車載式重錘震源氣動(dòng)液控系統(tǒng)研究

林玉蘭，李進(jìn)付，付廣萌，郭　振，陳志禮

（1.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng)，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(yíng)，257017）

車載式重錘震源氣動(dòng)液控系統(tǒng)研究

林玉蘭1，李進(jìn)付2，付廣萌2，郭振2，陳志禮2

（1.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng)，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(yíng)，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(yīng)用。但炸藥震源存在重復(fù)性差、環(huán)境破壞性大、施工復(fù)雜等缺點(diǎn)；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(wèn)題。為適應(yīng)中西部中淺地層地質(zhì)勘查需求，實(shí)現(xiàn)沖擊能量60 k J、同一地點(diǎn)作業(yè)4次且作業(yè)不啟泵的性能指標(biāo)要求，采用開(kāi)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(dòng)系統(tǒng)與液控系統(tǒng)方案研究基礎(chǔ)上，對(duì)其氣動(dòng)系統(tǒng)、液控系統(tǒng)的核心構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)出一種運(yùn)載方便、出力可控、動(dòng)作快速、能多次重復(fù)錘擊的車載式氣動(dòng)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(dòng)液控震源解決方案。

可控震源；重錘震源；氣動(dòng)；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(yīng)用。炸藥震源存在重復(fù)性差、對(duì)環(huán)境的破壞性強(qiáng)、施工流程復(fù)雜、對(duì)人身威脅大等缺點(diǎn)［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(wèn)題［3-4］。在可控震源氣動(dòng)液控方面，管治平研究了柴油保護(hù)系統(tǒng)［5］；鐘遠(yuǎn)坤對(duì)液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行了分析［6］；王鴻雁等設(shè)計(jì)了一種車載式錘擊震源控制系統(tǒng)，給出了氣動(dòng)控制回路和電器控制回路圖，并用PLC進(jìn)行氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［7］；鄧東等針對(duì)I／OAHVIV可控震源液壓系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了講述［8］；針對(duì)KZ28型可控震源的結(jié)冰現(xiàn)象，趙永林對(duì)氣源部分進(jìn)行了改進(jìn)［9］；針對(duì)國(guó)產(chǎn)可控震源液壓系統(tǒng)中氣泡油問(wèn)題，趙賀強(qiáng)提供了解決方案［10］。但是針對(duì)重錘震源氣動(dòng)液控部分具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)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(duì)某型震源車開(kāi)展了車載式重錘震源氣動(dòng)液控系統(tǒng)方案研究，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)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(zhǔn)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(dòng)器先進(jìn)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(shè)計(jì)出如圖1所示氣動(dòng)液控震源系統(tǒng)，主要由氣動(dòng)系統(tǒng)、液控系統(tǒng)兩部分組成。氣動(dòng)部分主要用于驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)備、回收氣體以及夾持丟手并為下次沖擊做準(zhǔn)備、收回砧板實(shí)現(xiàn)懸停。

圖1　震源系統(tǒng)振動(dòng)器結(jié)構(gòu)

震源車行駛到預(yù)定區(qū)域，選擇好震源點(diǎn)，將砧板組件（砧板、沖擊臺(tái)、支撐板）預(yù)位；砧板預(yù)位過(guò)程靠砧板支撐液缸將砧板組件從車橋下方推出，將整個(gè)汽車抬起，然后釋放重錘震擊沖擊臺(tái)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(biāo)震擊點(diǎn)的作業(yè)。

2　重錘氣動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)

2.1氣動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合出力和快速響應(yīng)要求，氣動(dòng)系統(tǒng)采用如圖2所示氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)重錘方式作為出力結(jié)構(gòu)，主要包括①動(dòng)力源：氮?dú)馄?、?chǔ)氣罐；②執(zhí)行元件：一端完全開(kāi)放的氣缸；③輔助裝置：手動(dòng)截止閥等；④氣動(dòng)傳感元件：位置傳感器。

系統(tǒng)采用氮?dú)馄炕騼?chǔ)氣罐提供高壓工作氣源。在運(yùn)輸時(shí)或沖擊作用前重錘被懸掛機(jī)構(gòu)懸置。工作時(shí)，打開(kāi)手動(dòng)截止閥Ⅰ、Ⅱ?qū)?chǔ)氣罐充氣，儲(chǔ)氣罐壓力達(dá)到一定值時(shí)關(guān)閉手動(dòng)截止閥Ⅰ，并打開(kāi)手動(dòng)截止閥Ш，氣體流入氣缸上腔；壓力一定時(shí)，重錘被釋放并在高壓氣體對(duì)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(tái)；當(dāng)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(jī)構(gòu)懸置，同時(shí)將氣缸內(nèi)的氮?dú)鈮夯氐絻?chǔ)氣罐內(nèi)，完成反壓回收過(guò)程。

