Ударник сейсмического вибратора Советский патент 1979 года по МПК G01V1/14 

Изобретение относится к геофизически.м методам разведки, в, частности, к источникам сейсмических сигналов ударного воздействия с механическим преобразованием энергии. Для возбуждения сейсмических сигналов в земле ншроко используются различного рода механические источники. Так, с помощью источника для возбуждения механических колебаний .можно существенно повысить эффективность излучения сейсмических колебаний в- среду, в частности, в диапазоне частот 0,5-3 герц, перспективном для глубинного зондирования Земли 1. Источник содержит зарядное устройство, п параллельных цепей (п 2,3,4....), состоящих из накопителей энергии и управляемых разрядников, датчик временных интервалов, анализатор сигналов, излучающее устройство, при емник колебаний, кольцевой разрядный распределитель импульсов и вентиль. Благодаря синфазному сложению колебаний в возбуждаемой среде сейсмических КПД устройства выще, чем у известных, но оно является сложным. В другом источнике сейсмических колебаний в качестве ударника используется массивное тело, которое подни.мается на определенную высоту и оттуда сбрасывается на грунт. Для увеличения амплитуды,сейсмических колебаний в широком диапазоне излучаемых частот груз падает на плиту, на которой установлено метательное устройство, которое подбрасывает груз вверх 2. Недостатком этого . аналога является низкий сейсмический КПД в диапазоне излучаемых частот от 0,5 до 5 герц, характерный для импульсных источников возбуждения колебаний. В устройстве, для возбуждения сейсмических волн также предусматривается возможность регулирования спектр.а излучаемых в среду колебаний. Устройство представляет собой свободно падающий груз, составленный из отдельных массивных плит, подвещенных одна под другой с некоторыми промежутками. При сбрасывании такого груза, например с вертолета, с заданной высоты удар производит сначала нижняя плита непосредственно по грунту, затем вторая плита ударяет по первой и т. д. Изме3HffH промежутки между плитами и ,их вес можно изменять величину и форму возбуждаемого импульса 3. Недостатком данного аналога является не высокий сейсмический КПД, в частности, в диапазоне низких частот из-за невозможности сбрасывать груз с ускорением (иначе произойдет его складывание) и не идентичность форм кривой-огибающей вырабатываемого импульса от разнесенных во времени ударов. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что плоскости соударяющихся плит от удара к удару будут иметь друг относительно друга случайный угол, а значит и механический .импульс будет по величине случайным. Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является ударник сейсмического вибратора, содержащий пустотелый корпус с внутренними перегородками, внутри которого помещен сыпучий материал 4.. Корпус, выполнен в виде пустотелого цилиндра, внутри которого размещены массивные металлические щары-сыпучее тело, жесткие перегородки установлены по радиусам образующей цилиндра йа р азличномрасстояний друг от друга. Цилиндр перекатывают по профилю- и шары, задерживаясь в ячейках между перегородками, поднимаются на некоторую высоту и, срываясь, свободно паДают внутри цилиндра на линию контакта цилиндра с грунтом, излучая всякий раз в среду импульс сейсмических колебаний. Расстояние между у:ерегородками выбрано нёрегулярНБШ с целью излучения в грунт последовательности импульсов со случайным периодом, что дает возможность проводить зондирование в сравнительно щироком спектре частот. Недостатком этого устройства является невысокий сейсмический коэффициент полезного действия в диапазоне низких излучаемых частот и не идентичность формы излу: чаемых импульсов. Действительно, каждый удар шара можно рассматривать как доста„точно широкополосный импульс механических колебаний, сейсмическая энергия которого распределена в широком спектре излучаемых колебаний, причем на долю низкоЧастотных доставляющих (0,5 -5 Гц) приходится небольшой процент общей излученной энергии. Можно добиться некоторого увеличения сейсмического КПД в диапазоне низких частот, распределив соответствующим образом перегородки. Однако свободIJU,rilVI .n.ri . V.UWV- -M HO падающие шары не достаточно эффектив .. ны для