王少伟 汝 超 陆占林 陈 华

(1.中原石油勘探局地球物理勘探公司 河南濮阳) (2.中原油田物资供应处 河南濮阳)

涡流加速度地震检波器特性研究

王少伟1汝 超1陆占林1陈 华2

(1.中原石油勘探局地球物理勘探公司 河南濮阳) (2.中原油田物资供应处 河南濮阳)

文章综合考虑检波器磁路系统中外壳、磁靴等部件的电磁感应对固定线圈感应电流的影响,建立了涡流地震检波器的七参数机电磁动力学模型,并与四参数模型进行了对比。理论分析及测试结果表明,七参数模型能够较准确地描述涡流检波器的宽频带动态特性,从而为检波器的特性研究、参数辨识以及进一步的研制开发提供了理论基础。

检波器;地震勘探;模型

0 引 言

近年来,随着油气勘探与开发方面的不断进展,对地震勘探中的分辨率提出了越来越高的要求[1]。地震检波器是地震勘探装备中的关键性部件,它的性能好坏将直接影响到地震勘探最终分辨率的高低,因而这几年得到了较广泛的研究与重视。

涡流检波器是一种新型地震检波器,其电压输出信号与被检测振动加速度信号成正比。与常规的动圈式检波器相比,它具有良好的高频特性,可以有效补偿大地对地震反射波高频信号的吸收,因而可显著提高地震勘探的分辨率,在高分辨率地震勘探中有着广阔的应用前景。本文对涡流检波器的动力学特性进行了深入分析,综合考虑了检波器外壳、磁靴对检波器特性的影响,建立了涡流检波器的机电磁七参数理论模型,与四参数模型作了比较,并进行了试验验证。为进行检波器的特性分析以及参数辨识方法的进一步研究提供了理论基础。

1 涡流检波器的基本原理

涡流检波器的内部结构如图1所示。其中:圆柱型永久磁体、磁靴、检波器外壳组成一个闭合磁路,非磁性导电短路环通过弹簧片悬挂在环型空气隙内,可沿着检波器的轴向运动,并与固定在外壳的线圈构成了一对耦合线圈。涡流检波器依据电涡流原理进行工作,即地震动信号引起短路环在磁场内切割磁力线,并在其上产生电涡流,通过耦合线圈的作用,该电涡流同时在固定线圈中诱导出互感输出电压。

图1 涡流检波器结构

涡流检波器在正常使用范围内,理论上可假设为线性、集中参数、时不变系统[2]。涡流检波器的简化动力学模型,如图2所示。依据图2,短路环切割磁力线运动δ(t)与被测振动u(t)的关系可以描述为:

图2 简化动力学模型

式(1)中,m为短路环的等效质量,k为悬挂弹簧的刚度,c为系统机械阻尼系数,ce是涡流阻尼系数,i1是短路环中的电涡流。短路环上的感应电动势e1(t)可表示为:

式(2)中,R1为短路环的等效电阻,L1为短路环的等效电感。短路环与固定线圈的变压器耦合方程为:

式(3)中,e0(t)为固定线圈的感应电动势,M1为短路环与固定线圈的互感系数。在实际情况中,机械阻尼远远小于涡流阻尼,所以它的影响可以忽略不计,此时对式(1)、式(2)和式(3)分别进行拉普拉斯变换并消去中间项后可得到涡流检波器的传递函数为:

式(5)也称为涡流检波器的四参数模型。

2 涡流检波器的七参数动力学模型

采用式(4)所表达的四参数模型进行涡流检波器的动特性参数辨识时,所得结果在中高频段往往存在着较大误差,而这一频段的特性正是进行高分辨率地震勘探时所最为关心的[1]。为此,有必要对建立起的四参数模型做进一步的完善。实际上,在涡流检波器工作过程中,除了短路环与固定线圈间的耦合效应外,作为非磁性导电体的外壳、磁靴等部件,与短路环、固定线圈间也存在着耦合效应,这种附加耦合效应将直接影响固定线圈的实际感应电动势。考虑上述因素,短路环上的感应电动势e1(t)此时应为

