高精度深井動態(tài)極化井中質(zhì)子磁力儀

秦佩，高銘澤，賀寧波，吳天彪

(北京奧地探測儀器有限公司，北京　100016)

高精度深井動態(tài)極化井中質(zhì)子磁力儀

秦佩，高銘澤，賀寧波，吳天彪

(北京奧地探測儀器有限公司，北京100016)

摘要：本文主要介紹了CZJ-2型高精度深井動態(tài)極化井中質(zhì)子磁力儀的工作原理、系統(tǒng)組成、室內(nèi)性能測試與野外2000m深井試驗。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的整機系統(tǒng)配合專業(yè)的人機軟件操作界面，使該儀器非常適用于野外操作。文章還針對該儀器的主要性能設(shè)計了測試方案，尤其首次在國內(nèi)探測有色金屬礦或貴金屬等弱磁性礦體中取得了2000m深井的磁測試驗數(shù)據(jù)，且測量精度達到±0.39nT，遠超過設(shè)計指標的±5nT，在深部找礦工作中將發(fā)揮重要的作用。

關(guān)鍵詞:動態(tài)極化；磁力儀；測井;磁測

0前言

CZJ-2型高精度深井動態(tài)極化井中質(zhì)子磁力儀是北京奧地探測儀器有限公司(隸屬于北京地質(zhì)儀器廠)與俄羅斯烏拉爾聯(lián)邦大學(xué)合作最新研制的一種井中質(zhì)子磁法測量儀器。該儀器采用了基于歐佛豪森效應(yīng)原理的動態(tài)極化激發(fā)技術(shù)，大大提高了質(zhì)子旋進信號的幅度，克服了傳統(tǒng)質(zhì)子磁力儀梯度容限低的缺陷，此外其分辨率、傳感器體積、采樣率和功耗等性能較傳統(tǒng)質(zhì)子磁力儀也有很大提高?；谏鲜鰞?yōu)點，該儀器特別適合用于高精度深部井中磁測，尋找磁異常只有幾十至幾百nT的弱磁性體，也適用于磁梯度較大的礦區(qū)。

其主要技術(shù)指標如下：

(1)量程：30000～70000nT；

(2)分辨率：0.01nT；

(3)觀測精度：≤±5nT；

(4)采樣周期：1～86400s，步進間隔1s；

(5)最大梯度容忍值：20000nT/m；

(6)最大工作深度：2000m(80℃的高溫和20MPa的高壓環(huán)境)。

1工作原理

高精度深井動態(tài)極化井中質(zhì)子磁力儀是在傳統(tǒng)直流極化質(zhì)子磁力儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其原理是基于“Overhauser效應(yīng)”(Overhauser Effect)，所以也稱作Overhauser磁力儀。該儀器的傳感器主要由甚高頻發(fā)生器、信號線圈、工作介質(zhì)和諧振腔四部分組成(如圖1所示)，裝有工作介質(zhì)的容器被放在一個工作在甚高頻頻段的諧振腔內(nèi)，諧振腔的外側(cè)繞有接收旋進信號的接收線圈。諧振腔內(nèi)的高頻電磁場的頻率等于電子順磁共振頻率，約為60MHz，用作工作介質(zhì)的激發(fā)源。在工作介質(zhì)中，采用富含游離基的特殊溶液，使之存在電子自旋磁矩和質(zhì)子磁矩兩個磁矩系統(tǒng)。電子系統(tǒng)與原子核系統(tǒng)間的相互作用使這兩種自旋系統(tǒng)相互耦合。核磁共振對于電子自旋共振來說只是一個小的擾動，但電子自旋共振對核磁共振卻能產(chǎn)生很大的影響。電子自旋達到飽和共振使原子核能級上粒子數(shù)分布遠離熱平衡分布，低能級上被更多的粒子占據(jù)著，對原子核產(chǎn)生極化作用 (或者相反)。若用較大功率的交變磁場作用于樣品，并使其角頻率滿足電子自旋共振條件，產(chǎn)生電子自旋共振，由于耦合作用，使原子核產(chǎn)生自旋極化，樣品中磁化強度增大，核磁共振信號也增大，這種現(xiàn)象稱為(正)電子核磁共振Overhau-ser效應(yīng)。

圖1　儀器傳感器原理圖

高精度深井動態(tài)極化井中質(zhì)子磁力儀正是利用游離基的電子自旋共振和質(zhì)子的核磁共振這兩重共振，增大核磁共振信號的強度，強烈極化的質(zhì)子繞地磁場作旋進運動，測出旋進頻率，即可測出地磁場。

在Overhauser效應(yīng)作用下，質(zhì)子的極化程度比在地磁場作用下的宏觀磁矩可以增強幾百倍甚至幾千倍，所以訊號輸出可以大大增強。電子共振頻率增加(在理論上，質(zhì)子的磁化可以達到10000倍左右，但實際的增大率約為5000倍)意味著能夠用較少的高頻電能得到非常強大的質(zhì)子磁化，也就是待檢測的信號增大了許多倍。比如：傳統(tǒng)質(zhì)子磁力儀的傳感器在直流極化時產(chǎn)生的旋進信號如圖2所示，動態(tài)極化質(zhì)子磁力儀的傳感器在直流和甚高頻極化時產(chǎn)生的旋進信號如圖3所示，后者的旋進信號幅度要遠大于前者。

