單通道電火花震源及其放電實驗研究
2016-11-17 來源：中國科學院電工研究所 中國科學院大學 作者：樊愛龍 孫鷂鴻 徐旭哲 嚴萍
摘要：本文介紹了一套單通道電火花震源系統，主要包括充電和放電兩個單元。同時搭建了一個實驗平臺，由充電機、電火花震源、數字示波器、高壓探頭和羅氏線圈電流傳感器等組成。在此基礎上進行實驗研究與總結，通過采用本文所述的單通道電火花震源進行放電實驗，在不同電極材料、電壓和電極間距條件下，對水中等離子體的電特性進行了分析。使用ORIGIN數據分析軟件觀察了等離子通道的電阻和放電功率在時間域的變化趨勢。通過比較總結，得出了放電電流、放電電阻和放電效率等與控制條件之間的關系規律。本文所提及的系列實驗為自封閉電極腔等離子體震源的設計提供了參考。
關鍵詞：電火花震源；單通道；放電換能器；放電效率
1. 引言
震源是產生地震信號的源頭，在勘探技術中起著至關重要的作用，它所激發的信號品質直接關系到勘查的效果。
人工地震技術探測礦產資源的物理基礎是巖石的彈性差異，其過程可簡述為：人工震源產生地震波，地震波在彈性不同的地層內傳播，檢波器收集反射波和折射波，進行數據分析與處理，進而勘探地層巖性和地下控礦結構。震源可分為炸藥震源和可控震源兩種。由于炸藥震源具有良好的脈沖性能和較高的激發能量，所以，自20世紀20年代一直沿用至今作為資源勘查的震源。我國陸上石油勘探中，約95％都使用炸藥震源。其缺點是經過鉆井、下藥和激發后，進行現場恢復需要大量人力；另外炸藥對環境具有破壞性和危險性，使用前必須嚴格遵守有關安全規定。鑒于此，早在20世紀50年代以前就已開始研究非破壞性的可控震源。可控震源勘探技術是由美國康菲國際石油有限公司在1950年代發展起來的，目前國際上的陸地可控震源主要包括夯擊震源、空氣槍震源、電磁驅動可控震源、液壓式可震源、精密主動可控震源以及電火花震源。
非炸藥震源中使用最多的是電火花震源，它利用脈沖電容器組存儲電能，通過高壓放電開關使放電電極快速在水中釋放，借此產生強大的壓力脈沖，與大地耦合作用形成地震波，可以在深、淺井和水域中激發。電火花震源最初是一種非常低頻率的水下等離子體聲源，水下火花放電產生一個高壓等離子體和蒸汽泡沫，不斷擴大和崩潰，產生一個巨大的聲音，其頻率大部分在20—200Hz之間"。之后在等離子體聲源的基礎上不斷改進，應用于垂直地震剖面測井及陸地勘探，成為可以陸用的電火花震源。1966年，美國人J．W．Miller取得了陸地電火花震源的專利。中國科學院電工研究所在20世紀60年代與石油部合作進行了海洋電火花震源的研制工作，1975年與大港油田合作進行了石油地震勘探陸地電火花震源的研制，1980年研制了一種用于中、淺層陸地勘探的zY．80電火花震源，并與山東煤田地質勘探公司共同在濟寧煤田進行了試驗，表明電火花震源所得的剖面用于地質解釋是可行的；20世紀90年代又進行了電火花震源在垂直地震剖面測井、井間地震、振動采油和工程勘探等方面的應用研究，取得了較好的應用效果。“十一五”期間，在國家863計劃資助下，電工研究所進行了20kJ海洋大容量電火花震源的研制，主要用于深海海域的油氣田井場和路由勘察以及環境工程和基礎研究。國家海洋局第一海洋研究所等單位在“十五”期間也進行了淺水的高分辨率多道淺地層探測系統研制工作，取得較好的應用效果。中國中鐵股份有限公司中鐵西南科學研究院研制的zDF一3型便攜式大容量大功率電火花震源重量只有35kg，激發能量可達10kJ。荷蘭地理資源公司研制的16kJ多電極等離子體震源，可以用于深海淺地層研究。近年來，隨著脈沖功率技術的發展，脈沖電源的功率密度和能量密度不斷提高，電火花震源系統的結構日趨緊湊，且電源模塊化使得系統結構可以方便拆卸和組合，在移動和便攜方便的優勢日漸顯著。
