海洋高分辨立体垂直能量组合电火花震源的制作方法

本发明涉及一种海洋地震勘探过程中的电火花震源，特别涉及一种海洋高分辨立体垂直能量组合电火花震源，用于海洋野外高分辨立体观测系统，勘探采集海底中浅层地震反射信息并用于海洋地质调查。

背景技术：

在海洋野外地震勘探工作中，震源是海洋地震勘探数据采集系统中的关键设备，尤其针对海洋中浅层地层勘探，电火花是重要的震源之一。这些年随着高分辨地震数据采集技术的进步，采集人员环保意识的提高，电火花震源在海洋地震勘探中占有主要地位。目前国内普遍使用的电火花震源主要由法国s.i.g公司生产的sig系列，荷兰geo-resources公司生产的geo-spark系列。国内外研制的相关海洋电火花震源，主要是以平面阵列形式组合激发，利用组合线性增加子波能量，以到达提高地震勘探地震波穿透深度的目的。但随着地震勘探技术要求的提高，如何拓宽震源子波的带宽以及提高其主频，是地球物理学家要思考的问题。如何压制水汽界面带来的虚反射，如何提高能量以及穿透深度等问题，是本专利基于先存技术所要提高的焦点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种海洋高分辨立体垂直能量组合电火花震源，以提高电火花阵列通过空间与能量调节而实现拓宽震源子波频带的作用，产生高分辨的地震子波以适用海上高分辨多道地震勘探系统的相关技术要求。

本发明根据单电极产生的气泡壁压力与时间的关系，即单电极的气泡脉冲，通过有规律调节各个单电极的激发能量，如正弦化能量或者指数化能量，依据各个电极空间与激发能量差异性构造海洋高分辨立体垂直能量组合电火花震源。

一种海洋高分辨立体垂直能量组合电火花震源，其特征在于包括水上控制激发单元和位于水下的深度传感器，所述水上控制激发单元通过带有阳极水密接头的能量传输连接电缆与圆柱形垂直阵列框架的顶端连接，所述圆柱形垂直阵列框架是整个震源电极承载体，它包括多根柱状电极载体，所述的各个柱状电极载体围绕圆柱形垂直阵列框架的轴线均匀排列，每根柱状电极载体均与轴线平行且距轴线的距离相等，每相邻两根柱状电极载体的间距均相等；每一根柱状电极载体上沿长度方向等间距排列多个阴电极；每个阴电极的方向相同且均位于柱状电极载体的径向上；所述的水上控制激发单元包括能量相干控制电路，并以向所述阴电极提供电能的方式使不同深度的阴电极在同一时间激发出不同的能量。

上述利用能量相干控制电路使不同深度的阴电极在不同的时间进行能量激发，采用正弦化或者指数化激发能量组合。

所述正弦化激发能量组合中的一种形式为：以最浅层阴电极为起始层，依层次不同而激发不同不同能量，且每一层与前一层的激发能量符合公式e=e0*sin(k*（π/2/n）)，k为第k层，n为总层数，e0为单只阴电极激发能量设定值。

所述指数化激发能量组合中的一种形式为：以最浅层阴电极为起始层，依层次不同而激发不同不同能量，且每一层与前一层的激发能量符合公式e=e0*ln(k*（(e-1)/n）)，k为第k层，n为总层数，e0为单只阴电极激发能量设定值。

垂直阵列震源在实际工作中，竖直放于海水中，所有电极按照预先设置的能量变化进行同步激发，这样使得从上到下每一层阴电极激发的气泡同相叠加，由于能量不同，相对应的单电极子波振幅不同，这样相互叠加的结果能够有效的压制海面虚反射。

垂直阵列框架的形状是底面直径为400mm，高为2000mm的圆柱体，它包括垂直排列的16个柱状电极载体，相邻两个柱状电极载体的间距为2cm，每个柱状电极载体上设有100个阴电极，所有阴电极属于同一回路，相邻的两个阴电极的间距为2cm；所有的阴电极呈网格状排列（每个阴电极均与其上下左右相邻的阴电极的间距相等）。

