CN117492068B - 一种具有压力补偿功能的电动液压式海洋可控震源 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋地震勘探装备领域，公开了一种具有压力补偿功能的电动液压式海洋可控震源的装置和系统，包括液压供油系统、压力补偿系统以及换能器系统，其中，所述液压供油系统，通过进油管和出油管与换能器系统连接，为换能器系统供给液压油和存储排出的液压油；压力补偿系统，通过气管连接至换能器系统，使得换能器系统的内部气体压力和外部的静水压力保持一致。换能器系统用于输出声信号，本发明在海洋地震勘探中，可以替代气枪震源，低频输出能力强且环境友好，通过电动液压系统驱动辐射表面，实现大能量低频信号输出，同时通过压力补偿系统，平衡静水压力，从而进一步提高低频信号输出能力。

Description

一种具有压力补偿功能的电动液压式海洋可控震源

技术领域

本发明属于可控震源海洋地震勘探领域，具体来讲为一种具有压力补偿功能的电动液压式海洋可控震源。

背景技术

海洋油气资源勘探需要震源用于激发地震信号尤其是低频段地震信号。海洋可控震源相较于气枪震源具有环境友好，低频段信号输出能力强等特点，如何提高海洋可控震源低频能量输出能力是亟需解决的难点。

电磁式可控震源和液压式可控震源是目前主流的两种海洋可控震源类型。电磁式海洋可控震源控制精度高但出力相对小，液压式可控震源出力相对大但是控制精度相对较低。电动液压式海洋可控震源由于使用电动机驱动液压泵，通过设计较好的电机控制系统，可以进行精确的扭矩和转速控制，同时可以轻松调整输出功率，实现较高的功率输出和精确的运动控制。

同时由于海洋可控震源在水下工作，其辐射表面收到静水压力，造成能量浪费，声波信号能量降低的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有压力补偿功能的电动液压式海洋可控震源，基于电动液压式驱动结构，能够在海洋地震勘探中提供低频大能量的声信号输出，通过控制压力补偿系统使海洋可控震源在水中内部压力和外部静水压力平衡，避免换能器克服静水压力做功，导致能量浪费，进一步提高声信号输出能力，提高海洋地震勘探水平。

一种具有压力补偿功能的电动液压式海洋可控震源，包括：液压供油系统、压力补偿系统以及换能器系统，其中，

所述液压供油系统，通过进油管和出油管与所述换能器系统连接，为换能器系统供给液压油和存储排出的液压油；

所述压力补偿系统，通过气管连接至所述换能器系统，使得换能器系统的内部气体压力和外部的静水压力保持一致。

进一步地，所述换能器系统包括圆柱形外壳，设置在圆柱形外壳内的驱动杆、活塞、加速度传感器、液压阀、液压泵、电机及液压驱动腔，圆柱形外壳的两端设置辐射表面，与圆柱形外壳形成密封腔体，液压驱动腔位于两个辐射表面之间的中心轴线上，液压驱动腔设置有两个驱动杆，所述驱动杆的端部设置活塞，所述活塞上设置加速度传感器，液压泵通过液压供油系统供油，液压泵通过液压阀连接液压驱动腔，并通过电机驱动，当电机驱动液压泵吸入液压油形成高压液压进入液压驱动腔时，带动驱动杆往返运动，通过活塞驱动辐射表面产生声波，并通过液压阀切换液压油流向液压驱动腔的方向。

进一步地，所述压力补偿系统包括高压气源、减压阀以及EPC电子压力控制模块，所述高压气源通过气管连接至减压阀，用于将高压氮气减压，所述减压阀另一端连接至EPC电子压力控制模块，EPC电子压力控制模块的另一端连接至换能器系统内部。

进一步地，EPC电子压力控制模块包括比例控制阀、第一信号放大电路、第二信号放大电路、第一数模转换电路、第二数模转换电路、PID控制器、以及压力传感器，所述高压气源释放氮气通过减压阀，输出低压力的氮气，通过比例控制阀的进气口进气，再通过比例控制阀的出气口进入换能器系统内部，压力传感器设置在比例控制阀的出气口与换能器系统之间，所述比例控制阀还包括一个排气口通入水内；所述压力传感器通过第二信号放大电路以及第二数模转换电路传递至PID控制器，所述PID控制器的控制端通过第一数模转换电路和第一信号放大电路连接比例控制阀的控制端，将控制电压信号送入比例控制阀的控制端。

