用于地震信号检测的方法和系统
阅读：1021发布：2020-07-18
专利汇可以提供用于地震信号检测的方法和系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且利用配置或设计用于 地震 信号 检测的地震 传感器 的方法和系统； 电流 施加到地震传感器，使得运动线圈位于相对于地震传感器中的 磁场 的中性 位置 ，以便补偿重 力 加速 度。，下面是用于地震信号检测的方法和系统专利的具体信息内容。
1.一种用于地震信号检测的系统，包括：
至少一个电悬浮的地震传感器，包括：
外壳；
安装在外壳内的至少一个用于产生磁场的磁体；以及
外壳内的运动线圈，其被构造和安排以便相对于外壳在径向固定，并且在其轴向可运动；
电路，被配置或设计用于提供电信号到地震传感器；
与地震传感器通信的数字信号处理器；
可由处理器执行的一组指令，当被执行时：
施加电信号到地震传感器，使得运动线圈克服重力悬浮，以便位于相对于地震传感器中的磁场的中心位置。
2.如权利要求1所述的系统，其中电路包括分流电阻器，用于调整地震传感器的运动线圈的运动。
3.如权利要求1所述的系统，其中电路还被配置或设计用于通过速度反馈调整运动线圈的运动。
4.如权利要求1所述的系统，其中电路还被配置或设计用于提供积分反馈到地震传感器。
5.如权利要求1所述的系统，其中数字信号处理器被配置或设计用于在通过地震传感器获取地震数据期间，监控从地震传感器输出的电信号，以便导出地震传感器的温度，并且为传感器参数补偿温度依赖性。
6.如权利要求1所述的系统，其中电路还被配置或设计用于提供恒定电流到地震传感器的运动线圈。
7.如权利要求1所述的系统，其中地震传感器被配置或设计用于在钻孔中的井下使用。
8.如权利要求1所述的系统，其中地震传感器被配置或设计用于地震信号检测中的永久或半永久安装。
9.如权利要求1所述的系统，其中地震传感器被配置或设计用于在超过大约125摄氏度的高温环境中的长期部署。
10.如权利要求1所述的系统，其中悬浮力是恒定的。
11.如权利要求1所述的系统，其中地震传感器被配置或设计用于钻孔中的井下低频地震信号检测。
12.如权利要求1所述的系统，其中地震传感器在没有常平架的情况下是全向可倾斜的。
13.如权利要求1所述的系统，其中电路还被配置或设计用于在悬浮期间测量运动线圈的位置。
14.如权利要求13所述的系统，其中系统还配置或设计用于基于运动线圈的测量位置实时调整悬浮电压，以保持运动线圈的位置。
15.如权利要求1所述的系统，其中地震传感器还包括外壳内的位置传感器，其被配置或设计用于感测运动线圈的位置。
16.如权利要求1所述的系统，其中电路还被配置或设计用于补偿由于悬浮电流导致的一个或多个DC偏置和噪声。
17.如权利要求1所述的系统，其中电路还被配置或设计用于提供正位移反馈信号到地震传感器的输出，使得地震传感器的固有频率降低。
18.如权利要求1所述的系统，其中该系统还被配置或设计用于提供包括从地震传感器输出的速度和位移信号的组合的输出信号。
19.如权利要求18所述的系统，其中电路还被配置或设计用于在宽频率范围输出速度信号。
20.如权利要求1所述的系统，其中该系统还被配置或设计用于对于温度变化校准地震传感器。
21.一种用于地震信号检测的系统，包括：
至少一个地震传感器，包括：
外壳；
安装在外壳内的至少一个用于产生磁场的磁体；以及
外壳内的运动线圈，其被构造和安排以便相对于外壳在径向固定，并且在其轴向可运动；
电路，被配置或设计用于提供电信号到地震传感器；
与地震传感器通信的数字信号处理器；
可由处理器执行的一组指令，当被执行时：
施加电信号到地震传感器，
其中该系统被配置或设计用于在检测地震信号的同时连续监控地震传感器的运动线圈的DC电阻，以便导出地震传感器温度，并且用于基于地震传感器温度的变化补偿传感器参数。
22.如权利要求21所述的系统，其中该系统还被配置或设计用于在地震信号检测期间，对于温度变化补偿传感器参数。
23.如权利要求21所述的系统，其中数字信号处理器还被配置或设计用于实时处理信号数据。
24.一种使用至少一个电悬浮的地震传感器的地震信号检测的方法，所述至少一个电悬浮的地震传感器包括：外壳；安装在外壳内的至少一个用于产生磁场的磁体；以及外壳内的运动线圈，该运动线圈被构造和安排以便相对于外壳在径向固定，并且在其轴向可运动，所述方法包括：
在用于地震信号检测的位置部署至少一个电悬浮的地震传感器；
提供电悬浮信号到地震传感器，以便克服重力悬浮运动线圈，使得运动线圈位于相对于地震传感器中的磁场的中心位置；
用至少一个电悬浮的地震传感器检测地震信号；以及
基于感测的地震信号从地震传感器输出速度和位移信号。
25.一种用于钻孔中的井下地震信号检测的地震传感器，包括：
外壳；
安装在外壳内的至少一个用于产生磁场的磁体；
外壳内的运动线圈，其被构造和安排以便相对于外壳在径向固定，并且在其轴向可运动；以及
电路，被配置或设计用于提供电信号到运动线圈，以便克服重力悬浮运动线圈，使得运动线圈位于相对于地震传感器中的磁场的中心位置。
26.如权利要求25所述的地震传感器，其中，地震传感器的运动线圈的固有频率fo从大约0.5Hz到大约5Hz，并且地震传感器外壳的外径OD和高度H小于大约1.5英寸。
27.一种用于地震信号检测的系统，包括：
至少一个地震传感器，包括：
外壳；
安装在外壳内的至少一个用于产生磁场的磁体；以及
外壳内的运动线圈，其被构造和安排以便相对于外壳在径向固定，并且在其轴向可运动；以及
至少两个感测元件，被配置或设计用于分别生成基于速度测量的第一信号和基于地震传感器的位移测量的第二信号，
其中该系统被配置或设计用于组合第一信号和第二信号以生成组合输出信号。
28.一种用于地震信号检测的方法，包括：
部署至少一个地震传感器，包括：
外壳；
安装在外壳内的至少一个用于产生磁场的磁体；以及
外壳内的运动线圈，其被构造和安排以便相对于外壳在径向固定，并且在其轴向可运动；
用地震传感器感测地震信号；
生成基于速度测量的第一信号和基于地震传感器的位移测量的第二信号；以及组合第一信号和第二信号以生成组合输出信号。
用于地震信号检测的方法和系统
技术领域
[0001] 本发明涉及用于感测地球地层中的振动的设备。更具体地，本公开贯注于电动力学感测设备，如地震检波器和地震仪，其具有处于中心位置的、置于磁场中的运动线圈。本公开可以应用于处于感测或传输操作中的其它类型的振动换能器(transducer)。
背景技术
[0002] 在油气工业中，在各种位置(如在地面、海中、海底或在钻孔中)部署地震传感器，以便通过测量从地表下结构的改变反射的地震信号来操作地提供有效的地表下结构和材料信息。在此情况下，地震传感器一般用于获得关于地表下结构中的声阻抗差(acoustic impedance contrast)的有用数据的目的。
[0003] 地震传感器在要求地震数据的精确和有效获取的地震监控、对于水和CO2贮藏(reservoir)的长期监控、核试验监控等活动中也是普遍的。
[0004] 在地震信号检测中，由传感器在离散的位置感测由地震能量源导致的地球的振动，并且传感器的输出用于确定地下地层的结构。地震能量源可以是自然的(如地震和其它地壳构造活动、沉降、火山活动等)，或是人为的(如来自地面或地下操作、或来自地面或地下的地震源的蓄意操作的声学信号)。例如，感测的地震信号可以是从由断裂或贮藏崩溃或变更所引起的微地震活动(micro-seismicity)得到的直接信号，或是从人造的能量源得到的反射信号。
[0005] 传感器落入两个主要种类：水中地震检波器(hydrophone)，其感测由地震源导致的压力场；或者地震检波器(geophone)，其感测源自地震源的微粒运动(partical motion)。
[0006] 如图1A所述，典型的地震检波器10具有一个或多个圆柱形运动线圈12，其通过弹簧20悬挂以便布置在具有极片(pole piece)16的磁体15周围。地震检波器10具有外壳14和端盖18。每个运动线圈12由弹簧20保持在中性、静止位置，并且从其中心位置在磁体15的磁场中自由振荡。弹簧20通常用片状金属制造，该片状金属被设计来将线圈12保持在相对于磁体15的磁场的中心、平衡位置。在为垂直操作设计的地震检波器中，预压弹簧20以便克服重力加速度使运动线圈12处于磁场中心。
