水靜壓對脈沖放電及深拖等離子體震源的影響

張連成,黃逸凡,劉 振,閆克平

（1.浙江大學生物質(zhì)化工教育部重點實驗室,浙江杭州310027；2.浙江大學化學工程與生物工程學系,浙江杭州310027）

水靜壓對脈沖放電及深拖等離子體震源的影響

張連成1,2,黃逸凡1,2,劉 振1,2,閆克平1,2

（1.浙江大學生物質(zhì)化工教育部重點實驗室,浙江杭州310027；2.浙江大學化學工程與生物工程學系,浙江杭州310027）

為了滿足未來深拖等離子體震源的應用需求,基于高壓脈沖電暈放電技術(shù),研究不同水靜壓力下高壓脈沖放電的電聲特性.結(jié)果表明：水靜壓力對高壓脈沖放電沒有明顯抑制,電壓電流峰值及脈寬基本一致,波形上升沿高度一致；隨著水靜壓力的增大,脈沖聲波幅值呈指數(shù)衰減,當深度達到400 m時,聲壓大約下降一半,1200 m后衰減趨于平緩,單脈沖能量越小,聲壓級隨水靜壓力增大衰減越快.對深拖等離子體震源進行可行性論證發(fā)現(xiàn),當單脈沖能量高于20 J時,深拖的聲壓級損失比常規(guī)海面拖曳的傳播損失小.

水靜壓力；液相放電；電暈放電；電聲特性；深拖；等離子體震源

液相放電包括電暈放電、火花放電和電弧放電［1］.其中電暈放電區(qū)別于火花放電和電弧放電的地方在于沒有在電極之間形成放電通道.液相放電可以產(chǎn)生強大的沖擊波,該效應稱為液電效應［2］.目前,液電效應被廣泛應用于醫(yī)學體外碎石［3］、水處理［4-5］、液電成型［6］、液電清砂清垢［7］、巖石破碎［8-9］及等離子體震源［10-11］等方面.然而,以上方面涉及到超高水靜壓力下的研究和應用文獻報道相對較少.靜壓力對液相流光放電的影響很大,隨著靜壓力的增大,流光的分支數(shù)目減少,電流的峰值、光脈沖、流光長度及流光速度都減?。?2-14］.

隨著海洋油氣資源的爭奪,油氣勘探逐漸由近海走向深海,深海淺地層高分辨率探測是海洋油氣勘探的重要調(diào)查手段.等離子體震源基于液相脈沖電暈放電技術(shù),被廣泛應用于海洋地震勘探和油氣勘查,對于深海,由于菲涅爾半徑過大［15］,導致橫向分辨率降低,解決這一問題的最有效方法是將等離子體震源深拖.對于等離子體震源,只有法國PASISAR在深度小于1 600 m時采用混合深拖方式的等離子體震源,即震源為常規(guī)拖曳,而接收纜深拖［15］,而目前唯一能夠工作在2 000 m水深以下,并投入商業(yè)應用的震源是基于壓電的赫姆霍茲共振腔,包括美國的深拖曳多道聲學和地球物理勘探地震系統(tǒng)（deep-towed acoustic-geophysics system, DTAGS）深拖系統(tǒng),法國的SYSIF系統(tǒng)（深拖式）［16-19］.對于深拖技術(shù),首要問題是面臨深海水下超高水靜壓力,所以對于不同水靜壓力下的液相放電研究顯得尤為重要,這方面研究將對應用于海洋油氣勘探的等離子體鉆機［20］以及深拖式等離子體震源具有重要的指導作用.

本文采用自制高壓脈沖電源,基于液相脈沖電暈放電,對不同水靜壓力下高壓脈沖放電的電聲特性進行測試分析,對基于液相脈沖電暈放電的深拖等離子體震源進行初步論證.

1 實驗系統(tǒng)和方法

1.1 實驗系統(tǒng)

液相放電的沖擊波特性是研究的重點.以等離子體震源為例,深海條件下的水靜壓非常高,因此需要在實驗室條件下考察超高的水靜壓是否會抑制水中高壓脈沖放電,同時要考察水靜壓對聲壓級變化的影響.如圖1所示為測試所需的實驗裝置圖,其中包括了高壓脈沖電源、耐高壓反應器、手動液壓泵、電聲信號測試探頭和示波器等.如圖2所示為自制高壓脈沖電源和高壓反應器實物圖.

