Сейсмоисточник для создания сейсмических волн на акваториях

Изобретение относится к невзрывным источникам сейсмических волн, применяемым при проведении сейсморазведочных работ на акваториях: озерах, реках, морях сейсмоисточник содержит частично погруженное в воду плавсредство, источник линейной механической силы, первая подвижная часть которого присоединена к пригрузу, имеющему возможность перемещения вверх, а вторая - к ударнику-излучателю. В днище плавсредства выполнено отверстие, по его периметру к днищу присоединен корпус, который может быть частью плавсредства. В корпусе над отверстием расположен ударник-излучатель, который имеет возможность перемещения вниз и частично погружен в воду. Через упругие элементы ударник соединен с пригрузом, а пригруз оперт на корпус. Технический результат: повышение коэффициента преобразования потребляемой сейсмоисточником энергии в сейсмическую, реализация возможности ударного режима воздействия на водную среду и снижение расходов на эксплуатацию. 8 ил.

 

Изобретение относится к невзрывным источникам сейсмических волн, применяемым при проведении сейсморазведочных работ на акваториях: озерах, реках, морях.

Сейсмические волны в жидкой среде образуются при создании в ней объемных возмущений, следствием которых является возникновение в среде градиента давления. Величина объемного возмущения и скорость его формирования определяют мощность и частотный спектр создаваемых волн.

Известны и получили наибольшее практическое применение пневматические сейсмоисточники (1. Шерифф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка: В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1987, 448 с., ил. (стр.329). 2. Кордик В.Н. Технические средства для возбуждения сейсмических сигналов в морской сейсморазведке. - М.: 1990. - 55 с. (Региональная и морская геофизика: Обзор/ВНИИ экон. минер, сырья и геол.-развед. работ. ВИЭМС) (стр.5)), которые образуют объемное возмущение в водной среде посредством выпуска в нее сжатого воздуха из специального устройства (“пневмопушки”).

Основные технические недостатки сейсмоисточников-пневмопушек, состоят в следующем.

1). Открытие отверстия для выпуска сжатого воздуха обычно обеспечивается специальным электромагнитным клапаном с последующим применением двухступенчатого пневмоусиления. Такая система обеспечивает недостаточную точность синхронизации работы нескольких пневмопушек между собой и с сейсмостанцией.

2). Сейсмоисточник необходимо опускать в воду, что усложняет его эксплуатацию.

3). Пульсация газового пузыря во время его движения к поверхности воды создает сейсмические помехи, а использование сейсмоисточников на малых глубинах становится нецелесообразным вследствие значительных потерь энергии.

4). Применение компрессора (или достаточного количества баллонов со сжатым газом), передача воздуха по шлангам в пневмопушку для ее "заряда" сопряжены с эксплуатационными недостатками и определяют низкий коэффициент использования энергии первичного источника для создания энергии сейсмических волн.

Известно (Pat. 5978316 (USA)/ Marine seismic source/ Ambs et al. - 1999) принятое за прототип устройство для создания сейсмических волн в воде. Оно содержит совпадающие с заявляемым изобретением существенные признаки: плавсредство, частично погруженное в воду, упругие элементы, пригруз и линейный силовой привод (источник механической силы), первая подвижная часть которого присоединена к пригрузу. А также отличные от заявляемого изобретения существенные признаки: нижняя часть корпуса плавсредства (днище), выполняющая функцию излучателя сейсмических волн, вторая часть упомянутого источника силы присоединенная к днищу, а также соединенный через упругие элементы (пружины) с днищем плавсредства пригруз.

Недостатком этого сейсмоисточника является его низкая сейсмическая эффективность, обусловленная низким коэффициентом преобразования механической энергии силового привода в сейсмическую из-за большой массы плавсредства, являющегося излучателем сейсмической энергии, и значительными затратами энергии на создание поверхностных волн во время формирования основной, полезной волны. Непосредственный контакт излучающей поверхности сейсмоисточника со средой не позволяет без дополнительных мер производить на нее ударные воздействия. Кроме того, так как все днище является излучателем, то на него должны накладываться дополнительные требования, что вызывает увеличение расходов на изготовление и эксплуатацию сейсмоисточника.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение сейсмической эффективности сейсмоисточника и расширение возможностей его применения. Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента преобразования потребляемой сейсмоисточником энергии в сейсмическую, реализация возможности ударного режима воздействия на водную среду и снижение расходов на эксплуатацию.

