Мобильный импульсный источник упругих колебаний
MOBILE PULSE SOURCE OF ELASTIC OSCILLATIONS

Изобретение относится к геофизическому оборудованию, обеспечивающему процесс возбуждения упругих колебаний при сейсмической разведке.
Область применения разработанного источника охватывает сейсмические исследования верхней части геологического разреза, как при поисках месторождений полезных ископаемых, так и при инженерно-геологических изысканиях.
На российском рынке сейсмического оборудования представлен практически весь спектр сейсмических источников [1], но для большинства источников необходимо дополнительное оборудование либо для функционирования, либо для транспортировки.
В сейсморазведке малых глубин используются два типа импульсных источников - ударные и взрывные [2]. К ударным источникам относятся, например: падающий груз [3], пружинные [4], гидравлические (см. Патент Российской Федерации №2322685, кл. G01V 1/147, 2006 [5]), пневматические (см.  Патент Российской Федерации №2246740, кл. G01V 1/147, 2002 [6]). У перечисленных источников имеются следующие общие недостатки: значительные габариты и вес, что обуславливает не мобильность на сложно пересеченной и лесистой местности; высокую вероятность двойного (второго) удара при единичном воздействии, который снижает качество полевых записей; требуют существенных затрат физического труда и/или специальных транспортных средств (специализированных шасси) для продвижения вдоль профиля наблюдений; требуют специальных дополнительных источников энергии (аккумуляторы, компрессоры, бензоагрегаты); отработка физического наблюдения производится за значительный промежуток времени.
Наибольшее применение на практике нашли такие приборы, как переносной малогабаритный импульсный источник сейсмических сигналов «КВАНТ» (принцип работы электродинамический, сила 30 кН) [7] и «Енисей ЭМ-1.6» (принцип работы электромагнитный, сила 16 кН) [8]. Однако данные источники, несмотря на высокие силовые характеристики и малые габариты, имеют большую массу и требуют дополнительных устройств, таких как аккумуляторы для зарядки-перезарядки и специализированные шасси для транспортировки при производстве работ. Помимо этого электрический вариант работы данных устройств подразумевает качественную изоляцию внутренних частей устройства от проникновения грязи и влаги, что не всегда возможно в полевых условиях - болото, дождь, снег, заполненные водой и жидкой грязью скважины.
Взрывные источники колебаний в малоглубинной и инженерной сейсморазведке применяются крайне редко. Это связано с опасностью перевозки взрывчатых веществ, необходимостью оборудования и охраны складов взрывчатых веществ, опасностью взрывов вблизи земной поверхности, низкой экономичностью и невозможностью использования в условиях градопромышленных агломераций.
Таким образом, обобщенное техническое задание для современных разрабатываемых источников формулируется в следующем виде: малоглубинная мобильная сейсморазведка высокого разрешения с экологически чистым (невзрывным) источником.
В настоящее время из представленных на рынке сейсмических источников есть только два мобильных малогабаритных источника, транспортировку и использование которых может осуществить один человек по пересеченной местности – это сейсморужье и кувалда [9]. Сейсморужье является наиболее удачным известным примером импульсного источника колебаний для целей малоглубинной сейсморазведки. В сейсморужье для генерации упругих колебаний в грунте используется энергия выброса пороховых газов в неглубокой скважине. В основном используется заряд дымного пороха, который снаряжается в стандартные гильзы охотничьих патронов 12 калибра.
Недостаток этих источников заключается в малой интенсивности воздействия и как следствие малой глубине исследования.
Самым близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсный пороховой источник упругих колебаний (см. Патент на изобретение RU 2439620 C1, 10.01.2012. Заявка № 2010124548/28 от 15.06.2010. [10]), который принимается в качестве прототипа.
Устройство состоит из патронника с упорной скобой на нижнем торце, ресивера, корпуса ударного механизма с металлической кнопкой на верхнем торце, штанги с резиновым уплотнителем подвижного защитного диска, крестовины с рукоятками и предохранительного устройство в виде вилки.
Внутренняя часть патронника имеет сужение в виде уступа прямоугольной формы, а его дульная часть выполнена в виде конуса, расширяющегося в направлении дульного среза. Такое техническое решение приводит к следующему результату:
- во-первых, уступ обеспечивает во время выстрела задержку пыжей-обтюраторов с последующим их разрушением, при этом развивается давление форсирования, необходимое для полноценного и максимально быстрого сгорания заряда бездымного охотничьего пороха, что в свою очередь позволяет максимально увеличить энергию генерируемого импульса, сократить его длительность и расширить спектр возбуждаемых колебаний;
- во-вторых, предлагаемая форма выходного отверстия обеспечивает равномерное распределение пороховых газов по объему донной части скважины, что уменьшает величину необратимых пластических деформаций грунтов, снижающих результирующую энергию возбуждения колебаний.
