CN215169955U - 基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于地球物理测井技术领域，涉及一种井下时域或频域多分量电磁远探测仪器。基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪，包括：时域或频域多分量电磁发射模块、多级阵列式时域或频域多分量电磁信号接收模块、多通道模数转换模块及三分量光纤惯导定位定向模块；所述时域或频域多分量电磁信号发射模块用于产生三分量激励磁场，所述多级阵列式时域或频域多分量电磁信号接收模块用于接收时域或频域三分量磁场信号及单分量或三分量电场信号。本实用新型可以大大降低发射信号对仪器电子器件和电路板模块的强干扰，减少直接耦合到仪器信号接收端的干扰噪声，提高仪器的信噪比和探测灵敏度。

Description

基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪

技术领域

本实用新型属于地球物理测井技术领域，涉及一种井下时域或频域多分量电磁远探测仪器。

背景技术

电磁感应测井是指利用电磁感应原理研究岩层导电性的一种测井方法。当发射线圈中通以交变电流时，在周围岩层中由交变电磁场感应出与线圈同轴的涡流。涡流引起的二次磁场在接收线圈中引起二次感应电动势，其大小与涡流大小成正比，涡流的大小与岩层电导率成正比。

感应测井的井下仪器中装有线圈系，通常线圈系由发射线圈和接受线圈组成，叫双线圈系。发射线圈和接受线圈之间的距离叫线圈距。把地层看成是一个环绕井轴的大线圈。把装有发射和接收线圈的井下仪器放入井中，对发射线圈通以交流电，在发射线圈周围地层中产生交变磁场，这个交变磁场通过地层，在地层中感应出电流，此电流环绕井轴流动，称为涡流。

涡流在地层中流动又产生交变磁场，这个磁场是地层中的感应电流产生的，称为二次磁场。二次磁场穿过接收线圈，并在接收线圈中感应出电流，从而被记录仪记录。显然，接收线圈中感应产生的电动势大小与地层中产生的涡流大小有关，而涡流大小又与岩石的导电性有关。地层电导率大，则涡流大，地层电导率小，则涡流小。涡流与地层的电导率成正比，因而接收线圈中电动势也与地层电导率成正比。

阵列感应测井采用一个发射线圈和多个接收线圈对，构成一系列多线圈距的三线圈系。阵列感应测井的最基本原理与普通感应测井原理类似，但它在硬件上采用简单的三线圈系结构，这种线圈系没有硬件聚焦功能，它采用数学方法对呈不对称形状的纵向响应曲线进行软件聚焦处理。它由7组接收线圈对和1个共用的发射线圈组成，实际上相当于具有7种线圈距的三线圈系。

电磁屏蔽，即电磁波传播到电磁屏蔽材料表面时，利用屏蔽材料的反射、吸收、衰减等使电磁辐射场产生的电磁波不能进入被屏蔽区域。常用电磁屏蔽材料包括金属材料、磁性材料、导电聚合物、碳基导电高分子复合材料等，良好的电损耗与磁损耗赋予了它们优异的电磁屏蔽性能，但是存在密度大、结构设计困难等问题，并且应用受到限制。其中，传统金属材料和磁性材料密度较大，随着电子设备向便携式方向发展，这就要求电磁屏蔽材料在具备高屏蔽性能的同时也具有轻质等特点。由此可见，由于具有轻质、耐腐蚀和易加工等优点，碳基电磁屏蔽材料在电磁屏蔽方面具有更加突出的应用价值。

石墨烯具有纵横比、电导率和热导率高、比表面积大、密度低等特点，其本征强度高达130 GPa，常温下的电子迁移率可达到15 000 cm2／(V • s)，是目前电阻率最小的材料。并且石墨烯具有室温量子霍尔效应和良好的铁磁性，与石墨、碳纤维、碳纳米管等材料相比，拥有独特性能的石墨烯可以突破碳材料原有的局限，成为一种新型有效的电磁屏蔽和微波吸收材料。

