車載式重錘震源氣動液控系統(tǒng)研究

林玉蘭，李進付，付廣萌，郭　振，陳志禮

（1.中石化石油工程設計有限公司，山東東營，257017；2.中石化勝利石油工程有限公司　鉆井工藝研究院，山東　東營，257017）

車載式重錘震源氣動液控系統(tǒng)研究

林玉蘭1，李進付2，付廣萌2，郭振2，陳志禮2

（1.中石化石油工程設計有限公司，山東東營，257017；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營，257017）

炸藥震源和可控震源在現(xiàn)行陸地地震勘探中得到了廣泛應用。但炸藥震源存在重復性差、環(huán)境破壞性大、施工復雜等缺點；可控震源中的重錘式震源雖然特別適合建筑物比較密集的中淺層地質(zhì)勘探，但存在出力小、行程固定等問題。為適應中西部中淺地層地質(zhì)勘查需求，實現(xiàn)沖擊能量60 k J、同一地點作業(yè)4次且作業(yè)不啟泵的性能指標要求，采用開放氣缸加速重錘結(jié)構(gòu)作為震擊出力結(jié)構(gòu)，采用液壓系統(tǒng)作為出力結(jié)構(gòu)的控制與操作系統(tǒng)。在氣動系統(tǒng)與液控系統(tǒng)方案研究基礎(chǔ)上，對其氣動系統(tǒng)、液控系統(tǒng)的核心構(gòu)件進行設計計算，設計出一種運載方便、出力可控、動作快速、能多次重復錘擊的車載式氣動液控重錘震源系統(tǒng)。為中西部中淺地層地質(zhì)勘查提供一種車載式重錘氣動液控震源解決方案。

可控震源；重錘震源；氣動；液控；系統(tǒng)

在現(xiàn)行陸地地震勘探中，炸藥震源和可控震源得到了廣泛應用。炸藥震源存在重復性差、對環(huán)境的破壞性強、施工流程復雜、對人身威脅大等缺點［1-2］；可控震源中的重錘式震源特別適合建筑物比較密集的淺層石油勘探，但存在出力小、行程固定、多次沖擊操作效率低等問題［3-4］。在可控震源氣動液控方面，管治平研究了柴油保護系統(tǒng)［5］；鐘遠坤對液壓伺服系統(tǒng)進行了分析［6］；王鴻雁等設計了一種車載式錘擊震源控制系統(tǒng)，給出了氣動控制回路和電器控制回路圖，并用PLC進行氣動控制系統(tǒng)設計［7］；鄧東等針對I／OAHVIV可控震源液壓系統(tǒng)的工作原理進行了講述［8］；針對KZ28型可控震源的結(jié)冰現(xiàn)象，趙永林對氣源部分進行了改進［9］；針對國產(chǎn)可控震源液壓系統(tǒng)中氣泡油問題，趙賀強提供了解決方案［10］。但是針對重錘震源氣動液控部分具體結(jié)構(gòu)的設計計算卻很少。為滿足中淺層石油勘探需要，結(jié)合車載式重錘震源震擊功能需求，針對某型震源車開展了車載式重錘震源氣動液控系統(tǒng)方案研究，設計了氣動液控系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)。

1　車載式重錘震源總體方案

在地質(zhì)勘探中，為了取得更準確的地質(zhì)資料，核心在于提高可控震源的額定出力，確保其振動器先進性和可靠性［4］。結(jié)合重錘震源沖擊能量60 kJ、沖擊速度快等要求，設計出如圖1所示氣動液控震源系統(tǒng)，主要由氣動系統(tǒng)、液控系統(tǒng)兩部分組成。氣動部分主要用于驅(qū)動重錘加速向下沖擊；液控部分主要用于支撐車身為沖擊做準備、回收氣體以及夾持丟手并為下次沖擊做準備、收回砧板實現(xiàn)懸停。

圖1　震源系統(tǒng)振動器結(jié)構(gòu)