Патронник соединяется с ресивером за счет многозаходной резьбы, что обеспечивает высокую прочность запирания и возможность быстрой замены стреляной гильзы на новый заряженный патрон. Длительность перезарядки источника составляет не более 30 секунд.
Механическая инициализация (накалывание) патрона производится путем нанесения удара легким молотком по металлической кнопке, расположенной на верхнем торце штока, проходящего внутри штанги.
Резиновый уплотнитель, расположенный на штанге имеет диаметр, сравнимый с диаметром скважины, тем самым при установке устройства в рабочее положение плотно закрывает устье скважины и препятствует выходу пороховых газов, чем обеспечивается более полная передача энергии выстрела в грунт, и, следовательно, увеличивается глубина проникновения сейсмических сигналов.
Защитный диск выполнен из пластика или твердой резины и свободно перемещается по штанге. Во время возбуждения колебаний он дополнительно уплотняет скважину и исключает выброс частиц грунта в сторону оператора, обеспечивая его безопасность.
Крестовина с двумя резиновыми рукоятками обеспечивает удобное и безопасное удержание устройства во время работы.
На нижнем торце патронника имеется упорная скоба, которая в случае несанкционированного заряда метательного элемента в патрон, предотвращает его выброс из ствола, обеспечивает постоянное расстояние между дульным срезом патронника и дном скважины и препятствует забиванию дульного среза грунтом, за счет чего повышается стабильность энергетических показателей импульса от выстрела к выстрелу.
Предохранительное устройство в виде вилки (расположенной в верхней торцевой части штанги), запирающей шток ударного механизма, обеспечивает безопасное обращение с устройством во время переноски и в ходе подготовки к выстрелу.
Устройство работает следующим образом.
Вдоль сейсморазведочного профиля на каждом пикете (физической точке) ручным или переносным мотобуром бурится скважина диаметром 6 см (сравнимо с диаметром уплотнительного кольца) и глубиной 50-100 см. В скважину до упора вставляется предлагаемый источник колебаний. По команде оператора сейсмостанции оператор источника, придерживая рукой крестовину, а ногой защитный диск, наносит легким молотком удар по металлической кнопке, после чего происходит инициализация специального холостого патрона. Газы, высвободившиеся при резком сгорании бездымного пороха, ударяют в дно скважины, тем самым возбуждая в грунте упругие колебания. Эти колебания регистрируются сейсмодатчиками, расставленными вдоль профиля. После отработки физической точки осуществляется переход к следующей, во время которого производится перезарядка источника.
Оператор откручивает патронник, извлекает отработанную гильзу, вставляет новый патрон, прикручивает патронник, помещает источник в заранее пробуренную на следующем пикете скважину.
Для работы устройства используются специально снаряженные холостые патроны в пластмассовой гильзе 12 калибра с зарядом бездымного пороха, предназначенного для применения в дробовых охотничьих патронах, и пластмассовыми пыжами-обтюраторами, разрушающимися в процессе выстрела.
К недостатком прототипа можно отнести следующее:
кН
- ударное воздействие на грунт осуществляется за счет импульса сообщаемого пороховыми газами, что обеспечивает небольшую силу удара (до 4 ) и как следствие малую глубину исследований;
- наличие расстояния между дульным срезом и дном скважины снижает коэффициент передачи энергии пороховых газов грунту, а также приводит к тому, что часть энергии пороховых газов рассеивается в радиальном направлении и создает интенсивные поверхностные волны-помехи, что также обуславливает уменьшение полезной силы воздействия на грунт;
- в процессе отработки пункта возбуждения требуется непосредственный плотный контакт оператора, осуществляющего отработку пункта возбуждения, с устройством, что небезопасно и увеличивает риск производственного травматизма;
- процесс инициализации возбуждения осуществляется с помощью молотка, что делает затруднительным одновременное прижимание устройства к земле или же требует участия двух операторов в процессе отработки пункта возбуждения, один из которых прижимает устройство, а другой производит инициализацию с помощью молотка;
- фиксированный диаметр дульного среза исключает возможность регулировки динамического диапазона возбуждаемых колебаний.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения:
- увеличение энергии единичного воздействия на грунт и возможность регулировки энергии единичного воздействия;
- уменьшение радиальных потерь энергии воздействия на грунт и снижение интенсивности поверхностных волн-помех;
- расширение и регулировка спектра возбуждаемых колебаний;
- повышение безопасности эксплуатации устройства и уменьшение риска производственного травматизма за счет отсутствия необходимости непосредственного прямого контакта оператора с устройством в процессе отработки пункта возбуждения;
- обеспечение длительного многократного использования устройства, благодаря исполнению технических элементов устройства из конструкционной стали, и ремонтопригодности всех узлов и элементов конструкции.