電火花震源主要利用大電流放電的液電效應，放電電極需要處在液體介質中，一般陸地震源使用時需在水井中或挖坑注水，而可用于無水地區的電火花震源研究鮮有報道。本文所介紹的單通道電火花震源適于山區等無水環境，使用高效地面換能器技術，以期為我國的金屬礦地震勘探提供必要的技術支持。
2.震源設計及實驗裝置
2．1主電路設計
此處所介紹的“單通道”電火花震源是相對于后續所設計的“多通道”電火花震源而言的，它產生一路高壓脈沖信號，在放電換能器中轉換為一路沖擊波信號。“多通道”電火花震源則產生多路沖擊波信號，可以是多個“單通道”震源的簡單組合產生多路沖擊波信號，也可以是一個震源或幾個震源產生多路沖擊波信號。
單通道電火花震源的主電路如圖1所示，主要包括充電單元、放電單元兩個部分。充電單元主要由調壓裝置、整流電路、充電電阻和隔離硅堆等構成，主要功能是產生電壓幅值連續可調的直流電源向儲能電容充電；放電單元主要由儲能電容、泄放電阻、泄放開關、電阻分壓器電壓測量電路、晶閘管、緩沖電路、放電電纜和放電換能器等構成，主要功能是通過控制晶閘管開通將儲能電容上存儲的電荷在放電電極中瞬間釋放。單通道電火花震源的主要工作原理是220V交流市電經過調壓器、整流電路、充電電阻、隔離硅堆變為電壓幅值可調的高壓直流電(0—5kV)儲存在儲能電容C上，當晶閘管的門極接收到有效觸發脈沖時，晶閘管ScR導通，儲能電容c經晶閘管SCR、放電電纜向放電電極中的多電極束放電，產生沖擊壓力波，通過與地面耦合，最終形成地震波。
圖l主電路圖
設置充電電阻的目的為：①在系統充電時，限制過高的充電電流，進而保護儲能電容和整流電路；②當電容發生短路擊穿時，限制短路電流，以免造成調壓裝置損壞。設置隔離硅堆的主要目的是防止晶閘管關斷瞬間產生過高的反向電壓和電流，串入到充電單元造成充電單元的損壞，實質上在充電單元和放電單元之間起到隔離作用。設置泄放電阻和泄放開關的目的在于泄放充電或放電過程中儲能電容中的殘余電荷。設置電阻分壓器電壓測量電路的目的是取樣充電電壓，在機箱儀表盤顯示，以便實時觀察，避免電壓過沖。設置緩沖電路的目的是對晶閘管開通和關斷過程實施保護，吸收晶閘管在導通關斷瞬間的尖峰電壓，減小晶閘管的應力，同時放慢開關管的速度，降低d“／dt，吸收尖峰，緩沖及減小開關損耗作用，此外也利于改善整機的電磁兼容環境。
負載為放電電纜和放電換能器，放電換能器如圖2所示。放電換能器主要由金屬蓋、緩沖彈簧、上部絕緣套筒、多電極束、金屬上筒、可更換式下筒及下部絕緣套筒等組成。上部絕緣套筒套設在多電極束的上部，金屬上筒內部設有卡位，上部絕緣套筒和多電極束整體置于金屬上筒內部的卡位處，上下絕套筒、多電極束以及可更換式下筒圍成放電空腔，放電空腔內注滿鹽液體，多電極束下部置于3％的鹽液體中；金屬上筒與金屬蓋通過螺紋連接，上部絕緣套筒與金屬蓋之間具有緩沖腔，緩沖腔內設有緩沖彈簧。放電換能器是單通道電火花震源設計的主要創新之處，其中封閉腔體的設計使該震源適合于絕緣電纜束的設計解決了電極易燒蝕的問題，電纜束不留空隙地捆扎在一起也節省了電極下端的封閉空間；分層設計使拆卸和更換電極、倒人液體等更加方便；分體設計也使測量更加方便；可更換式下部內絕緣筒的設計使得電極的間距能夠調節，便于試驗的對比分析和電暈、電弧放電的有效選擇，增加了現場勘測調節的靈活性；更重要的是緩沖腔及緩沖彈簧的設計增加了震動波的低頻成分，它能有效減少振動波在地下的衰減，進而提高震源的放電效率。
