СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01V1/02 

Изобретение относится к сейсмической разведке полезных ископаемых, в частности нефти и газа, с невзрывными источниками в морской сейсморазведке, а также может применяться при проведении сейсморазведочных работ на суше и в условиях транзитных зон и предельного мелководья.

Известен пневматический генератор сейсмических волн (патент РФ №2046372, приор. 04.09.1992, МПК G01V 1/02, 1/04, 1/137), содержащий кожух с размещенными в нем подвижным цилиндром, внутри которого установлен шток с поршнями, жестко закрепленный в кожухе, образующие выхлопную щель, управляющую и рабочую камеры, соединенные каналами через электропневмоклапан 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. Этот генератор предназначен только для работы в условиях предельного мелководья.

Известен способ возбуждения сейсмических волн (патент РФ №2029319, приор. 04.06.1992, МПК G01V 1/02). Сейсмические волны возбуждаются с использованием электромеханического преобразователя, содержащего активную и реактивную части. Способ включает создание запаса кинетической энергии в реактивной части преобразователя и передачу силового воздействия на исследуемую среду механически связанной с ней активной частью, формирование и подачу электрического импульса на обмотку управления движением реактивной части преобразователя, установленную на его активной части. Активную и реактивную части преобразователя устанавливают с возможностью вращения одна относительно другой. Реактивную часть преобразователя приводят во вращательное движение с постоянной скоростью. Силовое воздействие осуществляют путем подачи электрического импульса на обмотку управления.

Этот способ энергетически не экономичен, так как вращение реактивной части преобразователя с постоянной скоростью требует большого расхода энергии. Устройство для его осуществления должно иметь достаточно сложную конструкцию (наличие вращающихся частей и механических связей активной части с исследуемой средой), а также трудо- и энергоемко в производстве.

Известен импульсный источник сейсмических сигналов (патент РФ №2028646, приор. 29.05.1991, МПК G01V 1/02), содержащий излучающую плиту, пригруз с магнитной системой, выполненной в виде магнитопровода с обмоткой возбуждения постоянного тока с кольцевым зазором между его полюсами, и импульсную обмотку. Импульсная обмотка закреплена на полюсах магнитопровода со стороны немагнитного зазора. В зазоре между полюсами помещена с возможностью перемещения в осевом направлении вдоль зазора, гильза из электропроводящего материала с низким значением удельного электрического сопротивления, нижний торец которой прикреплен к излучающей плите. Импульсная обмотка размещена в пазах на поверхности полюсов, выполненных из пластин электротехнической стали, шихтованных в радиальном направлении. Центральная часть составной гильзы выполнена из прочного магнитного материала. Верхний торец гильзы выступает за пределы полюсов.

Недостатком этого сейсмоисточника является сложность конструкции и большая масса из-за наличия пригруза, использование источника только на суше.

Наиболее близким к предлагаемому является импульсный источник сейсмических сигналов (патент РФ №2242771, С2, приор. 21.08.2002, МПК 7 G01V 1/02), содержащий излучающее тело с плоской магнитной системой, включающей магнитопровод индуктора с обмоткой возбуждения постоянного тока и магнитопровод якоря, разделенные зазором, в качестве излучающего тела использован корпус устройства, жестко соединенный с магнитопроводом якоря, а магнитопровод индуктора установлен под магнитопроводом якоря между не менее чем двумя парами демпферных распорных пружин с возможностью перемещения в вертикальном направлении.

Установка индуктора с возможностью перемещения в вертикальном направлении между не менее чем двумя парами демпферных распорных пружин обеспечивает перераспределение импульсов силы между индуктором и якорем и средой, что позволяет обойтись без использования инертных дополнительных масс типа пригруза, т.е. импульс давления создается при небольших массогабаритных характеристиках излучателя и не зависит от массы (веса) излучателя. Небольшой вес и простота конструкции обеспечивают надежность, долговечность, мобильность и портативность устройства. Преобразование электрического импульса в силовое воздействие происходит без использования сложных элементов вращения или возвратно-поступательного движения. При этом достигается стабильность формы и амплитуды сейсмического сигнала. Для возбуждения сейсмических волн не требуется заглублять источник в грунт или использовать дополнительные устройства, обеспечивающие его работу.

