一种电火花震源装置及其系统的制作方法

本发明属于地球物理勘探技术领域，具体涉及一种电火花震源装置及其系统。

背景技术：

目前，在石油勘探中常用的震源有炸药震源、锤击震源、可控震源、气枪震源、电火花震源等。炸药震源具有能量大、频率丰富等优点，但具有一定的危险性且对环境具有破坏性。锤击震源、可控震源一般体积、重量比较大，不适合深井激发。气枪震源常用于海洋深水中施工，不适合陆地和山地勘探。而电火花震源具有体积小、能量大、安全环保无破坏的等点，是一种绿色勘探震源，适合于野外各种环境作业；电火花震源的工作原理是将储存在高压电容器中的电能在极短的瞬间由放电电极释放出，通过电能转换成脉冲压力波能量去进行地震勘探的一种非炸药震源。由于电火花震源的多种优点，使其在vsp测井、井间地震层析成像、振动采油和工程勘探等方面都得到广泛使用，取得较好的使用效果。

现有的各类井下电火花震源设备一般由地面、井下两部分组成，地面的电容储需要通过几千米的下井电缆输送至井下探头激发，能量衰减非常大，存在深井内激发能量小等问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电火花震源装置及其系统，以解决地面的电容储需要通过几千米的下井电缆输送至井下探头激发，能量衰减非常大、激发能量小的问题。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种电火花震源装置，包括：地面单元和地下单元，所述地面单元包括供电电源、升压组件、控制组件，所述地下单元包括电容组件、放电开关组件和激发探头；所述地面单元和所述地下单元之间通过电缆连接；

所述控制组件，分别与所述供电电源和所述升压组件电连接，用于控制所述供电电源给与所述升压组件供电，并用于控制所述升压组件给与所述电容组件充电，以及控制所述放电开关组件导通；

所述升压组件，与所述供电电源电连接，用于将所述供电电源输出的交流电转换并升压为直流电，并输出直流电给与所述电容组件充电；

所述电容组件，通过所述电缆与所述升压组件连接，并与所述放电开关组件电连接，所述电容组件包括并联的数个电容器，并用于储存能量；

所述激发探头，与所述放电开关组件电连接，用于以脉冲电流的形式释放所述电容组件储存的能量，并产生冲击压力波。

优选地，所述电缆包括数根纤芯，所述数根纤芯包括中间纤芯以及沿中间纤芯的轴线均设的数根周边纤芯；各个所述纤芯均包含导体和绝缘层，所述导体的外侧设置有绝缘层，各个所述纤芯之间填充总屏蔽层，总屏蔽层的外侧依次设置有内层钢丝铠装层和外层钢丝铠装层，其中，设置于中间纤芯的绝缘层的厚度大于设置于周边纤芯的绝缘层的厚度。

优选地，还包括套设于所述电容器外侧的第一筒体，相邻的所述电容器之间通过电容器接头连接，所述电容器接头包括第一固定座、第二固定座、第一承插座和第二承插座，所述第一固定座的外侧与所述第一筒体内侧紧固连接，所述第一固定座的一端与所述第一筒体的一端形成连接槽，所述连接槽内卡接锁紧扣，所述第一固定座的内侧连接有所述第一承插座，所述第一承插座内侧配合连接有所述第一插接头；所述第一承插座的一端与所述第二承插座的一端连接，所述第二承插座内配合连接有所述第二插接头，所述第一插接头的一端与所述第二插接头的一端连接，所述第二承插座的外侧与所述第二固定座的内侧连接，所述第二固定座的外侧与所述第一筒体内侧紧固连接。

优选地，所述电容器和所述放电开关组件之间通过所述电容器接头连接。

优选地，还包括套设于所述激发探头外侧的第二筒体，以及与所述第二筒体一端连接的橡胶囊，所述橡胶囊内部中空形成橡胶腔，所述激发探头的一端位于所述橡胶腔中，所述激发探头的外侧连接有橡胶囊连接头，所述橡胶囊连接头外侧螺纹连接有第二筒体连接头，所述第二筒体连接头的外侧与所述第二筒体内侧连接，所述橡胶囊连接头的一端和所述第二筒体连接头的一端形成卡接槽，所述橡胶囊的自由端配合卡接在所述卡接槽中。

