井中三分量磁測誤差分析與精度提高方案

郭文建，豐莉，郝廣成

(1.山東省第五地質礦產勘查院，山東 泰安 271000；2.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250014)

井中三分量磁測作為一種磁鐵礦等磁性礦產的勘探手段，利用其所測的井孔位置處的磁場垂直分量、水平分量，結合地面磁異常判斷磁異常地質體的性質及其形態、位置，對預測井孔旁側及深部盲礦體起到較重要的作用[1-3]。但是由于現有井中三分量磁測系統測量精度較低，只能用于尋找磁性較強的礦床，使其在實際應用中受到一定的限制[4-5]。為了擴大井中三分量磁測系統的應用范圍，筆者在多年從事井中三分量磁測工作的基礎上，根據自己對該系統的了解和掌握程度，提出精度提高的改進實施方案。

1 井中三分量磁測原理及測量儀器

1.1 系統測量原理

井中三分量磁測系統探管通常使用3個相互垂直的磁通門測量元件作為傳感器。在測量空間矢量場時，需要對自身方位進行定位。目前，主要利用探管在鉆孔中的傾向，依據重力方向確定測磁方位。取得三分量數據后，使用防磁的陀螺測斜手段，求得井孔位置軌跡。再將二者數據結合起來，解算得到地理坐標下的X,Y,Z各方向的磁矢量數值。所以在磁三分量測量中，測量元件的即時定位一直是阻礙提高井中磁三分量測量精度的主要因素[6-7]。

1.2 儀器設備發展與現狀

較早時期使用較多的是依據重力定位的單向垂直分量自定位系統，可對井孔內垂直分量進行測量。20世紀70年代重慶地質儀器廠生產的具有2個自由度的測量探管，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，完全依靠精密機械系統保持測量傳感器的空間坐標位置。測量數據比較可靠，但儀器本身結構復雜，受震動易損壞。2005年,重慶地質儀器廠對三分量磁力儀進行了改進，完全舍去了機械定位方式，依靠單片計算機即時解算固定在探管上的三分量磁測元件與井孔方位之間的關系，換算后直接給地面主機輸出相當于原來定位方式下的X,Y,Z分量數值。按照廠方給出的參數：分辨力≤5nT，轉向差≤300nT[8]。2010年，中色地科礦產勘查股份有限公司對三分量測量系統進行了誤差自動校正，溫度校正等，測量精度達到轉向差≤25nT。近年來重慶地質儀器廠與上海地學儀器研究所也分別生產了較高精度的磁三分量儀器，標稱轉向差≤50nT。

2 誤差分析

在井中磁三分量測量中，一般鉆孔設計為斜孔并保持一定傾向。受鉆桿剛度影響，同一鉆孔內不同深度處的傾向與傾角變化不大。傳統的機械定位方式在測量時，定向元件空間位置變化幅度也不大。在儀器轉向差為300nT，儀器轉向一周時，其誤差大致成正弦曲線形態變化。在轉向180°時，最大差值為±300nT，具有系統誤差的特點。而實際鉆孔空間軌跡變化較小時，其轉向差就可明顯減小，有時要比儀器標定的誤差小1個數量級。從原理上說此種轉向差應稱為“傾向差”。因空間軌跡變化較小時的轉向差又具有隨機誤差的特點，所以可通過多點數據平均的方式提高測量精度。該種設備的工程應用效果較好，由于故障率高，維護不便，目前已停產。

重慶地質儀器廠的磁測JCX-3三分量型，在元件固化后，降低了故障率。但在廠方標稱轉向差300nT情況下，探管本身一方面受到不同傾向的影響，產生了轉向差；另一方面，探管在井下呈自由狀態，受電纜張力等多方面因素影響，產生隨機的自身轉動與擺動，也使固化在儀器體內的測量敏感元件產生了坐標位置變化，進一步增大了測量誤差，此部分誤差應稱為“自轉差”。較高精度的磁三分量系統由于測量敏感元件的固化，也同樣會受到自轉差的影響。為了分析誤差來源，使用JCX-3磁三分量探管與JCS-1型測斜探管，分別對石膏礦區鉆孔進行測量，分析對比兩類探管的測量數據(非磁礦區，可排除磁異常干擾，易于觀測誤差變化)。圖1為JCS-1測斜探管在測量過程中自轉情況：鉆孔傾角小于1°，X分量測量元件近于水平，顯示X分量數值隨機的周期變化，表明探管處于不規則自轉和擺動狀態，約40～60m自轉一周，在使用30點數據平均后，仍存在原有幅度的波動。

圖1 JCS-1測斜探管X分量數據

在使用JCX-3磁三分量探管對該鉆孔進行測量時，顯示的鉆孔傾向、傾角狀態如圖2所示：100～300m深度范圍內，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測斜探管自轉周期基本一致。從另一方面來說，鉆孔本身的軌跡不可能出現多重拐尺狀態，所以基本判定這種傾角變化應是探管自身轉動和擺動所致。具體機理是因為探管的重力定向元件與探管外部軸線不重合，導致探管在自身轉動時，重力定向元件產生不同傾向變化，地面主機輸出井孔傾向數據呈周期變化的假象。

圖2 JCX-3磁三分量探管傾向、傾角數據

該JCX-3磁三分量探管的磁場X分量與水平H分量如圖3所示：受探管傾向數據變化影響，磁X分量數據也呈40～50m的周期變化。由于儀器對與傾向對應的磁場矢量數據進行了重新解算，只能從水平H分量數值上看出與波動周期基本同步的誤差變化，其變動幅度在800nT左右。這說明，JCX-3磁三分量探管較大的自轉差是受探管轉動直接影響的，并且由于探管的轉動周期較長，無法使用多點平均法降低這種隨機誤差。