Недостатком этого источника является потери мощности из-за затрат на намагничивание железа якоря, неизменность синусоидальной формы тока разряда, недостаточная амплитуда воздействия на среду из-за малого зазора в магнитной системе между индуктором и якорем max (4÷7) мм.

Ставится задача создания более мощного, простого, удобного в эксплуатации источника возбуждения сейсмических волн для проведения сейсморазведочных работ MOB ОГТ и ВСП, как в морской сейсморазведке, так и на суше, а также в условиях транзитных зон и предельного мелководья с сохранением диапазона частотных характеристик сигнала прототипа.

Задача решается за счет того, что в способе возбуждения сейсмических волн, основанном на передаче силовых воздействий на исследуемую среду в виде импульсов давления, силовое воздействие создается в точке контакта излучающего устройства с исследуемой средой с помощью электродинамического преобразователя электрической энергии, представляющего собой N пар соленоидов, жестко установленных на двух плоских основаниях, отличающегося тем, что импульсы давления на исследуемую среду, передаваемые корпусом, жестко связанным с одним из оснований, создаются за счет электродинамического преобразования электрической энергии, подаваемой на соленоиды в виде мощных импульсов тока, в механическую энергию, реализуемую в виде импульсов силы, при этом возможность перемещения основанию, жестко связанному с корпусом, под действием электродинамических сил взаимодействия соленоидов обеспечивают тем, что создают сопротивление перемещению другому основанию.

Для осуществления этого способа предлагается в устройстве для возбуждения сейсмических волн, содержащем излучающее тело с электродинамической системой преобразования электрической энергии в механическую, включающей N пар соленоидов, разделенных зазором и жестко закрепленных на двух плоских основаниях: подвижном и неподвижном дисках, в качестве излучающего тела использовать жестко соединенный с неподвижным диском корпус устройства с основанием в виде опорной плиты, выполненный из материала с удельной плотностью, близкой к удельной плотности исследуемой среды, а подвижный диск устанавливать в подвешенном состоянии между N пар демпферных распорных элементов под неподвижным диском с возможностью перемещения по направлению к неподвижному диску, с установкой между дисков силовых демпферных распорных элементов с заданной жесткостью, при этом в качестве соленоидов, жестко закрепленных на дисках, использовать силовые электрические катушки с сердечниками из мягкомагнитного или немагнитного материала, импульсы электродинамического взаимодействия которых передаются в форме импульса давления на исследуемую среду неподвижным диском, непосредственно жестко соединенным с корпусом устройства.

Использование в электродинамическом преобразователе электрической энергии в механическую N пар соленоидов, в виде силовых электрических катушек с сердечниками из мягкомагнитного или немагнитного материала, обеспечивает значительное увеличение сил взаимодействия электрических и магнитных полей образуемых соленоидами, что позволяет увеличить зазор между ними до (20÷25) мм, а следовательно, увеличить импульс давления на исследуемую среду и регулировать его характеристики в зависимости от изменения как зазора между соленоидами, так и формы и величины тока, проходящего через них. Электродинамическое преобразование электрического импульса в силовое воздействие происходит без затрат энергии на намагничивание какого-либо железа, как в магнитных устройствах. В основу электродинамического преобразования энергии заключено то, что вся взаимодействующая системы состоят из элементарных заряженных частиц, на которые действует сила Лоренца:

F=q(E+v×В).

Здесь q - заряд частицы, v - ее скорость, Е - напряженность электрического поля и В - магнитная индукция.

Эта сила во много раз превосходит все другие силы, возникающие при взаимодействии электромагнитов.

Установка между подвижным и неподвижным дисками силовых демпферных распорных элементов с заданной жесткостью обеспечивает развитие максимальной (суммарной) силы, т.е. максимального ускорения при перемещении неподвижного основания, а следовательно, излучающего тела, при достижении амплитуды разрядного тока более 2/3Amax (где Amax - максимальная амплитуда импульса тока разряда через катушку соленоида), что обеспечивает более высокое соотношение мощности к единице массы по сравнению с прототипом.

