重力變換器和在碳氫化合物勘探中的應用
【技術領域】
[0001]本發明一般地涉及重力變換器，并且更具體地涉及對由地下應力擾動引起的重力場的微小變化的檢測，并且甚至更具體地涉及這種變換器在碳氫化合物勘探中的應用。
【背景技術】
[0002]曾經使用千克量級的懸掛的大質量來檢測重力變化。人們曾經相信因為重力作用是最弱的已知力，所以質量必須大。最近，原子干涉測量法，尤其是利用干涉測量法的加速度計被提議作為重力探測器。例如，參見B.M.Anderson, J.M.Taylor和V.M.Galitski, ‘‘Interferometry with synthetic gauge fields，，，Physical Review A,第 83 卷，031602 (R), 2011 年。
[0003]這些裝置具有實際限制。使用大質量的裝置只能檢測出重力場的較大的變化。為了使干涉測量法對于場操作切實可行，要克服許多復雜的技術挑戰。這些要求中的一些要求包括冷卻和保持原子接近絕對零度以及消除不想要的慣性效應。因此，非常期望具有這樣的裝置:該裝置能夠檢測相對小的重力波動，諸如那些由于與地質特征有關的地下應力引起的重力波動，并且該裝置能夠在諸如室溫的合理的溫度下方便地使用。
【附圖說明】
[0004]圖1是例示本發明可以有助于對其進行區分的通常地質特征的圖；
[0005]圖2是例示能夠識別潛在碳氫化合物特征的重力變換器和檢測系統的主要部件的框圖；
[0006]圖3是圖2的系統的詳細框圖，示出零件和零件間的布線；
[0007]圖4是基于照片的草圖，示出在Cessna Citat1n 560飛行器中的圖2和圖3的系統。
[0008]圖5是在圖4的系統中采用的打開的傳感器箱和關聯的信號調節單元的草圖；
[0009]圖6A示出應力場檢測器(SFD)傳感器的側視圖，示出了通常的尺寸；
[0010]圖6B示出圖6A的SFD傳感器的端面視圖，示出了通常的尺寸；
[0011]圖7A是SFD傳感器的另一實施例的側立體圖；
[0012]圖7B是圖7A的SFD傳感器的端視圖；
[0013]圖8是示出SFD傳感器的顯微鏡視圖的草圖，例示了原子可以怎樣被捕集以形成傳感器結；
[0014]圖9是例示本發明的包括多結實施例的一種實施例的草圖，每個多結實施例包括捕獲的粒子的波與在結腔中生成的聲子波的疊加；
[0015]圖10是例示在圖6A至圖7B的金屬銷與金屬珠之間的高度受限區域中的捕獲的粒子的駐波和聲子波前的草圖；
[0016]圖11至圖13例示在驗證系統的能力的測試飛行中由圖2至圖6B的系統生成的信號的示例，更具體地:
[0017]圖11是針對沿平原的最大應力線穿越加拿大不列顛哥倫比亞省的拉迪弗恩(Ladyfern)氣田的測試航線的信號；
[0018]圖12示出來自第二測試航線加拿大阿爾伯特省的Burnt Timber氣田的信號，其中，使用與圖11中使用的傳感器相同的傳感器并且沿最大應力線，但是在山腳下；
[0019]圖13示出來自穿越加拿大不列顛哥倫比亞省的拉迪弗恩氣田的第三測試飛行的信號，其中，使用與圖11和圖12中使用的傳感器相同的傳感器，但是在該情況下飛行沿最小應力線。
[0020]圖14示出針對2012年4月14日在阿根廷的里瓦達維亞海軍準將城的“LaJarilla”油田上的飛行的測量航線地圖；
[0021]圖15示出傳感器“Pearl”的沿圖14的航線起飛形成的信號；
[0022]圖16示出與傳感器“Pearl”不同的傳感器即傳感器“String”的沿圖14的航線起飛形成的信號；
[0023]圖17是例示“信號幅值”的概念的傳感器信號；
[0024]圖18是幅值被平均的傳感器信號；
[0025]圖19是例示地質邊緣的概念的傳感器信號；
[0026]圖20是例示信號“頻率”的概念的傳感器信號；
[0027]圖21是例不各種頻率趨勢的傳感器彳目號；
