CN114252928A - 井下钻孔核磁共振探测装置与工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土探测领域，提供了一种井下钻孔核磁共振探测装置与工作方法。其中，该装置包括发射系统、发射线圈、接收系统、接收探头、控制系统和处理器；所述控制系统与发射系统和接收系统分别相连；所述发射系统与发射线圈相连，所述发射线圈布设在掌子面上，用于发射设定频率及幅值的脉冲信号；所述接收系统与接收探头相连，所述接收探头设置在掌子面的钻孔内，用于采集所述脉冲信号的回波信号，并经接收系统传送至处理器；所述处理器用于根据回波信号得到探测结果数据并分析成像，识别出地下水源。

Description

井下钻孔核磁共振探测装置与工作方法

技术领域

本发明属于岩土探测领域，尤其涉及一种井下钻孔核磁共振探测装置与工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着矿井工程建设快速发展，在地下矿井中，尤其针对大埋深矿井，地下水被过度压缩，产生很大的液压，极易发生严重的突水灾害。煤矿井中，水害事故已经成为继瓦斯爆炸之后威胁安全生产的第二大难题，非煤矿井中，水害事故是威胁矿山安全生产的第一大难题。因此，矿井超前地质预报方法不仅要能探到灾害水源空间位置，在探水准确性和探测范围内涌含水量等方面对预报方法提出了更高的要求。核磁共振方法探测到的响应信号和水体大小有直接关系，可直接探测出地层的含水量情况。

核磁共振超前探测技术是通过发射线圈提供频率为拉莫尔频率的大功率正弦交变电流脉冲，产生激发磁场，促使水中氢质子发生核磁共振现象。停止激发后接收系统接收感应电磁信号，从信号中可以得到地下水位的高度、含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息，即可探测得到线圈前方水体情况。

发明人发现，传统井下核磁共振测受到井下极端环境条件限制，在测量分辨率、精度及探测深度等多方面无法充分发挥对勘探开发的指导作用。具体来说，存在以下问题：(1)井中空间狭小，能布设线圈的空间也非常有限，隧道铺设的线圈边长不能大于6米，不利于发射和接收。核磁共振超前探测的距离非常有限。(2)井中的钢拱架、钢筋网等金属材料会对激发源的磁场分布产生较大的影响，同时使探测线圈电阻变大、电感变小，间接影响了发射频率。(3)井中噪声成分混乱，在强电磁干扰的情况下，弱信号检测也是一个很大的问题。(4)探测线圈类型包括同一线圈和分离线圈这两类，其中，发射线圈和接收线圈分时复用一个线圈，采用的同一线圈移动测量模式，分辨率和工作效率很低，对于覆盖大面积区域探测工作量大；分离线圈由一个发射线圈和一个(或多个)等大的接收线圈组成，多个接收线圈能都明显增加数据量，增加测量结果的信息量，但发射线圈需要轮换发射，不能减少测量次数，即测量效率仍很低。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明的第一个方面提供一种井下钻孔核磁共振探测装置，其采用掌子面发射，钻孔接收的探测方式一定程度上能够解决核磁共振井周轴向探测深度浅的问题，提高纵向分辨率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种井下钻孔核磁共振探测装置，其包括发射系统、发射线圈、接收系统、接收探头、控制系统和处理器；

所述控制系统与发射系统和接收系统分别相连；

所述发射系统与发射线圈相连，所述发射线圈布设在掌子面上，用于发射设定频率及幅值的脉冲信号；

所述接收系统与接收探头相连，所述接收探头设置在掌子面的钻孔内，用于采集所述脉冲信号的回波信号，并经接收系统传送至处理器；

所述处理器用于根据回波信号得到探测结果数据并分析成像，识别出地下水源。

作为一种实施方式，所述钻孔与发射线圈外边间隔第一设定距离，相邻钻孔间隔第二设定距离。

作为一种实施方式，所述处理器包括依次相连的数据输入模块、预处理模块、反演处理模块和图像输出模块。

作为一种实施方式，所述发射系统包括依次相连的储能电路、功率放大电路和发射电路，发射电路发射最大发射电流时的莫尔频率与配谐电容的电容值相匹配。

作为一种实施方式，所述接收系统包括依次相连的隔离电路、前置放大电路、滤波放大电路和采集电路，所述隔离电路的输入端与接收探头相连。

作为一种实施方式，所述发射线圈的形状为正方形。

作为一种实施方式，所述发射线圈铺设在线圈支架上，所述线圈支架固定在掌子面上。

作为一种实施方式，所述接收探头为永磁探头。

作为一种实施方式，所述接收探头包括贴壁型探头和居中型探头，均包括磁体、天线、外壳和骨架，所述磁体、天线和骨架均设置在外壳内部；所述居中型探头中的骨架在探头中央，磁体和天线布置在骨架的外部；所述贴壁型探头的磁体和天线分别位于探头左右两侧。

