ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН Российский патент 1995 года по МПК G01V1/02 

Изобретение относится к устройствам для возбуждения сейсмических волн невзрывным способом, в частности, для геофизической разведки.

Известен источник сейсмических волн [1], содержащий импульсный электрический двигатель возвратно-поступательного движения, излучающую плиту, пригрузочную массу и механический преобразователь, например, гидравлического типа. Недостатками этого источника являются сложность конструкции, недостаточная надежность, а также большое механическое реактивное сопротивление, ограничивающее быстродействие, частоту посылок создаваемых силовых воздействий на грунт и частотный спектр излучаемых сейсмических волн.

Наиболее близким техническим решением является источник сейсмических волн [2], содержащий излучающую плиту, пригруз с магнитной системой, выполненной в виде магнитопровода с обмоткой возбуждения постоянного тока и кольцевым зазором между полюсами его магнитопровода, импульсную обмотку, помещенную в зазоре между полюсами магнитопровода с возможностью перемещения вдоль его оси и закрепленную нижним торцом к излучающей плите.

Протекание тока по обмотке возбуждения сопровождается образованием постоянного магнитного потока, проходящего по магнитопроводу и через зазор между его полюсами. При пропускании по обмотке в зазоре импульса тока на нее действует механическая сила, направленная в сторону излучающей плиты. Обмотка и излучающая плита перемещаются под действием этой силы в направлении грунта, и в результате этого грунт сжимается и создается сейсмическая волна. Недостатком этого источника является ненадежность обмотки в зазоре между полюсами. Обмотка перемещается вместе с излучающей плитой и действующие на витки обмотки и токоподводы к ней механические силы приводят к ее быстрому разрушению, особенно при большой частоте повторения импульсов тока через нее, что снижает ресурс ее работы.

Низкая сейсмическая эффективность обусловлена тем, что очередной силовой импульс может быть осуществлен только после того, как излучающая плита и пригруз с магнитопроводом займут относительно друг друга первоначальное положение, при котором обмотка также занимает первоначальное положение относительно полюсов магнитопровода. Пригруз с магнитопроводом возвращаются в исходное положение под действием силы тяжести, а плита с обмоткой на ней - под действием упругих свойств грунта. При подаче импульса тока в обмотку на плите до момента, когда она займет первоначальное положение, развиваемое источником усилие снижается.

Целью изобретения является увеличение ресурса работы источника и повышение сейсмической эффективности за счет увеличения максимальной частоты повторения силовых сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в источнике сейсмических волн, содержащем 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, нижний торец которой прикреплен к излучающей плите.

На фиг.1 представлена конструктивная схема источника сейсмических волн; на фиг. 2 - сечение воздушного зазора между полюсами магнитопровода с импульсной обмоткой, помещенной в пазы на поверхности полюсов и с гильзой, выполненной в виде трех гильз, соединенных между собой; на фиг.3 - примерные временные диаграммы импульса силы, перемещений излучающей плиты и магнитопровода.

Источник сейсмических волн (фиг.1) содержит магнитопровод 1 с полюсами 2 и 3, образующими кольцевой воздушный зазор 4, обмотку возбуждения 5. На обращенных к зазору поверхностях полюсов 2 и 3 закреплены секции 6 импульсной обмотки. Магнитопровод 1 с обмоткой возбуждения 5 образуют пригруз источника сейсмических волн. Пригруз опирается на излучающую плиту 7, расположенную на грунте. Между магнитопроводом 1 и плитой 7 присоединен демпфер 8. К излучающей плите 7 прикреплена цилиндрическая гильза 9, выполненная из материала с низким удельным электрическим сопротивлением, например, из меди, алюминия. Гильза 9 установлена с возможностью осевого перемещения в кольцевом воздушном зазоре 4. Верхний торец гильзы 9 может выступать за пределы зазора 4 над полюсами 2 и 3. Обмотка возбуждения 5 подключена к источнику постоянного тока 10, а импульсная обмотка 6 - к схеме импульсного питания 11.

На фиг. 2 представлен вариант выполнения секций импульсной обмотки 6 в пазах, выполненных на поверхности полюсов 2 и 3. Полюса могут быть выполнены шихтованными из пластин электротехнической стали, ориентированными в радиальном направлении. Шихтованные части полюсов показаны штриховыми линиями.

Гильза в зазоре между полюсами может быть выполнена составной в виде центральной гильзы 12 из ферромагнитного прочного материала, например из стали, и закрепленных на ее боковых поверхностях гильз 13 и 14 из материала с низким удельным электрическим сопротивлением.

На фиг.3 показан силовой импульс 15, перемещение 16 излучающей плиты 7 и перемещение 17 магнитопровода 1 под действием на них импульса 15.

Введенные элементы и образованные новые конструктивные связи между элементами предлагаемого источника сейсмических волн образуют совокупность отличительных признаков, что обусловливает соответствие предлагаемого технического решения критерию "новизна".

При проведении исследований предлагаемого технического решения по патентной и научно-технической литературе авторами не обнаружено технических решений со сходными отличительными признаками, что позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.

