СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТА ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ПЛИТОЙ-АНТЕННОЙ ИМПУЛЬСНОГО СЕЙСМОИСТОЧНИКА С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПРИВОДОМ Российский патент 2005 года по МПК G01V1/02 

Изобретение относится к импульсным невзрывным сейсмоисточникам с электромагнитным приводом, применяемым при проведении сейсморазведочных работ и, в частности, к способам оценки эффективности работы сейсмоисточника при его работе на грунтах с различными реологическими характеристиками. Величина и скорость деформации грунта под плитой-антенной при воздействии на нее развиваемой электромагнитным приводом силы в значительной мере определяют динамику и эффективность работы сейсмоисточника, мощность и амплитудно-частотную характеристику создаваемой им сейсмической волны. В связи с этим оперативное определение зависимости деформации грунта от времени позволяет определять механическое взаимодействие плиты с грунтом как при его работе непосредственно в полевых условиях, так и при стендовых испытаниях изготовленных сейсмоисточников.

Контроль работы сейсмоисточника обычно осуществляют с помощью акселерометров, размещенных на пригрузе и(или) излучающей плите-антенне (Смирнов В.П. Электромагнитные источники сейсмических колебаний ряда "Енисей" СЭМ, КЭМ // Приборы и системы разведочной геофизики. / Ежеквартальное официальное издание саратовского отделения Евро-азиатского геофизического общества. № 1 (3), 2003 г., стр. 21-25) [1]. Контроль работы сейсмоисточника с помощью акселерометров осуществляют следующим образом: во время работы сейсмоисточника на грунте измеряют сигнал с закрепленного на пригрузе и(или) излучающей плите-антенне акселерометра и по измеренному сигналу визуально фиксируют факт срабатывания сейсмоисточника и оценивают стабильность его работы.

В описанном способе контроля работы сейсмоисточника можно выделить только один признак, совпадающий с существенным признаком заявляемого изобретения, - это работа сейсмоисточника на грунте как условие осуществления измерений. Причем в способе-аналоге измеряемая величина - это сигнал акселерометра, а в заявляемом способе - сигнал датчика тока. Поэтому формула изобретения составлена без разделения на ограничительную и отличительную части.

Описанный способ имеет несколько недостатков. Значительные фазовые искажения и помехи, характерные при измерении акселерометрами кратковременных импульсных ускорений, превышающих в десятки раз ускорение силы тяжести, не позволяют делать оценку динамики работы сейсмоисточника и, в частности, определять перемещение излучающей плиты-антенны и создаваемую при этом деформацию грунта. Недостаточная надежность акселерометров, подвергающихся большим динамическим нагрузкам, снижает надежность и эффективность работы сейсмоисточника.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности работы сейсмоисточника и его надежности.

Техническим результатом является получение информации о деформации грунта под излучающей плитой-антенной сейсмоисточника в течение времени приложения к ней развиваемой электромагнитом силы измерением тока обмотки возбуждения силового электромагнита сейсмоисточника.

Указанная задача решается тем, что по предлагаемому способу определения деформации грунта жесткой излучающей плитой-антенной сейсмоисточника с электромагнитным приводом, содержащим магнитопровод электромагнита с плоским немагнитным зазором и создающим силу между пригрузом и упомянутой плитой-антенной, электромагнитному приводу обеспечивают на время выбора зазора δ_о режим энергопреобразования с постоянством создаваемой силы. При этом режиме измеряют ток i₁ в обмотке возбуждения электромагнита при работе сейсмоисточника на грунте и затем определяют перемещение плиты-антенны и, очевидно, равную ей деформацию грунта по пропорциональной им разности тока i₁ и известного тока i_о в обмотке возбуждения, соответствующего работе сейсмоисточника при неподвижной излучающей плите-антенне. Изменение деформации грунта и ее величины характеризует эффективность передачи механической энергии электромагнитного привода в грунт и создания сейсмических волн.

Сущность способа поясняется чертежами.

Фиг.1 - Конструктивная схема импульсного сейсмоисточника, на которой изображены: 1 - грунт; 2 - плита-антенна со стойками 3; 4 - якорь электромагнита; 5 - пригруз; 6 - индуктор электромагнита с обмоткой возбуждения 7; 8 - зазор величиной δ_o между якорем 4 и индуктором 6 электромагнита.

Фиг.2 - Принципиальная схема импульсной системы питания обмотки возбуждения электромагнита, на которой: 7 - обмотка возбуждения; 9 - накопительная конденсаторная батарея; 10 - зарядное устройство батареи 9; 11 - коммутирующий прибор (тиристор); 12 - силовой диод; 13 - шунт для измерения тока; 14 - сигнал с шунта.

Фиг.3 - Изменение тока в обмотке возбуждения электромагнита при работе сейсмоисточника: 15 - на жестком грунте, при котором деформация грунта незначительна; 16 - на более мягком грунте; 17 - на еще более мягком грунте.

