CN112180432B - 一种基于电晕放电的高效率电火花震源系统及设置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地震勘探震源研发领域，涉及一种基于电晕放电的高效率电火花震源系统及设置方法。一种基于电晕放电的高效率电火花震源系统，包括若干放电模块；所述放电模块包括若干储能电容器和放电电极，若干储能电容器分别经由若干电极进行放电，放电电极根据放电能量从大到小依次放电，各个电极放电的延迟时间主要由各自的气泡周期决定，电极间距由最大气泡半径决定。水中电晕放电产生的第一气泡脉冲比初始脉冲的能量更强，通过不同放电能量的电极组合使得第一气泡脉冲叠加，利用能量更强的气泡脉冲进行地震勘探，达到提高震源工作效率的目的。
Description
技术领域
本发明属于地震勘探震源研发领域，涉及一种基于电晕放电的高效率电火花震源系统及设置方法。
背景技术
电火花震源是一种基于液相放电原理来进行工作的人工震源。电火花震源的工作原理是利用液相放电产生的冲击波作用效果，电火花震源的工作过程是将电能转换为机械能并以波的形式传播出去，震源系统在水中进行放电的瞬间，形成以水蒸气为主、夹带着少量金属蒸气的气泡，随后气泡振荡，气泡的形成与振荡伴随着压缩波和稀疏波的发射。液相放电包括电晕放电、火花放电和电弧放电三种形式，传统的电火花震源多采用火花放电或电弧放电，存在电气安全性差、输出波形不稳定、开关及电极使用寿命短等缺陷，新一代的电火花震源多基于脉冲电晕放电，放电所需电压等级较低，加上半导体开关的应用，基本解决了传统电火花震源安全性差、波形不稳定及电极寿命短的问题。
电火花震源的放电机理是一个极其复杂的过程，涉及到电能向热能、光能、机械能、声能等形式能量的转变。目前为止，人们对水中放电的研究大多从应用角度出发，针对水中脉冲放电等离子体特性的研究并不多，加上液相放电比气相放电更为复杂，人们对液相放电等离子体的产生机理也尚未完全清楚，因此基于液相放电原理的电火花震源普遍存在工作效率低下的问题。
对于电极电晕放电形式，初始脉冲的强度明显小于第一气泡脉冲的强度，通常情况下，我们是利用电晕放电的同步性好这一优点来进行多电极组合，提高初始脉冲强度并压制气泡脉冲，因此震源的工作效率并没有得到最优化。
针对以上内容，如何发明一种高效率的电火花震源系统就成为了我们亟待解决的问题。
发明内容
本发明提出一种基于电晕放电的高效率电火花震源系统，用以解决现有电火花震源系统电声转换效率低下的问题。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于电晕放电的高效率电火花震源系统，其特殊之处在于：
包括若干放电模块；
所述放电模块包括若干储能电容器和若干放电电极，若干储能电容器分别经由若干电极进行放电。
进一步地，上述放电电极根据放电能量从大到小依次放电，各个电极放电的延迟时间主要由各自的气泡周期决定，电极间距由最大气泡半径决定，至少设定为最大气泡半径的10倍。
水中电晕放电产生的第一气泡脉冲比初始脉冲的能量更强，通过不同放电能量的电极组合使得第一气泡脉冲叠加，利用能量更强的气泡脉冲进行地震勘探，达到提高震源工作效率的目的。
进一步地，上述储能电容器和电极的数量可以相同，也可以不同。
另外，本发明还提出一种上述基于电晕放电的高效率电火花震源系统的设置方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)测定某个能量范围内不同放电能量的气泡特性，包括气泡周期、气泡最大半径；
2)设计电极结构，包括排列方式和电极间距，电极间距不小于气泡最大半径的10倍；
3)以最大能量电极的放电时刻为基准，通过步骤1)测定的气泡周期设定其余各个电极放电的延迟时间；
4)控制各个电极放电的延迟时间，使得第一气泡脉冲相互叠加。
进一步地，上述步骤1)中测定某个能量范围内不同放电能量的气泡特性具体为：通过实验分别获得若干种不同能量(E1,E2,E3,…,En；E1＜E2＜E3＜,…,＜En)单极放电产生的气泡特性，包括气泡周期和气泡最大半径，分别记为ΔT1,ΔT2,ΔT3,…,ΔTn和Rm1,Rm2,Rm3,…,Rmn，理论上有：ΔT1＜ΔT2＜ΔT3＜,…,＜ΔTn，Rm1＜Rm2＜Rm3＜,…,＜Rmn。
