KZ-28型可控震源高精度隔振系統(tǒng)研究

李淑清，王亮亮，陶知非，宋云峰

(1. 天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222；2. 東方地球物理公司，涿州 072750；3. 天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

可控震源是陸地油氣勘探中采用反作用原理激發(fā)地震波信號的一種大型勘探設(shè)備，它能夠產(chǎn)生振幅恒定、頻率連續(xù)變化的地震信號[1]．通?？煽卣鹪锤粽裣到y(tǒng)為被動隔振系統(tǒng)，主要隔離發(fā)動機以及液壓系統(tǒng)等產(chǎn)生的振動干擾對激發(fā)信號的影響，KZ–28型可控震源在激發(fā)頻率 6～250,Hz范圍內(nèi)的被動隔振效率基本能夠滿足地震勘探的激發(fā)需要．但是，因為低頻率信號(6,Hz以下)具有的波長屬性、對一些高速地質(zhì)體良好的穿透性以及與流體識別有關(guān)的特殊屬性，所以采用低頻信號是未來地震勘探震源激發(fā)信號發(fā)展的一個趨勢[2-3]．由于被動隔振系統(tǒng)的固有頻率不能無限制降低，在低頻范圍內(nèi)隔振效率還遠不能達到要求，因此影響油氣勘探的地質(zhì)效果．

本文在分析現(xiàn)有可控震源隔振系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究了混合隔振系統(tǒng)并進行了實驗，以期提高對低頻干擾的隔振效率，為混合隔振系統(tǒng)在可控震源上的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)保證．

1 可控震源被動隔振系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可控震源的激振部分稱為振動器，車體通過隔振系統(tǒng)壓在振動器之上，與其(半)柔性連接，車體本身就作為反作用原理中的靜載壓重質(zhì)量存在．大載荷的壓重可以保證振動器在振動過程中與地面的耦合，最大限度地減少在向地下傳遞激發(fā)能量過程中的能量損失與激振信號畸變[4]．

KZ–28型可控震源被動隔振系統(tǒng)實物及結(jié)構(gòu)見圖 1．其工作過程為：通過提升液壓缸將平板壓在地面上，振動器產(chǎn)生的振動力通過平板向下傳輸?shù)降孛嫘纬傻卣鸩ǎ簤焊追聪蛳蛏系牧ㄟ^框架作用于車體．隔振系統(tǒng)要隔離振動器產(chǎn)生的振動對車體的影響，同時避免可控震源車體、發(fā)動機、氣路、液壓等系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾噪聲對激振信號產(chǎn)生影響．通過隔振系統(tǒng)的振動隔離作用，達到使震源的振動與車體振動相隔離的目的，最大程度地把振動器產(chǎn)生的相干振動能量傳入地下．

圖1 可控震源被動隔振系統(tǒng)Fig.1 Passive vibration isolation system of vibroseis

1.2 隔振效率計算

相比炸藥震源、電火花震源、落錘震源等引起的脈沖地震信號，可控震源產(chǎn)生的激勵信號時間長，且為均衡振幅的連續(xù)掃描振動信號，其頻率可以人為調(diào)節(jié)，頻域?qū)挕⒛芰繌姟⒓ぐl(fā)過程安全、對周圍環(huán)境危害小、作業(yè)效率高[5]．

當震源車連續(xù)激振工作時，車體以激振頻率振動．激振頻率與可控震源車的固有頻率相同時，系統(tǒng)會發(fā)生共振，如果沒有阻尼，振幅將無限增大．

一個單自由度彈性系統(tǒng)的固有頻率為

式中：fn為固有頻率，Hz；k為彈簧剛度，N/m；m為質(zhì)量，kg．

空氣彈簧的剛度為

式中：k為空氣彈簧的剛度，N/m；F為彈簧受力，N；X為彈簧變形量，m；p為工作腔壓力，Pa；As為有效面積，m2．

所研究的可控震源使用了 8個空氣彈簧作為隔振裝置，彈簧充氣壓力為0.5,MPa，單個空氣彈簧的剛度為2.643×105,N/m，車體最大載荷壓重質(zhì)量為28×103,kg，該震源車系統(tǒng)固有頻率為[6]

可控震源激振頻率的范圍為 6～250,Hz，因此可計算出其隔振效率η．

式中：f為激振頻率，Hz；fn為系統(tǒng)固有頻率，Hz．

由計算結(jié)果可以看出，在 KZ–28型可控震源激振頻率范圍內(nèi)，隔振系統(tǒng)的理論隔振效率在 94%以上，能夠較好地隔離干擾噪聲，避免影響信號輸出和車體的疲勞損壞．

1.3 仿真實驗

可控震源隔振系統(tǒng)利用單自由度彈性–質(zhì)量系統(tǒng)進行被動的隔離平板的振動干擾．根據(jù)震源的工作原理，其結(jié)構(gòu)可以表示為圖2的物理模型[7]．

