CN1910476A - 震源和在地层中产生地震波的方法 - Google Patents

Abstract

一种震源，包括具有旋转部(104)和往复部(105)的致动装置，将旋转部(104)的转动转换成往复部(105)的往复运动的波状表面转换装置(109)，以及通过弹簧(107)与致动装置的往复部(105)连接的振动体(106)。

Description

震源和在地层中产生地震波的方法

技术领域

本发明涉及一种包括致动装置的震源，尤其是井下震源。本发明还涉及一种在地层中产生地震波的方法。

背景技术

美国专利4,702,343描述了一种井下震源。该井下震源具有一夹板形振动体，其通过径向活塞与地下井孔的内壁接触。活塞由液压流体操纵。为了激发地震波，可通过操纵驱动活塞的伺服控制阀门以脉冲模式来改变由活塞施加的夹紧力。伺服控制阀门由从地面通过电线传来的信号和电力进行控制，为了产生信号，需要使用电振荡器。

发明内容

本发明的目的在于排除电振荡器的必要性。

本发明提供的震源包括具有旋转部和往复部的致动装置、用于将旋转部的转动转换成往复部的往复运动的转换装置、以及通过弹簧与致动装置的往复部相连的振动体。

振荡源是以机械转动为基础的，为此，可将旋转装置置于地下井孔的井下。由于振荡是通过转动产生的，因此无需使用电振荡器。

使用时，振动体可与地层接触。弹簧作为弹性装置用于调节往复部的振幅，以免损坏震源和/或地层。

通过控制旋转部的转速实现对往复运动的频率控制，该速度可通过变化速度比振荡频率慢的信号来控制。

往复运动可为线性往复运动。转动至往复运动的转换优选包括往复部与旋转部之间的频率耦合。

有利地，转换装置包括布置成用于将旋转部的转动转换成往复部的往复运动的机械交互装置。由于机械转换作用，往复部可由较大的力驱动，从而可将大功率传送给往复部的往复运动。可达到的动力至少高于如现有技术的美国专利4,702,343中所描述的阀门脉冲的活塞压力。

在本说明书的上下文中，弹簧可为任何类型的弹性体，但在有利的实施例中，弹簧为液体弹簧。这种液体弹簧可包括填充液体的压力腔，从而往复部件与振动体之间的相对运动使得液体加压或减压。因此，要设置刚度合适的弹簧。另外，液体弹簧的优点在于其压力可变，以调整偏压力。

为了驱动震源旋转部转动，可设置驱动装置，尤其是液压马达。

本发明还提供了一种在地层中产生地震波的方法，其中，将致动装置驱动，而驱动致动装置的过程包括驱动旋转部转动、并将转动转换成往复部的往复运动以及将往复运动的能量通过弹簧传给地层。

附图说明

下面将通过实施例并参照附图进一步详细地描述本发明，下文将描述更多的实施方式，其中：

图1为本发明的一个实施方式的井下震源的截面示意图；

图2为用于图1的震源的轴承支承的示意图；

图3为用于图1的震源的致动装置的示意图；

图4为本发明的另一实施方式中安装在钻铤中的井下震源的截面示意图；

图5为本发明的另一实施方式中安装在钻铤中的井下震源的截面示意图；

图6为用于驱动震源的液压马达的示意图；

图7为安装在钻铤中的液压马达的示意图；

图8为根据另一实施方式的液压马达的示意图；

图9为设有另一实施方式的液压马达装置的钻铤的示意图；以及

图10为用于图9的实施方式中的排出容器的截面示意图。

具体实施方式

附图中，相同部件的附图标记相同。

图1示出了与地下地层103接触的震源的实施方式。该震源设有一具有旋转部104和往复部105的致动装置，以及一振动体106。振动体106通过弹簧107与往复部105相连。此处的弹簧107具体为液体弹簧107。旋转部104可选择性地通过传动齿轮机构与任一种旋转驱动马达(未示出)连接，优选流体驱动型液压马达。下面将详细描述用于驱动震源的优选液压马达装置。

在图1的实施方式中，旋转部104通过锥形啮合轮108驱动，以使马达的驱动轴与旋转部104的转动轴正交。根据特殊情况的具体设计约束条件，可选择其他类型的驱动装置，例如包括线性啮合轮或链条或皮带传动装置。

