СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ВИБРАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ И ДЕБАЛАНСНЫЙ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК B06B1/16 

Заявленная группа изобретений относится к области сейсмической разведки и может быть использована при проведении сейсмических работ с вибрационным источником возбуждения упругих колебаний с использованием электромеханических дебалансных вибровозбудителей.

Известны способ сейсмической разведки и устройство для вибрационного возбуждения сейсмических волн, реализованные в сейсморазведочном комплексе «Вибролокатор» (Г.П.Евчатов, Г.Д.Митерева, Ю.В.Михаэлис, И.С.Чичинин, В.И.Юшин, «Сейсморазведочный комплекс «Вибролокатор», сб. научных трудов «Геофизические и геодезические методы и средства исследований Сибири», Новосибирск, 1979, с.15-21, прототип). Особенностью данного комплекса является его универсальность, обусловленная возможностью реализации заданного (строго направленного) линейного или кругового силового воздействия. Вследствие чего одной и той же силовой установкой возбуждают как продольные, так и поперечные волны, что обеспечивает полный комплекс многокомпонентных многоволновых сейсмических наблюдений. Возбуждение сейсмических колебаний осуществляется с использованием электромеханических эксцентриковых вибраторов дебалансного типа (эксцентриковых дебалансов). Создание управляющего сигнала реализуется путем изменения скорости вращения указанных дебалансов и может осуществляться различными способами. Особенностью эксцентриковых вибраторов является то, что развиваемая ими сила пропорциональна квадрату угловой скорости вращения эксцентриковых дебалансов. Как правило, к сейсмическим вибраторам предъявляют определенные достаточно строгие требования, например постоянство силы воздействия в широком (сейсмическом) диапазоне частот. Для увеличения частотного диапазона, в котором сила воздействия имеет необходимый заданный уровень, требуется принятие специальных мер. В качестве основных узлов указанный комплекс «Вибролокатор» включает виброплатформу, с установленными на ней вибровозбудителями, каждый из которых состоит из синхронного двигателя с активным ротором и двух саморегулирующихся дебалансов, способных автоматически поддерживать силу воздействия постоянной в рабочем (заданном) диапазоне частот. Электропитание вибровозбудителей осуществляется от силового электромашинного преобразователя частоты, выполненного с возможностью управления частотой и фазой выходного сигнала. Подъем и прижим виброплатформы к грунту обеспечивается гидравлическими элементами, питаемыми от гидросистемы трактора, который используется также в качестве прижимной массы.

В качестве вибровозбудителя в данном сейсмическом комплексе использован вибровозбудитель с жидкостным дебалансом (Г.В.Егоров, А.Г.Комлягин, Ю.В.Михаэлис «Вибровозбудитель сейсмического вибратора с жидкостным дебалансом», «Геофизические и геодезические методы и средства исследований Сибири», Новосибирск, 1982, с.13-23, «Геофизические и геодезические методы и средства исследований Сибири», Новосибирск, 1979).

К недостаткам рассмотренных выше технических решений следует отнести относительно ограниченный диапазон рабочих частот и, прежде всего, практически исключение возможности проведения сейсмических исследований на частотах выше 70 Гц.

Известен вибровозбудитель, содержащий корпус, установленные в нем валы с дебалансами, выполненными в виде полудисков, установленных на осях, перпендикулярных осям валов, в одинаковом по углу положению (патент РФ №2048929, В06В 1/16). В каждом полудиске выполнен криволинейный паз. Механизм регулирования положения дебалансов выполнен в виде ползуна с шипом, взаимодействующим с криволинейным пазом полудисков, установлен в корпусе между полудисками и имеет возможность перемещения вдоль осей валов. Ползун соединен с тягой привода регулирования дебаланса и установлен по длине в трех направляющих. Недостатком данного технического решения является его сложность и громоздкость при использовании в широком (многооктавном) диапазоне сейсмических частот.