系統(tǒng)的理論運動方程為

式中：f(t)為車體受到的振動干擾力．模型中 Ft為不確定性的低頻動載荷．

假設(shè)初始狀態(tài)為 0，對式(3)拉普拉斯變換得到以干擾激勵為輸入、以振動位移為輸出的傳遞函數(shù)

干擾激振力是隨機的，不容易測量，但是可以轉(zhuǎn)換為由干擾振動引起的平板振動位移表示．設(shè)平板的位移為 Xs，車體的位移為 X，由牛頓定律可得車體運動方程為

根據(jù)上述車體的運動方程和傳遞函數(shù)可畫出Simulink隔振仿真框圖，如圖3所示[8]．

圖3 被動隔振系統(tǒng)仿真框圖Fig.3 Simulation diagram of passive vibration isolation system

空氣彈簧的阻尼比 ξ = 0.01，單個空氣彈簧的阻尼為

8個空氣彈簧的阻尼和為 13.76,kN·s/m．將震源車的質(zhì)量m和空氣彈簧參數(shù)代入式(4)，可得系統(tǒng)傳遞函數(shù)的表達式

在固定頻率和隨機信號 2種情況下分別進行系統(tǒng)仿真，結(jié)果見圖 4．其中固頻激勵信號為 ()xt=2sin(12π π/6)t+ ，即頻率為6,Hz的激振信號．

仿真結(jié)果表明，在可控震源的正常工作頻率范圍內(nèi)，激振平板的振動力只有很小的部分傳輸?shù)搅塑嚰苌?，隔振系統(tǒng)的隔振效率大于 90%，能夠保證正常施工．當振動頻率提高時，傳輸?shù)牧⒏。攒嚰芎涂刂剖沂艿降恼駝佑绊懞苄。?/p>

在實際測試中發(fā)現(xiàn)，當震源發(fā)生低于 6,Hz的激振信號時，可控震源系統(tǒng)的隔振效果將大大降低，主要的原因是在理想狀態(tài)與實際狀態(tài)之間存在一個不確定因素——車體對平板施加的低頻擾動力 Ft，其與隔振系統(tǒng)有關(guān)，當激發(fā)頻率 f?fn時 Ft可以忽略不計，成為理想狀態(tài)，否則 Ft不能忽略，此時若據(jù)圖 2建立模型就存在誤差．為保證震源在低于 6,Hz的干擾頻率范圍內(nèi)能夠有較高的隔振效率，本文研究了混合隔振方法，并進行了實驗．

圖4 被動隔振系統(tǒng)的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation curve of passive vibration isolation system

2 混合隔振系統(tǒng)

2.1 混合隔振方法

為深入研究 6,Hz以下可控震源隔振方式，提高KZ–28型可控震源被動隔振系統(tǒng)在低頻范圍內(nèi)隔振效率，提出混合隔振系統(tǒng)的方案．針對可控震源被動隔振系統(tǒng)安裝的8個空氣彈簧，混合隔振系統(tǒng)采用8個作動器與空氣彈簧并聯(lián)，安裝位置和空氣彈簧一致．傳感器檢測車體的擾動信號反饋給控制系統(tǒng)，由單片機采用 PID控制算法計算并發(fā)出控制指令，控制作動器輸出與干擾方向相反的力，抑制干擾振動．

2.2 實驗研究

可控震源車身質(zhì)量達到 28,t，若采用實物進行實驗需要安裝承載質(zhì)量大的作動器，價格昂貴，所以模擬震源車搭建了實驗平臺，采用反饋控制的方法實現(xiàn)混合隔振，以驗證其對低頻干擾的隔振效果．

以激振器(J–2型)模擬震源車的振錘，敲擊底板產(chǎn)生振動干擾；以螺旋彈簧為被動隔振元件，并且安裝振動主動控制的作動器(JZQ–2型)，組成一個混合隔振實驗平臺，如圖5所示．

圖5 混合隔振系統(tǒng)實驗平臺Fig.5 Experimental platform of the hybrid vibration isolation system

實驗系統(tǒng)由數(shù)據(jù)實時采集、調(diào)理轉(zhuǎn)換、顯示存儲以及控制執(zhí)行等部分組成．實驗系統(tǒng)的主控制器為ATmega128單片機，傳感器為KISLTER 8276A型壓電加速度傳感器，A/D 轉(zhuǎn)換器選用 DEWE–MDAQ–PCI–16型，由動態(tài)信號分析模塊DeweSoft實時顯示和存儲采集的數(shù)據(jù)．由于PID控制可靠而穩(wěn)定，控制算法可移植性強、魯棒性好，所以系統(tǒng)采用 PID控制算法[9]．

