專利名稱：鉆孔內(nèi)的定向瞬變電磁裝置及測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及地質鉆孔測量裝置及方法領域，具體為一種鉆孔內(nèi)的定向瞬變電磁裝置及測量方法。該項發(fā)明提供了一種鉆孔內(nèi)定向瞬變電磁裝置的解決方案，構成鉆孔內(nèi)的定向瞬變電磁裝置的新型測井系統(tǒng)，不受孔內(nèi)有無耦合介質的影響?？煞沼趲r土工程、地下工程、地質災害及礦山安全領域的鉆孔測斜與巖性的測量。具有廣闊的應用領域。
背景技術：
目前地下工程探測與地下災害防治主要采用鉆探配合地球物理勘探等手段來進行。礦井巷道、交通隧道的日常地質預報需要進行大量的水平鉆探工程，高瓦斯礦井的一個回采工作面需要數(shù)萬米的瓦斯抽放鉆孔進行抽放，礦山地質構造與災害探測每天也需要大量的鉆探工程。由于井下鉆孔在地下全空間(仰角、水平、俯角)分布、孔內(nèi)環(huán)境復雜(干孔、瓦斯抽排孔、放水孔等)，地面常規(guī)測井方法不能使用。由于瞬變電磁的非接觸式工作方式，瞬變電磁二次場對于不同電阻率值的巖性具有明顯的分辨率和測深能力，在地質勘探和礦山開采過程中已經(jīng)廣泛開展應用。采用多匝小回線，構成鉆孔內(nèi)瞬變電磁激發(fā)接收裝置進行測井，不需要孔內(nèi)介質耦合，在有水和無水的鉆孔內(nèi)都可進行測量，配合全方位測斜技術，就可以達到鉆孔內(nèi)瞬變電磁定向發(fā)射和接受，進行瞬變電磁法測井。通過本裝置系統(tǒng)就可以降低鉆孔的誤判率，大大提高鉆探工程的準確率，保障了地質任務的完成和礦山安全生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鉆孔內(nèi)的定向瞬變電磁裝置及測量方法，首先解決地下空間全方位鉆孔不能使用常規(guī)測井方法，導致鉆探工程質量無法控制、對于地質構造和礦井災害源的誤判問題；其次解決了井壁及井壁內(nèi)部一定深度內(nèi)的阻值分布，達到了對于鉆孔巖性及其變化的認識問題；最后克服了傳統(tǒng)地球物理測井方法的信息量少、針對性差、受鉆孔介質限制等問題。為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案為
鉆孔內(nèi)的定向瞬變電磁裝置，包括有DSP處理單元，與所述DSP處理單元連接的嵌入式CPU，通過RS232接口與所述嵌入式CPU通訊的電子羅盤，其特征在于還包括有激發(fā)接收單元、向所述激發(fā)接收單元供電的激勵電源和多頻發(fā)射器、采集激發(fā)接收單元輸出信號并將所述信號傳送至DSP處理單元的多通道A/D采集裝置，所述激發(fā)接收單元包括正多棱柱，所述正多棱柱的表面分別設置有多匝線圈，且正多棱柱各個表面的多匝線圈匝數(shù)相同， 所述激勵電源通過多頻發(fā)射器分別與正多棱柱各個表面的多匝線圈電連接以供電，所述多頻發(fā)射器根據(jù)多頻信號控制激勵電源供電的頻率，所述電子羅盤實時記錄正多棱柱的姿態(tài)信息，所述多通道A/D采集裝置包括數(shù)目與正多棱柱多匝線圈個數(shù)相同的多個采集通道， 所述正多棱柱上各個多匝線圈的輸出信號分別一一對應輸出至多通道A/D采集裝置的采集通道。所述的鉆孔內(nèi)的定向瞬變電磁裝置，其特征在于所述嵌入式CPU通過RS232接口與電子羅盤通訊連接，所述嵌入式CPU還接入有USB存儲器。所述的鉆孔內(nèi)的定向瞬變電磁裝置，其特征在于所述電子羅盤實時記錄正多棱柱的方位角、傾角、橫滾角。鉆孔內(nèi)的定向瞬變電磁測量方法，其特征在于包括以下步驟
(1)將激發(fā)接收單元送入待測鉆孔中；
(2)當激發(fā)接收單元到達鉆孔中指定深度時，利用耦合裝置將激發(fā)接收單元固定在鉆孔中；
