馮強(qiáng)強(qiáng)，吳衡，趙慶獻(xiàn)

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 技術(shù)方法所，廣東 廣州　510760)

PPS-50kJ電火花脈沖震源應(yīng)用試驗(yàn)

馮強(qiáng)強(qiáng)，吳衡，趙慶獻(xiàn)

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 技術(shù)方法所，廣東 廣州510760)

摘要：隨著海洋高分辨率地球物理調(diào)查的迅猛發(fā)展，高分辨地震勘探對(duì)震源的要求越來越高。本文介紹了一套新研制的PPS-50kJ大容量電火花脈沖震源，并結(jié)合野外測試對(duì)其進(jìn)行了分析。該設(shè)備在野外實(shí)測過程中運(yùn)行平穩(wěn)，充放電速率穩(wěn)定，維護(hù)方便，但實(shí)測資料發(fā)現(xiàn)設(shè)備激發(fā)信號(hào)能量相對(duì)比較分散，可能和電極設(shè)計(jì)有關(guān)系，還需要后續(xù)進(jìn)行改進(jìn)。

關(guān)鍵詞:高分辨率；電火花；脈沖震源；電極

1引言

海洋高分辨率地震勘探方法研究近幾年得到了迅猛發(fā)展，無論是在野外數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)數(shù)據(jù)處理等方面，都取得了很好的效果。野外數(shù)據(jù)采集方法是獲取高分辨地震數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的海洋地震勘探使用的是空氣槍震源，這種震源具有能量強(qiáng)、勘探深度大等優(yōu)點(diǎn)，但是其地震數(shù)據(jù)分辨率受到激發(fā)信號(hào)的頻帶限制。目前，海洋調(diào)查水域越來越深，為了獲取更高分辨率的地震數(shù)據(jù)[1]，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局依托“天然氣水合物勘查技術(shù)研發(fā)”項(xiàng)目，聯(lián)合浙江大學(xué)與榮華電氣科技有限公司開展適合于我國南海水合物勘探和開發(fā)的超大能量等離子體震源技術(shù)研究，研制出一套50kJ超大能量等離子體震源。該震源硬件研發(fā)已經(jīng)完成，在完成基本的湖試后進(jìn)行了海上應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)、抗干擾能力及可靠性進(jìn)行檢測。

2設(shè)備介紹

PPS-50kJ等離子體脈沖震源主要用于中深水域的地震勘探，其主要原理是利用脈沖電暈放電效應(yīng)時(shí)電極尖端電流密度大，水汽化后形成氣泡，氣泡中產(chǎn)生等離子體放電，隨著氣泡脈動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一次和二次脈沖壓力波[2]。這種脈沖電暈放電型震源信號(hào)穩(wěn)定，相關(guān)性好，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于淺水地震勘探中，能量范圍集中在500J～10kJ。國外主要有荷蘭GEO-MARINE公司和法國SIG公司的產(chǎn)品。我國在電火花震源研究方面已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，“十一五”期間，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合中國科學(xué)院電工所研發(fā)了20kJ的“海鰻”號(hào)電火花震源[3]。隨著我國海洋戰(zhàn)略向深水發(fā)展，為了獲得更高分辨率和更深穿透深度的地震剖面，對(duì)電火花震源能量的要求也越來越大。

PPS-50kJ等離子體脈沖震源主要由以下幾部分組成：方便吊裝的一體化集裝箱體、震源控制部分、低損耗強(qiáng)流脈沖傳輸電纜、全固體開關(guān)脈沖電源、電動(dòng)絞車和多頭電極架(圖1)。

圖1　PPS-50kJ脈沖震源主要部件

與傳統(tǒng)的炸藥、空氣槍、水槍等海洋地震震源相比，等離子體脈沖震源是一種新型的脈沖地震波生成系統(tǒng)[4]，它具有運(yùn)行穩(wěn)定、工作可靠、性能優(yōu)異和使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于海底地震勘探，服務(wù)于各種近海和海洋工程建設(shè)，如跨海大橋工程選址等。和早期的電火花震源相比，PPS-50kJ等離子體脈沖震源使用的是負(fù)極放電方式，這樣電極可以做到零損耗，不需要頻繁更換電極。

