阅读说明：本技术 一种深远海地震波激发装置及激发方法 (Deep and distant sea seismic wave excitation device and excitation method ) 是由 董石 孟川民 王翔 谷伟 郝贵生 杨海波 赵德刚 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种深远海地震波激发装置及激发方法,包括呈圆柱形的储气腔体,所述储气腔体的封闭端上连接有呈圆柱形的控制腔体,所述储气腔体的开口端上连接有爆破板,所述储气腔体的封闭端上设置有注气管,所述储气腔体内设置有点火装置,所述控制腔体内设置有控制器、监测装置、电源装置和点火机,其激发地震波的方法包括以下步骤：完成激发装置的装配并注入可燃气体及氧气；下放装置至海底；通过点火装置引发储气腔体内的气体发生反应,产生高温高压气体,使爆破板破裂,从而产生地震波,本发明能够为深远海域海底的地球物理勘探提供一种有效的高能环保的人工震源。(The invention discloses a deep and far sea seismic wave excitation device and an excitation method, wherein the deep and far sea seismic wave excitation device comprises a cylindrical gas storage cavity, a cylindrical control cavity is connected to the closed end of the gas storage cavity, a bursting plate is connected to the open end of the gas storage cavity, a gas injection pipe is arranged on the closed end of the gas storage cavity, an ignition device is arranged in the gas storage cavity, a controller, a monitoring device, a power supply device and an ignition machine are arranged in the control cavity, and the method for exciting seismic waves comprises the following steps: completing the assembly of the excitation device and injecting combustible gas and oxygen; lowering the device to the seabed; the ignition device initiates gas in the gas storage cavity to react to generate high-temperature high-pressure gas, so that the explosion plate is broken to generate seismic waves.)

一种深远海地震波激发装置及激发方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探装备技术领域，特别涉及一种深远海地震波激发装置，还涉及一种使用深远海地震波激发装置激发地震波的方法。

背景技术

地球物理勘探是指通过研究和观测各种地球物理场的变化来探测地层岩性、地质构造等地质条件，地球物理勘探探索地球本体及近地空间的介质结构、物质组成、形成和演化，研究与其相关的各种自然现象及其变化规律，在此基础上为探测地球内部结构与构造、寻找能源、资源和环境监测提供理论、方法和技术，为灾害预报提供重要依据。

深远海是指水深在4000-6000米以下的海域，也称为深渊，目前，对于深远海海底的地球物理勘探是一件非常困难的事情，主要是缺乏能够在深远海海底4000-6000米处进行激发的人工震源。目前常用的人工震源包括如下几种：***震源、电火花震源、落锤、可控震源车、***震源以及天然地震等，目前天然地震和***震源是海洋石油勘探、天然气水合物勘探的主要震源，在海底构造与演化、大陆架划定等方面也发挥着重要作用。但其中天然地震不可控，难以进行精确有效的观测；同时传统的***震源由于其能量较小，而且只能在海表面激发，传播距离有限，能量和分辨率也不足，无法为深远海海底的地球物理勘探提供有效的震源。此外，震源在水下数千米进行点火激发必须要携带一根激发点火的电缆，但是对于数千米的水深，使用电缆不可靠，主要是数千米的水深下水压较大，电缆线垂直下放到几千米的海底下，电缆线本身的自重就可能将其拉断，因此必须要采用带钢索的复合电缆，但其成本非常的高，还不便于进行使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种深远海地震波激发装置及激发方法，其中激发装置的结构简单、使用方便、单炮输出能量大，同时其初泡比高、气泡效应弱，从而可以在深远海4000-6000米以下的海域内利用可燃气体和氧气进行气相爆轰激发高能量产生地震波，为深远海域海底的地球物理勘探提供一种有效的高能环保的人工震源。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种深远海地震波激发装置，包括呈圆柱形的储气腔体，所述储气腔体的一端呈开口状，其另一端为封闭状，所述储气腔体的封闭端上连接有呈圆柱形的控制腔体，所述控制腔体的一端呈开口状，其另一端为封闭状，所述储气腔体的封闭端与控制腔体的开口端相连接，所述储气腔体的开口端上连接有***板，所述储气腔体的封闭端上设置有注气管，所述注气管的一端伸入至储气腔体的内部，其另一端上设置有截止阀，所述储气腔体内设置有点火装置，所述控制腔体内设置有控制器、监测装置、电源装置和点火机，所述监测装置、电源装置和点火机分别与控制器电连接，所述点火装置与点火机电连接，所述监测装置与电源装置电连接，所述监测装置为计时器或压力传感器。