(3)打開電子羅盤，進行航向信息測量，并記錄到USB存儲器；
(4)按順序選擇激發(fā)接收單元的正多棱柱中其中一個表面上的多匝線圈作為激勵線圈，其他表面的多匝線圈作為接收線圈，通過激勵電源和多頻發(fā)射器向所述激勵線圈供電， 關斷供電電流在線圈周圍產(chǎn)生瞬態(tài)一次場，一次場向周圍傳播過程中，遇到鉆孔周邊地質體，將在地質體內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應電流，感應電流產(chǎn)生二次場，二次場的時間特性與地質體的電阻率值大小和厚度分布有關，記錄二次場的場強衰減過程，就可以反映孔壁地質體電阻率特征與厚度分布信息，二次場通過接收線圈觀測；
(5)所述正多棱柱中，除激勵線圈所在的表面外的其他表面上的多匝線圈分別接收指定方向處鉆孔孔壁產(chǎn)生的二次場信號，并分別將各自接收到的二次場信號輸出至各自對應的多通道A/D采集裝置的采集通道，由多通道A/D采集裝置采集并送入DSP處理單元；
(6)所述DSP處理單元將步驟(5)的數(shù)據(jù)進行處理后分別傳送至嵌入式CPU，所述嵌入式CPU將所述數(shù)據(jù)傳送至USB存儲器進行存儲；
(7)將所有面的線圈激發(fā)完畢，并按步驟(4)-(6)進行測量；
(8)將激發(fā)接收單元送入鉆孔中不同深度位置，并按步驟(2)- (7)進行測量，得到鉆孔不同深度處的測量數(shù)據(jù)；
(9 )單孔數(shù)據(jù)采集完畢，將嵌入式CPU將所采集數(shù)據(jù)通過USB2. 0傳送至PC機，所述PC 機上使用處理軟件對鉆孔不同深度下的測量數(shù)據(jù)進行處理與分析，得到鉆孔周圍不同方向的視電阻率與厚度分布信息，反映了鉆孔周圍的地質情況，形成單孔測井報告；
(10)對多個相鄰上述單孔資料輸入，按照孔口坐標及孔內(nèi)測斜坐標，將多個鉆孔信息綜合形成空間信息，形成多孔成果報告。本發(fā)明實現(xiàn)了在鉆孔軌跡全方位實時測量和不接地多匝小線圈鉆孔瞬變電磁測量，實現(xiàn)任意介質充填鉆孔的孔內(nèi)孔壁及孔壁厚度的視電阻率圖像，達到對于鉆孔孔內(nèi)地質分析的能力，確保鉆孔地質探測質量與效果。通過相鄰鉆孔的瞬變電磁資料，按照孔口和孔內(nèi)測斜坐標，將多個鉆孔信息綜合形成空間信息，反演出鉆孔分布區(qū)域的總體地質信息， 實現(xiàn)區(qū)域鉆孔資料的數(shù)值連接，提供鉆孔分布區(qū)域完整的地質與災害信息。
圖1為本發(fā)明原理框圖。圖2為本發(fā)明具體實施方式
中激發(fā)接收單元結構示意圖。圖3為本發(fā)明多頻激發(fā)與接收的原理圖。
具體實施例方式如圖1、圖2、圖3所示。鉆孔內(nèi)的定向瞬變電磁裝置，包括有DSP處理單元，與DSP 處理單元連接的嵌入式CPU，通過RS232接口與嵌入式CPU通訊的電子羅盤，還包括有激發(fā)接收單元、向激發(fā)接收單元供電的激勵電源和多頻發(fā)射器、采集激發(fā)接收單元輸出信號并將信號傳送至DSP處理單元的多通道A/D采集裝置，激發(fā)接收單元包括正多棱柱，正多棱柱的表面分別設置有多匝線圈，且正多棱柱各個表面的多匝線圈匝數(shù)相同，激勵電源通過多頻發(fā)射器分別與正多棱柱各個表面的多匝線圈電連接以供電，多頻發(fā)射器根據(jù)多頻信號控制激勵電源供電的頻率，電子羅盤實時記錄正多棱柱的姿態(tài)信息，多通道A/D采集裝置包括數(shù)目與正多棱柱多匝線圈個數(shù)相同的多個采集通道，正多棱柱上各個多匝線圈的輸出信號分別一一對應輸出至多通道A/D采集裝置的采集通道。嵌入式CPU通過RS232接口與電子羅盤通訊連接，嵌入式CPU還接入有USB存儲
ο電子羅盤實時記錄正多棱柱的方位角、傾角、橫滾角。鉆孔內(nèi)的定向瞬變電磁測量方法，包括以下步驟