此外，該產(chǎn)品還具有下述特點(diǎn)：(1)可吊可鏟的集裝箱體，內(nèi)部集成所有部件，減少了準(zhǔn)備時(shí)間與差錯(cuò)，方便了運(yùn)輸；(2)供電可采用AC440V60Hz或AC380V50Hz雙制式；采用三相平衡供電，功率因數(shù)高，具有更高的電源效率(≥90%)；(3)通過在放電脈沖形成線兩端并聯(lián)續(xù)流二極管達(dá)到產(chǎn)生單脈沖，消除電流振蕩，減小電磁干擾；(4)采用全固體開關(guān)，工作穩(wěn)定，脈沖輸出的可重復(fù)性好，開關(guān)壽命≥108次；(5)具有良好的人機(jī)界面，控制器采用大屏幕背光顯示器，能清楚地顯示脈沖能量、充電曲線、觸發(fā)信號(hào)，通過鍵盤操作可實(shí)現(xiàn)各種功能，設(shè)定參數(shù)，用戶使用方便，設(shè)備使用安全。

3海上試驗(yàn)

為了驗(yàn)證PPS-50kJ等離子體脈沖震源的性能，我們對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了海試，試驗(yàn)工區(qū)位于我國南海北部，海水深度1000～2000m之間。具體測線位置如圖3，測線長度約40km，具體采集參數(shù)和設(shè)備布設(shè)情況分別見表1和圖3。

表1　單道地震采集參數(shù)

本次地震數(shù)據(jù)接收設(shè)備使用了Geo Marine Survey Systems 公司生產(chǎn)的48檢波器單元的Geo-Sense Mini-Streamers單道地震接收電纜(圖4)，檢波器間距0.4m，型號(hào)為AQ-2000，性能參數(shù)如下：靈敏度(@100Hz)為-201dB ref 1v per +/-1.5dB，頻率響應(yīng)為1Hz～10kHz(+/-2dB)[5]。

圖2　綜合海上試驗(yàn)測線部署圖

圖3　野外設(shè)備布放示意圖

圖4　GEO型單道接收電纜

圖5　野外實(shí)測剖面(能量30kJ)

圖5為本次海試實(shí)測剖面，從圖上可以看到水深變化范圍從900～2500m，在使用30kJ能量的情況下，在本次調(diào)查區(qū)的普遍穿透在400m左右。在地震數(shù)據(jù)中選取一道計(jì)算振幅譜(圖6)，可以看出能量主要集中在0～600Hz，其中0～400Hz能量較強(qiáng)。另外，在800Hz左右信號(hào)能量較強(qiáng)，但是從振幅譜可以看出，該設(shè)備能量相對(duì)比較分散，沒有一個(gè)突出的優(yōu)勢頻帶，這可能與電極架的設(shè)計(jì)和電極的布設(shè)有關(guān)。

4結(jié)論

PPS-50kJ等離子體震源能量最大可以達(dá)到50kJ，能夠滿足中深水域的地震勘探。在本次海試過程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠，充放電速率可以滿足常規(guī)地震調(diào)查，相對(duì)于目前已有的電火花震源，

圖6　某道地震數(shù)據(jù)的振幅譜

能量更強(qiáng)，穿透深度可以達(dá)到更深，在本次調(diào)查區(qū)普遍穿透達(dá)到300～500m。但是，從本次海試實(shí)測數(shù)據(jù)來看，該設(shè)備還存在一些問題，比如信號(hào)能量分散，這可能和電極以及電極架的設(shè)計(jì)有關(guān)，還需要后續(xù)進(jìn)行分析改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬芃,牟澤霖,馮強(qiáng)強(qiáng).海洋單道地震勘探震源技術(shù)[J]. 中國科技信息,2015,(8):65-67.

[2]王揆洋,黃逸凡,連艷紅,等.海洋淺地層高分辨率多道地震探測技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:海洋出版社,2011.[3]呂國濤,溫明明,吳衡,等.海鰻20kJ電火花震源聲學(xué)特征分析[J].內(nèi)江科技,2013,34(1):49-50.

[4]裴彥良,王揆洋,劉晨光,等.電火花震源系統(tǒng)充電技術(shù)研究[J].海洋技術(shù)學(xué)報(bào),2007,26(3):73-76.

[5]馮強(qiáng)強(qiáng),溫明明,吳衡,等.兩種單道地震接收電纜比較[J].南海地質(zhì)研究,2013,(1):108-115.

收稿日期：2016-01-27

作者簡介：馮強(qiáng)強(qiáng)(1987-)，男，山西高平人，碩士，工程師，現(xiàn)于廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局從事海上探測技術(shù)方面的研究工作，Tel：15002001424，E-mail：jianfeizaixian@163.com。

中圖分類號(hào):P631.437

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-282X(2016)03-0024-02