CN116026192A - 一种可连续工作的气体爆轰震源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可连续工作的气体爆轰震源装置，包括管状爆轰室和固定在爆轰室出口端的往复排气装置。真空泵工作将爆轰室抽至负压，燃料和氧化剂分别通过燃料进气管和氧化剂进气管按照一定配比填充进入爆轰室中，达到工作条件后关闭截止阀停止进气，高能点火头点燃爆轰室中可爆混合物，产生爆轰波和高温高压燃气并作用于下面板，下腔体产生向下的位移，释放燃气并与周围介质耦合产生地震波，随着燃气的释放腔体中压力下降，下腔体上移重新形成封闭空间，真空泵工作开始下一工作循环。

Description

一种可连续工作的气体爆轰震源装置

技术领域

本发明属于地球物理勘探装备技术领域，具体涉及一种应用于井下和水下的可连续工作的气体爆轰震源装置。

背景技术

人工震源是地质勘探领域的重要技术装备。目前常用的人工震源包括炸药震源、电火花震源、气枪震源和落锤震源等。炸药震源是目前地质勘探中最常用的震源，其产生的能量大，但能量发散不集中，具有一定的危险性和不可控性，会对环境造成较大污染和破坏，炸药属于国家管控产品，在审批和监管方面非常严格。电火花震源、气枪震源和落锤震源工作频率低，连续性和可控性差，此类震源通常体积大、结构复杂、价格昂贵，难以在山区等复杂地形区域开展工作。

气体爆轰震源技术基于气相爆轰理论，通过将气体燃料和氧化剂在爆轰室中混合点火后发生化学反应形成爆轰，产生爆轰波和高温高压燃气，与周边介质耦合后产生地震波。气体爆轰震源在激发地震波能量、地震波主频、频带宽度等方面均体现出良好的优势，并在浅层地震勘探和地震波定向激发中体现出独特的优越性。（孟川民，王翔，尹陈，等.新型气爆震源在地震勘探中的应用[A].中国石油学会2021年物探技术研讨会论文集[C].中国石油学会物探专业委员会，2021.）目前气体爆轰震源大多在布放气体震源前完成燃料和氧化剂的加注，且震源在工作前需静置预混数小时后才能成功起爆，起爆后震源膜片破裂或限压阀门脱落，高压气体瞬间释放产生地震波。现有气体爆轰震源存在的主要问题为：（1）震源膜片破裂或限压阀门脱落后需进行替换，工作程序繁琐，增加工作时间，产生耗材费用，提升作业成本；（2）单个震源装置在井下和水下只能实现单炮击发，击发一次后需将震源收回填气静置数小时后才能实现第二次击发，作业效率低，经济性差；（3）预先填充的燃料和氧化剂配比固定，无法根据上一次击发结果实现地震波能量的迅速调节，环境适应性差。

发明内容

本发明提出了一种可连续工作的气体爆轰震源装置，该装置可根据现场作业结果实时调整燃料和氧化剂配气比，实现击发能量的现场调控，提升装置应用环境适应性。

实现本发明的技术解决方案为：一种可连续工作的气体爆轰震源装置，包括：

爆轰室，整体呈管状，竖直方向放置，所述爆轰室的尾部为圆形开口，所述爆轰室的顶端封闭，在顶端固壁上开设有呈正三角形形状布置的均垂直于顶端固壁的第一通孔、第二通孔和第三通孔，所述爆轰室侧壁上部开设有螺纹孔。

往复排气装置，位于爆轰室尾部下端，由上面板、上腔体、下腔体、下面板、弹簧和限位保护块构成，所述上面板为圆形薄板，上面板中心开设有通孔，通孔孔径与爆轰室外径一致，所述上腔体为圆柱形空腔，所述下腔体为圆柱形空腔，所述下面板为圆形薄板，所述弹簧对称布置于腔体外侧，所述限位保护块为由内扇形肋片和外扇形肋片构成。

进一步地，所述爆轰室顶端固壁上的第一通孔为抽气孔，所述抽气孔外侧焊接有抽气管，抽气管上装有防回火阀和截止阀，并通过抽气波纹管连接至真空泵。

进一步地，所述爆轰室顶端固壁上的第二通孔为燃料进气孔，所述燃料进气孔外侧焊接有燃料进气管，燃料进气管上装有防回火阀和截止阀，并通过燃料进气波纹管连接至燃料气瓶。

进一步地，所述爆轰室顶端固壁上的第三通孔为氧化剂进气孔，所述氧化剂进气孔外侧焊接有氧化剂进气管，氧化剂进气管上装有防回火阀和截止阀，并通过氧化剂进气波纹管连接至氧化剂气瓶。