进一步地，上述步骤2)中，电极采用线性排列，电极间距设定为气泡最大半径的10倍，即10*MAX(Rm1,Rm2,Rm3,…,Rmn)，以减弱气泡振荡造成的相互影响。对于排列几何中心正下方的位置，由电极空间位置造成的传播旅行时差随深度的增大而减小。例如，对于排列几何中心正下方1m处的位置，由传播距离造成的最大旅行时差约为0.075ms，对于排列几何中心正下方10m处的位置，由传播距离造成的最大旅行时差约为0.008ms。
进一步地，上述步骤3)中，以放电能量为En的电极放电时刻为基准，放电能量为E1,E2,E3,…,En-1的电极放电时刻分别延迟(ΔTn-ΔT1),(ΔTn-ΔT2),(ΔTn-ΔT3),…,(ΔTn-ΔTn-1)。
进一步地，上述步骤4)中，将步骤3)中获得的延时参数输入到自动控制单元，利用自动控制单元控制各电极的放电时刻，使得第一气泡脉冲能够有效叠加。
本发明的优点：
1)本发明解决了现有电火花震源系统电声转换效率低下的问题；
2)本发明利用若干个放电模块实现多个不同能量的电极延迟放电，使得第一气泡脉冲相互叠加，从而提高震源工作效率；
3)相比于现有的电火花震源，本发明震源系统充分利用了电晕放电形式产生的第一气泡脉冲比初始脉冲强度更大的特征，实验结果表明，本发明采用的电火花震源系统能够有效地提高工作效率。
附图说明
图1为本发明模拟的第一气泡脉冲叠加示意图；
图2为本发明模拟的第一气泡脉冲叠加效果图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
一种基于电晕放电的高效率电火花震源系统，包括若干放电模块，放电模块包括若干储能电容器和放电电极，若干储能电容器分别经由若干电极进行放电。水中电晕放电产生的第一气泡脉冲比初始脉冲的能量更强，通过不同放电能量的电极组合使得第一气泡脉冲叠加，利用能量更强的气泡脉冲进行地震勘探，达到提高震源工作效率的目的。
本发明中的电极根据放电能量从大到小依次放电，各个电极放电的延迟时间主要由各自的气泡周期决定，电极间距由最大气泡半径决定，至少设定为最大气泡半径的10倍。
一种基于电晕放电的高效率电火花震源系统的设置方法，包括以下步骤：
1)测定某个能量范围内不同放电能量的气泡特性，包括气泡周期、气泡最大半径；
2)设计电极结构，包括排列方式和电极间距，电极间距不小于气泡最大半径的10倍；
3)以最大能量电极的放电时刻为基准，通过步骤1)测定的气泡周期设定其余各个电极放电的延迟时间；
4)利用自动控制单元控制各个电极放电的延迟时间，使得第一气泡脉冲相互叠加。
在本发明的实施例中，步骤1)测定某个能量范围内不同放电能量的气泡特性具体为：
通过实验分别获得若干种不同能量(E1,E2,E3,…,En；E1＜E2＜E3＜,…,＜En)单极放电产生的气泡特性，包括气泡周期和气泡最大半径，分别记为ΔT1,ΔT2,ΔT3,…,ΔTn和Rm1,Rm2,Rm3,…,Rmn，理论上有：ΔT1＜ΔT2＜ΔT3＜,…,＜ΔTn，Rm1＜Rm2＜Rm3＜,…,＜Rmn。
在本发明的实施例中，步骤2)中设计电极结构具体为：采用线性排列，电极间距设定为气泡最大半径的10倍，即10*MAX(Rm1,Rm2,Rm3,…,Rmn)，以减弱气泡振荡造成的相互影响。对于排列几何中心正下方的位置，由电极空间位置造成的传播旅行时差随深度的增大而减小。例如，对于排列几何中心正下方1m处的位置，由传播距离造成的最大旅行时差约为0.075ms，对于排列几何中心正下方10m处的位置，由传播距离造成的最大旅行时差约为0.008ms。
在本发明的实施例中，步骤3)中以最大能量电极的放电时刻为基准，通过步骤1)测定的气泡周期设定其余各个电极放电的延迟时间，具体为：以放电能量为En的电极放电时刻为基准，放电能量为E1,E2,E3,…,En-1的电极放电时刻分别延迟(ΔTn-ΔT1),(ΔTn-ΔT2),(ΔTn-ΔT3),…,(ΔTn-ΔTn-1)。
在本发明的实施例中，上述步骤4)中，将步骤3)中获得的延时参数输入到延时控制单元，利用延时控制单元控制各电极的放电时刻，使得第一气泡脉冲能够有效叠加。
实施例1
参见图1-2，一种基于电晕放电的高效率电火花震源系统的设置方法，具体实施步骤包括以下：