作为一种实施方式，所述接收探头还与探头传送系统相连，所述探头传送系统用于搭载接收探头并将接收探头在钻孔中收送。

作为一种实施方式，所述探头传送系统包括保护套筒、收送杆筒、电缆和探头固定装置，所述接收探头通过电缆与接收系统相连，电缆布设在收送杆筒内部，所述收送杆筒外壁两侧设有凸体，所述保护套筒套设在收送杆筒外部，保护套筒内壁设有与所述凸体相对应的凹槽，探头固定装置设置在保护套筒的上部。

本发明的第二个方面提供一种井下钻孔核磁共振探测装置的工作方法，其包括：

根据掌子面尺寸和形状，在掌子面上进行超前钻孔以及布设发射线圈；

连接如上述所述的井下钻孔核磁共振探测装置；

调整莫尔频率使最大发射电流时的莫尔频率与配谐电容的电容值相匹配；

操控控制系统，对发射系统发送信号，发射系统通过发射线圈开始发射脉冲，发射停止后，待能量泄洪完毕，操控控制系统向接收系统发射采集信号，经过接收系统将采集的回波信号传送至处理器，得到探测结果数据并进行分析成像，最终完成对地下水源的识别。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用掌子面发射，钻孔接收的探测方式一定程度上解决了核磁共振井周轴向探测深度浅的问题，增大了探测深度，提高了纵向分辨率，降低了井中施工机械对探测的干扰，提高了探测得到准确性和可信度；井中空间狭小，采用钻孔接收的观测装置提高井中探测的空间利用率。

(2)本发明采用居中型接收探头和贴壁型磁探头搭配的阵列接收能够扩大接收面积，对弱信号分辨能力显著增强，极大的提高信噪比，并且容易进行后向屏蔽，实现了一发多收，只需要进行一次发射，就可以获得多个位置的信号，可减少测量次数，提高了探测效率。

(3)本发明采用收送杆筒凸体和保护套筒凹槽的定位定向卡位装置有效避免了接收探头碰撞损耗，为接收探头提供了一定的安全距离。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的井下钻孔核磁共振探测装置的框图；

图2(a)是本发明实施例在井下布置的居中型接收探头结构示意图；

图2(b)是本发明实施例在井下布置的贴壁型探头结构示意图；

图3是本发明实施例的钻孔及内部接收探头排列方式示意图；

图4是本发明实施例的磁性接收探头内部结构图；

图5(a)是本发明实施例的收送杆筒结构示意图；

图5(b)是本发明实施例的保护套筒结构示意图。

图中：1处理器，2控制系统，3发射系统，4储能电路，5功率放大电路，6发射电路，7配谐电容，8发射线圈，9接收探头，10第一贴壁型探头，11第一居中型探头，12第二贴壁型探头，13第三贴壁型探头，14第二居中型探头15第四贴壁型探头，16接收系统，17隔离电路，18前置放大电路，19滤波放大电路，20采集电路，21电源，22掌子面，23外壳，24骨架，25磁体，26天线，27保护套筒，28收送杆筒，29地下水源，30电缆，31凸体，32凹槽，33探头固定装置，34线圈支架，35数据输入模块，36预处理模块，37反演处理模块，38图像输出模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例的一种井下钻孔核磁共振探测装置，其包括发射系统3、发射线圈8、接收系统16、接收探头9、控制系统2和处理器1；

所述控制系统2与发射系统3和接收系统16分别相连；

所述发射系统3与发射线圈8相连，所述发射线圈8布设在掌子面22上，用于发射设定频率及幅值的脉冲信号；

所述接收系统16与接收探头9相连，所述接收探头9设置在掌子面22的钻孔内，用于采集所述脉冲信号的回波信号，并经接收系统传送至处理器；

所述处理器1与控制系统2相连，用于根据回波信号得到探测结果数据并分析成像，识别出地下水源29。

在具体实施中，处理器1包括依次相连的数据输入模块35、预处理模块36、反演处理模块37和图像输出模块38。处理器1可以将数据转化为二维或三维图像。

需要说明的是，根据回波信号得到探测结果数据并分析成像的过程可采用现有的算法来实现，此处不再累述。

控制系统2通过电缆30与发射系统3、接收系统16和处理器1分别相连，能够直接给发射系统3、接收系统16发送指令并控制开始或暂停工作。探测完成后，采集系统16通过控制系统2将采集处理好的信号数据发送到处理器1。在具体实施中，所述钻孔与发射线圈外边间隔第一设定距离，相邻钻孔间隔第二设定距离。例如：相邻钻孔间隔3.5米，钻孔与发射线圈外边间隔4米。

