ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИСТОЧНИК ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН (ВАРИАНТЫ)
PULSED ELECTROMAGNETIC SOURCE OF SEISMIC SHEAR WAVES (VERSIONS)

Изобретение относится к области сейсморазведки, а именно к невзрывным сейсмоисточникам, создающим сейсмические волны механическим импульсным воздействием на поверхность грунта.
Известны принятые за аналоги сейсмоисточники (Теория и практика наземной невзрывной сейсморазведки. - под редакцией Шнеерсона М.Б. - М., Недра, 1988 - с.274) маятникового типа, принцип действия которых заключается в осуществлении удара поднятым на некоторую высоту массивным копром по специальной подставке, прижатой к поверхности грунта и сцепленной с ним с помощью погруженных в грунт зубьев.
Известны сейсмоисточники такого типа с одним копром, создающие импульсное воздействие на грунт в одном направлении.
Известны также сейсмоисточники с двумя копрами, которые могут создавать последовательности воздействий, состоящие из чередующихся противоположно направленных воздействий, что расширяет возможности сейсморазведки.
Недостатком копровых установок следует считать их невысокую производительность и ограниченные возможности группирования, связанные со сложностью синхронизации воздействий. Кроме того, данным сейсмоисточникам присущ недостаток, свойственный всем установкам типа «падающий груз», у которых скорость воздействия на грунт значительно превышает допустимую скорость смещения частиц грунта под плитой-излучателем. Это приводит к созданию чрезмерных напряжений и неупругих деформаций грунта.
Известен принятый за прототип импульсный невзрывной наземный сейсмоисточник (патент №2233000 РФ от 20.07.2004 г.), содержащий жесткую плиту-излучатель, опертый на него пригруз и электромагнит, обмотка возбуждения которого присоединена к схеме электрического питания. Индуктор закреплен на пригрузе, а якорь расположен над магнитопроводом индуктора и отделен от него воздушным зазором. Излучатель выполнен с двумя выступающими над ним опорами, якорь оперт на первую из них, а пригруз снабжен консолью, конец которой посредством оси соединен со второй опорой с возможностью углового перемещения в вертикальной плоскости в направлении уменьшения воздушного зазора. Излучатель выполнен с увеличивающейся в направлении от первой опоры ко второй высотой, а нижняя его поверхность снабжена зубьями с возможностью погружения их в грунт. Между пригрузом и излучателем установлен демпфер.
При создании последовательности воздействий, состоящей из чередующихся противоположно направленных воздействий, могут быть применены два таких сейсмоисточника, ориентированных противоположно друг относительно друга.
Недостатком прототипа является малая интенсивность генерируемых поперечных волн, обусловленная тем, что при приложении силы электромагнитного привода к плите-излучателю и деформации грунта под значительным углом к его поверхности значительная часть механической энергии привода преобразуется в энергию продольных сейсмических волн, а не поперечных.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение коэффициента (КПД) передачи механической энергии привода в энергию поперечных сейсмических волн. Дополнительной задачей является расширение возможностей применения сейсмоисточника и упрощение процедуры выполнения сейсморазведочных работ.
Техническим результатом является обеспечение приложения силы электромагнитного привода параллельно поверхности грунта. Дополнительным техническим результатом по второму варианту является обеспечение возможности чередования деформаций грунта одним сейсмоисточником в двух противоположных направлениях.
По первому варианту задача достигается тем, что импульсный электромагнитный источник поперечных сейсмических волн включает жесткую плиту-излучатель со стойками и погруженными в грунт зубьями, помещенный на плите пригруз, установленный между пригрузом и плитой демпфер и электромагнитный привод, индукторная часть которого закреплена на пригрузе, а якорная установлена на стойках и отделена от индукторной зазором с возможностью его выбора при создании силы между индукторной и якорной частями, пригруз установлен на плите с возможностью перемещения вдоль плоскости прилегания пригруза и плиты, индукторная часть привода закреплена на боковой поверхности пригруза, пригруз и якорь прижаты к опорам на стойках плиты упругими элементами.
Получение технического результата достигается за счет выполнения пригруза с возможностью перемещения вдоль плоскости прилегания его к плите, а также удержания пригруза в начальном положении и возврата в него после срабатывания сейсмоисточника с помощью упругих элементов.
