CN109270571A - 一种基于气体反应的高能量***及其产生震源的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气体反应的高能量***及其产生震源的方法，所述***包括一个几何对称结构的腔体，腔体上设有注气管，注气管上设有截止阀，腔体内设有电点火元件，电点火元件通过连接线与腔体外部的点火控制器连接，腔体上设有至少一个气体释放口，气体释放口设有将其密封的***膜片。所述产生震源的方法包括以下步骤：将高能量***装配完毕后，与气源连接，打开截止阀向腔体内注入可燃气体和氧气；气体加注完毕后，关闭截止阀，断开气源，将高能量***布放至工作地点；给电点火元件通电，引发腔体内气体反应，产生高温高压气体，从而使***膜片瞬间同时破裂，释放气体，从而产生振动波。
Description
技术领域
本发明属于地球物理勘探装备技术领域，具体地涉及一种应用于陆地或海上的基于气体反应的高能量***及其产生震源的方法。
背景技术
人工震源是地震波探测领域的重要技术装备。目前常用的人工震源包括如下几种：***震源、电火花震源、落锤、可控震源车、高压空***等。***震源是目前地震勘探中最常用的震源，但***会对环境造成较大的污染和破坏，且是属于国家严格管控产品，需国家审批，监管相当困难，而且成本高，具有高危风险。电火花震源存在体积大、激发能量较低、高压操作危险、昂贵的功率器件易损等缺陷，由于激发频率较高，衰减大，仅适合浅层勘探。落锤震源是采用小到几十公斤，大至几十吨的重物从高处自由落体直接撞击地面产生地震波，存在体积大、质量重、携带不方便、操作非常繁琐、成本高等缺点。可控震源车具有在一定范围内连续调节地震波频率、输出力可控等优点，但是***复杂、价格昂贵、工作噪声大、输出能量有限，一般由重型卡车托载进行作业施工，在深层勘探中需要多台震源车联用，易形成噪声污染与植被破坏等问题，其应用范围受到了一定的限制。
***震源是依靠高压气体突然释放的方式产生振动，是一种具有绿色环保、精度高、重复性好等诸多优点的震源，目前成为一种海上地震勘探广泛使用的重要震源装备，占据95%的震源市场。但是，***震源在陆上使用比较少见，由于***需要在较大型的水库激发，使其在陆地上使用受到极大限制。此外，***的结构复杂，气体释放需依靠滑阀/梭阀滑动打开气体释放通道（陈宪战，刘昊，傅德莲等，***震源结构的初步研究，物探装备，2009，19（增刊），7-14），如BOLT***（马跃军，BOLT***震源工作***故障分析与应用的探讨，物探装备，2002，12（2），117-120），导致***在海洋腐蚀环境以及江河等多泥沙恶劣环境下使用易出现故障，需进行大量的维护、保养、检修等工作。再者，采用此类方式工作的******，受到气体增压装置的限制，其工作压力一般在30MPa以内，震源能量密度很难进一步提高。为了提高激发能量需采用***阵列方式，但是这种方式又有同步或时序要求，***同步误差根据具体测试条件来确定，国际上通用的***同步表征是：在常规地震勘探时，***同步误差的绝对值小于或等于1ms，在进行高分辨勘探时，同步误差为0.3～0.5ms（周宝华，刘威北，***震源的发展与使用分析（下），物探装备，1998，82，1-10）。现有***依靠机械运动释放高压气体，因此同步或时序精度的进一步提高也很困难。现有***震源工作时均需从增压***连接高压气体管路至***，受到管路长度的限制，工作深度很难进一步提高，目前一般都小于10m，不能布放到海底进行激发以提高探测精度。更重要的是，***震源***成本高、价格昂贵，海洋***震源需配备大功率空压机***等辅助设备，仅大功率空压机***就需要上千万元。
发明内容
本发明为了克服现有技术限制及使用条件限制的问题，提供一种体积小、结构简单、操作方便、单炮输出能量大的高能环保***及震源产生的方法，可在陆地全地形环境和海洋环境中使用。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于气体反应的高能量***，包括一个腔体，其特征在于：
所述腔体为几何对称结构；所述腔体外壳上设有注气管，所述注气管与腔体内部连通，所述注气管上设有截止阀；所述腔体内设有电点火元件，所述电点火元件通过连接线与腔体外部的点火控制器连接；所述腔体上设有至少一个气体释放口，所述气体释放口设有将其密封的***膜片。
进一步地，所述腔体的形状为圆筒形。
进一步地，所述电点火元件位于圆筒形腔体内几何中心位置，气体释放口有2个，对称设置于圆筒形腔体两端。