圖2換能器結構圖
2．2設計指標
單通道電火花震源的具體參數為：可在輸出電壓5 kV的狀態下長時間穩定工作，爆發式運行的電壓最大值為5．5kV，輸出電壓連續可調；可承受10kA的放電電流；可調整．的延時時間為1～9999斗s，延時輸入方式為撥碼開關設置；脈沖延時抖動為1斗s，脈沖寬度為100—500斗s；所激發地震波的頻率范圍為10～300Hz。
2．3實驗平臺說明
記錄儀器采用Tektronix TPS 2024B示波器，帶寬200MHz，采樣率2GS／s；放電電壓使用TekP6015A(帶寬75MHz，分壓比1000：1)電壓探頭測量；晶閘管支路電流使用同軸分流器，換能器放電電流使用Pearson6600線圈測量，其變比為0．1 V／A。各實驗裝置的連接圖如圖3所示。晶閘管的負極端與放電電纜的中心銅線相連，放電電纜的網狀導電層與儲能電容的負極相連；觸發器的輸出正負極分別連接所述晶閘管的控制端與負極端，由延時控制電路控制觸發器工作，進而控制晶閘管的導通與閉合。在放電電極端，放電電極嵌入到地下，放電電極的多電極束引出端與放電電纜的中心銅線相連，放電電極的金屬蓋負極端子經高壓線與放電電纜的網狀導電層相連，羅氏線圈互感器(電流線圈)套在高壓線上，傳感頭接人到示波器的CHl通道，電壓探頭搭接在電纜束的引出端，另一端接入到示波器的CH2通道。
網3實驗裝置示意圖
3.單通道電火花震源放電實驗
利用所設計的單通道電火花震源進行了放電實驗，研究了不同電極材料、電極數目、電壓、電極間距對放電電流、放電等效電阻、放電效率的影響。
3．1不同電極材料的放電實驗
我們分別選擇了一種金屬材料和一種絕緣材料作為放電換能器下筒。金屬材料時，由于金屬筒與電纜的負極端設計成一體結構，正極為高壓束狀電極，負極為金屬下筒，當觸發SCR導通時，被存儲在高壓電容器中的電荷瞬間在鹽溶液中釋放，放電等離子體電流通道絕大部分自上而下直達金屬下筒底部。當放電換能器下筒為絕緣材料時，正極為高壓束狀電極，負極為金屬上筒，放電等離子體電流通道類似于開口向上的拋物面。由于在放電通道的方向、路徑和體積上有差別，此處通過實驗比較放電換能器下筒為金屬材料和絕緣材料時放電等離子體液體傳導電流通道的變化對電流波形的影響程度。
使用絕緣筒電極材料和金屬筒材料電極在3．8cm間距和4600V電壓條件下典型的放電電流波形分別如圖4和圖5所示。經轉換后，圖4和圖5中的峰值放電電流分別約為460A和485A，即使用金屬材料電極所獲得的放電電流略大于使用非金屬材料電極所獲得的放電電流。當放電電壓、電極間距相同的條件下，所測得的電流波形和所合成的放電電阻波形沒有發生明顯的變化，典型的放電電壓、電流和電阻波形如圖6所示。
當分別采用金屬材料和絕緣材料作為放電換能器下筒時，在相同位置檢波器所檢測的地震波強度有差別，地震波波形如圖7所示。可以看出，金屬材料作為放電換能器下筒時，地震波峰值強度小于采用絕緣材料時的波峰值強度。由于放電電流差別不大，故原因在于沖擊波經不同換能器下筒傳導上的差別。
圖4使用絕緣筒獲得的放電電流波形
圖5 使用金屬筒獲得的放電電流波形
圖6典型的放電電壓、電流和電阻波形
圖7 采用金屬材料和絕緣材料下筒時典型的地震波波形
3．2不同電壓條件下的放電實驗
