等离子体震源及在海洋勘探中的应用

为了满足现代海洋高分辨率地震勘探对发射震源在声信号特性、重复性、稳定性等方面的要求,介绍了一种等离子体震源(PSS)系统及在该方面的应用。针对基于海水中脉冲电晕放电技术开发的等离子体震源设备,分别从电路基础分析、等离子体放电过程和气泡脉动、脉冲声波辐射3个方面进行了理论分析和实验研究,给出了单电极条件下电源能量效率、气泡脉动、声波辐射的实验结果。同时介绍了近9a来等离子体震源的研发历程,单脉冲能量为500J、10kJ、50kJ等典型样机的设计参数和设备特点,阐述了设备在高分辨率海洋地震勘探领域的成功应用,以及在水声领域的应用前景。

脉冲等离子体震源及其在海洋地震勘探方面的应用

结合PSS500J研究成果,介绍了脉冲等离子体震源的构架,详尽分析了脉冲等离子体震源电路原理和放电过程,给出了脉冲等离子体震源的一个应用实例。研究表明,脉冲等离子体震源的放电过程分为电容放电和电感放电两个阶段。激发产生的电脉冲为单脉冲,脉冲持续时间不足0.2ms,而传统电火花震源激发产生的电脉冲为衰减震荡脉冲,脉冲震荡持续时间可达1ms,这使得脉冲等离子体震源地层分辨率明显高于传统电火花震源。此外,脉冲等离子体震源放电激发时,负载电阻和高压电极与地极之间的距离无关,且负载电阻远大于传输电缆的电阻,能量传输效率明显高于传统电火花震源。PSS500J脉冲等离子体震源系统的研制成功,打破了国际垄断,对于我国海洋工程、海洋地学研究甚至国防均有较大意义。

水静压对脉冲放电及深拖等离子体震源的影响

为了满足未来深拖等离子体震源的应用需求,基于高压脉冲电晕放电技术,研究不同水静压力下高压脉冲放电的电声特性.结果表明:水静压力对高压脉冲放电没有明显抑制,电压电流峰值及脉宽基本一致,波形上升沿高度一致;随着水静压力的增大,脉冲声波幅值呈指数衰减,当深度达到400m时,声压大约下降一半,1200m后衰减趋于平缓,单脉冲能量越小,声压级随水静压力增大衰减越快.对深拖等离子体震源进行可行性论证发现,当单脉冲能量高于20J时,深拖的声压级损失比常规海面拖曳的传播损失小.

用于天然气水合物勘探的大能量等离子体震源

详细介绍了针对我国天然气水合物勘探需求研制的50k J大能量等离子体震源。该震源结构采用集约型设计,所有设备均集成于一个可移动集装箱实验室内,方便设备运输与使用。海试研究表明,该震源最大地层穿透深度超过1000m。与传统的震源相比,等离子体震源具有更高的地层分辨率,提高了天然气水合物地球物理识别的可靠性。大能量等离子体震源系统的研制成功,打破了国际垄断,对我国海洋工程、海洋地学研究甚至国防均有较大意义。

50kJ超大能量等离子体震源及其应用

为了满足海洋高分辨率勘探的需要,文章介绍了一种新研制的50kJ超大能量等离子体震源,分为脉冲电源、传输线、发射电极三部分。在海试过程中等离子体震源运行稳定、工作可靠、充放电速率稳定,通过与传统气枪震源比较,等离子体震源在分辨率上具有明显的优势,在海域浅地层高分辨勘探方面有着广泛的应用前景。

全固态组合式陆地电火花震源研制

文中介绍一种新型全固态组合式陆地电火花震源。该陆地电火花震源由4台子震源组成。每台子震源采用半导体器件可控硅代替传统的三电极气体开关做放电开关,利用限流电感控制放电电流的峰值和上升时间,采用续流二极管抑制反向振荡的放电电流。通过改变放电电流波形,可以适当地改变电声转换的频谱特性。电声换能器采用的是同轴平行式电弧放电电极结构。每台子震源工作电压7 500 V时,储能为28 k J,总震源储能为112 k J。4台子震源可以同步放电或延迟放电。在河北衡水武强县进行了一次野外实验,结合地震波反射剖面和当地的地质地层数据分析得出该类型的陆地电火花震源激发的地震波勘探深度可达2 000 m以上。

