三分量數字地震勘探檢波器的製作方法

2023-09-16 20:18:15 2

專利名稱：三分量數字地震勘探檢波器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測地震勘探中人工激發的地震信號的反射波並將其轉換成電信號的裝置，屬於地震勘探領域。
背景技術：
地震檢波器是石油和天然氣地震勘探中大量使用的傳感器，它的用途就是檢測地震勘探中人工激發的地震信號。
地震勘探法目前仍然是在陸地和海洋勘探石油和天然氣的主要手段。其基本方法是在勘探靶區的地面上埋放數千乃至上萬隻地震波傳感器(即地震檢波器)，在海上則是用海洋勘探船拖放數根1-2公裡長的海上漂纜(漂纜每隔數十米包裹一個地震檢波器)，然後用炸藥(在陸地)或高壓空氣槍(在海上)激發人工地震。地震波向地下深處傳播，遇到不同性質地層的分界面就會產生反射，地震檢波器拾取到反射波並將其轉換成模擬電信號，然後由高精度的數字地震儀把這些模擬電信號轉換成數位訊號記錄下來。實際施工時即使是上萬隻地震檢波器也只能覆蓋整個勘探靶區的一小部分面積，所以埋放地震檢波器的接收平面必須不斷移動，並逐點放炮以遍及整個勘探靶區面積。野外勘探接收到的大量數據還要拿到室內用高速計算機進行複雜的信號處理才能得到清晰可靠的地下構造成象，最終確定開採石油和天然氣的鑽井位置和深度。
隨著電子技術和計算機技術的飛速發展，用於地震勘探的數字地震儀器、計算機以及軟體處理手段已經達到很先進的水平。但是目前各地震隊伍使用的地震檢波器卻仍然是已經沿用了五十多年的動圈式機電感應傳感器。雖然經過五十年不斷的改進與發展，動圈式機電感應傳感器在體積，堅固性，靈敏度，失真度等技術性能上有了很多提高，但這種老式傳統地震檢波器的固有缺點卻始終無法克服，例如對檢測10HZ以下的深層低頻地震信號無能為力(10HZ是機械檢波器的諧振頻率)；動態範圍小(低於60dB，而數字地震儀器有120dB動態範圍)；在三分量地震勘探中(用三個動圈式檢波器同時接收X、Y、Z三個維度的地震信號)存在各軸向之間信號串擾大(即矢量保真度低)、靈敏度誤差大等致命缺點。作為地震勘探的第一道工序，用傳統地震檢波器得不到理想的原始信號的現狀已經直接影響到地震數據採集的質量，限制了地球物理方法解決複雜地質目標的能力，已成為制約石油物探技術繼續發展的主要瓶頸。
目前在石油工業界，雖然從理論上早就知道利用地震波中的橫波分量(S波)數據可以分析研究地下構造的巖性、孔隙度和含油飽和度之類的油藏特徵，但是這種利用橫波信息的勘探一直沒有多大進展。為提高回採率進行的油藏描述工作採用的主要手段仍然是基於縱波(P波)的傳統地震方法，究其主要原因是因為用傳統地震檢波器進行的3分量地震勘探中獲得的橫波數據質量很不理想。特別是傳統檢波器難於達到要求的軸間抗幹擾性能指標(即矢量保真度指標)，再加上野外施工中檢波器的傾角和方位誤差、各軸向間的靈敏度誤差等因素都使接收到的數據中P波和S波信號相互混餚，使原始數據質量太差，後期的數據處理手段根本無法發揮作用。
隨著地震勘探高解析度、高保真、高精度等要求的提出，多年來國內外的許多公司和研究機構一直在探索和尋找新的檢測地震信號的傳感器技術，並進行了許多試驗，其中推出了一些利用壓電陶瓷、渦流、雷射等原理的試驗產品，但在上述提到的低頻響應性能差、動態範圍小、矢量保真度差等關鍵性能上始終沒有重大突破。

發明內容
本發明的目的是要克服上述現有地震檢波器的不足之處，為現代的數位化地震勘探系統設計一種低頻響應性能好、動態範圍大、矢量保真度高的三分量數字地震勘探檢波器。
