井中永置式套管外三分量光纖MEMS地震檢波器研究

梁 興,李東明,劉 帥,張永強

(1.中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司,浙江杭州311100;2.中國船舶集團有限公司第七一五研究所,浙江杭州310023)

儲層壓裂改造是低滲油氣田和非常規油氣田開采過程中提高單井油氣產量和采收率常用的增產措施[1-3]。壓裂過程中油氣井下儲層受高壓泵注流體動力破裂產生大量的人造微地震事件[4-5],這些微地震事件包括:地應力變化、巖石破碎起裂、裂縫延伸、流體注入、砂體支撐等因素誘發的微振動事件,其能量級別往往較低(多為負一級以下)[4-6]。利用地震檢波器對巖層裂縫產生的微地震信號進行實時監測和數據獲取,能夠精準定位震源位置、快速確定微地震的發震時刻及烈度、判斷壓裂裂縫走向和動態[5-7],為油氣藏動態分析、油氣田勘探開發、地下儲氣庫、水力壓裂評估提供重要數據支撐,最終實現對油氣田開發過程的實時監測和生產指導[7-9]。

微地震產生的彈性波能量較弱,持續時間一般小于1s,因此,對監測手段提出了更高要求[10-11]。傳統井下微地震監測技術主要分為兩類:①地面放置地震檢波器進行井下微地震信號監測[6];②將地震檢波器放置于井中套管內進行臨時性微地震監測或套管外進行永置式微地震監測[4]。地面監測手段具有便捷和即時性的特點,但檢波器距離震源信號較遠,難以捕捉微弱信號[12]。井中套管內監測常用于水力壓裂、油田注水等周期較短的臨時性監測[13],只能完成當次施工作業的監測,且干擾正常的油氣生產。套管外永置式監測技術可獲取衰減程度最低的原始微地震信號,能大幅提高檢波器對井下微弱微地震信號的感知能力和裂縫成像刻畫的精細度。鑒于此,中石油浙江油田率先于2020年在頁巖氣井進行了創新性礦場試驗[1,4,6]。但套管外監測技術對檢波器的尺寸、耐高壓等級、套管的配接結構、長期可靠性、穩定性和下井工藝都有嚴格的要求。

目前,電學檢波器越來越受高溫、傳輸速率、實時性、集成度等限制[14],光纖檢波器由于其本征不帶電、抗電磁干擾、傳感傳輸一體化、實時監測和多參量集成等特點而成為國內外研究熱點。美國Weatherford公司和Paulsson公司研制了基于光纖光柵干涉式的井中三分量光纖地震檢波器[15-16];清華大學研制了三分量光纖干涉儀檢波器,并在新疆油田進行了壓裂監測試驗[17];西安石油大學研制了三分量光纖光柵檢波器[18];山東激光科學研究院研制了三分量光纖激光檢波器[19]。但目前國內光纖地震檢波器多用于臨時性套管內監測,套管外永置式微地震監測應用尚未見公開報道。

本文針對頁巖氣井中套管外永置式微地震監測應用,研制了小尺寸、耐高溫高壓、高靈敏度的三分量光纖MEMS微地震檢波器,將微地震信號轉化為F-P腔長的變化,通過超快光譜探測技術和動態白光干涉解調技術實現10kHz高速解調。通過模擬仿真優化MEMS加速度芯片結構,并采用大深度雙面套刻工藝實現高靈敏度MEMS加速度芯片的制造。采用小型化三分量檢波器結構設計結合雙重耐溫耐壓密封鎖緊技術達到套管外永置式安裝對三分量檢波器的尺寸要求,并且通過材料選型抑制了熱膨脹影響。在實驗室中對研制的三分量光纖MEMS地震檢波器和標準電學加速度計進行了性能對比測試,并與國內外近年來生產的類似原理的加速度傳感器進行了詳細的參數對比。

1 高靈敏度MEMS芯片設計、仿真與制作

1.1 MEMS芯片設計與仿真

MEMS加速度芯片結構根據性能要求和封裝方式可進行多種設計,包括平面膜片式、鏤空式、懸臂梁式等[20-22]。針對井中套管外微地震監測應用對檢波器尺寸、靈敏度、分辨率等具體指標的要求,同時考慮井下高溫高壓環境對檢波器產生的溫度漂移等影響和批量化工藝實現的可操作性,本文采用基于4條對稱L型懸臂梁式的MEMS芯片結構設計,并在此基礎上突破傳統MEMS芯片大深度質量塊設計,如圖1 所示。該結構具備較低的橫向加速度串擾、結構復雜度低等特點,通過調整質量塊邊長、懸臂梁邊長、厚度、寬度以及芯片的材料密度和楊氏模量等可得到良好的加速度靈敏程度和頻響范圍,具體如(1)式所示[23]:

圖1 MEMS加速度芯片結構示意

(1)

其中,f0表示MEMS芯片的諧振頻率,h表示懸臂梁厚度,a表示質量塊邊長,b表示懸臂梁寬度,L表示懸臂梁長度,E表示芯片材料的楊氏模量,ρ表示芯片材料密度,u為設計常數。

通過結構參數調整和優化實現高靈敏度、高分辨率MEMS芯片設計,并利用ANSYS仿真軟件對其進行諧振頻率、形變和應變仿真,仿真結果如圖2所示。高靈敏度芯片的一階諧振頻率為468.15Hz,1g(1g≈9.8m/s2)加速度下的芯片機械位移量達到了1.17μm,仿真得出的加速度靈敏度在1.1773μm/g。預計可在0～350Hz頻帶范圍內實現10μg量級的高分辨率微地震信號探測,提高了地震資料成像刻畫的整體精度。

圖2 高靈敏度、高分辨率MEMS芯片仿真結果a MEMS加速度芯片諧振頻率仿真結果; b MEMS加速度芯片應力仿真結果; c MEMS加速度芯片形變仿真結果; d 加速度靈敏度仿真結果

1.2 MEMS芯片工藝實現

MEMS芯片的工藝總流程如圖3a所示,相比傳統MEMS芯片的平板結構,本文設計的加速度芯片質量塊由于厚度達到mm量級,因而工藝難度更高。本文提出大深度雙面套刻鍍膜工藝實現批量化的硅基MEMS芯片制備。具體的工藝流程如下:

圖3 MEMS加速度芯片工藝總流程(a)和MEMS加速度芯片實物(b)

1) 晶圓清洗,清洗工藝流程清洗晶圓表面,為后續光刻鍍膜做準備;

2) 光刻,在晶圓的A面旋涂光刻膠,通過曝光顯影得到設計的芯片圖案;

3) 鍍膜,在晶圓A面磁控濺射薄膜層,得到第一次深硅刻蝕圖案;

4) 雙面對準套刻、鍍膜,在晶圓B面通過雙面對準套刻進行與步驟2)、步驟3)相同的工藝,得到第3次深硅刻蝕圖案;

5) 刻蝕,進行晶圓A面的刻蝕,刻蝕深度為MEMS結構的質量塊上表面和蟹形梁上表面的高度差;

6) 套刻,在英寸晶圓的A面旋涂光刻膠,通過正面套刻得到晶圓A面的圖案,得到第2次深硅刻蝕圖案;

7) 刻蝕,進行晶圓A面的第2次深硅刻蝕,刻蝕深度為蟹形梁的厚度;

8) 刻蝕,進行晶圓B面的第3次深硅刻蝕,刻蝕深度為MEMS結構的質量塊上表面和蟹形梁上表面的高度差,MEMS結構形成;

9) 濕法刻蝕,在氫氟酸(HF)溶液中浸泡晶圓,使得質量塊上、下表面的Au膜顯露。

制備完成后的MEMS加速度芯片如圖3b所示。

2 光纖MEMS地震檢波器設計與仿真

2.1 工作原理

本文研制的光纖檢波器采用F-P干涉原理,如圖4所示,包括MEMS芯片和光纖端面。其中MEMS芯片的質量塊下表面鍍膜后充當F-P腔的一個反射端面,光纖端面經過研磨后充當F-P腔的另一端面,實現光信號的干涉。

圖4 光纖F-P干涉原理

對于光纖空氣腔式的F-P傳感器而言,其反射光譜強度Ir可用(2)式表示[24]:

(2)

其中,R表示F-P腔兩個端面的反射率,γ表示考慮了腔內損耗后的反射光強條紋對比度,d0表示F-P腔長,λ表示干涉譜的波長。

公式(2)表明,在某一確定的腔長下,F-P干涉譜為余弦波形,改變腔長會改變干涉光的相位,采用白光干涉相位解調技術[25]可實現絕對腔長的精準、快速解調。首先,對干涉光譜進行去直流和歸一化,消除光源包絡影響;然后,采用快速傅里葉變換計算出干涉光譜的相位;最后,通過相位估計得出F-P腔的腔長值。當有微地震信號作用于檢波器上時,通過解調F-P腔的實時腔長值計算出對應的加速度值和頻率值,實現微地震數據的采集。

