氣槍激發(fā)模擬器的研制

中國(guó)石油東方地球物理公司海上勘探事業(yè)部 船舶中心技術(shù)部QC小組

（天津 300280）

1 小組情況

表1為小組概況。

2 選擇課題

2.1 提出問題

地震儀器和氣槍震源系統(tǒng)用傳統(tǒng)方法進(jìn)行一致性測(cè)試工作，需要調(diào)用大部分海上勘探設(shè)備達(dá)到準(zhǔn)生產(chǎn)狀態(tài)。而一致性測(cè)試受海上自然環(huán)境和設(shè)備調(diào)試等客觀因素的影響，用時(shí)非常不確定，增加了地震隊(duì)按時(shí)開工的難度和運(yùn)營(yíng)成本。

2.2 傳統(tǒng)方法一致性測(cè)試用時(shí)調(diào)查分析

小組成員對(duì)2009年海上勘探事業(yè)部多個(gè)海上地震采集項(xiàng)目開工前一致性測(cè)試工作進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

通過調(diào)查可得出如下結(jié)論，2009年運(yùn)用傳統(tǒng)方法，地震隊(duì)開工前一致性測(cè)試工作平均花費(fèi)37h，占用了地震隊(duì)較長(zhǎng)的生產(chǎn)時(shí)間。

表1 小組概況表

2.3 選擇課題

為了解決一致性測(cè)試工作用時(shí)過長(zhǎng)的問題，小組成員運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法，充分發(fā)揮全體成員的創(chuàng)新思維，經(jīng)過大家的集思廣益，提出以下2種可供選擇的課題：

課題一：?jiǎn)未恢滦詼y(cè)試方法；

課題二：氣槍激發(fā)模擬器的研制。

小組成員分別對(duì)2個(gè)備選課題進(jìn)行了分析評(píng)估結(jié)果見表3。

通過以上對(duì)比：課題一省去了儀器船（將儀器船上的設(shè)備轉(zhuǎn)移到震源船上），這樣減少了2船配合時(shí)間，從而達(dá)到減少一致性測(cè)試用時(shí)的目的。但參與一致性測(cè)試的所有設(shè)備仍需要調(diào)試時(shí)間，而且儀器設(shè)備在2船之間的搬運(yùn)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也容易造成損壞。課題二省去了儀器船和震源船，節(jié)省了儀器連接電纜、啟動(dòng)空壓機(jī)及收放氣槍的時(shí)間，并且其他設(shè)備都是非隨船的輕便設(shè)備，可以使一致性測(cè)試工作不受日期和場(chǎng)地的限制，如果氣槍激發(fā)模擬器研制成功，不僅可以降低海上自然環(huán)境的影響，同時(shí)也可大大縮短該工作周期。所以，選擇課題二為研究課題。

表2 2009年度一致性測(cè)試工作用時(shí)統(tǒng)計(jì)表

表3 對(duì)2個(gè)課題進(jìn)行比較、分析、評(píng)估及選定

3 設(shè)定目標(biāo)

3.1 目標(biāo)制定

（1）進(jìn)行一致性測(cè)試可以不受自然環(huán)境和場(chǎng)地限制。

（2）測(cè)試所需時(shí)間由原來的37h縮短到12h以下。

3.2 目標(biāo)可行性分析

（1）領(lǐng)導(dǎo)重視。船舶中心成立了此項(xiàng)目協(xié)調(diào)小組，中心領(lǐng)導(dǎo)對(duì)該工作進(jìn)行部署，并給予資金、人員上的大力支持，保證該研制工作的順利進(jìn)行。

（2）技術(shù)實(shí)力。小組技術(shù)實(shí)力雄厚，成員具有豐富的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)能力，曾經(jīng)獨(dú)立研制成功模塊式震源系統(tǒng)。

（3）解決問題的可行性。模擬器研制成功，可以省去船舶申請(qǐng)使用航道、航行到作業(yè)地點(diǎn)、儀器連接電纜、啟動(dòng)空壓機(jī)和收放氣槍的時(shí)間（約12h），大大縮短一致性測(cè)試的周期。

