ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН
ELECTROMAGNETIC RADIATOR OF SEISMIC SHEAR WAVES

Изобретение относится к техническим средствам возбуждения сейсмических волн невзрывным способом и может быть использовано при проведении полевых геофизических работ методом многоволновой сейсморазведки.
Известно устройство для возбуждения продольных и поперечных волн (патент РФ №2053525, приор. 21.07.1992, МПК G01V 1/147), содержащее мачту с направляющими, падающий груз и излучающую платформу. Платформа снабжена промежуточной плитой, горизонтально расположенными инертными массами, вертикально расположенными постоянными магнитами, горизонтально и вертикально расположенных индукционных катушек симметрично относительно вертикальной оси платформы, причем катушки жестко закреплены на платформе и образуют с ее стенками вертикальные и горизонтальные стаканы, постоянные магниты жестко скреплены с промежуточной плитой, опирающейся на платформу через вертикально расположенные упругие элементы, и образуют подковообразную магнитоактивную систему, каждый полюсный наконечник которой входит в соответствующий вертикальный стакан, инертные массы размещены в горизонтальных стаканах между горизонтально расположенными упругими элементами, пары вертикально расположенных индукционных катушек соединены между собой последовательно, а индукционные катушки, составляющие горизонтальные стаканы, соединены между собой попарно последовательно, и каждая пара через переключатель включена в цепь вертикально расположенных индукционных катушек.
Недостатками описанного устройства являются большие габариты, т.к. для возбуждения сейсмических волн используется груз, падающий с определенной высоты, а также то, что в устройстве происходит многократное преобразование энергии из одного вида в другой, что ведет к ее неоправданным потерям. Для возбуждения поперечных сейсмических волн потенциальная энергия падающего груза преобразуется в электродвижущую силу индукционных катушек и далее в потенциальную энергию пружин. На каждом этапе преобразования происходят потери запасенной энергии.
Известно устройство для возбуждения поперечных сейсмических волн (патент РФ №2419818, приор. 26.10.2009, МПК G01V 1/02), содержащее раму, жесткую опорную плиту, электрическую схему питания и два электродинамических импульсных излучателя. Жесткая опорная плита выполнена в виде равнобедренной треугольной призмы с углами при основании 45° и грунтозацепами, закрепленными на основании плиты, а электродинамические импульсные излучатели установлены на противоположных гранях жесткой опорной плиты под углом 45° к основанию плиты каждый и запитываются от электрической схемы питания с возможностью работы поочередно. Установка излучателей под углом 45° к основанию опорной плиты и наличие грунтозацепов, закрепленных на основании плиты, позволяют возбуждать в грунте пакеты продольных и поперечных сейсмических волн.
Недостатком описанного устройства является то, что возбуждение разнонаправленных сейсмических волн осуществляется двумя отдельными импульсными излучателями, каждый из которых помимо рабочего элемента имеет свой корпус и свою инертную массу. Это обстоятельство увеличивает общую массу устройства, увеличивает его стоимость и усложняет конструкцию.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является устройство для возбуждения сейсмических колебаний (авторское свидетельство SU №1539703 A1, приор. 01.10.87, МПК G01V 1/04), содержащее электродинамический излучатель, подключенный к источнику тока и установленный на излучающей платформе с грунтозацепами, и устройство прижима излучающей платформы к грунту, включающее промежуточную плиту, шарнирно связанную с силовым гидроцилиндром транспортного средства. На излучающей платформе со стороны прижимной плиты выполнена клиновая выемка, образованная двумя равнонаклоненными к излучающей платформе плоскостями, на стенках которой установлены электродинамические излучатели, сопряженные с демпферами в виде клиньев, на которые оперта промежуточная плита. Демпферы не связаны жестко с опорной плитой. Такая конструкция устройства позволяет возбуждать в грунте пакеты разнонаправленных поперечных сейсмических волн.