2.2 三分量地震檢波器結構設計與仿真

基于MEMS芯片和光纖F-P干涉技術的三分量地震檢波器結構設計主要針對套管外應用對尺寸的限制,同時滿足大深度水平井對于承溫承壓的需求。設計的檢波器結構由單軸檢波器和三分量檢波器耐高溫高壓密封外殼組成。單軸檢波器的三維結構效果圖如圖5a所示。整體外徑為16.6mm,內部包括MEMS芯片、陶瓷底座、陶瓷插芯、外部鈦合金保護殼和頂部鈦合金蓋子。單軸檢波器所有組成部件的選材均為耐高溫、低膨脹系數材料,確保整體耐溫達到200℃。整個結構基于去膠化設計原則,全部采用機械固定和鎖緊,避免高溫環境下膠的熱膨脹系數對于芯片和陶瓷插芯相對位置的影響,從而降低靜態腔長的溫漂,提高檢波器高溫環境下的測量精度。

圖5 光纖單軸地震檢波器三維結構效果(a)、三分量光纖地震檢波器外殼結構(b)和三分量光纖地震檢波器耐高壓仿真結果(c)

三分量地震檢波器的外殼設計如圖5b所示。整體長度為350mm,外徑為25mm,右端為三分量檢波器集成部分,中部為測井光纜與三分量檢波器光纖熔接、盤纖和保護部分,左端為測井光纜鎖緊和密封部分。為了承受井中壓裂時可能產生的高達180MPa的壓力沖擊,采用雙端三重密封加鎖緊技術,與傳統光纖檢波器采用的密封方式相比,具備更高的耐壓等級和拉伸強度。采用Ansys軟件對其耐高壓性能進行仿真,如圖5c所示。仿真結果表明,三分量地震檢波器的外殼設計能夠耐180MPa的壓力,其最大應力為691MPa,小于鈦合金材料的最大屈服強度1180MPa。

3 實驗測試和結果分析

3.1 三分量檢波器封裝與實驗系統搭建

在實驗室中對三分量光纖MEMS地震檢波器進行封裝和裝配,其中封裝完成的單軸檢波器如圖6a所示,封裝過程中采用自制的高精度位移調節臺和Ibsen512高速光譜儀模塊調節陶瓷插芯端面與MEMS芯片下表面的距離,實現精準的F-P腔長的調節,提升了三分量單軸檢波器性能的一致性。

圖6 單軸光纖MEMS地震檢波器封裝實物(a)與三分量光纖MEMS地震檢波器裝配實物(b)

完成3只單軸檢波器的封裝后,將其嵌入對應的3個方向的底座結構內并采用機械方式鎖緊,然后裝配耐高溫高壓的保護殼。三分量光纖MEMS地震檢波器的裝配實物如圖6b所示。外徑約為25mm,長度為350mm,基本滿足油氣井套管外永置式安裝方式對檢波器尺寸的要求?？紤]到不同類型的油氣井所采用的測井光纜結構和鋼管直徑可能不同,本文在設計檢波器保護外殼結構時主要針對6.35mm和7.20mm兩種常用的鋼管外徑進行設計。圖6b中上面的三分量檢波器裝配的是7.20mm鋼管外徑的測井光纜;下面的三分量檢波器裝配的是6.35mm鋼管外徑的測井光纜,裝配結果說明本文研制的檢波器能適配不同尺寸測井光纜的井下應用需求。

在完成光纖MEMS地震檢波器裝配后,在實驗室中搭建了測試系統對其進行全方位性能測試,包括靈敏度測試、頻響范圍測試、最大量程測試、分辨率和動態范圍測試、與電學加速度傳感器的對比測試以及耐高溫高壓測試。實驗系統如圖7所示,由光纖MEMS地震檢波器、電學加速度傳感器、振動臺、波形發生器、放大器、高速解調儀、數據采集模塊、計算機組成。對電學加速度傳感器與光纖MEMS檢波器作對比實驗,二者固定在同一個振動臺表面。

