Групповой источник сейсмических сигналов Советский патент 1982 года по МПК G01V1/133 

(5t) ГРУППОВОЙ ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится преимущественно к морской сейсморазведке, кроме того, может применяться в качеств источника возбуждения сейсмических сигналов в скважинах, заполненных жидкостью. Известны источники сейсмических сигналов, работа которых основана на использовании энергии сжатых газов. Эти источники в большинстве случаев обладают повышенной акустической отдачей и сравнительно малыми габаритами . Однако реализация рабочего цикла в виде открытого выхлопа сжаты газов обычно приводит к ухудшению вы ходных характеристик источника. Известно устройство для формирова ния сейсмических сигналов в морской разведке, содержащее газовую камеру высокого давления. Сжатый воздух в эту камеру подается с борта корабля, буксирующего устройство. По команде, поступающей от системы управления, камера высокого давления быст ро открывается, и сжатый газ выбрасывается в окружающую среду. За счет силового взаимодействия сжатого газа и морской воды в последней (1юрмируется акустический сигнал Cl. Существенным недостатком работы источников данного вида являются пульсации газового пузыря, образованного в водной среде в результате открытого выхлопа сжатого газа. Эти пульсации искажают и удлиняют исходный зондирующий сигнал, что в конечном итоге ведет к низкой разрешенности сейсмических записей. Известен пневматический подводный сейсмический источник, имеющий устройство для ослабления повторных пульсаций газового пузыря. Последнее представляет собой перфорированный KopnyCj в который выпускается сжатый воздух из пневмоисточника при его работе. Размер перфорированного корпуса должен быть не меньше размера полости, образуемой в воде расширя3ющимся воздухом. Общая площадь отверстий по условию эффективнаго гаше ния должна составлять 11-25 от всей площади корпуса. Размеры и количеств отверстий подбираются в зависимости от желаемого спектра возбуждаемого сигнала. Объем перфорированного корпуса должен превосходить объем камер высокого давления источника на 2-3 порядка 2. Данное устройство обладает громоздкостью и, как следствие, имеет низкие эксплуатационные качества, Кроме того, устройство не обеспечива ет полного исключения повторных ударов, которые вносят помехи в работу сейсмической системы. Практически свободны от повторных пульсаций сигналы, формируемые сейсм ческими источниками , работа которых основана на схлопывании вакуумных полостей в жидкости. Разработано значительное количество устройств, реализующих данный принцип получения зондирующих сейсмических сигналов. Наиболее характерным из них можно считать генератор ударных волн, который имеет цилиндр с поршнем. Справа в горизонтально установленный цилиндр свободно поступает вода из окружающего пространства. Слева к ци линдру примыкает металлический диск, укрепленный на штоке, проходящем через основание в днище внутрь цилиндра. К боковой поверхности цилиндра подведена трубка, по которой в цилиндр может подаваться, а также откачиваться сжатый газ. При закачивании газа поршень перемещается в край нее правое положение, где фиксируется дистанционно управляемой защелкой. Затем гйз из цилиндра откачивается, и внутри цилиндра создается вакуум. Если расфиксировать защелку, то поршень под действием гидростатического давления окружающей воды за весьма короткий промежуток времени Переместится в крайнее левое положение и с силой ударит по штоку. Диск в данном случае резко отойдет от днища цилиндра, создав тем самым уда ное возбуждение в окружающей среде. Назад к цилиндру диск возвращается под действием геликоидальной пружины насаженной на шток 3. При работе данного устройства вакуумная полость создается за смет откачки воздуха из цилиндра. Извест-1. 4 но, что при таком способе создания вакуумных объемов рабочий цикл источника сложен и длителен, поскольку он включает в себя процесс откачки воздуха. Мала удельная энергия источника, что обычно ведет к утяжеленной и громоздкой его конструкции. Следствием указанных недостатков является низкий коэффициент полезного действия работы устройства. Регулирование спектра сейсмического сигнала в период эксплуатации источника затруднено . Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является групповой источник сейсмических сигналов, содержащий блок избыточного давления газа, пневмопроводы, гидропушки со ступенчатым корпусом, пневматической и открытой гидравлической камерами, в которых помещены поршни, системы управления. Водная пушка представляет собой источник со взрывом, направленным внутрь Ссхлопывание вакуумной полости), Пушка состоит из электромагнитного клапана, управляющей камеры, дренажной системы, пневмопроводов блока избыточного давления. Полость источника разделена поршнем на две камеры: пневматическую и гидравлическую. Последняя постоянно сообщается с окружающей жидкостью. При срабатывании электромагнитного клапана поршень смещается вниз под действием давления газа и с большой скоростью выталкивает жидкость через открытое сопло гидравлической камеры. Когда движение поршня прекращается, в результате инерции быстродвижущихся потоков жидкости образуются пустоты возле сопла. Схлопывание этих пустот вь1зывает появление сильного и короткого акустического импульса J. Основными недостатками известного устройства являются сложность системы управления и отсутствие узлов гашения реактивной силы вытекающей струи жидкости, а также демпфированного торможения поршней в крайних положениях. Цель изобретения - повышение надежности работы источника, снижение его веса, упрощение конструкции и повышение выходной акустической мощности . Поставленная цель достигается тем, что Q известном групповом источнике сейсмических сигналов, содержащем блок избыточного давления газа, пневмопроводы, гидропушки со ступенчатым корпусом, пневматической и открытой гидравлической камерами, в которых помещены поршни и системы управления, по меньшей мере две идентичные гидропушки соединены с общей камерой подрыва и расположены диаметрально противоположно или под углом одна к другой так, что суммарная реактивная сила вытекающей струи жидкости равна нулю, при этом каждая гидропушка выполнена так, что поршень, расположенный в пневмокамере, торцом выходит в камере подрыва, а наружной боковой поверхностью совместно с корпусом образует камеру управления, соединенну с одной стороны с источником избыточ ного давления и через обводные каналы с силовой пневмокамерой, а с другой через пневмоклапан - с камерой подрыва, причем камера подрыва и полость, образованная между вторым диф ференциальным поршнем И ступенью кор пуса, соединены с дренажной системой В каждой гидропушке установлен двухступенчатый гидравлический демпфер, выполненный в виде кольца, цилиндра и кольцевого выступа, причем кольцо соединено с корпусом, цилиндр снабжен буртиком, равным ширине коль ца, выполнен подвижным относительно корпуса и упирается в упорную рейку соединенную со штоком, при этом внеш яя поверхность цилиндра, стенка кор пуса, кольцо и буртик на цилиндре образуют замкнутую полость второй ступени гидродемпфера, сообщающуюся через отверстия с окружающей жидкостью, а кольцевой выступ закреплен на дифференциальном поршне так, что при соприкосновении с цилиндром совместно со стенкой корпуса, частью дифференциального поршня и буртиком цилиндра образует полость первой ступени гидродемпфера, сообщенную с полостью гидравлической камеры. На фиг, 1 приведена принципиальная схема группового источника сейсмических сигналов, состоящего из двух гидропушек, объединенных общей камерой подрыва; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - варианты группирования из-трех и четырех гидропушек с общей камерой подрыва. Каждая гидропушка состоит из сту пенчатого цилиндрического корпуса 1, внутренний объем которого разделен по функциональным признакам на отдельные полости. Полость 2 ступени с меньшим диаметром применяется как силовая пневматическая камера, а полость 3 ступени с большим диаметром является гидравлической камерой открытого вида. В полости 2 помещен стаканообразный поршень 4, который торцовой частью (дном) выходит в камеру 5 подрыва. Посредством расточки в корпусе и наружной ступенью поршня Ц образуется управляющая камера 6, которая соединена пневмопроводом 7 с источником избыточного давления (не показан). Кроме того, она через отводные каналы 8 соединена с полостью 2 пневмокамеры, а через электропневмоклапан 9 с камерой 5 подрыва. Второй поршень 10 является дифференциальным, он герметично отделяет