НЕВЗРЫВНОЙ СЕЙСМОИСТОЧНИК С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПРИВОДОМ Российский патент 2004 года по МПК G01V1/155 

Изобретение относится к устройствам для возбуждения сейсмических колебаний невзрывными способами при геофизической разведке на нефть и газ.

Известен источник сейсмических волн [1] который содержит расположенную на поверхности грунта опорную плиту - излучатель, пригруз (инертную массу) и импульсный электромеханический преобразователь, выполненный в виде линейного электромагнитного двигателя со схемой электрического питания. Якорь и реактор электромеханического преобразователя выполнены в виде цилиндрических коаксиально расположенных магнитопроводов с пазами на обращенных к друг другу цилиндрических поверхностях, в которых помещены обмотки возбуждения. Якорь жестко связан с опорной плитой, а реактор с инертной массой. При подаче в обмотки возбуждения импульса тока между якорем и реактором возникает электромагнитная сила, в результате чего якорь через опорную плиту создает импульсное механическое воздействие на грунт, возбуждая в нем колебания, а инертная масса движется вверх.

Недостатком аналога является низкая сейсмическая эффективность, значительные величина инертной массы и высота ее подлета при работе электромеханического преобразователя. Это обусловлено низким значением коэффициента преобразования электромеханическим преобразователем электрической энергии в механическую энергию движения якоря, а следовательно, недостаточным воздействием на грунт.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является источник сейсмических волн [2], содержащий жесткое основание - излучатель сейсмических волн, выполненное в виде полозьев саней, пригруз, электромеханический преобразователь, выполненный в виде электромагнита, индуктор которого закреплен на пригрузе, а якорь расположен над индуктором и отделен от него воздушным зазором δ₁, обмотка возбуждения помещена в пазах магнитопровода индуктора и присоединена к схеме электропитания. При подаче импульса тока в обмотку возбуждения между якорем и индуктором возникает электромагнитная сила, под действием которой якорь движется вниз, воздействуя через опоры - борта саней на жесткое основание, которое и возбуждает в грунте упругие колебания. Закрепленный на пригрузочной массе индуктор под действием электромагнитной силы движется вверх и в момент выбора зазора δ₁ ударно взаимодействует с якорем и приподнимает его над опорами. Возвращение пригрузочной массы с индуктором в исходное состояние происходит под действием силы тяжести.

Недостатком прототипа является невысокая сейсмическая эффективность, что обусловлено низким значением коэффициента преобразования механической энергии электромагнита в механическую энергию воздействия на грунт при работе сейсмоисточника на жестких грунтах. Например, при работе сейсмоисточника на промерзлом грунте в механическую энергию движения якоря и связанного с ним излучателя преобразуется около 20% электромагнитной энергии привода. Остальная часть энергии расходуется на движение массивного пригруза вверх с последующим ее преобразованием в тепловую в демпферах, тормозящих движение пригруза при его возврате из верхнего положения в исходное.

Целью изобретения является повышение сейсмической эффективности сейсмоисточника путем увеличения коэффициента преобразования механической энергии электромагнита в механическую энергию движения якоря и связанного с ним основания - излучателя, а следовательно, и механического воздействия на грунт.

Техническим результатом изобретения является увеличение доли механической энергии, передаваемой при срабатывании электромагнитного привода сейсмоисточника в упругие деформации грунта, и формирование сейсмической волны.

Поставленная цель достигается тем, что невзрывной сейсмоисточник с электромагнитным приводом содержит жесткое основание - излучатель сейсмических волн с закрепленными на нем жесткими стойками, опертый на основание пригруз с возможностью его перемещения относительно стоек, на пригрузе закреплен индуктор электромагнита с обмоткой возбуждения в пазах его магнитопровода, к обмотке присоединена схема электропитания, якорь электромагнита отделен от индуктора зазором δ₁, а от стоек - зазором δ₂, в который помещен упругий элемент высотой Н. Отделение якоря от стоек зазором δ₂ позволяет при выборе зазора δ₁ между магнитопроводом якоря и индуктора электромагнита обеспечить повышение передаваемой в движение якоря доли механической энергии электромагнита, увеличить механическое воздействие якоря через упругий элемент на жесткое основание - излучатель и, в конечном итоге, увеличить создаваемое сейсмоисточником механическое воздействие на грунт и мощность излучаемых им сейсмических волн.