震源車行駛到預定區(qū)域，選擇好震源點，將砧板組件（砧板、沖擊臺、支撐板）預位；砧板預位過程靠砧板支撐液缸將砧板組件從車橋下方推出，將整個汽車抬起，然后釋放重錘震擊沖擊臺制造地震波，之后靠錘頭起升液缸將重錘回收到初始位置，結(jié)合需要繼續(xù)震擊或結(jié)束收尾，結(jié)束收尾工作是借助砧板支撐液缸將砧板組件收回至初始位，完成目標震擊點的作業(yè)。

2　重錘氣動執(zhí)行系統(tǒng)

2.1氣動系統(tǒng)方案設計

結(jié)合出力和快速響應要求，氣動系統(tǒng)采用如圖2所示氣動驅(qū)動重錘方式作為出力結(jié)構(gòu)，主要包括①動力源：氮氣瓶、儲氣罐；②執(zhí)行元件：一端完全開放的氣缸；③輔助裝置：手動截止閥等；④氣動傳感元件：位置傳感器。

系統(tǒng)采用氮氣瓶或儲氣罐提供高壓工作氣源。在運輸時或沖擊作用前重錘被懸掛機構(gòu)懸置。工作時，打開手動截止閥Ⅰ、Ⅱ?qū)夤蕹錃猓瑑夤迚毫_到一定值時關(guān)閉手動截止閥Ⅰ，并打開手動截止閥Ш，氣體流入氣缸上腔；壓力一定時，重錘被釋放并在高壓氣體對氣缸活塞產(chǎn)生的推力和自重作用下加速推出后沖擊砧臺；當沖擊結(jié)束后，借助錘頭回收裝置將重錘回收至初始位置并依靠懸掛機構(gòu)懸置，同時將氣缸內(nèi)的氮氣壓回到儲氣罐內(nèi)，完成反壓回收過程。

圖2　氣動系統(tǒng)原理圖

2.2氣動系統(tǒng)核心構(gòu)件計算

工作時，重錘受到自身重力及膨脹氣體的推力作用，向下加速沖擊。重錘觸及砧板獲得能量：

式中：E為設計沖擊能量，取60kJ；p為氣缸設計壓力，MPa；H為錘頭沖擊行程，為保證車臺有足夠的抬升高度，設計氣缸的行程為700mm；S為氣缸截面積，mm2；D為氣缸內(nèi)徑，mm；η為氣缸效率；m為重錘質(zhì)量，500kg；g為重力加速度，m／s2。

當氣缸設計壓力p為6.3 MPa時，氣缸缸徑D=170mm。由于結(jié)構(gòu)限制并考慮氣缸標準系列，選擇氣缸缸徑D=200mm；氣缸缸徑為200mm時，氣缸工作壓力pj為4.54 MPa即可實現(xiàn)60kJ的沖擊能量要求。為保證沖擊效果，按氣缸最低工作壓力p不小于4.6 MPa來設計氣動系統(tǒng)。儲氣罐需提供氣缸4次沖擊，耗氣量可按式（2）～（3）計算。

式中：D為液缸內(nèi)徑，mm；l為氣缸設計行程，mm；V0為單次耗氣量，L；p1為儲氣罐工作壓力，6.3 MPa；p2為儲氣罐最低壓力，4.6 MPa；V為儲氣罐體積，L；經(jīng)計算儲氣罐體積V0=22 L。在不考慮漏失情況下，完成1次沖擊所需的氣量為單次作用氣量，加上氣管等管件內(nèi)儲存的氣體消耗，儲氣罐體積V0取30 L，完成4次沖擊儲氣罐的體積為120 L。

3　液壓驅(qū)動系統(tǒng)

3.1液壓系統(tǒng)原理

液控系統(tǒng)的功能主要為實現(xiàn)各個執(zhí)行元件的順序動作提供驅(qū)動能量，確保可以完成4次沖擊。震源系統(tǒng)液壓系統(tǒng)方案如圖3所示，包含①動力源：取力機構(gòu)、泵、蓄能器；②執(zhí)行元件：砧板在車橋懸停夾持運輸時的砧板懸掛液缸2組、控制錘頭組件提升的錘頭起升液缸2組、控制砧板升降的砧板支撐液缸2組、控制錘頭釋放的丟手夾持液缸2組；③控制模塊：4個相同原理閥組，實現(xiàn)各液缸的動作的控制；④傳感元件：位置傳感器，實現(xiàn)各執(zhí)行液缸的行程檢測。其中錘頭起升液缸、砧板支撐液缸、丟手夾持液缸各輔助裝置的控制機理相同。