(1)將激發(fā)接收單元送入待測鉆孔中；
(2)當激發(fā)接收單元到達鉆孔中指定深度時，利用耦合裝置將激發(fā)接收單元固定在鉆孔中；
(3)打開電子羅盤，進行航向信息測量，并記錄到USB存儲器；
(4)按順序選擇激發(fā)接收單元的正多棱柱中其中一個表面上的多匝線圈作為激勵線圈，其他表面的多匝線圈作為接收線圈，通過激勵電源和多頻發(fā)射器向所述激勵線圈供電， 關斷供電電流在線圈周圍產(chǎn)生瞬態(tài)一次場，一次場向周圍傳播過程中，遇到鉆孔周邊地質體，將在地質體內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應電流，感應電流產(chǎn)生二次場，二次場的時間特性與地質體的電阻率值大小和厚度分布有關，記錄二次場的場強衰減過程，就可以反映孔壁地質體電阻率特征與厚度分布信息，二次場通過接收線圈觀測；
( 正多棱柱中，除激勵線圈所在的表面外的其他表面上的多匝線圈分別接收指定方向處鉆孔孔壁產(chǎn)生的二次場信號，并分別將各自接收到的二次場信號輸出至各自對應的多通道A/D采集裝置的采集通道，由多通道A/D采集裝置采集并送入DSP處理單元；
(6)DSP處理單元將步驟(5)的數(shù)據(jù)進行處理后分別傳送至嵌入式CPU，所述嵌入式CPU 將所述數(shù)據(jù)傳送至USB存儲器進行存儲；
(7)將所有面的線圈激發(fā)完畢，并按步驟(4)-(6)進行測量；
(8)將激發(fā)接收單元送入鉆孔中不同深度位置，并按步驟(2)- (7)進行測量，得到鉆孔不同深度處的測量數(shù)據(jù)；
(9)單孔數(shù)據(jù)采集完畢，將嵌入式CPU將所采集數(shù)據(jù)通過USB2.0傳送至PC機，PC機上使用處理軟件對鉆孔不同深度下的測量數(shù)據(jù)進行處理與分析，得到鉆孔周圍不同方向的視電阻率與厚度分布信息，反映了鉆孔周圍的地質情況，形成單孔測井報告；
(10)對多個相鄰上述單孔資料輸入，按照孔口坐標及孔內(nèi)測斜坐標，將多個鉆孔信息綜合形成空間信息，形成多孔成果報告。本發(fā)明將多匝線圈(20mm*60mm)分別固定在六棱柱體的棱柱面上，每次一個激
5發(fā)，其余多個接收，每次可以指定激發(fā)線圈。本發(fā)明通過高速M位多通道A/D采集裝置，提供多個通道進行采集，從一次場開始采集，直到二次場結束?？梢詫崿F(xiàn)IMhz采樣。本發(fā)明中DSP處理單元對采集的數(shù)據(jù)進行處理。本發(fā)明中，大量的原始數(shù)據(jù)存儲到USB存儲器上。 每秒需要存儲近30M的數(shù)據(jù)。本發(fā)明中嵌入式CPU將數(shù)據(jù)通過USB2.0接口發(fā)給PC機。PC 機對多個通道的數(shù)據(jù)進行處理，并進行疊加到空間的指定位置，以確定鉆孔周圍的地質情況。同時本發(fā)明還可以通過參數(shù)配置單元，據(jù)實際情況對多通道A/D采集裝置、DSP處理單元、嵌入式CPU的采集參數(shù)進行配置。
權利要求
1.鉆孔內(nèi)的定向瞬變電磁裝置，包括有DSP處理單元，與所述DSP處理單元連接的嵌入式CPU，通過RS232接口與所述嵌入式CPU通訊的電子羅盤，其特征在于還包括有激發(fā)接收單元、向所述激發(fā)接收單元供電的激勵電源和多頻發(fā)射器、采集激發(fā)接收單元輸出信號并將所述信號傳送至DSP處理單元的多通道A/D采集裝置，所述激發(fā)接收單元包括正多棱柱，所述正多棱柱的表面分別設置有多匝線圈，且正多棱柱各個表面的多匝線圈匝數(shù)相同， 所述激勵電源通過多頻發(fā)射器分別與正多棱柱各個表面的多匝線圈電連接以供電，所述多頻發(fā)射器根據(jù)多頻信號控制激勵電源供電的頻率，所述電子羅盤實時記錄正多棱柱的姿態(tài)信息，所述多通道A/D采集裝置包括數(shù)目與正多棱柱多匝線圈個數(shù)相同的多個采集通道， 所述正多棱柱上各個多匝線圈的輸出信號分別一一對應輸出至多通道A/D采集裝置的采集通道。
