СПОСОБ НЕВЗРЫВНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН
METHOD FOR NON-EXPLOSIVE GENERATION OF LONGITUDINAL SEISMIC WAVES

Способ невзрывного возбуждения продольных сейсмических волн относится к области неразрушающих методов сейсморазведки на нефть и газ.
Известен способ построения невзрывного сейсмоисточника, описанный в кн. "Силовые полупроводниковые и импульсные электромеханические преобразовательные устройства, 1976". - Раздел 1, с. 17-24, В.В.Ивашин, И.М.Чуркин. - "Конструкция мощного импульсно-вибрационного источника сейсмических волн (ИСВ) и выбор его основных конструктивных параметров", включающий формирование импульса электромагнитной силы притяжения между ферромагнитным индуктором и ферромагнитным полым якорем, преобразование импульса электромагнитной силы в импульс гидравлической силы с последующим преобразованием ее через плиту-излучатель в импульс механической силы давления на грунт. Источник сейсмических волн (ИСВ), конструкция которого заполнена трансформаторным маслом, передает через поверхность плиты-излучателя в грунт импульс сейсмической волны, при этом в процессе силового электромагнитного взаимодействия индуктора с якорем последний имеет рабочий режим вертикального перемещения сверху вниз, при этом ферромагнитный полый якорь с короткозамкнутыми медными кольцами заполнен трансформаторным маслом и концентрически расположен внутри охватывающего его индуктора и фиксируется в верхнем положении пружиной (снизу), имеющей механическую связь-опору с ограждающей конструкцией индуктора и упорным болтом (сверху), механически закрепленным в теле крышки, при этом трансформаторное масло внутри ферромагнитного полого якоря гидравлически связано с трансформаторным маслом, расположенным вокруг индуктора и между вертикальными опорными стенками и горизонтальной плитой-излучателем, покрытой мембраной, и образуют гидравлический трансформатор. При перемещении якоря вертикально вниз происходит выталкивание трансформаторного масла из его внутренней полости в герметичный внутренний объем корпуса ИСВ, заполненного трансформаторным маслом, отчего в нем создается избыточное давление, передающееся на плиту-излучатель, таким образом в ИСВ реализуется гидравлический трансформатор усилий, обеспечивающий ИСВ согласованный режим работы с грунтом.
Недостатками рассматриваемого способа являются необходимость борьбы с возникновением кавитации в масле, контроль и поддержание эксплуатационной чистоты масла (механические примеси, особенно ферромагнитные, вода), сложность работы в зимних условиях (особенно Сибири), требующая использования уникального масла арктического исполнения (необходимость поддержания эксплуатационной вязкости трансформаторного масла), а при температурах ниже минус 30°С - его подогрева, низкая ремонтопригодность, вызванная необходимостью слива масла, поддержания высокой чистоты помещения для ремонта в полевых условиях, повышенная пожароопасность.
Известен способ невзрывного возбуждения продольных сейсмических волн по патенту № 23688, 7 G01V 1/04, 28.12.2001 г. - "Электромагнитный источник сейсмических волн", включающий формирование импульса электромагнитной силы притяжения через зазор между индуктором, гравитационно усиленным механически жестко связанной с ним инерционной массой - пригрузом, и якорем, преобразование импульса электромагнитной силы в импульс механической силы путем опоры якоря по контуру его периметра на вертикальные ограждающие опорные конструкции электромагнитного источника сейсмических волн (ЭМИСВ) и передачу через них импульса механической силы на контур периметра плиты-излучателя ЭМИСВ, который за счет определенной жесткости его конструкции формирует через поверхность плиты-излучателя в присоединенную к нему массу грунта импульс сейсмической волны, при этом в процессе силового электромагнитного взаимодействия якоря с индуктором-пригрузом последний имеет рабочий режим вертикального перемещения по штырям - направляющим снизу вверх к якорю под действием импульса электромагнитной силы притяжения, прекращение действия импульса механической силы возбуждения продольной сейсмической волны в грунте от ЭМИСВ после механического соприкосновения динамической массы индуктора-пригруза и якоря, продолжение совместного перемещения вверх динамических масс индуктора-пригруза и якоря в поле гравитационных сил и в поле сил принудительного ограничения диапазона их вертикального совместного перемещения, плавное и относительно медленное после торможения перемещение вниз индуктора-пригруза и якоря с использованием демпфирования и штырей - направляющих, использование для питания обмоток индуктора импульса тока высокого напряжения при разряде на них конденсаторных батарей, при электропитании их через преобразователь от дизель-генератора транспортного средства.
