一種無線節(jié)點(diǎn)儀布放設(shè)備的研制

劉 斌 朱 靜 魏 冰 葛雪欽 蔣 偉

（中石化石油工程地球物理有限公司科技研發(fā)中心，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著地震勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，勘探設(shè)備也越來越先進(jìn)，為了滿足高效率、低成本、高質(zhì)量地震勘探的需求，無線節(jié)點(diǎn)儀的推廣應(yīng)用越來越廣泛。目前推廣應(yīng)用較好的節(jié)點(diǎn)儀有美國(guó)的Nuiseis、中國(guó)DTCC 的SmartSolo、中石油BGP 的Quantum、中石化SGC 的I-nodal。目前國(guó)內(nèi)、外無線節(jié)點(diǎn)儀已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段，節(jié)點(diǎn)儀在生產(chǎn)中的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的放炮模式和質(zhì)控模式，取得了較好的應(yīng)用效果。但是，目前國(guó)內(nèi)、外節(jié)點(diǎn)儀配套的自動(dòng)布放設(shè)備的研發(fā)還處于起步階段，要生產(chǎn)出無線節(jié)點(diǎn)儀智能化的輔助布放設(shè)備及相應(yīng)的配套軟件，需要有專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，且在機(jī)械自動(dòng)化、人工智能、通信技術(shù)等方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)及相關(guān)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。節(jié)點(diǎn)儀布放設(shè)備的研發(fā)主要是研發(fā)一種定位精度高、布放效率快、布放效果好、地形適應(yīng)性強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)儀布放設(shè)備，以解決以往人工布設(shè)效率低、成本費(fèi)用高、健康、安全、環(huán)保（HSE）風(fēng)險(xiǎn)高等問題，達(dá)到自動(dòng)化施工簡(jiǎn)便高效、布放效果滿足要求的目的。該研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)目前地震采集生產(chǎn)中主流節(jié)點(diǎn)儀的設(shè)備型號(hào)、尺寸和基本性能，研發(fā)了一種節(jié)點(diǎn)儀自動(dòng)布放設(shè)備，大幅提高了節(jié)點(diǎn)儀布放效率。

1 工作原理

該節(jié)點(diǎn)儀自動(dòng)布放設(shè)備如圖1 所示，其包括布放機(jī)械裝置和運(yùn)載小車兩部分，通過油料發(fā)電機(jī)向整體設(shè)備的布放，包括移動(dòng)小車行進(jìn)移動(dòng)、取土裝置掘進(jìn)、節(jié)點(diǎn)儀投放、壓實(shí)等布放過程提供總動(dòng)力。其在-40℃～+80℃環(huán)境中具有長(zhǎng)期可靠的工作能力，在油料充足條件下可持續(xù)提供動(dòng)力。節(jié)點(diǎn)儀布放機(jī)械裝置由連續(xù)掘土裝置、掩埋裝置、投料裝置、工作小車平臺(tái)、柴油發(fā)電機(jī)、液壓泵、液壓缸、控制單元、輔助元件、回收裝置以及控制配件組成。節(jié)點(diǎn)儀自動(dòng)布放的核心是節(jié)點(diǎn)儀布放裝置控制技術(shù)，它是以時(shí)繼為控制核心，通過設(shè)計(jì)控制電路、硬件接口電路，完成布放的聯(lián)動(dòng)自運(yùn)行控制。

該設(shè)備用于無線節(jié)點(diǎn)儀的掘孔、投料、掩埋、壓實(shí)的布放過程。整個(gè)節(jié)點(diǎn)儀的布放可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化操作，可與衛(wèi)星通信并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，自動(dòng)輸送節(jié)點(diǎn)儀至指定位置，進(jìn)行布放，還可根據(jù)需要設(shè)定布放深度和速度，布放作業(yè)時(shí)僅需1人將節(jié)點(diǎn)儀進(jìn)行批量上料并操作控制系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)儀在施工現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)自動(dòng)布放。該設(shè)備可在沙地、草原和泥地等軟地表平坦地區(qū)直線推進(jìn)布放，確?？撞槐恢芈?，把節(jié)點(diǎn)儀精確地送入孔內(nèi)，回填后將土壤壓實(shí)，確保節(jié)點(diǎn)儀耦合良好。

圖1 節(jié)點(diǎn)儀自動(dòng)布放設(shè)備示意圖

1.1 連續(xù)掘掩技術(shù)

（1）活塞桿外伸壓入掘進(jìn)。如圖2 所示，活塞桿在a 狀態(tài)開始下壓掘進(jìn)表土層，在b 狀態(tài)達(dá)成預(yù)期行程，完成掘進(jìn)動(dòng)作。若在行進(jìn)中阻力較大，可在隨行氣管中加壓，輔以高壓氣體吹動(dòng)土料，形成局部松動(dòng)和預(yù)置空間。