[0007] 当地球由于直接从源或经由地下反射体传播的地震能量而运动时，可以位于地球的表面、海中或海底、或在穿透地球的钻孔的壁上的地震检波器随着由声波传播导致的微粒运动而运动。
[0009] 图1B是地震检波器的示意性描述，其中x0是运动线圈的中性位置，x是运动中的线圈的位置，并且ξ是线圈相对于磁场的中心的相对位移。弹簧和质量系统产生固有频率， 其中k是弹簧常数并且m是线圈组的运动质量(moving mass)。运动线圈相对于磁场的运动生成电输出 其中S0是灵敏度，并且 是地震检波器的固有频率之上的线圈的速度。生成的电信号流过分流电阻器Rs和线圈。线圈中的电流i阻尼线圈的运动。对于不同的阻尼因数D，在图1C中示出具有10Hz固有频率的典型地震检波器的示例性振幅和相位响应。
[0010] 在地震活动监控中，希望获取低频地震数据。在此情况下，如果在深钻孔中测量地震活动，则改进信噪比(SNR)。然而，深钻孔中的环境温度通常高，并且钻孔直径小。难以设计具有小尺寸的低频和高温钻孔。此外，由于粗略的处理，用于钻孔应用的地震检波器应该是粗糙的。还希望钻孔地震检波器在倾斜下工作，因为钻孔可能偏斜。此外，在安装在深孔中之后，可能要求地震检波器连续监控地震活动许多年。希望地震检波器在高温下长时间可靠地运行。
[0011] 如前所述，用弹簧的固有位移平衡由于重力加速度导致的力。
[0012] mg＝kξ0 等式1
[0013] 其中m是运动质量；k是弹簧常数，并且是ξ0固有位移。因为 所以2
[0014] ξ0＝g/ω0 等式2
[0015] 等式2示出固有位移与固有频率的平方成反比，并且该量对于低固有频率地震检波器是大的。
[0016] 图2A示出作为固有频率f0＝ω0/2π的函数的、由于重力加速度导致的地震检波器运动线圈的固有位移ξ0。这是弹簧中为使线圈处于中心需要的预应力量。如从图2A显而易见，对于10Hz地震检波器需要大约2.5mm的预应力。在此情况下，对于低频地震检波器(即，具有低f0的地震检波器)要求大的固有位移。如下面更详细讨论的，难以获得具有适于钻孔中的井下(downhole)部署的小的、紧凑尺寸的低频地震传感器。
[0017] 因为对于一些应用(如将地震信号转化为声阻抗或从测量的地震信号计算源机制)希望低频信号，所以需要降低地震检波器的固有频率。然而，当地震检波器的固有频率降低时，固有位移增加。地震检波器典型地是外径1英寸，并且高度1.2英寸。在这种小尺寸中，弹簧中可能的最大预应力是几毫米，而不是英寸的量级。即使对于具有例如2英寸的外径和4英寸的高度的大地震仪，仍难以提供几英寸的预应力。因此，难以设计具有较低固有频率并且具有小尺寸的地震检波器。
[0018] 典型地，为了耐用性，地震检波器的弹簧由铍铜制造。设计弹簧将运动线圈保持在磁场的中心；然而，随着时间的过去，在弹簧中存在蠕变(creep)。如图2B所示，蠕变在高温处尤其明显。如图2B所示，已知铬镍铁合金(inconel)蠕变小于铍铜。然而，铬镍铁合金是昂贵的，并且难以制造铬镍铁合金弹簧。
[0019] 因为弹簧蠕变导致线圈随着时间的过去从中心位移，所以地震检波器响应也改变。最终，在使用一段之后，运动线圈可能位移到地震检波器外壳的底部，并且地震检波器将不响应于外部振动。
[0020] 如果地震检波器是倾斜的，即，从为其设计的方位移开，则运动线圈相对于磁体中的磁场偏心。注意图2C。如上所述，预压支撑运动线圈的弹簧，以便补偿重力，使得运动线圈处于地震检波器的中心。然而，如果这种地震检波器倾斜，则预压的弹簧使得运动线圈在向上方向运动。因此，运动线圈从其相对于地震检波器的垂直位置的中性位置位移，如图2C所示。在图2C中，垂直地震检波器地震传感器的运动线圈的中性或静止位置指定为x0，并且由于倾斜θ导致的位移位置指定为x。如果倾斜量大，则运动线圈可能碰撞地震检波器的端盖，使得地震检波器不再能够响应于地震振动。
[0021] 当地震检波器从垂直方位倾斜时，由于较小的重力加速度，预压的弹簧将运动线圈在向上方向移动ξ，如图2C所示。ξ的量是：
[0022] 等式3
[0023] 其中g是重力加速度；θ是从垂直测量的倾斜；ω0是等于2πf0的固有角频率；k是弹簧常数；并且m是运动质量。下标v表示具有弹簧的垂直地震检波器，当地震检波器垂直时，预压该弹簧以使运动线圈处于中心。
[0024] 类似地，对于没有预压弹簧的水平地震检波器，运动线圈的位错(dislocation)是：
[0025] 等式4
[0026] 当地震检波器的固有频率低时，固有位移大，如图2D所示，并且由于倾斜导致的固有位移的偏移大。因为通过设计、运动线圈的行程(stroke)是有限的，所以运动线圈可能超过其运动的最大空间，并且地震检波器将停止响应振动。
[0027] 当运动线圈在磁通量场中不在中心时，开路灵敏度S0和开路阻尼D0降低，并且总的谐波失真变大。在此情况下，如果垂直地震检波器从其垂直位置倾斜，则地震检波器响应参数S0、D0和fo基于倾斜量改变。地震检波器响应参数的改变改变了记录的地震信号的波形，这对于记录数据的分析是不希望的。
[0028] 总而言之，为了测量低频的小地震信号，地震检波器的固有频率应该低。然而，当固有频率降低时，地震检波器的固有位移变大，并且地震检波器的尺寸增加，以便容纳地震检波器的固有位移。当由于重力加速度导致的运动线圈的固有位移大时，难以对于不同倾斜条件容纳固有位移的改变。因此，倾斜的范围非常受限，并且在安装期间要求地震检波器的精确设置。最终，随着时间的过去存在蠕变(尤其在高温处)，并且这种地震检波器在使用长时间段之后停止工作。
[0029] 因此，将认识到，存在对传统地震检波器改进以便改进地震测量的精度的希望。
[0030] 在前述中提到的传统地震传感器设计的限制不旨在是穷举的，而是可能降低之前已知的传感器机制的有效性的许多限制中的限制。然而，上述应该足以说明：将承认过去存在的传感器结构值得改进。
发明内容
[0031] 在此公开的实施例提供了用于地震传感器(如地震检波器或地震仪)的方法和系统。具体地，本公开的一些实施例提供具有地震传感器的方法和系统，其提供用小尺寸的地震检波器封装恢复低频地震信号的能力。本公开的地震传感器是全向可倾斜的，并且不受高温环境中扩展部署的不利影响。
[0032] 通过施加电流以对抗重力，地震传感器的运动线圈位于相对于地震传感器内的磁场的中心位置。因为通过电流而不是预压弹簧补偿由于运动线圈的重力导致的固有位移，所以本公开的地震传感器适于在低频地震信号的获取和不同操作方位和环境中使用。地震传感器具有单个线圈反馈系统以及包括位移信号和速度信号的组合的信号，使得可能获得宽频率响应。此外，测试电路集成在系统中，用于提供响应校准、以及用于信号组合的参数和反馈参数的调谐。此外，在此公开的系统和方法在获取地震数据的同时，提供连续温度监控、和电悬浮电流以及反馈参数和信号组合参数的更新。
[0033] 申请人认识到，使用电流代替传统的预压弹簧来克服重力升高运动线圈，将消除对弹簧的重力。因为电悬浮(levitation)从弹簧移除应力，所以防止在高温处的蠕变。
[0035] 申请人还认识到，可能通过使用正位移反馈降低地震检波器的固有频率。此外，申请人认识到，通过组合位移和速度信号，可能获得宽频率响应。此外，申请人认识到，可能使用校准来确定反馈参数，并且通过添加位移的积分(即，开环控制)来均衡地震检波器响应。申请人还认识到，可能通过监控地震检波器的温度来连续更新反馈参数、信号组合或均衡器参数，而不用中断地震数据获取。
[0036] 在本公开的一个实施例中，一种用于地震信号检测的系统包括至少一个电悬浮的地震传感器。电悬浮的地震传感器包括：外壳；安装在外壳内的至少一个用于产生磁场的磁体；以及外壳内的运动线圈，其被构造和安排以便相对于外壳在径向固定，并且在其轴向可运动。电路被配置或设计用于提供电信号到地震传感器。数字信号处理器与地震传感器通信，并且可由处理器执行的一组指令当被执行时，施加电信号到地震传感器，使得运动线圈克服重力悬浮，以便位于相对于地震传感器中的磁场的中心位置。
[0037] 在某些方面中，电路可包括分流电阻器，用于调整地震传感器的运动线圈的运动，和/或电路可以被配置或设计用于通过速度反馈调整运动线圈的运动。在其它方面中，电路可以被配置或设计用于提供积分反馈到地震传感器。数字信号处理器可以被配置或设计用于在通过地震传感器获取地震数据期间，监控从地震传感器输出的电信号，以便导出地震传感器的温度，并且为传感器参数补偿温度依赖性。在一个可能的实施例中，电路还被配置或设计用于提供恒定电流到地震传感器的运动线圈。在本公开的某些方面中，悬浮力是恒定的。
