ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН ДЛЯ ПРЕДЕЛЬНОГО МЕЛКОВОДЬЯ Российский патент 1995 года по МПК G01V1/02 G01V1/04 G01V1/137 

Изобретение относится к разведочной геофизике, а именно к пневматическим источникам для сейсмических исследований на предельно мелководных акваториях и обводненных участках суши.

Известны пневматические источники (генераторы) сейсмических волн для работ в условиях предельного мелководья и болот, содержащие корпус, в основной части которого размещена расходная полость. Расходная полость закрывается и открывается с помощью подвижного штока, верхняя часть которого находится в управляющей полости под давлением, контролируемым соленоидным клапаном. Источник соединен с компрессором через специальный выход в дополнительной (верхней) части корпуса. Воздух сначала поступает в управляющую полость, что заставляет верхнюю и нижнюю части штока опуститься и закрыть расходную полость. Проход воздуха через центр штока обеспечивает связь между расходной камерой и компрессором. После передачи команды на соленоидный клапан шток поднимается (происходит перераспределение сил, действующих на верхнюю часть штока) и вскрывает расходную полость. Содержащийся в ней сжатый воздух через несколько радиальных отверстий выходит в окружающую среду, которой является придонный грунт различного природного состава (ил, глина, песок и т.д.). [1]
Эффективная работа этого источника возможна только в погруженном под дно состоянии на глубину несколько метров. Недостатками его является, во-первых, потребность в механизме погружения в грунт (буровые, ударно-канатные, пенетрационные установки на плавсредстве), во-вторых, неопределенность условий и физических свойств среды, в которых генерируется упругий импульс, возможные не только в разных местностях, но и в соседних скважинах, в-третьих, искажение формы упругого импульса при повторных срабатываниях в одной скважине на одной и той же глубине, так как каждое срабатывание изменяет размеры подпочвенной полости, в которую происходит истечение, что существенно для низких частот.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является пневматический источник сейсмических сигналов, содержащий шток с поршнями и кольцевым уступом и цилиндр, образующие управляющую и рабочую полости, кольцевой насадок с монотонно убывающей к наружной стенке площадью поперечного сечения с радиально ориентированными сквозными каналами, сопряженными с кольцевым уступом и охватывающий поршень, а также источник сжатого воздуха и электропневмоклапан. В этом источнике в момент вскрытия рабочей полости сжатый газ выталкивает воду, заполняющую насадок, в виде высокоскоростных струй в окружающую подводную среду через струйные отверстия, расположенные по периметру насадка, а затем через эти же отверстия выходит отработанный сжатый газ. При этом основной компонентой излучения является акустическая составляющая от суммарного импульса столбиков свободных струй, генерирующих высокочастотный сейсмический сигнал [2]
Воздух, выходящий из радиально ориентированных сквозных каналов после выталкивания воды, образует в окружающей воде полость уплощенной конфигурации, ничем не ограниченную в своем дальнейшем изменении. Суммарный эффект излучения от такого пневматического источника в части низкочастотной составляющей близок к эффекту своих многочисленных аналогов, выбрасывающих сжатый газ в свободное водное пространство.

Когда такой пневматический источник помещается в воде на малой глубине, например менее 1,2 м, происходит искажение сейсмических данных относительно глубокой воды из-за близости дна и атмосферы, так как при приближении к дну неизбежны потери энергии на разрушение прилегающего его участка, а к атмосфере потери от прорывам воздуха через границу вода воздух. Эта энергия добавляется к регулярным затратам запасенной в пневматическом источнике энергии на образование сейсмических волн.

Кроме того, близость к поверхности на предельном мелководье порождает отраженную волну, накладывающуюся на прямую и деформирующую ее. Наиболее критично это влияние на полезную низкочастотную составляющую.

Действительно, из соотношения между спектрами сигналов в ближней S_o(ω) и дальней S(ω) зонах следует:
S(ω)= 2S_o(ω) sin ωh/C_o, где ω,h и C_о частота, глубина и скорость звука в воде.

При малой глубине h и низкой частоте w угол wh/C_o настолько мал, что
sin ≈ ≪ 1
Следовательно, низкочастотная составляющая ближней зоны практически нейтрализуется.

Недостатком таких пневматических источников для акватории является нерациональное использование энергии сжатого воздуха для увеличения амплитуды сейсмического сигнала и искажение характеристик направленности.

Целью изобретения является увеличение сейсмического КПД пневматического генератора сейсмических волн для предельного мелководья за счет уменьшения потерь энергии упругой волны и улучшения свойств ее направленности в низкочастотном диапазоне.

