CN112925037B - 一种超小口径三分量mems井中重力测量装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超小口径三分量MEMS井中重力测量装置和系统，属于地球物理勘探技术领域，所述装置包括：正交堆叠放置的三个独立的MEMS重力探头；各个MEMS重力探头从内至外依次包括：MEMS传感器(13)，用于进行重力测量；恒温恒压机构(12)，用于为MEMS传感器(13)提供恒温恒压环境；伺服调平机构(11)，用于控制MEMS传感器(13)的指向，以使MEMS传感器(13)在指向准确的情况下进行井下重力探测获取重力信号。本发明通过正交垂向堆叠放置的三个独立的MEMS重力探头设计出超小口径三分量MEMS井中重力测量装置和系统，能够适用于外口径小于50mm井眼且低成本地实现重力探测；还能够在50mm外径范围内增加MEMS传感器(13)的尺寸，以提高MEMS重力探头的测量精度。

Description

一种超小口径三分量MEMS井中重力测量装置和系统

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，更具体地，涉及一种超小口径三分量MEMS井中重力测量装置和系统。

背景技术

井中重力测量是在重力勘探中将重力仪放入钻孔中测定垂向重力变化的方法，它是一种无源的密度测井方法。不同于传统的地面重力测量，由于测井环境中钻孔孔径小、深度大且充有钻井液，重力仪必须直径小、耐高温高压、能自动调平和读数。

对井中重力测量及数据处理的研究始于上世纪五十年代，并于上世纪六十年代被应用于储层的预测与评价。自上世纪60年代起美国、苏联等国家开始研制井中重力仪，但直到1972年才由壳牌石油公司、埃索(Esso) 生产公司和拉克斯特-隆贝格(LaCoste&Romberg)公司制成满足实际应用的仪器。其中LaCoste&Romberg仪器为零长弹簧型，属于一种小型化、强阻尼的重力仪，其精度达到16μGal，内部恒温38.3℃，能够在井斜6.5°的钻孔中正常工作。埃索仪器为振弦式重力仪，其重复性与稳定性较 LaCoste&Romberg仪器更差，但是造价成本仅为LaCoste&Romberg仪器的四分之一。苏联于1958年首次进行井中重力测量，使用由苏联地球物理所设计制造的TCK-175石英型重力仪，并于1964年开始使用其改进型 TCK-130。该型号采用钻杆或测井绞车电缆下井，外径为130mm，精度为 400-500μGal。尽管有着不错的稳定性，但是与LaCoste&Romberg仪器相比，精度上相差一个数量级。第一代井中重力仪由于外径较大、仅能在竖直井中工作，因此仅被广泛用于油井勘探。随着电子测量技术和遥测技术的进步，第二代井中重力仪于20世纪末投入使用。重力探头为地面重力测量广泛采用的熔融石英和金属零长弹簧。目前最为先进的产品为LaCoste& Romberg-Scintrex(LRS)公司针对细井的Gravilog石英弹簧井中重力仪和针对高温高压环境的Bluecap金属零长弹簧井中重力仪，分辨率为1μGal，重复精度高达7μGal。其中Bluecap仪器的直径仅为60.3mm，可以在井斜95°的钻孔中正常使用，且能在150℃高温和103MPa的高压下连续工作30小时以上。

一般来讲，井中重力仪与陆地重力仪的重力传感部分在原理结构上并没有根本区别，均属于相对重力仪。但是由于恶劣的井下环境，井中重力仪需要克服极端的温度、震动、压力等环境扰动。为了使地质勘探向深部资源开采发展，更小口径的井下仪器成为迫切需求，传统的井中重力仪不仅价格昂贵，且无法满足针对深部矿藏开采对于小口径井眼的尺寸需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超小口径三分量MEMS井中重力测量装置和系统，其目的在于通过三个独立且正交堆叠的MEMS重力探头设计三分量MEMS井中重力测量装置和系统，适用于超小口径的井眼，且能够低成本地实现重力探测，由此解决现有技术的井中重力仪不仅价格昂贵，且无法满足针对深部矿藏开采对于小口径井眼的尺寸需求的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种超小口径三分量MEMS井中重力测量装置，包括：

