檢波器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及研究趨勢
隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)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(fā)著地下的石油和天然氣。隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，大型油氣藏已逐步被發(fā) 現(xiàn)，面對的勘探目標(biāo)越來越隱蔽、越來越復(fù)雜，提高勘探技術(shù)己成當(dāng)務(wù)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(gè)個(gè)油田是用什么辦法找到的呢? 實(shí)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 長期生產(chǎn)實(shí)踐中，不斷的試驗(yàn)、總結(jié)，并引進(jìn)許多其他科技領(lǐng)域的新技術(shù)、新成就，才 逐漸建立了一整套石油勘探的方法技術(shù)。 目前，應(yīng)用于勘探石油的方法主要有三大類，分別是地質(zhì)法、物探法和鉆探法。 地質(zhì)法是通過觀察，研究出露在地面的地層、巖石，對地質(zhì)資料進(jìn)行分析綜合，了解 一個(gè)地區(qū)有無生成石油和儲存石油的條件，最后提出對該地區(qū)的含油氣遠(yuǎn)景評價(jià)，指出 有利地區(qū)。這類勘探方法較為宏觀，勘探區(qū)域廣，而且成本較低，但往往依賴于人的經(jīng) 驗(yàn)，精度相對較低且不穩(wěn)定。 物探法是根據(jù)地質(zhì)學(xué)和物理學(xué)的原理，利用電子學(xué)和信息論等許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的 新技術(shù)，建立起來的一種較新的石油勘探方法。 現(xiàn)代應(yīng)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(jī)設(shè)備從地表向地下鉆進(jìn)成孔，直接取得地下最可靠的地質(zhì)資料，進(jìn) 而確定地下的構(gòu)造特點(diǎn)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(jìn)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(qū)域小，如 果直接盲目的大量鉆井，不僅浪費(fèi)成本，效率也相當(dāng)?shù)汀?由于三類勘探方法各有利弊，現(xiàn)代石油勘探需要各種方法相互配合、協(xié)作，需要綜 合分析研究各方面資料。當(dāng)前的石油勘探過程一般都是首先利用地質(zhì)法確定油區(qū)的大致 地理范圍，再利用合適的物探法找尋油區(qū)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(jìn)行進(jìn)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(yīng)各種勘探環(huán)境，地震勘探成了為當(dāng)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(fā)地震波，地面產(chǎn)生振動信號并在地層中 傳播，根據(jù)設(shè)計(jì)要求在距離激發(fā)點(diǎn)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(jìn)行處理、解釋，根據(jù)信號的頻率、振幅、速度等信 息分析不同深度地層的屬性、構(gòu)造形態(tài)等，從而初步判斷該區(qū)是否具備生油、儲油的條 件，并進(jìn)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(jī)械振動信號轉(zhuǎn)換為電信號的機(jī)電裝置，也可以宏觀 的說成是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，它廣泛應(yīng)用于地震勘探與工程測量 領(lǐng)域。傳統(tǒng)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(nèi)常 規(guī)動圈式速度檢波器使用數(shù)量最多，因此對動圈式檢波器的研究是勘探技術(shù)發(fā)展的必要 前提。 由于檢波器使用量大，技術(shù)指標(biāo)又難以控制，所以在實(shí)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試，剔除技術(shù)指 標(biāo)較差和失效的地震檢波器，以保證測量值準(zhǔn)確可靠，提高地震勘探質(zhì)量。而要設(shè)計(jì)性 能更好的檢波器測試儀器，就需要我們對現(xiàn)有地震檢波器測試方法進(jìn)行研究，在了解了 現(xiàn)有檢波器測試儀器測試原理和算法的基礎(chǔ)上，分析出影響檢波器特性參數(shù)的測試精度 的因素，通過進(jìn)一步理論計(jì)算，探索出提高測試精度的方法。 1．2檢波器測試方法的發(fā)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(nèi)外在這方面研究不是特別多。 1．2．1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 檢波器作為一種振動傳感器，地震檢波器需要經(jīng)常測試，傳統(tǒng)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(fā)生器經(jīng)功率放大器輸出正弦信號到振動臺動圈，使振動臺臺面 產(chǎn)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(chǎn)生響應(yīng)，從檢波器的電 壓響應(yīng)測試出檢波器各個(gè)參數(shù)。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(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，各國振動測試結(jié)果不一致，誤差往往大于10％。