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光纤传感技术在地震勘探中的应用研究

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光纤 传感 技术 地震 勘探 中的 应用 研究
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第26卷第1期 地 球 物 理 学 进 展 6,2011年2月(页码:342~348)N 011邵敏,乔学光,傅海威,等.光纤传感技术在地震勘探中的应用研究.地球物理学进展,2011,26(1):342~348,0.3969/j.004—2903.201 1.01.041., G, W,et of in 2011,26(1):342~348,0.3969/j.004011.01.041.光纤传感技术在地震勘探中的应用研究邵 敏, 乔学光, 傅海威, 罗小东, 刘钦朋(西安石油大学理学院光电油气测井与检测教育部重点实验搴,西安710065)摘要传统地震检波器的缺陷限制了高精度地震勘探技术的进一步发展.日益成熟的光纤传感技术不仅广泛应用在各个领域,而且也促进了石油勘探的发展.光纤光栅具有抗电磁干扰、灵敏度高等优点,有望提高地震检波器的性能.文章针对光纤传感技术的特点,探讨了其在地震勘探中的应用.根据光纤传感的原理对光纤型地震检波器进行分类,重点阐述了光纤传感技术在地震检波器应用领域的最新进展.并展望了光纤型地震检波器未来研究的新方向.关键词 光纤传感,地震检波器,地震勘探0.3969/j.004—2903.2011.01.041 中图分类号献标识码 of in ai—I。in—i'i'10065,he of of he of in of of to of he of in in he in t is on of in of iS 言随着人类对能源不断增长的需求,石油与天然气等资源日益紧缺.油气田开采关键技术的研究越来越引起人们的重视.地震检波器是地球物理勘探中的核心装置,它能把爆炸引起的地面机械运动转换成电信号,在石油勘探中起着重要的作用.当前传统的地震检波器存在动态范围小、灵敏度低、抗干扰能力差等缺点,这在一定程度上制约了高分辨率地震勘探技术的发展.因此,国内外许多大学、研究所以及仪器制造厂商都在积极研究开发新型的地震检波器.光纤传感技术具有重量轻、抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分布式测量、便于组网等诸多优点,已经被应用在油井温度与压力测量、输油管道监测、测井技术、地震波监测[1~51等方面.光纤传感技术在石油勘探领域已显示出巨大的优越性,是提高地震检波器性能的重要途径之一.本文从光纤传感的原理与特性出发,研究了国内外光纤传感技术在地震检波器中应用的最新进展.收稿日期2010修回日期 2010—12—20.基金项目 中石油创新基金项目(20083—08)资助.作者简介邵敏,女,1979年生,西北工业大学在读博士生,主要从事光纤传感与地震检波的理论与实验研究.(方数据1期 邵敏,等:光纤传感技术在地震勘探中的应用研究1光纤传感技术简介光纤传感技术是利用光纤自身对某些物理量的敏感特性,将复杂的被测量转换成可直接观测的物理量的技术.目前研制出的基于光纤的传感器,可以用于测量温度、压力、应变、振动、折射率等物理量.光纤传感器按传感原理可分为传感型和传光型两大类.传感型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,利用外界环境的物理因素来调制光信号.