Наиболее существенными недостатками способа-прототипа являются относительно высокая неравномерность динамических полей силовых напряжений на поверхности плиты-излучателя, обусловленная передачей импульса силы только по ее периметру, относительно высокий акустический звон от вертикальных опорных ограждающих стенок ЭМИСВ, передающих механический импульс силы плите-излучателю, невысокая эксплуатационная надежность с учетом относительно неэффективной работы штырей - направляющих, отсутствие контроля перемещения индуктора-пригруза, зазора между ним и якорем в процессе эксплуатации, высокий уровень индустриальных шумов при работе транспортного средства, обеспечивающего от его дизель-генератора питание преобразователя - высоковольтного зарядного устройства конденсаторных батарей ЭМИСВ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ, реализованный в устройстве по патенту RU №2171478, МКИ 7 G01V 1/02 от 23.02.2000 г., Детков В.А., Ивашин В.В., Певчев В.П. -"Импульсный невзрывной сейсмоисточник с электромагнитным приводом", включающий формирование импульса электромагнитной силы притяжения через зазор между индукторами, гравитационно усиленными механически жестко связанной с ними общей инерционной массой - пригрузом, и якорем, преобразование импульса электромагнитной силы в импульс механической силы путем опоры якоря по контуру его периметра на вертикальные ограждающие опорные конструкции электромагнитного источника сейсмических волн (ЭМИСВ) и передачу через них импульса механической силы на контур периметра плиты-излучателя ЭМИСВ, который за счет определенной жесткости его конструкции формирует через поверхность плиты-излучателя в присоединенную к нему массу грунта импульс сейсмической волны, при этом в процессе силового электромагнитного взаимодействия якоря с индукторами - пригрузом последний имеет рабочий режим вертикального перемещения снизу вверх к якорю под действием импульса электромагнитной силы притяжения, прекращение действия импульса механической силы возбуждения продольной сейсмической волны в грунте от ЭМИСВ после механического соприкосновения динамической массы индукторов - пригруза и якоря, продолжение совместного перемещения вверх динамических масс индукторов - пригруза и якоря в поле гравитационных сил и в поле сил принудительного ограничения диапазона их вертикального совместного перемещения, плавное и относительно медленное после торможения перемещение вертикально вниз индукторов - пригруза и якоря с использованием демпфирования и направляющих, использование для питания обмоток индуктора импульса тока высокого напряжения при разряде на них конденсаторных батарей.
Наиболее существенными недостатками способа-прототипа являются относительно высокая неравномерность динамических полей силовых напряжений на поверхности плиты-излучателя, обусловленная передачей импульса силы только по ее периметру, относительно высокий акустический звон от вертикальных опорных ограждающих стенок ЭМИСВ, передающих механический импульс силы плите-излучателю, невысокая эксплуатационная надежность, отсутствие контроля перемещения индуктора - пригруза, зазора между ним и якорем в процессе эксплуатации, высокий уровень индустриальных шумов при работе транспортного средства, обеспечивающего от его дизель-генератора питание преобразователя - высоковольтного зарядного устройства конденсаторных батарей ЭМИСВ.
Целью изобретения является выравнивание статических и динамических полей силовых напряжений на поверхности плиты-излучателя и присоединенной массы грунта ЭМИСВ, снижение звона от вертикальных опорных ограждающих стенок ЭМИСВ, передающих часть механического импульса силы плите-излучателю, увеличение надежности и качества формирования продольной сейсмической волны в присоединенной массе грунта, контроль параметров отклика присоединенной массы грунта после воздействия на него импульса силы ЭМИСВ, формирование импульса продольных сейсмических волн в условиях отсутствия индустриальных шумов от транспортных средств.