本發明的三分量數字地震勘探檢波器，主要是用三個MEMS(Microelectromechanical Systems)加速度傳感器按X軸、Y軸和Z軸三個相互垂直的方向放置，其信號輸出與三路24位模/數轉換器相連，再經帶CAN總線單片機晶片就可以直接輸出經數位化後的地震信號。其結構包括三個MEMS加速度傳感器U1-U3、模/數轉換器U4-U9、帶CAN總線單片機晶片U10，電路的主要連接關係是三個MEMS加速度傳感器U1-U3的第2腳是信號電壓輸出端經電阻R1和R2分別與U4-U6的第10腳和第9腳連接，U4-U6的第25、24、20、18腳分別與U7-U9的第5、6、7、10腳連接，U7-U9的三個第26、12、14、15、19、18、17、16和4腳分別相互連接後再分別與U10的第7、24、25、26、27、28、29、30及31腳連接，U7-U9的第24腳分別與U10的第4、5、6腳連接，U7的第1、22、23腳分別與U10的第8、9、43腳連接，U8的第1、22、23腳分別與U10的第41、40、39腳連接，U9的第1、22、23腳分別與U10的第38、37、36腳連接，U10的第2腳和第3腳為檢波器的信號接收輸入端和發送輸出端分別與上位機連接。所述U1-U3選用清華大學或上海微系統與信息技術研究所研製的MEMS加速度傳感器，MEMS加速度傳感器有五個接腳，其中1腳未接；2腳是信號(電壓)輸出端；3腳是負5伏電源；4腳是地；5腳是正5伏電源。U4-U6選用CS5320或CS5321型晶片，U7-U9選用CS5322型晶片，U10選用P87C592型高性能微控制器。
本發明的三分量數字地震勘探檢波器具有低頻響應性能好、動態範圍大、矢量保真度高和能提高野外施工效率等優點，最適合數位化地震勘探系統作接收地震波傳感器使用。


附圖1是本發明的工作原理方框圖；附圖2是本發明的實施例中的一種電路的連接關係圖；附圖3是為圖2電路提供工作電源的一種電源電路圖。
具體實施例方式參見附圖1，本發明的三分量數字地震勘探檢波器，主要是用三個MEMS加速度傳感器按X軸、Y軸和Z軸三個相互垂直的方向放置，其信號輸出與三路24位模/數轉換器相連，再經帶CAN總線單片機晶片就可以直接輸出經數位化後的地震信號。其電路主要連接關係見附圖2，其結構包括三個MEMS加速度傳感器U1-U3、模/數轉換器U4-U9、帶CAN總線單片機晶片U10，電路的主要連接關係是三個MEMS加速度傳感器U1-U3的第2腳是信號電壓輸出端經電阻R1和R2分別與U4-U6的第10腳和第9腳連接，U4-U6的第25、24、20、18腳分別與U7-U9的第5、6、7、10腳連接，U7-U9的三個第26、12、14、15、19、18、17、16和4腳分別相互連接後再分別與U10的第7、24、25、26、27、28、29、30及31腳連接，U7-U9的第24腳分別與U10的第4、5、6腳連接，U7的第1、22、23腳分別與U10的第8、9、43腳連接，U8的第1、22、23腳分別與U10的第41、40、39腳連接，U9的第1、22、23腳分別與U10的第38、37、36腳連接，U10的第2腳和第3腳(即RXDC和TXDC腳)為檢波器的信號接收輸入端和發送輸出端分別與上位機連接。U1-U10的其它引腳按晶片產品說明連接。所述U1-U3選用MEMS加速度傳感器，國內已有清華大學和上海微系統與信息技術研究所等單位研製MEMS加速度傳感器，U4-U6選用CS5320或CS5321型晶片，U7-U9選用CS5322型晶片，U10選用P87C59X型高性能微控制器或其它帶CAN總線的單片機。裝配時，將三個U1-U3的MEMS加速度傳感器按相互垂直的方向放置，其信號輸出與三隻24位模/數轉換器(由U4-U9組成)相連，再加上帶CAN總線單片機晶片U10集成到一起封裝進檢波器殼體，就可以從U10的CAN總線即第2腳和第3腳(RXDC和TXDC腳)直接輸出經數位化後的地震信號。工作時，不同震動方向的地震信號被三個相互垂直放置的MEMS加速度傳感器(U1、U2、U3)分別接收，經MEMS內部的放大器放大後通過信號輸出端(第2腳)分別與三路由CS5320或CS5321(U4-U6)和CS5322(U7-U9)晶片組成的24位模/數轉換器相連。模/數轉換器將此模擬信號轉換成24位數位訊號。單片機P87C59X(U10)控制模/數轉換器的轉換方式和轉換過程、採集模/數轉換器輸出的24位數位訊號，然後通過片內的CAN總線(RXDC和TXDC腳)將結果送給上位機。由於在野外工作時只能提供12/24V直流電源，而電路需要正負5V模擬電源和正5V數字電源，故通過DC/DC將12/24V直流電源變為正負5V模擬電源和正5V數字電源供電路使用。附圖3是為圖2電路提供工作電源的一種常用的電源電路圖。附圖2的數字檢波器通過附圖3的一個四芯插頭PWT與外界聯繫，插頭的1腳是電源地；2腳是正12/24伏電源；3腳是CAN總線接收輸入端；4腳是CAN總線發送輸出端。