石墨烯是一种二维材料，具有优异的导电性和导热性。由于石墨烯是纳米级，具有新的性能。根据理论推导，石墨烯会吸收πα≈2.3%的白光（α指精细结构场数）。目前，石墨烯作为电磁干扰吸波材料已经进入试验应用阶段。而相关研究表明，石墨烯所具备的片貌相对于棒状状形或球状对材料的吸波性更加有利。

石墨烯具有优异的导电性，是作电磁蔽涂料的优良材料。碳系材料的屏蔽作用主要取决于表面反射，而石墨烯的结构有利于提高多次反射损耗。导电膜就是一种应用比较广泛的电磁屏蔽材料。石墨烯是片状结构，如果其一层一层的紧密平行排列，过面与面的接触实现导电通路，由于接触面大、电阻小，导电能力较强。这就是理想中的石墨烯屏蔽材料的导电网络。

由于井下时域或频域多分量电磁测量仪器中大功率激励电磁信号发射线圈和信号接收线圈以及所有的激励信号控制电路、接收信号放大电路、多通道模数转换电路、数据存储电路、数据遥传电路都安装在细长的高强度无磁性不锈钢或合金或复合材料外壳内，发射线圈发出的大功率激励电磁信号将对仪器内的所有电子器件和电路板模块以及引线产生强烈的电磁干扰，极大的降低仪器的信噪比，以致仪器无法探测从地层深处反射回仪器电磁信号接收电极和接收线圈的微弱电磁场信号。

实用新型内容

本实用新型为解决上述技术问题，提出一种基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪，用石墨烯材料制作的屏蔽盒或套包裹在所有的电子器件、电路板模块、连接三分量磁场发射和接收线圈引线的外面，也包裹在所有不极化电极引线的外面，大幅度减少大功率激励电磁信号将对仪器内的所有电子器件和电路板模块以及引线产生的电磁干扰，极大的提高仪器的信噪比和探测灵敏度。

基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪，包括：时域或频域多分量电磁发射模块、多级阵列式时域或频域多分量电磁信号接收模块、多通道高速模数转换模块及三分量光纤惯导定位定向模块；所述时域或频域多分量电磁信号发射模块用于产生三分量激励磁场，所述多级阵列式时域或频域多分量电磁信号接收模块用于接收时域或频域三分量磁场信号及单分量或三分量电场信号。

进一步优选地，所述多级阵列式时域或频域多分量电磁信号接收模块包括：多级阵列式时域或频域多分量磁场信号采集单元和多级阵列式时域或频域单分量或多分量电场信号采集单元。

进一步优选地，还包括授时模块，所述授时模块用于为三分量光纤惯导定位定向模块的采集数据进行授时，以及用于给时域或频域三分量磁场数据与时域或频域单分量或三分量电场数据进行授时。

进一步优选地，所述时域或频域三分量电磁信号发射模块为由6个线圈两两相对构成三对相互正交的发射线圈系。

进一步优选地，所述阵列式时域或频域三分量磁场信号采集单元为多级三分量磁场接收线圈；每级三分量磁场接收线圈由6个线圈两两相对构成三对相互正交的接收线圈系。

进一步优选地，所述多级阵列式时域或频域单分量或三分量电场信号采集单元为：沿仪器延伸方向分量的时域或频域单分量电场不极化电极对，单分量不极化电极对安装在每个时域或频域三分量磁场接收线圈的两端；或为由6个不极化电极两两相对构成三对相互正交的三分量不极化电极对，三分量不极化电极对安装在两个时域或频域三分量磁场接收线圈的中间。

进一步优选地，所述三分量光纤惯导定位定向模块安装于三分量发射线圈与三分量磁场接收线圈之间；所述三分量光纤惯导定位定向模块为干涉型光纤陀螺仪、谐振式光纤陀螺仪、受激布里渊散射光纤陀螺仪、光纤陀螺捷联惯导系统、光纤光栅捷联惯导系统、光纤陀螺以及微机械陀螺组合的惯导模块中的任一种。