激振器產(chǎn)生的不同頻率干擾通過底板傳遞給上板，傳感器采集振動信號，經(jīng)信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換后將信號傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理后輸出控制作動器的電流信號，通過功率放大器使作動器產(chǎn)生抑制振動干擾的力，從而達到減振目的．動態(tài)信號分析儀能夠?qū)崟r顯示傳感器采集的振動信號并且存儲數(shù)據(jù)，便于隔振效率的計算和系統(tǒng)控制參數(shù)的改進．混合隔振系統(tǒng)的工作原理見圖 6，系統(tǒng)工作流程見圖7．

圖8是干擾頻率為22,Hz時的系統(tǒng)隔振曲線，被動隔振效率達到 90%，采用混合隔振的效率略有提高，主動隔振基本不起作用．因此重點研究低頻條件下的系統(tǒng)隔振問題，采用混合隔振的方式，達到抑制低頻干擾的目的．

圖6 混合隔振系統(tǒng)工作原理圖Fig.6 Diagram of the hybrid vibration isolation system

圖7 混合隔振系統(tǒng)控制流程圖Fig.7 Flow chart of the hybrid control system

圖8 干擾頻率為22,Hz時的隔振曲線Fig.8 Vibration isolation graph with interference frequency of 22,Hz

針對低頻微振動，實驗測試了 6,Hz以下的振動頻率，結(jié)果見圖9．圖9(a)是干擾頻率為5.8,Hz時的被動隔振和混合隔振曲線．從采樣值得到：被動隔振信號的峰–峰值 A1為 2.788,17,mm，混合隔振信號的峰–峰值A(chǔ)2為0.211,21,mm，所以主動隔振效率為

同理可得到：干擾頻率為 4,Hz時被動隔振信號的峰–峰值為 0.498,38,mm，混合隔振信號的峰–峰值為 0.094,31,mm，主動隔振效率為 81.08%；干擾頻率為 2,Hz時被動隔振信號的峰–峰值為 0.622,89,mm，混合隔振信號的峰–峰值為 0.106,44,mm，主動隔振效率為82.91%．

實驗表明：在系統(tǒng)干擾頻率較高時的被動隔振效率較高，已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)工作要求，此時增加主動隔振系統(tǒng)后的作用不是很大；在低頻范圍內(nèi)(6,Hz以下)混合隔振系統(tǒng)比被動隔振系統(tǒng)的隔振效率明顯提高，干擾頻率在2,Hz以上時的隔振效率大于80%，優(yōu)于國內(nèi)現(xiàn)有可控震源隔振系統(tǒng)的相關(guān)研究成果．因此，本實驗采用混合隔振抑制低頻干擾的方案合理，數(shù)據(jù)指標達到要求．

圖9 低頻干擾時的隔振曲線Fig.9 Vibration isolation graph with low frequency interference

3 結(jié) 語

KZ–28型可控震源是目前國內(nèi)最先進的勘探設(shè)備，對6,Hz以上干擾的被動隔振效率達到90%，但是其不能準確地激發(fā) 6,Hz以下的信號．為了提高其在干擾頻率 6,Hz以下時的隔振效果，本文建立了可控震源隔振系統(tǒng)的物理和數(shù)學模型并進行了仿真研究；針對低頻振動的干擾，采用了混合隔振方法，并搭建了實驗平臺．實驗表明：混合隔振系統(tǒng)在 2～6,Hz低頻段的主動隔振效率達到 80%以上，隔振效果明顯．在石油勘探的信號激發(fā)過程中，采用混合隔振技術(shù)不僅可以減少設(shè)備因機械振動造成的損害，提高設(shè)備的使用壽命，更重要的是可以提高激發(fā)信號的準確性，保證石油勘探后期分析的效果．此研究成果有望在新型可控震源抑制低頻干擾中得到應(yīng)用．

［1］ 陳祖斌，林君，于生寶，等. 輕便淺層地震可控震源的研制[J]. 儀器儀表學報，2003，24(3)：311–314.

［2］ 陶知非，蘇振華，趙永林，等. 可控震源低頻信號激發(fā)技術(shù)的最新進展[J]. 物探裝備，2010，20(1)：1–5.

［3］ 陶知非，趙永林，馬磊．低頻地震勘探與低頻可控震源[J]. 物探裝備，2011，21(2)：71–76.

［4］ 弢姜 ，林君，陳祖斌，等. 相控震源對水平層狀地下介質(zhì)的高信噪比檢測[J]. 儀器儀表學報，2006，27(11)：1369–1372.

［5］ Claudio B. Low-frequency vibroseis date with maximum displacement sweeps[J]. The Leading Edge，2008，14(5)：123–126.

［6］ 夏鵬翎，李廣軍. 空氣彈簧在可控振源中的應(yīng)用[J].物探裝備，1998，8(3)：25–27.

［7］ 程耀東，李培玉. 機械振動學[M]. 2 版. 杭州：浙江大學出版社，2005.

［8］ 王文娟. 機械振動分析的 Matlab/Simulink仿真研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，24：46–48.

［9］ 何建忠. 精密隔振平臺主動阻尼系統(tǒng)的低頻微振動測量研究[J]. 儀器儀表學報，2006，27(6)：543–547.