水静压对脉冲放电及深拖等离子体震源的影响

张连成,黄逸凡,刘 振,闫克平

（1.浙江大学生物质化工教育部重点实验室,浙江杭州310027；2.浙江大学化学工程与生物工程学系,浙江杭州310027）

水静压对脉冲放电及深拖等离子体震源的影响

张连成1,2,黄逸凡1,2,刘 振1,2,闫克平1,2

（1.浙江大学生物质化工教育部重点实验室,浙江杭州310027；2.浙江大学化学工程与生物工程学系,浙江杭州310027）

为了满足未来深拖等离子体震源的应用需求,基于高压脉冲电晕放电技术,研究不同水静压力下高压脉冲放电的电声特性.结果表明：水静压力对高压脉冲放电没有明显抑制,电压电流峰值及脉宽基本一致,波形上升沿高度一致；随着水静压力的增大,脉冲声波幅值呈指数衰减,当深度达到400 m时,声压大约下降一半,1200 m后衰减趋于平缓,单脉冲能量越小,声压级随水静压力增大衰减越快.对深拖等离子体震源进行可行性论证发现,当单脉冲能量高于20 J时,深拖的声压级损失比常规海面拖曳的传播损失小.

水静压力；液相放电；电晕放电；电声特性；深拖；等离子体震源

液相放电包括电晕放电、火花放电和电弧放电［1］.其中电晕放电区别于火花放电和电弧放电的地方在于没有在电极之间形成放电通道.液相放电可以产生强大的冲击波,该效应称为液电效应［2］.目前,液电效应被广泛应用于医学体外碎石［3］、水处理［4-5］、液电成型［6］、液电清砂清垢［7］、岩石破碎［8-9］及等离子体震源［10-11］等方面.然而,以上方面涉及到超高水静压力下的研究和应用文献报道相对较少.静压力对液相流光放电的影响很大,随着静压力的增大,流光的分支数目减少,电流的峰值、光脉冲、流光长度及流光速度都减小［12-14］.

随着海洋油气资源的争夺,油气勘探逐渐由近海走向深海,深海浅地层高分辨率探测是海洋油气勘探的重要调查手段.等离子体震源基于液相脉冲电晕放电技术,被广泛应用于海洋地震勘探和油气勘查,对于深海,由于菲涅尔半径过大［15］,导致横向分辨率降低,解决这一问题的最有效方法是将等离子体震源深拖.对于等离子体震源,只有法国PASISAR在深度小于1 600 m时采用混合深拖方式的等离子体震源,即震源为常规拖曳,而接收缆深拖［15］,而目前唯一能够工作在2 000 m水深以下,并投入商业应用的震源是基于压电的赫姆霍兹共振腔,包括美国的深拖曳多道声学和地球物理勘探地震系统（deep-towed acoustic-geophysics system, DTAGS）深拖系统,法国的SYSIF系统（深拖式）［16-19］.对于深拖技术,首要问题是面临深海水下超高水静压力,所以对于不同水静压力下的液相放电研究显得尤为重要,这方面研究将对应用于海洋油气勘探的等离子体钻机［20］以及深拖式等离子体震源具有重要的指导作用.

本文采用自制高压脉冲电源,基于液相脉冲电晕放电,对不同水静压力下高压脉冲放电的电声特性进行测试分析,对基于液相脉冲电晕放电的深拖等离子体震源进行初步论证.

1 实验系统和方法

1.1 实验系统

液相放电的冲击波特性是研究的重点.以等离子体震源为例,深海条件下的水静压非常高,因此需要在实验室条件下考察超高的水静压是否会抑制水中高压脉冲放电,同时要考察水静压对声压级变化的影响.如图1所示为测试所需的实验装置图,其中包括了高压脉冲电源、耐高压反应器、手动液压泵、电声信号测试探头和示波器等.如图2所示为自制高压脉冲电源和高压反应器实物图.

实验所用的脉冲电源为自制电源,采用全固态半导体开关,负高压输出,储能电容为2μF,充电电压为－2.3 k V至－5.6 k V可调,相应得到的单脉冲能量为5 J至30 J可调,步长为5 J.耐高压反应器内径为120 mm,容积为1 L,加压方式为采用手动液压泵加压.放电电极为直径为1.4 mm的铜线,外层由绝缘层包裹,绝缘层直径为5.5 mm,只有电极尖端与水接触,电极尖端距离反应器内壁60 mm,距离反应器底部45 mm,放电电极结构可以看作针-板电极,如图3所示为电极布置示意图.反应器内水的电导率为53 mS／cm,与海水的电导率相当.高压脉冲电源和反应器之间由10 m长的脉冲传输线连接,传输线自有内阻为0.02Ω,自有电感为2.5μH.在反应器放电过程中,外壁接地.

