一种三分量重力仪探头及井中重力仪系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种三分量重力仪探头及井中重力仪系统，三分量重力仪探头包括结构相同的X轴重力测量模块、Y轴重力测量模块和Z轴重力测量模块；各单轴重力测量模块包括单轴重力加速度传感器、信号处理电路和电子元器件；各单轴重力加速度传感器包括重力敏感单元和位移传感组件；各轴重力敏感单元用于实现测量重力沿各轴方向的加速度，包括X轴方向、Y轴方向及Z轴方向三个方向；重力敏感单元包括弹性结构、检验质量块及支撑体，检验质量块位于支撑体内部，检验质量块通过弹性结构与支撑体连接；各轴重力敏感单元中的弹性结构的位移移动方向同个轴方向相同，本实用新型专利技术通过三个方向的重力测量模块，能够实现井中的三分量重力测量。

【技术实现步骤摘要】
一种三分量重力仪探头及井中重力仪系统
本技术属于精密仪器领域，更具体地，涉及一种三分量重力仪探头及井中重力仪系统。
技术介绍
地下重力测量是指在钻井、竖井中垂直地进行重力测量，以及在矿区的不同平巷中水平或者垂直地进行的重力测量。在钻井和竖井中的重力测量研究重力垂直分量随深度的变化，该变化是由地下密度不均匀体的垂向和横向位置的变化所引起的。坑道中的重力测量原理与地面重力测量相类似，可提供坑道附近横向密度变化的资料。在尺寸较大的竖井或者坑道中进行地下重力测量时，可采用常规的地面重力仪；而钻井中的地下重力测量则必须采用井中重力仪。目前国外井中重力仪主要有ESSO公司井中重力仪、苏联地球物理所TCK--130井中重力仪、L&R公司井中重力仪，国内很少有单位研制井中重力仪。以L&R公司井中重力仪为代表，它的整个仪器的核心元件即重力传感器通过绝热、恒温、防磁屏蔽以及补偿大气压力变化等措施予以保护，并有电动机驱动的万向架式调平系统来完成在井下对重力传感器的实时调平。仪器的最小直径为100mm，可在井斜14°，环境温度为200℃，及环境压力为172MPa的高压下连续工作30小时，重力测量精度为3μGal。在3米的垂直间隔内相应的密度测量精度为0.01g/cm3，可用于陆上及海洋的钻井重力测量。井中重力测量通过在井中一系列根据测井图选定的测点停放井中重力仪及读数来进行。测出一系列的重力垂直变化Δg及相应的深度差Δz，就可以根据公式计算出岩层的密度σ为：G为万有引力常数，F为自由空气梯度，c为校正值之和。井中垂直重力测量得到的密度能够达到0.01g/cm3的精度。目前，商用的井中重力仪已经被广泛应用在储集层评价，确定孔隙沉积；盆地密度规律研究，精确估计井中地层密度；油气勘探开发，确定天然气饱和带，发现含油气层位及远处孔隙带；对抽油引起的钻井变化进行监测等领域。商用井中重力仪也优化到了较高的精度，例如LRS公司的Gravilog类似CG5石英型井中重力仪分辨率达到1μGal，重复性达到7μGal，耐温达70℃。ESSO公司研制的第一台井中重力仪是振弦型的，基本元件是一根细钨丝悬挂一个铂块，通过电子系统施加激励，并通过监测因重力变化而引起的振弦系统频率变化，从而获取相对重力值。该仪器外径为102mm，恒温温度保持在125℃，可以在偏离铅直方向4°左右正常工作，每次读数约为5分钟，同一测点经多次读数可达精度约为10μGal。但是目前已有的井中重力仪的测量精确度、稳定度、尺寸等仍然达不到钻井和竖井中的需求。且现有的井中重力仪仅能实现标量重力测量，无法实现矢量重力测量。矢量重力测量能测定整个重力扰动矢量，即扰动引力的三个分量，可以获得更为详细的重力异常信息，较标量重力测量有明显优势。