慣性傳感器在油氣資源勘探中的應(yīng)用相關(guān)技術(shù)分析

本溪市機(jī)電工程學(xué)校 劉 偉

1.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

從80年代至現(xiàn)在，高分辨率地震、三維地震、發(fā)展開始成熟，而且井間地震、四維地震、多波多分量勘探等的新技術(shù)及方法方法開始應(yīng)用，和勘探技術(shù)對應(yīng)的檢波器的型號(hào)也不斷的發(fā)展，例如高性能壓電檢波器、四分量檢波器、渦流檢波器、四分量檢波器等。初步統(tǒng)計(jì)得出，當(dāng)前一共12個(gè)系列25種型號(hào)的檢波器在油氣資源地震勘探中使用。

國內(nèi)地震檢波器大約有五十多年的歷史。五六十年代國內(nèi)基本仿制蘇聯(lián)還有美國的檢波器；七十年代國內(nèi)自行研制地震檢波器；八十年代主要為引進(jìn)階段，例如西安石油勘探總廠等。90年代以后，以增加高分辨率勘探為目的，物探局儀器總廠、西安石油勘探儀器總廠推出了一系列檢波器，是的地震檢波器的勘探得到擴(kuò)展。近年來，MEMS技術(shù)發(fā)展很快，采用MEMS技術(shù)的數(shù)字地震檢波器開始出現(xiàn)。ION公司以及SERCEL公司在2000年前后分別推出地震檢波器，并且具有全數(shù)字的特點(diǎn)，開始在野外不斷應(yīng)用。數(shù)字檢波器實(shí)質(zhì)上是分辨率很高的微加速度計(jì)，國內(nèi)對其研究還處于開始階段。

2.高分辨率地震勘探對地震檢波器的要求

2.1 地震勘探的基本原理

地震勘探基本原理如圖1所示，激發(fā)之后地震波在遇到不同地層的分界面發(fā)生反射，設(shè)置在地面上的地震檢波器把振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)被地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測，進(jìn)行數(shù)字化并記錄，通過分析地震數(shù)據(jù)就得到地震波運(yùn)行的時(shí)間還有速度信息，進(jìn)而得到地層分界面油氣資源的埋藏深度。

圖1 地震勘探示意圖

圖2為遙測地震油氣資源勘探中的慣性傳感器采集部分的結(jié)構(gòu)，其采用24位∑-Δ的A/D作為數(shù)據(jù)采集單元。

圖2 分布式地震儀采集部分結(jié)構(gòu)

（1）信號(hào)只需要前一級(jí)的簡單模擬過濾器，采用24位A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，大大縮短模擬信號(hào)通道，有利于降低信號(hào)的失真度提高信噪比；

（2）對去假頻（即防混疊）濾波器大大簡化，提高濾波性能。

2.2 地震波的形成和衰減

將作業(yè)地層看成系統(tǒng)對待，震源激發(fā)出現(xiàn)的激發(fā)波形看成系統(tǒng)的輸入信號(hào)，那么傳輸?shù)竭_(dá)地面的地震波為系統(tǒng)的輸出信號(hào)。輸出信號(hào)主要由輸入信號(hào)還有系統(tǒng)特性決定，即地震波波形為震源還有地層共同作用的產(chǎn)生的。地層對震波振幅、頻率特性產(chǎn)生影響主要有三種。

2.3 分辨率公式

通常垂直分辨率的極限約等于主波長的1/4。當(dāng)前使用的近似的時(shí)間分辨率公式，也就是“時(shí)間厚度”：

其中，v—層速度，λ—視波長，zR—可分辨厚度。

以上公式前提是地震子波為理想的Ricker子波。相關(guān)證明得到：上述分辨厚度下，子波的過零點(diǎn)出現(xiàn)互相重合情況，疊加的合成波形在兩個(gè)波峰位置產(chǎn)生波谷，波谷振幅為零，而且兩個(gè)波峰分開。實(shí)際上地震子波不可能產(chǎn)生嚴(yán)格意義零相位的，并且反褶積沒有將它其壓縮成正峰。