體濃度相同的情況下，放電電壓越大，放電電能越高。這里要研究的是不同電壓下的放電過程和電能轉化率是否有可見的差異。選擇8個電壓等級：2000V、2500V、3000V、3500V、3750V、4000V、4500V和4800V，相應地計算和分析這8個電壓等級條件下的放電電阻、放電功率和放電效率。2kV和4．8kV電壓條件下，電極間距為2cm時，根據相應的電流波形數據，使用ORIGIN軟件擬合所獲得的典型放電電阻隨時間變化的波形分別如圖8和圖9所示，典型的功率波形分別如圖10和圖11所示。
圖8 2cm電極間距和2kV電壓條件下的放電電阻
圖9 2cm電極間距和4．8KV電壓條件下的放電電阻
可以看出，放電等離子體通道的電阻和功率的變化趨勢是相同的，但在2kV放電時等離子通道的低電阻持續時間比4．8kV放電時要大。在放電前期，等離子通道的電阻值都在4Q左右。經轉換，2kV放電條件下，放電能量約為242J，放電效率約為75．6％；4．8kV放電條件下，放電能量約為1493J，放電效率約為80．9％。從圖8一圖10和實驗數據中可以得出，隨著電壓的提高，放電等離子體的電能轉化率也隨之增加。
圖10 2cm電極間距和2kV電壓條件下的功率曲線
圖11 2cm電極間距和4．8kV電壓條件下的功率曲線
在高壓電容器大小、放電換能器和液體濃度相同的情況下，經計算，4．8kV放電時的放電電能是2kV放電時的6倍之余，但在同一地點，檢波器所檢測到的地震波峰值能量卻僅不到3倍，如圖12所示。此處與3．1節結論相互印證，放電換能器對地震波能量的影響高于放電電壓的影響。
圖12 4．8kV和2kV時典型的地震波波形
3．3不同電極間距條件下的放電實驗
實驗中電極間隙距離從1cm開始，每一輪實驗間隔增加1cm，直到電極間距調整為6cm。圖13～圖15分別為電極間距為1cm、2cm和4cm，放電電壓為3．75kV時的典型的電流波形。從圖13一圖15和實驗數據可以看出，相同電極間隙距離時，放電電流波形基本一致。而當電極
圖13 1 cm電極間距和3．75kV電壓時典型的電流波形
圖14 2cm電極間距和3．75kV電壓時典型的電流波形
圖15 4cm電極間距和3．75kV電壓時典型的電流波形
間隙距離改變時，放電電流開始變化，且當放電電極間隙距離大于4cm時，電流變化較小；間隙距離小于4cm時，隨著電極間距的減小，放電電流增加顯著，但是同時發生電弧放電的概率變大。此處結論雖是利用本文采用的電極得出的，但是不失一般性，針對其它結構的龜極，也有類似的極限值。
4 .結論
本文設計了一套單通道電火花震源系統，可在5kV的狀態下穩定工作，脈沖寬度為100—500斗s，可承受1．5kA的放電電流。介紹了單通道電火花震源系統的工作原理，搭建了實驗平臺。放電實驗表明，無論采用金屬材料還是絕緣材料作為換能器下筒，放電電流波形基本一致，使用金屬電極材料時放電電流略大于使用絕緣材料時，但是檢測到的地震波能量卻小于使用絕緣材料檢測到的地震波能量。不同電壓條件下，放電等離子體通道的電阻和功率的變化趨勢是相同的，但等離子通道的低電阻持續時間隨著電壓的提高而減小，電效率也隨著電壓的升高而增加；放電換能器對地震波能量的影響甚至高于放電電壓的影響。相同電極間隙距離時，放電電流波形基本一致；當電極間距小于某個值時，隨著間距的減小，放電電流增加顯著，但是發生電弧放電的概率變大。
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