Известен вибратор, содержащий вал, на котором расположен дебаланс, выполненный из двух дебалансных масс (авторское свидетельство СССР №482207, В06В 1/16). С целью ограничения колебаний дебаланса в рабочем диапазоне частот указанный вибратор снабжен расположенной на валу пружиной, помещенной между двумя дебалансными массами. Концы указанной пружины закреплены на двух дебалансных массах, а ее средний виток зафиксирован на валу. Недостатком известного вибратора является недостаточная эффективность, вследствие того, что стабильность воздействующей силы в данном устройстве напрямую зависит от возможности работы при достаточно больших усилиях (напряжениях) установленной пружины, технические характеристики которой должны отвечать соответствующим требованиям, что является трудно выполнимым.

Известен также вибровозбудитель, состоящий из двух соосно установленных на общем основании рабочих валов с дебалансами, привода и механизма регулировки положения дебалансов (авторское свидетельство СССР №1763048, В06В 1/16, прототип). Рабочие валы соединены между собой электромагнитной муфтой. Механизм регулирования положения дебалансов включает указанную муфту и связанные с ней и с приводом бесконтактные датчики положения дебалансов, соединенный с ними регистратор и следящую систему управления, состоящую из устройства контроля частоты вращения и положения дебалансов. Наличие в данной конструкции электромагнитной муфты при достаточном разносе дебалансных масс вдоль оси вращения влечет за собой появление значительных паразитных (вращательных) колебаний вибрационной системы в целом. Это обуславливает неэффективность использования такой конструкции при построении сейсмических вибрационных источников, так как наличие указанных колебаний при сейсмических исследованиях обуславливает низкое качество получаемых сейсмических материалов.

Задачей настоящей группы изобретений является повышение эффективности сейсмических исследований с помощью электромеханического вибрационного источника (центробежного типа) упругих колебаний, с обеспечением строго заданного силового воздействия в широком диапазоне частот, повышение разрешенности сейсмических материалов и достоверности результатов вибрационных сейсмических исследований в целом, в том числе, с использованием волн различной поляризации продольных, поперечных и обменных.

Единым техническим результатом группы изобретений является обеспечение постоянства воздействующей силы на грунт в более широком относительно известных технических решений диапазоне частот на основе отработки частотного диапазона возбуждаемых упругих волн пооктавно и использованием для каждой из них своего вибровозбудителя, а также создания конструкции дебалансного вибровозбудителя с возможностью эффективной регулировки силы создаваемого им воздействия на исследуемую среду в процессе изменения частоты вращения.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе возбуждения вибрационных колебаний для проведения сейсмической разведки, при котором вращением дебалансных вибровозбудителей вибрационного источника упругих колебаний возбуждают частотно-модулированные упругие колебания в многооктавном, сейсмическом диапазоне частот, согласно изобретению, возбуждение упругих колебаний в заданном, n-октавном, сейсмическом диапазоне частот упругих волн осуществляют пооктавно с помощью n дебалансных вибровозбудителей, каждый из которых работает в одной из заданных n октав сейсмических частот, при этом собственная резонансная частота каждой из n систем вибрационный источник - грунт в процессе передачи энергии упругих колебаний находится в области верхней частоты октавы соответствующего дебалансного вибровозбудителя.

Предварительно указанные дебалансы раскручивают при противоположном расположении дебалансных масс до резонансной частоты, системы соответствующий вибрационный источник - грунт, а возбуждение упругих колебаний производят с использованием частотно-модулированного сигнала с изменением частоты в сторону уменьшения, в процессе чего изменяют угол между векторами центробежных сил дебалансных масс (угол расхождения) с обеспечением заданной стабильности амплитуды силы воздействия.

Кроме того, возбуждение начинают с верхней октавы, включающей более высокие частоты относительно других выбранных октав.