优选地，所述橡胶腔内填充有质量浓度为0.1％～4％的氯化钠水溶液。

优选地，还包括套设于所述放电开关组件外侧的保温筒，所述保温筒的一端与所述第一筒体的一端连接，所述保温筒的另一端与所述第二筒体的一端连接，所述保温筒内部中空形成保温腔，保温腔内为真空环境。

优选地，所述放电开关组件包括控制电路和放电开关，所述放电开关为真空触发管。

优选地，所述升压组件的输出端连接有导电滑环，所述导电滑环设置于绞车上，所述绞车包括绕线盘，所述电缆绕设于所述绕线盘上，所述电缆通过所述绕线盘的旋转中心与所述导电滑环的动端连接，所述导电滑环的静端与所述升压组件的输出端连接，所述导电滑环的动端在所述绕线盘旋转过程中与所述导电滑环的静端接触导电。

本发明另一方面提供了一种电火花震源系统，包括：设置于发射井的上述所述的电火花震源装置和设置于接收井的井下传感器，以及数据采集装置；

所述电火花震源装置，用于释放储存的能量并产生冲击压力波，以形成激发深度参数，并将所述激发深度参数传输至所述数据采集装置；

所述井下传感器，用于采集所述电火花震源装置的产生的激发深度参数，以形成接收深度参数，并将所述接收深度参数传输至所述数据采集装置；

所述数据采集装置，用于接收、分析所述激发深度参数和所述接收深度参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明实施例所述的电火花震源装置，将电容组件和放电开关组件和激发探头均设置于地下，电容组件储存的能量通过电缆输送至激发探头激发，所需电缆长度短，能量衰减小，激发探头的激发能量大。

本发明实施例所述的电火花震源系统，通过不断的移动调节电火花震源装置的激发深度和井下传感器的接收深度，直至完成整个剖面的全部测试，可以获得发射井和接收井之间的井间地震勘探资料；可应用于石油勘探领域，包括各种井中地震、井间地震勘探，如探明储层厚度，含油气饱和度、孔隙度等参数、岩性/沉积相分析、储层连通性分析等，在煤田、矿山等地球深部资源勘探中有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的电火花震源装置的结构示意图；

图2是本发明提供的电缆结构示意图；

图3本发明提供的地下单元结构示意图；

图4本发明提供的电容组件的结构示意图；

图5本发明提供的激发探头的结构示意图；

图6本发明提供的绞车的结构示意图之一；

图7本发明提供的绞车的结构示意图之二。

其中，图中各附图标记为：

100—地面单元；101—供电电源；102—升压组件；103—控制组件；

200—电缆；210—纤芯，211—导体；212—绝缘层；220—总屏蔽层；230—内层钢丝铠装层；240—外层钢丝铠装层；

300—地下单元；301—电容组件；3011—电容器；3012—第一筒体；302—放电开关组件；303—激发探头；3033—第二筒体；3034—第二筒体连接头；304—电缆接头；305—电容器接头；3051—第一固定座；3052—第二固定座；3053—第一承插座；3054—第二承插座；3055—锁紧扣；3056—第一插接头；3057—第二插接头；3058—第一密封圈；306—保温筒；307—橡胶囊；3071—橡胶腔；3072—像胶囊连接头；3073—第二密封圈；308—活塞环；

400—绞车；401—导电滑环；402—绕线盘；403—绝缘座；404—绞车车轮；405—绞车吊装提手。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”—“宽度”—“上”—“下”—“前”—“后”—“左”—“右”—“竖直”—“水平”—“顶”—“底”“内”—“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位—以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”—“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1～7所示，本发明实施例提供了一种电火花震源装置及其系统。

一方面，本发明实施例提供了一种电火花震源装置。

结合图1和图3，本发明实施例提供的一种电火花震源装置，包括：地面单元100和地下单元300，所述地面单元100包括供电电源101、升压组件102、控制组件103，所述地下单元300包括电容组件301、放电开关组件302和激发探头303；所述地面单元100和所述地下单元300之间通过电缆200连接；

所述控制组件103，分别与所述供电电源101和所述升压组件102电连接，用于控制所述供电电源101给与所述升压组件102供电，并用于控制所述升压组件102给与所述电容组件301充电，以及控制所述放电开关组件302导通；