式(6)中,Me表示短路环与外壳、磁靴间的互感系数,i2为外壳及磁靴中的电涡流。同时由于互感作用,在外壳与磁靴系统上产生的感应电动势e2(t)可写为:

式(7)中,R2、L2分别为外壳与磁靴系统的等效电阻和等效电感。

相应地,固定线圈上的实际感应电动势e0(t)可表示为:

式(8)中,M2为外壳、磁靴与固定线圈间的互感系数。

对式(1)、(6)、(7)、(8)分别进行拉普拉斯变换并忽略机械阻尼的影响,可得:

ωn、ω1、G和ξ的定义同式(5)。由方程组式(9)消去中间项,可得到考虑外壳、磁靴等部件附加耦合效应时的涡流检波器动特性传递函数为:

由式(11)显见,此时涡流检波器的动态特性可以由检波器模态固有频率ωn、上截止频率ω1(短路环的固有频率)、灵敏度G、阻尼比ξ、外壳与磁靴系统的固有频率ω2及其对检波器动态特性的影响系数k1和k2等七个特性参数来表征,故称之为七参数动力学模型。同时也可看出,若不考虑外壳及磁靴的影响时,式(11)可退化为式(4),因此,四参数模型实际上是七参数模型的一个特例。

3 两种参数模型的比较

为了比较涡流检波器的四参数模型与七参数模型,本节采用变尺度方法[3],基于两种参数模型,分别对两种型号(型号A与型号B)的涡流检波器进行了动特性参数辨识。列出了两种检波器的参数辨识结果(其中fn=ωn/2π,f1=ω1/2π,f2=ω2/2π),见表1。分别给出了两种检波器的频率特性试验曲线及参数辨识拟合曲线,如图3和图4所示。

表1 涡流检波器参数辨识结果

图3 A型检波器参数辨识拟合曲线

图4 B型检波器参数辨识拟合曲线

由图3可以看出,对于A型涡流检波器,采用四参数模型与七参数模型所得拟合曲线均与频率特性试验曲线吻合得较好,只是在中高频段,四参数模型的辨识结果存在着一定的误差。图4所示结果表明,对于B型涡流检波器,采用七参数模型也可得到较好的辨识结果,而由四参数模型得到的拟合曲线与频率特性试验曲线在中高频段存在着较大的误差,同时两种模型参数辨识值间的相对误差也远较A型涡流检波器的大(见表1)。值得注意的是,A型检波器短路环固有频率f1与外壳磁靴系统的固有频率f2相差较大(约8倍),而B型检波器短路环固有频率f1与外壳磁靴系统的固有频率f2较为接近(约2倍),因而由外壳、磁靴引起的附加耦合效应将更为显著,这是B型检波器采用四参数模型辨识误差大的一个重要原因。

4 结 论

本文综合考虑涡流检波器磁路系统中外壳、磁靴等部件中电涡流对检波器特性的影响,建立了涡流检波器的七参数机电磁动力学模型。理论分析与辨识试验表明,外壳、磁靴系统的附加耦合效应主要影响检波器在中高频段的频率特性,因此,七参数模型能够较四参数模型更为准确地描述检波器的中高频段频率特性。当短路环固有频率与外壳磁靴系统固有频率相差较大时,采用四参数模型仍能在中高频段达到相当的辨识精度,而当两者较接近时,则不能忽略外壳、磁靴系统的附加电磁耦合效应的影响,此时应采用七参数模型进行频率特性的辨识。以上结论为检波器的特性研究、参数辨识以及进一步的研制开发提供了理论基础。

[1] 李庆忠.地震高分辨率勘探中的误区与对策[J].石油地球物理勘探,1997,32(4)

[2] 胡时岳.涡流检波器特性测量与参数识别[J].应用力学学报,1991,8(4)

[3] 钱祥生.系统的建模与响应[M].北京:机械工业出版社,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

王少伟,男,1965年生,工程师,1987年毕业于河北涿州石油物探学校,现在中原油田物探公司从事生产技术管理工作。邮编:457001

2009-10-10编辑梁保江)

PI,2010,24(1):23～25

·仪器设备·