杜小龍，許冠慶，王豪，陳俊霖

東方地球物理公司西南物探分公司裝備制造與服務(wù)中心，四川成都，610200

0 引言

隨著石油、地礦地震勘探的不斷深入，表層調(diào)查變得越來(lái)越重要。在進(jìn)行表層調(diào)查時(shí)，目前通常采用淺層折射地震勘探，但在低降速帶變化劇烈的地段主要采用微測(cè)井進(jìn)行觀測(cè)。微測(cè)井方法能獲得準(zhǔn)確的低降速層相關(guān)資料，是目前研究低降速帶表層結(jié)構(gòu)最直接、最有效的表層調(diào)查方法，在地震勘探中得到越來(lái)越廣泛的重視[1]。當(dāng)前微測(cè)井所采用的施工方法可分為兩種：地面接收，井中激發(fā)；地面激發(fā)，井中接收。第一種方法施工過(guò)程復(fù)雜、效率低下，已基本被淘汰。第二種方法雖然在理論上可以大幅度提高施工效率、提升地震資料的品質(zhì)，但目前現(xiàn)有的井中接收裝置卻成為廣泛推廣該方法的主要障礙[2]。如何研制出一種既能提高微測(cè)井施工效率，又能得到可靠的表層地質(zhì)資料的井下地震波接收設(shè)備，成為廣大物探裝備工作者爭(zhēng)相攻克的一道難題。

1 井下地震波接收設(shè)備的現(xiàn)狀

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外多家檢波器廠家都在進(jìn)行井下地震波接收設(shè)備的研制和開發(fā)[3]?，F(xiàn)有產(chǎn)品根據(jù)功能特點(diǎn)主要可分為兩類：即無(wú)推靠和有推靠裝置的兩類井下檢波器。第一類井下檢波器，由于沒(méi)有推靠裝置，在井下和井壁耦合不好，所獲得的地震資料效果很差，將影響地質(zhì)資料分析，而且這些產(chǎn)品基本都是單點(diǎn)檢波器，在微測(cè)井中施工效率低，不能充分滿足微測(cè)井的要求。第二類有推靠裝置的檢波器中，目前比較典型的是采用電磁推靠和外置推靠[4]。電磁推靠操作和維護(hù)均不便，而且價(jià)格昂貴，不利于大面積推廣使用。外置推靠：即將檢波器先下到井中，然后再將氣袋或水帶等放入井中進(jìn)行充氣或充水，以達(dá)到推靠的目的。這種檢波器的操作和維護(hù)極不方便，施工效率低、施工成本較高、推靠效果較差。除此之外，當(dāng)前還沒(méi)有更好的操作簡(jiǎn)便、性能可靠、成本低廉、能組合成串、帶推靠裝置的井下檢波器產(chǎn)品[5]。

2 設(shè)計(jì)思想及工作原理

針對(duì)目前井下檢波器所存在的問(wèn)題，為滿足表層地質(zhì)勘探發(fā)展的需要，從野外的實(shí)際條件和需求出發(fā)，我們?cè)O(shè)計(jì)研制出了一種帶有氣動(dòng)推靠裝置的井下檢波器設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱APS檢波器）。該設(shè)備使用簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、井下推靠可靠，并具有多點(diǎn)串接接收的能力，整體具有優(yōu)良的防水性能。該設(shè)備主要用于野外微測(cè)井施工，其獨(dú)具匠心的推靠設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單方便的使用方法，大大提高了微測(cè)井的施工效率，降低了施工成本。

2.1 APS檢波器的設(shè)計(jì)思想

APS檢波器的設(shè)計(jì)思想主要滿足了以下幾方面的需求：

（1）采用氣缸聯(lián)動(dòng)原理使檢波器本身具有收放自如的推靠裝置，推靠力的大小能滿足不同生產(chǎn)需要；（2）檢波器整體具有優(yōu)良的防水性能；（3）每只檢波器整體能進(jìn)行拆裝；（4）能組合成串使用，在井中不同深度點(diǎn)同時(shí)接收地震波；（5）整體嚴(yán)格符合檢波器行業(yè)技術(shù)指標(biāo)要求。