綜上所述，我們的目標(biāo)是完全可行的。

4 提出方案并確定最佳方案

4.1 提出方案

氣槍激發(fā)模擬器替代空壓機(jī)、氣槍和近場(chǎng)檢波器進(jìn)行一致性測(cè)試，空壓機(jī)和氣槍在一致性測(cè)試中作為震動(dòng)源，而近場(chǎng)檢波器作為信號(hào)接收裝置。因此，氣槍激發(fā)模擬器應(yīng)由以下2部分組成：①震動(dòng)發(fā)生裝置；②信號(hào)接收裝置。

4.2 方案優(yōu)選

根據(jù)研制思路，小組對(duì)震動(dòng)發(fā)生裝置和信號(hào)接收裝置分別提出優(yōu)選方案。

（1）震動(dòng)發(fā)生裝置的選擇。震動(dòng)發(fā)生裝置是代替氣槍作為一致性測(cè)試中的震動(dòng)源。氣槍產(chǎn)生的震動(dòng)是槍體內(nèi)空氣在水中瞬間釋放所產(chǎn)生震蕩氣泡，這個(gè)震蕩氣泡就像一個(gè)阻尼振蕩器，氣泡每次震蕩后損失一些能量，產(chǎn)生越來越小的氣泡脈沖。因此，我們要求模擬器在收到激發(fā)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)類似于氣槍的震動(dòng)，產(chǎn)生一致性測(cè)試所需要的波形。根據(jù)上述分析，小組成員對(duì)震動(dòng)發(fā)生裝置的3種方案進(jìn)行分析（見表4）。

（2）信號(hào)接收裝置的選擇。信號(hào)接收裝置是代替一種將震動(dòng)源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的傳感器，是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，該傳感器在接受到壓力時(shí)所產(chǎn)生的輸出電壓最終會(huì)以頻率變化的方式傳輸給儀器和氣爆控制器。因此，所選取的信號(hào)接收裝置的輸出信號(hào)一定要符合儀器采集設(shè)備的接收要求。根據(jù)上述分析，小組成員對(duì)信號(hào)接收裝置的3種方案進(jìn)行分析,如表5所示。

4.3 確定最佳方案

經(jīng)過以上方案分析，氣槍激發(fā)模擬器的最佳方案確定為氣槍電磁閥和物探專用檢波器。

5 制定對(duì)策

小組成員根據(jù)以上分析得出的最優(yōu)方案，制定了對(duì)策如表6所示。

6 實(shí)施對(duì)策

6.1 氣槍電磁閥選型

6.1.1 對(duì)所需電磁閥工作原理分析

當(dāng)電磁閥通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，當(dāng)斷電時(shí)，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥孔處于關(guān)閉狀態(tài)。在電磁閥動(dòng)作時(shí)，關(guān)閉件和閥腔通過磁力吸合作用產(chǎn)生觸擊，從而產(chǎn)生震動(dòng)。

6.1.2 所需電磁閥特性分析

通過以上分析，我們可以總結(jié)出所需的電磁閥需要滿足從以下3個(gè)方面的要求。

（1）震動(dòng)強(qiáng)度。電磁閥的震動(dòng)強(qiáng)度必須達(dá)到信號(hào)接收裝置的信號(hào)采集范圍。如果震動(dòng)微弱，將不能觸發(fā)信號(hào)接收裝置的感應(yīng)線圈，無法產(chǎn)生有效的一致性測(cè)試所需的波形圖。

（2）殼體外形。在一致性測(cè)試中，氣槍電磁閥需要在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行固定，需要外殼無突起及尖銳的部分存在。

（3）電磁閥所需啟動(dòng)電流和脈沖寬度。各種電磁閥激發(fā)電流不同，需要調(diào)節(jié)槍控器提供的激發(fā)電壓來適應(yīng)不同種電磁閥的激發(fā)要求。

