井下检波器的研制与应用

杜小龙，许冠庆，王豪，陈俊霖

东方地球物理公司西南物探分公司装备制造与服务中心，四川成都，610200

0 引言

随着石油、地矿地震勘探的不断深入，表层调查变得越来越重要。在进行表层调查时，目前通常采用浅层折射地震勘探，但在低降速带变化剧烈的地段主要采用微测井进行观测。微测井方法能获得准确的低降速层相关资料，是目前研究低降速带表层结构最直接、最有效的表层调查方法，在地震勘探中得到越来越广泛的重视[1]。当前微测井所采用的施工方法可分为两种：地面接收，井中激发；地面激发，井中接收。第一种方法施工过程复杂、效率低下，已基本被淘汰。第二种方法虽然在理论上可以大幅度提高施工效率、提升地震资料的品质，但目前现有的井中接收装置却成为广泛推广该方法的主要障碍[2]。如何研制出一种既能提高微测井施工效率，又能得到可靠的表层地质资料的井下地震波接收设备，成为广大物探装备工作者争相攻克的一道难题。

1 井下地震波接收设备的现状

当前国内外多家检波器厂家都在进行井下地震波接收设备的研制和开发[3]。现有产品根据功能特点主要可分为两类：即无推靠和有推靠装置的两类井下检波器。第一类井下检波器，由于没有推靠装置，在井下和井壁耦合不好，所获得的地震资料效果很差，将影响地质资料分析，而且这些产品基本都是单点检波器，在微测井中施工效率低，不能充分满足微测井的要求。第二类有推靠装置的检波器中，目前比较典型的是采用电磁推靠和外置推靠[4]。电磁推靠操作和维护均不便，而且价格昂贵，不利于大面积推广使用。外置推靠：即将检波器先下到井中，然后再将气袋或水带等放入井中进行充气或充水，以达到推靠的目的。这种检波器的操作和维护极不方便，施工效率低、施工成本较高、推靠效果较差。除此之外，当前还没有更好的操作简便、性能可靠、成本低廉、能组合成串、带推靠装置的井下检波器产品[5]。

2 设计思想及工作原理

针对目前井下检波器所存在的问题，为满足表层地质勘探发展的需要，从野外的实际条件和需求出发，我们设计研制出了一种带有气动推靠装置的井下检波器设备（以下简称APS检波器）。该设备使用简单、维护方便、井下推靠可靠，并具有多点串接接收的能力，整体具有优良的防水性能。该设备主要用于野外微测井施工，其独具匠心的推靠设计、简单方便的使用方法，大大提高了微测井的施工效率，降低了施工成本。

2.1 APS检波器的设计思想

APS检波器的设计思想主要满足了以下几方面的需求：

（1）采用气缸联动原理使检波器本身具有收放自如的推靠装置，推靠力的大小能满足不同生产需要；（2）检波器整体具有优良的防水性能；（3）每只检波器整体能进行拆装；（4）能组合成串使用，在井中不同深度点同时接收地震波；（5）整体严格符合检波器行业技术指标要求。

2.2 工作原理

APS检波器整体构思新颖，结构设计合理，充分保证了检波器与井壁的耦合性、推靠的可靠性、抗干扰能力及各项性能指标，下面简单介绍其主要工作原理。

2.2.1 推靠原理

检波器的推靠装置采用了气缸联动原理（见图1）。该结构主要包括一个气缸、一个活塞、一个弹簧、一个连杆、一个支撑臂。如图：气缸轴向位于检波器基体内，内壁为纯铜材质，气室与外接气管相连通。活塞位于气缸内，在气压作用下作轴向往复运动。弹簧套在活塞杆上，位于活塞与气缸盖之间。连杆和支撑臂均为钢性构件，连杆用于连接活塞和支撑臂，起传递推力的作用。支撑臂一端用轴销固定在检波器上基体上，可绕固定点自由转动，在连杆的推动下，实现推靠。推靠装置工作时，气缸充气，活塞压缩弹簧，弹簧蓄能，推动支撑臂展开，使检波器与井壁可靠耦合；气缸排气，弹簧释放能量，活塞被推回到初始位置，完成支撑臂的回收。

图1 气缸联动原理图

2.2.2 多级组合工作原理

每只检波器气缸通过气管相互连通，由同一气泵同时驱动各自的推靠装置，检波器芯之间由多芯电缆连接，各检波器整体间采用钢缆连接，达到井下不同深度点同时接收、提高施工效率的目的。这样的组合，每只检波器气缸气压一致，保证了组合后每只检波器的推靠力大小一致，确保整串检波器与井壁耦合的可靠性。图2为检波器气缸在串接后的工作原理示意图，从图中我们可以得出：