достижения поставленной цели, а сбрасывать щары с ускорением внутри цилиндра невозможно, так как это не позволяет конструкция и сам принцип работы устройства. Неидентичность формы вырабатываемых импульсов обусловлена тем, что шары всякий раз падают не на твердую идеальную поверхность, а на такие жеша661461ры, которые скопились в нижней части цилиндра. Таким образом, падающий сверху шар может попасть в одном случае лоб в лоб с лежащим внизу щаром, а может попасть и в пространство между шарами, раздвинув их. Налицо большой разброс в амплитудах вырабатываемых механических импульсов, а значит и формы вырабатываемого суммарного импульса. Целью предлагаемого изобретения является увеличение сейсмического коэффициента полезного действия в диапазоне низких частот и повышение стабильности формы излучаемых в, среду механических импульсов. Эта цель достигается тем, что в ударнике перегородки выполнены сплошньши и жестко закреплены внутри корпуса поперек к направлению удара, при этом количество перегородок п N + 1, где N - число аппроксимируемых отрезков огибающей механического импульса, а массы сыпучего материала, помещенные в полостях между перегородками, начиная с нижней полости, пропорциональны ординатам огибающей механического импульса, отсчитанным в середине каждого аппроксимируемого участка, причем высота каждой из соседних полостей пропорциональна длительности аппроксимируемого участка огибающей механического импульса, формируемого массами сыпучих тел в этих полостях. На фиг. 1 представлен ударник сейсмического вибратора в разрезе,в момент старта и финища; на фиг. 2 показан ударник сейсмического вибратора в разрезе,в момент разгона с ускорением; на фиг. 3 приведен ударник сейсмического вибратора в разрезе при достижении им заданного ускорения;на фиг. 4 проиллюстрирован пример формы огибающей механического импульса, вырабатываемого ударником. Ударник сейсмического вибратора состоит из пустотелого корпуса 1, поперечных жестко закрепленных перегородок 2, образующих полости 3-11. При этом полости заполнены сыпучим материалом 12, например металлическими шариками. Расстояния между перегородками 2, а значит и размеры образованных ими полостей могут быть раз- «чными. Разными являются и массы сыпучего материала 12, находящегося в полостях 3--11. Ударник сейсмического вибратора работает следующим образом. Ударник поднимается на некоторую вы ---r ---,-соту над поверхностью земли (фиг. 1). ото, так называемый, момент старта. Сыпучий ма.,,,Л ,,пчя/,1Г1 / TorjTO ( ,ГГТЛ/11ЪТМ МЯ - териал 12 лёжтт соответствующих перегородках. Далее ударник с ускорением начинает движение к земле. Массысыпучего материала 12 отрываются от перегородок и перемеш,аются к потолкам полостей 3-11 (фиг. 2}. Придбстйжёний ударником заданного ускоре-, нйя массы сыпучего материала 12 прижимаются к потолкам полостей 3-11 (фиг. 3) и движутся вместе с корпусом 1 ударника к земле. При ударе с ней корпус 1 ударника передает ей первый механический импульс Массы сыпучего материала 12 продолжают двигаться внутри полостей 3-11 и при достижении соответствующих перёгородок передают механический импульс через корпус 1 ударника земле. Механические импульсы формируют в земле суммарный импульс смещения почвы. Огибающая такого импульса показана на фиг. 4. На этой фигуре сплощная линия - теоретическая Огибающая 13 механического импульса смещения счйТы, пунктирные прямоугольники - аппроксимирующие теоретическую кривую импульсы от падения масс сьщучих мafepйaлoв 12; по оси абцисс отложено время t,no оси ординат - смещение почвы. Подбором расстояний между перегородками и масс сыпучих материалов 12 в каждой из полостей можно сформировать в грунте импульс механических колебаний достаточно сложной формы. Для глубинного зондирования земли используют импульсы с пологимипередним и задним фронтами, спектр которь1х сосредоточен в диапазоне низких частот. Из теории колебаний известно, что импульс колоколообразной формы наиболее удовлетворяет рещению поставленной задачи. Покажем на примере возможность формирования импульса колоколообразной формы с помощью предлагаемого ударника. Обозначим массу тела ударника через mi, а массь сыпучего материала 12 в полостях 3-11 - через Шз, Шд, ..., тц. Пусть ударник движется