По второму варианту для достижения технического результата импульсный электромагнитный источник поперечных сейсмических волн включает жесткую плиту-излучатель со стойками и погруженными в грунт зубьями, помещенный на плите пригруз, установленный между пригрузом и плитой демпфер и электромагнитный привод, индукторная часть которого закреплена на пригрузе, а якорная установлена на стойках и отделена от индукторной зазором с возможностью его выбора при создании силы между индукторной и якорной частями, пригруз установлен на плите с возможностью перемещения вдоль плоскости прилегания пригруза и плиты, источник включает дополнительный электромагнитный привод, каждый из приводов содержит магнитопровод индуктора с обмоткой возбуждения и отделенный от него зазором якорь, индукторы закреплены на противоположных сторонах пригруза, якоря прижаты к вертикальным стенкам стоек, и между пригрузом и стойками с якорями помещены упругие элементы.
Получение технического результата достигается за счет выполнения пригруза с возможностью перемещения вдоль плоскости прилегания его к плите, а также удержания пригруза в начальном положении и возврата в него после срабатывания сейсмоисточника с помощью упругих элементов. Дополнительный технический результат достигается за счет применения двух электромагнитных приводов, индукторные части которых закреплены на противоположных сторонах пригруза, а якоря прижаты к вертикальным стенкам стоек плиты упругими элементами, например пружинами, и отделены от индукторных частей зазорами. Наличие в одном сейсмоисточнике двух приводов позволяет создавать последовательности деформаций грунта с чередующимся направлением воздействий одним сейсмоисточником без его перестановок.
На фиг.1 показан разрез сейсмоисточника по первому варианту. На фиг.2 показан разрез сейсмоисточника по второму варианту. На фиг.3 показан график изменения силы сжатия пружин при перемещении пригруза сейсмоисточника по второму варианту.
Импульсный электромагнитный источник поперечных сейсмических волн по первому варианту (одностороннего действия) может быть осуществлен следующим образом. На поверхности грунта установлена жесткая плита-излучатель 1 с закрепленными на нем зубьями 2 и жесткими стойками 3 (фиг.1). Стойки 3 могут быть выполнены в виде вертикальных боковых стенок, расположенных в плоскости фигуры. На стойках 3 выполнены опоры 4. На излучатель 1 между стенками-стойками 3 с возможностью перемещения вдоль его верхней поверхности помещен пригруз 5. Демпфер 6 установлен между пригрузом и стойкой 3 излучателя (левой опорой 4). На правой боковой поверхности пригруза 5 жестко закреплен индуктор 7 с обмоткой 8 возбуждения в пазах магнитопровода. Обмотка 8 присоединена к схеме электропитания (не показана). Справа от индуктора помещен прижатый к опорам 4 якорь 9. В исходном положении пригруз 5 с помощью упирающихся в опоры 4 пружин 10 прижат левой стороной к левой опоре 4. Пружины 10, кроме того, прижимают справа к опорам 4 стоек консоли корпуса 11 якоря 9. Положение опор 4 на излучателе таково, что в исходном положении магнитопровод 9 якоря отделен от магнитопровода 7 индуктора зазором 12.
Устанавливаются такое количество пружин 10 и величина их начального сжатия, чтобы обеспечить равномерное поджатие консолей корпуса 11 якоря к опорам 4 и пригруза 5 к опоре 4 как при горизонтальном расположении сейсмоисточника на грунте, так и при возможном наклоне от горизонтали, разрешенном регламентом проведения сейсморазведочных работ.