圖3　液壓系統(tǒng)原理圖

液控系統(tǒng)通過汽車取力，驅(qū)動液壓泵給蓄能器和其他液壓元件提供液壓能。震源車按同一目標位4次連續(xù)沖擊振動設計，各液缸靠液壓儲能器供液而不啟動液壓泵。同時設低壓油箱，回收4次沖擊作業(yè)的動力液體，動力液體循環(huán)使用。震源系統(tǒng)的工作過程如下：

1）準備過程。將震源車行駛至目標震擊點，6YA得電，砧板懸掛液缸活塞桿回收，懸掛系統(tǒng)松開4根導向柱，到達S31；4YA得電，使砧板支撐液缸向下運動并達到撐起車身作為壓重的效果，此時到達S22，砧板預位完成準備過程。

2）錘頭起升液缸預位。2YA得電，錘頭起升液缸向下推出到達預定位置，即大于錘頭行程的距離S12，防止干涉錘頭向下沖擊。

3）沖擊過程。7YA得電，夾持液缸活塞桿回收裝置釋放錘頭組件，到達S41，制造一次人工地震。

4）錘頭復位。此時1YA得電，錘頭起升液缸將錘頭組件向上抬起到預定位置S11，觸發(fā)傳感器發(fā)出信號使8YA得電，夾持液壓缸夾緊錘頭組件，將沖擊氣缸內(nèi)氣體壓回儲氣罐并使其復位，這樣就完成一次錘擊。

5）連續(xù)震擊。結(jié)合人工地震需要，如需繼續(xù)震擊，返回步驟2，可完成連續(xù)4次沖擊而不啟動液壓泵，直到目標點完成震擊。

6）砧板復位。完成物探工作后需要將砧板收回，此時3YA得電，砧板升降液缸向上運動，收回砧板，到達一定位置S21；砧板懸掛液缸作用夾持導向柱，實現(xiàn)砧板復位與懸停。

3.2液控系統(tǒng)核心構(gòu)件計算

液控系統(tǒng)的核心構(gòu)件中，砧板支撐液缸要求能夠承受汽車質(zhì)量與振動器自重；砧板懸掛液缸要求能夠承受砧板重力作用，實現(xiàn)砧板的懸停；錘頭起升液缸要克服錘頭自重并將氣缸內(nèi)高壓氣體壓回儲氣罐；當重錘在自身重力與氣缸高壓氣體作用下，丟手夾持液缸需要在一定壓力下實現(xiàn)夾持；蓄能器為整個系統(tǒng)提供完成既定沖擊次數(shù)的能量。按照各液缸載荷需求、活塞面積、工作行程等關(guān)系開展液缸計算［11］出液缸參數(shù)匯總表1，液壓系統(tǒng)按最高工作壓力16 MPa、最低工作壓力9 MPa設計。

表1　震源液控系統(tǒng)液缸主要參數(shù)

采用一個蓄能器為所有液缸提供能量補充，蓄能器有效容積為預定工作次數(shù)下所有液缸耗油量體積之和，蓄能器所需提供總液體體積與沖擊次數(shù)和各組液缸耗液量有關(guān)。砧板支撐液缸與懸掛液缸均工作一次即可，而錘頭起升液缸與夾持液缸工作次數(shù)需與錘頭沖擊次數(shù)相同，由式（4）求出蓄能器的體積。

Vnc=2n（V1+n V2+n V3+V4）（4）

式中：V1為砧板支撐液缸工作一次所需液體體積，L；V2為錘頭起升液缸工作一次所需液體體積，L；V3為夾持液缸工作一次所需液體體積，L；V4為懸掛液缸工作一次所需液體體積，L；n為系統(tǒng)泄漏系數(shù)。

