一种海洋可控源电磁大电流发射装置及其使用方法

摘要

本发明公开了一种海洋可控源电磁大电流发射装置及其使用方法。所述发射装置包含船载部分和水下部分，所述两部分通过万米深拖缆相互连接，所述船载部分包括大功率发电机、变频升压单元和船载甲板监控单元，所述水下部分包括水下拖体、承压密封发射舱、承压密封电子控制舱、中性浮力超低阻抗发射天线和附属配件；所述使用方法包括6个操作步骤。与传统的海洋可控源电磁发射装置相比，本发明所述的海洋可控源电磁大电流发射装置，发射电流和散热效率明显提高，人工场源信号的信噪比明显增加，因此将进一步为海底以下蕴藏的诸如石油、天然气、硫化物和天然气水合物之类矿产资源的探测提供准确详实的科学数据。

说明书

技术领域

本发明属于地球物理勘探领域，具体涉及一种用于海洋的可控源电磁大电流发射装置及其使用方法，旨在海底建立大功率时域和频域人工电磁场，以研究海底矿产资源分布。

背景技术

自上世纪70年代以来，海洋电磁已逐步发展成为海底油气资源勘查和基础地学研究的重要手段，并显示出明显的学术价值和经济效益。深水油气资源的地球物理探测方法主要依靠海上地震方法。由于海上地震方法仅对反射层界面反应敏感，对层面上部及下伏的物质属性难以确定，仅依据弹性波参数难以探明复杂的油气藏，需寻求其他有效的物理参数给予识别，因而，电磁方法受到了关注。以拖曳式为代表的海洋可控源电磁方法（Marine Controlled Source Electromagnetic, MCSEM）和海洋地震联合应用可有效降低干井率，是目前国际海洋资源探测领域的研究热点之一。为何人工地震和海洋电磁相结合就能成功提取海底的油气异常？是因海洋电磁可对采集的信息进行电性成像，解答物质属性的难题。

国外EMGS公司（挪威）和美国Scripps海洋研究所（SIO）研发的半拖曳式海洋电磁系统受限于发射频率单一和接收机数量有限，导致作业效率和横向分辨率低，无法实现海底深部复杂构造勘查。加拿大多伦多大学、美国KMS公司研发的单缆全拖曳式的时间域海洋电磁系统采用收发一体和拖曳走航方式，作业效率较高，但是探测深度浅，无法满足海底深部勘查需求。PGS公司（挪威）研发的大功率分缆拖曳式电磁系统，虽然采用近水面大功率发射，但是由于接收端也置于近水面，导致有用信号衰减明显，深水区作业受到限制。

国内自“十五”以来开展半拖曳式和单缆全拖曳式海洋电磁探测方法与仪器装备研究，研发了半拖曳式可控源电磁系统、单缆深水拖曳式电场采集系统，但是这些系统发射电流小、探测深度浅、作业效率和分辨率低，难以用于我国深水区复杂地质构造目标体勘探。

MCSEM海上作业时，利用船载的深拖缆将电磁发射机施放至近海底(0-50m)并进行低速拖曳，然后通过发射电偶极子（由一条较短的发射电缆和发射电极，一条较长的发射电缆和发射电极组成，发射电极一般为一定长度的空心铜质管状材料）向海底激发人工源信号（实际勘探时，供电频率一般为0.1-10Hz），发射电流一般是100-1250A。由布设在海底的接收机采集感应信息，再经过相应数据处理和反演即可了解海底以下介质的导电性结构。MCSEM通过与其他学科资料相互约束和联合解释，对一些埋藏相对较浅且与海底围岩电阻率有差异的油气资源和天然气水合物有很好的探测能力。为此，加紧研究、发展海洋可控源电磁探测技术对我国海域海底矿产资源的调查与评价具有重要的意义。