圖2　氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

2.2氣動(dòng)系統(tǒng)核心構(gòu)件計(jì)算

工作時(shí)，重錘受到自身重力及膨脹氣體的推力作用，向下加速?zèng)_擊。重錘觸及砧板獲得能量：

式中：E為設(shè)計(jì)沖擊能量，取60kJ；p為氣缸設(shè)計(jì)壓力，MPa；H為錘頭沖擊行程，為保證車臺(tái)有足夠的抬升高度，設(shè)計(jì)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(dāng)氣缸設(shè)計(jì)壓力p為6.3 MPa時(shí)，氣缸缸徑D=170mm。由于結(jié)構(gòu)限制并考慮氣缸標(biāo)準(zhǔn)系列，選擇氣缸缸徑D=200mm；氣缸缸徑為200mm時(shí)，氣缸工作壓力pj為4.54 MPa即可實(shí)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(lái)設(shè)計(jì)氣動(dòng)系統(tǒng)。儲(chǔ)氣罐需提供氣缸4次沖擊，耗氣量可按式（2）～（3）計(jì)算。

式中：D為液缸內(nèi)徑，mm；l為氣缸設(shè)計(jì)行程，mm；V0為單次耗氣量，L；p1為儲(chǔ)氣罐工作壓力，6.3 MPa；p2為儲(chǔ)氣罐最低壓力，4.6 MPa；V為儲(chǔ)氣罐體積，L；經(jīng)計(jì)算儲(chǔ)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(chǔ)存的氣體消耗，儲(chǔ)氣罐體積V0取30 L，完成4次沖擊儲(chǔ)氣罐的體積為120 L。

3　液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

3.1液壓系統(tǒng)原理

液控系統(tǒng)的功能主要為實(shí)現(xiàn)各個(gè)執(zhí)行元件的順序動(dòng)作提供驅(qū)動(dòng)能量，確?？梢酝瓿?次沖擊。震源系統(tǒng)液壓系統(tǒng)方案如圖3所示，包含①動(dòng)力源：取力機(jī)構(gòu)、泵、蓄能器；②執(zhí)行元件：砧板在車橋懸停夾持運(yùn)輸時(shí)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(gè)相同原理閥組，實(shí)現(xiàn)各液缸的動(dòng)作的控制；④傳感元件：位置傳感器，實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行液缸的行程檢測(cè)。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(jī)理相同。

圖3　液壓系統(tǒng)原理圖

液控系統(tǒng)通過(guò)汽車取力，驅(qū)動(dòng)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(biāo)位4次連續(xù)沖擊振動(dòng)設(shè)計(jì)，各液缸靠液壓儲(chǔ)能器供液而不啟動(dòng)液壓泵。同時(shí)設(shè)低壓油箱，回收4次沖擊作業(yè)的動(dòng)力液體，動(dòng)力液體循環(huán)使用。震源系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：

1）準(zhǔn)備過(guò)程。將震源車行駛至目標(biāo)震擊點(diǎn)，6YA得電，砧板懸掛液缸活塞桿回收，懸掛系統(tǒng)松開(kāi)4根導(dǎo)向柱，到達(dá)S31；4YA得電，使砧板支撐液缸向下運(yùn)動(dòng)并達(dá)到撐起車身作為壓重的效果，此時(shí)到達(dá)S22，砧板預(yù)位完成準(zhǔn)備過(guò)程。

2）錘頭起升液缸預(yù)位。2YA得電，錘頭起升液缸向下推出到達(dá)預(yù)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(guò)程。7YA得電，夾持液缸活塞桿回收裝置釋放錘頭組件，到達(dá)S41，制造一次人工地震。

4）錘頭復(fù)位。此時(shí)1YA得電，錘頭起升液缸將錘頭組件向上抬起到預(yù)定位置S11，觸發(fā)傳感器發(fā)出信號(hào)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(chǔ)氣罐并使其復(fù)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(dòng)液壓泵，直到目標(biāo)點(diǎn)完成震擊。

6）砧板復(fù)位。完成物探工作后需要將砧板收回，此時(shí)3YA得電，砧板升降液缸向上運(yùn)動(dòng)，收回砧板，到達(dá)一定位置S21；砧板懸掛液缸作用夾持導(dǎo)向柱，實(shí)現(xiàn)砧板復(fù)位與懸停。

3.2液控系統(tǒng)核心構(gòu)件計(jì)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(dòng)器自重；砧板懸掛液缸要求能夠承受砧板重力作用，實(shí)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(chǔ)氣罐；當(dāng)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(shí)現(xiàn)夾持；蓄能器為整個(gè)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(kāi)展液缸計(jì)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(shè)計(jì)。

表1　震源液控系統(tǒng)液缸主要參數(shù)

采用一個(gè)蓄能器為所有液缸提供能量補(bǔ)充，蓄能器有效容積為預(yù)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(jì)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(dòng)力液體體積為166 L。

4　結(jié)論

1）對(duì)車載式重錘震源氣動(dòng)液控系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與基本原理進(jìn)行了研究。

2）震源系統(tǒng)采用一端全部開(kāi)放的氣缸，使重錘在高壓氮?dú)庖约白灾毓餐饔孟录铀傧蛳?，沖擊迅速、震擊能力強(qiáng)。

3）液控系統(tǒng)綜合實(shí)現(xiàn)4次沖擊無(wú)需啟動(dòng)液壓泵，實(shí)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(dòng)液控震源解決方案。

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

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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(jí)工程師，1987年畢業(yè)于華東石油學(xué)院機(jī)械系，從事石油地面設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)工作。