脉冲震源的优化方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明实施例提供一种脉冲震源的优化方法及装置，所述脉冲震源包括框架、重锤、平板以及压重；其中，所述方法包括：利用预先建立的平板-大地有限元模型对脉冲震源平板冲击过程进行分析，以获得平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况；基于平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况，确定平板受冲击所产生应力波的规律；基于平板受冲击所产生应力波的规律，对脉冲震源进行优化。根据该方法及装置，能够降低分析成本、提高分析效率，从而降低脉冲震源的优化设计开发成本并缩短开发周期。
【专利说明】脉冲震源的优化方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及脉冲震源领域，特别涉及一种脉冲震源的优化方法及装置。
【背景技术】
[0002]脉冲震源是一种用于小折射法、微测井法、垂直地震剖面法(VSP，VerticalSeismic Profiling)和浅层勘探等的激发能量源。其工作原理是:利用重锤加速下落冲击平板，从而产生可用作勘探用的冲击波，并经由平板传入地层，通过分析该冲击波在地层中的传播过程，得到勘探区域地层结构的相关信息，进而对该区域是否可能有矿物资源做出初步估计。
[0003]对用于地震勘探的脉冲信号源而言，其基本技术要求是:1)具有足够信号能量；2)为了保证信号具有较高分辨率，应使信号脉冲具有尽可能窄的持续时间；3)起跳干脆的信号初至；4)重复性好且稳定的信号波形形态；5)信号激发源本机所具有的低噪声(如机振、重锤反弹等背景噪声)特性。平板是脉冲震源的主要部件，既是冲击波产生的源头，也是最终将能量传入大地的关键执行元件。由于平板的自身特点(例如结构，材质等的不同)会对脉冲应力波的形态、频宽及幅值有着很大影响，因此，分析不同的平板材料及结构在不同的冲击条件下冲击波的形成及传播相关参数对脉冲震源的优化设计开发具有重要的意义。
[0004]目前，对脉冲震源平板冲击过程的分析主要有两种方法:解析分析法和实验分析法。其中，由于脉冲震源平板冲击过程十分复杂，对该冲击过程进行解析分析很难实现，并且非常复杂；实验分析法精度较高，但其缺点是费用较高并且操作复杂，一般仅在优化设计定型投入使用前用该实验分析法进行最后的强度验证，其不适于在优化设计过程中采用。
[0005]应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的【背景技术】部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种脉冲震源的优化方法及装置，能够降低分析成本、提高分析效率，从而能够降低脉冲震源的优化设计开发成本并缩短开发周期。
[0007]根据本发明的一个方面，提供一种脉冲震源的优化方法，所述脉冲震源包括框架、重锤、平板以及压重；其中，所述方法包括:利用预先建立的平板-大地有限元模型对脉冲震源平板冲击过程进行分析，以获得平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况；基于平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况，确定平板受冲击所产生应力波的规律；基于平板受冲击所产生应力波的规律，对脉冲震源进行优化。
[0008]根据本发明的另一个方面，提供一种脉冲震源的优化装置，所述脉冲震源包括框架、重锤、平板以及压重；其中，所述装置包括:分析模块，所述分析单元用于利用预先建立的平板-大地有限元模型对脉冲震源平板冲击过程进行分析，以获得平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况；并且，基于平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况，确定平板受冲击所产生应力波的规律；优化模块，所述优化单元用于基于平板受冲击所产生应力波的规律，对脉冲震源进行优化。
[0009]本发明的有益效果在于:降低了分析成本并提高了分析效率，从而能够降低脉冲震源的优化设计开发成本并缩短开发周期。
[0010]参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。
[0011]针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
[0012]应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]参照以下的附图可以更好地理解本发明的很多方面。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大或缩小。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。此外，在附图中，类似的标号表示几个附图中对应的部件，并可用于指示多于一种实施方式中使用的对应部件。
[0014]在附图中:
[0015]图1是本发明实施例1的脉冲震源的结构示意图；
