Способ возбуждения сейсмических волн и устройство для его осуществления

Изобретение относится к сейсмической разведке полезных ископаемых с невзрывными источниками и может применяться при проведении работ в морской сейсморазведке, а также при проведении сейсморазведочных работ на суше и в условиях транзитных зон и предельного мелководья. Энергия в виде мощного импульса тока подается на соленоиды электродинамического преобразователя энергии, в котором происходит ее преобразование в импульс силы. Импульс силы передается через корпус источника одним из оснований электродинамического преобразователя в виде импульса давления в точке контакта источника с исследуемой средой, возбуждая в ней упругие колебания. Рабочим элементом устройства является установленный в корпусе источника электродинамический преобразователь энергии, состоящий из жестко закрепленных на двух плоских основаниях (подвижном и неподвижном дисках) N пар соленоидов, между которыми установлены силовые демпферные распорные элементы. В исходном положении основания с соленоидами отделены друг от друга зазором. При прохождении импульса тока по соленоидам происходит взаимодействие их электрических и магнитных полей. В результате перераспределения действия сил полей силовыми демпферными элементами возникает действующий по оси источника импульс механической силы, который передается неподвижным диском электродинамического преобразователя энергии через корпус источника в виде импульса давления в точке контакта источника с исследуемой средой, возбуждая в нем упругие колебания. В свою очередь, подвижный диск движется в сторону неподвижного диска, преодолевая сопротивление сжатию внутренних силовых демпферных распорных элементов. При прекращении подачи электрического импульса на соленоиды электрические поля исчезают, и подвижный диск под действием демпферных распорных элементов возвращается в исходное положение. Устройство для возбуждения сейсмических волн содержит герметичный цилиндрический корпус с основанием в виде опорной плиты, в котором размещены отделенные зазором N пар соленоидов, жестко закрепленных на двух плоских основаниях, подвижном и неподвижном дисках, причем неподвижный диск жестко связан с корпусом, а подвижный диск установлен между внутренними силовыми демпферными распорными элементами и наружными не силовыми демпферными распорными элементами, с возможностью перемещения в сторону неподвижного диска. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к сейсмической разведке полезных ископаемых, в частности нефти и газа, с невзрывными источниками в морской сейсморазведке, а также может применяться при проведении сейсморазведочных работ на суше и в условиях транзитных зон и предельного мелководья.

Известен пневматический генератор сейсмических волн (патент РФ №2046372, приор. 04.09.1992, МПК G01V 1/02, 1/04, 1/137), содержащий кожух с размещенными в нем подвижным цилиндром, внутри которого установлен шток с поршнями, жестко закрепленный в кожухе, образующие выхлопную щель, управляющую и рабочую камеры, соединенные каналами через электропневмоклапан с источником сжатого воздуха, и кольцевую насадку с дроссельными отверстиями, установленную снаружи выхлопной щели. Над кольцевой насадкой установлен отражатель генерируемых систематических колебаний. Отражатель выполнен в виде щита. Этот генератор предназначен только для работы в условиях предельного мелководья.

Известен способ возбуждения сейсмических волн (патент РФ №2029319, приор. 04.06.1992, МПК G01V 1/02). Сейсмические волны возбуждаются с использованием электромеханического преобразователя, содержащего активную и реактивную части. Способ включает создание запаса кинетической энергии в реактивной части преобразователя и передачу силового воздействия на исследуемую среду механически связанной с ней активной частью, формирование и подачу электрического импульса на обмотку управления движением реактивной части преобразователя, установленную на его активной части. Активную и реактивную части преобразователя устанавливают с возможностью вращения одна относительно другой. Реактивную часть преобразователя приводят во вращательное движение с постоянной скоростью. Силовое воздействие осуществляют путем подачи электрического импульса на обмотку управления.

Этот способ энергетически не экономичен, так как вращение реактивной части преобразователя с постоянной скоростью требует большого расхода энергии. Устройство для его осуществления должно иметь достаточно сложную конструкцию (наличие вращающихся частей и механических связей активной части с исследуемой средой), а также трудо- и энергоемко в производстве.