图1 脉冲放电实验系统示意图Fig.1 Schematic of experimental setup of pulsed discharge

图2 自制高压脉冲电源和高压反应器Fig.2 Homemade high-voltage pulsed power supply and high-pressure reactor

1.2 实验方法

放电测试的内容为负载电压、电流和脉冲声波,用到的测试探头分别是电压探头Tek P6015A（1000∶1）,电流探头Pearson 4997（0.01 V／A）和水听器TL-10（－201 dB ref.1μPa＠1 m）.3个探头的布置如图1所示,电压探头连接的是高压电极,电流探头布置在电流回流传输线上,由于反应器体积较小,水听器无法布置在反应器内部,只能将端头垂直紧贴反应器外壁,因此实际测得的是反应器壁上的透射波信号.采样信号由四通道示波器Tek DPO7054同步记录,通道1、2、3分别为电压、电流和声信号,以通道1电压信号为触发信号.同时,手动液压泵调节反应器内水静压力,反应器盖子上有一个放空阀,可以排空反应器内空气,保证加压的安全性.

图3 电极布置示意图Fig.3 Diagram of electrode arrangement

2 实验结果与分析

2.1 负载电特性

负载端的电压电流波形反映了电特性.如图4所示为单脉冲放电能量为20 J,当模拟水深从0 m到4 000 m变化时,负载端的电压U和电流I波形,这是典型的脉冲电晕流光放电波形图.当电压达到峰值后立即下降,没有出现火花放电放电通道发展时电压维持缓慢下降的状态,所以实验过程中放电形式是脉冲电晕流光放电.如图5所示为当水静压力为2.5、5.0、10.0、15.0 MPa,单脉冲能量为30 J时的放电图像.可以看出,放电只发生在电极尖端,并没有形成放电通道.由于高压脉冲电源中有续流二极管,电流没有出现振荡,保证了单脉冲输出；同时,单电极放电时放电回路处于过阻尼状态,续流二极管没有起作用.由结果可知,负载端电压峰值都约为－2 800 V,电流峰值约为175 A,且随水静压变化的影响可以忽略.电压电流的上升沿高度一致,脉宽参数几乎无变化,说明水静压变化对负载电特性基本没有影响.尽管在ns时间尺度上,水静压力对电弧放电的击穿延时有影响［21］,但在μs时间尺度上,超高的水静压环境未对水中高压放电过程产生明显抑制.

图4 不同水深条件下的负载电压电流曲线Fig.4 Load voltage and current waveforms under different water depth

图5 放电图像(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 声信号特性

如图6所示为单脉冲放电能量为20 J,当模拟水深D从0 m到3 000 m变化时,水听器输出信号的变化.图中,t为时间,Uh为水听器输出电压,右上角的小图为脉冲声波第一个峰的放大显示.从图6可以看出,随着水静压变大,水听器输出信号变弱,压力波幅值逐渐变小,脉宽变短.由于水听器紧贴反应器外壁,接收到的是透射波,而非直达波.虽然声波在穿透密度相差很大的介质交界面时,会因为不同介质声阻抗不同而发生折射和反射,事实上,当常压下单脉冲能量为20 J时,水听器直达波输出信号峰值至少在10 V左右（取决于水听器距离声源的距离）.如图7所示为常压下水听器距离放电极头部约8 cm,单脉冲能量为20 J时的输出信号.可以看出,直达波的信号峰值约为17 V,而图6给出的水听器输出仅有0.3 V,显然声信号很大程度上被衰减.如果假设水中脉冲放电产生的脉冲声波在液固界面的透射遵守线性声学原理,那么水听器的输出尽管不能精确代表脉冲声波的声压,但可以间接反映脉冲声波受水静压的影响.当模拟深度为0 m时,信号曲线相对清楚；当模拟深度为400 m时,信号曲线变得紧密,这主要是高水静压力抑制了气泡脉动［22-23］,即气泡对外做功的过程受到抑制.

图8给出当单脉冲放电能量分别为5、10、20和30 J时,水听器接收到的透射波第一个峰的峰值变化.由图8可知,该峰值随水深深度的变化为指数衰减,当深度达到400 m时,不同能量下的峰值都下降一半左右,对于5 J单脉冲能量,当水深达到400 m（约为4.0 MPa）时,气泡脉动基本被抑制.当水深达到1 200～3 000 m时,峰值变化趋于缓慢,主要是当气泡脉动得到明显抑制后,气泡尺寸变得很小,虽然静压力在增大,但实际上气泡脉动对外做功所需的能量变化不大.

