Крутильный сейсмометр

 

КРУТИЛЬНЫЙ СЕЙСМОМЕТР, содержащий корпус, ферромагнитный циск с размещенным в его диаметральHOii плоскости основным чувствительным элементом и калибровочное .устpoiicTHo , отличающийся icM, что, с целью повышения чувствительности в условиях работы в скважине , в него введен 1щентичный дополнительный чувствительный элемент, размещенный Б диаметральной плоскости .ферромагнитного диска перпе1щикулярно основному чувствительному элементу и электрически соединенный с ним в противофазе , а калибровочное устройство выполнено в виде двух идентичных узлов, расположенных симметрично относительно плоскости диска , при этом каж,ц1.й узел содержит две пары симметрично расположенных идентичных возбудителей колебаний, включенных в противофазе и снабженных промежуточными элементами в виде жестких призм, между которыми зажата (Л опора, жестко скрепленная с ферромаг нитным диском и расположенная в его диаметральной плоскости равноудаленно от чувствительных элементов. § 1чЭ сл ел О) со

СОЮЭ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ÄÄSUÄÄ 1125569

З1511 С OI Ч

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3574078/24-25 (22) 07 ° 04.83 (46) 23.11.84. Бюл. 11 - 43 (72) В.Т.Левшенко (71) Ордена Ленина институт физики

Земли им. О.Ю.Шмидта (53) 550.834(088.8) (56) I. Авторское свидетельство СССР

11 641372, кл. G 01 V 1/16, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР

М 828)49, кл. С 01 Ч 1/16, 1979.

3. Авторское свидетельство СССР

II 1087937, кл. G 01 V 1/16, 1982. (54) (57) КРУТИЛЫ1Щ СЕЙСИО11ЕТР, содержащий корпус,.ферромагнитный циск с размещенным в его диаметральной плоскости основным чувствительным элементом и калибровочное .устройство, отличающийся ем, что, с целью повышения чувствительности в условиях работы в скважине, в него введен идентичный дополнительный чувствительный элемент, размещенный н диаметральной плоскости ферромагнитного диска перпендикулярно основному чувствительному элементу и электрически соединенный с ним в противофазе, а калибровочное устройство выполнено в виде двух идентичных узлов, расположенных симметрично относительно плоскости диска, при этом каждый узел содержит две пары симметрично расположенных идентичных возбудителей колебаний, включенных в противофазе и снабженных промежуточными элементами в виде д жестких призм, между которыми зажата е опора, жестко скрепленная с ферромаг нитным диском и расположенная в его диаметральной плоскости равноудаленно от чувствительных элементов.

1125569

Изобретение от»»осится к геофизическому приборостроению и может быть использовано для измерения крутильных колебаний в сейсмометрии и разведочной геофизике. S

Известен крутильный сейсмометр, содержащий корпус, преобразователь, инертную массу, псдвес иэ радиально ориентированных гластин и три подвижных диска (1) °

f0

Недостатком сейсмометра является то, что инертная масса, подведенная на радиально ориентированных пластинах. реагирует не только на крутигьные колебания, но и на горизонталь- f5 ные колебания, что снижает точность измерения крутильной компоненты.

Известен также крутильный сейсмометр, содержащий корпус, выпопненный в виде ферромагнитного диска, в диа- 20 метральной плоскости которого размещен чувствительнь.й элемент f2) .

Недостатком сейсмометра является низкая точность измерения динамических характеристик сейсмических 25 сигналов. Это вызвано тем, что амплитуда ЭЛС, возбуждаемой катушке сейсмическим сигналом, пропорциональна величине горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Эта величина на территории СССР изменяется от 0,1 0,4 Э, и ЭДС, возбуждаемая одним и тем же сейсмическим сигналом, но в разных регионах может отличаться в четыре раза, что существенно

35 снижает точность измерений и чувствительность п1зибора.

»Iаиболее близким K изобретению по технической сущности является крутильный сейсмометр, содержащий

40 корпус, ферромагнитный диск с размещенным в его диаметральной плоскости основным чувствительным элементом и калибровочное устройство (3J .