圖2　傳統(tǒng)質(zhì)子磁力儀的信號示意圖

圖3　動態(tài)極化質(zhì)子磁力儀的信號示意圖

由于檢測信號幅度大大提高，所以儀器的分辨率將有數(shù)量級的提高。質(zhì)子磁力儀的分辨率與傳感器體積、激勵功率成正比關(guān)系，而Overhauser效應(yīng)作用使信號幅度提高，其結(jié)果使得用小型傳感器、較低的激勵功率，就可以獲得較高的磁場測量分辨率和精度。

2系統(tǒng)組成

高精度深井動態(tài)極化井中質(zhì)子磁力儀系統(tǒng)主要包括：探管、信號處理器、井下儀器電源、4芯2000m測井電纜、絞車控制器、通信模塊、筆記本電腦(配套專業(yè)數(shù)據(jù)接收軟件)及整機電源，具體見圖4a和圖4b。

圖4a　系統(tǒng)組成框圖

圖4b　主要系統(tǒng)實物圖

探管核心部件是基于Overhauser效應(yīng)原理的動態(tài)極化激發(fā)質(zhì)子技術(shù)制作的磁力儀傳感器，并且探管針對2000m深井的高溫高壓環(huán)境分別進行了耐高溫和耐高壓處理。

信號處理器首先控制井下儀器電源產(chǎn)生極化控制信號，然后通過模擬放大電路和頻率計部分實現(xiàn)信號的采集和換算，最后通過通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給筆記本電腦。考慮到磁力儀動態(tài)極化時的工作電流和2000m絞車電纜電阻產(chǎn)生的壓降問題，井下儀器電源專門設(shè)計了恒流源電路以保障不同供電電壓時井下儀器能夠正常工作。絞車控制器接收筆記本電腦的控制指令，控制2000m測井電纜升降，并實時傳輸深度信息給筆記本電腦。基于上述硬件系統(tǒng)的工作流程編寫了儀器的操作軟件，其流程圖見圖5a，軟件界面見圖5b。

圖5a　系統(tǒng)軟件流程圖

圖5b　系統(tǒng)軟件界面

3室內(nèi)性能試驗與野外深井試驗

3.1室內(nèi)性能試驗

室內(nèi)試驗包括5個部分：靜態(tài)讀數(shù)試驗、最大梯度容忍度試驗、高溫試驗、水壓試驗和試驗井的重復(fù)性試驗。

3.1.1靜態(tài)讀數(shù)試驗

將儀器置于試驗場地，選取12：00～14：15時間段的定點連續(xù)測量數(shù)據(jù)(詳見圖6)，同時使用CZM-4型質(zhì)子磁力儀的日變觀測數(shù)據(jù)進行日變校正。

圖6　靜態(tài)測試曲線

由上圖的數(shù)據(jù)曲線可以看出本儀器的數(shù)據(jù)在日變校正前的變化趨勢與日變的變化趨勢一致，而日變校正后的數(shù)據(jù)曲線很平穩(wěn)，峰峰值小于5nT，取靜態(tài)定點測試的50個樣本點計算均方差為±0.6nT，此精度與儀器所處的測試環(huán)境是工業(yè)區(qū)有關(guān)。

3.1.2最大梯度容忍度試驗

儀器傳感器的最大梯度容忍度試驗在俄羅斯烏拉爾聯(lián)邦大學(xué)量子磁學(xué)測量實驗室完成。如圖7a所示，將傳感器沿螺線管軸向移動，離中心越遠，磁場梯度越大，同時測量磁場分布值并計算均方差(15個讀數(shù))，繪制測試曲線如圖7b所示。由試驗數(shù)據(jù)分析可見：當(dāng)磁場梯度為20000nT/m和40000nT/m時傳感器測量數(shù)據(jù)的均方差仍能分別達到12nT和50nT，故最大梯度容限值不低于20000nT/m。

圖7a　試驗現(xiàn)場

圖7b　試驗數(shù)據(jù)曲線

3.1.3高溫試驗

探管高溫試驗在北京奧地探測儀器有限公司的磁屏蔽實驗室內(nèi)完成。如圖8a所示，將探管置于80℃左右的自制高溫試驗箱(工作時加頂蓋封閉)內(nèi)持續(xù)工作1h，同時記錄數(shù)據(jù)曲線。由圖8b中測試數(shù)據(jù)可知，探管在高于80℃的高溫環(huán)境下仍能正常工作。

圖8a　高溫試驗現(xiàn)場

圖8b　高溫試驗數(shù)據(jù)曲線

3.1.4水壓試驗

水壓試驗是在中國地質(zhì)科學(xué)院物化探所壓力試驗室進行的。如圖9a所示，將探管密封到水壓試驗機內(nèi)腔中，加壓到30MPa，穩(wěn)壓2h(見圖9b)，最終檢查探管內(nèi)是否存在滲水現(xiàn)象。壓力試驗結(jié)束后，未發(fā)現(xiàn)探管形變；打開探管密封，未發(fā)現(xiàn)水滲入痕跡；連接主機后檢查工作正常。由此證明，本儀器探管的最大工作壓力不低于30MPa。