實驗所用的脈沖電源為自制電源,采用全固態(tài)半導體開關(guān),負高壓輸出,儲能電容為2μF,充電電壓為－2.3 k V至－5.6 k V可調(diào),相應得到的單脈沖能量為5 J至30 J可調(diào),步長為5 J.耐高壓反應器內(nèi)徑為120 mm,容積為1 L,加壓方式為采用手動液壓泵加壓.放電電極為直徑為1.4 mm的銅線,外層由絕緣層包裹,絕緣層直徑為5.5 mm,只有電極尖端與水接觸,電極尖端距離反應器內(nèi)壁60 mm,距離反應器底部45 mm,放電電極結(jié)構(gòu)可以看作針-板電極,如圖3所示為電極布置示意圖.反應器內(nèi)水的電導率為53 mS／cm,與海水的電導率相當.高壓脈沖電源和反應器之間由10 m長的脈沖傳輸線連接,傳輸線自有內(nèi)阻為0.02Ω,自有電感為2.5μH.在反應器放電過程中,外壁接地.

圖1 脈沖放電實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of experimental setup of pulsed discharge

圖2 自制高壓脈沖電源和高壓反應器Fig.2 Homemade high-voltage pulsed power supply and high-pressure reactor

1.2 實驗方法

放電測試的內(nèi)容為負載電壓、電流和脈沖聲波,用到的測試探頭分別是電壓探頭Tek P6015A（1000∶1）,電流探頭Pearson 4997（0.01 V／A）和水聽器TL-10（－201 dB ref.1μPa＠1 m）.3個探頭的布置如圖1所示,電壓探頭連接的是高壓電極,電流探頭布置在電流回流傳輸線上,由于反應器體積較小,水聽器無法布置在反應器內(nèi)部,只能將端頭垂直緊貼反應器外壁,因此實際測得的是反應器壁上的透射波信號.采樣信號由四通道示波器Tek DPO7054同步記錄,通道1、2、3分別為電壓、電流和聲信號,以通道1電壓信號為觸發(fā)信號.同時,手動液壓泵調(diào)節(jié)反應器內(nèi)水靜壓力,反應器蓋子上有一個放空閥,可以排空反應器內(nèi)空氣,保證加壓的安全性.

圖3 電極布置示意圖Fig.3 Diagram of electrode arrangement

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 負載電特性

負載端的電壓電流波形反映了電特性.如圖4所示為單脈沖放電能量為20 J,當模擬水深從0 m到4 000 m變化時,負載端的電壓U和電流I波形,這是典型的脈沖電暈流光放電波形圖.當電壓達到峰值后立即下降,沒有出現(xiàn)火花放電放電通道發(fā)展時電壓維持緩慢下降的狀態(tài),所以實驗過程中放電形式是脈沖電暈流光放電.如圖5所示為當水靜壓力為2.5、5.0、10.0、15.0 MPa,單脈沖能量為30 J時的放電圖像.可以看出,放電只發(fā)生在電極尖端,并沒有形成放電通道.由于高壓脈沖電源中有續(xù)流二極管,電流沒有出現(xiàn)振蕩,保證了單脈沖輸出；同時,單電極放電時放電回路處于過阻尼狀態(tài),續(xù)流二極管沒有起作用.由結(jié)果可知,負載端電壓峰值都約為－2 800 V,電流峰值約為175 A,且隨水靜壓變化的影響可以忽略.電壓電流的上升沿高度一致,脈寬參數(shù)幾乎無變化,說明水靜壓變化對負載電特性基本沒有影響.盡管在ns時間尺度上,水靜壓力對電弧放電的擊穿延時有影響［21］,但在μs時間尺度上,超高的水靜壓環(huán)境未對水中高壓放電過程產(chǎn)生明顯抑制.

圖4 不同水深條件下的負載電壓電流曲線Fig.4 Load voltage and current waveforms under different water depth

圖5 放電圖像(2.5、5.0、10.0、15.0 MPa,30 J/Pulse)Fig.5 Discharge image（2.5 MPa,5.0 MPa,10.0 MPa,15.0 MPa,30 J／Pulse）

