CN102353996A - 钻孔内的定向瞬变电磁装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钻孔内的定向瞬变电磁装置及测量方法，通过结合瞬变电磁法和全方位测井技术，形成钻孔孔内专用的瞬变电磁探测装置的新型测井系统。为钻孔提供任意深度上不同方位的瞬变电磁场信息，包括钻孔孔壁与孔壁内部一定范围内的感应电位和视电阻率参数。使用此装置可以对任意充填介质的钻孔进行测井，特别适应于矿山瓦斯抽排孔、巷道超前探测钻孔等干孔的测井，对钻孔范围内地质赋存状态进行成像测井，可用于钻孔周围的瓦斯地质特征、岩层含水性、地质岩性和构造的探测。

Description

钻孔内的定向瞬变电磁装置及测量方法
技术领域
本发明涉及地质钻孔测量装置及方法领域，具体为一种钻孔内的定向瞬变电磁装置及测量方法。该项发明提供了一种钻孔内定向瞬变电磁装置的解决方案，构成钻孔内的定向瞬变电磁装置的新型测井系统，不受孔内有无耦合介质的影响。可服务于岩土工程、地下工程、地质灾害及矿山安全领域的钻孔测斜与岩性的测量。具有广阔的应用领域。
背景技术
目前地下工程探测与地下灾害防治主要采用钻探配合地球物理勘探等手段来进行。矿井巷道、交通隧道的日常地质预报需要进行大量的水平钻探工程，高瓦斯矿井的一个回采工作面需要数万米的瓦斯抽放钻孔进行抽放，矿山地质构造与灾害探测每天也需要大量的钻探工程。由于井下钻孔在地下全空间（仰角、水平、俯角）分布、孔内环境复杂（干孔、瓦斯抽排孔、放水孔等），地面常规测井方法不能使用。由于瞬变电磁的非接触式工作方式，瞬变电磁二次场对于不同电阻率值的岩性具有明显的分辨率和测深能力，在地质勘探和矿山开采过程中已经广泛开展应用。采用多匝小回线，构成钻孔内瞬变电磁激发接收装置进行测井，不需要孔内介质耦合，在有水和无水的钻孔内都可进行测量，配合全方位测斜技术，就可以达到钻孔内瞬变电磁定向发射和接受，进行瞬变电磁法测井。通过本装置系统就可以降低钻孔的误判率，大大提高钻探工程的准确率，保障了地质任务的完成和矿山安全生产。
 
