一种井下探管及三分量磁测系统
技术领域
本发明涉及井下勘测领域，尤其涉及一种井下探管及三分量磁测系统。
背景技术
深井高精度三分量磁测系统是由高精度井中三分量探管、5000m自动绞车及绞车控制器、地面数据采集系统三大部份组成的一套井中磁测仪器。它是寻找磁铁矿床最为有效的物探设备。尤其是埋深在3000-5000m以上的深部矿体，使用地面磁法勘探已无能为力。国内现有的井中三分量磁力仪在测量精度，测量深度方面都不能满足3000-5000m以上深部勘探的要求，只能在中浅部(2000-3000m)使用且测量精度偏低。如何解决矿山深部和隐伏矿体的深部定位问题，如何解决井中三分量磁力仪物探仪器设备“攻深”问题非常迫切。
此外，现有的小口径三分量测井仪器，探测深度最多只能达到3000m，且垂直分量、水平分量的测量精度分别为80nT、100nT，随着探测深度的增加，其结构和探测精度也更加无法适应更高的温度和压力，导致在深井探测中无法使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种井下探管及三分量磁测系统，解决在深井中探测能力差的问题。
为实现上述发明目的，本发明提供一种井下探管，包括：壳体，设置在所述壳体内的三分量传感器模块，与所述三分量传感器模块相连的数据测量调制传输模块，与所述三分量传感器模块和所述数据测量调制传输模块相连的电源模块；
所述壳体内设置有用于包裹所述三分量传感器模块和所述数据测量调制传输模块的无磁真空保温管。
根据本发明的一个方面，所述三分量传感器模块包括：三轴磁通门磁力计，三轴加速度计，用于与所述三轴磁通门磁力计和所述三轴加速度计相连接的控制单元，用于与所述控制单元相连接的传输单元；
沿所述壳体的轴向所述传输单元、所述控制单元、所述三轴加速度计、所述三轴磁通门磁力计依次设置。
根据本发明的一个方面，所述三分量传感器模块还包括：与所述控制单元相连接的温度传感器；
所述控制单元采集所述温度传感器的电信号并用于对所述传输单元的输出信号进行补偿校正。
根据本发明的一个方面，所述三分量传感器模块的垂直分量和水平分量的测量精度分别优于50nT；
所述三轴磁通门磁力计在静止状态下的单分量精度优于0.1nT。
根据本发明的一个方面，所述无磁真空保温管内温度在4小时内的温升小于或等于60℃。
根据本发明的一个方面，所述壳体为一端封闭，一端开口的筒状体，其开口端设置有接头；
所述壳体的开口端与所述接头相连接的位置排列设置有多个密封结构；
在所述壳体内，沿远离所述壳体开口端的方向所述电源模块、所述数据测量调制传输模块、所述三分量传感器模块依次设置。
根据本发明的一个方面，所述壳体的耐压强度大于或等于60MPa。
根据本发明的一个方面，所述数据测量调制传输模块用于接收所述传输单元的输出信号，并将所述输出信号转换成二进制信号并输出。
根据本发明的一个方面，所述电源模块中的金属导体和元器件烧结在陶瓷片上，并采用隔热绝缘层覆盖所述金属导体和所述元器件；
所述隔热绝缘层采用有机硅树脂充填而成。
为实现上述发明目的，本发明提供一种三分量磁测系统，包括：井下探管，用于采集所述井下探管输出信号并进行分析的地面采集系统；
所述地面采集系统包括：用于与所述井下探管相连的绞车，用于与所述绞车相连的地面控制器，以及用于采集所述井下探管输出信号的数据采集及显示装置；
所述绞车设置有用于控制其运行的绞车控制器；
所述数据采集及显示装置与所述井下探管采用有线链路或无线链路相连接。
根据本发明的一种方案，实现了提高深部矿体(3000-5000m)勘查的深部定位以及推断解释的准确性，为寻找深部和隐伏矿产资源提供了有力支撑。
根据本发明的一种方案，其不仅提高了测量精度，而且还大大增加了小口径磁三分量测量深度。测量精度方面，采用高精度的三轴磁通门传感器，磁通门精度可达0.1nT，通过实验和计算的方法对传感器进行温度补偿、三轴一致性矫正、正交度矫正及灵敏度测试等工作，保证三分量传感器整体测量精度到达垂直分量、水平分量测量精度优于50nT。测量深度方面，深井温度压力指标需达到耐温150℃，耐压60MPa，达到了耐高压耐高温的要求。
根据本发明的一种方案，针对3000-5000m深度高温需求，传感器所用元器件均为耐高温产品，可在高温环境下稳定工作，同时，通过微处理器对传感器的温度漂移和校准因子系统修正，使传感器在全温环境下具有良好输出稳定性。