图6 不同水深条件下的透射声波波形图(20 J/Pulse)Fig.6 Transmitted acoustic waveforms under different water depth（20 J／Pulse）

图7 常压下水听器输出信号(20 J/Pulse,水听器距离约为8 cm)Fig.7 Hydrophone output under atmospheric pressure（20 J／Pulse,8 cm）

图8 不同水深条件下的透射声波峰值变化Fig.8 Peak value variation of transmitted acoustic waveforms under different water depth

式中：Pa为声压；Mc为水听器灵敏度,Mc＝8.91×10－5V／Pa；PP为压力峰峰值；PI为谷值；PP－P为峰峰值；Pr为水中基准声压1μPa；r为水听器与电极尖端的距离；Lp为声压级；ΔLp为源级传播损失；PP－P1、PP－P2为透射波峰峰值.式（4）由式（3）推导得出,将PP－P1、PP－P2分别代入式（3）并作差,可得ΔLp.

从式（3）可以看出,要计算声压级Lp必须已知r的精确值,但由于实验条件的限制,水听器距离电极尖端的实际距离不等于r的值,当根据式（1）～（3）将透射波的峰值电压转化为声压级时,必须以一种放电条件下的声压级为参照,计算过程中将不再需要考虑r的值.

以常压条件下的单脉冲放电能量为30 J的声压级作为基准值,根据式（4）计算不同水深条件下的相对声压级变化,由此反映水静压对脉冲声波的影响.图9给出当单脉冲放电能量为5、10、20和30 J时,不同水静压条件下透射声波的相对声压级变化.由图9可知,声压级变化随静压力的增大而增大,对于各种单脉冲能量放电,声压级的变化速度逐渐变慢,这和图6中水听器输出信号的变化趋势一致.当单脉冲放电能量为5 J,深度达到400 m时,声压级已降低近40 dB；当单脉冲放电能量为30 J,深度达到3 000 m时,声压级降低了25 dB左右.单脉冲放电能量越小,声压级随水深深度的增加而降低得越快.

图9 不同水深条件下透射声波的相对声压级变化Fig.9 Pressure level variation of transmitted acoustic waveforms under different water depth

2.3 深拖与常规海面拖曳的比较

水静压力没有抑制脉冲放电,但会导致声压级损失.如果声压级损失过大,那么地层穿透深度过浅,无法达到地震勘探的要求.将相同设备参数条件下的深拖震源与常规海面拖曳震源进行比较,以此判断深拖技术的可行性.

假设深拖震源的工作深度为D,该深度下的声压级损失为ΔLp,震源工作在海底以上100 m,则水深为H＝D＋100 m.根据球面扩散传播原理（式（5））可知,100 m的传播损失为40 dB,由此深拖震源产生脉冲声波达到海底时的总损失为ΔLp＋40 d B.忽略不同深度下的水温变化,即声速恒定,则该水深条件下常规海面拖曳的传播损失为LH.如果深拖震源的总损失小于常规海面拖曳震源的传播损失,即ΔLp＋40 dB＜LH或ΔLp＜LH－40 dB,那么深拖比常规海面拖曳的地层穿透深度更深,更具优势.

式中：r为声波传播距离.

图9给出的黑色实线即为LH－40 dB.由图9可知,只有当单脉冲能量大于20 J时,才能满足ΔLp＜LH－40 dB.表1给出当单脉冲放电能量为30 J时,不同水深条件下深拖与常规海面拖曳的声压级损失.表中,ΔL′p为100 m传播损失.从图10可以看出,震源深拖的总损失比常规海面拖曳的传播损失小,水深越大,深拖和常规拖曳的声压级损失差距越小.当单脉冲能量更大时,在较浅的深拖深度,深拖的优势将越明显.

表1 相同设备参数条件下,深拖与常规海面拖曳的比较Tab.1 Comparison between deep-towed source and conventional surface-towed source with same device parameters

图10 不同水深条件下深拖与常规拖曳等离子体震源声压级损失(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 结 论

（1）不同水静压力下,在μs时间尺度上,电压电流峰值基本不变,电压、电流上升沿高度一致,脉宽基本没有变化,所以水静压力没有明显地抑制高压脉冲放电.

（2）不同水静压力下,随着水静压力的增大,透射波第一个峰的峰值呈指数衰减,当深度达到400 m时,已衰减一半左右,1 200 m以后衰减变得平缓；同时,在换算成声压级后,发现单脉冲能量越小,声压级随水静压力的增大衰减越快.

（3）通过比较深拖和常规海面拖曳2种方式的声压级损失可知,当单脉冲能量高于20 J时,深拖的声压级损失比常规海面拖曳小.

［1］孙冰.液相放电等离子体及其应用［M］.北京：科学出版社,2013.

［2］尤特金.液电效应［M］.北京：科学出版社,1962.

［3］RIM G H,CHO C H,LEE H S,et al.An electricblast system for rock fragmentation［C］//Pulsed Power Conference,12th IEEE International.Monterey：IEEE, 1999：165- 168.