旋转部104由嵌入支承块136的轴承112支承，优选金刚石推力轴承。此后在本说明书中将详细描述轴承112与支承块136。在旋转部104中设有与旋转部104的转动轴基本同轴的中心通道102。该通道可设为中心孔形式。下面将说明该通道的用途。

作用于壳体110的朝向地层103作用力使得振动体106推压在地层103上，从而使得往复部105通过液体弹簧107被压在旋转部104上。旋转部通过轴承112轴向支承在壳体110中。

锥形啮合轮108通过花键联轴节113与旋转部104接合，旋转部与锥形啮合轮108之间允许少许轴向间隙。由此可以达到适应比如由于轴承112磨损造成的旋转部104轴向位移而不会卡住驱动机构的目的。

往复部105通过花键段111与致动装置的壳体110连接，允许往复部105相对于壳体110轴线滑动。

旋转部104和往复部105设有波状耦合面109形式的转换装置，其剖面所在的平面基本上与旋转部104的旋转轴垂直。波状耦合面109彼此滑动设置。

波状耦合面109可设置于装在旋转部104和往复部105上的分离的齿冠件上，或者它们可在这些旋转部和往复部上直接加工而成。为了产生更佳的地震波形，至少一个耦合面109加工成正弦形剖面波纹。应当理解，耦合面中的任一个或二者均可具有正弦形剖面。

致动装置浸在用于润滑和/或冷却明显地包括一或多个支承面113和波状耦合面109的活动部件官能流体中，合适的官能流体为油。官能流体保持在由壳体110和端件118所形成的腔室110中。可设置压力平衡装置来平衡官能流体的压力(Poil)与环境压力(Pmud(P_泥浆))。作为一个实施例，设置压力传递通道119用于将腔室117与周围，例如地下井孔相连，以使得压力Poil和Pmud取值相同。分离体116设置于压力传递通道119内以避免石油与周围环境混和。分离体116可为以活塞元件的形式滑动置于圆柱形井孔内119的柔性壁，或膜式壁(未示出)。

图2示出了轴承支承块136的详图，其保持着可由聚晶金刚石复合片(PDC)材料组成的一对金刚石推力轴承的第一轴承块112A。适于设置于壳体110的开孔内的密封件135的支承块136由黄铜一类的高导热性材料构成，以有利于冷却轴承件112A。第二轴承件112B会与旋转部104相连，优选也是通过导热支承块137(未示出)相连。

参见图2和图1，中心孔134设置于第二轴承件112B，它会与旋转部104中的中心孔102对齐。在第二轴承件112B的表面上设有一或多个开槽113，该表面面向第一轴承件112A并与之接合。

当两个轴承件接合时，一或多个开槽133中的每一个均形成一通道，以确定出中心孔134与其周边附近的轴承件112的周围环境之间的流体通道。正如下面进一步说明的一样，一或多个开槽用于吸收来自壳体腔117的官能流体。备选地，不在第二轴承件112B上设置开槽133，或除了该开槽之外，还可在第一轴承件112A上设置一或多个开槽。

下面参见图1可以看出，中心孔102分成一或多个通道99，各通道具有相对于旋转部104的转动轴的径向分量。这些通道99在旋转部104与往复部105之间的缝隙中流出(debouche)，该缝隙做成波状耦合面109。正如下面进一步说明的一样，一或多个通道99用作注射装置，用于注射波状耦合面109之间的官能流体117。

往复部104中的中心通道102还与往复部105中设置的中心通道98流体连接。中心通道98分成在花键段111中的花键之间流出的一或多个通道97。

图3示出了图1的震源的旋转部104和往复部105的分离视图。可以看到旋转部104中的中心通道102的开口端，还可以看到一或多个通道97的开口端在往复部105的花键111之间流出。旋转部104的耦合面109A的剖面沿围绕旋转轴的圆周方向为正弦形。该剖面的波幅大于往复部105的耦合面109B的圆周向正弦形剖面的波幅。换言之，耦合面109的剖面并非完全相配。这样，在耦合面109之间始终保持着具有一缝隙的区域，从而可容纳一些用于润滑和/或冷却目的的官能流体。

