CN116559936B - 一种内爆式海洋负压空气枪震源及其激发方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种内爆式海洋负压空气枪震源及其激发方法，属于海洋地震勘探领域。本发明的负压空气枪震源具有腔室和包裹腔室的可开闭的枪体外壳。腔室内气体压力小于周围水压，通过控制枪体外壳打开，借助天然的静水围压挤压空气，从而产生压力波场。区别于传统的高压气枪，本发明的负压空气枪震源利用深水环境提供的天然的外部压力用于子波激发，在保证气枪激发深度的前提下，即可获得稳定的外部激励。本发明的空气枪震源能够突破常规水深限制，实现深水环境激发，因此可以减弱和延迟震源鬼波的干扰，同时能够有效抑制残留气泡震荡。子波的频带宽度和能级可以通过调整气枪深度和容量进行调整，也可通过多枪的深度和容量组合开展震源优化设计。

Description

一种内爆式海洋负压空气枪震源及其激发方法

技术领域

本发明属于海洋地震勘探震源的设计领域，具体涉及一种内爆式海洋负压空气枪震源及其激发方法；其中，负压是指激发时，气枪激发舱内的气体压力小于激发位置的周围水压。

背景技术

气枪是海洋地震勘探最为常用的一种震源，已广泛应用于海底资源勘探、海底地质灾害评估和深部洋壳结构探测等领域。通过将加压后的高压气体(如2000PSI≈13.8Mpa)瞬间释放到海水中，气枪震源可激发得到一个脉冲状的震源子波。尽管气枪震源已经获得广泛应用，但受其本体结构设计和外部激发环境等因素影响，其性能表现仍存在诸多局限：

1.气体释放到水中后形成的气泡由于胀缩过程中的内外压力变化出现周期震荡，从而产生残留气泡震荡，降低了子波的分辨力，并造成频率域的低频抖动；

2.出于施工安全考虑，目前气枪的工作压力普遍在3000PSI以下，随着气枪沉放深度的增加，静水压力变大，所能激发的能量急剧下降，目前气枪深度多在20m以浅；

3.海面-空气反射界面的存在，会产生尾随首波的震源鬼波(以5m激发深度为例，垂向方向上，鬼波延迟时间约为0.6ms)，造成频率域陷波，极大地压缩了子波的有效频带宽度；

4.受海面起伏、洋流冲击、点火时延和供气压力变化等因素影响，传统气枪激发子波的一致性，尤其是鬼波部分较低。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种内爆式海洋负压空气枪震源及其激发方法。

本发明的技术方案如下：

本发明首先提供了一种内爆式海洋负压空气枪震源，其包括顶板、底座、控制舱、激发舱外壳和枪体支架；

顶板和底座之间通过枪体支架相连，枪体支架使顶板和底座之间始终维持设定的间距；控制舱、激发舱外壳设置在顶板和底座之间；

所述的激发舱外壳套设在控制舱外部，且可相对于控制舱上下滑动；激发舱外壳的顶部内外圈均设置有一圈凸沿；激发舱外壳的底部设置有一圈磁性体；

所述顶板的下表面上设置有若干激发控制开关，激发控制开关用于限制激发舱外壳顶部的外圈凸沿的运动从而锁紧激发舱外壳；激发舱外壳被锁紧后，由顶板、激发舱外壳和控制舱包围形成密闭的激发舱；所述顶板上设置有进气管用于向激发舱内注入气体，进气管上设置有单向进气阀使气体只能由进气管进入激发舱；

所述控制舱设置在底座上；控制舱包括激发控制系统、电动活塞推动装置、活塞和磁吸装置；所述的活塞设置在控制舱的顶部，所述电动活塞推动装置与活塞相连用于推动活塞上下运动，活塞向上运动时与激发舱外壳的顶部内圈凸沿接触从而带动激发舱外壳向上同步运动；所述激发控制系统设置在控制舱的内部，其分别连接并控制磁吸装置和激发控制开关，所述的磁吸装置设置在控制舱底部的外壁面上，磁吸装置在通电后产生磁力用于磁吸激发舱外壳的磁性体。

