CN106772634B - 一种用于探测地下电性结构的井中电磁接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于探测地下电性结构的井中电磁接收机，测量地下介质的视电阻率和视极化率，从而获取井空周边的电性异常。该电磁接收机主要由井口控制单元、绞车和缆线、井中探管组成，测量范围包括三分量磁场B及三分量dB/dt和电场垂直分量。本发明实现了多分量和多参数测量，数据实时传输速度较快，在低频处有更低的噪声，适合深部金属矿勘查。

Description

一种用于探测地下电性结构的井中电磁接收机
技术领域
本发明涉及地球物理探测领域，尤其是低频电磁信号探测，涉及一种用于探测地下电性结构的井中电磁接收机。
背景技术
电磁法(或叫电磁感应法)是电法勘探的重要分支。该方法主要利用岩矿石的导电性、导磁性和介电性的差异，应用电磁感应原理，观测和研究人工或天然形成的电磁场的分布规律(频率特性和时间特性)，进而解决有关的各类地质问题。
井地电磁法是指在井中供大功率的交流电，在地面接收电磁场信号的一类电磁测深方法。由于激发场源在井中，因此能够有效地选择对所研究的目标体进行最直接、最有效地激发。相对于传统地面电磁探测技术来说，该方法很大程度上提高了对目标体的探测范围和精度。
利用井地电磁方法，可以测量地下介质的视电阻率和视极化率并寻找异常值，分析地下的地质情况，探测石油、矿物的储量及分布规律。
视电阻率(apparent resistivity)，是用来反映岩石和矿石导电性变化的参数。定义：在地下岩石电性分布不均匀(有两种或两种以上导电性不同的岩石或矿石)或地表起伏不平的情况下，若仍按测定均匀水平大地电阻率的方法和计算公式求得的电阻率称之为视电阻率，以符号ρs表示，单位和电阻率相同，为Ω·m。
视极化率(apparent chargeability)，是指在多种岩石、矿石存在的情况下(即所谓介质不均匀时)测得的极化率。它是表示直流激发极化法观测结果的一个参数。
地井TEM测量已是一种较成熟的方法，在国外得到了较广泛的应用，也取得了很多令人瞩目成果，但由于各种原因，在我国一直没有被广泛的重视和推广，随着我国矿产资源不断的被开发利用，大批矿山逐渐面临资源枯竭的危机，急需向矿山深部及外围寻找新的资源量，在此背景下，地井TEM以其自身的特点和优势被越来越多的人所关注。
瞬变电磁法(TDEM)，是用接地或不接地回线以脉冲电流为场源激励探测目标感生二次电流，在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应，因此不存在一次场源的干扰。脉冲是多频率的合成，不同延时观测的主要频率不同，相应时间的场在地层中的传播深度不同，所以反映的深度也就不同，不同电导率的岩石产生的电磁感应响应就有差异，时间域瞬变电磁法就是利用不同岩石的电导率差异观测瞬变响应，并计算视电阻率参数的一种勘探方法。
物化探所的地井三分量TEM依据TDEM方法，利用磁通门传感器测量三分量磁场，单一参数且通道数有限，在低频噪声处理及坑道空间作业方面存在不足，适应性有待完善。
要得到更准确的探测结果，需要采集多参数多分量信息，仪器在低频处的噪声要更小，同时，设备一体化可以降低整体作业难度。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种用于探测地下电性结构的井中电磁接收机，用于测量地下介质的视电阻率和视极化率，从而获取井空周边的电性异常，它包括井口控制单元、绞车和电缆、井中探管等组成部分，实现磁场分量与电场分量的高精度观测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于探测地下电性结构的井中电磁接收机，由井口控制单元、绞车和缆线、井中探管组成，井中探管通过缆线连接绞车，井口控制单元连接缆线并控制绞车实现对井中探管的控制。
