一种幅值和相位自校准的低频岩石物理测量方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种幅值和相位自校准的低频岩石物理测量方法及系统。本发明模拟地层环境，以放置岩石的金属支撑台作为参考基准，分别在岩石和金属支撑台的侧面多点布置传感器；在2Hz～2kHz频率范围内选取多个频率点，分别将对应这些不同频率但相同相位和幅值的交变电压信号，将交变电压信号作为标定和测量模式的激励源，采用实时标定和测量的方式，对测量得到的电压幅值和相位进行自校准，最后依据自校准后的幅值和相位计算岩石弹性参数和非弹性参数。系统主要由信号激励模块、机械模块、标定与测量切换模块和数据采集处理模块构成。本发明能消除环境参数变化带来电子测量系统幅值和相位的漂移，提高系统幅值和相位测量精度。
【专利说明】一种幅值和相位自校准的低频岩石物理测量方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明属于岩石物理特性分析【技术领域】，具体涉及一种幅值和相位自校准的低频岩石物理测量系统。
【背景技术】
[0002]岩石物理特性研究的重要性在于它能很好地解释地表地球物理观测结果，为地质正反演提供科学的数据资料，标度地球物理参数。岩石的物理性质主要是由组成岩石矿物的性质、岩石所处的热力学环境(温度和压力)以及岩石微构造(孔隙、裂纹)三类因素所决定的。通过对岩石样品物理性质的测量，就能获得地下岩层的整体性质，就能获得地层下油气、矿物和兀素分布的信息。
[0003]迄今为止，基于岩石中波传播性质的地震方法是目前地球物理勘探中最主要的方法。岩石中可能产生两类弹性波(频率在2kHz以下)，一类是纵波，也就作P波，其质点运动方向与波传播方向平行；另一类是横波，也叫S波,它的质点运动方向与波传播方向垂直。岩石受到外力而在与该力平行和垂直的两个方向上发生的形变就是P波和S波在岩石中传播的宏观体现。
[0004]实验室测量P波和S波以及波速衰减的方法很多，但各种方法能够测量的频率范围不同，每种方法只适用于一定的频率范围。 [0005]描述岩石弹性参数的量有拉梅常数λ ,剪切模量μ ,体积模量K,杨氏模量Ε,泊松比Y，弹性波波速VP、Vs等。事实上，这些参数中只有两个量是相互独立的，并且他们均可以由应力O、纵向应变ε丄和横向应变^ll三个量推导出。因此，岩石弹性参数的测量就转化为应力、纵向应变和横向应变的测量。
[0006]由于岩石并不是理想的弹性体，它还表现出一定的非弹性性质。采用岩石的品质因子Q (与衰减系数α成反比)来表征岩石的非弹性性，Q值越小，非弹性特性就越突出，对于完全弹性体，Q=⑴。在低频岩石物理测量中，我们给岩石施加的并非一个恒定的压力，而是一个交变的应力，g卩O =O pin cot。岩石的非弹性特征就通过纵向应变或横向应变与应力σ之间的相位差Θ表现出来。因此，岩石非弹性参数的测量就化为应力与应变(纵向或横向均可)之间相位差的测量。
[0007]现有的岩石应力-应变测量方法没有考虑电子系统在测量一个信号的幅值和相位时，往往会受诸多因素影响，如温度、时间以及信号频率的改变都会导致测量值与真实值有很大偏差。休斯顿大学岩石物理研究所关于低频岩石物理测量的实验结果表明，固定一个信号的幅值和相位，当信号频率变化时，电路部分实际测量的幅值和相位也随之变化，尤其是相位甚至发生了反转。
【发明内容】
[0008]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的是在于提供了一种幅值和相位自校准的低频岩石物理测量系统，该系统能消除环境参数变化带来电子测量系统幅值和相位的漂移，提高系统幅值和相位测量精度。
[0009]一种幅值和相位自校准的低频岩石物理测量方法，具体为:
[0010](1)搭建测量环境步骤:
[0011]将圆柱形岩石置于金属支撑台上并处于围压容器内，向围压容器内泵入传压介质，分别在岩石的侧面纵向和横向多点布置传感器；金属支撑台的上部分为截面直径与岩石相同的圆柱形，在金属支撑台的圆柱形侧面纵向多点布置传感器；
[0012](2)标定步骤:
