Крутильный сейсмометр Советский патент 1984 года по МПК G01V1/16 

1 Изобретение относится к геофизическому приборостроению и может быть использовано для измерения крутильных колебаний в сейсмометрии и разведочной геофизике. Известен крутильный сейсмометр, содеркащий корпус, преобразователь, инертную массу, подвес из радиально ориентированных пластин и три подвижных диска ij . Недостатком сейсмометра является то, что инертная масса, подведенная на радиальио ориентированных пластинах, реагирует не только на крутильные колебания, но и на горизонтальные колебания, что снижает точность измерения крутильной компоненты. Известен также крутильный сейсмометр, содержащий корпус, выполненный в виде ферромагнитного диска, в диаметральной плоскости которого размещен чувствительный элемент 2j . Недостатком сейсмометра является низкая точность измерения динамичес ких характеристик сейсмических сигналов. Это вызвано тем, что ампл туда ЭДС,/возбуждаемой катушке сейсмически - сигналом, пропорционал на величине горизонтальной составля ющей геомагнитного поля. Эта величи на на территории СССР изменяется От 0,1 до 0,4 Э, и ЭДС, возбуждаема одним и тем же сейсмическим сигналом но в разных регионах может отличать ся в четыре раза, что существенно снижает точность измерений и чувств тельность прибора. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является крутильный сейсмометр, содержащий корпус, ферромагнитный диск с размещенньи в его диаметральной плоско ти основным чувствительньм элементо и калибровочное устройство з . Недостатком известного сейсмомет является то, что для получения макс мальной чувствительности прибора необходима ориентация его чувствите иого элемента(катушки вдоль горизон тальной составляющей магнитного поля Земли. Такую ориентацио можно проводить при поверхностных наблюде ниях. Однако при наблюдениях в сква жинах, когда зонд, содержащий сейсм метр, опускается на значительную глубину, а ствол скважины имеет искривление 5 вьщержать такую направ ленность практически невозможно. При отклонении плоскости катушки 9 от направления магнитного поля чувствительность прибора уменьшается,) а когда это отклонение достигает 90 +10, чувствительность прибора становится практически равной нулю. Кроме того, система внутренней калибровки известного устройства, расположенная в горизонтальной плоскости относительно ферромагнитного диска, не может быть использована для скважинного прибора из-за ограниченности пространства скважины в горизонтальном направлении. Цель изобретения - повыщение чувствительности в условиях работы в скважине. Поставленная цель достигается тем, что в крутильный сейсмометр, содержащий корпус, ферромагнитный диск с размещенным в его диаметральной плоскости основным чувствите:;ьным элементом и калибровочное устройство, введен идентичный дополнительный Чувствительный элемент, раз feщeнный в диаметральной плоскости ферромагнитного диска перпендикулярно основному чувствительному элементу и электрически соединенный с HI-IK в противофазе, а калибровочное устройство выполнено в виде двух идентичных узлов , расп ложенных симметрично относительно плоскости диска, при этом каждый узел содерлсит две пары симметрично расположен ых идентичных возбудителей колебаний, включенных в противофазе и снабженных промежуточными элементами в виде жестких призм, между которыми зажата опора, жестко скрепленная с ферромагнитным диском и располол енная в его диаметральной плоскости равноудаленной от чувствительных элементов, На фиг. изображена принципиальная схема сейсмометра; на фйг. 2 разрез А-А на фиг, , Сейсмометр состоит из ферромагнитного диска 1, размещенных на нем чувствительных элементов наиример, катушек) 2, закрепленных на поверхности диска опор 3 и удерживающих опоры возбудителей колебаний, состоящих из механизмов 4 перемещения, содержащих источник 5 колебаний, прикрепленнь01 к корпусу б, и промежуточные элементы 7, выполненные в нвде жестких призм. Источники 5 колвгбаний механизмов 4 перемещения жестко прикреплены к корпусу 6 прибора, а между ребрами промежуточных элементов 7 зажаты опоры 3, таким образом ферромагнитный диск 1 крепи ся к корпусу 6 посредством опор 3 и возбудителей колебаний..Жесткое крепление опор между задающими устройствами механизмов перемещения обеспечивает жесткость прибора при регистрации сейсмических сигналов-. Источники 5 колебаний выполнены например, на основе пьезоэлементов и в каждой паре подключены к противофазс. Это обеспечивает при калибровке вращение ферромагнитного диска вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр. Идент 1чные чувствительные элементы 2 размещены во взаимно перпендикулярных диаметральных плоскос тях диска и соединены в противофазе что позволяет суммировать ЭДС возни кающую в каждой катушке при воздейс вии на прибор крутильной составляющей сейсмического колебания. Прибор работает следующим образо Прибор опускают в скважину до нужной глубины и приступают к измерениям. Геофизические измерения сос тоят из калибровки и (сепосредственн измерения сейсмического сигнала. В процессе опускания прибора в скважину происходит непроизвольное его вращение вокруг вертикальной ос И ориентация прибора в скважине при достижении им глубины измерения может не совпадать с заданной на по верхности Земли ориентацией. При измерении сейсмического сигн ла в результате воздействия крутиль составляющей сейсмической волны сейсмометр поворачивается вокруг вертикальной оси и происходит изменение магнитного потока, пронизывающего витки катушек, и в них возникает ЭДС. Амплитуда ЭДCJ возник ющей в одной из катушек при малых углах поворота(до 5 ), выражается формулой E,-2irifi(U|UoH5, где f - частота воздействующего колебания, Гц; А - амплитуда колебания в радианах; N - число витков катушки; - магнитная проницаемость пустоты; (Ч - относительная магнитная проницаемость ферромагнит ного диска; И - горизонтальная составляющая геомагнитного поля, . равная Н( Ц, , где И| - напряженность магнитного поля вдоль силовых линий; ( - угол между направлением силовых линий поля и ориентацией катушки; При QI, 0 ЭДС. Максимальна и равна E 2iif:ft}{ Ug следовательно l mox O fiАналогично определяется, что ЭДС возникающая во второй катушке Еа ЕщахСо ЧгТак как катушки взаимно перпендикулярны, TO q)2 ) и позтому Е, Е,со5(90+ц),).Е„дД-елпС,). Поскольку катушки подключены в противофазе, суммарная ЭДС. Е 1 EZ Е дДсобЧ, 5т М,)Угол (О может изменяться от О до 90 в силу идентичности и перпендикулярности катушек. При , 0 и 90 , т.е. при ориентации одной из катушек вдЬль силовых линий поля, ЭДС . . При 0(,;90°, CQ5 Ц, + 9ПЧ,1 и . Таким образом, при любой ориентации прибора в скважине измеряемая ЭДС не меньше Е . В то время, как iTjax в известном устройстве Е может быть тол достигнуто только при единственном положении прибора - при ориентации прибора (катушки)вдоль силовых линий, вероятность которого мала. При всех других ориептациях измеряемая ЭДС I меньше , а при взаимно перпендикулярной ориентации катушки и силовых линий зта ЭДС равна нулю. Таким образом, введение в прибор дополнительной катушки, взаимное расположение катушек и подключение их в противофазе позволяет существенно повысить чувствительность прибора. Однако определить угол ср, в про-цессе измерения не представляется возможным, к тому же происходит изменение напряжешюсти геомагнитного поля по глубине скважины и поэтому без предварительной калибровки полученное повышение чувствительноеMl нейтрализуется пониженной точностью измерения.

