ПНЕВМОИСТОЧНИК ДЛЯ АКВАТОРИЙ Советский патент 1994 года по МПК G01V1/137 

Изобретение относится к морской сейсморазведке, а именно к импульсным источникам сейсмических сигналов.

Известен способ возбуждения сейсмических сигналов в водной среде, включающий выброс газа из рабочей камеры, создание при этом подпорного давления в рабочей камере и поддержание его равным или большим, чем начальное давление.

Известный способ позволяет повысить интенсивность первичного и особенно вторичного импульса. Это допустимо для сейсмических исследований по методам преломленных и рефрагированных волн, когда средства приема удалены от источника на 50-100 км и даже далее. Но при разведке на нефть и газ применяется метод отраженных волн в модификации многократных перекрытий. При этом требуется повышать разрешающую способность сейсмической записи. Наличие пульсаций снижает разрешающую способность.

Известен пневмоисточник с узлом слежения за выпуском сжатого воздуха, включающий корпус с окнами и запорным органом, электропневмоклапан, рабочую и управляющую камеры, соединенные каналом, причем соосно рабочей камере установлен поршень на штоке, а шток выведен наружу. При выбросе сжатого воздуха из рабочей камеры через окна в окружающую среду давление над поршнем резко падает. Поршень перемещается в направлении окон, а шток втягивается в рабочую камеру. Последняя делится поршнем на объем выброса и подпорный объем.

Устройство позволяет при срабатывании в первоначальный момент повысить расход воздуха из рабочей камеры за счет ее значительного объема и, как следствие, медленного падения давления в ней. В последующий период, после разделения рабочей камеры на объем выброса и подпорный объем или после прекращения перемещения поршня вследствие упора в подпружиненную втулку расход воздуха резко уменьшают, т.к. давление в малом по величине объема выброса быстро падает. Этим обеспечивают снижение интенсивности повторных пульсаций.

Недостатки устройства - наличие дополнительного подвижного следящего узла-поршня на штоке, испытывающего взаимное трение с корпусом, а следовательно, снижающего долговечность устройства, повышающего инерционность управления выбросом сжатого воздуха.

Близок по технической сущности к предлагаемому пневмоисточник для акваторий, включающий корпус с окнами и запорным органом, электропневмоклапан, образующие управляющую и рабочие камеры, а также следящий за выпуском воздуха узел в виде подвижного стакана, помещенного внутри рабочей камеры вверх дном и разделяющий ее на объем выброса и подпорный объем.

Устройство имеет те же недостатки, что и предыдущее. Уровень повторных пульсаций не менее 10% от амплитуды первичного импульса.

Наиболее близок к предлагаемому пневмоисточник для акваторий, включающий корпус с окнами и запорный орган, образующие управляющую и рабочую камеры, заполненные сжатым газом, подпорную камеру, отделенную от рабочей камеры подвижной перегородкой и заполненную упругим материалом, и электропневмоклапан. В качестве упругого материала использован сжатый газ.

Изменение объема газа в подпорной камере при срабатывании источника не превосходит величины V_н, т.е. объем упругого материала - газа - в подпорной камере расширяется не более чем на объем рабочей камеры.

Таким образом, при политропном расширении упругого материала давление в подпорной камере снижается до 0,379 Р_н, если ее объем равен объему рабочей камеры.

Поскольку энергия пневматической пружины определяется выражением
Е = Р ˙ V минимальная остаточная энергия Е_к пружины по отношению к первоначальной энергии Е_н составит:
Е_к/Е_н = 0,379, а фактически и того больше. В реальных конструкциях Е_к/Е_н = 0,8-0,9, поскольку объем подпорной камеры превосходит объем рабочей в несколько раз, т.е. энергия пневматической пружины практически не расходуется на управление (контроль) давлением в рабочей камеры.

Цель изобретения - повышение сейсмической эффективности путем снижения уровня повторных пульсаций и увеличения долговечности.

Поставленная цель достигается тем, что в пневмоисточнике для акваторий, включающем корпус с окнами и запорный орган, образующие управляющую и рабочую камеры, заполненные сжатым газом, подпорную камеру, отделенную от рабочей камеры подвижной перегородкой и заполненную упругим материалом, и электропневмоклапан, в качестве упругого материала подпорной камеры использована жидкость, размещенная в замкнутом эластичном сосуде, опертом своими стенками на стенки подпорной камеры.

Применение эластичного сосуда вместо массивного стакана (поршня) из металла позволяет исключить силы трения в узле слежения за истечением сжатого воздуха, существенно понизить его инерционность в процессе истечения воздуха.

Заполнение подпорного объема силиконовой жидкостью позволяет сократить время заполнения камер источника сжатым воздухом, а совместно с применением эластичного сосуда - обеспечить равенство давлений в объеме выброса и подпорном при истечении сжатого воздуха из источника.

