油气勘探中光纤光栅加速度传感器的研究

论文摘要

石油、天然气是人类发展的重要能源,油气资源的科学探测、合理开发对国民经济的发展意义非凡。然而经过多年的勘探工作之后,一些埋藏较浅、地质条件简单的大构造油田大多己被发现,现阶段的勘探任务是寻找一些埋藏较深、地质条件较复杂的小构造油田,这对地震检波器的性能要求也逐渐提高,勘探难度日益增大。一方面,由于现有的井间地震勘探系统中的信号拾取主要依靠电磁类检波器,在实际工程应用过程中容易受到电磁干扰,同时具有不耐高温,不利于网络化布点等缺点,成为井间地震勘探技术的瓶颈。另一方面,在油气资源的勘探中,所激发的地震波信号频带很宽,且高频成分是提高勘探分辨率的关键,但由于大地的低通滤波作用,使得高频成分衰减严重,高频高灵敏度的地震检波器是提高勘探分辨率的第一环。近年来,光纤光栅（FBG）以其不受电磁干扰、耐高温、易组网等优点在众多领域得到应用,将FBG传感器应用于地震波检测能够弥补传统检测方法的不足,具有重要的研究价值。本论文以油气勘探中地震波振动检测为应用背景,基于光纤光栅的传感原理,提出了适用于井间高温环境地震波振动检测的一种基于膜片与菱形结构的FBG加速度传感器和一种基于多轴柔性铰链的FBG二维加速度传感器,并对这两种传感器的传感特性及耐高温特性进行了深入研究。主要工作及研究成果如下:1.对当前地震勘探领域中的常规地震检波器进行了概述,总结出了各类检波器的检波原理和优缺点,提出了当前勘探领域面临的难题;对光纤地震传感器和光纤加速度传感器的应用与研究现状进行了综述,提出了本文的研究工作。2.从地震波的形成机理和传播规律入手,对影响地震反射波振幅和速度的因素进行了深入细致的分析研究;并通过地震波频谱特点以及地震勘探分辨率与频率的关系引出了本文传感器的频率要求。3.针对油气勘探中井下高温环境的地震波振动检测,以及大地的低通滤波作用而导致反射波高频信号微弱的现象,设计了一种具有温度自补偿的高频高灵敏度FBG加速度传感器,建立了传感器的应变模型和振动模型;然后通过数值分析和有限元仿真确定了传感器结构参数;最后对其传感特性进行了实验研究,验证了理论模型和仿真分析的正确性。实验表明:传感器一阶固有频率约为681.4Hz,这与理论计算值（696.7Hz）和有限元仿真结果（686.04Hz）基本一致;在0Hz-500Hz范围内,传感器灵敏度与振动信号频率呈良好的线性关系,不同频率下的灵敏度可表示为（0.066 f+63.164）pm/g;传感器横向干扰度小于5%,并具有较好的温度自补偿效果。4.针对油气勘探中多维地震波信号的检测,设计了基于多轴柔性铰链的FBG二维加速度传感器,建立了传感器的结构模型和理论模型,并对传感模型进行了数值分析和有限元仿真,确定了两种不同尺寸的传感器,最后通过实验对其传感特性进行了研究,实验结果与理论计算、仿真分析的结果吻合度较好。实验结果表明:传感器Max的稳定工作频带为5Hz-170Hz,加速度灵敏度高达220 pm/g,两个测量方向的交叉干扰小于4%,谐振频率为280Hz;传感器Min的稳定工作频带为20Hz-600Hz,加速度灵敏度为40pm/g,两个测量方向的交叉干扰小于3.5%,谐振频率为815Hz。5.设计了温度实验系统,对传感器的耐高温特性和高温温度自补偿特性展开了研究;根据灵敏度及其解调设备参数计算得到了各FBG传感器的加速度分辨率分别为:4.5×10-4g（传感器Max）,2.5×10-3g（传感器Min）,1.04×10-3g1.6×10-3g（膜片式FBG传感器）,动态范围可达86 dB;最后,组建了冲击实验系统,采用所设计的FBG传感器与常规动圈式检波器和压电式加速度传感器同时采集冲击信号,对比分析了各振动传感器的幅值和频率特征。实验结果显示:FBG传感器不受电磁干扰,并能准确的响应冲击振动信号幅值,通过FBG波长变化量计算出的加速度值与压电加速度测量值基本一致;所设计的传感器可在200以内的温度环境中稳定工作。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 选题背景与研究意义

