用於水域地震勘探的壓縮空氣能震源裝置的製作方法

2023-05-03 08:16:17

本發明涉及地球物理勘探設備，具體是指用於水域地震勘探的壓縮空氣能震源裝置。

背景技術：

隨著國民經濟的發展，國內外有大量橋梁、隧道、碼頭在水域興建。由於地質條件複雜，均需要開展地球物理勘探。

海域石油勘探、開採的鑽井平臺及其周圍也需要進行海洋工程地質勘探，也需要開展地球物理勘探。水域地球物理勘探通常以地震勘探為主。

目前，水域地震勘探使用的震源包括空氣槍震源、電火花震源、Boomer、震源船。空氣槍震源激發能量大、穿透能力強，但是設備笨重、造價昂貴、操作維護麻煩、對水域生態存在危害。電火花震源激發能量大小可調、穿透能力一般，但是設備昂貴、激發主頻較高並難以調節，一般不能在淡水中工作。震源船可在可在江、河、湖、海等水域激發，但設備笨重、操作維護麻煩、激發主頻難以調節、沉放深度基本固定。Boomer可在江、河、湖、海等水域激發，穿透能力一般，但是依賴進口、設備昂貴、激發主頻難以調節，沉放深度基本固定。

申請號為200810071271.0的中國專利公開了一種氣動機械聲波水域淺層地震勘探連續衝擊震源裝置，可用作水域淺層地震勘探震源，但是該裝置存在如下不足之處：

1、該衝擊震源裝置產生振動的主要部件是空氣錘，空氣錘出力較小、激發能量較小，不能對裝置的底板形成有效的高速撞擊，因而所獲得的子波特性差，對勘探結果有影響。

2、該裝置中驅動以及控制錘頭上下移動以撞擊底板所採用的結構為空壓機、磁力基板、磁鐵和復位彈簧，不僅結構複雜，而且通過磁鐵與磁力基板的磁性吸附以及彈簧的復位來控制錘頭的上下移動，很難做到精確控制，難以保證錘頭撞擊底板的可靠性。

3、該裝置為船形空心封閉式容器，裝置的比重小於水的比重，因而只能漂浮在水面，而無法進入水中一定深度後進行作業，沉放深度不可調節，不具有可變性，不能根據實際使用需要來調整沉放深度，不能獲得不同主頻的震動，因而不能匹配振動子波的主頻，使得該裝置的使用受到很大的限制，具有使用場所的局限性，不能完全滿足水域地震勘探的要求。

4、該裝置採用的振動板僅採用金屬材質，材質不能更換，因而不能產生不同主頻的振動子波，不能提供不同的穿透能力和分辨能力。

5、該裝置整體封裝成一條小船，俗稱震源船，承載體採用金屬材質，較為笨重且造價高。

衝擊氣缸是一種體積小、結構簡單、易於製造、耗氣量小但能產生相當大衝擊力的特殊氣缸。現有的衝擊氣缸的結構示意圖如圖1A至圖1E所示，具有氣缸活塞杆101、工作腔102、活塞103、密封墊104、環形腔105、噴嘴106、儲能腔107、A進氣口108、B進氣口109和C排氣孔110，衝擊氣缸工作配套的氣源為民用級低壓空壓機，壓力小於1.0MPa，即小於10個大氣壓。與普通氣缸相比，衝擊氣缸的結構特點是增加了一個具有一定容積的蓄能腔107和一個噴嘴106，噴嘴106直徑一般為活塞103直徑的1/3。

該衝擊氣缸的兩個進氣口，即A進氣口108和B進氣口109通過二位五通電磁閥與氣源連接，氣缸的整個工作過程可簡單地分為三個階段：

第一階段，如圖1B所示，壓縮空氣由A進氣口108輸入衝擊氣缸的工作腔102，儲能腔107經B進氣口109排氣，活塞103上升並用密封墊104封住噴嘴106，中蓋和活塞間的環形腔105經C排氣孔110與大氣相通。