Известен импульсный источник сейсмических сигналов (патент РФ №2028646, приор. 29.05.1991, МПК G01V 1/02), содержащий излучающую плиту, пригруз с магнитной системой, выполненной в виде магнитопровода с обмоткой возбуждения постоянного тока с кольцевым зазором между его полюсами, и импульсную обмотку. Импульсная обмотка закреплена на полюсах магнитопровода со стороны немагнитного зазора. В зазоре между полюсами помещена с возможностью перемещения в осевом направлении вдоль зазора, гильза из электропроводящего материала с низким значением удельного электрического сопротивления, нижний торец которой прикреплен к излучающей плите. Импульсная обмотка размещена в пазах на поверхности полюсов, выполненных из пластин электротехнической стали, шихтованных в радиальном направлении. Центральная часть составной гильзы выполнена из прочного магнитного материала. Верхний торец гильзы выступает за пределы полюсов.

Недостатком этого сейсмоисточника является сложность конструкции и большая масса из-за наличия пригруза, использование источника только на суше.

Наиболее близким к предлагаемому является импульсный источник сейсмических сигналов (патент РФ №2242771, С2, приор. 21.08.2002, МПК 7 G01V 1/02), содержащий излучающее тело с плоской магнитной системой, включающей магнитопровод индуктора с обмоткой возбуждения постоянного тока и магнитопровод якоря, разделенные зазором, в качестве излучающего тела использован корпус устройства, жестко соединенный с магнитопроводом якоря, а магнитопровод индуктора установлен под магнитопроводом якоря между не менее чем двумя парами демпферных распорных пружин с возможностью перемещения в вертикальном направлении.

Установка индуктора с возможностью перемещения в вертикальном направлении между не менее чем двумя парами демпферных распорных пружин обеспечивает перераспределение импульсов силы между индуктором и якорем и средой, что позволяет обойтись без использования инертных дополнительных масс типа пригруза, т.е. импульс давления создается при небольших массогабаритных характеристиках излучателя и не зависит от массы (веса) излучателя. Небольшой вес и простота конструкции обеспечивают надежность, долговечность, мобильность и портативность устройства. Преобразование электрического импульса в силовое воздействие происходит без использования сложных элементов вращения или возвратно-поступательного движения. При этом достигается стабильность формы и амплитуды сейсмического сигнала. Для возбуждения сейсмических волн не требуется заглублять источник в грунт или использовать дополнительные устройства, обеспечивающие его работу.

Недостатком этого источника является потери мощности из-за затрат на намагничивание железа якоря, неизменность синусоидальной формы тока разряда, недостаточная амплитуда воздействия на среду из-за малого зазора в магнитной системе между индуктором и якорем max (4÷7) мм.

Ставится задача создания более мощного, простого, удобного в эксплуатации источника возбуждения сейсмических волн для проведения сейсморазведочных работ MOB ОГТ и ВСП, как в морской сейсморазведке, так и на суше, а также в условиях транзитных зон и предельного мелководья с сохранением диапазона частотных характеристик сигнала прототипа.

Задача решается за счет того, что в способе возбуждения сейсмических волн, основанном на передаче силовых воздействий на исследуемую среду в виде импульсов давления, силовое воздействие создается в точке контакта излучающего устройства с исследуемой средой с помощью электродинамического преобразователя электрической энергии, представляющего собой N пар соленоидов, жестко установленных на двух плоских основаниях, отличающегося тем, что импульсы давления на исследуемую среду, передаваемые корпусом, жестко связанным с одним из оснований, создаются за счет электродинамического преобразования электрической энергии, подаваемой на соленоиды в виде мощных импульсов тока, в механическую энергию, реализуемую в виде импульсов силы, при этом возможность перемещения основанию, жестко связанному с корпусом, под действием электродинамических сил взаимодействия соленоидов обеспечивают тем, что создают сопротивление перемещению другому основанию.

