井中三分量磁測(cè)誤差分析與精度提高方案

郭文建，豐莉，郝廣成

(1.山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 泰安 271000；2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014)

井中三分量磁測(cè)作為一種磁鐵礦等磁性礦產(chǎn)的勘探手段，利用其所測(cè)的井孔位置處的磁場(chǎng)垂直分量、水平分量，結(jié)合地面磁異常判斷磁異常地質(zhì)體的性質(zhì)及其形態(tài)、位置，對(duì)預(yù)測(cè)井孔旁側(cè)及深部盲礦體起到較重要的作用[1-3]。但是由于現(xiàn)有井中三分量磁測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度較低，只能用于尋找磁性較強(qiáng)的礦床，使其在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制[4-5]。為了擴(kuò)大井中三分量磁測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，筆者在多年從事井中三分量磁測(cè)工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己對(duì)該系統(tǒng)的了解和掌握程度，提出精度提高的改進(jìn)實(shí)施方案。

1 井中三分量磁測(cè)原理及測(cè)量?jī)x器

1.1 系統(tǒng)測(cè)量原理

井中三分量磁測(cè)系統(tǒng)探管通常使用3個(gè)相互垂直的磁通門測(cè)量元件作為傳感器。在測(cè)量空間矢量場(chǎng)時(shí)，需要對(duì)自身方位進(jìn)行定位。目前，主要利用探管在鉆孔中的傾向，依據(jù)重力方向確定測(cè)磁方位。取得三分量數(shù)據(jù)后，使用防磁的陀螺測(cè)斜手段，求得井孔位置軌跡。再將二者數(shù)據(jù)結(jié)合起來，解算得到地理坐標(biāo)下的X,Y,Z各方向的磁矢量數(shù)值。所以在磁三分量測(cè)量中，測(cè)量元件的即時(shí)定位一直是阻礙提高井中磁三分量測(cè)量精度的主要因素[6-7]。

1.2 儀器設(shè)備發(fā)展與現(xiàn)狀

較早時(shí)期使用較多的是依據(jù)重力定位的單向垂直分量自定位系統(tǒng)，可對(duì)井孔內(nèi)垂直分量進(jìn)行測(cè)量。20世紀(jì)70年代重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的具有2個(gè)自由度的測(cè)量探管，其Z分量指向鉛垂方向，水平X，Y分量分別指向探管傾斜方向或與之垂直的方向，完全依靠精密機(jī)械系統(tǒng)保持測(cè)量傳感器的空間坐標(biāo)位置。測(cè)量數(shù)據(jù)比較可靠，但儀器本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受震動(dòng)易損壞。2005年,重慶地質(zhì)儀器廠對(duì)三分量磁力儀進(jìn)行了改進(jìn)，完全舍去了機(jī)械定位方式，依靠單片計(jì)算機(jī)即時(shí)解算固定在探管上的三分量磁測(cè)元件與井孔方位之間的關(guān)系，換算后直接給地面主機(jī)輸出相當(dāng)于原來定位方式下的X,Y,Z分量數(shù)值。按照廠方給出的參數(shù)：分辨力≤5nT，轉(zhuǎn)向差≤300nT[8]。2010年，中色地科礦產(chǎn)勘查股份有限公司對(duì)三分量測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了誤差自動(dòng)校正，溫度校正等，測(cè)量精度達(dá)到轉(zhuǎn)向差≤25nT。近年來重慶地質(zhì)儀器廠與上海地學(xué)儀器研究所也分別生產(chǎn)了較高精度的磁三分量?jī)x器，標(biāo)稱轉(zhuǎn)向差≤50nT。