第二階段，如圖1C所示，二位五通電磁閥換向，壓縮空氣改由B進氣口109進入儲能腔107中。同時，工作腔102經A進氣口108排氣。由於活塞103上端受力面積為噴嘴106面積，相對較小，活塞103下端受力面積較大，缸下腔的壓力雖因排氣而下降，但此時活塞下端向上的壓力仍然大於活塞上端向下的壓力。

第三階段，如圖1D所示，儲能腔107的氣壓繼續增大，工作腔102的氣壓繼續降低，當儲能腔107內壓力高於工作腔102壓力的9倍時，活塞103開始向下移動。活塞103一旦離開噴嘴106，儲能腔107內的高壓氣體迅速充入到活塞與中蓋間的環形腔105中，活塞上端受力面積瞬間增加到原來的9倍，產生很大的壓力，於是活塞將以極大的加速度向下運動。活塞到達底部時，活塞103與氣缸活塞杆101的速度約為同樣條件下普通氣缸速度的5至10倍，具有很大的動能，衝擊其它工件時產生很大的衝擊力。

經過上述三個階段後，二位五通電磁閥換向，衝擊氣缸又開始另一個循環。

目前，衝擊氣缸一般用在往復運動反應靈敏且受力不大的機構中，而在水域地震勘探領域中尚未出現。

技術實現要素：

本發明的目的是提供用於水域地震勘探的壓縮空氣能震源裝置，該裝置能夠用於水域地震勘探，可在江、河、湖、海等各種水域激發，激發能量較大、子波特性好、穿透能力強、設備輕便、結構簡單、造價低廉、操作安全、維護方便、對水域生態無害。

本發明的上述目的通過如下的技術方案來實現的：用於水域地震勘探的壓縮空氣能震源裝置，其特徵在於：所述裝置包括外殼、壓縮空氣源、衝擊氣缸、法蘭、不鏽鋼底板、氣缸底墊板和振動板，所述外殼為豎向設置的中空筒體，衝擊氣缸位於所述外殼內，所述衝擊氣缸具有兩個進氣口和一個排氣孔，兩個進氣口通過兩根進氣管與所述的壓縮空氣源相連接，排氣孔與排氣管相連接，所述衝擊氣缸底部具有豎直向下設置的活塞杆，所述法蘭水平固定安裝在所述外殼的底部，所述的不鏽鋼底板和振動板均水平設置，不鏽鋼底板為具有中心孔的環形板，不鏽鋼底板位於法蘭的下方，不鏽鋼底板與法蘭之間設置有密封墊圈，振動板位於不鏽鋼底板的下方，振動板與不鏽鋼底板之間也設置有密封墊圈，法蘭、不鏽鋼底板和振動板三者通過豎向穿插的外緊固螺栓相連接，所述的氣缸底墊板為設置在衝擊氣缸與不鏽鋼底板之間的具有中心孔的環形板，內緊固螺栓豎向穿插不鏽鋼底板、氣缸底墊板後與衝擊氣缸的底部相連接，將衝擊氣缸懸浮式固定在不鏽鋼底板上，衝擊氣缸的活塞杆正對氣缸底墊板的中心孔、不鏽鋼底板的中心孔以及振動板，所述振動板、不鏽鋼底板、氣缸底墊板以及衝擊氣缸的底部圍成一個封閉空腔，衝擊氣缸的活塞杆伸入該封閉空腔內，該裝置通過壓縮空氣源壓縮空氣來驅動衝擊氣缸的活塞杆向下運動高速撞擊振動板，形成震源，通過振動板與水域水體的直接接觸，將震源振動以機械波脈衝的形式傳入水中，以此來進行水域的地震勘探。

本發明的壓縮空氣能震源裝置用壓縮空氣驅動衝擊氣缸，衝擊氣缸底部的活塞杆錘頭高速撞擊振動板，振動板與水體直接接觸，將振動以機械波脈衝的形式穿入水中，形成水域地震勘探震源。

本發明中，所述外殼的材質為不鏽鋼或PVC。

本發明中，所述的壓縮空氣源為空氣壓縮機，所有的密封墊圈均為矽膠密封墊圈。

本發明中，所述的兩根進氣管與所述的壓縮空氣源之間還設置有一根主進氣管、兩根進氣管以及一根主進氣管均與一個二位五通電磁閥相連通，所述的進氣管以及排氣管上均設置有閥門。

