氣槍激發模擬器的研制

中國石油東方地球物理公司海上勘探事業部 船舶中心技術部QC小組

（天津 300280）

1 小組情況

表1為小組概況。

2 選擇課題

2.1 提出問題

地震儀器和氣槍震源系統用傳統方法進行一致性測試工作，需要調用大部分海上勘探設備達到準生產狀態。而一致性測試受海上自然環境和設備調試等客觀因素的影響，用時非常不確定，增加了地震隊按時開工的難度和運營成本。

2.2 傳統方法一致性測試用時調查分析

小組成員對2009年海上勘探事業部多個海上地震采集項目開工前一致性測試工作進行數據統計結果見表2。

通過調查可得出如下結論，2009年運用傳統方法，地震隊開工前一致性測試工作平均花費37h，占用了地震隊較長的生產時間。

表1 小組概況表

2.3 選擇課題

為了解決一致性測試工作用時過長的問題，小組成員運用頭腦風暴法，充分發揮全體成員的創新思維，經過大家的集思廣益，提出以下2種可供選擇的課題：

課題一：單船一致性測試方法；

課題二：氣槍激發模擬器的研制。

小組成員分別對2個備選課題進行了分析評估結果見表3。

通過以上對比：課題一省去了儀器船（將儀器船上的設備轉移到震源船上），這樣減少了2船配合時間，從而達到減少一致性測試用時的目的。但參與一致性測試的所有設備仍需要調試時間，而且儀器設備在2船之間的搬運不僅費時費力，也容易造成損壞。課題二省去了儀器船和震源船，節省了儀器連接電纜、啟動空壓機及收放氣槍的時間，并且其他設備都是非隨船的輕便設備，可以使一致性測試工作不受日期和場地的限制，如果氣槍激發模擬器研制成功，不僅可以降低海上自然環境的影響，同時也可大大縮短該工作周期。所以，選擇課題二為研究課題。

表2 2009年度一致性測試工作用時統計表

表3 對2個課題進行比較、分析、評估及選定

3 設定目標

3.1 目標制定

（1）進行一致性測試可以不受自然環境和場地限制。

（2）測試所需時間由原來的37h縮短到12h以下。

3.2 目標可行性分析

（1）領導重視。船舶中心成立了此項目協調小組，中心領導對該工作進行部署，并給予資金、人員上的大力支持，保證該研制工作的順利進行。

（2）技術實力。小組技術實力雄厚，成員具有豐富的研發經驗和設計能力，曾經獨立研制成功模塊式震源系統。

（3）解決問題的可行性。模擬器研制成功，可以省去船舶申請使用航道、航行到作業地點、儀器連接電纜、啟動空壓機和收放氣槍的時間（約12h），大大縮短一致性測試的周期。

綜上所述，我們的目標是完全可行的。

4 提出方案并確定最佳方案

4.1 提出方案

氣槍激發模擬器替代空壓機、氣槍和近場檢波器進行一致性測試，空壓機和氣槍在一致性測試中作為震動源，而近場檢波器作為信號接收裝置。因此，氣槍激發模擬器應由以下2部分組成：①震動發生裝置；②信號接收裝置。

4.2 方案優選

根據研制思路，小組對震動發生裝置和信號接收裝置分別提出優選方案。

（1）震動發生裝置的選擇。震動發生裝置是代替氣槍作為一致性測試中的震動源。氣槍產生的震動是槍體內空氣在水中瞬間釋放所產生震蕩氣泡，這個震蕩氣泡就像一個阻尼振蕩器，氣泡每次震蕩后損失一些能量，產生越來越小的氣泡脈沖。因此，我們要求模擬器在收到激發信號時產生一個類似于氣槍的震動，產生一致性測試所需要的波形。根據上述分析，小組成員對震動發生裝置的3種方案進行分析（見表4）。

