НЕВЗРЫВНОЙ МАГНИТОИМПУЛЬСНЫЙ СЕЙСМОИСТОЧНИК
NON-EXPLOSIVE MAGNETIC-PULSE SEISMIC VIBRATOR

Заявленное изобретение относится к области сейсморазведки и может быть использовано для возбуждения упругих колебаний в процессе геологоразведочных работ.
Известны невзрывные магнитоимпульсные сейсмоисточники (RU 2515421 С2, 10.05.2014, RU 2498352 С1, 10.11.2013 - прототип), содержащие установленную на жесткой излучающей плите-антенне цилиндрическую пустотелую стойку с соосно размещенным на ней пригрузом, выполненным с возможностью перемещения вверх-вниз, в которых на излучающей плите-антенне и нижней поверхности пригруза размещена катушка возбуждения, над пустотелой стойкой установлена пластина, а внутри пустотелой стойки в корпусе размещен демпфер.
Недостатком данных сейсмоисточников является их невысокая сейсмическая эффективность, обусловленная использованием одной катушки возбуждения и, как следствие, небольшой амплитудой усилия, передаваемого на плиту-антенну.
Кроме того, в известных сейсмоисточниках движение демпфера вверх ограничено установленной над стойкой пластиной, при этом не обеспечивается замедленный возврат демпфера в исходное положение. Ограничение при движении демпфера вверх может привести к отрыву плиты-антенны от грунта при перемещении пригруза вверх, а невозможность замедленного (задросселированного) возврата демпфера в исходное положение способствует дополнительному воздействию пригруза на плиту-антенну в виде "вторых ударов", что значительно ухудшает качество излучаемого полезного сигнала и, как следствие, приводит к снижению сейсмической эффективности.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в создании невзрывного магнитоимпульсного сейсмоисточника, лишенного указанных недостатков.
Технический результат, который может быть при этом получен, состоит в повышении сейсмической эффективности источника за счет увеличения амплитуды усилия, передаваемого на плиту-антенну, за счет обеспечения идентичности возбуждаемых сейсмических импульсов и исключения паразитной горизонтальной составляющей коммутируемого воздействия на пригруз, а также за счет исключения дополнительного воздействия пригруза на плиту-антенну.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в невзрывном магнитоимпульсном сейсмоисточнике, содержащем установленную на жесткой излучающей плите-антенне цилиндрическую пустотелую стойку с соосно размещенным на ней пригрузом, выполненным с возможностью перемещения вверх-вниз, в котором на излучающей плите-антенне и нижней поверхности пригруза размещена катушка возбуждения, в котором над пустотелой стойкой установлена пластина, а внутри пустотелой стойки в корпусе размещен демпфер, выполнена дополнительная катушка возбуждения, причем катушки возбуждения размещены друг над другом и установлены встречно относительно друг друга, корпус демпфера закреплен в пустотелой стойке при помощи жестко соединенной с ней крышки, при этом в пластине и крышке выполнены отверстия, через которые проходят шпильки, вкрученные одним концом в пригруз, шток демпфера закреплен на пластине, при этом демпфер выполнен с возможностью свободного выдвижения штока из корпуса и замедленного возврата в исходное положение, катушки возбуждения соединены с блоком управления, выполненным с возможностью быстрого разряда входящего в него накопительного конденсатора.
Демпфер сейсмоисточника может быть выполнен с функцией двустороннего действия.
Блок управления сейсмоисточника включает устройство генерирования сейсмических волн, содержащее накопительный конденсатор, зарядное устройство, катушки, тиристоры, блок управления и формирователь импульсов напряжения, выполненный из тиристорного ключа, дросселя, первого и второго диодов и выходного конденсатора.
На фиг. 1 показан невзрывной магнитоимпульсный сейсмоисточник.
На фиг. 2 показано изменение силы привода сейсмоисточника, скорости и перемещения пригруза и деформация грунта под антенной-плитой.
На фиг. 3 показан демпфер, выполненный с возможностью двустороннего действия, при нижнем положении пригруза.
