论可应用于小型船舶海洋地震勘探业中高压变容式压缩机的发展

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论可用于小型船舶海洋地震勘探业中高压变容式压缩机的发展作者DanDｏrｒan，AtlaｓＣｏpｃｏRental版权归2014年近海技术会议所有本文为201４年5月5-8日在美国德克萨斯州休斯顿举办的近海技术会议所准备.本文由近海技术会议委员会在审查作者提交的内容摘要后被选定在本次会议呈现。本文具体内容并未由近海技术会议审查还有待作者更正。该材料并不一定反映本次近海技术会议及其官员或成员的位置。未经此次近海技术会议书面同意,禁止对本文任何部分进行复制分发或储存.本文印刷复制许可限制为不超过３0０字的摘录；插图不得复制，摘录必须包含明显的近海技术会议著作版权。摘要为了满足近海石油和天然气在探索和生产过程中环保、安全性和可靠性方面的需求，高压压缩机的开发、制造、维修和服务给制造商带来了巨大的挑战。专业且便于租借的压缩机必须适于船只在有限的工作环境中进行地震勘探，因此压缩机应在固定性和稳定性方面提供可靠的保障。同时，对于新采集技术的缓慢发展，制造商也面临着很大的挑战，而这项技术旨在解决由海洋生物安全隐患引起的气枪震源问题。终端用户、气枪供应商以及压缩机制造商将致力为客户服务，争取满足客户的应用需求。本文将详细地讨论这类压缩机的发展以及制造商面临的挑战。引言2013年第三季度全球经济恢复状况表明运输及其它消费产品对石油和天然气的需求增加。2０13年12月6日，休斯敦纪事报的一篇文章写道,201４年每一个石油天然气主要运营商的支出要比前一年预算多出6%,从而加强墨西哥湾和国际近岸区水域的勘探（伊顿，２013)。美国能源信息管理局（ＥIA）和主要石油生产商达成了预后共识,确信墨西哥湾的石油租赁许可在下五年会是稳步增长趋势，为满足生产要求,其额外增加了对国际水域的勘探（图1).这种增长所需要的可用于海洋地震勘探的固定船只数量比当前更多。如此强劲的预期极大地激励了油气勘探生产商对这一细分市场供应需求的关注。这一趋势预计将为所有主运营商带来诸多挑战。计划船只有限的的可用性将得到最大限度的利用,改制船只和临时地震采集船只的使用需求也将大大提高。地震勘探的指数级增长使得该行业不得不寻求技术创新，从而寄希望于发展维护现有的生产站点，如将一般船只应用于垂直地震剖面(VSP)程序。图1-美国能源信息管理局(EIA）预测20１4年生产趋势上升(短期能源展望）全球勘探的快速增长正在向更多极端气候区的已知生产领域扩大，各项设备的运作将会按照预期变得准确可靠，其运作环境也将比以往任何时候都更规范.最后，企业将对环境安全给予前所未有的关切,各项设备不得在运输或使用过程中的任何环节产生不利的生态效应。对于海洋地震勘探而言，船只的使用是最大的资本投资。能够使大型气枪阵列的射击覆盖区域最大化的专用船只是最理想的,但建造专用船只所花费的巨大开销和时间迫使业内寻找其它方法，现有船只可将枪阵列极其辅助设备放置于甲板之上或之下。无论适用于浅水区域还是深水区域,这些船只都配有出租和租赁设备。用于垂直地震剖面船只的基本声源设备是可以驱动声波气枪阵列的压缩机。随着专用船只对固定性船载高压压缩机需求的增加，压缩机制造商正在加紧生产压缩机,小型船只配备这种空气压缩机可充分保障其可靠性，同时可达到高压(20０0~50０0psi），也具有灵活可变的容量（100至800立方英尺).