一種用于探測地下電性結構的井中電磁接收機的制作方法

文檔序號：12457492閱讀：286來源：國知局

本發(fā)明涉及地球物理探測領域，尤其是低頻電磁信號探測，涉及一種用于探測地下電性結構的井中電磁接收機。

背景技術：

電磁法(或叫電磁感應法)是電法勘探的重要分支。該方法主要利用巖礦石的導電性、導磁性和介電性的差異，應用電磁感應原理，觀測和研究人工或天然形成的電磁場的分布規(guī)律(頻率特性和時間特性)，進而解決有關的各類地質問題。

井地電磁法是指在井中供大功率的交流電，在地面接收電磁場信號的一類電磁測深方法。由于激發(fā)場源在井中，因此能夠有效地選擇對所研究的目標體進行最直接、最有效地激發(fā)。相對于傳統(tǒng)地面電磁探測技術來說，該方法很大程度上提高了對目標體的探測范圍和精度。

利用井地電磁方法，可以測量地下介質的視電阻率和視極化率并尋找異常值，分析地下的地質情況，探測石油、礦物的儲量及分布規(guī)律。

視電阻率(apparent resistivity)，是用來反映巖石和礦石導電性變化的參數(shù)。定義：在地下巖石電性分布不均勻(有兩種或兩種以上導電性不同的巖石或礦石)或地表起伏不平的情況下，若仍按測定均勻水平大地電阻率的方法和計算公式求得的電阻率稱之為視電阻率，以符號ρ_s表示，單位和電阻率相同，為Ω·m。

視極化率(apparent chargeability)，是指在多種巖石、礦石存在的情況下(即所謂介質不均勻時)測得的極化率。它是表示直流激發(fā)極化法觀測結果的一個參數(shù)。

地井TEM測量已是一種較成熟的方法，在國外得到了較廣泛的應用，也取得了很多令人矚目成果，但由于各種原因，在我國一直沒有被廣泛的重視和推廣，隨著我國礦產資源不斷的被開發(fā)利用，大批礦山逐漸面臨資源枯竭的危機，急需向礦山深部及外圍尋找新的資源量，在此背景下，地井TEM以其自身的特點和優(yōu)勢被越來越多的人所關注。

瞬變電磁法(TDEM)，是用接地或不接地回線以脈沖電流為場源激勵探測目標感生二次電流，在脈沖間隙測量二次場隨時間變化的響應，因此不存在一次場源的干擾。脈沖是多頻率的合成，不同延時觀測的主要頻率不同，相應時間的場在地層中的傳播深度不同，所以反映的深度也就不同，不同電導率的巖石產生的電磁感應響應就有差異，時間域瞬變電磁法就是利用不同巖石的電導率差異觀測瞬變響應，并計算視電阻率參數(shù)的一種勘探方法。

物化探所的地井三分量TEM依據(jù)TDEM方法，利用磁通門傳感器測量三分量磁場，單一參數(shù)且通道數(shù)有限，在低頻噪聲處理及坑道空間作業(yè)方面存在不足，適應性有待完善。

要得到更準確的探測結果，需要采集多參數(shù)多分量信息，儀器在低頻處的噪聲要更小，同時，設備一體化可以降低整體作業(yè)難度。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術的不足,本發(fā)明提供一種用于探測地下電性結構的井中電磁接收機，用于測量地下介質的視電阻率和視極化率，從而獲取井空周邊的電性異常，它包括井口控制單元、絞車和電纜、井中探管等組成部分，實現(xiàn)磁場分量與電場分量的高精度觀測。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種用于探測地下電性結構的井中電磁接收機，由井口控制單元、絞車和纜線、井中探管組成，井中探管通過纜線連接絞車，井口控制單元連接纜線并控制絞車實現(xiàn)對井中探管的控制。

所述的井中探管為鈦鋼管，鈦鋼管前端設置有前端馬龍頭，鈦鋼管內部設置有電源模塊、通訊模塊、測斜模塊、控制電路、采集電路、上電極、三軸感應線圈磁傳感器、三軸磁通門磁傳感器和下電極。

纜線包括通訊纜及套裝在通訊纜外圍的鎧裝纜，前端馬龍頭將鎧裝纜與通訊纜分離，實現(xiàn)鎧裝纜承載鈦鋼管重力，保證通訊纜不受力；電源模塊包括鋰電池組，實現(xiàn)為井中探管供給電源，通訊纜僅實現(xiàn)通訊功能，區(qū)別于傳統(tǒng)的纜線供電方式，本發(fā)明采用內置電池供電，可有效降低電源模塊對有效電磁信號的干擾；通訊模塊用于井口控制單元與控制電路的長距離通訊；測斜模塊用于測量地磁場三分量獲得探管位于井下作業(yè)時姿態(tài)方位參數(shù)；控制電路讀取采集電路輸出的數(shù)據(jù)流并進行預處理組成數(shù)據(jù)包，在井口控制單元的控制下完成增益、采樣率設置、數(shù)據(jù)讀取、本地保存、數(shù)據(jù)傳輸和狀態(tài)提取工作；采集電路將三軸磁通門磁傳感器、三軸感應線圈磁傳感器、上電極和下電極輸出的電壓信號進行低噪聲放大、濾波、模數(shù)轉換；三軸感應線圈磁傳感器反映磁感應強度變化率，之后輸出至后續(xù)采集電路；三軸磁通門磁傳感器將三軸正交磁場轉換為電壓信號；上電極和下電極為測量Z軸方向的電場Ez。