2.2 聲信號特性

如圖6所示為單脈沖放電能量為20 J,當模擬水深D從0 m到3 000 m變化時,水聽器輸出信號的變化.圖中,t為時間,Uh為水聽器輸出電壓,右上角的小圖為脈沖聲波第一個峰的放大顯示.從圖6可以看出,隨著水靜壓變大,水聽器輸出信號變?nèi)?壓力波幅值逐漸變小,脈寬變短.由于水聽器緊貼反應器外壁,接收到的是透射波,而非直達波.雖然聲波在穿透密度相差很大的介質(zhì)交界面時,會因為不同介質(zhì)聲阻抗不同而發(fā)生折射和反射,事實上,當常壓下單脈沖能量為20 J時,水聽器直達波輸出信號峰值至少在10 V左右（取決于水聽器距離聲源的距離）.如圖7所示為常壓下水聽器距離放電極頭部約8 cm,單脈沖能量為20 J時的輸出信號.可以看出,直達波的信號峰值約為17 V,而圖6給出的水聽器輸出僅有0.3 V,顯然聲信號很大程度上被衰減.如果假設水中脈沖放電產(chǎn)生的脈沖聲波在液固界面的透射遵守線性聲學原理,那么水聽器的輸出盡管不能精確代表脈沖聲波的聲壓,但可以間接反映脈沖聲波受水靜壓的影響.當模擬深度為0 m時,信號曲線相對清楚；當模擬深度為400 m時,信號曲線變得緊密,這主要是高水靜壓力抑制了氣泡脈動［22-23］,即氣泡對外做功的過程受到抑制.

圖8給出當單脈沖放電能量分別為5、10、20和30 J時,水聽器接收到的透射波第一個峰的峰值變化.由圖8可知,該峰值隨水深深度的變化為指數(shù)衰減,當深度達到400 m時,不同能量下的峰值都下降一半左右,對于5 J單脈沖能量,當水深達到400 m（約為4.0 MPa）時,氣泡脈動基本被抑制.當水深達到1 200～3 000 m時,峰值變化趨于緩慢,主要是當氣泡脈動得到明顯抑制后,氣泡尺寸變得很小,雖然靜壓力在增大,但實際上氣泡脈動對外做功所需的能量變化不大.

圖6 不同水深條件下的透射聲波波形圖(20 J/Pulse)Fig.6 Transmitted acoustic waveforms under different water depth（20 J／Pulse）

圖7 常壓下水聽器輸出信號(20 J/Pulse,水聽器距離約為8 cm)Fig.7 Hydrophone output under atmospheric pressure（20 J／Pulse,8 cm）

圖8 不同水深條件下的透射聲波峰值變化Fig.8 Peak value variation of transmitted acoustic waveforms under different water depth

式中：Pa為聲壓；Mc為水聽器靈敏度,Mc＝8.91×10－5V／Pa；PP為壓力峰峰值；PI為谷值；PP－P為峰峰值；Pr為水中基準聲壓1μPa；r為水聽器與電極尖端的距離；Lp為聲壓級；ΔLp為源級傳播損失；PP－P1、PP－P2為透射波峰峰值.式（4）由式（3）推導得出,將PP－P1、PP－P2分別代入式（3）并作差,可得ΔLp.

從式（3）可以看出,要計算聲壓級Lp必須已知r的精確值,但由于實驗條件的限制,水聽器距離電極尖端的實際距離不等于r的值,當根據(jù)式（1）～（3）將透射波的峰值電壓轉(zhuǎn)化為聲壓級時,必須以一種放電條件下的聲壓級為參照,計算過程中將不再需要考慮r的值.

以常壓條件下的單脈沖放電能量為30 J的聲壓級作為基準值,根據(jù)式（4）計算不同水深條件下的相對聲壓級變化,由此反映水靜壓對脈沖聲波的影響.圖9給出當單脈沖放電能量為5、10、20和30 J時,不同水靜壓條件下透射聲波的相對聲壓級變化.由圖9可知,聲壓級變化隨靜壓力的增大而增大,對于各種單脈沖能量放電,聲壓級的變化速度逐漸變慢,這和圖6中水聽器輸出信號的變化趨勢一致.當單脈沖放電能量為5 J,深度達到400 m時,聲壓級已降低近40 dB；當單脈沖放電能量為30 J,深度達到3 000 m時,聲壓級降低了25 dB左右.單脈沖放電能量越小,聲壓級隨水深深度的增加而降低得越快.

圖9 不同水深條件下透射聲波的相對聲壓級變化Fig.9 Pressure level variation of transmitted acoustic waveforms under different water depth

2.3 深拖與常規(guī)海面拖曳的比較

水靜壓力沒有抑制脈沖放電,但會導致聲壓級損失.如果聲壓級損失過大,那么地層穿透深度過淺,無法達到地震勘探的要求.將相同設備參數(shù)條件下的深拖震源與常規(guī)海面拖曳震源進行比較,以此判斷深拖技術(shù)的可行性.

