CN104793238B - 波纹管式三分量光纤光栅地震检波器 - Google Patents

波纹管式三分量光纤光栅地震检波器 Download PDF

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Abstract

一种波纹管式三分量光纤光栅地震检波器，在壳体上端设置有上盖、下端设置有底座，底座上设置有波纹管，波纹管上端设置有质量块，在质量块的上表面设置有X向光纤光栅、Y向光纤光栅、Z向光纤光栅，Y向光纤光栅一端尾纤与X向光纤光栅的尾纤熔接、另一端尾纤与Z向光纤光栅的尾纤熔接，X向光纤光栅的另一端尾纤穿出壳体外并用X向光纤接头固定在壳体上，Z向光纤光栅的另一端尾纤穿出上盖外并用Z向光纤接头固定在上盖上。本发明具有设计合理、结构简单、测量范围大、加工安装简易、灵敏度高等优点，可用于油气井中地震测量。

Description

波纹管式三分量光纤光栅地震检波器
技术领域
本发明属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种用于对油气资源井中地震勘探的光纤光栅地震检波器。
技术背景
在地震勘探过程中，通过人工方法使用震源激发出地震波，地震波经过地层岩石介质传播后，反射或透射的信号必须使用一种专门的仪器去接收，这种用于接收地震波的专用仪器就是地震检波器。随着井中地震(主要包括垂直地震剖面法和井间地震)勘探技术的迅速发展，对检波器的各项性能参数(如频率、动态范围、分辨率以及精度)要求也随之提高，目前地震勘探中普遍采用的还是传统的电磁式地震检波器。相对而言，它的级数少、检测灵敏度小、精度低、频率范围窄、易受电磁干扰、不耐高温，这些不足之处限制了井中地震勘探的发展，已不能满足高精度、高分辨率现代地震勘探的要求。因此，必须研制出高性能的地震检波器对井中地震波进行探测，以提高勘探质量。光纤光栅传感技术的出现使得这种高性能井间地震检波器的研制成为可能，它与传统的电类地震检波器相比，有不可比拟的优势，如安全防爆、灵敏度高、频率范围宽、抗电磁干扰，易于波分复用而形成传感网络等，用光纤光栅制作的高灵敏三分量检波器将对进一步提高勘探成功率、油藏采收率和延长油田生产寿命具有重要的意义。
目前，虽然关于光纤光栅振动传感器的研究很多，一些性能优秀的传感器也可以拿来作为单分量地震检波器使用。但井中地震勘探中为了得到纵横波资料进行综合解释，往往使用三分量检波器，即能同时接收纵波(P波)和两个横波(SV和SH波)的检波器。通常是将三个单分量检波器按一定方向装在一个外壳内组成。这样，虽能满足一定的需要，但毕竟检波器的特性会有细微的差异，而且三个检波器在空间中有一定距离，严格来说测量的并不是同一个点的三分量，这样就会给地震资料的解释带来误差，影响井中地震勘探的实际效果。另外，文献中也有用六根光纤光栅共质量块三维光纤光栅振动传感器的报道，但是这种方案中由光纤光栅充当了弹性敏感原件，提供了整个传感器的等效刚度，光纤光栅很容易拉断，导致传感器失效，体积大、可靠性差，且固有频率较高，工作频带很难进行调节，灵敏度低。另外，采用6根光纤光栅虽然增加了一倍的灵敏度，测量精度也更高，但也增加了成本与制造的难度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述传统地震检波器和光纤光栅地震检波器的缺点，提供一种测量结果反映同一个点纵波和横波信息，设计合理、结构简单、测量范围大、加工安装简易、灵敏度高的波纹管式三分量光纤光栅地震检波器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在壳体上端设置有上盖、下端设置有底座，底座上设置有波纹管，波纹管上端设置有质量块，在质量块上表面设置有X向光纤光栅、Y向光纤光栅、Z向光纤光栅，Y向光纤光栅一端尾纤与X向光纤光栅的尾纤熔接、另一端尾纤与Z向光纤光栅的尾纤熔接，X向光纤光栅的另一端尾纤穿出壳体外并用X向光纤接头固定在壳体上，Z向光纤光栅的另一端尾纤穿出上盖外并用Z向光纤接头固定在上盖上。
本发明的波纹管的波形为U形或C形或S形或V形，波纹管的波数为10～20、波距为1～3mm、外径为8～12mm、内径为4～10mm、壁厚0.1～0.2mm。