圖3 JCX-3磁三分量探管X分量、H分量

3 改進方案

為了提高磁三分量測量精度，減小測量誤差，利于資料分析。借鑒系統誤差校正原理與機械無纜測斜設備結構，提出對磁測斜探管進行改造的方案，以達到測量精度提高的目的。

3.1 方案

將原有JCS-1型測斜探管進行調整。其儀器原測量數據為磁三分量X,Y,Z數據、與探管所處的傾角、傾向(相對磁北方向)數據。其磁測元件完全固化在探管中，隨探管自轉及傾向變化而變化。該方案將測斜探管敏感測磁元件獨立起來，并安裝在可以沿探管軸向轉動的非磁性單元上，兩端利用非磁軸承支撐，并使該單元保持一側動偏心。在探管傾斜超過一定角度時，靠重力定向即可將測量元件基本穩定在與鉆孔傾向、傾角相關的空間坐標上。

圖4a表示為原有的機械定向結構，圖4b表示為改進后的單個自由度的定向結構，取消了一個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，增加了承受震動的能力，提高了穩定性。Z分量始終指向探管軸向，X、Y為與之垂直的方向，由于探管內部的傾角傳感器精度較高，達0.2°左右，解算后仍可得到較精確的磁分量數據。為了進一步減小誤差，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構作為軸向約束，減少轉動阻力。在探管震動條件下，為保證軸針處不出現應力過大損壞，軸針下部設置帶預緊彈簧的緩沖裝置。

圖4 定向結構改造前后對比圖

3.1.1 合理可行性

(1)原有固態元件結構穩定，易于改造成為單軸回轉體，剛度較大，穩定性好。

(2)原有固態元件體重量約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)固態元件采用可旋轉結構后，其電源與信號引用線可用測井系統電纜中的集流環連接，靜態阻力小，動態存在阻尼力，可減小隨機擺幅度，提高定位精度。

(4)單個固態磁通門元件測量精度可達5nT的分辨能力。

(5)可以使用現場模擬，求取測量元件誤差，在實際測量時，利用計算程序補償誤差，達到精度最優化，且試驗與實測條件的數據分析可逆。

3.1．2 實施步驟與方法

(1)構建測試調試平臺，首先依據質子磁力儀，尋找磁力梯度較小的地點，而后利用非磁材料組合可達要求精度的，全方位，可微調，可記錄位置的測試裝置，霍姆赫茲線圈均衡場建立等。

(2)在構建的不同場強條件下，校驗X，Y,Z軸磁測元件的線性特征，給出相應的分段放大系數。

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

(4)不同溫度條件下，根據X,Y,Z元件的響應給出誤差系數。

(5)建立誤差分析模型，將(2)(3)(4)項以系統誤差的形式，予以計算補償。

(6)在不同的角度下將測得的磁三分量X，Y，Z數據的模值與質子磁力儀校驗，如精度不夠，則重復(2)(3)(4)(5)步驟。

3.2 改進后效果試驗

通過實驗室對已構建好的單自由度定向體進行多次試驗，在探管傾向6°時，定向體本身方位變化較小，在±0.5°范圍內；探管傾向10°試驗時，定向體本身方位變化在±0.3°范圍內。多次重復觀測數據的統計分析證明，定向體的方位變化數據呈正態分布，具有測量上的隨機誤差特點。

在單自由度定向體上安裝磁分量測量元件后，進行現場模擬測試。磁場X分量數據見圖5，磁敏感測量元件方向與磁場水平矢量方向呈約45°夾角時，所測得的磁場分量數值在600nT范圍內變動，經計算，測量中誤差為238nT。對該測量數據進行30點平均后，波動范圍降低至約100nT，測量中誤差為47nT。經計算，更多的數據點平均方式就可以顯著提高測量精度。由于該探管測量數據為連續測量，一般在井下1m可獲得10～15個磁三分量數據，多點平均數據進行資料處理一般不會影響異常形態的分析，卻可以大幅度減少測量誤差，在實際運用中是切實可行的。值得說明的是：在現場井中磁三分量測量結束后，為求得水平矢量方向，必須對所測井孔進行陀螺測斜。依據陀螺測斜數據，當時在大致同樣的傾角傾向條件下，對三分量探管進行地面背景場測定，可以最大程度地減少轉向差。

圖5 改造后的系統模擬測試數據圖

4 結論與技術前景展望

通過實測數據的誤差分析，指出目前常用磁三分量儀器的主要誤差來源與誤差特點，轉向差主要為測井探管在井下傾向變化和探管自身不規則轉動引起，這有利于在數據處理時區分實際異常與誤差異常。借鑒不同儀器測試原理，對JCS-1型測斜探管改造后的試驗證明，在鉆孔傾角5°～6°以上時，測得的磁場矢量數據可以達到50nT的精確度。提

高了磁異常體的探測距離，擴大井中磁三分量測量的應用范圍，拓展了該系統在弱磁性異常探測中的作用。在鉆孔傾角小于5°～6°時，Z分量數據仍然可靠，只是X，Y定向誤差變大，可以設想，依據高精度的傾角傳感器解算傾向數據，利用電子伺服系統將磁通門元件維持在與傾向對應的方位上，同樣可以達到X，Y磁矢量測量精度。

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