Nghiên cứu chế tạo nguồn phát của phương pháp địa chấn để xác định cấu trúc địa chấn đến độ sâu 400 mét ở khu vực biển việt nam

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TỔNG CỤC ĐỊA CHẤT & KHOÁNG SẢN
LIÊN ĐOÀN VẬT LÝ ĐỊA CHẤT










BÁO CÁO KẾT QUẢ
THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
NGUỒN PHÁT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN
ĐỂ XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT ĐẾN ĐỘ SÂU 400M
Ở KHU VỰC BIỂN VIỆT NAM

8813



Hà Nội - 2011


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TỔNG CỤC ĐỊA CHẤT & KHOÁNG SẢN
LIÊN ĐOÀN VẬT LÝ ĐỊA CHẤT






BÁO CÁO KẾT QUẢ
THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
NGUỒN PHÁT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN
ĐỂ XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT ĐẾN ĐỘ SÂU 400M

Ở KHU VỰC BIỂN VIỆT NAM



Cơ quan chủ quản Cơ quan chủ trì
Bộ Tài nguyên và Môi trường Liên đoàn Vật lý Địa chất





Liên đoàn trưởng Chủ nhiệm đề tài




Ts. Nguyễn Trần Tân





Hà Nội - 2011
MỤC LỤC

Trang
MỞ ĐẦU
01
Chương I : Nguyên lý hoạt động của bộ máy địa chấn phân giải cao
02

1.1 Khái quát về phương pháp địa chấn phân giải cao 03
1.2 Máy và thiết bị trong khảo sát địa chấn phân giải cao 03
Chương II: Chế tạo bộ phát sóng công suất lớn
06
2.1 Các loại nguồn phát sóng địa chấn thường hay được sử
dụng trong địa chấn phân giải cao

07
a – Nguồn phát sóng bằng thuốc nổ 07
b – Nguồn phát sóng bằng súng bắn hơi 07
c – Nguồn phát sóng bằng súng bắn nước 08
d – Nguồn tạo sóng bằng năng lượng điện 09
2.2 Chế tạo bộ tích năng lượng 10
a. Mạch nhận tín hiệu đồng bộ 12
b. Mạch khóa điện tử 12
2.3 Chế tạo đầu phát sóng địa chấn trên biển công suất lớn 17
2.4 Chế tạo đầu thu sóng địa chấn (streamer) dùng cho
biển nước sâu

18
2.5 Chế tạo mạch ghi tín hiệu địa chấn 22
2.5.1 Khối phối hợp trở kháng 23
2.5.2 Khối khuyếch đại biên độ 23
2.5.3 Khối xử lý tín hiệu đồng bộ 24
2.5.4 Khối nguồn 24
2.5.5 Khối biến đổi tương tự số ADC 24
2.5.6 Máy tính điều khiển 24
2.6 Xây dựng chương trình điều khiển quá trình phát sóng
và thu thập số liệu

29
Chương III: Hệ phương pháp khảo sát, thu thập và xử lý số liệu địa
chấn phân giải cao

34
3.1 Phương pháp khảo sát, thu thập số liệu địa chấn phân
giải cao

34
a. Chọn độ sâu cho dải đầu thu và đầu phát sóng 34
b. Chọn khoảng cách giữa giải đầu thu và đầu phát sóng 35
c. Chọn khoảng cách giữa phần cuối của tàu và đầu phát
sóng

35
d. Chọn tốc độ phát xung và chế độ ghi tín hiệu 35
3.2 Xử lý số liệu và phân tích 36
Chương IV: Kết quả đo khảo sát thử nghiệm trên vùng biển nước
sâu

37
Chương V: Tổ chức thi công và kinh phí thực hiện
49
I. Sản phẩm của đề tài 49
II. Tổ chức thực hiện 49
III. Kinh phí thực hiện đề tài 49
Kết luận và kiến nghị
52
Tài liệu tham khảo, Quy trình đo địa chấn phân giải cao biển nước sâu
53,54…

1


MỞ ĐẦU

Phương pháp địa chấn phân giải cao nghiên cứu cấu trúc phần nông
mặt cắt địa chất đã được áp dụng vào Việt Nam từ những năm 90 của thế kỷ
trước. Nhiều bộ máy địa chấn loại này đã được nhập vào Việt Nam như máy
của Cộng hòa Liên bang Nga (GEONT-SHELF), máy của Vương quốc Anh
(APPLIED ACUOSTICS), máy của Vương quốc Hà Lan (GEOSPARK) và
gần đây là máy SIC của Cộng hòa Pháp.
Thông thường một tr
ạm máy đo địa chấn phân giải cao hoạt động trên
biển hay trên đất liền đều bao gồm 03 bộ phận chính như sau:
1. Bộ nguồn phát sóng địa chấn.
2. Bộ thu tín hiệu địa chấn phản xạ từ lòng đất.
3. Bộ chương trình (phần mềm) điều khiển quá trình phát sóng và
quá trình ghi tín hiệu địa chấn.
Với mục đích tự chế tạo bộ máy địa chấn phân giải cao nghiên cứ
u địa
chất biển sâu, đầu năm 2009 Bộ Tài nguyên và Môi trường đã giao cho Liên
đoàn Vật lý Địa chất thực hiện Đề tài KHCN: “Nghiên cứu chế tạo nguồn
phát của phương pháp địa chấn để xác định cấu trúc địa chất đến độ
sâu 400 m ở khu vực biển Việt Nam” (Hợp đồng nghiên cứu Khoa học và
Công nghệ số: 02 – ĐC - 09/HĐKHCN ngày 14 tháng 5 năm 2009 được ký
kết giữa Bộ
TN&MT đại diện là Ông Nguyễn Đắc Đồng – Vụ trưởng Vụ
KHCN và Liên đoàn Vật lý Địa chất đại diện là Ông Quách Văn Thực).