Фиг.4 - Графики перемещения излучающей плиты и пригруза под действием силы электромагнита: 18 - изменение создаваемой электромагнитом силы; 19 - перемещение пригруза; 20 - перемещение излучающей плиты при жестком грунте; 21 - перемещение плиты при более мягком грунте.

Сейсмоисточник (фиг.1) содержит установленную на грунте 1 излучающую плиту-антенну 2 со стойками 3, на которые оперт якорь 4 электромагнита. Пригрузочная масса 5 (пригруз) оперта на плиту-антенну 2 и расположена между стойками 3. На пригрузе 5 закреплен магнитопровод 6 индуктора с обмоткой возбуждения 7. В исходном положении якорь 4 и индуктор 6 отделены зазором 8 величиной δ_о. Характерной особенностью конструктивной схемы сейсмоисточника является применение в ней силового электромагнита с плоским зазором 8 величиной δ_о, что позволяет обеспечивать ему в течение времени выбора зазора режим работы с приближающимися к постоянным значениями индукции поля в зазоре и, следовательно, создаваемой силы.

Предлагаемый способ определения деформации грунта заключается в измерении тока обмотки возбуждения при работе сейсмоисточника на грунте в режиме постоянства силы электромагнитного привода с последующим сравнением измеренного тока с током обмотки возбуждения, соответствующим работе сейсмоисточника при неподвижной излучающей плите. Разность между этими токами пропорциональна перемещению плиты-антенны и деформации грунта под плитой.

Осуществляется способ при следующей работе сейсмоисточника. В момент t_o по сигналу с сейсмостанции открывается тиристор 11 и емкость 9, заряженная от устройства 10, к моменту t₁ разряжается на обмотку возбуждения 7 (фиг.2). За время от t_o до t₁ изменение зазора 8 по сравнению с его величиной δ_о незначительно и практически не влияет на изменение тока разряда. В момент t₁ напряжение на емкости 9 изменяет знак, диод 12 автоматически открывается и происходит закорачивание обмотки возбуждения 7 через диод 12. При t большем t₁ величины магнитного потока Ф и индукции В, а следовательно, и создаваемой электромагнитом силы 17 сохраняются постоянными в течение времени выбора всей величины δ_о зазора 8 электромагнита. Под действием этой силы при t большем t₁ пригруз 5 с индуктором 6 (фиг.1) перемещается вверх в соответствии с зависимостью 19 (фиг.4), а якорь 4 со стойками 3 и плитой-антенной 2 перемещается вниз в соответствии с кривыми 20 или 21 на фиг.4. Изменение зазора электромагнита определяется суммой перемещений 19 и 20 (или 21). Изменение тока в обмотке возбуждения при этом может быть определено из закона Ома для магнитной цепи электромагнита

где F - намагничивающая сила;

w - число витков обмотки возбуждения;

Ф_m - величина постоянного магнитного потока при t больше t₁;

R_f - магнитное сопротивление магнитопровода.

Магнитное сопротивление зазора 8 величиной δ_о с учетом его изменения х при перемещениях x_о пригруза 5 и x₁ якоря 4 с излучающей плитой-антенной 2

где S - площадь полюсов электромагнита;

μ_о - магнитная постоянная.

Поскольку изменение зазора

где x_о - перемещение 18 пригруза вверх,

x₁ - перемещение якоря с плитой-антенной вниз, равное деформации грунта 20 или 21.

Из (1) с учетом (2) и (3) следует, что ток обмотки возбуждения

где I_f - ток намагничивания магнитопровода электромагнита;

К - постоянная, зависящая от числа витков w обмотки возбуждения и максимального значения его магнитного потока Ф_m, проходящего через полюса магнитопровода индуктора 6

Для случая неподвижной излучающей плиты-антенны x₁=0 ток i_o в обмотке возбуждения соответствует кривой 15 на фиг.3 и с учетом (4) определяется зависимостью

Разность токов i_o и i₁

Перемещение x₁ плиты, и, следовательно, создаваемая им деформация грунта

и пропорционально разности Δi токов i_o и i₁.

Значение коэффициента К может быть определено из экспериментальных кривых 15, 16 и 17 изменения тока в обмотке возбуждения 7. Поскольку при t=t₁ токи i₁ максимальны, a x≈0 (x_o≈0 и x₁≈0), то из (4) или (6) следует, что

где I_f - ток в обмотке в момент выбора зазора δ_о (моменты t'₂, t₂ или t₂₍₀₎).

Время выбора зазора 8 величиной δ_о зависит от жесткости грунта. При очень жестком грунте, при котором перемещение плиты-антенны незначительно, это время определяется моментом t₂₍₀₎ (фиг.3, 4); при мягком грунте - моментом t₂, а при еще более мягком - моментом t'₂. Перемещения 20 и 21 плиты-антенны в течение времени выбора зазора до и, соответственно, равному ему времени приложения силы 18 к плите-антенне показаны на фиг.4 сплошными линиями, а после выбора величины δ₀ до зазора 8 - пунктирными.