液电效应及电火花震源的研究现状与展望

该文系统介绍了与液电效应相关的基础和应用研究现状和发展趋势。基础研究方面分别从液相放电的起始机制、发展过程和冲击波形成机理等方面进行阐述,从建模和实验方法等角度提出了未来在放电起始和发展过程中重要参量的瞬态过程研究等方面的重点和难点;应用研究方面对液相放电应用最为广泛的电火花震源技术现状进行详细介绍,分别从海洋和陆地两个场景对该技术的应用现状作了论述,同时从深海资源精细调查、水声学研究等角度概述了深海电火花震源、冲击波可控输出等方面的技术发展趋势。

应用于海洋地震勘探的震源技术

本文简要地介绍了四种应用于海洋地震勘探的震源技术,它包括炸药震源、气枪震源、水枪震源以及电火花震源,其中在电火花震源中重点介绍了等离子体震源。并简要地说明了它们各自的工作原理、特点及其应用。

水下放电同相位多气泡动力学实验研究

等离子体震源通过多电极发射阵进行电声转换,而多气泡动力学对声学特性影响显著,在发射阵的设计中电极间距是关键参数。为此开展了多电极水下同步放电实验,探究不同电极间距下放电过程的电特性与气泡动力学特性的变化。结果表明:当电极间距γ(无量纲数)小于1.3时,气泡之间的距离对气泡的形状、等效半径和气泡能量效率都有较明显的影响,气泡周期也随着电极间距的增大而增大;当电极间距继续增大时,气泡之间的影响减弱,气泡开始呈现较为规则的球形;当储能电容为2μF、充电电压为–4.72 kV时,双电极的气泡等效半径稳定在11.2 mm,气泡能量效率稳定在5.2%;三电极的气泡等效半径稳定在9.4 mm,气泡能量效率稳定在4.7%;四电极的气泡等效半径稳定在8.1 mm,气泡能量效率稳定在4.1%。

微孔电极中微孔参数对电声特性的影响

为研究等离子体震源的电声特性随孔特性的变化,采用微孔电极放电,通过电压和电流探头测量负载电特性,阴影成像法和高速相机记录气泡脉动特征,水听器测量声脉冲,主要研究了不同微孔间距和数目下的电特性、气泡脉动和声特性。结果表明,随着微孔间距的增加,负载电压和能量不变,而负载电流和功率却在增加。另外,声脉冲幅值随着间距的增加出现了先上升再下降的趋势,最大可达到148.8kPa;当孔数增加时,负载的峰值电压和电流虽然减少,但气泡声脉冲数增加,致使直达波的峰值增大。因此,增加孔数对提高微孔电极放电声脉冲的峰值是有利的。

近海底高分辨率地震探测系统设计与实现

受大深度水体的影响,传统的海面拖曳式多道地震技术在进行深水地层探测时,目标地层深度处的菲涅耳半径非常大,水平分辨率低,难以满足海域天然气水合物高精度探测需求。针对海面拖曳式地震探测技术存在的上述问题,设计了一套可以在2000 m水深近海底作业的地震探测系统。应用耐压透声发射阵技术,克服了20 MPa外压环境和瞬时内压冲击对等离子体震源子波幅频特性的不利影响,研制的深拖等离子体震源的声源级达到214 dB,主频低于1000 Hz;水下控制中心采用集成SoC片上系统设计,可以对震源进行定距激发控制,进行近海底多道地震数据的连续采集。系统在2019年深海试验拖曳最大深度达2025 m,测试剖面数据显示最大地层穿透深度达380 m,纵向分辨率<2 m,横向分辨率<10 m,为深水海域沉积地层的深拖高分辨率地震探测提供了技术支撑。