优选的，所述储气腔体的封闭端上设置有连接法兰一，所述控制腔体的开口端上设置有与连接法兰一相配合的连接法兰二，所述连接法兰一和连接法兰二通过螺栓一紧固连接，所述储气腔体的开口端上设置有连接法兰三，所述***板的侧壁上设置有与连接法兰三相配合的连接法兰四，所述连接法兰三和连接法兰四通过螺栓二紧固连接，这样便于将储气腔体和控制腔体进行固定连接，保证连接强度，同时也便于在装配***板后向储气腔体内注入可燃气体及氧气，同时可以保证储气腔体内的气体发生反应后，高温高压气体可以从***板处释放，使***板瞬间破裂，产生地震波。

优选的，所述储气腔体的开口端上设置有多个固定在储气腔体外壁上的呈环状的配重块，这样便于将激发装置下放至深海内，同时也便于使激发装置保持垂直的姿态下落，从而进行地震波的激发。

优选的，所述控制腔体的封闭端上设置有吊环，这样便于通过试验船上的起重机吊钩勾住吊环，将激发装置下放至海面，脱钩后使激发装置在海中自由下沉，这样不需要缆绳牵引，也不需要携带激发点火的电缆，从而有效避免缆绳在牵引过程中因自重而被拉断的情况，同时也避免了携带电缆进行激发点火不可靠的情况，其成本较低，且使用方便。

优选的，所述连接法兰一和连接法兰二之间设置有密封垫圈一，所述连接法兰三和连接法兰四之间设置有密封垫圈二，所述密封垫圈一和密封垫圈二为金属密封圈和橡胶密封圈复合密封结构，便于将储气腔体和控制腔体的连接处进行密封，同时也便于将***板与储气腔体的开口端连接处进行密封，从而避免储气腔体漏气，影响其使用，能够有效解决高水压条件下的激发装置的密封问题。

优选的，所述***板呈半球状，且其由特种钢制成，这样能够保证***板可耐受海底较高的水压力。

优选的，所述储气腔体的材质和控制腔体的材质均为屈服强度大于900MPa的特种钢，这样便于保证储气腔体和控制腔体能够耐受相应水深的压力，避免在高压情况下储气腔体和控制腔体产生变形并破裂，从而影响激发装置的使用。

优选的，所述点火装置设置在储气腔体内并靠近储气腔体的封闭端，这样便于通过点火装置将储气腔体内的可燃气体点燃，使燃烧产生的能量向下方释放，从而使下方的***板瞬间破裂，释放气体，从而产生地震波。

一种使用深远海地震波激发装置激发地震波的方法，包括以下步骤：

A.在储气腔体内装配点火装置，同时在控制腔体内装配控制器、监测装置、电源装置以及点火机，将点火装置与点火机通过连接线电连接，将监测装置与电源装置通过连接线电连接，并将监测装置、电源装置和点火机分别通过连接线与控制器电连接；

B.将配重块安装在储气腔体开口端的外侧壁上，并通过螺栓二紧固连接法兰三和连接法兰四将***板装配在储气腔体的开口端上；

C.在储气腔体的封闭端上装配注气管，并在注气管的一端上装配截止阀，打开截止阀，向储气腔体内注入可燃气体及氧气，气体加注完毕后，关闭截止阀，断开气源；

D.通过螺栓一紧固连接法兰一和连接法兰二将控制腔体连接在储气腔体上；

E.通过试验船上的起重机吊钩勾住控制腔体上方的吊环，将激发装置下放至海面，脱钩后使激发装置在海中自由下沉；

F.通过监测装置监测到激发装置到达海中预设的激发深度后，当监测装置为计时器时，根据激发装置下放到海中下沉的速度和预设的激发深度，控制器能够自动计算激发装置下沉到预设激发深度的时间，当计时器记录的时间累计到激发装置达到预设激发深度相对应的时间后，计时器会触发控制器对点火机进行控制；当监测装置为压力传感器时，通过压力传感器测量海底的水压，控制器会实时采集压力传感器的数据，预设的激发深度对应相应的水压，则压力传感器监测到相应的水压后，激发装置即达到预设的激发深度，压力传感器会触发控制器对点火机进行控制；点火机收到控制器的触发信号后会立即触发点火装置引发储气腔体内的气体发生反应，经过气相爆轰产生高温高压气体，高温高压气体使***板瞬间破裂，释放气体，从而产生地震波。

优选的，所述可燃气体为氢气或碳氢化合物气体，这样便于利用可燃气体和氧气进行气相爆轰激发高能量产生地震波，从而提供一种有效的高能环保的人工震源。

与现有技术相比，本发明一种深远海地震波激发装置及激发方法的有益效果：

1、通过在储气腔体内设置有点火装置，并在控制腔体内设置有控制器、监测装置、电源装置以及点火机，从而在激发装置下放至深海后，监测装置能够对水深进行监测，达到预设的水深后能够触发控制器对点火机进行控制，同时通过点火机触发点火装置引爆储气腔体内的气体形成地震波，从而有效的解决了数千米水下震源可靠点火的问题。