在海洋可控源电磁探测过程中，无论哪种工作方式，均需要在海底建立大功率时域和频域人工电磁场，解决近海底拖曳式大电流发射的关键技术问题。本发明提出一种发射电流达1500A的海洋可控源电磁大电流发射装置及其使用方法，而高压变流拓扑结构实现1500A量级大电流冲击脉冲发射，将填补国内该技术在海洋领域的空白。

具体地，在进行发射装置研发过程中，存在如下技术问题：

1、若要实现在海底发射1500A的发射电流，需要将船载的电能在复杂海洋环境下长距离、大功率、低损耗地由甲板端传输至海下。在海底，经水下变压器和大功率整流管将交流电整流成直流电，研究利用先进的金属薄膜电容技术解决封闭环境下的储能滤波瓶颈，满足后级大功率时频发射电路的供电需求。

2、在海下实现大电流发射装置的研发，需要克服耐压、密封、防腐蚀、散热等问题。基于多个功率开关器件（IGBT）并联驱动，实现1500A大电流脉冲的逆变技术，但是逆变过程中会产生大量的热量，继续研究优化的散热结构，将功率器件产生的热量传导至舱壁，借助海水散热。构建全新的发射机拓扑结构，开展可靠性和智能化电磁发射电路设计，形成多频点的冲击电流脉冲，并将其导入到海底以下，进而建立大功率的人工电磁激励场源。

3、适用于深水条件下的中性浮力超低阻抗发射天线。海下大电流发射必须基于足够低的发射电极极间电阻。为使该天线能持续承载1500A的发射电流和保持整个拖曳系统的稳定可靠性，需满足高抗拉强度和耐压深度、超低的发射电极间电阻、优化的浮体材料配比等要求。

4、船载甲板监控单元通过万米深拖缆中的光纤与海下的大电流发射装置进行控制命令和状态信息的交互。因此，需研发硬件并行实时控制技术，进行裁剪操作系统的移植和硬件驱动程序编写，才能满足大电流发射装置的高稳定性和智能化的控制需求。

上述技术问题都是在海底实现可控源电磁大电流发射装置所面临的特殊问题，本发明正是围绕这些问题展开研究，攻克上述一系列技术难题，并将各项技术有机结合在一起取得了自主创新，设计了一种海洋可控源电磁大电流发射装置及其使用方法。

发明内容

为了克服现有海洋可控源电磁发射装置存在的发射电流小、探测深度浅、作业效率和分辨率低等问题，本发明提供一种海洋可控源电磁大电流发射装置及其使用方法，通过所述装置和使用方法，可以大幅提升海洋可控源电磁发射的电流值，增加探测深度，提高海底矿藏资源的探测能力和准确度。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

一种海洋可控源电磁大电流发射装置，包含船载部分和水下部分，所述两部分通过万米深拖缆相互连接。其原理框图如图1所示。所述船载部分包括大功率发电机、变频升压单元和船载甲板监控单元，所述水下部分包括水下拖体、承压密封发射舱、承压密封电子控制舱、中性浮力超低阻抗发射天线和附属配件。其中，所述水下拖体采用耐腐蚀的不锈钢材料加工制作，其内部安装有承压密封发射舱、承压密封电子控制舱和附属配件。

海洋可控源电磁大电流发射装置所需的大功率电能来自于船载大功率发电机。船载大功率发电机通过甲板变频升压单元将380VAC/50Hz电压变频升压至500-3000VAC /400Hz，这一升压和变频的过程是为了减少深拖缆上的功率损耗和变压器的体积，然后经过万米深拖缆进行长距离电力传输，最后将大功率电能输送至承压密封发射舱中的海底降压单元。船载甲板监控单元通过万米深拖缆中的光纤与海底的承压密封电子控制舱内的通讯电路单元建立数据通信链接，进行数据和命令的交互。