正交堆叠放置的三个独立的MEMS重力探头；各个所述MEMS重力探头从内至外依次包括：

MEMS传感器，用于进行重力测量；

恒温恒压机构，用于为所述MEMS传感器提供恒温恒压环境；

伺服调平机构，用于控制所述MEMS传感器的指向，以使所述MEMS 传感器在指向准确的情况下进行井下重力探测获取重力信号。

在其中一个实施例中，所述三个独立的MEMS重力探头分别为X轴 MEMS重力探头、Y轴MEMS重力探头和Z轴MEMS重力探头。

在其中一个实施例中，所述Z轴MEMS重力探头的敏感轴方向与所述超小口径三分量MEMS井中重力测量装置的轴向方向一致，其工作点与内部跟随所述Z轴MEMS重力探头移动的检验质量的初始位置的中点不重合；

所述X轴MEMS重力探头和所述Y轴MEMS重力探头的敏感轴方向均与所述超小口径三分量MEMS井中重力测量装置的轴向方向垂直，且各自的工作点与其内部跟随移动的检验质量的中点重合。

在其中一个实施例中，所述MEMS传感器包括依次连接的：

弹簧振子结构，包括：相互连接的预拉伸弹簧和检验质量，所述弹簧振子结构用于利用所述预拉伸弹簧使所述检验质量在1g重力的作用下运动至位移检测的工作点处，以使重力测量的非线性减弱；

平行板电容器结构，用于当所述检验质量进行跟随所述MEMS重力探头位移时，电容值发生变化，将位移信号转变为电容值的改变；

位移检测电路，用于测量所述电容值的变化量获取所述检验质量的位移量，进而获取井内的重力信号。

在其中一个实施例中，所述平行板电容器结构包括：平板电极基板和两个电容极板，两个所述电容极板分别处于所述平板电极基板的两侧面上，所述平行板电容器结构是通过MEMS工艺制备出百微米级的梳齿阵列平行板电容器，极板间距30微米，实现高精度的电容增益。

在其中一个实施例中，所述超小口径三分量MEMS井中重力测量装置2的外径口小于50mm。

按照本发明的另一方面，提供了一种超小口径三分量MEMS井中重力测量系统，包括：

真空保温装置，用于提供真空和保温的环境；

所述的超小口径三分量MEMS井中重力测量装置，位于真空保温装置内部，包括正交堆叠放置的三个独立的MEMS重力探头，用于进行井下重力探测以获取重力信号；

数字采集装置，与所述超小口径三分量MEMS井中重力测量装置连接，用于将所述三个轴向的重力探头测量到的所述重力信号转化为数字信号；

地面仪器，与所述数字采集装置通信连接，用于接收所述数字信号并进行数据分析和显示。

在其中一个实施例中，所述真空保温装置包括：真空隔热套管和吸热剂，所述真空隔热套管与所述吸热剂形成密闭的隔热保温腔室，以使所述真空隔热套管内部温度维持稳定，以抑制井眼内温度波动对所述三分量 MEMS井中重力测量装置产生影响。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.与传统井中重力仪而言，本方案装置口径极小，适用于小井眼应用。本方案通过正交垂向堆叠放置的方式，从而在50mm外径范围内有效增加 MEMS传感器的几何尺寸，以提高MEMS重力探头的测量精度。

2.本发明中将内部恒温恒压装置限制到MEMS传感器周围的极小环境中，极大的提高了温控的精度和压力的稳定性，使仪器的温度和气压的稳定性显著提高。

3.本发明中将预拉伸弹簧应用于Z轴MEMS传感器中，在有限的尺寸下克服了重力加速度导致传感器下垂量的影响。

4.本发明中三轴重力探头加工工艺完全相同，可以大批量加工，三个轴的加工一致性得到显著提高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种超小口径三分量MEMS井中重力测量装置2示意图；

