Невзрывной импульсный наземный сейсмоисточник с индукционно-динамическим приводом

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при проведении сейсморазведочных работ. Заявлен импульсный невзрывной наземный сейсмоисточник, содержащий жесткую излучающую плиту, опертый на нее защитный кожух, пригрузочную массу (пригруз) и индукционно-динамический двигатель со схемой его питания, помещенный между плитой и пригрузом с возможностью создания между ними импульсной силы. Сейсмоисточник защищен кожухом от воздействия окружающей среды и имеет высокие технические и эксплуатационные показатели. Технический результат - повышение точности разведочных данных за счет уменьшения создаваемых источником волн-помех. 5 ил.

 

Изобретение относится к используемым при проведении сейсморазведочных работ невзрывным импульсным наземным сейсмоисточникам, создающим сейсмические волны в грунте посредством его деформации жесткой излучающей плитой-антенной сейсмоисточника.

Известен принятый за аналог импульсный наземный невзрывной сейсмоисточник (Патент РФ №2233000, БИ №20, 2004 г.), содержащий жесткое основание-излучатель и электромагнитный двигатель с системой электропитания. Магнитопровод индуктора с обмоткой возбуждения двигателя закреплен на пригрузе, который выполнен с консолями. Конец консоли посредством оси соединен с опорой на основании. Магнитопровод якоря двигателя оперт на установленные на основании стойки и отделен от магнитопровода индуктора воздушным зазором.

При пропускании по обмотке возбуждения импульса тока от системы электропитания между магнитопроводами якоря и индуктора создается притягивающая их сила. Эта сила передается от якоря через стойки на плиту, что вызывает ее смещение в направлении грунта, его деформацию и создание сейсмической волны. Пригруз с магнитопроводом индуктора под действием силы совершает угловое относительно оси перемещение вверх, при этом происходит выбор клинообразного зазора между магнитопроводами индуктора и якоря.

К основным недостаткам аналога можно отнести низкое значение отношения развиваемого двигателем усилия к массе плиты-излучателя с учетом ускоряемых вместе с ней стоек плиты и опертого на него магнитопровода якоря, что определяет недостаточную эффективность преобразования генерируемой двигателем механической энергии в энергию создаваемой сейсмической волны и значительный вес сейсмоисточника. Кроме этого, при выборе зазора между магнитопроводами якоря и индуктора происходит удар между ними, что снижает надежность и долговечность сейсмоисточника. При угловом перемещении пригруза возникает передаваемая через ось рычага на плиту центростремительная сила, под действием которой плита совершает нежелательные возвратно-поступательные перемещения вдоль поверхности ее прилегания к грунту. После сжатия грунта плита-антенна перемещается вверх силами упругой реакции грунта, подлетает над ним и затем наносит по грунту повторное механическое воздействие, результатом которого является создание сейсмических волн-помех, снижающих эффективность работы сейсмоисточника.

Известен невзрывной импульсный наземный сейсмоисточник (Патент РФ №2369883, БИ №28, 2009 г.), принятый за прототип. Источник содержит расположенную на грунте жесткую излучающую плиту, опертый на нее пригруз (пригрузочная масса) и установленный между пригрузом и излучающей плитой демпфер. Привод сейсмоисточника содержит индукционно-динамический двигатель, обмотка возбуждения которого помещена в пазу на верхней поверхности плиты, а якорь выполнен в виде пластины из электропроводного материала, закрепленной на нижней, обращенной к плите части пригруза. Пригруз посредством консоли соединен с основанием с возможностью углового перемещения между ними. К недостаткам прототипа, снижающим его эффективность и ограничивающим его применение, относятся

- при угловом перемещение пригруза вверх на плиту через консоли создается центростремительное ускорение, что приводит к нежелательному смещению плиты относительно грунта в горизонтальном направлении;

- в конечной части деформации грунта за счет реакции грунта плита по инерции перемещается вверх на некоторую высоту и затем повторно воздействует на грунт, что вызывает создание в нем волн-помех и снижает эффективность и возможности применения сейсмоисточника;

- при смещении пригруза относительно плиты вверх в образующийся между ними зазор из окружающей среды попадают пыль, грязь и влага, что может приводить к снижению его надежности и отказам в работе сейсмоисточника.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности работы сейсмоисточника и расширение возможностей его применения. Техническим результатом является защита сейсмоисточника от внешней среды и уменьшение создаваемых им волн-помех.

Упомянутая задача достигается тем, что в сейсмоисточнике, содержащем жесткую плиту-излучатель, пригрузочную массу, демпфер и двигатель привода, помещенный между плитой и пригрузом с возможностью создания между ними импульсной силы, на плиту своей нижней частью оперт жесткий защитный корпус, внутри которого помещены пригруз и демпфер, с возможностью перемещения пригруза вдоль кожуха, который посредством манжеты соединен с плитой с возможностью смещения плиты относительно кожуха на расстояние не менее деформации грунта плитой-излучателем.