（2）信號接收裝置的選擇。信號接收裝置是代替一種將震動源轉變為電信號的傳感器，是機械能轉化為電能的能量轉換裝置，該傳感器在接受到壓力時所產生的輸出電壓最終會以頻率變化的方式傳輸給儀器和氣爆控制器。因此，所選取的信號接收裝置的輸出信號一定要符合儀器采集設備的接收要求。根據上述分析，小組成員對信號接收裝置的3種方案進行分析,如表5所示。

4.3 確定最佳方案

經過以上方案分析，氣槍激發模擬器的最佳方案確定為氣槍電磁閥和物探專用檢波器。

5 制定對策

小組成員根據以上分析得出的最優方案，制定了對策如表6所示。

6 實施對策

6.1 氣槍電磁閥選型

6.1.1 對所需電磁閥工作原理分析

當電磁閥通電時，電磁線圈產生電磁力把關閉件從閥座上提起，當斷電時，電磁力消失，彈簧把關閉件壓在閥座上，閥孔處于關閉狀態。在電磁閥動作時，關閉件和閥腔通過磁力吸合作用產生觸擊，從而產生震動。

6.1.2 所需電磁閥特性分析

通過以上分析，我們可以總結出所需的電磁閥需要滿足從以下3個方面的要求。

（1）震動強度。電磁閥的震動強度必須達到信號接收裝置的信號采集范圍。如果震動微弱，將不能觸發信號接收裝置的感應線圈，無法產生有效的一致性測試所需的波形圖。

（2）殼體外形。在一致性測試中，氣槍電磁閥需要在試驗臺上進行固定，需要外殼無突起及尖銳的部分存在。

（3）電磁閥所需啟動電流和脈沖寬度。各種電磁閥激發電流不同，需要調節槍控器提供的激發電壓來適應不同種電磁閥的激發要求。

其中I為線圈啟動電流；

U0為輸出電壓；

R為線圈阻值。

各電磁閥所需動作的脈沖寬度也不一樣，激發動作的快慢也不盡相同。

6.1.3 通過對比不同型號電磁閥的各種參數，進行選擇

根據上述分析，小組成員從以下3種生產中常用的氣槍電磁閥中選擇最符合研制要求的震動發生裝置（見表7）。

6.2 物探專用檢波器的選型

6.2.1 檢波器工作原理分析

檢波器的作用是將被測的地震信號轉換為電壓信號，在氣槍激發模擬器中，檢波器作為信號接收裝置，用來直接接收震動源，將震動能量轉換為符合儀器記錄系統需要的電壓形式，檢波器自身技術性能指標的高低，直接影響著氣槍激發模擬器的使用狀況。

表6 對策表

表7 不同型號的電磁閥各種參數對比表

6.2.2 所需檢波器特性分析

為了實現檢波器將震動能量轉換為符合儀器記錄系統需要的電壓形式的功能，需要滿足以下3個方面的要求。

（1）外觀方面。要求體積小巧，重量輕。該模擬裝置是要通過電磁閥的震動來使檢波器產生震動而產生波形，因此檢波器首先要求固定在電磁閥上，電磁閥的震動要能夠使其產生有效的震動。

（2）絕緣性方面。由于模擬器要在各種環境下使用，所以其絕緣性確保要在200MΩ以上，以保證其信號穩定。

（3）靈敏度方面。對于靈敏度來講需要有一個較為穩定的范圍，靈敏度較低或較高都會對信號造成影響（見表8）。

我們通過固定激勵頻率對芯體靈敏度進行測試，發現在10～14Hz的范圍內，檢波器的靈敏度較為穩定。

6.2.3 通過對比不同型號檢波器的各種參數，進行選擇

根據上述分析，小組成員從3種生產中常用的物探檢波器中選擇最符合研制要求的信號接收裝置（見表9）。

6.3 氣槍激發模擬器的組裝測試和問題改進

6.3.1 組裝設計

（1）電路連接圖設計。電磁閥接入點火單元的激發接口對電磁閥進行實時激發。檢波器接入點火單元的傳感器接收端口，用于接收檢波器傳回的模擬信號，并將該信號上傳給主控單元，再經傳輸單元傳給儀器記錄設備。檢波器接口同時并入儀器交叉站，將信號傳給儀器設備，通過對無線傳輸信號和有線傳回信號的比對，即可判定設備之間的一致性是否良好。

