CN107728220B - 一种深埋废弃井人工磁化装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深埋废弃井人工磁化装置及探测方法，所述磁化装置包括GPS模块、时控开关电源和导线，所述导线为一匝或者多匝重叠的导线构成的磁化线圈；所述GPS模块用于高精度授时，所述时控开关电源用于发送固定频率的脉冲电压，所述导线用于产生磁场。本发明通过人工磁化法增强深埋废弃井地表信号异常大小，制作相应的人工磁化线圈，进一步提高废弃井的检出率与定位准确性，减小安全风险。

Description

一种深埋废弃井人工磁化装置及探测方法

技术领域

本发明涉及废弃井检测领域，更特别地涉及一种深埋废弃井人工磁化装置及探测方法。

背景技术

胜利油田技术检测中心于2016年进行了胜利油田各采油厂废弃井检测的工作，工作中采用了金属探测、磁法检测、瞬变电磁检测、探地雷达检测等多种检测手段。

探测地下金属物体的方法主要有：电磁法和磁法。其中电磁法又分为金属探测器、探地雷达、瞬变电磁法等。

金属探测器利用电磁感应原理，利用有交流电通过的线圈，产生迅速变化的磁场。该磁场能在金属物体内部感生涡电流。涡电流产生的磁场引发探测器发出鸣声。金属探测器只能判断有无金属，金属的形状规模等不能识别，适用于简单环境下的金属物体探测。

探地雷达方法是通过高频电磁波扫描地下目标体来确定其结构形态及位置的地球物理探测方法。用本方法需要满足目标体或者掩埋物与周围介质间存在着一定的物性差异。雷达信号的探测深度与检测场地密切相关，粘土和盐水、混凝土内的钢筋等会使雷达信号衰减很大，对于埋深较大的目标体，探测效果不稳定，受目标体类型及环境的干扰较大。同时，探地雷达较适合剖面探测，该方法只适宜作为其它探测方法的补充，不能作为主要的探测方法来应用。

瞬变电磁法，是利用不接地回线向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而检测介质电阻率的一种方法。废弃井井口属于铁磁性物质，电阻率很低，瞬变电磁法对低阻体反应敏感。在地表电磁干扰严重区域数据处理和解释难度增大。工作效率相对较低。

磁性体周围存在着磁场，铁磁性物体产生的磁场叠加在地球磁场之上﹐引起地磁场的畸变。这种畸变一般称为地磁异常。测量地磁异常以确定铁磁性管道、构筑物以及“废弃井”井口等检测对象存在的空间位置和几何形状。对于存在金属构筑物的位置，重点在于分辨出金属构筑物和“废弃井”井口的不同特征。

目前面临的问题：

通过前期的试验，对于深埋废弃井（大于2米），由于井口尺寸相对较小，在地表信号相对较弱，难以通过现有技术发现废弃井的异常信号位置；因此往往需要在整个探测区域内大量重复测试，以消除环境干扰。然而即使反复测量，现场实际效果任然不理想，特别是埋深3米以上的废弃井其异常信号强度已经和背景信号处于同一数量级，现场难以检测识别。根据2016年废弃井探测开挖情况分析，全油田废弃井约有20%的埋深大于2米，约10%的埋深大于或等于3米，深埋废弃井的探测难题已成为废弃井探测准确率难以提高的主要问题。。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：针对以上废弃井探测难题，提供一种深埋废弃井人工磁化装置及探测方法，通过人工磁化法增强深埋废弃井地表信号异常大小，制作相应的人工磁化线圈，进一步提高废弃井的检出率与定位准确性，减小安全风险。

本发明的原理是：人工磁化法是用人工磁场来研究异常源的方法。工作时，地下磁性体被感应磁化，在其外部又产生磁异常(称为二次场)。根据人工磁异常的不同退磁效应，有助于区分铁磁性与非铁磁性异常。

本发明首先提供一种深埋废弃井人工磁化装置，所述磁化装置包括GPS模块、时控开关电源和导线，所述导线为一匝或者多匝重叠的导线构成的磁化线圈；所述GPS模块用于高精度授时，所述时控开关电源用于发送固定频率的脉冲电压，所述导线用于产生磁场。