进一步地，所述换能器系统的内部压力低于静水压力时，高压气源的气体经过比例控制阀的进气口以及出气口以及连接管道补充到换能器系统内，使换能器系统内部压力升高；当换能器系统内部压力高于静水压力时，控制比例控制阀，使得换能器系统的高压气体通过连接管道经由比例控制阀的出气口以及排气口，释放到水中，使换能器系统内部压力下降。

进一步地，还包括有支撑结构，所述支撑结构包括底座，设置在底座上的支架，支架上通过螺栓设置四个吊环，油管保护支架布置在进油管和出油管四周，固定在支架上用于保护油管，并通过支撑板固定液压供油系统、压力补偿系统以及换能器系统。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明采用电动液压式驱动结构 为基础的海洋可控震源，在海洋地震勘探中，可以用于替代气枪震源，低频输出能力强且环境友好，通过电动液压系统驱动辐射表面，电机控制系统结合整流逆变电路、角度编码器和加速度传感器信息，形成闭环控制回路，保证对电机运转的精确控制，同时实现大能量低频信号输出。同时通过压力补偿系统，使海洋可控震源在水中内部压力和外部静水压力平衡，避免换能器克服静水压力做功，导致能量浪费，进一步提高声信号输出能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的海洋可控震源的立体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的海洋可控震源主视半剖图；

图3是本发明实施例提供的海洋可控震源中的换能器系统剖面示意图；

图4是本发明实施例提供的换能器系统中电机控制系统示意图；

图5是本发明实施例提供的EPC电子压力控制模块的模块示意图；

图6为本发明实施例采用的液压阀换向的原理图；

图7为本发明实施例采用的比例控制阀的原理图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1结合图2所示，为本发明提供的海洋可控震源立体结构示意图，图2是本发明提供的海洋可控震源中的换能器剖面图。本发明提供了一种具有压力补偿功能的电动液压式海洋可控震源，包括液压供油系统，压力补偿系统，换能器系统；所述液压供油系统设置在换能器系统的一侧，通过进油管和出油管与所述换能器系统的液压泵的进液口和出液口相连接；所述压力补偿系统设置在换能器系统的另一侧，通过气管6连接至所述换能器系统。具体的，包括底座1，设置在底座1上的支架2，压力补偿系统设置在底座1上，包括：高压气源3、减压阀4、EPC电子压力控制模块5以及气管6，支架2上通过螺栓8设置四个吊环7，换能器系统通过电缆9与外部连接电能，液压供油系统包括液压油箱10，油管保护支架11设置在液压油箱10两侧，用于保护出油管12和进油管13。

支架2固定在底座1，作为整个海洋可控震源的框架，吊环9通过螺栓8连接在支架2上，用于吊装海洋可控震源进行水下作业，油管保护支架11布置在液压油管四周，固定在支架2上用于保护油管，避免撞击等造成油管破裂，还设置有第一支撑板14通过螺栓固定在底座1，用于固定液压油缸，第二支撑板15通过螺栓固定在底座1，用于固定EPC电子压力控制模块，第三支撑板16通过螺栓固定在底座1上，用于固定高压气源。

