惯性传感器在油气资源勘探中的应用相关技术分析

2013-03-23本溪市机电工程学校

电子世界 2013年8期

本溪市机电工程学校刘伟

1.国内外发展现状

从80年代至现在，高分辨率地震、三维地震、发展开始成熟，而且井间地震、四维地震、多波多分量勘探等的新技术及方法方法开始应用，和勘探技术对应的检波器的型号也不断的发展，例如高性能压电检波器、四分量检波器、涡流检波器、四分量检波器等。初步统计得出，当前一共12个系列25种型号的检波器在油气资源地震勘探中使用。

国内地震检波器大约有五十多年的历史。五六十年代国内基本仿制苏联还有美国的检波器；七十年代国内自行研制地震检波器；八十年代主要为引进阶段，例如西安石油勘探总厂等。90年代以后，以增加高分辨率勘探为目的，物探局仪器总厂、西安石油勘探仪器总厂推出了一系列检波器，是的地震检波器的勘探得到扩展。近年来，MEMS技术发展很快，采用MEMS技术的数字地震检波器开始出现。ION公司以及SERCEL公司在2000年前后分别推出地震检波器，并且具有全数字的特点，开始在野外不断应用。数字检波器实质上是分辨率很高的微加速度计，国内对其研究还处于开始阶段。

2.高分辨率地震勘探对地震检波器的要求

2.1 地震勘探的基本原理

地震勘探基本原理如图1所示，激发之后地震波在遇到不同地层的分界面发生反射，设置在地面上的地震检波器把振动信号转换成电信号，电信号被地震数据采集系统检测，进行数字化并记录，通过分析地震数据就得到地震波运行的时间还有速度信息，进而得到地层分界面油气资源的埋藏深度。

图1 地震勘探示意图

图2为遥测地震油气资源勘探中的惯性传感器采集部分的结构，其采用24位∑-Δ的A/D作为数据采集单元。

图2 分布式地震仪采集部分结构

（1）信号只需要前一级的简单模拟过滤器，采用24位A/D进行转换，大大缩短模拟信号通道，有利于降低信号的失真度提高信噪比；

（2）对去假频（即防混叠）滤波器大大简化，提高滤波性能。

2.2 地震波的形成和衰减

将作业地层看成系统对待，震源激发出现的激发波形看成系统的输入信号，那么传输到达地面的地震波为系统的输出信号。输出信号主要由输入信号还有系统特性决定，即地震波波形为震源还有地层共同作用的产生的。地层对震波振幅、频率特性产生影响主要有三种。

2.3 分辨率公式

通常垂直分辨率的极限约等于主波长的1/4。当前使用的近似的时间分辨率公式，也就是“时间厚度”：

其中，v—层速度，λ—视波长，zR—可分辨厚度。

以上公式前提是地震子波为理想的Ricker子波。相关证明得到：上述分辨厚度下，子波的过零点出现互相重合情况，叠加的合成波形在两个波峰位置产生波谷，波谷振幅为零，而且两个波峰分开。实际上地震子波不可能产生严格意义零相位的，并且反褶积没有将它其压缩成正峰。

3.动圈式检波器的讨论

3.1 检波器的动力学模型

检波器的动力学模型如下图，弹簧在检波器外壳上进行固定，弹簧上悬挂质量体，当存在地震信号时，外壳和大地一起振动，质量体通过弹簧带动做阻尼振动，力学方程如下：

3.2 噪声

在所有噪声源当中，一般环境噪声幅度最大，如刮大风检波器的噪声输出强度约20～80µV，小风达到为2-5µV。安静地区大地振动的速度噪声峰峰值只2.5× 10m/s，相应的噪声电压峰峰值0.7Vµ。除了外界噪声源，检波器噪声包括惯性体的布朗噪声还有电阻热噪声。对于克量级的检波器，大地振动噪声高于布朗噪声4-5倍，因此检波器的布朗噪声能够忽略。电阻热噪声的噪声密度计算方法如下：

k—玻尔兹曼常数；T—绝对温度；R—线圈电阻值；20DX-10Hz检波器；线圈电阻400Ω；计热噪声密度只有

3.3 常用的检波器组合方式

地震道通常是2-4个串检波器串并联，串并组合的方式及相关特点一般和石油勘探的目的相关。不同组合目的在于，利用有效波还有干扰波的不同，来干扰波进行抑制，并突出有效波。下表给出了不同检波器组合的性能特点。不同的检测波组合性能参数表如表1所示。