[0013]在2Hz~2kHz频率范围内选取多个频率点，分别将对应这些不同频率但相同相位和幅值的交变电压信号输入各位移传感器，米集各位移传感器的输出交变电压信号，对输出交变电压信号放大、模数转换得到标定电压信号；针对每一个位移传感器，计算各频率对应的标定电压信号幅值V1和相位Θ 17构建标定步骤频率点与标定电压信号幅值和相位间的映射关系；
[0014](3)测量步骤:
[0015]向各位移传感器输入直流电压信号，采用标定步骤所用的多个交变电压信号作为激振信号产生交变力，将交变力施加到岩石上，岩石产生形变，各位移传感器采集岩石形变量并转换为测量电压信号，对测量电压信号进行放大和模数转换；所述交变力的频率、幅值和相位与标定步骤所用的交变电压信号相同；针对每一个位移传感器，计算各频率对应的测量电压信号幅值V2和相位θ 2，构建测量步骤频率点与测量电压信号幅值和相位间的映射关系；
[0016](4)幅值和相位自校准步骤:
[0017]对于每一个传感器，计算其对应的校准后交变电压信号的幅值Vin = VrefV2V1及相位0in= Q2-Gjeref,其中，vMf和θ 为交变电压信号的幅值和相位；
[0018](5)岩石属性参数计算步骤:
[0019]依据校准后交变电压信号的幅值和相位计算岩石弹性参数和非弹性参数。
[0020]进一步地，所述步骤(5)岩石属性参数计算步骤具体为:
[0021]计算幅值和相位均值:计算金属支撑台的多个传感器校准后幅值均值--和相位均值I岩石侧面纵向设置的多个传感器校准后幅值均值Vv:和相位均值&，岩石侧面横向设置的多个传感器校准后幅值均值71和相位均值& ；
[0022]计算岩石弹性参数:岩石杨氏模量民=EmVv/Vln，岩石泊松比=Vh/Vv，岩石体积模量Kr = Er3 (1-2 λ r)，岩石拉梅常数Y r = Er λ r (1+ λ r) (1_2 λ r)，岩石纵波速度
【权利要求】
1.一种幅值和相位自校准的低频岩石物理测量方法，具体为: (1)搭建测量环境步骤: 将圆柱形岩石置于金属支撑台上并处于围压容器内，向围压容器内泵入传压介质，分别在岩石的侧面纵向和横向多点布置传感器；金属支撑台的上部分为截面直径与岩石相同的圆柱形，在金属支撑台的圆柱形侧面纵向多点布置传感器； (2)标定步骤: 在2Hz~2kHz频率范围内选取多个频率点，分别将对应这些不同频率但相同相位和幅值的交变电压信号输入各位移传感器，米集各位移传感器的输出交变电压信号，对输出交变电压信号放大、模数转换得到标定电压信号；针对每一个位移传感器，计算各频率对应的标定电压信号幅值V1和相位Θ i，构建标定步骤频率点与标定电压信号幅值和相位间的映射关系； (3)测量步骤: 向各位移传感器输入直流电压信号，采用标定步骤所用的多个交变电压信号作为激振信号产生交变力，将交变力施加到岩石上，岩石产生形变，各位移传感器米集岩石形变量并转换为测量电压信号，对测量电压信号进行放大和模数转换；所述交变力的频率、幅值和相位与标定步骤所用的交变电压信号相同；针对每一个位移传感器，计算各频率对应的测量电压信号幅值V2和相位Θ 2，构建测量步骤频率点与测量电压信号幅值和相位间的映射关系; (4)幅值和相位自校准步骤: 对于每一个传感器，计算其对应的校准后交变电压信号的幅值Vin = VrefV2V1及相位Θ in = θ 2- θ 1+ Θ %，其中，和Θ ref为交变电压信号的幅值和相位； (5)岩石属性参数计算步骤: 依据校准后交变电压信号的幅值和相位计算岩石弹性参数和非弹性参数。
2.根据权利要求1所述的低频岩石物理测量方法，其特征在于，所述步骤(5)岩石属性参数计算步骤具体为: 计算幅值和相位均值:计算金属支撑台的多个传感器校准后幅值均值?v?和相位均值Θ 豈石侧面纵向设置的多个传感器校准后幅值均值Vv和相位均值&，岩石侧面横向设置的多个传感器校准后幅值均值Vh和相位均值ih;计算岩石弹性参数:岩石杨氏模量Er = EmVvZVm，岩石泊松比\ =Vh/Vv，岩石体积模量Kr = Er3(l-2 λ J，岩石拉梅常数Y r = λ y (1+ λ J (1_2 λ r)，岩石纵波速度
3.根据权利要求1或2所述的低频岩石物理测量方法，其特征在于，所述步骤(1)测量环境步骤中位移传感器设置方式具体为:在岩石侧壁纵向和横向分别均匀布置四个位移传感器，在金属支撑台的圆柱形侧壁纵向均匀布置四个位移传感器。