所以称为传感型传感器或功能型传感器.应用较多的是相位调制技术.特点是测量精度高,如光纤陀螺.相位调制式有赫一曾德尔)干涉仪、克尔逊)干涉仪.传光型光纤传感器是利用其他敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为传输介质,传输光信号,所以称为传光型传感器.目前多数传感器都是非功能型的,以强度调制型居多,主要有反射式强度调制和透射式强度调制‘6t 7。.2光纤传感技术在地震勘探中的应用地震勘探是石油勘探的主要方法,基本原理是在地表附近用炸药等震源激发而产生地震波,通过探测仪器记录不同岩层反射或折射回来的地震波再进行分析.地震检波器作为地震波记录仪器,是应用于石油地震勘探领域的传感器.目前市场上使用的检波器按工作原理可以分为电磁感应式、压电陶瓷式.这些检波器存在灵敏度低、动态范围小、抗电磁干扰性差等问题,而光纤传感技术的优点恰能弥补这些不足.2.1光纤光栅型地震检波器光纤光栅是利用光纤材料的光敏性,在光纤纤芯内形成空问位相光栅,其作用等同于一个窄带的滤波器或反射镜.光纤光栅的种类很多,主要分两大类:一是光纤布拉格光栅(也称为反射或短周期光栅),二是透射光栅(也称为长周期光栅).光纤光栅的布拉格波长为A。=2n。圩A,其中砣。“为光纤的有效折射率,以为光栅的周期.当外界被测量引起光纤光栅所受到的温度、应力和应变发生改变时,会导致过检测|.光纤光栅的中心波长移动量与温度和应变的关系为:^1_L.1哦+91一P。)△£,式中:1 为光纤的热膨胀系数,. 1 为光纤的热光系数, P。:…1。 震勘探中常用的是光纤布拉格光栅传感器,这是由于利用光纤布拉格光栅传感原理制成的光纤布拉格光栅地震检波器具有灵敏度高、抗电磁干扰、可实现分布式测量、损耗低等优点.所以999年,德国的[93采用光纤布拉格光栅应变传感器和传统检波器在实验室与野外同时动态测量花岗岩石的变形,测量带宽为0.1~2 变幅度测量结果与输入信号符合较好.据报道[10]从2002年开始,胜利石油管理局科技处及胜利物探公司与美国始进行基于005年,大连理工大学的孙丽[11]将光纤布拉格光栅传感器应用到海洋平台模型中监测地震,该模型上共有10个光纤布拉格光栅传感器,其中2个为加速度计,分别布设在振动台台面和海洋平台模型台面上;7个为光纤布拉格光栅应变传感器,分别布设在平台关键部位;1个为温度传感器.实验中在光纤布拉格光栅应变传感器的同一位置放置电阻应变片.实验结果表明在抗电磁干扰方面光纤布拉格光栅传感器比电阻应变片更有优越性.2006年,美国的2]设计了如图1示一个传感头是一个单自由度的弹簧振子系统,地震波会使质量块M(铜块,质量为10.69)产生加速度,导致弹簧(不锈钢)K。和光纤布拉格光栅过检测量块与检波器的底座之间粘有硅树脂胶,可以减少质量块运动对检波器的影响.阻尼测试中 S,与传统检波器一致.野外试验中相邻两个爆破点距离为250 m,距检波器100 个距50m.测试中传感器频率响应万方数据旧I 堪抟#%f}m*范围在j(卜一z.人于传统椅渡器.系统的灵敏鹱在92㈨6年.检波器醴计,f 魁忡梁结掏中,用以增加结构的稳定1加入电磁阻尼东统.指出地碰扮波器的最佳阻尼凼千是0 707赏验巾证明能力{虽.2007年.山东太学的刘汉,r“设计了一个光纤光栅地震敬椅渡器技探测系统,成功进行了野外实螗.。用的地碰记录仪兼容.井在灵敏度和抗h ”报道了揶威}光栅传感胀理.将在海底建成生少2000个传感测试暴站用以汕气资源的开发并预计在2009年初完成坶底电缆(安装2009年.‘{刚双传输光栅埘地震硷渡器秤10~200论值町逃94 马赫一曾簿尔干涉型地震检波器璀于屿赫斡德尔昧理的光纤传感器以光的1:抄为基础将待测光分成嘣路, 路为感受地震波动的倍垮光.