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(yàn)。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的整機(jī)系統(tǒng)配合專業(yè)的人機(jī)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(yàn)數(shù)據(jù)，且測量精度達(dá)到±0.39nT，遠(yuǎn)超過設(shè)計指標(biāo)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(jìn)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(diǎn)，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(biāo)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(jìn)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(jìn)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(dá)到飽和共振使原子核能級上粒子數(shù)分布遠(yuǎn)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(qiáng)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(qiáng)度，強(qiáng)烈極化的質(zhì)子繞地磁場作旋進(jìn)運(yùn)動，測出旋進(jìn)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(qiáng)幾百倍甚至幾千倍，所以訊號輸出可以大大增強(qiáng)。電子共振頻率增加(在理論上，質(zhì)子的磁化可以達(dá)到10000倍左右，但實(shí)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)信號如圖3所示，后者的旋進(jìn)信號幅度要遠(yuǎn)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(jī)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(shí)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(jìn)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(shí)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?？紤]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(shí)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(yàn)與野外深井試驗(yàn)

3.1室內(nèi)性能試驗(yàn)

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

3.1.1靜態(tài)讀數(shù)試驗(yàn)

將儀器置于試驗(yàn)場地，選取12：00～14：15時間段的定點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)測試的50個樣本點(diǎn)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(yàn)

儀器傳感器的最大梯度容忍度試驗(yàn)在俄羅斯烏拉爾聯(lián)邦大學(xué)量子磁學(xué)測量實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)，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(yàn)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(dá)到12nT和50nT，故最大梯度容限值不低于20000nT/m。

圖7a　試驗(yàn)現(xiàn)場

圖7b　試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

3.1.3高溫試驗(yàn)

探管高溫試驗(yàn)在北京奧地探測儀器有限公司的磁屏蔽實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)現(xiàn)場

圖8b　高溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

3.1.4水壓試驗(yàn)

水壓試驗(yàn)是在中國地質(zhì)科學(xué)院物化探所壓力試驗(yàn)室進(jìn)行的。如圖9a所示，將探管密封到水壓試驗(yàn)機(jī)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(yàn)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(jī)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(yàn)現(xiàn)場

圖9b　水壓壓強(qiáng)曲線

3.1.5試驗(yàn)井的重復(fù)性測試

整機(jī)系統(tǒng)在中國地質(zhì)科學(xué)院物化探所的75m深試驗(yàn)井進(jìn)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(shí)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(xì)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(yàn)

2013年5月14日至16日在某鈾礦深鉆開展了試驗(yàn)。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(dá)105℃，孔深2000m處溫度已達(dá)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(yàn)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(yàn)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(jìn)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(xì)砂巖和角礫巖；從1410～2000m段則主要分布砂質(zhì)泥巖、細(xì)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(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.39nT。這進(jìn)一步說明磁測數(shù)據(jù)曲線的特點(diǎn)與實(shí)測的巖層構(gòu)造相互吻合。

通過上述試驗(yàn)可以明顯看出，儀器的主要設(shè)計技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了要求，尤其是2000m深井試驗(yàn)的觀測精度達(dá)到±0.39nT，遠(yuǎn)超過設(shè)計指標(biāo)的±5nT，具體見表1。

表1　主要設(shè)計技術(shù)指標(biāo)與實(shí)測指標(biāo)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(jìn)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(xiàng)指標(biāo)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(dá)到了±0.39nT，這在深部找礦工作中尋找或區(qū)分?jǐn)?shù)十到數(shù)百nT的磁異常意義重大。

參考文獻(xiàn)：

[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(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-282X(2016)03-0016-05