ИМПУЛЬСНЫЙ НЕВЗРЫВНОЙ НАЗЕМНЫЙ СЕЙСМОИСТОЧНИК Российский патент 2004 года по МПК G01V1/155 

Изобретение относится к области невзрывных импульсных сейсмоисточников, применяемых при проведении сейсморазведочных работ, и предназначено для создания сейсмических волн воздействием импульсного усилия на поверхность грунта.

Известен источник сейсмических волн (Теория и практика наземной невзрывной сейсморазведки - под ред. д.т.н. Шнеерсона М.Б. М.: Недра, 1998, с.149-151), принятый за аналог. Источник содержит расположенную на поверхности грунта опорную плиту-излучатель, пригруз - инертную массу и импульсный электромеханический преобразователь со схемой электрического питания. Ферромагнитные якорь и реактор электромеханического преобразователя расположены коаксиально и содержат обмотку возбуждения, помещенную в пазах на обращенных друг к другу цилиндрических поверхностях магнитопроводов.

Недостатком аналога является низкая сейсмическая эффективность, определяемая низким значением коэффициента преобразования потребляемой электромеханическим преобразователем от схемы электрического питания энергии в механическую энергию воздействия на грунт. Это приводит к увеличению отношения веса сейсмоисточника к развиваемой им силе, большой стоимости и большой потребляемой электрической мощности, что ограничивает возможности сейсмоисточника и область его применения.

Известен источник сейсмических волн (Патент РФ №2171478, БИ. №21, 2001 г), принятый за прототип и содержащий плиту-излучатель сейсмических волн, пригруз, преобразователь электромагнитного типа, индуктор которого жестко соединен с пригрузом, а якорь размещен над индуктором и отделен от него воздушным зазором, схемы электрического питания и обмотку возбуждения в пазах магнитопровода индуктора.

Недостатками прототипа являются ограниченность его применения и недостаточные долговечность и сейсмическая эффективность. Перемещение пригруза вверх-вниз при работе сейсмоисточника сопровождается значительным трением между пригрузом и его направляющими. При работе сейсмоисточника на холмистой местности положение сейсмоисточника негоризонтальное, трение при движении пригруза по направляющим возрастает, что приводит к снижению долговечности сейсмоисточника из-за интенсивного износа трущихся поверхностей, снижению величины и стабильности создаваемых им механических воздействий на грунт и снижению сейсмической эффективности. При этом возможны заклинивание скользящей пары пригруз-направляющие, что приводит к отказам в работе сейсмоисточника. Кроме этого, сейсмоисточник не может создавать поперечные волны, что также ограничивает его возможности применения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение долговечности сейсмоисточника и расширение области применения за счет обеспечения его эффективной работы на пересеченной местности.

Техническим результатом является снижение противодействующих перемещению пригруза сил трения и обеспечение возможности эффективной работы сейсмоисточника при негоризонтальном положении основания-излучателя на грунте.

Упомянутая задача достигается тем, что сейсмоисточник, содержащий основание-излучатель сейсмических волн, опертый на него пригруз, электромагнит, индуктор которого жестко закреплен на пригрузе, а якорь размещен над магнитопроводом индуктора и отделен от него воздушным зазором, отличается тем, что основание-излучатель выполнено с двумя выступающими над ним опорами, якорь оперт на первую из них, а пригруз снабжен консолью, конец которой посредством оси соединен со второй опорой с возможностью углового перемещения в вертикальной плоскости в направлении уменьшения воздушного зазора.

Якорь электромагнита может быть снабжен консолью, конец которой посредством оси соединен со второй опорой.

Основание-излучатель может быть выполнено с увеличивающейся в направлении от первой опоры ко второй высотой, а нижняя поверхность основания снабжена выступами с возможностью их погружения в грунт.

Получение технического результата достигается за счет осевого соединения конца консоли пригруза со второй опорой, что обеспечивает возможность перемещения пригруза без возникновения значительных противодействующих движению пригруза сил трения при работе сейсмоисточника как при его горизонтальном, так и не горизонтальном положении основания сейсмоисточника на грунте, т.е. при его работе на холмистой местности.

Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 показан продольный разрез сейсмоисточника; на фиг.2 - вид сверху при снятом якоре; на фиг.3 - диаграмма работы; на фиг.4 - конструктивная схема сейсмоисточника с выполнением основания-излучателя в виде полоза саней; на фиг.5 - вид сбоку варианта конструкции с консольным соединением якоря с опорой и клинообразным основанием-излучателем.