Упомянутая задача достигается тем, что в днище частично погруженного в воду плавсредства выполнено отверстие, по периметру которого к днищу присоединен корпус, который может быть частью плавсредства. Первая подвижная часть источника линейной механической силы присоединена к пригрузу, а вторая - к ударнику-излучателю, который расположен над отверстием и частично погружен в воду. Ударник через упругие элементы соединен с пригрузом, а пригруз оперт на корпус, или ударник через упругие элементы соединен с корпусом, а пригруз оперт на ударник либо корпус. Ударник имеет возможность перемещения вниз, пригруз имеет возможность перемещения вверх. В воде под ударником помещен объемный упругий элемент - ресивер, выполненный с возможностью частичного уменьшения своего объема при увеличении давления в окружающей его воде.

Отличительными от прототипа признаками являются выполнение излучателя в виде частично погруженного в воду ударника, помещенного над отверстием днища плавсредства и обеспечивающего эффективность использования механической энергии импульсного источника силы, присоединение второй подвижной части источника линейной силы к ударнику, а, также, применение объемного упругого элемента - ресивера в водной среде под ударником, позволяющее реализовать ударный режим с целью повышения коэффициента передачи энергии от ударника и источника силы в энергию воздействия на нагрузку (водную среду).

Предложенное решение повышает сейсмическую эффективность применения сейсмоисточника за счет повышения коэффициента преобразования потребляемой сейсмоисточником энергии в механическую энергию ударника-излучателя, за счет более высокого коэффициента преобразования энергии ударника в сейсмическую энергию, а, также, за счет изменения спектра излучаемого сигнала.

На фиг.1 представлен вид сбоку с половиной продольного разреза сейсмоисточника, на фиг.2 - вид сверху, на фиг.3 - фронтальный вид с половиной поперечного разреза, на фиг.4 и 5 - варианты исполнения сейсмоисточника (фронтальный вид с половиной поперечного разреза), на фиг.6 - диаграмма работы сейсмоисточника, на фиг.7, 8 - варианты конструктивного исполнения объемного упругого элемента - ресивера.

На чертежах и следующем их детальном описании для удобства иллюстрации характерных особенностей изобретения показан вариант конструктивного исполнения различных узлов, а также выбран, для примера, тип источника линейной силы - импульсный электромагнитный двигатель на короткоходовом электромагните, являющемся эффективным типом двигателя для рассматривающихся условий.

Сейсмоисточник (фиг.1, 2, 3) содержит плавсредство 1, которое частично погружено в воду. В днище плавсредства выполнено отверстие 2, по периметру которого установлен корпус 3, который может являться частью плавсредства. Корпус обеспечивает защиту от попадания жидкости внутрь плавсредства, а также конструктивную связь некоторых узлов сейсмоисточника, раскрытую ниже. Над отверстием расположен ударник-излучатель 4, причем расположен он таким образом, чтобы его излучающая поверхность была погруженной в воду. Ударник 4 соединен с корпусом 3 через упругие элементы 5 с возможностью перемещения вниз. На ударник 4 оперт пригруз 6, к которому присоединена первая подвижная часть источника линейной механической силы, которая на фиг.1-5 является индуктором 7 электромагнита с обмоткой возбуждения 8. Вторая подвижная часть источника линейной механической силы, которая на фиг.1-5 является якорем 9 электромагнита, оперта на ударник 4. Якорь 9 и индуктор 7 разделены зазором 10. Обмотка возбуждения подключена кабелем 11 к электрической системе питания 12 (генератору импульсов тока).

В вариантах сейсмоисточника (фиг.4, 5) в виде альтернативы выражены связи между элементами. В варианте сейсмоисточника на фиг.4 пригруз 6 оперт на корпус 3, а ударник 4 через упругие элементы 5 соединен с пригрузом 6. Такое решение позволяет использовать упругие элементы 5 с меньшим усилием, так как они должны компенсировать вес ударника 4 и якоря 9, в отличие от варианта на фиг.1-3, где добавляется вес пригруза 6 и индуктора 7 с обмоткой возбуждения 8. В варианте сейсмоисточника на фиг.5 на корпус 3 оперт пригруз 6 и с корпусом же через упругие элементы 5 соединен ударник 4. При этом помимо уменьшенных требований к упругим элементам 5 добавляется (по сравнению с вариантом на фиг.4) более предпочтительное позиционирование ударника 4 относительно корпуса 3, так как корпус в процессе работы перемещается меньше, чем пригруз 6. Достоинством варианта на фиг.1-3 является повышенная стабильность зазора 10 между якорем 9 и индуктором 7, обусловленная независимостью от упругих элементов 5.