需要说明的是，本领域技术人员还可根据实际情况来具体设置钻孔与发射线圈外边间隔，以及相邻钻孔间隔。

发射系统3与发射线圈8相连，能够向发射线圈8发射脉冲。所述发射系统3包括依次相连的储能电路3、功率放大电路5和发射电路6，发射电路6发射最大发射电流时的莫尔频率与配谐电容7的电容值相匹配。

具体地，所述发射线圈8的形状为正方形。所述发射线圈8铺设在线圈支架34上，所述线圈支架34固定在掌子面22上。

在具体实施中，所述接收系统16与接收探头9相连，能够接收及放大处理接收探头采集的回波信号。接收系统16包括依次相连的隔离电路17、前置放大电路18、滤波放大电路19和采集电路20，所述隔离电路17的输入端与接收探头9相连。

其中，隔离电路17能控制接收探头9和接收系统13的接触和隔离，具有保护电路的作用。采用前置放大器18和滤波放大器19，两种放大器对探头采集的原始回波信号具有放大作用，其中滤波放大器19对回波信号可以进行滤除噪声干扰的处理。采集电路20能够对放大、滤除噪声后的回波信号进行采集和处理。

作为一种优选的实施方式，所述接收探头为永磁探头。如图2(a)和图2(b)所示，包括了贴壁型和居中型两种类型探头。所述两种探头都包括接收探头外壳23，接收探头骨架24，接收探头磁体25接收探头天线四部分，图2中(a)部分居中型接收探头结构示意图，其中骨架在探头中央，磁体和天线布置在骨架的外部。其探测区域为探头以探头中轴线相对称的区域。图2(b)部分为贴壁型探头，磁体和天线分别位于探头左右两侧，其探测区域主要为磁体靠壁一侧的瓦形壳区域。外壳和骨架部分采用耐高温、耐高压材料。

具体地，所述接收探头包括贴壁型探头和居中型探头，均包括磁体25、天线26、外壳23和骨架24，所述磁体25、天线26和骨架24均设置在外壳23内部；所述居中型探头中的骨架在探头中央，磁体和天线布置在骨架的外部；所述贴壁型探头的磁体和天线分别位于探头左右两侧。

在具体实施中，所述接收探头还与探头传送系统相连，所述探头传送系统用于搭载接收探头并将接收探头在钻孔中收送。

如图3是井下钻孔核磁共振探测装置的整体结构侧面示意图，在掌子面22上进行超前钻孔，并通过探头搭载系统将接收探头9送入钻孔中。所述探头传送系统包括保护套筒27、收送杆筒28、电缆30和探头固定装置33。接收探头通过电缆30分别接收系统16相连接，电缆30布置在收送杆筒28内部，所述收送杆筒28为绝缘套管，可以减小电缆30与外部结构摩擦，降低电缆损耗。所述保护套筒27为耐高温、强硬度的绝缘套管，对收送杆筒28和接收探头9具有保护作用。收送杆筒28宽度略小于安全套筒27，其与安全套筒27之间存在一定的孔隙。所述探头固定装置33将接收探头9固定在保护杆筒28上。处理器1、控制系统2、发射系统3、发射线圈8和接收系统16按照图1装置工作系统框图的连接方式依次相连。

如图4发射线圈、钻孔及内部接收探头排列方式示意图，本装置采用一个发射线圈、列阵式接收探头接收的探测方式，实现了一发多收的。发射线圈8布置在固定在掌子面22的线圈支架34上。列阵式接收探头包括第一中间型探头11，第二中间型探头14，第一贴壁型探头10，第二贴壁型探头12，第三贴壁型探头13，第四贴壁型探头15。第一中间型探头11，第一贴贴壁型探头10，第二贴壁型探头12布置在一行，第二中间型探头14第三，贴壁型探头13，第四贴壁型探头15布置在一行。中间型探头布置在两个贴壁型探头的中间。两行探头固定在相应钻孔中，每一行的三个探头通过电缆30分别连接。这种只需进行一次发射，就可以获得多个位置的信号。

如图5(a)和图5(b)所示，在收送杆筒28外壁两侧设有凸体31。保护套管27左右内壁设计与收送杆筒相对应的凹槽32。凸体31和凹槽32长度为保护套筒长度的三分之二，两者构成了定深定向卡位装置，既规定了探头在钻孔中的位置，又为保护套筒在钻孔中收送规定了方向，避免了收送套筒在钻孔中发生撞击的可能，同时为接收探头预留了一定的安全距离。探头固定装置33将接收探头9固定在保护杆筒28上。