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本技术提供了一种井中重力仪及集成系统，其目的在于在有限的体积内实现三分量重力测量，由此解决目前现有的井中重力仪因敏感单元尺寸过大无法实现矢量重力测量的技术问题。为实现上述目的，按照本技术的一个方面，提供了一种井中重力仪，包括：结构相同的X轴重力敏感单元、Y轴重力敏感单元和Z轴重力敏感单元；X轴重力敏感单元用于实现测量重力沿X轴方向的加速度；Y轴重力敏感单元用于实现测量重力沿Y轴方向的加速度；Z轴重力敏感单元用于实现测量重力沿Z轴方向的加速度；X轴重力敏感单元包括：弹性结构、检验质量块以及支撑体，检验质量块位于支撑体内部，检验质量块位于支撑体内部，检验质量块通过弹性结构与支撑体连接；X轴重力敏感单元中的弹性结构的位移移动方向同X轴方向相同，Y轴重力敏感单元中的弹性结构的位移移动方向同Y轴方向相同，Z轴重力敏感单元中的弹性结构的位移移动方向同Z轴方向相同。优选地，X轴重力敏感单元通过对半导体晶片进行微纳加工处理后获得。优选地，对半导体晶片进行微纳加工处理具体为：在包括依次层叠放置的器件层、牺牲层以及支撑层的半导体晶片的器件层上刻蚀弹簧质量块初始结构；在所述半导体晶片的支撑层上与弹簧质量块初始结构对应的区域刻蚀通孔使牺牲层暴露，并去除与弹性结构和检验质量块接触的牺牲层，获得X轴重力敏感单元；其中，弹簧质量块初始结构包括与牺牲层接触的弹性结构、与牺牲层接触的检验质量块以及与牺牲层接触的支撑体，检验质量块位于支撑体内部，检验质量块通过弹性结构与支撑体上部连接。优选地，半导体晶片的器件层为厚度在300微米～1000微米之间。优选地，三分量重力仪探头还包括：结构相同的X轴位移传感组件、Y轴位移传感组件以及Z轴位移传感组件；X轴位移传感组件包括通过在半导体晶片检验质量块上附着金属层方式获得的移动极板以及在衬底上附着金属层的方式获得的固定极板，用于将重力沿X轴方向的加速度转化为电信号。优选地，三分量重力仪探头还包括：结构相同的X轴信号处理电路、Y轴信号处理电路以及Z轴信号处理电路，X轴信号处理电路的输入端与X轴位移传感组件的输出端连接，用于检测电信号，并对电信号进行放大处理。优选地，三分量重力仪探头还包括三个基板和本体，三个基板依次记为X轴基板、Y轴基板以及Z轴基板，本体上端呈方形；同一个轴上的重力敏感单元、位移传感组件以及信号处理电路均安装于对应的基板上，基板安装于本体上端的一个面上；且本体上X基板安装面、Y基板安装面以及Z基板安装面不同。按照本技术的另一方面，提供了一种井中重力仪系统，包括：三分量重力仪探头，用于实现三分量重力测量，伺服调平机构，其运动端与三分量重力仪探头的连接，用于调整三分量重力仪探头的姿态；控制电路，其输出端与伺服调平机构的控制端连接，用于根据输入端指令信号输出控制信号，使伺服调平机构按照指令信号调整三分量重力仪探头的姿态；电源模块，其第一输出端与三分量重力仪探头的电源端连接，其第二输出端与伺服调平机构的电源端连接，其第三输出端与控制电路的电源端连接，用于为三分量重力仪探头、伺服调平机构以及控制电路提供电源。总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本技术提供一种三分量重力仪探头，通过三个方向的重力测量模块，实现X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向的重力测量，能够实现井中的三分量重力测量。