Получение технического результата достигается за счет применения опертого на плиту жесткого защитного кожуха и манжеты между кожухом и плитой, обеспечивающей защиту помещенных внутри кожуха двигателя и пригруза от влияния внешней окружающей среды, а также за счет уменьшения перемещения плиты вверх относительно ее исходного положения на грунте и, соответственно, снижения энергии ее повторного воздействия с грунтом и создаваемых при этом сейсмических волн-помех.

Устройство поясняется чертежами,

где на фиг.1 показан продольный разрез сейсмоисточника с размещением якоря индукционно-динамического двигателя (ИДД) на плите-излучателе;

на фиг.2 показан продольный разрез сейсмоисточника с размещением якоря на нижней поверхности пригруза;

на фиг.3 приведена система питания ИДД;

на фиг.4 показана диаграмма изменения напряжения, тока и создаваемой ИДД силы;

на фиг.5 показан характер изменения скорости и деформации грунта плитой-излучателем.

Сейсмоисточник (фиг.1) содержит помещенные на грунте жесткое основание-излучатель 1, на верхней поверхности которого закреплен якорь 2 ИДД, выполненный в виде кольца из электропроводного материала. На основание 1 оперта изоляционная пластина 3, в пазу на нижней поверхности которой помещена прилегающая к якорю 2 обмотка возбуждения 4 ИДД, выводы которой кабелем 5 соединены с блоком питания 6 ИДД, содержащим накопительные конденсаторы с их зарядным устройством и силовые полупроводниковые приборы для разряда конденсаторов на обмотку 4 (фиг.3). На пластине 3 установлен пригруз 7 с линейным подшипником 8 с возможностью перемещения пригруза 7 вдоль установленной на основании 1 направляющей трубы 9. Внутри трубы 9 помещен демпфер, корпус 10 которого оперт через пружину 11 на плиту 1, а шток оперт на закрепленную на пригрузе 7 перекладину 12. Блок питания 6 ИДД отделен он пригруза 7 амортизатором 13. Защитный кожух 14 с крышкой 15 оперт на основание 1 своей нижней частью. Манжета 16 из эластичного материала закреплена на корпусе 14 и основании 1. Подвод электропитания к блоку 6 осуществляется по кабелю 17 через проходной изолятор 18 на кожухе. Ограничители 19 радиального смещения кожуха 14 закреплены на основании 1. Система питания (фиг.3) содержит устройство 20 заряда емкостного накопителя 21, разрядный управляемый прибор 22, например тиристор, и шунтирующий обмотку 4 силовой диод 23.

Работает сейсмоисточник следующим образом. Емкостной накопитель 21 (фиг.3) заряжается от зарядного устройства 20 до необходимого напряжения. При открывании в момент времени t₀ (фиг.4) тиристора 22 накопитель 21 разряжается на обмотку возбуждения 4 ИДД. При этом происходит преобразование энергии емкости С в энергию магнитного поля и по обмотке проходит импульс тока 24 (фиг.4), достигающий максимального значения в момент времени t₁, напряжение 25 на емкости снижается до нуля, что приводит к включению диода 23 и выключению тиристора 22. При времени t>t₂ ток 24 в обмотке 4 уменьшается за счет, в основном, выделения магнитной энергии двигателя в тепловую энергию в обмотки 4 и эдс движения двигателя.

Поскольку величина развиваемой ИДД силы определяется выражением

$$P\approx i_1\cdot i_2\cdot \left(dM/dx\right),\left(1\right)$$

где i₁ - ток обмотки возбуждения, М - магнитная связь между обмоткой 4 и кольцом 2 якоря двигателя, i₂ - индуктирующийся в якоре 2 вихревой ток, х - изменение зазора между обмоткой 4 и якорем 2, поэтому при x<<D, где D средний диаметр обмотки 4, а (dМ/dх)≈ константа, снижение тока i₂ пропорционально значению тока i₁. Характер изменения создаваемой силы 26 можно принять близким к значению $$i_1^2$$ (24) (фиг.4).

Сила 26 расталкивает якорь 2 и катушку 4. На интервале времени t₀-t₂ якорь 2 и основание 1 ускоряются вниз. Основание-излучатель 1 смещается вниз со скоростью 27 (фиг.5), что приводит к деформации 28 грунта и формированию в нем сейсмической волны. К моменту времени t₃ скорость основания 1 под действием упругой реакции грунта уменьшается до нуля, а его деформация достигает максимального значения. На интервале времени от t₃ до t₄ плита под действием реакции грунта ускоряется вверх до максимальной скорости. На интервале времени от t₀ до t₃ за счет перемещения плиты вниз между катушкой 4 и основанием 1 образуется зазор.