Mục tiêu của Đề tài là : Tăng độ sâu nghiên cứu của phương pháp địa
chấn phân giải cao đạt đến 400m kể từ đáy biển, nhằm phát hiện cấu trúc địa
chất trên vùng biển nước sâu Việt Nam.
Để đạt được mục tiêu này Đề tài cần thực hi
ện các nhiệm vụ sau :
a. Nâng công suất nguồn phát đến 3 KJ .
b. Lựa chọn hệ phương pháp thu thập số liệu trong môi trường biển
nước sâu.
c. Nghiên cứu đặc trưng trường sóng để luận giải địa chất.
Sau gần 2 năm thực hiện, tập thể tác giả đã chế tạo thành công bộ
nguồn phát sóng địa chấn công suất lớn có đủ năng lượng để có thể nghiên
cứu c
ấu trúc địa chất đến độ sâu 400m kể từ đáy biển. Kế thừa kết qủa của 2
đề tài nghiên cứu khoa học của nhóm tác giả đã thực hiện trước đây: Báo
cáo ĐT NCKHCN 2005: “Nghiên cứu chế tạo thử nguồn phát sóng âm
(Sparker và Boomer) trong địa chấn phân giải cao; Báo cáo ĐT NCKHCN
2008: “Nghiên cứu cải tiến tổ hợp máy địa chấn nông độ phân giải cao để
khảo sát địa chất trên mặt đấ
t và các vùng bị ngập nước (trên biển sông,
2

hồ)”, một bộ máy địa chấn phân giải cao gần như đã được hoàn chỉnh và có
thể áp dụng vào sản xuất.
Kết quả khảo sát thử nghiệm trên vùng biển Phan Rang tỉnh Ninh
Thuận và Nha Trang tỉnh Khánh Hòa cho thấy bộ máy hoạt động ổn định và
đã phát hiện được các mặt phản xạ sóng địa chấn nằm dưới lòng đất ở độ
sâu từ 0 đến cỡ 400m tại những vùng bi
ển có độ sâu đạt 1000m đến 1500m
nước. Đây là một thành công đáng kể của Đề tài và mở ra một hướng mới
cho việc tự chế tạo máy địa chấn bằng nguyên liệu và công nghệ trong nước

để nghiên cứu biển nước sâu, nơi có khả năng tồn tại băng cháy (gas
hydrate) như ở Biển Đông của nước ta.

Báo cáo này gồm
:

- Phần mở đầu
- Chương 1: Nguyên lý hoạt động của bộ máy địa chấn phân giải cao;
- Chương 2: Chế tạo bộ phát sóng công suất lớn;
- Chương 3: Quy trình đo địa chấn phân giải cao trên biển nước sâu;
- Chương 4: Kết quả đo khảo sát thử nghiệm trên vùng biển nước sâu;
- Chương 5: Tổ chức thi công và kinh phí thực hiện.
- Kết luận và kiến nghị.
- Phụ lục kèm theo.
- Tài liệu tham khả
o.
Tham gia thực hiện đề tài gồm: Ks Phạm Quốc Phôn, Ks Hoàng Hải
Hà, Ks Nguyễn Tuấn Năm, Ks Nguyễn Quang Thành và một số cán bộ kỹ
thuật địa vật lý của Liên đoàn Vật lý Địa chất dưới sự chỉ đạo của TS
Nguyễn Trần Tân – Chủ nhiệm đề tài.
Trong quá trình thực hiện Đề tài này tập thể tác giả đã nhận được sự
quan tâm chỉ đạo, giúp đỡ của lãnh
đạo Cục Địa chất và Khoáng sản Việt
Nam, của các Chuyên viên Vụ KH&CN, Vụ Kế hoạch, Vụ Tài chính - Bộ
TN&MT và các đồng nghiệp. Tập thể tác giả xin chân thành cám ơn.