Устройство поясняется чертежами:

фиг.1 - фронтальный вид невзрывного сейсмоисточника;

фиг.2 - вид сверху при снятом якоре;

фиг.3 - сечение А-А.

Один из возможных вариантов исполнения невзрывного сейсмоисточника с электромагнитным приводом показан на фиг.1-3. Сейсмоисточник содержит жесткое основание - излучатель 1, пригруз 2 и жесткие стойки 3, расположенные на основании. Пригруз оперт на основание с возможностью перемещения относительно стоек. На пригрузе закреплен индуктор электромагнита 4, в пазах магнитопровода которого помещена обмотка возбуждения 5. Якорь 6 отделен от индуктора зазором 7, а от стоек - зазором 8, в который помещен упругий элемент 9 с высотой Н, выполненный, например в виде листа из податливого материала, например полиуретана или резины. Листы податливого материала могут быть перфорированными с целью получения требуемой характеристики упругого элемента. Упругий элемент может занимать зазор 8 полностью, т.е. Н=δ₂ или частично, т.е. Н<δ₂. В случае если упругий элемент занимает часть зазора 8, фиксация якоря может быть выполнена любым из множества известных способов.

Работа устройства поясняется следующими чертежами.

Фиг.4 - временные диаграммы работы невзрывного сейсмоисточника и создаваемых усилий для случая, когда упругий элемент полностью занимает зазор δ₂, т.е. Н=δ₂: кривая 10 - электромагнитная сила (показана условно), кривая 11 - перемещение якоря, кривая 12 - перемещение индуктора с пригрузом, кривая 13 - сила, действующая на упругий элемент, кривая 14 - скорость якоря, кривая 15 - перемещение основания - излучателя, кривая 16 - скорость основания - излучателя, кривая 17 - сила, действующая на грунт, 18 - скорость индуктора с пригрузом.

Фиг.5 - временные диаграммы работы невзрывного сейсмоисточника и создаваемых усилий для случая, когда упругий элемент занимает часть зазора δ₂, т.е. Н<δ₂.

Фиг.6 - временные диаграммы работы прототипа.

Работает невзрывной сейсмоисточник с электромагнитным приводом следующим образом.

При подаче в обмотку возбуждения 5 в момент времени t₀ (фиг.4) импульса тока от схемы электропитания (на чертежах не показана) в электромагните создается проходящий через зазор 7 магнитный поток и между якорем 6 и индуктором 4 возникает электромагнитная сила (кривая 10), под действием которой якорь (кривая 11) и индуктор (кривая 12) начинают двигаться навстречу друг другу. Перемещаясь, якорь воздействует (кривая 13) на упругий элемент 9, сжимая его в сторону уменьшения зазора 8. Якорь разгоняется на части зазора δi (кривая 14). Далее якорь тормозится, и приобретенная им на интервале разгона кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию сжатого упругого элемента. Якорь, сжимая упругий элемент, одновременно воздействует через него на стойки и основание - излучатель, в результате чего основание начинает перемещаться (кривая 15) с изменяющейся скоростью (кривая 16), формируя в грунте волну упругих деформаций (кривая 17). Индуктор 4 с пригрузом 2 движутся навстречу якорю (кривая 18), а так как масса якоря существенно меньше массы индуктора соединенного с пригрузом, то якорь под действием развиваемой приводом электромагнитной силы сжимает упругий элемент и к моменту ударного взаимодействия с индуктором выбирает большую часть зазора 7. После ударного взаимодействия в момент времени t₁ якорь и индуктор с пригрузом движутся как единое целое, а упругий элемент, разжимаясь, передает свою потенциальную энергию в кинетическую энергию совместного движения якоря и пригруза, и основания - излучателя. Масса системы индуктор, якорь, пригруз гораздо больше массы основания, следовательно, в кинетическую энергию движения основания переходит большая часть потенциальной энергии сжатого упругого элемента.