本發明以高性能MEMS加速度傳感器為核心的新型地震檢波器的低頻響應一直能到直流，其在0到500Hz之間的響應曲線幾乎平坦。其動態範圍已達100dB(傳統檢波器小於60dB)，使得地震儀器120dB的動態範圍的指標真正能發揮作用。更重要的是它具有很好的矢量保真性能，其軸間串擾只有1％，用於三分量地震勘探能更好地分離P波和S波。由於新型地震檢波器能獲得高質量的橫波數據，經過計算機處理能對地下構造的巖性等特徵有更清晰的描述，對提高油藏回採率、降低勘探風險和開發風險有著重要意義。還有其它優點如在三分量勘探施工中要求檢波器的埋放非常垂直，一般要求垂直傾角小於0.6度，這在實際施工中是較難實現的。由於MEMS檢波器能檢測低至直流的加速度(即靜態重力加速度)，所以可以通過分析每個傳感器檢測到的靜態g的大小來判斷其埋放垂直度(或傾角)。分析的結果可以作為方向餘弦與該道的地震道數據存儲在一起，並在處理中心在數據預處理前恢復每個檢波器真正垂直方向的矢量值，所以這種特性還可以極大的提高野外施工效率。最適合數位化地震勘探系統作接收地震波傳感器使用。
權利要求
1.一種三分量數字地震勘探檢波器，其特徵在於包括按X軸、Y軸和Z軸三個相互垂直的方向放置的三個MEMS加速度傳感器U1-U3、三路24位模/數轉換器U4-U9、帶CAN總線單片機晶片U10，電路的主要連接關係是三個MEMS加速度傳感器U1-U3的第2腳是信號電壓輸出端經電阻R1和R2分別與U4-U6的第10腳和第9腳連接，U4-U6的第25、24、20、18腳分別與U7-U9的第5、6、7、10腳連接，U7-U9的三個第26、12、14、15、19、18、17、16和4腳分別相互連接後再分別與U10的第7、24、25、26、27、28、29、30及31腳連接，U7-U9的第24腳分別與U10的第4、5、6腳連接，U7的第1、22、23腳分別與U10的第8、9、43腳連接，U8的第1、22、23腳分別與U10的第41、40、39腳連接，U9的第1、22、23腳分別與U10的第38、37、36腳連接，U10的第2腳和第3腳為檢波器的信號接收輸入端和發送輸出端。
2.如權利要求1所述的三分量數字地震勘探檢波器，其特徵在於U1-U3選用MEMS加速度傳感器，U4-U6選用CS5320或CS5321型晶片，U7-U9選用CS5322型晶片，U10選用P87C59X型高性能微控制器。
全文摘要
一種三分量數字地震勘探檢波器，主要是用三個MEMS加速度傳感器按X軸、Y軸和Z軸三個相互垂直的方向放置，其信號輸出與三路24位模/數轉換器相連，再經帶CAN總線單片機晶片就可以直接輸出經數位化後的地震信號。具有低頻響應性能好，在0到500Hz之間的響應曲線幾乎平坦；動態範圍大，可達100dB；矢量保真度高，其軸間串擾只有1％；同時還能通過分析每個傳感器檢測到的靜態g的大小來判斷其埋放垂直度作為方向餘弦與該道的地震道數據存儲在一起，能在數據處理中心恢復其真正垂直方向的矢量值，所以還有利於提高埋放檢波器的野外施工效率。最適合數位化地震勘探系統作接收地震波傳感器使用。
文檔編號G01V1/00GK1460867SQ0313153
公開日2003年12月10日 申請日期2003年5月23日 優先權日2003年5月23日
發明者郭建, 宗遐齡, 劉志成, 馬國慶, 李守才 申請人:中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院南京石油物探研究所