本發(fā)明涉及地震勘探，具體涉及一種便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)裝置系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、利用人工震源激發(fā)地震波是實(shí)現(xiàn)區(qū)域地下結(jié)構(gòu)探測(cè)的關(guān)鍵方式之一，在油氣、煤田以及工程地質(zhì)等方面得到了廣泛應(yīng)用。由于人類活動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大，激發(fā)條件日漸苛刻，加之環(huán)保理念深入人心，以炸藥震源、可控震源、氣槍震源、錘擊震源、電火花震源等傳統(tǒng)震源逐漸難以同步適應(yīng)復(fù)雜地表地質(zhì)條件(山地、城區(qū)、沼澤等)和環(huán)境保護(hù)等要求，當(dāng)前新型便攜式綠色震源研究廣泛，發(fā)展種類較多，如手持沖擊震源(小型電火花震源)、背包震源、便攜落錘震源等，雖然一定程度實(shí)現(xiàn)了震源的小型化，但也伴隨震源激發(fā)能量弱，探測(cè)深度淺，適用范圍存在諸多的局限性。

2、近年來，以超臨界二氧化碳為主的氣爆震源具有爆炸能量強(qiáng)、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在城市地下空間探測(cè)、煤礦高瓦斯環(huán)境人工地震勘探等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。二氧化碳震源爆炸過程可用公式直觀表示：液態(tài)二氧化碳+加熱→氣化膨脹≈爆炸。但由于二氧化碳震源在使用過程中采用了火藥作為加熱介質(zhì)，并通過電流進(jìn)行起爆，起爆過程會(huì)產(chǎn)生電火花因而造成安全隱患，且超臨界二氧化碳儲(chǔ)存與輸送也存在一定安全隱患。綜上，研制安全、綠色、便攜、高效的震源意義重大。

3、因此，有必要提供一種便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)裝置系統(tǒng)及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)復(fù)雜的地表地質(zhì)環(huán)境及綠色勘探需求，本發(fā)明提供一種便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)裝置系統(tǒng)及方法，用于野外震源安全高效激發(fā)，提高勘探效率，以解決現(xiàn)有震源激發(fā)過程中存在安全隱患的問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

3、設(shè)置于震源內(nèi)部的發(fā)震子系統(tǒng)，內(nèi)部存儲(chǔ)有相變儲(chǔ)能材料，所述發(fā)震子系統(tǒng)內(nèi)具有預(yù)設(shè)缺陷；

4、設(shè)置于震源外部的自生熱子系統(tǒng)，所述自生熱子系統(tǒng)通過熱量傳遞裝置與所述發(fā)震子系統(tǒng)的內(nèi)部連通；

5、其中，所述自生熱子系統(tǒng)通過所述熱量傳遞裝置向所述發(fā)震子系統(tǒng)的內(nèi)部傳遞熱量，所述相變儲(chǔ)能材料吸收熱量發(fā)生相態(tài)變化，使所述發(fā)震子系統(tǒng)內(nèi)部壓力逐漸升高，在達(dá)到額定壓力時(shí)發(fā)生爆炸。

6、進(jìn)一步的，所述發(fā)震子系統(tǒng)包括：

7、內(nèi)層柱狀殼體，用于存儲(chǔ)所述相變儲(chǔ)能材料；所述預(yù)設(shè)缺陷位于所述內(nèi)層柱狀殼體的中部；

8、外層柱狀殼體，間隔包覆在所述內(nèi)層柱狀殼體外側(cè)，所述外層柱狀殼體上開設(shè)有用于使所述熱量傳遞裝置進(jìn)入的開口。

9、進(jìn)一步的，所述內(nèi)層柱狀殼體和所述外層柱狀殼體均具有特定強(qiáng)度，所述相變儲(chǔ)能材料為固-氣型或液-氣型。

10、進(jìn)一步的，所述自生熱子系統(tǒng)包括：柱狀外殼，所述柱狀外殼內(nèi)為水環(huán)境，所述水環(huán)境內(nèi)設(shè)置有自生熱體系；所述自生熱子系統(tǒng)是基于所述自生熱體系在所述水環(huán)境下發(fā)生化學(xué)變化，以使水溫升高。

