王少偉 汝 超 陸占林 陳 華

(1.中原石油勘探局地球物理勘探公司 河南濮陽(yáng)) (2.中原油田物資供應(yīng)處 河南濮陽(yáng))

渦流加速度地震檢波器特性研究

王少偉1汝 超1陸占林1陳 華2

(1.中原石油勘探局地球物理勘探公司 河南濮陽(yáng)) (2.中原油田物資供應(yīng)處 河南濮陽(yáng))

文章綜合考慮檢波器磁路系統(tǒng)中外殼、磁靴等部件的電磁感應(yīng)對(duì)固定線圈感應(yīng)電流的影響,建立了渦流地震檢波器的七參數(shù)機(jī)電磁動(dòng)力學(xué)模型,并與四參數(shù)模型進(jìn)行了對(duì)比。理論分析及測(cè)試結(jié)果表明,七參數(shù)模型能夠較準(zhǔn)確地描述渦流檢波器的寬頻帶動(dòng)態(tài)特性,從而為檢波器的特性研究、參數(shù)辨識(shí)以及進(jìn)一步的研制開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

檢波器;地震勘探;模型

0 引 言

近年來(lái),隨著油氣勘探與開(kāi)發(fā)方面的不斷進(jìn)展,對(duì)地震勘探中的分辨率提出了越來(lái)越高的要求[1]。地震檢波器是地震勘探裝備中的關(guān)鍵性部件,它的性能好壞將直接影響到地震勘探最終分辨率的高低,因而這幾年得到了較廣泛的研究與重視。

渦流檢波器是一種新型地震檢波器,其電壓輸出信號(hào)與被檢測(cè)振動(dòng)加速度信號(hào)成正比。與常規(guī)的動(dòng)圈式檢波器相比,它具有良好的高頻特性,可以有效補(bǔ)償大地對(duì)地震反射波高頻信號(hào)的吸收,因而可顯著提高地震勘探的分辨率,在高分辨率地震勘探中有著廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)渦流檢波器的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了深入分析,綜合考慮了檢波器外殼、磁靴對(duì)檢波器特性的影響,建立了渦流檢波器的機(jī)電磁七參數(shù)理論模型,與四參數(shù)模型作了比較,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。為進(jìn)行檢波器的特性分析以及參數(shù)辨識(shí)方法的進(jìn)一步研究提供了理論基礎(chǔ)。

1 渦流檢波器的基本原理

渦流檢波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中:圓柱型永久磁體、磁靴、檢波器外殼組成一個(gè)閉合磁路,非磁性導(dǎo)電短路環(huán)通過(guò)彈簧片懸掛在環(huán)型空氣隙內(nèi),可沿著檢波器的軸向運(yùn)動(dòng),并與固定在外殼的線圈構(gòu)成了一對(duì)耦合線圈。渦流檢波器依據(jù)電渦流原理進(jìn)行工作,即地震動(dòng)信號(hào)引起短路環(huán)在磁場(chǎng)內(nèi)切割磁力線,并在其上產(chǎn)生電渦流,通過(guò)耦合線圈的作用,該電渦流同時(shí)在固定線圈中誘導(dǎo)出互感輸出電壓。

圖1 渦流檢波器結(jié)構(gòu)

渦流檢波器在正常使用范圍內(nèi),理論上可假設(shè)為線性、集中參數(shù)、時(shí)不變系統(tǒng)[2]。渦流檢波器的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型,如圖2所示。依據(jù)圖2,短路環(huán)切割磁力線運(yùn)動(dòng)δ(t)與被測(cè)振動(dòng)u(t)的關(guān)系可以描述為:

圖2 簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型

式(1)中,m為短路環(huán)的等效質(zhì)量,k為懸掛彈簧的剛度,c為系統(tǒng)機(jī)械阻尼系數(shù),ce是渦流阻尼系數(shù),i1是短路環(huán)中的電渦流。短路環(huán)上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1(t)可表示為:

式(2)中,R1為短路環(huán)的等效電阻,L1為短路環(huán)的等效電感。短路環(huán)與固定線圈的變壓器耦合方程為:

式(3)中,e0(t)為固定線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),M1為短路環(huán)與固定線圈的互感系數(shù)。在實(shí)際情況中,機(jī)械阻尼遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于渦流阻尼,所以它的影響可以忽略不計(jì),此時(shí)對(duì)式(1)、式(2)和式(3)分別進(jìn)行拉普拉斯變換并消去中間項(xiàng)后可得到渦流檢波器的傳遞函數(shù)為:

式(5)也稱為渦流檢波器的四參數(shù)模型。

2 渦流檢波器的七參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型

采用式(4)所表達(dá)的四參數(shù)模型進(jìn)行渦流檢波器的動(dòng)特性參數(shù)辨識(shí)時(shí),所得結(jié)果在中高頻段往往存在著較大誤差,而這一頻段的特性正是進(jìn)行高分辨率地震勘探時(shí)所最為關(guān)心的[1]。為此,有必要對(duì)建立起的四參數(shù)模型做進(jìn)一步的完善。實(shí)際上,在渦流檢波器工作過(guò)程中,除了短路環(huán)與固定線圈間的耦合效應(yīng)外,作為非磁性導(dǎo)電體的外殼、磁靴等部件,與短路環(huán)、固定線圈間也存在著耦合效應(yīng),這種附加耦合效應(yīng)將直接影響固定線圈的實(shí)際感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?？紤]上述因素,短路環(huán)上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1(t)此時(shí)應(yīng)為

式(6)中,Me表示短路環(huán)與外殼、磁靴間的互感系數(shù),i2為外殼及磁靴中的電渦流。同時(shí)由于互感作用,在外殼與磁靴系統(tǒng)上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2(t)可寫為:

式(7)中,R2、L2分別為外殼與磁靴系統(tǒng)的等效電阻和等效電感。

相應(yīng)地,固定線圈上的實(shí)際感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e0(t)可表示為:

式(8)中,M2為外殼、磁靴與固定線圈間的互感系數(shù)。

對(duì)式(1)、(6)、(7)、(8)分別進(jìn)行拉普拉斯變換并忽略機(jī)械阻尼的影響,可得:

ωn、ω1、G和ξ的定義同式(5)。由方程組式(9)消去中間項(xiàng),可得到考慮外殼、磁靴等部件附加耦合效應(yīng)時(shí)的渦流檢波器動(dòng)特性傳遞函數(shù)為:

由式(11)顯見(jiàn),此時(shí)渦流檢波器的動(dòng)態(tài)特性可以由檢波器模態(tài)固有頻率ωn、上截止頻率ω1(短路環(huán)的固有頻率)、靈敏度G、阻尼比ξ、外殼與磁靴系統(tǒng)的固有頻率ω2及其對(duì)檢波器動(dòng)態(tài)特性的影響系數(shù)k1和k2等七個(gè)特性參數(shù)來(lái)表征,故稱之為七參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型。同時(shí)也可看出,若不考慮外殼及磁靴的影響時(shí),式(11)可退化為式(4),因此,四參數(shù)模型實(shí)際上是七參數(shù)模型的一個(gè)特例。

3 兩種參數(shù)模型的比較

為了比較渦流檢波器的四參數(shù)模型與七參數(shù)模型,本節(jié)采用變尺度方法[3],基于兩種參數(shù)模型,分別對(duì)兩種型號(hào)(型號(hào)A與型號(hào)B)的渦流檢波器進(jìn)行了動(dòng)特性參數(shù)辨識(shí)。列出了兩種檢波器的參數(shù)辨識(shí)結(jié)果(其中fn=ωn/2π,f1=ω1/2π,f2=ω2/2π),見(jiàn)表1。分別給出了兩種檢波器的頻率特性試驗(yàn)曲線及參數(shù)辨識(shí)擬合曲線,如圖3和圖4所示。

