气枪气泡特性及子波数值模拟研究

发布时间：2020-06-11 16:45

【摘要】：各国对于海洋矿产资源(天然气水合物、铁锰结核、砂矿及石油)的竞争性探索开发,促进了近半个世纪以来海上地震勘探技术的迅猛发展,就目前来说海上资源的探测技术多采用地震反射波探测的方法,而气枪及气枪枪阵震源相对于电法、磁法及重力,无疑是对于地下勘探最有实用性以及最普及的震源激发方式。但由于气枪激发的气泡脉动过程非常复杂,使得对于其产生的压力子波的研究也就变得非常不易,要确定气枪震源子波,一方面(也是最常用的方式)可以通过实际的激发测试实验,但该方法存在耗费巨大人力物力的缺点,因此对这方面的研究采用数值模拟的方法。国内目前对于气枪子波的模拟计算多采用引进的国外软件如Nucleus和Gundalf,极大的限制我们对于震源理论的研究以及地震勘探事业发展。随着气枪震源研究的深入,其应用范围也不断扩展,逐渐发展到到陆域水体,用于进行实时地下介质监测等区域尺度探测,对于陆上水体气枪激发的相关震源理论研究目前来说还仍然不够深入。同时当下工业化的气枪震源模拟其原理仅限于球形气泡理论,没有考虑实际情况下气枪气泡发生的变形、射流、迁移等因素的影响。为了进行相关理论研究以及开发可移动式、小型化的陆地水体气枪源和相应的实用化数据处理软件,福建省地震局连续数年在省内的不同陆域水库进行了大容量气枪震源的激发试验,本文主要利用了2014-2018年福建省地震局利用可移动式水库气枪震源在不同水库进行激发试验的数据,主要为福建省泉州市德化龙门滩水库以及泉州市的山美水库、沙溪口水库以及在台湾海峡进行的气枪气泡实际工况摄影实验数据,进行的主要工作如下:利用基于球形假设最初始的关于气泡的理论结果(以Rayleigh-Plessent气泡运动方程为例)以及基于边界元的非球形理论方法研究大容量气枪震源激发的气泡动力学特性,尤其是气泡的形态、射流、迁移等特征,进一步理解气枪气泡的运动行为,并与实际的测量压力子波进行对比。本文表明,气枪气泡在坍塌阶段会发生变形,这些变形会对气泡的径向和垂向运动产生影响,增大振荡频率,降低上升速度等。发现气泡在浮力作用下在竖向运动方向上会形成液体射流。边界元法在研究气泡的动力学特性上有很大优势,对于远场子波的模拟优势不明显。总结了球形气泡理论中的几个经典模型(舒尔兹-盖特曼模型、萨法模型、约翰逊模型、乔科夫斯基模型),在工业化程度最高的乔科夫斯基模型基础上,建立了针对大容量气枪震源的气泡振荡方程以及压力子波方程,结合实际测量数据分析了陆域水库气枪子波特性的影响因素,尤其是激发深度、枪数量、虚反射等因素的影响。由于建立的气泡震荡方程以及压力子波模型作为一个简化的模型仍然具有许多不足之处,例如其气体瞬间全部释放以及球形的假设与实际不符、没有考虑枪体的存在以及气泡与水之间的热量交换等,导致其预测的振荡结果衰减慢、持续时间长,主脉冲幅值过大,而实际的测量子波记录显示一个典型的气枪气泡在前几次的振荡后就会消耗殆尽。基于此,我们分析了气枪震源子波模拟中忽略的一些因素,通过引入附加的影响因子对原有模型进行改进。引入了对于模拟结果具有重要影响的修正因子包括基于开口的热力学模型、枪口节流作用、蒸发冷凝、枪体影响、气体释放率等来改善传统的计算单枪压力子波的方法,利用模型以及与实测的子波比对结果分析各修正因素对子波模拟的影响程度,进而通过改进的单枪信号进一步计算大容量枪阵的压力子波,改进的模拟方法预测的子波波形与实测信号进行对比显示改进的模型比原有模型能更好的对单枪和枪阵的震源子波进行模拟,同时分析了模型的模拟误差产生的原因。最后利用数值方法模拟分析了相干枪的平面阵列产生的地震子波,并与实测资料进行了对比,发现改进的齐奥科夫斯基模型也非常适用于陆域大容量气枪以及枪阵的子波模拟。这对于今后的对于陆域深部探测震源研究有一定意义,可以指导陆域枪阵设计以及更进一步的震源研究。
【图文】：

示意图,气枪震源,资料采集,过程

第一章绪论题背景面，随着社会进步以及经济的迅猛发展，传统的陆上能源诸如煤炭气已经无法满足人类对于能源日益增大的需求；另一方面各国对于（天然气水合物、铁锰结核、砂矿及石油）的竞争性探索开发，使海上地震勘探技术得到了长足的发展。目前海上地震勘探常用的方、磁法、重力勘探以及地震勘探（陈浩林，2008），这几种物探方求勘探对象与围岩之间必须具有明显的、可以探测的物性差异，人地下发射信号，信号传播到介质分界处时（电性、弹性、磁性差异部分信号传回位于表层的接收器，通过接收到的数据来推断地下地述几种物探方法中尤以地震方法在海上勘探中应用最广，原理如

示意图,气枪,激发过程,示意图

括泥枪、井间地震用气枪、横波气枪、陆地气枪等。总而言之，气枪震有高度可重复性、绿色环保,并且能量转换效率高，传播距离远，成为探细结构、介质变化以及城市地球物理研究的关键性工具。发展至今，，气经逐步取代其他震源方式，在海上震源应用上占有率达到 95%以上（大技丛书地震勘探资料采集技术，1999）。leeve 气枪的形态跟 BOLT 系列结构基本上大同小异，其内部的活塞部件于外部的套筒，通过控制套筒的上下活动进一步控制气体释放。最后以 B图 1-2a）（本论文做工作所用实验数据的实验枪支，1500LL Bolt 枪，气：1.7m，气枪主体半径：0.11m，四个气枪气体喷口尺寸：0.07m×0.065m量：2000in3）为例简单介绍一下气枪的一般工作原理，示意图如图 1-2（当电磁阀关闭时，气枪进行充气，空压机将高压气体注入启爆室以及主时活塞会被注入启爆室的气体顶住，直到注满。气枪点火激发后，主气高压气体会推动梭阀向上活动，气口打开，气体快速喷射到水中，快释于主气室压力减弱，启爆室内气体将梭阀压回，电磁阀继而关闭。
【学位授予单位】：中国地震局工程力学研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P631.46

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