高精度深井动态极化井中质子磁力仪

秦佩，高铭泽，贺宁波，吴天彪

(北京奥地探测仪器有限公司，北京　100016)

高精度深井动态极化井中质子磁力仪

秦佩，高铭泽，贺宁波，吴天彪

(北京奥地探测仪器有限公司，北京100016)

摘要：本文主要介绍了CZJ-2型高精度深井动态极化井中质子磁力仪的工作原理、系统组成、室内性能测试与野外2000m深井试验。经过优化设计的整机系统配合专业的人机软件操作界面，使该仪器非常适用于野外操作。文章还针对该仪器的主要性能设计了测试方案，尤其首次在国内探测有色金属矿或贵金属等弱磁性矿体中取得了2000m深井的磁测试验数据，且测量精度达到±0.39nT，远超过设计指标的±5nT，在深部找矿工作中将发挥重要的作用。

关键词:动态极化；磁力仪；测井;磁测

0前言

CZJ-2型高精度深井动态极化井中质子磁力仪是北京奥地探测仪器有限公司(隶属于北京地质仪器厂)与俄罗斯乌拉尔联邦大学合作最新研制的一种井中质子磁法测量仪器。该仪器采用了基于欧佛豪森效应原理的动态极化激发技术，大大提高了质子旋进信号的幅度，克服了传统质子磁力仪梯度容限低的缺陷，此外其分辨率、传感器体积、采样率和功耗等性能较传统质子磁力仪也有很大提高。基于上述优点，该仪器特别适合用于高精度深部井中磁测，寻找磁异常只有几十至几百nT的弱磁性体，也适用于磁梯度较大的矿区。

其主要技术指标如下：

(1)量程：30000～70000nT；

(2)分辨率：0.01nT；

(3)观测精度：≤±5nT；

(4)采样周期：1～86400s，步进间隔1s；

(5)最大梯度容忍值：20000nT/m；

(6)最大工作深度：2000m(80℃的高温和20MPa的高压环境)。

1工作原理

高精度深井动态极化井中质子磁力仪是在传统直流极化质子磁力仪的基础上发展起来的。其原理是基于“Overhauser效应”(Overhauser Effect)，所以也称作Overhauser磁力仪。该仪器的传感器主要由甚高频发生器、信号线圈、工作介质和谐振腔四部分组成(如图1所示)，装有工作介质的容器被放在一个工作在甚高频频段的谐振腔内，谐振腔的外侧绕有接收旋进信号的接收线圈。谐振腔内的高频电磁场的频率等于电子顺磁共振频率，约为60MHz，用作工作介质的激发源。在工作介质中，采用富含游离基的特殊溶液，使之存在电子自旋磁矩和质子磁矩两个磁矩系统。电子系统与原子核系统间的相互作用使这两种自旋系统相互耦合。核磁共振对于电子自旋共振来说只是一个小的扰动，但电子自旋共振对核磁共振却能产生很大的影响。电子自旋达到饱和共振使原子核能级上粒子数分布远离热平衡分布，低能级上被更多的粒子占据着，对原子核产生极化作用 (或者相反)。若用较大功率的交变磁场作用于样品，并使其角频率满足电子自旋共振条件，产生电子自旋共振，由于耦合作用，使原子核产生自旋极化，样品中磁化强度增大，核磁共振信号也增大，这种现象称为(正)电子核磁共振Overhau-ser效应。

图1　仪器传感器原理图

高精度深井动态极化井中质子磁力仪正是利用游离基的电子自旋共振和质子的核磁共振这两重共振，增大核磁共振信号的强度，强烈极化的质子绕地磁场作旋进运动，测出旋进频率，即可测出地磁场。