进一步地，所述气体释放口有1个，设于圆筒形腔体的一端，腔体的另一端为固壁，电点火元件设于固壁端。
进一步地，所述腔体为球形。
进一步地，所述电点火元件位于球形腔体内几何中心位置，气体释放口有4个，且为几何对称设置。
进一步地，所述电点火元件位于球形腔体内几何中心位置，气体释放口有3个，且为几何对称设置。
进一步地，每个所述***膜片的强度相同。
一种利用所述高能量***产生震源的方法，该方法包括以下步骤：
A、在腔体几何中心装配电点火元件，并通过连接线与腔体外部的点火控制器连接；
B、在气体释放口上装配***膜片；
C、在腔体的壳体上装配注气管；
D、在注气管上装配截止阀，并通过气体管路与气源连接；
E、打开截止阀，向腔体内加注可燃气体及氧气；
F、气体加注完毕后，关闭截止阀，断开气源，再将高能量***布放至工作地点；
G、通过点火控制器经连接线给电点火元件通电，电点火元件引发腔体内气体反应，经过燃烧、爆燃、爆轰产生高温高压气体，高温高压气体使***膜片瞬间破裂，释放气体，从而产生振动波。
进一步地，所述可燃气体为氢气氢气，或甲烷、丙烷、乙炔等碳氢气体中的一种。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、无机械运动部件，使用可靠性高，对恶劣环境适应性强。
2、利用了气体反应释放的化学能，在相同初始压力下能量密度远高于压缩气体，因此可以在较低的注气压力下获得较高的气体释放压力。以初始注气压力10MPa为例，反应后释放气体压力可以达到数百MPa以上，这是目前以压缩气体为工作介质的***震源无法达到的。并且在气瓶压力加注即可满足使用要求的情况下，可免于使用目前压缩气体所必须的增压设备。
3、气体的加注是在布放***震源之前完成，布放***震源时不需要高压气体管路连接，不仅***可靠性提高，而且其水下工作深度几乎不受限制。
4、在采用***震源阵列工作状态时，同步及时序控制精度相比于目前的压缩气体***震源较易实现。
5、如气体加注采用反应当量比的氢气、氧气，反应产物为高温高压水蒸气，反应产物气体冲破***膜片产生振动波，产物气体冷却后成为液态水，密度与周边介质淡水、海水几乎一致，因此可以大大抑制甚至消除振动波中气泡脉动分量，且产物对环境完全无毒无害。
6、如探测中需要利用气泡脉动分量，通过初始气体加注种类及质量的调节，可以实现对气泡脉动分量的控制。
7、不仅可在海洋环境中使用，也可作为陆地各种地质条件下的震源，不会对大地土壤造成环境污染。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构示意图。
图2是本发明实施例二的结构示意图。
图3是本发明实施例三的结构示意图。
图4是本发明实施例四的结构示意图。
图5是本发明实施例四采用甲烷产生震源的探矿试验获得的时域信号及其时频信号。
图6是本发明实施例四采用甲烷产生震源的探矿试验获得的单炮激发记录。
图7是本发明实施例四采用甲烷产生震源的探矿试验的二维测线记录。
图8是本发明实施例四采用甲烷产生震源的探矿试验中几种震源信号归一化频谱对比图。
其中，1-腔体；2-注气管；3-截止阀；4-电点火元件；5-连接线；6-气体释放口；7-***膜片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-4所示，一种基于气体反应的高能量***，包括一个腔体1，所述腔体1为几何对称结构；所述腔体1外壳上设有注气管2，所述注气管2与腔体1内部连通，所述注气管2上设有截止阀3；所述腔体1内设有电点火元件4，所述电点火元件4通过连接线5与腔体1外部的点火控制器连接；所述腔体1上设有至少一个气体释放口6，所述气体释放口6设有将其密封的***膜片7。
实施例一中，所述腔体1的形状为圆筒形，圆筒两端开口，形成两个气体释放口6，两个气体释放口6都由***膜片7进行密封，且两个***膜片7的强度相同；所述电点火元件4设于圆筒几何中心位置，并与连接线5连接。
实施例二中，所述腔体1的形状为球体，球体上设有四个对称的气体释放口6，每个气体释放口6都由***膜片7进行密封，且每个***膜片7的强度相同；所述电点火元件4设于球体中心，并与连接线5连接。
实施例三中，所述腔体1的形状为球体，球体上设有三个对称的气体释放口6，每个气体释放口6都由***膜片7进行密封，且每个***膜片7的强度相同；所述电点火元件4设于球体中心，并与连接线5连接。
