三分量tem井中磁探头的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种三分量TEM井中磁探头，包括：一根用于探测Z方向的信号的垂直分量探头；一根用于探测X方向和Y方向的信号的水平分量探头；微型姿态传感器，用于记录水平分量探头的方位角和井斜数据，该微型姿态传感器安装在所述水平分量探头的上部。本实用新型可以实现较大的有效面积(垂直探头有效面积S＝9000m2，水平探头有效面积S＝2500m2)，可以将瞬变电磁水平探头Hx、Hy线圈相互影响，抑制道间串扰和放大器震荡自激减小到最�。保颂饬渴�、Hz线圈数据、Hx、Hy线圈数据经过计算，可以将探头在井中无规律指向时的数据归一成的正北(磁北)、正东(与磁北正交的东向)、正下(重力加速度方向)三个方向上瞬变电磁数据。
【专利说明】三分量TEM井中磁探头
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种三分量TEM井中磁探头，它应用于地球物理勘探中电磁法技术之一，井下瞬变电磁(TEM)勘探的三分量磁场传感器。
【背景技术】
[0002]瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods),简称TEM，它是一种利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁�。谝淮温龀宕懦〖湫诩洌孟呷�、磁探头或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。衰减过程一股分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度�。欢砥诔煞衷蛳嗟庇谄德视蛑械牡推党煞郑ゼ趼鞣羯疃却�。通过测量、计算供电歇期各个时间段的二次场随时间变化规律(衰减曲线)，可以推断地下异常地质体的电性差异和空间分布形态。瞬变电磁法是低阻异常填图和金属矿、煤田、地下水勘查较为实用可靠的物探方法之一。
[0003]地面发射-井中接收的瞬变电磁(地-井TEM)法的研究和发展始于上世纪70年代，而研究深入、广泛应用的时间约为上世纪80年代中期。
[0004]图1为瞬变电磁测井原理不意图。国外找矿实践表明，地-井TEM已成为一种重要的导电矿体勘探方法，尤其是在地面电磁法工作因矿体埋深太大，或者受地表电性干扰因素(如导电覆盖、浅部硫化物、地表矿化地层等)影响大的地区，地-井TEM法的优势就更加突出。在加拿大、澳大利亚等国家，地-井TEM法已成为常规勘查方法，几乎所有可用的钻孔都必做地-井TEM测量，提交地-井TEM资料。
[0005]在国内，自1983年以来已经有不少单位开展地-井TEM的研究工作，在地-井TEM方法技术和仪器研制方面取得了明显的进展。
[0006]2009年-2013年，在公益性行业科研专项经费项目《深井物探和抗干扰电法技术研究与应用示范》的支持下，我们研制成功一套适用于-井TEM勘探的仪器设备，包括发射机、接收机、井下三分量探头和相应的数据处理程序。
[0007]三分量井下探头是项目需要研制的关键设备之一。井下三分量探头的设计是采用1+2的方式，即由一根垂直分量探头(Hz)和一根水平分量探头(Hx，Hy)实现三个分量磁场信号的采集工作，其中水平探头，要求同时把井下X方向和Y方向的磁场信号同时传上来。
[0008]由于探头的外径只有38mm，探头的长度也有一定的限制，因此如何在有限空间内，实现垂直探头(Hz)和水平探头(Hx、Hy)有较大的有效面积是瞬变电磁水平探头研制的关键技术之一。
[0009]水平探头的姿态数据与Hx、Hy数据需要同时测量并传送到地面接收系统，这是水平探头研制的另一个关键技术。
[0010]目前瞬变电磁接收装置一股采用线圈或磁探头。其中:
[0011]线圈接收装置，使用长导线，布置一个单圈或多圈的框，即可接收瞬变电磁信号。这种接收装置结构最简单，但在地形复杂地区，布置和移动较大面积(100m*100m以上)的线框十分困难。