本發明中，所述法蘭的材質為PVC。

本發明中，所述振動板為圓板，振動板的材質為不鏽鋼或鋁合金或PVC或HDPE，更換不同材質的振動板，即可產生不同主頻的振動子波，提供不同的穿透能力和分辨能力。

本發明的振動板可以採用不同材質，更換不同材質的振動板，由于振動板的軟硬程度不同，即可產生不同主頻的振動子波，提供不同的穿透能力、分辨能力。

本發明可以採用桶式封裝，也可以採用T形封裝，具體結構如下：

當採用桶式封裝時，所述外殼為底端開口、頂端封閉的單端開口式中空筒體，由此形成所述裝置為整體呈桶形的桶式裝置。

本發明可以做如下改進：所述裝置還包括吊掛繩索，所述的吊掛繩索系在所述外殼上，用於將整個裝置吊掛在勘探船邊，同時通過吊掛繩索來調節該裝置的沉放深度，使得該裝置的沉放深度可調、可控、可變，從而獲得不同主頻的震動，以匹配振動子波的主頻，達到更好的勘探效果，當該裝置沉放到水底時構成水底震源。

壓縮空氣能震源裝置採用桶式封裝時，裝置的比重大於水的比重，整個裝置可以採用繩索吊掛在勘探船邊工作，也可吊掛在漂浮架上工作，或者沉放到水中工作，沉放深度可調、可控，從而可以配合獲得不同的震動主頻。當該裝置沉放到水底時構成水底震源。

當採用T形封裝時，所述外殼為底端和頂端均開口的雙端開口式中空筒體，外殼的頂端還與水平設置的中空的平衡囊殼相連通，由此形成所述裝置為整體呈T形的筏體，能夠在水中自浮。

壓縮空氣能震源裝置採用T形封裝時，裝置的比重小於水的比重，整個裝置可以在水中自浮，可用繩索拖掛在勘探船邊或船後工作。

無論採用桶式封裝或者T形封裝，壓縮空氣能震源裝置均可以在江、河、湖、海等各種水域激發，其激發能量較大、子波特性好、穿透能力強、設備輕便、結構簡單、造價低廉、操作維護方便、對水域生態無害。

本發明還可以做如下改進，把多個震源組合在一起，一同工作，可以構成能量更大的組合震源，此時所述裝置為多個，多個裝置構成一個系統，多個裝置呈點陣狀均勻排布，多個裝置組合在一起共同作業，所產生的振動波在垂直向下方向同相疊加，從而構成能量更大且具有一定指向性的震源組合。

本發明壓縮空氣能震源裝置的理論基礎如下：

眾所周知，震源就是振動源，將振動源置於水中即構成水域震源。置於水中的振動的大部分能量以波動的形式四散傳播，水中波動的頻率與振動源相同。

用重物或高速移動的固體撞擊板狀物體，板狀物體的表面即產生震動。震動的頻率特性與相互撞擊的物體的剛性密切相關。剛性越強，震動的頻率越高、延續時間越短，如金屬球撞擊金屬板。剛性越弱，震動的頻率越低、延續時間越長，如金屬球撞擊PVC板。

地震勘探理論說明，主頻高的震動穿透能力低、分辨能力高，主頻低的震動穿透能力高、分辨能力低。

根據不同的勘探目的，在兼顧穿透能力、分辨能力的前提下，需採用不同主頻的震源。

對於水域地震勘探，穿過水底的初始震動是震源直接發出的震動(直達波)與其在水面反射波的疊加。由於水面是反射係數約為-1的反射界面，直達波與水面反射波疊加震動的優勢頻率為

其中，V為水的波速，h為震源沉放深度。

因此，要獲得不同主頻的震動，還需要震源處於不同的沉放深度。

與現有技術相比，本發明具有如下顯著效果：

1、本發明的壓縮空氣能震源裝置產生振動的主要部件為衝擊氣缸，衝擊氣缸輸出能量大，激發能量大，且撞擊可以做到精確控制，保證撞擊可靠性。

2、本發明的壓縮空氣能震源裝置所採用的振動板可更換不同材質，採用不同材質的振動板，即可產生不同主頻的振動子波，提供不同的穿透能力、分辨能力，並且振動板的更換十分方便。