（2）活塞桿回縮上拎掩埋。如圖2 所示，活塞桿在b 狀態(tài)下無須停留，即刻向上回縮，打開前端口。在重力作用下，工件前端會(huì)壓入土料，前端拉鏈打開后，即可撥動(dòng)土質(zhì)完成取土動(dòng)作。

（3）確?？撞槐蛔孕刑畛?。如圖2 的b 狀態(tài)所示，在主筒隔離作用下，確保沖出孔后孔不被自行填充，給節(jié)點(diǎn)儀留有充足的空間。該設(shè)備具有在沙地、泥地及較軟的土壤中鉆孔（孔深度80mm～200mm，孔徑可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整）的能力。

（4）節(jié)點(diǎn)儀投放與埋置。如圖2 的c 狀態(tài)所示，節(jié)點(diǎn)儀順著投料筒滑入挖好的孔洞中，主筒裝置底端對(duì)其做進(jìn)一步壓實(shí)，然后再上升至原來的高度。

1.2 聯(lián)動(dòng)投料技術(shù)

（1）前端閉合與投料止動(dòng)互逆聯(lián)動(dòng)。如圖3 的a 狀態(tài)所示，上拎時(shí)止動(dòng)卡（圖3 中C1 所示）上移，傳動(dòng)側(cè)板（圖3 中C2 所示）與下端鉸鏈板聯(lián)動(dòng)同步打開，節(jié)點(diǎn)儀進(jìn)入投料筒后被固定在上方。待活塞桿上提并完成取土后，節(jié)點(diǎn)儀才進(jìn)入主筒裝置，準(zhǔn)備投放。在b 狀態(tài)下則相反。

圖2 連續(xù)掘掩過程

圖3 聯(lián)動(dòng)投料過程

（2）重力作用自動(dòng)進(jìn)料。如圖3 的b 狀態(tài)所示，在重力作用的推動(dòng)下側(cè)板（圖3 中C3 所示）下壓，鉸鏈板（圖3中C4 所示）閉合，止動(dòng)卡（圖3 中C1 所示）下移，節(jié)點(diǎn)儀在重力作用下進(jìn)入主管下端，完成自動(dòng)進(jìn)料。

（3）節(jié)點(diǎn)儀存儲(chǔ)箱可根據(jù)節(jié)點(diǎn)儀的外形尺寸進(jìn)行調(diào)整或更換，一次裝載節(jié)點(diǎn)儀的數(shù)量不少于100 只。

（4）適用環(huán)境。該設(shè)備可在-50℃～+80℃環(huán)境中長(zhǎng)期、可靠工作，能在雨、雪等惡劣天氣條件下正常工作。

1.3 壓緊耦合與回填技術(shù)

該設(shè)備能精確地將節(jié)點(diǎn)儀送入孔內(nèi)并壓實(shí)周圍土壤，確保節(jié)點(diǎn)儀與大地良好耦合良好。打孔的形狀與尺寸可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整或更換，以確保放置后節(jié)點(diǎn)儀與大地能良好地耦合。

（1）回填土料。其主要來源有三類，一是上拎主筒時(shí)，前端鉸鏈打開流入的土料；二是在上拎過程中，在側(cè)方切口作用下切入側(cè)面的土料進(jìn)入主管對(duì)工件孔進(jìn)行回填；三是加壓吹管（備選），由上層向下吹入的土料。如圖4 所示。

（2）壓實(shí)方式。如圖5 所示，該設(shè)備在a 狀態(tài)下完成掘進(jìn)、掩埋后，再次下壓至b 狀態(tài)，以短行程壓實(shí)回填土和工件，加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)儀與大地的耦合。

（3）整個(gè)布放過程1 人即可完成，并能在50 秒內(nèi)完成1 個(gè)節(jié)點(diǎn)的布放。

2 主要結(jié)構(gòu)

該設(shè)備整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、緊湊，如圖6 所示，其結(jié)構(gòu)集成高，并配以人機(jī)交互界面，易于操作及維護(hù)。氣動(dòng)件具有較好的密封性能，可滿足在野外施工的防塵、防雨、防風(fēng)及照明需求，并具有有較好的防腐蝕、防日曬性能。

其三輪車架由方管焊接而成，表面以烤漆處理，具有一定的防銹能力，還具有一定的自重，可以減輕由于布放車移動(dòng)和氣缸運(yùn)動(dòng)帶來的振動(dòng)。相應(yīng)位置設(shè)有連接孔，便于安裝其他部件。三輪車機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)，通過地形復(fù)雜或溝、坎較多的路段時(shí)有較好的靈活性、安全性。

