МОРСКОЙ ПНЕВМОИСТОЧНИК Советский патент 1994 года по МПК G01V1/137 

Изобретение относится к морской сейсморазведке на нефть и газ и может быть использовано при исследовании строения природных осадков.

Известен пневматический источник сейсмических сигналов, содержащий генератор сжатого газа, сопряженные с возможностью относительного перемещения полый шток с поршнями и цилиндр, образующий тормозной объем и расходную камеру, электропневмоклапан, импульсный двигатель возвратно-поступательного движения с якорем-поршнем сообщена каналом с расходной камерой.

Недостаток этого устройства в том, что отсутствует возможность излучения сигналов в высокочастотном диапазоне спектра 300-3000 Гц, так как излучение сигнала начинается еще до момента вскрытия расходной камеры вследствие перемещения цилиндра, сопровождающегося выталкиванием присоединенной к фланцу и верхнему торцу массы жидкости.

Наиболее близким по технической сущности является морской пневмоисточник, включающий крышку с электропневмоклапаном, основную и дополнительную направляющие с окнами и дном, подвижный цилиндр, охватывающий основную направляющую и перекрывающий окна в ней, корпус с окнами выброса, охватывающий подвижный цилиндр с основной направляющей и жестко соединенный с крышкой, подпружиненный ступенчатый поршень внутри основной направляющей, сопряженный по ходовой посадке с ней ступенью большего диаметра, а с дополнительной направляющей - ступенью меньшего диаметра, рабочую камеру внутри дополнительной направляющей, управляющую камеру между корпусом, основной направляющей и подвижным цилиндром, подпорный объем внутри основной направляющей, ограниченный крышкой и ступенчатым поршнем и связанный с рабочей и управляющей камерами и полостью избыточного давления, и компенсационный объем внутри основной направляющей под ступенью большого диаметра ступенчатого поршня, связанный окнами в направляющей с рабочей камерой и разгонной полостью, образованной сопряженными торцами крышки и подвижного цилиндра.

Недостатком этого пневмоисточника является сложность конструкции и недостаточная интенсивность первого пика давления сигнала, поскольку сжатый воздух, выбрасываемый из дополнительной рабочей камеры, не имеет начальной скорости (кинетическая энергия его равна нулю). Максимум кинетической энергии газовая полость получает в результате отбора потенциальной энергии у сжатого воздуха в процессе расширения газовой полости. Потери потенциальной энергии на работу по расширению воздушной полости снижают долю энергии, идущей на излучение акустического сигнала.

Целью изобретения является увеличение акустического КПД путем разгона воздушного потока к началу расширения газовой полости и упрощение конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в морском пневмоисточнике, включающем крышку с электропневмоклапаном, основную и дополнительную направляющие с окнами и дном, подвижный цилиндр, охватывающий основную направляющую и перекрывающий окна в ней, корпус с окнами выброса, охватывающий подвижный цилиндр с основной направляющей и жестко соединенный с крышкой, сопряженный по ходовой посадке с ней ступенью большего диаметра, а с дополнительной направляющей - ступенью меньшего диаметра, рабочую камеру внутри дополнительной направляющей, управляющую камеру между корпусом, основной направляющей и подвижным цилиндром, подпорный объем внутри основной направляющей, ограниченный крышкой и ступенчатым поршнем и связанный с рабочей и управляющей камерами и полостью избыточного давления и компенсационный объем внутри основной направляющей под ступенью большего диаметра ступенчатого поршня, связанный окнами в направляющей с рабочей камерой и разгонной полостью, образованной сопряженными торцами крышки и подвижного цилиндра, дополнительная направляющая выполнена внутри основной и жестко соединена с ней, окна в дополнительной направляющей выполнены в месте ее жесткого соединения с основной направляющей в виде радиальных сопел Лаваля, пересекающих основную направляющую и размещенных соосно окнам выброса в корпусе.

Сущность изобретения заключается в том, что к моменту соединения разгонной полости с окружающей средой давление в ней понижают в 1,3-1,5 раза, а в рабочей камере повышают в 1,8-2,3 раза. После прохождения цилиндра мимо сопел Лаваля давление в рабочей камере в 3-10 раз превышает давление в начинающей расширяться газовой полости. Возникает критический перепад, при котором поток воздуха из рабочей камеры приобретает сверхзвуковую скорость. Кинетическая энергия воздушного потока возрастет в сотни раз, амплитуда акустического сигнала увеличивается в несколько раз. Более резкое увеличение объема газовой полости в воде сопровождается не только резким скачком амплитуды, но и резким падением давления в полости (полостях), что сокращает длительность сигнала.

