DE60009211T2

DE60009211T2 - Sensor für elastische Wellen, elektrisch kompensiert für Neigungs-Effekte

Info

Publication number: DE60009211T2
Application number: DE60009211T
Authority: DE
Inventors: Patrick Meynier
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1999-06-07
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: JP2001013256A; CA2311180C; FR2794531A1; EP1061382A1; FR2794531B1; DE60009211D1; US6412592B1; NO20002871L; ATE262684T1; NO20002871D0; CA2311180A1; EP1061382B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung bzw. Erfassungsvorrichtung von elastischen Wellen wie ein Geophon, welche von Wirkungen einer Neigung elektrisch kompensiert ist und aufgrund dessen dazu ausgelegt ist, gemäß unterschiedlichen Orientierungen (Richtungen) zu arbeiten.
Die Geophone werden vorgesehen, um Vibrationen niederer oder sehr niedriger Frequenzen zu erfassen. Sie umfassen meistens eine zylindrische bewegliche Spule bzw. Tauchspule (im folgenden Spule genannt), die um einen Anker bzw. Magneten (im Folgenden Anker genannt) herum durch Federn gefedert ist. Die Tauchspule oszilliert gemäß einer Achse beiderseits einer Gleichgewichtsposition, die durch die Federn definiert wird. Die Federn sind notwendigerweise sehr biegsam, um eine sehr niedrige Resonanzfrequenz zu erhalten. Sie sind dazu ausgelegt, in Positionen zu funktionieren, wo die Tauchspule entweder vertikal oder horizontal ist. Die Federn werden untersucht, um das Gewicht der Tauchspule zu kompensieren und sie gut zentriert um den Anker herum zu halten. Die Merkmale der Federn sind unterschiedlich im einen oder anderen Fall. Die Kompensation ist nur für eine wohldefinierte Arbeitsposition perfekt. Wenn man das Geophon von der Arbeitsposition abbringt, für die es vorgesehen worden ist, befindet sich die Tauchspule nicht mehr gut zentriert um den Anker herum und dies erzeugt eine Vergrößerung der nichtlinearen Verzerrung. Die hervorgerufene Dezentrierung hat es zur Wirkung, den maximalen Lauf der Tauchspule um ihre Ruheposition zu vermindern, für welche sie zum Anschlag kommt und daher die Wiederherstellungsdynamik des Geophons zu vermindern.
Das Ungleichgewicht ist umso größer wenn das Geophon von seiner natürlichen Arbeitsposition abgebracht ist. Es ist sehr schädlich in den Anwendungen, wo man die Arbeitseinstellung des Geophons schlecht regelt, was vor allem in den abgelenkten Bohrlöchern der Fall ist. Eine bekannte Lösung besteht darin, die Geophone in einer doppelten Kardan- und Unwuchtfederung anzubringen, die das oszillierende System in seiner optimalen Position hält, wie auch immer die effektive Orientierung des Ge häuses sei. Diese Lösung ist kompliziert und daher kostspielig. Sie beeinträchtigt die Antwort des Geophons im hohen Bereich der seismischen Frequenzbande. Das Geophon wird sperrig und schwierig in den im allgemeinen beschränkten verfügbaren Räumen unterzubringen.
Beispiele des Standes der Technik auf dem Gebiet der Geophone mit beweglicher Tauchspule sind zum Beispiel in den folgenden Patenten beschrieben: US 4 811 211 , US 4618949, US 4525819.
Die Sensorvorrichtung von elastischen Wellen (seismische oder akustische Wellen) gemäß der Erfindung ist ausgelegt, um in sehr weit von ihrer natürlichen Betriebsposition ausgelenkten Positionen zu arbeiten, für die sie ohne die oben dargelegten Nachteile vorgesehen worden ist.
Sie umfasst einen elektrodynamischen Sensor, der ein Mittel zum Erzeugen eines Magnetfeldes, eine Tauchspule, die in dem Magnetfeld angeordnet ist, und Federn umfasst, die ausgelegt sind, um die Spule in einer statischen Position zu halten, die gut zentriert ist, wenn deren Achse parallel zu einer Referenzrichtung (z. B. horizontal oder vertikal) ist. Die Vorrichtung ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Anwendung (bzw. Anwendungsmittel) eines elektrischen Stroms auf die Spule umfasst, der ausgelegt ist, um jedes Ungleichgewicht der Spule im Verhältnis zu ihrer statischen Position, verursacht durch eine Neigung der Achse der Spule im Verhältnis zur Referenzrichtung zu korrigieren.
Die Anwendungsmittel umfassen eine kontinuierliche Stromquelle und ein Spannungsteilermittel, dessen Tellerfaktor vom Winkel zwischen der Achse des Geophons und der Referenzachse abhängt.
Das Tellermittel umfasst z. B. ein Potentiometer, dessen Anzeiger mit einer Unwucht verbunden ist.
Nach einer anderen Ausführungsform umfassen die Anwendungsmittel einen Distorsionsanalysator, der ausgelegt ist, um den passenden elektrischen Korrekturstrom zum minimieren der Distorsion bzw. Verzerrung zu erzeugen.
Andere Merkmale und Vorteile der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung von nicht begrenzenden Ausführungsbeispielen hervortreten, in dem man sich auf die anliegenden Zeichnungen bezieht, worin:
die 1, 2 schematisch eine klassische Struktur eines elektrodynamischen Geophons zeigen;
die 3 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung mit einem Geophon wie jenem der 1, 2, verbunden mit Mitteln zur statischen Korrektur einer zugeordneten Winkelversetzung zeigt; und
die 4 eine andere Ausführungsform der Vorrichtung zeigt, wo das Geophon mit einem Distorsions- bzw. Verzerrungsanalysator verbunden ist;
die 5A, 5B als Referenz die Frequenzantworten und Antworten in Phase von einem Geophon zeigen, das durch Konstruktion dazu ausgelegt ist, mit der parallel zur horizontalen gelegenen Achse seiner Tauchspule zu arbeiten;
die 6A, 6B die Antworten an Frequenz und Phase desselben Geophons zeigen, das durch eine Neigung des Geophons bei 45° im Verhältnis zur Horizontalen gestört ist;