1,едостатком известного сейсмометра с»5 является то, что для получения максимальной чувствительности прибора необходима ориентация его чувствитель ного элемента(катушки)вдоль горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Такую ориентацию можно проводигь »»ðè поверхностных наблюдениях, Однако при наблюдениях в скважинах, когда зонд, содержащий сейсмо метр, опускается на значительную глубину, а ствол скважины имеет искривпение, выдержать такую направленность практически невозможно.

При отклонении плоскости катушки от направления магнитного поля чувствительность прибора уменьшается а когда это отклонение достигает а

90 - 10, чувствительность прибора становится практически равной нулю.

Кроме того, система внутренней калибровки известного устройства, расположенная в горизонтальной плоскости относительно ферромагнитного диска, не может быть использована для скважинного прибора из-за ограниченности пространства скважины в горизонтальном направлении.

Цель изобретения — повышение чувствительности в условиях работы в скважине.

Поставленная цель достигается тем, что в крутильный сейсмометр, содержащий корпус, ферромагнитный диск с размещенным в его диаметральной плоскости основным чувствите;ьным элементом и калибровочное уст— ройство, введен иденти иный дополни— тельный чувствительный элемент, размещенный в диаметральной плоскости ферромагнитного диска перпендикулярно основному чувствительному элементу и электрически соединенный с ним в противофазе, а калибровочное устройство выполнено в виде двух идентичных узлов, раси ложенных симметрично относительно плоскости диска, при этом каждый узел содержит две пары симметрично расположенных идентичных возбудителей колебаний, включенных в противофазе и снабженных промежуточными элемен— тами в виде жестких призм, между которыми зажата опора, жестко скрепленная с ферромагнитным диском и расположенная в его диаметральной плоскости равноудаленной от чувствительных элементов.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема сейсмометра на фиг, 2 разрез А-А на фиг. 1.

Сейсмометр состоит из ферромагнитного циска 1, размещенных на нем чувствительных элементов(»»апример, катушек 2, закрепленных на поверхности диска опор 3 и удерживающих опоры возбудителей колебаний, состоящих из механизмов 4 перемещения, соцержащих источник 5 колебаний, прикреплен»»ый» K корпусу 6„ и промежуточные элементы 7, выполненные в виде жестких приэл». Источники 5 коле-баний механизмов 4 перемещения жестко прикреплены к корпусу 6 при40

Е,.QiifhNpp Нбр частота воздействующего колебания, Гц; амплитуда колебания в радианах; число витков катушки; магнитная проницаемость пустоты; относительная магнитная проницаемость ферромагнитного диска; где

3 11255 бора, а между ребрами промежуточных элементов 7 зажаты опоры 3, таким образом ферромагнитный диск 1 крепит ся к корпусу 6 посредством опор 3 и возбудителей колебаний..Жесткое крепление опор между задающими устройствами механизмов перемещения

I обеспечивает жесткость прибора при регистрации сейсмических сигналов.

Источники 5 колебаний выполнены, например, на основе пьезоэлементов и в каждой паре подключены к противофазе. Это обеспечивает при калибровке вращение ферромагнитного диска вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр.

Идентичные чувствительные элементы 2 размещены во взаимно перпендикулярных диаметральных плоскостях диска и гоединены в противофазе, 20 что позволяет суммировать ЭДС возникающую в каждой катушке при воздействии на прибор круч рльной составляющей сейсмического колебания.

Прибор работает следующим образом. 25

Прибор опускают в скважину до нужной глубины и приступают к иэмегениям. Геофизические измерения состоят из калибровки и непосредственно измерения сейсмического сигнала.

В процессе опускания прибора в скважину происходит непроизвольное его вращение вокруг вертикальной оси, и ориентация прибора в скважине при достижении им глубины измерения может не совпадать с заданной на по- 35 верхности Земли ориентацией.

При измерении сейсмического сигнала в результате воздействия крутильной составляющей сейсмической волны сейсмометр поворачивается вокруг вертикальной оси и происходит изменение магнитного потока, пронизывающего витки катушек, и в них возникает ЭДС. Амплитуда ЭДС возникающей в одной из катушек rIpH малых 45

0л углах поворота(до 5 ), выражается формулой

69 4 горизонтальная составляющая геомагнитного поля, равная 1, со5 g где напряженность магнитного поля вдоль силовых линий; угол между направлением силовых линий поля и ориентацией катушки;

При Ц, =0 ЭДС. Максимальна и равна

E =2iif1kg и а p g следовательно

Et-E „со5Ч,.