进一步的，所述的磁化线圈为方形，线圈边长等于或稍大于测区边长。

进一步的，所述磁化线圈为边长10米的正方形单匝线圈，并通以10A的电流发射固定频率的脉冲电压，通断时间大于1秒。

接着，给出应用上述深埋废弃井人工磁化装置的探测方法，步骤如下：

（1）根据测区范围将导线按正方形铺设，线圈边长等于或稍大于测区边长，单匝或多匝重叠铺设，形成磁化线圈；

（2）根据探测目标发射固定频率的脉冲电压，产生人工磁场，初步设定通断时间大于1秒，使金属体充分磁化；

（3）使用磁力计全面扫查整个测区，每个测点按设定的时间门接收线圈通电某一时刻和断电某一时刻的磁场值；

（4）将通电磁场值和断电磁场值以及通断磁场差值分别绘制等值线图，判断废弃井的位置。

进一步的，探测时，需要根据不同干扰体的磁场分布特征加以鉴别而排除干扰，具体方法如下：

管道磁场特征形似山岭，废弃井磁场特征形似山峰，块状金属构筑物可近似为球体，其磁场特征公式为：

废弃井中心轴线上磁场特征公式为：

通过上述公式，即使块状金属体与废弃直径与埋深相当，其磁化强度也小于废弃井，可从异常规模和幅值区分。

进一步的，当线圈断电时，埋深浅、体积小的块状金属体磁场首先衰减，可通过断电后某一时间门的磁场值对比来排除块状金属体的干扰。

进一步的，所述的磁力计为背架式探测器，所述背架式探测器包括安装在同一背架上的姿态测量模块、矢量数据检测模块、主机，其中：

姿态测量模块，用于实时获得所述扫查系统所处位置的姿态信息，所述姿态信息包括GPS坐标、高度以及方向角，其包括在背架顶部水平方向上间隔安装的两个GPS天线，所述两个GPS天线分别与GPS数据处理系统连接，所述GPS数据处理系统上设有通讯接口；

矢量数据检测模块，用于实时获得所述扫查系统所处位置的矢量数据，其包括通过万向节垂直安装在背架上的的传感器支杆以及安装在传感器支杆底端的矢量传感器，所述的矢量传感器为三分量磁通门磁力计；所述矢量传感器与数据采集芯片连接，所述数据采集芯片上设有通讯接口；

主机，用于实现任务布置、导航定位、规划扫查路径及显示行进航迹，并能够实现探测数据实时处理显示，其包括通讯接口和人机对话模块；

所述姿态测量模块、矢量数据检测模块分别通过通讯接口与主机连接。

优选的，所述两个GPS定位坐标误差≤1厘米。

优选的，所述两个GPS天线之间的水平距离大于0.6米。

优选的，所述两个GPS天线包括一个定位GPS天线和一个定向GPS天线。

以下是背架式探测器的探测方法，包括如下步骤：

（1）将已知废弃井的大致坐标位置导入人机对话模块，形成工作任务；

（2）利用人机对话模块的导航定位功能导航至某一测位；

（3）利用人机对话模块的测区规划功能显示测区范围和扫查路径；

（4）按扫查路径行进，保持背架移动时，传感器支杆始终竖直向下；人机对话模块自动存储记录三分量磁场值和姿态信息；在规定的检测范围内，检测过程中，通过获得的实时坐标位置显示已经检测区域，未检测区域与已经检测区域用不同的标记标识，最终实现规定范围内的全覆盖检测；