所述升压组件102，与所述供电电源101电连接，用于将所述供电电源101输出的交流电转换并升压为直流电，并输出直流电给与所述电容组件301充电；

所述电容组件301，通过所述电缆200与所述升压组件102连接，并与所述放电开关组件302电连接，所述电容组件301包括并联的数个电容器3011，并用于储存能量；

所述激发探头303，与所述放电开关组件302电连接，用于以脉冲电流的形式释放所述电容组件301储存的能量，并产生冲击压力波。

具体地，本发明实施例中所述控制组件103可以控制供电电源101充电，可以将220v交流电转换为高压直流电输出，高压直流电通过电缆200对井下的电容组件301充电，控制组件103检测到井下的电容组件301储能到预设的电压值后，供电电源101自动停止供电；激发时，控制组件103控制井下的放电开关组件302瞬间导通，电容组件301存储的能量经电缆200转移到激发探头303上，使激发探头303正负极之间的介质间隙击穿，即激发探头303放电，电容组件301所存储的能量在微秒级的时间内，以强大的脉冲电流的形式，在放电间隙中释放，产生强大的冲击压力波。

本发明实施例中高压直流电给与电容组件301充电时，电容组件301上的电压u(单位：伏特)随后升高，如电容组件301的电容量为c(单位：法拉)，则电容组件301所存储的能量w(单位：焦耳)可用下列公式求得：

为增大上述电容组件301的存储的能量w，电容组件301可以包括数个电容器3011，每个电容器3011可以为高储能密度的圆柱形高压储能电容器3011，电容量c可以为1600uf，其最高储能电压u为5kv。为了增大电容组件301所存储的能量，可以增加并联的电容器3011的数量。电容器3011的材质可以采用聚酯薄膜，其耐温可高达150℃。电容组件301的存储的能量w越大，震源激发的地震波能量越大。

具体地，本发明实施例中所述电容组件301可以包括并联设置的数个电容器3011，作为示例而非限制性的，电容器3011的数量可以为3个、5个、7个或9个。本发明实施例可以根据实际需要，灵活增减电容器3011的数量，灵活组合电容器3011，如电容组件301中包含的各个电容器的储存能量可不同。电容器3011的数量设置为3个时，每个电容器3011的长度可以为2.5米；相应的，放电开关组件302和激发探头303的长度之和可以为1米，此时激发能量达到20kj；通过增加电容器，可以拓展至更大的激发能量，检测深度可达5000米以上。

具体地，所述控制组件103可采用plc智能控制技术，操作简便，稳定可靠。

本发明实施例中，将电容组件301和放电开关组件302和激发探头303均设置于地下，电容组件301储存的能量通过电缆200输送至激发探头303激发，所需电缆200长度短，能量衰减小，激发探头303的激发能量大。

本发明实施例在应用到石油勘探领域时，可利用激发探头303产生的冲击压力波，振动解堵，恢复老油井产能。

其中，所述升压组件102可以采用恒流技术，恒流技术电流稳定，即使电容组件301中的电容器3011长时间短路，也不会烧坏升压组件102；还可以利用充电时间的长短控制电容器3011充电压的高低，通过对时间的控制可防止充电电压的过高危险。恒流可以设置为500ma。所述供电电源101为本发明实施例所述的电火花震源装置提供能量，供电电源101的功率由升压组件102决定，升压组件102中设置为恒流500ma充电，最大的充电功率可以达到3kw，为了保证系统的可靠性，供电电源101的功率可以设置为6kw。

其中，本发明实施例还可以包括显示单元，显示单元通过显示屏可操作及监视所述电火花震源装置的系统状态；当出现故障时，本发明实施例可以自动保护并报警显示报警原因。

结合图2，其中，所述电缆200包括数根纤芯210，所述数根纤芯210包括中间纤芯以及沿中间纤芯的轴线均设的数根周边纤芯；各个所述纤芯210均包含导体211和绝缘层212，所述导体211的外侧与所述绝缘层212的内侧连接，各个所述纤芯210之间填充总屏蔽层220，总屏蔽层220的外侧依次设置有内层钢丝铠装层230和外层钢丝铠装层240，其中，设置于中间纤芯的绝缘层212的厚度大于设置于周边纤芯的绝缘层212的厚度。增加设置于中间纤芯的绝缘层212的厚度，可以使得电缆200的耐压值增加。

