СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН
METHOD OF EXCITING SEISMIC WAVES

Изобретение относится к способам возбуждения сейсмических волн в сейсморазведке, основанным на использовании кинетической энергии движущихся масс.
Известен способ возбуждения сейсмических волн, основанный на электромагнитном ускорении падающего груза, изготовленного из магнитного материала и движущегося вдоль направляющих брусьев внутри колонны из немагнитного материала, при этом после освобождения для свободного падения груз ускоряется при помощи электромагнитов, расположенных вдоль колонны, и автоматически возвращается в верхнее положение после удара о землю (патент США №3302744, н. кл. 181-05, опубл. 1967).
Недостатками известного способа являются потери энергии и времени на перемещение груза, невысокая частота повторения силовых воздействий на исследуемую среду и отсутствие возможности управления спектром возбуждаемых сейсмических волн.
Известен также способ возбуждения сейсмических волн с использованием электромеханического преобразователя, включающий установку опорного устройства на грунт, создание запаса энергии в грузе при его подъеме и падении, формирование и подачу электрического импульса на катушки электромагнитов опорного устройства и передачу силового воздействия на грунт через опорное устройство, при этом осуществляют сброс груза в момент подачи команды запуска, а его торможение - через заданный промежуток времени после команды запуска (авторское свидетельство СССР №958999, МПК G01V 1/147, опубл. 1982).
Недостатками известного способа возбуждения сейсмических волн являются потери энергии и времени на перемещение груза, невысокая частота повторения силовых воздействий на исследуемую среду и отсутствие возможности управления спектром возбуждаемых сейсмических волн.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ возбуждения сейсмических волн с использованием электромеханического преобразователя, содержащего активную и реактивную части и обмотку управления движением реактивной части, включающий создание запаса кинетической энергии в реактивной части преобразователя и силовое воздействие на исследуемую среду активной части при подаче электрического импульса на обмотку управления движением реактивной части, при этом активную и реактивную части преобразователя устанавливают с возможностью вращения одной относительно другой и кинетическую энергию запасают путем приведения реактивной части преобразователя во вращение (патент РФ №2018880, МПК G01V 1/02, опубл. 1994).
Недостатками известного способа возбуждения сейсмических волн являются неудовлетворительная энергетическая и сейсмическая эффективность возбуждения сейсмических волн, обусловленная значительной длительностью импульсов силового воздействия на исследуемую среду и соответственно низкой частотой их повторения, а также отсутствием возможности управления спектром возбуждаемых сейсмических волн. Первопричиной недостатков известного способа возбуждения сейсмических волн является инерционность электромеханического преобразователя, являющаяся следствием установки его активной и реактивной части на общей оси с возможностью вращения одной относительно другой.
Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической и сейсмической эффективности возбуждения сейсмических волн.
Поставленная задача решается тем, что в способе возбуждения сейсмических волн с использованием преобразователя энергии, содержащего активную и реактивную части, привод циклического движения реактивной части и систему управления движением реактивной части, включающем создание запаса кинетической энергии реактивной части и осуществление силового воздействия на исследуемую среду активной части путем передачи энергии от реактивной части к активной части, согласно изобретению конструктивно обеспечивают независимость циклического движения реактивной части относительно активной части и выполняют независимое от цикличности движения реактивной части управление силовым воздействием активной части на исследуемую среду.
По сравнению с прототипом предлагаемый способ возбуждения сейсмических волн имеет следующие отличия:
- используются виды энергии и соответствующие преобразователи энергии, наиболее удовлетворяющие техническим и технологическим требованиям конкретного осуществления способа; в прототипе используется электрическая энергия и соответственно электромеханический преобразователь энергии;
- используется циклическое движение реактивной части и соответствующий привод; в прототипе используется вращательное движение и соответственно вращательный привод;
- активная и реактивная части преобразователя энергии конструктивно выполнены с возможностью механической независимости движения; в прототипе зависимость движения активной и реактивной частей преобразователя обусловлена их установкой на общей оси вращения;
- система управления движением реактивной части независимо от цикличности движения последней модулирует поток энергии от реактивной к активной части в соответствии с заданным законом изменения величины и формы силового воздействия на исследуемую среду; в прототипе возможности управления параметрами импульсного силового воздействия на исследуемую среду ограничены значительной длительностью импульсов и низкой частотой их следования, соизмеримой с цикличностью работы привода.
Существующие сейсмические вибраторы в силовой части являются гидромеханическими преобразователями энергии потока жидкости в энергию сейсмических волн. В сейсморазведке применяются также электромеханические импульсные сейсмоисточники. Осуществление способа возбуждения сейсмических волн согласно изобретению возможно с использованием электромеханических или гидромеханических преобразователей энергии, а также путем целесообразного комбинирования видов энергии и соответствующих преобразователей.
Осуществление способа возбуждения сейсмических волн согласно изобретению возможно с использованием вращательных или колебательных приводов и соответственно вращательных, колебательных или комбинированных вращательно-колебательных преобразователей энергии, реактивные части которых выступают в роли накопителей кинетической энергии и обеспечивают уменьшение внутренних потерь энергии и звуковых и сейсмических помех, создаваемых первичными двигателями источников возбуждения сейсмических волн.