本发明的质量块的外径与波纹管的内径相同，质量块的质量为1～5g。
本发明的X向光纤光栅的波长为1500～1600nm，Y向光纤光栅的波长为1500～1600nm，Z向光纤光栅的波长为1500～1600nm，X向光纤光栅、Y向光纤光栅、Z向光纤光栅的波长不相同，在波长为1500～1600nm范围内，X向光纤光栅与Y向光纤光栅、Z向光纤光栅相互之间的波长差大于2nm，X向光纤光栅和Y向光纤光栅的栅区长度为2～5mm，Z向光纤光栅的栅区长度为5～10mm。
本发明的X向光纤光栅与Y向光纤光栅的栅区长度相同。
由于本发明采用了波纹管来作为检波器的弹性敏感原件，波纹管的端部设置质量块，质量块上设置X向光纤光栅、Y向光纤光栅、Z向光纤光栅，Y向光纤光栅与X向光纤光栅、Z向光纤光栅串联接，在惯性力作用下，质量块将相对于壳体和底座发生运动，使3个方向的X向光纤光栅、Y向光纤光栅、Z向光纤光栅拉伸或压缩，3个方向的光纤光栅串联。这种结构的波纹管式三分量光纤光栅地震检波器，具有设计合理、结构简单、测量范围大、加工安装简易、灵敏度高等优点，可用于油气井中地震测量。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施例。
实施例1
在图1、2中，本实施例的波纹管式三分量光纤光栅地震检波器由壳体1、上盖2、X向光纤光栅3、Z向光纤接头4、质量块5、波纹管6、Z向光纤光栅7、底座8、X向光纤接头9、Y向光纤光栅10联接构成。
在壳体1的上端通过螺纹联接安装有上盖2，壳体1的下端通过螺纹联接安装有底座8，底座8上用383耐高温胶粘接有波纹管6，也可采用焊接的方法将波纹管6焊接在底座8上。本实施例波纹管6的波形为U形、波数为20、波距为2mm、外径为10mm、内径为8mm、壁厚0.15mm，波纹管6的波形也可采用C形，也可采用S形，还可以采用V形。波纹管6的上端用383耐高温胶粘接有质量块5，也可采用焊接的方式将质量块5固定在波纹管6的上端，质量块5的外径与波纹管6的内径相同，质量块5的质量为3g，质量块5采用不锈钢材料制成，也可采用黄铜材料制成。在质量块5的上表面用383耐高温胶粘接有X向光纤光栅3、Y向光纤光栅10、Z向光纤光栅7，X向光纤光栅3的波长为1550nm，Y向光纤光栅10的波长为1555nm，Z向光纤光栅7的波长为1560nm，X向光纤光栅3的栅区长度为4mm，Y向光纤光栅10的栅区长度为4mm，Z向光纤光栅7的栅区长度为8mm，Y向光纤光栅10的一端尾纤与X向光纤光栅3的尾纤熔接，Y向光纤光栅10的另一端与Z向光纤光栅7的尾纤熔接，X向光纤光栅3的另一端尾纤穿出壳体1外并用X向光纤接头9固定在壳体1上，Z向光纤光栅7的另一端尾纤穿出上盖2外并用Z向光纤接头4固定在上盖2上。
实施例2
本实施例中，底座8上用383耐高温胶粘接有波纹管6，波纹管6的波形为U形、波数为10、波距为1mm、外径为8mm、内径为4mm、壁厚0.1mm。波纹管6的上端用383耐高温胶粘接有质量块5，质量块5的外径与波纹管6的内径相同，质量块5的质量为1g，制备质量块的材料与实施例1相同。在质量块5的上表面用383耐高温胶粘接有X向光纤光栅3、Y向光纤光栅10、Z向光纤光栅7，X向光纤光栅3的波长为1500nm，Y向光纤光栅的波长为1505nm,Z向光纤光栅7的波长为1510nm，X向光纤光栅3和Y向光纤光栅10的栅区长度为2mm，Z向光纤光栅7的栅区长度为5mm。Y向光纤光栅10与X向光纤光栅3、Z向光纤光栅7的联接关系与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例3
本实施例中，底座8上用383耐高温胶粘接有波纹管6，波纹管6的波形为U形、波数为20、波距为3mm、外径为12mm、内径为10mm、壁厚0.2mm。波纹管6的上端用383耐高温胶粘接有质量块5，质量块5的外径与波纹管6的内径相同，质量块5的质量为5g，制备质量块的材料与实施例1相同。在质量块5的上表面用383耐高温胶粘接有X向光纤光栅3、Y向光纤光栅10、Z向光纤光栅7，X向光纤光栅3的波长为1600nm，Y向光纤光栅的波长为1595nm，Z向光纤光栅7的波长为1590nm，X向光纤光栅3和Y向光纤光栅10的栅区长度为5mm，Z向光纤光栅7的栅区长度为10mm。Y向光纤光栅10与X向光纤光栅3、Z向光纤光栅7的联接关系与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例4