[0028]圖22是例示信號模式變化的概念的傳感器信號；
[0029]圖23是例示信號特征變化的概念的傳感器信號；
[0030]圖24是例示序列識別的概念的傳感器信號。
【具體實施方式】
[0031]本申請公開了一種用于航空地球物理勘探的量子尺度裝置，該量子尺度裝置足夠穩定并且其結果是一致的。因此，新的裝置和系統具有提供卓越可靠性的能力。
[0032]在本文中公開了實際的重力場檢測器的實施例。本文所描述的實施例的具體應用為對潛在碳氫化合物沉積物的檢測。如將在下面詳細看到，地殼中的碳氫化合物沉積物的區域中的地質應力與固體巖石的區域中的不同。本文所描述的檢測器檢測這些差異。在檢測潛在碳氫化合物沉積物的過程中，已發現所公開的實施例還檢測沉積盆地內的其它地質特征，諸如圈閉和斷層。對本領域的技術人員而言，所描述的應力場檢測器和具體的實施例具有和將具有許多附加的特征和應用將是明顯的。
[0033]圖1是例示本文所描述的實施例可以有助于對其進行區分的典型地質特征100的圖。沉積盆地的具有多個沉積層102、104、106、108和110的示例性區域110被例示，該區域包括具有在疏松砂巖地層114周圍的頁巖層序112的區域，疏松砂巖地層114可以包含流體，例如諸如氣、油或水。在本示例中，疏松砂巖和頁巖具有相同的密度。相等的密度意味著相等的重力加速度。因此，基于質量的重力計在二者上產生相同的測量值。然而，如由118、126、127和120所提示的，這兩個區域將具有不同的應力機制。頁巖巖石112與疏松砂巖114不同地分布應力。頁巖與包含顯著流體的疏松砂巖之間在彈性(剪力)特性方面的差異生成傳統重力檢測裝置注意不到，而由于與地下應力擾動關聯的重力場振動的變化可被本文所描述的傳感器檢測的應力異常。
[0034]1.電子裝置的詳細描述
[0035]圖2是例示能夠識別潛在碳氫化合物特征的重力變換器和檢測系統的一個實施例的主要部件的框圖。如圖2所示，系統集成有應力場檢測傳感器154、信號調節系統156、飛行器跟蹤和通信系統160、數據記錄系統164和166、包括數據后處理系統的質量控制系統170。所有的設備是自包含的，并且通過適當的布線155、161、158、157、167和168連接在一起。
[0036]圖3示出例示結合到測量飛行器中的系統150的實施例的各個電子部件的框電路圖。實施例150包括第一應力場傳感器(SFD)系統202、第二 SFD系統204、主數據獲取計算機系統214、實時顯示計算機系統216，以及駕駛員導航系統218。第一 SFD傳感器系統202包括SFD傳感器陣列，該SFD傳感器陣列包括6個SFD傳感器和2個加速度計。這些傳感器和加速度計被包含在傳感器箱220中。下面將討論傳感器和傳感器箱的結構。第一傳感器系統202還包括SFD信號調節系統222和電池225。貫穿系統150的接地裝置由諸如226的接地符號表示。第二 SFD系統204包括傳感器箱230，傳感器箱230包括8個SFD傳感器和6個加速度計。第二系統204還包括SR)信號調節系統232和電池235。
[0037]主計算機214的一個實施例包括QNX 4.25數據獲取計算機290連同卡和外圍設備，包括經由耦接器242耦接到鍵盤輸入端口 299的鍵盤240。從由飛機供電的電源294給計算機290供電，電源294的電力被輸入到單元291中的IlOV交流電源中。數據獲取計算機290還可以包括連接到傳感器數據輸入端口 250的數據采集卡300、連接到加速度計數據輸入端口 252的數據采集卡304、連接到GPS Coml端口 274的GPS串行端口 306、連接到GPS Com2端口 276的NMEA/qtalk串行端口 308、駕駛員顯示輸出310，以及給外部硬件驅動器提供輸出的USB端口 314。耦接器242可以為線纜或無線裝置，并且允許鍵盤在飛機附近移動。