2、通过在半导体晶片的器件层进行刻蚀处理后获得上单轴弹性结构、下单轴弹性结构、单轴检验质量块以及支撑体，可以获得非常精细的10-50μm厚度的硅基弹簧类柔性结构。由于硅基弹簧类柔性结构的厚度在10-50μm的范围内，在很小的弹簧长度的情况下，也即有限的面积内就可以获得极低的刚度，达到与传统重力传感器相当灵敏度的芯片级重力传感器。本技术中使用的自主研发的单轴重力敏感单元尺寸在14mm×14mm×1.5mm，可以通过多个单轴重力敏感单元高度集成的方式实现三分量的重力测量，三分量重力仪探头的封装后的外形尺寸为Φ45mm×70mm。并同时满足在对体积要求非常高的深度钻井(如孔径小于50mm)中应用。3、重力敏感单元使用硅基一体化加工得到，避免了传统加工中不同部件间连接点不稳定的问题，使得重力敏感单元有更好的稳定性；4、本技术提供了一种三分量重力仪探头，能够实现高精度、高稳定性的矢量重力测量，同时使三分量重力仪探头的体积和质量都本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三分量重力仪探头，其特征在于，包括：结构相同的X轴重力敏感单元、Y轴重力敏感单元和Z轴重力敏感单元；X轴重力敏感单元实现测量重力沿X轴方向的加速度；Y轴重力敏感单元实现测量重力沿Y轴方向的加速度；Z轴重力敏感单元实现测量重力沿Z轴方向的加速度；X轴重力敏感单元包括：弹性结构、检验质量块以及支撑体，检验质量块位于支撑体内部，检验质量块通过弹性结构与支撑体连接；X轴重力敏感单元中的弹性结构的位移移动方向同X轴方向相同；Y轴重力敏感单元中的弹性结构的位移移动方向同Y轴方向相同；Z轴重力敏感单元中的弹性结构的位移移动方向同Z轴方向相同。

【技术特征摘要】
1.一种三分量重力仪探头，其特征在于，包括：结构相同的X轴重力敏感单元、Y轴重力敏感单元和Z轴重力敏感单元；X轴重力敏感单元实现测量重力沿X轴方向的加速度；Y轴重力敏感单元实现测量重力沿Y轴方向的加速度；Z轴重力敏感单元实现测量重力沿Z轴方向的加速度；X轴重力敏感单元包括：弹性结构、检验质量块以及支撑体，检验质量块位于支撑体内部，检验质量块通过弹性结构与支撑体连接；X轴重力敏感单元中的弹性结构的位移移动方向同X轴方向相同；Y轴重力敏感单元中的弹性结构的位移移动方向同Y轴方向相同；Z轴重力敏感单元中的弹性结构的位移移动方向同Z轴方向相同。2.如权利要求1所述的三分量重力仪探头，其特征在于，所述X轴重力敏感单元通过对半导体晶片进行微纳加工处理后获得。3.如权利要求2所述的三分量重力仪探头，其特征在于，对半导体晶片进行微纳加工处理具体为：在包括依次层叠放置的器件层、牺牲层以及支撑层的半导体晶片的器件层上刻蚀弹簧质量块初始结构；在所述半导体晶片的支撑层上与弹簧质量块初始结构对应的区域刻蚀通孔使牺牲层暴露，并去除与弹性结构和检验质量块接触的牺牲层，获得X轴重力敏感单元；其中，弹簧质量块初始结构包括与牺牲层接触的弹性结构、与牺牲层接触的检验质量块以及与牺牲层接触的支撑体，检验质量块位于支撑体内部，检验质量块通过弹性结构与支撑体上部连接。4.如权利要求3所述的三分量重力仪探头，其特征在于，半导体晶片的器件层为厚度在300微米～1000微米之间。5.如权利要求1所述的三分量重力仪探头，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘骅锋，涂良成，王秋，胡宸源，范继，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北,42