具体地，将高压直流电输送至井下给电容器3011充电时，为确保高压直流电的安全输送，电缆200可以采用7芯电缆200，7芯电缆200为1根中间纤芯以及沿中间纤芯的轴线均设的6根周边纤芯；中间纤芯中的绝缘层212的厚度可以被加粗至3mm，电缆200耐压可达8kv；中间纤芯接正极，可传输5kv；6根周边纤芯中的任意2根周边纤芯可以接负极0v，剩余的4根周边纤芯可用于放电开关组件302中放电开关的导通及供电电源101的供电。

结合图3和图4，其中，本发明实施例还包括套设于所述电容器3011外侧的第一筒体3012，相邻的所述电容器3011之间通过电容器接头305连接，所述电容器接头305包括第一固定座3051、第二固定座3052、第一承插座3053和第二承插座3054，所述第一固定座3051的外侧与所述第一筒体3012内侧紧固连接，所述第一固定座3051的一端与所述第一筒体3012的一端形成连接槽，所述连接槽内卡接锁紧扣3055，所述第一固定座3051的内侧连接有所述第一承插座3053，所述第一承插座3053内侧配合连接有所述第一插接头3056；所述第一承插座3053的一端与所述第二承插座3054的一端连接，所述第二承插座3054内配合连接有所述第二插接头3057，所述第一插接头3056的一端与所述第二插接头3057的一端连接，所述第二承插座3054的外侧与所述第二固定座3052的内侧连接，所述第二固定座3052的外侧与所述第一筒体3012内侧紧固连接。所述锁紧扣3055用于锁紧第一筒体3012和电容器接头305。

其中，所述电容器3011和所述放电开关组件302之间也可通过所述电容器接头305连接。

其中，所述电容器3011和升压组件102之间也可通过所述电缆接头304连接。电缆接头304的结构与电容器接头305的结构相同，在此不再累述电缆接头304的具体结构。

优选地，第一筒体3012和电容器接头305之间可以设置第一密封圈3058，优选地，第一密封圈3058可以为氟橡胶o型密封圈，可以用于密封、防水。

结合图5，其中，本发明实施例还包括套设于所述激发探头303外侧的第二筒体3033，以及与所述第二筒体3033一端连接的橡胶囊307，所述橡胶囊307内部中空形成橡胶腔3071，所述激发探头303的一端位于所述橡胶腔3071中，所述激发探头303的外侧连接有橡胶囊连接头3072，所述橡胶囊连接头3072外侧螺纹连接有第二筒体连接头3034，所述第二筒体连接头3034的外侧与所述第二筒体3033内侧连接，所述橡胶囊连接头3072的一端和所述第二筒体连接头3034的一端形成卡接槽，所述橡胶囊307的自由端配合卡接在所述卡接槽中。第二筒体连接头3034可以将所述第二筒体3033与所述像胶囊连接头3072螺纹锁紧。

优选地，第二筒体3033和第二筒体连接头3034之间可以设置第二密封圈3073，优选地，第二密封圈3073可以为氟橡胶o型密封圈，可以用于密封、防水。

优选地，所述橡胶腔3071内填充有质量浓度为0.1％～4％的氯化钠水溶液；激发探头303的正负极位于所述橡胶腔3071内，激发探头303处于密封环境中；当氯化钠水溶液中导电离子含量较低时，激发探头303的正负极电弧电阻增加，虽然可获得较高的压力峰值，但同时电泄漏的时间加长，而且加长的时间不稳定，则导致压力波形不稳定，相反，增加导电率则压力峰值减小，但压力波形稳定。将氯化钠水溶液的浓度设置为0.1％～4％，可以保证压力峰值保持在一个相对较好的值域，质量浓度为0.1％～4％氯化钠水溶液，可以提高导电率，进而提高能量转换效率，且由于激发探头303处于密封环境中，不会受到激发环境如存在泥浆的石油井的影响，激发探头303处于震波衰减小的密封环境中，且密封环境中装满氯化钠水溶液，可以保证激发稳定，抗干扰能力强，系统故障率低。