Цель достигается тем, что в способе невзрывного возбуждения продольных сейсмических волн, включающем:
- формирование импульса электромагнитной силы притяжения через зазор между индукторами, гравитационно усиленными механически жестко связанной с ними инерционной массой - пригрузом, и якорем;
- преобразование импульса электромагнитной силы в импульс механической силы путем опоры якоря по контуру его периметра на вертикальные ограждающие опорные конструкции электромагнитного источника сейсмических волн (ЭМИСВ) и передачу через них импульса механической силы на контур периметра плиты-излучателя ЭМИСВ;
- формирование через поверхность плиты-излучателя в присоединенную к нему массу грунта импульса сейсмической волны, при этом в процессе силового электромагнитного взаимодействия якоря с индукторами - пригрузом последний имеет рабочий режим вертикального перемещения снизу вверх к якорю под действием импульса электромагнитной силы притяжения;
- прекращение действия импульса механической силы возбуждения продольной сейсмической волны в грунте от ЭМИСВ после механического соприкосновения динамической массы индукторов - пригруза и массы якоря, продолжение совместного перемещения вверх динамических масс индукторов - пригруза и якоря в поле гравитационных сил и в поле сил принудительного ограничения диапазона их вертикального совместного перемещения;
- плавное и относительно медленное после торможения перемещение вертикально вниз индукторов - пригруза и якоря с использованием демпфирования;
- использование для питания обмоток индуктора импульса тока высокого напряжения при разряде на них конденсаторных батарей,
осуществляют следующие действия:
- используют дополнительно осесимметричную центральную вертикальную опору - направляющую с пружинным демпфером, механически жестко связывающую опорную центральную поверхность якоря с плитой-излучателем;
- передают через верхнюю часть осесимметричной центральной вертикальной опоры - направляющей индукторов - пригруза часть импульса механической силы от центральной части якоря к центральной нижней осесимметричной части поверхности плиты-излучателя и далее к присоединенной массе грунта под нею, относительно равномерно распределяя импульс механической силы по поверхности плиты-излучателя и по присоединенной массе грунта;
- согласовывают параметры торможения совместной динамической массы якоря и индукторов - пригруза после их механического контакта с параметрами рабочего цикла ЭМИСВ;
- используют текущий автоматический контроль скорости, времени и синхронности перемещения совместной динамической массы якоря и индукторов - пригруза;
- с помощью плоского амортизационного материала, закрепленного на горизонтальной поверхности верхней части вертикальных опорных конструкций ЭМИСВ, на горизонтальной верхней поверхности центральной опоры - направляющей ЭМИСВ, на горизонтальной внутренней поверхности периметральной части индуктора, на горизонтальной поверхности внутренней части плиты-излучателя, на которую опирается пригруз индуктора в исходном положении, обеспечивают достаточно полное поверхностное механическое сопряжение соответственно между якорем и вертикальными опорными конструкциями ЭМИСВ, между якорем и вертикальной центральной опорой - направляющей ЭМИСВ, между якорем и индукторами - пригрузом, между индукторами - пригрузом и плитой-излучателем;
- исключают разворот якоря и индукторов - пригруза в горизонтальной плоскости и друг относительно друга в процессе эксплуатации и транспортировки;
- электропитание высоковольтного преобразователя для зарядки емкостного накопителя, обеспечивающего импульс разрядного тока в обмотке возбуждения индуктора ЭМИСВ при формировании импульса электромагнитной силы, производят от батареи автономных низковольтных аккумуляторов при полностью выключенном двигателе транспортного средства;
- элементы конструкции ЭМИСВ располагают таким образом, чтобы они имели симметричное расположение относительно геометрического центра симметрии конструкции и относительно центра симметрии массы ЭМИСВ, при этом центр симметрии массы ЭМИСВ должен находиться на вертикальной оси центра симметрии конструкции ЭМИСВ;
- на вертикальной оси геометрического центра симметрии конструкции, совпадающей с главным направлением диаграммы направленности излучения продольных сейсмических волн - в центре с внутренней стороны плиты-излучателя, производят автоматический контроль ускорений плиты-излучателя с присоединенной массой грунта.
На чертеже изображено устройство для реализации способа невзрывного возбуждения продольных сейсмических волн.
Устройство для реализации способа невзрывного возбуждения продольных сейсмических волн в грунте (Фигура) содержит первый и второй индукторы соответственно 1 и 2 с симметрично расположенными относительно вертикальной оси центра симметрии конструкции ЭМИСВ обмотками соответственно 1.1 и 2.1, пригруз 3 с амортизационной прокладкой 3.1, образующий с первым и вторым индукторами соответственно 1 и 2 электромеханический узел индукторы - пригруз, якорь 4 с ферромагнитными сердечниками 4.1 и 4.2, механически жестко закрепленными в теле якоря 4 вблизи его внутренней поверхности напротив обмоток соответственно 1.1 и 2.1 соответственно первого и второго индукторов 1 и 2, при этом между первым и вторым индукторами соответственно 1 и 2 и якорем 4 установлен определенный зазор, вертикальная опора - направляющая 5, проходящая через центр пригруза 3, плита-излучатель 6, на которой механически закреплена своим основанием вертикальная опора - направляющая 5, на верхнюю периметральную плоскость которой через амортизационную прокладку 5.1 опирается центральная часть опорной поверхности якоря 4, первый и второй вертикальные штыри - направляющие пригруза 3 соответственно 6.1 и 6.2, жестко связанные с плитой-излучателем 6 и расположенные симметрично относительно геометрического центра симметрии конструкции ЭМИСВ и входящими в вертикальные пазы пригруза 3, вертикальная периметральная опора 7 якоря 4, между которыми размещена амортизационная прокладка 7.1, закрепленная на верхней горизонтальной поверхности вертикальной периметральной опоры 7, через которую передается от якоря 4 периметральная часть импульса механической силы и далее на периметр плиты-излучателя 6, первый и второй вертикальные штыри - направляющие якоря 4 соответственно 7.2 и 7.3, исключают внедопусковой разворот якоря 4 относительно первого и второго индукторов соответственно 1 и 2, первый и второй демпферы соответственно 8 и 9 опускания индукторов - пригруза, вертикальная направляющая 10 якоря 4, соосно и механически жестко соединенная с верхней горизонтальной поверхностью вертикальной опоры - направляющей 5, пружинный ограничитель 11 хода якоря 4 с пригрузом 3 и первым и вторым индукторами соответственно 1 и 2, горизонтальная верхняя опора 12, между которой и верхней поверхностью якоря 4 расположен пружинный ограничитель 11, механически закрепленный на верхней грани вертикальной направляющей 10, первый и второй датчики соответственно 13 и 14 автоматического бесконтактного контроля текущего расстояния от верхней поверхности пригруза 3 до установленного базового местоположения первого и второго датчиков соответственно 13 и 14 через сквозные отверстия в якоре 4, при этом датчики 13 и 14 закреплены на горизонтальной верхней опоре 12 симметрично относительно вертикальной оси центра симметрии конструкции ЭМИСВ, автоматический датчик 15 ускорения, механически связанный с внутренней поверхностью центра плиты-излучателя 6. Устройство работает следующим образом.
