井下檢波器的研制與應用

杜小龍，許冠慶，王豪，陳俊霖

東方地球物理公司西南物探分公司裝備制造與服務中心，四川成都，610200

0 引言

隨著石油、地礦地震勘探的不斷深入，表層調查變得越來越重要。在進行表層調查時，目前通常采用淺層折射地震勘探，但在低降速帶變化劇烈的地段主要采用微測井進行觀測。微測井方法能獲得準確的低降速層相關資料，是目前研究低降速帶表層結構最直接、最有效的表層調查方法，在地震勘探中得到越來越廣泛的重視[1]。當前微測井所采用的施工方法可分為兩種：地面接收，井中激發；地面激發，井中接收。第一種方法施工過程復雜、效率低下，已基本被淘汰。第二種方法雖然在理論上可以大幅度提高施工效率、提升地震資料的品質，但目前現有的井中接收裝置卻成為廣泛推廣該方法的主要障礙[2]。如何研制出一種既能提高微測井施工效率，又能得到可靠的表層地質資料的井下地震波接收設備，成為廣大物探裝備工作者爭相攻克的一道難題。

1 井下地震波接收設備的現狀

當前國內外多家檢波器廠家都在進行井下地震波接收設備的研制和開發[3]。現有產品根據功能特點主要可分為兩類：即無推靠和有推靠裝置的兩類井下檢波器。第一類井下檢波器，由于沒有推靠裝置，在井下和井壁耦合不好，所獲得的地震資料效果很差，將影響地質資料分析，而且這些產品基本都是單點檢波器，在微測井中施工效率低，不能充分滿足微測井的要求。第二類有推靠裝置的檢波器中，目前比較典型的是采用電磁推靠和外置推靠[4]。電磁推靠操作和維護均不便，而且價格昂貴，不利于大面積推廣使用。外置推靠：即將檢波器先下到井中，然后再將氣袋或水帶等放入井中進行充氣或充水，以達到推靠的目的。這種檢波器的操作和維護極不方便，施工效率低、施工成本較高、推靠效果較差。除此之外，當前還沒有更好的操作簡便、性能可靠、成本低廉、能組合成串、帶推靠裝置的井下檢波器產品[5]。

2 設計思想及工作原理

針對目前井下檢波器所存在的問題，為滿足表層地質勘探發展的需要，從野外的實際條件和需求出發，我們設計研制出了一種帶有氣動推靠裝置的井下檢波器設備（以下簡稱APS檢波器）。該設備使用簡單、維護方便、井下推靠可靠，并具有多點串接接收的能力，整體具有優良的防水性能。該設備主要用于野外微測井施工，其獨具匠心的推靠設計、簡單方便的使用方法，大大提高了微測井的施工效率，降低了施工成本。

2.1 APS檢波器的設計思想

APS檢波器的設計思想主要滿足了以下幾方面的需求：

（1）采用氣缸聯動原理使檢波器本身具有收放自如的推靠裝置，推靠力的大小能滿足不同生產需要；（2）檢波器整體具有優良的防水性能；（3）每只檢波器整體能進行拆裝；（4）能組合成串使用，在井中不同深度點同時接收地震波；（5）整體嚴格符合檢波器行業技術指標要求。

2.2 工作原理

APS檢波器整體構思新穎，結構設計合理，充分保證了檢波器與井壁的耦合性、推靠的可靠性、抗干擾能力及各項性能指標，下面簡單介紹其主要工作原理。

2.2.1 推靠原理

檢波器的推靠裝置采用了氣缸聯動原理（見圖1）。該結構主要包括一個氣缸、一個活塞、一個彈簧、一個連桿、一個支撐臂。如圖：氣缸軸向位于檢波器基體內，內壁為純銅材質，氣室與外接氣管相連通。活塞位于氣缸內，在氣壓作用下作軸向往復運動。彈簧套在活塞桿上，位于活塞與氣缸蓋之間。連桿和支撐臂均為鋼性構件，連桿用于連接活塞和支撐臂，起傳遞推力的作用。支撐臂一端用軸銷固定在檢波器上基體上，可繞固定點自由轉動，在連桿的推動下，實現推靠。推靠裝置工作時，氣缸充氣，活塞壓縮彈簧，彈簧蓄能，推動支撐臂展開，使檢波器與井壁可靠耦合；氣缸排氣，彈簧釋放能量，活塞被推回到初始位置，完成支撐臂的回收。

圖1 氣缸聯動原理圖

2.2.2 多級組合工作原理

每只檢波器氣缸通過氣管相互連通，由同一氣泵同時驅動各自的推靠裝置，檢波器芯之間由多芯電纜連接，各檢波器整體間采用鋼纜連接，達到井下不同深度點同時接收、提高施工效率的目的。這樣的組合，每只檢波器氣缸氣壓一致，保證了組合后每只檢波器的推靠力大小一致，確保整串檢波器與井壁耦合的可靠性。圖2為檢波器氣缸在串接后的工作原理示意圖，從圖中我們可以得出：