При любом, допускаемом описанной альтернативой, выборе связей в вариантах (фиг.1-3, фиг.4 и фиг.5), заявленный технический результат остается неизменным. И работа устройств (вариантов) происходит, в основном, одинаково, поэтому описание работы приведем для варианта на фиг.1-3, а особенности работы других вариантов (фиг.4 и фиг.5) отметим особо.

Сейсмоисточник работает следующим образом. В момент t_o (фиг.6) от генератора 12 через кабель 11 по обмотке возбуждения 8 электромагнита начинает проходить ток и между якорем 9 и индуктором 7 электромагнита создается электромагнитная сила 13. Под действием этой силы якорь с ударником-излучателем ускоряются вниз. В результате в воде ударником-излучателем создается импульс давления 14 (фиг.4), и формируется сейсмическая волна.

Одновременно с движением якоря 9 вниз с момента t_o под действием силы 13 происходит ускорение пригруза 6 вверх. В результате встречного движения якоря 9 и индуктора 7 с пригрузом 6 зазор 10 между якорем и индуктором уменьшается к моменту t₂ до нуля, между ними происходит ударное взаимодействие и сила 13, действующая на ударник 4, становится равной нулю. Масса индуктора 7 и пригруза 6 многократно превышает массу якоря 9. Поэтому с момента t₂ (фиг.4) якорь отрывается от ударника и вместе с индуктором и пригрузом перемещается в поле силы тяжести вверх с последующим падением вниз. Описанное ударное взаимодействие якоря 9 и индуктора 7 является особенностью данного типа двигателя. Поэтому, в случае использования другого типа источника линейной механической силы, его соответствующую подвижную часть можно присоединить к ударнику 4 без возможности отрыва от последнего.

Для ограничения возрастания скорости и снижения силы удара по ударнику 4 (по корпусу 3 в вариантах на фиг.4, 5) при возврате в исходное положение пригруза 6 с индуктором 7, можно применить демпферное устройство, уперев одну из опор которого в пригруз 6, а другую - в ударник 4 (для вариантов на фиг.4, 5 - в корпус 3).

Ударник 4 возвращается в исходное положение под действием упругих элементов (пружин) 5, а якорь 9 опирается на ударник 4. Для более точной установки и регулировки положения ударника 4 можно использовать известные технические решения. Например, установив дополнительные упоры, к которым упомянутыми упругими элементами 5 можно прижать ударник 4. Для варианта на фиг.1-3 упоры должны закрепляться на корпусе 3 (или быть его частью), а для вариантов на фиг.4, 5 упоры могут закрепляться как на корпусе 3, так и на пригрузе 6 (либо быть их частью).

При пропускании по обмотке возбуждения следующего импульса тока происходящие в сейсмоисточнике процессы повторяются, и создается очередная сейсмическая волна.

Для изменения формы и длительности импульса давления в воде и соответствующего изменения частотного состава (изменение доли полной энергии, преобразуемой в акустическую, изменение распределения акустической энергии по частотам спектра) создаваемой сейсмической волны в воде под ударником помещен объемный упругий элемент-ресивер 15 (фиг.1-5). Он при всем многообразии возможных вариантов исполнения должен обеспечивать частичное уменьшение своего объема при увеличении давления в окружающей его воде.

