浅谈三分量磁测井的原理及应用

刘蒙恩，顾卫

（1.首钢地质勘查院地质研究所，北京 100144；2.重庆地质仪器厂，重庆 400033）

1 绪论

随着我国对铁矿石资源的需求持续增大，浅部的矿体已将近开采殆尽。对于深部矿而言，其在地面产生的磁异常很弱，所以地面磁法很难准确推断出矿体的赋存特征，如果采用电法，一是价格比较昂贵，二是电法在老矿区存在地形和工业电流干扰，效果也不是很理想。要想得到深部的磁性信息，三分量磁测井是一个不错方法，由于它可以直接进入到地下几百米甚至一两千米，因而得到数据更真实可靠，结合找矿经验及理论知识，可以很好地对未知矿体进行判断。

2 三分量磁测井原理

2.1 仪器设备及原理

仪器采用重庆地质仪器厂生产的JGS-1B智能工程测井系统，探头型号：JCX-3型三分量井中磁测探管。仪器分为绞车电缆部分、测井主机及三分量磁探头组成。探头里面有三个呈互相垂直关系的磁敏元件，安装在一个可以沿铅垂方向自由摆动和水平方向自由转动的装置上，在重力的作用下Z磁敏元件一直垂直向下，感应垂直分量；XY磁敏元件会随着探管的倾斜方向的变化而整体转动，其中X指向探管倾向（见图1）。

因此，如果所测井为直孔时，水平转动系统无法确定XY的指向，在测井的过程中，它们的指向是无法得知的，因而测得的XY值无法进行解析。

图1 三分量探管内磁敏元件

2.2 三分量探管主要技术指标

以重庆地质仪器厂的JCX-3型三分量井中磁测探管为例，其主要技术指标如下：

· 测量范围：－99999nT～＋99999nT

·X、Y磁敏元件转向差≤400nT

·Z磁敏元件转向差≤300nT

· 倾角测量范围0～45°，误差小于0.2°

· 方位角测量范围0～360°，误差小于2°（倾角≥3°）

· 线性度≤2‰

· 数字输出，更新速度≥3次／秒

· 探管外形尺寸：Φ40×1400mm

· 测量井深≤2000m

· 探管耐压≤150kg／cm2

· 配用电缆：4芯铠装电缆

· 工作环境：温度：0～70℃；湿度：90%（40℃）

2.3 测定及验证三个磁敏元件的方向

如果对探管的三个分量的方向不太清楚，可以在实验室进行测定验证，仍以重庆地质仪器厂的JCX-3型三分量井中磁力仪为例，首先把仪器组装好，把探头放在校正台上（如果没有校正台，也可直接把探头靠在椅子上，这样数据的质量可能要差一些），然后用罗盘打出磁北方位，并把校正台0度对正磁北方向并调平，之后可以进行测试。共进行两项测试。

2.3.1 垂直摆动测试

探管倾向不变（如定为0度）并不断改变顶角，测得的数据见表1。

表1

由表中数据可以看出，在倾角增大时，XYZ三个分量基本保持不变（变化幅度为几百纳特，为仪器允许的误差范围），说明探头的垂直摆动系统工作正常。2.3.2 XY方向测试

探管顶角不变（如保持为20度）并不断改变倾向，测得的数据见表2。

表2

由上表可以看出，当方位角设定为0度时，Y分量接近零，X分量为最大正值，说明X分量为指向探管的倾向方向。当方位角为60度时，X减小，Y为负值，说明Y指向从上面看X方向的顺时针90度方向（如图1所示）。

