CN106405630A - 一种用于浅海区地震勘探的激震装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于浅海区地震勘探的激震装置与方法，通过拖缆的形式与海洋上船体连接。该震源在海中的位置在一定程度上由船体拖拽位置有关。一种用于浅海区地震勘探的激震装置及方法主要包括震源状态检测系统、空间位置控制系统、气枪阵列激震控制系统以及激震装置操作方法。通过该激震装置，可以实现海水中激震装置的空间位置设定，可根据设计需要，实现上下前后左右6个方向的自动化控制，进而获得一个较准确的激震点位置；同时，采用旋转式的气枪阵列，可以实现气枪的间距控制，配合以不同的气枪能量，可在一定范围内实现不同形式的激震效果。通过多空间位置及激震形式的地震记录综合解译，可实现海下地质体的较准确探测。

Description

一种用于浅海区地震勘探的激震装置与方法

技术领域

本发明涉及一种用于浅海区地震勘探的激震装置与方法。

背景技术

地震勘探是指利用探测空间范围内介质弹性和密度的差异，通过观测和分析人工地震产生的地震波在地下的传播规律，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法。地震勘探是钻探前勘测石油与天然气资源的重要手段，在煤田和工程地质勘查、区域地质研究和地壳研究等方面，也得到广泛应用。震源是地震勘查技术的重要组成部分，是产生地震信号的源头。震源的信号质量与地震勘查效果密切相关，直接决定着海洋地震勘探底层穿透深度和分辨率。

李澈在《滩浅海地震勘探发展现状研究》文章中指出，目前浅海地区地震勘探的震源主要有炸药震源、电火花震源以及气枪震源。炸药在海水中爆炸时虽产生较好的气泡效应，但是炸药震源不安全，生产效率低，虽然专利《炸药震源源驱动控制装置及控制方法》(申请号：201410806723.0)提供了一种炸药震源源驱动控制装置，用以提高炸药震源地震勘探的施工效率，改善地震数据质量，并显著地降低工作人员的劳动强度，方便地利用现有设备应用炸药震源源驱动技术，但是崔毅等在《石油地震勘探对海洋生物及海洋环境的影响研究》中指出地震勘探中，炸药震源产生的冲击波会对海洋生物有损害甚至致死的效应，并提出海洋地震勘探工作中，炸药震源会逐步被对海洋生物损害较轻的非炸药震源所替代，如电火花震源、空气枪震源等。

裴彦良在文章《海洋工程地震勘探震源及其应用研究》阐述了电火花震源的工作原理，将电极和地极置于海水中，在电极和地极之间瞬间加载几千至上万伏的电压，产生非常强大的电流。但电火花震源较为笨重，操作不灵活，同时在放电的瞬间所产生的强大的电流对工作人员及海洋生物资源都有较大的威胁，震源子波重复性差，随着技术不断的进步火花震源逐步被枪震源所替代。

目前气枪震源的发展已到了十分完善的地步，并逐步改进，如专利《一种气枪震源》(申请号：201010160248.6)改变了气枪震源的气室及梭阀腔体形状，使气枪激发后能迅速形成主脉冲，尽可能增大气枪激发能量，改善气枪的激发特性。但是其固有的子波频率谱较低，施工较为困难，并不适合浅海高分别率工程地质调查的需要。

目前可控震源成为浅海地震勘探的一种新型震源，可控震源通过电液伺服系统向地下传送频率可控、相位准确的线性或非线性扫频正弦信号，其信号可实现降频、等频、升频扫描。凌云等在《可控震源在地震勘探中的应用前景与问题分析》文中通过对国际可控震源技术应用和发展趋势进行分析，认为无论从经济效益的角度还是环保与安全的角度，可控震源将必然成为未来国内主要的地震勘探震源而得到广泛应用。

可控震源具有以下特点：(1)所产生的地震信号为已知，频率、输出力可人为控制，资料品质可得到改善；(2)效率高，成本低；(3)可通过多次叠加、增长扫频时间、多台同步工作的方式累积能量。虽然可控震源具有很多优势但震源深度不可实时控制。