Первичный технический эффект, состоящий в увеличении кинетической энергии воздушного потока к моменту начала расширения газовой полости в воде, обеспечивает возникновение нового свойства - увеличение акустического КПД пневмоисточника, так как интенсивность сигнала пропорциональна скорости роста радиуса эквивалентного сферического источника, а сверхзвуковые воздушные струи обеспечивают увеличение скорости роста радиуса газовой полости в сравнении с обычным выбросом сжатого воздуха из рабочей камеры.

На чертеже приведено устройство, общий вид.

Пневмоисточник включает корпус 1, основную направляющую 2, дно 3, крышку 4, электропневмоклапан 5, подвижный цилиндр 6 с кожухом 7, ступенчатый поршень 8, рабочую камеру 9, управляющую камеру 10 с тормозной полостью 11 наката, дополнительную камеру 12, подпорный объем 13, отделенный от рабочей камеры 9 ступенью 14 малого диаметра, а от компенсационного объема 15 - ступенью 16 большого диаметра в ступенчатом поршне 8.

Для заполнения пневмоисточника сжатым воздухом служит канал 17 подачи и отводной канал 18. Для запуска пневмоисточника служит канал 19. Изоляция внутренней полости источника от окружающей среды обеспечена торцовым уплотнением 20. Разгон подвижного цилиндра 6 осуществляется за счет расширения разгонной полости 21 подачей в нее воздуха из компенсационного объема 15 через окна 22 в основной направляющей 2. Выброс воздуха производят из окон 23 в корпусе через сопла 24 Лаваля, выполненные в месте жесткого соединения основной 2 и дополнительной 25 направляющих.

Сжатый воздух по каналу 17 подачи от внешней емкости избыточного давления поступает в тормозную полость 11 наката и, действуя на нижний торец подвижного цилиндра 6, переводит его в исходное положение - до упора верхним торцом в уплотнение 20. При этом внутренняя полость источника изолируется от окружающей среды.

Одновременно сжатый воздух по отводному каналу 18 поступает в подпорный объем 13, из которого перепускается в рабочую камеру 9, из нее - в компенсационный объем 15. Ступенчатый поршень 8 занимает исходное положение.

После прекращения перетоков сжатого воздуха между объемами в источнике завершается такт заполнения, он переходит в состояние готовности к срабатыванию.

В заданный момент времени с бортового пульта управления на электропневмоклапан 5 подают импульс тока длительностью 0,005 с и напряжением 50 В. Якорь электропневмоклапана 5 открывает вход сжатому воздуху в канал 19 запуска. Воздух поступает в разгонную полость 21, подвижный цилиндр 6 сдвигается по направлению к тормозной полости 11. Компенсационный объем 15 через окна 22 в основной направляющей 2 соединяется с разгонной полостью 21. Сила, действующая на верхний торец подвижного цилиндра 6, разгоняет его вниз. Падение давления в компенсационном объеме 15 приводит к разбалансировке сил, действующих на ступенчатый поршень 8, который также начинает движение вниз.

В момент вскрытия окон 23 выброса нижний торец подвижного цилиндра 6 входит в тормозную полость 11. Сжатый воздух из разгонной полости 21 через окна 23 выбрасывается в окружающую среду, формирует в ней расширяющуюся газовую полость.

Падение давления в разгонной полости 21, а следовательно, и в компенсационном объеме 15 под ступенью 16 большого диаметра сопровождается дополнительным ускорением ступенчатого поршня 8 и сжатием воздуха в рабочей камере 9 ступенью 14 малого диаметра.

При полном открытии окон 23 рабочая камера 9 соединяется с окружающей средой через сопла 24 Лаваля. Давление в рабочей камере 9 многократно превышает давление в расширяющейся газовой полости. Сверхзвуковые струи воздуха рассекают границу полости и, проникая на значительные расстояния от источника, скачком увеличивают площадь взаимодействия сжатого газа с вытесняемой им жидкостью. Увеличение площади контакта газа и жидкости сопровождается соответственно скачкообразным увеличением интенсивности сигнала.

