CN1256597C

CN1256597C - 三分量数字地震勘探检波器

Info

Publication number: CN1256597C
Application number: CN 03131532
Authority: CN
Inventors: 郭建; 宗遐龄; 刘志成; 马国庆; 李守才
Original assignee: Nanjing Petroelumn Exploration Inst Petroleum Exploration Development Academy
Current assignee: Nanjing Petroelumn Exploration Inst Petroleum Exploration Development Academy
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2023-05-23
Also published as: CN1460867A

Abstract

一种三分量数字地震勘探检波器，主要是用三个MEMS加速度传感器按X轴、Y轴和Z轴三个相互垂直的方向放置，其信号输出与三路24位模/数转换器相连，再经带CAN总线单片机芯片就可以直接输出经数字化后的地震信号。具有低频响应性能好，在0到500Hz之间的响应曲线几乎平坦；动态范围大，可达100dB；矢量保真度高，其轴间串扰只有1%；同时还能通过分析每个传感器检测到的静态g的大小来判断其埋放垂直度作为方向余弦与该道的地震道数据存储在一起，能在数据处理中心恢复其真正垂直方向的矢量值，所以还有利于提高埋放检波器的野外施工效率。最适合数字化地震勘探系统作接收地震波传感器使用。

Description

三分量数字地震勘探检波器

技术领域

本发明涉及一种检测地震勘探中人工激发的地震信号的反射波并将其转换电信号的将置，属于地震勘探领域。

背景技术

地震检波器是石油和天然气地震勘探中大量使用的传感器，它的用途就是检测地震勘探中人工激发的地震信号。

地震勘探法目前仍然是在陆地和海洋勘探石油和天然气的主要手段。其基本方法是在勘探靶区的地面上埋放数千乃至上万只地震波传感器(即地震检波器)，在海上则是用海洋勘探船拖放数根1-2公里长的海上漂缆(漂缆每隔数十米包裹一个地震检波器)，然后用炸药(在陆地)或高压空气枪(在海上)激发人工地震。地震波向地下深处传播，遇到不同性质地层的分界面就会产生反射，地震检波器拾取到反射波并将其转换成模拟电信号，然后由高精度的数字地震仪把这些模拟电信号转换成数字信号记录下来。实际施工时即使是上万只地震检波器也只能覆盖整个勘探靶区的一小部分面积，所以埋放地震检波器的接收平面必须不断移动，并逐点放炮以遍及整个勘探靶区面积。野外勘探接收到的大量数据还要拿到室内用高速计算机进行复杂的信号处理才能得到清晰可靠的地下构造成象，最终确定开采石油和天然气的钻井位置和深度。

随着电子技术和计算机技术的飞速发展，用于地震勘探的数字地震仪器、计算机以及软件处理手段已经达到很先进的水平。但是目前各地震队伍使用的地震检波器却仍然是已经沿用了五十多年的动圈式机电感应传感器。虽然经过五十年不断的改进与发展，动圈式机电感应传感器在体积，坚固性，灵敏度、失真度等技术性能上有了很多提高，但这种老式传统地震检波器的固有缺点却始终无法克服，例如对检测10HZ以下的深层低频地震信号无能为力(10HZ是机械检波器的谐振频率)；动态范围小(低于60db，而数字地震仪器有120db动态范围)；在三分量地震勘探中(用三个动圈式检波器同时接收X、Y、Z三个维度的地震信号)存在各轴向之间信号串扰大(即矢量保真度低)、灵敏度误差大等致命缺点。作为地震勘探的第一道工序，用传统地震检波器得不到理想的原始信号的现状已经直接影响到地震数据采集的质量，限制了地球物理方法解决复杂地质目标的能力，已成为制约石油物理技术继续发展的主要瓶颈。

目前在石油工业界，虽然从理论上早就知道利用地震波中的横波分量(S波)数据可以分析研究地下构造的岩性、孔隙度和含油饱合度之类的油藏特征，但是这种利用横波信息的勘探一直没有多大进展。为提高回采率进行的油藏描述工作采用的主要手段仍然是基于纵波(P波)的传统地震方法，究其主要原因是因为用传统地震检波器进行的3分量地震勘探中获得的横波数据质量很不理想。特别是传统检波器难于达到要求的轴间抗干扰性能指标(即矢量保真度指标)，再加上野外施工中检波器的倾角和方位误差、各轴向间的灵敏度误差等因素都使接收到的数据中P波和S波信号相互混淆，使原始数据质量太差，后期的数据处理手段根本无法发挥作用。

随着地震勘探高分辨率、高保真、高精度等要求的提出，多年来国内外的许多公司和研究机构一直在探索和寻找新的检测地震信号的传感器技术，并进行了许多试验，其中推出了一些利用压电陶瓷、涡流、激光等原理的试验产品，但在上述提到的低频响应性能差、动态范围小、矢量保真度差等关键性能上始终没有重在突破。