所述附属配件包括高度计1、油压平衡器、水下拖体定位信标和终端接线盒。所述高度计1与所述承压密封电子控制舱相连，用于测量水下拖体距离海底的高度。所述水下拖体定位信标安装于所述水下拖体内，利用声学方法测量水下拖体在海底的实时精确位置，并发送至船载甲板监控单元。

所述承压密封发射舱内安装有海底降压单元、海底整流单元、大电流逆变装置和隔离驱动保护电路，其原理示意图如图2所示。所述海底降压单元采用适用于400Hz的变压器绕制，分为两个绕组，分别称为主绕组和副绕组。主绕组三相输出有效功率90KW，输入输出匝数比50:1，输入参数为500-3000VAC/400Hz，输入对应的端口为L1、L2和L3，输入端口来自于终端接线盒，输出参数为10-60VAC/400Hz，输出电流最大1500A，对应的端口为L4、L5和L6，输出的交流电供给至所述海底整流单元。副绕组单相输出有效功率2KW，输入输出匝数比10:1，输入参数为500-3000VAC/400Hz，对应的端口为L1和L2，输出参数为50-300VAC /400Hz，对应的端口为L7和L8，输出的交流电供给至所述承压密封电子控制舱内的电路单元。所述海底整流单元利用大功率整流二极管D1-D6、整流电容C和吸收电阻R将主绕组输出的交流电进行全波整流，直流输出对应的正极P和负极为N，然后将电能供给至所述大电流逆变装置。所述大电流逆变装置利用4块大功率绝缘栅双极型晶体管IGBT1-IGBT4将P和N端直流电逆变为方波交流电，所述大功率绝缘栅双极型晶体管的4路驱动信号G1-G4来自于隔离驱动保护电路。从承压密封电子控制舱输入的电源+15V和GND，以及AB和BA控制信号经过所述隔离驱动保护电路变换为大功率绝缘栅双极型晶体管的驱动信号G1-G4。所述隔离驱动保护电路根据大功率绝缘栅双极型晶体管的状态反馈错误报警信号Error给承压密封舱电子控制舱。所述大电流逆变装置的输出端口A和B通过中性浮力超低阻抗发射天线向海水中激发输出高达1500A的电流脉冲，所发射的电流脉冲利用专门的电流传感器进行采集，采用全波形采集的方式，采样率是发射频率的10倍以上。所述大电流逆变装置输出信号CUR给承压密封电子控制舱，用于测量所发射的电流大小。另外，承压密封电子控制舱内部采用副绕组输出的L7和L8进行供电及电池充电。

变压器主绕组、副绕组、大功率整流二极管和大功率绝缘栅双极型晶体管等功率器件在整流和逆变过程中会产生大量的热量，本发明通过在承压密封发射舱内灌入变压器油来解决散热问题，变压器油具有绝缘导热的作用，将舱内功率器件产生的热量传导至与低温海水紧密接触的承压密封发射舱的舱壁，热量得以快速耗散。承压密封发射舱采用不锈钢的方舱外形设计，与附属配件中的油压平衡器配合使用，油压平衡器中的储油油囊和缓冲弹簧既起到承压作用，又可以自动补偿因温度增加变压器油的膨胀。

中性浮力超低阻抗发射天线包括两根发射电缆、发射电极1、发射电极2和尾标拖体，其中尾标拖体布置在发射电极2的尾部，其内部安装有高度计2和尾标拖体定位信标。所述发射电缆与所述大电流逆变装置输出的端口A和B，以及发射电极1和2相连，保证发射电极1和2之间的距离在50-300m，端口A和B之间的阻抗低于40毫欧姆，工作水深4000m，整体在海水中呈现中性浮力，其截面示意如图4所示。发射电缆中的单股多芯功率铜线能持续承载1500A的发射电流；16股数据传输线用于传输高度计2所测量的离底高度；高强度凯夫拉编织拉力层可承受约1吨的拉力，高耐压低密度浮力包裹层采用轻型玻璃微珠材料，耐压耐磨耐腐聚氨酯外护套用于保护内部线缆。