3、本發明的壓縮空氣能震源裝置整體封裝採用桶式或「T」形封裝，結構緊湊且整體性好，桶式和「T」形封裝外殼均可採用PVC材質，較為輕便。

4、本發明的壓縮空氣能震源裝置採用桶式封裝結構時，其沉放深度具有可調性、可控性和可變性。通過吊掛繩索吊掛在勘探船邊，可以通過調節吊掛繩索的長度方便地改變該壓縮空氣能震源裝置的沉放深度，並且該沉放深度可調可控，該桶式封裝結構的壓縮空氣能震源裝置也可以沉放到水底工作，構成水底震源。

由於要獲得不同主頻的震動，還需要震源處於不同的沉放深度，因此採用桶式封裝結構的壓縮空氣能震源裝置通過調整不同的沉放深度，可以配合獲得不同的震動主頻。而現有裝置均不具有沉放深度調節功能，因而不能獲得不同主頻的震動。

5、本發明的壓縮空氣能震源裝置可在江、河、湖、海等各種水域激發，能量轉換效率高，激發能量較大，子波特性好，穿透能力強，設備輕便，結構簡單，造價低廉，操作維護方便，對水域生態無害。

6、本發明的壓縮空氣能震源裝置在有需要時，可以把多個震源組合在一起，一同工作，可以構成能量較大的、並有一定指向性的震源組合。

7、本發明的壓縮空氣能震源裝置中的絕大部分組件均為工業標準件，價格低廉，市場上購買即可。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細說明。

圖1A為現有衝擊氣缸的結構示意圖，此時衝擊氣缸位於循環的初始狀態；

圖1B為現有衝擊氣缸的結構示意圖，此時衝擊氣缸位於循環的第一階段；

圖1C為現有衝擊氣缸的結構示意圖，此時衝擊氣缸位於循環的第二階段；

圖1D為現有衝擊氣缸的結構示意圖，此時衝擊氣缸位於循環的第三階段；

圖1E為現有衝擊氣缸的結構示意圖，此時衝擊氣缸回復到循環的初始狀態；

圖2為本發明壓縮空氣能震源裝置實施例一的結構示意圖；

圖3為本發明壓縮空氣能震源裝置實施例二的結構示意圖；

圖4為採用本發明實施例一的壓縮空氣能震源裝置進行某海域地震勘探項目的一段原始記錄側視線圖；

圖5為圖4中的一條測線的疊加時間剖面。

附圖標記說明

101、氣缸活塞杆； 102、工作腔； 103、活塞； 104、密封墊；

105、環形腔； 106、噴嘴； 107、儲能腔； 108、A進氣口；

109、B進氣口； 110、C排氣孔；

1、外緊固螺栓； 2、壓緊圈； 3、振動板； 4、密封墊圈； 5、不鏽鋼底板；

6、法蘭； 7、外緊固螺帽； 8、第一快速排氣閥； 9、A口進氣管；

10、氣缸底墊板； 11、活塞杆； 12、內緊固螺帽； 13、內緊固螺栓；

14、衝擊氣缸； 15、外殼； 16、第二快速排氣閥； 17、B口進氣管；

18、二位五通電磁閥； 19、主進氣管； 20、排氣管； 21、封閉空腔；

22、平衡囊殼。

具體實施方式

實施例一

本發明用於水域地震勘探的壓縮空氣能震源裝置的實施例一如圖2所示，採用桶式封裝結構，裝置的比重大於水的比重，該裝置包括外殼15、壓縮空氣源、衝擊氣缸14、法蘭6、不鏽鋼底板5、氣缸底墊板10和振動板3。

