气枪激发模拟器的研制

中国石油东方地球物理公司海上勘探事业部 船舶中心技术部QC小组

（天津 300280）

1 小组情况

表1为小组概况。

2 选择课题

2.1 提出问题

地震仪器和气枪震源系统用传统方法进行一致性测试工作，需要调用大部分海上勘探设备达到准生产状态。而一致性测试受海上自然环境和设备调试等客观因素的影响，用时非常不确定，增加了地震队按时开工的难度和运营成本。

2.2 传统方法一致性测试用时调查分析

小组成员对2009年海上勘探事业部多个海上地震采集项目开工前一致性测试工作进行数据统计结果见表2。

通过调查可得出如下结论，2009年运用传统方法，地震队开工前一致性测试工作平均花费37h，占用了地震队较长的生产时间。

表1 小组概况表

2.3 选择课题

为了解决一致性测试工作用时过长的问题，小组成员运用头脑风暴法，充分发挥全体成员的创新思维，经过大家的集思广益，提出以下2种可供选择的课题：

课题一：单船一致性测试方法；

课题二：气枪激发模拟器的研制。

小组成员分别对2个备选课题进行了分析评估结果见表3。

通过以上对比：课题一省去了仪器船（将仪器船上的设备转移到震源船上），这样减少了2船配合时间，从而达到减少一致性测试用时的目的。但参与一致性测试的所有设备仍需要调试时间，而且仪器设备在2船之间的搬运不仅费时费力，也容易造成损坏。课题二省去了仪器船和震源船，节省了仪器连接电缆、启动空压机及收放气枪的时间，并且其他设备都是非随船的轻便设备，可以使一致性测试工作不受日期和场地的限制，如果气枪激发模拟器研制成功，不仅可以降低海上自然环境的影响，同时也可大大缩短该工作周期。所以，选择课题二为研究课题。

表2 2009年度一致性测试工作用时统计表

表3 对2个课题进行比较、分析、评估及选定

3 设定目标

3.1 目标制定

（1）进行一致性测试可以不受自然环境和场地限制。

（2）测试所需时间由原来的37h缩短到12h以下。

3.2 目标可行性分析

（1）领导重视。船舶中心成立了此项目协调小组，中心领导对该工作进行部署，并给予资金、人员上的大力支持，保证该研制工作的顺利进行。

（2）技术实力。小组技术实力雄厚，成员具有丰富的研发经验和设计能力，曾经独立研制成功模块式震源系统。

（3）解决问题的可行性。模拟器研制成功，可以省去船舶申请使用航道、航行到作业地点、仪器连接电缆、启动空压机和收放气枪的时间（约12h），大大缩短一致性测试的周期。

综上所述，我们的目标是完全可行的。

4 提出方案并确定最佳方案

4.1 提出方案

气枪激发模拟器替代空压机、气枪和近场检波器进行一致性测试，空压机和气枪在一致性测试中作为震动源，而近场检波器作为信号接收装置。因此，气枪激发模拟器应由以下2部分组成：①震动发生装置；②信号接收装置。

4.2 方案优选

根据研制思路，小组对震动发生装置和信号接收装置分别提出优选方案。

（1）震动发生装置的选择。震动发生装置是代替气枪作为一致性测试中的震动源。气枪产生的震动是枪体内空气在水中瞬间释放所产生震荡气泡，这个震荡气泡就像一个阻尼振荡器，气泡每次震荡后损失一些能量，产生越来越小的气泡脉冲。因此，我们要求模拟器在收到激发信号时产生一个类似于气枪的震动，产生一致性测试所需要的波形。根据上述分析，小组成员对震动发生装置的3种方案进行分析（见表4）。

（2）信号接收装置的选择。信号接收装置是代替一种将震动源转变为电信号的传感器，是机械能转化为电能的能量转换装置，该传感器在接受到压力时所产生的输出电压最终会以频率变化的方式传输给仪器和气爆控制器。因此，所选取的信号接收装置的输出信号一定要符合仪器采集设备的接收要求。根据上述分析，小组成员对信号接收装置的3种方案进行分析,如表5所示。

4.3 确定最佳方案

经过以上方案分析，气枪激发模拟器的最佳方案确定为气枪电磁阀和物探专用检波器。

5 制定对策

小组成员根据以上分析得出的最优方案，制定了对策如表6所示。

6 实施对策

6.1 气枪电磁阀选型

6.1.1 对所需电磁阀工作原理分析

当电磁阀通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，当断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀孔处于关闭状态。在电磁阀动作时，关闭件和阀腔通过磁力吸合作用产生触击，从而产生震动。

6.1.2 所需电磁阀特性分析

通过以上分析，我们可以总结出所需的电磁阀需要满足从以下3个方面的要求。

（1）震动强度。电磁阀的震动强度必须达到信号接收装置的信号采集范围。如果震动微弱，将不能触发信号接收装置的感应线圈，无法产生有效的一致性测试所需的波形图。

（2）壳体外形。在一致性测试中，气枪电磁阀需要在试验台上进行固定，需要外壳无突起及尖锐的部分存在。

（3）电磁阀所需启动电流和脉冲宽度。各种电磁阀激发电流不同，需要调节枪控器提供的激发电压来适应不同种电磁阀的激发要求。

其中I为线圈启动电流；

U0为输出电压；

R为线圈阻值。

各电磁阀所需动作的脉冲宽度也不一样，激发动作的快慢也不尽相同。

6.1.3 通过对比不同型号电磁阀的各种参数，进行选择

根据上述分析，小组成员从以下3种生产中常用的气枪电磁阀中选择最符合研制要求的震动发生装置（见表7）。

6.2 物探专用检波器的选型

6.2.1 检波器工作原理分析

检波器的作用是将被测的地震信号转换为电压信号，在气枪激发模拟器中，检波器作为信号接收装置，用来直接接收震动源，将震动能量转换为符合仪器记录系统需要的电压形式，检波器自身技术性能指标的高低，直接影响着气枪激发模拟器的使用状况。