Для осуществления этого способа предлагается в устройстве для возбуждения сейсмических волн, содержащем излучающее тело с электродинамической системой преобразования электрической энергии в механическую, включающей N пар соленоидов, разделенных зазором и жестко закрепленных на двух плоских основаниях: подвижном и неподвижном дисках, в качестве излучающего тела использовать жестко соединенный с неподвижным диском корпус устройства с основанием в виде опорной плиты, выполненный из материала с удельной плотностью, близкой к удельной плотности исследуемой среды, а подвижный диск устанавливать в подвешенном состоянии между N пар демпферных распорных элементов под неподвижным диском с возможностью перемещения по направлению к неподвижному диску, с установкой между дисков силовых демпферных распорных элементов с заданной жесткостью, при этом в качестве соленоидов, жестко закрепленных на дисках, использовать силовые электрические катушки с сердечниками из мягкомагнитного или немагнитного материала, импульсы электродинамического взаимодействия которых передаются в форме импульса давления на исследуемую среду неподвижным диском, непосредственно жестко соединенным с корпусом устройства.

Использование в электродинамическом преобразователе электрической энергии в механическую N пар соленоидов, в виде силовых электрических катушек с сердечниками из мягкомагнитного или немагнитного материала, обеспечивает значительное увеличение сил взаимодействия электрических и магнитных полей образуемых соленоидами, что позволяет увеличить зазор между ними до (20÷25) мм, а следовательно, увеличить импульс давления на исследуемую среду и регулировать его характеристики в зависимости от изменения как зазора между соленоидами, так и формы и величины тока, проходящего через них. Электродинамическое преобразование электрического импульса в силовое воздействие происходит без затрат энергии на намагничивание какого-либо железа, как в магнитных устройствах. В основу электродинамического преобразования энергии заключено то, что вся взаимодействующая системы состоят из элементарных заряженных частиц, на которые действует сила Лоренца:

F=q(E+v×В).

Здесь q - заряд частицы, v - ее скорость, Е - напряженность электрического поля и В - магнитная индукция.

Эта сила во много раз превосходит все другие силы, возникающие при взаимодействии электромагнитов.

Установка между подвижным и неподвижным дисками силовых демпферных распорных элементов с заданной жесткостью обеспечивает развитие максимальной (суммарной) силы, т.е. максимального ускорения при перемещении неподвижного основания, а следовательно, излучающего тела, при достижении амплитуды разрядного тока более 2/3Amax (где Amax - максимальная амплитуда импульса тока разряда через катушку соленоида), что обеспечивает более высокое соотношение мощности к единице массы по сравнению с прототипом.

Использование в качестве излучающего тела корпус устройства с основанием в виде опорной плиты, выполненный из материала с удельной плотностью, близкой к удельной плотности исследуемой среды, обеспечивает минимальное акустическое сопротивление в месте контакта излучающего тела с исследуемой средой, т.е. согласует источник с природой.

На чертеже приведен возможный вариант выполнения устройства для возбуждения сейсмических волн.

Устройство содержит герметичный цилиндрический корпус 1 с основанием в виде опорной плиты из материала с удельной плотностью, близкой к удельной плотности исследуемой среды, в котором размещены отделенные регулируемым зазором 6 два плоских основания в виде дисков: неподвижное 2 и подвижное 3, содержащие каждое не менее чем по одному соленоиду в виде силовой электрической катушки с сердечником 4, причем неподвижное основание 2 жестко связано с корпусом 1, а подвижное основание 3 установлено между не менее чем двумя парами демпферных распорных элементов: внутренних силовых демпферных распорных элементов 6 и наружных не силовых демпферных распорных элементов 7, с возможностью перемещения по шпилькам 5 в сторону неподвижного основания. Внутренние силовые демпферные распорные элементы 6 упираются в основания 2 и 3, а наружные демпферные распорные элементы 7 - в подвижное основание 3 и в опорно-регулировочный элемент 8 шпильки 5. Благодаря демпферным распорным элементам 6, 7 подвижное основание 3 находится в подвешенном состоянии под неподвижным основанием 2, с регулируемым зазором 6 опорно-регулировочным элементом 8.

Возбуждение сейсмических волн происходит следующим образом. Энергия в виде мощного импульса тока подается на соленоиды, выполненные в виде силовых электрических катушек 4, установленных на основаниях 2 и 3, в которых происходит ее электродинамическое преобразование в импульс силы. Импульс силы передается неподвижным основанием 2 через корпус 1 источника в виде импульса давления в точке контакта излучающего устройства с исследуемой средой, возбуждая в ней упругие колебания. Электродинамический процесс преобразования энергии протекает не непрерывно, а дискретно, в течение коротких промежутков времени длительностью не более пяти-десяти миллисекунд. Такой режим работы позволяет получать в импульсе усилия, во много раз превышающие те, которые развивают любые электромагнитные конструкции.