3

CHƯƠNG I
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ MÁY

ĐỊA CHẤN PHÂN GIẢI CAO
1.1 Khái quát về phương pháp địa chấn phân giải cao
Phương pháp địa chấn phân giải cao đã và đang được áp dụng khá
rộng rãi trên thế giới nhờ tiến bộ của khoa học và công nghệ đặc biệt là kỹ
thuật số và tin học ứng dụng. Phương pháp này cũng giống như phương
pháp địa chấn truyền thống được s
ử dụng trong công nghiệp tìm kiếm dầu
khí. Tuy nhiên, đối với phương pháp địa chấn phân giải cao người ta thường
dùng nguồn phát sóng âm có tần số cao hơn và hệ thống quan sát thu - nổ có
khoảng cách giữa các điểm nổ, cũng như giữa các điểm thu tín hiệu nhỏ hơn
cỡ 2 – 3 lần so với trong công tác tìm kiếm dầu khí.
Nguyên lý hoạt động của phương pháp địa chấn phân giải cao là
thường sử dụ
ng nguồn năng lượng điện để phát ra sóng âm trên mặt đất hoặc
trong môi trường nước, sóng âm này lan truyền xuống lòng đất và khi gặp
các ranh giới địa chất có độ kháng âm khác nhau sẽ phản xạ và quay về mặt
đất hoặc mặt nước. Nhiệm vụ chủ yếu của phương pháp địa chấn phân giải
cao là quan sát các sóng phản xạ này để luận giải về mặt cắt địa chất mà
sóng đã
đi qua và phản xạ trở lại. Ở Việt Nam phương pháp địa chấn phân
giải cao lần đầu tiên được áp dụng đo ở vùng biển Bình Thuận dưới sự giúp
đỡ của CCOP. Từ đó đến nay phương pháp địa chấn phân giải cao đã được
tiến hành liên tục trên các vùng biển nông ven bờ (độ sâu từ 0 – 30m nước)
từ Móng Cái đến Hà Tiên (tỷ lệ khảo sát 1/500.000 và 1/100.000) và hiện
đang thi công ở một số vùng bi
ển phía nam Việt Nam ở tỷ lệ 1/100.000 và
1/50.000 với độ sâu đến 100m nước.Trong những năm gần đây đã bắt đầu
khảo sát một số tuyến trên vùng biển nước sâu ở miền Trung Việt Nam.

1.2 Máy và thiết bị trong khảo sát địa chấn phân giải cao

Để khảo sát địa chấn phân giải cao đới biển nông ven bờ Việt Nam,
một số loại máy địa chấn đã được nh
ập về từ Cộng hòa liên bang Nga
(GEONT-SHELF) và từ Vương quốc Anh (APPLIED ACOUSTICS). Các
bộ máy này, ngoài phần mềm điều khiển đi kèm với máy , đều có 2 bộ phận
chính: Bộ nguồn phát sóng và bộ thu sóng địa chấn. Dạng đầu phát là hệ
phát hở (Sparker) và hệ phát kín (boomer), công suất của nguồn phát cỡ 1,2
đến 1,5 KJ. Đối với dạng Sparker tần số phát chủ đạo trong khoảng 400 Hz ,
đối với dạng Boomer tần số phát chủ đạo trong khoả
ng 1000 Hz. Bộ thu
sóng địa chấn gồm có mạch ghi tín hiệu và dải đầu thu một kênh (Streamer).
Dải đầu thu bao gồm nhiều đầu thu (hydrophone) được nối song song với
nhau và đặt cách nhau một khoảng cách nhất định để tăng tỷ số (tín hiệu có
ích / tạp âm) và chống nhiễu do sóng trực tiếp và sóng âm thanh. Còn mạch
4


ghi tín hiệu là một mạch khuếch đại tín hiệu và mạch số hóa, lưu giữ số liệu
dưới dạng chuẩn quốc tế về địa chấn. Đặc điểm chung của các loại máy địa
chấn phân giải cao đã được nhập vào Việt Nam đều có công suất trung bình
và chủ yếu áp dụng cho đới biển nông ven bờ với chiều sâu cỡ 100 m nước
và chiều sâu nghiên cứu lớn nhấ
t chỉ vào khoảng 100 -200 m. Ví dụ , 2 loại
máy đã nhập vào Việt Nam như sau:


Hình I.1 Nguồn địa chấn của hãng GEO-SPARK ( Hà Lan)

Hình I.2 Nguồn địa chấn của hãng APPLIED ACOUSTICS (Anh)

Về chỉ tiêu kỹ thuật của các bộ máy này gần như giống nhau và chúng
có một số ưu điểm riêng của nó. Máy GEONT do Nga sản xuất (vào những
năm 90 của thế kỷ trước) có chiều sâu nghiên cứu lớn hơn một ít, nhưng độ
phân giải lại kém hơn so với máy của Vương quốc Anh (Applied Acoustics
– sản xuất năm 2002).
5


Chỉ tiêu kỹ thuật chính bộ nguồn phát sóng địa chấn của máy
Geo-Spark (Hà Lan) như sau :
- Điện áp làm việc: Từ 2KV – 5.6KV
- Điện dung làm việc: 32; 64; 128 µF
- Năng lượng phát tối đa: 1,5KJ
- Tốc độ phát tối đa: 1xung/1s
- Điện áp nguồn nuôi: 230V/50-60Hz
- Điện áp tiêu thụ: 3,5KW
- Hệ thống khóa đóng mở: Điện tử

Chỉ tiêu kỹ thuật chính bộ nguồn phát sóng địa chấn củ
a máy
APPLIED ACOUSTICS (Anh) như sau :
- Điện áp làm việc: Từ 2KV – 4,0KV
- Điện dung làm việc: 50; 100; 200 µF
- Năng lượng phát tối đa: 1,2KJ
- Tốc độ phát tối đa: 1xung/1s
- Điện áp nguồn nuôi: 220V/50-60Hz
- Điện áp tiêu thụ: 4,0KW
- Hệ thống khóa đóng mở: Điện tử

6

CHNG II
CH TO B PHT SểNG CễNG SUT LN
Trong thăm dò địa chấn, tuỳ thuộc điều kiện tiến hành thực địa trên
đất liền, trên biển, sông hồ, hầm lò ngi ta sử dụng các loại nguồn khác
nhau.