花键段111防止往复部105在壳体110中转动。由于波状耦合面109相互之间的机械作用，旋转部104的转动变成往复部105往复运动。

仍然参见图3，旋转部104具有轴端140，该轴端将滑动插入至往复部105中设置的接收孔141中。由此确保旋转部104在往复部105上准确地轴向对中，从而旋转部104可相对于往复部105转动，而后者则相对于旋转部104轴向往复。

作用于往复部105上的波幅和振动波形结果由波纹面109的轮廓(剖面)确定。经发现，介于0.01和1.0毫米之间的波幅适于驱动地震波。优选地，为了传送约大于1千瓦的强地震力，波幅需大于0.05mm。优选地，为了确保往复部105所要求的驱动力可由弹簧传送而不会损坏震源，波幅小于0.6mm。

往复部105与振动体106之间的弹簧107起到缓冲器的作用。它调节着往复部105与地层3之间的往复波幅的差异。另外，弹簧107在往复部105上提供偏压以将其压在旋转部104上。

在图1的实施方式中，弹簧107为由压力腔组成的液体弹簧。往复部105和振动体106可滑动进入压力腔内。经过端件118的孔114，或其他任何通道，与压力腔流体连接，以使得弹簧液体以受控方式供入压力腔以及从中排出。

往复部105相对于振动体106的相对运动为弹簧液体加压或减压，从而产生一弹簧刚度，该刚度由压力腔的体积和弹簧液体的压缩模量确定。刚度为力单位与长度单位之比值，其定义是，通过压缩使弹簧实现一定量的收缩所需要的力。

通过止回阀(未示出)与压力腔107选择性地分开的高压泵(未示出)与孔114相连，用于在压力腔107内压缩弹簧液体。由此可确定压力腔107内的弹簧液体的基础压力，该压力用于将振动体106预压在地层103上、使得波状耦合面109彼此之间开始机械接合，并在操作过程中使它们保持机械接合。这样，孔114和高压泵起到改变弹簧107刚度的调节装置的作用。

有利地，高压泵与旋转部104由同一马达驱动。这样，液体弹簧107中的压力与旋转部104的旋转频率能够一致性增加。

用于液体弹簧的液体可为任何液体，尤其是可为水、油、硅凝胶、和用于超声波听诊器(echoscopy)的传感凝胶中的一种。与水相比，油和硅凝胶势必具有约0.5的压缩性，而作为弹簧液体的例子，用于超声波听诊器的传感凝胶的压缩性约为4，其压缩性高于水。

在操作过程中，由于波状耦合面109上具有波纹，所以通过转动旋转部104，往复部105会开始沿轴向在弹簧107上振动。弹簧107将往复部105的往复运动转换成作用在地层103上的振动驱动力。这样，震源的内力和施加于地层103上的外力可保持在防止破坏震源和地层103的限度内。由于以机械方式驱动往复部件105，所以可传送较强的地震动力。

只要波状耦合面109保持相互接触，震源就会产生控制频率明确的地震波形。往复运动的频率等于旋转部件104的转速乘以耦合面的最大波纹数。波形由耦合面109的型面确定。只要耦合面109保持完全接合则振幅与频率无关。这是通过确保弹簧107具有足够的刚度来实现的。

最初，弹簧施加于耦合面109上的作用力可优选较低，以便抵抗耦合面109所施加的摩擦力而使得旋转部件104开始转动。但是，当频率增加时，往复部件105所需要的在波状耦合面109之间保持机械接触的震动加速度力也随之增大。因此，优选随着往复部件105频率的增大而加大液体弹簧107中的弹簧液体压力。为此，优选将用于在弹簧腔107中提供压力的高压泵与旋转部件104连接，或与旋转部件104的驱动装置连接，从而压力可与旋转部件104的转动频率一致性增加。

下面说明中心孔102和98的作用。旋转部件104相对于壳体110转动从而带动着存于波状耦合面109之间的一些官能流体117也随之转动。因此，那部分的官能流体会承受离心力，结果，官能流体流出波状耦合面109之间的区域。接着，在旋转部件104与往复部件105之间的区域内产生负压，该负压驱动官能流体自壳体腔117分别流过轴承中设置的一或多个开槽133、中心通道102和一或多个流回壳体腔117的一或多个通道99。如上所述，该流动有利于轴承112和波状交互作用面的冷却，可能还有利于其润滑。第二循环通路由中心通道98和往复部件105中的一或多个通道形成。

