潘長鋼,祁長春
(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部,天津 300451)
通過G槍激發(fā)原理(2008)[1]、理想氣態(tài)方程(2009)[2]、范式氣體理想化的氣態(tài)方程(2013)[3],推導(dǎo)出船舶在油氣勘探作業(yè)中船速與震源空壓機(jī)輸出氣量的關(guān)系,即船速越快槍與槍之間激發(fā)的時(shí)間間隔越短,造成槍陣所需的供氣量越多,也就是震源空壓機(jī)供氣量加大,所以震源空壓機(jī)的輸出壓力與船舶速度成正比變化,船速越快震源空壓機(jī)就要給震源單(雙)源陣列(2015)[4]上的G槍提供越多的工作(高壓)空氣。
首先,假定震源空壓機(jī)(2006)[5]輸出的氣體為理想氣體。理想氣體狀態(tài)方程,又稱理想氣體定律、普適氣體定律,是描述理想氣體在處于平衡態(tài)時(shí),壓強(qiáng)、體積、物質(zhì)的量、溫度間關(guān)系的狀態(tài)方程。它建立在玻義耳-馬略特定律、查理定律、蓋-呂薩克定律等經(jīng)驗(yàn)定律上(2002)[6]。其方程為pV=nRT。這個(gè)方程有四個(gè)變量:p是指理想氣體的壓強(qiáng),V為理想氣體的體積,n表示氣體物質(zhì)的量,而T則表示理想氣體的熱力學(xué)溫度;還有一個(gè)常量:R為理想氣體常數(shù)??梢钥闯?,此方程的變量很多。因此方程以其變量多、適用范圍廣而著稱,對(duì)常溫常壓下的空氣也近似地適用。一般認(rèn)為范式氣體方程在大體積極限下和理想氣體狀態(tài)方程一樣。結(jié)合氣體分子動(dòng)理論(2009)[7],根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和范式氣體狀態(tài)方程,導(dǎo)出了等壓容積定律。在等壓最大值情況下范式氣體可過渡到理想氣體(2019)[8]。
根據(jù)狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值僅決定于氣體的狀態(tài),而與達(dá)到這種狀態(tài)所經(jīng)歷的變化過程無關(guān)。對(duì)于給定的狀態(tài),所有的狀態(tài)參數(shù)都各有確定的值,當(dāng)設(shè)定壓力恒定、溫度恒定、氣源質(zhì)量恒定,則其狀態(tài)即時(shí)穩(wěn)定(即從空壓機(jī)出口到達(dá)槍內(nèi)蓄壓完成),容積V也不變。
說明:一定質(zhì)量的氣體狀態(tài)方程式,壓力和體積的乘積與其絕對(duì)溫度之比,穩(wěn)定后在某一瞬時(shí)為常數(shù)。故G槍(2019)[9]激發(fā)要求與壓力,槍和槍激發(fā)時(shí)間間隔量,對(duì)點(diǎn)火壓力的要求與槍的容量和激發(fā)時(shí)間間隔有關(guān),其關(guān)系如下式:
式中:P為Firing pressure(6.89×10-3MPa),V為Volume of the gun(16.39 cm-3),C為Firing interval (s)。
實(shí)際作業(yè)中,根據(jù)甲方提供的作業(yè)參數(shù),可以得知槍陣的激發(fā)壓力(P),槍與槍之間激發(fā)間隔距離(S)。同時(shí),如果既定的壓力不變,通過時(shí)間(T)、速度(V)、距離(S)之間公式關(guān)系(T=S/V)可以得出槍與槍之間激發(fā)的時(shí)間間隔與船舶的速度成反比,即船速越快槍與槍之間激發(fā)的時(shí)間間隔越短,造成槍陣所需的供氣量越多,也就是震源空壓機(jī)供氣量加大,所以震源空壓機(jī)的輸出壓力與船舶速度成正比變化,船速越快震源空壓機(jī)就要給槍陣提供越多的氣量。