Trong thm dũ a chn phõn gii cao ngi ta thng s dng ngun
nhõn to to nờn súng n hi lan truyn trong mụi trng a cht.
Ngun a chn thc cht l mt ngun nng lng c phỏt ra bi s
iu khin ca con ngi. Ngun a chn cú th khỏ n gin l ngun
thuc n (dynamite) hoc ngun nng lng do con ng
i p bng bỳa
xung mt t. Ngun a chn phc tp hn l ngun nng lng in
(sparker) hoc ngun ỏp sut nh sỳng hi v phc tp hn na l sỳng
bn nc.
Trên hình s: II.1 mô tả các loại nguồn khác nhau gây ra sóng đàn
hồi với dải tần số đặc trng của chúng. Các loại nguồn nhân tạo có dải tần
số khác nhau, tăng dần từ nguồn nổ mìn (vài Hz đến vài chục Hz) đến
nguồn boomer (600

- 4000

Hz).

Hình II.1 Các loại nguồn tạo ra sóng đàn hồi với dải tần số tơng ứng
Tuy vy, tt c cỏc loi ngun a chn u phi to ra mt tớn hiu cú
cỏc tớnh cht sau :

- Cú dng xung phự hp ( in pulsive )
- Cú di tn s hu hn
7

- Thay i theo thi gian.
V tng quan, tớn hiu cú dng :
A = A
o
e
-t
sin(2*f*t) (2.1)
Trong ú : A l biờn tớn hiu
A
o
l biờn tớn hiu ln nht
l h s suy gim theo thi gian
f l tn s chớnh
2.1. CC LOI NGUN PHT SểNG A CHN THNG HAY
C S DNG TRONG A CHN PHN GII CAO
a - Ngun phỏt súng bng thuc n
Thuc n cng c dựng trong a chn phõn gii cao, tng
phõn gii cú th s dng nhiu gúi thuc nh v n vi sai theo mt chng
trỡnh nh sn. Nhỡn chung, khi dựng ngun bng thuc n thỡ tn s ch t
c trong khong t 1 n 75 Hz, cũn cng tớn hiu ph thuc vo
khi lng thuc n theo cụng thc :
A =
3
Qk
(2.2)
õy : A l cng tớn hiu

Q l khi lng thuc n
k l h s mụi trng
b - Ngun phỏt súng bng sỳng bn hi

õy l loi ngun c s dng rng rói trong thm dũ du khớ. Mt s lai
sỳng bn hi cú th tớch nh c 15 in khi c s dng nhiu trong a chn
phõn gii cao nh ghộp ba n nm cp v
i nhau . Nguyờn lý hot ng ca sỳng
bn hi c trỡnh by trong hỡnh II.2 : Nguồn nén khí (súng hơi): Với loại nguồn
này, cần sử dụng các bình khí nén đặt trên tàu, sau đó cho phát ra thiết bị xả khí
nén thả trong môi trờng nớc để tạo xung. Khí nén với áp suất cao (100 ữ 150
kg/cm
3
) từ máy nén khí đặt trên tàu đợc đa qua ống dẫn khí và nạp vào buồng
khí của máy phát. Khi có tín hiệu từ trạm địa chấn đặt trên tàu, van điều chỉnh đợc
mở và luồng khí nén từ máy nén khí đợc đa vào buồng chứa khí, đẩy phía dới
nắp piton làm cho piton đợc nâng lên tạo điều kiện cho khí nén trong buồng phụt
mạnh ra ngoài qua lỗ hổng tạo ra sóng đập vào môi trờng nớc làm kích thích dao
động địa chấn. Khi sử dụng nguồn nén khí thờng xuất hiện nhiễu nổ lặp, điều này
đòi hỏi sử dụng bộ lọc thích hợp để hạn chế chúng
.

8

c - Ngun phỏt súng bng sỳng bn nc
õy l loi ngun to súng c s dng nhiu trong nghiờn cu a
chn nụng phõn gii cao. Nguyờn lý hot ng ca sỳng bn nc gn
tng t nh sỳng bn hi nhng cu to cú bung cha nc nờn t
phõn gii cao hn. Nguyờn lý hot ng ca sỳng bn nc c trỡnh by
trong hỡnh II.(a,b,c,d):




HỡnhII.3(a,b,c). Súng bn nớc

H

HỡnhII.3d:Sỳng bn nc
a. Lực của khí nén ép nớc trong bình với tốc độ cao,
b. Do tốc độ cao, nớc bị bắn ra ngoài tạo khoảng trống sau nó,
c. Nớc tràn vào lỗ trống tạo nên hiệu ứng implosive,



Hỡnh II.2 Sỳng bn hi


The schematic above (derived from
Telford and others, 1990) illustrates the
basic components of the water gun
system (positioned before firing).