4.一种实现权利要求1至3任意一项所述方法的低频岩石物理测量系统，包括信号激励模块，其输入端连接数据采集处理模块的信号控制输出端，其输出端连接标定与测量切换模块和数据采集处理模块的输入端，用于接收来自数据采集处理模块的频率相位幅值控制信号，产生相应的交变电压信号，并输出给标定与测量切换模块和数据采集处理模块； 机械模块，包括金属支撑台、围压容器、位移传感器和激振器，金属支撑台用于支撑岩石，围压容器用于为岩石和金属支撑台提供密闭带压空间，岩石侧壁纵向和横向多点布置有位移传感器，金属支撑台侧壁纵向多点布置有位移传感器，激振器的激励端连接标定与测量切换模块的输出端；在标定模式下，位移传感器接收来自信号激励模块的交变电压信号，将其作为标定电压信号输出给数据采集处理模块；在测量模式下，激振器以来自信号激励模块的交变电压信号为激励源产生交变应力作用在岩石和金属支撑台上，传感器采集表征岩石形变量信号并转换为测量电压信号传送给数据采集处理模块； 标定与测量切换模块，其输入端连接信号激励模块的输出端，其控制端连接数据采集处理模块的模式选择输出端，用于接收来自采集处理模块输出的模式选择信号，以使得机械模块在标定模式和测量模式间切换； 数据采集处理模块，其输入端连接机械模块的传感器的输出端，其信号控制输出端连接信号激励模块的输入端，其模式选择输出端连接标定与测量切换模块的控制端，用于向信号激励模块传送频率相位幅值控制信号，向标定与测量切换模块传送模式选择信号，用于接收来自机械模块的标定电压信号或测量电压信号；在标定模式下，对于每个传感器，构建标定模式频率点与标定电压信号幅值和相位间的映射关系；在测量模式下，对于每个传感器，构建测量模式下频率点与测量电压信号对应幅值和相位间的映射关系，结合标定模式和测量模式下构建的映 射关系进行幅值和相位的自校准，并依据自校准结果计算岩石属性参数。
5.根据权利要求4所述的低频岩石物理测量系统，其特征在于，所述标定与测量切换模块包括电池、继电器驱动模块和两个继电器；电池的输出端连接第一继电器的输入端，第一继电器的输出端连接位移传感器的输入端；第二继电器为双刀双掷式，其第一输出端连接位移传感器的输入端，其第二输出端连接激振器的输入端，其输入端连接取信号激励模块的输出端；两继电器的控制端均连接继电器驱动模块的继电器控制信号输出端，继电器驱动模块的控制端连接数据采集处理模块的模式选择输出端。
6.根据权利要求4所述的低频岩石物理测量系统，其特征在于，所述数据采集处理模块包括依次连接的前置放大电路、模数转换电路、FPGA和计算机；前置放大电路的第一输入端连接信号激励模块的输出端，前置放大电路的第二输入端连接位移传感器的输出端，FPGA的模式选择输出端连接标定与测量切换模块的控制端，FPGA的信号控制输出端连接信号激励模块的输入端。
7.根据权利要求6所述的低频岩石物理测量系统，其特征在于，所述计算机内加载有计算系统，计算系统包括 标定映射关系构建模块，用于在标定模式下，对于每个传感器，计算各频率对应的标定电压信号幅值V1和相位Θ i,构建标定模式频率点与标定电压信号幅值和相位间的映射关系; 测量映射关系构建模块，用于在测量模式下，对于每个传感器，计算各频率对应的测量电压信号幅值V2和相位θ 2，构建测量模式频率点与测量电压信号幅值和相位间的映射关系; 幅值和相位自校准模块，用于对于每一个传感器，计算其对应的校准后交变电压信号的幅值Vin = VrefV2V1及相位Θ in = θ 2- Θ1+ Θ Mf，其中，Vref和θ ref为交变电压信号的幅值和相位； 岩石属性参数计算模块，包括 幅值和相位均值计算子模块，用于计算金属支撑台的多个传感器校准后幅值均值?和相位均值，岩石侧面纵向设置的多个传感器校准后幅值均值Vv和相位均值I，岩石侧面横向设置的多个传感器校准后幅值均值和相位均值; 岩石弹性参数计算子模块，用于计算岩石杨氏模量
【文档编号】G01N3/40GK103760046SQ201310459288
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】周凯波, 陈寰, 黄臻, 刘颉, 曹攀辉 申请人:华中科技大学