车载式重锤震源气动液控系统研究

林玉兰，李进付，付广萌，郭　振，陈志礼

（1.中石化石油工程设计有限公司，山东东营，257017；2.中石化胜利石油工程有限公司　钻井工艺研究院，山东　东营，257017）

车载式重锤震源气动液控系统研究

林玉兰1，李进付2，付广萌2，郭振2，陈志礼2

（1.中石化石油工程设计有限公司，山东东营，257017；2.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营，257017）

炸药震源和可控震源在现行陆地地震勘探中得到了广泛应用。但炸药震源存在重复性差、环境破坏性大、施工复杂等缺点；可控震源中的重锤式震源虽然特别适合建筑物比较密集的中浅层地质勘探，但存在出力小、行程固定等问题。为适应中西部中浅地层地质勘查需求，实现冲击能量60 k J、同一地点作业4次且作业不启泵的性能指标要求，采用开放气缸加速重锤结构作为震击出力结构，采用液压系统作为出力结构的控制与操作系统。在气动系统与液控系统方案研究基础上，对其气动系统、液控系统的核心构件进行设计计算，设计出一种运载方便、出力可控、动作快速、能多次重复锤击的车载式气动液控重锤震源系统。为中西部中浅地层地质勘查提供一种车载式重锤气动液控震源解决方案。

可控震源；重锤震源；气动；液控；系统

在现行陆地地震勘探中，炸药震源和可控震源得到了广泛应用。炸药震源存在重复性差、对环境的破坏性强、施工流程复杂、对人身威胁大等缺点［1-2］；可控震源中的重锤式震源特别适合建筑物比较密集的浅层石油勘探，但存在出力小、行程固定、多次冲击操作效率低等问题［3-4］。在可控震源气动液控方面，管治平研究了柴油保护系统［5］；钟远坤对液压伺服系统进行了分析［6］；王鸿雁等设计了一种车载式锤击震源控制系统，给出了气动控制回路和电器控制回路图，并用PLC进行气动控制系统设计［7］；邓东等针对I／OAHVIV可控震源液压系统的工作原理进行了讲述［8］；针对KZ28型可控震源的结冰现象，赵永林对气源部分进行了改进［9］；针对国产可控震源液压系统中气泡油问题，赵贺强提供了解决方案［10］。但是针对重锤震源气动液控部分具体结构的设计计算却很少。为满足中浅层石油勘探需要，结合车载式重锤震源震击功能需求，针对某型震源车开展了车载式重锤震源气动液控系统方案研究，设计了气动液控系统核心结构。

1　车载式重锤震源总体方案

在地质勘探中，为了取得更准确的地质资料，核心在于提高可控震源的额定出力，确保其振动器先进性和可靠性［4］。结合重锤震源冲击能量60 kJ、冲击速度快等要求，设计出如图1所示气动液控震源系统，主要由气动系统、液控系统两部分组成。气动部分主要用于驱动重锤加速向下冲击；液控部分主要用于支撑车身为冲击做准备、回收气体以及夹持丢手并为下次冲击做准备、收回砧板实现悬停。

图1　震源系统振动器结构

震源车行驶到预定区域，选择好震源点，将砧板组件（砧板、冲击台、支撑板）预位；砧板预位过程靠砧板支撑液缸将砧板组件从车桥下方推出，将整个汽车抬起，然后释放重锤震击冲击台制造地震波，之后靠锤头起升液缸将重锤回收到初始位置，结合需要继续震击或结束收尾，结束收尾工作是借助砧板支撑液缸将砧板组件收回至初始位，完成目标震击点的作业。

2　重锤气动执行系统

2.1气动系统方案设计

结合出力和快速响应要求，气动系统采用如图2所示气动驱动重锤方式作为出力结构，主要包括①动力源：氮气瓶、储气罐；②执行元件：一端完全开放的气缸；③辅助装置：手动截止阀等；④气动传感元件：位置传感器。