所述的井中探管为钛钢管，钛钢管前端设置有前端马龙头，钛钢管内部设置有电源模块、通讯模块、测斜模块、控制电路、采集电路、上电极、三轴感应线圈磁传感器、三轴磁通门磁传感器和下电极。
缆线包括通讯缆及套装在通讯缆外围的铠装缆，前端马龙头将铠装缆与通讯缆分离，实现铠装缆承载钛钢管重力，保证通讯缆不受力；电源模块包括锂电池组，实现为井中探管供给电源，通讯缆仅实现通讯功能，区别于传统的缆线供电方式，本发明采用内置电池供电，可有效降低电源模块对有效电磁信号的干扰；通讯模块用于井口控制单元与控制电路的长距离通讯；测斜模块用于测量地磁场三分量获得探管位于井下作业时姿态方位参数；控制电路读取采集电路输出的数据流并进行预处理组成数据包，在井口控制单元的控制下完成增益、采样率设置、数据读取、本地保存、数据传输和状态提取工作；采集电路将三轴磁通门磁传感器、三轴感应线圈磁传感器、上电极和下电极输出的电压信号进行低噪声放大、滤波、模数转换；三轴感应线圈磁传感器反映磁感应强度变化率，之后输出至后续采集电路；三轴磁通门磁传感器将三轴正交磁场转换为电压信号；上电极和下电极为测量Z轴方向的电场Ez。
优选的，所述的井口控制单元包括PC和GPS模块，GPS模块外部集成GPS天线；探管下井前，PC通过以太网与井中探管进行通讯，完成GPS对钟、参数设置、探管电路自检工作；探管下井后，PC通过USB转422接口模块，借助通讯缆与井中探管电路进行通讯，查看当前数据采集的状态、进度，获取数据初步处理结果；井中数据采集结束后，探管提升至地面，PC通过以太网实现大量原始数据的快速下载；借助GPS模块实现时钟漂移校准。
优选的，所述的采集电路包括七道前置放大器OPA、低通滤波器LP、可编程增益放大器PGA、AD缓冲器BUF、基准电源REF、模数转换电路ADC、IO隔离器ISO；七道前置放大器包括六道磁道前置放大器和一道电道前置放大器；六道磁道前置放大器中前三道放大三轴磁通门磁传感器输出的电压信号，后三道放大三轴感应线圈磁传感器输出的电压信号；一道电道前置放大器放大上电极和下电极测量Z轴方向的电场Ez的电压信号；三轴磁通门磁传感器和三轴感应线圈磁传感器的电压信号输出范围为±10V；磁道前置放大器增益为0.25；电道前置放大器增益为100。
信号经过前置放大器后进入低通滤波器，低通滤波器-3dB带宽设置为10kHz，之后进入到可编程增益放大器，可编程增益放大器的增益可设置为1、4、16、64，之后经过AD缓冲器、模数转换器、IO隔离器到达后端控制电路，IO隔离器实现前端模拟电路与后端控制电路的电气隔离。
优选的，所述的控制电路包括微控制单元MCU、现场可编程逻辑门阵列FPGA、恒温晶体振荡器OCXO、温度传感器TS、SD卡、实时时钟RTC和直流电源转换器DC/DC；通过现场可编程逻辑门阵列连接IO隔离器，实现控制电路和采集电路的连接；微控制单元分别连接温度传感器TS、通讯模块、测斜模块、实时时钟RTC、直流电源转换器DC/DC和SD卡，通讯模块连接四芯电缆，直流电源转换器DC/DC连接锂电池组。
现场可编程逻辑门阵列FPGA完成以下几方面功能：
(1)GPS对钟、PPS保持、时钟发生；
(2)采集电路菊花链数据读取、增益控制、逻辑粘连；
(3)数据实时数字滤波。
微控制单元主要完成以下几方面功能：
(1)与通讯电路的数据通讯；
(2)FPGA控制；
(3)数据存储至SD卡；
(4)测斜模块数据通讯；
(5)温度测量；
(6)GPS授时。
恒温晶体振荡器OCXO为系统工作提工高精度时钟源。
温度传感器TS记录井中探管的环境温度。
SD卡用于数据存储，微控制单元读取现场可编程逻辑门阵列FPGA中的数据后，写入SD卡本地保存。
实时时钟RTC为系统提供时间信息。
优选的，所述的上电极和下电极为两个钛金属圆环，它们之间的间隔为50cm。
优选的，所述的通讯缆为四芯电缆通讯，RS422标准，借助两对双绞线实现井中探管与地面控制单元的全双工通讯。
