浅层地质勘查安全可控震源装备技术研究

汪云家

（胜利石油管理局科技处，山东东营 257000）①

目前，国内在石油勘探的近地表结构调查施工中，地震波信号激发都是采用炸药震源，其优点是信号频率范围较宽、能量较强。但是，由于涉及到的雷管、炸药属于危险品，在管理、存放、运输及施工中存在诸多问题：

1）雷管和炸药管理非常严格，地震队必须在完成开工验收后才能使用，使得近地表结构调查工作滞后，延长了施工周期。

2）炸药在存放、运输环节存在安全隐患、风险大。

3）炸药施工容易对周围地表环境带来破坏。

4）炸药震源的施工范围受地表条件制约。

本文提出开展浅层地质勘查安全可控震源装备技术研究，形成一套安全、高效的地震能量激发技术，用于地质勘探的浅层和近地表结构调查施工，彻底解决使用传统炸药震源带来的一系列问题。

1 技术分析

1.1 结构组成

设计原则是：设备组装到箱式运输车辆上，从汽车发动机取动力，可以减少采用外部动力所需的设备。地震信号的产生是通过高压气体冲击重锤来撞击地面砧板，地面砧板将震动信号传到地下。地震仪表采集从地下反射上来的震动信号从而完成对地震波的采集与分析。

浅层地质勘查安全可控震源装备的结构如图1，由运输车辆、冲击重锤、地面砧板、高压气罐、液压系统、控制系统等组成。其中，高压气罐、液压系统、控制系统安装在厢式车辆前端，重锤震击机构总成安装在车辆尾部。

图1 浅层地质勘查安全可控震源装备的结构（运输状态）

1.2 工作原理

运输车辆将装备运输到勘探地点后，开动车辆发动机，挂合取力联轴器，使液压泵工作。打开装备总开关与液压开关，操纵控制面板按钮或者遥控器，使地面砧板安全挂钩打开，装备支撑液缸将整个装备以及车辆支撑起来，并将地面砧板压实在地面上，将车尾部整个撑起悬空，形成稳固的震动平台。在此过程中，装置底部阻尼机构的空气弹簧将冲击能量吸收，以便实现平稳的震击动作。然后，重锤释放装置瞬间打开，气罐里面的高压气体冲击重锤撞击地面砧板，完成震击，如图2。震击动作完成后，液缸将冲击重锤提升起来。然后，装备支撑液缸缩回将车辆以及地面砧板提升起来，恢复到图1状态。如此便完成一个震动激发的作业流程。根据地震波的采集分析结果，可重复上述动作进行加大能量震击，或者是重复震击。

液压系统原理如图3。主要由液压源、设备起升准备回路、震击回路、机构提升回路等几部分组成。装备到达施工地点工作时，手动接通运输车辆上的取力器联轴器，驱动液压泵工作。该联轴器在车辆行驶过程中处于断开状态以提高液压泵使用寿命。在车辆支撑过程中，液压泵通过比例调节阀缓慢给装备支撑液缸供油，控制车辆起升的速度，增大装置的稳定性。车辆起升完成震击准备工作后，为消除噪声对地震波信号的影响，关掉车辆发动机，蓄能器单独驱动重锤释放装置的油缸，将重锤释放，完成震击过程［1］。

图2 浅层地质勘查安全可控震源装备的工作状态

1.3 主要技术参数

2 关键技术

2.1 结构及控制技术

该装备的动力源与电源均从运输车辆获取［2］，简化了结构，减低了成本。结合液压驱动与气体快速冲击的优点，大幅提高了工作效率与震击能量。采用基于PLC的远程控制技术，具有手动和半自动控制方式，提高了浅层地质勘查安全可控震源装备作业的自动化程度和可靠性，降低了操作人员的劳动强度与工作风险。

2.2 激发震击压力与冲击能量设计

由装备的工作原理可知，激发震击的能量大小与高压储存罐的储气压力大小密切相关，工作时可通过调节高压储存罐的调压阀来调节震击能量。由于装备冲击锤的活塞腔与压缩空气的储存罐相连，并且储存罐的容积远大于冲击锤活塞腔的容积，因此可以认为活塞腔的气体膨胀过程是等压膨胀。震击冲击力大小可近似计算为［3－4］：

式中：G为重锤自重力；p为高压储气罐压力；f′为重锤活塞与腔体摩擦力；H为重锤下落时刻质心离地面的高度；h为重锤触地时刻质心离地面的高度；S为气缸截面积。

由于高压气体的急速膨胀，重锤震击时间非常短，等效重锤震击过程为匀加速过程，在冲击行程一定的情况下，根据动能定理便可计算出冲击能量大小。按照目前使用传统炸药震源勘探中使用0.5 kg炸药计算（使用炸药能量相当于0.89kgTNT，每公斤TNT 炸药可产生420万J的能量），可进行装备冲击压力与能量大小的匹配设计。

2.3 无线远程控制技术

为保证现场操作人员的安全性，本装备采用无线远程控制技术，其控制原理是由各传感器检测出系统流量及位置信号并实时反馈给PLC，PLC 接收输入和反馈信号，经过运算分析得出各控制单元的控制信号；对溢流阀的设定压力、电动调节阀的开度及截止阀的流量进行调节，实现综合阀控。

操作方式有手动操作和遥控自动操作2种，所有操作功能按钮均设置在电控柜上和遥控器上。控制程序开发基于Windows开发平台，所有相关设备参数与运行状态可通过电控柜上的液晶显示屏进行显示、监控，且技术参数可在液晶显示屏上进行修改调整，并具有数据储存功能。

3 现场试验情况

浅层地质勘查安全可控震源装备成功研制后，于2012－11—12在胜利油田物探公司四分厂地区进行了多次系统功能性测试、系统可靠性与安全性测试以及系统技术参数与性能指标测试试验。其中，在系统技术参数与性能指标测试试验中通过调节高压气体不同冲击压力来测试与地层适应匹配性，根据地震波采集信号情况来调整冲击能量大小。图4为试验取得的低降速带资料。

图4 近地表调查监视记录界面

通过野外系统试验和试验资料分析，结果表明：该装备能够通过无线遥控与控制面板2种方式实现地震波信号的激发，震源设备达到了设计要求。通过与炸药激发方式的对比，近地表资料易于拾取，能够满足浅层与近地表结构调查需要，安全性高。

4 结论

1）研制的浅层地质勘查安全可控震源为油气勘探提供了一种安全、高效、环保的装备，可取代传统的炸药激发方式进行小折射施工，取得近地表结构资料。

2）该装置可以作为一种补充震源，应用于物探施工穿越大型城镇等复杂地带，有效弥补浅层资料的缺失。

3）在油气勘探、地质勘察等多个领域具有广阔的应用前景。

［1］马红伟，赵永林，季颖.优选蓄能器改善可控震源液压系统［J］.物探装备，2011（3）：150－153.

［2］孙伟.可控震源振动出力仿真［J］.物探装备，2012（2）：79－82.

［3］王光德.可控震源源驱动技术的实现方法［J］.物探装备，2012（2）：97－100.

［4］郑焕武.自由落体与地面之问作用力公式的推导［J］.西昌学院学报，2007，21（1）：30－33.