[0012]地面瞬变电磁感应探头，探头一股采用圆柱型，直径一股在60-80mm，长度一股为300-600_。这种接收装置布置简单、移动方便。
[0013]井中垂直瞬变电磁探头，探头为圆柱型，直径在35-45mm，长度在1500-2000mm，可以接收井下垂直(沿井壁方向)的瞬变电磁信号。
[0014]现有技术存在以下缺点:
[0015]1.线圈接收装置，设备成本低，但线框布置比较费事，线框移动更不容易，特别是较大线框(100m*100m以上)、在不平坦的区域测量时布置和移动线框非常困难，而且线框的一致性不好。线框接收装置，只能测量垂直方向的瞬变信号。
[0016]2.地面瞬变电磁感应探头，采用多匝线圈缠绕在高导磁率的铁氧体磁芯上，以提高探头的有效面积。这种接收装置布置简单、移动方便，但对探头有效面积，探头信号输出噪声水平有很高的要求。该地面瞬变电磁探头只有单一分量。如果要进行三分量测量时，必须将探头分别放置在Z方向、X方向、Y方向，进行三次测量，才能实现三分量测量。
[0017]3.井中垂直瞬变电磁探头，其实现方式与地面瞬变电磁探头类似，这种接收装置布置简单、移动方便，但对探头有效面积、探头信号输出的噪声水平要求更高。如果要进行类似于井中三分量测量时，必须要围绕井、井旁布置五个发射线框(一个发射线框以井口为中心，另外分别在井四周对称十字型，布置四个发射线框，井口在这四个线框的外围)，一共需要测量五次，才能实现基本的三分量测量。
实用新型内容
[0018]鉴于上述，本实用新型的目的是提供一种三分量TEM井中磁探头，它可以克服上述缺陷。
[0019]本实用新型采用的技术解决方案为:
[0020]一种三分量TEM井中磁探头，其特征在于包括:
[0021]一根用于探测Z方向的信号的垂直分量探头；
[0022]一根用于探测X方向和Y方向的信号的水平分量探头；
[0023]微型姿态传感器，用于记录水平分量探头的方位角和井斜数据，该微型姿态传感器安装在所述水平分量探头的上部。
[0024]所述垂直分量探头包括具有磁芯的垂直分量线圈和垂直分量探头前置放大器，该线圈由多股漆包线经分段用蜂房绕法绕制而成。
[0025]所述水平分量探头包括空心的Hx线圈、空心的Hy线圈和水平分量探头前置放大器，Hx线圈、Hy线圈分别在两个骨架上绕制，这两个骨架按Hx线圈与Hy线圈相互垂直的姿态连接固定。
[0026]所述微型姿态传感器与装有Hx线圈、Hy线圈和水平分量探头前置放大器部分的探管采用直插方式硬连接，由双层密封圈密封，用螺丝固定。
[0027]与现有技术相比，本实用新型具有以下优点:
[0028]1.可以实现较大的有效面积(垂直探头有效面积=9000m2，水平探头有效面积=2500m2)；
[0029]2.可以将瞬变电磁水平探头Hx和Hy线圈的相互影响、抑制道间串扰和放大器震荡自激减小到最小；
[0030]3.对姿态测量数据、Hz线圈数据、Hx和Hy线圈数据进行计算，可以将探头在井中无规律指向时的数据归一成正北(磁北)、正东(与磁北正交的东向)、正下(重力加速度方向)三个方向上瞬变电磁衰减曲线。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是瞬变电磁测井原理示意图；
[0032]图2是垂直分量探头结构示意图；
[0033]图3是水平分量探头结构示意图；
[0034]图4是544姿态传感器的坐标和Hx、Hy线圈示意图。
[0035]图中:a发射线框及发射电流方向山发射电流产生的一次�。籧井旁的良导体；D良导体产生的二次场；e输出电缆；f井壁；g井下探头。
[0036]I输出电缆；2马笼头；3垂直分量探头前置放大器；4垂直分量探头前置放大器电池；5垂直分量线圈；6磁场信号、定位信号输出转换开关；7544姿态传感器；8姿态传感器电池；9前置放大器；10Hx、Hy磁场信号输出转换开关；11前置放大器电池；12Hx分量线圈；13Hy分量线圈；14Hy线圈输出；15Hx线圈输出；16姿态传感器。
【具体实施方式】