进一步优选地，还包括时域或频域三分量电磁信号发射电路，所述电路包括：交流/直流电源模块、有源钳位电压源模块、功率逆变模块、数字逻辑控制模块、驱动模块、发射线圈、电流波形高精度检测与记录模块。

进一步优选地，仪器内任何存在电磁干扰的器件外部均设有石墨烯屏蔽盒或屏蔽套。

所述井下时域或频域多分量电磁测量仪器与地面控制和数据采集处理子系统通过铠装光电复合缆相连接。

本实用新型的有益效果：本实用新型的仪器，能够同步采集单分量或三分量电场信号；通过覆盖包裹所有电子器件和电路板模块的石墨烯材料屏蔽盒屏蔽发射线圈发射的电磁场信号，大大降低大功率电磁发射信号对仪器电子器件和电路板模块的强烈干扰，减少直接耦合到仪器信号接收端的干扰噪声，提高仪器的信噪比和探测灵敏度。

附图说明

图1 本实用新型的井下时域或频域多分量电磁测量仪结构示意图；

图2本实用新型的井下时域或频域多分量电磁测量仪系统功能示意图；

图3 本实用新型的井下时域或频域多分量电磁测量仪系统整体电路设计框图；

图4本实用新型的井下时域或频域电磁多分量测量仪发射与接收线圈布设结构框图；

图5本实用新型的井下时域或频域多分量电磁随钻测量仪发射与接收线圈布设结构框图；

图6 本实用新型的井下时域或频域多分量电磁测量仪系统原理框图。

图中：1、外壳；2、屏蔽盒；3、三分量光纤惯导定位定向模块；4、授时模块；5、铠装光电复合缆；6、多通道模数转换模块；7、屏蔽套；8、接地线；12、时间域或频率域电磁信号发射模块；14、多级阵列式时域或频域磁场信号采集单元；15、多级阵列式时域或频域电场信号采集单元；16、地面大电流源发射控制激发单元；17、地面多通道控制和数据接收单元；31、光电转换模块；70、随钻测井仪器外壳；71、传感器固定支架；72、钻井泥浆通道；73、牙轮钻头；74、垂直磁场分量发射线圈；75、第一水平磁场分量发射线圈；76、第二水平磁场分量发射线圈；77、垂直磁场分量接收线圈；78、第一水平磁场分量接收线圈；79、第二水平磁场分量接收线圈。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本实用新型的技术内容，下面结合附图1-6对本实用新型内容进一步阐释。

电磁感应测井是指利用电磁感应原理研究岩层导电性的一种测井方法。当发射线圈中通以交变电流时，在周围岩层中由交变电磁场感应出与线圈同轴的涡流。涡流引起的二次磁场在接收线圈中引起二次感应电动势，其大小与涡流大小成正比，涡流的大小与岩层电导率成正比。

感应测井的井下仪器中装有线圈系，通常线圈系由发射线圈和接受线圈组成，叫双线圈系。发射线圈和接受线圈之间的距离叫线圈距。把地层看成是一个环绕井轴的大线圈。把装有发射和接收线圈的井下仪器放入井中，对发射线圈通以交流电，在发射线圈周围地层中产生交变磁场，这个交变磁场通过地层，在地层中感应出电流，此电流环绕井轴流动，称为涡流。

涡流在地层中流动又产生交变磁场，这个磁场是地层中的感应电流产生的，称为二次磁场。二次磁场穿过接收线圈，并在接收线圈中感应出电流，从而被记录仪记录。显然，接收线圈中感应产生的电动势大小与地层中产生的涡流大小有关，而涡流大小又与岩石的导电性有关。地层电导率大，则涡流大，地层电导率小，则涡流小。涡流与地层的电导率成正比，因而接收线圈中电动势也与地层电导率成正比。