[0038] 地震传感器可以被配置或设计用于在钻孔中的井下使用；用于地震信号检测中的永久或半永久安装；或用于在超过大约125摄氏度的高温环境中的长期部署。在这里的其它方面中，地震传感器可以被配置或设计用于钻孔中的井下低频地震信号检测。在一个可能的实施例中，地震传感器在没有常平架的情况下是全向可倾斜的。
[0039] 在本公开的各方面中，电路可以被配置或设计用于在悬浮期间测量运动线圈的位置。系统可以被配置或设计用于基于运动线圈的测量位置实时调整悬浮电压，以保持运动线圈的位置。地震传感器可以包括外壳内的位置传感器，其被配置或设计用于感测运动线圈的位置。电路可以被配置或设计用于补偿由于悬浮电流导致的一个或多个DC偏置和噪声。在这里的其它实施例中，电路可以被配置或设计用于提供正位移反馈信号到地震传感器的输出，使得地震传感器的固有频率降低。在其它的实施例中，系统可以被配置或设计用于提供包括从地震传感器输出的速度和位移信号的组合的输出信号。
[0040] 在本公开的某些实施例中，电路可以被配置或设计用于在宽频率范围输出速度信号。系统可以被配置或设计用于对于温度变化校准地震传感器。
[0041] 提供一种用于地震信号检测的系统，包括至少一个地震传感器，所述至少一个地震传感器包括：外壳；安装在外壳内的至少一个用于产生磁场的磁体；以及外壳内的运动线圈，其被构造和安排以便相对于外壳在径向固定，并且在其轴向可运动。该系统包括电路，被配置或设计用于提供电信号到地震传感器；与地震传感器通信的数字信号处理器；可由处理器执行的一组指令，当被执行时，其施加电信号到地震传感器，其中系统被配置或设计用于在检测地震信号的同时连续监控地震传感器的运动线圈的线圈DC电阻(DC电阻)，以便导出地震传感器温度，并且用于基于地震传感器温度的变化补偿传感器参数。在这里的各方面中，系统可以被配置或设计用于在地震信号检测期间，对于温度变化补偿传感器参数。数字信号处理器可以被配置或设计用于实时处理信号数据。
[0042] 在本公开的某些实施例中，一种使用至少一个电悬浮的地震传感器的地震信号检测的方法，包括：在用于地震信号检测的位置部署至少一个电悬浮的地震传感器；提供电悬浮信号到地震传感器，以便克服重力悬浮运动线圈，使得运动线圈位于相对于地震传感器中的磁场的中心位置；用至少一个电悬浮的地震传感器检测地震信号；以及基于感测的地震信号从地震传感器输出速度和位移信号。
[0043] 提供一种用于钻孔中的井下地震信号检测的地震传感器，包括：外壳；安装在外壳内的至少一个用于产生磁场的磁体；外壳内的运动线圈，其被构造和安排以便相对于外壳在径向固定，并且在其轴向可运动；以及电路，被配置或设计用于提供电信号到运动线圈，以便克服重力悬浮运动线圈，使得运动线圈位于相对于地震传感器中的磁场的中心位置。在某些方面中，地震传感器的运动线圈的固有频率(fo)可以从大约0.5Hz到大约5Hz，并且地震传感器外壳的外径(OD)和高度(H)可以小于大约1.5英寸。
[0044] 在这里的其它实施例中，一种用于地震信号检测的系统，包括至少一个地震传感器，其具有：外壳；安装在外壳内的至少一个用于产生磁场的磁体；以及外壳内的运动线圈，其被构造和安排以便相对于外壳在径向固定，并且在其轴向可运动。在某些实施例中，该系统包括至少两个感测元件，被配置或设计用于分别生成基于速度测量的第一信号和基于地震传感器的位移测量的第二信号。该系统被配置或设计用于组合第一信号和第二信号以生成组合输出信号。
[0045] 在另一可能的实施例中，一种用于地震信号检测的方法，包括：部署至少一个地震传感器；用地震传感器感测地震信号；生成基于速度测量的第一信号和基于地震传感器的位移测量的第二信号；以及组合第一信号和第二信号以生成组合输出信号。
[0048] 图1A是传统的地震检波器地震传感器的示意图；
[0049] 图1B是用于说明在此讨论的原理的地震检波器地震传感器的示意性描绘；
[0050] 图1C以曲线图描绘对于不同阻尼因数D的10Hz传统地震检波器的振幅和相位响应；
[0051] 图1D是对于具有不同固有频率fo的地震传感器的运动线圈位移响应的图形描绘；
[0052] 图1E是对于具有不同阻尼因数D的地震传感器的运动线圈位移响应的图形描绘；
[0053] 图2A是描绘由于重力加速度导致的地震检波器地震传感器中的运动线圈的固有位移的曲线图；
[0054] 图2B是描绘在260摄氏度的不同材料的地震检波器弹簧中的蠕变的曲线图；
[0055] 图2C示意性地图示由于倾斜θ导致的、垂直地震检波器地震传感器的运动线圈的中心从其中性或静止位置x0到位移位置x的位移；
[0056] 图2D是描绘没有预压弹簧的水平地震检波器的运动线圈关于倾斜角的固有位移的曲线图；
[0057] 图3A和3B是根据本公开的、用于电流注入以悬浮(levitate)地震传感器运动线圈的一些可能技术的电路图；
[0058] 图4A是根据本公开的、用于使用电悬浮以防止地震传感器弹簧蠕变的高温环境中的井下地震监控的一个可能系统的示意性描绘；
[0059] 图4B是铜线的电阻和温度之间的关系的图形表示；
[0060] 图4C是根据本公开的、用于通过提供恒定电流克服地震检波器线圈电阻和线缆电阻的温度依赖性的地震监控的另一个可能系统的示意性描绘；
[0061] 图5是根据本公开的、在此公开的一种用于测试利用电悬浮使运动线圈中心化的地震传感器的技术的电路图表示；
[0062] 图6是在由于悬浮电流和/或地震检波器参数的确定的不精确导致的电悬浮之后的固有位移的误差的图形表示；
[0063] 图7A-7D是根据本公开的、用于电悬浮的地震传感器中的DC抵消的一些可能技术的电路图表示；
[0064] 图8A-8D是根据本公开的、用于感测地震传感器中的运动线圈的位置的一些示例性技术的示意性描绘；
[0066] 图9B是示出根据本公开的、用于在理想的和没有反馈的、以及确定反馈参数的误差影响的情况下的反馈地震传感器的模拟数据的曲线图；
[0067] 图10是示出根据本公开的、用于地震传感器的组合输出数据的模拟数据的曲线图；
[0068] 图11是根据本公开的、用于说明地震检波器校准的地震检波器传感器和理想地震检波器传感器的示意性表示；
[0069] 图12是用于示出用于输出位移和速度信号的一个质量和弹簧系统的示意图；
[0070] 图13A是具有力平衡反馈回路的传统地震传感器或伺服加速计的框图表示；
[0071] 图13B是根据本公开的、地震传感器反馈回路系统和组合的位移和速度信号的框图表示；
[0072] 图14是地震检波器响应参数So、Do和fo的温度依赖性的图形表示；
[0073] 图15描绘根据本公开的、在此讨论的一种用于校准地震传感器的传统技术；
[0074] 图16A是具有根据本公开的地震传感器的一个可能系统的框图表示；
[0075] 图16B描绘具有根据本公开的原理的地震传感器的一个示例性钻孔工具；以及[0076] 图16C是用于利用根据本公开的地震传感器的地震信号检测的一种可能方法的流程图。
[0077] 贯穿附图，相同的参考标号和描述指示类似的、但不必是相同元件。尽管在此描述的原理易于进行各种修改和替换形式，但是已经通过示例的方式在附图中示出特定的实施例，并且将在此详细描述。然而，应该理解，本发明不旨在限于公开的具体形式。而是，本发明包括落入权利要求的范围内的所有修改、等价物和替换。
具体实施方式
[0078] 下面描述本发明的说明性实施例和各方面。当然将认识到，在任何这种实际实施例的开发中，必须进行多个实现特定的决定，以实现开发者的特定目的，如符合系统相关和商业相关约束，所述约束将从一种实现到另一种实现而变化。此外，将认识到，这种开发努力可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开的本领域的普通技术人员仍然将是常规任务。
[0079] 贯穿说明书对“一个实施例(one embodiment)”、“一实施例(anembodiment)”、“一些实施例”、“一个方面”、“一方面”或“一些方面”的引用意味着结合该实施例或该方面描述的特定特征、结构、方法或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在贯穿说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”不必全部指相同的实施例。此外，特定特征、结构、方法或特性可以在一个或多个实施例中以任意合适的方式组合。词语“包括(including)”和“具有(having)”应当具有与词语“包含(comprising)”相同的含义。