[0037]本实用新型涉及一种三分量TEM井中磁探头，包括:
[0038]一根用于探测Z方向的信号的垂直分量探头；
[0039]一根用于探测X方向和Y方向的信号的水平分量探头；
[0040]微型姿态传感器，用于记录水平分量探头的方位角和井斜数据，该微型姿态传感器安装在所述水平分量探头的上部。
[0041]所述垂直分量探头包括具有磁芯的垂直分量线圈和垂直分量探头前置放大器，该线圈由多股漆包线经分段用蜂房绕法绕制而成。
[0042]所述水平分量探头包括空心的Hx线圈、空心的Hy线圈和水平分量探头前置放大器，Hx线圈、Hy线圈分别在两个骨架上绕制，这两个骨架按Hx线圈与Hy线圈相互垂直的姿态连接固定。
[0043]所述微型姿态传感器与装有Hx线圈、Hy线圈和水平分量探头前置放大器部分的探管采用直插方式硬连接，由双层密封圈密封，用螺丝固定。
[0044]下面结合附图详细说明。
[0045]井下三分量探头采用1+2的方式，它包括一根垂直分量探头(Hz)和一根水平分量探头(Hx，Hy)。对其结构及工作过程详细说明如下:
[0046]1.垂直分量探头(Hz)
[0047]探头线圈部分的绕制是探头研制的重点，通常使用的有效面积S的计算公式为:
[0048]S = S0XyXK
[0049]Sci为线圈的物理面积。μ是线圈磁芯的有效导磁率，与磁芯的导磁率μ C1和磁芯的长径比对有关。空心线圈的μ = I。K为探头前置放大器的放大倍数。
[0050]由此可以看出，提高线圈部分有效面积S的方法是:①提高线圈面积Stlt5②提高磁芯材料的导磁率μ ο。③增加磁芯的长径比。
[0051]我们采取的方法是适当增加线圈圈数。为防止线圈圈数增加后，线圈的分布电容增加，我们采用多股漆包线，分段用蜂房绕法绕制。通过选择μ C1较高、高温特性好的磁芯材料、合适的磁芯的长径比对、多圈蜂房绕绕制、30?40放大器的K值，就可以实现探头有效面积S = 9000m2。
[0052]图2是垂直分量探头结构示意图。垂直分量探头线圈5、垂直分量探头前置放大器3及其电池4安装在一根探管内。
[0053]2.水平分量探头
[0054]由于水平分量探头要输出两个分量(Hx、Hy)，因此需要制作这两个分量的线圈，即Hx线圈和Hy线圈。为了减少Hx、Hy线圈之间的相互影响，抑制道间串扰和放大器震荡自激，我们采取空心线圈来制作水平分量线圈。空心Hx线圈和空心Hy线圈分别在两个骨架上绕制，每根骨架的圈数为700圈，Hx、Hy线圈都是1400圈。骨架连接固定时，必须保证Hx线圈与Hy线圈相互垂直。探头前置放大器的K = 420，探头的有效面积达到2500m2，Hx线圈和Hy线圈相互干扰很小,其幅频特性曲线也比较一致。
[0055]图3为水平分量探头结构示意图。Hx分量线圈12、Hy分量线圈13、水平分量探头前置放大器9及其电池11安装在一根探管内。Hx线圈与Hy线圈相互垂直如图4所示。
[0056]3.水平分量线圈方向与姿态传感器坐标的的关系
[0057]实际工作时，每口井的测量分两步进行，首先将垂直探头依次下放到井中需要测量的深度位置，记录每个位置点的垂直(沿井壁)方向二次场衰减曲线；然后将水平分量探头依次下放到井中相同的位置，记录每个点的Hx、Hy方向二次场衰减曲线。由于Hx、Hy方向受测井电缆随机旋转的影响，会使得井中各测点测得Hx、Hy方向的二次场衰减曲线因探头位置不同而无规律可言。
[0058]为了将测量得到的Hz、HX、Hy三方向衰减信号归一为正北(磁北)、正东(与磁北正交的东向)、正下(重力加速度方向)三个方向上，需要在测量Hx、Hy方向衰减信号时，同时记录水平探头的旋转角度(方位角)和井斜数据。为此，我们在水平探头的上部，安装了一个测量姿态的姿态传感器7。
[0059]姿态测量选用商品化的由三轴磁通门磁力仪和三轴加速度计组成的微型姿态传感器M0DEL544，M0DEL544与装有Hx、Hy线圈和水平分量探头放大器部分的探管采用直插方式硬连接，由双层密封圈密封，螺丝固定。姿态传感器输出三个磁分量、三个重力分量和温度共7个参数。