11、進(jìn)一步的，所述熱量傳遞裝置為導(dǎo)水管。

12、進(jìn)一步的，通過可用壓縮氣體與水蒸氣容器爆破能量公式來計(jì)算爆炸能量，公式為

13、

14、在公式中，e為爆炸能量；v為容器內(nèi)部體積；p1為容器內(nèi)部壓強(qiáng)；p0為容器外部壓強(qiáng)；k為氣體絕熱指數(shù)，表示定壓比熱與定容比熱的比值，二氧化碳和氨氣的值分別為1.295和1.300。

15、進(jìn)一步的，通過求解動(dòng)力學(xué)方程獲得特定震源模型在不同狀態(tài)下的爆炸時(shí)間，動(dòng)力學(xué)方程為

16、

17、式中，t為時(shí)間；α為反應(yīng)物向產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的百分率；β為升溫速率，有β＝dt/dt；a為指前因子，ea為活化能；f(a)為反應(yīng)機(jī)理函數(shù)，在均相反應(yīng)中用f(α)＝(1-α)n的反應(yīng)級(jí)數(shù)形式表示。

18、進(jìn)一步的，震源輻射花樣由地震矩張量產(chǎn)生的位移場(chǎng)計(jì)算公式計(jì)算獲得，位移場(chǎng)計(jì)算公式為

19、

20、式中，mij為地震矩張量，有兩個(gè)下標(biāo)i和j(取值范圍均為1，2，3，對(duì)應(yīng)x、y、z三個(gè)方向的力)，可以表示9個(gè)不同的力偶矩，當(dāng)i和j下標(biāo)相同時(shí)(即m11、m22、m33)，mij可稱為矢量偶極子；u為矩張量震源產(chǎn)生的位移，uk為總位移，下標(biāo)k取值范圍為1、2、3，對(duì)應(yīng)x、y、z三個(gè)分量，分別為近場(chǎng)項(xiàng)、中場(chǎng)項(xiàng)p波、中場(chǎng)項(xiàng)s波、遠(yuǎn)場(chǎng)p波以及遠(yuǎn)場(chǎng)s波的位移；r為接受點(diǎn)與震源點(diǎn)的距離；γ為方向因子；δ為狄拉克函數(shù)，當(dāng)兩個(gè)下標(biāo)值相等時(shí)函數(shù)值為1，其他情況函數(shù)值均為0；vp為縱波波速；vs為橫波波速；ρ為介質(zhì)密度；τ表示為某一時(shí)刻；

21、計(jì)算獲得在不同矢量偶極子源下的各項(xiàng)輻射花樣表達(dá)式為

22、

23、式中，均為輻射花樣函數(shù)，分別表示由mii產(chǎn)生近場(chǎng)、中間場(chǎng)p波、中間場(chǎng)s波、遠(yuǎn)場(chǎng)p波以及遠(yuǎn)場(chǎng)s波。

24、一種便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)方法，應(yīng)用于便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)裝置系統(tǒng)，所述方法包括：

25、s1，裝置安裝

26、在測(cè)區(qū)打淺井，將發(fā)震子系統(tǒng)置于震源內(nèi)部合適深度，以及將自生熱子系統(tǒng)置于地表；

27、s2，化學(xué)自生熱與加壓

28、將自生熱材料填入水環(huán)境中，并在水環(huán)境中產(chǎn)生熱量，使水溫快速升高至一定溫度，通過導(dǎo)水管將具有一定溫度的水導(dǎo)入發(fā)震子系統(tǒng)對(duì)相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行加熱，相變儲(chǔ)能材料吸收熱量發(fā)生相態(tài)變化，使發(fā)震子系統(tǒng)的內(nèi)部壓力逐漸升高；

29、s3，起爆

30、當(dāng)發(fā)震子系統(tǒng)的內(nèi)部壓力達(dá)到預(yù)設(shè)缺陷處所能承受的最大壓力時(shí)，發(fā)震子系統(tǒng)發(fā)生破裂，從而產(chǎn)生地震信號(hào)。

31、本發(fā)明具有如下有益效果：

32、1、本發(fā)明中自生熱子系統(tǒng)通過熱量傳遞裝置向發(fā)震子系統(tǒng)的內(nèi)部傳遞熱量，相變儲(chǔ)能材料吸收熱量發(fā)生相態(tài)變化，使發(fā)震子系統(tǒng)內(nèi)部壓力逐漸升高，在達(dá)到額定壓力時(shí)發(fā)生爆炸。