发明内容
本发明的目的是提供一种钻孔内的定向瞬变电磁装置及测量方法，首先解决地下空间全方位钻孔不能使用常规测井方法，导致钻探工程质量无法控制、对于地质构造和矿井灾害源的误判问题；其次解决了井壁及井壁内部一定深度内的阻值分布，达到了对于钻孔岩性及其变化的认识问题；最后克服了传统地球物理测井方法的信息量少、针对性差、受钻孔介质限制等问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
钻孔内的定向瞬变电磁装置，包括有DSP处理单元，与所述DSP处理单元连接的嵌入式CPU，通过RS232接口与所述嵌入式CPU通讯的电子罗盘，其特征在于：还包括有激发接收单元、向所述激发接收单元供电的激励电源和多频发射器、采集激发接收单元输出信号并将所述信号传送至DSP处理单元的多通道A/D采集装置，所述激发接收单元包括正多棱柱，所述正多棱柱的表面分别设置有多匝线圈，且正多棱柱各个表面的多匝线圈匝数相同，所述激励电源通过多频发射器分别与正多棱柱各个表面的多匝线圈电连接以供电，所述多频发射器根据多频信号控制激励电源供电的频率，所述电子罗盘实时记录正多棱柱的姿态信息，所述多通道A/D采集装置包括数目与正多棱柱多匝线圈个数相同的多个采集通道，所述正多棱柱上各个多匝线圈的输出信号分别一一对应输出至多通道A/D采集装置的采集通道。
所述的钻孔内的定向瞬变电磁装置，其特征在于：所述嵌入式CPU通过RS232接口与电子罗盘通讯连接，所述嵌入式CPU还接入有USB存储器。
所述的钻孔内的定向瞬变电磁装置，其特征在于：所述电子罗盘实时记录正多棱柱的方位角、倾角、横滚角。
钻孔内的定向瞬变电磁测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将激发接收单元送入待测钻孔中；
（2）当激发接收单元到达钻孔中指定深度时，利用耦合装置将激发接收单元固定在钻孔中； 
（3）打开电子罗盘，进行航向信息测量，并记录到USB存储器；
（4）按顺序选择激发接收单元的正多棱柱中其中一个表面上的多匝线圈作为激励线圈，其他表面的多匝线圈作为接收线圈，通过激励电源和多频发射器向所述激励线圈供电，关断供电电流在线圈周围产生瞬态一次场，一次场向周围传播过程中，遇到钻孔周边地质体，将在地质体内部激发产生感应电流，感应电流产生二次场，二次场的时间特性与地质体的电阻率值大小和厚度分布有关，记录二次场的场强衰减过程，就可以反映孔壁地质体电阻率特征与厚度分布信息，二次场通过接收线圈观测；
（5）所述正多棱柱中，除激励线圈所在的表面外的其他表面上的多匝线圈分别接收指定方向处钻孔孔壁产生的二次场信号，并分别将各自接收到的二次场信号输出至各自对应的多通道A/D采集装置的采集通道，由多通道A/D采集装置采集并送入DSP处理单元；
（6）所述DSP处理单元将步骤（5）的数据进行处理后分别传送至嵌入式CPU，所述嵌入式CPU将所述数据传送至USB存储器进行存储；
（7）将所有面的线圈激发完毕，并按步骤(4)-(6)进行测量；
（8）将激发接收单元送入钻孔中不同深度位置，并按步骤（2）—（7）进行测量，得到钻孔不同深度处的测量数据；
（9）单孔数据采集完毕，将嵌入式CPU将所采集数据通过USB2.0传送至PC机，所述PC机上使用处理软件对钻孔不同深度下的测量数据进行处理与分析，得到钻孔周围不同方向的视电阻率与厚度分布信息，反映了钻孔周围的地质情况，形成单孔测井报告；
（10）对多个相邻上述单孔资料输入，按照孔口坐标及孔内测斜坐标，将多个钻孔信息综合形成空间信息，形成多孔成果报告。
本发明实现了在钻孔轨迹全方位实时测量和不接地多匝小线圈钻孔瞬变电磁测量，实现任意介质充填钻孔的孔内孔壁及孔壁厚度的视电阻率图像，达到对于钻孔孔内地质分析的能力，确保钻孔地质探测质量与效果。通过相邻钻孔的瞬变电磁资料，按照孔口和孔内测斜坐标，将多个钻孔信息综合形成空间信息，反演出钻孔分布区域的总体地质信息，实现区域钻孔资料的数值连接，提供钻孔分布区域完整的地质与灾害信息。
附图说明
图1为本发明原理框图。
图2为本发明具体实施方式中激发接收单元结构示意图。
图3为本发明多频激发与接收的原理图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示。钻孔内的定向瞬变电磁装置，包括有DSP处理单元，与DSP处理单元连接的嵌入式CPU，通过RS232接口与嵌入式CPU通讯的电子罗盘，还包括有激发接收单元、向激发接收单元供电的激励电源和多频发射器、采集激发接收单元输出信号并将信号传送至DSP处理单元的多通道A/D采集装置，激发接收单元包括正多棱柱，正多棱柱的表面分别设置有多匝线圈，且正多棱柱各个表面的多匝线圈匝数相同，激励电源通过多频发射器分别与正多棱柱各个表面的多匝线圈电连接以供电，多频发射器根据多频信号控制激励电源供电的频率，电子罗盘实时记录正多棱柱的姿态信息，多通道A/D采集装置包括数目与正多棱柱多匝线圈个数相同的多个采集通道，正多棱柱上各个多匝线圈的输出信号分别一一对应输出至多通道A/D采集装置的采集通道。
嵌入式CPU通过RS232接口与电子罗盘通讯连接，嵌入式CPU还接入有USB存储器。
电子罗盘实时记录正多棱柱的方位角、倾角、横滚角。
钻孔内的定向瞬变电磁测量方法，包括以下步骤：
（1）将激发接收单元送入待测钻孔中；
（2）当激发接收单元到达钻孔中指定深度时，利用耦合装置将激发接收单元固定在钻孔中； 
（3）打开电子罗盘，进行航向信息测量，并记录到USB存储器；
（4）按顺序选择激发接收单元的正多棱柱中其中一个表面上的多匝线圈作为激励线圈，其他表面的多匝线圈作为接收线圈，通过激励电源和多频发射器向所述激励线圈供电，关断供电电流在线圈周围产生瞬态一次场，一次场向周围传播过程中，遇到钻孔周边地质体，将在地质体内部激发产生感应电流，感应电流产生二次场，二次场的时间特性与地质体的电阻率值大小和厚度分布有关，记录二次场的场强衰减过程，就可以反映孔壁地质体电阻率特征与厚度分布信息，二次场通过接收线圈观测；
（5）正多棱柱中，除激励线圈所在的表面外的其他表面上的多匝线圈分别接收指定方向处钻孔孔壁产生的二次场信号，并分别将各自接收到的二次场信号输出至各自对应的多通道A/D采集装置的采集通道，由多通道A/D采集装置采集并送入DSP处理单元；
（6）DSP处理单元将步骤（5）的数据进行处理后分别传送至嵌入式CPU，所述嵌入式CPU将所述数据传送至USB存储器进行存储；
（7）将所有面的线圈激发完毕，并按步骤(4)-(6)进行测量；
（8）将激发接收单元送入钻孔中不同深度位置，并按步骤（2）—（7）进行测量，得到钻孔不同深度处的测量数据；
（9）单孔数据采集完毕，将嵌入式CPU将所采集数据通过USB2.0传送至PC机，PC机上使用处理软件对钻孔不同深度下的测量数据进行处理与分析，得到钻孔周围不同方向的视电阻率与厚度分布信息，反映了钻孔周围的地质情况，形成单孔测井报告；
（10）对多个相邻上述单孔资料输入，按照孔口坐标及孔内测斜坐标，将多个钻孔信息综合形成空间信息，形成多孔成果报告。
本发明将多匝线圈(20mm*60mm)分别固定在六棱柱体的棱柱面上，每次一个激发，其余多个接收，每次可以指定激发线圈。本发明通过高速24位多通道A/D采集装置，提供多个通道进行采集，从一次场开始采集，直到二次场结束。可以实现1Mhz采样。本发明中DSP处理单元对采集的数据进行处理。本发明中，大量的原始数据存储到USB存储器上。每秒需要存储近30M的数据。本发明中嵌入式CPU将数据通过USB2.0接口发给PC机。PC机对多个通道的数据进行处理，并进行叠加到空间的指定位置，以确定钻孔周围的地质情况。同时本发明还可以通过参数配置单元，据实际情况对多通道A/D采集装置、DSP处理单元、嵌入式CPU的采集参数进行配置。

