震源空壓機輸出氣量與船速之間的關系

潘長鋼，祁長春

(中海油田服務股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300451)

0 引言

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]，推導出船舶在油氣勘探作業(yè)中船速與震源空壓機輸出氣量的關系，即船速越快槍與槍之間激發(fā)的時間間隔越短，造成槍陣所需的供氣量越多，也就是震源空壓機供氣量加大，所以震源空壓機的輸出壓力與船舶速度成正比變化，船速越快震源空壓機就要給震源單(雙)源陣列(2015)[4]上的G槍提供越多的工作(高壓)空氣。

1 震源空壓機輸出壓力與單(雙)源槍陣容量之間的關系

首先，假定震源空壓機(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，壓強、體積、物質的量、溫度間關系的狀態(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)驗定律上(2002)[6]。其方程為pV=nRT。這個方程有四個變量：p是指理想氣體的壓強，V為理想氣體的體積，n表示氣體物質的量，而T則表示理想氣體的熱力學溫度；還有一個常量：R為理想氣體常數(shù)。可以看出，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，對常溫常壓下的空氣也近似地適用。一般認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。結合氣體分子動理論(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)，而與達到這種狀態(tài)所經(jīng)歷的變化過程無關。對于給定的狀態(tài)，所有的狀態(tài)參數(shù)都各有確定的值，當設定壓力恒定、溫度恒定、氣源質量恒定，則其狀態(tài)即時穩(wěn)定(即從空壓機出口到達槍內蓄壓完成)，容積V也不變。

說明：一定質量的氣體狀態(tài)方程式，壓力和體積的乘積與其絕對溫度之比，穩(wěn)定后在某一瞬時為常數(shù)。故G槍(2019)[9]激發(fā)要求與壓力，槍和槍激發(fā)時間間隔量，對點火壓力的要求與槍的容量和激發(fā)時間間隔有關，其關系如下式：

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)。

2 震源空壓機輸出氣量與船速之間的關系

實際作業(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，如果既定的壓力不變，通過時間(T)、速度(V)、距離(S)之間公式關系(T=S/V)可以得出槍與槍之間激發(fā)的時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，也就是震源空壓機供氣量加大，所以震源空壓機的輸出壓力與船舶速度成正比變化，船速越快震源空壓機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)方程推導出船速與震源空壓機輸出氣量成反比的關系后，對在船舶作業(yè)期間控制運轉成本提供了具體的可行性操作的理論依據(jù)。

3 實例解析

某工區(qū)作業(yè)參數(shù)要求(即設為已知條件)：

(1)雙源交替響炮；(2)單源槍陣容量6605 cm-3；(3)炮間距25 m；(4)響炮時作業(yè)壓力14 MPa；根據(jù)以上4個已知條件可以推算出油氣勘探地震資料采集(2019)[10]作業(yè)時相應船速下的單源槍陣響炮所需的供氣量，進而推算出作業(yè)期間震源空壓機的供氣量。

通過已知作業(yè)參數(shù)，結合理論公式可以得出，船速越快槍與槍之間激發(fā)的時間間隔越短，造成槍陣所需的供氣量越多，也就是震源空壓機供氣量加大，所以震源空壓機的輸出壓力與船舶速度成正比變化，船速越快震源空壓機就要給震源單(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，也就是震源空壓機供氣量加大，即震源空壓機的輸出壓力與船舶速度成正比變化，船速越快震源空壓機就要給槍陣提供越多的氣量。如圖船速在4.5～4.65(節(jié))時是震源空壓機(單臺)最優(yōu)工況。

圖1 單源槍陣激發(fā)供氣量與船速之間的關系

4 結語

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，可以對大型能耗設備震源空壓機的能耗作出預判。理清船速與震源空壓機輸出氣量成反比的關系后，對于船舶作業(yè)期間的運轉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)震源空壓機額定輸氣量和槍陣型號以及甲方作業(yè)參數(shù)推導出單臺空壓機運轉時的極限船速。空壓機操作人員可以根據(jù)具體情況決定啟動空壓機的數(shù)量，而不是盲目的啟動。當船速達到臨界單臺極限船速時，輪機部值班管輪和空壓機值班人員可以提前做出預判，實現(xiàn)大型設備的軟啟動，減少大型設備啟動時對主電網(wǎng)的沖擊，降低因為對主電網(wǎng)沖擊造成跳電等隱性災難的發(fā)生概率。其二，針對物探地震資料采集船舶，船速的設計是根據(jù)電纜承受的最大拉力及主輔機容量大小、船舶空間大小等綜合因素設計的，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)在已知設計的最大作業(yè)船速及市場主流作業(yè)參數(shù)時，可以推算出單臺震源空壓機的額定輸出氣量，從而在設計之初就可以把大型設備安裝成本進行有效地把控。