其中I為線圈啟動(dòng)電流；

U0為輸出電壓；

R為線圈阻值。

各電磁閥所需動(dòng)作的脈沖寬度也不一樣，激發(fā)動(dòng)作的快慢也不盡相同。

6.1.3 通過對(duì)比不同型號(hào)電磁閥的各種參數(shù)，進(jìn)行選擇

根據(jù)上述分析，小組成員從以下3種生產(chǎn)中常用的氣槍電磁閥中選擇最符合研制要求的震動(dòng)發(fā)生裝置（見表7）。

6.2 物探專用檢波器的選型

6.2.1 檢波器工作原理分析

檢波器的作用是將被測(cè)的地震信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，在氣槍激發(fā)模擬器中，檢波器作為信號(hào)接收裝置，用來直接接收震動(dòng)源，將震動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為符合儀器記錄系統(tǒng)需要的電壓形式，檢波器自身技術(shù)性能指標(biāo)的高低，直接影響著氣槍激發(fā)模擬器的使用狀況。

表6 對(duì)策表

表7 不同型號(hào)的電磁閥各種參數(shù)對(duì)比表

6.2.2 所需檢波器特性分析

為了實(shí)現(xiàn)檢波器將震動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為符合儀器記錄系統(tǒng)需要的電壓形式的功能，需要滿足以下3個(gè)方面的要求。

（1）外觀方面。要求體積小巧，重量輕。該模擬裝置是要通過電磁閥的震動(dòng)來使檢波器產(chǎn)生震動(dòng)而產(chǎn)生波形，因此檢波器首先要求固定在電磁閥上，電磁閥的震動(dòng)要能夠使其產(chǎn)生有效的震動(dòng)。

（2）絕緣性方面。由于模擬器要在各種環(huán)境下使用，所以其絕緣性確保要在200MΩ以上，以保證其信號(hào)穩(wěn)定。

（3）靈敏度方面。對(duì)于靈敏度來講需要有一個(gè)較為穩(wěn)定的范圍，靈敏度較低或較高都會(huì)對(duì)信號(hào)造成影響（見表8）。

我們通過固定激勵(lì)頻率對(duì)芯體靈敏度進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在10～14Hz的范圍內(nèi)，檢波器的靈敏度較為穩(wěn)定。

6.2.3 通過對(duì)比不同型號(hào)檢波器的各種參數(shù)，進(jìn)行選擇

根據(jù)上述分析，小組成員從3種生產(chǎn)中常用的物探檢波器中選擇最符合研制要求的信號(hào)接收裝置（見表9）。

6.3 氣槍激發(fā)模擬器的組裝測(cè)試和問題改進(jìn)

6.3.1 組裝設(shè)計(jì)

（1）電路連接圖設(shè)計(jì)。電磁閥接入點(diǎn)火單元的激發(fā)接口對(duì)電磁閥進(jìn)行實(shí)時(shí)激發(fā)。檢波器接入點(diǎn)火單元的傳感器接收端口，用于接收檢波器傳回的模擬信號(hào)，并將該信號(hào)上傳給主控單元，再經(jīng)傳輸單元傳給儀器記錄設(shè)備。檢波器接口同時(shí)并入儀器交叉站，將信號(hào)傳給儀器設(shè)備，通過對(duì)無線傳輸信號(hào)和有線傳回信號(hào)的比對(duì)，即可判定設(shè)備之間的一致性是否良好。

（2）進(jìn)行實(shí)物組裝。我們按照設(shè)計(jì)圖的要求，將電磁閥（震動(dòng)發(fā)生裝置）和檢波器（信號(hào)接收裝置）進(jìn)行組裝。

6.3.2 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在組裝完成之后，小組成員對(duì)氣槍激發(fā)模擬器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

通過分析在0計(jì)時(shí)線以前該檢波器就有所動(dòng)作,與正常驗(yàn)證波形不符。經(jīng)小組討論分析,認(rèn)為該檢波器靈敏度過高,受到外來震動(dòng)影響造成過早起跳。

6.3.3 對(duì)氣槍模擬器進(jìn)行改進(jìn)和測(cè)試

利用氣槍電磁閥與檢波器的合理組合，在底部加上減震裝置，起到消減外來震動(dòng)能量的作用，讓槍控器可以有效的接收到電磁閥震動(dòng)產(chǎn)生的能量。通過對(duì)比，過早起跳的問題得到解決。在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了氣槍震源系統(tǒng)的一致性測(cè)試的多次激發(fā)驗(yàn)證，進(jìn)一步驗(yàn)證了該套系統(tǒng)的穩(wěn)定工作狀態(tài)。通過15炮的驗(yàn)證，氣槍激發(fā)模擬器激發(fā)時(shí)間和儀器內(nèi)部記錄時(shí)間相差在1ms之內(nèi)，達(dá)到預(yù)期效果，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和甲方要求。