附图说明
图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的井下探管的结构图；
图2是示意性表示根据本发明的一种实施方式的壳体开口端的密封结构的结构图；
图3是示意性表示根据本发明的一种实施方式的三分量传感器模块的结构图；
图4是示意性表示根据本发明的一种实施方式的数据测量调制传输模块的连接结构图；
图5和图6是示意性表示根据本发明的一种实施方式的2FSK信号波形图；
图7是示意性表示根据本发明的一种实施方式的电源模块的结构图；
图8是示意性表示根据本发明的一种实施方式的三分量磁测系统的结构图；
图9是示意性表示根据本发明的一种实施方式的绞车控制器的面板图；
图10是示意性表示根据本发明的一种实施方式的地面控制器的面板图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种井下探管，包括：壳体11，设置在壳体11内的三分量传感器模块12，与三分量传感器模块12相连的数据测量调制传输模块13，与三分量传感器模块12和数据测量调制传输模块13相连的电源模块14。在本实施方式中，壳体11内设置有用于包裹三分量传感器模块12和数据测量调制传输模块13的无磁真空保温管111。本发明的井下探管用于在3000m至5000m的深处作业，通过上述设置的井下探管在所处位置具有泥浆、高温等因素的影响下，依然能保证稳定的结构轻度和内部元器件稳定工作的内部环境，进而对保证整个井下探管在深处工作的稳定性和使用寿命有利。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，壳体11为一端封闭，一端开口的筒状体，其开口端设置有接头15。在本实施方式中，由于本发明的井下探管用于在3000m至5000m的深处作业，进而该壳体11的耐压强度大于或等于60Mpa。通过上述设置，使得本发明的井下探管的壳体的耐压强度大于或等于60Mpa保证了其在深井中依然能够承受较大的挤压力的情况下保持结构稳定，对有效保护内部的结构完整和稳定有利，进而保证了整个装置的工作稳定和使用寿命。
在本实施方式中，壳体11采用外径为60mm，壁厚为3mm的无磁的钛合金管材制成。通过采用钛合金管材作为壳体不仅具有轻便、耐高压的优点，尤其其抗压强度时普通材料的数倍，可达到80MPa以上。通过采用钛合金管材制成的壳体的重量轻，强度高，对于深井作业环境，尤其对周围具有泥浆等影响因素的情况下，对保证其回收非常有利。
结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，壳体11的开口端与接头相连接的位置排列设置有多个密封结构。在本实施方式中，接头15采用马龙头接头。在马龙头接头与壳体11的开口端相连的位置排列设置有两个密封结构，保证了整个井下探管的耐高压效果。在本实施方式中，为保证井下探管耐压及下井安全，须在井下探管加工装配好后，在没有装入测量电子线路以前，进行空管高压试验井试压，压强为60Mpa的环境下，保持时间四个小时，确保整个壳体在高压状态下不变形不渗水。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，在壳体11内，沿远离壳体11开口端的方向电源模块14、数据测量调制传输模块13、三分量传感器模块12依次设置。通过上述设置，使得三分量传感器模块12更加靠近壳体11的端部并远离电源模块14，这样不仅有效了保证了三分量传感器模块12对外部环境的准确灵敏测量，还有效的避免了电源模块14对测量精度的影响。
