井下量子感知技术

地球物理勘探是指通过研究和观测各种地球物理场的变化来探测地层岩性、地质构造、油气藏和矿藏分布的方法。其技术涵盖声、光、电、磁等多种物理探测方法。经过多年发展，各类技术均已达到瓶颈，如何实现更精确更灵敏的精细化测量日益成为行业所关注的焦点。

量子精密测量技术是量子信息科学的重要分支之一，其在测量精度和灵敏性方面具有先天优势。该测量技术具有纳米尺度的空间分辨率和探测单个自旋微弱磁场信号的灵敏性，远超越经典物理的极限，在地球物理勘探领域具有广阔的应用空间和前景。

目前团队主要研究成果为：原子磁力计技术、量子钻石NV色心技术、磁共振测量技术等。图1和图2分别为原子磁力计的测量原理和量子钻石NV色心的测量原理，磁共振测量技术根据应用场景主要为零场核磁共振技术和NV系综核磁共振技术。

图1.原子磁力计测量原理。采用一束抽运光将原子极化，原子与外磁场方向成一定夹角的发生进动，此时再采用一束探测光与原子发生作用，探测光的偏振方向将发生转动，该角度与外磁场大小在一定区间内成正比，因此可计算出外磁场大小，从而实现磁测量。

图2.NV色心测量原理。

1.原子磁力计井下-地面通信技术

井下-地面通信技术是目前行业所关注的重点问题之一，目前行业内主要通过泥浆脉冲、电磁传输、光纤信号、智能钻杆等方式来实现井下-地面通信。但这些技术或受限于技术本身或受限于应用条件等各方面的因素，均不能达到井下-地面高速稳定的通信。而原子磁力计具有抗高温、体积小、功耗小、探测灵敏性强等重要优势，十分适用于钻井-地面通信，目前实验室内已实现低至10fT/Hz^1/2的弱磁信号探测。

井下-地面通信实现方案如图3和图4所示，其中图3为井下-地面通信的解决方案，图4为地面-井下通信的解决方案。

图3. 井下-地面通信方案

图3所示方案采用井下电磁信号发射，井上原子磁力计接收。

与泥浆脉冲相比，泥浆脉冲的工作方法是通过钻井时对井眼中的泥浆压力信号进行编码，通过采集泥浆压力信号的变化实现信息传输，这种方式的传输速率非常有限，一般为3-30bps，并且随着井深的加大，泥浆信号的不稳定性持续增大，解码工作的困难程度也快速增加，并且泥浆脉冲不适用于气体钻井。而本方案在井下进行电磁波发射，电磁信号经由地层传播到地面，在地面采用原子磁力计作为接收机进行信号接收，具有更高的传输速率、更大的传输深度和更好的稳定性。此外，泥浆还是驱动井下发电机的主要手段，对泥浆信号做压力编码会在一定程度上干扰发电机的工作，导致发电机的功率不足，降低了整体的工作效率，采用本方案不需要进行泥浆压力编码，不会导致工作效率的降低。

与电磁MWD相比，电磁MWD是通过传统的电磁波接收装置来接收电磁信号的，其灵敏度和精度较原子磁力计相差甚远，因此电磁MWD的传输深度比较有限，哪怕是中间加了一节信号中继的情况也往往不能超过4000米，而本方案预计能够实现5000米以上的通信，且具有更好的稳定性和传输速率。

图4. 地面-井下通信方案

图4所示方案采用井上电磁信号发射，井下原子磁力计接收。该方案主要可用于旋转导向系统控制、生产井阀门控制、无限极滑套压裂控制等方面。

目前旋转导向系统指令下传方法通常通过调整转盘转速来实现下传功能或者通过开关泥浆泵或采用泥浆分流阀等方式形成下传指令。转盘转速调整只适用于具有顶驱驱动装置的地面系统，对现场通常使用的液压钻机而言显然不能适用；通过频繁开关泥浆泵或采用泥浆分流阀虽然可实现下传功能，但泥浆泵作为井下各个发电机的驱动主体，在进行该操作时其他大部分仪器均丧失动力来源，钻井工作需要暂停，效率较低。而本方案建立了一个全新的信息传输通道，在下传指令时不需再使用上述方式，钻井工作不需要暂停，大幅度提高了效率。此外，在深度较大时，通过开关泥浆泵或采用泥浆分流阀等方式时，指令下传存在困难。而本方案具有传输深度大的特点，避免了该问题。

同样，结合其他测量方式，本方案可在深度较大的生产测井产油剖面阀门控制、无限极滑套压裂控制等方面具有重大优势。

2.零场核磁共振探测技术

零场核磁共振技术以原子磁力计技术为基础，能够在极微弱的磁场条件下即可达到和高场核磁共振相当的探测灵敏度和分辨率，是一种前沿量子精密测量技术。该技术能够实现更低丰度、更高空间分辨率的油气特性探测，是一种地层微量油气量子探测的新方法。

图5. 零场核磁共振探测技术

3.NV系综核磁探测技术

基于量子精密测量的NV色心技术，是一种少量甚至单自旋的核磁共振岩石物理机理测量和研究技术方法，该技术对超高灵敏度、超高空间分辨率和超深深度探测的核磁共振测井以及核磁共振岩心探测提研究基础和超前技术储备。

图6. NV系综核磁共振探测技术