只要波状交互作用面109之间的官能流体上的离心力与开槽133中的官能流体上的离心力不同，就会驱动官能流体循环。为此，在图1的震源中，波状耦合面109的外径大于中心孔102的入口。

如上所述的震源可伸入测井电缆上的井孔内，或与钻井钻具组合成一体。

图4示意性地示出了震源与钻铤10成一体的实施方式。为了便于震源与地层103接合，可在震源附近设置稳定肋121或任何其他型式的垫片。在图4的实施方式中，设有单独的推靠器装置123，其可利用系统液体在系统压力Ps下受压，从而导致推靠器123径向移动至与地层103接合。选择性地，可设置用于将由推靠器123施加的夹紧力分布在较大的区域上的接合垫124。

泥浆通道122绕过震源设置。泥浆可通过“M”注入泥浆通道内。

致动装置的旋转部104由设置于壳体126内的马达驱动，在该实施例中，该马达通过离合器127和传动轴128与基于啮合齿轮的传动齿轮125接合。选择性地设置离合器是为了允许耦合面在阻塞的情况下滑动。马达由加压流体“PF”驱动。

液体弹簧107是利用系统压力和液压活塞装置131进行加压的。阀门129用于对液体弹簧107填充合适的液体，而止回阀130用于密封液体弹簧107的压力腔以防因往复部105的往复运动而引起的周期性超压。封口115滑动接合在振动体106上。

在图4的实施方式中，旋转部104的转动轴和往复轴132二者均位于与钻柱轴向正交的方向上。

图5示意性地描绘了图4所示的实施方式的颇具吸引力的备选布置方式。同图4中的实施例一样，振动体106的滑动轴线137设置成与钻柱正交，以便在井孔壁上与地层103接合，并将地震纵波沿井孔横向传送给地层。与图4实施方式的主要区别在于，图5中的旋转部104的转动轴和往复轴132布置成与在井孔中通常沿轴向布置的钻井钻具组合的轴向平行。液体弹簧107用于转换由往复部105施加在振动体106上的力的方向。

该原则可应用于本发明的其他震源实施方式中。可以设想，该实施方式容易在钻柱中安装，因为在许多实际的实施方式中，致动装置在平行于转动轴和往复轴的方向比其正交方向大。

本发明的震源可产生1～5千瓦的地震力。优选地，地震力限于1～2千瓦。频率范围为0～5kHz，但在地震研究中，频率范围优选为9Hz～2kHz。震源尤其适于大于90Hz的频率，更优选大于0.9kHz。

在利用图1的震源的特殊实验室试验中，在起动转动的过程中，利用液体弹簧107中大约80巴的液体压力，将往复部105用大约15kN的力预装在旋转部104上，直至频率达到约50Hz。当进一步将频率增加至1.5kHz时，通过将液体弹簧中的压力动态增加至200巴，往复部104上的荷载增加至约40kN。波状耦合面109的剖面包含22个正弦形波纹。从而，为了获得1.5kHz的频率，旋转部104需按约4000rpm(转/分钟)的速度转动。

可利用任何合适的驱动装置来驱动旋转部104转动。不过，图6至10还是示出了驱动如上所述的震源的优选液压马达布置。

图6示出了一种液压马达装置，其包括液压马达1，在该实施例中液压马达为回转马达，它可与旋转部104联接以驱动其转动。也可使用其他类型的液压马达。液压马达1可通过将驱动液体在压力情况下由进水道经由液压马达流到出水道3进行驱动。液压马达1与排出系统成一体，在图1的实施方式中，排出系统包括用于引导驱动液体流过液压马达1的桥式集合管100。下面将在本说明书中对桥式集合管100作进一步详细说明。

液压马达装置还设有第一排出容器10和第二排出容器20。设置第一排出容器10是用于保持待流过液压马达1的驱动液体。为此，排出容器10经通道11与桥式集合管100流体连接。排出容器10还与分支成工作流体排出线路13和工作流体供给线路14的通道12连接。工作流体排出线路13上设有阀门331，而工作流体供给线路14上设有阀门341。

设置第二排出容器20是用于接收已流过液压马达1的驱动液体。因此，该排出容器20经通道21与桥式集合管100流体连接。第二排出容器20还与分支成工作流体排出线路23和工作流体供给线路24的通道22连接。工作流体排出线路23上设有阀门231，而工作流体供给线路24上设有阀门241。