[0080] 此外，创造性的方面在于小于单个公开实施例的全部特征。因此，权利要求在此明确地并入该具体实施方式中，每个权利要求独立作为本发明的单独的实施例。
[0081] 现在转向附图，其中相同标号指示相同部分，在此的公开贯注于可以用于便利和改进地震信号检测的各种技术的概念。本公开构思公开的技术到电动力学型传感器(如地震检波器或地震仪)的可应用性，其用于地震勘探或地下贮藏的主动或被动监控的领域。传感器可以部署在相对于垂直方向偏斜的探测和/或生产井中，并且包括用于检测沿着三个正交轴接收的信号分量的多分量地震检波器。在根据本公开的各方面中，地震传感器可以用在有线(wireline)系统、陆地地震观测(surveying)系统、海底地震观测系统、永久或其它监控系统，包括用于监控地震或贮藏中的微地震活动的系统。本公开的一些原理还在共同未决、共有的题为“Geophone Calibration Technique”的美国专利申请No.11/733,214中描述，在此通过引用并入其全部内容。
[0082] 如下面更详细描述的，本公开提供可以用于便利和改进地震信号检测的各种技术。本公开构思在此的原理到各种领域的应用，所述领域尤其如有线、陆地地震、海底地震、永久的或其它监控、水力压裂监控、生产日志。
[0083] 为了获得在本申请中描述的各种技术和特征的更好理解，现在将提供地震检波器测量技术的简要描述。地震观测测量传播穿过地球的地震波，以绘制(map)地球中的结构图像。地震检波器通常用于在各种位置(如例如井下、在地面和/或海底)检测地震信号。图1A中示出传统地震检波器的示例。图1B是用于说明在此讨论的原理的地震检波器的示意性描绘，并且图1C以曲线图描绘对于不同阻尼因数D的10Hz传统地震检波器的振幅和相位响应。
[0084] 图1A的地震检波器10包括安装在线圈管上的运动线圈12、磁体15、具有悬挂弹簧20的一对极片16、以及外壳14。极片16和外壳14由可透磁材料制造，并且形成其中悬挂运动线圈12的磁场。在图1A的示例中，安装在线圈管上的运动线圈12和悬挂弹簧20共同形成地震检波器的有效运动质量部分m。
[0085] 在传统地震检波器中，运动线圈通过一对弹簧悬挂在磁场中，如图1A所示。弹簧设计来控制线圈的径向运动，并且为质量-弹簧系统提供希望的固有频率。
[0086] 申请人认识到，传统的地震传感器具有可以通过本公开的电悬浮地震传感器解决的限制。具体地，低频信号恢复使传感器的固有频率f0必须降低，这导致运动线圈的固有位移增加，因此，传感器的尺寸增加。因此，难以将具有低f0的地震传感器封装在小的封装中。
[0088] 在此描述类型的地震传感器例如用在高温井中，其中高温可能导致弹簧蠕变。结果，地震检波器响应改变并且最终传感器停止工作。
[0089] 与要求地震传感器中的预压弹簧、以便克服重力将运动线圈支撑在中性位置的典型的地震传感器系统相反，本公开教导通过电悬浮将线圈的位置置于磁场中心。如在此使用的，术语“电悬浮”指使用电信号以便克服重力升高或悬浮地震传感器的运动线圈。如之前讨论的，在此描述类型的传统地震传感器具有预压弹簧以便克服重力升高运动线圈，使得运动线圈处于地震传感器内部的磁场中心。本公开构思电悬浮代替传统的预压弹簧。在此情况下，本传感器的弹簧机制被设计为克服相对于传感器的外壳的径向运动保持或固定运动线圈，同时允许其自由轴向运动。尽管上面的描述提出电悬浮代替传统地震传感器的预压弹簧，但是不必消除弹簧机制中的预应力。构思如果没有完全消除，则弹簧机制中的预应力将最小化，使得弹簧不引入误差到运动线圈的位置。
[0090] 如在本申请中所使用的，术语“地震检波器”旨在包括传统类型的地震检波器(如在图1A中图示的)、以及非常低频的地震检波器(如地震仪型电动力学传感器)、以及来自Schlumberger公司的地震检波器加速计(GAC)设备，其例如可以被配置或设计来比传统型的地震检波器测量相对更宽的加速度范围。如图1A所示，典型的地震检波器10包括运动线圈，其通过弹簧或一对弹簧悬挂在磁通量中。运动线圈设法停留在相同位置，同时地震检波器的外壳响应于外部振动而运动。
[0091] 图1B是地震检波器地震传感器的示意性描绘，并且图1C描绘通过调整分流电阻器Rs获得的、对于不同阻尼因数D的10Hz传统地震检波器的振幅和相位响应。在图1D中，示出了对于具有不同固有频率fo的地震传感器的运动线圈位移响应。对于低固有频率，运动线圈的位移大，并且运动线圈要求适当大的运动空间。在图1E中，示出了对于具有不同阻尼因数D的地震传感器的运动线圈位移响应。在此情况下，可能通过增加阻尼因数来减小用于运动线圈的运动空间。
[0092] 地震检波器将地运动转换为电信号。如之前在上面所讨论的，在典型的地震检波器中，运动线圈通过一对弹簧悬挂在磁通量场中，如图1A所示。当地震检波器外壳随着地运动而运动时，运动线圈停留在相同位置。运动线圈相对于外壳的运动(在磁通量场的情况下)导致线圈生成与运动线圈的速度成比例的电信号。
[0093] 再次参照图1B，地震检波器运动线圈具有质量m，并且其相对于外壳的中性位置是x0。运动线圈相对于中性位置的位置是ξ。线圈的DC电阻是r，并且运动线圈的输出连接到外部电阻Rs以调整阻尼因数D。当地震检波器的运动线圈在磁通量中运动时，线圈生成信号eg：
[0094] eg＝Blv 等式5
[0095] 其中B是磁通量密度，l是线圈的长度，并且v是线圈相对于磁场的速度。乘积Bl是地震检波器从地运动的速度到电信号eg的转换因数，并且通常处理为灵敏度S0。
[0096] 电流流出运动线圈，并且通过分流电阻器Rs返回：
[0097] 等式6
[0098] 线圈中的电流导致阻碍线圈的运动的力f，即，阻尼力：
[0099] f＝S0i 等式7
[0100] 运动线圈的运动等式写为：
[0101] 等式8
[0102] 其中u是地运动的位移，μ是摩擦系数，并且k是弹簧常数。固有频率ω0和开路阻尼因数D0定义为：
[0103] 等式9
[0104] 等式10
[0105] 总的阻尼D定义为：
[0106] 等式11
[0107] 运动质量的运动等式重写为：
[0108] 等式12
[0109] 假设地运动由以下给出：
[0110] u＝asin(ωt) 等式13
[0111] 那么等式12的解写为：
[0112] 等式14
[0113] 正弦和余弦项可以用相位延迟组合为：
[0114] 等式15
[0115] 等式16
[0116] 那么电信号为：
[0117] 等式17
[0118] 通过分流电阻和线圈电阻减小输出信号，并且通过分流电阻器R的传感器的输出减小Rs/(r+Rs)。
[0119] 图1C以曲线图描绘对于不同阻尼因数D的10Hz传统地震检波器的振幅和相位响应。假设地震检波器具有如下面表1所示的响应参数：
[0120]地震检波器
f0[Hz] 10
S0[V/(m/s)] 40
D0[-] 0.2
r[ohm] 400
m[kg] 0.01
f0[Hz] 10
S0[V/(m/s)] 40
D0[-] 0.2
r[ohm] 400
m[kg] 0.01
[0121] 表1
[0122] 通过合适分流电阻器Rs调整总的阻尼因数D，以通过使用等式11产生D＝0.3、D＝0.7和D＝1.0，如下面的表2所示。
[0123]情况1 情况2 情况3
Rs[ohm] 12286 2145 1192
D[-] 0.30 0.70 1.00
S[V/(m/s)] 38.7 33.7 29.9
Rs[ohm] 12286 2145 1192
D[-] 0.30 0.70 1.00
S[V/(m/s)] 38.7 33.7 29.9
[0124] 表2
[0125] 对于D＝0.3、0.7和1.0，使用等式17在图1C中绘制单位速度输入的标准化振幅响应eg/(aω)。还在图1C中示出通过等式16导出的相位响应。如从图1C显而易见，运动线圈的运动在高于固有频率的频率处与地运动相反。
[0126] 从等式15，对于恒定速度的运动线圈的位移写为：
[0127] 等式18
[0128] 使用等式18，基于下面表3中示出的参数为不同固有频率生成合成数据，并且在图1D中描绘结果。