[0060]我们定义水平分量探头里相互垂直的两个线圈的法线方向分别为Hx和Hy，Hx线圈的法线方向与姿态传感器7标注的Y方向一致，Hy圈的法线方向与姿态传感器7标注的Z方向一致，如图4所示。这样，只要知道了姿态传感器7的旋转角度，也就知道了水平分量线圈的旋转角度。
[0061]4.水平探头输出数据方式
[0062]下井仪器测量的信号是用电缆传输到地面的接收仪器中的。因受下井电缆芯数的限制，故很多连线功能都是复用的。水平探头输出的数据有三组:探头姿态数据、Hy磁场信号、Hx磁场信号。由接收装置通过控制继电器来选择探头输出数据的类别。除了两根专门的数据接收电缆线芯外，接收装置另有两根控制线，一根是姿态/HyHx输出控制线，另一根是Hy/Hx输出控制线。
[0063]当姿态/HyHx控制线为高电平时，探头输出为姿态信号；
[0064]当姿态/HyHx控制线为低电平且Hy/Hx控制线为高电平时，探头输出为Hy磁场信号;
[0065]当姿态/HyHx控制线为低电平且Hy/Hx控制线为低电平时，探头输出为Hx磁场信号。
[0066]5.Hz、Hx、Hy三方向衰减信号归一化处理
[0067]通过姿态传感器记录探头在每一个测点的旋转角度及倾斜角度，将各测点测得的Hz、Hx、Hy三个分量的衰减曲线转换到正北(磁北)、正东(与磁北正交的东向)、正下(重力加速度方向)三个方向上，再经过瞬变电磁资料处理，解释和推断井中、井旁的电性异常情况。
[0068]与前面介绍的瞬变电磁接收装置相比，通过本实用新型实现的三分量探头，可以实现较大的有效面积(垂直探头有效面积S = 9000m2，水平探头有效面积S = 2500m2)，可以将瞬变电磁水平探头Hx、Hy线圈相互影响，抑制道间串扰和放大器震荡自激减小到最�。保颂饬渴�、Hz线圈数据、Hx、Hy线圈数据经过计算，可以将探头在井中无规律指向时的数据归一成的正北(磁北)、正东(与磁北正交的东向)、正下(重力加速度方向)三个方向上的瞬变电磁数据。
[0069]参考资料
[0070]I耿胜利、赵庆安:MC-01超低铁芯磁探头的研制，《传感器世界》2002年第4期。
[0071]2蒋邦远，实用近区瞬变电磁法勘探，地质出版社，1998。
[0072]3陈鹏万编:电磁学(高等学校试用教材)，人民教育出版社，1978。
[0073]4方文藻，瞬变电磁测深法原理，西安，西安工业大学出版社，1993。
[0074]5牛之链，时间域电磁法原理，长沙，中南工业大学出版社，1992。
【权利要求】
1.一种三分量TEM井中磁探头，其特征在于包括: 一根用于探测Z方向的信号的垂直分量探头； 一根用于探测X方向和Y方向的信号的水平分量探头； 微型姿态传感器，用于记录水平分量探头的方位角和井斜数据，该微型姿态传感器安装在所述水平分量探头的上部。
2.如权利要求1所述的三分量TEM井中磁探头，其特征在于: 所述垂直分量探头包括具有磁芯的垂直分量线圈和垂直分量探头前置放大器，该线圈由多股漆包线经分段用蜂房绕法绕制而成。
3.如权利要求1所述的三分量TEM井中磁探头，其特征在于: 所述水平分量探头包括空心的Hx线圈、空心的Hy线圈和水平分量探头前置放大器，Hx线圈、Hy线圈分别在两个骨架上绕制，这两个骨架按Hx线圈与Hy线圈相互垂直的姿态连接固定。
4.如权利要求1所述的三分量TEM井中磁探头，其特征在于: 所述微型姿态传感器与装有Hx线圈、Hy线圈和水平分量探头前置放大器部分的探管采用直插方式硬连接，由双层密封圈密封，用螺丝固定。
【文档编号】G01V3/28GK203930090SQ201420259198
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】冯晓兰, 杜庆丰, 李丽华, 黄跃 申请人:中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所
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