3.動(dòng)圈式檢波器的討論

3.1 檢波器的動(dòng)力學(xué)模型

檢波器的動(dòng)力學(xué)模型如下圖，彈簧在檢波器外殼上進(jìn)行固定，彈簧上懸掛質(zhì)量體，當(dāng)存在地震信號(hào)時(shí)，外殼和大地一起振動(dòng)，質(zhì)量體通過彈簧帶動(dòng)做阻尼振動(dòng)，力學(xué)方程如下：

3.2 噪聲

在所有噪聲源當(dāng)中，一般環(huán)境噪聲幅度最大，如刮大風(fēng)檢波器的噪聲輸出強(qiáng)度約20～80μV，小風(fēng)達(dá)到為2-5μV。安靜地區(qū)大地振動(dòng)的速度噪聲峰峰值只2.5× 10m/s，相應(yīng)的噪聲電壓峰峰值0.7Vμ。除了外界噪聲源，檢波器噪聲包括慣性體的布朗噪聲還有電阻熱噪聲。對于克量級(jí)的檢波器，大地振動(dòng)噪聲高于布朗噪聲4-5倍，因此檢波器的布朗噪聲能夠忽略。電阻熱噪聲的噪聲密度計(jì)算方法如下：

k—玻爾茲曼常數(shù)；T—絕對溫度；R—線圈電阻值；20DX-10Hz檢波器；線圈電阻400Ω；計(jì)熱噪聲密度只有

3.3 常用的檢波器組合方式

地震道通常是2-4個(gè)串檢波器串并聯(lián)，串并組合的方式及相關(guān)特點(diǎn)一般和石油勘探的目的相關(guān)。不同組合目的在于，利用有效波還有干擾波的不同，來干擾波進(jìn)行抑制，并突出有效波。下表給出了不同檢波器組合的性能特點(diǎn)。不同的檢測波組合性能參數(shù)表如表1所示。

表1 檢測波組合性能參數(shù)表

其中：n—檢波器的總個(gè)數(shù)；Mp—并聯(lián)子串?dāng)?shù)；ms—子串檢波器個(gè)數(shù)；；Gs—為串組合的增益；Irs—阻抗比（串組合和單只檢波器的阻抗比值）；DRS—為動(dòng)態(tài)增量，在具體勘探當(dāng)中，要按照油氣藏探區(qū)的干擾波類型還有其頻率特性以及勘探目的層深度和其它因素來對檢波器的組合方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，目的是找到適合此藏區(qū)的特定通頻帶的組合。具體的組合點(diǎn)數(shù)根據(jù)施工區(qū)的表層特點(diǎn)來決定，當(dāng)表層干擾十分嚴(yán)重時(shí)，采用點(diǎn)數(shù)的數(shù)量比較大，例如沙漠區(qū)勘探組合點(diǎn)數(shù)一般大于30個(gè)。

3.4 諧波失真

檢波器的諧波出現(xiàn)失真直接會(huì)對接收的有效動(dòng)態(tài)范圍產(chǎn)生影響，因?yàn)橹C波分量能夠?qū)υ擃l率范圍內(nèi)的有用信號(hào)進(jìn)行掩蓋。因?yàn)樽枘?、磁路具有非線性特點(diǎn)，造成檢波器的諧波失真指標(biāo)通常為0.1%，超過儀器的諧波失真值0.0003%。

