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跨领域融合优势技术 联合打造3 000 m以浅探矿技术利器

2021-05-19

 

我国深部矿产资源勘探技术装备对外依赖度高,探测深度浅、精度低、定位不准,制约了我国深部矿产资源的有效探测,发展自主研发的高集成一体化深部探矿装备迫在眉睫。在国家重点研发计划的支撑下,中国石油集团测井有限公司牵头,联合中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司、华中科技大学、成都理工大学、石油大学(北京)、长江大学、电子科技大学、吉林大学、中国科学技术大学、石油大学(华东)9家单位,开展了“地下及井中地球物理勘探技术与装备”项目(项目编号:2018YFC0603300)研究,目标是研制井中重力、井中/井间/地井电磁及中子伽马测井等一体化智能多参数测量系统,形成地下及井中探矿成套勘探装备与软件,并开展示范应用,具备3 000 m以浅探矿成套技术能力。
在项目参与单位的通力合作下,技术与装备研制取得了阶段性进展,地面系统、井下仪器进入加工、装配、电路调试阶段;井下高温高压传感器、探头研制获得突破,完成设计、测试工作,进入加工、调试环节;部分关键技术研究取得创新性成果,不同方法正反演提前布局和仿真,已经逐步展开不同方法联合反演;初步联系圈定典型矿区示范点,开始不同探测仪器试验示范方案。截至目前,项目团队已获登记软件著作权9项,发表论文28篇。
 
1 顶层设计标准先行,系统集成推动整体研发
项目研究涉及5种仪器研制,并形成一体化作业系统,做好顶层设计非常关键。项目团队按照总体推进、分步实施原则,围绕顶层设计标准先行,统一设计标准,在机械、电路及软件等方面制定9项设计规范、标准和通信协议(图1),为系列仪器设计提供依据,满足5种仪器自由组合作业要求。
在统一机电设计标准基础上,整体考虑功耗、散热、材料、密封设计、承压结构、仪器组合、测井环境等要求(图2),统一设计开发核心配套仪器与设备。探矿工程车方案实现了绞车和地面操作一体化设计,节约了操作空间,提高了操作效率;成功研制了便携式地面系统,为仪器联调测试提供手段;兆级遥传系统传输速率达到1 Mbps,为井下仪器和地面采集系统搭建了高速传输通道。
 
2 核心传感器提升仪器感知能力
井下仪器研制包括重力磁力仪、激发极化仪、井间电磁波成像仪、地井瞬变电磁勘探仪、造岩元素仪5种仪器。项目团队攻克相关核心传感器技术,成功研制了重力敏感探头、不极化电极探头、小直径三轴磁传感器和溴化镧探头,经过综合测试,性能指标达到设计要求。
2.1 重力敏感探头
研制了高灵敏度硅基重力敏感探头(图3),增大检验质量近10倍,降低系统机械热噪声;设计开发了多层高精度温控系统,提高仪器稳定性,温控精度达1 mK,为重力敏感探头提供了稳定的工作温度环境。
2.2 不极化电极探头
通过对铅、不锈钢等电极材料进行电性能对比实验(图4),优选了不极化电极材料,形成制作工艺,电极电位和极差稳定性由mV级提高到10 μV级;基于该不极化电极材料,设计了电极探头新结构(图5),保证了电极与仪器钢制外壳的高绝缘,为激发极化仪和地井瞬变电磁勘探仪提供高稳定可靠信号接收探头。
2.3 小直径三轴磁传感器
研制成功小直径三轴磁传感器(图6);通过小直径磁棒在不同地层电阻率和深度感应到的信号强度仿真,优化确定了磁棒响应指标(图7);优选高温磁芯,满足仪器温度性能要求。
2.4 溴化镧探头
优化了溴化镧探头电性能和机械参数,采用超快速前置放大电路设计,减小了高强度伽马射线产生的堆积脉冲;基线恢复技术实时补偿了采集信号的基线波动影响,解决了井下高温谱线漂移问题,实现直径31 mm小尺寸探头研制(图8)。
 
3 方法研究支撑仪器研制与应用
完成重磁、激发极化、井间电磁波成像、地井瞬变、井地瞬变、造岩元素6种方法研究,指导仪器技术指标和结构参数设计,反演处理算法初步形成,部分模块集成到处理解释软件平台。
3.1 重磁反演方法
优化井中重磁三维反演算法,具有结构简单、反演速度快、精度高的优点;采用双重约束机制,减少了反演多解性(图9),提高了反演可靠性;基于神经网络技术实现井地重力密度界面反演,提高了重力密度界面反演的分辨率。
3.2 造岩元素模拟仿真
制作造岩元素高精度非弹谱与俘获谱,利用全谱和分谱联合解谱,降低了元素间相互干扰,成功获取16种高精度矿物元素含量,解谱精度提高了5%;建立元素-矿物转换模型,开发了矿物含量处理模块,能够获得主要矿物含量(图10),为采集处理解释提供手段。
3.3 处理解释软件平台
开发了解释处理软件平台测试版,包括底层平台、开发平台和应用平台(图11)。初步完成功能完备、处理高效的处理解释平台。
在取得现有成果基础上,项目团队下一步将重点围绕地面系统、井下仪器的装配、联调、高温高压测试、现场测井试验等工作开展研究。通过该项目研究和开发,将会形成一批适应深地探矿的新技术、新方法、新产品和新标准,协助深层示范试验基地标准化、系列化、规范化建设,促进深层探矿技术与装备快速发展,为国内深地矿产资源勘探提供技术利器。
 
项目负责人简介
汤天知,1963年生,教授级高级工程师,中国石油集团测井有限公司总工程师,中国石油集团测井重点实验室主任。被聘为国家工程技术专家、中国石油集团高级技术专家、中国石油集团重大科技项目首席专家、国家工业信息化领域科技计划咨询专家等。兼任陕西省石油协会测井专业委员会主任、陕西省地球物理学会副理事长、成都理工大学博士生导师、中国石油大学(华东)教授、长江大学客座教授。自1983年参加工作以来,一直从事测井专业技术研究及管理工作。作为项目负责人先后主持完成国家科技重大专项、国家863计划、国家重点研发计划以及中国石油集团重大项目20余项。主持研制的EILog快速与成像测井装备打破了国外公司在中国市场的垄断,实现国内常规测井向成像测井的跨越,被评为“十二五”中国石油集团十大工程技术利器。出版专著5部,发表论文20余篇。