優(yōu)選的，所述的井口控制單元包括PC和GPS模塊，GPS模塊外部集成GPS天線；探管下井前，PC通過以太網與井中探管進行通訊，完成GPS對鐘、參數(shù)設置、探管電路自檢工作；探管下井后，PC通過USB轉422接口模塊，借助通訊纜與井中探管電路進行通訊，查看當前數(shù)據(jù)采集的狀態(tài)、進度，獲取數(shù)據(jù)初步處理結果；井中數(shù)據(jù)采集結束后，探管提升至地面，PC通過以太網實現(xiàn)大量原始數(shù)據(jù)的快速下載；借助GPS模塊實現(xiàn)時鐘漂移校準。

優(yōu)選的，所述的采集電路包括七道前置放大器OPA、低通濾波器LP、可編程增益放大器PGA、AD緩沖器BUF、基準電源REF、模數(shù)轉換電路ADC、IO隔離器ISO；七道前置放大器包括六道磁道前置放大器和一道電道前置放大器；六道磁道前置放大器中前三道放大三軸磁通門磁傳感器輸出的電壓信號，后三道放大三軸感應線圈磁傳感器輸出的電壓信號；一道電道前置放大器放大上電極和下電極測量Z軸方向的電場Ez的電壓信號；三軸磁通門磁傳感器和三軸感應線圈磁傳感器的電壓信號輸出范圍為±10V；磁道前置放大器增益為0.25；電道前置放大器增益為100。

信號經過前置放大器后進入低通濾波器，低通濾波器-3dB帶寬設置為10kHz，之后進入到可編程增益放大器，可編程增益放大器的增益可設置為1、4、16、64，之后經過AD緩沖器、模數(shù)轉換器、IO隔離器到達后端控制電路，IO隔離器實現(xiàn)前端模擬電路與后端控制電路的電氣隔離。

優(yōu)選的，所述的控制電路包括微控制單元MCU、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA、恒溫晶體振蕩器OCXO、溫度傳感器TS、SD卡、實時時鐘RTC和直流電源轉換器DC/DC；通過現(xiàn)場可編程邏輯門陣列連接IO隔離器，實現(xiàn)控制電路和采集電路的連接；微控制單元分別連接溫度傳感器TS、通訊模塊、測斜模塊、實時時鐘RTC、直流電源轉換器DC/DC和SD卡，通訊模塊連接四芯電纜，直流電源轉換器DC/DC連接鋰電池組。

現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA完成以下幾方面功能：

(1)GPS對鐘、PPS保持、時鐘發(fā)生；

(2)采集電路菊花鏈數(shù)據(jù)讀取、增益控制、邏輯粘連；

(3)數(shù)據(jù)實時數(shù)字濾波。

微控制單元主要完成以下幾方面功能：

(1)與通訊電路的數(shù)據(jù)通訊；

(2)FPGA控制；

(3)數(shù)據(jù)存儲至SD卡；

(4)測斜模塊數(shù)據(jù)通訊；

(5)溫度測量；

(6)GPS授時。

恒溫晶體振蕩器OCXO為系統(tǒng)工作提工高精度時鐘源。

溫度傳感器TS記錄井中探管的環(huán)境溫度。

SD卡用于數(shù)據(jù)存儲，微控制單元讀取現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA中的數(shù)據(jù)后，寫入SD卡本地保存。

實時時鐘RTC為系統(tǒng)提供時間信息。

優(yōu)選的，所述的上電極和下電極為兩個鈦金屬圓環(huán)，它們之間的間隔為50cm。

優(yōu)選的，所述的通訊纜為四芯電纜通訊，RS422標準，借助兩對雙絞線實現(xiàn)井中探管與地面控制單元的全雙工通訊。

優(yōu)選的，所述的電源模塊把鋰電池組電源轉換為+12V、-12V、+5V和+3.3V，其中，±12V給采集電路，+5V和+3.3V給模數(shù)轉換電路，采集電路通過鋰電池單獨供電，與后端控制電路的電源隔離。

優(yōu)選的，所述的AD緩沖器采用THS4521芯片，所述的模數(shù)轉換電路ADC采用ADS1271芯片，所述的基準電源采用REF5025芯片，所述的三軸磁通門磁傳感器選用英國Bartington公司生產的MAG-03LS型號的傳感器。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

(1)本發(fā)明測量范圍包括三分量磁場B及三分量dB/dt和電場垂直分量，即Bx、By、Bz、dBx/dt、dBy/dt、dBz/dt、Ez，實現(xiàn)了多分量和多參數(shù)測量，數(shù)據(jù)實時傳輸速度較快，在低頻處有更低的噪聲，適合深部金屬礦勘查；