В случае если упругий элемент занимает часть зазора δ₂ (фиг.5), то появляется дополнительная возможность увеличения запасаемой в упругом элементе энергии, так как на части зазора 8 якорь разгоняется без наличия противодействующих сил, в результате чего он приобретает большую скорость, а следовательно, и большую кинетическую энергию и, кроме того, на этом интервале не происходит одновременного движения основания излучателя. Далее якорь взаимодействует через упругий элемент с расположенными на основании стойками и передает свою кинетическую энергию частично в потенциальную энергию сжатого упругого элемента, частично в кинетическую энергию движения основания излучателя. Процессы, происходящие в системе после ударного взаимодействия якоря и индуктора с пригрузом в момент времени t₁ при выборе зазора δ₁ аналогичны рассмотренному выше случаю, когда упругий элемент полностью занимает зазор δ₂.

На фиг.6 приведены временные диаграммы работы прототипа. Временные диаграммы (фиг.4-6) рассчитаны для одной и той же модели грунта, одинаковых параметрах электромагнитного привода сейсмоисточника и приведены в единых масштабах. Как видно из сравнения временных диаграмм (фиг.6 с фиг.4 и фиг.5), за счет сжатия упругого элемента уменьшается время t₁ выбора зазора δ₁ расстояние, проходимое индуктором с пригрузом, а следовательно, значительно снижается скорость пригруза в момент выбора зазора 7 (кривые 18) и уменьшается высота его подлета (кривые 12). Увеличивается доля механической энергии привода, перешедшая в механическую энергию движения якоря и формирование сейсмической волны, что видно из сравнения амплитуды силы воздействия на грунт (кривые 17) и перемещения основания - излучателя (кривые 15).

Источники информации

1. Теория и практика наземной невзрывной сейсморазведки./Под ред. д.т.н. Шнеерсона М.Б. - М.: Недра, 1998 г., стр. 149-151.

2. Патент РФ №2171478, бюлл. №21, 2001 г. (прототип).

Изобретение относится к устройствам для возбуждения сейсмических колебаний. Сущность: сейсмоисточник содержит жесткое основание – излучатель сейсмических волн, на котором выполнены жесткие стойки. На основание опирается пригруз с возможностью его перемещения относительно стоек. На пригрузе закреплен индуктор электромагнита. В пазах магнитопровода индуктора помещена обмотка возбуждения. К обмотке присоединена схема ее электропитания. Якорь электромагнита отделен от индуктора зазором δ₁. Якорь отделен от стоек зазором δ₂, в который помещен упругий элемент с возможностью его сжатия при движении якоря в направлении уменьшения зазора δ₂. Это дает возможность снизить скорость пригруза в момент выбора зазора δ₁ и увеличить долю механической энергии привода, перешедшую в механическую энергию движения якоря и сейсмической волны. Технический результат: повышение сейсмической эффективности путем увеличения доли механической энергии привода, переходящей в движение якоря и воздействие на грунт. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Невзрывной сейсмоисточник с электромагнитным приводом, содержащий жесткое основание – излучатель сейсмических волн, на котором выполнены жесткие стойки, на основание опирается пригруз с возможностью его перемещения относительно стоек, на пригрузе закреплен индуктор электромагнита, в пазах магнитопровода индуктора помещена обмотка возбуждения, к обмотке присоединены схема ее электропитания, якорь электромагнита отделен от индуктора зазором δ₁, отличающийся тем, что якорь отделен от стоек зазором δ₂, в который помещен упругий элемент, имеющий высоту Н, с возможностью его сжатия при движении якоря в направлении уменьшения зазора δ₂.2. Невзрывной сейсмоисточник по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент полностью занимает зазор δ₂, т.е. Н=δ₂.3. Невзрывной сейсмоисточник по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент занимает часть зазора δ₂, т.е. Н<δ₂.