优选的，所述的电源模块把锂电池组电源转换为+12V、-12V、+5V和+3.3V，其中，±12V给采集电路，+5V和+3.3V给模数转换电路，采集电路通过锂电池单独供电，与后端控制电路的电源隔离。
优选的，所述的AD缓冲器采用THS4521芯片，所述的模数转换电路ADC采用ADS1271芯片，所述的基准电源采用REF5025芯片，所述的三轴磁通门磁传感器选用英国Bartington公司生产的MAG-03LS型号的传感器。
本发明的优点是：
(1)本发明测量范围包括三分量磁场B及三分量dB/dt和电场垂直分量，即Bx、By、Bz、dBx/dt、dBy/dt、dBz/dt、Ez，实现了多分量和多参数测量，数据实时传输速度较快，在低频处有更低的噪声，适合深部金属矿勘查；
(2)本发明所述的电磁接收机能够适用于2000m深的井中，抗压能力较强，适用范围较广；
(3)本发明所述的井口控制单元的PC作为控制端将井中探管各状态集中显示，并完成参数设置、实时数据传输、显示，实现绞车速度控制、收放控制，电缆里程记录等，方便人工实时了解机器运行状况；
(4)本发明的探测结果较为准确，仪器在低频处的噪声小，同时，设备一体化可以降低整体作业难度。
附图说明
图1为本发明结构简图；
图2为本发明所述的井中探管中各个模块的分布图；
图3为本发明中井口控制单元的工作时电路原理图；
图4为本发明中采集电路和控制电路的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明：
如图1所示，一种用于探测地下电性结构的井中电磁接收机，由井口控制单元10、绞车11和缆线12、井中探管13组成，井中探管13通过缆线12连接绞车11，井口控制单元10连接缆线12并控制绞车11实现对井中探管13的控制。
如图2所示，所述的井中探管为钛钢管，钛钢管前端设置有前端马龙头，钛钢管内部设置有电源模块20、通讯模块21、测斜模块22、控制电路23、采集电路24、上电极25、三轴感应线圈磁传感器26、三轴磁通门磁传感器27和下电极28。
缆线12包括通讯缆及套装在通讯缆外围的铠装缆，前端马龙头将铠装缆与通讯缆分离，实现铠装缆承载钛钢管重力，保证通讯缆不受力；电源模块20包括锂电池组，实现为井中探管供给电源，通讯缆仅实现通讯功能，区别于传统的缆线供电方式，本发明采用内置电池供电，可有效降低电源模块20对有效电磁信号的干扰；通讯模块21用于井口控制单元10与控制电路23的长距离通讯；测斜模块22用于测量的地磁场三分量获得探管位于井下作业时姿态方位参数；控制电路23读取采集电路24输出的数据流并进行预处理组成数据包，在井口控制单元10的控制下完成增益、采样率设置、数据读取、本地保存、数据传输和状态提取工作；采集电路24将三轴磁通门磁传感器26、三轴感应线圈磁传感器26、电极对(上电极25与下电极28)输出的电压信号进行低噪声放大、滤波、模数转换；三轴感应线圈磁传感器26反映磁感应强度变化率，之后输出至后续采集电路24；三轴磁通门磁传感器26将三轴正交磁场转换为电压信号；上电极25和下电极26为测量Z轴方向的电场Ez。
如图3所示，所述的井口控制单元包括PC和GPS模块，GPS模块外部集成GPS天线；探管下井前，PC通过以太网与井中探管进行通讯，完成GPS对钟、参数设置、探管电路自检工作；探管下井后，PC通过USB转422接口模块，借助通讯缆与井中探管电路进行通讯，查看当前数据采集的状态、进度，获取数据初步处理结果；井中数据采集结束后，探管提升至地面，PC通过以太网实现大量原始数据的快速下载；借助GPS模块实现时钟漂移校准。
如图4所示，所述的采集电路包括七道前置放大器OPA、低通滤波器LP、可编程增益放大器PGA、AD缓冲器BUF、基准电源REF、模数转换电路ADC、IO隔离器ISO；七道前置放大器包括六道磁道前置放大器和一道电道前置放大器；六道磁道前置放大器中前三道放大三轴磁通门磁传感器输出的电压信号，后三道放大三轴感应线圈磁传感器输出的电压信号；一道电道前置放大器放大上电极和下电极测量Z轴方向的电场Ez的电压信号；三轴磁通门磁传感器和三轴感应线圈磁传感器的电压信号输出范围为±10V；磁道前置放大器增益为0.25；电道前置放大器增益为100。