另一路经过偏搬控制器为参考兜.与信号兜发巾干涉.输出光郎为自零启诃制光小真‘{干涉仪结构分布式光纤振动传感的新方法通过光纤耦台器组成的舟光单元^干涉仅光路构将l’得M 相向传输两路光.构成权M 现了监制距离为1 0I 点搬动的空特光波导M 了、光波导佣振器单片船成n:『d 硅基底上(见嘲2)激光输人波导偏振器后世为1’输人0臂和参考臂信0臂中质请块振动会引起十卞横粱变形.导致价号臂巾相位改变信号光与参考光在输m 辨成枉硅基到待测加述艘废乐统在闻)I:进行量加速度范荆o~0 3 檎波器0~160 H#的频段范围内,输山电压波形稳圯.幅 M zⅫ^Ⅱ4F,g 2 r(r Z I…r…2敏,等:光纤传感技术在地震勘探中的应用研究 3452.3迈克尔逊干涉型地震检波器迈克尔逊型地震检波器是利用迈克尔逊干涉原理,将激光光源通过分束器后分为两束:一束为信号光,工作时,谐振子与大地产生相对运动,震动的加速度使光程发生变化与另一束为参考光产生干涉.经光电探测器将含有被测信息的光信号转换为电信号进行分析与处理.2003年,傅深泳[1钉以全光纤迈克尔逊干涉仪为基础,研制出由地震敏感元件组成的单分量双光路加速度地震检波器样机,检波器实质上是三个单分量检波器的组合,它由六个顺变柱体共同支撑一个质量块构成,其中简谐振子系统由缠绕敏感光纤的硫化硅橡胶顺变柱体、惯性质量块和铝制外壳构成(见图3).相对面上的两个顺变柱体上缠绕的敏感光纤端面镀上高反射膜,分别构成迈克尔逊干涉仪的干涉臂.当发生震动时,质量块与外壳有轴向运动,使质量块上下的两个顺变柱体产生形变.缠绕其上的两段敏感光纤中的相位差也随之改变.该检波器可用于检测小到0.01 验结果同时表明在固有频率595~695 波器的输出信号与振动台信号相一致.2004年,[20]等设计了一个3分量全光纤迈克尔逊干涉型加速度计进行测井,设计中每一个分量采用推挽式弹簧振子系统,这样可以减少各分量间的交叉响应.系统频率范围为3~800 敏度39 dB re g.2005年,作频率范围在5~535 敏度0.9m/德[与光纤一质量块简谐振子、光源、光电探测器制成迈克尔逊干涉型加速度地震检波器.实验中迈克尔逊干涉芯片通过检测简谐振子的运动引起信号臂的变化进行工作,当系统受振动冲击时,质量块纵向振动,从而使质量块上连接的有效光纤产生伸缩,使光纤中传播的光波相位发生变化.相位检测灵敏度△应/口一1.1×10~m·测试结果表明,在工作频带O~1065 动与检波器输出信号吻合良好.2.4 同一光源发出的两束光在同一环路内沿相反方向传播一周后,两束光的光程差或相位差与该光学系统相对于惯性空间旋转的角速度成正比,称之为于两束光经由反射镜的反射形成传播方向相反的闭合光路.在垂直于传播方向上移动任何一个反射镜,无干涉光强的变化.但将此装置装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上时,可观察到干涉光强的变化,依此计算出平台旋转的角速度.2005年,波兰的和R[z3,地震勘探中的应用.实验中把11.1 3 经过分束器分成两束光进入线圈并反向传输产生干涉.如果光,I I 、…一、、-、、、\.】、、 弋岍e‰ 一一1、 ,’~ \ l I/卜f!l┃┃┃┃┃┃ 一┃┃l\ ┃Y l| J | J● J|●变柱体型全光纤加速度地震检波器F.3al—《#&%##日 …罔旋转用两个级联的光纤偏振器一个放在光源后,个放在回路中.逸样保证光纤线圈中传输保偏光系统对地震旋转波直接进行测量时,在20 7×10 地震植波器发展新方向随着光纤1孝感技术的发展,新的光纤材料与器件层出水穷.