[0016]图2是本发明实施例1的脉冲震源的优化方法的流程图；
[0017]图3是本发明实施例1的建立平板-大地有限元模型的方法的流程图；
[0018]图4是本发明实施例2的脉冲震源的优化装置的结构示意图；
[0019]图5是本发明实施例2的建模模块的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明的各种实施方式进行说明。这些实施方式只是示例性的，不是对本发明的限制。
[0021]实施例1
[0022]图1是本发明实施例1的脉冲震源的结构示意图。如图1所示，该脉冲震源包括:框架101、重锤102、平板103以及压重104，105表示大地。其中，重锤102固定在框架101上，且能够自由下落，对平板103进行冲击；平板103与大地105接触，平板103受到重锤102的冲击后，平板104产生冲击波并将冲击波传向大地105的地层。
[0023]图2是本发明实施例1的脉冲震源的优化方法的流程图。如图2所示，该方法包括:
[0024]步骤201:利用预先建立的平板-大地有限元模型对脉冲震源平板冲击过程进行分析，以获得平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况；[0025]步骤202:基于平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况，确定平板受冲击所产生应力波的规律；
[0026]步骤203:基于平板受冲击所产生应力波的规律，对脉冲震源进行优化。
[0027]由上述实施例可知，通过基于平板-大地有限元模型分析脉冲震源平板冲击过程，从而确定平板受冲击所产生应力波的规律并以此为依据对脉冲震源进行优化，能够降低分析成本、提高分析效率，从而能够降低脉冲震源的优化设计开发成本并缩短开发周期。
[0028]在本实施例中，该方法还可以包括:
[0029]步骤204:建立平板-大地有限元模型。
[0030]其中，该步骤为可选步骤，在图2中用虚线表示。
[0031]在本实施例中，可以使用现有技术的任一种方法建立平板-大地有限元模型。图3是本实施例的建立平板-大地有限元模型方法的流程图，但本发明不限于这种方法。
[0032]如图3所示，建立平板-大地有限元模型的方法包括:
[0033]步骤301:利用三维几何实体模型建立脉冲震源冲击过程的有限元模型；
[0034]步骤302:利用显式非线性动力学方法建立大地振动有限元模型、所述重锤与平板的接触界面、以及所述平板与大地的接触界面；
[0035]步骤303:基于所述脉冲震源冲击过程的有限元模型、所述大地振动有限元模型、所述重锤与平板的接触界面、以及所述平板与大地的接触界面，建立平板-大地有限元模型。
[0036]在本实施例的步骤301中，该脉冲震源冲击过程的有限元模型例如可以包括框架、重锤、平板与大地的有限元模型，但本发明不限于此种情况。
[0037]在本实施例的步骤302中，利用显式非线性动力学方法建立大地振动有限元模型、重锤与平板的接触界面、以及平板与大地的接触界面，其中，可使用现有的显式非线性动力学方法中的任一种方法建立有限元模型以及接触界面。例如，可利用杜拉克-普拉格(Drucker-Prager)模型建立大地振动有限元模型，利用罚函数法建立重锤与平板的接触界面，以及利用弹簧-阻尼器将平板与大地的接触界面设为粘性边界。但本发明不限于这些方法。
[0038]在本实施例的步骤303中，在建立平板-大地有限元模型时，可将重锤的冲击简化为具有冲击功及正压力的载荷并输入该脉冲震源冲击过程的有限元模型，并且，将该脉冲震源的压重简化为一个力和一个五自由度的约束并输入该脉冲震源冲击过程的有限元模型，其中，所述力的大小与所述压重的重力相等。
[0039]这样，通过将重锤的冲击以及脉冲震源的压重进行简化，能够进一步简化模型，从而提闻分析效率。
[0040]在本实施例的步骤201中，根据该平板-大地有限元模型分析脉冲震源平板冲击过程，其中，对脉冲震源平板冲击过程进行分析的目的是分析不同的平板参数在不同的冲击条件下形成冲击波以及传播冲击波的相关参数，因此，例如可进行以下三种分析方法中的至少一种，但本发明不限于这些分析方法和内容:
[0041]根据所述重锤冲击功的不同，分析平板的变形情况、和/或平板的加速度变化曲线、和/或平板的冲击应力波传递曲线；例如，可以在重锤的冲击功分别为3万焦耳、4万焦耳和5万焦耳的情况下，分别分析平板的变形情况、加速度变化曲线、以及冲击应力波传递曲线；
[0042]在重锤的最大冲击功下，根据压重重量的不同，分析平板的加速度曲线、和/或平板的冲击应力波传递曲线；例如，重锤的最大冲击功为5万焦耳，此时，在压重分别为最大冲击力的120%、100%以及80%时，分别分析平板的变形情况、加速度变化曲线、以及冲击应力波传递曲线；
[0043]根据平板的材料、和/或形状和/或尺寸的不同，分析平板的变形情况、和/或平板的加速度变化曲线、和/或平板的冲击应力波传递曲线；例如，在平板的材料分别为45钢、高强度铝合金、高强度铜合金时，分析平板的变形情况、加速度变化曲线、以及冲击应力波传递曲线；又例如，在平板的形状为圆形、方形和锥台形时，分析平板的变形情况、加速度变化曲线、以及冲击应力波传递曲线；又例如，在平板的底面面积为0.36m2和1.44m2时，分析平板的变形情况、加速度变化曲线、以及冲击应力波传递曲线。