发明内容

本发明的目的是要克服上述现有地震检波器的不足之处，为现代的数字化地震勘探系统设计一种低频响应性能好、动态范围大、矢量保真度高的三分量数字地震勘探检波器。

本发明的三分量数字地震勘探检波器，主要是用三个MEMS(Microelectromechanical Systems)加速度传感器按X轴、Y轴和Z轴三个相互垂直的方向放置，其信号输出与三路24位模/数转换器相连，再经带CAN总线单片机芯片就可以直接输出经数字化后的地震信号。其结构包括封装在检波器壳体内的按X轴、Y轴和Z轴三个相互垂直的方向放置的三个MEMS加速度传感器U1-U3、三路24位模/数转换器U4-U9、带CAN总线单片机芯片U10，所述电路的连接关系是：三个MEMS加速度传感器U1-U3的第2脚均为各自的信号电压输出端，其中三个第2脚分别并联有电阻R1和电阻R2的另一端分别与U4-U6中各自的第10脚和第9脚连接，U4的第25、24、20、18脚分别与U7的第5、6、7、10脚连接，U5的第25、24、20、18脚分别与U8的第5、6、7、10脚连接，U6的第25、24、20、18脚分别与U9的第5、6、7、10脚连接，U7-U9的三个第26、12、14、15、19、18、17、16和4脚分别相互连接后再分别与U10的第7、24、25、26、27、28、29、30及31脚连接，U7-U9的三个第24脚分别与U10的第4、5、6脚连接，U7的第1、22、23脚分别与U10的第8、9、43脚连接，U8的第1、22、23脚分别与U10的第41、40、39脚连接，U9的第1、22、23脚分别与U10的第38、37、36脚连接，U10的第2脚和第3脚为检波器的信号接收输入端和发送输出端从壳体引出后分别与上位机连接。

所述U1-U3选用清华大学或上海微系统与信息技术研究所研制的MEMS加速度传感器，MEMS加速度传感器有五个接脚，其中1脚未接；2脚是信号(电压)输出端；3脚是负5伏电源；4脚是地；5脚是正5伏电源。U4-U6选用CS5320或CS5321型芯片，U7-U9选用CS5322型芯片，U10选用P87C59X型高性能微控制器。

本发明的三分量数字地震勘探检波器具有低频响应性能好、动态范围大、矢量保真度高和能提高野外施工效率等优点，最适合数字化地震勘探系统作接收地震波传感器使用。

附图说明

附图1是本发明的工作原理方框图；

附图2是本发明的实施例中的一种电路的连接关系图；

附图3是为图2电路提供工作电源的一种电源电路图。

具体实施方式

参见附图1，本发明的三分量数字地震勘探检波器，主要是用三个MEMS加速度传感器按X轴、Y轴和Z轴三个相互垂直的方向放置，其信号输出与三路24位模/数转换器相连，再经带CAN总线单片机芯片就可以直接输出经数字化后的地震信号。其电路主要连接关系见附图2，其结构包括封装在检波器壳体内的按X轴、Y轴和Z轴三个相互垂直的方向放置的三个MEMS加速度传感器U1-U3、三路24位模/数转换器U4-U9、带CAN总线单片机芯片U10，所述电路的连接关系是：三个MEMS加速度传感器U1-U3的第2脚均为各自的信号电压输出端，其中三个第2脚分别并联有电阻R1和电阻R2的另一端分别与U4-U6中各自的第10脚和第9脚连接，U4的第25、24、20、18脚分别与U7的第5、6、7、10脚连接，U5的第25、24、20、18脚分别与U8的第5、6、7、10脚连接，U6的第25、24、20、18脚分别与U9的第5、6、7、10脚连接，U7-U9的三个第26、12、14、15、19、18、17、16和4脚分别相互连接后再分别与U10的第7、24、25、26、27、28、29、30及31脚连接，U7-U9的三个第24脚分别与U10的第4、5、6脚连接，U7的第1、22、23脚分别与U10的第8、9、43脚连接，U8的第1、22、23脚分别与U10的第41、40、39脚连接，U9的第1、22、23脚分别与U10的第38、37、36脚连接，U10的第2脚和第3脚为检波器的信号接收输入端和发送输出端从壳体引出后分别与上位机连接。U1-U10的其它引脚按芯片产品说明连接。所述U1-U3选用MEMS加速度传感器，国内已有清华大学或上海微系统与信息技术研究所等单位研制MEMS加速度传感器，U4-U6选用CS5320或CS5321型芯片，U7-U9选用CS5322型芯片，U10选用P87C59X型高性能微控制器或其它带CAN总线的单片机。