Недостатком описанного устройства является низкая эффективность возбуждения поперечных волн, поскольку в работе излучателя эффективно используется только рабочий клиновый демпфер, поднимающий вверх промежуточную плиту, а смежный к рабочему клиновой демпфер (поскольку клиновые демпферы не связаны жестко с промежуточной плитой) передает часть обратного воздействия на излучающую платформу. Это генерирует в грунте сдвиговые напряжения противоположного первоначальному знака и резко снижает направленные свойства излучателя. Кроме того описанное устройство работает с пригрузом (в устройстве его роль выполняет транспортное средство).
Цель изобретения - создание простого, удобного в эксплуатации излучателя сейсмических волн, конструкция которого исключает возможность повторного ударного воздействия на грунт, работающего без пригруза, реализующего возможность получения сейсмограмм парных воздействий в каждой точке возбуждения, эффективно использующего массу всех своих составных частей для излучении поперечных сейсмических волн, в котором минимизирована возможность передачи части обратного воздействия на излучающую платформу. Излучатель может быть выполнен в малогабаритном переносном варианте и эффективно использоваться для многоволновой сейсморазведки верхней части геологического разреза.
Цель достигается тем, что излучатель поперечных сейсмических волн, содержащий излучающую платформу с грунтозацепами, корпус, якорь и электромагнитный привод, жестко закрепленный на излучающей платформе с грунтозацепами, имеет оригинальную конструкцию электромагнитного привода и якоря. Электромагнитный привод, состоящий из основания, и двух индукторов, представляющих из себя соленоиды с сердечниками из магнитомягкого материала, имеет в верхней части основания выемку в виде равнобедренной треугольной призмы с углом между плоскостями 90° и углом наклона каждой из плоскостей к излучающей платформе 45°. В пазах плоскостей расположены индукторы. Якорь излучателя, изготовленный из магнитомягкого материала, имеет форму равнобедренной треугольной призмы, размеры которой соответствуют размерам выемки основания привода. В рабочем положении якорь свободно подвешен на двух рядах конических пружин между корпусом излучателя и основанием привода, с зазорами, величина которых устанавливается при регулировке в зависимости от требуемых характеристик излучателя. В транспортном положении якорь прижат фиксаторами, закрепленными на корпусе к основанию привода. Индукторы электромагнитного привода запитываются от электрической схемы питания поочередно. При такой конструкции излучателя отпадает необходимость в его перемещении на местности для получения в каждой точке записи сейсмограмм парных воздействий, которые позволяют при последующей обработке выделить из смешанного сейсмического волнового поля либо продольные, либо поперечные волны, тем самым существенно повышается эффективность сейсморазведочных работ и достоверность полученной информации. Одновременно конструкция излучателя исключает возможность повторного ударного воздействия на излучающую платформу в момент возвращения якоря в исходное положение.
На чертеже показан продольный разрез излучателя.
Излучатель поперечных сейсмических волн состоит из излучающей платформы 1 с грунтозацепами 2, корпуса 3, электромагнитного привода 4 и якоря 6.
Электромагнитный привод, жестко закрепленный на излучающей платформе, состоит из основания 8 и двух индукторов 5, представляющих собой соленоиды с сердечниками из магнитомягкого материала. Основание привода 8 в своей верхней части имеет выемку в виде равнобедренной треугольной призмы с углом между плоскостями 90° и углом наклона каждой из плоскостей к излучающей платформе 45°. В пазах плоскостей выемки размещены индукторы 5.
Якорь 6, изготовленный из магнитомягкого материала в виде равнобедренной треугольной призмы, размеры которой соответствуют размерам выемки основания привода 8, в транспортном положении без зазоров зафиксирован в выемке основания привода, а в рабочем положении свободно подвешен на двух рядах конических пружин между основанием привода 8 и корпусом 3.
Работает излучатель следующим образом.