33、2、本發(fā)明中相變儲(chǔ)能材料的激發(fā)過程僅靠物理化學(xué)變化，無需電激發(fā)，無污染排出，不涉及高壓電等危險(xiǎn)環(huán)境，操作過程安全高效，爆炸過程綠色、安全、高效，屬于氣爆震源范疇，釋放能量強(qiáng)，探測(cè)深度大，具有較大的應(yīng)用前景和科學(xué)研究?jī)r(jià)值。

34、3、與傳統(tǒng)震源(炸藥震源、可控震源、氣槍震源、電火花震源、落錘震源等)不同的是，本發(fā)明采用固-氣型或液-氣型相變儲(chǔ)能材料、自生熱材料、高強(qiáng)度金屬或非金屬外殼(鋁合金)等相關(guān)工業(yè)基礎(chǔ)材料，價(jià)格低廉，安全性強(qiáng)，環(huán)境友好。

35、4、本發(fā)明通過采用簡(jiǎn)易的材料組合方式，生產(chǎn)出符合綠色發(fā)展的現(xiàn)代化勘探震源裝置系統(tǒng)，同時(shí)裝置小，便于攜帶，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，生產(chǎn)、制作工藝簡(jiǎn)單，成本低，實(shí)施可行性強(qiáng)。

技術(shù)特征：

1.一種便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)裝置系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)裝置系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)震子系統(tǒng)包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)裝置系統(tǒng)，其特征在于，所述內(nèi)層柱狀殼體和所述外層柱狀殼體均具有特定強(qiáng)度，所述相變儲(chǔ)能材料為固-氣型或液-氣型。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)裝置系統(tǒng)，其特征在于，所述自生熱子系統(tǒng)包括：柱狀外殼，所述柱狀外殼內(nèi)為水環(huán)境，所述水環(huán)境內(nèi)設(shè)置有自生熱體系；所述自生熱子系統(tǒng)是基于所述自生熱體系在所述水環(huán)境下發(fā)生化學(xué)變化，以使水溫升高。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)裝置系統(tǒng)，其特征在于，所述熱量傳遞裝置為導(dǎo)水管。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)裝置系統(tǒng)，其特征在于，通過可用壓縮氣體與水蒸氣容器爆破能量公式來計(jì)算爆炸能量，公式為

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)裝置系統(tǒng)，其特征在于，通過求解動(dòng)力學(xué)方程獲得特定震源模型在不同狀態(tài)下的爆炸時(shí)間，動(dòng)力學(xué)方程為

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)裝置系統(tǒng)，其特征在于，震源輻射花樣由地震矩張量產(chǎn)生的位移場(chǎng)計(jì)算公式計(jì)算獲得，位移場(chǎng)計(jì)算公式為

9.一種便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)方法，其特征在于，應(yīng)用于便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)裝置系統(tǒng)，所述方法包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種便攜式綠色相變儲(chǔ)能震源激發(fā)裝置系統(tǒng)及方法，屬于地震勘探技術(shù)領(lǐng)域；其包括：設(shè)置于震源內(nèi)部的發(fā)震子系統(tǒng)，內(nèi)部存儲(chǔ)有相變儲(chǔ)能材料，發(fā)震子系統(tǒng)內(nèi)具有預(yù)設(shè)缺陷；設(shè)置于震源外部的自生熱子系統(tǒng)，自生熱子系統(tǒng)通過熱量傳遞裝置與發(fā)震子系統(tǒng)的內(nèi)部連通；其中，自生熱子系統(tǒng)通過熱量傳遞裝置向發(fā)震子系統(tǒng)的內(nèi)部傳遞熱量，相變儲(chǔ)能材料吸收熱量發(fā)生相態(tài)變化，使發(fā)震子系統(tǒng)內(nèi)部壓力逐漸升高，在達(dá)到額定壓力時(shí)發(fā)生爆炸。本發(fā)明中自生熱子系統(tǒng)通過熱量傳遞裝置向發(fā)震子系統(tǒng)的內(nèi)部傳遞熱量，相變儲(chǔ)能材料吸收熱量發(fā)生相態(tài)變化，使發(fā)震子系統(tǒng)內(nèi)部壓力逐漸升高，在達(dá)到額定壓力時(shí)發(fā)生爆炸。

技術(shù)研發(fā)人員：李帝銓,劉永茂,李富,胡艷芳,朱云起,王喆
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/7