本发明还提供了一种所述内爆式海洋负压空气枪震源的激发方法，其包括如下步骤：

1)气枪待激发时，激发舱外壳与顶板接触并被激发控制开关锁紧，顶板、激发舱外壳和控制舱包围形成密闭的激发舱；激发舱处于关闭状态，

2)当激发指令通过船上控制中心发出后，气枪控制舱内的激发控制系统开始下达激发指令，首先，用于固定激发舱外壳的激发控制开关打开，同时控制舱内的磁吸装置通电工作，磁吸装置对激发舱外壳底部的磁性体产生吸力，使激发舱外壳迅速向下运动，激发舱被打开；此时，激发舱内气体在周围高压水体的作用下发生内爆，形成震源子波；

3)激发完成之后，磁吸装置断电暂停工作，激发控制系统对电动推进装置下达工作指令，电动推进装置推动活塞并带动激发舱外壳向上移动，直至激发舱外壳完全到达顶端位置；在激发舱外壳到达顶端位置后，激发控制开关对其进行锁定；

4)电动推进装置带动活塞进行回位，此时连接进气管的单向进气阀打开，并跟随活塞的移动完成激发舱内气体的注入，直至完成充气，等待下一次激发。

传统的高压空气枪震源利用高压气体挤压水体的设计思路，本发明与之不同，本发明采用的空气枪震源采用负压供气，本发明借助天然的静水围压挤压空气，从而产生压力波场。本发明的负压是指激发时气枪内的气体压力小于激发位置的周围水压，从而形成“负压”，由于枪体内气体压力小于周围水压，会被挤压，并产生压力波场。本发明的负压不是相对大气压而言的。

本发明进一步利用气泡震荡理论对所设计的气枪震源的子波进行了模拟，对比频谱曲线，可以看出本发明供气模式生成的子波高频能量显著提高，整个频谱更加均衡。相比传统高压气枪，本发明得到的气枪子波的残留气泡震荡明显减弱，子波的初泡比明显提升。

传统高压气枪需要船载空压机系统压缩空气，其有效压强会有动态起伏，本发明的空气枪震源利用深水环境提供的天然的外部压力用于子波激发，在保证气枪激发深度的前提下，即可获得稳定的外部激励，因此更为经济和可靠。此外，本发明的空气枪震源能够突破常规水深限制，实现深水环境激发，因此可以减弱和延迟震源鬼波的干扰，有限改善海底结构(尤其是浅层结构)的成像效果。通过模拟对比发现，常压气枪震源的残留气泡震荡要明显弱于传统的高压气枪，因此子波分辨能力显著提升。子波的频带宽度和能级可以通过调整气枪深度和容量进行调整，也可通过多枪的深度和容量组合开展震源优化设计。

附图说明

图1为现有100cu.in单枪在2000psi和不同沉放深度下的气枪震源子波时间(左)和频谱(右)模拟结果；

图2为本发明负压空气枪震源的结构示意图；

图3为本发明负压空气枪震源激发过程示意图；

图4为40cu.in单枪在200m沉放深度下不同气枪压力气枪震源子波时间(左)和频谱(右)模拟结果；

图5对应图4中不同气压下气泡半径(左)和气泡壁速度(右)；

图6为40cu.in本发明负压气枪激发深度变化时震源子波时间(左)和频谱(右)模拟结果；

图7标准大气压供气下500m深度处不同气枪容量下的震源子波的时间(左)和频谱(右)模拟结果；

图8容量为200cu.in的传统高压气枪与本发明负压气枪子波模拟结果时间(左)和频谱(右)对比。

图中，顶板1、底座2、控制舱3、激发舱外壳4、枪体支架5、进气管11、激发控制开关12、供电与信号传输接口13、单向进气阀14、单向排水阀15、电动活塞推动装置31、激发控制系统32、活塞33、磁吸装置34、滑动轨道35、激发舱40、磁性体41、密封环42。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