图3是本发明实施例提供的海洋可控震源中的换能器系统剖面图。参见图3所示，所述换能器系统包括圆柱形外壳，设置在圆柱形外壳内的驱动杆21、活塞22、加速度传感器23、液压阀24、液压泵25、电机26及液压驱动腔27，以及圆柱形外壳两端的辐射表面28，液压泵25的进液口连接进油管13，液压泵的出液口连接出油管，液压泵通过液压阀以及管路连接液压驱动腔，并通过电机驱动，液压泵25通过电机26驱动吸入液压油形成高压液压进入液压驱动腔27内，所述液压驱动腔27的两端设置两个方向的驱动杆21，参见图6所示，液压驱动腔27内设置两个驱动杆21，两个驱动杆21通过在液压驱动腔27移动，并将液压驱动腔27分为三个腔室，中间腔室以及两端的腔室，驱动杆21的另一端设置活塞，驱动杆21位于两个辐射表面之间的中心轴线上，液压泵25吸入液压油形成高压液压进入液压驱动腔27内后带动驱动杆21运动，液压阀24采用电磁换向阀，电磁换向阀采用现有的外购件结构，它基于电磁力，当电流通过电磁线圈时这时，它会产生磁场，使阀芯移动，这个运动改变液压油流向液压驱动腔27的方向，参见图6所示，例如一种可以实现换向的电磁换向阀的五口换向阀结构，但本发明并不限定于这一种结构：液压油从液压阀24的进液口D1端进入，在阀体的控制下，由D1端经由A端流向中间腔室，高压液压油驱动两个驱动杆21向两端移动，两端的腔室内液压油经由B端和C端形成的通道流出，通过液压阀24换向后，关闭了D1端，液压油经由D2端与B端形成的通道流入至两端的腔室内，从而挤压中间腔室的液压油经由A端与C端形成的通道流出，从而驱动驱动杆21向中间移动，通过控制液压阀24的切换频率，控制驱动驱动杆21按照一定的频率做伸出或缩回的动作撞击辐射表面。活塞22连接在驱动杆21上，驱动辐射表面28形变产生声波，辐射表面不与活塞连接，只是驱动杆运动然后带动焊接在驱动杆上面的活塞去撞击辐射表面，所采用的加速度传感器23安装在活塞上，采用B&K公司4394型微型压电式CCLD加速计，它灵敏度很高达到1mv/ms^-2，频带范围宽为1~25000Hz，质量轻，适合冲击和振动测量，通过M3钢螺栓安装到活塞上用于测量活塞加速度。

图4是本发明实施例提供的换能器系统包括电机控制系统示意图。参照图4所展示的是换能器系统电机控制系统闭环控制示意图。数字控制器选用STM32F103芯片作为主控芯片，因为它众多的外接引脚和可靠性。加速度传感器将测量得到的活塞加速度信息传到数字控制器作为PID控制的重要参量。中间的整流逆变电路能够实现间接交流变流电路即AC/DC以及DC/AC，即交流-直流，直流-交流的转换，用到PWM改变信号幅值以及频率。电机核心参数是其电机输出轴的转矩以及转数，在合理机械结构的延展下电机就可以作为动力源，驱动液压泵，将输入信号对应地以转矩以及转数的形式输出。角度编码器将电机运作时的角度实时传输到数字控制器，作为PID控制的另一重要参量。

图5是本发明实施例提供的EPC电子压力控制模块示意图。压力补偿系统包括EPC电子压力控制模块和减压阀，高压气源和管道，参照图5所展示是压力补偿系统中的EPC电子压力控制模块（EPC全称Electronic Pressure Control。首先高压气源释放氮气通过减压阀，输出较低压力的氮气，从进气口进气，通过比例控制阀，再进入换能器系统内部。比例控制阀工作区域裹一圈铝皮，因为比例控制阀在工作时会产生电子辐射，压力传感器非常容易受到影响，

EPC电子压力控制模块包括比例控制阀、第一信号放大电路、第二信号放大电路、第一数模转换电路、第二数模转换电路、PID控制器以及压力传感器，所述高压气源释放氮气通过减压阀，输出低压力的氮气，从进气口进气，通过比例控制阀，进入换能器系统内部，所述比例控制阀，见图7所示，采用的是具有一个进气口E，一个出气口F以及一个排气口G的电磁阀，采用成熟的外购件结构，原理图如图7所示；所述压力传感器设置在比例控制阀的出气口F与换能器系统之间，用于测量气体压力，压力信号通过第二信号放大电路以及第二数模转换电路传递至PID控制器，所述PID控制器的控制信号经过第一数模转换电路和第一信号放大电路后，将控制电压信号送入比例控制阀的控制端，用于调节比例控制阀，比例控制阀采用外购件，除了比例控制阀的机械结构外，阀体的移动通过携带的包括功率控制电路在内的控制电路实现控制。此处不再展开。

当换能器系统的内部气体压力和静水压力不一致时，比例控制阀动作，直到换能器系统内外压差小于允许压差。当换能器内部压力低于静水压力时，高压气源的气体经过比例控制阀和连接管道补充到换能器系统内，使换能器系统内部压力升高。当换能器系统内部压力高于静水压力时，换能器系统的高压气体通过连接管道进入比例控制阀的排气口释放到水中，使换能器系统内部压力下降。结合图7将原理解释如下：当换能器内部压力低于静水压力时，比例控制阀打开进气口E与出气口F之间的通道，从进气口E通过出气口F向换能器系统内部充气，当换能器系统内部压力高于静水压力时，控制比例控制阀关闭进气口E与出气口F之间的通道，打开排气口G与出气口F之间的通道，此时气体从出气口F进入从排气口G排出至水中。由于换能器系统内部压力高于静水压力，海水不会回流。即压力补偿过程可以分为换能器充气过程和换能器放气过程，从而通过压力补偿实现声波波形的稳定性。