2.根據(jù)權利要求1所述的鉆孔內(nèi)的定向瞬變電磁裝置，其特征在于所述嵌入式CPU 通過RS232接口與電子羅盤通訊連接，所述嵌入式CPU還接有USB存儲器。
3.根據(jù)權利要求1所述的鉆孔內(nèi)的定向瞬變電磁裝置，其特征在于所述電子羅盤實時記錄正多棱柱的方位角、傾角、橫滾角。
4.基于權利要求1的鉆孔內(nèi)的定向瞬變電磁測量方法，其特征在于包括以下步驟(1)將激發(fā)接收單元送入待測鉆孔中；(2)當激發(fā)接收單元到達鉆孔中指定深度時，利用耦合裝置將激發(fā)接收單元固定在鉆孔中；(3)打開電子羅盤，進行航向信息測量，并記錄到USB存儲器；(4)按順序選擇激發(fā)接收單元的正多棱柱中其中一個表面上的多匝線圈作為激勵線圈，其他表面的多匝線圈作為接收線圈，通過激勵電源和多頻發(fā)射器向所述激勵線圈供電， 關斷供電電流在線圈周圍產(chǎn)生瞬態(tài)一次場，一次場向周圍傳播過程中，遇到鉆孔周邊地質體，將在地質體內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應電流，感應電流產(chǎn)生二次場，二次場的時間特性與地質體的電阻率值大小和厚度分布有關，記錄二次場的場強衰減過程，就可以反映孔壁地質體電阻率特征與厚度分布信息，二次場通過接收線圈觀測；(5)所述正多棱柱中，除激勵線圈所在的表面外的其他表面上的多匝線圈分別接收指定方向處鉆孔孔壁產(chǎn)生的二次場信號，并分別將各自接收到的二次場信號輸出至各自對應的多通道A/D采集裝置的采集通道，由多通道A/D采集裝置采集并送入DSP處理單元；(6)所述DSP處理單元將步驟(5)的數(shù)據(jù)進行處理后分別傳送至嵌入式CPU，所述嵌入式CPU將所述數(shù)據(jù)傳送至USB存儲器進行存儲；(7)將所有面的線圈激發(fā)完畢，并按步驟(4)-(6)進行測量；(8)將激發(fā)接收單元送入鉆孔中不同深度位置，并按步驟(2)- (7)進行測量，得到鉆孔不同深度處的測量數(shù)據(jù)；(9)單孔數(shù)據(jù)采集完畢，將嵌入式CPU將所采集數(shù)據(jù)通過USB2.0傳送至PC機，所述PC 機上使用處理軟件對鉆孔不同深度下的測量數(shù)據(jù)進行處理與分析，得到鉆孔周圍不同方向的視電阻率與厚度分布信息，反映了鉆孔周圍的地質情況，形成單孔測井報告；(10)對多個相鄰上述單孔資料輸入，按照孔口坐標及孔內(nèi)測斜坐標，將多個鉆孔信息綜合形成空間信息，形成多孔成果報告。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鉆孔內(nèi)的定向瞬變電磁裝置及測量方法，通過結合瞬變電磁法和全方位測井技術，形成鉆孔孔內(nèi)專用的瞬變電磁探測裝置的新型測井系統(tǒng)。為鉆孔提供任意深度上不同方位的瞬變電磁場信息，包括鉆孔孔壁與孔壁內(nèi)部一定范圍內(nèi)的感應電位和視電阻率參數(shù)。使用此裝置可以對任意充填介質的鉆孔進行測井，特別適應于礦山瓦斯抽排孔、巷道超前探測鉆孔等干孔的測井，對鉆孔范圍內(nèi)地質賦存狀態(tài)進行成像測井，可用于鉆孔周圍的瓦斯地質特征、巖層含水性、地質巖性和構造的探測。
文檔編號G01V3/28GK102353996SQ20111017749
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月28日 優(yōu)先權日2011年6月28日
發(fā)明者倪圣軍, 劉盛東, 吳榮新, 周官群, 張平松, 潘樂荀, 王汪根 申請人:安徽惠洲地下災害研究設計院