2.2 工作原理

APS檢波器整體構(gòu)思新穎，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，充分保證了檢波器與井壁的耦合性、推靠的可靠性、抗干擾能力及各項(xiàng)性能指標(biāo)，下面簡(jiǎn)單介紹其主要工作原理。

2.2.1 推靠原理

檢波器的推靠裝置采用了氣缸聯(lián)動(dòng)原理（見(jiàn)圖1）。該結(jié)構(gòu)主要包括一個(gè)氣缸、一個(gè)活塞、一個(gè)彈簧、一個(gè)連桿、一個(gè)支撐臂。如圖：氣缸軸向位于檢波器基體內(nèi)，內(nèi)壁為純銅材質(zhì)，氣室與外接氣管相連通?；钊挥跉飧變?nèi)，在氣壓作用下作軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。彈簧套在活塞桿上，位于活塞與氣缸蓋之間。連桿和支撐臂均為鋼性構(gòu)件，連桿用于連接活塞和支撐臂，起傳遞推力的作用。支撐臂一端用軸銷固定在檢波器上基體上，可繞固定點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，在連桿的推動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)推靠。推靠裝置工作時(shí)，氣缸充氣，活塞壓縮彈簧，彈簧蓄能，推動(dòng)支撐臂展開，使檢波器與井壁可靠耦合；氣缸排氣，彈簧釋放能量，活塞被推回到初始位置，完成支撐臂的回收。

圖1 氣缸聯(lián)動(dòng)原理圖

2.2.2 多級(jí)組合工作原理

每只檢波器氣缸通過(guò)氣管相互連通，由同一氣泵同時(shí)驅(qū)動(dòng)各自的推靠裝置，檢波器芯之間由多芯電纜連接，各檢波器整體間采用鋼纜連接，達(dá)到井下不同深度點(diǎn)同時(shí)接收、提高施工效率的目的。這樣的組合，每只檢波器氣缸氣壓一致，保證了組合后每只檢波器的推靠力大小一致，確保整串檢波器與井壁耦合的可靠性。圖2為檢波器氣缸在串接后的工作原理示意圖，從圖中我們可以得出：

圖2 氣缸組合示意圖

在一定氣壓條件下，根據(jù)氣壓各向同性原理：

P=P1=P2=P3…=Pn

在相同的加工精度及彈簧彈力系數(shù)下，忽略所有氣缸本身及活塞、彈簧的微小差異后，可得：

f1=f2=f3…=fn

F=F1=F2=F3…=Fn

從上可知：在氣缸Q1…Qn相同的情況下，得到的活塞推力F1…Fn是一致的。

3 結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

3.1 基本結(jié)構(gòu)

APS檢波器整體呈圓柱形，直徑約為54cm，從其結(jié)構(gòu)上可分為上基體、連接體、下基體三部分（如圖3）。其中上基體為檢波器推靠提供動(dòng)力，其主要部分包括上吊耳、氣缸套、活塞、彈簧、儲(chǔ)氣氣囊及連桿等部件。上吊耳用于連接提線鋼纜，氣缸、活塞、彈簧、連桿一起組成氣動(dòng)推靠裝置，氣囊位于氣缸蓋上，用于平衡活塞前端壓力，它可以有效阻止由于氣缸前端與外界壓力差而致泥沙進(jìn)入氣缸的問(wèn)題；連接體主要用于連接上下基體和固定支撐臂，該段主要部件包括連接體和支撐臂，為使檢波器整體具有一定的抗拉和防卡能力，連接體和上下基體都采用鋼性連接；下基體包括檢波器芯、檢波器密封蓋、檢波器芯固定圈等部分，是檢波器的信號(hào)采集部分。

圖3 APS檢波器整體結(jié)構(gòu)圖

3.2 防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井下檢波器長(zhǎng)期處于水、泥漿、沙石等惡劣工作條件環(huán)境中，對(duì)其防水性、耐腐蝕性、耐磨性要求較高。APS檢波器的防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要有以下兩點(diǎn)：