7 效果確認(rèn)

7.1 目標(biāo)值的完成情況確認(rèn)

目標(biāo)1：進(jìn)行一致性測(cè)試可以不受自然環(huán)境和場(chǎng)地限制。QC小組活動(dòng)前，需要海上勘探設(shè)備達(dá)到準(zhǔn)生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行一致性測(cè)試工作，QC小組活動(dòng)后，氣槍激發(fā)模擬器研制成功，在儀器房就可以完成一致性測(cè)試工作。

目標(biāo)2：測(cè)試所需時(shí)間由原來的37h縮短到12h以下。小組成員將氣槍激發(fā)模擬器應(yīng)用到2010年各海上地震勘探采集項(xiàng)目中，對(duì)各震源船一致性測(cè)試用時(shí)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（見表10）。

結(jié)論為平均6h可以完成一致性測(cè)試工作。

7.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

按照關(guān)于 《規(guī)范QC小組成果經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算方法的通知》對(duì)本課題的效益進(jìn)行了分析，結(jié)果如表11所示。

表8 檢波器芯體靈敏度測(cè)試表

表9 不同型號(hào)的檢波器各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比表

表10 2010年各震源船一致性測(cè)試用時(shí)統(tǒng)計(jì)表

表11 小組活動(dòng)前后經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比表

經(jīng)濟(jì)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：氣槍激發(fā)模擬器的推廣應(yīng)用，為每個(gè)地震勘探采集項(xiàng)目至少帶來37.2萬元，按照每年4個(gè)采集項(xiàng)目施工計(jì)算，總共節(jié)約148.8萬元，效益十分可觀。

7.3 社會(huì)效益分析

7.3.1 保證了項(xiàng)目的順利啟動(dòng)

氣槍激發(fā)模擬器的研制成功大大降低了同步驗(yàn)證的周期，可以確保各項(xiàng)目按時(shí)開工，降低地震隊(duì)經(jīng)營(yíng)成本，將進(jìn)一步提高公司在國(guó)際國(guó)內(nèi)極淺水區(qū)域的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

7.3.2 符合行業(yè)規(guī)范，得到甲方領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)總監(jiān)的認(rèn)可

氣槍激發(fā)模擬器成功替代了傳統(tǒng)同步驗(yàn)證的方法，得到了甲方和技術(shù)總監(jiān)的認(rèn)可，樹立了公司的良好的形象，積極促進(jìn)了后續(xù)市場(chǎng)的開發(fā)。

8 標(biāo)準(zhǔn)化

8.1 進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)

船舶中心對(duì)氣爆技術(shù)人員進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)，并派專人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)連接與技術(shù)指導(dǎo)。

8.2 制定相關(guān)操作規(guī)程

為了使現(xiàn)場(chǎng)操作人員更加方便的操作該設(shè)備，我們編寫了有關(guān)氣槍激發(fā)模擬器的操作規(guī)程和相關(guān)原理的說明，并制作成作業(yè)指導(dǎo)書在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

9 總結(jié)和今后的打算

通過此次活動(dòng)，使小組成員加深了對(duì)QC活動(dòng)的學(xué)習(xí)和理解，同時(shí)在與其它專業(yè)化單位溝通、交流的過程中，個(gè)人能力、質(zhì)量意識(shí)及解決問題的能力和信心都有了較大的提高。

灘淺海過渡帶勘探業(yè)務(wù)是中油集團(tuán)“十二五”發(fā)展的重點(diǎn)，也是東方地球物理公司的特色業(yè)務(wù)，發(fā)展的潛力巨大。下一步我們QC小組計(jì)劃研發(fā)一種新型設(shè)備，將槍控器激發(fā)脈沖直接轉(zhuǎn)化為儀器可接收的信號(hào)，在不產(chǎn)生任何震動(dòng)的情況下，即可完成一致性測(cè)試工作，更加方便快捷。