CN112327352B - 基于多芯光纤的地震波加速度矢量检波器 - Google Patents

基于多芯光纤的地震波加速度矢量检波器 Download PDF

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Abstract

一种基于多芯光纤的地震波加速度矢量检波器，封闭式金属壳体内中部连为一体设置有固定基座，固定基座轴心处加工有通孔，通孔内固设有多芯光纤，固定基座上表面设置有波纹管，波纹管上方设置有质量块，多芯光纤的一端依次穿过波纹管、质量块穿出金属壳体顶部，多芯光纤与质量块固定，位于波纹管内多芯光纤上刻写有第一光栅组，多芯光纤另一端端部固设有质量球，位于固定基座与质量球之间的多芯光纤上刻写有第二光栅组。本发明将多个光栅集成一体，具有结构紧凑、尺寸小巧、采用一根光纤即可实现振动加速度多分量检测的优点。

Description

基于多芯光纤的地震波加速度矢量检波器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及到一种地震波加速度矢量检波器。
背景技术
地震勘探是利用人工激发产生的地震波在弹性系数不同的地层内的传播规律来定位油气藏的方法。而井中地震勘探，避开了地表低速带对地震信号高频成分的吸收，并能更好地接收来自地层内的地震信号，因而能提供更高的信噪比、更宽的频率范围，是所有地震方法中对油气藏具有最高分辨率表征和最精细描述的方法。目前针对我国探明率低、储层深、低渗透率高、勘探难等复杂油气藏问题，国内用于井中地震勘探的传统检波仪器主要以进口的电类检波器为主，大多为井下“有源”器件，其响应频带、空间分辨率、抗电磁场干扰、耐高温高压等性能以及在井下恶劣环境中使用，均存在着本质的不足，而且技术受制于人，维护成本极高。因此亟需研究高灵敏度、多分量、耐高温高压的检波新技术和密集化阵列分布的复用新技术。
井中地震勘探光纤多分量检波技术，较传统的检波方法具有器件结构紧凑、检测精度高、动态范围大等优势，而且可以快速采集海量数据并高速传输，有望解决当前对复杂油气藏的井中地震勘探存在的瓶颈问题。光纤传感技术应用于井中地震检波的技术，其核心器件检波器，目前，多分量检波器主要是对三分量的检测，其结构都是由三个正交方向的独立探测合成，导致检波器结构复杂，尺寸较大，而且不利于多点级联复用，在小井眼井、加压井、完井管柱限制的井下环境进行勘测，对检波器结构尺寸控制提出了十分苛刻的要求，应用于油田现场的技术难度和风险挑战也很大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有光纤光栅检波器因多个正交方向合成而导致的结构复杂、多分量一致性差、检波效率低、多级复用能力不足的问题，提供一种设计合理、结构简单紧凑、检测精度高、体积小、可重复使用的基于多芯光纤的地震波加速度矢量检波器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：封闭式金属壳体内中部连为一体设置有固定基座，固定基座轴心处加工有通孔，通孔内固设有多芯光纤，固定基座上表面设置有波纹管，波纹管上方设置有质量块，多芯光纤的一端依次穿过波纹管、质量块穿出金属壳体顶部，多芯光纤与质量块固定，位于波纹管内多芯光纤上刻写有第一光栅，位于壳体内固定基座下方多芯光纤另一端端部固设有质量球，固定基座与质量球之间的多芯光纤上刻写有第二光栅。
作为一种优选的技术方案，所述的多芯光纤的纤芯数量为3～9根。
作为一种优选的技术方案，所述的多芯光纤的1根纤芯上刻写有第一光栅、其他2或3根纤芯上刻写第二光栅，构成第二光栅组，位于不同纤芯上的第二光栅的位置相同、栅区长度相等、中心波长不相等。
作为一种优选的技术方案，所述的第一光栅与第二光栅之间的距离为20～60mm，第一光栅与第二光栅的栅区长度相等为1～10mm、中心波长不相等。
作为一种优选的技术方案，所述的金属壳体的壁厚为1～10mm、长度为120～150mm、内径为15～30mm。
作为一种优选的技术方案，所述的固定基座为圆柱体，厚度为10～30mm，外径与金属壳体内径相同。
作为一种优选的技术方案，所述的金属壳体为：中间管上端设置有上连接管、下端设置有下连接管，上连接管上端设置有上堵头，下连接管下端设置有下堵头。
作为一种优选的技术方案，所述的下堵头的形状为锥形体。
本发明的有益效果如下：
本发明采用多芯光纤将多个光栅集成一体，结构紧凑，尺寸小巧，而且一根光纤即可实现振动加速度多分量检测，同时快速获取频率和方向信息，光栅位于不同的纤芯上避免通道间信号串扰，系统集成化程度高，利于地震信号的高效耦合；易于复用，可实现单纤多位置检测。
本发明解决现有光纤光栅检波器因多个正交方向合成而导致的结构复杂、多分量一致性差、检波效率低、多级复用能力不足等瓶颈问题，拓展光纤传感技术在地层能源勘探，尤其是在小井眼井、加压井、低渗透率井和完井管柱限制的井下环境进行勘测的应用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明实施例1振动试验响应图。
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方式。
在图1中，本实施例的基于多芯光纤的地震波加速度矢量检波器由上堵头1、上连接管2、质量块3、波纹管5、多芯光纤6、中间管7、固定基座8、下连接管10、质量球11、下堵头12连接构成。