这样，供给线路14和24形成可与加压工作流体供给部流体连接的供给集合管。阀门341和241使之有可能选择第一或第二排出容器中任一暴露于加压工作流体中。

排出线路13和23流入低压区LP，此处的液体压力小于加压工作流体。阀门331和231确定哪个排出容器暴露于低压区LP。

桥式集合管100使通道11与通道21流体连接。通道11分支成沿闭塞方向设有止回阀44的线路54，以及沿流动方向设有止回阀41的线路51。随着线路51通过止回阀41，该线路分支成线路53和55。线路53沿闭塞方向设有止回阀43。线路51与通向液压马达1的线路2相连。线路55设有可开或关的阀门45，以及节流口46，二者为串联。节流口46为变流节流装置。

在阀门45下游和节流口46上游设有可选择的辅助线路49。辅助线路可与震源相连，在驱动液压马达1之前对线路49加压以触发或启动震源。比如，可连接辅助线以对例如图4所示的推靠器装置123进行加压，从而导致推靠器123径向移动至与地层103接合。或者，可连接辅助线对震源的液体弹簧107加压。

液压马达1下游的线路3在上述止回阀44的另一侧分支成相对于通道11的线路54，以及同样设有止回阀42的线路52。两个止回阀44和42均处于流动方向。但是，由于液压马达1上的压力损失，在止回阀44两侧将存在压差阻止流体流过止回阀。流体可能流过线路52，并在止回阀42下游分支成线路53和21。线路53在流动方向设有止回阀43，但是由于线路53在止回阀43下游与液压马达1上游的线路51流体连通，止回阀43两边的压差将阻止流体通过。

为了防止液压马达1因其自身惯性而受损，可使用图6所示的安全阀47，在旁通线路48中通过连接引入线路2和引出线路3来使液压马达1短路。安全阀可为止回阀，阻止从线路2流向线路3，并允许从线路3流向线路2。因此，如果液压马达1正在运行而液压马达1两侧的压差不足以驱动它，液压马达1可驱动驱动液体流过旁通管48。

桥式集合管100的作用是保证无论排出容器10或20中哪一个加压，驱动液体始终沿箭头方向4流过线路55。

在优选实施方案中，液压马达装置适于悬置于地下井孔中，和/或安装在钻柱中。举例来说，图6的液压马达装置安装在伸入容纳钻探泥浆的地下井孔6的钻柱5中，如图7所示。钻探泥浆可按常规方式流通，其中，钻探泥浆在地面上泵入由钻柱5形成的管道7，经钻柱底端8附近的开口释放至井孔内，并且经井孔壁与钻柱5之间的环形空间9返回地面。线路14与24(图6)经阀门341和241与钻柱管道7内的钻探泥浆流体连接，而线路13和23(图6)经阀门331和231与环形空间9流体连接。

图6的液压马达装置在操作过程中的工作方式如下。在初始状态下，排出容器10容纳有数量合适的驱动液体，而排出容器20则容纳有数量大致相同的钻探泥浆。阀门331、341、231、241、45和节流口46封闭。如上所述，钻探泥浆循环流动，从而在钻柱管道7内的钻探泥浆压力与环形空间9内的钻探泥浆压力之间产生压差。因而钻柱管道7为液压马达装置的高压侧HP，而环形空间9为低压侧LP。

打开阀门341，从而使排出容器10与钻柱管道7流体连接。打开阀门341将使得容器17中的驱动液体在无流动的情况下承受内部钻柱压力。然后打开阀门231，将排出容器20与环形空间9连接。打开阀门231将增强无流动情况下的井筒环带压力。

打开阀门45，压力会传给任选的辅助线路49，在有限流动的情况下，于驱动液压马达1之前触发或启动任选的辅助设备。逐步打开节流器46会使得从排出容器10流到排出容器20(如上所述，分别经过线路11、51、55、2、3、52和21)的流量增加，直至驱动液体已经因作为工作流体的加压钻探泥浆进入排出容器10而移动并从排出容器10排出，以及直至钻探泥浆已经因驱动液体进入排出容器20而移动并由排出容器20排出。控制节流口46，从而控制液压马达的操作。