圖9a　水壓試驗現(xiàn)場

圖9b　水壓壓強曲線

3.1.5試驗井的重復(fù)性測試

整機系統(tǒng)在中國地質(zhì)科學(xué)院物化探所的75m深試驗井進行了重復(fù)性測試。將探管通過絞車電纜下放到75m井深處，開始測量并讀取地磁場數(shù)據(jù)和絞車深度數(shù)據(jù)，同時通過絞車控制器設(shè)定絞車電纜勻速上升，速度約為4m/s，直至5m深處時停止測量，實時記錄保存數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)曲線見圖10。測量數(shù)據(jù)曲線可得：重復(fù)測試數(shù)據(jù)曲線基本保持一致；并且細節(jié)部分都能夠良好的重合。

圖10　探管井下重復(fù)性數(shù)據(jù)曲線

3.2野外深井試驗

2013年5月14日至16日在某鈾礦深鉆開展了試驗。該深井是核工業(yè)系統(tǒng)開鉆的中國鈾礦第一口科研深井，孔深2800m，孔底溫度高達105℃，孔深2000m處溫度已達80℃以上；泥漿比重為1.1；井口套管長46m；井段中部存在黃鐵礦化帶，其巖層構(gòu)造見某勘探隊完成的綜合測井成果部分柱狀圖(見圖11a)。試驗時，探管保持10 m/min左右的速度自動下降和提升。最終取得了較為理想的深井磁測數(shù)據(jù)(見圖11b)。

圖11a　2000m深井巖層構(gòu)造柱狀圖

圖11b　2000m深井重復(fù)性磁測曲線

上述試驗數(shù)據(jù)充分說明CZJ-2型高精度動態(tài)極化井中質(zhì)子磁力儀在深井80℃高溫環(huán)境和20MPa高壓環(huán)境下進行測量是完全可行的。從圖11a可以看出50～1400m深的巖層主要以巖漿巖為主，其中在880m深度附近是細砂巖和角礫巖；從1410～2000m段則主要分布砂質(zhì)泥巖、細礫巖、粉砂巖、泥巖、中砂巖。從圖11b可以看出兩次測量曲線在1400m以下井段基本吻合，1400m之上井段曲線形態(tài)基本一致，尤其在1600m附近平靜段的數(shù)據(jù)經(jīng)日變改正后計算其標準偏差為±0.39nT。這進一步說明磁測數(shù)據(jù)曲線的特點與實測的巖層構(gòu)造相互吻合。

通過上述試驗可以明顯看出，儀器的主要設(shè)計技術(shù)指標均達到了要求，尤其是2000m深井試驗的觀測精度達到±0.39nT，遠超過設(shè)計指標的±5nT，具體見表1。

表1　主要設(shè)計技術(shù)指標與實測指標的對比

4結(jié)論

CZJ-2型高精度深井動態(tài)極化井中質(zhì)子磁力儀是采用當(dāng)前國際上最先進的傳感器技術(shù)，經(jīng)過良好的軟、硬件設(shè)計和優(yōu)化研制成功的新型深井物探儀器，其各項指標均滿足設(shè)計要求；易于操作以及很小的采樣周期提高了磁測工作的效率；同時具有較高的抗干擾能力。首次在國內(nèi)取得了2000m深井的地磁總場測量值，測量精度達到了±0.39nT，這在深部找礦工作中尋找或區(qū)分數(shù)十到數(shù)百nT的磁異常意義重大。

參考文獻：

[1]RIPKA P. Magnetic Sensors and Magnetometers[M]. Boston London: Artech House Publishers, 2000.

[2]OVERHAUSER A W .Dynamic Nuclear Polarisation[M]// GRANT D M,HARRIS R K. Encyclopedia of Nuclear Magnetic Resonance: Vol.1.New York:Wiley,1996:513-516.

[3]吳天彪.我國地面重磁儀器的現(xiàn)狀與前景[J].地質(zhì)裝備，2007,8(2)：11-16.

[4]張爽,何佳瀧,陳曙東,等.JOM-1型Overhauser磁力儀研制[J].吉林大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2015,33(4)：409-415.

[5]石艷林，董浩斌.Overhauser磁力儀初步設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008,18(2)：18-19.

收稿日期：2016-04-11

作者簡介：秦佩(1987-)，男，山西懷仁人，碩士研究生，北京奧地探測儀器有限公司助理工程師，從事地質(zhì)勘探儀器(主要為磁力儀和重力儀)的研發(fā)工作，北京市朝陽區(qū)酒仙橋東路1號M3座東側(cè)3樓，Tel：18210873057，E-mail：aohu_2005@163.com。

中圖分類號:P631.23

文獻標識碼：A

文章編號：1009-282X(2016)03-0016-05