073]4方文藻，瞬變電磁測(cè)深法原理，西安，西安工業(yè)大學(xué)出版社，1993。
[0074]5牛之鏈，時(shí)間域電磁法原理，長(zhǎng)沙，中南工業(yè)大學(xué)出版社，1992。
【權(quán)利要求】
1.一種三分量TEM井中磁探頭，其特征在于包括: 一根用于探測(cè)Z方向的信號(hào)的垂直分量探頭； 一根用于探測(cè)X方向和Y方向的信號(hào)的水平分量探頭； 微型姿態(tài)傳感器，用于記錄水平分量探頭的方位角和井斜數(shù)據(jù)，該微型姿態(tài)傳感器安裝在所述水平分量探頭的上部。
2.如權(quán)利要求1所述的三分量TEM井中磁探頭，其特征在于: 所述垂直分量探頭包括具有磁芯的垂直分量線圈和垂直分量探頭前置放大器，該線圈由多股漆包線經(jīng)分段用蜂房繞法繞制而成。
3.如權(quán)利要求1所述的三分量TEM井中磁探頭，其特征在于: 所述水平分量探頭包括空心的Hx線圈、空心的Hy線圈和水平分量探頭前置放大器，Hx線圈、Hy線圈分別在兩個(gè)骨架上繞制，這兩個(gè)骨架按Hx線圈與Hy線圈相互垂直的姿態(tài)連接固定。
4.如權(quán)利要求1所述的三分量TEM井中磁探頭，其特征在于: 所述微型姿態(tài)傳感器與裝有Hx線圈、Hy線圈和水平分量探頭前置放大器部分的探管采用直插方式硬連接，由雙層密封圈密封，用螺絲固定。
【文檔編號(hào)】G01V3/28GK203930090SQ201420259198
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】馮曉蘭, 杜慶豐, 李麗華, 黃躍 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所