就目前的技术水平来看，气枪震源在海洋地震勘探时，存在着以下几个问题：

①气枪阵列组合形式较为单一，由于不同气枪之间的间距为R^1/2，常规的气枪震源其组合形式较为固定，所触发地震波信号较为单一，容易在探测深度或探测精度上受限。因此急需一种能够实现震源激发能量和频率不同的气枪阵列组合，使得不同的气枪口间距可人为控制其增大或减小。

②深度不可控，现有的震源都是通过拖缆的形式放置的，船体静止时，震源位于下方，通过控制传输，拖拽震源，使其的深度发生改变，当自然下垂式，可能由于海流的冲击使其不能保持稳定的空间位置，其深度值与真实值之间存在较大的差异。急需一种能够在海下实现远程控制其空间位置的技术方法与装置。

③自动化程度较低，使用较笨拙，震源的上升和下降不容易控制，难以准确到达指定的空间位置。工作效率低，不适合小范围内不同空间位置的多次地震探测试验。急需一种快速实现不同空间位置定点激发地震波的装置。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于浅海区地震勘探的激震装置与方法，本发明可以实现海水中激震装置的空间位置设定，可根据设计需要，实现上下前后左右6个方向的自动化控制，进而获得一个较准确的激震点位置；同时，采用旋转式的气枪阵列，可以实现气枪的间距控制，配合以不同的气枪能量，可在一定范围内实现不同形式的激震效果。通过多空间位置及激震形式的地震记录综合解译，可实现海下地质体的较准确探测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于浅海区地震勘探的激震装置，包括中央控制系统、震源状态检测系统、空间位置控制系统和气枪阵列激震控制系统，其中：

所述空间位置控制系统，包括一壳体，壳体外沿均匀设置有多个汽轮机，通过控制汽轮机的运行状态来维持壳体在水中水平方向上的位置；所述壳体内设置有空气仓与储水仓，所述空气仓与储水仓内设置有改变其体积或储水量的调节机构，以改变壳体在垂直方向上的位置；

所述震源状态检测系统设置在壳体上，检测所述壳体所处水环境的水压、水流信息；

所述气枪阵列激震控制系统，包括嵌套于壳体内部且气枪口设置于壳体底部的多个气枪、以及控制气枪工作的激发控制器，所述激发控制器通过控制气枪的启动与投入个数，在水中进行不同形式的激震；

所述中央控制系统接收并传输震源状态检测系统采集的数据并根据采集的数据控制气枪阵列激震控制系统、空间位置控制系统的工作。

所述震源状态检测系统，包括水状态检测单元，具体包括用来检测壳体所处水环境下的水压情况的水压计、检测所处水环境下的水流流速大小的流速计及水温的水温计。

所述震源状态检测系统，还包括设置在壳体顶端的陀螺仪，用来检测壳体的倾斜角度。

所述空间位置控制系统，还包括设置于壳体上端的若干个出气孔，出气孔内设置有出气孔球阀，所述出气孔连通空气仓，通过控制出气孔球阀的状态以控制空气仓中空气量大小。

所述调节机构为滑动隔板，所述滑动隔板设置于空气仓与储水仓之间，且储水仓设置于壳体的上端，通过设置于壳体顶端的过水孔与海水连通，通过调节滑动隔板的位置，改变空气仓与储水仓的大小，进而改变激震装置的浮力。

所述气枪阵列激震控制系统，还包括向气枪施加压力的高压气仓、调节气枪角度的气枪口方位控制器以及将高压气仓中的气体输送到气枪中的进气控制机构。

所述气枪口的中间设置有球状旋转装置，所述气枪口的外沿设置有固定件，所述固定件上连接有拉线装置，气枪口方位控制器通过控制拉线装置的状态，使气枪围绕球状旋转装置旋转，再完成气枪旋转之后固定件将气枪位置固定。