Источник работает следующим образом. При протекании постоянного тока по обмотке возбуждения 5 в магнитопроводе 1 и кольцевом воздушном зазоре 4 создается постоянный магнитный поток Ф_п (фиг.1). Этот поток пересекает в радиальном направлении гильзу 9 в той ее части, которая располагается внутри кольцевого воздушного зазора 4. При подаче импульса тока от схемы импульсного питания 11 в импульсную обмотку 6 вокруг ее проводников возникают импульсные потоки Ф_и, которые стремятся проникнуть в тело гильзы 9. Гильза 9 выполнена из электропроводного материала, поэтому в ней индуктируется импульсный ток, препятствующий проникновению в нее импульсных потоков Ф_и. Направление токов в проводниках импульсной обмотки 6 и в гильзе 9 показано крестиками и точками. Ток в гильзе 9 в основном сосредоточен в той ее части, которая находится в данный момент в кольцевом воздушном зазоре между полюсами. В результате взаимодействия тока в гильзе 9 и потока Ф_п возникает электромагнитная сила Р, действующая через гильзу 9 и излучающую плиту 7 на грунт. Процесс перемещения различных частей источника поясняется фиг.3. В момент времени t_o подается импульс тока в импульсную обмотку 6. Под действием электромагнитной силы Р (кривая 15) излучающая плита смещается вниз (кривая 16), а магнитопровод 1 - вверх (кривая 17). После окончания в момент t₁ импульса тока в обмотке 6 сила 15 также становится равной нулю, плита 7 к моменту t₂ под действием упругих сил грунта возвращается в исходное положение. Магнитопровод 1 под действием силы Р за время t_o, t₁ перемещается вверх и получает некоторую скорость. В дальнейшем при t>t₁ он продолжает движение в поле силы тяжести.

К моменту t₃ подачи очередного импульса тока в импульсную обмотку он находится на расстоянии h₁ от излучающей плиты. При этом h₁ << h, где h - начальная величина выступания гильзы за пределы полюсов. В момент t₃≥t₂ в обмотку 6 вновь подается импульс тока и происходит очередное силовое взаимодействие. Интервалы времени t₁, t₃; t₃, t₄ и далее между каждыми последующими импульсами тока задаются системой управления (не показана) в соответствии с необходимым законом изменения частоты повторения сейсмических сигналов. Поскольку верхний торец гильзы выступает за полюса на величину h, то подача любого последующего импульса тока в обмотку 6 при положении магнитопровода на любом расстоянии (h₁, h₂) ≅h от излучающей плиты не приводит к уменьшению усилия Р, потому что верхний торец гильзы при выполнении этого условия не будет находиться ниже верхнего края полюсов и условия электромагнитного взаимодействия гильзы с потоками Ф_и и Ф_п будут одинаковыми. Демпфер 8 служит для предотвращения ударов магнитопровода 1 по плите 7 после окончания серии силовых импульсов (окончания свип-сигнала), а также в том случае, когда время между соседними силовыми воздействиями достаточно для возвращения магнитопровода 1 на плиту.

Время t₃' отражает момент возврата магнитопровода в исходное положение после воздействия импульса силы 15 в течение времени t_o, t₁. Уменьшение периода повторения силовых воздействий с величины Т' до величины Т обеспечивает увеличение максимальной частоты повторения сейсмических сигналов, что повышает технические показатели сейсмоисточника, т. е. его сейсмическую эффективность.

Размещение импульсной обмотки на полюсах увеличивает механическую прочность обмотки, ресурс ее работы и токоподводов к ней.

Помещение импульсной обмотки в пазы на поверхности полюсов (фиг.2) еще в большей степени повышает ее механическую прочность и ресурс работы. Кроме этого, помещение импульсной обмотки в пазах уменьшает магнитное сопротивление для импульсного потока Ф_и, что снижает необходимую намагничивающую силу для создания этого потока и потребляемую этой обмоткой электрическую мощность.

Толщина гильз 9 выбирается из конструктивных соображений с учетом необходимой жесткости, прочности и темпера- турного режима, обусловленного потерями при протекании по ней индуктированных токов.

Возможно использование гильзы 9 в качестве направляющей, обеспечивающей взаимное центрирование излучающей плиты и магнитопровода и их соосное перемещение при работе сейсмоисточника.

Потоки Ф_и импульсной обмотки проходят по полюсам 2 и 3. С целью снижения потерь на вихревые токи в материале полюсов они могут быть выполнены из пластин электротехнической стали, шихтованными в радиальном направлении. Шихтованные части полюсов показаны на фиг.2 пунктирными линиями.

Уменьшение потерь в материале полюсов приводит к уменьшению необходимого значения намагничивающей силы импульсной обмотки 6.

Выполнение гильзы составной обеспечивает повышение механической жесткости и надежности устройства за счет прочной центральной гильзы 12, снижение магнитного сопротивления для магнитного потока Ф_п, замыкающегося между полюсами 2 и 3.

Использование: возбуждение сейсмических волн с использованием магнито-динамического преобразователя. Сущность изобретения: в источнике сейсмических волн, содержащем 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. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН, содержащий излучающую плиту, импульсную обмотку, пригруз, включающий в себя магнитопровод с зазором между его полюсами и обмотку возбуждения постоянного тока, отличающийся тем, что, с целью повышения ресурса работы, 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 материала с низким значением удельного электрического сопротивления, нижний торец которой прикреплен к излучающей плите. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения механической надежности и снижения потребляемой мощности, импульсная обмотка размещена в пазах на поверхности полюсов. 3. Источник по пп.1 и 2, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь, полюса выполнены из пластин электротехнической стали, шихтованных в радиальном направлении. 4. Источник по пп.1-3, отличающийся тем, что гильза выполнена составной, при этом центральная часть гильзы выполнена из прочного магнитного материала, а внешняя и внутренняя части - из материала с низким значением удельного электрического сопротивления. 5. Источник по пп.1-4, отличающийся тем, что, с целью повышения максимальной допустимой частоты повторения сейсмических сигналов, верхний торец гильзы выступает за пределы полюсов.