在以上的实施例1～3中，波纹管6和质量块5的结构与相应的实施例相同。X向光纤光栅3的波长为1505nm，Y向光纤光栅10的波长为1500nm，Z向光纤光栅7的波长为1510nm，X向光纤光栅3、Y向光纤光栅10、Z向光纤光栅7的栅区长度与相应的实施例相同。Y向光纤光栅10与X向光纤光栅3、Z向光纤光栅7的联接关系与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例5
在以上的实施例1～3中，波纹管6和质量块5的结构与相应的实施例相同。X向光纤光栅3的波长为1595nm，Y向光纤光栅10的波长为1600nm，Z向光纤光栅7的波长为1590nm，X向光纤光栅3、Y向光纤光栅10以及Z向光纤光栅7的栅区长度与相应的实施例相同。Y向光纤光栅10与X向光纤光栅3、Z向光纤光栅7的联接关系与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例6
在以上的实施例1～3中，波纹管6和质量块5的结构与相应的实施例相同。X向光纤光栅3的波长为1510nm，Y向光纤光栅10的波长为1505nm，Z向光纤光栅7的波长为1500nm，X向光纤光栅3、Y向光纤光栅10以及Z向光纤光栅7的栅区长度与相应的实施例相同。Y向光纤光栅10与X向光纤光栅3、Z向光纤光栅7的联接关系与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例7
在以上的实施例1～3中，波纹管6和质量块5的结构与相应的实施例相同。X向光纤光栅3的波长为1590nm，Y向光纤光栅的波长为1595nm，Z向光纤光栅7的波长为1600nm，X向光纤光栅3、Y向光纤光栅10、Z向光纤光栅7的栅区长度与相应的实施例相同。Y向光纤光栅10与X向光纤光栅3、Z向光纤光栅7的联接关系与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
根据上述原理还可设计出另一种具体结构的波纹管式三分量光纤光栅地震检波器，均在本发明的保护范围之内。
本发明的工作原理如下：
地震波传到检波器时，壳体1和底座8将随所在位置的质点发生振动，主要包含了竖直方向的纵波分量和水平方向的横波分量，其中横波分量又有两个分量，一个是沿测线方向振动的分量，用SV表示；另一个是垂直测线方向振动的分量，用SH表示。在惯性力作用下，质量块5将相对于壳体1和底座8发生运动，使3个方向的X向光纤光栅3、Y向光纤光栅10、Z向光纤光栅7拉伸或压缩。设质量块5质量为m，振动引起质量块5的振动加速度为a(方向为任意方向)，波纹管6的轴向刚度和径向刚度分别为kz(b)和kxy(b)，光纤在施加预应力后刚度为kf，则根据弹性力学的理论，本发明在轴向和径向的等效刚度是波纹管6与X向光纤光栅3、Y向光纤光栅10、Z向光纤光栅7串联后的结果，
可以看出增加了波纹管6使得本发明中三分量检波器的轴向和径向等效刚度均下降，且其值可以通过调整波纹管6的刚度来实现。根据振动力学理论，本发明属于加速度型振动传感器，其灵敏度S与固有频率ω0的平方成反比，即因此在降低了固有频率之后，灵敏度将得到明显的提高。
设各段光纤光栅悬空部分的长度为l，由于振动引起质量块5在X、Y、Z三个方向的位移分别为△x、△y、△z，则可以得到X向光纤光栅3上产生的应变为：
由于振动引起的位移很小，所以Δx＝l，则导致X向光纤光栅3的波长漂移为
而故
通过检测X向光纤光栅3的波长变化，就能得到X向加速度的大小。同理，可以得到Y向加速度和Z向加速度的测量，最终实现对三分量地震波的检测。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的波纹管式三分量光纤光栅地震检波器进行了实验，各种实验情况如下：
1、测定灵敏度