时域电磁法的原理: 将周期性的脉冲电流送入发射线圈，此地下脉冲电流在其周围的空间产生一次场。当地下有良导体（金属矿）或高阻体（石油或天然气）存在时，由于电磁感应原理，良导体内感应了涡流，高阻体会排斥一次场的电流，良导体内感应的涡流或被高阻体排斥的一次场的电流就会在其周围空间产生二次场。当一次场脉冲磁场断掉后，导体内的感应电流或被高阻体排斥的一次场的电流并不立即消失，而是按指数规律逐渐扩散、衰减和消失的过渡过程。因此，在导体周围的空间形成衰减的二次磁场，可用烟圈效应这一名词来描述。这个衰减扩散的二次磁场就是二次磁场的时间特性。研究二次场的时间特性是时域电磁法的主要任务之一。

在电缆测井应用中，对于电磁远探测和前视，根据时域电磁方法的理论，时域电磁方法可用于在距井眼相对较远的距离处对电导率分布进行成像，有助于在油气藏中最佳布井。根据时域电磁方法的理论，当时间t=0前（一次场断电前），时域电磁仪器的发射源在其周围的地层中建立起直流磁场，并记录由源电流在t=0时（一次场断电时刻）突然切断后引起的瞬变感应电压。实验证明时域电磁测量值可用于定义时间相关的电导率，以及时间相关的视倾角和方位角。可以用于在均匀的背景中确定导电或高阻异常体的存在和位置，并且因此可以用于获得井眼周围岩石或储层的导电率分布的图像。

本实施例的基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪，如图1和2所示，包括：高强度无磁性不锈钢或合金或复合材料外壳1，以及安装于外壳1内的时域或频域电磁信号发射模块12、多级阵列式时域或频域磁场信号采集单元14、多级阵列式时域或频域电场信号采集单元15、三分量光纤惯导定位定向模块3、多通道模数转换模块以及存储器；覆盖包裹所有电子器件和电路板模块以及引线的石墨烯材料制成的屏蔽盒2与屏蔽套7；所有石墨烯屏蔽盒和屏蔽套都连接到公共的接地线8，公共接地线8与测量仪器的金属外壳相连接。

三分量光纤惯导定位定向模块3安装于时域或频域电磁信号发射模块12和多级阵列式时域或频域磁场信号采集单元14之间，用于采集仪器的实时方位、移动速度、位置和倾角数据。

时域或频域电磁信号发射模块12用于产生三分量激励磁场，多级阵列式三分量时域或频域磁场信号采集单元14用于接收三分量时域或频域磁场信号，多级阵列式单分量或三分量时域或频域电场信号采集单元15用于采集单分量或三分量时域电场信号；多通道模数转换模块6将三分量时域或频域磁场信号与单分量或三分量时域或频域电场信号转换成数字信号，并存储到存储器中。存储器还包括存储三分量光纤惯导定位定向模块3采集的仪器的实时方位、移动速度、位置和倾角的数据。

还包括安装于外壳1内的光电转换模块31，用于多通道模数转换模块6输出的数字信号转变为光信号，以便用铠装光电复合缆5里面的光纤将井下仪器采集的时域或频域电磁数据和仪器的实时姿态数据高速传输到井口的仪器车里的计算机里面。

本实施例中，如图1和图2所示，时域或频域电磁信号发射模块12为三分量磁场发射线圈，由6个线圈两两相对构成相互正交的发射线圈系，此6个线圈两两相对构成相互正交的发射线圈系中心是空心的，便于仪器内部的电源线和信号线从该发射线圈系中心穿过，连接到仪器顶端的铠装光电复合缆5。