激发探头303可采用圆筒式结构设计，采用钨铜材料，圆心中电极为正极、外圈为负极，正极和负极之间的绝缘材料可采用氟橡胶。激发探头303可耐高温、耐磨损、抗腐蚀。

结合图3，其中，本发明实施例还包括套设于所述放电开关组件302外侧的保温筒306，所述保温筒306的一端与所述第一筒体3012的一端连接，所述保温筒306的另一端与所述第二筒体3033的一端连接，所述保温筒306内部中空形成保温腔，保温腔内为真空环境。通过保温腔可以保证放电开关组件302隔热，对放电开关组件302起到保温作用，以使得本发明实施例所述电火花震源装置的耐高压耐高温等级高。

其中，所述放电开关组件302包括控制电路和放电开关，所述放电开关为真空触发管。采用真空触发管，具有导通时间短，响应速度快，耐温范围大，耐温高的优点。因真空触发管的导通时间短，开关闭合速度在几十微米以内，电容组件301中存储的能量可快速释放，存储的能量的转换效率高；优选地，所述真空触发管可以为dzcf701/35型号，其耐温范围可以为-25℃～150℃，其响应速度小于10us，延时小于50us。

结合图3，其中，本发明实施例还包括与所述像胶囊307的一端连接的活塞环308，活塞环308可以调节激发探头内外压力平衡。

结合图6和图7，其中，所述升压组件102的输出端连接有导电滑环401，所述导电滑环401设置于绞车400上，所述绞车400包括绕线盘402，所述电缆200绕设于所述绕线盘402上，所述电缆200通过所述绕线盘402的旋转中心与所述导电滑环401的动端连接，所述导电滑环401的静端与所述升压组件102的输出端连接，所述导电滑环401的动端在所述绕线盘402旋转过程中与所述导电滑环401的静端接触导电。导电滑环401可以防止电缆200在360°旋转中的缠绕。

优选地，导电滑环401的外侧连接有绝缘座403。

优选地，绞车400还包括绞车支架，绞车支架与绕线盘402连接，绞车支架用于固定支撑绕线盘402；

绞车400还包括橡胶轮404，橡胶轮404设置于绞车支架底部，橡胶轮404的数量可设置为四个，四个橡胶轮404均带刹车和换向节，方便绞车400移动。

绞车支架连接有绞车吊装提手405，绞车吊装提手405用于推动、抬升绞车400。

现场测井时，绞车400安装于井口附近或者安装在测井车上，电缆200通过深度计数装置对下井深度进行记录。地下单元300按照图3所示将电容组件301、放电开关组件302和激发探头303逐步连接，连接前检查各种密封圈是否完好无损，接头处需锁紧。通过下井滑轮将激发探头303下放到要检测的激发的深度。设备准备就绪后，进行系统自检，自检通过后，所述控制组件103如地面控制箱设定每一次激发的电压，电容组件301充电到预设值时，系统自动停止充电，地面控制箱控制井下的放电开关闭合，电容组件301中存储的能量通过激发探头303瞬间进行释放，产生振动冲击的地震波，设置于地面控制箱配合的plc控制软件可对设备安全状态、充放电全过程等进行监控。每一次充电、激发，接收系统完成一次井间地震信号采集过程。

本发明实施例另一方面提供了一种电火花震源系统，包括：设置于发射井的上述各实施例任一实施例所述的电火花震源装置和设置于接收井的井下传感器，以及数据采集装置；

所述电火花震源装置，用于释放储存的能量并产生冲击压力波，以形成激发深度参数，并将所述激发深度参数传输至所述数据采集装置；

所述井下传感器，用于采集所述电火花震源装置的产生的激发深度参数，以形成接收深度参数，并将所述接收深度参数传输至所述数据采集装置；

所述数据采集装置，用于接收、分析所述激发深度参数和所述接收深度参数。

本发明实施例可应用于石油勘探领域，包括各种井中地震、井间地震勘探，如探明储层厚度，含油气饱和度、孔隙度等参数、岩性/沉积相分析、储层连通性分析等，在煤田、矿山等地球深部资源勘探中有广泛的应用前景。

现场施工时，以井间地震施工方案为例，发射井用于布置所述的电火花震源装置，接收井用于布置的井下传感器，井下传感器和电火花震源装置的触发信号线分别连接至数据采集装置如地震数据采集仪器。通过不断的移动调节电火花震源装置的激发深度和井下传感器的接收深度，直至完成整个剖面的全部测试，获得发射井和接收井之间的井间地震勘探资料。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改—等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。