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檢波器國內外發展現狀及研究趨勢
檢波器國內外發展現狀及研究趨勢
隨著現代工業的飛速發展,對油氣資源的需求日益增加,人們正在以不斷增長的速 度開發著地下的石油和天然氣。隨著油氣勘探開發的不斷深入,大型油氣藏已逐步被發 現,面對的勘探目標越來越隱蔽、越來越復雜,提高勘探技術己成當務之急。 我國有大慶油田、勝利油田、大港油田等許多油田,如果你到這些油田去參觀,看 到那一座座井架,一口口油井,自然會提出這樣的問題:在這一望無際的大平原上,這 一個個油田是用什么辦法找到的呢? 實際上要找到埋藏在地下一千多米甚至幾千米的石油,的確是很不容易的。 人們在 ******生產實踐中,不斷的試驗、總結,并引進許多其他科技領域的新技術、新成就,才 逐漸建立了一整套石油勘探的方法技術。 目前,應用于勘探石油的方法主要有三大類,分別是地質法、物探法和鉆探法。 地質法是通過觀察,研究出露在地面的地層、巖石,對地質資料進行分析綜合,了解 一個地區有無生成石油和儲存石油的條件,最后提出對該地區的含油氣遠景評價,指出 有利地區。這類勘探方法較為宏觀,勘探區域廣,而且成本較低,但往往依賴于人的經 驗,精度相對較低且不穩定。 物探法是根據地質學和物理學的原理,利用電子學和信息論等許多科學技術領域的 新技術,建立起來的一種較新的石油勘探方法。 現代應用于石油勘探的主要方法有重力 勘探(利用巖石的密度差異)、磁法勘探(利用巖石的磁性差異)、電法勘探(利用巖石的電 性差異)和地震勘探(利用巖石的彈性差異)。這類勘探方法由于成本相對較低,精度也相 對較高,已成為石油勘探中最重要的方法。 鉆探法是用鉆機設備從地表向地下鉆進成孔,直接取得地下最可靠的地質資料,進 而確定地下的構造特點及含油氣情況。這類勘探方法由于能夠從鉆孔中不同深度處取得 巖心、礦樣進行分析研究鑒別,精度自然很高。但鉆井本身成本很高,勘探區域小,如 果直接盲目的大量鉆井,不僅浪費成本,效率也相當低。 由于三類勘探方法各有利弊,現代石油勘探需要各種方法相互配合、協作,需要綜 合分析研究各方面資料。當前的石油勘探過程一般都是首先利用地質法確定油區的大致 地理范圍,再利用合適的物探法找尋油區具體位置,最后綜合前兩種方法得到的資料確 定井位,鉆井進行進一步的勘探和開采。 而在眾多物探方法中,由于精度高、成本低且能夠適應各種勘探環境,地震勘探成了為當前一種最有效、最主流的方法。 地震勘探的基本原理就是通過人工方法激發地震波,地面產生振動信號并在地層中 傳播,根據設計要求在距離激發點不同的地方布置傳感器接收地下巖石反射到地面的振 動信號,然后對接收到的振動信號進行處理、解釋,根據信號的頻率、振幅、速度等信 息分析不同深度地層的屬性、構造形態等,從而初步判斷該區是否具備生油、儲油的條 件,并進一步提供鉆探井位。 作為地震勘探的“眼睛”,位于地震勘探信息采集部分最前端的地震檢波器,其重要 性不言而喻。 地震檢波器是一種將機械振動信號轉換為電信號的機電裝置,也可以宏觀 的說成是一種將機械能轉換為電能的能量轉換裝置,它廣泛應用于地震勘探與工程測量 領域。傳統地震檢波器按照工作原理分為動圈式(速度型)檢波器、渦流式(加速度型)檢 波器和壓電式檢波器,前兩種多用于陸地勘探,后一種多用于海洋勘探。 目前,國內常 規動圈式速度檢波器使用數量最多,因此對動圈式檢波器的研究是勘探技術發展的必要 前提。 由于檢波器使用量大,技術指標又難以控制,所以在實際的使用中故障率較高。因 此,需要專用的測試儀器在每次使用前對檢波器的各項技術指標進行測試,剔除技術指 標較差和失效的地震檢波器,以保證測量值******可靠,提高地震勘探質量。而要設計性 能更好的檢波器測試儀器,就需要我們對現有地震檢波器測試方法進行研究,在了解了 現有檢波器測試儀器測試原理和算法的基礎上,分析出影響檢波器特性參數的測試精度 的因素,通過進一步理論計算,探索出提高測試精度的方法。 1.2檢波器測試方法的發展 地震檢波器如此重要,研究其測試方法的重要性不言而喻。SMT系列儀器作為主流 測試儀器,能夠滿足大部分測試需求,所以近年來國內外在這方面研究不是特別多。 1.2.1國內外發展現狀 檢波器作為一種振動傳感器,地震檢波器需要經常測試,傳統測試方法主要有振動 臺法、直流激勵法和交流激勵法。 振動臺法是由信號發生器經功率放大器輸出正弦信號到振動臺動圈,使振動臺臺面 產生垂直或水平方向的正弦振動,使固定在振動臺上的檢波器產生響應,從檢波器的電 壓響應測試出檢波器各個參數。顯然,該方法的測試效果依賴于振動臺的性能。50年代 初,振動測量沒有統一的國際標準,各國振動測試結果不一致,誤差往往大于10%。