Цель достигается тем, что в пространстве над дном в период излучения формируется воздушная полость с избыточным давлением в виде геометрического тела диаметром, значительно большим толщины с фиксированной по глубине верхней поверхностью, для чего кожух генератора снабжен щитом отражателем, под которым расположены дроссельные щели, соединяющие воздушные полости с окружающей средой. Благодаря этому вытекающий из полостей через дроссельные щели воздух в состоянии возбуждения упругого импульса со скоростью движется к периферии щита отражателя и, заневоленный сверху, заполняет пространство под ним над обширным участком дна. Скорость изменения объема, заполненного сжатым воздухом пространства, реализуется в основном в форме низкочастотного импульса в направлении дна. В обратном направлении объем меняется незначительно и излучение практически отсутствует.

В совокупности это означает, во-первых, что ориентация частиц воздуха и воды с наибольшей скоростью осуществляется преимущественно вдоль поверхности дна, а не к дну, во-вторых удельная энергия давления в направлении дна существенно уменьшается, в-третьих, прорыв сжатого воздуха в атмосферу с остаточной энергией практически исключен, в-четвертых, изменение объема воздушной полости, а равно и излучение в направлении поверхности вода воздух ограничены. Помимо устранения недостатков известного устройства, предлагаемый генератор отличается технологическим комфортом, исключающим износ деталей от поступления на них грязевых и песчаных компонентов окружающей среды.

На фиг.1 приведено предлагаемое устройство в статическом состоянии, общий вид; на фиг.2 фрагмент его излучающей части в увеличенном масштабе.

Пневматический генератор сейсмических волн для предельного мелководья состоит из кожуха 1 с щитом-отражателем 2 и дроссельными отверстиями 3, цилиндра 4, штока 5 с поршнями 6-8. Шток 5 имеет отверстия 9 и 10, а цилиндр 4 выемки 11, соединяющие полости 12 и 13 с внешним источником избыточного давления (на фиг.1 и 2 не показан). В теле штока 5, кроме того, встроены соленоид 14 и запорный орган 15 электропневмоклапана, отделяющий полость 16 от каналов 17 и 18, а также воздушная полость 19 как дополнительная часть полости 12. Поршни 6 и 7 уплотняются кольцами 20 и 21, нижняя часть цилиндра 4 кольцами 22 и 23.

Работа пневматического генератора сейсмических волн для предельного мелководья по фиг.1 и 2 начинается с опускания его под воду на минимально допустимое расстояние от дна, постоянство которого обеспечивается, если генератор подвесить к движущемуся по дну транспортному средству. В этом положении кожух 1 с щитом-отражателем 2 частично или полностью погружен в воду, а дроссельные щели 3 находятся в воде и располагаются горизонтально. Заполнение сжатым воздухом пространства между цилиндром 4 и штоком 5 с поршнями 6-8 осуществляется через отверстия 9, 10 и выемки 11 между внутренней стенкой цилиндра 4 и поршнем 7 от внешнего источника избыточного давления. Количество и конструкция заполняемых сжатым воздухом полостей для различных типоразмеров генераторов могут отличаться, однако рабочая полость 12, из которой происходит истечение в окружающую среду, и управляющая полость 13, обеспечивающая цилиндру 4 требуемый режим движения в предлагаемом устройстве, должны иметь место.

Процесс излучения начинается с момента возбуждения соленоида 14, например, от пульта управления (на фиг.1 и 2 не показан). В результате притяжения подвижного запорного органа 15 к соленоиду 14 сжатый воздух из полости 16 по каналам 17 и 18 поступает под торец цилиндра 4 и достаточно интенсивно сдвигает его вверх. В момент выхода цилиндра 4 из сопряжения с поршнем 8 полость 12 через дроссельные щели 3 соединяется с окружающей средой. Вытекающий воздух возмущает ее, и происходит излучение по фиг.3.

В это же время цилиндр 4 доходит до крайнего положения, после чего возвращается вниз, входит в сопряжение с поршнем 8 и закрывает полости 12. Генератор отключается от процесса излучения и готов принять следующую порцию сжатого воздуха в рабочую камеру 12 и связанные с ней дополнительные расходные полости, например, 19. Заполненные воздухом внутренние объемы устройства изолированы друг от друга и окружающей среды уплотнительными кольцами 20-23.

Использование: в разведочной геофизике для возбуждения сейсмических сигналов. Сущность изобретения: источник содержит кожух с размещенным в нем подвижным цилиндром, внутри которого установлен шток с поршнями, жестко закрепленный в кожухе, образующие выхлопную щель, управляющую и рабочую камеры, соединенные каналами через электропневмоканал 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. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН ДЛЯ ПРЕДЕЛЬНОГО МЕЛКОВОДЬЯ, содержащий кожух с размещенным в нем подвижным цилиндром, внутри которого установлен шток с поршнями, жестко закрепленный в кожухе, образующие выхлопную щель, управляющую и рабочую камеры, соединенные каналами через электропневмоклапаны с источником сжатого воздуха, и кольцевую насадку с дроссельными отверстиями, установленную снаружи выхлопной щели, отличающийся тем, что над кольцевой насадкой установлен отражатель генерируемых сейсмических колебаний. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что отражатель выполнен в виде щита.