Применение силиконовой жидкости позволяет накопить энергию за счет ее сжатия. В процессе выброса малой порции воздуха под высоким давлением (т.к. падение давления сдерживается расширением жидкости) излучает интенсивный высокочастотный сигнал. После начала расширения газового пузыря подача воздуха в него резко прекращается. Тем самым обеспечивается сокращение амплитуды повторных импульсов. Поскольку жидкость из эластичного сосуда не выталкивается наружу, как это происходит с воздухом, находящимся в подпорных камерах известных устройств, последующее заполнение источника сжатым воздухом происходит существенно быстрее - заполняется лишь объем выброса, совпадающий с рабочей камерой, нет перетоков в подпорный объем.

Предпочтительно, чтобы подпорная камера, заполненная жидкостью, в частности силиконовой, превосходила объем рабочей камеры. В противном случае падение давления в рабочей камере при выбросе не будет эффективно редуцироваться расширением жидкости в подпорном объеме.

Рабочая камера имеет постоянную часть (в исходный момент перед срабатыванием, когда запорный орган неподвижен) и переменную часть (приращение объема в процессе перемещения запорного органа до точки соединения объема выброса с окружающей средой). Переменная часть объема камеры должна быть по крайней мере вдвое меньше постоянной. При разгоне запорного органа падает давление в рабочей камере. Как следствие, снижается расход воздуха в момент вскрытия. По этой причине снижается интенсивность первичного импульса. Когда же приращение объема рабочей камеры составляет менее 1/3 общего ее объема к моменту вскрытия, давление падает не более чем на 1/8 от начального из-за расширения жидкости в подпорном объеме. Такое падение давления допустимо, так как соответствует точности его контроля в источнике. Однако, если постоянная часть объема рабочей камеры не превосходит переменной в 2 раза, падение давления в ней превышает 1/8 часть первоначального. Такое падение давления перед выбросом сжатого воздуха недопустимо, поскольку снижается массовый расход в начальный период после вскрытия источника в окружающую среду.

В описываемом устройстве выброс воздуха из рабочей камеры сопровождается полной отдачей энергии жидкостной пружины (за исключением потерь на саморазгон жидкости). Остаточная энергия жидкостной пружины близка к нулю, т.е. такая пружина значительно эффективнее воздушной.

Удлинение эластичного сосуда с жидкостной пружиной не требует высоких скоростей перемещения, как в случае с воздушной пружиной. Последнее снижает инерционность пружины и системы в целом, дополнительно повышает ее долговечность благодаря малым усилиям трения. Кроме того, в жидкостной пружине отсутствуют элементы трения типа массивного поршня, как в прототипе.

Если заменить жидкостную пружину пневматической, для освобождения всей энергии потребуется ход поршня (удлинение эластичного сосуда), на два порядка превышающий таковой у жидкостной пружины. Следовательно, чтобы обеспечить полную разгрузку жидкостной и пневматической пружин за один промежуток времени, потребуются скорости поршня (удлинения эластичности сосуда), различающиеся на два порядка. Высокие скорости удлинения подпорной камеры, необходимые для реализации за короткий промежуток времени накопленной пневмопружиной энергии, приводят к многократному увеличению трения сил, следовательно, к потерям и снижению ресурса узлов. Это не позволяет достичь цели изобретения.

Таким образом, работа жидкостной и пневматической пружин совершается не на одном и том же пути.

С другой стороны, энергия, затрачиваемая на саморазгон пружины из жидкости, больше энергии на саморазгон сжатого газа, при равных ходах поршня. Однако, поскольку требуемый ход поршня в случае пневмопружины на два порядка больше, и, кроме того, имеет место сила трения, пропорциональная скорости поршня (последняя также выше на два порядка), пневмопружина работает неэффективно.

Если выбрать ход пневматической пружины равным ходу жидкостной пружины, работа первой на одном и том же пути выше, а затраты на саморазгон - ниже.

На фиг.1 устройство представлено в момент, предшествующий подаче командного импульса тока на электропневмоклапан для срабатывания; на фиг.2 - в момент выброса сжатого воздуха.

Пневмоисточник (фиг. 1) состоит из корпуса 1 с окнами 2, запорного органа, включающего шток 3 с верхним 4 и нижним 5 поршнями. В запорном органе выполнены канал 6 запуска, соединительный канал 7. С корпусом 1 сопряжен электропневмоклапан 8 с входом в канал 6 запуска. Корпус 1 и запорный орган образуют управляющую камеру 11, камеру 12 перетока, постоянно соединенную с окружающей средой через окна 2 рабочую камеру 13, состоящую из постоянного объема 14 выброса и отделенную от подпорной камеры 15 эластичным сосудом 16, наполненным, например, сжимаемой (силиконовой) жидкостью. Запорный орган по торцу нижнего поршня 5 уплотнен подвижной втулкой 17 с пружиной 18. При выбросе сжатого воздуха в окружающую среду образуется газовый пузырь 19 (фиг.2).