2 誤差分析

在井中磁三分量測(cè)量中，一般鉆孔設(shè)計(jì)為斜孔并保持一定傾向。受鉆桿剛度影響，同一鉆孔內(nèi)不同深度處的傾向與傾角變化不大。傳統(tǒng)的機(jī)械定位方式在測(cè)量時(shí)，定向元件空間位置變化幅度也不大。在儀器轉(zhuǎn)向差為300nT，儀器轉(zhuǎn)向一周時(shí)，其誤差大致成正弦曲線形態(tài)變化。在轉(zhuǎn)向180°時(shí)，最大差值為±300nT，具有系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)。而實(shí)際鉆孔空間軌跡變化較小時(shí)，其轉(zhuǎn)向差就可明顯減小，有時(shí)要比儀器標(biāo)定的誤差小1個(gè)數(shù)量級(jí)。從原理上說此種轉(zhuǎn)向差應(yīng)稱為“傾向差”。因空間軌跡變化較小時(shí)的轉(zhuǎn)向差又具有隨機(jī)誤差的特點(diǎn)，所以可通過多點(diǎn)數(shù)據(jù)平均的方式提高測(cè)量精度。該種設(shè)備的工程應(yīng)用效果較好，由于故障率高，維護(hù)不便，目前已停產(chǎn)。

重慶地質(zhì)儀器廠的磁測(cè)JCX-3三分量型，在元件固化后，降低了故障率。但在廠方標(biāo)稱轉(zhuǎn)向差300nT情況下，探管本身一方面受到不同傾向的影響，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)向差；另一方面，探管在井下呈自由狀態(tài)，受電纜張力等多方面因素影響，產(chǎn)生隨機(jī)的自身轉(zhuǎn)動(dòng)與擺動(dòng)，也使固化在儀器體內(nèi)的測(cè)量敏感元件產(chǎn)生了坐標(biāo)位置變化，進(jìn)一步增大了測(cè)量誤差，此部分誤差應(yīng)稱為“自轉(zhuǎn)差”。較高精度的磁三分量系統(tǒng)由于測(cè)量敏感元件的固化，也同樣會(huì)受到自轉(zhuǎn)差的影響。為了分析誤差來源，使用JCX-3磁三分量探管與JCS-1型測(cè)斜探管，分別對(duì)石膏礦區(qū)鉆孔進(jìn)行測(cè)量，分析對(duì)比兩類探管的測(cè)量數(shù)據(jù)(非磁礦區(qū)，可排除磁異常干擾，易于觀測(cè)誤差變化)。圖1為JCS-1測(cè)斜探管在測(cè)量過程中自轉(zhuǎn)情況：鉆孔傾角小于1°，X分量測(cè)量元件近于水平，顯示X分量數(shù)值隨機(jī)的周期變化，表明探管處于不規(guī)則自轉(zhuǎn)和擺動(dòng)狀態(tài)，約40～60m自轉(zhuǎn)一周，在使用30點(diǎn)數(shù)據(jù)平均后，仍存在原有幅度的波動(dòng)。

圖1 JCS-1測(cè)斜探管X分量數(shù)據(jù)

在使用JCX-3磁三分量探管對(duì)該鉆孔進(jìn)行測(cè)量時(shí)，顯示的鉆孔傾向、傾角狀態(tài)如圖2所示：100～300m深度范圍內(nèi)，傾角0.5°～0.7°，而傾向存在0°～200°的周期變化，周期約40～50m，與JCS-1測(cè)斜探管自轉(zhuǎn)周期基本一致。從另一方面來說，鉆孔本身的軌跡不可能出現(xiàn)多重拐尺狀態(tài)，所以基本判定這種傾角變化應(yīng)是探管自身轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)所致。具體機(jī)理是因?yàn)樘焦艿闹亓Χㄏ蛟c探管外部軸線不重合，導(dǎo)致探管在自身轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，重力定向元件產(chǎn)生不同傾向變化，地面主機(jī)輸出井孔傾向數(shù)據(jù)呈周期變化的假象。

圖2 JCX-3磁三分量探管傾向、傾角數(shù)據(jù)

該JCX-3磁三分量探管的磁場(chǎng)X分量與水平H分量如圖3所示：受探管傾向數(shù)據(jù)變化影響，磁X分量數(shù)據(jù)也呈40～50m的周期變化。由于儀器對(duì)與傾向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新解算，只能從水平H分量數(shù)值上看出與波動(dòng)周期基本同步的誤差變化，其變動(dòng)幅度在800nT左右。這說明，JCX-3磁三分量探管較大的自轉(zhuǎn)差是受探管轉(zhuǎn)動(dòng)直接影響的，并且由于探管的轉(zhuǎn)動(dòng)周期較長(zhǎng)，無法使用多點(diǎn)平均法降低這種隨機(jī)誤差。