[0129]地震检波器1 地震检波器2 地震检波器3
f0[Hz] 20 10 5
S0[V/(m/s)] 40 40 40
D0[-] 0.2 0.2 0.2
r[ohm] 400 400 400
m[kg] 0.01 0.01 0.01
f0[Hz] 20 10 5
S0[V/(m/s)] 40 40 40
D0[-] 0.2 0.2 0.2
r[ohm] 400 400 400
m[kg] 0.01 0.01 0.01
[0130] 表3
[0131] 对于不同的固有频率，在图1D中示出开路条件下的运动线圈位移。要注意的是，当固有频率降低时，运动线圈位移响应增加。
[0132] 固有频率处的位移量是：
[0133] 等式19
[0134] 使用表3中的地震检波器2的参数和等式19，通过调整如下面表4所列表的分流电阻Rs，使用总的阻尼D＝0.7、1.0和2.75计算运动线圈的位移。
[0135]情况1 情况2 情况3
Rs[ohm] 2147 1190 100
D[-] 0.70 1.00 2.75
S[V/(m/s)] 38.1 32.8 23.0
Rs[ohm] 2147 1190 100
D[-] 0.70 1.00 2.75
S[V/(m/s)] 38.1 32.8 23.0
[0136] 表4
[0137] 得到的运动线圈位移在图1E中绘制为频率的函数。要注意的是，当总的阻尼因数小时，位移在固有频率处变为最大值。如果总的阻尼高，则对于恒定的速度输入，位移对于宽频率范围是恒定的。
[0138] 图2A是描绘由于重力加速度导致的地震检波器的固有位移的曲线图。对于10Hz地震检波器，运动线圈的固有位移大约是2.5mm。在垂直地震检波器中，预压用于悬挂运动线圈的弹簧，使得当地震检波器位于垂直时，运动线圈在地震检波器的中心。10Hz地震检波器的典型尺寸将是外径1英寸并且高度1.2英寸。具有2.5mm的固有位移的预压弹簧封装在该尺寸的地震检波器中。如果固有频率降低到1Hz以检测低频信号，则固有位移可能是大约250mm。具有250mm的固有位移的预压弹簧将要求具有大于250mm的尺寸的外壳。
[0139] 图2B是描绘在260摄氏度的不同材料的地震检波器弹簧中的蠕变的曲线图。如果传感器弹簧长时间暴露在高温，则由于质量和重力加速度导致的应力使得弹簧蠕变，并且永久地使弹簧变形。在此情况下，运动线圈开始处于地震传感器外壳的中心，但是线圈降低弹簧蠕变的量，并且最终接触外壳的底部并且停止工作。
[0140] 如上所述，本公开提出了克服上述类型的传统地震检波器中的缺点的系统。本公开教导反馈运动线圈位置的DC分量，而不是运动分量。典型地，在伺服加速计中，包括运动分量的运动线圈位移信号用于反馈目的。然而，本申请人认识到，如果应用运动分量反馈，则反馈是所谓的力平衡反馈，并且地震传感器的输出变为与加速度而不是运动线圈的速度成比例。这种情况是内在地有噪声的。
[0141] 如下面进一步详细描述的，电流注入运动线圈。电流可以经由串联连接的分流电阻器施加到线圈，以便控制阻尼因数。因为线圈的DC电阻随着温度改变，所以如果环境温度高，则DC电阻增加，并且线圈中的电流减小，使得失去悬浮平衡。因此，本公开提出用于悬浮运动线圈的电流可以提供为恒定电流，使得即使温度改变，电流也保持相同。
[0142] 如下面进一步详细讨论的，可以提供位置传感器来监控运动线圈相对于磁场的位置。作为一种可能的技术，通过运动质量的量初始确定使线圈处于中心所需的电流量。因为通过使用位置传感器监控线圈位置，所以可能将线圈位置的误差反馈到线圈。可替代地，还可能悬浮运动线圈直到位置传感器检测到线圈处于中性位置。
[0143] 位置信息的反馈也可以施加到线圈，使得可以修改固有频率。如果施加正反馈，则反馈减小固有频率。运动线圈位置信息可以从位置传感器直接获得，或者可以通过来自运动线圈的速度信号的积分导出。不可能通过积分的速度的反馈来反馈DC分量；然而，可能降低固有频率。
[0144] 本公开提出放大来自线圈的输出信号，并且将反馈施加到具有反向极性的线圈。来自线圈的输出与线圈的速度成比例，并且速度反馈调整阻尼因数。如果阻尼因数大，则来自线圈的输出与固有频率周围的加速度成比例。在大阻尼因数的情况下，加速度线性频率范围宽。在此条件下，位移传感器输出与速度成比例的信号。在没有过阻尼的情况下，线圈的位移响应在固有频率周围大，并且总的谐波失真大，并且对于线圈要求大的空间以响应于地震信号(再次注意图1E)。
[0145] 反馈之后的放大器组合来自线圈的信号和来自位移传感器的信号，以便扩展频率范围(注意下面讨论的图10)。可以添加积分的位移信号来进一步扩展频率范围(再次注意图10)。
[0146] 可以通过注入电信号到运动线圈来执行初始校准。在没有任何反馈信号的情况下测量地震检波器元件的响应。通过分析该响应，发现地震检波器参数，如固有频率f0、开路阻尼D0、开路灵敏度S0和线圈电阻r。基于测量的响应参数，确定反馈常数和用于信号组合的权重。
[0147] 在本公开的各方面中，监控传感器元件的温度。独立的温度传感器可以附接到地震传感器的外壳。可以测量运动线圈的DC电阻，以便估计地震传感器的温度。共有的美国专利No.7,225,662公开用于校准地震检波器的技术，在此通过引用并入其全部内容。线圈的电阻是温度的函数，并且通过监控电阻估计温度。还可能使用电悬浮电压和电流来监控线圈的DC电阻。传感器响应参数随着温度改变。根据测量的温度修改反馈和信号组合常数。
[0148] 还可以通过数字化位移和速度信号来执行反馈和信号组合，使得可以根据校准的传感器参数容易地调整参数。
[0149] 图3A和3B是描绘根据本公开的、用于注入电流以悬浮地震传感器的运动线圈的一些可能技术的电路图。本公开教导施加电流到地震传感器的运动线圈以平衡重力，如由图3A的电路图所表示的。在此情况下，电悬浮代替或补偿在现有技术的地震传感器中通常使用的预压弹簧。本地震传感器的弹簧元件起在径向刚性支撑运动质量、并且在相对于传感器外壳的轴向柔性支撑运动质量的作用。
[0150] 使用电悬浮代替预压弹簧提供了低频地震传感器，并且消除了弹簧蠕变。因为通过电悬浮悬挂或悬浮运动质量，所以对于低频地震检波器或地震仪不再要求预压弹簧的大固有位移，如图2A所示。因为预压弹簧不再支撑运动质量克服重力，所以不存在用作在弹簧上以导致高温处蠕变的应力。在在此公开的一些方面中，电流通过分流电阻器Rs流入运动线圈(注意图3A)。根据对于地震传感器的特定应用所希望的阻尼因数确定分流电阻器Rs。
[0151] 作用于运动质量的重力是：
[0152] fg＝mg cos(θ) 等式20
[0153] 其中m是运动质量，g是重力加速度，并且θ是从垂直测量的倾斜角。由于施加的电流导致的力是：
[0154] fi＝S0i 等式21
[0155] 其中S0是与Bl(其中B是磁通量密度，并且l是线圈的长度)相同的开路灵敏度。因为重力和由于电流导致的力相互平衡，所以需要的电流量是：
[0156] 等式22
[0157] 可见如果运动质量m小并且灵敏度S0大，则电流量小。因此，希望设计具有小运动质量和大灵敏度的地震传感器元件。在本公开中提出的设计准则类似于共有的美国专利No.7,099,235的公开特征，在此通过引用并入其全部内容。
[0158] 对于图3A所示的电路，设计或选择分流电阻器Rs以导致临界阻尼。通过分流电阻器Rs施加电压E0，以补偿重力。下面的表5示出对于传统的地震仪、传统的陆地地震检波器、传统的井下地震检波器和为根据本公开的电悬浮配置或设计的GAC传感器(由Schlumberger开发的高灵敏度地震检波器)估计的用于电悬浮所要求的电压、电流和功耗的结果。
[0159]
[0160] 表5
[0161] 可见要求大量功率来悬浮低频地震仪的运动质量；然而，用于高灵敏度地震传感器的功耗仅为4mW。申请人认识到，在小运动质量的情况下，具有大开路灵敏度的地震传感器提供功耗的未预料到的好处。
[0162] 在图3A的电路图中，在分流电阻器Rs中消耗大百分比的功率。Rs的量大于r，即，运动线圈的DC电阻。因此，在图3B中描绘一种用于注入电流的更有效的技术，其中提供具有反馈的地震传感器。
[0163] 在图3B的电路中，悬浮电压EL施加到输入电阻器Ri。输出电压是：
[0164] E＝rEL/Ri 等式23