Указанный технический результат достигается также тем, что в дебалансном вибровозбудителе, включающем вал, на котором расположен дебаланс, выполненный из двух дебалансных масс, преимущественно в виде полудисков, установленных с возможностью регулирования их углового положения относительно друг друга с помощью следящей системы, включающей установленные на дебалансных массах датчики положения, связанные с входами блока управления, согласно изобретению, одна из указанных дебалансных масс, установленная на валу с возможностью свободного вращения, выполнена с расположенными по образующей полудиска пазами и связана с концом пружины, другой конец которой закреплен на указанном валу, при этом другая дебалансная масса, жестко закрепленная на указанном валу, снабжена, по меньшей мере, одним подвижным шипом, установленным с возможностью сцепления с указанными пазами в первой дебалансной массе и связанным с выходом блока управления следящей системы.

Пазы в дебалансной массе, установленной на валу с возможностью свободного вращения, выполнены с шагом Δφ, где Δφ - заданный шаг изменения угла φ, а φ - угол между векторами центробежных сил дебалансных масс, а дебалансная масса, жестко закрепленная на указанном валу, снабжена парой подвижных шипов, установленных на расстоянии, преимущественно, 1,5 Δφ между собой.

При этом указанные подвижные шипы связаны с блоком управления следящей системы через электромагниты.

Сущность изобретения заключается в том, что, как установлено авторами, оптимальным силовым режимом для вибрационных источников упругих колебаний в заданной, широкой (n-октавной, где n≥2) полосе частот F_н - F_к, где F_н и F_к - соответственно нижняя и верхняя частоты вибрационного сигнала, является режим работы по отдельным октавам. В этом случае, как показали расчеты авторов, в каждой из n октав, например F_н - 2F_н в диапазоне частот от F_н до F_p, при F_p≥2F_н, где F_p - резонансная частота системы вибрационный источник - грунт данной октавы, может быть обеспечено необходимое и возможно реализуемое постоянство (стабильность) амплитуды силы воздействия на грунт, которое можно распространить в широком диапазоне сейсмических частот при условии разбивки указанного диапазона на октавы и отработки каждой из n октав отдельным вибровозбудителем.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид устройства, с помощью которого может быть реализован способ согласно изобретению, на фиг.2 показан общий вид дебалансного вибровозбудителя согласно изобретению (два вида), на фиг 3 - то же, блок-схема следящей системы управления; фиг.4 иллюстрирует принцип работы дебалансного вибровозбудителя согласно изобретению.

Устройство, реализующее способ согласно изобретению, представляет собой виброблок 1, содержащий смонтированные внутри него, например, в виде трехэтажной (трехуровневой) установки, вибрационные источники 2-4 с вибровозбудителями 5, 6, 7. На нижнем этаже установлен вибровозбудитель 5, работающий в октаве верхних частот (например, 100-50 Гц), на втором - вибровозбудитель 6 следующей октавы (например, 50-25 Гц) и третьем - вибровозбудитель 7, работающий в октаве низких частот (например, 25-12, 5 Гц). Указанные вибрационные источники 2-4 установлены соответственно на основаниях 8, 9, 10, включающих вертикальные элементы 11, 12, 13. Нижнее основание 10, с установленным на нем вибровозбудителем 5, жестко связано с основанием 14, являющимся виброплатформой виброблока 1. Основания 8-10 связаны между собой мягкими пружинами 15 и установленными между вертикальными элементами 11, 12, 13 замками 16, 17. Виброблок 1 включает также подпружиненный защитный кожух 18, закрепленный на нижнем основании 10. Вибровозбудители 5-7 через соответствующие шкивы связаны с аккумуляторами вращательной энергии (маховиками, не показаны), которые раскручиваются с помощью асинхронных двигателей (не показаны).

