【摘要】：各國對于海洋礦產(chǎn)資源(天然氣水合物、鐵錳結(jié)核、砂礦及石油)的競爭性探索開發(fā),促進了近半個世紀(jì)以來海上地震勘探技術(shù)的迅猛發(fā)展,就目前來說海上資源的探測技術(shù)多采用地震反射波探測的方法,而氣槍及氣槍槍陣震源相對于電法、磁法及重力,無疑是對于地下勘探最有實用性以及最普及的震源激發(fā)方式。但由于氣槍激發(fā)的氣泡脈動過程非常復(fù)雜,使得對于其產(chǎn)生的壓力子波的研究也就變得非常不易,要確定氣槍震源子波,一方面(也是最常用的方式)可以通過實際的激發(fā)測試實驗,但該方法存在耗費巨大人力物力的缺點,因此對這方面的研究采用數(shù)值模擬的方法。國內(nèi)目前對于氣槍子波的模擬計算多采用引進的國外軟件如Nucleus和Gundalf,極大的限制我們對于震源理論的研究以及地震勘探事業(yè)發(fā)展。隨著氣槍震源研究的深入,其應(yīng)用范圍也不斷擴展,逐漸發(fā)展到到陸域水體,用于進行實時地下介質(zhì)監(jiān)測等區(qū)域尺度探測,對于陸上水體氣槍激發(fā)的相關(guān)震源理論研究目前來說還仍然不夠深入。同時當(dāng)下工業(yè)化的氣槍震源模擬其原理僅限于球形氣泡理論,沒有考慮實際情況下氣槍氣泡發(fā)生的變形、射流、遷移等因素的影響。為了進行相關(guān)理論研究以及開發(fā)可移動式、小型化的陸地水體氣槍源和相應(yīng)的實用化數(shù)據(jù)處理軟件,福建省地震局連續(xù)數(shù)年在省內(nèi)的不同陸域水庫進行了大容量氣槍震源的激發(fā)試驗,本文主要利用了2014-2018年福建省地震局利用可移動式水庫氣槍震源在不同水庫進行激發(fā)試驗的數(shù)據(jù),主要為福建省泉州市德化龍門灘水庫以及泉州市的山美水庫、沙溪口水庫以及在臺灣海峽進行的氣槍氣泡實際工況攝影實驗數(shù)據(jù),進行的主要工作如下:利用基于球形假設(shè)最初始的關(guān)于氣泡的理論結(jié)果(以Rayleigh-Plessent氣泡運動方程為例)以及基于邊界元的非球形理論方法研究大容量氣槍震源激發(fā)的氣泡動力學(xué)特性,尤其是氣泡的形態(tài)、射流、遷移等特征,進一步理解氣槍氣泡的運動行為,并與實際的測量壓力子波進行對比。本文表明,氣槍氣泡在坍塌階段會發(fā)生變形,這些變形會對氣泡的徑向和垂向運動產(chǎn)生影響,增大振蕩頻率,降低上升速度等。發(fā)現(xiàn)氣泡在浮力作用下在豎向運動方向上會形成液體射流。邊界元法在研究氣泡的動力學(xué)特性上有很大優(yōu)勢,對于遠(yuǎn)場子波的模擬優(yōu)勢不明顯。總結(jié)了球形氣泡理論中的幾個經(jīng)典模型(舒爾茲-蓋特曼模型、薩法模型、約翰遜模型、喬科夫斯基模型),在工業(yè)化程度最高的喬科夫斯基模型基礎(chǔ)上,建立了針對大容量氣槍震源的氣泡振蕩方程以及壓力子波方程,結(jié)合實際測量數(shù)據(jù)分析了陸域水庫氣槍子波特性的影響因素,尤其是激發(fā)深度、槍數(shù)量、虛反射等因素的影響。由于建立的氣泡震蕩方程以及壓力子波模型作為一個簡化的模型仍然具有許多不足之處,例如其氣體瞬間全部釋放以及球形的假設(shè)與實際不符、沒有考慮槍體的存在以及氣泡與水之間的熱量交換等,導(dǎo)致其預(yù)測的振蕩結(jié)果衰減慢、持續(xù)時間長,主脈沖幅值過大,而實際的測量子波記錄顯示一個典型的氣槍氣泡在前幾次的振蕩后就會消耗殆盡。基于此,我們分析了氣槍震源子波模擬中忽略的一些因素,通過引入附加的影響因子對原有模型進行改進。引入了對于模擬結(jié)果具有重要影響的修正因子包括基于開口的熱力學(xué)模型、槍口節(jié)流作用、蒸發(fā)冷凝、槍體影響、氣體釋放率等來改善傳統(tǒng)的計算單槍壓力子波的方法,利用模型以及與實測的子波比對結(jié)果分析各修正因素對子波模擬的影響程度,進而通過改進的單槍信號進一步計算大容量槍陣的壓力子波,改進的模擬方法預(yù)測的子波波形與實測信號進行對比顯示改進的模型比原有模型能更好的對單槍和槍陣的震源子波進行模擬,同時分析了模型的模擬誤差產(chǎn)生的原因。最后利用數(shù)值方法模擬分析了相干槍的平面陣列產(chǎn)生的地震子波,并與實測資料進行了對比,發(fā)現(xiàn)改進的齊奧科夫斯基模型也非常適用于陸域大容量氣槍以及槍陣的子波模擬。這對于今后的對于陸域深部探測震源研究有一定意義,可以指導(dǎo)陸域槍陣設(shè)計以及更進一步的震源研究。
【圖文】：