圖7 光纖MEMS地震檢波器實驗系統原理

3.2 靈敏度測試

為了驗證高靈敏度、高分辨率MEMS芯片的性能,我們在實驗室中對裝配好的三分量光纖MEMS地震檢波器內嵌的X、Y和Z3個檢波器分量分別進行軸向和橫向靈敏度測試實驗,實驗結果如圖8所示。實驗結果表明:三分量檢波器的軸向靈敏度保持了良好的上下行一致性,最大誤差不超過17.4nm/g,占比<1.3%,軸向加速度靈敏度線性度誤差均≤0.08%,并且橫向/軸向加速度靈敏度比值分別為2.14%、2.17%和2.59%,達到商用化三分量檢波器橫向串擾<5%的要求。在實驗過程中,我們在100Hz、0.25g,200Hz、0.5g和300Hz、1.0g共3個不同頻率和加速度值輸入條件下,對X分量檢波器的軸向腔長位移變化和橫向腔長位移變化進行對比,結果如圖9所示。從圖9可以看出,軸向腔長變化正弦波形良好,在時間軸上與輸入頻率吻合,并且橫向腔長位移變化波形與軸向峰谷基本吻合,證明了檢波器測量的準確性和穩定性。此外,橫向/軸向腔長位移量比值與橫向/軸向靈敏度數值基本吻合,說明檢波器具備較高的抗橫向串擾能力。

圖8 高靈敏度、高分辨率光纖MEMS地震檢波器靈敏度測試結果a X分量軸向靈敏度; b X分量橫向靈敏度; c Y分量軸向靈敏度; d Y分量橫向靈敏度; e Z分量軸向靈敏度; f Z分量橫向靈敏度

圖9 不同頻率和加速度條件下高靈敏度光纖MEMS地震檢波器X分量軸/橫向腔長變化對比測試a 頻率100Hz,加速度0.25g; b 頻率200Hz,加速度0.50g; c 頻率300Hz,加速度1.00g

3.3 頻響范圍和最大量程測試

頻響范圍決定了檢波器可測量的地震波頻帶的范圍,在實驗室中對光纖MEMS地震檢波器進行頻響測試,測試結果如圖10所示。在10kHz的光譜采樣頻率下,保持加速度為0.5g,按照每隔100Hz記錄一次,進行三分量檢波器X分量、Y分量和Z分量的頻響測試。測試結果表明,檢波器3個分量的諧振頻率基本保持在450Hz左右,其平坦范圍約為0～350Hz,說明該款檢波器的工作頻帶范圍為0～350Hz,與仿真結果基本一致。因此,本文設計的光纖MEMS地震檢波器可用于350Hz范圍內微地震信號的高精度重點探測,滿足井下微地震探測的頻帶范圍需求。

圖10 光纖MEMS地震檢波器頻響測試結果

我們在實驗室采用錘擊破壞實驗[26]來驗證高靈敏度、高分辨率檢波器的最大量程,如圖11所示。我們在連續記錄過程中多次重復敲擊傳感器上表面,從解調出的加速度值來看,該款檢波器的最大可用量程約為±5g,更大敲擊力度會導致解調失敗甚至芯片懸臂梁斷裂。此外,由于敲擊點為檢波器固定基座,并且為人工手動錘擊,可能會導致錘擊瞬間檢波器受力不均勻,造成振動方向與敏感方向存在角度偏差,影響波形的對稱性。

圖11 光纖MEMS地震檢波器最大量程測試結果

3.4 分辨率和動態范圍測試

在實驗室中進行了檢波器X分量、Y分量和Z分量的分辨率及動態范圍測試,其靜態腔長變化分別如圖12a至圖12c所示,對應的腔長波動量分別為±0.17nm、±0.15nm和±0.15nm,計算得出這3只檢波器的腔長分辨率分別為126.33,91.95,93.44pm,對應的加速度分辨率分別為100.60,73.15,85.72μg,說明該款檢波器可實現幾十μg量級的微地震信號檢測。在此基礎上,可計算得出這3只檢波器的動態范圍為4.9×104,6.8×104和5.8×104量級,總體在104量級,說明本文研制的三分量光纖MEMS地震檢波器具備良好的微地震信號分辨率和動態測量范圍。

圖12 研制的三分量光纖MEMS地震檢波器靜態腔長變化a 檢波器X分量; b 檢波器Y分量; c 檢波器Z分量

本次靜態分辨率測試是在實驗室環境下測量,并且檢波器靜置于振動臺上。由于實驗室機器運行產生的噪聲和地面傳遞到振動臺上的噪聲無法徹底抑制,后續可通過設置隔音箱或者在第三方專業的隔音實驗室,對二者的分辨率重新測量校準。

3.5 與電學加速度計對比測試

為了檢驗光纖MEMS地震檢波器實時加速度值還原準確性,我們在實驗室中將其與電學加速度傳感器進行對比測試,測試結果如圖13所示。從圖13可以看出,二者在波形和加速度數值這兩個方面吻合度良好,說明本文設計的檢波器具備良好的實時加速度準確測量能力。