2、通过采用高初压的可燃气体与氧气的混合气体，在一定点火条件下引爆混合气体，产生数倍于当地水压的爆轰压力，冲破储气腔体上的***板，在水中瞬间释放，形成地震波，由于爆轰产物是水蒸汽和少量二氧化碳，所以在***板破裂以后，水蒸气自然冷凝成水，少量二氧化碳亦快速溶解在水中，因此，激发装置的储气腔体内气体引爆后形成的气泡较小，其气泡效应弱，初泡比高，且能量大，从而有效的解决了高围压下能量输出的问题。

附图说明

图1为监测装置为计时器时，本发明一种深远海地震波激发装置的结构示意图；

图2为监测装置为压力传感器时，本发明一种深远海地震波激发装置的结构示意图。

图中，1-储气腔体，2-控制腔体，3-***板，4-注气管，5-截止阀，6-点火装置，7-控制器，8-监测装置，9-电源装置，10-点火机，11-连接法兰一，12-连接法兰二，13-螺栓一，14-连接法兰三，15-连接法兰四，16螺栓二，17-配重块，18-密封垫圈一，19-密封垫圈二，20-吊环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图2所示，本发明提供的一种深远海地震波激发装置，包括呈圆柱形的储气腔体1，所述储气腔体1的一端呈开口状，其另一端为封闭状，所述储气腔体1的封闭端上连接有呈圆柱形的控制腔体2，所述控制腔体2的一端呈开口状，其另一端为封闭状，所述储气腔体1的封闭端与控制腔体2的开口端相连接，且储气腔体1横截面的尺寸与控制腔体2横截面的尺寸相同，所述储气腔体1的开口端上连接有***板3，所述储气腔体1的封闭端上设置有注气管4，所述注气管4的一端伸入至储气腔体1的内部，并对注气管4穿过储气腔体1的封闭端处进行密封处理，其另一端上设置有截止阀5，将截止阀5设置在注气管4位于储气腔体1外部的一段上，所述储气腔体1内设置有点火装置6，所述控制腔体2内设置有控制器7、监测装置8、电源装置9和点火机10，所述监测装置8、电源装置9和点火机10分别与控制器7电连接，所述点火装置6与点火机10电连接，所述监测装置8与电源装置9电连接，所述监测装置8为计时器或压力传感器

如图1和图2所示，本发明提供的一种深远海地震波激发装置中，所述储气腔体1的封闭端上设置有连接法兰一11，所述控制腔体2的开口端上设置有与连接法兰一11相配合的连接法兰二12，所述连接法兰一11和连接法兰二12通过螺栓一13紧固连接，所述储气腔体1的开口端上设置有连接法兰三14，所述***板3的侧壁上设置有与连接法兰三14相配合的连接法兰四15，所述连接法兰三14和连接法兰四15通过螺栓二16紧固连接，在连接法兰一11和连接法兰二12上开设相相应的通孔，然后通过螺栓一13穿过通孔紧固连接连接法兰一11和连接法兰二12，从而将储气腔体1和控制腔体2进行连接，同时在在连接法兰三14和连接法兰四15上开设相相应的通孔，然后通过螺栓二16穿过通孔紧固连接连接法兰三14和连接法兰四15，从而将储气腔体1和***板3进行连接。所述储气腔体1的开口端上设置有多个固定在储气腔体1外壁上的呈环状的配重块17，将配重块17设计为环状，并将配重块17套装在储气腔体1的开口端上，使得储气腔体1开口端的重量大于其封闭端的重量，这样在下放激发装置后能够保证激发装置垂直下落，使激发装置的***板位于下方，从而能够在深海中向下激发地震波。所述控制腔体2的封闭端上设置有吊环20。所述连接法兰一11和连接法兰二12之间设置有密封垫圈一18，将密封垫圈一18设置为环状，并且与连接法兰一11和连接法兰二12的形状尺寸保持一致，同时在密封垫圈一18上也开设有通孔，从而使螺栓一13能够穿过通孔，将密封垫圈一18垫设在连接法兰一11和连接法兰二12之间并对两者进行密封，所述连接法兰三14和连接法兰四15之间设置有密封垫圈二19，将密封垫圈二19设置为环状，并且与连接法兰三14和连接法兰四15的形状尺寸保持一致，同时在密封垫圈二19上也开设有通孔，从而使螺栓二16能够穿过通孔，将密封垫圈二19垫设在连接法兰三14和连接法兰四15之间并对两者进行密封，所述密封垫圈一18和密封垫圈二19为金属密封圈和橡胶密封圈复合密封结构。所述***板3呈半球状，且其由特种钢制成，且***板半圆面的尺寸与储气腔体1横截面的尺寸相同。所述储气腔体1的材质和控制腔体2的材质均为屈服强度大于900MPa的特种钢。所述点火装置6设置在储气腔体1内并靠近储气腔体1的封闭端。