[0044]这样，通过以上的分析，能够获得不同的平板参数在不同的冲击条件下形成冲击波以及传播冲击波的相关参数，从而确定平板受冲击所产生应力波的规律，确定平板的优化方向并以此为依据对脉冲震源进行优化。
[0045]由上述实施例可知，通过基于平板-大地有限元模型分析脉冲震源平板冲击过程，从而确定平板受冲击所产生应力波的规律并以此为依据对脉冲震源进行优化，能够降低分析成本、提高分析效率，从而能够降低脉冲震源的优化设计开发成本并缩短开发周期。进一步的，通过将重锤的冲击以及脉冲震源的压重进行简化，能够进一步简化模型，从而提高分析效率。
[0046]实施例2
[0047]图4是本发明实施例2的脉冲震源的优化装置400的结构示意图，对应于实施例1的脉冲震源的优化方法。如图4所示，该装置400包括分析模块401和优化模块402。其中，
[0048]分析模块401用于利用预先建立的平板-大地有限元模型对脉冲震源平板冲击过程进行分析，以获得平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况；并且，基于平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况，确定平板受冲击所产生应力波的规律；
[0049]优化模块402用于基于平板受冲击所产生应力波的规律，对脉冲震源进行优化。
[0050]由上述实施例可知，通过基于平板-大地有限元模型分析脉冲震源平板冲击过程，从而确定平板受冲击所产生应力波的规律并以此为依据对脉冲震源进行优化，能够降低分析成本、提高分析效率，从而能够降低脉冲震源的优化设计开发成本并缩短开发周期。[0051 ] 在本实施例中，该装置还可以包括:
[0052]建模模块403，用于建立平板-大地有限元模型。
[0053]其中，该部件为可选部件，在图4中用虚线表示。
[0054]在本实施例中，可以使用现有技术的任一种方法建立平板-大地有限元模型。图5是本实施例的建模模块的结构示意图，但本发明不限于这种结构。如图5所示，该建模模块403包括:第一建模单元501、第二建模单元502以及第三建模单元503。其中，
[0055]第一建模单元501用于利用三维几何实体模型建立脉冲震源冲击过程的有限元模型；[0056]第二建模单元502用于利用显式非线性动力学方法建立大地振动有限元模型、重锤与平板的接触界面、以及平板与大地的接触界面；
[0057]第三建模单元503用于基于该脉冲震源冲击过程的有限元模型、该大地振动有限元模型、重锤与平板的接触界面、以及平板与大地的接触界面，建立平板-大地有限元模型。
[0058]在本实施例中，建立脉冲震源冲击过程的有限元模型、大地振动有限元模型、重锤与平板的接触界面、以及平板与大地的接触界面的方法、建立平板-大地有限元模型的方法、根据该平板-大地有限元模型分析脉冲震源平板冲击过程的方法与实施例1中的记载相同,此处不再重复。
[0059]由上述实施例可知，通过基于平板-大地有限元模型分析脉冲震源平板冲击过程，从而确定平板受冲击所产生应力波的规律并以此为依据对脉冲震源进行优化，能够降低分析成本、提高分析效率，从而能够降低脉冲震源的优化设计开发成本并缩短开发周期。进一步的，通过将重锤的冲击以及脉冲震源的压重进行简化，能够进一步简化模型，从而提高分析效率。
[0060]本发明以上的装置和方法可以由硬件实现，也可以由硬件结合软件实现。本发明涉及这样的计算机可读程序，当该程序被逻辑部件所执行时，能够使该逻辑部件实现上文该的装置或构成部件，或使该逻辑部件实现上文该的各种方法或步骤。
[0061]本发明还涉及用于存储以上程序的存储介质，如硬盘、磁盘、光盘、DVD、flash存储
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[0062]以上结合具体的实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本发明保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本发明的精神和原理对本发明做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本发明的范围内。
【权利要求】
1.一种脉冲震源的优化方法，所述脉冲震源包括框架、重锤、平板以及压重；其中，所述方法包括: 利用预先建立的平板-大地有限元模型对脉冲震源平板冲击过程进行分析，以获得平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况； 基于平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况，确定平板受冲击所产生应力波的规律； 基于平板受冲击所产生应力波的规律，对脉冲震源进行优化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括:建立平板-大地有限元模型； 所述建立平板-大地有限元模型包括: 利用三维几何实体模型建立脉冲震源冲击过程的有限元模型； 利用显式非线性动力学方法建立大地振动有限元模型、所述重锤与平板的接触界面、以及所述平板与大地的接触界面； 基于所述脉冲震源冲击过程的有限元模型、所述大地振动有限元模型、所述重锤与平板的接触界面、以及所述平板与大地的接触界面，建立平板-大地有限元模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述脉冲震源冲击过程的有限元模型包括所述框架、重锤、平板与所述大地的有限元模型。