9


d - Nguồn tạo sóng bằng năng lượng điện
Trong thăm dò địa chấn phân giải cao trên biển, nguồn phát thường được
sử dụng là nguồn Sparker. Nguyên lý hoạt động của loại nguồn này là sử
dụng hiệu ứng plasma ở các đầu điện cực khi phóng dòng điện vào trong
nước biển ( do đó một số nhà địa vật lý còn gọi loại nguồn này là nguồn
Plasma).
Khi các
đầu điện cực được đặt trong môi trường nước biển, có điện áp
cao thì xuất hiện hiện tượng plasma áp suất cao làm cháy các phân tử nước
và tạo ra bọt khí, từ đó sinh ra sóng âm. Loại sóng âm này có tần số khoảng
100 đến 2000 Hz vừa đủ để có thể đạt được độ sâu nghiên cứu và đảm bảo
độ chi tiết cúa lát cắt địa chấn.
Để tạo ra nguồn điện có điện th
ế cao và công suất lớn, người ta thường
sử dụng máy phát điện 3 pha công suất cỡ 10 KW. Trung Quốc cũng đã sử
dụng máy phát điện 3 pha để tạo sóng địa chấn trong nghiên cứu biển sâu,
tìm kiếm khí gaz Hydrate.
Còn ở Hà Lan người ta cũng đã chế tạo loại nguồn phát sparker công
suất lớn để nghiên cứu biển sâu. Chúng có dạng như hình dưới đây


Hình II.4 Bộ tích năng lượng Hình II.5 Đầu phát sóng âm
Ở Việt nam ,để đáp ứng các yêu cầu mà Đề tài đặt ra: đó là tăng chiều
sâu nghiên cứu trong phương pháp địa chấn phân giải cao đến 400 m kể từ
đáy biển khi khảo sát trên vùng biển nước sâu hàng trăm mét, chúng tôi đã
nghiên cứu, lựa chọn và chế tạo bộ nguồn phát công suất lớn dạng Sparker
bằng vật liệu và các linh kiện điện tử có mặt trên th

ị trường Việt Nam và
trên thế giới. Các linh kiện này đã được chuẩn hóa các thông số kỹ thuật
như: tốc độ đóng mở, thời gian trễ, điện năng tích lũy, thời gian nạp, phóng
điện…
Bộ nguồn phát sóng địa chấn công suất lớn do nhóm tác giả chế tạo bao
gồm 4 bộ phận chính:
1. Bộ tích năng lượng;
2. Khóa điện tử;
3.
Dàn đầu phát sóng địa chấn;
4. Chương trình điều khiển quá trình phát sóng và ghi tín hiệu.
10


2.2 CHẾ TẠO BỘ TÍCH NĂNG LƯỢNG
Bộ tích năng lượng được chúng tôi chế tạo dựa trên nguyên lý nạp điện
lên hai bản cực của tụ điện có điện dung lớn và chịu được điện áp cao. Theo
lý thuyết, công suất của bộ nguồn phát sóng được xác định theo công thức:
W =
2
CU
2
(2.3)
W: Công suất của bộ nguồn phát (tính bằng J)
U: Hiệu điện thế nạp lên tụ (tính bằng vôn - V )
C: Điện dung của bộ tụ tích (tính bằng µF)
Theo biểu thức (2.3) có thể tăng công suất nguồn phát bằng cách tăng
hiệu điện thế hoặc tăng điện dung của bộ tụ tích, trong đó tăng hiệu điện thế
có ưu thế hơn so với t
ăng điện dung của bộ tụ tích. Tuy nhiên việc chế tạo

biến thế, lựa chọn các linh kiện điện tử chịu được điện áp cao là vấn đề
không đơn giản nhất là với môi trường làm việc trên biển luôn duy trì độ ẩm
cao với nhiều hơi nước muối.
Trên thế giới, một số nước đã chế tạo bộ tích năng lượng sử
dụng nguồn
điện sau khi đã biến đổi lên đến 2 KV như máy Applied Acoustics (của
Anh); 4 KV như máy Geont – Shelf (của Nga); 6 KV như máy Geospark
(của Hà Lan ), còn chúng tôi chế tạo bộ tích năng lượng với hiệu điện thế
nạp lên tụ điện là 6 KV. Điện dung của bộ tụ điện bao gồm 12 phần tử có
điện dung tổng cộng là 180 µF.Với các chỉ số này công suất của bộ nguồ
n
phát đạt đến 3,24 kJ.
Bộ tích năng lượng do chúng tôi chế tạo có sơ đồ nguyên lý hoạt động
được trình bày trên bản vẽ dưới đây:












Hình II.6: Sơ đồ nguyên lý bộ tích năng lượng
1 – Biến thế nguồn; 2 – Bộ chỉnh lưu; 3 – Trở tải ;
4 – Tụ tích điện ; 5 – Công tắc xả; 6 – Đầu phát sóng âm
1

2 3 5
4
6
1 – Biến thế nguồn; 2 – Bộ chỉnh lưu; 3 – Trở tải ;
4 – Tụ tích điện ; 5 – Công tắc xả; 6 – Đầu phát sóng âm
1
2 3 5
4
6
11