本实施例中，如图1和图2所示，多级阵列式三分量时域或频域磁场信号采集单元14为阵列式井下时域或频域多分量电磁测量仪器的多级三分量磁场接收线圈，由每级6个线圈两两相对构成相互正交的接收线圈系，此6个线圈两两相对构成相互正交的接收线圈系中心是空心的，便于仪器内部的电源线和信号线从该三分量接收线圈系中心穿过，连接到仪器顶端的铠装光电复合缆5。

本实施例中，如图1和图2所示，多级阵列式时域或频域电场信号采集单元15为测量沿仪器延伸方向分布电场的单分量不极化电极对，或为由6个不极化电极两两相对构成三对相互正交的三分量不极化电极对。单分量不极化电极对安装在每个三分量时域或频域磁场接收线圈的两端，三分量不极化电极对安装在两个时域或频域三分量磁场接收线圈的中间。

针对随钻井下时域或频域电磁多分量测量仪器，还包括授时模块4，该授时模块4采用了耐高温高精度恒温晶振或原子钟芯片对实时测量的时三分量间域或频域磁场数据、单分量或三分量时域或频域电场数据和三分量光纤惯导数据进行授时，实现随钻井下时域或频域电磁多分量测量仪器的连续数据采集。

本实用新型的基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪与地面控制和数据采集子系统之间的通信问题，可分为两种情况，一是可以通过铠装光电复合缆5直接与地面控制和数据采集子系统进行实时高速通信；另一种是与地面控制和数据采集子系统无通信，随钻井下仪器里面的数据存储器把采集到的多分量时域或频域电磁数据和三分量磁场传感器的实时位置、速度和姿态数据记录存储下来，待仪器出井后，将其中存储的数据导入地面控制和数据采集子系统。

为了确保第二种情况的数据采集实时性问题；本实用新型在仪器中加入授时模块，具体的工作过程为：井下时域或频域电磁多分量测量仪器的时域或频域电磁信号发射模块12和四分量（3磁1电）或六分量（3磁3电）时域或频域电磁接收模块将实测的三分量时域或频域电磁发射数据和四分量（3磁1电）或六分量（3磁3电）时域或频域电磁接收数据经授时模块4授时后存储在存储器中；三分量光纤惯导定位定向模块3将实测的多级阵列式三分量时域或频域磁场信号采集单元14的实时位置、速度和姿态信息经授时模块4授时后存储在存储器中，当井下的随钻时域或频域电磁多分量测量仪器从井下取出后，将存储器中的数据传输至地面控制和数据采集子系统。

第二种情况还包括：井下时域或频域电磁多分量测量仪器的多分量采集单元与多通道模数转换模块6输入端相连，三分量光纤惯导定位定向模块3通过光电转换模块31与多通道模数转换模块6输入端相连，多通道模数转换模块6输出端与存储器相连。

本实施例中，时域或频域电磁信号发射模块12为三分量感应线圈式换能器或三分量电磁发射传感器。多级阵列式三分量时域或频域磁场信号采集单元14为三分量感应线圈式磁场传感器，或三分量磁通门式磁场传感器，或三分量超导磁场传感器，或三分量冷原子磁场传感器，或三分量光纤磁场传感器。

三分量光纤惯导定位定向模块3为干涉型光纤陀螺仪、谐振式光纤陀螺仪、受激布里渊散射光纤陀螺仪、光纤陀螺捷联惯导系统、光纤光栅捷联惯导系统、光纤陀螺以及微机械陀螺组合的惯导模块。

如2图所示，基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域电磁多分量测量仪器功能示意图，按功能划分，主要包括：电子单元、时域或频域电磁信号发射模块12、多级阵列式三分量时域或频域磁场信号采集单元14，电子单元包括发射机电路和接收机电路。