（5）当前测区扫查完成后，人机对话模块根据各测点的姿态信息对三分量磁场值进行角度校正，使各测点的三分量磁场值方向一致；

（6）使用校正后的磁场值绘制等值线图，判断废弃井口的准确位置。

优选的，所述测区范围为方形，边长大于10米；扫查路径为“几”字形，线间距小于50厘米。

优选的，系统采用其中一个GPS输出的坐标实时确定检测位置及时间，两个实时坐标之间的检测数据通过内插获得检测点坐标及时间。

优选的，行进时所述传感器支杆在竖直方向摆动幅度≤1°。

优选的，行进速度≤1.5米/秒，在保证测点间距不大于0.1米的要求下，检测的矢量数据采样率不得小于15组/秒；

优选的，获得的水平分量的数据经过航向角校正，与垂直分量重新组合为校正后的矢量数据，使用一个单分量、二个单分量的合成矢量或者总矢量分析异常，识别“废弃井”井口的水平位置。

本发明通过人工磁化法增强深埋废弃井地表信号异常大小，制作相应的人工磁化线圈，进一步提高废弃井的检出率与定位准确性，减小安全风险。同时磁力机采用背架式探测器，即姿态测量模块、矢量数据检测模块和主机安装在一个背架上。在背架顶部水平方向安装两个高精度GPS。矢量传感器模块安装在支杆底端，尽量靠近地面，传感器支杆与背架间采用万向节连接，保持背架移动时，传感器支杆始终竖直向下。数据采集系统使用计算机，通过电缆与GPS和矢量传感器连接，控制并接收GPS和矢量传感器数据，实时显示、分析；与现有技术相比，本发明能够实现整个测区平面的全面检测，克服现有技术重复工作和遗漏的弊端，大大提高了探测效率以及精度，减少了误检和漏检情况的发生。

附图说明

图1是本发明中磁化装置的结构示意图；

图2是线圈电流与磁场的对应曲线图；

图3是不同边长线圈对应的磁场增强效果图；

图4是本发明中背架式探测器的原理架构图；

图5是本发明中的GPS天线以及矢量传感器在背架上的安装示意图；

图6是测区范围和扫查路径示意图。

图中：1、背架，2、定位GPS天线，3、定向GPS天线，4、万向节，5、矢量传感器支杆，6、矢量传感器。

具体实施方式

下面通过具体的实例对本发明进行详细说明， 但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明， 并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。

实施例1

参见图1-3，一种深埋废弃井人工磁化装置，磁化装置包括GPS模块、时控开关电源和导线，导线为一匝或者多匝重叠的导线构成的磁化线圈；GPS模块用于高精度授时，时控开关电源用于发送固定频率的脉冲电压，导线用于产生磁场。磁化线圈为方形，线圈边长等于或稍大于测区边长。

一段载流直导线在空间某点产生的磁场为：

将矩形载流线圈视为四段载流直导线，利用上式可以精确求解其空间磁场分布。

式中：

l —— 线圈边长

I —— 线圈电流

Bx、By、Bz —— 三分量磁场值

其它条件不变，只增加线圈中的电流，从图2中可看出线圈电流与磁场是线性关系，发射电流越大，磁场越强。

测区范围一般为10米方形区域，其它条件不变，改变边长，磁场增强效果如图3所示。

从图3中对比可看出：

1）边长小于测区：虽然线圈中心磁场值相对最大，但测区范围内磁场变化幅度大，不利于异常的发现；

2）边长大于测区：靠近线圈磁场值大，线圈中心磁场值稍小；边长越大，磁场增强效果越小。

结论：线圈边长应等于或稍大于测区边长。

实施例2

一种应用实施例1中的深埋废弃井人工磁化装置的探测方法，步骤如下：

（1）根据测区范围将导线按正方形铺设，线圈边长等于或稍大于测区边长，可多匝重叠铺设，形成磁化线圈。根据理论计算，边长为10米的正方形单匝线圈，通以10A的电流，将在中心位置地下5米处产生427nT的磁场。