Технический результат достигается тем, что мобильный импульсный источник упругих колебаний состоит из следующих технических элементов, выполненных из конструкционной стали: массивного цилиндрического снаряда; цилиндрического корпуса, снабженного удерживающим снаряд устройством и конусным стопором, а также резьбой для крепления камеры сгорания; камеры сгорания; устройства инициализации; цилиндрического стакана.
Конструкция мобильного импульсного источника упругих колебаний поясняется рисунками, где:
- на Фиг. 1 внешний вид цилиндрического корпуса с удерживающим снаряд устройством и конусным стопором;
- на Фиг. 2 камера сгорания с устройством инициализации;
- на Фиг. 3 корпус устройства инициализации в разрезе;
а
б
- на Фиг. 4 цилиндрический корпус в разрезе () с компоновкой удерживающего снаряд устройства ();
а
б
- на Фиг. 5 конусный стопор () и цилиндрический корпус в сборе с помещенным в него снарядом ();
- на Фиг. 6 цилиндрический стакан с ударной площадкой в разрезе;
- на Фиг. 7 массивный цилиндрический снаряд;
- на Фиг. 8 мобильный импульсный источник упругих колебаний в разрезе в момент отработки пункта возбуждения.
Цилиндрический корпус 1 имеет резьбу 2 для крепления камеры сгорания 3, удерживающее снаряд устройство в виде шариковых фиксаторов 4 и конусный стопор 5 (см. Фиг. 1).
а
Камера сгорания 3 имеет внутреннюю резьбу 6 для крепления к корпусу 1 и внешнюю резьбу 7 (см. Фиг. 2 и Фиг. 4). Гильза под охотничий патрон 8 вставляется в камеру сгорания со стороны резьбы 7. На резьбу 7 навинчивается корпус устройства инициализации 9. Корпус устройства инициализации 9 имеет внутреннюю резьбу 10, для навинчивания на резьбу 7 и  отверстие 11 через которое в процессе инициализации проходит боёк 12 и ударяет в капсюль охотничьего патрона. Для взведения бойка 12 на нем предусмотрена резьба под рым-гайку 13 и проточка 14 под фиксатор бойка 15. Боёк располагается во внутреннем отверстии 16 в цилиндре меньшего диаметра корпуса устройства инициализации 9. В устройство инициализации помимо описанных элементов также входят две пружины 17 и 18 для удержания бойка 12, крышка 19 и шнур 20 (см. Фиг. 2 и Фиг. 3).
б
Удерживающее снаряд устройство представляет собой три шариковых фиксатора 4, оси которых располагаются под углом 120° друг к другу в плоскости перпендикулярной главной оси цилиндрического корпуса. Шариковый фиксатор 4 удерживается пружиной прижима 21, расположенной в гайке 22, жестко закрепленной сварочным швом к цилиндрическому корпусу 1, а сила прижатия изменяется регулировочным болтом 23 (см. Фиг. 4). От силы прижатия зависит давление, создаваемое в камере сгорания для срыва снаряда, тем самым возможна регулировка силы воздействия источника.
а
б
Конусный стопор 5 крепится к цилиндрическому корпусу 1 шестью конусными винтами без шляпки под шестигранник 24 и предназначен для остановки и фиксации «подпрыгивающего» цилиндрического корпуса, что должно избавить от второго удара, связанного с приземлением корпуса (см. Фиг 5). Высота подъема конусного стопора подобрана таким образом, что «подпрыгивающий» цилиндрический корпус не увлекает за собой цилиндрический стакан, но при этом высоты «подскока» достаточно для остановки цилиндрического корпуса за счет «застревания» конусного стопора, связанного с ним, во фланце 25, зафиксированном болтовым соединением с фланцем 26, соединенным сварочным швом с цилиндрическим стаканом 27 (см. Фиг. 5 и Фиг. 6).
Цилиндрический стакан 27 служит для передачи импульса от снаряда грунту и помимо описанных выше элементов включает в себя ударную площадку 28 и отверстия для сброса сжатого воздуха 29 (см. Фиг. 6).
При этом ударная площадка 28 является съемной, что делает возможным использование ударных площадок с разной площадью поверхности и тем самым позволяет расширять и регулировать спектр возбуждаемых колебаний.