Использование в качестве излучающего тела корпус устройства с основанием в виде опорной плиты, выполненный из материала с удельной плотностью, близкой к удельной плотности исследуемой среды, обеспечивает минимальное акустическое сопротивление в месте контакта излучающего тела с исследуемой средой, т.е. согласует источник с природой.

На чертеже приведен возможный вариант выполнения устройства для возбуждения сейсмических волн.

Устройство содержит герметичный цилиндрический корпус 1 с основанием в виде опорной плиты из материала с удельной плотностью, близкой к удельной плотности исследуемой среды, в котором размещены отделенные регулируемым зазором 6 два плоских основания в виде дисков: неподвижное 2 и подвижное 3, содержащие каждое не менее чем по одному соленоиду в виде силовой электрической катушки с сердечником 4, причем неподвижное основание 2 жестко связано с корпусом 1, а подвижное основание 3 установлено между не менее чем двумя парами демпферных распорных элементов: внутренних силовых демпферных распорных элементов 6 и наружных не силовых демпферных распорных элементов 7, с возможностью перемещения по шпилькам 5 в сторону неподвижного основания. Внутренние силовые демпферные распорные элементы 6 упираются в основания 2 и 3, а наружные демпферные распорные элементы 7 - в подвижное основание 3 и в опорно-регулировочный элемент 8 шпильки 5. Благодаря демпферным распорным элементам 6, 7 подвижное основание 3 находится в подвешенном состоянии под неподвижным основанием 2, с регулируемым зазором 6 опорно-регулировочным элементом 8.

Возбуждение сейсмических волн происходит следующим образом. Энергия в виде мощного импульса тока подается на соленоиды, выполненные в виде силовых электрических катушек 4, установленных на основаниях 2 и 3, в которых происходит ее электродинамическое преобразование в импульс силы. Импульс силы передается неподвижным основанием 2 через корпус 1 источника в виде импульса давления в точке контакта излучающего устройства с исследуемой средой, возбуждая в ней упругие колебания. Электродинамический процесс преобразования энергии протекает не непрерывно, а дискретно, в течение коротких промежутков времени длительностью не более пяти-десяти миллисекунд. Такой режим работы позволяет получать в импульсе усилия, во много раз превышающие те, которые развивают любые электромагнитные конструкции.

Рабочими элементами устройства являются установленные в корпусе источника соленоиды в виде силовых электрических катушек, жестко закрепленных на двух плоских основаниях в виде дисков с силовыми демпферными распорными элементами между ними. В исходном положении основания с соленоидами в виде силовых электрических катушек отделены друг от друга зазором. При протекании разрядного тока по соленоидам происходит взаимодействие электрических полей, создаваемых соленоидами, в результате чего возникает действующий по оси источника импульс механической силы, который передается неподвижным основанием через корпус источника в виде импульса давления в точке контакта излучающего устройства с исследуемой средой, возбуждая в нем упругие колебания. В свою очередь, подвижное основание движется по направлению к неподвижному основанию, преодолевая сопротивление сжатию внутренних силовых демпферных распорных элементов. При прекращении подачи электрического импульса на соленоиды электрические поля исчезают, и подвижное основание под действием демпферных распорных элементов возвращается в исходное положение.

Был изготовлен опытный образец источника сейсмических волн, использующий предлагаемое решение, у которого максимальная амплитуда импульса силового воздействия составила не менее 500 кН, при массе источника менее 200 кг, при этом площадь поверхности контакта излучающего устройства со средой 0,4 м². Данный источник может быть использован при проведении сейсморазведочных работ как на море, так и на суше, а также в условиях транзитных зон и предельного мелководья, о чем свидетельствуют результаты испытаний опытного образца источника при проведении работ MOB ОГТ на Волжском водохранилище, а также при проведении работ ВСП-ОГТ на скважинах глубиной до 4000 м в Печерском районе Республики Коми.