通过关闭所有的阀门、以及打开阀门241和331而非341和231，可再次操作液压马达装置，借此，钻探泥浆由排出容器20接收，从而驱动液体再次经相应的线路21、53、55、2、3、54和11移动并排入排出容器10中。

可重复上述循环。

图8示出了一种备选的液压马达装置，其排出系统具有一比图6的桥式集合管100简单的集合管101。集合管101是以一个止回阀40为基础的。

同图6一样，图8的液压马达装置设有第一和第二排出容器10和20，分别经线路11和21与集合管101连接。与图5的实施方式一样，设置第二排出容器20是用于接收排出的驱动液体，接收之后，将工作流体移动并排入低压区，从而驱动液体可收集在第二排出容器20中，并且再循环通过液压马达装置用于下一循环。

集合管101包括将线路11与线路12流体连接的线路50。线路50通过阀门45与线路11分离。止回阀40位于线路50上，允许流体沿从第二排出容器20往第一排出容器10的方向流动，并阻止在相反方向上流动。液压马达1位于绕过止回阀40设置的线路60上。线路60还设有节流口46形式的变流节流装置。选择性地，线路60可设有用于阻止流体从第二排出容器20通过线路60流向第一排出容器10的流动路径。

与图6的实施方式类似，集合管101可设有任选的辅助线路49，在图8的实施例中，该线路可与阀门45和止回阀40之间的线路连接。使液压马达1短路的旁通线路48包括安全阀47，可用于按图6所示的同一方式来保护液压马达1。

排出容器10、20，以及供应集合管和低压区LP可与图6相同或相似。集合管101的作用是确保驱动液体始终按箭头方向4流过线路60。

图7的液压马达装置的工作方式如下。在初始状态下，排出容器10容纳有数量合适的驱动液体，而排出容器20则容纳有数量大致相同的工作流体，该工作流体可为钻探泥浆。最初，阀门331、341、231、241、45和节流口46关闭。例如，按照让钻探泥浆循环的上述方式确定HP与LP区之间的压差。打开阀门341，从而使排出容器10与高压带HP中的工作流体流体连接。打开阀门341将使得容器17中的驱动液体在无流动的情况下承受加压的工作流体。然后打开阀门231，从而使排出容器20与低压区LP连接。驱动液体仍然不流动。

打开阀门45将使得压力传送给任选的辅助线49，于驱动液压马达1之前，在有限流动的情况下，触发或启动任选的辅助设备。逐步打开节流器46将会使得从排出容器10流向排出容器20(如上所述，分别经过线11、50、60、50和21)的流量增加，直至传动液体因加压工作流体进入排出容器10而已经移动并从排出容器10排出，以及直至排出液体已经因驱动液体进入排出容器20而移动并从排出容器20排出。控制节流口46，从而控制液压马达的操作。

通过关闭所有的阀门以及打开阀门241和331而非341和231，液压马达装置复位至其初始状态，之后可重复该循环。由于节流口46和液压马达1在线路60中施加流体阻力，所以如果打开阀门45，则驱动液体将从排出容器20经止回阀40流回排出容器10。

例如如图7所示，包含在钻柱中的液压马达装置的一般原理是利用钻柱管道7与环形空间9之间的压差而被驱动。备选地，可通过提供合适的流动限制而在钻柱管道7中形成压差，由此，线路14和24应在流动限制的上游与钻柱管道7连接，而线路13和23应在流动限制的下游与钻柱管道7连接。

应当理解，参照图8所描述的液压马达装置可与图7所示的方式一样安装在钻柱中。上述液压马达装置的优点在于，驱动液体可完全为了驱动液压马达1的目的而最优化，而钻探泥浆可完全为了钻井流体的目的而最优化。诸如节流口46和液压马达1中的驱动机构一类的精密机构不会遭受因钻探泥浆经过而施加的苛刻状况。

在所描述的液压马达装置中，加压工作流体的压力被传送给排出容器中的驱动液体，然后用于驱动液压马达。因此，驱动液体可为了驱动液压马达的任务而优选，不受工作流体具体要求的约束。比如，可使用无侵蚀性固体颗粒的精炼液压油，该液压油作为钻探泥浆并不合适，但是特别适合驱动液压马达。