在Overhauser效应作用下，质子的极化程度比在地磁场作用下的宏观磁矩可以增强几百倍甚至几千倍，所以讯号输出可以大大增强。电子共振频率增加(在理论上，质子的磁化可以达到10000倍左右，但实际的增大率约为5000倍)意味着能够用较少的高频电能得到非常强大的质子磁化，也就是待检测的信号增大了许多倍。比如：传统质子磁力仪的传感器在直流极化时产生的旋进信号如图2所示，动态极化质子磁力仪的传感器在直流和甚高频极化时产生的旋进信号如图3所示，后者的旋进信号幅度要远大于前者。

图2　传统质子磁力仪的信号示意图

图3　动态极化质子磁力仪的信号示意图

由于检测信号幅度大大提高，所以仪器的分辨率将有数量级的提高。质子磁力仪的分辨率与传感器体积、激励功率成正比关系，而Overhauser效应作用使信号幅度提高，其结果使得用小型传感器、较低的激励功率，就可以获得较高的磁场测量分辨率和精度。

2系统组成

高精度深井动态极化井中质子磁力仪系统主要包括：探管、信号处理器、井下仪器电源、4芯2000m测井电缆、绞车控制器、通信模块、笔记本电脑(配套专业数据接收软件)及整机电源，具体见图4a和图4b。

图4a　系统组成框图

图4b　主要系统实物图

探管核心部件是基于Overhauser效应原理的动态极化激发质子技术制作的磁力仪传感器，并且探管针对2000m深井的高温高压环境分别进行了耐高温和耐高压处理。

信号处理器首先控制井下仪器电源产生极化控制信号，然后通过模拟放大电路和频率计部分实现信号的采集和换算，最后通过通信模块发送数据给笔记本电脑。考虑到磁力仪动态极化时的工作电流和2000m绞车电缆电阻产生的压降问题，井下仪器电源专门设计了恒流源电路以保障不同供电电压时井下仪器能够正常工作。绞车控制器接收笔记本电脑的控制指令，控制2000m测井电缆升降，并实时传输深度信息给笔记本电脑。基于上述硬件系统的工作流程编写了仪器的操作软件，其流程图见图5a，软件界面见图5b。

图5a　系统软件流程图

图5b　系统软件界面

3室内性能试验与野外深井试验

3.1室内性能试验

室内试验包括5个部分：静态读数试验、最大梯度容忍度试验、高温试验、水压试验和试验井的重复性试验。

3.1.1静态读数试验

将仪器置于试验场地，选取12：00～14：15时间段的定点连续测量数据(详见图6)，同时使用CZM-4型质子磁力仪的日变观测数据进行日变校正。

图6　静态测试曲线

由上图的数据曲线可以看出本仪器的数据在日变校正前的变化趋势与日变的变化趋势一致，而日变校正后的数据曲线很平稳，峰峰值小于5nT，取静态定点测试的50个样本点计算均方差为±0.6nT，此精度与仪器所处的测试环境是工业区有关。

3.1.2最大梯度容忍度试验

仪器传感器的最大梯度容忍度试验在俄罗斯乌拉尔联邦大学量子磁学测量实验室完成。如图7a所示，将传感器沿螺线管轴向移动，离中心越远，磁场梯度越大，同时测量磁场分布值并计算均方差(15个读数)，绘制测试曲线如图7b所示。由试验数据分析可见：当磁场梯度为20000nT/m和40000nT/m时传感器测量数据的均方差仍能分别达到12nT和50nT，故最大梯度容限值不低于20000nT/m。

图7a　试验现场

图7b　试验数据曲线

3.1.3高温试验

探管高温试验在北京奥地探测仪器有限公司的磁屏蔽实验室内完成。如图8a所示，将探管置于80℃左右的自制高温试验箱(工作时加顶盖封闭)内持续工作1h，同时记录数据曲线。由图8b中测试数据可知，探管在高于80℃的高温环境下仍能正常工作。

