渦流加速度地震檢波器特性研究

王少偉 汝 超 陸占林 陳 華

(1.中原石油勘探局地球物理勘探公司 河南濮陽) (2.中原油田物資供應處 河南濮陽)

渦流加速度地震檢波器特性研究

王少偉1汝 超1陸占林1陳 華2

(1.中原石油勘探局地球物理勘探公司 河南濮陽) (2.中原油田物資供應處 河南濮陽)

文章綜合考慮檢波器磁路系統(tǒng)中外殼、磁靴等部件的電磁感應對固定線圈感應電流的影響,建立了渦流地震檢波器的七參數機電磁動力學模型,并與四參數模型進行了對比。理論分析及測試結果表明,七參數模型能夠較準確地描述渦流檢波器的寬頻帶動態(tài)特性,從而為檢波器的特性研究、參數辨識以及進一步的研制開發(fā)提供了理論基礎。

檢波器;地震勘探;模型

0 引 言

近年來,隨著油氣勘探與開發(fā)方面的不斷進展,對地震勘探中的分辨率提出了越來越高的要求[1]。地震檢波器是地震勘探裝備中的關鍵性部件,它的性能好壞將直接影響到地震勘探最終分辨率的高低,因而這幾年得到了較廣泛的研究與重視。

渦流檢波器是一種新型地震檢波器,其電壓輸出信號與被檢測振動加速度信號成正比。與常規(guī)的動圈式檢波器相比,它具有良好的高頻特性,可以有效補償大地對地震反射波高頻信號的吸收,因而可顯著提高地震勘探的分辨率,在高分辨率地震勘探中有著廣闊的應用前景。本文對渦流檢波器的動力學特性進行了深入分析,綜合考慮了檢波器外殼、磁靴對檢波器特性的影響,建立了渦流檢波器的機電磁七參數理論模型,與四參數模型作了比較,并進行了試驗驗證。為進行檢波器的特性分析以及參數辨識方法的進一步研究提供了理論基礎。

1 渦流檢波器的基本原理

渦流檢波器的內部結構如圖1所示。其中:圓柱型永久磁體、磁靴、檢波器外殼組成一個閉合磁路,非磁性導電短路環(huán)通過彈簧片懸掛在環(huán)型空氣隙內,可沿著檢波器的軸向運動,并與固定在外殼的線圈構成了一對耦合線圈。渦流檢波器依據電渦流原理進行工作,即地震動信號引起短路環(huán)在磁場內切割磁力線,并在其上產生電渦流,通過耦合線圈的作用,該電渦流同時在固定線圈中誘導出互感輸出電壓。

圖1 渦流檢波器結構

渦流檢波器在正常使用范圍內,理論上可假設為線性、集中參數、時不變系統(tǒng)[2]。渦流檢波器的簡化動力學模型,如圖2所示。依據圖2,短路環(huán)切割磁力線運動δ(t)與被測振動u(t)的關系可以描述為:

圖2 簡化動力學模型

式(1)中,m為短路環(huán)的等效質量,k為懸掛彈簧的剛度,c為系統(tǒng)機械阻尼系數,ce是渦流阻尼系數,i1是短路環(huán)中的電渦流。短路環(huán)上的感應電動勢e1(t)可表示為:

式(2)中,R1為短路環(huán)的等效電阻,L1為短路環(huán)的等效電感。短路環(huán)與固定線圈的變壓器耦合方程為:

式(3)中,e0(t)為固定線圈的感應電動勢,M1為短路環(huán)與固定線圈的互感系數。在實際情況中,機械阻尼遠遠小于渦流阻尼,所以它的影響可以忽略不計,此時對式(1)、式(2)和式(3)分別進行拉普拉斯變換并消去中間項后可得到渦流檢波器的傳遞函數為:

式(5)也稱為渦流檢波器的四參數模型。

2 渦流檢波器的七參數動力學模型

采用式(4)所表達的四參數模型進行渦流檢波器的動特性參數辨識時,所得結果在中高頻段往往存在著較大誤差,而這一頻段的特性正是進行高分辨率地震勘探時所最為關心的[1]。為此,有必要對建立起的四參數模型做進一步的完善。實際上,在渦流檢波器工作過程中,除了短路環(huán)與固定線圈間的耦合效應外,作為非磁性導電體的外殼、磁靴等部件,與短路環(huán)、固定線圈間也存在著耦合效應,這種附加耦合效應將直接影響固定線圈的實際感應電動勢。考慮上述因素,短路環(huán)上的感應電動勢e1(t)此時應為

式(6)中,Me表示短路環(huán)與外殼、磁靴間的互感系數,i2為外殼及磁靴中的電渦流。同時由于互感作用,在外殼與磁靴系統(tǒng)上產生的感應電動勢e2(t)可寫為:

式(7)中,R2、L2分別為外殼與磁靴系統(tǒng)的等效電阻和等效電感。

相應地,固定線圈上的實際感應電動勢e0(t)可表示為:

式(8)中,M2為外殼、磁靴與固定線圈間的互感系數。

對式(1)、(6)、(7)、(8)分別進行拉普拉斯變換并忽略機械阻尼的影響,可得:

ωn、ω1、G和ξ的定義同式(5)。由方程組式(9)消去中間項,可得到考慮外殼、磁靴等部件附加耦合效應時的渦流檢波器動特性傳遞函數為:

由式(11)顯見,此時渦流檢波器的動態(tài)特性可以由檢波器模態(tài)固有頻率ωn、上截止頻率ω1(短路環(huán)的固有頻率)、靈敏度G、阻尼比ξ、外殼與磁靴系統(tǒng)的固有頻率ω2及其對檢波器動態(tài)特性的影響系數k1和k2等七個特性參數來表征,故稱之為七參數動力學模型。同時也可看出,若不考慮外殼及磁靴的影響時,式(11)可退化為式(4),因此,四參數模型實際上是七參數模型的一個特例。

3 兩種參數模型的比較

為了比較渦流檢波器的四參數模型與七參數模型,本節(jié)采用變尺度方法[3],基于兩種參數模型,分別對兩種型號(型號A與型號B)的渦流檢波器進行了動特性參數辨識。列出了兩種檢波器的參數辨識結果(其中fn=ωn/2π,f1=ω1/2π,f2=ω2/2π),見表1。分別給出了兩種檢波器的頻率特性試驗曲線及參數辨識擬合曲線,如圖3和圖4所示。

表1 渦流檢波器參數辨識結果

圖3 A型檢波器參數辨識擬合曲線

圖4 B型檢波器參數辨識擬合曲線

由圖3可以看出,對于A型渦流檢波器,采用四參數模型與七參數模型所得擬合曲線均與頻率特性試驗曲線吻合得較好,只是在中高頻段,四參數模型的辨識結果存在著一定的誤差。圖4所示結果表明,對于B型渦流檢波器,采用七參數模型也可得到較好的辨識結果,而由四參數模型得到的擬合曲線與頻率特性試驗曲線在中高頻段存在著較大的誤差,同時兩種模型參數辨識值間的相對誤差也遠較A型渦流檢波器的大(見表1)。值得注意的是,A型檢波器短路環(huán)固有頻率f1與外殼磁靴系統(tǒng)的固有頻率f2相差較大(約8倍),而B型檢波器短路環(huán)固有頻率f1與外殼磁靴系統(tǒng)的固有頻率f2較為接近(約2倍),因而由外殼、磁靴引起的附加耦合效應將更為顯著,這是B型檢波器采用四參數模型辨識誤差大的一個重要原因。

4 結 論

本文綜合考慮渦流檢波器磁路系統(tǒng)中外殼、磁靴等部件中電渦流對檢波器特性的影響,建立了渦流檢波器的七參數機電磁動力學模型。理論分析與辨識試驗表明,外殼、磁靴系統(tǒng)的附加耦合效應主要影響檢波器在中高頻段的頻率特性,因此,七參數模型能夠較四參數模型更為準確地描述檢波器的中高頻段頻率特性。當短路環(huán)固有頻率與外殼磁靴系統(tǒng)固有頻率相差較大時,采用四參數模型仍能在中高頻段達到相當的辨識精度,而當兩者較接近時,則不能忽略外殼、磁靴系統(tǒng)的附加電磁耦合效應的影響,此時應采用七參數模型進行頻率特性的辨識。以上結論為檢波器的特性研究、參數辨識以及進一步的研制開發(fā)提供了理論基礎。

[1] 李慶忠.地震高分辨率勘探中的誤區(qū)與對策[J].石油地球物理勘探,1997,32(4)

[2] 胡時岳.渦流檢波器特性測量與參數識別[J].應用力學學報,1991,8(4)

[3] 錢祥生.系統(tǒng)的建模與響應[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003

Characteristics research on Eddy acceleration geo- phone.

Wang Shaowei,Yang Ruchao,Lu Zhanlin and Chen Hua.

This article studies synthetically the theory in the electromagnetic induction of geophone magnetic circuit system and how shell,magnetic boots and other parts can effect the induction current of fixed coil.The 7 parameters electromagnetic dynamic model of edd acceleration geophone is proposed compared with the 4-parameter model,the theoretical analysis and test results show that the 7-parameter model is more accurate in representation of the dynamic broadband characteristics of Eddy Acceleration Geophone,so it provides a theoretical basis for further research and development of geophone characteristics.

geophone;seismic exploration;model

P631.4+36

B

1004-9134(2010)01-0023-03

王少偉,男,1965年生,工程師,1987年畢業(yè)于河北涿州石油物探學校,現在中原油田物探公司從事生產技術管理工作。郵編:457001

2009-10-10編輯梁保江)

PI,2010,24(1):23～25

·儀器設備·