jMEMS加速度传感器开发及在地球物理勘探中的应用(1).pdf

第卷第期 年月 勘探地球物理进展 几 文章编号 一 一一 加速度传感器开发及 在地球物理勘探中的应用 王辉明 宋志翔 马国庆 中国石化石油勘探开发研究院南京石油物探研究所 江苏南京 摘要以加速度传感器为基础的新型地震检波器大幅度提高了地震检波器的各项性 能指标 采用 国产 加速度传感器 试验性地将其应用于地球物理勘探 设计和制作了进行室内测试的专用振动台及测试 软件 建立 了一套测试和分析其性能和各项技术指标的方法 并在野外与传统检波器进行了实际生产对比试验 结果表明国产加速度传感器在石油勘探中具有广阔的应用前景 关铃词加速度传感器检波器 中圈分类号文献标识码 背景 随着微电子技术和计算机技术的飞速发展 用 于石油勘探的数字地震仪器 计算机 以及信号处理 手段已经达到很先进的水平 但是地震信号传感 器 检波器却仍然沿用有多年发展史 的动圈 式机电感应传感器 经过多年不断的改进与发 展 传统检波器在体积 坚 固性 灵 敏度和失真度等 技术性能上有了长足的进步 但这种老式机械传感 器的某些固有缺点却难以克服 如 动态范围小 最 多达对检测以下的低频地震信号几 乎无能为力 在三分量应用中各轴向之间干扰严 重 灵敏度误差大 由于传感器得不到理想的原始 信号 后期处理效果大打折扣 所以地震检波器事 实上已成为制约石油物探技术继续发展和提高的 主要瓶颈之一 石油工业界虽然在理论上已经很清楚利用地 震波中的横波分量波数据能识别和估计地下 岩性和孔隙度等油藏特征 但是现在为提高回采率 进行的油藏描述工作采用的主要手段却仍然是基 于纵波波 的传统地震方法 横波的利用则进展 不大 其主要原因是在利用传统地震检波器进行 的三分量地震勘探中获得的横波数据质量不理想 特别是传统检波器难以达到轴间抗干扰指标即矢 量保真度指标 再加上野外施工 中检波器的倾角 和方位误差 各轴 向间的灵敏度误差等因素都使 波和波信号相互混淆 降低了数据质量 使后期 的数据处理能力难以发挥作用 口 由于地震勘探提出高分辨率 高保真度 等要 求 多年来国内外许多技术公司和研究机构一直在 探索和寻找新的地震信号检测技术 并进行了许多 试验 推出了一些利用如压电陶瓷 涡流 激光等原 理的试验产品卜 但在上述的关键技术性能上始 终没有重大突破 近年来美国公司简称公 司已成功开发 出以器件为基础 的新型数 字地震检波器 这种检波器采用 了加速度 传感器 使地震检波器的性能指标有了大幅度的提 高 除上述优点外 公司已经把位模 数转 换和加速度传感器集成到一起封装进检波 器壳体 可以直接输出经数字化后的地震信号川 现在公 司建立了加速度传感器的生 产 封装和测试车 间 已经批量生产并开始在美国 和中国的石油勘探界大力宣传和推广 国外除美 国的公司外 法国的公司也声称开发成 功基于加速度传感器的地震检波器 所谓技术就是以微机电系统 简称结构 为 基础的新型传感器技术困 它采用生产大规模集 成电路的加工技术 代替传统的机械和手工方法制 作传感器 不但体积微型化 而且传感器的总体性 能有了大幅度的提高 以高性能加速度传 感器为核心的新型地震检波器的低频响应一直能 到直流 其在一的响应曲线几近平坦 据 试验资料 使用技术的检波器所接收到的 地震数据可以在最终叠加数据上保留低至的 收稿日期 一一 改回 日期 一 一 第一作者简介王辉明一 男 现从事地震仪器技 术研究工 作 基金项目 国家 项 目 一 勘探地球物理进展第卷 地展信号 高频分量有明显的提升 其动态范围大 于 使得地震仪器的动态范围的指 标能真正发挥作用 在三分量地震勘探中 这种 检波器 良好的矢量保真度轴间串扰小于能 更好地分离波和波 由于新型数字地震检波 器能获得高质量 的全波数据 能对复杂的地下构 造 地层岩性 流体类 型 以及接触面有更清晰的描 述 提高了成像质量 为地震数据的应用提供了可 靠的保证 新型数字地震检波器摒弃了传统数字地震仪 的检波器采集盒结构 把传感器 转换和数 字传输全部集成进小小的检波器壳体内 从而大大 提高了系统的抗干扰能力 单个数字检波器 作为节点可以简单地组成数字通讯网络 所以很容 易实现 单点接收 地震勘探新方法 可以预见 新 型数字检波器的应用和推广 必将促进油 气勘探和开发工作的技术进步 对降低勘探 开发 风险和提高油藏采收率有着重要意义 撞击运动质量块 产生 的 所以对加速度传 感器器件进行真空封装来降低噪声 由于优良的性能和广 阔的发展前景 已经成为一项关系国民经济发展 和 国家安全 的关 