对本发明的灵敏度进行标定时，将本发明的X向、Y向、Z向分别垂直固定在小型精密振动台WS-Z30上，振动台最大加速度为±10G，最大位移为±5mm。选用BZ1107压电加速度传感器作为标准加速度传感器，施加1G(1G＝9.8m/s2)的正弦形加速度。光纤光栅的信号解调仪扫描频率为5000Hz，波长分辨率可达0.1pm，加速度的频率从10Hz增加到1000Hz，每次增加20Hz，分别测出X向光纤光栅3、Y向光纤光栅10、Z向光纤光栅7的波长，与三根光纤光栅在未受振动时的中心波长进行比较，得出在振动情况下的波长变化情况，能找出X向光纤光栅3、Y向光纤光栅10、Z向光纤光栅7对振动台施加加速度的灵敏度。通过标定实验，X向光纤光栅3、Y向光纤光栅10、Z向光纤光栅7的灵敏度分别为：17.2pm/G、17.6pm/G、15.8pm/G。
下表为将本发明按Z向垂直安装在振动台上，振动台输出加速度为1G，振动频率从20Hz～620Hz间隔20Hz变化下，X向光纤光栅3、Y向光纤光栅10、Z向光纤光栅7的中心波长漂移量。
实验结果见表1。
表1 不同频率下X、Y和Z向FBG的波长漂移
频率/Hz 20 40 60 80 100 120 140 160
X向FBG波长漂移量/pm 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
Y向FBG波长漂移量/pm 0.001 0.000 0.000 0.001 0.000 0.000 0.001 0.001
Z向FBG波长漂移量/pm 17.150 17.250 17.000 16.650 15.350 15.300 14.850 15.800
频率/Hz 180 200 220 240 260 280 300 320
X向FBG波长漂移量/pm 0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.000 0.000 0.000
Y向FBG波长漂移量/pm 0.000 0.000 0.001 0.000 0.000 0.001 0.000 0.000
Z向FBG波长漂移量/pm 15.600 14.050 14.250 14.150 14.200 14.300 14.250 14.600
频率/Hz 340 360 380 400 420 440 460 480
X向FBG波长漂移量/pm 0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.000 0.000 0.000
Y向FBG波长漂移量/pm 0.000 0.000 0.000 -0.001 0.000 0.000 0.001 0.000
Z向FBG波长漂移量/pm 15.300 14.300 14.650 14.950 15.850 16.550 17.350 18.150
频率/Hz 500 520 540 560 570 580 600 620
X向FBG波长漂移量/pm 0.001 0.000 0.001 0.003 0.005 0.000 0.000 0.000
Y向FBG波长漂移量/pm 0.000 0.000 0.001 0.002 0.000 -0.003 0.000 0.000
Z向FBG波长漂移量/pm 19.050 20.150 25.050 34.850 21.950 10.850 4.950 8.900
由表1可见，在振动方向为Z向时，Z向光纤光栅7的波长变化明显，在频率460Hz内，加速度与波长的变换量线性度较好，说明本发明可以在该范围内进行测量。同时，X向的X向光纤光栅3和Y向的Y向光纤光栅10无明显变化，说明Z向的振动对X向和Y向没有产生明显影响。根据类似的方法，可以测定X向和Y向的工作范围。
2、测试加速度
将正方体切出一个正三棱锥，正三棱锥的底面固定在振动台上，将本发明固定在正三棱锥的一个平面上，根据力的分解可以得到，当振动台向上的加速度为a时，在X、Y、Z向上的加速度分量均为控制振动台的频率为300Hz，加速度为17m/s2,对本发明进行测试。实验结果见表2。
表2 三分量加速度下X、Y、Z向FBG的波长
时间/ms 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014