信号经过前置放大器后进入低通滤波器，低通滤波器-3dB带宽设置为10kHz，之后进入到可编程增益放大器，可编程增益放大器的增益可设置为1、4、16、64，之后经过AD缓冲器、模数转换器、IO隔离器到达后端控制电路，IO隔离器实现前端模拟电路与后端控制电路的电气隔离。
所述的控制电路包括微控制单元MCU、现场可编程逻辑门阵列FPGA、恒温晶体振荡器OCXO、温度传感器TS、SD卡、实时时钟RTC和直流电源转换器DC/DC；通过现场可编程逻辑门阵列连接IO隔离器，实现控制电路和采集电路的连接；微控制单元分别连接温度传感器TS、通讯模块、测斜模块、实时时钟RTC、直流电源转换器DC/DC和SD卡，通讯模块连接四芯电缆，直流电源转换器DC/DC连接锂电池组。
现场可编程逻辑门阵列FPGA完成以下几方面功能：
(1)GPS对钟、PPS保持、时钟发生；
(2)采集电路菊花链数据读取、增益控制、逻辑粘连；
(3)数据实时数字滤波。
微控制单元主要完成以下几方面功能：
(1)与通讯电路的数据通讯；
(2)FPGA控制；
(3)数据存储至SD卡；
(4)测斜模块数据通讯；
(5)温度测量；
(6)GPS授时。
恒温晶体振荡器OCXO为系统工作提工高精度时钟源。
温度传感器TS记录井中探管的环境温度。
SD卡用于数据存储，微控制单元读取现场可编程逻辑门阵列FPGA中的数据后，写入SD卡本地保存。
实时时钟RTC为系统提供时间信息。
所述的上电极和下电极为两个钛金属圆环，它们之间的间隔为50cm。
所述的通讯缆为四芯电缆通讯，RS422标准，借助两对双绞线实现井中探管与地面控制单元的全双工通讯。
所述的电源模块把锂电池组电源转换为+12V、-12V、+5V和+3.3V，其中，±12V给采集电路，+5V和+3.3V给模数转换电路，采集电路通过锂电池单独供电，与后端控制电路的电源隔离。
所述的AD缓冲器采用THS4521芯片，所述的模数转换电路ADC采用ADS1271芯片，所述的基准电源采用REF5025芯片，所述的三轴磁通门磁传感器选用英国Bartington公司生产的MAG-03LS型号的传感器。
本发明达到了如下技术指标：
(1)最大工作深度：2000m；
(2)信号采集通道：Bx、By、Bz、dBx/dt、dBy/dt、dBz/dt、Ez；
(3)观测基本状态量：温度、深度、测斜、压力；
(4)井中观测原始数据本地保存，实时数据计算，结果及状态发送至地面；
(5)采样率：24000Hz、2400Hz、150Hz、15Hz；
(6)带宽：DC～4KHz；
(7)本地存储空间：16GB。
因此，本发明能达到的技术效果：
(1)本发明测量范围包括三分量磁场B及三分量dB/dt和电场垂直分量，即Bx、By、Bz、dBx/dt、dBy/dt、dBz/dt、Ez，实现了多分量和多参数测量，数据实时传输速度较快，在低频处有更低的噪声，适合深部金属矿勘查；
(2)本发明所述的电磁接收机能够适用于2000m深的井中，抗压能力较强，适用范围较广；
(3)本发明所述的井口控制单元的PC作为控制端将井中探管各状态集中显示，并完成参数设置、实时数据传输、显示，实现绞车速度控制、收放控制，电缆里程记录等，方便人工实时了解机器运行状况；
(4)本发明的探测结果较为准确，仪器在低频处的噪声小，同时，设备一体化可以降低整体作业难度。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种用于探测地下电性结构的井中电磁接收机，由井口控制单元、绞车和缆线、井中探管组成，井中探管通过缆线连接绞车，井口控制单元连接缆线并控制绞车实现对井中探管的控制，其特征在于：