第一章 緒 論題背景面，隨著社會進步以及經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的陸上能源諸如煤炭氣已經(jīng)無法滿足人類對于能源日益增大的需求；另一方面各國對于（天然氣水合物、鐵錳結(jié)核、砂礦及石油）的競爭性探索開發(fā)，使海上地震勘探技術(shù)得到了長足的發(fā)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（陳浩林，2008），這幾種物探方求勘探對象與圍巖之間必須具有明顯的、可以探測的物性差異，人地下發(fā)射信號，信號傳播到介質(zhì)分界處時（電性、彈性、磁性差異部分信號傳回位于表層的接收器，通過接收到的數(shù)據(jù)來推斷地下地述幾種物探方法中尤以地震方法在海上勘探中應(yīng)用最廣，原理如

括泥槍、井間地震用氣槍、橫波氣槍、陸地氣槍等�？偠灾�，氣槍震有高度可重復(fù)性、綠色環(huán)保,并且能量轉(zhuǎn)換效率高，傳播距離遠(yuǎn)，成為探細(xì)結(jié)構(gòu)、介質(zhì)變化以及城市地球物理研究的關(guān)鍵性工具。發(fā)展至今，，氣經(jīng)逐步取代其他震源方式，在海上震源應(yīng)用上占有率達到 95%以上（大技叢書地震勘探資料采集技術(shù)，1999）。leeve 氣槍的形態(tài)跟 BOLT 系列結(jié)構(gòu)基本上大同小異，其內(nèi)部的活塞部件于外部的套筒，通過控制套筒的上下活動進一步控制氣體釋放。最后以 B圖 1-2a）（本論文做工作所用實驗數(shù)據(jù)的實驗槍支，1500LL Bolt 槍，氣：1.7m，氣槍主體半徑：0.11m，四個氣槍氣體噴口尺寸：0.07m×0.065m量：2000in3）為例簡單介紹一下氣槍的一般工作原理，示意圖如圖 1-2（當(dāng)電磁閥關(guān)閉時，氣槍進行充氣，空壓機將高壓氣體注入啟爆室以及主時活塞會被注入啟爆室的氣體頂住，直到注滿。氣槍點火激發(fā)后，主氣高壓氣體會推動梭閥向上活動，氣口打開，氣體快速噴射到水中，快釋于主氣室壓力減弱，啟爆室內(nèi)氣體將梭閥壓回，電磁閥繼而關(guān)閉。
【學(xué)位授予單位】：中國地震局工程力學(xué)研究所
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P631.46

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本文編號：2708177