本发明还提供了一种使用深远海地震波激发装置激发地震波的方法，包括以下步骤：A.在储气腔体1内装配点火装置6，同时在控制腔体2内装配控制器7、监测装置8、电源装置9以及点火机10，将点火装置6与点火机10通过连接线电连接，且连接点火装置6与点火机10的连接线在穿过储气腔体1的封闭端处进行密封处理，将监测装置8与电源装置9通过连接线电连接，并将监测装置8、电源装置9和点火机10分别通过连接线与控制器7电连接；B.将配重块17安装在储气腔体1开口端的外侧壁上，并通过螺栓二16紧固连接法兰三14和连接法兰四15将***板3装配在储气腔体1的开口端上；C.在储气腔体1的封闭端上装配注气管4，并在注气管4的一端上装配截止阀5，打开截止阀5，向储气腔体1内注入可燃气体及氧气，气体加注完毕后，关闭截止阀5，断开气源；D.通过螺栓一13紧固连接法兰一11和连接法兰二12将控制腔体2连接在储气腔体1上；E.通过试验船上的起重机吊钩勾住控制腔体2上方的吊环20，将激发装置下放至海面，脱钩后使激发装置在海中自由下沉；F.通过监测装置8监测到激发装置到达海中预设的激发深度后，当监测装置8为计时器时，根据激发装置下放到海中下沉的速度和预设的激发深度，控制器7能够自动计算激发装置下沉到预设激发深度的时间，当计时器记录的时间累计到激发装置达到预设激发深度相对应的时间后，计时器会触发控制器7对点火机10进行控制；当监测装置8为压力传感器时，通过压力传感器测量海底的水压，控制器7会实时采集压力传感器的数据，预设的激发深度对应相应的水压，则压力传感器监测到相应的水压后，激发装置即达到预设的激发深度，压力传感器会触发控制器7对点火机10进行控制；点火机10收到控制器7的触发信号后会立即触发点火装置6引发储气腔体1内的气体发生反应，经过气相爆轰产生高温高压气体，高温高压气体使***板3瞬间破裂，释放气体，从而产生地震波。

如图1所示，一种深远海地震波激发装置中监测装置8为计时器，根据激发装置下放到海中下沉的速度和预设的激发深度，控制器7能够自动计算激发装置下沉到预设激发深度的时间，当计时器记录的时间累计到激发装置达到预设激发深度相对应的时间后，计时器会触发控制器7对点火机10进行控制，同时点火机10收到控制器7的触发信号后会立即触发点火装置6引发储气腔体1内的气体发生反应，经过气相爆轰产生高温高压气体，高温高压气体使***板3瞬间破裂，释放气体，从而产生地震波。

如图2所示，一种深远海地震波激发装置中监测装置8为压力传感器，将压力传感器嵌入安装在控制腔体2的外壳上，同时将压力传感器嵌入安装在控制腔体2的位置处进行密封处理，并且将压力传感器的测压面设置在控制腔体2的外部，从而能够通过压力传感器测量海底的水压，控制器会实时采集压力传感器的数据，达到一定的水压后对应相应海底深度，则激发装置下放到了预设的激发深度，即达到预设的激发深度后可通过压力传感器触发控制器7对点火机10进行控制，同时通过点火机10收到控制器7的触发信号后会立即触发点火装置6引发储气腔体1内气体发生反应，经过气相爆轰产生高温高压气体，高温高压气体使***板3瞬间破裂，释放气体，从而产生地震波。

其中可燃气体可以是氢气、甲烷、丙烷或乙炔中的一种。

可燃气体为氢气时，氢、氧反应方程式为：

2Hg+Og→HOg ΔH＝-242kJ/mol

即1摩尔氢气与当量氧气反应可释放242千焦的能量，在爆轰条件下可产生18倍于初始压力的产物气体。

可燃气体为甲烷时，甲烷、氧反应方程式为：

CHg+2Og→COg+2HOg ΔH＝-802kJ/mol

即1摩尔甲烷与当量氧气反应可释放802千焦的能量，爆轰条件下产生27倍于初始压力的产物气体。

因为利用了气体反应释放的化学能，在相同初始压力下能量密度远高于压缩气体，因此可以在较低的注气压力下获得较高的气体释放压力，从而可以在深远海4000-6000米以下的海域内利用可燃气体和氧气进行气相爆轰激发高能量产生地震波，为深远海域海底的地球物理勘探提供一种有效的高能环保的人工震源。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。