注：数据的偏差可能受三个因素影响：1.校正台不太水平；2.校正台附近存在磁性干扰；3.仪器本身的测量误差。

3 三分量磁测井数据处理

3.1 数据收集整理

需要收集整理的数据有以下几种：

（1）钻孔位置的地磁参与场（IGRF），地磁场水平分量H0，垂直分量Z0，磁偏角D。

（2）钻孔的测斜资料：包括深度、顶角（倾角）、方位角。

（3）地质剖面方位角。

（4）三分量磁测井数据（深度、XYZ三个分量值）。

3.2 数据计算方法

3.2.1 剩余垂直分量ΔZ

只需用测得的数值减去Z0（ΔZ＝Z－Z0）。

3.2.2 水平分量的处理

能够得到三个参量：ΔH⊥（剩余水平分量在地质剖面的投影）、ΔH∥（剩余水平分量在地质剖面的垂直剖面的投影）。计算见图2，可以用矢量的合成分解法。

图2 用矢量合成分解法求解水平分量

具体实现方法：根据钻孔方位角和地质剖面方位角的相对关系，把XY分量投影到地质剖面（H⊥）及其垂直剖面（H∥）上，再把水平分量H0投影到上述两个剖面上（H0⊥、H0∥），然后用前面的两个数值分别减去后面的两个数值，就得到了ΔH⊥和ΔH∥。

4 数据成图

得到每个测点的ΔZ、ΔH⊥及ΔH∥后，可以绘制曲线和矢量线，ΔZ曲线、ΔH⊥曲线、ΔT⊥矢量线及ΔT∥矢量线。关于曲线的绘制比较简单，下面重点介绍一下矢量线的绘制方法。

ΔT⊥矢量及ΔT∥矢量：它们相当于测得的磁场矢量和理论地磁场矢量（T0）相减后得的剩余磁场矢量）在地质剖面及其垂直剖面的投影。它们的垂直分量都是ΔZ，水平分量分别是ΔH∥及ΔH′。知道了这些就可以直接利用上面计算出来的数值来做图了。下面是一个已经完成钻孔的成果图。

图3 一个完整钻孔的三分量测井成果图

5 测井成果图推断解释

5.1 ΔZ曲线理论特征

我国大部分地区在北半球的中纬度地区，这里的地磁场方向为斜向下，属斜磁化。矿体被磁化后产生的剩余磁场，相当于图4所示的一个磁铁。

图4 三分量磁测井ΔZ曲线特征

ΔZ曲线的有代表意义的特征有三个，对于测井曲线的解释很有用，分别是：

5.1.1 “弓”字型异常

见于见矿钻孔，见矿前在高于矿头（N极）位置，曲线呈现微弱负开口，到达矿头附近，曲线接近零值，矿头以下至见矿前曲线呈现正异常逐渐加大趋势，见矿后由于内磁场和外磁场反向，所以曲线立即出现很大负异常（如果矿体品位高且品位稳定，该负值也基本恒定），出矿后又立即变为正值并逐渐收敛，至矿尾（S极）接近零值，之后出现一个微弱负异常并缓慢归零。

5.1.2 “S”型异常

见于井旁有矿头的钻孔，当钻孔附近有一个盲矿体，且矿体的矿头（N极）距钻孔较近时，高于矿头时，受矿头产生的向上磁场作用，故此产生一个负异常，到达矿头标高附近减小为接近零，在矿头标高以下部分矿体产生的磁场向下，故产生一个正异常。这种负－正异常交替出现的组合形状像一个“S”。

5.1.3 反“S”型异常

和“S”型异常相反，反“S”异常出现在井旁有矿尾的钻孔。当钻孔附近有一个盲矿体尾部（S极）时，在矿体尾部标高以上，磁场方向向下，故产生的异常为一个正异常；矿体尾部标高附近，磁场接近水平，异常也接近零；在矿体尾部标高以下，磁场方向变为向上，故异常为一个负异常。反“S”异常是一个正－负异常组合。

5.2 ΔT∥矢量用法

ΔT∥矢量在测井成果图的解释中没有用，之所以画出ΔT∥矢量，是为了确认剖面方位角和矿体的关系是否合适。一般的地质剖面总是尽量垂直矿体走向方向，这样，矿体产生的磁场方向大体都平行于剖面方向，投影后很接近真实的磁场方向、失真很小，但当剖面到达矿体的边缘或矿体没有一个明显走向时，地质剖面方向的选取就可能不是很合理，这样对测井异常的解释会造成偏差，甚至判断错误。