（2）根据探测目标发射固定频率的脉冲电压，产生人工磁场，初步设定通断时间大于1秒，使金属体充分磁化。

（3）使用磁力计全面扫查整个测区，每个测点按设定的时间门接收线圈通电某一时刻和断电某一时刻的磁场值。

（4）将通电磁场值和断电磁场值以及通断磁场差值分别绘制等值线图，判断废弃井的位置。

除废弃井本身外，井场范围内还可能存在块状金属构筑物和金属管道。全面扫查检测技术需根据不同干扰体的磁场分布特征加以鉴别。

管道与废弃井的磁场特征容易区分，管道磁场特征形似山岭，废弃井磁场特征形似山峰。

块状金属构筑物可近似为球体，其磁场特征公式为：

废弃井中心轴线上磁场特征公式为：

即使块状金属体与废弃直径与埋深相当，其磁化强度也小于废弃井，可从异常规模和幅值区分。另外，当线圈断电时，埋深浅、体积小的块状金属体磁场首先衰减，可通过断电后某一时间门的磁场值对比来排除块状金属体的干扰。

实施例3

参见图4-5，实施例2中的磁力计为背架式探测器，其包括安装在同一背架上的姿态测量模块、矢量数据检测模块和主机，其中：

姿态测量模块，用于实时获得所述扫查系统所处位置的姿态信息，姿态信息包括GPS坐标、高度以及方向角，其包括在背架1顶部水平方向上间隔安装的两个GPS天线（即定位GPS天线2和定向GPS天线3），两个GPS天线分别与GPS数据处理系统连接，GPS数据处理系统上设有通讯接口；姿态测量模块使用现有北斗等GPS系统，精度达到厘米级。

矢量数据检测模块，用于实时获得所述扫查系统所处位置的矢量数据，其包括通过万向节4垂直安装在背架1上的的传感器支杆5以及安装在传感器支杆5底端的矢量传感器6，矢量传感器6与数据采集芯片连接，数据采集芯片上设有通讯接口。

主机，用于实现任务布置、导航定位、规划扫查路径及显示行进航迹，并能够实现探测数据实时处理显示，其包括通讯接口和人机对话模块。

姿态测量模块、矢量数据检测模块分别通过通讯接口与主机连接。

实施例4

参见图4-5，一种背架式探测器，在实施例1的基础上，进一步优选：两个GPS定位坐标误差≤1厘米，为了达到航向角≤1°的精度，根据公式：，要求两个GPS在水平方向的长度≥0.6米；矢量传感器选择为三分量磁通门磁力计，矢量传感器数据精度需要根据所选用的物理量在废弃井上的理论异常确定。

实施例5

一种应用实施例3或4中背架式探测器的扫查方法，包括如下步骤：

（1）将已知废弃井的大致坐标位置导入人机对话模块，形成工作任务；

（2）利用人机对话模块的导航定位功能导航至某一测位；

（3）利用人机对话模块的测区规划功能显示测区范围和扫查路径；

（4）按扫查路径行进，保持背架移动时，传感器支杆始终竖直向下，传感器支杆在竖直方向摆动幅度≤1°；行进速度≤1.5米/秒，在保证测点间距不大于0.1米的要求下，检测的矢量数据采样率不得小于15组/秒，人机对话模块自动存储记录三分量磁场值和姿态信息；在规定的检测范围内，检测过程中，通过获得的实时坐标位置显示已经检测区域，未检测区域与已经检测区域用不同的标记标识，最终实现规定范围内的全覆盖检测；

（5）当前测区扫查完成后，人机对话模块根据各测点的姿态信息对三分量磁场值进行角度校正，使各测点的三分量磁场值方向一致；

（6）使用校正后的磁场值绘制等值线图，判断废弃井口的准确位置。

实施例6

一种应用实施例3或4中背架式探测器的扫查方法，在实施例5的基础上，进一步优选为：参见图6，测区范围为方形，边长大于10米；扫查路径为“几”字形，线间距小于50厘米。获得的水平分量的数据经过航向角校正，与垂直分量重新组合为校正后的矢量数据，使用一个单分量、二个单分量的合成矢量或者总矢量分析异常，识别“废弃井”井口的水平位置。