进一步地，所述爆轰室侧壁上部的螺纹孔用于安装高能点火头，所述高能点火头螺纹连接后需进行螺纹密封处理，所述高能点火头通过防水点火线连接至井上或岸上高能点火器。

进一步地，所述爆轰室尾部下端嵌入上面板中心通孔，爆轰室尾部出口与上面板下表面平齐，为加强连接强度，在爆轰室管壁与上面板上下表面相交处均采用焊接方式进行固连。

进一步地，所述上腔体内径大于爆轰室外径，与爆轰室同轴，与于上面板下表面焊接固连。

进一步地，所述限位保护块的内扇形肋片厚度和弧度与上腔体相同，所述内扇形肋片上端面与上腔体下端面焊接固连。

进一步地，所述下腔体内径与上腔体外径相同，壁厚与上腔体壁厚相同。

进一步地，所述限位保护块的外扇形肋片厚度和弧度与下腔体相同，所述外扇形肋片上端与上面板下表面焊接固连，下端与内扇形肋片下端平齐。

进一步地，所述上面板下表面有环形凹槽，环形凹槽内外径与下腔体内外径相同。

进一步地，所述下腔体内壁面贴合上腔体外壁面和内扇形肋片外壁面，下腔体外壁面贴合外扇形肋片内壁面，所述下腔体最深处可嵌入上面板的凹槽。

进一步地，所述下面板外径尺寸和厚度与上面板相同，与下腔体下端面焊接固连。

进一步地，所述弹簧上端连接在上面板下表面，下端连接在下面板上表面。

进一步地，所述限位保护块数量与弹簧数量一致且布置在弹簧内侧，限位保护块限定下腔体在竖直方向运动，减弱弹簧连接处受到爆轰冲击作用，保护弹簧。

进一步地，所述弹簧处于自然复位状态时，所述下腔体上端嵌入上面板凹槽内，所述爆轰室、上腔体和下腔体形成封闭空间。

进一步地，所述爆轰室、上腔体和下腔体内填充燃料和氧化剂过程中，所述下面板受到填充压力的作用，下腔体竖直向下移动，在弹簧作用下，下腔体最大位移不超过上腔体高度。

进一步地，所述下腔体在爆轰和排气过程中的位移不超过限位保护块高度。

进一步地，所述燃料为氢气或甲烷、乙炔等碳氢气体燃料中的一种，所述氧化剂为空气或氧气。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）该装置出口无膜片或限压阀门，击发后无需进行零部件的加装或替换，可减少作业工序，节约耗材费用，减少作业成本。

（2）该装置在击发后能自动形成封闭空间迅速进行下次击发，将气爆震源的作业准备时间由几小时缩短至几分钟甚至是几十秒，大大提升作业效率。

（3）该装置可根据现场作业结果实时调整燃料和氧化剂配气比，实现击发能量的现场调控，提升装置应用环境适应性。

附图说明

图1是本发明装置整体结构示意图。

图2是爆轰室顶端通孔布置方式示意图。

图3是往复排气装置上面板及其固连件的结构示意图。

图4是往复排气装置下面板及其固连件的结构示意图。

图5是本发明工作过程的不同阶段示意图：抽真空状态、燃料和氧化剂填充完毕状态、排气状态。

其中：1、爆轰室；2、往复排气装置；3、抽气管；4、燃料进气管；5、氧化剂进气管；6、高能点火头；7、上面板；8、限位保护块；801、第一扇形肋片；802、第二扇形肋片；9、上腔体；10、下腔体；11、弹簧；12下面板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明地描述中，“多个”地含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。

下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。

如图1~图5所示，一种可连续工作的气体爆轰震源装置，包括爆轰室1和往复排气装置2。

所述爆轰室1整体呈管状，竖直方向放置，爆轰室1的尾部为圆形开口，爆轰室1的顶端封闭，在顶端固壁上开设有呈正三角形形状布置且垂直于顶端固壁的第一通孔、第二通孔和第三通孔；所述爆轰室1顶端固壁上的第一通孔为抽气孔，所述抽气孔外侧焊接有抽气管3，抽气管3上装有防回火阀和截止阀，并通过抽气波纹管连接至真空泵；所述爆轰室1顶端固壁上的第二通孔为燃料进气孔，所述燃料进气孔外侧焊接有燃料进气管4，燃料进气管上装有防回火阀和截止阀，并通过燃料进气波纹管连接至燃料气瓶；所述爆轰室1顶端固壁上的第三通孔为氧化剂进气孔，所述氧化剂进气孔外侧焊接有氧化剂进气管5，氧化剂进气管上装有防回火阀和截止阀，并通过氧化剂进气波纹管连接至氧化剂气瓶；所述爆轰室1侧壁上部开设有螺纹孔，安装有高能点火头6。所述高能点火头6螺纹连接后需进行螺纹密封处理，所述高能点火头6通过防水点火线连接至井上或岸上高能点火器。