Theo nguyờn lý ny thỡ nng lng in do mỏy phỏt in xoay chiu
(220v-50Hz) to ra c nõng ỏp qua bin th cao ỏp (1), sau ú c chnh
lu thnh ngun mt chiu bng chnh lu cao ỏp (2) v np vo t tớch
nng lng (4) thụng qua tr ti (3). Khi cú tớn hiu iu khin kớch hot
cụng tc (5) s úng li - nng lng in tớch trong t (4) s c gii
phúng nhanh trờn ti l u phỏt súng õm (6). Kt qu
l : mt xung a chn
c to ra trong mụi trng cha u phỏt (6).
i vi b tớch nng lng ca Nga (mỏy GEONT- SHELF) , cụng tc
(5) c thit k trờn nguyờn tc phúng in gia cỏc in cc bng than chỡ
c b trớ theo v trớ hỡnh hc hp lý. Vic phúng in ny khi xy ra s to
ra mt xung in t rt mnh gõy nhiu cho cỏc thit b hot ng
xung
quanh, ng thi mt phn nng lng khụng nh b tiờu hao trờn cỏc in
cc. õy l mt nhc im ca t hp mỏy a chn GEONT- SHELF do
Liờn bang Nga ch to vo u nhng nm chớn mi ca th k trc,
nhng cú u im l chu c hiu in th cao c 10 kv.
Ngy nay, nh s phỏt trin vt bc c

a cụng ngh vt liu bỏn dn
trờn th gii, nhúm tỏc gi ó quyt nh thit k ch to cụng tc (5) bng
mt khúa in t thyristor cụng sut ln v i kốm vi nú l b iu khin
khúa tng thớch.
B khúa in t thyristor v modul iu khin c thit k thnh mt
khi tng ng v kớch thc v tr thnh mt b
phn ca b tớch nng
lng cụng sut ln . S khi ca b tớch nng lng ó ch to c
trỡnh by trờn hỡnh v s II.7.












iu khin khoỏ (cụng tc in t cao ỏp) chỳng tụi ó thit k v ch
to mt mch in t nhn tớn hiu ng b v mt m
ch iu khin khúa
Thyristor c trỡnh by trờn hỡnh v s II.8 v II.9.
Khối cung
cấp nguồn
220V AC
Biến áp
Cao áp

Chỉnh lu c ao áp
Kh ối
đồng bộ
Tụ tích
Năng lợng
Công tắc
Cao áp
điện tử
Tải Boomer hoặc Sparker
Xung
đồng bộ
220V AC
Khối cung
cấp nguồn
220V AC
Biến áp
Cao áp
Chỉnh lu c ao áp
Kh ối
đồng bộ
Tụ tích
Năng lợng
Công tắc
Cao áp
điện tử
Tải Boomer hoặc Sparker
Xung
đồng bộ
220V AC

Hỡnh II.7: S khi ca b tớch nng lng ó ch to

12



a. Mạch nhận tín hiệu đồng bộ
Tín hiệu đồng bộ qua mạch cách ly quang tới IC bộ đệm D2 và D1; R3,
C3, D3 (pin1,2,3), D2 (pin 11,10) là bộ sửa dạng xung lối vào thành xung
vuông có đỉnh xung cỡ 10µsec và đưa ra cổng A2. Còn D3, R4, R5, R6
dùng để cấp xung điều khiển bằng tay. U4 làm nhiệm vụ chỉ thị xung ra
bằng đèn LED LD1. U1 làm nhiệm vụ cấp nguồn ổn áp 5V.

b. Mạch khóa
điện tử
Tín hiệu điều khiển đưa vào cổng JP1 qua tầng đệm Q101, Q102 được
điều chế phù hợp để mở transitor trường MOSFET Q3. Nguồn cung cấp 9V
xoay chiều qua bộ nắn dòng CD2 và IC ổn áp U101 cung cấp nguồn cho bộ
đệm gồm Q101 và Q102. Nguồn điện 9V xoay chiều qua biến áp cách ly T,
được chỉnh lưu qua cầu điot CD101 nạp vào tụ C204 qua trở hạn chế R101.
Năng lượng trên tụ C204 sẽ
được dùng để điều khiển mở khóa thyristor
thông qua transitor Q3, điot D1, đầu nối J2.
Hình II.8: Sơ đồ mạch nhận tín hiệu
13

Các khóa thyristor được mở thông qua các biến áp cách ly để bảo đảm an
toàn khi sử dụng điện áp cao. Các thyristor là loại T353-800 của LB Nga
sản xuất có thông số kỹ thuật được trình bày trong bảng II.1.

Bảng II.1: Thông số kỹ thuật của thyristor T353-800





Hình vẽ số II.9: Sơ đồ mạch điều khiển thyristor

14

15


Sơ đồ mạch in mặt dưới và măt trên của mạch nhận tín hiệu đồng bộ và
mạch điều khiển khóa Thyristor được trình bày trên hình vẽ số II.5 và II.6.

Hình II.10: Sơ đồ mạch in mặt dưới của bộ nhận và điều khiển tín hiệu đồng
bộ

Hình II.11: Sơ đồ mạch in mặt trên của bộ nhận và điều khiển tín
hiệu đồng bộ
16





Hình II.12 Bộ tích năng lượng công suất lớn đã chế tạo hoàn chỉnh.

Tóm lại: Sau khi điều chỉnh các thông số kỹ thuật, bộ nguồn phát sóng do
chúng tôi chế tạo đạt các chỉ tiêu kỹ thuật như sau :
- Điện áp làm việc: Từ 3KV – 6KV
- Điện dung làm việc: 60; 90; 180 µF
- Công suất phát tối đa: 1,5KJ – 3.24KJ; (áp dụng công thức: W =

2
6180x
J
2
)
- Tốc độ phát tối đa: 1xung/1s
- Điện áp nguồn nuôi: 220 - 240V/50Hz
- Điện áp tiêu thụ: 7KW
- Hệ thống khóa đóng mở: Điện tử










17


2.3 CHẾ TẠO ĐẦU PHÁT SÓNG ĐỊA CHẤN TRÊN BIỂN
CÔNG SUẤT LỚN
Để phát dòng điện vào môi trường nước biển trong khảo sát địa chấn
phân giải cao trên vùng biển nước sâu, người ta đã sử dụng nhiều loại khác
nhau, tiêu biểu trong các loại là 3 dạng sau :

a. Đầu phát dạng con thoi có nhiều cực điện bao quanh.
b. Đầu phát dạng xương cá gồm nhiều cực điện nằm ngang.

c. Đầu phát dạng phao g
ồm nhiều chùm điện cực .