连接发射电极1的发射电缆仅有20m，与水下拖体间的距离相对固定，水下拖体定位信标所测得的位置经过后延35m（发射电缆长度20m+发射电极1长度的一半15m）推算可以得到发射电极1的位置；发射电极2与尾标拖体距离较近，尾标拖体定位信标测得的位置经过前延30m（发射电极2长度的一半15m）推算可以得到发射电极2的水下位置。因此，可以得到发射电极1和2的水下绝对位置信息。

发射电极1和2采用分段设计，每段长度2m，其有效长度为发射电极1和2间距的十分之一，能够持续承载1500A的发射电流，单段截面图如图5所示。发射电极1和2的包裹材料为紫铜材质的薄铜皮，内附高耐压低密度浮力包裹层，整体呈现中性浮力状态。

所述承压密封电子控制舱内安装有主控电路单元、通讯电路单元、时钟电路单元和状态参数监测电路单元。所述主控电路单元作为大电流发射装置的核心逻辑控制单元，与通讯电路单元、时钟电路单元和状态参数监测电路单元相连，采用多核心嵌入式开发技术，实现拥有多片独立微控制器的预定功能，接收来自船载甲板监控单元的控制命令、传输AB和BA等控制信号至大电流发射装置、上传大电流发射装置的状态监测信息，完成发射装置的启动、停止、更改发射频率等功能。所述通讯电路单元作为控制命令和状态监测数据的中转站，基于可编程逻辑器件的多路并行数据光纤传输技术开发，与主控电路单元相连，通过万米深拖缆中的光纤与船载甲板监控单元建立通讯链接。所述时钟电路单元与主控电路单元相连，为其提供精准且与GPS秒脉冲同步的参考时钟以及振荡信号。所述状态参数监测电路单元可以测量承压密封发射舱的温度、承压密封发射舱的发射电压和发射电流、水下拖体的姿态方位等参数，并传输给主控电路单元，经通讯电路单元上传至船载甲板监控单元。

另外，提供一种使用上述海洋可控源电磁大电流发射装置的使用方法，其具体包括步骤：

（1）利用两艘勘探船进行海洋可控源电磁海上作业，一艘船拖曳大电流发射装置，另外一艘船拖曳接收装置；

（2）组装待下水的水下拖体及中性浮力超低阻抗发射天线；

（3） 到了预定发射位置，先向海底施放中性浮力超低阻抗发射天线，然后由深拖缆吊装水下拖体投放至预定海深；

（4）待水下拖体到达距离海底0-50m范围内时，开启船载供电电源，按照预定发射方案正式向海底供电；

（5）供电过程中，对发射的大电流脉冲进行高精度实时记录；

（6）海底发射结束后，回收仪器设备。

本发明的优点和有益效果为：与传统的海洋可控源电磁发射装置相比，本发明所述的海洋可控源电磁大电流发射装置，发射电流和散热效率明显提高，海底降压整流和逆变回路整体放入一个充油舱内实现绝缘导热，人工场源信号的信噪比明显增加，因此将进一步为海底以下蕴藏的诸如石油、天然气、硫化物和天然气水合物之类的丰富矿产资源的探测提供准确详实的科学数据。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明所述的海洋可控源电磁大电流发射装置原理图。

图2为本发明所述的海底降压整流和逆变原理示意图。

图3为本发明所述的承压密封发射舱内部三维示意图。

图中，1、整流电容；2、吸收电阻；3、大功率整流二极管；4、端口L1；5、端口L2；6、端口L3；7、端口A；8、端口B；9、隔离驱动保护电路；10、大功率绝缘栅双极型晶体管。