（1）氣缸部分的防水。氣缸工作時(shí)，由高壓氣體推動(dòng)活塞向外運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧，此時(shí)活塞前倉(cāng)空氣也將被壓縮，形成高壓，如密封不嚴(yán)將在水下形成氣泡，將對(duì)信號(hào)接收產(chǎn)生干擾，但如果徹底密封后，此處被壓縮的高壓氣體將對(duì)活塞的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，影響推靠效果。反之在氣缸高壓氣體被釋放時(shí)，活塞兩端失去平衡，活塞在彈簧回力的推動(dòng)下回到初始位置，此時(shí)氣缸前倉(cāng)如果密封不嚴(yán)，由于壓力差的作用，井中的水或泥沙將會(huì)被吸入氣缸中，損壞氣缸。為解決上述問(wèn)題，APS檢波器在氣缸蓋上加裝了一儲(chǔ)氣氣囊，這樣，當(dāng)活塞前推時(shí)氣囊儲(chǔ)氣，活塞回復(fù)時(shí)氣囊的氣回到氣缸。通過(guò)儲(chǔ)氣氣囊的變化，保證了活塞前端壓力基本不變，從而解決了因壓力差而造成的氣缸滲漏問(wèn)題。

（2）檢波器芯體處的防水。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，檢波器的絕緣電阻Ri＞10MΩ，因此APS檢波器也采用特殊防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4所示，其重點(diǎn)防水部位主要在芯體的接線樁與電纜引線的接頭處。APS檢波器將檢波器芯與電纜引線整體密封在下基體內(nèi)部，并將電纜引線處的兩端用線箍將電纜鎖緊，保證即使電纜出現(xiàn)破損，水也不會(huì)通過(guò)電纜滲入檢波器芯體上，這樣的密封結(jié)構(gòu)有效地解決了深井下的泥水滲漏問(wèn)題，大大提高了檢波器整體的防漏電性能。

圖4 APS檢波器剖面圖

3.3 主要技術(shù)特點(diǎn)

為了提高檢波器在野外的耐用性，減輕檢波器整體的重量，有效降低檢波器卡井事故，APS檢波器外觀呈光滑的圓柱形，主要部件均采用鈍化鋁合金和不銹鋼材料，其主要特點(diǎn)如下：

（1）重量輕。單只APS檢波器重量只有2kg，整串12只（外加電纜及鋼纜），其重量不超過(guò)30kg。

（2）操作簡(jiǎn)單、方便。推靠系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，通過(guò)帶有氣壓表的氣泵，不僅可以直觀地監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的推力，而且可以和儀器共用12V直流電源，使用非常方便。

（3）推靠牢固、可靠。各檢波器氣缸內(nèi)氣壓一致，支撐臂展開角度大，所產(chǎn)生的推力能保證每只檢波器與井壁可靠耦合。

（4）井下適應(yīng)能力強(qiáng)，支撐臂設(shè)計(jì)長(zhǎng)度和角度可滿足不同井徑施工需要。

（5）整體具有優(yōu)良防水性能，其設(shè)計(jì)施工井深可滿足200m微測(cè)井需要。

（6）整體性價(jià)比高。與同類產(chǎn)品比較，具有較大的經(jīng)濟(jì)和實(shí)用價(jià)值。

4 推廣應(yīng)用情況

目前，APS井下檢波器有單分量和三分量?jī)煞N規(guī)格型號(hào)（見(jiàn)圖5），已在地球物理勘探的微測(cè)井施工中全面推廣使用，共計(jì)完成微測(cè)井一萬(wàn)余口。從實(shí)際使用效果來(lái)看，應(yīng)用該產(chǎn)品得到的資料較市場(chǎng)同類產(chǎn)品所得資料有較大改善（見(jiàn)圖6、圖7）。

圖5 井下檢波器實(shí)物圖片

圖6 市場(chǎng)同類產(chǎn)品采集資料

圖7 APS檢波器采集資料

5 結(jié)語(yǔ)

從實(shí)際使用效果來(lái)看，APS檢波器能大大提高淺層地震勘探作業(yè)施工效率，改善淺層地震勘探資料品質(zhì)，隨著地震勘探高精度、高密度、高分辨率的發(fā)展要求，它將得到更加廣泛的推廣應(yīng)用。