Конструктивно (массогабаритные характеристики и компоновка узлов) вибрационный блок 1 выполнен так, что при работе каждого из вибрационных источников 2-4 резонансная частота системы грунт - вибрационный блок находится в области (приблизительно соответствует) верхней частоты октавы частот данного вибровозбудителя. Вибровозбудители 5-7 (фиг.2) конструктивно идентичны друг другу и отличаются габаритами и весом соответственно рабочему диапазону частот. Каждый из вибровозбудителей 5-7 включает вал 19, на котором расположен дебаланс, выполненный из двух дебалансных масс 20, 21, преимущественно, в виде полудисков, с установленными на них датчиками положения 22 и 23 (например, оптических дисков со считывающим устройством). Дебалансная масса 20, установленная на валу 19 с возможностью свободного вращения, выполнена с расположенными по образующей полудиска пазами 24 и связана с концом пружины 25, другой конец которой закреплен на указанном валу 19. Пазы 24 (фиг.4) в дебалансной массе 20 выполнены с шагом Δφ, где φ - угол между векторами центробежных сил F_в дебалансных масс 20, 21. Значение Δφ определяется заданной стабильностью амплитуды силы воздействия. Дебалансная масса 21 жестко закреплена на валу 19 и снабжена преимущественно двумя подвижными шипами 26, установленными с возможностью сцепления и расцепления с указанными пазами 24 первой дебалансной массы 20. Датчики положения 22, 23 связаны с входами блока 27 управления (например, микроЭВМ), выходы которого через коллектор (не показан) связаны с соответствующими подпружиненными электромагнитами 28, которые управляют подвижными шипами 26. Подвижные шипы 26 и связанные с ними первый и второй, работающие в противофазе электромагниты 28 расположены в выполненных в дебалансной массе 21 каналах 29. При этом подвижные шипы 26 устанавливают на расстоянии между ними, равном 1,5 Δφ. Наличие установленных таким образом двух подвижных шипов 26, работающих поочередно, уменьшает шаг фиксации дебалансных масс 20, 21 и повышает точность фиксации.

Каждый из дебалансных вибровозбудителей 5-7 (фиг.2) работает следующим образом. Перед началом сеанса вибрации дебалансные массы (полудиски) 20, 21 устанавливают друг против друга, то есть разворачивают на угол φ=180°, где φ - угол между векторами центробежных сил дебалансных масс (фиг.4). В этой позиции центробежные силы F_в дебалансных масс 20, 21 взаимно компенсируются и суммарная центробежная сила F_в воздействия равна нулю. Этим обеспечивается более легкий запуск вибровозбудителя. Затем дебалансные массы 20, 21 путем вращения вала 19 (от электродвигателя, например, с ременной передачей, не показано) раскручивают до частоты несколько выше верхней рабочей частоты октавы, после чего в процессе вибрации (формирования свип-сигнала) частоту вращения вала 19 снижают. При вращении вала 19 пружина 25 поворачивает дебалансные массы 20, 21 друг относительно друга. Расхождение дебалансных масс 20, 21 и соответственно изменение амплитуды результирующей силы воздействия регулируется за счет сцепления - расцепления шипов 26 с пазами 24 по заданному закону в соответствии с командами, поступающими через электромагниты 28 с выхода блока 27 управления. При этом углы φ расхождения дебалансных масс 20, 21 дискретно проходят значения от 180° до 180° - n·Δφ, где n - номер шага (число пазов 24, по которым переместились шипы 26) поворота (фиг.4), в пределе угол φ=0, что соответствует максимальной амплитуде силы воздействия F_в. При отсутствии изменения взаимного расположения дебалансов 20, 21 сила воздействия F_в изменяется в 4 раза при прохождении одной октавы. Для обеспечения стабильности силы воздействия, например, в пределах 0,1 F_в, минимально необходимое число пазов 24 (без учета нелинейности зависимости силы воздействия от частоты вращения) составит не менее 16, при этом Δφ=180°/15=12°. В этом случае, если октава проходится в течение 30 сек, в среднем в каждом дискретном положении дисков 20, 21 вибратор будет находиться в течение 1 сек. Указанные команды с блока 27 управления вырабатываются в зависимости от заданного режима работы и информации, поступающей с датчиков 22, 23 положения, установленных на дебалансных массах 20, 21. Таким образом, обеспечивается изменение угла обеспечивающим строго заданное силовое воздействие в широком диапазоне частот, силы воздействия могут соответственно изменяться и/или поддерживаться на заданном, необходимом по стабильности, уровне при работе в каждой из октав.