表6 对策表

表7 不同型号的电磁阀各种参数对比表

6.2.2 所需检波器特性分析

为了实现检波器将震动能量转换为符合仪器记录系统需要的电压形式的功能，需要满足以下3个方面的要求。

（1）外观方面。要求体积小巧，重量轻。该模拟装置是要通过电磁阀的震动来使检波器产生震动而产生波形，因此检波器首先要求固定在电磁阀上，电磁阀的震动要能够使其产生有效的震动。

（2）绝缘性方面。由于模拟器要在各种环境下使用，所以其绝缘性确保要在200MΩ以上，以保证其信号稳定。

（3）灵敏度方面。对于灵敏度来讲需要有一个较为稳定的范围，灵敏度较低或较高都会对信号造成影响（见表8）。

我们通过固定激励频率对芯体灵敏度进行测试，发现在10～14Hz的范围内，检波器的灵敏度较为稳定。

6.2.3 通过对比不同型号检波器的各种参数，进行选择

根据上述分析，小组成员从3种生产中常用的物探检波器中选择最符合研制要求的信号接收装置（见表9）。

6.3 气枪激发模拟器的组装测试和问题改进

6.3.1 组装设计

（1）电路连接图设计。电磁阀接入点火单元的激发接口对电磁阀进行实时激发。检波器接入点火单元的传感器接收端口，用于接收检波器传回的模拟信号，并将该信号上传给主控单元，再经传输单元传给仪器记录设备。检波器接口同时并入仪器交叉站，将信号传给仪器设备，通过对无线传输信号和有线传回信号的比对，即可判定设备之间的一致性是否良好。

（2）进行实物组装。我们按照设计图的要求，将电磁阀（震动发生装置）和检波器（信号接收装置）进行组装。

6.3.2 进行现场测试

在组装完成之后，小组成员对气枪激发模拟器进行现场测试。

通过分析在0计时线以前该检波器就有所动作,与正常验证波形不符。经小组讨论分析,认为该检波器灵敏度过高,受到外来震动影响造成过早起跳。

6.3.3 对气枪模拟器进行改进和测试

利用气枪电磁阀与检波器的合理组合，在底部加上减震装置，起到消减外来震动能量的作用，让枪控器可以有效的接收到电磁阀震动产生的能量。通过对比，过早起跳的问题得到解决。在此基础上，我们进行了气枪震源系统的一致性测试的多次激发验证，进一步验证了该套系统的稳定工作状态。通过15炮的验证，气枪激发模拟器激发时间和仪器内部记录时间相差在1ms之内，达到预期效果，符合行业标准和甲方要求。

7 效果确认

7.1 目标值的完成情况确认

目标1：进行一致性测试可以不受自然环境和场地限制。QC小组活动前，需要海上勘探设备达到准生产状态进行一致性测试工作，QC小组活动后，气枪激发模拟器研制成功，在仪器房就可以完成一致性测试工作。

目标2：测试所需时间由原来的37h缩短到12h以下。小组成员将气枪激发模拟器应用到2010年各海上地震勘探采集项目中，对各震源船一致性测试用时进行了统计（见表10）。

结论为平均6h可以完成一致性测试工作。

7.2 经济效益分析

按照关于 《规范QC小组成果经济效益计算方法的通知》对本课题的效益进行了分析，结果如表11所示。

表8 检波器芯体灵敏度测试表

表9 不同型号的检波器各项参数对比表

表10 2010年各震源船一致性测试用时统计表

表11 小组活动前后经济效益对比表

经济分析和实验结果证明：气枪激发模拟器的推广应用，为每个地震勘探采集项目至少带来37.2万元，按照每年4个采集项目施工计算，总共节约148.8万元，效益十分可观。

7.3 社会效益分析

7.3.1 保证了项目的顺利启动

气枪激发模拟器的研制成功大大降低了同步验证的周期，可以确保各项目按时开工，降低地震队经营成本，将进一步提高公司在国际国内极浅水区域的市场竞争力。

7.3.2 符合行业规范，得到甲方领导和技术总监的认可

气枪激发模拟器成功替代了传统同步验证的方法，得到了甲方和技术总监的认可，树立了公司的良好的形象，积极促进了后续市场的开发。

8 标准化

8.1 进行技术培训

船舶中心对气爆技术人员进行系统的培训，并派专人进行现场连接与技术指导。

8.2 制定相关操作规程

为了使现场操作人员更加方便的操作该设备，我们编写了有关气枪激发模拟器的操作规程和相关原理的说明，并制作成作业指导书在现场应用。

9 总结和今后的打算

通过此次活动，使小组成员加深了对QC活动的学习和理解，同时在与其它专业化单位沟通、交流的过程中，个人能力、质量意识及解决问题的能力和信心都有了较大的提高。

滩浅海过渡带勘探业务是中油集团“十二五”发展的重点，也是东方地球物理公司的特色业务，发展的潜力巨大。下一步我们QC小组计划研发一种新型设备，将枪控器激发脉冲直接转化为仪器可接收的信号，在不产生任何震动的情况下，即可完成一致性测试工作，更加方便快捷。