Claims (4)

1.钻孔内的定向瞬变电磁装置，包括有DSP处理单元，与所述DSP处理单元连接的嵌入式CPU，通过RS232接口与所述嵌入式CPU通讯的电子罗盘，其特征在于：还包括有激发接收单元、向所述激发接收单元供电的激励电源和多频发射器、采集激发接收单元输出信号并将所述信号传送至DSP处理单元的多通道A/D采集装置，所述激发接收单元包括正多棱柱，所述正多棱柱的表面分别设置有多匝线圈，且正多棱柱各个表面的多匝线圈匝数相同，所述激励电源通过多频发射器分别与正多棱柱各个表面的多匝线圈电连接以供电，所述多频发射器根据多频信号控制激励电源供电的频率，所述电子罗盘实时记录正多棱柱的姿态信息，所述多通道A/D采集装置包括数目与正多棱柱多匝线圈个数相同的多个采集通道，所述正多棱柱上各个多匝线圈的输出信号分别一一对应输出至多通道A/D采集装置的采集通道。
2.根据权利要求1所述的钻孔内的定向瞬变电磁装置，其特征在于：所述嵌入式CPU通过RS232接口与电子罗盘通讯连接，所述嵌入式CPU还接有USB存储器。
3.根据权利要求1所述的钻孔内的定向瞬变电磁装置，其特征在于：所述电子罗盘实时记录正多棱柱的方位角、倾角、横滚角。
4.基于权利要求1的钻孔内的定向瞬变电磁测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将激发接收单元送入待测钻孔中；
（2）当激发接收单元到达钻孔中指定深度时，利用耦合装置将激发接收单元固定在钻孔中； 
（3）打开电子罗盘，进行航向信息测量，并记录到USB存储器；
（4）按顺序选择激发接收单元的正多棱柱中其中一个表面上的多匝线圈作为激励线圈，其他表面的多匝线圈作为接收线圈，通过激励电源和多频发射器向所述激励线圈供电，关断供电电流在线圈周围产生瞬态一次场，一次场向周围传播过程中，遇到钻孔周边地质体，将在地质体内部激发产生感应电流，感应电流产生二次场，二次场的时间特性与地质体的电阻率值大小和厚度分布有关，记录二次场的场强衰减过程，就可以反映孔壁地质体电阻率特征与厚度分布信息，二次场通过接收线圈观测；
（5）所述正多棱柱中，除激励线圈所在的表面外的其他表面上的多匝线圈分别接收指定方向处钻孔孔壁产生的二次场信号，并分别将各自接收到的二次场信号输出至各自对应的多通道A/D采集装置的采集通道，由多通道A/D采集装置采集并送入DSP处理单元；
（6）所述DSP处理单元将步骤（5）的数据进行处理后分别传送至嵌入式CPU，所述嵌入式CPU将所述数据传送至USB存储器进行存储；
（7）将所有面的线圈激发完毕，并按步骤(4)-(6)进行测量；
（8）将激发接收单元送入钻孔中不同深度位置，并按步骤（2）—（7）进行测量，得到钻孔不同深度处的测量数据；
（9）单孔数据采集完毕，将嵌入式CPU将所采集数据通过USB2.0传送至PC机，所述PC机上使用处理软件对钻孔不同深度下的测量数据进行处理与分析，得到钻孔周围不同方向的视电阻率与厚度分布信息，反映了钻孔周围的地质情况，形成单孔测井报告；
（10）对多个相邻上述单孔资料输入，按照孔口坐标及孔内测斜坐标，将多个钻孔信息综合形成空间信息，形成多孔成果报告。
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