2.1 主筒裝置

主筒裝置包括上端側(cè)彎部、下端豎直部、外側(cè)吹管好側(cè)面切口等，如圖7 所示。主筒裝置是下壓取土、臨時(shí)存放節(jié)點(diǎn)儀和投放節(jié)點(diǎn)儀的主要通道，其上端采用65°的坡度設(shè)計(jì)，便于節(jié)點(diǎn)儀在重力作用下自動(dòng)滑落投入上一步鉆好的孔洞中。

圖4 回填土料

2.2 聯(lián)動(dòng)裝置

聯(lián)運(yùn)裝置如圖8 所示，主要由止動(dòng)卡、前端鉸鏈板和側(cè)面推桿組成，可形成止動(dòng)與前端開合的同步互逆聯(lián)動(dòng)。

圖5 壓實(shí)過程

2.3 對(duì)心裝置

對(duì)心裝置采用球形對(duì)心方式，如圖9 所示，其可在重力場(chǎng)作用下確保主筒指向地心，同時(shí)設(shè)置鎖緊裝置，有一定夾緊力，可確保穩(wěn)固推進(jìn)，也可主動(dòng)設(shè)置傾斜角度壓入。

圖6 整體結(jié)構(gòu)

圖7 主筒裝置

3 控制系統(tǒng)

根據(jù)節(jié)點(diǎn)儀布放使用指標(biāo)和技術(shù)要求，該設(shè)備支持?jǐn)U展選用PLC 作為控制器，擴(kuò)展北斗定位系統(tǒng)接收器之間數(shù)據(jù)的發(fā)送與采集，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)無線節(jié)點(diǎn)儀的掘孔、取土、投料、掩埋及壓實(shí)的聯(lián)動(dòng)布放過程的控制，對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)儀的布放可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化操作，且能自動(dòng)輸送節(jié)點(diǎn)儀至指定位置進(jìn)行布放?？筛鶕?jù)需要設(shè)定布放深度和速度。隨著裝載布放裝置的小車向前移動(dòng)，可連續(xù)自動(dòng)地埋置節(jié)點(diǎn)儀。布放作業(yè)時(shí)僅需1 人即可完成。

3.1 行程自控

機(jī)械限位式行程自控如圖10 所示，通過設(shè)置可調(diào)上、下限位，實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞桿的行程控制，從而限制壓入深度。

圖8 同步互逆聯(lián)動(dòng)裝置

圖9 對(duì)心裝置

圖10 機(jī)械限位式行程控制

3.2 手動(dòng)控制

通過手動(dòng)操作節(jié)點(diǎn)儀布放裝置的控制面板，包括油泵的啟動(dòng)、運(yùn)行和停止，活塞桿的升、降，投料裝置的單動(dòng)和聯(lián)動(dòng)等布放動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)儀的半自動(dòng)化高效布放。

4 結(jié)語(yǔ)

該文介紹的節(jié)點(diǎn)儀布放設(shè)備從孔洞掘進(jìn)、取土、聯(lián)動(dòng)投料到最后的壓緊回填，整個(gè)流程可在控制系統(tǒng)的控制下自動(dòng)完成，并在江蘇農(nóng)田區(qū)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如下。1） 節(jié)點(diǎn)儀坑洞掘進(jìn)。在30s 內(nèi)完成了直徑14cm、深度16cm～24cm 的深度掘進(jìn)。2） 節(jié)點(diǎn)儀豎直投料技術(shù)。在15s 內(nèi)將節(jié)點(diǎn)儀自動(dòng)滑入坑洞成豎直狀態(tài)，前部尖端耦合良好。3）節(jié)點(diǎn)儀壓緊耦合與回填土技術(shù)。在20s 內(nèi)完成了回填土，30s 內(nèi)可進(jìn)一步壓緊耦合。4） 連續(xù)掘進(jìn)、掩埋控制技術(shù)。在60s 內(nèi)完成了一個(gè)工作周期的連續(xù)運(yùn)行。節(jié)點(diǎn)儀布放狀態(tài)和大地耦合基本達(dá)到平、穩(wěn)、正、直且緊的要求，在平坦地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)儀自動(dòng)化高效布設(shè)。通過在江蘇、山東的地震勘探節(jié)點(diǎn)儀采集作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，初步實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)儀自動(dòng)化布設(shè)，保證了生產(chǎn)進(jìn)度，降低了人工成本，提高了生產(chǎn)效率。