ПОДВОДНЫЙ ИСТОЧНИК ВИБРАЦИЙ С УПРАВЛЯЕМОЙ ЧАСТОТОЙ РЕЗОНАНСА
UNDERWATER VIBRATION SOURCE WITH CONTROLLED RESONANCE FREQUENCY

Изобретение относится к морской сейсмике и может быть использовано в качестве генератора колебаний при выполнении вибрационного воздействия на нефтяную морскую залежь из слоя воды с целью повышения ее нефтеотдачи.
Доказана возможность ускорения процесса восстановления нефтяных залежей на суше с помощью вибрационного воздействия на них с поверхности земли. (С.М.Гадиев. Использование вибрации в добыче нефти. М.: Наука, 1977, 160 с.). Однако если для воздействия на залежь на морском шельфе исходить из арсенала виброисточников, разработанных для суши (в основном это дебалансные вибраторы), то придется размещать их в герметичных контейнерах и прочно закреплять на грунте, или применять многотонные инертные массы-накладки.
При использовании подводного источника вибраций, включающего в себя упругий объем газа и силовую систему для его раскачки, роль инертной массы может выполнять окружающая его вода. Для этого частоту излучаемого сигнала нужно выбирать из условия равенства глубины моря нечетному числу четвертей длин волн сжатия в воде. Это условие определяет и глубину погружения источника, которая может быть меньше глубины моря (Ковалевский В.В. Создание мощных сейсмических источников, основанных на использовании колебаний упругого объема в жидкости. - В сб.: Проблемы вибросейсмических методов исследования. Новосибирск, ВЦ, 1979, с.25-31). Таким образом, рабочая частота источника определяется глубиной моря.
Известны широкополосные гидравлические подводные источники вибраций (например, по патенту США №3978940, G01V 1/04, опубл. 7.09.1976). Достижением в этой области является продукт компании Geophysical Co. Inc. (USA). Это нерезонансный источник с поршнем диаметром 1,55 м, массой 1530 кг, потребляющий гидравлическую мощность 50 кВт и имеющий КПД в пределах 1.5 % (Graham R.Jonson, Ian Thompson, Leon J.Walker The GECO Marine Vibrator System. - SEG Conference, Abstracts, Los Angeles, 1988, p.p 71-73). Ясно, что такая низкая эффективность практиков не удовлетворит.
Затруднения при создании высокоэффективного подводного источника вибраций связаны с малостью его волновых размеров, вследствие чего его излучающие поверхности при работе нагружены на сопротивление излучения, в котором преобладает реактивная составляющая. Эта составляющая имеет характер массы и может быть компенсирована путем подстройки упругости механической колебательной системы источника для получения резонанса на частоте излучения. Эффективным решением этой задачи является присоединение к излучающему поршню подводного источника вибраций воздушной камеры-пузыря с гибкой оболочкой, которую настраивают в резонанс на частоте излучения путем изменения ее объема (Sims С. Bubble transducer for radiating high power low-frequency Sound in Water // J. Acoust. Soc. Amer. 1960, V.32, №10, p.1305-1308). Однако если, например, глубина моря составляет 150 м, то получается, что для работы на частоте 7.5 Гц виброисточнику, погруженному на глубину 50 м, необходим резонансный сферический пузырь объемом более 5 кубических метров (Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973, 493 с.). Изменения объема воздуха в таком пузыре и компенсация его плавучести - серьезная техническая проблема.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является подводный источник вибраций и низкочастотного звука, содержащий жесткий излучающий поршень, колебания которого возбуждаются кривошипно-шатунным приводом, преобразующим вращательное движение в колебательное (Римский-Корсаков А.В., Ямщиков B.C., Жулин В.И., Рехтман В.И. Акустические подводные низкочастотные излучатели. Л.: Судостроение, 1984, 184 с.). В таком источнике амплитуда колебательных смещений поршня не зависит от частоты вращения кривошипа, поэтому механическая нагрузка поршня пропорциональна квадрату частоты излучения (т.е. ускорению поршня). В результате амплитудно-частотная характеристика источника существенно нелинейна, а рабочий диапазон частот невелик. Если настраиваемая в резонанс с частотой излучения воздушная камера-пузырь не используется, то крайне мал и его КПД в этом диапазоне, за исключением частоты, на которой упругость воздуха во внутренней полости источника компенсирует инерцию поршня и соколеблющейся массы воды. Угловые колебания шатуна по отношению к поверхности поршня вызывают вредные тангенциальные нагрузки в его подвесе. По этой же причине возвратно-поступательная составляющая колебаний конца шатуна, связанного с поршнем (при равномерном вращении двигателя), негармоническая, т.е. сигнал источника содержит нелинейные искажения.