X向FBG波长/nm 1551.038 1551.042 1551.046 1551.053 1551.056 1551.061 1551.064 1551.064
Y向FBG波长/nm 1545.836 1545.835 1545.837 1545.841 1545.844 1545.85 1545.855 1545.86
Z向FBG波长/nm 1557.548 1557.553 1557.559 1557.563 1557.563 1557.565 1557.561 1557.558
时间/ms 0.0016 0.0018 0.002 0.0022 0.0024 0.0026 0.0028 0.003
X向FBG波长/nm 1551.061 1551.057 1551.054 1551.047 1551.043 1551.038 1551.036 1551.034
Y向FBG波长/nm 1545.864 1545.865 1545.862 1545.859 1545.854 1545.848 1545.844 1545.841
Z向FBG波长/nm 1557.553 1557.546 1557.542 1557.539 1557.535 1557.536 1557.537 1557.539
时间/ms 0.0032 0.0034 0.0036 0.0038 0.004 0.0042 0.0044 0.0046
X向FBG波长/nm 1551.037 1551.038 1551.043 1551.049 1551.054 1551.059 1551.061 1551.064
Y向FBG波长/nm 1545.837 1545.835 1545.835 1545.839 1545.841 1545.848 1545.853 1545.859
Z向FBG波长/nm 1557.545 1557.55 1557.555 1557.559 1557.563 1557.564 1557.563 1557.559
时间/ms 0.0048 0.005 0.0052 0.0054 0.0056 0.0058 0.006
X向FBG波长/nm 1551.063 1551.06 1551.055 1551.05 1551.046 1551.042 1551.039
Y向FBG波长/nm 1545.863 1545.863 1545.865 1545.861 1545.858 1545.853 1545.846
Z向FBG波长/nm 1557.556 1557.55 1557.545 1557.54 1557.536 1557.534 1557.536
由表2可见，在受到三维方向加速度时，X向光纤光栅3、Y向光纤光栅10、Z向光纤光栅7都有明显变化，它们的中心波长围绕未受振动时的波长在上下波动，结合前面对三个方向光纤光栅的灵敏度定标，发现波长变化的规律与施加正弦加速度在X、Y、Z方向上的分量相同。同样，将X向光纤光栅3、Y向光纤光栅10、Z向光纤光栅7所测量的X、Y、Z向加速度进行合成，可得出总加速度为17.2m/s2，与施加加速度17m/s2相比，相对误差为1.2％。

Claims (2)

1.一种波纹管式三分量光纤光栅地震检波器，在壳体(1)上端设置有上盖(2)、下端设置有底座(8)，底座(8)上设置有波纹管(6)，波纹管(6)上端设置有质量块(5)，其特征在于：在质量块(5)上表面设置有X向光纤光栅(3)、Y向光纤光栅(10)、Z向光纤光栅(7)，Y向光纤光栅(10)一端尾纤与X向光纤光栅(3)的尾纤熔接、另一端尾纤与Z向光纤光栅(7)的尾纤熔接，X向光纤光栅(3)的另一端尾纤穿出壳体(1)外并用X向光纤接头(9)固定在壳体(1)上，Z向光纤光栅(7)的另一端尾纤穿出上盖(2)外并用Z向光纤接头(4)固定在上盖(2)上；所述的质量块(5)的外径与波纹管(6)的内径相同，质量块(5)的质量为1～5g。
2.根据权利要求1所述的波纹管式三分量光纤光栅地震检波器，其特征在于：所述的X向光纤光栅(3)与Y向光纤光栅(10)的栅区长度相同。
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