汪云家

（勝利石油管理局科技處，山東東營 257000）①

目前，國內(nèi)在石油勘探的近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查施工中，地震波信號激發(fā)都是采用炸藥震源，其優(yōu)點(diǎn)是信號頻率范圍較寬、能量較強(qiáng)。但是，由于涉及到的雷管、炸藥屬于危險(xiǎn)品，在管理、存放、運(yùn)輸及施工中存在諸多問題：

1）雷管和炸藥管理非常嚴(yán)格，地震隊(duì)必須在完成開工驗(yàn)收后才能使用，使得近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查工作滯后，延長了施工周期。

2）炸藥在存放、運(yùn)輸環(huán)節(jié)存在安全隱患、風(fēng)險(xiǎn)大。

3）炸藥施工容易對周圍地表環(huán)境帶來破壞。

4）炸藥震源的施工范圍受地表?xiàng)l件制約。

本文提出開展淺層地質(zhì)勘查安全可控震源裝備技術(shù)研究，形成一套安全、高效的地震能量激發(fā)技術(shù)，用于地質(zhì)勘探的淺層和近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查施工，徹底解決使用傳統(tǒng)炸藥震源帶來的一系列問題。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

設(shè)計(jì)原則是：設(shè)備組裝到箱式運(yùn)輸車輛上，從汽車發(fā)動(dòng)機(jī)取動(dòng)力，可以減少采用外部動(dòng)力所需的設(shè)備。地震信號的產(chǎn)生是通過高壓氣體沖擊重錘來撞擊地面砧板，地面砧板將震動(dòng)信號傳到地下。地震儀表采集從地下反射上來的震動(dòng)信號從而完成對地震波的采集與分析。

淺層地質(zhì)勘查安全可控震源裝備的結(jié)構(gòu)如圖1，由運(yùn)輸車輛、沖擊重錘、地面砧板、高壓氣罐、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。其中，高壓氣罐、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)安裝在廂式車輛前端，重錘震擊機(jī)構(gòu)總成安裝在車輛尾部。

圖1 淺層地質(zhì)勘查安全可控震源裝備的結(jié)構(gòu)（運(yùn)輸狀態(tài)）

1.2 工作原理

運(yùn)輸車輛將裝備運(yùn)輸?shù)娇碧降攸c(diǎn)后，開動(dòng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)，掛合取力聯(lián)軸器，使液壓泵工作。打開裝備總開關(guān)與液壓開關(guān)，操縱控制面板按鈕或者遙控器，使地面砧板安全掛鉤打開，裝備支撐液缸將整個(gè)裝備以及車輛支撐起來，并將地面砧板壓實(shí)在地面上，將車尾部整個(gè)撐起懸空，形成穩(wěn)固的震動(dòng)平臺。在此過程中，裝置底部阻尼機(jī)構(gòu)的空氣彈簧將沖擊能量吸收，以便實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的震擊動(dòng)作。然后，重錘釋放裝置瞬間打開，氣罐里面的高壓氣體沖擊重錘撞擊地面砧板，完成震擊，如圖2。震擊動(dòng)作完成后，液缸將沖擊重錘提升起來。然后，裝備支撐液缸縮回將車輛以及地面砧板提升起來，恢復(fù)到圖1狀態(tài)。如此便完成一個(gè)震動(dòng)激發(fā)的作業(yè)流程。根據(jù)地震波的采集分析結(jié)果，可重復(fù)上述動(dòng)作進(jìn)行加大能量震擊，或者是重復(fù)震擊。

液壓系統(tǒng)原理如圖3。主要由液壓源、設(shè)備起升準(zhǔn)備回路、震擊回路、機(jī)構(gòu)提升回路等幾部分組成。裝備到達(dá)施工地點(diǎn)工作時(shí)，手動(dòng)接通運(yùn)輸車輛上的取力器聯(lián)軸器，驅(qū)動(dòng)液壓泵工作。該聯(lián)軸器在車輛行駛過程中處于斷開狀態(tài)以提高液壓泵使用壽命。在車輛支撐過程中，液壓泵通過比例調(diào)節(jié)閥緩慢給裝備支撐液缸供油，控制車輛起升的速度，增大裝置的穩(wěn)定性。車輛起升完成震擊準(zhǔn)備工作后，為消除噪聲對地震波信號的影響，關(guān)掉車輛發(fā)動(dòng)機(jī)，蓄能器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)重錘釋放裝置的油缸，將重錘釋放，完成震擊過程［1］。

圖2 淺層地質(zhì)勘查安全可控震源裝備的工作狀態(tài)

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)

該裝備的動(dòng)力源與電源均從運(yùn)輸車輛獲取［2］，簡化了結(jié)構(gòu)，減低了成本。結(jié)合液壓驅(qū)動(dòng)與氣體快速?zèng)_擊的優(yōu)點(diǎn)，大幅提高了工作效率與震擊能量。采用基于PLC的遠(yuǎn)程控制技術(shù)，具有手動(dòng)和半自動(dòng)控制方式，提高了淺層地質(zhì)勘查安全可控震源裝備作業(yè)的自動(dòng)化程度和可靠性，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度與工作風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 激發(fā)震擊壓力與沖擊能量設(shè)計(jì)

