СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК G01V1/116 G01V1/104 

Изобретение относится к области сейсмологии (морская сейсморазведка, сейсморазведка в переходных зонах земля-вода, наземная и скважинная сейсморазведка), где требуется получение упругих волн в геологических средах в виде многократных пульсаций давления с определенными характеристиками. Изобретение может быть применено также для инженерно-геологических изысканий, в строительстве, гидрологии для имитации землетрясений с исследовательской целью и т.п.

Известно большое количество различных источников сейсмосигналов, работающих на суше и в воде, не использующих энергию взрыва.

На суше работа таких источников заключается в механическом воздействии на породу с помощью различных приспособлений ударного типа, например [1]. В воде сигналы получают источниками пневматического, пневмогидравлического или электродинамического типа.

При этом сигналы создаются за счет волн сжатия или разрежения при возникновении газового пузыря, гидродинамического воздействия или путем преобразования электрического импульса в перемещение мембраны, от которой распространяются волны давления.

Большинство источников имеют ряд существенных недостатков, не позволяющих использовать их для конкретных видов сейсмических работ с учетом всех требований к ним или к месту их использования. Среди недостатков существующих источников - громоздкость, трудность эксплуатации, дороговизна, сложность оборудования, неблагоприятное экологическое влияние на природу и т.п.

Одно из основных требований, предъявляемых к источникам, - получение воспроизводимых свип-сигналов, т.е. сигналов с изменяющейся при работе источника частотой и амплитудой, удобных для расшифровки. Частота сигналов при этом должна изменяться в пределах от нескольких герц до ≈250 герц, амплитуда (при подводных работах) не должна превышать 0,6...1 МПа. Известные способы генерации сигналов не могут одновременно удовлетворить совокупности рассматриваемых требований, т.к. исчерпали свои возможности. В этой связи необходимо искать принципиально новые способы индуцирования сигналов.

В качестве прототипа был выбран способ возбуждения сейсмосигналов, основанный на использовании импульсного двигателя на твердом топливе [2]. Двигатель, напоминающий ракетный, при работе образует продукты сгорания, вылетающие через сопло. За счет появляющейся реактивной тяги начинается движение его с последующим ударом по жидкости. В результате этого возникают сейсмические сигналы.

Описанный способ имеет следующие недостатки. Он ограничен в области применения. Поверхностные (без шпура) и подводные варианты источника на основе этого способа разработать невозможно, они будут неработоспособны. Регулирование амплитудно-частотными характеристиками излучаемых сигналов затруднено из-за движения двигателя, который может двигаться не так, как надо. Одновременно будет недостаточное для сейсморазведки отношение амплитуд полезного сигнала и помех. При ударах может возникнуть только низкочастотная составляющая сигналов. Способ не позволяет достичь достаточной синхронизации источников при работах на сейсмическом профиле. На его основе, в принципе, невозможно получить свип-сигналы.

Предлагается принципиально новый способ возбуждения сейсмических сигналов, который устранит описываемые недостатки прототипа. Суть его заключается в следующем. В небольшом по объему и простом по исполнению устройстве, напоминающем ракетный двигатель на твердом топливе, индуцируется пульсирующее горение, которое представляет собой достаточно интенсивные колебания давления в камере с изменяющейся по времени частотой и амплитудой. Частоты при определенной настройке двигателя (прежде всего за счет топлива) совпадут с частотами, необходимыми для сейсморазведки. Соответственно будет происходить возникновение пульсирующей реактивной тяги (при работе на Земле) или соответствующее пульсирующее излучение (при работе под водой) через отверстие (сопло), одно или несколько, что приведет к генерации упругих волн.

Следует заметить, что первопричина пульсирующего горения рассматриваемого способа не связана с конструктивными доработками, приводящими к перекрыванию сопла, или другими механическими воздействиями на двигатель, а обусловлена процессом неодновременного выгорания основных компонентов топлива в твердой фазе. Этот процесс проявляется в виде колебаний в поступлении массы продуктов горения в газовую фазу, их химического состава, а также тепловой энергии.

Неодновременность выгорания, в какой-то мере напоминающая дискретное горение, инициирует, в свою очередь, появление непрореагировавших, промежуточных компонентов, находящихся в газообразном состоянии. Такие компоненты при определенных условиях, которые можно регулировать, способствуют появлению колебательных процессов, представляющих собой периодические химические реакции. В отличие от обычного механизма химических реакций, характеризующихся образованием новых веществ до исчерпания реагентов или до установления равновесного состояния, колебательный режим связан с периодическим изменением промежуточных продуктов до тех пор, пока, в конечном итоге, не образуются стабильные продукты, препятствующие дальнейшим изменениям.

Колебательные химические реакции возникают, например, при окислении окиси углерода в процессе неполного горения топлива при низких давлениях в камере ракетного двигателя. Они приводят к пульсирующему горению, низкочастотная составляющая которого усиливается, когда время завершения основных химических реакций (обычно несколько миллисекунд), не связанных с колебательными, превышает время вылета продуктов распада (газообразных компонентов) через сопло.