圖3 JCX-3磁三分量探管X分量、H分量

3 改進(jìn)方案

為了提高磁三分量測(cè)量精度，減小測(cè)量誤差，利于資料分析。借鑒系統(tǒng)誤差校正原理與機(jī)械無纜測(cè)斜設(shè)備結(jié)構(gòu)，提出對(duì)磁測(cè)斜探管進(jìn)行改造的方案，以達(dá)到測(cè)量精度提高的目的。

3.1 方案

將原有JCS-1型測(cè)斜探管進(jìn)行調(diào)整。其儀器原測(cè)量數(shù)據(jù)為磁三分量X,Y,Z數(shù)據(jù)、與探管所處的傾角、傾向(相對(duì)磁北方向)數(shù)據(jù)。其磁測(cè)元件完全固化在探管中，隨探管自轉(zhuǎn)及傾向變化而變化。該方案將測(cè)斜探管敏感測(cè)磁元件獨(dú)立起來，并安裝在可以沿探管軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的非磁性單元上，兩端利用非磁軸承支撐，并使該單元保持一側(cè)動(dòng)偏心。在探管傾斜超過一定角度時(shí)，靠重力定向即可將測(cè)量元件基本穩(wěn)定在與鉆孔傾向、傾角相關(guān)的空間坐標(biāo)上。

圖4a表示為原有的機(jī)械定向結(jié)構(gòu)，圖4b表示為改進(jìn)后的單個(gè)自由度的定向結(jié)構(gòu)，取消了一個(gè)自由度約束和配重塊，將磁通門元件固定在單自由度體上，取消了吊籃式的垂向定向方式后，增加了承受震動(dòng)的能力，提高了穩(wěn)定性。Z分量始終指向探管軸向，X、Y為與之垂直的方向，由于探管內(nèi)部的傾角傳感器精度較高，達(dá)0.2°左右，解算后仍可得到較精確的磁分量數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步減小誤差，采用高精度的陶瓷軸承作為徑向約束體。在軸向下端采用針式結(jié)構(gòu)作為軸向約束，減少轉(zhuǎn)動(dòng)阻力。在探管震動(dòng)條件下，為保證軸針處不出現(xiàn)應(yīng)力過大損壞，軸針下部設(shè)置帶預(yù)緊彈簧的緩沖裝置。

圖4 定向結(jié)構(gòu)改造前后對(duì)比圖

3.1.1 合理可行性

(1)原有固態(tài)元件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，易于改造成為單軸回轉(zhuǎn)體，剛度較大，穩(wěn)定性好。

(2)原有固態(tài)元件體重量約500～600g，重量較小，易于采用微型軸承支撐，且保證較小的磨擦阻力。

(3)固態(tài)元件采用可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)后，其電源與信號(hào)引用線可用測(cè)井系統(tǒng)電纜中的集流環(huán)連接，靜態(tài)阻力小，動(dòng)態(tài)存在阻尼力，可減小隨機(jī)擺幅度，提高定位精度。

(4)單個(gè)固態(tài)磁通門元件測(cè)量精度可達(dá)5nT的分辨能力。

(5)可以使用現(xiàn)場(chǎng)模擬，求取測(cè)量元件誤差，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，利用計(jì)算程序補(bǔ)償誤差，達(dá)到精度最優(yōu)化，且試驗(yàn)與實(shí)測(cè)條件的數(shù)據(jù)分析可逆。

3.1．2 實(shí)施步驟與方法

(1)構(gòu)建測(cè)試調(diào)試平臺(tái)，首先依據(jù)質(zhì)子磁力儀，尋找磁力梯度較小的地點(diǎn)，而后利用非磁材料組合可達(dá)要求精度的，全方位，可微調(diào)，可記錄位置的測(cè)試裝置，霍姆赫茲線圈均衡場(chǎng)建立等。

(2)在構(gòu)建的不同場(chǎng)強(qiáng)條件下，校驗(yàn)X，Y,Z軸磁測(cè)元件的線性特征，給出相應(yīng)的分段放大系數(shù)。