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述利用显式非线性动力学方法建立大地振动有限元模型、所述重锤与平板的接触界面、以及所述平板与大地的接触界面包括: 利用杜拉克-普拉格(Drucker-`Prager)模型建立所述大地振动有限元模型,利用罚函数法建立所述重锤与所述平板的接触界面，以及利用弹簧-阻尼器将所述平板与大地的接触界面设为粘性边界。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述基于所述脉冲震源冲击过程的有限元模型、所述大地振动有限元模型、所述重锤与平板的接触界面、以及所述平板与大地的接触界面，建立平板-大地有限元模型包括: 基于所述脉冲震源冲击过程的有限元模型、所述大地振动有限元模型、所述重锤与平板的接触界面、以及所述平板与大地的接触界面，将所述重锤的冲击简化为具有冲击功及正压力的载荷并输入所述脉冲震源冲击过程的有限元模型，并且，将所述脉冲震源的压重简化为一个力和一个五自由度的约束并输入所述脉冲震源冲击过程的有限元模型，其中，所述力的大小与所述压重的重力相等。
6.根据权利要求1-5的任一项所述的方法，其中，利用预先建立的平板-大地有限元模型对脉冲震源平板冲击过程进行分析，以获得平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况包括以下情况中的至少一种: 根据所述重锤冲击功的不同，分析所述平板的变形情况、和/或所述平板的加速度变化曲线、和/或所述平板的冲击应力波传递曲线； 在所述重锤的最大冲击功下，根据所述压重重量的不同，分析所述平板的加速度曲线、和/或所述平板的冲击应力波传递曲线； 根据所述平板的材料、和/或形状和/或尺寸的不同，分析所述平板的变形情况、和/或所述平板的加速度变化曲线、和/或所述平板的冲击应力波传递曲线。
7.—种脉冲震源的优化装置，所述脉冲震源包括框架、重锤、平板以及压重；其中，所述装置包括: 分析模块，所述分析单元用于利用预先建立的平板-大地有限元模型对脉冲震源平板冲击过程进行分析，以获得平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况；并且，基于平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况，确定平板受冲击所产生应力波的规律； 优化模块，所述优化单元用于基于平板受冲击所产生应力波的规律，对脉冲震源进行优化。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述装置还包括: 建模模块，所述建模模块用于建立平板-大地有限元模型； 所述建模模块包括: 第一建模单元，所述第一建模单元用于利用三维几何实体模型建立脉冲震源冲击过程的有限元模型； 第二建模单元，所述第二建模单元用于利用显式非线性动力学方法建立大地振动有限元模型、所述重锤与平板的接触界面、以及所述平板与大地的接触界面； 第三建模单元，所述第三建模单元用于基于所述脉冲震源冲击过程的有限元模型、所述大地振动有限元模型、所述重锤与平板的接触界面、以及所述平板与大地的接触界面，建立平板-大地有限元模型。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第三建模单元用于基于所述脉冲震源冲击过程的有限元模型、所述大地振动有限元模型、所述重锤与平板的接触界面、以及所述平板与大地的接触界面，将所述重锤的冲击简化为具有冲击功及正压力的载荷并输入所述脉冲震源冲击过程的有限元 模型，并且，将所述脉冲震源的压重简化为一个力和一个五自由度的约束并输入所述脉冲震源冲击过程的有限元模型，其中，所述力的大小与所述压重的重力相等。
10.根据权利要求7-9的任一项所述的装置，其中，所述分析模块利用预先建立的平板-大地有限元模型对脉冲震源平板冲击过程进行分析，以获得平板的变形情况、和/或加速度变化情况、和/或冲击应力波传递情况包括以下情况中的至少一种: 根据所述重锤冲击功的不同，分析所述平板的变形情况、和/或所述平板的加速度变化曲线、和/或所述平板的冲击应力波传递曲线； 在所述重锤的最大冲击功下，根据所述压重重量的不同，分析所述平板的加速度曲线、和/或所述平板的冲击应力波传递曲线； 根据所述平板的材料、和/或形状和/或尺寸的不同，分析所述平板的变形情况、和/或所述平板的加速度变化曲线、和/或所述平板的冲击应力波传递曲线。
【文档编号】G01V1/147GK103440369SQ201310354723
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月14日 优先权日:2013年8月14日
【发明者】詹晋, 王永芳, 陈宪战, 朱智颖 申请人:中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司