这种压缩机将达到甚至超过设计最初所要达到的效果，从而达到全球勘探行业的标准.计算机可以运用独特的映射方法检测并绘图定位任何石油和天然气的储存位置，其最远可达到地下6000米。地震勘探直到20世纪２0年代，寻找石油储备的唯一途径就是通过地表渗透以及在现场偶尔成功的钻探,1921年，约翰·C·卡彻领导一个小技术团队在奥克拉荷马州的农场做了一个成功的实验，这个实验证明了他的理论，那就是从地下反射回来的炸药爆炸的低频声波压力振动能有效地探测其隐藏的结构，他推测，由于不同的材料对波的吸收、反射和透射有差异，所以精确测量声波脉冲反射的时间和强度,应该可以提供有关地层形成足够可靠的信息。之后在19２4年，仅通过使用新技术就发现了位于德克萨斯州布拉佐里亚县纳什盐丘地下的油田。此后这项新技术很快得到了创新.仅一年后，德克萨斯州的一个地质学家提出使用类似于陆地地震研究中捕捉和记录声波反射的灵敏地震仪，这使得研究人员用更小型的炸药即可完成工作。事实上，地震仪的使用在某些情况下代替了大型吊锤的重量,而其与地面的作用，使其成为振动源。对于这种灵敏测量设备的命名,其发明者称之为“地震勘探技术。”最初使用的单一声波或“音波”,其震源与记录设备只能提供非常有限的信息,且其只在许多环境条件已知并在考虑之内时才适用.复合炸点数组测量的实施可以提供更高的成像质量;但同时也存在许多物理障碍.其中最主要的困难就是破译和排除不相关的振动,“噪音"源于环境的不断产生,同时也是自身过程所造成的。通过地下以及地表结构，爆炸过程会发生声源的复合反射和回波。２0世纪７0年代数码科技的使用使设备设计得到了极大的发展，在功能性更好的同时其体积与重量也大大减少。数码科技与计算机的结合使用创建了更详细的图片和更大的数组。如今，地震勘探经常应用三维和四维（定时）的地球物理勘探技术在陆地或海上寻找石油和天然气。在海上，在大型专用地震勘探船上,数十组等浮电缆可以在数英里之内追踪船只，再通过数百个水听器获取信息。根据这个应用，经过改制的小型地震勘探船只不仅增强了其全球可用性,还在某些应用中，如浅水区和过渡区（TZ）的地震绘图定位,变得更加适用兼容。海洋地震应用根据开发者所要求的信息、现场条件及其可访性,海洋地震勘探可以通过几种不同方式进行。例如，在强大的潮汐或风力情况下,高质量3D图像和数英里的等浮电缆就变得不切实际了。大多数海洋地震调查使用压缩空气作为声源。根据声源产生的压力和横波从源头反射至灵敏记录仪的情况来看（图２）,有以下四种常见勘探方式。图2:海洋地震活动概述（图2与图1均由JackCaldｗell在201１年绘制)其表明了四种常见海洋地震勘探方式：（1)等浮电缆勘探;（２）海底地震勘探；（3）海底阵列勘探；(4）垂直地震剖面勘探.浅水区和过渡带的勘探方式并不包含其中。等浮电缆勘探世界上超过百分之九十的海洋地震数据是通过牵引气枪阵列并记录大型船只后水听器数据而获得的，这使得等浮电缆勘探成为在开放水域进行地震勘探最常见的手段（OGＰ２011）。１９84年,通过多缆牵引，根据两个声源和两个水听器所显示的情况，实现了成功绘图定位。之后则需要协调设备,通过操控以及信息获取以确定一次可以牵引多少。在一些情况下，牵引阵列可以达到六英里甚至更多。在一次实例中,一艘船牵引16个阵列则需要４4英里电缆(OGP2011）.轨道式牵引阵列操作对精密度有很高的要求.有障碍物或有干扰声波反射结构的水域，比如珊瑚礁，沙洲，含生产设备区域或是防洪堤,这些使得勘探面临更大挑战。