所述气枪口与壳体的连接处设置有密封圈。

所述高压气仓通过气管与外界采集船连接，且气管与外壳连接处设置密封装置。

所述中央控制系统通过电缆与采集船上的控制器连接。

基于上述激震装置的工作方法，具体包括以下步骤：

(1)检测激震装置的倾斜角度，根据测得的水压计算目前的深度；

(2)根据设定的深度数据和方位位置参数，控制汽轮机状态，改变空气仓和储水仓中空气和水的体积的比重，使激震装置到达指定地点；

(3)通过需要模拟的激震形式和强度，调节各个气枪的角度并固定，启动气枪，完成放炮，进行一次激震。

所述步骤(2)中，当激震装置需要改变方位或深度时，空间位置控制系统发出指令到汽轮机控制器上，汽轮机开始工作，通过控制各个汽轮机的状态与效率，调整激振装置的水平方位位置，若激振装置深度需要改变，改变出气孔球阀，同时使滑动隔板移动，改变空气仓和储水仓的大小与储水量，改变浮力，改变激震装置的深度。

所述步骤(3)中，气枪口方位控制器通过控制拉线装置调整气枪的角度，调整完毕之后通过固定件将气枪固定住，每个气枪口角度调整完毕之后，采集船通过连接激震装置的气管将高压气体输入激震装置的高压气仓中，通过气枪进气控制装置将高压气仓中的高压气体输送到气枪中。

本发明的有益效果为：

(1)针对气枪阵列组合形式固定，激发地震波形式较为单一的问题，提出了采用四个气枪进行组合，实现了气枪口间距与气枪激发能量的控制，通过远程控制，设定气枪口方向、间距与发射能量，可实现不同能量与频率的地震波激发，通过不同地震源的组合探测，可实现不同深度地质界面的定位。

(2)针对现有震源深度不可控的问题，本发明通过自动化调节空气仓与储水仓的比例，实现了实时远程调节激振装置在海水中的深度位置，此外本发明还采用4个汽轮机，可以实现前后左右4个方向的自动化控制，进而获得一个较准确的激震点位置；本发明工作环境不再受到采集船的航行速度以及影响采集船航行的环境限制，在采集船一定范围内可以实现远程实时控制震源的位置。

(3)针对现有震源自动化程度较低，使用较笨拙，上升和下降不容易控制的问题，本发明采用上下前后左右6个方向的自动化控制，而且在工作一次完成之后能够迅速回到前一次工作位置，为下一次工作做好准备，对于小范围内不同空间位置的多次地震探测试验颇有成效，工作效率得到大幅度提高，节省成本。

附图说明

图1用于浅海区地震勘探的激震装置示意图；

图2用于浅海区地震勘探的激震装置底面图；

图3用于浅海区地震勘探的激震装置俯视图；

图4用于浅海区地震勘探的激震装置侧视图；

图5用于浅海区地震勘探的激震装置剖面图；

图6气枪的示意图；

其中，1.汽轮机，2.气枪口，3.橡胶密封圈，4.出气孔，5.过水孔，6.电缆及气管进口密封装置，7.陀螺仪，8.水状态检测仪，9.电缆线及气管，10.储水仓，11.滑动隔板，12.出气孔球阀，13.电缆线与气管连接头，14.高压气仓，15.激震器空间位置控制系统，16.中央控制器，17.气枪，18.气枪激发控制器，19.汽轮机控制器，20.气枪进气控制装置，21.球状旋转装置，22.气枪口方位控制器，23.拉线装置，24.球状旋转装置，25.固定件，26.空气仓。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为一种用于浅海区地震勘探的激震装置示意图。

一种用于浅海区地震勘探的激震装置，该装置通过拖缆的形式与海洋上船体连接。该震源在海中的位置在一定程度上由船体拖拽位置有关。如图所示，一种用于浅海区地震勘探的激震装置及方法主要包括震源状态检测系统、空间位置控制系统、气枪阵列激震控制系统以及激震装置操作方法。

如图4所示，一种震源状态检测系统，主要包括陀螺仪7和水状态检测仪8两部分组成，其中，陀螺仪7安装于激震装置的正面，在汽轮机的上方，主要用来监测激震装置的倾斜角度；所述水状态检测仪8包括水压计、流速计及水温计。水压计用来检测仪器所处水环境下的水压情况，可通过计算获得该仪器所处的水深情况；流速计用来检测仪器所处水环境下的水流流速大小，根据流速变化情况，实时改变仪器检测情况。