Пневмоисточник работает следующим образом. Сжатый воздух из расходной емкости (расположенной на судне) через вход 9 и электропневмоклапан 8 перемещает якорь 10 вниз и прижимает уплотнением к устью стартового канала 6. Дальнейшее перемещение якоря 10 с запорным органом приводит к постановке последнего в исходное положение перед срабатыванием. При этом верхний поршень 4 упирается в дно управляющей камеры 11 и перекрывает связь ее, по ходовой посадке штока 3, с окружающей средой через камеру 12 перетока. Одновременно нижний поршень 5 входит в контакт с подвижной уплотняющей втулкой 17. Надежность уплотнения обеспечивается прижатием втулки 17 к торцу нижнего поршня 5 пружиной 18. Рабочая камера 13 герметизируется.

Сжатый воздух, обтекая якорь 10, попадает в управляющую камеру 11, а по соединительному каналу 7 - в рабочую камеру 13. После заполнения объема 14 выброса и сжатия жидкости в подпорной камере 15, ограниченной эластичным сосудом 16, сопряженным своими стенками со стенками подпорной камеры, пневмоисточник готов к срабатыванию.

С бортового пульта управления на электропневмоклапан 8 подают по кабелю командный импульс тока. Якорь 10 притягивается электромагнитом и открывает вход сжатому воздуху в канал 6 запуска. Попадание сжатого воздуха под верхний поршень 4 нарушает баланс сил, удерживающих запорный орган в исходном положении. Запорный орган резко смещается вверх, выталкивая через окна 2 воду из камеры 12 перетока и увеличивая объем 14 выброса до соединения через окно 2 с окружающей средой. Сжатый воздух из объема 14 выбрасывается в окружающую среду в течение короткого времени, причем падение давления в объеме 14 редуцируется расширением силиконовой жидкости, заполняющей эластичный сосуд 16, размещенный в подпорной камере 15 (фиг.2). Накопленная в жидкости потенциальная энергия безынерционно передается сжатому воздуху в объеме 14 выброса, увеличивая его расход и усиливая амплитуду первичного сейсмического импульса пропорционально скорости увеличения радиуса газовой полости. После выброса значительной части воздуха запорный орган возвращается в исходное положение под действием сил со стороны управляющей камеры 11 для очередного заполнения источника.

Резкое прекращение подачи сжатого воздуха в окружающую среду способствует снижению интенсивности пульсаций. Дальнейшая подача не требуется, т.к. воздух расходуется непроизводительно на работу реактивных сил, т.е. повышение амплитуды осцилляций газовой полости 19.

Возврат запорного органа в исходное положение происходит с высокой скоростью. Этим обеспечивается: неполный выброс сжатого воздуха из объема 14. Удар торцом нижнего поршня 5 по подвижной втулке 17 смягчается пружиной 18.

В описанном пневмоисточнике исключено трение в узле слежения за падением давления в рабочей камере, чем повышен его ресурс; снижен уровень повторных пульсаций газовой полости, что повышает сейсмическую эффективность и исключает необходимость группирования излучателей, различающихся по объему, для снижения когерентных помех путем создания деструктивной интерференции сигналов в пульсирующих газовых полостях.

Изобретение относится к морской сейсморазведке, а именно к импульсным источникам сейсмических сигналов. Цель - повышение сейсмической эффективности путем снижения уровня повторных пульсаций и увеличение долговечности. Устройство включает корпус 1 с окнами 2, запорный орган, состоящий из штока 3 с верхним и нижним поршнями 4 и 5. В запорном органе выполнены канал 6 запуска и соединительный канал 7. С корпусом сопряжен электропневмоклапан 8. Указанными элементами образованы управляющая камера 11, камера 12 перетока, постоянно соединенная с окружающей средой через окна 2, рабочая камера 13, отделенная от подпорной камеры 15 эластичным сосудом 16, наполненным силиконовой жидкостью. При срабатывании запорный орган перемещается вверх в направлении управляющей камеры 11, нижний поршень 5 открывает окна 2 для выброса воздуха из рабочей камеры 13 и излучения сейсмического сигнала. При этом падение давления во время выброса частично редуцируется за счет передачи потенциальной энергии жидкостной пружины в эластичном сосуде 16 воздуху. Как следствие, уменьшаются длительность сигнала и количество расходуемого воздуха, а также интенсивность повторных пульсаций, и повышается долговечность конструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ПНЕВМОИСТОЧНИК ДЛЯ АКВАТОРИЙ, включающий корпус с окнами и запорный орган, образующие управляющую и рабочую камеры, заполненные сжатым газом, подпорную камеру, отделенную от рабочей камеры подвижной перегородкой и заполненную упругим материалом, и электропневмоклапан, отличающийся тем, что, с целью повышения сейсмической эффективности путем снижения уровня повторных пульсаций и увеличения долговечности, в качестве упругого материала подпорной камеры использована жидкость, помещенная в замкнутый эластичный сосуд, опертый своими стенками на стенки подпорной камеры. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, в качестве жидкости подпорной камеры использована силиконовая жидкость.