键技术 世界各国政府 企业和科研部 门都对它高 度重视 我国已将它纳人 了国家 十五 科技发展 计划和 高科技计划 国内有多家研究机构和 大专院校在进行加速度传感器 的研制工 作 为了解和掌握加速度传感器在地震勘 探中的应用和前景 南京石油物探研究所和中科院 上海 微系统 与信息 技 术 研究 所合作 用国产 的 系统 设计和生产了加速度传感器 为了 检测和控制传感器的质量 我们制作和开发了专用 的室内测试系统 包括振动台 数据采集电路和测 试分析软件 并于年月在江苏油田将 加速度传感器与传统检波器进行了野外生 产对比试验 野外试验方法 加速度传感器的结构原理 用于地震检波器的加速度传感器的物 理结构如图所示 加速度传感器主要由 一个悬臂梁构成 梁的一端固定 另一端悬挂一个 能感应由加速度产生的作用力的质量块 它一般为 层结构顶层和底座通常为硅片 起密封和过载 保护作用 底座上还有前置放大和各种补偿电路 中间层是用硅加工工艺加工出的悬臂梁和质量块 当质量块受力运动时 运动质量块的晃动使个差 分电容的容值随震动而变化 加速度传感 器的内嵌处理电路中包含调制 解调和力反馈电 路 将差分电容的变化转换成电压输出 采用力反 馈是为了使运动质量块回复到平衡位置 以增加动 态范围 减小失真和改进线性 由于加速 度传感器的噪声通常是 由于气体分子的布朗运动 野外试验采用二维地震勘探形式 利用传统的 数字地震仪接收信号 将检波器与传统检 波器同点埋置 采用炸药震源 单边放炮的方式 对 个检波器进行对比试验 试验总炮数 为炮 检波器为单个埋置 传统检波 器为个组合埋置 接收道数为道 覆盖次数为 次炮间距为 道间距为 最小炮检距 为 最大炮检距为记 录长度为 采 样间隔为 试验记录采用 二 一 格式存储 图加速度传感器结构图 数据处理与分析 用地震数据处理软件对检波器和传统 检波器采集到的地震数据进行了简单的处理 图 是未经滤波的单炮原始记录对比 左边道 为 单个检波器接收记录 右边道为传统检 波器串接收记录 用带通滤波消除一定频率范围内的干扰波 保 留有效波 对单炮记录进行对比 这里选取其中一 炮如图 左边道为单个检波器接收记 录 右边道为传统检波器串接收记录 按照带 通滤波道编辑速度分析叠加 流程处理的结 果见图和图 图为检波器采集数据 带通滤波处理叠加剖面 图为传统检波器采集数 据带通滤波处理叠加剖面 将单个检波器 第期 王辉明等加速度传感器开发及在地球物理勘探中的应用 图传统检波器采集数据带通滤波处理叠加剖面 与传统个检波器组合埋置效果进行比较 整体来 看 浅层 以前 约深波组特征与传统 检波器相当 部分波组特征较好 信噪比高于传统 检波器 分辨率高于传统检波器 图为 一 滤波处理单炮记录对比 面波干 扰明显压制 有效波明显加强 按照 一 滤波 道编辑速度分析叠加流程处理的结果见图 和图 图为检波器采集数据 一 滤波 处理叠加剖面 图为传统检波器采集数据 一 滤波处理叠加剖面 经 一 滤波后 检 波器采集的数据在浅层出现较好的反射波组特征 信噪比某些部位高于传统检波器 在叠加剖面上 也可看出浅层波组特征明显 同相轴连续性与传统 检波器数据相当 部分较好 从频谱分析结果来看 检波器有较平 缓的频率响应特征 其动态范围明显优于传统检波 器 接收到的信号频率有所提高 频带明显宽于传 图 一 滤波处理单炮记录对比 检波器 传统检波器串 勘探地球物理进展 第卷 统检波器 图是根据频谱分析得出的频率响应曲 检波器频带宽 信息量丰富 但目前灵敏度 略低 检 波器与数据记 录仪器不 配套也 影响了 检波器的接收效果 咦 吮卜 司司瘫 波器的列 列 率响应曲线线 区区区 日日日日 一 一 传传统枪波州 州 二的绷率响应 应卜线线 一乏二 了比 图频率响应曲线 综合以上资料 我们发现检波器接收 的信号深层 以后能量较弱 信噪比不如传统 检波器 远道和深层能量有待提高 另一方面 结束语 通过研 究和野 外 试验 我们认 为 国产的 加速度传感器在石油勘探中有着广阔的应 用前景 从目前的初步试 验 结果来 看 国产 加速度传感器的结构设计 封装以及后端 电路经过进一步改进和提高后 其技术性能完全能 与国外产品相媲美 相对低廉的成本将使得我国 在地球物理勘探中大规模采用新型数字检波器和 新的勘探方法成为可能 我们应该在引进国外先 进技术的同时积极坚持自主创新和开展新技术产 品开发 并逐步形成 自己的产业 参考文献 即 刘光林 刘泰生 高中录 等地震检波器的发展方 向 勘探地球物理进展 宁靖 吕公河 吴学兵 等 布拉格光栅检波器在地