При подаче импульса тока в обмотки 1.1 и 2.1 возбуждения первого и второго индукторов соответственно 1 и 2, механически закрепленных у верхней поверхности в теле пригруза 3, между ферромагнитными сердечниками 4.1 и 4.2 якоря 4, расположенными напротив индукторов 1 и 2, через зазор между верхней поверхностью индуктора 1 и нижней поверхностью якоря 4 возникает импульс электромагнитной силы притяжения (магнитодвижущей силы), под действием которого индукторы - пригруз начинают перемещаться вертикально вверх на сближение с якорем 4, при этом через вертикальную опору - направляющую 5 и ее амортизационную прокладку 5.1 передается от якоря 4 в центральную часть плиты-излучателя 6 часть импульса механической силы, а через вертикальную периметральную опору 7 якоря 4 и ее амортизационную прокладку 7.1 на периметральную часть плиты-излучателя 6 от якоря 4 передается оставшаяся часть импульса механической силы, которые формируют в присоединенной массе грунта поле продольных сейсмических волн. После механического контакта индукторов - пригруза с якорем 4 происходит резкое снятие - прекращение передачи импульса механической силы на плиту-излучатель 6 и совместное перемещение вертикально вверх якоря 4 и плиты-излучателя 6, которое тормозится пружинным ограничителем (демпфером) 11 до их полного останова, после которого начинается их совместное перемещение вертикально вниз, плавность и скорость которого задаются первым и вторым демпферами соответственно 8 и 9. После возвращения якоря 4 и индукторов - пригруза в исходное состояние с первоначальным зазором между ними устройство готово к следующему циклу возбуждения продольных сейсмических волн в грунте, при этом первый и второй вертикальные штыри - направляющие пригруза 6 соответственно 6.1 и 6.2 и первый и второй вертикальные штыри - направляющие якоря 4 соответственно 7.2 и 7.3, расположенные на вертикальной периметральной опоре 7, исключают внедопусковой разворот якоря 4 относительно первого и второго индукторов соответственно 1 и 2, обеспечивая эффективное взаимодействие их с ферромагнитными сердечниками 4.1 и 4.2 якоря 4. Первый и второй датчики соответственно 13 и 14 автоматического бесконтактного контроля текущего расстояния от их базового местоположения до верхней поверхности пригруза 3 через сквозные отверстия в якоре 4 обеспечивают в процессе работы контроль перемещения индукторов - пригруза до момента соприкосновения их с якорем 4, после чего продолжают их совместное вертикально вверх перемещение с учетом перемещения - реакции присоединенной массы грунта, а затем их перемещение вертикально вниз, при этом контролируют и текущую скорость их перемещения, что позволяет определить параметры согласования ЭМИСВ с грунтом. После опирания якоря 4 на вертикальную периметральную опору 7 и на вертикальную опору направляющую 5 индукторы - пригруз продолжают перемещаться вниз до своего установившегося исходного местоположения, при этом перемещение индукторы - пригруз также контролируется первым и вторым датчиками соответственно 13 и 14, в качестве которых могут быть использованы, например, автоматические бесконтактные триангуляционные оптоэлектронные датчики перемещений. Датчик ускорений 15 в центре плиты-излучателя 6 определяет динамические параметры импульса силы на плите-излучателе 6 с присоединенной массой грунта и реакцию грунта после окончания импульса силового воздействия ЭМИСВ на него.