Рабочими элементами устройства являются установленные в корпусе источника соленоиды в виде силовых электрических катушек, жестко закрепленных на двух плоских основаниях в виде дисков с силовыми демпферными распорными элементами между ними. В исходном положении основания с соленоидами в виде силовых электрических катушек отделены друг от друга зазором. При протекании разрядного тока по соленоидам происходит взаимодействие электрических полей, создаваемых соленоидами, в результате чего возникает действующий по оси источника импульс механической силы, который передается неподвижным основанием через корпус источника в виде импульса давления в точке контакта излучающего устройства с исследуемой средой, возбуждая в нем упругие колебания. В свою очередь, подвижное основание движется по направлению к неподвижному основанию, преодолевая сопротивление сжатию внутренних силовых демпферных распорных элементов. При прекращении подачи электрического импульса на соленоиды электрические поля исчезают, и подвижное основание под действием демпферных распорных элементов возвращается в исходное положение.

Был изготовлен опытный образец источника сейсмических волн, использующий предлагаемое решение, у которого максимальная амплитуда импульса силового воздействия составила не менее 500 кН, при массе источника менее 200 кг, при этом площадь поверхности контакта излучающего устройства со средой 0,4 м². Данный источник может быть использован при проведении сейсморазведочных работ как на море, так и на суше, а также в условиях транзитных зон и предельного мелководья, о чем свидетельствуют результаты испытаний опытного образца источника при проведении работ MOB ОГТ на Волжском водохранилище, а также при проведении работ ВСП-ОГТ на скважинах глубиной до 4000 м в Печерском районе Республики Коми.

1. Способ возбуждения сейсмических волн, основанный на передаче силового воздействия на исследуемую среду в точке контакта излучающего устройства с исследуемой средой в виде импульсов давления, создаваемых с помощью электродинамического преобразователя энергии, представляющего собой N пар соленоидов, жестко установленных на двух плоских основаниях, импульсы электродинамического взаимодействия которых передаются в форме импульса давления на исследуемую среду одним из оснований, непосредственно жестко соединенного с корпусом, являющимся излучающим устройством, за счет электродинамического преобразования электрической энергии в виде мощных импульсов тока, которые подают на соленоиды, в механическую энергию, реализуемую в виде импульсов силы, при этом перемещение основания, жестко связанного с корпусом под действием электродинамических сил взаимодействия соленоидов, обеспечивают тем, что создают сопротивление перемещению другому основанию установкой между основаниями силовых демпферных распорных элементов.

2. Устройство для возбуждения сейсмических волн, содержащее излучающее тело с электродинамической системой преобразования электрической энергии в механическую, включающей N пар соленоидов, жестко установленных на подвижном и неподвижном плоских основаниях, разделенных зазором, отличающееся тем, что в качестве излучающего тела использован корпус устройства, жестко соединенный с неподвижным основанием, а подвижное основание установлено с возможностью перемещения в направлении неподвижного основания, между силовыми демпферными распорными элементами, при этом оба основания состоят из N пар соленоидов в виде силовых электрических катушек с сердечниками из мягкомагнитного или немагнитного материала, импульсы электродинамического взаимодействия которых передаются в форме импульса давления на исследуемую среду неподвижным основанием, непосредственно жестко соединенным с корпусом устройства.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что упомянутый корпус является излучающим телом и состоит из герметичного, полого цилиндра с основанием в виде опорной плиты, выполненных из материала с удельной плотностью, близкой к удельной плотности исследуемой среды, что обеспечивает минимальное акустическое сопротивление в месте контакта излучающего тела с исследуемой средой.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что упомянутые силовые демпферные распорные элементы (любого типа и конструкции) выполнены с заданной жесткостью для развития максимальной (суммарной) силы, обеспечивающей достижение максимального ускорения перемещения неподвижного основания, а следовательно излучающего тела, при достижении амплитуды разрядного тока более 2/3Amax (где Ama[ - максимальная амплитуда импульса тока через катушку соленоида).