实施例7

一种深埋废弃井人工磁化装置的探测方法，其包括实施例1中的磁化装置以及实施例3或4中的背架式探测器；使用时使用磁力线圈将测区包围起来，并通电产生人工磁场，将金属体充分磁化；然后使用按照背架式探测器上述实施例5或6中的探测方法对整个测区进行全面探测，并记录磁场值。根据各测点的姿态信息对三分量磁场值进行角度校正，使各测点的三分量磁场值方向一致；然后将通电磁场值和断电磁场值以及通断磁场差值分别绘制等值线图，判断废弃井的位置。

以上所述，仅是本发明的典型实施例，本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案对本发明加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种深埋废弃井人工磁化装置的探测方法，其特征在于，所述磁化装置包括GPS模块、时控开关电源和导线，所述导线为一匝或者多匝重叠的导线构成的磁化线圈；所述GPS模块用于高精度授时，所述时控开关电源用于发送固定频率的脉冲电压，所述导线用于产生磁场；

步骤如下：

（1）根据测区范围将导线按正方形铺设，线圈边长等于或稍大于测区边长，单匝或多匝重叠铺设，形成磁化线圈；

（2）根据探测目标发射固定频率的脉冲电压，产生人工磁场，初步设定通断时间大于1秒，使金属体充分磁化；

（3）使用磁力计全面扫查整个测区，每个测点按设定的时间门接收线圈通电某一时刻和断电某一时刻的磁场值；

（4）将通电磁场值和断电磁场值以及通断磁场差值分别绘制等值线图，判断废弃井的位置。

2.根据权利要求1所述的深埋废弃井人工磁化装置的探测方法，其特征在于，所述磁化线圈为边长10米的正方形单匝线圈，并通以10A的电流发射固定频率的脉冲电压，通断时间大于1秒。

3.根据权利要求1所述的深埋废弃井人工磁化装置的探测方法，其特征在于，探测时，需要根据不同干扰体的磁场分布特征加以鉴别而排除干扰，具体方法如下：管道磁场特征形似山岭，废弃井磁场特征形似山峰，块状金属构筑物可近似为球体，其磁场特征公式为：

废弃井中心轴线上磁场特征公式为：

通过上述公式，即使块状金属体与废弃井直径与埋深相当，其磁化强度也小于废弃井，可从异常规模和幅值区分。

4.根据权利要求1所述的深埋废弃井人工磁化装置的探测方法，其特征在于，当线圈断电时，埋深浅、体积小的块状金属体磁场首先衰减，可通过断电后某一时间门的磁场值对比来排除块状金属体的干扰。

5.根据权利要求1-4任一所述的深埋废弃井人工磁化装置的探测方法，其特征在于，所述的磁力计为背架式探测器，所述背架式探测器包括安装在同一背架上的姿态测量模块、矢量数据检测模块、主机，其中：姿态测量模块，用于实时获得所述背架式探测器所处位置的姿态信息，所述姿态信息包括GPS坐标、高度以及方向角，其包括在背架顶部水平方向上间隔安装的两个GPS天线，所述两个GPS天线分别与GPS数据处理系统连接，所述GPS数据处理系统上设有通讯接口；矢量数据检测模块，用于实时获得所述背架式探测器所处位置的矢量数据，其包括通过万向节垂直安装在背架上的传感器支杆以及安装在传感器支杆底端的矢量传感器，所述的矢量传感器为三分量磁通门磁力计；所述矢量传感器与数据采集芯片连接，所述数据采集芯片上设有通讯接口；主机，用于实现任务布置、导航定位、规划扫查路径及显示行进航迹，并能够实现探测数据实时处理显示，其包括通讯接口和人机对话模块；所述姿态测量模块、矢量数据检测模块分别通过通讯接口与主机连接。

6.根据权利要求5所述的深埋废弃井人工磁化装置的探测方法，其特征在于，所述两个GPS定位坐标误差≤1厘米。

7.根据权利要求5所述的深埋废弃井人工磁化装置的探测方法，其特征在于，所述两个GPS天线之间的水平距离大于0.6米。

8.根据权利要求5所述的深埋废弃井人工磁化装置的探测方法，其特征在于，所述两个GPS天线包括一个定位GPS天线和一个定向GPS天线。