图8a　高温试验现场

图8b　高温试验数据曲线

3.1.4水压试验

水压试验是在中国地质科学院物化探所压力试验室进行的。如图9a所示，将探管密封到水压试验机内腔中，加压到30MPa，稳压2h(见图9b)，最终检查探管内是否存在渗水现象。压力试验结束后，未发现探管形变；打开探管密封，未发现水渗入痕迹；连接主机后检查工作正常。由此证明，本仪器探管的最大工作压力不低于30MPa。

图9a　水压试验现场

图9b　水压压强曲线

3.1.5试验井的重复性测试

整机系统在中国地质科学院物化探所的75m深试验井进行了重复性测试。将探管通过绞车电缆下放到75m井深处，开始测量并读取地磁场数据和绞车深度数据，同时通过绞车控制器设定绞车电缆匀速上升，速度约为4m/s，直至5m深处时停止测量，实时记录保存数据，具体数据曲线见图10。测量数据曲线可得：重复测试数据曲线基本保持一致；并且细节部分都能够良好的重合。

图10　探管井下重复性数据曲线

3.2野外深井试验

2013年5月14日至16日在某铀矿深钻开展了试验。该深井是核工业系统开钻的中国铀矿第一口科研深井，孔深2800m，孔底温度高达105℃，孔深2000m处温度已达80℃以上；泥浆比重为1.1；井口套管长46m；井段中部存在黄铁矿化带，其岩层构造见某勘探队完成的综合测井成果部分柱状图(见图11a)。试验时，探管保持10 m/min左右的速度自动下降和提升。最终取得了较为理想的深井磁测数据(见图11b)。

图11a　2000m深井岩层构造柱状图

图11b　2000m深井重复性磁测曲线

上述试验数据充分说明CZJ-2型高精度动态极化井中质子磁力仪在深井80℃高温环境和20MPa高压环境下进行测量是完全可行的。从图11a可以看出50～1400m深的岩层主要以岩浆岩为主，其中在880m深度附近是细砂岩和角砾岩；从1410～2000m段则主要分布砂质泥岩、细砾岩、粉砂岩、泥岩、中砂岩。从图11b可以看出两次测量曲线在1400m以下井段基本吻合，1400m之上井段曲线形态基本一致，尤其在1600m附近平静段的数据经日变改正后计算其标准偏差为±0.39nT。这进一步说明磁测数据曲线的特点与实测的岩层构造相互吻合。

通过上述试验可以明显看出，仪器的主要设计技术指标均达到了要求，尤其是2000m深井试验的观测精度达到±0.39nT，远超过设计指标的±5nT，具体见表1。

表1　主要设计技术指标与实测指标的对比

4结论

CZJ-2型高精度深井动态极化井中质子磁力仪是采用当前国际上最先进的传感器技术，经过良好的软、硬件设计和优化研制成功的新型深井物探仪器，其各项指标均满足设计要求；易于操作以及很小的采样周期提高了磁测工作的效率；同时具有较高的抗干扰能力。首次在国内取得了2000m深井的地磁总场测量值，测量精度达到了±0.39nT，这在深部找矿工作中寻找或区分数十到数百nT的磁异常意义重大。

参考文献：

[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]吴天彪.我国地面重磁仪器的现状与前景[J].地质装备，2007,8(2)：11-16.

[4]张爽,何佳泷,陈曙东,等.JOM-1型Overhauser磁力仪研制[J].吉林大学学报(信息科学版)，2015,33(4)：409-415.

[5]石艳林，董浩斌.Overhauser磁力仪初步设计[J].仪表技术与传感器，2008,18(2)：18-19.

收稿日期：2016-04-11

作者简介：秦佩(1987-)，男，山西怀仁人，硕士研究生，北京奥地探测仪器有限公司助理工程师，从事地质勘探仪器(主要为磁力仪和重力仪)的研发工作，北京市朝阳区酒仙桥东路1号M3座东侧3楼，Tel：18210873057，E-mail：aohu_2005@163.com。

中图分类号:P631.23

文献标识码：A

文章编号：1009-282X(2016)03-0016-05