图3是本实用新型的基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪发射与接收线圈布设结构框图。主要包括：交流/直流电源模块、有源钳位电压源模块、功率逆变模块、驱动模块、数字逻辑控制模块、阻尼电路，发射线圈、电流波形高精度检测与记录模块。发射系统采用单相交流发电机在地面通过数千米光电复合缆5供电，经过交流/直流变换装置获得直流供电电压，同时经过交流/直流变换装置获得直流钳位高压。基于FPGA的发射机控制核心模块，利用PWM调制技术控制三相交流/直流变换电路，对功率变换电路的输出电压、输出电流进行精确控制，并最终实现发射机MOSFET功率开关电路对发射机负载按照预设值恒流输出。

具体的发射机电路通过开关控制与时域或频域电磁信号发射模块12连接，分时（依次）发射。多级阵列式三分量时域或频域磁场信号采集单元14、多级阵列式单分量或三分量时域或频域电场信号采集单元15与多通道接收机连接，对三分量时域或频域磁场数据和单分量时域或频域电场数据实时采集与存储。阵列式接收机同时实时采集三分量发射电流信号并进行存储。

采用本实用新型所探测到的数据，其数据处理方式为现有技术，比如可以采用如下处理流程，包括：

1、根据井轨迹曲线，先将井下仪器1在每个测点位置的测量深度值（MD）换算成从井口到井底的垂直深度值（TD）；

2、根据三分量光纤惯导定位定向模块3测量得到的井下时域或频域电磁多分量测量仪器的三分量传感器的倾角、方位角和倾向，对三分量时域或频域电磁数据进行旋转处理；

3、根据步骤2旋转处理后的三分量时域或频域电磁数据，提取与电磁特性有关的岩石或地层的三分量电阻率数据；

4、根据步骤3提取的三分量电阻率数据进行反演成像，获取测点位置一定距离范围内的岩石或地层电性（电阻率和极化率（激发极化参数））参数的分布规律；

5、采用适应性强的时域瞬变电磁或频域电磁三维正演算法，模拟各向异性的高精度数值；

6、在迭代算法计算过程中使用无矩阵方法计算矩阵向量乘积，并利用分布式网格分区技术实现算法的并行化，并行算法达到或接近线性加速比；

7、利用快速反演及成像技术，通过并行计算及雅克比矩阵快速求解，加速反演及成像速度，计算出从井眼到离井眼一定距离处地下介质的电性参数分布特征和规律；

8、根据其它的地质、构造、岩性、储层及其电性参数分布特征和规律，综合解释从井口到离井眼一定范围内的油气或矿产资源的富集程度（含油气饱和度或矿产资源的品位），实现利用井下时域或频域电磁多分量测量仪器探测离井眼一定距离的地质目标的目的。

本领域技术人员可以结合步骤1到步骤8的处理流程对本实用新型的井下测量仪器所采集的三维三分量时域或频域电磁数据进行处理，由于具体的数据处理方法不是本实用新型的重点内容，在此不做详细叙述。

图5是基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁随钻测量仪发射与接收线圈布设结构框图（含牙轮钻头73），包括：随钻测井仪器外壳70，随钻测井仪器内传感器固定支架71，随钻测井仪器内部钻井泥浆通道72，随钻测井仪器的牙轮钻头73，三分量光纤惯导定位定向模块3，连接三分量光纤惯导定位定向模块3的光电转换模块31，连接光电转换模块31的多通道模数转换模块6和存储器，授时模块4，垂直磁场分量发射线圈74，第一水平磁场分量发射线圈75，第二水平磁场分量发射线圈76，垂直磁场分量接收线圈77，第一水平磁场分量接收线圈78，第二水平磁场分量接收线圈79。

三分量光纤惯导定位定向模块3安装在三分量随钻感应测井仪器里的三分量磁场分量发射线圈和三分量磁场接收线圈之间，授时模块4安装在三分量光纤惯导定位定向模块3下方。三分量光纤惯导定位定向模块3用于实时测量记录三分量随钻感应测井仪器在钻井作业过程中的所有测点的实际方位和位置坐标信息，多通道模数转换模块6将实测的井下时域或频域多分量电磁测量仪里的多级阵列式三分量时域或频域磁场信号采集单元14的实时位置、速度和姿态信息通过多通道模数转换模块6转换成数字信号后存储在存储器里，授时模块4给其记录的时域或频域电磁数据、多级阵列式三分量时域或频域磁场信号采集单元14的实时位置、速度和姿态信息进行授时。