計算機214可以包括:線纜接口 248 ;具有由SFD傳感器使用的多達16個通道的M62592kHz數據輸入接口 250 ;用于加速度計的M6225200Hz數據獲取接口 252 ;用于使主機與其它計算機同步的遠程啟動輸出256 ;連接到系統一 SFD信號調節器222的系統一輸入端口 258 ;連接到系統二信號調節器232的系統二輸入端口 260 ;以及加速度計/電池監視輸入264。主計算機214還包括GPS模塊268，GPS模塊268可以包括GPS卡268 ；GPS天線270 ；Coml端口 274 ；Com2端口 276 ;直流電力輸入端口 280 ；GPS電池282 ;以及15伏直流源286。GPS模塊268由電池282驅動，電池282在飛機飛行時從飛機發電機充電。
[0038]駕駛員導航系統218包括5伏直流電源320、從計算機290的駕駛員顯示輸出310接收輸出的駕駛員導航接口 324，以及被投射到飛機的防風罩上的駕駛員導航顯示器326。
[0039]實時顯示計算機216包括膝上型計算機330，膝上型計算機330可以為松下CF30，松下CF30具有用于跟蹤測量飛行的OziExplorer移動地圖工具和用于顯示測量期間的SFD波形并且還用于備份數據記錄的WinDaq數據獲取系統。膝上型計算機330還可以包括連接到計算機214的GPS通信端口 304和GPS通信端口 276的通信端口 334、USB端口 326、連接到28V直流電源346的RAM直流電力輸入卡338，以及連接到外部硬件驅動器344的USB端口 340。實時顯示計算機216還可以包括映射模塊350，映射模塊350可以包括數據采集卡350、WinDaq輸入端口 356和358，以及連接到膝上型計算機330上的USB端口 336的USB端口 354。WinDaq端口 356分別連接到SFD信號調節單元222和232。
[0040]主計算機214進行操作，以收集和數字化傳感器數據、加速度計數據，以及GPS數據。上文提到的數據采集卡包括對SFD傳感器和加速度計的模擬輸出進行數字化的模數轉換器。加速度計數據用作質量控制功能。如果加速度對SDF傳感器的影響太大，例如Ig或更大，則需要針對數據質量施加額外的關注。這通過由主計算機214將加速度計數據與SFD傳感器數據進行關聯而執行。主計算機214還將SFD數據與由GPS模塊268輸出的飛機位置數據進行關聯。實時顯示計算機216提供測量期間的信號輸出，該輸出示出根據時間的SFD輸出，下面將詳細討論SFD輸出的波形。這些波形可以實時輸出在膝上型計算機330的顯示器上。時間也經由GPS輸出與位置進行關聯，使得系統能夠提供將時間與位置進行關聯的飛行的實時顯示。下文將詳細示出和討論這種地圖的示例。
[0041]圖4是示出位于Cessna Citat1n 560飛行器380上的傳感器測量設備的照片的草圖。實時顯示膝上型計算機330設置在最近支架384的頂部，而主計算機290在膝上型計算機330的正下方。映射模塊350處在該支架的底部。可以在支架384的右下方看到線纜接口 248。可以在第二支架388的頂部看到系統一 SFD傳感器箱230，而系統二傳感器箱230在系統一 SFD傳感器箱230的下方。可以在傳感器箱230之下的支架級上看到系統二信號調節器232。可以在飛機380的遠端處的駕駛艙390中看到導航模塊218。
[0042]圖5示出打開的傳感器箱230和多通道信號調節單元232的一種實施例。重力場傳感器是安裝在具有振動與沖擊隔離件的派力肯(pelican)硬箱400內的單獨的單元。在圖5的實施例中，振動與沖擊隔離件包括硅凝膠墊410。16個SFD傳感器404、406、408、414、416、418、420、422、424、426、428、430、434、435、436 和 437 被安裝在墊 410 上。3 個加速度計440、441和442分