所述往复排气装置2位于爆轰室1尾部下端，包括上面板7、上腔体9、下腔体10、下面板12、若干限位保护块8和若干弹簧11。所述上面板7为圆形薄板，上面板7中心开设有通孔，通孔孔径与爆轰室1外径一致；下面板12为圆形薄板。所述限位保护块8包括第一扇形肋片801和第二扇形肋片802；所述上腔体9为圆柱形空腔；所述下腔体10为圆柱形空腔；所述两根弹簧11对称布置于腔体外侧，弹簧11两端分别连接上面板7和下面板12；所述爆轰室1尾部下端嵌入上面板7中心通孔，爆轰室1尾部出口与上面板7下表面平齐，为加强连接强度，在爆轰室1管壁与上面板7上下表面相交处均采用焊接方式进行固连；所述限位保护块8的第一扇形肋片801厚度和弧度均与下腔体10相同；所述第一扇形肋片801上端与上面板7下表面焊接固连；所述限位保护块8的第二扇形肋片802厚度和弧度与上腔体9相同，所述第二扇形肋片802上端面与上腔体9下端面焊接固连；所述第一扇形肋片801下端与第二扇形肋片802下端平齐；所述上腔体9内径大于爆轰室1外径，与爆轰室1同轴，与于上面板7下表面焊接固连；所述下腔体10内径与上腔体9外径相同，下腔体10壁厚与上腔体9壁厚相同；所述上面板7下表面有环形凹槽，环形凹槽内外径与下腔体10内外径相同；所述下腔体10内壁面贴合上腔体9外壁面和第二扇形肋片802外壁面，下腔体10外壁面贴合第一扇形肋片801内壁面；所述下腔体10最深处可嵌入上面板7的凹槽；所述下面板12外径尺寸和厚度与上面板7相同，与下腔体10下端面焊接固连；所述弹簧11上端连接在上面板7下表面，下端连接在下面板12上表面；所述限位保护块8数量与弹簧11数量一致且布置在弹簧11内侧，限位保护块8限定下腔体10在竖直方向运动，减弱弹簧11连接处受到爆轰冲击作用，保护弹簧11；所述弹簧11处于自然复位状态时，下腔体10上端嵌入上面板7凹槽内，所述爆轰室1、上腔体9和下腔体10形成封闭空间；所述爆轰室1、上腔体9和下腔体10内填充燃料和氧化剂过程中，下面板12受到填充压力的作用，下腔体10竖直向下移动，在弹簧11作用下，下腔体10最大位移不超过上腔体9高度；所述下腔体10在爆轰和排气过程中的位移不超过限位保护块8高度。

本发明装置的工作过程为：

待装置投放至指定工作地点后，启动真空泵，当爆轰室1内达到设定压力后，关闭真空泵。打开燃料进气管2和氧化剂进气管3上的截止阀，在爆轰室1、上腔体9和下腔体10内填充燃料和氧化剂，燃料和氧化剂填充过程中，下面板12受到填充压力的作用，下腔体10竖直向下移动，在弹簧11作用下，下腔体10最大位移不超过上腔体9高度，此时爆轰室1、上腔体9和下腔体10仍为封闭空间。当爆轰室1中燃料和氧化剂填充达到设定压力，关闭燃料进气管2和氧化剂进气管3上的截止阀。高能点火器工作，高能点火头6点燃可爆混合物，在爆轰室1内燃烧波迅速形成爆轰波，往复排气装置2的下面板12受到高压作用向下移动，当下腔体10上端移动过上腔体9下端后，高温高压燃气排出，与周围介质耦合作用，形成地震波。随着燃气持续排出，下腔体10内压力持续下降，当下面板12上的压力作用小于弹簧11拉力时，下腔体10在限位保护块8的导向作用下向上移动，当下腔体10上端移动至上腔体9下端时，爆轰室1、上腔体9和下腔体10重新形成封闭空间，排气过程终止，此时弹簧11拉力与下面板12所受压力平衡，下腔体10运动终止。启动真空泵，将封闭空间内的残余燃气通过抽气管2抽出，下腔体10内压力下降，下腔体10继续向上移动，直至下腔体10上端与上面板7下表面凹槽接触。待爆轰室1内达到设定压力，真空泵停止工作，重新填充燃料和氧化剂进行下一次地震波的击发。