实施例四中，所述腔体1的形状为圆筒形，圆筒的一端为密封的固壁，电点火元件4设于固壁端的端头，并与连接线5连接；圆筒的另一端开口，形成气体释放口6，气体释放口6由***膜片7进行密封。
本发明在使用时，首先在腔体1几何中心装配电点火元件4，并连接连接线5；然后在气体释放口6上装配***膜片7，在腔体1的壳体上装配注气管2，在注气管2上装配截止阀3，然后通过气体管路连接气源。
可燃气体及氧气按照气源经气体管路、截止阀3、注气管2的流向向腔体1内加注，可燃气体及氧气的质量根据需要而定。气体质量可由气体管路上的气压表或压力传感器监测气体压力，各组分气体的分压力根据分压定律计算得到。
加注完毕后，关闭截止阀3，卸下气体管路，再将高能量***震源布放至工作地点，最后通过点火控制器经连接线5给电点火元件4通电，电点火元件4引发腔体1内气体反应（燃烧、爆燃、爆轰）产生高温高压气体，高温高压气体使***膜片7瞬间破裂，释放气体产生振动波。
可燃气体可以是氢气、甲烷、丙烷或乙炔中的一种。
可燃气体为氢气时，氢、氧反应方程式为：
2H2(g)+O2(g)→H2O(g) ∆H=-242kJ/mol
即1摩尔氢气与当量氧气反应可释放242千焦的能量，在爆轰条件下可产生18倍于初始压力的产物气体。
可燃气体为甲烷时，甲烷、氧反应方程式为：
CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(g) ∆H=-802kJ/mol
即1摩尔甲烷与当量氧气反应可释放802千焦的能量，爆轰条件下产生27倍于初始压力的产物气体。
可燃气体为乙炔时，1摩尔乙炔与氧气当量反应可释放54倍于初始压力的产物气体。因为利用了气体反应释放的化学能，在相同初始压力下能量密度远高于压缩气体，因此可以在较低的注气压力下获得较高的气体释放压力。
Claims (10)
1.一种基于气体反应的高能量***，包括一个腔体（1），其特征在于：
所述腔体（1）为几何对称结构；所述腔体（1）外壳上设有注气管（2），所述注气管（2）与腔体（1）内部连通，所述注气管（2）上设有截止阀（3）；所述腔体（1）内设有电点火元件（4），所述电点火元件（4）通过连接线（5）与腔体（1）外部的点火控制器连接；所述腔体（1）上设有至少一个气体释放口（6），所述气体释放口（6）设有将其密封的***膜片（7）。
2.如权利要求1所述的一种基于气体反应的高能量***，其特征在于：所述腔体（1）的形状为圆筒形。
3.如权利要求2所述的一种基于气体反应的高能量***，其特征在于：所述电点火元件（4）位于腔体（1）内几何中心位置，气体释放口（6）有2个，对称设置于腔体（1）两端。
4.如权利要求2所述的一种基于气体反应的高能量***，其特征在于：所述气体释放口（6）有1个，设于腔体（1）的一端，腔体（1）的另一端为固壁，电点火元件（4）设于固壁端。
5.如权利要求1所述的一种基于气体反应的高能量***，其特征在于：所述腔体（1）为球形。
6.如权利要求5所述的一种基于气体反应的高能量***，其特征在于：所述电点火元件（4）位于腔体（1）内几何中心位置，气体释放口（6）有4个，且为几何对称设置。
7.如权利要求5所述的一种基于气体反应的高能量***，其特征在于：所述电点火元件（4）位于腔体（1）内几何中心位置，气体释放口（6）有3个，且为几何对称设置。
8.如权利要求1所述的一种基于气体反应的高能量***，其特征在于：每个所述***膜片（7）的强度相同。
9.一种高能量***产生震源的方法，采用权利要求1-8任意一项所述的一种基于气体反应的高能量***，该方法包括以下步骤：
A、在腔体（1）几何中心装配电点火元件（4），并通过连接线（5）与腔体（1）外部的点火控制器连接；
B、在气体释放口（6）上装配***膜片（7）；
C、在腔体（1）的壳体上装配注气管（2）；
D、在注气管（2）上装配截止阀（3），并通过气体管路与气源连接；
E、打开截止阀（3），向腔体（1）内加注可燃气体及氧气；
F、气体加注完毕后，关闭截止阀（3），断开气源，再将高能量***布放至工作地点；
G、通过点火控制器经连接线（5）给电点火元件（4）通电，电点火元件（4）引发腔体（1）内气体反应，经过燃烧、爆燃、爆轰产生高温高压气体，高温高压气体使***膜片（7）瞬间破裂，释放气体，从而产生振动波。
10.如权利要求9所述的一种高能量***产生震源的方法，其特征在于：所述可燃气体为氢气或碳氢气体。
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