由裝備的工作原理可知，激發(fā)震擊的能量大小與高壓儲(chǔ)存罐的儲(chǔ)氣壓力大小密切相關(guān)，工作時(shí)可通過調(diào)節(jié)高壓儲(chǔ)存罐的調(diào)壓閥來調(diào)節(jié)震擊能量。由于裝備沖擊錘的活塞腔與壓縮空氣的儲(chǔ)存罐相連，并且儲(chǔ)存罐的容積遠(yuǎn)大于沖擊錘活塞腔的容積，因此可以認(rèn)為活塞腔的氣體膨脹過程是等壓膨脹。震擊沖擊力大小可近似計(jì)算為［3－4］：

式中：G為重錘自重力；p為高壓儲(chǔ)氣罐壓力；f′為重錘活塞與腔體摩擦力；H為重錘下落時(shí)刻質(zhì)心離地面的高度；h為重錘觸地時(shí)刻質(zhì)心離地面的高度；S為氣缸截面積。

由于高壓氣體的急速膨脹，重錘震擊時(shí)間非常短，等效重錘震擊過程為勻加速過程，在沖擊行程一定的情況下，根據(jù)動(dòng)能定理便可計(jì)算出沖擊能量大小。按照目前使用傳統(tǒng)炸藥震源勘探中使用0.5 kg炸藥計(jì)算（使用炸藥能量相當(dāng)于0.89kgTNT，每公斤TNT 炸藥可產(chǎn)生420萬J的能量），可進(jìn)行裝備沖擊壓力與能量大小的匹配設(shè)計(jì)。

2.3 無線遠(yuǎn)程控制技術(shù)

為保證現(xiàn)場操作人員的安全性，本裝備采用無線遠(yuǎn)程控制技術(shù)，其控制原理是由各傳感器檢測出系統(tǒng)流量及位置信號并實(shí)時(shí)反饋給PLC，PLC 接收輸入和反饋信號，經(jīng)過運(yùn)算分析得出各控制單元的控制信號；對溢流閥的設(shè)定壓力、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度及截止閥的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)綜合閥控。

操作方式有手動(dòng)操作和遙控自動(dòng)操作2種，所有操作功能按鈕均設(shè)置在電控柜上和遙控器上?？刂瞥绦蜷_發(fā)基于Windows開發(fā)平臺，所有相關(guān)設(shè)備參數(shù)與運(yùn)行狀態(tài)可通過電控柜上的液晶顯示屏進(jìn)行顯示、監(jiān)控，且技術(shù)參數(shù)可在液晶顯示屏上進(jìn)行修改調(diào)整，并具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)情況

淺層地質(zhì)勘查安全可控震源裝備成功研制后，于2012－11—12在勝利油田物探公司四分廠地區(qū)進(jìn)行了多次系統(tǒng)功能性測試、系統(tǒng)可靠性與安全性測試以及系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)與性能指標(biāo)測試試驗(yàn)。其中，在系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)與性能指標(biāo)測試試驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)高壓氣體不同沖擊壓力來測試與地層適應(yīng)匹配性，根據(jù)地震波采集信號情況來調(diào)整沖擊能量大小。圖4為試驗(yàn)取得的低降速帶資料。

圖4 近地表調(diào)查監(jiān)視記錄界面

通過野外系統(tǒng)試驗(yàn)和試驗(yàn)資料分析，結(jié)果表明：該裝備能夠通過無線遙控與控制面板2種方式實(shí)現(xiàn)地震波信號的激發(fā)，震源設(shè)備達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通過與炸藥激發(fā)方式的對比，近地表資料易于拾取，能夠滿足淺層與近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查需要，安全性高。

4 結(jié)論

1）研制的淺層地質(zhì)勘查安全可控震源為油氣勘探提供了一種安全、高效、環(huán)保的裝備，可取代傳統(tǒng)的炸藥激發(fā)方式進(jìn)行小折射施工，取得近地表結(jié)構(gòu)資料。

2）該裝置可以作為一種補(bǔ)充震源，應(yīng)用于物探施工穿越大型城鎮(zhèn)等復(fù)雜地帶，有效彌補(bǔ)淺層資料的缺失。

3）在油氣勘探、地質(zhì)勘察等多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］馬紅偉，趙永林，季穎.優(yōu)選蓄能器改善可控震源液壓系統(tǒng)［J］.物探裝備，2011（3）：150－153.

［2］孫偉.可控震源振動(dòng)出力仿真［J］.物探裝備，2012（2）：79－82.

［3］王光德.可控震源源驅(qū)動(dòng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法［J］.物探裝備，2012（2）：97－100.

［4］鄭煥武.自由落體與地面之問作用力公式的推導(dǎo)［J］.西昌學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，21（1）：30－33.