圖2 氣缸組合示意圖

在一定氣壓條件下，根據氣壓各向同性原理：

P=P1=P2=P3…=Pn

在相同的加工精度及彈簧彈力系數下，忽略所有氣缸本身及活塞、彈簧的微小差異后，可得：

f1=f2=f3…=fn

F=F1=F2=F3…=Fn

從上可知：在氣缸Q1…Qn相同的情況下，得到的活塞推力F1…Fn是一致的。

3 結構及特點

3.1 基本結構

APS檢波器整體呈圓柱形，直徑約為54cm，從其結構上可分為上基體、連接體、下基體三部分（如圖3）。其中上基體為檢波器推靠提供動力，其主要部分包括上吊耳、氣缸套、活塞、彈簧、儲氣氣囊及連桿等部件。上吊耳用于連接提線鋼纜，氣缸、活塞、彈簧、連桿一起組成氣動推靠裝置，氣囊位于氣缸蓋上，用于平衡活塞前端壓力，它可以有效阻止由于氣缸前端與外界壓力差而致泥沙進入氣缸的問題；連接體主要用于連接上下基體和固定支撐臂，該段主要部件包括連接體和支撐臂，為使檢波器整體具有一定的抗拉和防卡能力，連接體和上下基體都采用鋼性連接；下基體包括檢波器芯、檢波器密封蓋、檢波器芯固定圈等部分，是檢波器的信號采集部分。

圖3 APS檢波器整體結構圖

3.2 防水結構設計

井下檢波器長期處于水、泥漿、沙石等惡劣工作條件環境中，對其防水性、耐腐蝕性、耐磨性要求較高。APS檢波器的防水結構設計，主要有以下兩點：

（1）氣缸部分的防水。氣缸工作時，由高壓氣體推動活塞向外運動，壓縮彈簧，此時活塞前倉空氣也將被壓縮，形成高壓，如密封不嚴將在水下形成氣泡，將對信號接收產生干擾，但如果徹底密封后，此處被壓縮的高壓氣體將對活塞的運動產生阻力，影響推靠效果。反之在氣缸高壓氣體被釋放時，活塞兩端失去平衡，活塞在彈簧回力的推動下回到初始位置，此時氣缸前倉如果密封不嚴，由于壓力差的作用，井中的水或泥沙將會被吸入氣缸中，損壞氣缸。為解決上述問題，APS檢波器在氣缸蓋上加裝了一儲氣氣囊，這樣，當活塞前推時氣囊儲氣，活塞回復時氣囊的氣回到氣缸。通過儲氣氣囊的變化，保證了活塞前端壓力基本不變，從而解決了因壓力差而造成的氣缸滲漏問題。

（2）檢波器芯體處的防水。根據標準，檢波器的絕緣電阻Ri＞10MΩ，因此APS檢波器也采用特殊防水結構設計，如圖4所示，其重點防水部位主要在芯體的接線樁與電纜引線的接頭處。APS檢波器將檢波器芯與電纜引線整體密封在下基體內部，并將電纜引線處的兩端用線箍將電纜鎖緊，保證即使電纜出現破損，水也不會通過電纜滲入檢波器芯體上，這樣的密封結構有效地解決了深井下的泥水滲漏問題，大大提高了檢波器整體的防漏電性能。

圖4 APS檢波器剖面圖

3.3 主要技術特點

為了提高檢波器在野外的耐用性，減輕檢波器整體的重量，有效降低檢波器卡井事故，APS檢波器外觀呈光滑的圓柱形，主要部件均采用鈍化鋁合金和不銹鋼材料，其主要特點如下：

（1）重量輕。單只APS檢波器重量只有2kg，整串12只（外加電纜及鋼纜），其重量不超過30kg。

（2）操作簡單、方便。推靠系統操作簡單，通過帶有氣壓表的氣泵，不僅可以直觀地監控整個系統的推力，而且可以和儀器共用12V直流電源，使用非常方便。

（3）推靠牢固、可靠。各檢波器氣缸內氣壓一致，支撐臂展開角度大，所產生的推力能保證每只檢波器與井壁可靠耦合。

（4）井下適應能力強，支撐臂設計長度和角度可滿足不同井徑施工需要。

（5）整體具有優良防水性能，其設計施工井深可滿足200m微測井需要。

（6）整體性價比高。與同類產品比較，具有較大的經濟和實用價值。

4 推廣應用情況

目前，APS井下檢波器有單分量和三分量兩種規格型號（見圖5），已在地球物理勘探的微測井施工中全面推廣使用，共計完成微測井一萬余口。從實際使用效果來看，應用該產品得到的資料較市場同類產品所得資料有較大改善（見圖6、圖7）。

圖5 井下檢波器實物圖片

圖6 市場同類產品采集資料

圖7 APS檢波器采集資料

5 結語

從實際使用效果來看，APS檢波器能大大提高淺層地震勘探作業施工效率，改善淺層地震勘探資料品質，隨著地震勘探高精度、高密度、高分辨率的發展要求，它將得到更加廣泛的推廣應用。