震源空压机输出气量与船速之间的关系

潘长钢，祁长春

(中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300451)

0 引言

通过G枪激发原理(2008)[1]、理想气态方程(2009)[2]、范式气体理想化的气态方程(2013)[3]，推导出船舶在油气勘探作业中船速与震源空压机输出气量的关系，即船速越快枪与枪之间激发的时间间隔越短，造成枪阵所需的供气量越多，也就是震源空压机供气量加大，所以震源空压机的输出压力与船舶速度成正比变化，船速越快震源空压机就要给震源单(双)源阵列(2015)[4]上的G枪提供越多的工作(高压)空气。

1 震源空压机输出压力与单(双)源枪阵容量之间的关系

首先，假定震源空压机(2006)[5]输出的气体为理想气体。理想气体状态方程，又称理想气体定律、普适气体定律，是描述理想气体在处于平衡态时，压强、体积、物质的量、温度间关系的状态方程。它建立在玻义耳-马略特定律、查理定律、盖-吕萨克定律等经验定律上(2002)[6]。其方程为pV=nRT。这个方程有四个变量：p是指理想气体的压强，V为理想气体的体积，n表示气体物质的量，而T则表示理想气体的热力学温度；还有一个常量：R为理想气体常数。可以看出，此方程的变量很多。因此方程以其变量多、适用范围广而著称，对常温常压下的空气也近似地适用。一般认为范式气体方程在大体积极限下和理想气体状态方程一样。结合气体分子动理论(2009)[7]，根据理想气体状态方程和范式气体状态方程，导出了等压容积定律。在等压最大值情况下范式气体可过渡到理想气体(2019)[8]。

根据状态参数的数值仅决定于气体的状态，而与达到这种状态所经历的变化过程无关。对于给定的状态，所有的状态参数都各有确定的值，当设定压力恒定、温度恒定、气源质量恒定，则其状态即时稳定(即从空压机出口到达枪内蓄压完成)，容积V也不变。

说明：一定质量的气体状态方程式，压力和体积的乘积与其绝对温度之比，稳定后在某一瞬时为常数。故G枪(2019)[9]激发要求与压力，枪和枪激发时间间隔量，对点火压力的要求与枪的容量和激发时间间隔有关，其关系如下式：

式中：P为Firing pressure(6.89×10-3MPa)，V为Volume of the gun(16.39 cm-3)，C为Firing interval (s)。

2 震源空压机输出气量与船速之间的关系

实际作业中，根据甲方提供的作业参数，可以得知枪阵的激发压力(P)，枪与枪之间激发间隔距离(S)。同时，如果既定的压力不变，通过时间(T)、速度(V)、距离(S)之间公式关系(T=S/V)可以得出枪与枪之间激发的时间间隔与船舶的速度成反比，即船速越快枪与枪之间激发的时间间隔越短，造成枪阵所需的供气量越多，也就是震源空压机供气量加大，所以震源空压机的输出压力与船舶速度成正比变化，船速越快震源空压机就要给枪阵提供越多的气量。

通过G枪激发原理和范式气体理想化的气态方程推导出船速与震源空压机输出气量成反比的关系后，对在船舶作业期间控制运转成本提供了具体的可行性操作的理论依据。

3 实例解析

某工区作业参数要求(即设为已知条件)：

(1)双源交替响炮；(2)单源枪阵容量6605 cm-3；(3)炮间距25 m；(4)响炮时作业压力14 MPa；根据以上4个已知条件可以推算出油气勘探地震资料采集(2019)[10]作业时相应船速下的单源枪阵响炮所需的供气量，进而推算出作业期间震源空压机的供气量。

通过已知作业参数，结合理论公式可以得出，船速越快枪与枪之间激发的时间间隔越短，造成枪阵所需的供气量越多，也就是震源空压机供气量加大，所以震源空压机的输出压力与船舶速度成正比变化，船速越快震源空压机就要给震源单(双)源阵列上的G枪提供越多的工作(压缩)空气。

震源空压机额定输出气量固定值不变(51 m3/min)。通过图1可以直观地看出船速越快，枪阵所需的供气量越多，也就是震源空压机供气量加大，即震源空压机的输出压力与船舶速度成正比变化，船速越快震源空压机就要给枪阵提供越多的气量。如图船速在4.5～4.65(节)时是震源空压机(单台)最优工况。

图1 单源枪阵激发供气量与船速之间的关系

4 结语

综上所述，根据甲方的作业合同参数可以在开工前推算出作业船速，再结合工区海域的洋流、潮汐、电缆长度及所能承受做大拉力等具体客观因素，可以对大型能耗设备震源空压机的能耗作出预判。理清船速与震源空压机输出气量成反比的关系后，对于船舶作业期间的运转成本控制有了具体的可行性操作依据。其一，作业船舶可以根据震源空压机额定输气量和枪阵型号以及甲方作业参数推导出单台空压机运转时的极限船速。空压机操作人员可以根据具体情况决定启动空压机的数量，而不是盲目的启动。当船速达到临界单台极限船速时，轮机部值班管轮和空压机值班人员可以提前做出预判，实现大型设备的软启动，减少大型设备启动时对主电网的冲击，降低因为对主电网冲击造成跳电等隐性灾难的发生概率。其二，针对物探地震资料采集船舶，船速的设计是根据电缆承受的最大拉力及主辅机容量大小、船舶空间大小等综合因素设计的，物探采集船舶作业航速(此船速是地震资料采集船舶的专有属性)在已知设计的最大作业船速及市场主流作业参数时，可以推算出单台震源空压机的额定输出气量，从而在设计之初就可以把大型设备安装成本进行有效地把控。