[0165] 因为虚短路，所以运算放大器的输入是零伏特。运动线圈中的电流EL/Ri是与注入输入电阻器Ri相同的电流。因此，对于任何线圈电阻r，电路提供由电源电压EL和输入电阻器Ri确定的恒定电流到运动线圈，并且即使r改变，电流也是恒定的。图3B的电路的一个优点是可以设计Ri为小，使得跨越电阻器的电压降减小。分流电阻器Rs可以并联添加到线圈，以控制地震传感器操作的阻尼因数。
[0166] 例如，对于Ri＝100欧姆和70％的阻尼因数，估计用于如图3B所示的电悬浮电路的要求的电流和功耗，并且结果在下面的表6中示出。如从下面的表6显而易见，通过利用图3B中描绘的电路，要求的功率减小1/10到1/200。
[0167]
[0168] 表6
[0169] 图4A是根据本公开的、用于使用电悬浮以防止地震传感器弹簧蠕变的高温环境中的井下地震监控的一个可能系统的示意性描绘。在图4A的示例性系统中，电悬浮应用到例如为热钻孔中的地震活动的长期监控部署的地震传感器。因为传统的电子设备在高温下可能不可靠，所以来自地震传感器的信号可以以模拟方式传输而不使用电子设备。悬浮电流可以由电池通过分流电阻器Rs施加。电容器C阻挡DC悬浮电压，并且将地震信号传递到记录装置。
[0170] 本公开还构思电流可以施加到现有地震检波器，该现有地震检波器之前已经安装，但是可能因为弹簧蠕变而已经变得不操作，即“失效的(dead)”。通过注入合适的电流到失效的地震传感器，可能将运动线圈从底部提高，使得地震传感器操作并且可以再次用于地震观测操作。
[0171] 申请人还注意到线圈电阻随着温度的改变而改变。例如，对于铜线，电阻表示为：
[0172] R＝R20{1+0.00393(T-20)} 等式24
[0173] 图4B是铜线的电阻和温度(即，温度系数)之间的关系的图形表示。在200摄氏度的电阻是在20摄氏度的电阻的1.8倍。在环境温度保持变化的操作情况中，井下温度可能也变化。例如，当钻油井时，泥浆循环冷却井下地层。然而，井温度花费长时间变得稳定。此外，如果油在井中流动，则温度波动。因此，如果电压经由分流电阻器施加到地震传感器的运动线圈，则电流是温度的函数，并且电压需要随着温度的变化微调。
[0174] 如果井下部署的地震传感器是有线的，并且信号在没有放大器的情况下传输到地面，则线缆电阻包括在运动线圈电阻中，并且线缆电阻的量也随着温度的改变而改变。为了消除温度影响，电功率可以以恒定电流方式提供，如在图4C的示例性地震系统中所描绘的。在图4C的情况下，即使电阻改变，施加的电流也是恒定的，并且悬浮力保持恒定。
[0175] 电悬浮的量可以通过知道运动线圈位置来确定。一种可能的技术是使用用于感测运动质量的位置的合适的位移传感器。例如，可以利用外部倾斜仪。然而，还可以通过使用在共有的共同未决的美国专利申请No.US 12/180,560中公开的步进测试方法确定运动线圈中心。
[0176] 为了悬浮电流的验证，即，检查注入的电流是否足够，可以与在本公开中公开的电悬浮技术结合利用在上述美国专利申请No.US 12/180,560中公开的技术。从而，在此通过引用并入上述专利申请的全部内容。
[0177] 图5是根据本公开的、一种用于测试利用电悬浮使地震检波器运动线圈中心化的地震传感器地震检波器的技术的电路图表示。在图5的技术中，步进测试集成到本公开的电路中，以便测量运动线圈位置和电悬浮电流。在图5中，S1是用于施加步进电压Es的开关，并且是S2用于改变步进电压的极性的开关。选择Es以便大到足以将运动线圈完全位移到地震传感器的外壳的顶部最大值和底部最大值。如果运动线圈位于外壳的中心，则在具有相反极性的情况下，来自顶部最大值位置的步进响应和来自底部最大值位置的步进响应应该是相同的。差别(如果有的话)是运动线圈距中心的位移量。应该注意，图5的示例性测试电路包括用于施加电悬浮的分流电阻器Rs。测试包括具有分流电阻器的地震传感器的总体响应，而不是开路响应。开路响应可以通过切断分流电阻器来测量。
[0178] 本公开提出用于地震传感器的电悬浮的两种示例性技术。在一个实例中，基于使用地震检波器参数(如固有频率f0、开路灵敏度S0、DC电阻r和运动质量m)的悬浮电流的估计，DC电流施加到地震传感器。另一可能技术测量运动线圈位置，并且电地调谐或调整位置。
[0179] 电悬浮要求的电流量是：
[0180] 等式25
[0181] 在平衡重力和电悬浮中的误差由弹簧元件的变形吸收。如果弹簧元件弱，并且运动质量大，例如在f0低的情况下，则由于平衡误差导致的弹簧的变形变大(注意图6)。在这样的情况下，必须用好的精度确定电悬浮电流。在此情况下，悬浮电流中的误差应该用弹簧元件的变形平衡，即，S0Δi＝kΔξ。通过使用等式2和25，发现弹簧变形的百分比误差为：
[0182] 等式26
[0183] 其中ξ是弹簧位移，并且ξ0是弹簧元件的固有位移。悬浮电流中的百分比误差与固有位移中的误差的百分比相同。
[0184] 图6是在由于悬浮电流和/或地震检波器参数的确定的不精确导致的电悬浮之后、使线圈处于中心的误差的图形表示。在图6的曲线图中示出由于悬浮电流的误差导致的弹簧位移。如果补偿重力加速度的95％，则对于f0＝4Hz误差是1mm。为了实现该结果，因为容差通常是大约5％，所以可能基于地震传感器的规格设置悬浮电流。例如，为了在1mm的误差内悬浮1.5Hz地震检波器，悬浮电流应该在1％的精度内。在此情况下，1mm位移误差可能是具有1英寸外径(OD)和1.2英寸高度(H)的尺寸的传统地震检波器中的最大可容许误差。
[0185] 对于1％误差内的电流估计，要求地震传感器的高精度校准。在此情况下，本公开提出测量的运动质量用于确定悬浮电流的要求量。在前述共有的美国专利No.7,225,662中描述用于地震检波器的运动质量的确定的技术。
[0186] 图7A-7D是根据本公开的、在此描述的用于电悬浮的地震检波器中的DC抵消的一些技术的电路图表示。
[0187] 注入来悬浮地震传感器的运动线圈的悬浮电流导致地震信号测量的DC偏置。一种可能性是通过使用电容器阻挡DC信号，如图4A、4C和5所示。然而，这样的DC信号的阻挡可能还减小低频信号。
[0188] 图7A描绘用于移除由悬浮电流注入地震传感器导致的DC偏置的一种技术。在图7A的电路图中，提供到用于悬浮的运动线圈的相同电压还施加到运算放大器的负输入，使得施加到运动线圈的电压被抵消。因为相同的电压施加到正输入和负输入，所以悬浮电流中的任何噪声也可以被抵消。
[0189] 图7B描绘用于图3B中描绘的悬浮电路的DC信号的抵消的另一可能技术。
[0190] 图7C描绘用于通过使用滤波输出的反馈阻挡DC分量的另一可能技术。在图7C的实例中，运算放大器放大检测的地震信号和悬浮电压。滤波地震信号，使得非常低频的分量剩余。低频分量的反馈施加到运算放大器以移除DC信号。运算放大器的滤波输出可以在反转极性之后施加到运动线圈，以便在运算放大器的输入处保持零DC电压，如在图7D的另一示例性装置中描绘的。因为仅反馈DC分量，所以不能抵消悬浮电流上的噪声。
[0191] 图8A-8D是根据本公开的、在此公开的用于感测地震检波器地震传感器中的运动线圈的位置的一些技术的示意性描绘。
[0192] 本公开构思在地震传感器设备中安装位移感测元件，使得可能悬浮地震传感器的运动线圈，而不用确定运动质量的量或其它地震检波器参数。在此情况下，构思位移传感器机制可以并入本公开的电悬浮电路图中，如下面进一步详细描述的。位移信号的反馈施加到具有负极性的运动线圈，使得位置信号将运动线圈拉到相反方向，并且运动线圈达到地震检波器的中心。在此情况下，可以使用伺服加速计型安排；然而，在本实例中滤波位置信号，使得不存在地震信号的反馈，并且固有频率在地震频率范围内不改变。
[0193] 在图8A的示例性配置中，相对的电容元件提供在地震传感器的运动线圈和极片上，以便互相可相对运动。电极之间的距离保持相同；然而，重叠区域的量根据运动线圈的位置改变。图8A的安排可以用于具有大位移的地震传感器。
[0194] 图8B描绘安装在弹簧元件的上部和下部位置以及端盖上的电容元件对。如果运动线圈由于重力位移，则线圈向下运动，从而减小下部电容元件之间的间隔，使得来自下部电容元件的电容量大于来自上部电容元件的量。要注意的是，对于低频地震传感器，运动线圈的行程大，并且电容可能太小而不能确定距离。然而，这样的配置可以用在过阻尼条件下工作的地震检波器中，如在共有的日本专利No.P3098045中公开的。
[0195] 图8C描绘光学型位置传感器的一个实现。在一个可能的实施例中，光学位置传感器可以使用干涉仪原理配置或设计，如在图8D中示意性描绘的。