Сейсмоисточник одностороннего действия работает следующим образом. По сигналу сейсмостанции от подготовленной к работе схемы питания по обмотке возбуждения 8 начинает проходить электрический ток. При этом вокруг нее создается импульсный магнитный поток 13, замыкающийся по зазору 12 и магнитопроводам якоря 9 и индуктора 7. В результате между якорем и индуктором создается сила 14 притяжения, намного превышающая силу сжатия пружин 10. Под действием силы 14 якорь 9 с излучателем 1 ускоряются влево, а индуктор 7 с пригрузом 5 - вправо, в результате чего пружины 10 сжимаются. Излучатель создает деформацию грунта влево. Односторонний демпфер 6 при движении пригруза 5 вправо относительно излучателя 1 создает незначительное сопротивление. После выбора зазора 12 между якорем 9 и индуктором 7 сила 14 перестает приводить в движение элементы сейсмоисточника. Сила 14 исчезает после того, как обмотка 8 обесточивается. Дальнейшее после выбора зазора 12 (или исчезновения силы 14) движение ускоренных пригруза 5 с индуктором 7 и якорем 9 вправо и затем в их исходные положения происходит под действием силы сжатых пружин 10. Скорость движения пригруза 5 влево относительно излучателя 1 (при возвращении в исходное положение) ограничивается демпфером 6.
Начальная величина зазора 12 может регулироваться помещением дистанционных прокладок между опорами 4 и консолями корпуса 11 якоря 9, а также между опорой 4 и левой стороной пригруза 5.
Для расширения возможностей сейсморазведки может потребоваться создание последовательности механических воздействий на грунт, состоящие из чередования разнонаправленных импульсов. Сейсмоисточник по второму варианту может быть осуществлен следующим образом. На поверхности грунта установлена жесткая плита-излучатель 1 с закрепленными на нем зубьями 2 и жесткими стойками 3 (фиг.2). Стойки 3 могут быть выполнены в виде вертикальных боковых стенок, расположенных в плоскости фигуры. На стойках 3 выполнены опоры 4. На излучатель 1 между стенками-стойками 3 с возможностью перемещения вдоль его верхней поверхности помещен пригруз 5. На левой и правой боковых поверхностях пригруза 5 жестко закреплены два индуктора 7 с обмотками 8 возбуждения в пазах магнитопроводов. Обмотки 8 присоединены к схеме электропитания (не показана). Справа от правого индуктора 7 помещен прижатый к опорам 4 первый якорь 9. Слева от левого индуктора 15 помещен прижатый к опорам 4 стоек второй якорь 16. Консоли корпуса 11 правого якоря 9 в исходном положении с помощью правых пружин 10 посредством головок правых штоков 17 прижаты к опорам 4 справа. Консоли корпуса 18 левого якоря 16 в исходном положении с помощью левых пружин 10 посредством головок левых штоков 17 прижаты к опорам 4 слева. Пружины 10 посредством штоков 17 обеспечивают возможность удержания пригруза в начальном положении и возврат в него после срабатывания сейсмоисточника. Положение опор 4 на излучателе 1 таково, что в исходном положении магнитопровод 9 правого якоря отделен от магнитопровода 7 правого индуктора зазором 12, а магнитопровод 16 левого якоря отделен от магнитопровода 15 левого индуктора зазором 19. Односторонние демпферы 6 установлены между стойками 3 и пригрузом 5 слева и справа от него. В данном варианте штоки демпферов 6 соединены со штоками 17 и воздействуют на пригруз 5 через них.
Устанавливаются такое количество пружин 10 и величина их начального сжатия, чтобы обеспечить равномерное поджатие консолей корпусов 11 и 18 якорей к опорам 4, а также симметричное расположение пригруза 5 посредине между якорями 9 и 16 как при горизонтальном расположении сейсмоисточника на грунте, так и при возможном наклоне от горизонтали, разрешенном регламентом проведения сейсморазведочных работ.
Сейсмоисточник двустороннего действия работает следующим образом. По сигналу сейсмостанции от подготовленной к работе схемы питания по одной из обмоток возбуждения 8 (например, по правой) начинает проходить электрический ток. При этом вокруг нее создается импульсный магнитный поток 13, замыкающийся по зазору 8 и магнитопроводам правых якоря 9 и индуктора 7. В результате между правыми якорем и индуктором создается сила 14 притяжения, намного превышающая силу сжатия правых пружин 10, под действием которой якори 9 и 16 с излучателем 1 ускоряются влево, а индукторы 7 и 15 с пригрузом 5 - вправо. Излучатель создает деформацию грунта влево. Левые штоки 17, продолжая прижимать консоли корпуса 18 якоря 16 к левым опорам 4, отделяются от пригруза 5. При этом правые штоки 17, продолжая упираться в пригруз, двигаются вправо, в результате чего правые пружины 10 сжимаются. Правые демпферы 6 оказывают незначительное сопротивление движению пригруза вправо. После выбора зазора 12 между правыми якорем 9 и индуктором 7 сила 14 перестает приводить в движение элементы сейсмоисточника, и обмотка 8 может быть обесточена. Дальнейшее движение ускоренных пригруза с индукторами 7 и 15, правыми якорем 9 и штоками 17 происходит под действием силы сжатых правых пружин 10. Скорость движения пригруза 5 влево относительно излучателя 1 (возвращения в исходное положение) ограничивается правыми демпферами.