Из характера изменения кривой 20 следует, что момент t₂ окончания действия силы 18 и, следовательно, окончания выбора величины δ_о зазора 8 наступает позже максимального сжатия грунта, когда он уже начал разжиматься и, следовательно, грунт не получает при t большем t₂ механическую энергию от электромагнита. Такой режим работы сейсмоисточника не является достаточно согласованным с нагрузкой - грунтом. Для получения более согласованного режима необходимо или увеличить силу 18 электромагнита увеличением зарядного напряжения на емкостном накопителе 9, или уменьшить величину δ_о зазора 8 с целью уменьшения времени его выбора. Кривая 21, соответствующая более мягкому грунту, характеризует более согласованный режим работы сейсмоисточника с нагрузкой-грунтом, поскольку момент t'₂ выбора зазора соответствует нарастающей части перемещения излучающей плиты-антенны, когда деформация грунта еще не максимальна.

Таким образом, измерение тока в обмотке возбуждения с последующим определением с его помощью деформации грунта под плитой-антенной за время действия на нее силы электромагнита позволяет также выбирать наиболее эффективные режимы работы сейсмоисточника с учетом реологических свойств грунта и за счет этого повышать эффективность проведения сейсморазведочных работ. Измерение тока обмотки возбуждения может быть проведено с помощью сигнала 14 с шунта 13 или иным способом, обеспечивающим помехоустойчивость и надежность измерения при работе сейсмоисточника в сложных эксплуатационных условиях.

Сигнал 14 с шунта 13 может быть известными способами передан на сейсмостанцию и обработан на ней в соответствии с предложенным способом с целью получения информации о деформации грунта под плитой-антенной, которая позволяет решать несколько задач: иметь возможность оперативного контроля за работой сейсмоисточника; учитывать особенности работы сейсмоисточника при обработке сейсморазведочной информации, получаемой с сейсмоприемников, и обеспечивать сейсмоисточнику наиболее эффективные режимы при его работе. В мощных сейсмоисточниках применяются две или более плиты-антенны, усилие на каждую из них формируется одним или несколькими электромагнитами, содержащими одну или две обмотки возбуждения. Например, в санных двухполозных сейсмоисточниках, в которых излучающим элементом является и первый, и второй полозы, для создания необходимого усилия (50÷100)10⁴H и более на каждом полозе устанавливается один или несколько электромагнитов. Емкостный накопитель 9 схемы питания при этом выполняется в виде двух отдельных секций, соединенных с параллельно включенными обмотками возбуждения электромагнитов соответственно первого и второго полозов. При таком техническом решении полозы саней являются отдельными сейсмоизлучателями, которые могут создавать сейсмические волны одновременно, поочередно или по другому закону. Для измерения перемещений полозов и создаваемой каждым из них деформации грунта в цепь разряда каждой секции емкостного накопителя энергии включается шунт, через который проходит сумма токов параллельно соединенных обмоток возбуждения электромагнитов одного полоза. Сигналы с шунтов используются для определения по предложенному способу перемещений полозов и деформаций грунта под каждым из них.

Экспериментальная проверка предложенного способа проводилась в лабораторных условиях на санной конструкции сейсмоисточника, полоз которого выполняет функцию излучающей плиты-антенны. Результаты, полученные при измерении перемещения x₁ полоза реохордным датчиком (CLP13) и предложенным способом, различаются не более чем на (5-7)%. При изменениях максимального значения развиваемой электромагнитным приводом силы P_m=(10÷25)·10⁴H перемещение излучающей плиты x₁=(0,5÷1,5)·10^-3 м.

Источник информации

1. Смирнов В.П. Электромагнитные источники сейсмических колебаний ряда "Енисей" СЭМ, КЭМ // Приборы и системы разведочной геофизики. / Ежеквартальное официальное издание саратовского отделения Евро-азиатского геофизического общества. №1 (3), 2003 г., стр. 21-25.

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано при сейсморазведочных работах. В заявленном способе электромагнитному приводу обеспечивают на время выбора зазора режим энергопреобразования с постоянством создаваемой силы, при котором измеряют ток i₁ в обмотке возбуждения электромагнита при работе сейсмоисточника на грунте. Затем определяют перемещение плиты-антенны и деформацию грунта по пропорциональной им разности тока i₁ и известного тока i_o в обмотке возбуждения, соответствующего работе сейсмоисточника при неподвижной излучающей плите. Технический результат: повышение эффективности создания сейсмических волн. 4 ил.

Способ определения деформации грунта излучающей плитой-антенной импульсного сейсмоисточника с электромагнитным приводом, содержащим магнитопровод электромагнита с плоским немагнитным зазором и создающим силу между пригрузом и упомянутой плитой, заключающийся в том, что электромагнитному приводу обеспечивают на время выбора зазора режим энергопреобразования с постоянством создаваемой силы, при котором измеряют ток i₁ в обмотке возбуждения электромагнита при работе сейсмоисточника на грунте и затем определяют перемещение плиты-антенны и деформацию грунта по пропорциональной им разности тока i₁ и известного тока i_o в обмотке возбуждения, соответствующего работе сейсмоисточника при неподвижной излучающей плите.