[0196] 在一个可能的实施例中，光发射器发送光到运动线圈上安装的反射器，并且光接收器接收反射的信号。可以安排发射器和接收器以形成光学干涉仪，如Michelson干涉仪。因为测量基于光学，所以在低频的测量没有1/f噪声。
[0197] 如果位移大，则需要计数干涉条纹，这可能是复杂的。还可以使得光学位移传感器测量反射光的强度。如果距离大，则反射光的强度小。相同的光学传感器还可以安装在底盖上，使得位移测量以推挽方式工作。两个光学检测器接收相同强度的光的位置是运动线圈的中心。
[0198] 图9A示出描绘根据本公开的反馈地震传感器的示例性系统的电路图。申请人认识到，提供反馈电流到地震传感器的输出将是新颖和有效的方法，用于使用来自地震传感器的运动线圈的信号来改进信噪比(SNR)。
[0199] 前述日本专利No.P3098045公开了使用到其中也连接地震检波器的运算放大器的负输入的反馈。该电路已知为虚短路。反馈使得输入电压为零，使得运算放大器检测电流模式中的信号，并且施加最大阻尼到运动线圈。相反，图9A的电路施加反馈到运算放大器的正输入，使得反馈电流也流入输出地震信号的地震传感器的运动线圈中。
[0200] 根据本公开的某些实施例，电路可以进一步被配置或设计为在从大约0.01Hz到大约1000Hz的宽频率范围中输出速度信号。在此情况下，可以考虑噪声水平定义频率范围。理论上，频率范围可以设为任何希望的水平，但是存在由噪声强加的限制。作为一种可能性，本公开构思这样的地震传感器，其具有机械固有频率＝4Hz；具有位移反馈的固有频率＝1Hz；位移信号转出(roll off)＝0.1Hz；以及变形＝0.01Hz。
[0201] 在伺服加速计中，位置反馈是负的，以便增加弹簧的刚性，并且位移信号与修改的固有频率之下的加速度成比例。相反，本公开提出一种新的方法，其中施加正位置反馈以软化弹簧的刚性，如图9A所示。运动线圈用于感测线圈和反馈线圈。感测线圈是测量地震信号的主要工具。可能使用感测线圈和独立的反馈线圈，如由美国专利No.3,559,050或美国专利No.4,051,718所建议的；然而，降低了灵敏度，并且要求额外的尾销(terminal pin)。
[0202] 输入信号e是运动线圈的输出和反馈信号的和。在图9A中，放大信号e，并且反馈也施加到运动线圈以修改阻尼因数。用于具有反馈信号的运动线圈的运动等式可以写为：
[0203] 等式27
[0204] 其中f是作用在运动线圈上的电力的和。在线圈的输出，反馈电流和线圈输出合并。电流的方向是流入线圈。通过电阻器Ri提供反馈电流。运动线圈生成输出eg。“r”是运动线圈的电阻。
[0205] 来自运动线圈的输出信号和反馈信号的和是：
[0206] 等式28
[0207] 输出电压是：
[0208] 等式29
[0209] 也包括位移的速度反馈的量是：
[0210] e1＝c1e 等式30
[0211] 其中c1包括放大器增益和反馈量。位移反馈是：
[0212] e2＝c2ξ 等式31
[0213] 其中c2包括位移灵敏度和放大器增益。等式28可以重排为：
[0214] 等式32
[0215] 作用在运动线圈上的电力是：
[0216] 等式33
[0217] 将等式27重写为：
[0218]
[0219] 等式34
[0220] 等式34可以用修改的固有频率和阻尼因数简化为：
[0221] 等式35
[0222] 其中修改的阻尼因数D和修改的固有频率ωc是：
[0223] 等式36
[0224] 等式37
[0225] 可以得到等式27的解为：
[0226] 等式38
[0227] 可以组合正弦和余弦项，并且等式38可以用振幅和相位表示为：
[0228] 等式39
[0229]
[0230] 图9B是根据本公开的、示出用于确定反馈参数的、具有可能误差的反馈地震检波器地震传感器的模拟数据的曲线图。地震检波器元件的响应参数是f0＝4Hz、D0＝0.3。固有频率修改为fc＝1Hz，并且阻尼因数通过反馈修改为D＝0.7。应该注意到，如果不存在位移传感器，则可以通过积分来自运动线圈的信号的输出获得位移信号。
[0231] 因为地位移的微分是：
[0232]
[0233] 所以等式12的积分是：
[0234] 等式40
[0235] 等式40表示运动线圈相对于外壳的速度、位移和位移的积分的加权和等于地运2
动的速度。位移的权重是2ω0D，并且积分的权重是ω0，如等式40所示。
动的速度。位移的权重是2ω0D，并且积分的权重是ω0，如等式40所示。
[0236] 图10是示出根据本公开的地震传感器的组合输出数据的曲线图。可见通过从运动线圈的运动得到的速度、位移和位移的积分的适当求和，恢复真实地运动。实际上，因为有限的信噪比，所以不可能在零或接近零赫兹处积分位移。为了恢复低于固有频率的信号，需要用于组合速度、位移和位移的积分而不提升噪声的最佳方式。一种可能的方式是对速度和位移求和，以便扩展低频速度响应，如图10所示。
[0237] 另一可能的技术是将地震检波器响应变换为希望的地震检波器响应。本公开构思在信噪比允许的程度内将地震检波器的响应变换为希望的响应。通过考虑噪声水平，可以设置频率的低端。地震检波器用地震检波器1的响应测量信号。地震检波器1的响应变换为地震检波器2的响应。如可以在频域执行该处理：
[0238] 等式41
[0239] 数学上可能应用这种信号处理；然而，希望实时进行。实时处理也可以用于数字反馈系统。可能在实验室或工厂中通过替换或微调电阻器和电容器来调谐反馈参数，但是难以设计在现场允许这种修改的模拟电路，特别在部署钻孔中的地震工具之后。实时数字信号处理使得可能调整用于反馈的参数、微调输出、和/或组合信号，以便保持适于温度和/或传感器方位的变化的最终响应函数。
[0240] 早期信息对于地震监控和警报是重要的。大地震一出现，地震信号就实时传输到计算中心，并且在地震出现之后立即发布早期警报。没有时间记录数据和变换信号。希望地震检波器校准自身并确定变换参数，并且输出需要的变换后的信号。本公开的系统和技术提供这种用于地震的早期检测和警报的实时机制。
[0241] 图11描绘用于根据本公开、校准地震检波器响应的一种方法。在图11的技术中，假设存在响应于相同振动的两个地震检波器。一个是理想地震检波器，并且另一个是任何实际地震检波器。两个地震检波器的响应是：
[0242] 等式42
[0243] 等式43
[0244] 其中下标“α”表示理想地震检波器的参数。因为两个地震检波器响应于相同运动，所以两个地震检波器的运动等式的左手侧是相同的：
[0245] 等式44
[0246] 因为来自实际地震检波器的输出信号是 所以等式44中的理想地震检波器的运动线圈运动ξa可以通过实际地震检波器的输出数值地计算。换句话说，由实际地震检波器检测的信号可以变换为希望的响应信号。
[0247] 图12描绘根据本公开的、用于获取希望的地震检波器响应的另一方法。如果存在用于测量运动线圈的位移的位移传感器，则位移传感器并行地输出位移信号到运动线圈，如图12所示。两个信号源自相同的运动机制，并且运动等式是相同的。
[0248] 位移信号是ε＝Scξ。等式44的右手侧的位移项从位移的直接测量得到，通过来自线圈的速度输出确定速度，并且通过速度输出的微分估计加速度项。然后，由于根据来自传感器的位移信号和速度信号数字化信号，因此等式44中的运动线圈运动ξa可以实时数值地计算。因此，来自双重感测元件地震检波器的速度和位移信号组合以表示理想地震检波器的速度。
[0249] 图13A是具有反馈回路的传统力平衡加速计的框图表示。位移信号的反馈施加到扭矩线圈，以便平衡包括重力的所有力。输出信号与加速度成比例，并且固有频率变得高于感兴趣的频率范围。这种加速计用于测量设备相对于重力的方位、倾向或倾斜，因为其生成与重力成比例的电压。噪声在更高频率变高。
[0250] 图13B是根据本公开的传感器反馈回路系统的框图表示。位移信号的反馈(没有DC)施加到运动线圈，以便减小固有频率(正反馈)。速度信号的反馈施加到线圈，以便控制位移(不超过由于地震信号导致的线圈运动的最大值)。在具有低固有频率的小地震传感器中，因为外壳尺寸的限制，所以不可能允许大的线圈运动。例如，对于具有f0＝0.5Hz的地震检波器，固有位移是100cm，并且对于具有f0＝5Hz的地震检波器，固有位移是1cm。因为对于7英寸外壳，内径(ID)是大约6英寸，所以部署有3英寸管道的传感器封装应该具有不超过大约2.5英寸的直径。因此，为了制造3分量传感器，最大外径(OD)和高度(H)是大约1.5英寸。