表1 检测波组合性能参数表

其中：n—检波器的总个数；Mp—并联子串数；ms—子串检波器个数；；Gs—为串组合的增益；Irs—阻抗比（串组合和单只检波器的阻抗比值）；DRS—为动态增量，在具体勘探当中，要按照油气藏探区的干扰波类型还有其频率特性以及勘探目的层深度和其它因素来对检波器的组合方式进行设计，目的是找到适合此藏区的特定通频带的组合。具体的组合点数根据施工区的表层特点来决定，当表层干扰十分严重时，采用点数的数量比较大，例如沙漠区勘探组合点数一般大于30个。

3.4 谐波失真

检波器的谐波出现失真直接会对接收的有效动态范围产生影响，因为谐波分量能够对该频率范围内的有用信号进行掩盖。因为阻尼、磁路具有非线性特点，造成检波器的谐波失真指标通常为0.1%，超过仪器的谐波失真值0.0003%。

检波器的失真度指标有关信号测试通常使用自然频率，峰速度值 1.78× 10-2m/s。通常认为由于爆炸造成的地面振动速度最大值8.8× 10-3m/s，所以检波器受到最大输入信号时具有非线性特点，实际的地震信号更弱。当输入信号下降时，检波器的谐波失真减小，输入的速度信号幅度 6.3× 10-4m/s时，检波器具有的失真度大小接近0.01%，达到-80dB。并且输入信号频率增加时，检波器的谐波失真减小。事实上，当加速度输入信号幅度一样时，频率增加，检波器中因为体出现的位移下降，所以谐波失真可能性就越小。

4.数字闭环系统

4.1 数字闭环系统的特点

数字闭环反馈系统因为直接数字信号输出还有其稳定性，受到很大的重视。石油勘探中，MEMS检波器是基于Σ-Δ闭环反馈特征，因为石油勘探的环境恶劣，所以对传感系统在稳定性还有抗干扰能力方面具有很高的要求，还有石油勘探领域要求仪器具有小型化以及轻型化，所以现代油气勘探数据道数不断增多，达到上万道的量级。道数增加造成传感采集部分较大的体积、质量要求更高。本身数字检波器的传感部分远比传统检波器要小，因为直接输出数字信号，并对ADC部分进行省略，集成化大大减小采集部分的体积还有重量。芯片集成工艺不断的进步，可以将数字滤波系统直接在传感芯片的产品上进行集成，有利于系统的集成度进一步提高。

4.2 高阶系统

基于高阶∑-Δ调制系统的高分辨率微加速度计受到了广泛的关注。其中∑-Δ调制部分结构选择和评估在系统研究中成为核心。Kraft和其他人对MASH结构的多阶系统进行了研究，该系统是由传感部分的二阶系统还有一阶电子学调制器级联。此结构噪声通过传感部分的参数抵消噪声，实际芯片制造中，参数产生误差可能很大，噪声精确抵消掉非常困难，所以实际设计制造中非常难实现。Petkov和BOSer等设计出基于四阶∑-Δ调制的陀螺仪，其电子学读出部分采用开关电容电路加以实现，并且利用CDS技术对直流偏置进行压制还有1/f噪声，分辨率是，远不能满足地震勘探的需要。Kraft等提出高阶∑-Δ微加速度计的相关设计方法，采用五阶调制在OSR= 256的情况下的SQNR大小-122dB。