所述阴电极是由聚酯材料包裹的铜丝，单只电极放电时能量范围为5-30j；

圆柱形垂直阵列框架底部安装自由摆动的平衡配重球7。

本设计震源整体激发能量范围为8000-48000j。

采用阳极水密接头可以方便的安装和拆卸，平衡配重球用于该垂直阵列框架在水体中自由状态下的平衡调节，深度传感器用于测定震源沉放深度。

为了保证在涌浪较大的海况下，垂直阵列电火花震源整体摇晃不是很剧烈，使本震源水下部分的加装平衡配重球在震源底部，平衡配重球包括配重球与位于圆柱形垂直阵列框架底部的转轴，配重球与转轴通过摆杆连接，目的为了消除由于涌浪产生的震源摆动。

利用上述海洋高分辨立体垂直能量组合电火花震源产生震源子波的方法，其特征在于包括以下步骤：

将本震源搭载于工作船并行驶至预定海域，将本装置吊装至水中，通过深度压力传感器检测是否已达预定深度，

水上控制激发单元对各个柱状电极载体供电，使不同深度的阴电极在同一时间激发出不同的能量，从而产生震源子波，而使得产生的震源子波能够根据阴电极的能量差异性压制虚反射，从而提高震源的能量以及地震子波的分辨率，适用于海洋高分辨地震勘探工作。

本发明具有以下特征：

a.海洋高分辨立体垂直能量组合电火花震源利用阴电极放电一致性现有技术，基于电极的空间排列方式，针对每一层阴电极6的激发能量进行正弦化或者自然对数化加权，使得每只阴电极产生的子波能够相互错位叠加从而压制虚反射。有效地系统控制所有阴电极6激发产生的地震子波组合，最大化的压制垂直阵列电火花震源激发产生的地震子波的虚反射，大大提高地震勘探野外数据采集的分辨率。

b.阴极放电是现有技术，此种技术的特点是电极放电不消耗材料，能够保持单只电极的子波一致性。

c.为了保证在涌浪较大的海况下，震源整体摇晃不是很剧烈，将本震源底部安装平衡配重球，目的是利用平衡配重球的自由摆动来限制垂直阵列震源的晃动角度。

d.利用深度压力传感器4，实时传输确定圆柱体沉放深度，用于计算压制虚反射的空间距离。

e.整个电极排列为16根对称柱状电极载体，以整个电极框架中心线为对称，等间距排列于圆柱体的侧面。

f.每一根柱状载体上等间距排列的100根电极，所有电极属于同一回路，并且电极间距为2cm。如此安排，利用阴电极6的不同空间深度，使得同一深度的阴电极6产生的地震子波能够相互延时叠加，有效地压制海面虚反射。

g.震源整体框架4为底面直径400mm，高2000mm。所有电极属于同一回路，同时激发。柱状电极载体5间隔2cm，围绕垂直阵列共16条柱状电极载体5。每条柱状电极载体5上的阴电极6长度为2cm，底面积直径为5mm。阴电极6的结构为，聚酯材料10包裹的放电铜丝9。

附图说明

图1本发明的海洋高分辨立体垂直能量组合电火花震源示意图。

图2单根柱状电极载体示意图。

图3单只阴电极示意图。

图4震源整体框架、柱状电极载体及阴电极的立体图。

图5用本发明的海洋高分辨立体垂直能量组合电火花震源产生的震源子波。

图6为图5所示的震源子波的振幅谱。

其中，1、水上控制激发单元，2、能量传输电缆，3、阳极水密接头，4、圆柱形垂直阵列框架，5、柱状电极载体，6、阴电极，7、平衡配重球，8、深度传感器，9、放电铜丝，聚酯材料10。

具体实施方式

如图1-4所示，一种海洋高分辨立体垂直能量组合电火花震源，其特征在于包括水上控制激发单元1和位于水下的深度传感器8，所述水上控制激发单元1通过带有阳极水密接头3的能量传输连接电缆2与圆柱形垂直阵列框架4的顶端连接，所述圆柱形垂直阵列框架4是整个震源电极承载体，它包括多根柱状电极载体5，所述的各个柱状电极载体5围绕圆柱形垂直阵列框架4的轴线均匀排列，每根柱状电极载体5均与轴线平行且距轴线的距离相等，每相邻两根柱状电极载体5的间距均相等；每一根柱状电极载体5上沿长度方向等间距排列多个阴电极6；每个阴电极6的方向相同且均位于柱状电极载体5的径向上；