如图5所示，一种空间位置控制系统，主要包括出气孔4，过水孔5，储水仓10，滑动隔板11，出气孔球阀12，空气仓26以及汽轮机1。其中出气孔4、过水孔5及出气孔球阀12位于整个装置的顶部，储水仓10、滑动隔板11以及空气仓26位于整个装置的中上部，通过设置滑动隔板11的位置可以控制整个装置的深度位置，过水孔5主要用来控制储水仓10中水量的大小，通过控制出气孔球阀12的状态从而达到控制空气仓中空气量大小。汽轮机1在整个装置中共有4个，位于前后左右四个面上，通过控制四个汽轮机的开启关闭状态从而达到控制整个装置在空间前后左右4个方向的位置。

如图2、图6所示，一种气枪阵列激震控制系统，主要包括气枪口2，橡胶密封圈3，其中气枪口2位于整个装置的底部，共4个，橡胶密封圈3用来隔离气枪与海水，气枪方向控制原理见图6，主要包括气枪口方位控制器22，拉线装置23，球状旋转装置24以及固定件25，通过气枪口方位控制器22控制拉线装置23的状态从而达到气枪围绕球状旋转装置24旋转，再完成气枪旋转之后固定件25可以将气枪位置固定。

一种用于浅海区地震勘探的激震装置与方法，包括以下步骤：

(1)本装置在浅海地区采用缆绳与船只连接进行拖引的方式进行信息采集，如图1。根据浅海探测的设计要求及环境情况，获取所要探测深度数据及方位位置参数；

(2)震源状态检测系统通过陀螺仪7检测本装置的倾斜角度，通过水平检测仪8中的水压计实时检测装置所处的压力状态，通过计算换算为深度数值，进而确定装置所处的海水深度，流速计和水温计实时监控装置的速度和水温情况，为本装置检测提供基础数据；

(3)根据所要求的深度数据和方位位置参数，在到达指定区域之后，通过分别启动装置上的4个汽轮机1，进行位置的精确调整。通过水压计实时检测装置所处深度，利用空气仓26和储水仓10中空气和水的体积的比重控制本装置所处的深度位置。当装置需要改变方位或深度时，激震器空间位置控制系统15发出指令到汽轮机控制器19上，汽轮机1开始工作，控制装置往相反的方向移动，4个汽轮机不断工作，调整激震装置的方位位置。若激震装置深度需要降低，激震器空间位置控制系统15向出气孔球阀12发送指令，出气孔4打开，空气仓中空气排出，空气仓体积减小，滑动隔板11向下滑动，储水仓11体积增大，海水通过过水孔5进入到储水仓10中，浮力减小，激震装置下沉。当装置深度需要升高时，激震器空间位置控制系统15发送指令，出气孔球阀12处于关闭状态，高压气仓中的空气进入空气仓26，空气仓26体积增大，滑动隔板11上移，水仓10体积减小，水仓10中的海水通过过水孔5排出仓外，装置浮力增加，整个激震装置在海水中上移；

(4)当装置深度和方位设定好之后，工作人员在采集船上发送指令，信号通过电缆线9传输到激震装置上，激震装置上的中央控制器16接收信号之后，将命令发送到气枪口方位控制器22上，气枪口方位控制器22通过控制拉线装置23调整气枪的角度，调整完毕之后通过固定件25将气枪固定住。4个气枪口2角度调整完毕之后，采集船通过连接激震装置的气管9将高压气体输入激震装置的高压气仓14中，通过气枪进气控制装置20将高压气仓14中的高压气体输送到气枪17中；

(5)所有准备完毕之后，工作人员在采集船上发送指令，4个气枪同时启动，激震装置完成一次放炮；

(6)由于气枪工作时有较大的后坐力，激震装置完成一次工作时，会偏离原来的位置，此时本激震装置可通过之前设置好的参数，在震源状态检测系统和空间位置控制系统的配合下回到原来位置。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于浅海区地震勘探的激震装置，其特征是：包括中央控制系统、震源状态检测系统、空间位置控制系统和气枪阵列激震控制系统，其中：