如光子晶体光纤而一些常用的光纤器件长周期光纤光栅畸闪耀光纤光栅这些郴为地震椅波器的研究拓宽了方向2 5 1 长周期光纤光栅传感挂术长周期光纤光栅(一种纤芯折射率的周期为60 n·n、的光纤光栅,大下 以具有宽透射光谱带宽,无后向反射,制作方法简单等特点由十前长周期光纤光栅传感器主要川在浓度、折射率与温度的测量上2008年,黎芳“设计了一种基于长周期光纤光栅的地震榆波器.传感头是一个草弹簧振子系统.选铜片作为质茸块,质量为11 2 论计算得到此系统的自然频率为1 39 尼比为0 5726.检波器频率范闱约为0r 52 敏度为o 154 5 nm/m·理论上验证 2目耀光纤光栅传感技术一般的光纤光栅轴和光纤轴重台,而在宴际制作中可能会出现光栅轴和光卦轴不霞合,这种光虾光栅被称为闪耀光纤光栅(于其成栅平面々光纤轴向成一夹角,因此,闪耀光栅除了具有可以通过倾斜的栅面合到包层巾菪光纤光栅向o’与光纤轴纤光栅沿=和2 7^向的栅距分别为^’和A,则有:A—A/此可得闪耀光纤光栅的中心波长为:^一2一2n“A/耀光纤光栅常被用来测草折射率、强度、轴向廊变、弯曲及振动近年来一些研究者已经开始关注它在振动测量中的应用=2‘”u 2008年, 08一将两段光纤错开耦台,在其中 段光纤上光纤弯曲或振动时,其中一个反射光携带能量系统频率响应高十2 能消除能量交义影响2 5 3免子晶体先纤传感技术1992年,概念.认为在光了品体(引人线形缺陷,则光可以限制在线型缺陷中进而传播1 996年英国南安普顿大学拉制出首根光于晶体光纤接照不同的结构.光于晶体光纤分为实心型光纤和书心光纤按照不同的导光机坪,光了晶体光纤卫呵以分为:折射率导光型光于品体光纤和光于带隙导光型光纤折射率导光型光子晶体光纾的导光机理々传统光纤的牟内反射机理类似.得乜层的有敢折射率小满足争内反射的条件但足光纤的包层为二维光予晶体,利用色层对定频率的光形成光子能隙,光只能在纤芯的缺陷巾传播模面积特性、高双折射率特性、高非线性特性和町设计的色敞特性因此P(究者们已经将实验的重点转移至压力、温度,应变上2””2009‘用保偏光干晶体光纤制成来测量温度与应变.温度与应变灵敏度为0 3 pm/ pm/验发现当应力增加时.。涉仪的传输波氏向且可以做到温度勺应变同时医分洲缸电于科技人学的饶云旺”报道r 系刊基于光千晶体光纤的法布里珀罗丁涉传感器,其巾包括蕈丁窀芯光予品体光纤的让布里珀罗干涉鹰童、温度传万方数据邵敏。等:光纤传感技术在地震勘探中的应用研究 347感器.实验中应变灵敏度为0.0045 £,耐高温800℃.光子晶体光纤传感器在应变测量上的优势,使我们可以预期通过改变光子晶体光纤的结构,能够实现对速度和加速度的测量.进一步可以将其应用在地震勘探中.3 结 论光纤型地震检波器比传统的检波器具有动态范围大、灵敏度高、结构简单、抗电磁干扰性等优势,这些必然会推动地震检波器的向前发展.国内外基于光纤传感技术的地震检波器的最新进展,充分证明了其在地震勘探领域中广阔前景.相信随着光纤技术的不断发展与制作工艺的日趋成熟,在地球物理勘探中,传感器组网、坚固耐用、操作简便等实际工作问题都会得到解决.使得基于光纤传感原理的地震检波器真正走向实用化.致谢 感谢西安石油大学理学院冯德全老师对本文提出的宝贵意见及建议.参考文献([1][23[3][43[5]乔学光,李育林,张培坤,等.光纤布拉格光栅和长周期光栅传感器对油气井下应力和温度的同时测量[J].光电子·激光,1999。10(1):42~45.03 G, L, K,et ].of 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