表1 渦流檢波器參數(shù)辨識(shí)結(jié)果

圖3 A型檢波器參數(shù)辨識(shí)擬合曲線

圖4 B型檢波器參數(shù)辨識(shí)擬合曲線

由圖3可以看出,對(duì)于A型渦流檢波器,采用四參數(shù)模型與七參數(shù)模型所得擬合曲線均與頻率特性試驗(yàn)曲線吻合得較好,只是在中高頻段,四參數(shù)模型的辨識(shí)結(jié)果存在著一定的誤差。圖4所示結(jié)果表明,對(duì)于B型渦流檢波器,采用七參數(shù)模型也可得到較好的辨識(shí)結(jié)果,而由四參數(shù)模型得到的擬合曲線與頻率特性試驗(yàn)曲線在中高頻段存在著較大的誤差,同時(shí)兩種模型參數(shù)辨識(shí)值間的相對(duì)誤差也遠(yuǎn)較A型渦流檢波器的大(見(jiàn)表1)。值得注意的是,A型檢波器短路環(huán)固有頻率f1與外殼磁靴系統(tǒng)的固有頻率f2相差較大(約8倍),而B(niǎo)型檢波器短路環(huán)固有頻率f1與外殼磁靴系統(tǒng)的固有頻率f2較為接近(約2倍),因而由外殼、磁靴引起的附加耦合效應(yīng)將更為顯著,這是B型檢波器采用四參數(shù)模型辨識(shí)誤差大的一個(gè)重要原因。

4 結(jié) 論

本文綜合考慮渦流檢波器磁路系統(tǒng)中外殼、磁靴等部件中電渦流對(duì)檢波器特性的影響,建立了渦流檢波器的七參數(shù)機(jī)電磁動(dòng)力學(xué)模型。理論分析與辨識(shí)試驗(yàn)表明,外殼、磁靴系統(tǒng)的附加耦合效應(yīng)主要影響檢波器在中高頻段的頻率特性,因此,七參數(shù)模型能夠較四參數(shù)模型更為準(zhǔn)確地描述檢波器的中高頻段頻率特性。當(dāng)短路環(huán)固有頻率與外殼磁靴系統(tǒng)固有頻率相差較大時(shí),采用四參數(shù)模型仍能在中高頻段達(dá)到相當(dāng)?shù)谋孀R(shí)精度,而當(dāng)兩者較接近時(shí),則不能忽略外殼、磁靴系統(tǒng)的附加電磁耦合效應(yīng)的影響,此時(shí)應(yīng)采用七參數(shù)模型進(jìn)行頻率特性的辨識(shí)。以上結(jié)論為檢波器的特性研究、參數(shù)辨識(shí)以及進(jìn)一步的研制開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

[1] 李慶忠.地震高分辨率勘探中的誤區(qū)與對(duì)策[J].石油地球物理勘探,1997,32(4)

[2] 胡時(shí)岳.渦流檢波器特性測(cè)量與參數(shù)識(shí)別[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),1991,8(4)

[3] 錢祥生.系統(tǒng)的建模與響應(yīng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003

Characteristics research on Eddy acceleration geo- phone.

Wang Shaowei,Yang Ruchao,Lu Zhanlin and Chen Hua.

This article studies synthetically the theory in the electromagnetic induction of geophone magnetic circuit system and how shell,magnetic boots and other parts can effect the induction current of fixed coil.The 7 parameters electromagnetic dynamic model of edd acceleration geophone is proposed compared with the 4-parameter model,the theoretical analysis and test results show that the 7-parameter model is more accurate in representation of the dynamic broadband characteristics of Eddy Acceleration Geophone,so it provides a theoretical basis for further research and development of geophone characteristics.

geophone;seismic exploration;model

P631.4+36

B

1004-9134(2010)01-0023-03

王少偉,男,1965年生,工程師,1987年畢業(yè)于河北涿州石油物探學(xué)校,現(xiàn)在中原油田物探公司從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作。郵編:457001

2009-10-10編輯梁保江)

PI,2010,24(1):23～25

·儀器設(shè)備·