所述空间位置控制系统，包括一壳体，壳体外沿均匀设置有多个汽轮机，通过控制汽轮机的运行状态来维持壳体在水中水平方向上的位置；所述壳体内设置有空气仓与储水仓，所述空气仓与储水仓内设置有改变其体积或储水量的调节机构，以改变壳体在垂直方向上的位置；

所述震源状态检测系统设置在壳体上，检测所述壳体所处水环境的水压、水流信息；

所述气枪阵列激震控制系统，包括嵌套于壳体内部且气枪口设置于壳体底部的多个气枪、以及控制气枪工作的激发控制器，所述激发控制器通过控制气枪的启动与投入个数，在水中进行不同形式的激震；

所述中央控制系统接收并传输震源状态检测系统采集的数据并根据采集的数据控制气枪阵列激震控制系统、空间位置控制系统的工作。

2.如权利要求1所述的一种用于浅海区地震勘探的激震装置，其特征是：所述震源状态检测系统，包括水状态检测单元，具体包括用来检测壳体所处水环境下的水压情况的水压计、检测所处水环境下的水流流速大小的流速计及水温的水温计。

3.如权利要求1所述的一种用于浅海区地震勘探的激震装置，其特征是：所述震源状态检测系统，还包括设置在壳体顶端的陀螺仪，用来检测壳体的倾斜角度。

4.如权利要求1所述的一种用于浅海区地震勘探的激震装置，其特征是：所述空间位置控制系统，还包括设置于壳体上端的若干个出气孔，出气孔内设置有出气孔球阀，所述出气孔连通空气仓，通过控制出气孔球阀的状态以控制空气仓中空气量大小。

5.如权利要求1所述的一种用于浅海区地震勘探的激震装置，其特征是：所述调节机构为滑动隔板，所述滑动隔板设置于空气仓与储水仓之间，且储水仓设置于壳体的上端，通过设置于壳体顶端的过水孔与海水连通，通过调节滑动隔板的位置，改变空气仓与储水仓的大小，进而改变激震装置的浮力。

6.如权利要求1所述的一种用于浅海区地震勘探的激震装置，其特征是：所述气枪阵列激震控制系统，还包括向气枪施加压力的高压气仓、调节气枪角度的气枪口方位控制器以及将高压气仓中的气体输送到气枪中的进气控制机构。

7.如权利要求1所述的一种用于浅海区地震勘探的激震装置，其特征是：所述气枪口的中间设置有球状旋转装置，所述气枪口的外沿设置有固定件，所述固定件上连接有拉线装置，气枪口方位控制器通过控制拉线装置的状态，使气枪围绕球状旋转装置旋转，再完成气枪旋转之后固定件将气枪位置固定。

8.基于如权利要求1-7中任一项所述的激震装置的工作方法，其特征是：具体包括以下步骤：

(1)检测激震装置的倾斜角度，根据测得的水压计算目前的深度；

(2)根据设定的深度数据和方位位置参数，控制汽轮机状态，改变空气仓和储水仓中空气和水的体积的比重，使激震装置到达指定地点；

(3)通过需要模拟的激震形式和强度，调节各个气枪的角度并固定，启动气枪，完成放炮，进行一次激震。

9.如权利要求8所述的工作方法，其特征是：所述步骤(2)中，当激震装置需要改变方位或深度时，空间位置控制系统发出指令到汽轮机控制器上，汽轮机开始工作，通过控制各个汽轮机的状态与效率，调整激振装置的水平方位位置，若激振装置深度需要改变，改变出气孔球阀，同时使滑动隔板移动，改变空气仓和储水仓的大小与储水量，改变浮力，改变激震装置的深度。

10.如权利要求8所述的工作方法，其特征是：所述步骤(3)中，气枪口方位控制器通过控制拉线装置调整气枪的角度，调整完毕之后通过固定件将气枪固定住，每个气枪口角度调整完毕之后，采集船通过连接激震装置的气管将高压气体输入激震装置的高压气仓中，通过气枪进气控制装置将高压气仓中的高压气体输送到气枪中。