在事后处理方案中，虽然有一种被称为“脱靶”的外推技术可以用来弥补丢失或错误的数据，但可靠的压缩机才是等浮电缆勘探工作的重中之重。海底地震勘探（ＯBS)安装在海底的地震检波器、加速度计或水听器是另一种常见的地震勘探技术。由于这种勘探技术需要将记录设备置于海底,表明这项技术更应该进行储集层的定义性研究而非波源研究。各种设备以及相应的放置方式，锚固方式或是水听器的购买都是可行的。这些设备是通过潜水员手动操作或远程车辆自动操控被放置的（ROV）。空气枪源船舶提供声波从而反映地层的数据。垂直地震剖面勘探（VSP）因为垂直地震剖面的方法是通过近距离声源和悬浮在井间的检波器来执行的，所以它可以从一个不那么强大的声源捕捉更高频的宽带数据从而产生更高分辨率的成像.声源可以悬挂在某种固定结构,最常见的是由位于固定位置的源船舶产生，或是通过源船舶制造精密的通路。浅水区/过渡区(ＴＺ）勘探海洋过度地带数据的采集在行业中被认为是最具挑战性的。因为它们出现在水浅的内陆或是沿海土地和深水层之间的界面，所以被成为称为“过渡区”。这种类型的勘探范围包括大湖、河口甚至沼泽。这种方式给勘探员带来的挑战包括等浮电缆和普通电缆缠绕住水下岩石、植被、珊瑚礁、垃圾和残骸,同是也会受到潮汐作用和波浪情况的限制。每个浅水区和过渡区勘探所用等浮电缆中均包含波源和水听器。浅水区和过渡区的勘探往往需要较小的船只,甚至是小筏，因此,体积小的船用压缩机必不可少.海洋地震勘探压缩机要求第一批用于海洋探索的声波气枪是在２0世纪6０年代中期引进的。由于规格类似，早期的空气压缩机是由消防员或潜水员所用压缩机及修改而成的.如今在某些特定情况下，这种早期压缩机依然被用作气源.直至2０世纪８0年代末90年代初，适用于非特制地震勘探船只及垂直地震剖面船只的压缩机才从其它应用程序被改制而成,这其中包括有其它用途的二手压缩机甚至是改进式机车发动机。这些改制往往是由设备的最终用户或能力有限的相关人士进行的.复合压缩机的改制包括将空气压进压缩机，在增压压缩机的压力进一步增强之前对空气进行压缩。这种装备一般会安装一个滑轨,多作为短期使用。所有的改制式复合式压缩机的压缩范围是１0０立方英尺至1800立方英尺,其中大部分均可压缩1０0立方英尺，其耐压可以达到２000至50０0psi。根据设定,气枪阵列一个爆炸周期为4到60秒，因此,坦克接收机，也称为蓄电池或缓冲区,通常与压缩机协作在每一次气枪爆炸之后维持设备体积与受压的稳定平衡。目前海底地震勘探、等浮电缆勘探以及垂直地震剖面勘探对设备有了更高的要求，同时也要求供应商给工具组添加设备仪器,而数组以及使用集群也有了更大的容量需求。因此，制造商和终端用户都尝试创新空气枪的设计。然而当前的应用程序依然保持着200０到3０00pｓi的耐压范围，这也是由于环境和物理方面的限制。直到现在，石油天然气勘探行业也很少有压缩机通过了国际船级社的认证,也很少有发动机符合环保标准或是其它附加的的安全功能。为了克服这些局限性,行业标准将备份压缩机、零件或设备的数量升至两倍或三倍。而这复杂冗余的设备安排又占用了更多的空间，因此这一度让小型船只无法安装设备完成工作。然而在今天，该行业也见证了新一代压缩机的发展,且其可以广泛地应用于海洋地震勘探,其应用范围包括浅水区和过渡区的勘探、海底地震勘探、垂直地震剖面勘探甚至是等浮电缆勘探.它们已不再是临时使用的转换器而是在这个市场占领先头的压缩机,它们也改进用耐腐蚀材料增加使用寿命。有些发动机和增压空气的工具是通过海水保持冷却。