本发明的液压马达装置的另一个优点在于，它可用气态的工作流体操纵，即使是当液压马达需要液态的驱动流体时亦是如此。

为了防止驱动流体被工作流体污染，在排出容器10、20中设置活动的壁15、25，以将每一个排出容器10、20分隔成两个分隔间16、17和26、27。第一分隔间16和26用于接收和容纳工作流体，而第二分隔间17、27用于接收和容纳驱动液体。活动壁15、25可设为活塞装置的形式，活动设置于所涉及的排出容器中的第一和第二分隔间流体连通的圆柱形孔内。

备选地，活动壁15、25可设为柔性膜的形式，例如橡胶膜。

为了避免分隔间的入口被活动壁堵住，导致活动壁在分隔间中的荷载作用下进入分隔间，分隔间中的一个或两个可设置多孔段以保证入口与分隔间中的大量体积相联。这种多孔段例如可设为在分隔间的内壁上的向内凸出的肋的形式，或者是海绵状柔性材料的形式。

在优选实施方案中，在排出系统中具有预定定额的驱动液体。为了避免工作流体的阻塞问题，可在工作流体分隔间中提供超额体积，这样，当排出容器中具有最大量的驱动液体的情况下，排出容器中仍然存在一定量的工作流体。

如图6和8所示的液压马达装置适于在有限的时间周期内周期性地操纵液压马达1，最大持续时间由排出容器中可使用的用于交换驱动液体的体积支配。液压马达装置还特别适合通过逐步打开节流器46而在液压马达1上施加扫频。

如果液压马达1包含足够的惯性来跨接开关时间的话，通过合理安排阀门331、231、341和241的开关，可在图6的实施方式中实现液压马达1的准连续操作。

为了使得运转更加连续，可通过设置至少三个，优选至少四个“环星形(cyclic star)”布置的排出容器来图6的液压马达装置，从而使排出容器比如以固定相差进行循环。

该循环可反复地运行，这样可保持驱动液体连续流过液压马达。

图9示意性地示出了作为钻柱接头的液压马达装置的优选实施方案，该钻柱接头可为钻柱的一段。第一和第二排出容器10、20布置于包括液压马达的单元300的上游和下游。排出容器为围绕中心布置的钻探泥浆通道71的圆环面形。圆柱形薄膜15、25分别将用于钻探泥浆之类的工作流体的分隔间16、26与用于液压油之类的驱动液体的分隔间17、27隔开。在该实施例中，外分隔间16、26分配为工作流体分隔间，而内分隔间17、27分配为驱动液体分隔间，但是如果需要的话，可按相反的方式分配。

分隔间201至204用于罩住必要的阀门装置，以及任选的其他装置，例如电子控制设备和用于为电子控制设备以及选择性地为阀门供电的电池。

图10示出了圆环形(torus)排出容器10的具体实施方式。该实施方式同样适合排出容器20。在该实施方式中，排出容器布置于外管79内，而外管夹设在泥浆面上的覆盖体75与驱动液体面上的覆盖体85之间。覆盖体75设有供应/排出通道76，用于供给和排出钻探泥浆形式的工作流体，而覆盖体85设有用于供给和排出的供应/排出通道86。如图6和8示意性所示，供给/排出通道76和86分别与线路12和22对应。

通过紧固装置77和87连接的薄膜衬垫72和82与相应的覆盖体75和85连接。覆盖体75、85和薄膜衬垫72、82设有一中心孔，该中心孔与中心管74流体连接，以形成中心布置并绕过排出容器的钻探泥浆通道71。

薄膜15夹设在薄膜衬垫72、82与相应的固定圆环73和83之间，固定圆环通过紧固装置78和88与薄膜衬垫72、82连接，从而薄膜15保持在薄膜衬垫72、82与相应的固定圆环73、83之间。薄膜衬垫72、82和/或固定圆环73、83优选具有波状固定面，以便轴向固定薄膜15。

工作流体分隔间16由外管79与薄膜15之间限定的环形空间形成，而驱动液体分隔间17则由内管74与薄膜15之间限定的环形空间形成。泥浆侧的卡环73设有通过供给/排出通道76的工作流体分隔间16流体连接的通道70。通道70可设为孔的形式，但在图10的实施方式中，其设置为在卡环73外周上的开槽形式，该开槽与外管79一起形成通道70。