檢波器的失真度指標(biāo)有關(guān)信號(hào)測試通常使用自然頻率，峰速度值 1.78× 10-2m/s。通常認(rèn)為由于爆炸造成的地面振動(dòng)速度最大值8.8× 10-3m/s，所以檢波器受到最大輸入信號(hào)時(shí)具有非線性特點(diǎn)，實(shí)際的地震信號(hào)更弱。當(dāng)輸入信號(hào)下降時(shí)，檢波器的諧波失真減小，輸入的速度信號(hào)幅度 6.3× 10-4m/s時(shí)，檢波器具有的失真度大小接近0.01%，達(dá)到-80dB。并且輸入信號(hào)頻率增加時(shí)，檢波器的諧波失真減小。事實(shí)上，當(dāng)加速度輸入信號(hào)幅度一樣時(shí)，頻率增加，檢波器中因?yàn)轶w出現(xiàn)的位移下降，所以諧波失真可能性就越小。

4.數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)

4.1 數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)

數(shù)字閉環(huán)反饋系統(tǒng)因?yàn)橹苯訑?shù)字信號(hào)輸出還有其穩(wěn)定性，受到很大的重視。石油勘探中，MEMS檢波器是基于Σ-Δ閉環(huán)反饋特征，因?yàn)槭涂碧降沫h(huán)境惡劣，所以對傳感系統(tǒng)在穩(wěn)定性還有抗干擾能力方面具有很高的要求，還有石油勘探領(lǐng)域要求儀器具有小型化以及輕型化，所以現(xiàn)代油氣勘探數(shù)據(jù)道數(shù)不斷增多，達(dá)到上萬道的量級(jí)。道數(shù)增加造成傳感采集部分較大的體積、質(zhì)量要求更高。本身數(shù)字檢波器的傳感部分遠(yuǎn)比傳統(tǒng)檢波器要小，因?yàn)橹苯虞敵鰯?shù)字信號(hào)，并對ADC部分進(jìn)行省略，集成化大大減小采集部分的體積還有重量。芯片集成工藝不斷的進(jìn)步，可以將數(shù)字濾波系統(tǒng)直接在傳感芯片的產(chǎn)品上進(jìn)行集成，有利于系統(tǒng)的集成度進(jìn)一步提高。

4.2 高階系統(tǒng)

基于高階∑-Δ調(diào)制系統(tǒng)的高分辨率微加速度計(jì)受到了廣泛的關(guān)注。其中∑-Δ調(diào)制部分結(jié)構(gòu)選擇和評估在系統(tǒng)研究中成為核心。Kraft和其他人對MASH結(jié)構(gòu)的多階系統(tǒng)進(jìn)行了研究，該系統(tǒng)是由傳感部分的二階系統(tǒng)還有一階電子學(xué)調(diào)制器級(jí)聯(lián)。此結(jié)構(gòu)噪聲通過傳感部分的參數(shù)抵消噪聲，實(shí)際芯片制造中，參數(shù)產(chǎn)生誤差可能很大，噪聲精確抵消掉非常困難，所以實(shí)際設(shè)計(jì)制造中非常難實(shí)現(xiàn)。Petkov和BOSer等設(shè)計(jì)出基于四階∑-Δ調(diào)制的陀螺儀，其電子學(xué)讀出部分采用開關(guān)電容電路加以實(shí)現(xiàn)，并且利用CDS技術(shù)對直流偏置進(jìn)行壓制還有1/f噪聲，分辨率是，遠(yuǎn)不能滿足地震勘探的需要。Kraft等提出高階∑-Δ微加速度計(jì)的相關(guān)設(shè)計(jì)方法，采用五階調(diào)制在OSR= 256的情況下的SQNR大小-122dB。

5.結(jié)論

采用地震數(shù)據(jù)進(jìn)行油氣藏分析意義重大，而作為數(shù)據(jù)的采集使用的慣性傳感器作用十分重要。本文旨在分析慣性傳感器的基本特征，并且以后的研究重點(diǎn)應(yīng)該是放在采用SIMULINK等軟件進(jìn)行檢驗(yàn)器諧波失真分析，通過分析噪聲，以及閉環(huán)系統(tǒng)的影響作用，從而對數(shù)字檢波器進(jìn)行優(yōu)化。

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