通過G槍激發(fā)原理和范式氣體理想化的氣態(tài)方程推導(dǎo)出船速與震源空壓機(jī)輸出氣量成反比的關(guān)系后,對(duì)在船舶作業(yè)期間控制運(yùn)轉(zhuǎn)成本提供了具體的可行性操作的理論依據(jù)。
某工區(qū)作業(yè)參數(shù)要求(即設(shè)為已知條件):
(1)雙源交替響炮;(2)單源槍陣容量6605 cm-3;(3)炮間距25 m;(4)響炮時(shí)作業(yè)壓力14 MPa;根據(jù)以上4個(gè)已知條件可以推算出油氣勘探地震資料采集(2019)[10]作業(yè)時(shí)相應(yīng)船速下的單源槍陣響炮所需的供氣量,進(jìn)而推算出作業(yè)期間震源空壓機(jī)的供氣量。
通過已知作業(yè)參數(shù),結(jié)合理論公式可以得出,船速越快槍與槍之間激發(fā)的時(shí)間間隔越短,造成槍陣所需的供氣量越多,也就是震源空壓機(jī)供氣量加大,所以震源空壓機(jī)的輸出壓力與船舶速度成正比變化,船速越快震源空壓機(jī)就要給震源單(雙)源陣列上的G槍提供越多的工作(壓縮)空氣。
震源空壓機(jī)額定輸出氣量固定值不變(51 m3/min)。通過圖1可以直觀地看出船速越快,槍陣所需的供氣量越多,也就是震源空壓機(jī)供氣量加大,即震源空壓機(jī)的輸出壓力與船舶速度成正比變化,船速越快震源空壓機(jī)就要給槍陣提供越多的氣量。如圖船速在4.5~4.65(節(jié))時(shí)是震源空壓機(jī)(單臺(tái))最優(yōu)工況。
圖1 單源槍陣激發(fā)供氣量與船速之間的關(guān)系
綜上所述,根據(jù)甲方的作業(yè)合同參數(shù)可以在開工前推算出作業(yè)船速,再結(jié)合工區(qū)海域的洋流、潮汐、電纜長度及所能承受做大拉力等具體客觀因素,可以對(duì)大型能耗設(shè)備震源空壓機(jī)的能耗作出預(yù)判。理清船速與震源空壓機(jī)輸出氣量成反比的關(guān)系后,對(duì)于船舶作業(yè)期間的運(yùn)轉(zhuǎn)成本控制有了具體的可行性操作依據(jù)。其一,作業(yè)船舶可以根據(jù)震源空壓機(jī)額定輸氣量和槍陣型號(hào)以及甲方作業(yè)參數(shù)推導(dǎo)出單臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的極限船速??諌簷C(jī)操作人員可以根據(jù)具體情況決定啟動(dòng)空壓機(jī)的數(shù)量,而不是盲目的啟動(dòng)。當(dāng)船速達(dá)到臨界單臺(tái)極限船速時(shí),輪機(jī)部值班管輪和空壓機(jī)值班人員可以提前做出預(yù)判,實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備的軟啟動(dòng),減少大型設(shè)備啟動(dòng)時(shí)對(duì)主電網(wǎng)的沖擊,降低因?yàn)閷?duì)主電網(wǎng)沖擊造成跳電等隱性災(zāi)難的發(fā)生概率。其二,針對(duì)物探地震資料采集船舶,船速的設(shè)計(jì)是根據(jù)電纜承受的最大拉力及主輔機(jī)容量大小、船舶空間大小等綜合因素設(shè)計(jì)的,物探采集船舶作業(yè)航速(此船速是地震資料采集船舶的專有屬性)在已知設(shè)計(jì)的最大作業(yè)船速及市場(chǎng)主流作業(yè)參數(shù)時(shí),可以推算出單臺(tái)震源空壓機(jī)的額定輸出氣量,從而在設(shè)計(jì)之初就可以把大型設(shè)備安裝成本進(jìn)行有效地把控。