本实施例的井下钻孔核磁共振探测装置的工作方法，其包括：

步骤1：根据掌子面尺寸和形状，在掌子面上进行超前钻孔以及布设发射线圈。

例如：按照相邻钻孔间隔3.5米，钻孔与发射线圈外边间隔4米的原则。大体确定发射线圈安装和超前钻孔位置，在掌子面上进行超前钻孔，并把保护套筒安装至钻孔中。

步骤2：连接如上述所述的井下钻孔核磁共振探测装置。

具体地，将发射线圈铺设在线圈支架上，通过电缆与发射系统相连接。固定接收探头在收送杆筒顶端，将连接接收探头的电缆穿过收送杆筒与接收系统连接。使传送套筒的凸体对准保护套筒的凹槽，把接收探头送入钻孔中。其中居中型接收探头放置中间钻孔中，两个贴壁型接收探头所在的钻孔在中间钻孔的两边。将控制系统分别与处理器、发射系统、和接收系统相连接。将电源与发射系统连接。

步骤3：调整莫尔频率使最大发射电流时的莫尔频率与配谐电容的电容值相匹配。

具体地，使用地磁场测量仪多次测出的地磁场的平均值作为静态磁场，静态磁场乘以氢核磁的磁旋比计算得到莫尔频率f。用电表测量线圈电感L，根据公式(2fπ)²L/1计算配谐电容。调整莫尔频率使最大发射电流时的莫尔频率与设置的电容相匹配。

步骤4：操控控制系统，对发射系统发送信号，发射系统通过发射线圈开始发射脉冲，发射停止后，待能量泄洪完毕，操控控制系统向接收系统发射采集信号，经过接收系统将采集的回波信号传送至处理器，得到探测结果数据并进行分析成像，最终完成对地下水源的识别。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种井下钻孔核磁共振探测装置，其特征在于，包括发射系统、发射线圈、接收系统、接收探头、控制系统和处理器；

所述控制系统与发射系统和接收系统分别相连；

所述发射系统与发射线圈相连，所述发射线圈布设在掌子面上，用于发射设定频率及幅值的脉冲信号；

所述接收系统与接收探头相连，所述接收探头设置在掌子面的钻孔内，用于采集所述脉冲信号的回波信号，并经接收系统传送至处理器；

所述处理器用于根据回波信号得到探测结果数据并分析成像，识别出地下水源。

2.如权利要求1所述的井下钻孔核磁共振探测装置，其特征在于，所述钻孔与发射线圈外边间隔第一设定距离，相邻钻孔间隔第二设定距离。

3.如权利要求1所述的井下钻孔核磁共振探测装置，其特征在于，所述发射系统包括依次相连的储能电路、功率放大电路和发射电路，发射电路发射最大发射电流时的莫尔频率与配谐电容的电容值相匹配；

或/和

所述接收系统包括依次相连的隔离电路、前置放大电路、滤波放大电路和采集电路，所述隔离电路的输入端与接收探头相连。

4.如权利要求1所述的井下钻孔核磁共振探测装置，其特征在于，所述发射线圈的形状为正方形。

5.如权利要求1所述的井下钻孔核磁共振探测装置，其特征在于，所述发射线圈铺设在线圈支架上，所述线圈支架固定在掌子面上。

6.如权利要求1所述的井下钻孔核磁共振探测装置，其特征在于，所述接收探头为永磁探头。

7.如权利要求1所述的井下钻孔核磁共振探测装置，其特征在于，所述接收探头包括贴壁型探头和居中型探头，均包括磁体、天线、外壳和骨架，所述磁体、天线和骨架均设置在外壳内部；所述居中型探头中的骨架在探头中央，磁体和天线布置在骨架的外部；所述贴壁型探头的磁体和天线分别位于探头左右两侧。

8.如权利要求1所述的井下钻孔核磁共振探测装置，其特征在于，所述接收探头还与探头传送系统相连，所述探头传送系统用于搭载接收探头并将接收探头在钻孔中收送。

9.如权利要求8所述的井下钻孔核磁共振探测装置，其特征在于，所述探头传送系统包括保护套筒、收送杆筒、电缆和探头固定装置，所述接收探头通过电缆与接收系统相连，电缆布设在收送杆筒内部，所述收送杆筒外壁两侧设有凸体，所述保护套筒套设在收送杆筒外部，保护套筒内壁设有与所述凸体相对应的凹槽，探头固定装置设置在保护套筒的上部。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的井下钻孔核磁共振探测装置的工作方法，其特征在于，包括：

根据掌子面尺寸和形状，在掌子面上进行超前钻孔以及布设发射线圈；

连接如权利要求1-9中任一项所述的井下钻孔核磁共振探测装置；

调整莫尔频率使最大发射电流时的莫尔频率与配谐电容的电容值相匹配；

操控控制系统，对发射系统发送信号，发射系统通过发射线圈开始发射脉冲，发射停止后，待能量泄洪完毕，操控控制系统向接收系统发射采集信号，经过接收系统将采集的回波信号传送至处理器，得到探测结果数据并进行分析成像，最终完成对地下水源的识别。

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