Способ согласно изобретению осуществляется с помощью устройства (фиг.1), например, в следующей последовательности операций.

Вначале вал 19, например, нижнего вибрационного источника 4 при выключенных (расцепленных) замках 16-17, соединяющих все вышестоящие массы с излучающей платформой 14, раскручивают до максимальной скорости, после чего в процессе вибрации (формирования свип-сигнала) частоту вращения вала 19 снижают и проводят сеанс вибрации на данной верхней октаве (например, 100-50 Гц). Вибрационные источники 2-3 повисают в этом случае на мягких пружинах 15 и их массы дополняются к массам системы прижима, при этом обеспечивается развязка масс вибрационных источников 2-3 от массы работающего на высоких частотах вибрационного источника 4. Затем аналогично проводят сеанс вибрации в следующей октаве (например, 50-25 Гц), с вибрационным источником 3. При этом замки 17 замкнуты, замки 16 разомкнуты. Последний сеанс проводят, используя верхний вибрационный источник 2, на низких частотах (в октаве 25-12, 5 Гц), в этом случае замки 16-17 замкнуты. Выполнение вибрационного блока 1 в виде описанной трехуровневой установки позволяет развязать между собой работу каждого из вибрационных источников упругих колебаний и при этом обеспечить силовое воздействие каждого из них на соответствующей резонансной частоте, что является необходимым для реализации способа согласно изобретению.

Работа устройства по октавам может быть организована как последовательно непрерывно, так и произвольно дискретно, а также с использованием как одного источника вращательной энергии для всех вибрационных источников (с их последовательным подключением к источнику энергии), так и с использованием для каждого вибрационного источника своего источника энергии, что не является предметом настоящего изобретения.

В целом, техническое решение, согласно группы изобретений, за счет разбиения рабочего, многоволнового диапазона частот на n октав, использования для каждой из n октав отдельного вибровозбудителя, работающего в своем однооктавном (достаточно узком) диапазоне частот, обеспечения заданной стабильности амплитуды силы воздействия при отработке заданной полосы частот, позволяет обеспечить проведение вибрационных сейсмических исследований, в том числе с использованием волн различной поляризации, в широком диапазоне частот с получением высокоразрешенных сейсмических данных, необходимых для выполнения достоверных геолого-геофизических построений.

При этом, за счет комплексирования вибровозбудителей разного диапазона частот в одной конструкции, в данном случае могут быть получены достаточно эффективные, доступные стоимостные и массогабаритные характеристики вибрационного источника, работающего в широком сейсмическом диапазоне частот без снижения амплитуды силы воздействия на высоких частотах, конструктивно и технически выполнимые и технологически приемлемые для выполнения сейсморазведочных работ в сложных климатических и географических условиях Сибири, что является сложной и трудно выполнимой задачей для активно используемых в настоящее время гидравлических, вибрационных источников упругих колебаний системы «Вибросейс»™.