гидравлическую камеру 3 от пневматической камеры 2. С помощью торцовой кольцевой поверхности поршня и соеди ; нительной перемычки цилиндра образована расширительная камера 11 для газа. Последняя вместе с камерой 5 подрыва соединена пневмопроводом 12 с дренажной системой не показана . В простейшем случае соединение камер с дренажной системой осуществляется через регулируемый жиклер 13. Однако в систему дренажа может быть подключен электропневмоклапан l4, что обеспечивает улучшение рабочих характеристик гидропушки. На поршне 10 выполнен кольцевой выступ 15 который совместно с цилиндрическим выбросным соплом 16 в конце хода образует первую ступень гидравлического демпфера. Сопло 16 является подвижным и в исходном положении поршней (.положение, Приведенное на чертеже) опирается на упорную рейку 17, закрепленную на об щем штоке 18. На этом же штоке жестко установлены поршни 4 и 10. Цилиндрическое сопло 16 имеет кольцевой выступ 19 который может перемещаться вместе с соплом-вдоль цилиндрической внутренней поверхности корпуса 1. Крайние положения сопла ограничиваются кольцом 20 и гайкой 21. Выступ 19, кольцо 20, а также соответствующие стенки сопла 16 и корпуса 1 образуют полость 22 второй ступени гидродемпфера. Эта полость сообщается с окружающей средой через отверстия 23, которые имеются в стенках корпуса 1. Цилиндр 16, кольцо 20 и к льиевой выступ 15 могут выполняться смежными. Герметизация газовых камер обеспе ивается уплотнительными элементаМи 24-27. Основными условиями при группировании являются обеспечение автоматической синхронизации работы гидропушек и сведение к нулю суммарной реактивной силы группы. Первое услов выполняется за счет подключения гидропушек к единой камере подрыва, а Второе - за счет их размещения. В случае неудовлетворения приведенных выше условий мощность группового источника снижается и ухудшаются харак теристики акустического сигнала. Рассмотрим работу группового источника сейсмических сигналов для случая, когда группа состоит из двух гидропушек 1,фиг. ), При подготовке группового источни ка к работе он соответствующими коммуникациями соединяется с компрессором, а также с системами управления и дренажа. Затем источник опускается в воду на заданную глубину буксировки. Для зарядки источника сжатый газ по пневмопроводу 7 подается в управляющие камеры 6 каждой из гидропушек. Под действием давления на стенк поршней k они перемещаются в сторону общей камеры 5 подрыва. При этом вместе с ними перемещаются в указанном направлении штоки 18 и связанные с ними поршни 10, а также упорные рейки 17. Последние обеспечивают соответствующее перемещение цилиндра и заполнение полостей 22 гидродемпфе ра жидкостью через отверстие 23- В конце хода поршни 10 герметизируют пневмокамеры 2, и они через обводные каналы 8 соединяются с камерами 6. После этого начинается заполнение силовых камер 2 сжатым газом. В это же время окружающая жидкость свободн (самотеком) через сопла 16 заполняет гидравлические камеры 3. Воздух из камер 11 и 5 удаляется в дренажную систему. При достижении заданного давления газа в камерах 6 и 2 (обычно в пределах 100-200 бар) источник готов к производству выстрела. Для осуществления выстрела с пуль та управления подается сигнал на пневмоклапаны 9 и Н. С помощью пнев моклапана И закрывается выход в систему дренажа, а клапан 9 соединяет упразлящие камеры 6 с камерой 5 подрыва. Возникающее избыточное давление в камере 5 подрыва оказывает давление на торец }дно) поршня 4, последний перемещается. Одновременно перемещаются поршень 10 и упорная рейка 17 освобождая ци16. Незначительное перемещение линдр поршня 10 выводит его ступень из пневмокамеры 2, при этом сообщаются между собой камеры 2 и 11. После этого избыточное давление из пневмокамеры 2 воздействует на всю площадь поршня 10, чем обеспечивает его быстрое перемещение. Жидкость, находящаяся в камере 3, вытесняется через цилиндр 16, который в данный момент выполняет роль сопла. При перемещении поршня 10 наступает момент, когда цигмндрический выступ 15 входит в цилиндр 16. Тогда частью поршня 10, корпусом 1, выступом 15 и буртиком 19 цилиндра 16 отсекается объем жидкости, образуя первую ступень гидродемпфера. Происходит торможение поршня 10, а следовательно, и всей системы, связанной с ним. Жидкость из