中间管7上端螺纹连接有上连接管2、下端螺纹连接有下连接管10，中间管7内焊接有圆柱体固定基座8，固定基座8厚度为20mm，固定基座8轴心处加工有通孔，通孔孔径为300μm，通孔内有用胶固定有多芯光纤6，该多芯光纤6为七芯光纤，固定基座8上表面用胶固定安装有波纹管5，波纹管5上方用胶固定安装有质量块3，波纹管5和质量块3位于上连接管2内，上连接管2上端过盈配合有上堵头1，七芯光纤的一端依次穿过波纹管5、质量块3并穿出上堵头1，七芯光纤与质量块3用胶固定，位于波纹管5内七芯光纤的1根纤芯上刻写有第一光栅4，用于检测Z方向的振动，第一光栅4的栅区长度为5mm、中心波长为1552.5nm(与后面附图的实验数据一致)，位于下连接管10内七芯光纤另一端端部用胶固定有质量球11，位于固定基座8与质量球11之间，七芯光纤的2根纤芯上均刻写有第二光栅，构成第二光栅组9，第二光栅组9与第一光栅4位于不同的纤芯上，第一光栅4与第二光栅组9之间的距离为30mm，第二光栅的栅区长度与第一光栅的栅区长度相等为5mm、中心波长分别为1551.95nm和1552.05nm，下连接管10下端螺纹连接有下堵头12，下堵头12的形状为锥形体，有利于信号耦合并便于插入地里，中间管7、上连接管2、下连接管10、上堵头1、下堵头12构成壳体，材质为316L不锈钢，壁厚为2mm、长度为130mm、内径为20mm。本实施例的工作原理如下：
当振动信号作用到壳体时，上半部分通过固定基座8传导到波纹管5，波纹管与质量块3一起振动，因第一光栅4与质量块3相连，即可感知Z方向的振动。下半部分是用于检测XOY平面的二维振动信息，固定基座8直接将信号传导到第二光栅组9，由于七芯光纤的外围纤芯在不同的几何位置，受到振动调制的深度不同，即波长漂移量不一样。根据下式得到XOY平面的振动加速度方位角θv为：
Figure BDA0002693656900000041
式中，λi为七芯光纤中第i根刻有第二光栅的纤芯的波长，Δλi为七芯光纤中第i根刻有第二光栅的纤芯的波长变化量，θi为第i根刻有第二光栅的纤芯与参考方向的夹角，λj为七芯光纤中第j根刻有第二光栅的纤芯的波长，Δλj为七芯光纤中第j根刻有第二光栅的纤芯的波长变化量，θj为第j根纤芯与参考方向的夹角，参考位置确定，则θi、θj均为已知，通过检测两个纤芯的波长漂移量，则振动方向即可确定，再结合波长漂移量和相应的方位角，即可算出加速度大小。
如果多芯光纤有中间芯，则振动时因结构对称性而波长保持不变，可用于温度补偿。在XOY平面和Z方向的振动信号都获得后，经过矢量合成，可得到三维的振动信息。
实施例2
在本实施例中，中间管7上端螺纹连接有上连接管2、下端螺纹连接有下连接管10，中间管7内焊接有圆柱体固定基座8，固定基座8厚度为10mm，固定基座8轴心处加工有通孔，通孔孔径为300μm，通孔内有用胶固定有多芯光纤6，该多芯光纤6为三芯光纤，固定基座8上表面用胶固定安装有波纹管5，波纹管5上方用胶固定安装有质量块3，波纹管5和质量块3位于上连接管2内，上连接管2上端过盈配合有上堵头1，三芯光纤的一端依次穿过波纹管5、质量块3并穿出上堵头1，三芯光纤与质量块3用胶固定，位于波纹管5内三芯光纤的1根纤芯上刻写有第一光栅4，用于检测Z方向的振动，第一光栅4的栅区长度为1mm、中心波长为1552nm，位于下连接管10内三芯光纤另一端端部用胶固定有质量球11，位于固定基座8与质量球11之间，三芯光纤的另外2根纤芯上均刻写有第二光栅，构成第二光栅组9，第二光栅组9与第一光栅4位于不同的纤芯上，第一光栅4与第二光栅组9之间的距离为30mm，第二光栅的栅区长度与第一光栅的栅区长度相等为1mm、中心波长为1552.1nm，下连接管10下端螺纹连接有下堵头12，下堵头12的形状为锥形体，有利于信号耦合并便于插入地里，中间管7、上连接管2、下连接管10、上堵头1、下堵头12构成壳体，材质为316L不锈钢，壁厚为1mm、长度为120mm、内径为15mm。
实施例3
在本实施例中，中间管7上端螺纹连接有上连接管2、下端螺纹连接有下连接管10，中间管7内焊接有圆柱体固定基座8，固定基座8厚度为10mm，固定基座8轴心处加工有通孔，通孔孔径为300μm，通孔内有用胶固定有多芯光纤6，该多芯光纤6为九芯光纤，固定基座8上表面用胶固定安装有波纹管5，波纹管5上方用胶固定安装有质量块3，波纹管5和质量块3位于上连接管2内，上连接管2上端过盈配合有上堵头1，九芯光纤的一端依次穿过波纹管5、质量块3并穿出上堵头1，九芯光纤与质量块3用胶固定，位于波纹管5内九芯光纤的1根纤芯上刻写有第一光栅4，用于检测Z方向的振动，第一光栅4的栅区长度为10mm、中心波长为1552nm，位于下连接管10内九芯光纤另一端端部用胶固定有质量球11，位于固定基座8与质量球11之间，九芯光纤的3根纤芯上均刻写有第二光栅，构成第二光栅组9，第二光栅组9与第一光栅4位于不同的纤芯上，第一光栅4与第二光栅组9之间的距离为60mm，第二光栅的栅区长度与第一光栅的栅区长度相等为10mm、中心波长为1552.1nm，下连接管10下端螺纹连接有下堵头12，下堵头12的形状为锥形体，有利于信号耦合并便于插入地里，中间管7、上连接管2、下连接管10、上堵头1、下堵头12构成壳体，材质为316L不锈钢，壁厚为10mm、长度为150mm、内径为30mm。
为了验证本发明的有益效果，发明人以实施例1进行了如下试验：
基于多芯光纤的地震波加速度矢量检波器中七芯光纤的中间纤芯上刻写第一光栅用于测试Z轴方向的振动，外围间隔120°的两根纤芯即通道b和通道c上刻写第二光栅，用于测试XOY平面的振动，将七芯光纤接入微光公司的SM130解调仪，基于多芯光纤的地震波加速度矢量检波器固定在振动台上，施加不同的加速度和频率，在不同的角度测试。当施加0.5m/s2的加速度，在40Hz振动激励信号，加速度的灵敏度响应，都在300pm/m/s2以上，如图2。
因此，本发明可以实现振动加速度多分量检测，同时快速获取频率和方向信息，灵敏度高；而且避免通道间信号串扰，系统集成化程度高，利于地震信号的高效耦合，易于复用，可实现单纤多位置检测。