Предусмотренное конструктивно механически независимое движение активной и реактивной частей преобразователя энергии обеспечивает уменьшение инерционности его работы и повышение эффективности управления спектром возбуждаемых сейсмических волн.
Конструктивно независимость формирования возбуждаемых колебаний от цикличности действия преобразователя энергии и полнота полезного использования времени возбуждения обеспечиваются путем секционирования преобразователя и соответствующего согласования совмещенной во времени работы его секций, что позволяет осуществлять короткие, длящиеся в пределах цикла импульсные всплески колебаний или продолжительные, длящиеся на протяжении многих циклов вибрации, модулированные в соответствии с заданной формой силового воздействия на исследуемую среду.
Электромеханическое колебательное устройство для осуществления предлагаемого способа возбуждения продольных сейсмических волн изображено на чертеже, на котором приняты следующие обозначения: 1 -активная часть электромеханического преобразователя, 2 - реактивная часть электромеханического преобразователя, 3 - упругий подвес реактивной части, 4 - обмотки управления движением реактивной части, 5 - магниты или электромагниты, 6 - привод реактивной части, 7 - оболочка, 8 - несущий шток, 9 - излучающая плита, 10 - пригруз, 11 - пружины, 12 - блок электропитания привода, 13 - блок коммутации и электропитания обмоток управления движением реактивной части и рекуперации энергии, 14 - блок управления устройства.
Устройство для осуществления способа возбуждения сейсмических волн состоит из двух конструктивно идентичных секций, отличающихся режимами согласованного функционирования в процессе возбуждения сейсмических волн. Каждая из секций состоит из закрепленной на несущем штоке 8 устройства активной части 1 с установленными на ней обмотками 4 управления движением реактивной части и подвешенной на упругом подвесе 3 к оболочке 7 реактивной части 2 с установленными на ней магнитами (или электромагнитами) 5 и элементами привода 6 реактивной части, часть из которых установлена на оболочке 7. Общими конструктивными элементами секционированного устройства являются несущий шток 8, излучающая плита 9, пригруз 10, пружины 11, блок 12 электропитания приводов 6 реактивных частей 2, блок 13 коммутации и электропитания обмоток 4 управления движением реактивных частей 2 и рекуперации энергии, блок управления 14.
В передвижных устройствах в качестве пригруза 10 используется вес транспортного средства. При этом пружины 11 служат для механической развязки и защиты транспортного средства от вибраций излучающей плиты 9. Для предотвращения отрыва колеблющейся излучающей плиты 9 от грунта создаваемая пригрузом 10 статическая сила ее прижима должна превышать максимальную рабочую амплитуду силы вибрации устройства. Для осуществления спуско-подъемных операций в транспортируемых устройствах часть внутреннего объема оболочки 7 резервируется для перемещения активной части 1, а в верхнем и нижнем перекрытиях оболочки делаются отверстия для размещения и перемещения несущего штока 8.
В качестве привода 6 реактивных частей 2 секций могут быть использованы линейные двигатели, образованные постоянными магнитами или электромагнитами, установленными на более подвижных реактивных частях секций, и обмотками, установленными на менее подвижных оболочках 7 секций, закрепленных на пригрузе 10.
Активная часть 1 секции с обмотками 4 и реактивная часть 2 секции с магнитами (или электромагнитами) 5 образуют электромеханический преобразователь секции.
Реактивная часть 2 и упругий подвес 3 каждой секции образуют механическую колебательную систему, приводимую в движение приводом 6. Силовое воздействие колеблющейся реактивной части 2 на активную часть 1 возникает в результате электромагнитного взаимодействия магнитов 5 и обмоток 4 при протекании в них тока.
Обмотки 4 и блок 13 их коммутации и электропитания и рекуперации энергии образуют систему управления движением реактивных частей 2 устройства и, кроме того, являются элементами рекуперации кинетической энергии их колебательного движения.
Силы, развиваемые секциями, суммируются на несущем штоке 8, а суммарная сила передается на излучающую плиту 9, посредством которой воздействует на исследуемую среду. В целом секционированное устройство для осуществления способа состоит из конструктивно общей активной части электромеханического преобразователя устройства, образованной активными частями 1 секций, несущим штоком 8 и излучающей плитой 9, и функционально обобщенной реактивной части электромеханического преобразователя устройства, образованной реактивными частями 2 и упругими подвесами 3 секций.
Независимость механического движения обобщенной реактивной части относительно общей активной части конструктивно обеспечивают тем, что активные части 1 секций жестко соединяют с несущим штоком 8 и излучающей плитой 9, а реактивные части 2 секций с помощью упругих подвесов 3 соединяют с пригрузом 10.
Устройство для осуществления способа может быть оснащено датчиками контроля механических и электрических величин (не показаны), установленными на неподвижных и подвижных элементах его конструкции. Выходные сигналы датчиков по линиям 4-14 и 6-14 или подобным им связям поступают в блок управления 14 и используются для оптимизации работы устройства.
Способ возбуждения сейсмических волн согласно изобретению осуществляют следующим образом.