初始中状态时，先通过输入一个压力值或者流量值送到PID控制器，压力传感器电压通过第二信号放大电路，由第二数模转化器将其转化为数字量，然后送到PID控制器，比较实际采样值和输入设定值，进行PID控制算法计算，计算结果通过数模转换器进行数模转换，再将控制电压信号送入比例控制阀的功率驱动电路来调节以控制比例控制阀工作，从而得到稳定的流量压力。依据EPC电子压力控制模块的控制思想，选择压力传感器和比例控制阀、数模转换电路、功率驱动电路及PID控制器。为实现电路板的小型化。可以采用贴片器件和多层板加工工艺。采用成熟的PID控制算法，通过Simulink仿真和计算，计算比例、微分和积分参数值，以实现精确的流量压力精确控制。

Claims (4)

1.一种具有压力补偿功能的电动液压式海洋可控震源，其特征在于，包括：液压供油系统、压力补偿系统以及换能器系统，其中，

所述液压供油系统，通过进油管和出油管与所述换能器系统连接，为换能器系统供给液压油和存储排出的液压油；

所述压力补偿系统，通过气管连接至所述换能器系统，使得换能器系统的内部气体压力和外部的静水压力保持一致；

所述换能器系统包括圆柱形外壳，设置在圆柱形外壳内的驱动杆、活塞、加速度传感器、液压阀、液压泵、电机及液压驱动腔，圆柱形外壳的两端设置辐射表面，与圆柱形外壳形成密封腔体，液压驱动腔位于两个辐射表面之间的中心轴线上，液压驱动腔设置有两个驱动杆，所述驱动杆的端部设置活塞，所述活塞上设置加速度传感器，液压泵通过液压供油系统供油，液压泵通过液压阀连接液压驱动腔，并通过电机驱动，当电机驱动液压泵吸入液压油形成高压液压进入液压驱动腔时，带动驱动杆往返运动，通过活塞驱动辐射表面产生声波，并通过液压阀切换液压油流向液压驱动腔的方向；

所述压力补偿系统包括高压气源、减压阀以及EPC电子压力控制模块，所述高压气源通过气管连接至减压阀，用于将高压氮气减压，所述减压阀另一端连接至EPC电子压力控制模块，EPC电子压力控制模块的另一端连接至换能器系统内部。

2.根据权利要求1所述的具有压力补偿功能的电动液压式海洋可控震源，其特征在于，EPC电子压力控制模块包括比例控制阀、第一信号放大电路、第二信号放大电路、第一数模转换电路、第二数模转换电路、PID控制器、以及压力传感器，所述高压气源释放氮气通过减压阀，输出低压力的氮气，通过比例控制阀的进气口进气，再通过比例控制阀的出气口进入换能器系统内部，压力传感器设置在比例控制阀的出气口与换能器系统之间，所述比例控制阀还包括一个排气口通入水内；所述压力传感器通过第二信号放大电路以及第二数模转换电路传递至PID控制器，所述PID控制器的控制端通过第一数模转换电路和第一信号放大电路连接比例控制阀的控制端，将控制电压信号送入比例控制阀的控制端。

3.根据权利要求2所述的具有压力补偿功能的电动液压式海洋可控震源，其特征在于，所述换能器系统的内部压力低于静水压力时，高压气源的气体经过比例控制阀的进气口以及出气口以及连接管道补充到换能器系统内，使换能器系统内部压力升高；当换能器系统内部压力高于静水压力时，控制比例控制阀，使得换能器系统的高压气体通过连接管道经由比例控制阀的出气口以及排气口，释放到水中，使换能器系统内部压力下降。

4.根据权利要求1所述的具有压力补偿功能的电动液压式海洋可控震源，其特征在于，还包括有支撑结构，所述支撑结构包括底座，设置在底座上的支架，支架上通过螺栓设置四个吊环，油管保护支架布置在进油管和出油管四周，固定在支架上用于保护油管，并通过支撑板固定液压供油系统、压力补偿系统以及换能器系统。