同样，工作流体侧的薄膜衬垫85设有通过供给/排出通道86与驱动液体分隔间17流体连接的通道80。

内管74的外壁设有环形槽，以防薄膜15完全与内管接合从而堵塞通道80。与正常条件下驱动液体分隔间17中可加入驱动液体的体积相比，工作流体分隔间16所储备的体积超额，以防薄膜15阻挡通道70。

参见图9和10，在实际的实施例中，钻杆段上的稳定垫121的外径D1可为适于所谓的8¹/₂″孔的215mm。钻井流体通道71的直径D2可为38mm(相当于1¹/₂″)，而外管79的外径D3可为170mm(相当于6³/₄″)。假定轴向长度L1为1米，具有约为10升的用于在排出容器10和20之间交换的驱动液体的可用空间。此外，假设工作流体供应点与工作流体排出点之间的压差为80巴，对于地下钻井作业中的钻探泥浆而言，这是实际情况，而流量为1升/秒，则该液压马达装置将能在10秒的期限内传递7.8千瓦的能量。在这段时间内应当可以获得有用的地震数据。

Claims (22)

1.一种震源，包括：具有旋转部和往复部的致动装置，用于将旋转部的转动转换成往复部的往复运动的转换装置，以及通过弹簧与致动装置的往复部相连的振动体。

2.根据权利要求1所述的震源，其特征在于，往复部与旋转部为频率耦合。

3.根据权利要求1或2所述的震源，其特征在于，转换装置包括布置成用于将旋转部的转动以机械方式转换成往复部的往复运动的机械交互装置。

4.根据权利要求3所述的震源，其特征在于，机械交互装置包括设置于旋转部和往复部上的第一和第二波状耦合面，所述第一和第二耦合面相互之间以可滑动的方式设置。

5.根据权利要求4所述的震源，其特征在于，设有用于在第一和第二波状耦合面之间注射官能流体的注射装置。

6.根据权利要求5所述的震源，其特征在于，注射装置布置成用于在旋转部的旋转中心附近注射官能流体。

7.根据权利要求5或6所述的震源，其特征在于，注射装置包括官能流体循环回路，用于在官能流体注射之后对其进行吸收，并且再次将所吸收的官能流体在旋转中心附近注射。

8.根据权利要求7所述的震源，其特征在于，所述循环回路由因旋转部转动而作用于官能流体上的离心功所产生的压差进行驱动。

9.根据权利要求4至8之一所述的震源，其特征在于，第一和第二波状耦合面具有互不相同的波状剖面。

10.根据上述权利要求之一所述的震源，其特征在于，旋转部由轴承装置支承，所述轴承装置优选包括相互滑动接合的第一和第二金刚石表层。

11.根据权利要求10和权利要求7至9之一所述的震源，其特征在于，轴承装置位于循环回路上。

12.根据权利要求4至11之一所述的震源，其特征在于，所述弹簧的刚度足够大，以确保波状耦合面之间滑动接合。

13.根据上述权利要求之一所述的震源，其特征在于，包括用于改变弹簧刚度的调节装置。

14.根据权利要求13所述的震源，其特征在于，所述调节装置响应于往复部的往复运动频率可控。

15.根据上述权利要求之一所述的震源，其特征在于，所述弹簧包括填充液体的压力腔，借此，往复部相对于振动体的相对运动使得液体加压或减压。

16.根据权利要求15所述的震源，其特征在于，压力腔与液泵的高压出口相连，液泵用于控制压力腔内的基础液压。

17.根据上述权利要求之一所述的震源，其特征在于，布置成用于地下井孔中。

18.根据权利要求17所述的震源，其特征在于，振动体布置成用于与井孔接触接合。

19.根据上述权利要求之一所述的震源，其特征在于，所述转换装置可将旋转部的转动转换成往复频率大于9Hz、优选大于90Hz、更优选大于0.9kHz的往复部的往复运动。

20.根据上述权利要求之一所述的震源，其特征在于，还包括用于转动旋转部的驱动装置，优选包括液压马达。

21.一种在地层中产生地震波的方法，其特征在于，将致动装置驱动，而驱动致动装置的步骤包括驱动旋转部转动、并将转动转换成往复部的往复运动以及将往复运动的能量通过弹簧传给地层。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，转动的旋转频率受扫频支配，其中，旋转频率连续变化。

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