图2 气缸组合示意图

在一定气压条件下，根据气压各向同性原理：

P=P1=P2=P3…=Pn

在相同的加工精度及弹簧弹力系数下，忽略所有气缸本身及活塞、弹簧的微小差异后，可得：

f1=f2=f3…=fn

F=F1=F2=F3…=Fn

从上可知：在气缸Q1…Qn相同的情况下，得到的活塞推力F1…Fn是一致的。

3 结构及特点

3.1 基本结构

APS检波器整体呈圆柱形，直径约为54cm，从其结构上可分为上基体、连接体、下基体三部分（如图3）。其中上基体为检波器推靠提供动力，其主要部分包括上吊耳、气缸套、活塞、弹簧、储气气囊及连杆等部件。上吊耳用于连接提线钢缆，气缸、活塞、弹簧、连杆一起组成气动推靠装置，气囊位于气缸盖上，用于平衡活塞前端压力，它可以有效阻止由于气缸前端与外界压力差而致泥沙进入气缸的问题；连接体主要用于连接上下基体和固定支撑臂，该段主要部件包括连接体和支撑臂，为使检波器整体具有一定的抗拉和防卡能力，连接体和上下基体都采用钢性连接；下基体包括检波器芯、检波器密封盖、检波器芯固定圈等部分，是检波器的信号采集部分。

图3 APS检波器整体结构图

3.2 防水结构设计

井下检波器长期处于水、泥浆、沙石等恶劣工作条件环境中，对其防水性、耐腐蚀性、耐磨性要求较高。APS检波器的防水结构设计，主要有以下两点：

（1）气缸部分的防水。气缸工作时，由高压气体推动活塞向外运动，压缩弹簧，此时活塞前仓空气也将被压缩，形成高压，如密封不严将在水下形成气泡，将对信号接收产生干扰，但如果彻底密封后，此处被压缩的高压气体将对活塞的运动产生阻力，影响推靠效果。反之在气缸高压气体被释放时，活塞两端失去平衡，活塞在弹簧回力的推动下回到初始位置，此时气缸前仓如果密封不严，由于压力差的作用，井中的水或泥沙将会被吸入气缸中，损坏气缸。为解决上述问题，APS检波器在气缸盖上加装了一储气气囊，这样，当活塞前推时气囊储气，活塞回复时气囊的气回到气缸。通过储气气囊的变化，保证了活塞前端压力基本不变，从而解决了因压力差而造成的气缸渗漏问题。

（2）检波器芯体处的防水。根据标准，检波器的绝缘电阻Ri＞10MΩ，因此APS检波器也采用特殊防水结构设计，如图4所示，其重点防水部位主要在芯体的接线桩与电缆引线的接头处。APS检波器将检波器芯与电缆引线整体密封在下基体内部，并将电缆引线处的两端用线箍将电缆锁紧，保证即使电缆出现破损，水也不会通过电缆渗入检波器芯体上，这样的密封结构有效地解决了深井下的泥水渗漏问题，大大提高了检波器整体的防漏电性能。

图4 APS检波器剖面图

3.3 主要技术特点

为了提高检波器在野外的耐用性，减轻检波器整体的重量，有效降低检波器卡井事故，APS检波器外观呈光滑的圆柱形，主要部件均采用钝化铝合金和不锈钢材料，其主要特点如下：

（1）重量轻。单只APS检波器重量只有2kg，整串12只（外加电缆及钢缆），其重量不超过30kg。

（2）操作简单、方便。推靠系统操作简单，通过带有气压表的气泵，不仅可以直观地监控整个系统的推力，而且可以和仪器共用12V直流电源，使用非常方便。

（3）推靠牢固、可靠。各检波器气缸内气压一致，支撑臂展开角度大，所产生的推力能保证每只检波器与井壁可靠耦合。

（4）井下适应能力强，支撑臂设计长度和角度可满足不同井径施工需要。

（5）整体具有优良防水性能，其设计施工井深可满足200m微测井需要。

（6）整体性价比高。与同类产品比较，具有较大的经济和实用价值。

4 推广应用情况

目前，APS井下检波器有单分量和三分量两种规格型号（见图5），已在地球物理勘探的微测井施工中全面推广使用，共计完成微测井一万余口。从实际使用效果来看，应用该产品得到的资料较市场同类产品所得资料有较大改善（见图6、图7）。

图5 井下检波器实物图片

图6 市场同类产品采集资料

图7 APS检波器采集资料

5 结语

从实际使用效果来看，APS检波器能大大提高浅层地震勘探作业施工效率，改善浅层地震勘探资料品质，随着地震勘探高精度、高密度、高分辨率的发展要求，它将得到更加广泛的推广应用。