所以绘制测井曲线时画出该矢量可以加以验证，如果该矢量没有明显规律，呈现比较凌乱的样子，就说明原剖面方向选取正确。

5.3 ΔT⊥矢量用法

这个矢量其实就是矿体产生的磁场在观测剖面的投影，其方向为磁力线的切线方向，大小和磁力线的密度成正比。我们一般取地质剖面的方向为垂直矿体走向，这样矿体产生的磁场在地质剖面的投影较强，在其垂直剖面的投影较弱。

ΔZ曲线虽然可以通过“S”异常、反“S”异常判断有井旁矿体头部、尾部，但是对于该矿体头、尾部处于钻孔的哪个方位却无能为力，因为不管在哪个方位都能产生一样的曲线。

这时就得依靠ΔT⊥矢量。要想准确判断盲矿体的方位，就得找到一个合适的剖面方位角。具体方法为首先用地质剖面方位角做出图3那样的测井曲线图，然后观察两个矢量的特征，如果有一个明显有优势，而另一个幅度较小且比较杂乱，说明有优势的那个矢量所在的剖面是合适的。如果是ΔT⊥矢量有明显优势，则就用该图来判断盲矿体，如果不是，就改变剖面方位角并重新计算成图，直到ΔT⊥矢量有明显优势而ΔT∥矢量幅值较小且比较凌乱为止。

下面是一个很好实际例子，用来判断盲矿体的方向。该孔的200～300m附近出现一个明显的“S”型ΔZ曲线，由此可知该孔附近存在一个盲矿体。图5左是由地质人员提供的勘探线方位方向所绘制的测井曲线，可见ΔT⊥矢量比较凌乱，不太容易解释，如果没绘制出ΔT∥矢量，也就无法准确判断盲矿方位。后来把勘探线旋转90度后再绘制出测井曲线，就发现ΔT⊥矢量指向规则，其在260米深度附近存在一个明显的矢量反向交汇，说明交汇处就是盲矿体头部所在位置。

图5 利用ΔT⊥矢量判断盲矿方位的实例

除了判断盲矿体的方位，根据一般经验，矿体的内矢量一般与其倾向垂直，借此可以大致判断矿体的倾向，见图6。

图6 利用ΔT⊥矢量判断矿体产状

5.4 ΔH⊥曲线特征

我国大部分处于北半球中纬度地区，这里地磁场为斜向下，故此矿体产生的磁异常一般也斜向下。对于低纬度地区，由于地磁场接近水平，利用ΔZ曲线很难对异常进行解释，这时就用到了ΔH⊥曲线，解释方法与ΔZ曲线类似。

6 井地联合正反演

为对矿体进行定量解释，可以利用地面精测剖面进行反演解释，推断出矿体的产状及埋深，为地质人员布钻提供参考和依据。但随着深度的加大，地面异常变得相当微弱，甚至低于磁测的测量误差，这时，很难再单纯使用地面异常进行正反演计算了。

如果矿区已经有了部分深部钻孔，并进行了井中三分量磁测，这样就可以利用这些数据来和地面数据一起进行正反演计算，可以大大提高找矿效果（即见矿率）。

实现方法为：钻孔可以当作一个纵剖面，地面磁测为横剖面，三分量磁测井的数据可以进行合成与分解，得到想要计算的分量（或总场），然后计算出每个位置的理论磁异常。图7为一个例子。

图7 井地联合正反演实例

7 结束语

总之，通过三分量磁测井可以大大弥补深部磁性信息较弱带来的困难，可以发现井旁盲矿体及井底一定深度内的盲矿体，可以对钻探施工提供指导意见，还可以推断矿体产状，帮助地质人员进行及时改变设计方案及对地质连图提出意见和建议。通过井地联合反演，更可以大大提高磁法解释的准确度。

以上是本人从事三分量磁测井多年来积累的一些经验，由于水平有限，其中难免存在一些错误和不足，希望多多提出宝贵意见和建议。

［1］首钢地质勘探公司《冀东迁安沉积变质铁矿井中三分量磁测磁异常综合研究》，1986.

［2］首钢地质勘探公司《冀东迁安沉积变质铁矿磁异常综合研究》，1984.

［3］重庆地质仪器厂《论文集：测井、地震、电法方法技术》，2006.

［4］范正国，黄旭钊，熊盛青.等.磁测井资料应用技术要求 ［M］.北京：地质出版社，2010.