Vấn đề ở đây là làm thế nào để có công suất phóng điện tối ưu. Công
suất phóng điện phụ thuộc nhiều vào năng lượng tích trên tụ điện tại thời
điểm phóng điện và thời gian phóng điện. Hệ số chuyển tải năng lượng điện
thành áp suất sóng âm được xác định bởi công thứ
c sau :
N =
t
W
=
t
CU
2
2
(2.4)
W - Công suất của bộ tích năng lượng
Ở đây : N - Hệ số chuyển tải năng lượng
t - Thời gian phóng điện.
Thời gian phóng điện t = Π
LC phụ thuộc chủ yếu vào cảm kháng của
đường dây và thường thay đổi từ 0,01 ~ 1,00 microgiây. Công suất điện dưới
dạng xung có thể đạt đến vài chục Megawatt.
Có khá nhiều cách để chế tạo dàn phát sparker trong địa chấn phân giải
cao. Để nguồn phát sparker đạt được tần số thích hợp và chiều sâu nghiên
cứu mong muốn thì cần phải chọn một số tham số như số cực phát, kích
thước cực, khoả
ng cách giữa cực âm với cực dương và năng lượng phóng ra
ở mỗi cực. Thông thường, khoảng cách giữa cực dương và cực âm tăng lên

tỷ lệ thuận với hệ số chuyển đổi điện năng thành áp năng. Song trong trường
hợp đó thời gian phóng điện lại kéo dài và dòng điện lại giảm, dẫn đến công
suất phóng điện giảm.
Chúng tôi nghiên cứu thiết k
ế chế tạo đầu phát sparker dạng xương cá để
chế tạo (hình số II.13). Từ các vật liệu có sẵn trong nước (nhựa kỹ thuật PA;
dây đồng Φ2.5mm bọc nhựa, độ cách điện 600V; keo cách điện eboxy;
nguồn ghép nối với cao áp…), chúng tôi đã chế tạo thành công loại nguồn
phát Sparker kiểu này với chiều dài toàn thanh là: 1.5 m, số điện cực phát là
50, chiều dài mỗi điện cực là: 30 cm.

18


Hỡnh II.13: u phỏt Sparker dng xng cỏ
Khi trin khai o c nht thit cỏc chựm cc phúng in phi nm di
mc nc bin khong 1m, tng ng vi 1/4 bc súng ca ngun phỏt
Sparker cú tn s ch o khong 400 Hz v tc truyn súng khong
1500 m/s.
2.4 CH TO U THU SểNG A CHN (streamer)
DNG CHO BIN NC SU
Trong a chn phõn gii cao, h thng thu th
p s liu gm 2 b phn chớnh:
1. u thu tớn hiu
2. Mch ghi tớn hiu.
u thu tớn hiu gm mt s cỏc mỏy thu c ghộp vi nhau, t trong
ng nha cú ng cht lng v truyn tớn hiu thu c qua cỏp thu. Các
tham số máy thu cần lựa chọn để bảo đảm các yêu cầu sau:
a- Thu nhận các dao động liên hệ với sóng có ích xuất hiện ở điểm quan
sát.

b- Có độ phân giải cao để ghi đợc riêng biệt các sóng xuất hiện liên tiếp
ở điểm quan sát.
19

c- Có độ nhạy lớn để tín hiệu ở lối ra lớn hơn phông nhiễu cảm ứng xuất
hiện ở máy.
d- Bền vững và ổn định.
Để thỏa mãn các yêu cầu trên, đòi hỏi chọn các tham số thích hợp: độ tắt
dần: h; tần số dao động riêng: n
o
và độ nhạy: a.
Khi nghiờn cu a chn phõn di cao trờn bin, sụng, h ngi ta
thng s dng mỏy thu ỏp in thu nhn s thay i ỏp sut ca nc.
p sut ny xut hin do s dch chuyn ca cỏc phn t nc khi trong mụi
trng nc tn ti súng a chn.
Hot ng ca mỏy thu ỏp in da trờn hiu ng ỏp in ca mt s
tinh
th, cú ngha l hiu ng xut hin in tớch trờn b mt tinh th khi chỳng b
nộn bi ỏp sut. Trong cỏc mỏy thu a chn ngy nay, phn t ỏp in
thng l cỏc tinh th gm titanat bari. ch to mỏy thu ỏp in ngi ta
thng to ra b phn ỏp in di dng hỡnh ng bi gm titanat bari, mt
trong v mt ngoi ca ng c ph bi m
t lp kim loi v c gn vo
ú hai in cc.