При высоких давлениях и уменьшении неполноты сгорания топлива могут появиться и высокочастотные составляющие рассматриваемого пульсирующего режима.

Новый технический результат, связанный с индуцированием пульсирующего горения, может быть осуществлен, если в ракетном двигателе используют топливо на основе перхлората аммония в качестве окислителя - 80% и 20% тиокола - горючего связующего.

Неодновременное выгорание компонентов в твердой фазе происходит вследствие того, что окислитель начинает разлагаться при 240^oC, а тиокол - при 170^oC, причем скорость его распада выше.

Разница в скоростях и началах разложения указанных компонентов и является основой для возникновения колебательных химических реакций в газовой фазе с последующим индуцированием пульсирующего горения в камере и генерированием сейсмических сигналов через сопло.

Очевидно, что и другие топлива, имеющие большую разницу в скоростях и началах разложения основных компонентов, вступающих в реакции, также могут быть использованы в качестве рабочих тел в двигателях, генерирующих сейсмические сигналы.

В качестве примера реализации предлагаемого способа получения многократных сейсмических сигналов на фиг. 1 показано устройство - излучатель, разработанное на основе модельного ракетного двигателя.

Устройство состоит из переходника для подключения линии воспламенения 1, воспламенителя 2 (небольшая навеска дымного пороха в корпусе или та же навеска с электрозапалом типа МБ-2Н, уменьшающим время срабатывания воспламенителя от стандартной сейсмической аппаратуры), металлического стакана 3, цилиндрического канального элемента из твердого топлива 4 длиной от 50 до 140 мм, наружным диаметром от 18 до 36 мм и диаметром канала от 6 до 10 мм (в качестве элемента может использоваться и пучок тонкосводных трубок топлива), решетки 5, соплового блока 6 и заглушки 7.

Устройство предназначено для подводных работ. При запуске срабатывает воспламенитель, затем загорается топливо и после срыва заглушки начинается истечение продуктов сгорания через сопло. Чтобы устройство не двигалось при запуске, его закрепляют на опускаемой вместе с ним платформе. Однако оно может быть и без платформы, если вместо одного сопла в центре соплового блока использовать 4 таких сопла с той же суммарной площадью выходного отверстия, но расположенных на периферии соплового блока. В этом случае устройство при работе будет оставаться неподвижным.

При испытаниях устройства в воде на глубинах до 10 м видны световые кратковременные вспышки, соответствующие по частоте пульсирующему режиму работы устройства. После вспышек на поверхность поднимается пузырь с газообразными продуктами горения (образуются CO и CO₂) и создается бурление. В отличие от взрывных подводных сейсмических работ, неблагоприятно воздействующих на ихтиофауну, в данном случае имеет место мягкое возбуждение звуковой волны, не оказывающее такого влияния. К тому же продукты горения являются достаточно экологически безопасными.

Объем газов при одном испытании (до 100 г топлива) составляет около 1 м³, высвобождающаяся при горении энергия - 400 кДж.

На фиг. 2 показаны фрагменты звуковых колебаний, записанных гидрофоном (с соответствующей аппаратурой), при пульсирующем режиме работы устройства. Глубина погружения источника - 5 м, расстояние до гидрофона - 10 м. Видно, что генерируемые сигналы сложной формы. Для них характерны два диапазона частот.

В отличие от прототипа в данном случае имеют место многократные сигналы, которые можно регулировать по частоте и амплитуде в широких пределах. Поэтому предлагаемый способ за один цикл работ устройства позволяет получить значительно больше информации для сейсморазведочных работ на нефть и газ, что потребует меньше испытаний и позволит провести улучшенную обработку предварительно записанных сигналов. К тому же устройство, использующее предлагаемый способ, может работать на Земле, в скважинах и в других условиях, где прототип работать не может. Устройство по совокупности своих свойств является более эффективным по сравнению с другими известными источниками сейсмосигналов. Особенно оно эффективно в переходных зонах земля-вода, в труднодоступных районах и других местах, где требуются легкие, простые, мощные излучатели свип-сигналов с регулируемыми характеристиками, безотказно работающие в самых различных условиях.

Использование: в геофизике при проведении вибрационной сейсморазведки, в частности на акваториях. Сущность изобретения: для возбуждения сейсмических сигналов индуцируют в камере ракетного двигателя пульсирующее горение твердого топливного элемента, состоящего из 80% перхлорита аммония - окислителя и 20% тиокола - горючего связующего. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения многократных сейсмических сигналов на выходе сопла ракетного двигателя на твердом топливе, отличающийся тем, что возбуждение сейсмических сигналов достигают индуцированием пульсирующего горения топливного элемента в камере за счет колебательных химических реакций, обусловленных неодновременным выгоранием компонентов топлива, состоящего, например, из 80% перхлората аммония - окислителя и тиокола - горючего связующего в количестве 20%. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при индуцированном пульсирующем горении время завершения основных химических реакций должно превысить время вылета продуктов распада через сопло.