Сейсмоисточник содержит жесткое основание-излучатель 1 с первой опорой 2 и второй опорой 3, фиг.1, 2. Пригруз 4 оперт на основание 1 и снабжен консолью 5, конец которой посредством оси 6 соединен с вершиной опоры 3. Индуктор 7 электромагнита с размещенной в пазах его магнитопровода обмоткой возбуждения 8 закреплен на пригрузе 4. Якорь 9 электромагнита помещен над индуктором 7, отделен от него воздушным зазором 10 и оперт на опору 2 с возможностью перемещения вверх относительно опоры 2. К обмотке возбуждения 8 электромагнита присоединена схема электрического питания, которая может быть размещена отдельно от сейсмоисточника (на фиг.1, 2 не показана). Между пригрузом 4 и основанием 1 может быть помещена прокладка 11 из податливого материала, например резины или полиуретана.

Работает сейсмоисточник следующим образом. В момент t_o (фиг.3) по сигналу с сейсмостанции от подготовленной к работе схемы электропитания по обмотке возбуждения 8 электромагнита пропускается импульс тока необходимой величины и между магнитопроводами якоря 9 и индуктора 7 создается сила 12. Эта сила через опору 2 передается от якоря 9 на основание-излучатель 1, что приводит к перемещению 13 основания 1 вниз, формированию импульсного механического воздействия на грунт, сжатию грунта и созданию сейсмической волны. Одновременно с силовым воздействием на основание 1 сила 12 действует на индуктор 7, который вместе с пригрузом 4 начинает перемещаться вверх, совершая угловое движение вокруг оси 6 на опоре 3. К моменту t₁ в результате встречного движения якоря вниз, а индуктора вверх зазор 10 между ними уменьшается до нулевого значения и в момент t₁ происходит ударное взаимодействие якоря 9 и закрепленного на пригрузе 4 индуктора 7. Поскольку масса якоря 9 в несколько раз меньше массы индуктора 7 с пригрузом 4, то после ударного взаимодействия якорь 9 и индуктор 7 с пригрузом 4 продолжают совместное движение 14 (фиг.3) вверх в поле силы тяжести, совершая угловое перемещение вокруг оси 6 опоры 3.

В момент t₁ действие силы 12 на основание 1 в связи с выбором зазора 10 заканчивается и при t>t₁ происходит свободное колебание 13 основания 1 на грунте, частота которого определяется массой основания с опорами и реологическими параметрами упругого грунтового полупространства. Процесс силового нагружения грунта на интервале t₀-t₁ и дальнейшее затухающее колебание 13 основания 1 на грунте сопровождается излучением сейсмической волны.

Максимальное перемещение пригруза с индуктором и якорем электромагнита вверх определяется их послеударной скоростью движения в момент t₁. После достижения максимальной высоты (момент t₂) пригруз перемещается вниз и в момент t₃ возвращения якоря на опору 2 происходит ударное взаимодействие 15 между якорем и опорой 2 основания 1, сопровождающееся созданием звуковой волны и сейсмической волны-помехи. В момент t₄ возвращения пригруза 4 на основание 1 происходит повторное ударное взаимодействие 16, также сопровождающееся созданием звуковой волны и сейсмической волны-помехи.

Образование сейсмических волн-помех в моменты t₃ и t₄ незначительно влияет на качество получаемой при работе сейсмоисточника сейсмической информации ввиду значительной задержки моментов t₃ и t₄ относительно момента t₀ начала формирования рабочего сейсмического воздействия на грунт. Импульсные воздействия 15 и 16 на основание 1 сейсмоисточника при необходимости могут быть существенно уменьшены применением одностороннего демпфера, установленного между пригрузом 4 и основанием 1 с целью создания тормозного усилия, снижающего скорость движения пригруза при его перемещении из верхнего положения в исходное на основание 1. Импульсное воздействие 16 уменьшается также при помещении упругой прокладки 11 между пригрузом 4 и основанием 1, фиг.1.

При каждом последующем пропускании импульса тока по обмотке возбуждения 8 электромагнита создаются аналогичные рассмотренному импульсные воздействия на грунт.

Механические удары якоря 9 и индуктора 7 в момент t₁ выбора зазора 10 при их встречном движении создают звуковую волну и приводят к уменьшению долговечности магнитопроводов якоря и индуктора и снижению электромагнитных характеристик электромагнита за счет наклепа пластин магнитопровода якоря и индуктора. Эти недостатки могут быть устранены установкой на индукторе или якоре прокладок из упругого материала, частично выступающих в воздушный зазор и устраняющих жесткий, происходящий в момент t₁ удар магнитопроводов якоря и индуктора.