Особенности принципа действия и работы ресивера рассмотрим на возможных вариантах его воплощения. Ресивер, представленный на фиг 7, представляет собой заполненный воздухом объем, образованный двумя стаканообразными деталями 16, 17, вставленными друг в друга. Дно каждого из "стаканов" обращено наружу от объема. Между боковыми поверхностями расположено уплотнение, препятствующее попаданию жидкости внутрь объема. Начальное положение задано пружиной 18, причем таким образом, чтобы оставалась возможность определенного перемещения частей в направлении уменьшения объема до касания краем внутреннего "стакана" 16 дна внешнего стакана 17. Работает ресивер следующим образом. После уже описанного начала движения ударника-излучателя 4 расположенный вблизи него ресивер при возникновении избыточного давления в воде уменьшает свой объем. Вследствие этого ударник 4 практически не встречает сопротивления среды и относительно свободно набирает скорость. В момент, когда свободный ход в ресивере выбран (края внутреннего "стакана" 16 уперлись в дно внешнего 17) возникает эффект гидравлического удара (кривая давления 19 на фиг.6). Удар обусловлен тем, что с этого момента жидкость представляет из себя однородное упругое полупространство, в котором вблизи ударника 4 невозможно относительно свободное ее течение. С описанного момента начинается основная передача кинетической энергии уже разогнавшегося ударника 4 в акустическое излучение. Наличие начальной скорости обеспечивает количественное и качественное изменение спектра акустического излучения. Благодаря возможности регулировки разницы между начальным и конечным объемом ресивера, а также длительности действия силы двигателя возможно изменение спектра излучаемого сигнала и повышение согласованности работы сейсмоисточника на нагрузку (водную среду).

На фиг 8. представлен второй возможный вариант выполнения ресивера. Ресивер содержит жесткий каркас 20 с множеством отверстий малого диаметра, выполненный в виде трубы. На каркас надета упругая оболочка - камера 21, выполненная, например, из резины. Внутренний объем камеры 21 заполнен газом (воздухом), недоступен для воды и может быть соединен с внешним компрессором. Для создания ударного режима в упомянутый объем нагнетается воздух, и внутренняя поверхность камеры 21 отделяется от каркаса 20. При срабатывании сейсмоисточника увеличивающееся в окружающей среде давление сжимает камеру 21, воздух при этом переходит внутрь трубы-каркаса 20 через ее отверстия. В определенный момент камера "ложится" на каркас, существенное продавливание камеры в отверстия исключается их малым радиусом, при этом возникает эффект гидравлического удара.

С целью снижения звукового шума в местах опоры пригруза 6 на корпус (фиг.4, 5) или ударник 4 (фиг.1-3) и якоря 9 на ударник 4 могут быть помещены прокладки из эластичного материала.

Разработаны рабочие чертежи опытного экземпляра сейсмоисточника

для создания сейсмических волн на акваториях на следующие параметры.

1. Создаваемое электромагнитом усилие - 25·10⁴ Н.

2. Масса пригруза - 2000 кг.

3. Диаметр излучающей поверхности ударника - 0,8 м.

4. Зазор в электромагните - (4...10)·10^-3 м.

5. Масса сейсмоисточника (без плавсредства) - 3000 кг.

6. Период повторения циклов работы - 6 с.

7. Средняя потребляемая мощность - 700 Вт.

8. Режимы работы: ударный, давления (при ресивере с выбранным "свободным ходом" объема).

Источники информации

1. Шерифф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка: В 2-х т. Т.1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1987, 448 с., ил. (стр.329).

2. Кордик В.Н. Технические средства для возбуждения сейсмических сигналов в морской сейсморазведке. - М.: 1990. - 55 с. (Региональная и морская геофизика: Обзор/ВНИИ экон. минер. сырья и геол.-развед. работ. ВИЭМС) (стр.5).

3. Pat. 5978316 (USA)/ Marine seismic source/ Ambs et al. - 1999 (прототип).

Сейсмоисточник для импульсного создания сейсмических волн на акваториях, содержащий частично погруженное в воду плавсредство, упругие элементы, пригруз и источник линейной механической силы, первая подвижная часть которого присоединена к пригрузу, отличающийся тем, что в днище плавсредства выполнено отверстие, по периметру которого к днищу присоединен корпус, который может быть частью плавсредства, вторая подвижная часть упомянутого источника силы присоединена к ударнику-излучателю, который расположен над отверстием и частично погружен в воду, ударник через упругие элементы соединен с пригрузом, а пригруз оперт на корпус, или ударник через упругие элементы соединен с корпусом, а пригруз оперт на ударник либо корпус; ударник имеет возможность перемещения вниз, пригруз имеет возможность перемещения вверх; в воде под ударником помещен объемный упругий элемент - ресивер, выполненный с возможностью частичного уменьшения своего объема при увеличении давления в окружающей его воде.