Аналогично определяется, что ЭДС возникающая во второй катушке

Г2- .,ал С 6Ч2

Так как катушки взаимно перпендикулярны, о

CPz= 90< g и поэтому

E = Е„рак co5(90++, 1= Ея,дк (-5

Поскольку катушки подключены в противофазе, суммарная ЭДС.

Е1 ЕZ Еп аклеабk-1I< 5 В ц,) -1

Угол и может изменяться от 0 до

90 в силу идентичности и перпендику лярности катушек. При ОР, =0 и 90

О т.е. при ориентации одной иэ катушек вдс1ль силовых линий поля, ЭДС Е=Е о mx

Пои ОЯ<90 со&, 5 п {,>1 и E

Таким образом, при любой ориентации прибора в скважине измеряемая

ЭДС не меньше Е . В то время, как щал в известном устройстве Е может быть тол достигнуто только при единственном положении прибора — при ориентации прибора катушки)вдоль силовых линий, вероятность которого мала. При всех других ориентациях измеряемая ЭДС

I меньше Е„ „, а при взаимно перпендикулярной ориентации катушки и силовых линий эта ЭДС равна нулю, Таким образом, введение в прибор дополнительной катушки, взаимное расположение катушек и подключение их в противофазе позволяет существенно повысить чувствительность прибора.

Однако определить угол (у, в процессе измерения не представляется возможным, к тому же происходит изменение напряженности геомагнитного поля по глубине скважины и поэтому без предварительной калибровки полученное повышение чунствительнос1125569

ВНИИПИ Заказ 8534/34 Тираж 710 Подпксыое

Филиал ППП "Патввт", r.Óèãîðîä, ул.Проектиая, 4 и нейтрализуется пониженной точнос1ью измерения.

При калибровке прибора на каждую нару источников 5 колебания 5„ выполненных на основе пьезоэлементов, пода ется от внешнего источника знакопеременное напряжение. В связи с явлением обратного пьезоэффекта один элемент нары начинает расширяться, а второй на такую же величину уменьшается н размере. Тот же эффект происходит на соседней паре, зажимающей оп6ру, но в противоположном направлении.

Возникающие колебания передаются через промежуточные элементы 7 на опору 3, и опора 3, жестко зажатая между ними, начинает совершать вращательные гармонические колеоания заданной амплитуды и частоты. Такие же гармонические колебания начинает совершать прикрепленный к опорам ферромагнитный диск 1 с чувствительными элементами 2.

Необходимость изготовления промежуточного элемента в виде призмы выз- вана тем, что контакт между промежуточным элементом и опорой должен быть минимальным и равномерным по всей ширине опоры. B противном случае

t происходит искажение передаваемых

30 колебаний за счет неравномерного распределения силы по опоре, например, при выполнении промежуточного элемента в виде пирамиды или за счет деформации самого промежуточного элемента, например при выполнении е|о в виде прямоугольника. Предлагаемая система из двух идентичных узлов обеспечивает строго заданные вращательные перемещения ферромагнитного диска, а также препятствует его горизонтальным перемещениям, что существенно повышает стабильность во времени амплитуды задаваемого чувствительному элементу гармоничного колебания, а следовательно, и точность калибровки.

Жесткое соединение корпуса и ферромагнитного диска с чувствительными элементами посредством механизма перемещения и опоры позволяет значительно повысить надежность прибора, что имеет большое значение при скважинных измерениях, характеризующихся неблагоприятными условиями. Прибор не содержит системы арретирования, что значительно упрощает проведение измерений сейсмических сигналов в скважинах.

Расчеты и опыты на сейсмометре подтверждают, что использование изобретения позволяет повысить чувствительность прибора до 1,5 раз при одновременном повышени™ точности на 30-407 по сравнению с известным устройством, Кроме того, повышается надежность сейсмической информации,