步骤a，通过实验分别获得5、10、15、20、25、30J六种不同能量单极放电产生的气泡特性，并利用这六种放电能量进行了仿真组合，根据实验测得结果，放电产生的气泡的最大半径与放电能量呈正相关，5～30J能量范围内的气泡最大半径均在10mm左右，5J、10J、15J、20J、25J、30J对应的气泡周期分别为1.800ms、2.150ms、2.350ms、2.550ms、2.725ms、2.900ms；
步骤b，采用线性排列，电极间距设定为气泡最大半径的10倍，即100mm，以减弱气泡振荡造成的相互影响；
步骤c，以30J的放电时刻为基准，5J、10J、15J、20J、25J的放电时刻分别延迟1.100ms、0.750ms、0.550ms、0.350ms、0.175ms；
步骤d，将步骤c中获得的延时参数输入到自动控制单元，利用自动控制单元控制各电极的放电时刻，使得第一气泡脉冲相互叠加。
图1为本发明实施例1模拟的第一气泡脉冲叠加示意图，其可以看出通过对不同放电能量的电极进行延时控制，能够使得第一气泡脉冲同相叠加，说明利用不同放电能量之间的气泡周期差异进行延时控制是可行的。
图2为本发明实施例1模拟的第一气泡脉冲叠加效果图，其可以看出有效叠加第一气泡脉冲能够获得更高幅值的主脉冲(相比叠加初始脉冲)，说明合理利用第一气泡脉冲可以取得更高的震源工作效率。
综上可见，本发明解决了现有电火花震源系统工作效率低下的问题，该震源系统的功能主要包括：利用若干个放电模块实现多个不同能量的电极延迟放电，使得第一气泡脉冲相互叠加，从而提高震源工作效率；相比于现有的电火花震源，该震源系统充分利用了电晕放电形式产生的第一气泡脉冲比初始脉冲强度更大的特征。实验结果表明，本发明采用的电火花震源系统能够有效地提高工作效率。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于电晕放电的高效率电火花震源系统，其特征在于：
包括放电模块；
所述放电模块包括若干储能电容器和若干用于放电的电极，若干储能电容器分别经由若干电极进行放电；
所述电极根据放电能量从大到小依次放电，各个电极放电的延迟时间主要由各自的气泡周期决定，电极间距由最大气泡半径决定，至少设定为最大气泡半径的10倍。
2.根据权利要求1所述的一种基于电晕放电的高效率电火花震源系统，其特征在于：
所述储能电容器和电极的数量相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于电晕放电的高效率电火花震源系统，其特征在于：
所述储能电容器和电极的数量不同。
4.一种基于电晕放电的高效率电火花震源系统的设置方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)测定某个能量范围内不同放电能量的气泡特性，包括气泡周期、气泡最大半径；通过实验分别获得若干种不同能量E1,E2,E3,…,En单极放电产生的气泡特性，包括气泡周期和气泡最大半径，分别记为ΔT1,ΔT2,ΔT3,…,ΔTn和Rm1,Rm2,Rm3,…,Rmn，其中，E1<E2<E3<,…,<En，ΔT1<ΔT2<ΔT3<,…,<ΔTn，Rm1<Rm2<Rm3<,…,<Rmn；
2)设计电极结构，包括排列方式和电极间距，电极间距不小于气泡最大半径的10倍；
3)以最大能量电极的放电时刻为基准，通过步骤1)测定的气泡周期设定其余各个电极放电的延迟时间；步骤3)中，以放电能量为En的电极放电时刻为基准，放电能量为E1,E2,E3,…,En-1的电极放电时刻分别延迟(ΔTn-ΔT1),(ΔTn-ΔT2),(ΔTn-ΔT3),…,(ΔTn-ΔTn-1)；
4)通过控制各个电极放电的延迟时间，使得第一气泡脉冲相互叠加。
5.根据权利要求4所述的一种基于电晕放电的高效率电火花震源系统的设置方法，其特征在于：
步骤2)中，电极采用线性排列，电极间距设定为气泡最大半径的10倍，即10*MAX(Rm1,Rm2,Rm3,…,Rmn)。
6.根据权利要求5所述的一种基于电晕放电的高效率电火花震源系统的设置方法，其特征在于：
步骤4)中，将步骤3)中获得的延时参数输入到延时控制单元，利用延时控制单元控制各电极的放电时刻，使得第一气泡脉冲相互叠加。
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