Поскольку смещение катушки 4 вниз в поле силы тяжести за время деформации грунта плитой существенно меньше максимального смещения плиты 1, то в момент времени, близкий к моменту времени t_4, происходит ударное неупругое взаимодействие перемещающейся со скоростью V₁ (27) плиты-основания 1 массой m₁ с кожухом 14 массой m₂. При этом в соответствии с принципом сохранения импульса при ударе двух масс послеударная скорость

$$V_2=V_1\cdot m_1/\left(m_1+m_2\right)\left(2\right)$$

Уменьшение скорости плиты-антенны

$$\Delta V=V_1-V_2=V_1\cdot \left(1-m_1/\left(m_1+m_2\right)\right)\left(3\right)$$

приводит к уменьшению ее последующего перемещения в поле силы тяжести вверх и скорости воздействия на грунт при возврате в исходное положение до уровня, не превышающего V₂. Например, при m₁=m₂V₂=0,5·V₁, что приводит к существенному снижению скорости деформации грунта при повторном воздействии плиты с грунтом и, соответственно, к снижению уровня создаваемых сейсмоисточником волн-помех, интенсивность которых пропорциональна скорости $$V_2^2$$ . Деформацию грунта при повторном воздействии плиты с грунтом характеризует график ее изменения при t>t₅ (заштрихованная часть изменения деформации 28).

Для обеспечения дополнительного уменьшения волн-помех, увеличения степени неупругости ударного взаимодействия и снижения коэффициента восстановления при ударном взаимодействии на кожухе 14 могут быть помещены полые, частично заполненные сыпучим материалом в виде дроби, резервуары 29 (фиг.1) (в том числе выполненные съемными).

Пригруз 7 вместе с блоком питания 6, пластиной 3 и обмоткой возбуждения 4 под действием силы 26 ускоряется и перемещается вверх в поле силы тяжести вдоль кожуха на высоту Н. Движение пригруза из верхнего положение в исходное замедляется с помощью одностороннего демпфера, шток которого опирается в закрепленную на пригрузе 7 перекладину 12, что обеспечивает снижение удара пластины 3 с основанием 1 в момент возврата пригруза в исходное положение и ослабление создаваемых при этом ударе сейсмических волн-помех. Пружина 11 под корпусом 10 демпфера уменьшает силовые динамические нагрузки на него при перемещении пригруза в исходное положение, что повышает долговечность работы демпфера. Амортизатор 13, установленный между блоком 6 с элементами системы питания и пригрузом 7, снижает динамические нагрузки на блок питания 6 и повышает его срок службы. Гибкий кабель 17 выполняется с возможностью перемещения пригруза с блоком питания внутри кожуха 14. Манжета 16 обеспечивает возможность смещения основания 1 вниз на величину не менее деформации грунта основанием, которая максимальна при работе сейсмоисточника на мягких грунтах и обычно не превышает значений (2-3)·10^-3 м.

На фиг.2 приведено возможное конструктивное решение сейсмоисточника с размещением обмотки возбуждения 4 в пазу, выполненном на верхней поверхности основания, которое при этом должно быть выполнено из изоляционного немагнитного материала, например из текстолита или пластика. Якорь 2 помещается на обращенной к основанию 1 части пригруза 7. Блок питания 6 опирается на кожух 14 через амортизатор (фиг.2), что исключает его значительные перемещения относительно корпуса при работе сейсмоисточника, снижает динамические нагрузки на блок питания 6 и упрощает выполнение гибкого ввода питающего кабеля 17. Гибкий кабель 5 при этом решении должен обеспечивать смещение основания 1 с обмоткой возбуждения 4 только на величину деформации грунта.

Основание 1 по фиг.1 и фиг.2 с целью повышения кпд передачи механической энергии ИДД в энергию деформации грунта должно выполняться возможно меньшей массы, например сотовой конструкции с полостями внутри основания.

Невзрывной импульсный наземный сейсмоисточник, содержащий жесткую плиту-излучатель, пригрузочную массу (пригруз), демпфер и индукционно-динамический двигатель, помещенный между пригрузом и плитой с возможностью создания между ними импульсной силы, отличающийся тем, что на плиту своей нижней частью оперт жесткий защитный кожух, внутри которого помещены пригруз, демпфер и двигатель с возможностью перемещения пригруза внутри кожуха, который посредством манжеты соединен с плитой-излучателем с возможностью смещения плиты относительно кожуха на расстояние не менее деформации грунта плитой.