系统采用氮气瓶或储气罐提供高压工作气源。在运输时或冲击作用前重锤被悬挂机构悬置。工作时，打开手动截止阀Ⅰ、Ⅱ对储气罐充气，储气罐压力达到一定值时关闭手动截止阀Ⅰ，并打开手动截止阀Ш，气体流入气缸上腔；压力一定时，重锤被释放并在高压气体对气缸活塞产生的推力和自重作用下加速推出后冲击砧台；当冲击结束后，借助锤头回收装置将重锤回收至初始位置并依靠悬挂机构悬置，同时将气缸内的氮气压回到储气罐内，完成反压回收过程。

图2　气动系统原理图

2.2气动系统核心构件计算

工作时，重锤受到自身重力及膨胀气体的推力作用，向下加速冲击。重锤触及砧板获得能量：

式中：E为设计冲击能量，取60kJ；p为气缸设计压力，MPa；H为锤头冲击行程，为保证车台有足够的抬升高度，设计气缸的行程为700mm；S为气缸截面积，mm2；D为气缸内径，mm；η为气缸效率；m为重锤质量，500kg；g为重力加速度，m／s2。

当气缸设计压力p为6.3 MPa时，气缸缸径D=170mm。由于结构限制并考虑气缸标准系列，选择气缸缸径D=200mm；气缸缸径为200mm时，气缸工作压力pj为4.54 MPa即可实现60kJ的冲击能量要求。为保证冲击效果，按气缸最低工作压力p不小于4.6 MPa来设计气动系统。储气罐需提供气缸4次冲击，耗气量可按式（2）～（3）计算。

式中：D为液缸内径，mm；l为气缸设计行程，mm；V0为单次耗气量，L；p1为储气罐工作压力，6.3 MPa；p2为储气罐最低压力，4.6 MPa；V为储气罐体积，L；经计算储气罐体积V0=22 L。在不考虑漏失情况下，完成1次冲击所需的气量为单次作用气量，加上气管等管件内储存的气体消耗，储气罐体积V0取30 L，完成4次冲击储气罐的体积为120 L。

3　液压驱动系统

3.1液压系统原理

液控系统的功能主要为实现各个执行元件的顺序动作提供驱动能量，确保可以完成4次冲击。震源系统液压系统方案如图3所示，包含①动力源：取力机构、泵、蓄能器；②执行元件：砧板在车桥悬停夹持运输时的砧板悬挂液缸2组、控制锤头组件提升的锤头起升液缸2组、控制砧板升降的砧板支撑液缸2组、控制锤头释放的丢手夹持液缸2组；③控制模块：4个相同原理阀组，实现各液缸的动作的控制；④传感元件：位置传感器，实现各执行液缸的行程检测。其中锤头起升液缸、砧板支撑液缸、丢手夹持液缸各辅助装置的控制机理相同。

图3　液压系统原理图

液控系统通过汽车取力，驱动液压泵给蓄能器和其他液压元件提供液压能。震源车按同一目标位4次连续冲击振动设计，各液缸靠液压储能器供液而不启动液压泵。同时设低压油箱，回收4次冲击作业的动力液体，动力液体循环使用。震源系统的工作过程如下：

1）准备过程。将震源车行驶至目标震击点，6YA得电，砧板悬挂液缸活塞杆回收，悬挂系统松开4根导向柱，到达S31；4YA得电，使砧板支撑液缸向下运动并达到撑起车身作为压重的效果，此时到达S22，砧板预位完成准备过程。

2）锤头起升液缸预位。2YA得电，锤头起升液缸向下推出到达预定位置，即大于锤头行程的距离S12，防止干涉锤头向下冲击。

3）冲击过程。7YA得电，夹持液缸活塞杆回收装置释放锤头组件，到达S41，制造一次人工地震。

4）锤头复位。此时1YA得电，锤头起升液缸将锤头组件向上抬起到预定位置S11，触发传感器发出信号使8YA得电，夹持液压缸夹紧锤头组件，将冲击气缸内气体压回储气罐并使其复位，这样就完成一次锤击。