图2是本发明实施例提供的Z轴MEMS重力探头4示意图；

图3是本发明实施例提供的X、Y轴和Z轴MEMS传感器13结构分别在重力作用下的工作点21状态示意图；

图4是本发明实施例提供的Z轴MEMS传感器13的硅基弹簧振子结构示意图。

在所有附图中，x轴表示水平方向，z轴表示重力方向，g表示重力加速度，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为真空隔热套管，2为三分量MEMS井中重力测量装置，3为吸热剂， 4为Z轴MEMS重力探头，5为X轴MEMS重力探头，6为Y轴MEMS 重力探头，7为数字采集装置，8为电源与通信模块，9为常温承压套管， 10为三分量MEMS井中重力装置的底端，11为伺服调平机构，12为恒温恒压机构，13为Z轴MEMS传感器，14为预拉伸弹簧，15为弹簧振子结构，16为平板电极基板，17为电容极板，18为位移检测电路，20为弹簧振子结构的检验质量，21为Z轴MEMS传感器13的工作点，22为X和Y 轴MEMS传感器13的工作点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

按照本发明的一个方面，提供了一种超小口径三分量MEMS井中重力测量装置2，包括：正交堆叠放置的三个独立的MEMS重力探头；各个MEMS 重力探头从内至外依次包括：

MEMS传感器13，用于进行重力测量；

恒温恒压机构12，用于为MEMS传感器13提供恒温恒压环境；

伺服调平机构11，用于控制MEMS传感器13的指向，以使MEMS传感器13在指向准确的情况下进行井下重力探测获取重力信号。

具体的，本发明实施例中提供的了一种超小口径三分量MEMS井中重力测量装置2，如图1所示；超小口径三分量MEMS井中重力测量装置2 包括真空隔热套管1、吸热剂3、三分量MEMS井中重力测量装置2、数字采集装置7、电源与通信模块8、常温承压套管9。三个轴向的重力探头分别为Z轴MEMS重力探头4、X轴MEMS重力探头5和Y轴MEMS重力探头6沿着仪器的轴向方向，采用堆叠的方式且成正交放置。真空隔热套管1与吸热剂3形成一个密闭的隔热保温腔室，使套管内部温度维持稳定，抑制井眼内温度波动对重力探头的影响。三个轴向的重力探头4、5、6测量到的重力信号通过数字采集装置7转变为数字信号，通过电源与通信模块8由测井电缆的通讯总线传至地面仪器。其中，10为三分量MEMS井中重力装置的底端。

MEMS重力探头的结构示意图如图2所示，由高精度MEMS传感器13、恒温恒压机构12、伺服调平机构11组成。以Z轴MEMS重力探头为例进行描述，高精度MEMS传感器13通过一个极低频(15Hz左右)的MEMS 弹簧振子结构15作为主体，其检验质量20会随外界的运动而发生移动，通过预拉伸弹簧14可以使检验质量20在1g重力的作用下使检验质量20 运动至位移检测的工作点21处，使重力测量的非线性减弱。当MEMS弹簧振子结构15不受外力干扰时，其预拉伸弹簧14与当地的重力平衡， MEMS弹簧振子结构15保持不变。当重力值发生变化时，其MEMS弹簧振子结构15会发生位移。

如图3所示，为MEMS器件分别在X、Y轴和Z轴的工作点状态示意图。通过图3中(a)和3中(b)进行对比，可以发现，X、Y和Z轴器件的主要区别就是重力的方向与待测值方向是否一致，对于Z轴器件。如图3中(a)，其重力方向与MEMS器件的敏感轴方向一致，工作点21与检验质量20的中点不重合；对于X、Y轴器件，如图3中(b)，其重力方向与MEMS器件的敏感轴方向垂直，工作点22与检验质量20的中点重合。因此Z轴器件的检验质量通过预拉伸弹簧14，使工作点21与检验质量20的中点重合，可以有效抵消重力作用的影响。三个轴向的器件其工作点都在框架的几何中点，使得仪器的稳定性和动态范围更优。

在其中一个实施例中，三个独立的MEMS重力探头分别为X轴MEMS 重力探头5、Y轴MEMS重力探头6和Z轴MEMS重力探头4。其中，在本发明实施例中，Z轴MEMS传感器利用预拉伸弹簧14的结构，补偿由于重力所导致的质量块的偏移。