由于船上空间极其受限，且船又要按要求进行程序和操作,所以即便是维修单位也得到了简化，且维护间期也已延长.专用压缩机与改制压缩进的优点比较如今船用压缩机的设计制造已直接在用户、运营商以及政府法规方面发生了变化,在有些情况下,主要运营商的指导方针也会发生变化。而其优化的方面包括可靠性、灵活性、尺寸、重量、简洁性、可用性、易于维护修理以及维修间期的延长.此前陆地用压缩机在海洋勘探中所出现的障碍已被领头的制造商克服，而各方面性能重要性排序为：安全至上,接着是可靠性、重量、体积以及易用性。通过国际船级社2－7.1最小框架和容器标准的认证,使用经过环保署批准的三级以上发动机而制成的柴油压缩机，该设备的环境及人身安全隐患已经不复存在，且每个部分都有标准的超速紧急停止保护装置.该设备保证具有溢油和冷凝容器,如今的的顶级压缩机还可以降低噪声以优化船员的工作环境，此外,可通过多种安全的方式移动设备,从而防止危险的发生。该框架包括叉槽，DNV吊索缝隙，和指定起吊点。该设计也将诸多安全项目纳入考虑，如冷却器和消声器的热包装,紧急停止,背压阀,等,它们被作为主体项目而不是附加项目。新一代压缩机适用于恶劣的咸水环境，并且可以在所有温度的环境中工作，其范围可以从极冷到极热。该设备不仅在环境和人身安全方面采取了措施，其发动机也为“肮脏的燃料”做好了准备，添加了燃料过滤系统的设计，所以即使在燃料质量不可靠的地方进行操作，该设备也是完全可行的。根据其流量范围,海洋用压缩机通常有四类：100立方英尺，200至３00立方英尺，500至800立方英尺，800CFM及以上.由于100立方英尺的压缩机体积小重量轻，所以一直以来应用最广泛.它也可以结合其它部件，或与其它部件“联动”，从而达到1300立方英尺及以上的流量。如今市面上的压缩机如此强大高效，制造商新推出的流量为３00立方英尺的压缩机只占以往流量为100立方英尺压缩机所需的空间。这样紧凑的设备使压缩机在较小型地震勘探中也能够应用，这也节省了船只甲板上宝贵的空间,使小型船只也可以完成大型船舶的工作。当需要时,这些模块化的部件组合也可与其它压缩机结合，以满足更高的流量要求，而其只占三分之一的空间：三组空气压缩机输送900立方英尺的空气,六组压缩机输送1800立方英尺的空气.为了使设备操作简单、维修间期延长，新一代压缩机还采用了现代化的控制面板以简化操作面板。车载蓄电池和圆顶压力控制的设计符合人体功学，燃料和石油过滤器有共同的服务区域。通过制造商的努力，新设备的使用部件与所需液态物质在全球范围内可见,这表明在全球任何地方都具有其服务能力。总结:海洋地震勘探给压缩机制造商带来了一系列独一无二的要求与挑战，然而,就像地震勘探领域远扬的声誉那样,他们可以快速创新解决最复杂的挑战。如今世界上顶级的压缩机制造商已经对不同的挑战应付自如。小型船只现在也能做大型专用地震勘探船的工作.等浮电缆勘探、海底地震勘探、浅水区和过渡区勘探以及垂直地震剖面勘探的可用船只会不断改进,从而与行业不断发展的需求比肩通行。参考文献Bｒaｄfield，J。2０12.MapｐiｎgforOil:MarｉneSeisｍｉcSurveyiｎgwithAtｌａｓCｏpcoHｕrriｃａnｅＣom—poundComｐreｓsorsinDeepWaterorＴranｓｉtｉonZones。MarｉｎeTｅchnologｙReporter,Juｎｅ20１２．６ 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