Изобретение относится к сейсмической разведке полезных ископаемых с невзрывными источниками и может применяться при проведении работ в морской сейсморазведке, а также при проведении сейсморазведочных работ на суше и в условиях транзитных зон и предельного мелководья. Энергия в виде мощного импульса тока подается на соленоиды электродинамического преобразователя энергии, в котором происходит ее преобразование в импульс силы. Импульс силы передается через корпус источника одним из оснований электродинамического преобразователя в виде импульса давления в точке контакта источника с исследуемой средой, возбуждая в ней упругие колебания. Рабочим элементом устройства является установленный в корпусе источника электродинамический преобразователь энергии, состоящий из жестко закрепленных на двух плоских основаниях (подвижном и неподвижном дисках) N пар соленоидов, между которыми установлены силовые демпферные распорные элементы. В исходном положении основания с соленоидами отделены друг от друга зазором. При прохождении импульса тока по соленоидам происходит взаимодействие их электрических и магнитных полей. В результате перераспределения действия сил полей силовыми демпферными элементами возникает действующий по оси источника импульс механической силы, который передается неподвижным диском электродинамического преобразователя энергии через корпус источника в виде импульса давления в точке контакта источника с исследуемой средой, возбуждая в нем упругие колебания. В свою очередь, подвижный диск движется в сторону неподвижного диска, преодолевая сопротивление сжатию внутренних силовых демпферных распорных элементов. При прекращении подачи электрического импульса на соленоиды электрические поля исчезают, и подвижный диск под действием демпферных распорных элементов возвращается в исходное положение. Устройство для возбуждения сейсмических волн содержит герметичный цилиндрический корпус с основанием в виде опорной плиты, в котором размещены отделенные зазором N пар соленоидов, жестко закрепленных на двух плоских основаниях, подвижном и неподвижном дисках, причем неподвижный диск жестко связан с корпусом, а подвижный диск установлен между внутренними силовыми демпферными распорными элементами и наружными не силовыми демпферными распорными элементами, с возможностью перемещения в сторону неподвижного диска. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ возбуждения сейсмических волн, основанный на передаче силового воздействия на исследуемую среду в точке контакта излучающего устройства с исследуемой средой в виде импульсов давления, создаваемых с помощью электродинамического преобразователя энергии, представляющего собой N пар соленоидов, жестко установленных на двух плоских основаниях, импульсы электродинамического взаимодействия которых передаются в форме импульса давления на исследуемую среду одним из оснований, непосредственно жестко соединенного с корпусом, являющимся излучающим устройством, за счет электродинамического преобразования электрической энергии в виде мощных импульсов тока, которые подают на соленоиды, в механическую энергию, реализуемую в виде импульсов силы, при этом перемещение основания, жестко связанного с корпусом под действием электродинамических сил взаимодействия соленоидов, обеспечивают тем, что создают сопротивление перемещению другому основанию установкой между основаниями силовых демпферных распорных элементов.2. Устройство для возбуждения сейсмических волн, содержащее излучающее тело с электродинамической системой преобразования электрической энергии в механическую, включающей N пар соленоидов, жестко установленных на подвижном и неподвижном плоских основаниях, разделенных зазором, отличающееся тем, что в качестве излучающего тела использован корпус устройства, жестко соединенный с неподвижным основанием, а подвижное основание установлено с возможностью перемещения в направлении неподвижного основания, между силовыми демпферными распорными элементами, при этом оба основания состоят из N пар соленоидов в виде силовых электрических катушек с сердечниками из мягкомагнитного или немагнитного материала, импульсы электродинамического взаимодействия которых передаются в форме импульса давления на исследуемую среду неподвижным основанием, непосредственно жестко соединенным с корпусом устройства.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что упомянутый корпус является излучающим телом и состоит из герметичного, полого цилиндра с основанием в виде опорной плиты, выполненных из материала с удельной плотностью, близкой к удельной плотности исследуемой среды, что обеспечивает минимальное акустическое сопротивление в месте контакта излучающего тела с исследуемой средой.4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что упомянутые силовые демпферные распорные элементы (любого типа и конструкции) выполнены с заданной жесткостью для развития максимальной (суммарной) силы, обеспечивающей достижение максимального ускорения перемещения неподвижного основания, а следовательно излучающего тела, при достижении амплитуды разрядного тока более 2/3Amax (где Ama[ - максимальная амплитуда импульса тока через катушку соленоида).