Для проведения сейсморазведочных работ на грунте со снежным покровом основание сейсмоисточника может быть выполнено в виде санного полоза, фиг.4. Два полоза могут быть объединены в одну санную, транспортируемую по снежному покрову сейсмоустановку.

При массе сейсмоисточника (4-5)·10³ кг развиваемое электромагнитами усилие достигает (50-70)·10⁴H и он может перемещаться по снежному покрову трактором или иным транспортным средством.

Для снижения массы сейсмоисточника и повышения импульсного механического воздействия на грунт основание 1 и опоры 2 и 3 сейсмоисточника могут быть выполнены из легких высокопрочных сплавов алюминия или титана.

Якорь 9 может быть снабжен консолью, конец которой посредством оси 6 соединен со второй опорой 3, что обеспечивает его стабильное положение на опоре 2 при работе сейсмоисточника и позволяет, при необходимости, выполнять первую опору 2 не в виде двух стоек, расположенных на основании с боковых сторон пригруза (фиг.1, 2), а в виде опоры 2 (фиг.5), расположенной на основании слева от пригруза.

Для возможности создания поперечных сейсмических волн сейсмоисточник может быть выполнен с основанием или установлен на основании, высота которого увеличивается в направлении от первой опоры 2 ко второй опоре 3, что обеспечивает расположение сейсмоисточника под углом γ к плоскости грунта, фиг.5. Создаваемое сейсмоисточником на грунт усилие Р при этом содержит продольную P_p=P·cosγ и поперечную P_s=P·sinγ составляющие, что приводит к возможности создания сейсмоисточником поперечных волн. Усилие P_s на грунт передается через выступы на прилегающей к грунту поверхности основания 1, фиг.5.

Конструктивная схема на фиг.5 была применена при разработке переносного сейсмоисточника весом ~40 кг, развивающего усилие до 1,5·10⁴H и предназначенного для проведения сейсмических исследований зоны малых скоростей на глубину 200-300 м. Сейсмоисточник выполнен с консолью 17 на якоре, что обеспечило ему устойчивую работу как при негоризонтальной поверхности грунта, так и при углах γ к горизонту при применении клинообразной подставки с выступами-зубцами на ее прилегающей к грунту поверхности. Автономная система возбуждения магнитного поля и создания импульсного воздействия на грунт обеспечивает его работу от переменного напряжения 220 В или аккумуляторной батареи с напряжением 12 В. При частоте следования силовых воздействий на грунт 1 Гц средняя потребляемая сейсмоисточником мощность не превышает 50 Вт.

Сейсмоисточник предназначен для создания сейсмических волн при проведении сейсморазведочных работ. Сущность: источник содержит жесткое основание-излучатель сейсмических волн, пригруз, автономную систему электропитания и силовой электромагнит, усилие которого передается на основание. Индуктор электромагнита закреплен на пригрузе, который оперт на основание и выполнен с консолью. Конец консоли посредством оси соединен с опорой на основании. Перемещение пригруза вверх при работе сейсмоисточника сопровождается возникновением незначительных сил трения в осевом соединении, что обеспечивает эффективное возбуждение сейсмических волн как при горизонтальном, так и негоризонтальном положении основания на грунте (при работе на пересеченной местности). Технический результат: повышение долговечности, снижение противодействующих перемещению пригрузе сил трения, обеспечение возможности эффективной работы при негоризонтальном положении основания. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Импульсный невзрывной наземный сейсмоисточник, содержащий жесткое основание-излучатель, опертый на него пригруз, электромагнит, обмотка возбуждения которого присоединена к схеме электрического питания, магнитопровод индуктора закреплен на пригрузе, а магнитопровод якоря расположен над магнитопроводом индуктора и отделен от него воздушным зазором, отличающийся тем, что упомянутое основание выполнено с двумя выступающими над ним опорами, якорь оперт на первую из них, а пригруз снабжен консолью, конец которой посредством оси соединен со второй опорой с возможностью углового перемещения в вертикальной плоскости в направлении уменьшения воздушного зазора.2. Импульсный невзрывной сейсмоисточник по п.1, отличающийся тем, что якорь снабжен консолью, конец которой посредством оси соединен со второй опорой.3. Импульсный невзрывной сейсмоисточник по пп.1 и 2, отличающийся тем, что основание выполнено с увеличивающейся в направлении от первой опоры ко второй высотой, а нижняя поверхность основания снабжена выступами с возможностью их погружения в грунт.