井下甚宽频带地震仪可靠性测试研究进展＊

陈 洁 罗敏哲 李 丽 赵圣麟 庞锦标

1) 珠海市泰德企业有限公司，广东珠海 519082

2) 中国地震局地球物理研究所，北京 100081

进入21世纪以后，与产品可靠性相关的产品维修性、测试性和综合保障技术也越来越受到重视并得到发展。出现了以可靠性为核心的维修理论（RCM），可分别对产品电器系统和非电系统进行状态监控和检测的BIT及HAMP系统，以保证产品质量、降低成本和提高营运效益为目标的产品健康监控技术等。随着可靠性技术的发展和推广，近年来在地震仪研制中也开始应用可靠性设计理论。在井下甚宽频带地震仪研发中，搭建高温高压试验和测试环境、大倾角试验和测试环境，进行了系统的高温下仪器可靠性测试，提高了仪器的环境适应性。

地震仪是一个结构庞大、内部机理比较复杂的子系统。一台井下地震仪其内部电子元件数多达3万个以上，各类连接点、插接件的连接点及焊接点数多达10万个[1]。在这样复杂的系统中，每个元件的故障都可能会引起整个系统的故障。因而，这就要求仪器的设计者对系统所应使用的元器件、原材料和加工工艺提出严格的要求，同时还应合理地考虑系统的辅助设计，只有这样才能研制生产出可靠性好的仪器来。井下地震仪的可靠性是指仪器随着时间的变化保持自身工作能力的性能。这是一种综合性能，从概念上讲，包括了仪器无故障性和仪器耐久性这两种情况。仪器的无故障性是指仪器在某一段时间内（或某一段实际工作时间内）连续不断地保持其工作能力的性能；仪器的耐久性是指仪器在达到极限状态之前保持其工作能力的性能，即在整个使用期间和规定的维护保养及修理制度条件下，仪器保持工作能力的性能[1]。

1 可靠性测试平台搭建

可靠性试验是通过施加典型环境应力和工作载荷的方式，用于剔除产品早期缺陷、增长或测试产品可靠性水平、检验产品可靠性指标、评估产品寿命指标的一种有效手段[2]。井下地震仪可靠性测试采取实验室测试和外场测试相结合的方式。为此，建设场外试验观测井1口（图1），地下比测实验室1间（图2—3），高温高压试验平台1个（图4）。

图2 地下比测实验室结构示意图Fig. 2 Illustration graph of underground comparison chamber

1.1 试验观测井

试验观测浅井2016年下半年开始建设，当年12月完工。

观测井实际钻孔开孔直径为Φ171 mm，终孔为Φ150 mm，终孔深度为110.25 m，最大倾斜度为1.8°，建设地点为珠海泰德公司（图1）。

图1 试验观测井Fig. 1 Experiment and observation borehole

1.2 地下比测实验室

地下比测实验室建于2017年，其结构示意图如图2。建成后的地下比测实验室如图3。

图3 地下比测室完工照Fig. 3 Completion status of underground comparison chamber

1.3 高温高压试验平台

高温高压试验平台由高压舱（图4）、高压罐（图5）、高低温试验箱（图6）和盐雾试验平台（图7）等构成。

图4 高温高压试验平台Fig. 4 High temperature/pressure experiment platform

图5 高压罐结构示意图Fig. 5 Illustration graph of high pressure vessel

图6 高低温（-40℃—150℃） 与老化试验箱Fig. 6 High/low tempreture （-40℃—150℃） and aging test cabinet

图7 盐雾试验平台Fig. 7 Saline fog environments experiment platform

2 可靠性和环境适应性验证

2.1 模拟环境验证

根据井下环境特点，依据GB/T2423系列标准规定，环境适应性验证试验实施流程见图8，模拟环境验证选取项目有高压（图9）、温度循环、冲击、振动、湿热、盐雾测试等。

图8 环境适应性验证试验流程Fig. 8 Process graph of environmental adaptability verification test

图9 井下甚宽频带地震仪耐压测试Fig. 9 Pressure test of downhole very broadband seismograph

2.2 野外试验验证

2019年12月，项目组在湖南省益阳市赫山会龙山基准站观测井内，部署了井下甚宽频带地震仪，进行平均失效间隔时间测试。测试时间为2020年1月1日—12月31日，累计连续时间9 312小时。此期间地震仪工作正常，无故障间断，并清晰记录了同时段的大多数地震。测试数据以天为单位存储，共366个文件（图10）。

图10 数据文件总数及起始文件Fig. 10 Number of data files and the starter file

从测试过程及数据文件可得出，总工作时长为9 312小时，期间无故障，因此，MTBF=9 312＞5 000小时，完全达到设计要求。

测试期间记录到四川成都地震（图11）、蒙古地震（图12）等地震的波形，震相清晰、完整。

图11 成都市青白江区M5.1地震波形Fig. 11 M5.1 seismic waveform in Qingbaijiang District，Chengdu

图12 蒙古M5.9地震波形Fig. 12 M5.9 seismic waveform in Mongolian