基于石墨烯电磁屏蔽的井下随钻时域或频域电磁多分量测量仪器从井筒里取出来后，把存储在随钻时域或频域多分量电磁测量仪里面的井下实测的多分量时域或频域电磁数据、多级阵列式三分量时域或频域磁场信号采集单元14的实时位置、速度和姿态信息传输到地面控制和数据采集处理子系统里，便于后续的数据处理。

图6是本实用新型的基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪和地面控制激发与数据接收系统原理框图。其工作原理如下：当井下时域或频域多分量电磁测量仪下到井底可以开始进行发射和采集数据时，安装在仪器中部的三分量光纤惯导定位定向模块3同步开始测量并记录井下仪器此时的实时方位、位置和倾角并实时传输到地面多通道控制和数据接收单元17。地面大电流源控制激发单元16通过光电复合缆5开始向井下时域或频域电磁信号发射模块12发送预先设置好的激励电流，使发射线圈产生三分量激励磁场，同时井下多级阵列式三分量时域或频域磁场信号采集单元14开始同步接收三分量发射线圈发射的激励电流所产生的三分量一次（激励）磁场信号，此时地层在三分量激励磁场信号下产生二次感应电流，二次感应电流在多级阵列式三分量时域或频域磁场信号采集单元14里产生二次感应磁场。同时井下多级阵列式单分量或三分量时域或频域电场信号采集单元15测量时域或频域电磁信号发射模块12的激励磁场所产生的一次感应电流场的信号，以及地层在三分量激励磁场信号下产生的二次感应电流场的信号。多级阵列式三分量时域或频域磁场信号采集单元14和沿仪器延伸方向的多级阵列式单分量或三分量时域或频域电场信号采集单元15采集到的多分量电磁场信号通过多通道模数转换模块6转换成数字信号并同步存储在存储器里面，同时将转换后的数字信号通过光电转换模块31转变成光信号，然后利用铠装光电复合缆5将转换后的光信号传输到地面的多通道控制和数据接收单元17进行质量监控（QC）和存储以便于后期的处理。

基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪采集的数据可以是三分量可控源电场数据、三分量可控源磁场数据。通过数据处理，可以计算出地下地层的三分量电阻率数据和三分量极化率数据等。

由于井下时域或频域多分量电磁测量仪中大功率激励电磁信号发射线圈和信号接收线圈以及所有的激励信号控制电路、接收信号放大电路、多通道模数转换电路、数据存储电路、数据遥传电路都安装在细长的高强度无磁性不锈钢或合金或复合材料外壳内，发射线圈发出的大功率激励电磁信号将对仪器内的所有电子器件和电路板模块以及引线产生强烈的电磁干扰，极大的降低仪器的信噪比，以致仪器无法探测从地层深处反射回仪器电磁信号接收线圈的微弱电磁信号。基于此，本实用新型用石墨烯材料制作的屏蔽盒包裹在所有的电子器件、电路板模块，用石墨烯材料制作的屏蔽套包裹在所有连接三分量磁场发射和接收线圈引线的外面，也包裹在所有不极化电极引线的外面，大幅度减少大功率激励电磁信号将对仪器内的所有电子器件和电路板模块以及引线产生的电磁干扰，极大的提高仪器的信噪比和探测灵敏度。

本实用新型的数据采集和数据处理流程如下：对井下每个测点进行井下时域或频域多分量电磁数据的采集并在同测量点位置使用高精度光纤惯性导航装置3采集惯性导航数据。随后操作人员将井下时域或频域电磁多分量测量仪器移动到下一个预先设计好的测点位置进行数据采集作业直至完成井内所有测点的数据采集工作。