(2)本發(fā)明所述的電磁接收機能夠適用于2000m深的井中，抗壓能力較強，適用范圍較廣；

(3)本發(fā)明所述的井口控制單元的PC作為控制端將井中探管各狀態(tài)集中顯示，并完成參數(shù)設置、實時數(shù)據(jù)傳輸、顯示，實現(xiàn)絞車速度控制、收放控制，電纜里程記錄等，方便人工實時了解機器運行狀況；

(4)本發(fā)明的探測結果較為準確，儀器在低頻處的噪聲小，同時，設備一體化可以降低整體作業(yè)難度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結構簡圖；

圖2為本發(fā)明所述的井中探管中各個模塊的分布圖；

圖3為本發(fā)明中井口控制單元的工作時電路原理圖；

圖4為本發(fā)明中采集電路和控制電路的電路原理圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明：

如圖1所示，一種用于探測地下電性結構的井中電磁接收機，由井口控制單元10、絞車11和纜線12、井中探管13組成，井中探管13通過纜線12連接絞車11，井口控制單元10連接纜線12并控制絞車11實現(xiàn)對井中探管13的控制。

如圖2所示，所述的井中探管為鈦鋼管，鈦鋼管前端設置有前端馬龍頭，鈦鋼管內部設置有電源模塊20、通訊模塊21、測斜模塊22、控制電路23、采集電路24、上電極25、三軸感應線圈磁傳感器26、三軸磁通門磁傳感器27和下電極28。

纜線12包括通訊纜及套裝在通訊纜外圍的鎧裝纜，前端馬龍頭將鎧裝纜與通訊纜分離，實現(xiàn)鎧裝纜承載鈦鋼管重力，保證通訊纜不受力；電源模塊20包括鋰電池組，實現(xiàn)為井中探管供給電源，通訊纜僅實現(xiàn)通訊功能，區(qū)別于傳統(tǒng)的纜線供電方式，本發(fā)明采用內置電池供電，可有效降低電源模塊20對有效電磁信號的干擾；通訊模塊21用于井口控制單元10與控制電路23的長距離通訊；測斜模塊22用于測量的地磁場三分量獲得探管位于井下作業(yè)時姿態(tài)方位參數(shù)；控制電路23讀取采集電路24輸出的數(shù)據(jù)流并進行預處理組成數(shù)據(jù)包，在井口控制單元10的控制下完成增益、采樣率設置、數(shù)據(jù)讀取、本地保存、數(shù)據(jù)傳輸和狀態(tài)提取工作；采集電路24將三軸磁通門磁傳感器26、三軸感應線圈磁傳感器26、電極對(上電極25與下電極28)輸出的電壓信號進行低噪聲放大、濾波、模數(shù)轉換；三軸感應線圈磁傳感器26反映磁感應強度變化率，之后輸出至后續(xù)采集電路24；三軸磁通門磁傳感器26將三軸正交磁場轉換為電壓信號；上電極25和下電極26為測量Z軸方向的電場Ez。

如圖3所示，所述的井口控制單元包括PC和GPS模塊，GPS模塊外部集成GPS天線；探管下井前，PC通過以太網與井中探管進行通訊，完成GPS對鐘、參數(shù)設置、探管電路自檢工作；探管下井后，PC通過USB轉422接口模塊，借助通訊纜與井中探管電路進行通訊，查看當前數(shù)據(jù)采集的狀態(tài)、進度，獲取數(shù)據(jù)初步處理結果；井中數(shù)據(jù)采集結束后，探管提升至地面，PC通過以太網實現(xiàn)大量原始數(shù)據(jù)的快速下載；借助GPS模塊實現(xiàn)時鐘漂移校準。

如圖4所示，所述的采集電路包括七道前置放大器OPA、低通濾波器LP、可編程增益放大器PGA、AD緩沖器BUF、基準電源REF、模數(shù)轉換電路ADC、IO隔離器ISO；七道前置放大器包括六道磁道前置放大器和一道電道前置放大器；六道磁道前置放大器中前三道放大三軸磁通門磁傳感器輸出的電壓信號，后三道放大三軸感應線圈磁傳感器輸出的電壓信號；一道電道前置放大器放大上電極和下電極測量Z軸方向的電場Ez的電壓信號；三軸磁通門磁傳感器和三軸感應線圈磁傳感器的電壓信號輸出范圍為±10V；磁道前置放大器增益為0.25；電道前置放大器增益為100。

所述的控制電路包括微控制單元MCU、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA、恒溫晶體振蕩器OCXO、溫度傳感器TS、SD卡、實時時鐘RTC和直流電源轉換器DC/DC；通過現(xiàn)場可編程邏輯門陣列連接IO隔離器，實現(xiàn)控制電路和采集電路的連接；微控制單元分別連接溫度傳感器TS、通訊模塊、測斜模塊、實時時鐘RTC、直流電源轉換器DC/DC和SD卡，通訊模塊連接四芯電纜，直流電源轉換器DC/DC連接鋰電池組。