При калибровке прибора на каждую пару источников 5 колебания 5, выполценных на основе пьезоэлементов, пода 5 ется от внешнего источника знакопере менное напряжение. В связи с явлением обратного пьезоэффекта один элеме пары начинает расширяться, а второй на такую же величину уменьшается в размере. Тот же эффект происходит на соседней паре, зажимающей ondpy, но в противоположном направлении. Возникающие колебания передаются через промежуточные элементы 7 на опору 3, и опора 3, жестко зажатая между ними, начинает совершать вращательные гармонические колебания заданной амплитуды и частоты. Такие же гармонические колебания начинает совершать прикрепленный к опорам ферромагнитный диск 1 с чувствительными элементами 2. Необходимость изготовления промежуточного элемента в виде призмы выз вана тем, что контакт между промежуточным элементом и опорой должен быть минимальным и равномерным по всей щирине опоры. В противном случа происходит искажение передаваемых колебаний за счет- неравномерного распределения силы по опоре, например, при выполнении промежуточного элемента в виде пирамиды или за

счст деформации самого проиежуточиого элемента, например при выполнении его в виде прямоугол п1ика. Предлагаемая система из двух идентичных узлов обеспечивает строго заданные вращательные перемещения фе)ромагнитного диска, а также препятствует его горизонтальным перемещениям, что существенно повьпиает стабильность во времени амплитуды задаваемого чувствительному элементу гармоничного колебания, а следовательно, и точность калибровки. Жесткое соединение корпуса и ферромагнитного диска с чувствительньми элементами посредством механизма перемещения и опоры позволяет значительно повысить надежность прибора, что имеет большое значение при скважинных измерениях, характеризующихся неблагоприятными условиями. Прибор яе содержит системы арретирования, что значительно упрощает проведение измерений сейсмических сигналов в скважинах. Расчеты и опыты на сейсмометре подтверждают, что использование изобретения позволяет повысить чувствительность прибора до 1,5 раз при одновременном повышени точности на 30-40% по сравнению с известным устройством. Кроме того, повышается надежность сейсмической информации.

КРУТИЛЬНЫЙ СЕЙСМОМЕТР, содержащий корпус, ферромагнитный циск с размещенным в его диаметральHOii плоскости основным чувствительным элементом и калибровочное .устpoiicTHo, отличающийся icM, что, с целью повышения чувствительности в условиях работы в скважине , в него введен 1щентичный дополнительный чувствительный элемент, размещенный Б диаметральной плоскости .ферромагнитного диска перпе1щикулярно основному чувствительному элементу и электрически соединенный с ним в противофазе , а калибровочное устройство выполнено в виде двух идентичных узлов, расположенных симметрично относительно плоскости диска, при этом каж,ц1.й узел содержит две пары симметрично расположенных идентичных возбудителей колебаний, включенных в противофазе и снабженных промежуточными элементами в виде жестких призм, между которыми зажата (Л опора, жестко скрепленная с ферромаг нитным диском и расположенная в его диаметральной плоскости равноудаленно от чувствительных элементов. § 1чЭ сл ел О) со