外殼15的材質為不鏽鋼，該外殼為底端開口、頂端封閉的單端開口式的豎向設置的中空筒體，由此形成裝置為整體呈桶形的桶式裝置，衝擊氣缸14位於外殼15內，衝擊氣缸14具有兩個進氣口和一個排氣孔，壓縮空氣源為空氣壓縮機，兩個進氣口通過兩根進氣管與空氣壓縮機相連接，兩根進氣管分別為A口進氣管9和B口進氣管17，排氣孔與排氣管20相連接，其中，兩根進氣管與空氣壓縮機之間還設置有一根主進氣管19，兩根進氣管以及一根主進氣管19均與一個二位五通電磁閥18相連通，所有的進氣管以及排氣管20上均設置有閥門，其中，A口進氣管9上設置的閥門為第一快速排氣閥8，B口進氣管17上設置的閥門為第二快速排氣閥16。

衝擊氣缸14底部具有豎直向下設置的活塞杆11，法蘭6水平固定安裝在外殼15的底部，不鏽鋼底板5和振動板3均水平設置，不鏽鋼底板5為具有中心孔的環形板，振動板3為圓板，振動板3的材質為不鏽鋼，不鏽鋼底板5位於法蘭6的下方，法蘭6的材質為PVC，不鏽鋼底板5與法蘭6之間設置有密封墊圈4，振動板3位於不鏽鋼底板5的下方，振動板3與不鏽鋼底板5之間也設置有密封墊圈4，所有的密封墊圈4均為矽膠密封墊圈，增加密封墊圈4起到防水功效。

法蘭6、不鏽鋼底板5和振動板3三者通過豎向穿插的外緊固螺栓1相連接，振動板3與外緊固螺栓1之間還設置有壓緊圈2，外緊固螺栓1與外緊固螺帽7相連接，氣缸底墊板10為設置在衝擊氣缸14與不鏽鋼底板5之間的具有中心孔的環形板，內緊固螺栓13豎向穿插不鏽鋼底板5、氣缸底墊板10後與衝擊氣缸14的底部相連接，將衝擊氣缸14懸浮式固定在不鏽鋼底板5上，內緊固螺栓13與內緊固螺帽12相連接，衝擊氣缸14的活塞杆11正對氣缸底墊板10的中心孔、不鏽鋼底板5的中心孔以及振動板3，振動板3、不鏽鋼底板5、氣缸底墊板10以及衝擊氣缸14的底部圍成一個封閉空腔21，衝擊氣缸14的活塞杆11伸入該封閉空腔21內。

該裝置通過壓縮空氣源壓縮空氣來驅動衝擊氣缸14的活塞杆11向下運動高速撞擊振動板3，形成震源，通過振動板3與水域水體的直接接觸，將震源振動以機械波脈衝的形式傳入水中，以此來進行水域的地震勘探。

該裝置還包括吊掛繩索，吊掛繩索系在外殼上，用於將整個裝置吊掛在勘探船邊，同時通過吊掛繩索來調節該裝置是局部置於水中或者整體浸沒在水中，可以調節裝置的沉放深度，使得該裝置的沉放深度可調、可控、可變，從而獲得不同主頻的震動，以匹配振動子波的主頻，達到更好的勘探效果。由於該裝置採用整體桶式封裝結構，裝置的比重大於水的比重，因此在繩索吊掛作用下，該裝置不但可以在水面作業，也可以根據需要沉放在水中，且沉放深度可以根據實際需要來調整，能夠在任意水深深度進行勘探，大大擴展了裝置的適用範圍，滿足不同的勘探要求。當該裝置沉放到水底時構成水底震源。

作為本實施例的變換，外殼15的材質也可以採用PVC，振動板3的材質也可以採用鋁合金或PVC或HDPE，更換不同材質的振動板3，即可產生不同主頻的振動子波，提供不同的穿透能力和分辨能力。

本實施例中的上述二位五通電磁閥18、衝擊氣缸14、空氣壓縮機等部件均為工業標準件，可以在市場上直接購買。振動板3可以根據實際需要來選用不同材質，選擇不鏽鋼板時震動頻率最高，選用鋁合金板次之，選用PVC板、HDPE板再次之，選用柔性牛筋板最低。更換振動板時，將外緊固螺栓1和外緊固螺帽7取下即可，十分方便。