經(jīng)計算可得：完成一次工作蓄能器的有效容積Vnc=41.5 L，完成4次沖擊所需的動力液體體積為166 L。

4　結(jié)論

1）對車載式重錘震源氣動液控系統(tǒng)的方案設計與基本原理進行了研究。

2）震源系統(tǒng)采用一端全部開放的氣缸，使重錘在高壓氮氣以及自重共同作用下加速向下，沖擊迅速、震擊能力強。

3）液控系統(tǒng)綜合實現(xiàn)4次沖擊無需啟動液壓泵，實現(xiàn)了作業(yè)速度快的作業(yè)效果。

4）為中淺地層地質(zhì)勘查提供一種氣動液控震源解決方案。

［1］高健.可控震源編碼激發(fā)技術(shù)研究［D］.吉林：吉林大學，2013.

［2］倪宇東.可控震源地震勘探新方法研究與應用［D］.武漢：中國地質(zhì)大學，2012.

［3］劉金中，馬鐵榮.可控震源的發(fā)展狀況［J］.石油科技論壇，2008（5）：38-42.

［4］南文海，丁志淦.可控震源發(fā)展中有關(guān)問題的探討［J］.物探裝備，1999（2）：26-29.

［5］管治平.可控震源車柴油機保護系統(tǒng)［J］.石油地球物理勘探，1985（5）：542-544.

［6］鐘遠坤.可控震源車液壓伺服系統(tǒng)的分析［J］.機床與液壓，1983（3）：6-12.

［7］王鴻雁，肖文生，崔學政，等.一種車載式錘擊震源控制系統(tǒng)設計［J］.液壓與氣動，2012（12）：61-64.

［8］鄧東，李彩霞.I／O AHV-Ⅳ可控震源液壓系統(tǒng)工作原理［J］.物探裝備，2004（3）：217-221.

［9］趙永林.KZ-28型可控震源氣源部分改進［J］.物探裝備，2005（2）：96-99.

［10］趙賀強.國產(chǎn)可控震源液壓系統(tǒng)中氣泡油問題的解決［J］.物探裝備，2001（2）：111-114.

［11］成大先.機械設計手冊［K］.5版.北京：化工工業(yè)出版社，2008.

Pneumatic Hydraulic Control Study on Vehicle Weight Drop Seismic Source

LIN Yulan1，LI Jinfu2，F(xiàn)U Guangmeng2，GUO Zhen2，CHEN Zhili2
（1．Sinopec Petroleum Engineering Corporation，Dongying 257017，China；2．Drilling Technology Research Institute，Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation，Dongying 257017，China）

Dynamite and vibroseis source are widely used in existing land seismic exploration. However，the dynamite source has problems of poor reproducibility，environmental destructive-ness，and complicated construction；though the Vehicle Weight Drop Seismic Source is particularly suitable for shallow geological exploration in more intensive building area，it has problems of small force，fixed stroke etc.In order to meet the requirement of Midwest Shallow Strata Geolog-ical Survey，to achieve performance requirements such as Impact Energy reaching 60 kJ，working four times in one place without starting the pump；it adopts open cylinder acceleration weight drop as shock output structure，hydraulic system as the control and operation system of output struc-ture.Then，it calculates pneumatic hydraulic control system’s core component by means of stud-ying solutions of the pneumatic hydraulic control system.Meanwhile，it designs a vehicle weight drop source systemwhich is cargo convenient，of controllable output size，fast，and repeatedly hammering.Thus it may provide a solution of the vehicle weight drop pneumatic hydraulic control seismic source for the Midwest shallow strata Geological Survey.

vibroseis source；weight drop seismic source；pneumatic；hydraulic control；system

TE934.2

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.005

1001-3482（2015）12-0019-04

2015-08-16

林玉蘭（1964-），女，山東乳山人，高級工程師，1987年畢業(yè)于華東石油學院機械系，從事石油地面設備的研究與設計工作。