磁三分量测井应用技术

磁三分量测井应用技术中国冶金勘探总公司地质处 徐 江（北京 1000238）上海地学仪器研究所 刘 晓 （上海 200233） 井中磁三分测量是在钻孔中，沿钻孔方向进行磁场三分量测量。

它和地面磁测的本质是一样的，都是根据各种地质体存在磁性差异，而且这种差异在地磁场中会产生强弱不同的磁异常为理论依据。

对这磁场种异常进行观测，并对观测结果进行分析，掌握其分布规律，就能解释推断地质体的空间规模和存在位置。

对于以找矿为目的的井中磁测往往比地面磁测有更好的探测效果，因为井中磁测可以到达更接近地质体的空间观测，具有更好的异常反映。

井中磁测可以说是地面磁测的空间延深和发展。

一些地面磁测不能解决的问题，通过井中磁测就很容易解决。

尤其是井中三分量磁测，井中三分量磁测是很有效的一种物探方法，在验证地面弱磁异常，发现和预报深部矿体，确定矿体产状，圈定矿体规模，指示矿体空间位置等方面有很大的优势。

井中磁三分测量的技术特点井中三分量磁测与地面磁测相比有一些特殊性，主要在以下几个方面。

1．井中磁测受到钻孔数量的限制，一个钻孔只相当地面一条测线。

这样，由于钻孔数量较少，得到的空间磁异常信息很有限。

2．由于只能沿钻孔方向测量，井中磁测得到的信息可能是钻孔周围任何方向上的地质体引起的，判别地质体的方位需要很好的分量测量精度。

分量测量精度的最大影响因素是仪器定位精度。

这不仅取决于三分量测井仪器本身，还要受到钻孔方位准确性影响。

钻孔方位测量要借助陀螺测斜仪完成，所以分量测量的精度还会受到陀螺测斜精度的影响。

3．井中磁测有时会因钻孔穿过地质体而测到地质体内部的场强，这和地面磁测只会得到地质体外部的磁场情况是完全不同的。

地面磁测是在空气进行，井中磁测在是在介质中进行，测量结果要受到围岩介质磁性的影响，而且是围岩介质的内部场。

这就使得资料解释变得很复杂。

4．由于地质体是有限体积，钻孔和地质体的相对位置不同，井中磁测可以测到正向磁化和反向磁化两种情况。

和地面磁测只能观测到的正向磁化相比，测量信息更加丰富但也更复杂。

5．由于受井下仪器外形尺寸限制，井中磁测采用的磁场传感器精度还不够高。

又因为磁场分量测量要受到所采用的定向方法等精度影响，总的观测精度也不高。

目前比地面磁测低一个数量级。

影响井下磁测精度的因素还有井温，钻孔孔径等等。

6．现在最先进的井中磁三分量仪器已经没有重锤一类的活动灵敏框架，采用全固态的磁传感器进行测量。

由上海地学仪器研究所研制的JCC3-2(A)型高精度磁三分量测井仪就是采用巨磁效应的磁敏元件测量磁场。

三个正交安装的巨磁传感器和重力加速度传感器配合测量，同时得到北向(Y)—东向(X)—垂直(Z)正交坐标系下的三个磁场分量值。

重力加速度传感器的作用是提供测量三分量所需的定向信息。

由于重力加速度传感器精度高（分辨率为角秒级），所以定向精度比过去的井中磁三分量测量仪器高很多。

过去井中磁三分量测量仪器是采用重锤和偏心块来定向，不仅精度差，可靠性也很差，仪器很娇气。

新型仪器采用的巨磁传感器有较高的测量灵敏度，JCC3-2(A)型高精度磁三分量测井仪分量测量精度比过去大大提高。

JCC3-2(A)型高精度磁三分量测井仪内部没有活动部件，仪器有很高的可靠性。

仪器内部还设有自动温度补偿电路，仪器可以应用到较深的钻孔中。

JCC3-2(A)型高精度磁三分量测井仪有着可靠性高、测量精度高、测量方便、操作简单等优点。