Claims (10)

1.一种可连续工作的气体爆轰震源装置，其特征在于，包括爆轰室和位于爆轰室尾部下端的往复排气装置；其中，

爆轰室整体呈管状，竖直方向放置，所述爆轰室的尾部为圆形开口，所述爆轰室的顶端封闭，在顶端固壁上开设有呈正三角形形状布置且垂直于顶端固壁的第一通孔、第二通孔和第三通孔；

往复排气装置包括上面板、上腔体、下腔体、下面板、弹簧和限位保护块，所述上面板为圆形薄板，上面板中心开设有通孔，通孔孔径与爆轰室外径一致，所述上腔体为圆柱形空腔，所述下腔体为圆柱形空腔，所述下面板为圆形薄板，所述弹簧对称布置于腔体外侧，所述限位保护块包括第一扇形肋片和第二扇形肋片；爆轰室尾部下端嵌入上面板中心通孔，爆轰室尾部出口与上面板下表面平齐；弹簧上端连接在上面板下表面，下端连接在下面板上表面。

2.根据权利要求1所述的一种可连续工作的气体爆轰震源装置，其特征在于：所述爆轰室顶端固壁上的第一通孔为抽气孔，所述抽气孔外侧焊接有抽气管，抽气管上装有防回火阀和截止阀，并通过抽气波纹管连接至真空泵；所述爆轰室顶端固壁上的第二通孔为燃料进气孔，所述燃料进气孔外侧焊接有燃料进气管，燃料进气管上装有防回火阀和截止阀，并通过燃料进气波纹管连接至燃料气瓶；所述爆轰室顶端固壁上的第三通孔为氧化剂进气孔，所述氧化剂进气孔外侧焊接有氧化剂进气管，氧化剂进气管上装有防回火阀和截止阀，并通过氧化剂进气波纹管连接至氧化剂气瓶。

3.根据权利要求2所述的一种可连续工作的气体爆轰震源装置，其特征在于：所述爆轰室侧壁上部的螺纹孔用于安装高能点火头，所述高能点火头螺纹连接后需进行螺纹密封处理，所述高能点火头通过防水点火线连接至井上或岸上高能点火器。

4.根据权利要求3所述的一种可连续工作的气体爆轰震源装置，其特征在于：所述上腔体内径大于爆轰室外径，与爆轰室同轴，与上面板下表面焊接固连。

5.根据权利要求4所述的一种可连续工作的气体爆轰震源装置，其特征在于：所述限位保护块的第二扇形肋片厚度和弧度与上腔体相同，所述第二扇形肋片上端面与上腔体下端面焊接固连，所述限位保护块的第一扇形肋片厚度和弧度与下腔体相同，所述第一扇形肋片上端与上面板下表面焊接固连，下端与第二扇形肋片下端平齐。

6.根据权利要求5所述的一种可连续工作的气体爆轰震源装置，其特征在于：所述下腔体内径与上腔体外径相同，壁厚与上腔体壁厚相同；上面板下表面有环形凹槽，环形凹槽内外径与下腔体内外径相同。

7.根据权利要求6所述的一种可连续工作的气体爆轰震源装置，其特征在于：所述下腔体内壁面贴合上腔体外壁面和第二扇形肋片外壁面，下腔体外壁面贴合第一扇形肋片内壁面，所述下腔体最深处可嵌入上面板的凹槽。

8.根据权利要求1所述的一种可连续工作的气体爆轰震源装置，其特征在于：，所述下面板外径尺寸和厚度与上面板相同，与下腔体下端面焊接固连。

9.根据权利要求1所述的一种可连续工作的气体爆轰震源装置，其特征在于：所述限位保护块数量与弹簧数量一致且布置在弹簧内侧，限位保护块限定下腔体在竖直方向运动，减弱弹簧连接处受到爆轰冲击作用，保护弹簧。

10.根据权利要求1所述的一种可连续工作的气体爆轰震源装置，其特征在于：所述弹簧处于自然复位状态时，所述下腔体上端嵌入上面板凹槽内，所述爆轰室、上腔体和下腔体形成封闭空间；所述爆轰室、上腔体和下腔体内填充燃料和氧化剂过程中，所述下面板受到填充压力的作用，下腔体竖直向下移动，在弹簧作用下，下腔体最大位移不超过上腔体高度；所述下腔体在爆轰和排气过程中的位移不超过限位保护块高度。

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