不久后發明了互易測試技術,測量誤差降低了一個數量級,使最低測量不確定度可以達到 0.5%。到了60年代,激光干涉技術逐漸成熟,振幅的測量可從0.2/am增加到2m,幾乎 能把所有振動幅值的范圍覆蓋起來,使得測量******度很高,基于激光干涉儀的振動基準 裝置也被很快研制出來,并獲得廣泛的應用。 近些年,計算機技術、電子技術和信號分 析處理技術等的發展,為振動測試技術提供了發展空間,也涌現了不少先進的自動測試 系統。同時,互易測試由于其方法繁瑣,頻率范圍窄且難以獲得好的測試結果,幾乎被 淘汰了。目前,各國振動基準實驗室都采用了先進的激光干涉測試法,從而使測試不確 定度大大降低。 由于振動臺測試系統通常比較笨重,造價高且測試速度慢,對操作環境要求高,所 以只適合計量單位和測振儀器廠使用,而大多數的測試工作需要在野外,并不在振動臺 上進行。但我們應該知道,在檢波器的測試各種方法中,振動臺法是最******的方法。 目前,野外完成大部分檢波器測試任務的是采用檢波器測試儀完成的,現代檢波器 測試儀基本原理都是采用電激勵法。電激勵法又分為直流激勵法和非直流激勵法,當前 儀器主要采用直流激勵法,交流激勵法測試并未應用于實際儀器。 直流激勵法就是給檢波器提供一個恒定電流,利用斷開電流時檢波器的輸出阻尼正 弦波的第一個和第二個峰值的幅度測試檢波器各個參數的方法。80年代中后期,隨著以 SMT一100為代表的檢波器測試儀的問世和推廣,各儀器公司更普遍地采用直流激勵法 測試檢波器參數,這是由于直流激勵法測試儀便于攜帶,易于現場測試,尤其適合于成 串測試。此方法利用檢波器的互易性質,采用直流信號作為激勵,由時間域信號進行測 定和計算。 目前市場上比較主流的檢波器測試儀大多都采用直流激勵法測試檢波器的性 能?!吨绷骷罘y定動圈式地震檢波器靈敏度的溯源》研究分析了直流激 勵法的不足,并提出了解決靈敏度溯源問題的方案?!秳尤κ降卣饳z波器阻 尼系數測量方法的改進》則針對直流激勵法測試儀器在O.85≤E<1時測阻尼精度不高的 問題提出了一種改進措施。 近年來,由于直流激勵測試法已基本成熟,一些學者嘗試改變激勵信號,研究新的 測試方法。 如果我們通過信號發生器給檢波器提供一個已知的交流激勵信號,改變激勵 信號的頻率,測試檢波器的輸出信號和輸入電流或電壓,比較其幅值或相位,結合測試 系統頻率特性分析出檢波器特性參數,我們把這種方法叫做交流激勵法。外國學者 A.L.I詛GEDOORN等的《A practical Set of Guidelines for Geophone Element Testing and Evaluation》提出了跟共振法原理較類似的比相法對檢波器自然頻率進行測試?!墩覓哳l電激勵法測量和識別動圈式檢波器特性參數》提出了采用正弦掃頻 電激勵測量動圈式檢波器特性參數的方法,該方法采用正弦掃頻信號作為激勵,對實測 頻率響應函數進行曲線擬合并確定檢波器的特性參數,該方法測試穩定性和精度都比較 好,測試系統也較簡單。但在這一方法中,了滿足檢波器特性參數盡可能不受串聯電阻 的影響,串聯電阻的阻值往往比檢波器的直流電阻大很多,這使得實測曲線的信噪比降 低。張改慧等的《地震檢波器特性參數識別的一種新的正弦掃頻恒流激勵方法》對此方 法稍作改進,提出用正弦掃頻恒流信號對檢波器進行激勵。 1.2.2國內外研究趨勢 目前,從檢波器測試技術來看,振動臺法最******,但是測試速度慢,系統本身比較 笨重,造價較高,操作環境要求高,難以滿足現場的批量測試,僅僅適合計量單位和儀 器生產廠家使用。SMT系列主流便攜式檢波器測試使用的激勵信號均為單一的直流信 號,不能滿足大阻尼檢波器測試需要。而在今后的地震勘工作中,檢波器動態特性的測 試工作會變得越來越重要,它會直接影響到地震勘探工作的質量。 目前,地震檢波器測 試技術發展的趨勢主要有以下幾個方面: (1)對地震檢波器的內部結構及其理論模型的深層次研究。通過理論模型研究新的檢 波器動態測試的理論和測試方法,重點要研究適合實際應用的檢波器測試激勵方式及其 響應分析。 (2)對測試方法中算法的改進。通過對檢波器現有測試模型的深入研究,分析現有算 法的測試誤差,改進現有測試算法或提出新的測試算法。 (3)對計算機理論及技術的提高。隨著自動控制技術與計算機技術的發展,檢波器測 試技術充分利用計算機在控制和速度方面的優勢,不斷提高檢波器測試精度和速度。目 前推出的檢波器測試系統無一例外的都是采用計算芯片控制。 (4)對新技術的了解。檢波器測試需要多種技術綜合應用,許多新技術的出現與發展 也使檢波器測試方法不斷完善,如信號分析技術的發展和虛擬儀器技術的發展等。
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