不久后發(fā)明了互易測試技術(shù)，測量誤差降低了一個(gè)數(shù)量級，使最低測量不確定度可以達(dá)到 0．5％。到了60年代，激光干涉技術(shù)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，使得測量準(zhǔn)確度很高，基于激光干涉儀的振動基準(zhǔn) 裝置也被很快研制出來，并獲得廣泛的應(yīng)用。 近些年，計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和信號分 析處理技術(shù)等的發(fā)展，為振動測試技術(shù)提供了發(fā)展空間，也涌現(xiàn)了不少先進(jìn)的自動測試 系統(tǒng)。同時(shí)，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(jié)果，幾乎被 淘汰了。目前，各國振動基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室都采用了先進(jìn)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(tǒng)通常比較笨重，造價(jià)高且測試速度慢，對操作環(huán)境要求高，所 以只適合計(jì)量單位和測振儀器廠使用，而大多數(shù)的測試工作需要在野外，并不在振動臺 上進(jìn)行。但我們應(yīng)該知道，在檢波器的測試各種方法中，振動臺法是最準(zhǔn)確的方法。 目前，野外完成大部分檢波器測試任務(wù)的是采用檢波器測試儀完成的，現(xiàn)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(dāng)前 儀器主要采用直流激勵法，交流激勵法測試并未應(yīng)用于實(shí)際儀器。 直流激勵法就是給檢波器提供一個(gè)恒定電流，利用斷開電流時(shí)檢波器的輸出阻尼正 弦波的第一個(gè)和第二個(gè)峰值的幅度測試檢波器各個(gè)參數(shù)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(shù)，這是由于直流激勵法測試儀便于攜帶，易于現(xiàn)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(zhì)，采用直流信號作為激勵，由時(shí)間域信號進(jìn)行測 定和計(jì)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。《直流激勵法測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。《動圈式地震檢波器阻 尼系數(shù)測量方法的改進(jìn)》則針對直流激勵法測試儀器在O．85≤E<1時(shí)測阻尼精度不高的 問題提出了一種改進(jìn)措施。 近年來，由于直流激勵測試法已基本成熟，一些學(xué)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(fā)生器給檢波器提供一個(gè)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(jié)合測試 系統(tǒng)頻率特性分析出檢波器特性參數(shù)，我們把這種方法叫做交流激勵法。外國學(xué)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(jìn)行測試。《正弦掃頻電激勵法測量和識別動圈式檢波器特性參數(shù)》提出了采用正弦掃頻 電激勵測量動圈式檢波器特性參數(shù)的方法，該方法采用正弦掃頻信號作為激勵，對實(shí)測 頻率響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行曲線擬合并確定檢波器的特性參數(shù)，該方法測試穩(wěn)定性和精度都比較 好，測試系統(tǒng)也較簡單。但在這一方法中，了滿足檢波器特性參數(shù)盡可能不受串聯(lián)電阻 的影響，串聯(lián)電阻的阻值往往比檢波器的直流電阻大很多，這使得實(shí)測曲線的信噪比降 低。張改慧等的《地震檢波器特性參數(shù)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(jìn)，提出用正弦掃頻恒流信號對檢波器進(jìn)行激勵。 1．2．2國內(nèi)外研究趨勢 目前，從檢波器測試技術(shù)來看，振動臺法最準(zhǔn)確，但是測試速度慢，系統(tǒng)本身比較 笨重，造價(jià)較高，操作環(huán)境要求高，難以滿足現(xiàn)場的批量測試，僅僅適合計(jì)量單位和儀 器生產(chǎn)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(tài)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(zhì)量。 目前，地震檢波器測 試技術(shù)發(fā)展的趨勢主要有以下幾個(gè)方面： (1)對地震檢波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(tài)測試的理論和測試方法，重點(diǎn)要研究適合實(shí)際應(yīng)用的檢波器測試激勵方式及其 響應(yīng)分析。 (2)對測試方法中算法的改進(jìn)。通過對檢波器現(xiàn)有測試模型的深入研究，分析現(xiàn)有算 法的測試誤差，改進(jìn)現(xiàn)有測試算法或提出新的測試算法。 (3)對計(jì)算機(jī)理論及技術(shù)的提高。隨著自動控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，檢波器測 試技術(shù)充分利用計(jì)算機(jī)在控制和速度方面的優(yōu)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(tǒng)無一例外的都是采用計(jì)算芯片控制。 (4)對新技術(shù)的了解。檢波器測試需要多種技術(shù)綜合應(yīng)用，許多新技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展 也使檢波器測試方法不斷完善，如信號分析技術(shù)的發(fā)展和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展等。