равноускоренно с ускорением а. Тогда формулу для смещения грунта при воздействии на него ударника можно заПйСЭть A(t) Ц (I) где Е - модуль Юнга среды; б (i) - напряжение в грунте, которое в свою очередь рассчитывается по формуле ((t) , (2) где F( t) - сила, воздействующая на грунт; S- поперечное сечение ударника. Далее, учитывая, что сила равна произведению массы ударника на ускорение а, а также ограничиваясь рассмотрением явлений в линейной области деформаций, что справедливо для практики, можно с учетом выражений (1) и (2) записать .2 miai п. Att). гдео«. -д- - некоторая постоянная для выбранной нами системы ударник-грунт; mi - массы тел 12 в полостях ударника;п N + I - число полостей в ударнике; N -: число перегородок в ударнике. Из выражения (3) с учетом равенства между собой ускорений всех масс в полостях ударника, окончательно запищем A(t)CaS we . 4) t Отсюда следует, что ординаты огибающей А пропорциональны массам сыпучего материала в полостях и с увеличением числа полостей в ударнике п аппроксимация теоретической кривой прямоугольниками будет все более точной. Что же касается расстояния между перегородками в ударникё и егОвыбора, то следует заметить , что массы тел 12 должны падать поочередно друг за другом.Совсем не обязательным является условие равенства аппроксимацирнных прямоугольников по щирине, однако непременным условием является следующее ,/5) гд t; - время падения массы в j-й полости, считая от основания ударника; tj+ii - время падения массы в (j + 1)-й полости, т. е. следующей по высоте ударника. Здесь уместно ввести понятие свободного пробега масс-расстояния в каждой полости, отсчитанное по высоте ударника и свободное от сыпучего материала. Нетрудно видеть, что это расстояние пропорционально длительности элементарного аппроксимируемого импульса огибающей механического импульса, формируемого массами сыпучих тел в соседних полостях, то есть величине At t H-tj.(6) Технико-экономический эффект от внедрения предлагаемого ударника заключается прежде всего в том, что t помощью очень простого и надежного устройства можно излучать в землю низкочастотные импульсы и иметь при этом высокие значения сейсмического КПД, то есть больщую часть затраченной энергии превращать в колебания. Благодаря применению предложенного устройства можно осуществлять зондирование на больщую глубину, чем с помощью известного устройства-прототипа, а собраЁ ударники в модули из нескольких штук возможно осуществить просвечивание земли. Далее, чем меньще размеры отдельного элемента сыпучего материала (щарика), тем с больщей точностью будет повторяться форма огибающей импульса от удара к удару, а это обстоятельство приведет к тому, что приемная регистрирующая аппаратура может быть выполнена весьма узкополосной. Это приведет к увеличению отнощения сигнал/помеха на выходе приемника колебаний, что в конечном итоге повысит качество зондирования. i-,, ;. у - -. - .--.:% X,.Формула изобретения Ударник сейсмического вибратора, содержащий пустотелый корпус с внутренними перегородками, внутри которого помещен сыпучий материал, отличающийся тем, что, с целью увеличения сейсмического коэффициента полезного действия в диапазоне низ; ких частот и повышения стабильности формы излучаемых в среду механических импульсов, перегородки выполнены сплошными и жестко закреплены внутри корпуса поперек к направлению удара, при этом количество перегородок п N + 1, где N - число отрезков, аппроксимирующих огибающ ую механического импульса, а массы сыпучего материала, помеи енные в полостях между перегородками, начиная с нижней полости, пропорциональны ординатам огибающей механического импульса, отсчитанным в середине каждого аппроксимируемо1:о участка, причем высота каждой из соседних полостей пропорциональна длительности аппроксимируемого участка, огибаюпдей механического импульса, формируемого массами сыпучих тел в этих полостях. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 468378, кл. Н 04 В 13/02, 1975. 2.Авторское свидетельство СССР № 213360, кл. G 01 С, 1968. 3.Патент США № 3130809, кл. 181--5, 1964. 4.Патент США № 3583521, кл. 181---5, 1971.

-3

Риг.1

. //

ХХ Ф«6бЖ)0

-10 .9

gg$g J«888

-6 .5

.

O X gQySoC X j

-It

WXXXXX CJS V -J

OOOOOQgQQQg

й/г.5

иг.г

.у м /) ;