本實施例的壓縮空氣能震源裝置在工作時，可以通過繩索調節其在水中的沉放深度，處於不同的沉放深度可以獲得不同主頻的震動。

本實施例的壓縮空氣能震源裝置，震動產生的原理和過程如下：

1、來自作為氣源的空氣壓縮機的壓縮空氣，通過二位五通電磁閥18輸入衝擊氣缸14的工作腔。此時衝擊氣缸14處於第一階段，即和圖1B所處的階段相同。

2、二位五通電磁閥18換向，壓縮空氣改由B口進氣管17進入衝擊氣缸14的儲能腔中。同時，第一快速排氣閥8快速排氣。此時衝擊氣缸14處於第二階段，即和圖1C所處的階段相同。

3、衝擊氣缸14的儲能腔的氣壓繼續增大，工作腔的氣壓繼續降低，當儲能腔內壓力高於工作腔壓力的9倍時，活塞開始向下移動。活塞一旦離開噴嘴，儲能腔內的高壓氣體迅速充入到活塞與中蓋間的環形腔中，活塞上端受力面積瞬間增加到原來的9倍，產生很大的壓力，於是活塞將以極大的加速度向下運動。此時衝擊氣缸14處於第三階段，即和圖1D所處的階段相同。當活塞下部的活塞杆11接觸振動板3時，活塞與活塞杆11已經具有很大的動能，活塞杆11底部高速撞擊振動板3，震動能量以波動的形式傳到水體中，完成空氣壓縮能到波動能量的轉換。

4、二位五通電磁閥18再次換向，衝擊氣缸14回到第一階段。此時，空氣壓縮機的壓縮空氣，通過二位五通電磁閥18輸入衝擊氣缸14的工作腔。衝擊氣缸14中儲能腔內的壓縮空氣通過第二快速排氣閥16快速排出，衝擊氣缸14中的活塞向上復位。準備下一次衝擊。

有些勘探區域，地質條件或地球物理條件較為複雜，或要求的勘探深度很大，單個震源的能量不足時，可以將多個震源組合在一起，調節二位五通電磁閥18的動作時間，讓所有震源一同工作，產生的地震波在垂直向下方向同相疊加，就構成了能量更大的、並有一定指向性的組合震源。此時，多個裝置壓縮空氣能震源構成一個系統，多個裝置呈點陣狀均勻排布，多個裝置組合在一起共同作業，所產生的振動波在垂直向下方向同相疊加，從而構成能量較大且具有一定指向性的震源組合。

實施例二

本發明用於水域地震勘探的壓縮空氣能震源裝置的實施例二如圖3所示，與實施例一不同的是，該實施例採用T形封裝結構，外殼為底端和頂端均開口的雙端開口式中空筒體，外殼的頂端還與水平設置的中空的平衡囊殼22相連通，由此形成裝置為整體呈T形的筏體，裝置的比重小於水的比重，能夠在水中自浮。且由於該裝置採用整體封裝結構，在水中自浮時無需擔心裝置傾斜而產生進水的情況發生，使用者可以放心使用。整個T形的筏體均採用PVC管制作，其餘結構以及工作過程和工作原理均與實施例一相同。

工程勘探實例

圖4為採用本發明實施例一的壓縮空氣能震源裝置進行廣東雷州半島某海域地震勘探項目的一段原始記錄，原始記錄為多道地震的連續10炮記錄，每炮有24地震道。採用的振動板材質為HDPE板。測點間距1.0m，平均覆蓋次數5.4次，具有較高的空間採樣率和覆蓋次數。從原始記錄可見，直達波、水底反射和水下地層的反射波組能量強、連續性好、信噪比高。最深的地層反射波組雙程時間已經達到120ms，探測深度超過90m。

圖5為上述地震勘探項目中的一條測線的疊加時間剖面，測線長度3060m。從時間剖面可見，水底反射和水下地層的反射波組能量強、連續性好、信噪比高，並揭示在1940號點及2930號點附近存在2條斷層。最深的地層反射波組雙程時間已經達到120ms，探測深度超過90m。

本發明的上述實施例並不是對本發明保護範圍的限定，本發明的實施方式不限於此，凡此種種根據本發明的上述內容，按照本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本發明上述基本技術思想前提下，對本發明上述結構做出的其它多種形式的修改、替換或變更，均應落在本發明的保護範圍之內。