объема первой ступени демпфера вытесняется через цилиндр 16. При работе первой ступени демпфера начинает работать и вторая ступень. Она полностью вступает в работу, когда поршень 10 касается буртика 19, иначе, когда прекращает работу первая ступень торможения. Из замкнутого объема жидкость вытесняется через отверстия 23- Объем замкнутой полости и общую площадь отверстий 23 выбирают такими, чтобы осуществлялось полное гашение скорости подвижной системы. Жидкость, выброшенная через сопло 16 в окружающую среду, благодаря инерции потока вызывает образование пустот. Образовавшиеся пустоты возле каждой пушки под воздействием гидростатического давления схлопываются, вызывая появление сильного и короткого акустического импульса без заметных пульсаций. После снятия напряжения с электропневматических клапанов они возвращаются в исходное положение, т.е. клапан It соединяет камеру 5 и полос(ти 11 с дренажной системой, а кла99пан 9 разъединяет управляющие камеры 6 и камеры 5 подрыва. Поскольку давление в камере 2 и полостях 11 падает, а в управляю14ей камере 6 повышается, то поршни и 10 возвратаются в исходное состояние. Цикл работы закончился, групповой источник вновь готов к работе. Работа группового источника в слу чае большего количества гидропушек принципиально ничем не отличается. Изменяется только форма камеры подры ва Сем. фиг. 2). Как видно из описанного выше, для синхронизации работы гидропушек не требуются дополнительные устройства, ибо синхронизация обеспечивается зде единой камерой подрыва. В каждой отдельной группе реактивная сила вытекающей струи жидкости равна нулю, в частности, при двух гидропушках вектора реактивных сил пушек направлены встречно, а величина их равна. Следовательно, суммарная реактивная сила равна нулю. Групповой источник легко комплектуется из нескольких блоков гидропушек . Выполнение группового источника по предлагаемой схеме может позволит формировать исходный зондирующий CMI- нал без повторных пульсаций, что существенно повысит качество сейсмичес ких записей. Формула изобретения 1. Групповой источник сейсмических сигналов, содержащий блок избыточного давления газа, пневмопроводы гидропушки со ступенчатым корпусом, пневматической и открытой гидравлической камерами, в которых помещены поршни, системы управления, о т л ичающийся тем, что, с целью снижения веса, упрощения конструкции и повышения мощности, по меньшей мере две идентичные гидропушки соединены с общей камерой подрыва и расположены диаметрально противоположно или под углом одна к другой так, что суммарная реактивная сила вытекающей 110 струи жидкости равна нулю, при этом каждая гидропушка выполнена так, что поршень, расположенный в пневмокамере, торцом выходит в камеру подрыва, а наружной боковой поверхностью совместно с корпусом образует камеру управления, соединенную с одной стороны с источником избыточного давления и через обводные каналы с силовой пневмокамерой, а с другой через пневмоклапан - с камерой подрыва, причем камера подрыва и полость, образованная между вторым дифференциальным поршнем, расположенным в открытой гидравлической камере, и ступенью корпуса, соединены с дренажной системой. 2. Источник по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что в каждой гидропушке установлен двухступенчатый гидравлический демпфер, выполненный в виде кольца, цилиндра и кольцевого выступа, причем кольцо соеди.нено с корпусом, цилиндр снабжен буртиком, равным ширине кольца, выполнен подвижным относительно корпуса и упирается в упорную рейку, соединенную со штоком, при этом внешняя поверхность цилиндра, стенка корпуса, кольцо и буртик на цилиндре образуют замкнутую полость второй ступени гидродемпфера, сообщающуюся через отверстия с окружающей жидкостью, а кольцевой выступ закреплен на дифференциальном поршне так, что при соприкосновении с цилиндром совместно со стенкой корпуса, частью дифференциального поршня и буртиком цилиндра образует полость первой ступени гидродемпфера, сообщенную с полостью гидравлической камеры. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3322232, кл. 181-5, 1965. 2.Патент США № 3525+1б, кл. 181-5, 1967. 3.Патент Франции № 1560552, кл. G 01 V 1/133, 1970. . The oil and Gas Journal, 1978, V. 16, N.31, pp. 13.8, HO, ЙЗ, T+i, k6 and 150 (прототип).

)

)