［4］MIZUNO A,HORI Y.Destruction of living cells by pulsed high-voltage application［J］.IEEE Transactions on Applications,1988,24（3）：387- 394.

［5］Katsuki S,Moreira K,Dobbs F,et al.Bacterial decontamination with nanosecond pulsed electric fields［J］.Power Modulator Symposium,1994,Conference Record of the 1994 21st International,2002：648- 651.

［6］BREJCHAR J.Electro-hydraulic forming apparatus：U.S.Patent 3,358,487［P］.1967-12-19.

［7］张雷,邓琦林.液电效应除垢机理分析与试验研究［J］.大连理工大学学报,1998,38（2）：207- 211.

ZHANG Lei,DENG Qi-lin.Experimental study of shock wave effect of electrical discharge under water in filth cleaning［J］.Journal of Dalian University of Technology,1998,38（2）：207- 211.

［8］HAMELIN M,KITZINGER F,PRONKO S,et al.Hard rock fragmentation with pulsed power［C］//Pulsed Power Conference.Albuquerque：IEEE,1993：11.

［9］HAWRYLEWICZ B M,PUCHALA R J.Experiment with electric discharge in rock splitting［C］//The 27th US Symposium on Rock Mechanics（USRMS）.Tuscaloosa：American Rock Mechanics Association,1986.

［10］SUN Y H,ZHOU Y X,JIN M J,et al.New prototype of underwater sound source based on the pulsed corona discharge［J］.Journal of electrostatics,2005, 63（6）：969- 975.

［11］严辉,黄逸凡,裴彦良,等.等离子体震源及在海洋勘探中的应用［J］.高电压技术,2012,38（7）：1711- 1718.

YAN Hui,HUANG Yi-fan,PEI Yan-liang,et al.Plasma seismic source and its application in oceanic seismic exploration［J］.High Voltage Engineering,2012, 38（7）：1711- 1718.

［12］AKIYAMA H.Streamer discharges in liquids and their applications［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2000,7（5）：646- 653.

［13］BEROUAL A,BEDOUI N K.Influence of hydrostatic pressure on the characteristics of discharges propagating on solid／liquid insulating interfaces under AC and DC voltages［C］//Proceedings of 2002 IEEE 14th International Conference on Dielectric Liquids.Austria：IEEE,2002：207- 210.

［14］BEROUAL A,KEBBABI L.Influence of the voltage waveform and hydrostatic pressure on morphology and final length of discharges propagating over solid-liquid interfaces［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2009,16（6）：1574- 1581.

［15］NOUZE H,SIBUET JC,SAVOYE B,et al.Pasisar：performances of a high and very high resolution hybrid deep-towed seismic device［J］.Marine Geophysical Researches,1998,19（5）：379- 395.

［16］GETTRUST J F,ROSS J H.Development of a lowfrequency,deep-towed geoacoustics system［C］//OCEANS’90.Washington：IEEE,1990：38- 40.

［17］WOOD W T,GETTRUST J F.New developments in deep-towed seismic acquisition［C］//OCEANS＇02 MTS／IEEE.Biloxi：IEEE,2002：1139- 1142.

［18］KER S,LE GALL Y,MARSSET T,et al.SYSIF,a low frequency seismic profiler for near bottom marine geophysics［C］//70th EAGE Conference and Exhibition.Rome：EAGE,2008.

［19］LEON P,KER S,LE GALL Y,et al.SYSIF a new seismic tool for near bottom very High resolution profiling in deep water［C］//OCEANS 2009-EUROPE.Bremen：IEEE,2009：1- 5.

［20］章志成,裴彦良,刘振,等.高压短脉冲作用下岩石击穿特性的实验研究［J］.高电压技术,2012,38（007）：1719- 1725.

ZHANG Zhi-cheng,PEI Yan-liang,LIU Zhen,et al.Experimental research on rock breakdown under short high-voltage pulse［J］.High Voltage Engineering, 2012,38（007）：1719- 1725.

［21］JONES H M,KUNHARDT E E.The influence of pressure and conductivity on the pulsed breakdown of water［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,1994,1（6）：1016- 1025.

［22］BUOGO S,VOKURKA K.Intensity of oscillation of spark-generated bubbles［J］.Journal of Sound and Vibration,2010,329（20）：4266- 4278.

［23］FONG S W,ADHIKARI D,KLASEBOER E,et al.Interactions of multiple spark-generated bubbles with phase differences［J］.Experiments in Fluids,2009, 46（4）：705- 724.

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. 浙江大学学报(工学版)网址：www.journals.zju.edu.cn／eng

国家自然科学基金资助项目（41476080,51377145）.

张连成（1990－）,男,硕士生,从事应用等离子体技术的研究.E-mail：21228046＠zju.edu.cn

黄逸凡,男,讲师.E-mail：huangyf＠zju.edu.cn