图1展示了在现有高压气枪震源下，基于气泡震荡方程模拟得到的震源子波近场波形和频谱曲线。从图1中可以看出随着气枪震源深度增加，主频增大，整体能量显著下降。

针对当前高压气枪震源所存在的问题，本发明提出了一种内爆式负压空气枪震源设计方案，与传统的高压空气枪借助高压气体对周围水体的正向压力输出，进而挤压水体的设计思路不同，负压空气枪震源采用低于枪体周围静水压力的方式供气，借助天然的静水围压挤压空气，从而产生负向压力波场。本发明的负压是指激发时气枪内的气体压力小于激发位置的周围水压。根据需要，气枪内也可以采用低于、等于或略大于大气压的气体气压作为本发明的供气压力，但无论选择怎样的气体压力，均需满足压力小于激发位置的周围水压。不同的压差会赋予不同的子波特征，可以根据所需的子波特征来决定气枪压力的大小。

图2为一种内爆式气枪震源的结构示意图，主要包括顶板1、底座2、控制舱3、激发舱外壳4和枪体支架5。

顶板1和底座2之间通过枪体支架5相连，枪体支架5使顶板1和底座2之间始终维持设定的间距。枪体支架5包括多根竖向设置的支撑杆，支撑杆内部中空可用于走线缆。根据需要还可以设置一些横向或斜向的连接杆来使竖向支撑杆连接为整体从而增强枪体支架5的机械强度。

所述顶板1的下表面上设置有若干激发控制开关12，用于锁紧激发舱外壳4；激发舱外壳4被锁紧后，由顶板1、激发舱外壳4和控制舱3包围形成激发舱40。所述顶板1上设置有进气管11用于向激发舱40内注入气体，进气管11上设置有单向进气阀14使气体只能由进气管11进入激发舱40；所述顶板1上还设置单向排水阀15，在激发舱外壳4与顶板1刚接触时，顶板1与活塞33间仍会有少量海水，这些海水由单向排水阀15向外排出，单向排水阀15不允许海水由外进入激发舱40。

所述底座2上设置有控制舱3；控制舱3包括激发控制系统32、电动活塞推动装置31、活塞33和磁吸装置34；所述的活塞33设置在控制舱3的顶部，所述电动活塞推动装置31与活塞33相连用于推动活塞33上下运动；所述激发控制系统32设置在控制舱3的内部，其一方面与磁吸装置34相连用于控制磁吸装置34的工作，其还与激发控制开关12相连用于控制激发控制开关12工作，另一方面，激发控制系统32还与电动活塞推动装置31相连对其进行控制。所述的磁吸装置34设置在控制舱3底部的外壁面上，优选的，其还与底座2固定连接。所述磁吸装置34为电磁铁，工作时通电从而产生电磁力吸引激发舱外壳4。

进一步的，所述顶板1的下表面设置有与激发舱外壳4的内外圈凸沿配合的凹槽；优选的，凹槽截面呈梯形或三角形，激发舱外壳的顶部内外圈凸沿的截面形状与凹槽截面相同，两者配合实现锥面密封。在本发明的一个具体实施例中，所述激发舱外壳的顶部内外圈凸沿为一体式结构，内外圈凸沿整体呈等腰三角形，其设置在激发舱外壳的顶部。

激发舱外壳的顶部内外圈凸沿可以沿激发舱外壳的顶部轮廓设置一圈，也可以仅仅在顶部轮廓上选择若干位置设置几处内外圈凸沿。凹槽的数量和形状保持与内外圈凸沿的数量和形状一致。