[0251] 再次参照图13B，数字化速度和位移信号，并且将其组合以在宽频率范围输出与速度成比例的信号。在该设计中通过模拟电子设备控制位移反馈和速度反馈，并且通过固定的电阻器和/或固定的电容器固定参数。在工厂或实验室中通过校准传感器元件微调这些参数，并且随后的修改是困难的。在微调处理中可能存在一些误差，并且温度变化可能导致传感器元件响应和反馈参数之间的差异。为了补偿这种误差，组合输出的反馈施加到运动线圈作为积分反馈。还可以相应地修改速度信号和位移信号的组合，以补偿这种误差。还可能数字化位移信号和速度信号，并且数字地施加反馈。
[0252] 本公开提供一种用于检测地震信号的装置，与传统的地震传感器装置相比，其具有简化的电子设备来最小化噪声。如下面进一步详细描述的，在一个可能的实施例中，本公开的装置被配置或设计用于组合速度和位移输出信号，并且包括数值处理。
[0253] 图14是对于测试地震检波器的地震检波器响应参数So、Do和fo的温度依赖性的图形表示。在此情况下，如之前所讨论的，地震检波器参数随着改变的温度而改变如下：
[0254] f0(T)＝f0(20)(1.36×10-7ΔT2-9.63×10-5ΔT+1)
[0255] D0(T)＝D0(20)(3.39×10-6ΔT2-2.47×10-6ΔT+1)
[0256] S0(T)＝S0(20)(-4.93×10-7ΔT2-3.12×10-4ΔT+1)
[0257] 其中f0(20)是固有频率，D0(20)是阻尼因数，并且S0(20)是在20摄氏度估计的灵敏度。
[0258] 图14示出对于fo、Do和So的温度影响的示例，以便示出与在20摄氏度获得的值相比，它们随着温度改变多少。结果指示如果环境温度改变，则在室温的反馈常数的初始设置是不希望的。因此，必须周期性地执行这种校准，并且根据周围温度调谐反馈参数。之前讨论的美国专利No.7,225,662建议了地震检波器线圈的DC电阻的测量，以便表示在工作条件下的地震检波器的温度。
[0259] 图15是根据本公开的、在此公开的用于校准地震检波器的一种技术的表示。为了施加反馈或求和输出信号以扩展低频响应，应该基于地震检波器参数导出常数。误差影响总体频率响应。可能执行校准，以便设置精确的反馈常数。在现有宽带地震仪中实现这种校准功能。本公开构思可以通过施加步进脉冲执行简单校准。通过施加DC电压升高运动线圈。移除DC电压导致运动质量的固有振荡，如图15所示。从固有振荡估计地震检波器参数。这是用于校准地震检波器的技术。
[0260] 图16A示出电悬浮、DC消除、反馈地震检波器、组合输出和温度监控的集成或组合。地震传感器安排在运算放大器Q1的负反馈中，如图16A所示。运算放大器Q1放大运动线圈信号，并且Q2将来自位移传感器输出的信号转换为与位移成比例的电信号。位移FB阻挡位移信号的DC或接近DC分量，并且施加正反馈以减小固有频率。速度FB确定用于负速度反馈的增益，以控制最大位移。反馈放大器Q3组合位移反馈和速度反馈信号，并且通过电阻器R注入相应的电流到运动线圈。通过校准传感器元件确定用于位移和速度反馈的信号。在工厂中可以通过校准传感器元件进行反馈的详细微调。Q3还允许来自数字信号处理器(DSP)的反馈和电悬浮信号。
[0261] 正位移反馈降低机械固有频率，并且负速度反馈调整总的阻尼因数。数字化位移和速度信号，并且将其输入DSP。DSP实时计算位移和速度数据，并且以希望的响应将两个数据组合为输出数据。在传感器安装之后，通过知道传感器的方位，初始电悬浮可以设为DSP监控位移数据的DC分量，并且计算电悬浮电压。DSP输出电悬浮电压数据到DAC1，并且Q3添加电悬浮电压到反馈系统。DSP从悬浮电压E0和位移输出的DC电平Ec以及反馈电阻R计算DC电阻r，
[0262] 等式45
[0263] 因为已知20摄氏度温度处的运动线圈的电阻，所以传感器元件的温度是：
[0264] 等式46
[0265] 通过知道操作温度，DSP根据在现场温度处的实际响应参数重新计算用于信号组合的处理参数(再次注意图14)。可以连续执行处理参数的这种调整，以便适于温度改变。难以在硬布线电子设备中调整反馈参数，但是该调整可以容易地以数字方式进行。除了信号组合，电反馈的调整还可以施加为总的反馈。还可能通过使用附接到外壳或在传感器元件中实现的外部温度传感器来调整地震检波器响应参数。
[0266] 图16B描绘一种可能的钻孔工具100，其具有在钻孔工具100中安排的、具有根据本公开的原理的多个(图16B中描绘3个)地震传感器14的外壳102。在钻孔中部署之后，提供臂或锁定机制106来稳定/锁定工具100。根据本公开配置或设计的电路108为工具100提供需要的功能性。与钻孔工具100相关联的电子设备包括反馈电路、模拟到数字转换器(ADC)、用于组合信号的电路、数字信号处理器(DSP)和遥测电路。图16B中描绘的示例性钻孔工具提供在本公开中讨论的功能性和操作，用于油田地震观测操作的目的。在此情况下，其它相关联的地面和地下系统可以根据希望或需要与钻孔工具100连接。油田地震观测系统的这种相关联的组件没有在此详细描述，因为它们对于本领域的普通技术人员是已知的。
[0267] 典型的钻孔地震仪的外径(OD)是大约180mm。为了安装这样的地震仪，需要钻特殊的钻孔。在油田工业中，井的上部典型地用95/8英寸盖盖住，并且下部用7英寸盖盖住。为了在这样的盖尺寸中安装地震仪，工具OD应该小于33/8英寸。希望更小的钻孔以降低钻孔成本，并且具有21/2英寸工具是有利的。这要求传感器的总直径应该在50mm内。传感器应该朝向三个方向，一个垂直和两个水平(再次注意图16B)。根据这样的要求，感测元件的最大OD和高度在具有锥形顶部和底部的情况下应该是40mm。在这样的感测元件尺寸中，实际的可运动空间可以在+/-3mm的量级。此外，油田中的井可能不是垂直的，最可能是偏斜的，并且可能是水平的。典型的地震仪仅在+/-3度的倾斜内工作。要求特殊的机制来使这种感测元件常平。例如，如在图16B的示例性钻孔工具中表现的，本公开的原理提供用于解决油田地震观测中的这种需要和要求的新颖和有效的机制。
[0268] 图16C是根据本公开的、用于利用地震传感器的地震信号检测的一种可能方法的流程图。图16C的流程图表现根据本公开的集成数字反馈地震传感器。在工厂或实验室中，例如在制造处，测量运动线圈的DC电阻和温度，并且例如在20摄氏度标准化并且存储DC电阻(步骤200)。在没有反馈的情况下校准传感器元件，并且调整例如电阻和/或电容的反馈参数(步骤202)。用模拟反馈校准传感器，并且设置用于组合输出的参数(步骤204)。
[0269] 在现场，例如在钻孔中的井下或在地震观测位置的部署之后，悬浮电流基于传感器方位和/或预定参数施加到(各)地震传感器(步骤206)。用电悬浮校准运动质量位置，并且微调悬浮电流(步骤208)。进行具有反馈和输出组合的总的校准；如果需要，则数字地调整反馈和/或微调输出组合参数(步骤209)。在连续监控工作温度的同时，用校准的参数开始地震获取，并且在获取进行的同时，微调用于组合输出信号的参数(步骤210)。
[0270] 连续监控输出数据，以便监控DC分量并且调整电悬浮和DC补偿。从DC分量估计地震传感器的温度。更新反馈参数和组合参数(注意图16C中的步骤210)。
[0271] 通常，在此公开的技术可以在软件和/或硬件上实现。例如，它们可以在操作系统内核中、在分离的用户进程中、在绑定到网络应用中的库程序包中、在专门构造的机器上、或在网络接口卡上实现。在一个实施例中，在此公开的技术可以以软件实现，如操作系统或在操作系统上运行的应用中。
[0272] 本技术的软件或软件/硬件混合实现可以在由存储器中存储的计算机程序选择性激活或重新配置的通用可编程机器上实现。这种可编程机器可以在通用网络主机(如个人计算机或工作站)上实现。此外，在此公开的技术可以至少部分地在用于网络设备或通用计算设备的卡(例如，接口卡)上实现。
[0273] 选择和描述各实施例和各方面，以便最好地说明本发明的原理和其实际应用。前面的描述旨在使得本领域的技术人员能够在各种实施例中最好地利用在此描述的原理，并且各种修改适于构思的具体使用。旨在本发明的范围由权利要求限定。
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