假設深拖震源的工作深度為D,該深度下的聲壓級損失為ΔLp,震源工作在海底以上100 m,則水深為H＝D＋100 m.根據(jù)球面擴散傳播原理（式（5））可知,100 m的傳播損失為40 dB,由此深拖震源產(chǎn)生脈沖聲波達到海底時的總損失為ΔLp＋40 d B.忽略不同深度下的水溫變化,即聲速恒定,則該水深條件下常規(guī)海面拖曳的傳播損失為LH.如果深拖震源的總損失小于常規(guī)海面拖曳震源的傳播損失,即ΔLp＋40 dB＜LH或ΔLp＜LH－40 dB,那么深拖比常規(guī)海面拖曳的地層穿透深度更深,更具優(yōu)勢.

式中：r為聲波傳播距離.

圖9給出的黑色實線即為LH－40 dB.由圖9可知,只有當單脈沖能量大于20 J時,才能滿足ΔLp＜LH－40 dB.表1給出當單脈沖放電能量為30 J時,不同水深條件下深拖與常規(guī)海面拖曳的聲壓級損失.表中,ΔL′p為100 m傳播損失.從圖10可以看出,震源深拖的總損失比常規(guī)海面拖曳的傳播損失小,水深越大,深拖和常規(guī)拖曳的聲壓級損失差距越小.當單脈沖能量更大時,在較淺的深拖深度,深拖的優(yōu)勢將越明顯.

表1 相同設備參數(shù)條件下,深拖與常規(guī)海面拖曳的比較Tab.1 Comparison between deep-towed source and conventional surface-towed source with same device parameters

圖10 不同水深條件下深拖與常規(guī)拖曳等離子體震源聲壓級損失(30 J/pulse)Fig.10 Pressure level loss of deep-towed and conventional towed plasma seismic source under different water depth（30 J／pulse）

3 結(jié) 論

（1）不同水靜壓力下,在μs時間尺度上,電壓電流峰值基本不變,電壓、電流上升沿高度一致,脈寬基本沒有變化,所以水靜壓力沒有明顯地抑制高壓脈沖放電.

（2）不同水靜壓力下,隨著水靜壓力的增大,透射波第一個峰的峰值呈指數(shù)衰減,當深度達到400 m時,已衰減一半左右,1 200 m以后衰減變得平緩；同時,在換算成聲壓級后,發(fā)現(xiàn)單脈沖能量越小,聲壓級隨水靜壓力的增大衰減越快.

（3）通過比較深拖和常規(guī)海面拖曳2種方式的聲壓級損失可知,當單脈沖能量高于20 J時,深拖的聲壓級損失比常規(guī)海面拖曳小.

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Effects of hydrostatic pressure on pulsed discharge and deep-towed seismic source

ZHANG Lian-cheng1,2,HUANG Yi-fan1,2,LIU Zhen1,2,YAN Ke-ping1,2
（1.Key Laboratory of Biomass Chemical Engineering of Ministry of Education,Zhejiang University,Hangzhou 310027, China；2.Department of Chemical and Biological Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China）

The electro-acoustic properties under different hydrostatic pressure were investigated based on the technology of pulsed high voltage corona discharge in order to meet the requirements of future deeptowed plasma seismic source.Experimental results show that high-voltage pulse discharge is not significantly inhibited by hydrostatic pressure.Peak values of voltage and current and their pulse widths are almost consistent and wave fronts are highly coincident.As the hydrostatic pressure increases,the acoustic pressure of shock wave exponentially decays.When the depth reaches 400 m,acoustic pressure nearly drops half,and the decay rate slows down after 1200 m.As the hydrostatic pressure increases,the lower energy of single pulse,the faster is decay rate.The technical feasibility of deep-towed plasma seismic source was demonstrated.Results show that when the energy of single pulse is more than 20 J,the loss of acoustic pressure level of deep-tow is less than the transmission loss of conventional tow.

hydrostatic pressure；discharge in liquid；corona discharge；electro-acoustic property；deeptowed；plasma seismic source

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.07.027

TQ 9

A

1008- 973X（2015）07- 1395- 06

2014- 05- 06. 浙江大學學報(工學版)網(wǎng)址：www.journals.zju.edu.cn／eng

國家自然科學基金資助項目（41476080,51377145）.

張連成（1990－）,男,碩士生,從事應用等離子體技術(shù)的研究.E-mail：21228046＠zju.edu.cn

黃逸凡,男,講師.E-mail：huangyf＠zju.edu.cn