井中三分量磁测的测量精度影响井中磁场强度测量的因素主要有两个，仪器的传感器精度和钻孔的空间参数准确性。

前一个影响因素很明显，后一个影响因素就不容易理解和控制。

实际上，我们在井中测量要确定磁场强度的三个分量是非常困难的，因为限于钻孔的内径较小，仪器中可安装的传感器尺寸受限，不可能做到很高灵敏度和精度。

不可能做成能像地面仪器那样对准测线方向。

由于要测量矢量，现在可用于井中测量的磁场传感器有磁通门式和巨磁效应磁阻式两种。

前者实验室精度比后者高，但体积大，三轴相互影响因素多，线路复杂，后者体积小，功耗低，数字化输出，可靠性高。

要确定钻孔的空间参数，现在只能用各种陀螺测斜仪。

过去的陀螺测斜仪精度不高，尤其是方位精度不高，这对磁测资料的影响非常大。

测点间方位的不一致，等效于地面磁测基线方向的误差。

为了能确定方位，减少方位误差，过去都要求磁测钻孔要是倾斜大于5度的定向孔。

磁测仪器也要求钻孔顶角大于5度才能定出座标系。

最新的JCC3-2(A)磁三分量测井仪当顶角大于0.5度就可以确定座标系，但两者都必须借助陀螺测斜仪来确定方位。

所以陀螺测斜是高精度磁测的必测项目。

在现有仪器条件下，三分量磁测的平均绝对误差Z σ≤250nT，H σ≤450nT。

可提交的钻孔参数资料(钻孔的真方位角β和顶角δ)方位角的平均绝对误差βΔ≤2°。

顶角的平均绝对误差δΔ≤0.1°这比过去有了很大的提高。

目前，钻孔的参数是用自寻北陀螺测斜仪测出的，这种自寻北陀螺测斜仪顶角测量精度高，方位测量精度也很高，没有方位漂移误差。

这种小直径的自寻北陀螺测斜仪型号有JTL-40DT 和JTL-40GX 等。

井中磁测资料的计算整理井中磁三分量测量的资料处理现在都是由PC 机上软件自动计算出来。

这些计算的坐标系都是建立在左手定则的直角坐标系中，如图。

其中X、Y 在测点处的水平面内，Z 在垂线上，Y 指向钻孔的倾斜方向。

这种坐标系称做垂向坐标系，这是为了区别另一种叫轴向坐标系的情形。

1. 磁异常垂直分量在Z 轴方向，实测垂直分量和当地正常场垂直分量的差。

由于Z 和Z 0方向相同，因此将每点所测的Z 值减去0Z 就得到了磁异常的垂直分量：ΔZ= Z - Z 0 （1）2. 磁异常水平分量磁异常水平分量ΔH 是一个水平面内的矢量，可由H 减去H 0求得，但这是指向量运算。

H 是由实测的X、Y 分量合成的，H 0方向为磁北，按这样的思路我们求ΔH 步骤如下：（1） 求H 0在x 轴和y 轴上的投影H 0x 和H 0y （x，y，z 轴是左手定则确定的垂向座标系）：H 0x =- H 0 sinΦ , H 0y = H 0 cosΦ (2) 其中的Φ是钻孔的实际倾斜方位角，由陀螺测斜得到。

（2）求H 与H 0在x 轴和y 轴上的模差值：ΔX= X - H 0x , ΔY= Y - H 0y （3）（3）求ΔH 的模值：（4）求ΔH 的方向角φ，φ角是指从正北（N ）开始，顺时针方向转到ΔH的角度：φ= θ＋ Φ （5） 式中的θ角由下列公式算出： ||1YX tg − (X≥0 ，Y＞0) ||1YX tg −−π (X＞0，Y≤0) θ= ||1YX tg −+π (X≤0，Y＜0) ||21YX tg −−π (X＜0，Y≥0) （6）（5）由 ΔH 模值和φ角即可作出ΔH 的矢量图。