所述激发控制开关12设置在凹槽内，优选为设置在凹槽的侧壁上。激发控制开关12通常可设置多个，其同步运动。激发控制开关12具体可以选择为带弹簧的磁吸开关，其通常可以包括电磁铁、弹簧和活动件三个主要组件，活动件为铁磁材料，其与弹簧相连，在电磁铁不通电的情况下，弹簧处于自然状态，活动件伸出并抵靠在外圈凸沿的底部锁住激发舱外壳；当电磁铁通电后，活动件被吸引并压缩弹簧不再限制外圈凸沿，从而解锁激发舱外壳。

所述的激发舱外壳4套设在控制舱3外部，且可相对于控制舱3上下移动；激发舱外壳4的顶部内外均设置有一圈凸沿；内圈和外圈的凸沿可以是分开的，也可以为一体式的凸沿。其中，内圈的凸沿用于配合活塞33，实现活塞33带动激发舱外壳4向上运动的目的；外圈的凸沿用于配合顶板1上设置的激发控制开关12，将激发舱外壳4锁定在顶板1上；激发舱外壳4的底部设置有一圈磁性体41；用于配合底座2上设置的磁吸装置34；当磁吸装置34通电时，将产生磁力，从而磁吸磁性体41，此时激发控制开关12解锁，激发舱外壳4即可在磁吸作用下向下运动，其底端最终吸附在底座2上。

所述的顶板1上设置有供电与信号传输接口13，其通过线缆与外部的船上控制中心通信连接。供电与信号传输接口13通过从支撑杆内部走线的线缆与控制舱3相连。从而实现船上控制中心对控制舱3的激发控制系统32、电动活塞推动装置31的控制。所述的进气管11与外部的船上气泵相连。

所述的激发舱外壳4与控制舱3为滑动连接，且之间设置有密封环42用于密封。在一个可选的实施方式中，所述控制舱3外壁面上设置有滑动轨道35，所述激发舱外壳4的内壁设置在滑动轨道35上，从而实现竖向的滑动。

本发明气枪的激发过程如图3所示。气枪待激发时，激发舱处于关闭状态，磁吸装置处于待命状态。当激发指令通过船上控制中心发出后，气枪控制舱内的激发控制系统开始下达激发指令，首先，用于固定激发舱外壳的激发控制开关打开，同时控制舱内的电磁系统开始工作，借助磁吸装置对激发舱外壳底部的磁性体做功，使外壳迅速打开。此时，激发舱内气体在周围高压水体的作用下发生内爆，形成震源子波。激发完成之后，磁吸系统暂停工作，激发控制系统对电动推进装置下达工作命令，推动活塞并带动激发舱外壳向上移动，直至外壳完全到达顶端位置，在排水过程中，位于顶板处的单向排水阀在压力作用下会自动打开，在排水完成后，由于外部压力消失，排水阀自动关闭。在外壳到达顶端位置后，激发控制开关对外壳进行固定。随后，电动推进装置进行回收，此时连接输气管道的单向进气阀打开，并跟随活塞的移动完成激发舱内气体的注入，直至完成充气，等待下一次激发。

利用气泡震荡理论对本发明负压气枪震源的子波进行了模拟。图4展示了40cu.in单枪在200m水深处，采用不同压力供气时模拟得到的子波特征。通过分析可以看出，当气体内压大于静水压力时(如本例中的2000psi)，与传统高压气枪类似，会首先产生正的近似脉冲波，后续会有周期震荡，当气体内压下降并小于静水压力时(如本例中的500psi和标准大气压14.6psi)，在枪体打开后，气体首先会被挤压，随后会发生反弹(内爆)，且随着气体内外压力差的增加，反弹产生的脉冲子波峰值振幅变大。对比频谱曲线，可以看出本发明负压供气模式生成的子波高频能量显著提高，整个频谱更加均衡。相比传统高压气枪，本发明负压气枪子波的残留气泡震荡明显减弱，子波的初泡比明显提升。