圖13 光纖MEMS地震檢波器與電學加速度計對比測試結果

3.6 耐高溫高壓測試

井中套管外永置式微地震監測應用要求檢波器具備良好的承溫承壓能力以適應大深度油氣井本身的壓力以及固井和壓裂過程中可能產生的高壓。本文設計的三分量光纖MEMS地震檢波器采用耐腐蝕材料進行外殼設計,并且雙端采用三重密封技術實現耐高溫高壓和光纜鎖緊,以確保檢波器在下井過程中不會因為測井光纜的扭動和拉扯造成檢波器內光纖斷裂,同時具備高壓環境下長期監測能力。

在大型井下高溫高壓實驗裝置中對光纖MEMS三分量檢波器進行高溫高壓測試。測試裝置如圖14a 所示;為了驗證檢波器是否有緩慢泄露的情況,我們在現場將三分量檢波器的外殼拆開,其內部結構如圖14b所示,發現內部無明顯進水現象,傳感器關鍵部位光纖保持良好;溫度和壓力曲線如圖14c所示;由圖14c可見,溫度曲線增加至180℃后保持平穩,壓力曲線升至150MPa左右后由于補壓快速增加至175MPa,整個保壓過程壓力曲線總體平穩。我們在實驗室中對其性能進行了復測,發現傳感器經過高溫高壓實驗后仍保持良好的性能,證明了本文設計的三分量光纖MEMS地震檢波器能夠承受180℃溫度和175MPa壓力,這一指標突破國內井下光纖傳感器的耐壓極限,滿足井中永置式微地震監測要求。

圖14 光纖MEMS地震檢波器耐高溫高壓測試a 高溫高壓反應釜; b 實驗完成后內部結構; c 耐高溫高壓測試曲線

3.7 結果分析

本文針對井中套管外永置式微地震監測應用研制了三分量光纖MEMS微地震檢波器,并理論仿真和實驗驗證了其性能指標。與國內外類似原理的加速度傳感器對比結果如表1所示。由表1可見,其整體加速度性能指標優于微光OS7510商用加速度傳感器,基本與文獻[27]報道的F-P加速度傳感器相當,在加速度量程、分辨率這兩個指標上略低,原因是本文設計的檢波器基于MEMS芯片,其整體韌性略低于黃銅金屬,但是其克服了高溫下金屬的疲勞和熱膨脹引起的檢測精度下降等問題,井下永置式應用中可靠性和精度更高。

表1 自研光纖MEMS地震檢波器與國內外同類型傳感器對比結果

此外,實驗證明本文研究的光纖MEMS地震檢波器能夠達到耐溫180℃耐壓175MPa,這是目前國內公開報道過的井下光纖傳感器達到的最大耐壓等級,它能夠在套管外水泥膠結層中承受同井壓裂引起的瞬時壓力,實現井下永久壓裂監測。同時,與地面檢波器和常用的臨時測井的各種類型檢波器相比,套管外永置式光纖MEMS地震檢波器能夠直接監測到無衰減的井下微地震信號,對于井下微地震成像的刻畫精細度、震源定位的準確度以及裂縫走向的精準度均有提升,且這種監測方式不影響正常生產。

4 結論與認識

1) 研制了一種適用于井中套管外永置式微地震監測的三分量光纖MEMS地震檢波器,在25mm外徑微小尺寸上實現了三分量高度集成、耐高溫高壓、抗溫度干擾的井中應用目標,同時具備高靈敏度、高線性度和低串擾的技術特點。

2) 理論仿真了高靈敏度MEMS芯片和檢波器耐高溫高壓核心結構設計,通過大深度雙面套刻工藝實現芯片的批量制造,并完成實驗驗證。結果表明,MEMS加速度芯片可達到μm/g量級的高靈敏度,封裝完成的三分量檢波器可同時耐受175MPa高壓和180℃高溫,突破了國內外井下光纖傳感器的耐壓極限。此外,與標準電學加速度傳感器對比測試結果表明,研制的檢波器具備在0～350Hz帶寬范圍和±5g量程下達到70μg量級的加速度分辨率的優良性能,線性度誤差<0.01%,抗橫向串擾能力<5%,綜合性能優于類似原理的光纖檢波器。

3) 套管外永置式三分量光纖MEMS地震檢波器具備油氣井全生命周期監測和微地震信號高保真度測量的獨特優勢,在非常規油氣井儲層壓裂改造和油氣生產過程的微地震信號監測方面將發揮重要作用。