Последующее перемещение подвижного цилиндра 6 в тормозную камеру 11 прекращается из-за нарастания в ней давления, тогда как давление над верхним торцом падает. Цилиндр 6 возвращается в исходное положение после нескольких возвратно-поступательных затухающих перемещений. Последнее связано с тем, что над верхним торцом цилиндра 6 при подходе к торцовому уплотнению 20 формируется тормозная полость отката (совпадающая с разгонной полостью 21). Избыток сжатого воздуха из тормозной полости отката по зазору между цилиндром 6 и корпусом 1 через окна 23 удаляется, цилиндр 6 упирается в торцовое уплотнение 20 внутренняя полость источника герметизируется. Этим заканчивается такт выброса сжатого воздуха и снова начинается такт заполнения операционных объемов.

Увеличение давления сжатого воздуха в 2 раза в первоначальный момент времени (в сравнении с прототипом) и возрастание площади взаимодействия газа с вытесняемой им жидкостью в 10 раз сопровождается 5-кратным повышением интенсивности сейсмического сигнала.

Вследствие взаимодействия газовых полостей уменьшается присоединенная масса вытесняемой жидкости (равная в случае сферического излучателя утроенной массе жидкости в объеме, равном объему газовой полости). Как следствие, падает и сопротивление, испытываемое источником со стороны жидкости. Поэтому ускоряется расширение газовой полости, интенсивнее растет радиус эквивалентного сферического источника (площадь поверхности которого численно равна площади поверхности созданной газовой полости неправильной формы), резко увеличивается интенсивность (амплитуда) сигнала, но при этом резче падает и давление в газовой полости, чем обеспечено сокращение длительности сейсмического сигнала.

Изобретение относится к морской сейсморазведке на нефть и газ, может быть использовано при исследовании строения придонных осадков. Цель - увеличение акустического КПД путем разгона воздушного потока к началу расширения газовой полости и упрощение конструкции. Устройство состоит из крышки 4 с присоединенным к ней электропневмоклапаном 5 и корпусом 1, внутри которого размещена основная направляющая 2, охваченная подвижным цилиндром 6. Внутри основной направляющей 2 размещена дополнительная направляющая 25 с дном 3 и подвижно сопряженным с ними подпружиненными ступенчатым поршнем 8. Ими образованы управляющая камера 10 с тормозной полостью 11, подпорный объем 13, компенсационный объем 15, рабочая камера 9, соединенные друг с другом и внешней полостью высокого давления каналами 18 и 19, окнами 22, а с окружающей средой соплами 24 Лаваля через окна 23 выброса в корпусе 1. При работе сжатый воздух подают в разгонную камеру 21 по каналам запуска 19. Движение цилиндра 6 сопровождается падением давления в компенсационном объеме 15 за счет перетока воздуха через окна 22 в разгонную полость 21. Как следствие начинает движение ступенчатый поршень 8, который сжимает воздух в рабочей камере 9. Вскрытие окон 23 сопровождается выбросом радиальных сверхзвуковых струй сжатого воздуха из рабочей камеры. Высокая кинематическая энергия воздушного потока приводит к излучению короткого по длительности и интенсивности сигнала, после чего цилиндр 6 занимает исходное положение. 1 ил.

МОРСКОЙ ПНЕВМОИСТОЧНИК, включающий крышку с электропневмоклапаном, основную и дополнительную направляющие с окнами и дном, подвижный цилиндр, охватывающий основную направляющую и перекрывающий окна в ней, корпус с окнами выброса, охватывающий подвижный цилиндр с направляющей и жестко соединенный с крышкой, подпружиненный ступенчатый поршень внутри основной направляющей, сопряженный по ходовой посадке с ней ступенью большего диаметра, а с дополнительной направляющей - ступенью меньшего диаметра, рабочую камеру внутри дополнительной направляющей, управляющую камеру между корпусом, основной направляющей и подвижным цилиндром, подпорный объем внутри основной направляющей, ограниченный крышкой и ступенчатым поршнем, связанный с рабочей, управляющей камерами и полостью избыточного давления, и компенсационный объем внутри основной направляющей под ступенью большего диаметра ступенчатого поршня, связанный окнами в направляющей с рабочей камерой и разгонной полостью, образованной сопряженными торцами крышки и подвижного цилиндра, отличающийся тем, что, с целью увеличения акустического КПД путем разгона воздушного потока к началу расширения газовой полости и упрощения конструкции, дополнительная направляющая выполнена внутри основной и жестко соединена с ней, окна в дополнительной направляющей выполнены в месте ее жесткого соединения с основной направляющей в виде радиальных сопел Лаваля, пересекающих основную направляющую и размещенных соосно окнам выброса в корпусе.