如图3所示，根据本发明的一种实施方式，三分量传感器模块12包括：三轴磁通门磁力计121，三轴加速度计122，用于与三轴磁通门磁力计121和三轴加速度计122相连接的控制单元123，用于与控制单元123相连接的传输单元124。在本实施方式中，传输单元124采用八通道AD；在本实施方式中，沿壳体11的轴向传输单元124、控制单元123、三轴加速度计122、三轴磁通门磁力计121依次设置。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，三分量传感器模块12的垂直分量和水平分量的测量精度分别优于50nT。在本实施方式中，三轴磁通门磁力计12在静止状态下的单分量精度优于0.1nT。在本实施方式中，三分量传感器模块12是整个井下探管的核心，通过三轴磁通门磁力计121敏感方位角的变化，三轴加速度计122敏感姿态角的变化，进行二者测量结果的融合，实现了±1°方位角和±0.1°姿态角的高精度实时输出。通过上述设置，将三轴磁通门磁力计12的但分量精度设置在上述范围内，实现了本发明的井下探管在深井作业时的高进度测量，对为提高本发明的测量精度起到了关键作用。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，三分量传感器模块12还包括：与控制单元123相连接的温度传感器。在本实施方式中，控制单元123采集温度传感器的电信号并用于对传输单元124的输出信号进行补偿校正。在本实施方式中，通过实验测试的方法对三分量传感器模块12的输出信号进行温度实时补偿校正。具体的，直接将温度传感器安装在线路板，温度变化引起的线路零点漂移叠加在输出的有用信号之上，进而需要在采集信号之前，先采集线路板零点漂移，漂移的具体数值是通过试验取得的。具体做法是将拟调试好的单线路板(即未加温度传感器的线路板)放入可调温度控制箱中，加入标准参考信号，然后检测单线路板的输出信号，随着温度的不断改变，得到输出信号的变化，记录下不同温度对应的输出变化得到温度漂移数据表。进而，通过安装温度传感器和该温度漂移数据表即可在仪器工作采集信号后，将信号中相应数据减去线路温度漂移数据表中的数值，即可实现消除温度所带来的影响。
根据本发明，通过采集线路零点漂移并生成零点漂移数据表，这样在线路板上安装温度传感器后，即可根据传感器获得的数值得出当前温度下应当消除的漂移值，其获取过程比通过公式计算或插值计算更方便快捷，补偿精度最高，而且可以大幅提高处理过程CPU的工作效率。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，无磁真空保温管内温度在4小时内的温升小于或等于60℃。在本实施方式中，为满足三分量传感器模块12和数据测量调制传输模块13在3000-5000m井深下150°高温的工作要求，采用真空保温瓶结构设计。即在壳体11内部增加一层无磁真空保温管。外界温度150℃时，保温瓶内温度4小时内温升≤60℃，按室温25℃计算，保温瓶内温度4小时内最高达到85℃。在本实施方式中，探管内三分量传感器模块12和数据测量调制传输模块13耐温设计为125℃，电源模块14设计耐温150℃，所以将三分量传感器模块12和数据测量调制传输模块13置于无磁真空保温管内，即可满足耐高温的要求，实现3000-5000m井深的耐高温需求。
如图4所示，根据本发明的一种实施方式，数据测量调制传输模块13用于接收传输单元124的输出信号，并将输出信号转换成二进制信号并输出。在本实施方式中，数据测量调制传输模块13接收三分量传感器模块12后的的信号后，将接收的信号简单处理为二进制格式，再将其调制为不同频率的载波信号通过3000-5000m电缆传输至地面数据采集控制器，再由地面数据采集控制器处理解调为二进制编码。
在本实施方式中，数据测量调制传输模块13处理后的信号数据采用2FSK载波单芯电缆传输，以节省电缆资源。通过2FSK(Frequency Shift Keying)的二进制数字频率调制(二进制频移键控)，用载波的频率来传送数字信息，即用所传送的数字信息控制载波的频率。参见图5和图6所示，在2FSK信号中，符号“0”对应于载频f1，而符号“1”对应于载频f2(与f1不同的另一载频)的已调波形，而且f1与f2之间的改变是瞬间的。传“0”信号时，发送频率为f1的载波；传“1”信号时，发送频率为f2的载波。在接收端，先将得到的信号进行带通滤波后滤除载波频率以外的噪声以及干扰，使得信号可以完整的通过，再经过全波整流器输出正极端的包络曲线，然后经过低通滤波器或者整流模块输出基带包络信号，再经过抽样判决器输出基带二进制信号，完成载波信号的解调。通过采用2FSK传输方式具有传输距离长、抗干扰能力强的特点，传输速率为192000bps。