3. 磁异常水平分量在横剖面和纵剖面中的投影磁异常水平分量在横剖面和纵剖面中的投影分别以ΔH ⊥和ΔH ∥表示，计算公式如下：ΔH ⊥= H ⊥－H 0⊥H ⊥= Ycos(Φ－A) －Xsin(Φ－A) （7）H 0⊥= H 0 cosA ΔH ∥= H ∥－H 0∥H ⊥= Y sin(Φ－A) ＋X cos(Φ－A) （8）H ∥= －H 0 sinA4. 磁异常总矢量在横剖面和纵剖面中的投影磁异常总矢量在横剖面和纵剖面中的投影分别以ΔT ⊥和ΔT ∥表示。

作ΔT ⊥和ΔT ∥矢量图时，应取在横剖面和纵剖面中的投影ΔH ⊥、ΔH ∥和ΔZ 来合成。

画ΔT ⊥矢量线时，以ΔZ 为纵坐标，向下为正，向上为负，ΔH ⊥正值为剖面A 的方向，负值为A 的反向；ΔT ∥为ΔZ 与ΔH ∥的合成矢量，其中ΔZ 为纵坐标，向下为正，向上为负，ΔH ∥正值为纵剖面方向上（A+90°的方向），负值为相反的方向。

5、 水平分量模差水平分量模差是由实测水平分量模值H 和正常场水平分量模值H 0的差计算得到。

ΔH′= H－ H 0－H 0 （9）水平分量模差ΔH′由于没考虑水平矢量的方向，在直孔、斜孔情况下都可以计算得到，在直孔情况下可得到并可应用的资料只有ΔZ、ΔT 模值和水平分量模差ΔH′三个。

总磁异常矢量模差总磁异常矢量模差可以由水平异常和垂直异常做平方和再开方得到。

（10）总磁异常矢量模差当地质体是规则形体，或接近规则形体时，用来确定地质体离开钻孔的位置和深度位置。

井中磁测资料成果图件斜孔情况下不仅能算出垂直磁异常分量ΔZ 和水平磁异常分量ΔH ，还能算出ΔH在横（纵）剖面中的投影模值ΔH⊥（ΔH∥），而磁异常总矢量在横（纵）剖面中的投影ΔT⊥（ΔT∥）是由ΔH⊥（ΔH∥）和ΔZ合成。

一般常用到绘制图件有：ΔZ曲线图、ΔH′曲线图、ΔT曲线图和ΔT、ΔH、ΔT⊥、ΔT∥矢量图。

a b c d e f（1）ΔZ曲线图：纵坐标为深度（向下为正），ΔZ为横坐标（向右为正），以正常场垂直分量Z0为0线，把各深度点上测量计算的ΔZ值连成曲线（ a ）。

（2）ΔH矢量图：纵坐标为深度（向下为正），在各测量深度点上用ΔH为模值和ΔH方向角φ作的矢量。

向上为磁北方向，顺时针转过φ角度( b )。

（3）ΔT总磁异常矢量模差值曲线图：纵坐标为深度（向下为正），ΔT总磁异常矢量模差值为横坐标，把各深度点上测量计算的ΔT总磁异常矢量模差值连成曲线( c )。

（4）ΔH′曲线图：纵坐标为深度（向下为正），ΔH′为横坐标（向右为正），正常场水平分量H0为0线，把各深度点上测量计算的ΔH′值连成曲线( d )。

（5）ΔT、ΔT⊥（ΔT∥）矢量图：纵坐标为深度（向下为正），在各测量深度点上用ΔH、ΔH⊥（ΔH∥）为水平分量，用ΔZ为垂直分量作合成矢量。

向右、向下为正( e )、（f ）。

参考文献[1] 吉林大学地学院《磁法勘探技术》，2005， M 科学出版社[2] 中科院沈阳材料所《新型测磁传感器的技术介绍》[3] 上海地学仪器研究所《JCC3-2高精度磁三分量测井仪说明书》。