1.2 常规地震检波器概述

1.2.1 压电式检波器

1.2.2 动圈式检波器

1.2.3 涡流式检波器

1.2.4 MEMS数字式检波器

1.3 光纤地震检波器及FBG加速度传感器研究现状

1.3.1 光纤地震检波器

1.3.2 FBG加速度传感器研究现状

1.3.3 FBG波长调制型传感器的优势

1.4 论文主要研究内容

第2章地震弹性波的形成与传播机理

2.1 地震波动的形成

2.2 地震波的传播规律

2.2.1 地震波波动方程

2.2.2 地震波的反射与透射

2.3 地质因素对地震波传播的影响

2.3.1 影响地震反射波振幅的因素

2.3.2 影响地震反射波速度的因素

2.4 地震波的频谱特点

2.5 FBG加速度传感器检波原理

2.6 本章小结

第3章基于膜片与菱形结构的FBG加速度传感器

3.1 设计思想

3.2 光纤光栅传感原理

3.2.1 光纤光栅应变传感原理

3.2.2 光纤光栅温度传感原理

3.2.3 光纤光栅传感器复用技术

3.3 膜片式FBG加速度传感器的设计

3.3.1 传感器结构与原理介绍

3.3.2 传感器灵敏度与谐振频率分析

3.4 膜片式FBG加速度传感器仿真分析

3.4.1 传感模型数值仿真

3.4.2 有限元模态仿真与分析

3.5 膜片式FBG传感器传感特性实验及结果分析

3.5.1 实验系统的组建

3.5.2 幅频特性实验分析

3.5.3 灵敏度特性实验分析

3.5.4 抗干扰特性实验分析

3.5.5 温度补偿特性实验分析

3.6 本章小结

第4章基于多轴柔性铰链的FBG二维振动传感器

4.1 设计思想

4.2 铰链式FBG二维振动传感器的设计

4.2.1 传感模型与工作原理

4.2.2 传感器灵敏度分析

4.2.3 传感器谐振频率分析

4.3 铰链式FBG二维振动传感器仿真分析

4.3.1 数值分析与结构参数确定

4.3.2 传感模型有限元分析

4.4 铰链式FBG二维振动传感器动静态特性实验研究

4.4.1 传感器Max标定实验及结果分析

4.4.2 传感器Min标定实验及结果分析

4.4.3 传感器温度补偿实验分析

4.4.4 传感器45 度方向激振实验分析

4.5 本章小结

第5章 FBG传感器高温特性与冲击响应特性研究

5.1 引言

5.2 FBG传感器高温特性实验研究

5.2.1 不同封装方案的FBG耐高温特性

5.2.2 FBG传感器动态高温温度补偿特性

5.3 FBG传感器冲击特性实验及结果分析

5.3.1 实验系统的组建

5.3.2 实验结果分析

5.4 本章小结

第6章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

作者在攻读硕士学位期间取得的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 余玲玲

导师: 魏莉

关键词: 油气勘探,光纤光栅,加速度传感器,检波器

来源: 武汉理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,地质学,石油天然气工业,无线电电子学,自动化技术

单位: 武汉理工大学

基金: 国家自然科学基金(基于光纤光栅的旋转机械扭振传感机理和方法研究,51405354)

分类号: TN253;TP212;P618.13

DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.000899

总页数: 110

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油气勘探中光纤光栅加速度传感器的研究

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