Массивный цилиндрический снаряд 30 представляет собой сплошной цилиндр определённой формы (см. Фиг. 7). Форма снаряда обусловлена решением трех задач:
1. Удержание снаряда в верхней точке благодаря наличию проточки 31 под шариковый фиксатор 4;
2. Сила воздействия за счет массы снаряда;
3. Снаряд плотно прилегает к камере сгорания, тем самым являясь ее частью.
Заявленный мобильный импульсный источник упругих колебаний является устройством длительного многократного использования. Расходным материалом служат только холостые патроны.
При отработке пункта возбуждения не требуется непосредственный прямой контакт оператора с устройством.
Устройство может без ограничений использоваться в любом грунте и при любых погодных условиях, кроме грозы.
Конструкция устройства предусматривает возможность регулировки силы воздействия на грунт и изменение спектра возбуждаемых колебаний.
Мобильный импульсный источник упругих колебаний в таком исполнении обеспечивает достижение технического результата.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Устройство используется при полевых сейсмических исследованиях. Устройство может устанавливаться на пункте возбуждения, как на поверхности земли, так и в неглубокой скважине с целью более плотного контакта с грунтом. В скважинном варианте на пункте возбуждения ручным или переносным мотобуром бурится скважина диаметром 150 мм и глубиной 0,3-0,4 м. В скважину устанавливается предлагаемый источник колебаний. По команде оператора сейсмостанции оператор источника, находясь на расстоянии 5-10 м от него, выдергивает фиксатор бойка 15, при помощи шнура 20 прикрепленного к нему, после чего происходит инициализация специального холостого патрона. Газы, высвободившиеся при резком сгорании бездымного пороха, срывают массивный цилиндрический снаряд 30 с шариковых фиксаторов 4 и разгоняют его внутри корпуса 1. Массивный цилиндрический снаряд ударяет в ударную площадку 28, тем самым возбуждая в грунте упругие колебания. При этом сжимаемый снарядом воздух удаляется через отверстия 29, а корпус 1 «подпрыгивает» по закону сохранения импульса и застревает во фланце 25 за счет конусного стопора 5, связанного с ним (см. Фиг 8).
После отработки физического наблюдения производится перезарядка источника.
Оператор откручивает камеру сгорания 3 и корпус устройства инициализации 9, к которому прикреплены остальные элементы устройства инициализации, переворачивает корпус 1 и, ударяя им по деревянной плашке, возвращает массивный снаряд в исходное положение, контролируя при этом его фиксацию с помощью шариковых фиксаторов 4, затем удаляет отработанную гильзу холостого патрона, вставляет новый патрон, взводит боёк 12, отцепляет шнур инициализации 20 от фиксатора бойка 15 и собирает источник в обратном порядке. После этого оператор устанавливает источник на пункте возбуждения, цепляет шнур инициализации 20 к фиксатору бойка 15, отходит на безопасное расстояние для произведения возбуждения и передает оператору сейсмостанции сигнал о готовности.
Для работы устройства используются специально снаряженные холостые патроны в пластмассовой гильзе 12 калибра с зарядом бездымного пороха, предназначенного для применения в дробовых охотничьих патронах.
Заявленное устройство предназначено для проведения сейсморазведочных работ по изучению верхней части геологического разреза методами МПВ и МСК.
Заявленное устройство может использоваться многократно, позволяет отказаться от транспортирующей техники, исключая необходимость подготовки технологических проездов, тем самым снижая финансовые и временные затраты на производство работ, а также нагрузку на экологию, в связи с чем, является промышленно применимым.
Источники информации
1. Сейсморазведочные источники компании GEODEVICE [Электронный ресурс] URL: https://geodevice.ru/main/seismic/sources/.
2. Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики. - М., Изд-во МГУ, 1981.
3. Шнеерсон М.Б., Майоров В.В. Наземная сейсморазведка с невзрывными источниками колебаний. - М.: Недра, 1980.
4. Налагай В.В., Попов А.Я., Дик П.И. Сейсморазведка малых глубин. - М.: Недра, 1989.
5. Патент Российской Федерации №2322685, кл. G01V 1/147, 2006.
6. Патент Российской Федерации №2246740, кл. G01V 1/147, 2002.
7. Переносной малогабаритный источник сейсмических сигналов "Квант" [Электронный ресурс] URL: http://nil-6.narod2.ru/rek/doc_12.html.
8. Геологоразведка от А до Я [Электронный ресурс] URL: http://gseis.ru/our-business/field-seismic-works/impulse-technique/.
9. Miller R.D., Pullan S.E., Waldne J.S., Haeni F.P. Field comparison of shallow seismic sources // Geophysics. 1986. V.51, P.2067-2092.
10. Патент на изобретение RU 2439620 C1, 10.01.2012. Заявка № 2010124548/28 от 15.06.2010.