如图7所示，根据本发明的一种实施方式，电源模块14主要由DC-DC转换模块构成，主要功能是完成DC-DC稳压，为井下探管内三分量传感器模块12和数据测量调制传输模块13等其他电路供电。电源模块14的前端最高输入电压达到80-140V，电源输入动态范围大，电源模块14输出+24V，然后由+24V得到井下探管内元器件的工作电源±5V、±12V、3.3V。为满足3000-5000m井深的耐高温要求，电源模块14满足在150°高温下工作4个小时，电源模块14的电路芯片全部采用耐高温进口芯片。在本实施方式中，电源模块14的电路采用厚膜工艺，将金属导体和元器件高温烧结在陶瓷片上，并使用了有机硅树脂充填隔热绝缘构成隔热绝缘层，进而实现电路在高温、强震动的环境下保持稳定的输出。
如图7所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种三分量磁测系统，包括：井下探管1，用于采集井下探管1输出信号并进行分析的地面采集系统2。在本实施方式中，地面采集系统2包括：用于与井下探管1相连的绞车，用于与绞车相连的地面控制器，以及用于采集井下探管1输出信号的数据采集及显示装置。在本实施方式中，数据采集及显示装置与井下探管1采用有线链路或无线链路相连接。
根据本发明的一种实施方式，绞车包括：用于缠绕线缆的卷筒，用于驱动卷筒转动的驱动装置，安装在卷筒和驱动装置之间的减速器，与卷筒相邻设置的排缆装置，绞车控制器，刹车装置。在本实施方式中，驱动装置采用交流变频电动机做为动力。
在本实施方式中，减速器用于降低驱动装置的输出速度，同时可以加大转轴的力矩,提高卷筒的提升力。在本实施方式中，减速器采用少齿差行星轮减速器，由输出轴、行星轮、内齿轮、圆柱销轴、销轴套和偏心套组成。在本实施方式中，为了保证行星轮的平衡性能和受力均匀，减少摩擦。采用两个互成180°的行星轮，并在这两行星轮上沿圆周均匀作若干个圆柱销孔。同时在输出轴的圆盘上也相应均匀作若干个圆柱销，这些圆柱销相对应地插入行星轮上的销孔中。圆柱销上装有活动的销轴套，以减小摩擦摩损。该减速器具有结构简单紧凑，体积小，速比大，加工成本低的优点。
在本实施方式中，排缆装置能自动整齐地把电缆绕在卷筒上，它包括来复丝杆、排线轮、导向键、传动齿(链)轮、卷筒和编码器等。在卷筒和来复杆上各装有一链轮，通过链条连接。排线轮通过导向键可以在来复丝杆上左右移动。当电缆绕在卷筒上时，每绕一圈，排线轮就会在来复丝杆上移动电缆线径的距离。电缆绕到卷筒边时，通过来复丝杆和导向键的自动换向作用，电缆自动向卷筒的另一边走绕。深度编码器安装在排线轮上，这样就可以检测到电缆的深度(通过计算编码器的脉冲数)，进而计算出电缆下井的速度。
在本实施方式中，绞车控制器用来控制绞车转动方向、停车和运行速度，同时显示深度、速度、电流、电压、变频器频率、张力，参见图9。
在本实施方式中，刹车装置为电动自锁刹车、机械自锁刹车、手动刹车中的至少一种刹车装置。
如图10所示，根据本发明的一种实施方式，地面控制器的主要功能包括提供井下探管的工作电源、控制参数(命令)设置、接收井下探管上传的测量数据，并实时对数据显示、存储、深度计数，并将当前数据和当前深度打包等。同时，满足3000-5000m测井需求，具有小型、轻便、易携带操作方便；井深的正负校正功能；适合不同脉冲数的码盘；独立的自检信号发生单元；USB型通讯接口等特点。在本实施方式中，地面控制器的控制面板(参见图10)设计的各种接口、开关和按键的功能有AC220V电源连接端口、绞车深度信号接入端口、井下信号线连接端口、数据采集及显示装置(工控电脑)的通信端口，还配置键盘、显示器、USB等输入输出装置。
根据本发明的一种实施方式，地面控制器硬件设计原则具有以下特点：
A.系统大量采用集成电路接口芯片，功能模块独立化设计思想。提高了野外仪器的可靠性；
B.考虑野外仪器的工作环境和条件，仪器工作面板拟采用防水、防尘、防潮的薄膜面板和密封性较好的ABS机箱；
C.设计较宽的电压输入范围(220V±20％)，使仪器具有较大的适应性；
D.采用软件自动补偿和校正深度误差，提高了系统硬件的可靠性。
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