由于在枪体打开瞬间气泡壁速度为零，因此可以将负压空气枪设计近似理解为一个虚拟的高压气泡(初始气泡内压高于静水压力)向外扩张直至半径最大时刻(待激发时的初始气泡半径)，随后气泡被压缩(激发后枪体打开)，气泡半径减小，气泡内压增大，在气泡内外压力平衡时，由于惯性原因，气泡会被继续压缩，直至半径最小，由于此时气泡内压高于水压，会再次挤压水体，形成图4中所示的正脉冲峰值。由此可见，从理论分析角度看，负压空气枪的工作原理更接近传统高压气枪主脉冲后的残留气泡震荡，对比子波模拟结果可以得出同样结论。

图5对比了气枪在200m沉放深度采用不同气压供气时，气泡半径和气泡壁速度曲线。可以看出在气泡内压由大于静水压力到小于静水压力的过程中，气泡形态和运动特征发生了极性反转，由向外扩张变为向内压缩，且随着内外压差的增大，变化幅度逐渐增强。

图6对比了容量为40cu.in的负压气枪在不同沉放深度处模拟得到的震源子波。通过对比可以看出随着深度的增加，静水压力随之增大，导致气泡内外压力差变大，因此气泡震荡周期变小，子波正负脉冲幅度变大，同时残留气泡震荡幅度减小。频谱方面，随着气枪激发深度的增加，子波能量级整体提升，由气泡震荡引起的频谱凹陷随着深度的增加而增大，子波主频也随着增大。

图7对比了不同容量负压气枪震源在水下500m深度处激发时模拟得到的震源子波。从图中可以看出气枪容量越大，对应子波的正负脉冲峰值越高，震荡周期越大。相应频谱主频随着容量增加变小，陷波频率变小，但能量级整体变高。

图8对比了容量为200cu.in的传统高压气枪在10m深度处激发和本发明负压气枪在500m深度处激发时的子波模拟结果。可以看出，负压气枪子波脉冲振幅要远高于高压气枪子波，其残留气泡震荡也明显弱于传统高压气枪子波，对应频谱更为光滑，能量更为均匀。此外，负压气枪在激发之后，震源端鬼波到达时间要远远滞后于首波(本例中，约为0.67秒)，在海底浅层结构探测中可以避免震源端鬼波干扰，且由于传播距离相对首波更远，因此鬼波干扰被减弱，反射地震资料品质相应得到提升。传统的激发深度则无法避免(本例中鬼波滞后时间约为0.013秒，且由于传播距离相近，在实际反射地震资料中，首波与鬼波能级相当)。

由以上可见，传统高压气枪需要船载空压机系统压缩空气，其有效压强会有动态起伏，负压空气枪利用深水环境提供的天然的外部压力用于子波激发，在保证气枪激发深度的前提下，即可获得稳定的外部激励，因此更为经济和可靠。此外，负压空气枪震源能够突破常规水深限制，实现深水环境激发，因此可以有效延迟和减弱震源鬼波的干扰，将有效改善海底地层尤其是海底浅层结构的成像质量。通过模拟对比发现，负压气枪震源的残留气泡震荡要明显弱于传统的高压气枪，因此子波分辨能力力得到有效提升，子波的频带宽度和能级可以通过调整气枪深度和容量进行调整，也可通过多枪的深度和容量组合开展震源优化设计。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种内爆式海洋负压空气枪震源，其特征在于，包括顶板、底座、控制舱、激发舱外壳和枪体支架；

顶板和底座之间通过枪体支架相连，枪体支架使顶板和底座之间始终维持设定的间距；控制舱、激发舱外壳设置在顶板和底座之间；

所述的激发舱外壳套设在控制舱外部，且可相对于控制舱上下滑动；激发舱外壳的顶部内外圈均设置有一圈凸沿；激发舱外壳的底部设置有一圈磁性体；

所述顶板的下表面上设置有若干激发控制开关，激发控制开关用于限制激发舱外壳顶部的外圈凸沿的运动从而锁紧激发舱外壳；激发舱外壳被锁紧后，由顶板、激发舱外壳和控制舱包围形成密闭的激发舱；所述顶板上设置有进气管用于向激发舱内注入气体，进气管上设置有单向进气阀使气体只能由进气管进入激发舱；