Khi ỏp sut ca mụi trng tỏc dng lờn cỏc tinh th ca ng thu thỡ xut
hin trờn hai in cc mt in ỏp gn nh t l thun vi ỏp sut :

U = b.p (2.5)
õy : U - in ỏp
b - h s t l
p - ỏp sut
Thụng thng h s b cú th t 10
àV/bar.
Mỏy thu ỏp in trong mt chng mc no ú cú th coi hot ng ca
nú nh mt t in cú in dung nh v in tr trong tng i ln.
Vi lý do ny, nờn khi s dng mỏy thu ỏp in cn phi cú mt b tin
khuych i phi hp tr khỏng tt vi cỏc mch thu tớn hiu.

Hỡnh II.14: S cu t

o mỏ
y
thu ỏ
p

b)
I2
l
r
i1
u
c

u
a
20

Các thông số chính của máy thu áp điện :
- Hệ số tắt dần h :
h =
Rc
1
(2.6)
- Tần số dao động riêng µ
0
:
µ
0
=
LC
1
(2.7)
Ở đây: R - điện trở trong của máy thu áp điện
C - điện dung của máy thu áp điện
L - cảm kháng của máy thu áp điện

Ưu điểm chính của máy thu áp điện :
- Không đòi hỏi định hướng cao.
- Ít nhạy đối với l¾c ®éng vµ nhiÔu vi ®Þa chÊn.
- Chế tạo đơn giản và kích thước bé.
Chính vì các ưu điểm trên nên máy thu áp điện được sử dụng khá rộng
rãi và chúng tôi đã sử
dụng loại máy thu này để đo địa chấn phân giải cao

trên biển; trên các sông, hồ. Dưới đây là hình ảnh máy thu áp điện của hãng
Benthos (Hoa Kỳ sản xuất).



Hình II.15: Máy thu áp điện Benthos
Để khảo sát địa chấn phân giải cao trên vùng biển nước sâu, chúng tôi đã
sử dụng dải đầu thu gồm 10 Hydrophone loại Benthos. Khoảng cách giữa
các Hydrophone cũng được tính toán một cách chính xác cho phù hợp độ
sâu nghiên cứu.
21





Hình số: II.16 Dải đầu thu địa chấn đã hoàn chỉnh

Mặt khác, để hạn chế nhiễu và các ảnh hưởng do phối hợp trở kháng với
cáp thu, chúng tôi sử dụng giải pháp lắp thêm một bộ tiền khuyếch đại đặt
ngay trong khối đầu thu. Tín hiệu thu được, trước khi nối vào cáp để truyền
tới mạch ghi tín hiệu, đã có biên độ đủ lớn. Do vậy, ảnh hưở
ng của nhiễu
vào tín hiệu thu giảm thiểu rõ rệt.
Khi khảo sát trên biển hoặc trên sông, hồ đầu thu tín hiệu được thiết kế
bằng một ống nhựa mềm chứa đầy dầu DO, trong đó các máy thu được bố trí
nối song song cách đều với khoảng cách là: 1 mét .Trong quá trình thực hiện
đề tài này chúng tôi đã thay dầu DO bằng dầu thực vật, nhờ đó đã đảm bảo
được độ bền củ
a các máy thu tín hiệu và trọng lượng vừa phải của đầu thu

đủ để nó chìm sâu trong nước khi tàu chuyển động với vận tốc 5 - 7 Km/giờ.
Kết quả thu được khá tốt khi khảo sát với loại đầu thu này (xem chi tiết ở
chương 3).


22

2.5 CHẾ TẠO MẠCH GHI TÍN HIỆU ĐỊA CHẤN
Nhiệm vụ của mach ghi tín hiệu địa chấn là ghi lại các xung tín hiệu địa
chấn do đầu thu tín hiệu tạo ra. Trước đây, tín hiệu địa chấn được khuyếch
đại bằng các bộ khuyếch đại điện tử về mặt biên độ rồi đưa ra chỉ thị bằng
các bút ghi trên giấy, đồng thời được lưu trữ bằ
ng các băng từ. Bộ ghi tín
hiệu có nhiều phần như : Phối hợp trở kháng, khuyếch đại về dòng, khuyếch
đại về biên độ, khuyếch đại phục hồi biên độ theo thời gian, các bộ lọc điện
tử tần số cao, tần số thấp . Hiện nay, nhờ có sự phát triển của công nghệ
vật liệu điện tử và công nghệ tin học, mach ghi tín hiệu địa chấ
n được
chúng tôi thiết kế tinh giản đi rất nhiều, chủ yếu chỉ còn phần khuếch đại về
dòng và biên độ. Tín hiệu sau khi được khuyếch đại sẽ được số hóa và
chuyển vào máy tính. Các chương trình chuyên dụng sẽ khuyếch đại các tín
hiệu số, xử lý về mặt biên độ, thời gian, tần số và nhiều vấn đề khác theo yêu
cầu cụ thể. Các số liệu đã được số
hóa cũng được lưu trữ vào các file dữ liệu
dạng chuẩn quốc tế SEG-Y rất tiện lợi cho việc kết hợp xử lý cùng với các
thông tin từ các nguồn khác nhau.
Mach ghi tín hiệu địa chấn gồm có các khối sau : Khối phối hợp trở
kháng, khối khuyếch đại, khối xử lý tín hiệu đồng bộ, khối nguồn, khối biến
đổi tương tự số (ADC).
Sơ đồ khố

i bộ thu tín hiệu địa chấn được trình bày trên hình II.17

Hình II.17: Sơ đồ khối bộ thu tín hiệu địa chấn