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение возможностей управления частотой резонанса источника (без изменения его среднего объема) и регулирования амплитуды излучаемого сигнала на рабочей частоте, а также устранение тангенциальных нагрузок в подвесе поршней и уменьшение нелинейных искажений излучаемого сигнала.
Поставленная задача решается тем, что в подводном источнике вибраций, содержащем возбудитель колебаний типа электродвигателя вращения, шатуны и излучающие поршни, элементы электродвигателя выполнены в виде маховиков с равными моментами инерции, установленных с возможностью встречных вращательных колебаний, эти элементы снабжены фланцами, связанными с излучающими поршнями посредством шатунов, а длина шатунов равна радиусу окружности, вдоль которой шатуны подвижно закреплены на фланцах.
На фиг.1 изображен осевой разрез предлагаемого источника вибраций, на фиг.2 - его поперечные разрезы.
Излучающие поршни 1 установлены вокруг электродвигателя, параллельно его оси, на шатунах 2, связанных с фланцами 3 и 4, зафиксированными на торцах внутреннего (5) и внешнего (6) элементов электродвигателя. Элемент 5 установлен на оси 7, соединяющей жесткие крышки 8. Внутренняя полость 9 источника герметизирована эластичными прокладками 10. Одна из крышек 6 снабжена штуцером 11 для подачи сжатого воздуха в полость 9. В источнике использован электродвигатель постоянного тока (его коллектор на фигурах не показан).
Источник вибраций работает следующим образом. Через штуцер 11 в полость 9 подается сжатый воздух для получения необходимого избыточного (по отношению к внешней среде) давления. Его величина определяется частотой излучаемого сигнала и не зависит от глубины погружения. Под действием избыточного давления поршни 1 раздвигаются, занимая крайнее положение, шатуны 2 при этом ориентируются радиально. Механическая система источника становится колебательной. При одинаковом угловом отклонении фланцев 3 и 4 во взаимно противоположных направлениях возникает возвращающий момент сил, определяемый величиной избыточного давления. За один период крутильных колебаний фланцев шатуны 2 занимают радиальное положение дважды. Таким образом, поршни 1 синфазно колеблются в радиальных направлениях с частотой, вдвое большей частоты крутильных колебаний фланцев. На якорь электродвигателя (элемент 5) подается переменный ток частоты, близкой к частоте крутильных колебаний. На резонансе происходит компенсация реактивных составляющих как сопротивления излучения, так и собственного механического сопротивления источника вибраций.
Амплитуда линейной скорости точек закрепления шатунов 2 на фланцах 3, 4 при крутильных колебаниях превышает амплитуду скорости радиальных колебаний поршней 1. Поэтому основная часть кинетической энергии колебательной системы запасается в маховиках и относительно малая ее часть - в поршнях и соколеблющейся массе внешней среды. При малых амплитудах колебаний поршней резонансная частота крутильных колебаний F в основном определяется суммарным моментом инерции маховиков I и величиной избыточного давления Р (но не средним объемом воздушной полости излучателя, и не глубиной погружения) в полости 10 источника:
,
где S - площадь поверхности поршней; R - радиус окружностей, вдоль которых шатуны 2 закреплены на фланцах 3, 4. При этом излучающие поршни 1 синфазно колеблются в радиальных направлениях с частотой 2F.
Регулирование амплитуды излучаемого сигнала на рабочей частоте можно осуществлять как за счет изменения эффективного значения переменного тока якоря (элемент 5), так и за счет величины избыточного давления Р.
Расчеты показывают, что если длина шатунов 2 равна радиусу окружности, вдоль которой шатуны подвижно закреплены на фланцах 3, 4, то радиальная составляющая колебаний концов шатунов, связанных с поршнями, близка к гармонической и нелинейные искажения излучаемого сигнала практически отсутствуют.
Каждый поршень связан с возбудителем колебаний двумя парами шатунов, причем угловые колебания шатунов по отношению к поверхности поршня в каждой паре противофазны, поэтому вредные тангенциальные нагрузки в подвесах поршней отсутствуют.