（2）進行實物組裝。我們按照設計圖的要求，將電磁閥（震動發生裝置）和檢波器（信號接收裝置）進行組裝。

6.3.2 進行現場測試

在組裝完成之后，小組成員對氣槍激發模擬器進行現場測試。

通過分析在0計時線以前該檢波器就有所動作,與正常驗證波形不符。經小組討論分析,認為該檢波器靈敏度過高,受到外來震動影響造成過早起跳。

6.3.3 對氣槍模擬器進行改進和測試

利用氣槍電磁閥與檢波器的合理組合，在底部加上減震裝置，起到消減外來震動能量的作用，讓槍控器可以有效的接收到電磁閥震動產生的能量。通過對比，過早起跳的問題得到解決。在此基礎上，我們進行了氣槍震源系統的一致性測試的多次激發驗證，進一步驗證了該套系統的穩定工作狀態。通過15炮的驗證，氣槍激發模擬器激發時間和儀器內部記錄時間相差在1ms之內，達到預期效果，符合行業標準和甲方要求。

7 效果確認

7.1 目標值的完成情況確認

目標1：進行一致性測試可以不受自然環境和場地限制。QC小組活動前，需要海上勘探設備達到準生產狀態進行一致性測試工作，QC小組活動后，氣槍激發模擬器研制成功，在儀器房就可以完成一致性測試工作。

目標2：測試所需時間由原來的37h縮短到12h以下。小組成員將氣槍激發模擬器應用到2010年各海上地震勘探采集項目中，對各震源船一致性測試用時進行了統計（見表10）。

結論為平均6h可以完成一致性測試工作。

7.2 經濟效益分析

按照關于 《規范QC小組成果經濟效益計算方法的通知》對本課題的效益進行了分析，結果如表11所示。

表8 檢波器芯體靈敏度測試表

表9 不同型號的檢波器各項參數對比表

表10 2010年各震源船一致性測試用時統計表

表11 小組活動前后經濟效益對比表

經濟分析和實驗結果證明：氣槍激發模擬器的推廣應用，為每個地震勘探采集項目至少帶來37.2萬元，按照每年4個采集項目施工計算，總共節約148.8萬元，效益十分可觀。

7.3 社會效益分析

7.3.1 保證了項目的順利啟動

氣槍激發模擬器的研制成功大大降低了同步驗證的周期，可以確保各項目按時開工，降低地震隊經營成本，將進一步提高公司在國際國內極淺水區域的市場競爭力。

7.3.2 符合行業規范，得到甲方領導和技術總監的認可

氣槍激發模擬器成功替代了傳統同步驗證的方法，得到了甲方和技術總監的認可，樹立了公司的良好的形象，積極促進了后續市場的開發。

8 標準化

8.1 進行技術培訓

船舶中心對氣爆技術人員進行系統的培訓，并派專人進行現場連接與技術指導。

8.2 制定相關操作規程

為了使現場操作人員更加方便的操作該設備，我們編寫了有關氣槍激發模擬器的操作規程和相關原理的說明，并制作成作業指導書在現場應用。

9 總結和今后的打算

通過此次活動，使小組成員加深了對QC活動的學習和理解，同時在與其它專業化單位溝通、交流的過程中，個人能力、質量意識及解決問題的能力和信心都有了較大的提高。

灘淺海過渡帶勘探業務是中油集團“十二五”發展的重點，也是東方地球物理公司的特色業務，發展的潛力巨大。下一步我們QC小組計劃研發一種新型設備，將槍控器激發脈沖直接轉化為儀器可接收的信號，在不產生任何震動的情況下，即可完成一致性測試工作，更加方便快捷。