5）连续震击。结合人工地震需要，如需继续震击，返回步骤2，可完成连续4次冲击而不启动液压泵，直到目标点完成震击。

6）砧板复位。完成物探工作后需要将砧板收回，此时3YA得电，砧板升降液缸向上运动，收回砧板，到达一定位置S21；砧板悬挂液缸作用夹持导向柱，实现砧板复位与悬停。

3.2液控系统核心构件计算

液控系统的核心构件中，砧板支撑液缸要求能够承受汽车质量与振动器自重；砧板悬挂液缸要求能够承受砧板重力作用，实现砧板的悬停；锤头起升液缸要克服锤头自重并将气缸内高压气体压回储气罐；当重锤在自身重力与气缸高压气体作用下，丢手夹持液缸需要在一定压力下实现夹持；蓄能器为整个系统提供完成既定冲击次数的能量。按照各液缸载荷需求、活塞面积、工作行程等关系开展液缸计算［11］出液缸参数汇总表1，液压系统按最高工作压力16 MPa、最低工作压力9 MPa设计。

表1　震源液控系统液缸主要参数

采用一个蓄能器为所有液缸提供能量补充，蓄能器有效容积为预定工作次数下所有液缸耗油量体积之和，蓄能器所需提供总液体体积与冲击次数和各组液缸耗液量有关。砧板支撑液缸与悬挂液缸均工作一次即可，而锤头起升液缸与夹持液缸工作次数需与锤头冲击次数相同，由式（4）求出蓄能器的体积。

Vnc=2n（V1+n V2+n V3+V4）（4）

式中：V1为砧板支撑液缸工作一次所需液体体积，L；V2为锤头起升液缸工作一次所需液体体积，L；V3为夹持液缸工作一次所需液体体积，L；V4为悬挂液缸工作一次所需液体体积，L；n为系统泄漏系数。

经计算可得：完成一次工作蓄能器的有效容积Vnc=41.5 L，完成4次冲击所需的动力液体体积为166 L。

4　结论

1）对车载式重锤震源气动液控系统的方案设计与基本原理进行了研究。

2）震源系统采用一端全部开放的气缸，使重锤在高压氮气以及自重共同作用下加速向下，冲击迅速、震击能力强。

3）液控系统综合实现4次冲击无需启动液压泵，实现了作业速度快的作业效果。

4）为中浅地层地质勘查提供一种气动液控震源解决方案。

［1］高健.可控震源编码激发技术研究［D］.吉林：吉林大学，2013.

［2］倪宇东.可控震源地震勘探新方法研究与应用［D］.武汉：中国地质大学，2012.

［3］刘金中，马铁荣.可控震源的发展状况［J］.石油科技论坛，2008（5）：38-42.

［4］南文海，丁志淦.可控震源发展中有关问题的探讨［J］.物探装备，1999（2）：26-29.

［5］管治平.可控震源车柴油机保护系统［J］.石油地球物理勘探，1985（5）：542-544.

［6］钟远坤.可控震源车液压伺服系统的分析［J］.机床与液压，1983（3）：6-12.

［7］王鸿雁，肖文生，崔学政，等.一种车载式锤击震源控制系统设计［J］.液压与气动，2012（12）：61-64.

［8］邓东，李彩霞.I／O AHV-Ⅳ可控震源液压系统工作原理［J］.物探装备，2004（3）：217-221.

［9］赵永林.KZ-28型可控震源气源部分改进［J］.物探装备，2005（2）：96-99.

［10］赵贺强.国产可控震源液压系统中气泡油问题的解决［J］.物探装备，2001（2）：111-114.

［11］成大先.机械设计手册［K］.5版.北京：化工工业出版社，2008.

Pneumatic Hydraulic Control Study on Vehicle Weight Drop Seismic Source

LIN Yulan1，LI Jinfu2，FU 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

林玉兰（1964-），女，山东乳山人，高级工程师，1987年毕业于华东石油学院机械系，从事石油地面设备的研究与设计工作。