Claims (7)

1.一种基于多芯光纤的地震波加速度矢量检波器，其特征在于：封闭式金属壳体内中部设置有固定基座（8），固定基座（8）与金属壳连为一体，固定基座（8）轴心处加工有通孔，通孔内固设有多芯光纤（6），固定基座（8）上表面设置有波纹管（5），波纹管（5）上方设置有质量块（3），多芯光纤（6）的一端依次穿过波纹管（5）、质量块（3）穿出金属壳体顶部，多芯光纤（6）与质量块（3）固定，位于波纹管（5）内多芯光纤（6）上刻写有第一光栅（4），位于壳体内固定基座（8）下方多芯光纤（6）另一端端部固设有质量球（11），固定基座（8）与质量球（11）之间的多芯光纤（6）上刻写有第二光栅，所述多芯光纤（6）的1根纤芯上刻写有第一光栅（4）、其他2或3根纤芯上刻写第二光栅，构成第二光栅组（9），位于不同纤芯上的第二光栅的位置相同、栅区长度相等、中心波长不相等。
2.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的地震波加速度矢量检波器，其特征在于：所述的多芯光纤（6）的纤芯数量为3～9根。
3.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的地震波加速度矢量检波器，其特征在于：所述的第一光栅（4）与第二光栅之间的距离为20～60mm，第一光栅与第二光栅的栅区长度相等为1~10mm、中心波长不相等。
4.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的地震波加速度矢量检波器，其特征在于：所述的金属壳体的壁厚为1~10mm、长度为120～150mm、内径为15～30mm。
5.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的地震波加速度矢量检波器，其特征在于：所述的固定基座（8）为圆柱体，厚度为10~30mm，外径与金属壳体内径相同。
6.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的地震波加速度矢量检波器，其特征在于所述的金属壳体为：中间管（7）上端设置有上连接管（2）、下端设置有下连接管（10），上连接管（2）上端设置有上堵头（1），下连接管（10）下端设置有下堵头（12）。
7.根据权利要求6所述的基于多芯光纤的地震波加速度矢量检波器，其特征在于所述的下堵头（12）的形状为锥形体。
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