在其中一个实施例中，Z轴MEMS重力探头4的敏感轴方向与超小口径三分量MEMS井中重力测量装置2的轴向方向一致，其工作点21与内部跟随Z轴MEMS重力探头4移动的检验质量20的中点不重合；X轴 MEMS重力探头5和Y轴MEMS重力探头6的重力方向均与超小口径三分量MEMS井中重力测量装置2的敏感轴方向垂直，且各自的工作点22与其内部跟随移动的检验质量20的中点重合。

在其中一个实施例中，MEMS传感器13包括依次连接的：弹簧振子结构15，包括：相互连接的预拉伸弹簧14和检验质量20，弹簧振子结构15 用于利用预拉伸弹簧14使检验质量20在1g重力的作用下运动至位移检测的工作点21处，以使重力测量的非线性减弱；平行板电容器结构，用于当检验质量20进行跟随MEMS重力探头位移时，电容值发生变化；位移检测电路18，用于测量电容值的变化量获取检验质量20的位移量，进而获取井内的重力信号。

在弹簧振子结构15的运动平面外，另一平板电极基板16通过封装的方式与弹簧振子结构15形成20微米的间隙，其表面的电容极板17在两个面上组成平行板电容器结构，通过MEMS工艺制备出极小尺寸(百威米) 的梳齿阵列平行板电容器，通过位移检测电路18测量检验质量20的位移，通过测量这个微小位移(10^-12m量级)就可以得到当地的重力值。

如图4所示，为Z轴MEMS器件的硅基弹簧振子结构的示意图。弹簧振子结构15通过深反应离子刻蚀工艺刻蚀硅片产生，检验质量20通过柔性弹簧与框架相连，上下两组弹簧为了使结构能够承受1g的重力作用，采用预拉伸弹簧14，上部预拉伸弹簧14伸张，下部预拉伸弹簧14压缩。在重力作用下，弹簧振子结构15运动至机械零点21，开始进行重力测量。

在其中一个实施例中，平行板电容器结构包括：平板电极基板16和两个电容极板17，两个电容极板17分别处于平板电极基板16的两侧面上，平行板电容器结构是通过MEMS工艺制备出百微米级的梳齿阵列平行板电容器。

在其中一个实施例中，超小口径三分量MEMS井中重力测量装置2的外径口小于50mm。

本实施例，通过将预拉伸弹簧14引入MEMS结构中，使得传感器在竖直方向能够克服重力作用仍能正常工作，配合高精度的电容位移传感电路，可以实现竖直轴的高精度的重力测量。结合井下仪器的恒温恒压手段，将井下重力仪的口径进一步缩小至50mm，能够满足深部资源开采的需求。

按照本发明的另一方面，提供了一种超小口径三分量MEMS井中重力测量系统1，包括：真空保温装置，用于提供真空和保温的环境；超小口径三分量MEMS井中重力测量装置2，位于真空保温装置内部，包括正交堆叠放置的三个独立的MEMS重力探头，用于进行井下重力探测以获取重力信号；数字采集装置7，与超小口径三分量MEMS井中重力测量装置2连接，用于将三个轴向的重力探头测量到的重力信号转化为数字信号；地面仪器，与数字采集装置7通信连接，用于接收数字信号并进行数据分析和显示。

本发明提供了一种超小口径三分量MEMS井中重力测量系统1，包括：真空保温系统和三分量MEMS井中重力测量装置2；其中，真空系统能够提供真空和保温的环境；三分量MEMS井中重力测量装置2位于真空保温系统内部，三分量MEMS井中重力装置正交垂向放置，尽可能缩小仪器的口径。

在本发明实施例中，真空保温系统利用隔热材料和吸热剂3两部分为三分量MEMS井中重力测量装置2隔离井眼内部的高温环境。

在本发明实施例中，恒温恒压机构12和伺平调节机构11使重力探头进一步隔离外部环境，使仪器测量稳定。

在其中一个实施例中，真空保温装置包括：真空隔热套管1和吸热剂3，真空隔热套管1与吸热剂3形成密闭的隔热保温腔室，以使真空隔热套管1 内部温度维持稳定，以抑制井眼内温度波动对三分量MEMS井中重力测量装置产生影响。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超小口径三分量MEMS井中重力测量装置，其特征在于，包括：

