可控震源的主动隔振系统的实验研究

摘要

可控震源是一种应用于石油与天然气工业的大型地球物理勘探设备，它在地震勘探中能够产生频率连续变化的地震信号用于探测地下可能储集油气的地质体。由于地震信号的品质决定了对地下地质目标成像效果，与可控震源密切相关的隔振系统具有十分重要的意义。截止到目前，当今时代所采用的隔振方法，在激发频率为6-250Hz区间，能够达到90％以上的隔振效率，基本满足地震勘探的激发需要。而低于3Hz的激发频率信号，隔振的效率远远不能达到要求。论文建立了与可控震源相匹配的实验模型，增加主动隔振技术，对可控震源的主动隔振系统的实验进行了研究。
　　本文分析了可控震源隔振系统的结构和工作原理，建立了物理模型和数学模型，并对ZK-5VIC型虚拟测试振动与控制系统进行了仿真研究。针对复杂的低频振动信号，搭建混合隔振系统的实验平台。采用51单片机作为主控制器、电动式激振器作为作动器的主动隔振系统，构建混合隔振系统。通过控制算法的研究，最终确定PID控制算法，实现了可控震源实验模型的隔振控制。对实验模型进行了大量的研究与测试，实验表明，所建混合隔振系统在低频段隔振实验效果较好，在3Hz时隔振效率达到80％，2Hz时隔振效率达到83％，1Hz时隔振效率达到86％，为可控震源车的低频段混合隔振控制提供了理论依据与技术保障。
　　本文的重点研究内容包括以下几点:
　　1)针对低频振动信号，设计了混合隔振方案，硬件方面采用51单片机作为主控制器，软件方面采用PID控制算法，实现了激振频率在3Hz以下的主动隔振的实验研究。研究结果显示:可控震源的激振频率在3Hz～1Hz时，主动隔振效果能够达到80％以上，隔振效果显著。
　　2)可控震源的激振频率在3Hz～1Hz范围内，得到不同频率在不同时间点振动曲线幅值的数据，并用数学方法对相关数据进行处理，验证频率越高，主动隔振效果越稳定这项结论。
　　3)将采集到的隔振曲线由时域曲线转变为频域曲线，通过频域显示的隔振曲线再次求取主动隔振效率，验证了激振频率在3Hz～1Hz隔振效果能够达到80％以上的隔振效果。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 可控震源主动隔振实验研究的背景及意义

1．2 可控震源的介绍

1．2．1 单脉冲震源一

1．2．2 连续振动可控震源

1．2．3 编码脉冲震源

1．3 主动隔振技术在国内外领域的发展水平

1．4 本课题主要研究的内容

1．5 论文的结构安排

2 可控震源隔振系统的建模

2．1 被动隔振系统建模

2．2 混合隔振系统建模

2．3 本章小结

3 可控震源混合隔振系统的算法及仿真研究

3．1 可控震源混合隔振系统的算法

3．2．1 MATLAB与SIMULINK介绍

3．2．2 仿真的目的和内容

3．2．3 仿真的步骤

3．2．4 基于PlD控制算法的可控震源混合隔振系统的仿真研究

3．3 本章小结

4 搭建可控震源混合隔振实验系统

4．1 实验装置的介绍

4．1．1 控制系统的选型

4．1．2 激振系统的选型

4．1．3 作动器的选型

4．1．4 传感器的选型

4．2 实验总体设计方案

4．3 实验原理

4．4 本章小结

5 可控震源混合隔振系统的硬件设计

5．1 主控制器及外围电路设计

5．1．1 主控制器的选型

5．1．2 主控制电路设计

5．1．3 信号放大电路设计

5．2 串口通信协议RS-232标准

5．3 本章小结

6 可控震源混合隔振系统的软件设计

6．1 主程序设计

6．2 数据输出模块程序设计

6．3 本章小结

7 可控震源混合隔振系统的实验测试及结果分析

7．1 可控震源混合隔振系统的实验测试

7．2．1 激振3Hz时隔振曲线及系统采样值

7．2．2 激振2Hz时隔振曲线及系统采样值

7．2．3 激振1Hz时隔振曲线及系统采样值

7．3 时域状态下主动隔振系统性能的研究

7．4 本章小结

8 频域状态下可控震源混合隔振系统的实验数据分析

8．1 时域与频域

8．2 傅里叶级数

8．3．1 激振3Hz时频域下的隔振曲线及系统采样值

8．3．2 激振2Hz时频域下的隔振曲线及系统采样值

8．3．3 激振1Hz时频域下的隔振曲线及系统采样值

8．4 频域状态下主动隔振系统性能的研究

8．5 本章小结

9 总结与展望

9．1 总结

9．2 研究主要创新点

9．3 进一步研究设想

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢

附录