所述控制舱设置在底座上；控制舱包括激发控制系统、电动活塞推动装置、活塞和磁吸装置；所述的活塞设置在控制舱的顶部，所述电动活塞推动装置与活塞相连用于推动活塞上下运动，活塞向上运动时与激发舱外壳的顶部内圈凸沿接触从而带动激发舱外壳向上同步运动；所述激发控制系统设置在控制舱的内部，其分别连接并控制磁吸装置、电动活塞推动装置和激发控制开关，所述的磁吸装置设置在控制舱底部的外壁面上，磁吸装置在通电后产生磁力用于磁吸激发舱外壳的磁性体。

2.根据权利要求1所述的内爆式海洋负压空气枪震源，其特征在于，所述枪体支架包括多根竖向设置的支撑杆，支撑杆内部中空可用于走线缆。

3.根据权利要求1所述的内爆式海洋负压空气枪震源，其特征在于，所述的顶板上设置有供电与信号传输接口，供电与信号传输接口通过线缆与外部的船上控制中心通信连接；供电与信号传输接口通过从支撑杆内部走线的线缆与控制舱相连；实现船上控制中心对控制舱的激发控制系统、电动活塞推动装置的控制。

4.根据权利要求1所述的内爆式海洋负压空气枪震源，其特征在于，所述的进气管与外部的船上气泵相连，所述顶板上设置有用于排水的单向排水阀。

5.根据权利要求1所述的内爆式海洋负压空气枪震源，其特征在于，所述顶板的下表面设置有与激发舱外壳的顶部内外圈凸沿配合的凹槽，凹槽截面呈梯形或三角形，激发舱外壳的顶部内外圈凸沿的截面形状与凹槽截面相同，两者配合实现锥面密封；所述激发控制开关设置在凹槽内。

6.根据权利要求1所述的内爆式海洋负压空气枪震源，其特征在于，所述激发舱外壳顶部内圈凸沿和外圈凸沿可以是分开的，也可以为一体式的凸沿。

7.根据权利要求1所述的内爆式海洋负压空气枪震源，其特征在于，所述的控制舱整体呈上下均匀的柱状结构；所述激发舱外壳包裹在所述控制舱的外围；所述控制舱顶部的活塞的形状与激发舱的截面形状相同。

8.根据权利要求1所述的内爆式海洋负压空气枪震源，其特征在于，所述的激发舱外壳与控制舱为滑动连接，且之间设置有密封环用于密封；所述控制舱外壁面上设置有滑动轨道，所述激发舱外壳的内壁设置在滑动轨道上，从而实现竖向的滑动。

9.一种权利要求1所述内爆式海洋负压空气枪震源的激发方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)气枪待激发时，激发舱外壳与顶板接触并被激发控制开关锁紧，顶板、激发舱外壳和控制舱包围形成密闭的激发舱；激发舱处于关闭状态，

2)当激发指令通过船上控制中心发出后，气枪控制舱内的激发控制系统开始下达激发指令，首先，用于固定激发舱外壳的激发控制开关打开，同时控制舱内的磁吸装置通电工作，磁吸装置对激发舱外壳底部的磁性体产生吸力，使激发舱外壳迅速向下运动，激发舱被打开；此时，激发舱内气体在周围高压水体的作用下发生内爆，形成震源子波；

3)激发完成之后，磁吸装置断电暂停工作，激发控制系统对电动推进装置下达工作指令，电动推进装置推动活塞并带动激发舱外壳向上移动，直至激发舱外壳完全到达顶端位置；在激发舱外壳到达顶端位置后，激发控制开关对其进行锁定；

4)电动推进装置带动活塞进行回位，此时连接进气管的单向进气阀打开，并跟随活塞的移动完成激发舱内气体的注入，直至完成充气，等待下一次激发。