В транспортном положении якорь излучателя 6 с помощью фиксаторов, закрепленных на корпусе 3 (на чертеже не показаны), плотно прижат к выемке в основании электромагнитного привода 8. При этом пружины 7 верхнего ряда растянуты, а нижнего сжаты.
При переводе излучателя из транспортного положения в рабочее, фиксаторы освобождают якорь и якорь под действием пружин устанавливается в центре излучателя в свободно подвешенном состоянии. При этом между якорем 6 и другими функциональными узлами излучателя (корпусом 3 и основанием привода 8) образуются зазоры, величины которых устанавливаются в процессе регулировки в зависимости от требуемых характеристик излучателя (эффективного преобразования электрической энергии в энергию сейсмических волн и отсутствия повторного ударного воздействия на грунт). Как правило для эффективной работы излучателя с электромагнитным приводом величины зазоров не превышают 20 мм.
По сигналу с сейсмостанции от источника питания через один из индукторов 5 электромагнитного привода 4 пропускается токовый импульс заданной величины и длительности. При прохождении импульсного тока через индуктор 5 происходит преобразование электрической энергии в энергию магнитного поля катушки с током, в результате чего к плоскости выемки основания привода, в пазу которой расположен индуктор, преодолевая противодействие пружин 7, работающих на растяжение и изгиб, притягивается якорь. В момент соприкосновения плоскостей якоря 6 и основания привода 8 создается ударный импульс, под действием которого основание привода 8 совестно с излучающей платформой 1 и грунтозацепами 2 начинает ускоренное перемещение относительно грунта в направлении, перпендикулярном плоскости выемки основания привода 8. Так как индукторы 5 расположены в пазах плоскостей выемки основания привода 8, импульс силы раскладывается на нормальную и тангенциальную составляющие, воздействуя на грунт через поверхность излучающей платформы 1 и грунтозацепы 2. Эти силы вызывают появление сжимающих и касательных напряжений, которые являются причиной возникновения продольных и поперечных сейсмических волн.
Одновременно возникает реактивная сила, которая, складываясь с силой сжатия ранее растянутых пружин, воздействует на якорь 6, заставляя его двигаться по нормали к плоскости выемки основания привода 8 в противоположном направлении. При движении якоря в противоположном направлении, он проходит через свое исходное положение, после чего пружины начинают работать на растяжение и возникают затухающие колебания якоря вокруг исходного положения. Через определенное время колебания прекращаются и якорь устанавливается в исходное положение.
Характеристики пружин, параметры токового импульса, масса якоря и основания привода, величины зазоров между якорем и другими конструктивными элементами излучателя выбираются таким образом, чтобы обеспечивалось максимально эффективное преобразование электрической энергии в энергию сейсмических волн и затухающие колебания якоря не приводили к повторным ударам и, как следствие, к возникновению паразитных сейсмических волн.
В конструкции излучателя применены конические пружины, обладающие высокой стойкостью на боковой изгиб. Кроме того, у конических пружин высота пружины в сжатом состоянии минимальна, поскольку при максимальном сжатии витки заходят один в другой. Эти свойства конических пружин облегчают фиксацию якоря в выемке основания привода в транспортном положении и оптимизируют работу якоря при прохождении импульсного тока через индуктор.
После завершения цикла, осуществляется подача такого же импульса тока на второй встречно-наклоненный индуктор электромагнитного привода для возбуждения поперечных сейсмических волн в противоположном направлении. Принцип работы излучателя в этом случае аналогичен описанному.
При обработке сейсмограмм парных воздействий, методами их суммирования и вычитания выделяют из смешанного сейсмического волнового поля записи либо продольных, либо поперечных волн, которые используют для изучения геологического разреза.
Таким образом, применение описанного излучателя позволяет обеспечить высокую производительность сейсморазведочных работ при проведении многоволновой сейсморазведки, в том числе верхней части геологического разреза малогабаритными переносными излучателями без пригруза. При этом повторное ударное воздействие на грунт отсутствует.