die 7A, 7B die Antworten an Frequenz und Phase desselben Geophons zeigen, das noch durch eine Positionierung zur Vertikalen (eine Neigung des Geophons bei 90° im Verhältnis zur Horizontalen) gestört ist; und
die 8A, 8B die perfekte Kompensation zeigen, welche die Anwendung einer kontinuierlichen geeigneten Kompensationsspannung auf dasselbe in der Vertikalen verwendete Geophon bereitet.
Das Geophon G der 1, 2 umfasst klassisch in einem Kasten (nicht dargestellt) einen Anker 1, eine Tauchspule 2, die auf einen zylindrischen Träger 3 aufgerollt ist, und Federn 4 (hier sehr schematisiert), um den zylindrischen Träger 3 im statischen Gleichgewicht in einer gut um den Anker 1 zentrierten Position zu halten. Die Federn 4 sind zu dem Arbeitsweise ausgelegt. Sie werden unterschiedlich geregelt, je nachdem wie das Geophon vorgesehen ist, um mit der Achse der Tauchspule zu arbeiten, die horizontal oder vertikal gerichtet ist.
Gemäß der Ausführungsform der 3 umfasst die Vorrichtung in Kombination mit einem Geophon von horizontaler Achse eine kontinuierliche Stromquelle 5, mit einem Mittelpunkt M, der mit einer ersten Anschlussklemme c1 der Tauchspule 2 verbunden ist, und zwei Anschlussklemmen + und – jeweils verbunden über einen Widerstand R mit den Anschlussklemmen p1, p2 eines Potentiometers P, dessen Körper fest im Verhältnis zum Gehäuse des Geophons ist. Der Mittelpunkt P3 des Potentiometers P ist mit der anderen Anschlussklemme C2 der Tauchspule des Geophons verbunden. Die Achse 6 des Potentiometers P ist mechanisch mit einem Element 7 verbunden, das dazu ausgelegt ist, eine festgelegte Referenzrichtung zu definieren, die zum Beispiel aus einem vertikalen Pendel gebildet ist. Die beiden Anschlussklemmen c1, c2 der Tauchspule der Geophone werden mit Entkopplungskondensatoren C mit einem Apparat 8 zur Aufnahme von Signalen verbunden, die in Antwort auf die empfangenen Wellen erzeugt werden. Die Verbindungspunkte der drei Anschlussklemmen p1 bis p3 des Potentiometers sind gewählt, damit die kontinuierliche Spannung, die auf das Geophon in seiner normalen Arbeitsposition angewandt wird (zum Beispiel Horizontale für das Geophon der 3) Null ist und sie proportional zu Neigung der Achse im Verhältnis zur Referenzrichtung bis zu einem Maximum von 90° als Absolutwert mit Inversion der Polarität der Spannung anwächst, die gemäß dem Neigungswinkel angewandt wird und positiv (trigonometrische Richtung) oder negativ im Verhältnis zu dieser Referenzrichtung ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die Anschlussklemmen der Tauchspule 2 direkt mit den Anschlussklemmen einer Quelle von einer Spannungsamplitude und einer variablen Polarität 9 verbunden. Mit Entkopplungskapazitäten C werden diese selben Anschlussklemmen einerseits wie vorher mit einer Vorrichtung 8 zur Aufzeichnung der durch das Geophon erfassten Signale verbunden und andererseits mit einer Vorrichtung 10, die ausgelegt ist, um die Distorsion zu messen, die die aufgenommenen Signale beeinflusst und, wenn das gemessene Niveau oberhalb einer Normalschwelle ist (entsprechend den Vorgaben) im Verhältnis zu einer Neigung der Achse der Tauchspule bezüglich der spezifizierten Referenzrichtung die Anwendung durch die Quelle 9 einer eigenen kontinuierlichen Spannung, die zu minimieren ist, zu steuern.
Die Funktionalitäten der Vorrichtungen 8 und 10 (Digitalisierung, Speicherung, Distorsionsmessungen, Auswahl der auf die Tauchspule anzuwendenden Spannung) können zum Beispiel durch einen Rechner erfüllt werden, der mit geeigneten Programmen ausgerüstet ist.
Die 6A, 6B und 7A, 7B zeigen schwere Deformationen der Frequenz- und Phasenantwort eines Geophons, umso schwerer je größer der Neigungswinkel im Verhältnis zu seiner natürlichen Betriebsposition ist. Der Vergleich der 8A, 8B mit den 5A, 5B zeigt, dass die Anwendung einer geeigneten Kompensationsspannung auf das Hydrophon im Wesentlichen die Antworten vor allem an Frequenz und an Phase re-etabliert.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung findet vor allem im Bereich der seismischen Forschung oder aktiven oder passiven Überwachung unterirdischer Lagerstätten Anwendungen. Für diese Anwendungen, wie zum Beispiel durch die Patente US 5,363,094 , EP 0 748 457 (S 5,724,311) oder EP 0 921 416 gezeigt, wird man dahin geführt, häufig sehr große Anordnungen von Geophonen in den Untersuchungs- und/oder Produktionsbohrlöchern zu installieren, die mehr oder weniger von der vertikalen abgelenkt sind (ggf. in einigen Bereichen horizontal). Für eine bessere Diskriminierung der durch die unterirdischen Kontinuitäten zurückgesandten elastischen Wellen ist es geläufig, Mehrkomponenten-Geophone (sogenannte Triphone) zu installieren, um die Komponenten der gemäß drei orthogonalen Achsen empfangenen Signale zu detektieren. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht in diesem Anwendungsgenre, die exakt erforderliche Kompensation zuzuführen, wie auch immer die effektive Neigung des Geophons bei der Anwendungstiefe sei.
Die Neigungskompensationsfunktionen der Geophone und Funktionen zum Aufnehmen der erfassten Signale können an der Oberfläche durchgeführt werden oder auch teilweise durch lokale in die Bohrlöcher in Nähe der Geophone herabgelassene Module verwirklicht werden.
Man hat eine Anwendung einer Vorrichtung in mehr oder weniger abgelenkten Bohrlöchern beschrieben. Es ist wohl offensichtlich, dass die Vorrichtung in allen Anwendungen verwendet werden kann, wo deren effektive Ausrichtung beim Betrieb schwierig kontrollierbar ist. Dies ist vor allem der Fall in den Anwendungen, wo die Sensoren auf den Boden einer Wassermasse herabgelassen werden, um dort mit den unterirdischen Formationen gekoppelt zu werden.