图4为本发明所述的中性浮力超低阻抗发射电缆截面示意图。

图中，1、耐压耐磨耐腐聚氨酯外护套；2、高耐压低密度浮力包裹层；3、高强度凯夫拉编织拉力层；4、16股数据传输线；5、单股多芯功率铜线。

图5为本发明所述的发射电极1和2截面示意图。

图中，1、薄铜皮；2、高耐压低密度浮力包裹层。

具体实施方式

实施例

一种海洋可控源电磁大电流发射装置，包含船载部分和水下部分，所述两部分通过万米深拖缆相互连接。所述船载部分包括大功率发电机、变频升压单元和船载甲板监控单元，所述水下部分包括水下拖体、承压密封发射舱、承压密封电子控制舱、中性浮力超低阻抗发射天线和附属配件。其中，所述水下拖体采用耐腐蚀的不锈钢材料加工制作，其内部安装有承压密封发射舱、承压密封电子控制舱和附属配件。

船载大功率发电机通过甲板变频升压单元将380VAC/50Hz电压变频升压至500-3000VAC /400Hz，然后经过万米深拖缆进行长距离电力传输，最后将大功率电能输送至承压密封发射舱中的海底降压单元。船载甲板监控单元通过万米深拖缆中的光纤与海底的承压密封电子控制舱内的通讯电路单元建立数据通信链接，进行数据和命令的交互。

所述附属配件包括高度计1、油压平衡器、水下拖体定位信标和终端接线盒。所述高度计1与所述承压密封电子控制舱相连，用于测量水下拖体距离海底的高度。所述水下拖体定位信标安装于所述水下拖体内，利用声学方法测量水下拖体在海底的实时精确位置，并发送至船载甲板监控单元。

所述承压密封发射舱内安装有海底降压单元、海底整流单元、大电流逆变装置和隔离驱动保护电路，所述海底降压单元采用适用于400Hz的变压器绕制，分为两个绕组，分别称为主绕组和副绕组。主绕组三相输出有效功率90KW，输入输出匝数比50:1，输入参数为500-3000VAC/400Hz，输入对应的端口为L1、L2和L3，输入端口来自于终端接线盒，输出参数为10-60VAC/400Hz，输出电流最大1500A，对应的端口为L4、L5和L6，输出的交流电供给至所述海底整流单元。副绕组单相输出有效功率2KW，输入输出匝数比10:1，输入参数为500-3000VAC/400Hz，对应的端口为L1和L2，输出参数为50-300VAC /400Hz，对应的端口为L7和L8，输出的交流电供给至所述承压密封电子控制舱内的电路单元。所述海底整流单元利用大功率整流二极管D1-D6、整流电容C和吸收电阻R将主绕组输出的交流电进行全波整流，直流输出对应的正极P和负极为N，然后将电能供给至所述大电流逆变装置。所述大电流逆变装置利用4块大功率绝缘栅双极型晶体管IGBT1-IGBT4将P和N端直流电逆变为方波交流电，所述大功率绝缘栅双极型晶体管的4路驱动信号G1-G4来自于隔离驱动保护电路。从所述承压密封电子控制舱输入的电源+15V和GND，以及AB和BA控制信号经过所述隔离驱动保护电路变换为大功率绝缘栅双极型晶体管的驱动信号G1-G4。所述隔离驱动保护电路根据大功率绝缘栅双极型晶体管的状态反馈错误报警信号Error给承压密封舱电子控制舱。所述大电流逆变装置的输出端口A和B通过中性浮力超低阻抗发射天线向海水中激发输出高达1500A的电流脉冲。所述大电流逆变装置输出信号CUR给承压密封电子控制舱，用于测量所发射的电流大小。另外，承压密封电子控制舱内部采用副绕组输出的L7和L8进行供电及电池充电。