Устройство для осуществления способа устанавливают в заданной точке земной поверхности и переводят из транспортного в рабочее положение. При этом излучающая плита 9 через пружины 11 прижимается к грунту весом пригруза 10, а обмотки 4 и магниты 5 устанавливаются в контролируемое соответствующим датчиком положение эффективного электромагнитного взаимодействия.
В процессе возбуждения и регистрации сейсмических волн связь устройства для осуществления способа с сейсморегистрирующей аппаратурой производится через блок управления 14. Предварительно по команде запуска устройства, произведенной по линии 14-12, с помощью приводов 6, питаемых от блока 12 по линии 12-6, реактивные части 2 электромеханического преобразователя приводят в колебательное движение. Установление заданной рабочей амплитуды колебаний означает готовность устройства к возбуждению волн. Для известных параметров колебательной системы время установления колебаний известно и может быть отсчитано по хронометру или определено непосредственно по контролируемому соответствующим датчиком достижению заданной амплитуды колебаний.
По команде начала возбуждения сейсмических волн блок управления 14 по линии 14-13 осуществляет с помощью блока 13, модуляцию потока энергии от реактивной к активной части электромеханического преобразователя в соответствии с заданным законом изменения величины и формы силового воздействия на исследуемую среду.
В произвольный момент времени каждой из секций устройства может быть произведено силовое воздействие на исследуемую среду с заданным направлением вектора силы. При совпадении направления вектора скорости движения реактивной части секции с заданным направлением вектора силы воздействия на среду осуществляют путем короткого замыкания в блоке 13 (например, с помощью тиристоров) обмоток 4 на емкость системы рекуперации энергии. При этом движение реактивной части секции замедляется, а электромеханический преобразователь работает в режиме электрогенератора с отводом рекуперированной энергии по линии 4-13 в блок 13. При встречной ориентации вектора скорости движения реактивной части секции и заданного направления вектора силы воздействия на среду осуществляют путем создания противоэдс на обмотках 4, питаемых от блока 13 по линии 13-4. При этом движение реактивной части секции ускоряется, а электромеханический преобразователь работает в режиме электродвигателя - потребителя рекуперированной энергии. В обоих случаях магнитное поле образующегося в обмотках 4 тока взаимодействует с полем магнитов 5 и создает силу, с одной стороны, замедляющую или ускоряющую движение реактивной части 2, с другой стороны, воздействующую на активную часть 1 и передающуюся через несущий шток 8 и излучающую плиту 9 на грунт и исследуемую среду.
Для двухсекционного устройства оптимальной является работа с одинаковой для обеих секций резонансной частотой с относительным фазовым сдвигом, равным четверти периода частоты колебаний. При этом достигается максимально возможная для двухсекционного устройства амплитуда суммарного силового воздействия секций на среду при условии максимальной независимости параметров последнего от цикличности действия устройства. В случае экономической и конструктивной целесообразности увеличения количества секций повышается эффективность обеспечения независимости силового воздействия на исследуемую среду от цикличности работы устройства.
Дополнительно функциональное обеспечение независимости возбуждения сейсмических колебаний от цикличности работы секционированного устройства заключается в определенном корректировании подаваемых на обмотки 4 сигналов управления секций для заданного закона силового воздействия на исследуемую среду путем соответствующего программирования работы блока 14.
Использование резонансных колебательных систем и рекуперации механической энергии их движения позволяют создать энергетически экономичные питаемые от аккумуляторов электрической энергии устройства для осуществления способа и отключать во время возбуждения полезных сейсмических колебаний первичные двигатели-источники механической энергии, создающие значительные звуковые и сейсмические помехи.
В зависимости от производственной или технологической необходимости устройство для осуществления способа согласно изобретению может работать в режиме возбуждения импульсных, полиимпульсных или вибрационных сигналов. Выбор того или иного режима определяется заданием соответствующих управляющих сигналов.
В зависимости от области использования и технологических особенностей работы способа (наземная, акваториальная, скважинная сейсморазведка, глубинные сейсмические исследования) и устройств для его осуществления используются электромеханические, гидромеханические или комбинированные электрогидромеханические преобразователи энергии, вращательный, колебательный или комбинированный вращательно-колебательный принцип их действия, непрерывное или дискретное формирование силового воздействия на среду.
Тип возбуждаемых сейсмических волн (продольные или поперечные) и поляризацию поперечных волн (вертикальная или горизонтальная) предопределяют конструктивно путем соответствующей пространственной ориентации элементов конструкции, осуществляющих силовое воздействие на исследуемую среду.
Энергетическая эффективность способа и устройств для его осуществления обеспечивается использованием в их составе экономичных колебательных или вращательных накопителей энергии и устройств рекуперации энергии, а также рациональным использованием сейсмической энергии путем управления спектром возбуждаемых колебаний и преимущественного обогащения энергией частот, претерпевающих повышенные потери в среде и осложнение интенсивными помехами.
Сейсмическая эффективность способа и устройств для его осуществления обеспечивается возможностью возбуждения наиболее информативных типов волн и управления их поляризацией и спектральным составом с целью достижения заданной временной и амплитудной разрешающей способности исследований.