(3)校正敏感元件X,Y,Z相互之間的垂直度，并將測(cè)得的微小數(shù)值計(jì)入誤差校正程序。

(4)不同溫度條件下，根據(jù)X,Y,Z元件的響應(yīng)給出誤差系數(shù)。

(5)建立誤差分析模型，將(2)(3)(4)項(xiàng)以系統(tǒng)誤差的形式，予以計(jì)算補(bǔ)償。

(6)在不同的角度下將測(cè)得的磁三分量X，Y，Z數(shù)據(jù)的模值與質(zhì)子磁力儀校驗(yàn)，如精度不夠，則重復(fù)(2)(3)(4)(5)步驟。

3.2 改進(jìn)后效果試驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)已構(gòu)建好的單自由度定向體進(jìn)行多次試驗(yàn)，在探管傾向6°時(shí)，定向體本身方位變化較小，在±0.5°范圍內(nèi)；探管傾向10°試驗(yàn)時(shí)，定向體本身方位變化在±0.3°范圍內(nèi)。多次重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析證明，定向體的方位變化數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，具有測(cè)量上的隨機(jī)誤差特點(diǎn)。

在單自由度定向體上安裝磁分量測(cè)量元件后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬測(cè)試。磁場(chǎng)X分量數(shù)據(jù)見圖5，磁敏感測(cè)量元件方向與磁場(chǎng)水平矢量方向呈約45°夾角時(shí)，所測(cè)得的磁場(chǎng)分量數(shù)值在600nT范圍內(nèi)變動(dòng)，經(jīng)計(jì)算，測(cè)量中誤差為238nT。對(duì)該測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行30點(diǎn)平均后，波動(dòng)范圍降低至約100nT，測(cè)量中誤差為47nT。經(jīng)計(jì)算，更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)平均方式就可以顯著提高測(cè)量精度。由于該探管測(cè)量數(shù)據(jù)為連續(xù)測(cè)量，一般在井下1m可獲得10～15個(gè)磁三分量數(shù)據(jù)，多點(diǎn)平均數(shù)據(jù)進(jìn)行資料處理一般不會(huì)影響異常形態(tài)的分析，卻可以大幅度減少測(cè)量誤差，在實(shí)際運(yùn)用中是切實(shí)可行的。值得說明的是：在現(xiàn)場(chǎng)井中磁三分量測(cè)量結(jié)束后，為求得水平矢量方向，必須對(duì)所測(cè)井孔進(jìn)行陀螺測(cè)斜。依據(jù)陀螺測(cè)斜數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)在大致同樣的傾角傾向條件下，對(duì)三分量探管進(jìn)行地面背景場(chǎng)測(cè)定，可以最大程度地減少轉(zhuǎn)向差。

圖5 改造后的系統(tǒng)模擬測(cè)試數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論與技術(shù)前景展望

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差分析，指出目前常用磁三分量?jī)x器的主要誤差來源與誤差特點(diǎn)，轉(zhuǎn)向差主要為測(cè)井探管在井下傾向變化和探管自身不規(guī)則轉(zhuǎn)動(dòng)引起，這有利于在數(shù)據(jù)處理時(shí)區(qū)分實(shí)際異常與誤差異常。借鑒不同儀器測(cè)試原理，對(duì)JCS-1型測(cè)斜探管改造后的試驗(yàn)證明，在鉆孔傾角5°～6°以上時(shí)，測(cè)得的磁場(chǎng)矢量數(shù)據(jù)可以達(dá)到50nT的精確度。提

高了磁異常體的探測(cè)距離，擴(kuò)大井中磁三分量測(cè)量的應(yīng)用范圍，拓展了該系統(tǒng)在弱磁性異常探測(cè)中的作用。在鉆孔傾角小于5°～6°時(shí)，Z分量數(shù)據(jù)仍然可靠，只是X，Y定向誤差變大，可以設(shè)想，依據(jù)高精度的傾角傳感器解算傾向數(shù)據(jù)，利用電子伺服系統(tǒng)將磁通門元件維持在與傾向?qū)?yīng)的方位上，同樣可以達(dá)到X，Y磁矢量測(cè)量精度。

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