变压器主绕组、副绕组、大功率整流二极管和大功率绝缘栅双极型晶体管等功率器件在整流和逆变过程中会产生大量的热量，本发明通过在承压密封发射舱内灌入变压器油来解决散热问题，变压器油具有绝缘导热的作用，将舱内功率器件产生的热量导至与低温海水紧密接触的承压密封发射舱的舱壁，热量得以快速耗散。承压密封发射舱采用不锈钢的方舱外形设计，与附属配件中的油压平衡器配合使用，油压平衡器中的储油油囊和缓冲弹簧既起到承压作用，又可以自动补偿因温度增加变压器油的膨胀。

中性浮力超低阻抗发射天线包括两根发射电缆、发射电极1、发射电极2和尾标拖体，其中尾标拖体布置在发射电极2的尾部，其内部安装有高度计2和尾标拖体定位信标。所述发射电缆与所述大电流逆变装置输出的端口A和B，以及发射电极1和2相连，保证发射电极1和2之间的距离在50-300m，端口A和B之间的阻抗低于40毫欧姆，工作水深4000m，整体在海水中呈现中性浮力。发射电缆中的单股多芯功率铜线能持续承载1500A的发射电流；16股数据传输线用于传输高度计2所测量的离底高度；高强度凯夫拉编织拉力层可承受约1吨的拉力，高耐压低密度浮力包裹层采用轻型玻璃微珠材料，耐压耐磨耐腐聚氨酯外护套用于保护内部线缆。

连接发射电极1的发射电缆仅有20m，与水下拖体间的距离相对固定，水下拖体定位信标所测得的位置经过后延35m（发射电缆长度20m+发射电极1长度的一半15m）推算可以得到发射电极1的位置；发射电极2与尾标拖体距离较近，尾标拖体定位信标测得的位置经过前延30m（发射电极2长度的一半15m）推算可以得到发射电极2的水下位置。因此，可以得到发射电极1和2的水下绝对位置信息。

发射电极1和2采用分段设计，每段长度2m，其有效长度为发射电极1和2间距的十分之一，能够持续承载1500A的发射电流。发射电极1和2的包裹材料为紫铜材质的薄铜皮，内附高耐压低密度浮力包裹层，整体呈现中性浮力状态。

所述承压密封电子控制舱内安装有主控电路单元、通讯电路单元、时钟电路单元和状态参数监测电路单元。所述主控电路单元作为大电流发射装置的核心逻辑控制单元，与通讯电路单元、时钟电路单元和状态参数监测电路单元相连，采用多核心嵌入式开发技术，实现拥有多片独立微控制器的预定功能，接收来自船载甲板监控单元的控制命令、传输AB和BA等控制信号至大电流发射装置、上传大电流发射装置的状态监测信息，完成发射装置的启动、停止、更改发射频率等功能。所述通讯电路单元作为控制命令和状态监测数据的中转站，基于可编程逻辑器件的多路并行数据光纤传输技术开发，与主控电路单元相连，通过万米深拖缆中的光纤与船载甲板监控单元建立通讯链接。所述时钟电路单元与主控电路单元相连，为其提供精准且与GPS秒脉冲同步的参考时钟以及振荡信号。所述状态参数监测电路单元可以测量承压密封发射舱的温度、承压密封发射舱的发射电压和发射电流、水下拖体的姿态方位等参数，并传输给主控电路单元，经通讯电路单元上传至船载甲板监控单元。

一种海洋可控源电磁大电流发射装置使用方法，包括如下步骤：

（1）利用两艘勘探船进行海洋可控源电磁海上作业，一艘船拖曳大电流发射装置，另外一艘船拖曳接收装置；

（2）组装待下水的水下拖体及中性浮力超低阻抗发射天线；

（3）到了预定发射位置，先向海底施放中性浮力超低阻抗发射天线，然后由深拖缆吊装水下拖体投放至预定海深；

（4）待水下拖体到达距离海底0-50m范围内时，开启船载供电电源，按照预定发射方案正式向海底供电；

（5）供电过程中，对发射的大电流脉冲进行高精度实时记录；

（6） 海底发射结束后，回收仪器设备。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。