正交堆叠放置的三个独立的MEMS重力探头；各个所述MEMS重力探头从内至外依次包括：

MEMS传感器(13)，用于进行重力测量；

恒温恒压机构(12)，用于为所述MEMS传感器(13)提供恒温恒压环境；

伺服调平机构(11)，用于控制所述MEMS传感器(13)的指向，以使所述MEMS传感器(13)在指向准确的情况下进行井下重力探测获取重力信号；

所述三个独立的MEMS重力探头分别为：Z轴MEMS重力探头(4)，X轴MEMS重力探头(5)和Y轴MEMS重力探头(6)；

所述Z轴MEMS重力探头(4)的敏感轴方向与所述超小口径三分量MEMS井中重力测量装置(2)的轴向方向一致，所述Z轴MEMS重力探头(4)的检验质量(20)通过预拉伸弹簧(14)使其工作点(21)与内部跟随所述Z轴MEMS重力探头(4)移动的检验质量(20)的初始位置的中点不重合，以有效抵消重力作用的影响；

所述X轴MEMS重力探头(5)和所述Y轴MEMS重力探头(6)的敏感轴方向均与所述超小口径三分量MEMS井中重力测量装置(2)的轴向方向垂直，且各自的工作点(22)与其内部跟随移动的检验质量(20)的初始位置的中点重合。

2.如权利要求1所述的超小口径三分量MEMS井中重力测量装置，其特征在于，所述MEMS传感器(13)包括依次连接的：

弹簧振子结构(15)，包括：相互连接的预拉伸弹簧(14)和检验质量(20)，所述弹簧振子结构(15)用于利用所述预拉伸弹簧(14)使所述检验质量(20)在1g重力的作用下运动至位移检测的工作点(21)处，以使重力测量的非线性减弱；

平行板电容器结构，用于当所述检验质量(20)进行跟随所述MEMS重力探头位移时，电容值发生变化，将位移信号转变为电容值的改变；

位移检测电路(18)，用于测量所述电容值的变化量获取所述检验质量(20)的位移量，进而获取井内的重力信号。

3.如权利要求2所述的超小口径三分量MEMS井中重力测量装置，其特征在于，所述平行板电容器结构包括：

平板电极基板(16)和两个电容极板(17)，两个所述电容极板(17)分别处于所述平板电极基板(16)的两侧面上，所述平行板电容器结构是通过MEMS工艺制备出百微米级的梳齿阵列平行板电容器，极板间距20微米，实现高精度的电容增益。

4.如权利要求1-3任一项所述的超小口径三分量MEMS井中重力测量装置，其特征在于，所述超小口径三分量MEMS井中重力测量装置(2)的外径口小于50mm。

5.一种超小口径三分量MEMS井中重力测量系统，其特征在于，包括：

真空保温装置，用于提供真空和保温的环境；

权利要求1-4任一项所述的超小口径三分量MEMS井中重力测量装置(2)，位于真空保温装置内部，包括正交堆叠放置的三个独立的MEMS重力探头，用于进行井下重力探测以获取重力信号；

数字采集装置(7)，与所述超小口径三分量MEMS井中重力测量装置(2)连接，用于将所述三个轴向的重力探头测量到的所述重力信号转化为数字信号；

地面仪器，与所述数字采集装置(7)通信连接，用于接收所述数字信号并进行数据分析和显示。

6.如权利要求5所述的一种超小口径三分量MEMS井中重力测量系统，其特征在于，所述真空保温装置包括：

真空隔热套管(1)和吸热剂(3)，所述真空隔热套管(1)与所述吸热剂(3)形成密闭的隔热保温腔室，以使所述真空隔热套管(1)内部温度维持稳定，以抑制井眼内温度波动对所述三分量MEMS井中重力测量装置产生影响。

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