При пропускании импульса тока по обмотке возбуждения левого электромагнитного привода вокруг нее создается магнитный поток, замыкающийся по зазору 19 и магнитопроводам левых якоря 16 и индуктора 15. В результате между якорем 16 и индуктором 15 создается сила притяжения, намного превышающая силу сжатия левых пружин 10, под действием которой якори 9 и 16 с излучателем 1 ускоряются вправо, а индукторы 7 и 15 с пригрузом 5 - влево. Излучатель создает деформацию грунта вправо. Правые штоки 17, продолжая прижимать правый якорь 9 к правым опорам 4, от пригруза 5 отделяются. При этом левые штоки 17, продолжая упираться в пригруз, двигаются влево, в результате чего левые пружины 10 сжимаются. Левые демпферы 6 оказывают незначительное сопротивление движению пригруза влево. После выбора зазора 19 между левыми якорем и индуктором электромагнитная сила перестает приводить в движение элементы сейсмоисточника. Дальнейшее движение ускоренных пригруза с индукторами, левыми якорем 16 и штоками 17 происходит под действием силы сжатых левых пружин 10. Скорость движения пригруза 5 вправо относительно излучателя 1 (возвращения в исходное положение) ограничивается левыми демпферами 6.
В этом сейсмоисточнике величины зазоров 12 и 19 регулируются помещением дистанционных прокладок между опорами 4 и, соответственно, консолями корпусов 11 и 18 якорей, а также между штоками 17 и пригрузом 5. Вместо установки прокладок между штоками 17 и пригрузом 5 может выполняться смещение головок штоков 17 вдоль осей штоков или установка дистанционных прокладок между головками штоков 17 и консолями 11 и 18 якорей, соответственно, 9 и 16. Штоки 17 могут выполнять функцию штоков односторонних демпферов 6 (фиг.2). При нежелательности горизонтальной установки демпферов они могут быть установлены под углом к плоскости излучателя 1 (фиг.1).
У сейсмоисточника двустороннего действия (по второму варианту) масса, от которой силой электромагнитного привода отталкивается излучатель, равна сумме масс пригруза 5 и двух индукторов, поэтому при одинаковой с сейсмоисточником одностороннего действия (с одним индуктором) развиваемой приводом силе масса пригруза 5 может быть уменьшена на величину массы одного индуктора. То есть, общая масса сейсмоисточника возрастает по сравнению с сейсмоисточником одностороннего действия лишь на величину массы второго якоря.
П
0
0
Как в сейсмоисточнике по первому, так и по второму варианту сила F сжатия пружин 10 при начальном положении пригруза 5 относительно излучателя 1 (х=0) должна иметь величину F (фиг.3), достаточную для удержания пригруза в начальном положении и возврата в него после срабатывания как при горизонтальном положении сейсмоисточника на грунте, так и при возможном наклоне от горизонтали, разрешенном регламентом проведения сейсморазведочных работ (обычно не более 15°). Например, при величине силы, ускоряющей пригруз при его возврате в начальное положение и преодолевающей силу трения, равной силе P веса пригруза с индукторной частью привода, сила F сжатых пружин кроме указанного ускорения должна обеспечивать также компенсацию составляющей силы веса, встречной направлению движения пригруза при его возврате
0
F=P(1+sin(15°)),
П
так как сила F, возвращающая пригруз в исходное положение, приложена к излучателю и, воздействуя на него встречно силе 14 электромагнитного привода, может ослаблять создаваемый сейсмоисточником сигнал, то изменение силы F при смещении х пригруза от начального положения должно быть по возможности малым. Это достигается применением длинноходовых пружин, сжатых на значительную величину хода уже при начальном положении пригруза.