用投影旋转处理步骤中的方法对井下采集的所有多分量时域或频域电磁数据逐一进行旋转处理，使井下多分量时域或频域电磁数据的垂直分量垂直于水平地面，两个水平分量将变为一个水平分量为南北向，另一个水平分量为东西向。或者通过旋转处理使一个水平分量平行于地质体走向或平行于既定剖面方向，另一个水平分量则垂直于地质体走向或垂直于既定剖面方向且与地面平行。

进一步通过正演模拟和反演计算等步骤处理经过投影和旋转后的井中三分量可控源电场数据、三分量可控源磁场数据、三分量电阻率数据和三分量极化率数据等，可以提取与电磁特性有关的岩石或地层的三分量电阻率数据和三分量极化率数据。

将井下各测点位置的三分量电阻率数据和三分量极化率数据进行反演成像，获取测点位置一定距离范围内的岩石或地层的电性参数（电阻率和极化率）的分布规律。

根据得到的岩石或地层的电阻率值和极化率值的分布规律，实现对测点位置一定范围内地质构造、岩石或地层含油气或高极化率矿物分布特征和规律的解释与评价。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪，其特征在于，包括：时域或频域多分量电磁发射模块、多级阵列式时域或频域多分量电磁信号接收模块、多通道模数转换模块及三分量光纤惯导定位定向模块；所述时域或频域多分量电磁信号发射模块用于产生三分量激励磁场，所述多级阵列式时域或频域多分量电磁信号接收模块用于接收时域或频域三分量磁场信号及单分量或三分量电场信号；仪器内任何存在电磁干扰的器件外部均设有石墨烯屏蔽盒或屏蔽套。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪，其特征在于，所述多级阵列式时域或频域多分量电磁信号接收模块包括：多级阵列式时域或频域多分量磁场信号采集单元和多级阵列式时域或频域单分量或多分量电场信号采集单元。

3.根据权利要求2所述的基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪，其特征在于，还包括授时模块，所述授时模块用于为三分量光纤惯导定位定向模块的采集数据进行授时，以及用于给时域或频域三分量磁场数据与时域或频域单分量或三分量电场数据进行授时。

4.根据权利要求2所述的基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪，其特征在于，所述时域或频域三分量电磁信号发射模块为由6个线圈两两相对构成三对相互正交的发射线圈系。

5.根据权利要求4所述的基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪，其特征在于，所述阵列式时域或频域三分量磁场信号采集单元为多级三分量磁场接收线圈；每级三分量磁场接收线圈由6个线圈两两相对构成三对相互正交的接收线圈系。

6.根据权利要求5所述的基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪，其特征在于，所述多级阵列式时域或频域单分量或三分量电场信号采集单元为：沿仪器延伸方向分量的时域或频域单分量电场不极化电极对，单分量不极化电极对安装在每个时域或频域三分量磁场接收线圈的两端；或为由6个不极化电极两两相对构成三对相互正交的三分量不极化电极对，三分量不极化电极对安装在两个时域或频域三分量磁场接收线圈的中间。

7.根据权利要求6所述的基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪，其特征在于，所述三分量光纤惯导定位定向模块安装于三分量发射线圈与三分量磁场接收线圈之间；所述三分量光纤惯导定位定向模块为干涉型光纤陀螺仪、谐振式光纤陀螺仪、受激布里渊散射光纤陀螺仪、光纤陀螺捷联惯导系统、光纤光栅捷联惯导系统、光纤陀螺以及微机械陀螺组合的惯导模块中的任一种。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于石墨烯电磁屏蔽的井下时域或频域多分量电磁测量仪，其特征在于，还包括时域或频域三分量电磁信号发射电路，所述电路包括：交流/直流电源模块、有源钳位电压源模块、功率逆变模块、数字逻辑控制模块、驱动模块、发射线圈、电流波形高精度检测与记录模块。

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