装配时，将三个U1-U3的MEMS加速度传感器按相互垂直的方向放置，其信号输出与三只24位模/数转换器(由U4-U9组成)相连，再加上带CAN总线单片机芯片U10集成到一起封装进检波器壳体，就可以从U10的CAN总线即第2脚和第3脚(RXDC和TXDC脚)直接输出经数字化后的地震信号。工作时，不同震动方向的地震信号被三个相互垂直放置的MEMS加速度传感器(U1、U2、U3)分别接收，经MEMS内部的放大器放大后通过信号输出端(第2脚)分别与三路由CS5320或CS5321(U4-U6)和CS5322(U7-U9)芯片组成的24位模/数转换器相连。模/数转换器将此模拟信号转换成24位数字信号。单片机P87C59X(U10)控制模/数转换器的转换方式和转换过程、采集模/数转换器输出的24位数字信号，然后通过片内的CAN总线(RXDC和TXDC脚)将结果送给上位机。由于在野外工作时只能提供12/24V直流电源，而电路需要正负5V模拟电源和正5V数字电源，故通过DC/DC将12/24V直流电源变为正负5V模拟电源和正5V数字电源供电路使用。附图3是为图2电路提供工作电源的一种常用的电源电路图。附图2的数字检波器通过附图3的一个四芯插头PWT与外界联系，插头的1脚是电源地；2脚是正12/24伏电源；3脚是CAN总线接收输入端；4脚是CAN总线发送输出端。

本发明以高性能MEMS加速度传感器为核心的新型地震检波器的低频响应一直能到直流，其在0到500Hz之间的响应曲线几乎平坦。其动态范围已达100db(传统检波器小于60db)，使得地震仪器120db的动态范围的指标真正能发挥作用。更重要的是它具有很好的矢量保真性能，其轴间串扰只有1％，用于三分量地震勘探能更好地分离P波和S波。由于新型地震检波器能获得高质量的模波数据，经过计算机处理能对地下构造的岩性等特征有更清晰的描述，对提高油藏回采率、降低勘探风险和开发风险有着重要意义。还有其它优点如：在三分量勘探施工中要求检波器的埋放非常垂直，一般要求垂直倾角小于0.6度，这在实际施工中是较难实现的。由于MEMS检波器能检测低至直流的加速度(即静态重力加速度)，所以可以通过分析每个传感器检测到的静态g的大小来判断其埋放垂直度(或倾角)。分析结果可以作为方向余弦与该道的地震道数据存储在一起，并在处理中心在数据预处理前恢复每个检波器真正垂直方向的矢量值，所以这种特性还可以极大的提高野外施工效率。最适合数字化地震勘探系统作接收地震波传感器使用。

Claims

1、一种三分量数字地震勘探检波器，其特征在于包括封装在检波器壳体内的按X轴、Y轴和Z轴三个相互垂直的方向放置的三个MEMS加速度传感器U1-U3、三路24位模/数转换器U4-U9、带CAN总线单片机芯片U10，所述电路的连接关系是：三个MEMS加速度传感器U1-U3的第2脚均为各自的信号电压输出端，其中三个MEMS加速度传感器U1-U3的第2脚分别与电阻R1和电阻R2连接，电阻R1和电阻R2的另一端分别与24位模/数转换器U4-U6中各自的第10脚和第9脚连接，24位模/数转换器U4的第25、24、20、18脚分别与24位模/数转换器U7的第5、6、7、10脚连接，24位模/数转换器U5的第25、24、20、18脚分别与24位模/数转换器U8的第5、6、7、10脚连接，24位模/数转换器U6的第25、24、20、18脚分别与24位模/数转换器U9的第5、6、7、10脚连接，24位模/数转换器U7-U9的三个第26、12、14、15、19、18、17、16和4脚分别相互连接后再分别与带CAN总线单片机芯片U10的第7、24、25、26、27、28、29、30及31脚连接，24位模/数转换器U7-U9的三个第24脚分别与带CAN总线单片机芯片U10的第4、5、6脚连接，24位模/数转换器U7的第1、22、23脚分别与带CAN总线单片机芯片U10的第8、9、43脚连接，24位模/数转换器U8的第1、22、23脚分别与带CAN总线单片机芯片U10的第41、40、39脚连接，24位模/数转换器U9的第1、22、23脚分别与带CAN总线单片机芯片U10的第38、37、36脚连接，带CAN总线单片机芯片U10的第2脚和第3脚为检波器的信号接收输入端和发送输出端从壳体引出后分别与上位机连接。

2、如权利要求1所述的三分量数字地震勘探检波器，其特征在于24位模/数转换器U4-U6选用CS5320或CS5321型芯片，24位模/数转换器U7-U9选用CS5322型芯片，带CAN总线单片机芯片U10选用P87C59X型高性能微控制器。