所述的水上控制激发单元1包括能量相干控制电路，并以向所述阴电极6提供电能的方式使不同深度的阴电极6在同一时间激发出不同的能量。

上述利用时间延迟控制电路使不同深度的阴电极6在不同的时间进行能量激发，其激发规律包括正弦化或者指数化激发能量组合，即已最浅层阴电极6为起始激发层，逐层依次激发，且每一层距与前一层的激发能量符合公式e=e0*sin(k*（π/2/n）)或e=e0*ln(k*（(e-1)/n）)，k为第k层，n为总层数,e0为单只阴电极激发能量设定值。

垂直阵列震源在实际工作中，竖直放于海水中，所有电极按照预先设置的能量变化进行同步激发，这样使得从上到下每一层阴电极6激发的气泡同相叠加，由于能量不同，相对应的单电极子波振幅不同，这样相互叠加的结果能够有效的压制海面虚反射。

利用上述海洋高分辨立体垂直能量组合电火花震源产生震源子波的方法，其特征在于包括以下步骤：

将本震源搭载于工作船并行驶至预定海域，将本装置吊装至水中，通过深度压力传感器8检测是否已达预定深度，

水上控制激发单元1对各个柱状电极载体5供电，使不同深度的阴电极6在同一时间激发出不同的能量，从而产生震源子波，而使得产生的震源子波能够根据阴电极6的能量差异性压制虚反射，从而提高震源的能量以及地震子波的分辨率，适用于海洋高分辨地震勘探工作。

实施例

垂直阵列框架4的形状是底面直径为400mm，高为2000mm的圆柱体，它包括垂直排列的16个柱状电极载体5，相邻两个柱状电极载体5的间距为2cm，每个柱状电极载体5上设有100个阴电极6，所有阴电极6属于同一回路，相邻的两个阴电极6的间距为2cm；所有的阴电极6呈网格状排列。

所述阴电极6是由聚酯材料包裹的铜丝，单只电极放电时能量范围为5-30j；

本设计震源整体激发能量范围为8000-48000j。

采用阳极水密接头3可以方便的安装和拆卸，平衡配重球7用于该垂直阵列框架在水体中自由状态下的平衡调节，深度传感器8用于测定震源沉放深度。

为了保证在涌浪较大的海况下，垂直阵列电火花震源整体摇晃不是很剧烈，使本震源水下部分的加装平衡配重球7在震源底部，平衡配重球7包括配重球与位于圆柱形垂直阵列框架4底部的转轴，配重球与转轴通过摆杆连接，目的为了消除由于涌浪产生的震源摆动。

能量传输电缆2长约150m，在震源整体框架4顶部安装深度传感器8，平衡配重球7以及阴电极6全部集成安装于震源整体框架4上。其中，每100个阴电极集成于一条柱状电极载体上，然后将20条柱状电极载体依次加装在震源整体框架的圆柱侧面上。

上述的150m的连接电缆2中集成多股线缆，通过阳极水密接头3连接。其中包括电源充放电阴极线和阳极线20股（对应柱状电极载体的数量），深度传感器实时传输线1股，地线1股。各种线缆用绝缘软金属材料包裹集成，防止线缆之间的电感效应。所有的线缆接头集成于阳极水密接头3中，在接头中实现室内单元与室外单元的连接。

本发明依据阴极放电的现有技术，利用同步激发的电极，基于不同的空间深度位置关系以及正弦化或者自然对数化每一层阴电极6的激发能量，综合计算震源子波的时间延迟与能量叠加，进行错位叠加压制虚反射现象。

由图5与图6可知，本发明产生的震源子波具有高频宽，高分辨率以及良好的虚反射压制特点，满足海洋高分辨地震勘探的需求。