Заявленная группа изобретений относится к области сейсмической разведки и может быть использована при проведении сейсмических работ с вибрационным источником возбуждения упругих колебаний с использованием электромеханических дебалансных вибровозбудителей. В способе возбуждения вибрационных колебаний для проведения сейсмической разведки, согласно изобретению, возбуждение упругих колебаний в заданном, n-октавном, сейсмическом диапазоне упругих волн осуществляют пооктавно с помощью n дебалансных вибровозбудителей, каждый из которых работает в одной из заданных октав указанного сейсмического диапазона упругих волн, при этом собственная резонансная частота каждой из n систем вибрационный источник - грунт в процессе передачи энергии упругих колебаний находится в области верхней частоты октавы соответствующего дебалансного вибровозбудителя. Дебалансный вибровозбудитель, согласно изобретению, включает вал, на котором расположен дебаланс, выполненный из двух дебалансных масс, установленных с возможностью регулирования их углового положения относительно друг друга с помощью следящей системы, включающей установленные на дебаласных массах датчики положения, связанные с входами блока управления. Одна из указанных дебалансных масс, установленная на валу с возможностью свободного вращения, выполнена с расположенными по образующей полудиска пазами и связана с концом пружины, другой конец которой закреплен на указанном валу. При этом другая дебалансная масса, жестко закрепленная на указанном валу, снабжена, по меньшей мере, одним подвижным шипом, установленным с возможностью сцепления с указанными пазами в первой дебалансной массе и связанным с выходом блока управления. Техническим результатом группы изобретений является обеспечение постоянства воздействующей силы на грунт в более широком относительно известных технических решений диапазоне частот на основе отработки частотного диапазона возбуждаемых упругих волн пооктавно и использованием для каждой из них своего вибровозбудителя, а также создания конструкции дебалансного вибровозбудителя с возможностью эффективной регулировки силы создаваемого им воздействия на исследуемую среду в процессе изменения частоты вращения. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ возбуждения вибрационных колебаний для проведения сейсмической разведки, при котором вращением дебалансных вибровозбудителей вибрационного источника упругих колебаний возбуждают частотно-модулированные упругие колебания в многооктавном, сейсмическом диапазоне частот, отличающийся тем, что возбуждение упругих колебаний в заданном, n-октавном, сейсмическом диапазоне частот упругих волн осуществляют пооктавно с помощью n дебалансных вибровозбудителей, каждый из которых работает в одной из заданных n-октав указанного сейсмического диапазона частот, при этом собственная резонансная частота каждой из n систем вибрационный источник - грунт в процессе передачи энергии упругих колебаний находится в области верхней частоты октавы соответствующего дебалансного вибровозбудителя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно указанные дебалансы раскручивают при противоположном расположении дебалансных масс до резонансной частоты, системы соответствующий вибрационный источник - грунт, а возбуждение упругих колебаний производят с использованием частотно-модулированного сигнала с изменением частоты в сторону ее уменьшения, в процессе чего изменяют угол между векторами центробежных сил дебалансных масс (угол расхождения) с обеспечением заданной стабильности амплитуды силы воздействия.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что возбуждение начинают с верхней октавы, включающей более высокие частоты относительно других выбранных октав.

4. Дебалансный вибровозбудитель, включающий вал, на котором расположен дебаланс, выполненный из двух дебалансных масс, преимущественно в виде полудисков, установленных с возможностью регулирования их углового положения относительно друг друга с помощью следящей системы, включающей установленные на дебаласных массах датчики положения, связанные с входами блока управления, отличающийся тем, что одна из указанных дебалансных масс, установленная на валу с возможностью свободного вращения, выполнена с расположенными по образующей полудиска пазами и связана с концом пружины, другой конец которой закреплен на указанном валу, при этом другая дебалансная масса, жестко закрепленная на указанном валу, снабжена, по меньшей мере, одним подвижным шипом, установленным с возможностью сцепления с указанными пазами в первой дебалансной массе и связанным с выходом блока управления следящей системы.

5. Дебалансный вибровозбудитель по п.4, отличающийся тем, что пазы в дебалансной массе, установленной на валу с возможностью свободного вращения, выполнены с шагом Δφ, где Δφ - заданный шаг изменения угла φ, а φ - угол между векторами центробежных сил дебалансных масс.

6. Дебалансный вибровозбудитель по п.5, отличающийся тем, что дебалансная масса, жестко закрепленная на указанном валу, снабжена парой подвижных шипов, установленных на расстоянии 1,5 Δφ между собой.

7. Дебалансный вибровозбудитель по п.4, отличающийся тем, что подвижные шипы связаны с блоком управления следящей системы через электромагниты.