Claims

Sensorvorrichtung von elastischen Wellen, umfassend einen elektrodynamischen Sensor, der ein Mittel (1) zum Erzeugen eines Magnetfeldes, eine Tauchspule (2), die in dem Magnetfeld angeordnet ist, und Federn (4) einschließt, die ausgelegt sind, um die Spule in einer statischen Position zu halten, die gutzentriert ist, wenn deren Achse parallel zu einer Referenzrichtung ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Anwendung eines elektrischen Stroms auf die Spule umfasst, der ausgelegt ist, um jedes Ungleichgewicht der Spule im Verhältnis zu ihrer statischen Position, verursacht durch eine Neigung der Achse der Spule im Verhältnis zur Referenzrichtung zu korrigieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Anwendung eine kontinuierliche Stromquelle (5) und ein Spannungsteilermittel umfassen, dessen Tellerfaktor vom Winkel zwischen der Achse des Geophons und der Referenzrichtung abhängt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsteilermittel z. B. ein Potentiometer (P) umfasst, dessen Anzeiger mechanisch mit einem Element (7) verbunden ist, das permanent auf der Vertikalrichtung ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Anwendung eine variable Spannungsquelle (9) und eine Anordnung (10) umfassen, die ausgelegt ist, um die Distorsion des Geophons zu messen und die Anwendung durch die Quelle von einem passenden elektrischen Korrekturstrom zum minimieren der Distorsion auf die Spule (2) zu regeln.
Verfahren zur Kompensierung der Wirkungen einer Neigung auf einem elektrodynamischen Sensor wie einem Geophon, das ein Mittel (1) zum Erzeugen eines Magnetfeldes, eine Tauchspule (2), die in dem Magnetfeld angeordnet ist, und Federn (4) zum Halten der Spule in einer statischen Position, die gut zentriert ist, wenn deren Achse parallel zu einer Referenzrichtung ist, dadurch gekennzeichnet, dass es die Anwendung eines kontinuierlichen elektrischen Stroms auf die Tauchspule umfasst, der ausgelegt ist, um jedes Ungleichgewicht der Spule aufgrund einer Neigung der Achse der Spule im Verhältnis zur Referenzrichtung zu korrigieren.