所述的井中探管为钛钢管，钛钢管前端设置有前端马龙头，钛钢管内部设置有电源模块、通讯模块、测斜模块、控制电路、采集电路、上电极、三轴感应线圈磁传感器、三轴磁通门磁传感器和下电极；
缆线包括通讯缆及套装在通讯缆外围的铠装缆，前端马龙头将铠装缆与通讯缆分离，实现铠装缆承载钛钢管重力，保证通讯缆不受力；电源模块包括锂电池组，实现为井中探管供给电源，通讯缆仅实现通讯功能；通讯模块用于井口控制单元与控制电路的长距离通讯；测斜模块用于测量地磁场三分量获得探管位于井下作业时姿态方位参数；控制电路读取采集电路输出的数据流并进行预处理组成数据包，在井口控制单元的控制下完成增益、采样率设置、数据读取、本地保存、数据传输和状态提取工作；采集电路将三轴磁通门磁传感器、三轴感应线圈磁传感器、上电极和下电极输出的电压信号进行低噪声放大、滤波、模数转换；三轴感应线圈磁传感器反映磁感应强度变化率，之后输出至后续采集电路；三轴磁通门磁传感器将三轴正交磁场转换为电压信号；上电极和下电极测量Z轴方向的电场Ez。
2.如权利要求1所述的一种用于探测地下电性结构的井中电磁接收机，其特征在于，所述的井口控制单元包括PC和GPS模块，GPS模块外部集成GPS天线；探管下井前，PC通过以太网与井中探管进行通讯，完成GPS对钟、参数设置、探管电路自检工作；探管下井后，PC通过USB转422接口模块，借助通讯缆与井中探管电路进行通讯，查看当前数据采集的状态、进度，获取数据初步处理结果；井中数据采集结束后，探管提升至地面，PC通过以太网实现大量原始数据的快速下载；借助GPS模块实现时钟漂移校准。
3.如权利要求2所述的一种用于探测地下电性结构的井中电磁接收机，其特征在于，所述的采集电路包括七道前置放大器OPA、低通滤波器LP、可编程增益放大器PGA、AD缓冲器BUF、基准电源REF、模数转换电路ADC、IO隔离器ISO；七道前置放大器包括六道磁道前置放大器和一道电道前置放大器；六道磁道前置放大器中前三道放大三轴磁通门磁传感器输出的电压信号，后三道放大三轴感应线圈磁传感器输出的电压信号；一道电道前置放大器放大上电极和下电极测量Z轴方向的电场Ez的电压信号；三轴磁通门磁传感器和三轴感应线圈磁传感器的电压信号输出范围为±10V；磁道前置放大器增益为0.25；电道前置放大器增益为100；
信号经过前置放大器后进入低通滤波器，低通滤波器-3dB带宽设置为10kHz，之后进入到可编程增益放大器，可编程增益放大器的增益可设置为1、4、16、64，之后经过AD缓冲器、模数转换器、IO隔离器到达后端控制电路，IO隔离器实现前端模拟电路与后端控制电路的电气隔离。
4.如权利要求3所述的一种用于探测地下电性结构的井中电磁接收机，其特征在于，所述的控制电路包括微控制单元MCU、现场可编程逻辑门阵列FPGA、恒温晶体振荡器OCXO、温度传感器TS、SD卡、实时时钟RTC和直流电源转换器DC/DC；通过现场可编程逻辑门阵列连接IO隔离器，实现控制电路和采集电路的连接；微控制单元分别连接温度传感器TS、通讯模块、测斜模块、实时时钟RTC、直流电源转换器DC/DC和SD卡，通讯模块连接四芯电缆，直流电源转换器DC/DC连接锂电池组。
5.如权利要求4所述的一种用于探测地下电性结构的井中电磁接收机，其特征在于，所述的上电极和下电极为两个钛金属圆环，它们之间的间隔为50cm。
6.如权利要求5所述的一种用于探测地下电性结构的井中电磁接收机，其特征在于，所述的通讯缆为四芯电缆通讯，RS422标准，借助两对双绞线实现井中探管与地面控制单元的全双工通讯。
7.如权利要求6所述的一种用于探测地下电性结构的井中电磁接收机，其特征在于，所述的电源模块把锂电池组电源转换为+12V、-12V、+5V和+3.3V，其中，±12V给采集电路，+5V和+3.3V给模数转换电路，采集电路通过锂电池单独供电，与后端控制电路的电源隔离。
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