淺層地質(zhì)勘查安全可控震源裝備技術(shù)研究

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)點是信號頻率范圍較寬、能量較強。但是，由于涉及到的雷管、炸藥屬于危險品，在管理、存放、運輸及施工中存在諸多問題：

1）雷管和炸藥管理非常嚴(yán)格，地震隊必須在完成開工驗收后才能使用，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、運輸環(huán)節(jié)存在安全隱患、風(fēng)險大。

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條件制約。

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)計原則是：設(shè)備組裝到箱式運輸車輛上，從汽車發(fā)動機取動力，可以減少采用外部動力所需的設(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，地面砧板將震動信號傳到地下。地震儀表采集從地下反射上來的震動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)（運輸狀態(tài)）

1.2 工作原理

運輸車輛將裝備運輸?shù)娇碧降攸c后，開動車輛發(fā)動機，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裝備以及車輛支撐起來，并將地面砧板壓實在地面上，將車尾部整個撐起懸空，形成穩(wěn)固的震動平臺。在此過程中，裝置底部阻尼機構(gòu)的空氣彈簧將沖擊能量吸收，以便實現(xiàn)平穩(wěn)的震擊動作。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)。如此便完成一個震動激發(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、機構(gòu)提升回路等幾部分組成。裝備到達(dá)施工地點工作時，手動接通運輸車輛上的取力器聯(lián)軸器，驅(qū)動液壓泵工作。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)動機，蓄能器單獨驅(qū)動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)

該裝備的動力源與電源均從運輸車輛獲?。?］，簡化了結(jié)構(gòu)，減低了成本。結(jié)合液壓驅(qū)動與氣體快速沖擊的優(yōu)點，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)，具有手動和半自動控制方式，提高了淺層地質(zhì)勘查安全可控震源裝備作業(yè)的自動化程度和可靠性，降低了操作人員的勞動強度與工作風(fēng)險。

2.2 激發(fā)震擊壓力與沖擊能量設(shè)計

由裝備的工作原理可知，激發(fā)震擊的能量大小與高壓儲存罐的儲氣壓力大小密切相關(guān)，工作時可通過調(diào)節(jié)高壓儲存罐的調(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存罐相連，并且儲存罐的容積遠(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算為［3－4］：

式中：G為重錘自重力；p為高壓儲氣罐壓力；f′為重錘活塞與腔體摩擦力；H為重錘下落時刻質(zhì)心離地面的高度；h為重錘觸地時刻質(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)動能定理便可計算出沖擊能量大小。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。

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時反饋給PLC，PLC 接收輸入和反饋信號，經(jīng)過運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、電動調(diào)節(jié)閥的開度及截止閥的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)綜合閥控。

操作方式有手動操作和遙控自動操作2種，所有操作功能按鈕均設(shè)置在電控柜上和遙控器上。控制程序開發(fā)基于Windows開發(fā)平臺，所有相關(guān)設(shè)備參數(shù)與運行狀態(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)儲存功能。

3 現(xiàn)場試驗情況

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。其中，在系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)與性能指標(biāo)測試試驗中通過調(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)試驗和試驗資料分析，結(jié)果表明：該裝備能夠通過無線遙控與控制面板2種方式實現(xiàn)地震波信號的激發(fā)，震源設(shè)備達(dá)到了設(shè)計要求。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，有效彌補淺層資料的缺失。

3）在油氣勘探、地質(zhì)勘察等多個領(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)動技術(shù)的實現(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，2007，21（1）：30－33.