0
На фиг. 4 показан демпфер, выполненный с возможностью двустороннего действия, при превышении пригрузом высоты H.
На фиг. 5 показана схема устройства генерирования сейсмических волн.
Заявленный невзрывной магнитоимпульсный сейсмоисточник (фиг. 1) состоит из жесткой излучающей плиты-антенны 1, на которой установлена цилиндрическая пустотелая стойка 2, на которой соосно с ней размещен пригруз 3 с возможностью перемещения вверх-вниз. На излучающей плите-антенне 1 и нижней поверхности пригруза 3 друг над другом размещены катушки 4, 5 возбуждения. Использование двух катушек 4, 5 возбуждения, размещенных друг над другом, способствует увеличению амплитуды усилия, передаваемого на плиту-антенну 1. Над пустотелой стойкой 2 посредством шпилек 6, вкрученных одним концом в пригруз 3, установлена пластина 7. Внутри пустотелой стойки 2 размещен демпфер 8, корпус 9 которого закреплен в стойке 2 при помощи крышки 10, жестко соединенной со стойкой 2, при этом шток 11 демпфера 8 закреплен на пластине 7. В крышке 10 выполнены отверстия, через которые проходят шпильки 6, что исключает поворот пригруза 3 относительно плиты-антенны 1 и обеспечивает постоянную ориентацию расположенных друг над другом катушек 4, 5 возбуждения, что, в свою очередь, обеспечивает идентичность возбуждаемых сейсмических импульсов и исключает паразитную горизонтальную составляющую коммутируемого воздействия на пригруз, которая может быть вызвана нарушением заданной ориентации катушек относительно друг друга. Демпфер 8 выполнен с возможностью свободного выдвижения штока 11 из корпуса 9 и замедленного (задросселированного) возврата в исходное положение. Так как демпфер 8 выполнен с возможностью свободного движения штока 11, перемещение пригруза 3 вверх не приводит к воздействию на плиту-антенну 1 и ее отрыву от грунта. После достижения пригрузом 3 верхней точки подлета, он за счет замедленной работы демпфера 8 при его обратном ходе медленно опускается на плиту-антенну 1 в исходное положение. Таким образом, в ходе подлета пригруза 3 после воздействия на грунт и его последующего опускания на плиту-антенну 1 за счет работы демпфера 8 исключаются дополнительные воздействия пригруза 3 на плиту-антенну 1 так называемых вторых ударов, что значительно улучшает качество излучаемого сейсмоисточником полезного сигнала в грунте. Катушки возбуждения 4, 5 соединены с блоком управления 12, выполненным с возможностью быстрого разряда входящего в него накопительного конденсатора.
Блок управления включает устройство генерирования сейсмических волн (фиг. 5), содержащее накопительный конденсатор 22, зарядное устройство 23, катушки 24, тиристоры 25, блок 26 управления и формирователь 27 импульсов напряжения, выполненный из тиристорного ключа 28, дросселя 29, первого и второго диодов 30, 31 и выходного конденсатора 32. Зарядное устройство 23 представляет собой трансформаторно-выпрямительное устройство, выполненное по схеме удвоения напряжения; блок 26 управления выполнен в виде двухтактного релейно-контактного распределителя; тиристорный ключ 28 представляет собой тиристор с импульсным трансформатором, вторичная обмотка которого соединена с управляющим электродом тиристора, а первичная - с управляющим входом тиристорного ключа. Применение предложенного устройства генерирования сейсмических волн позволит повысить вероятность безотказной работы сейсмоисточника и увеличить на 300% его КПД.
Невзрывной магнитоимпульсный источник работает следующим образом.
Накопительный конденсатор 22, заряженный зарядным устройством 23, разряжается через тиристорный ключ 28, дроссель 29, предварительно открытый тиристор 25 и катушку 24 по сигналу, поступающему с дополнительного выхода блока управления 26 на управляющий вход тиристорного ключа 28, при этом управление состоянием тиристоров 25 происходит по сигналам с выходов блока управления 26. Ток с катушки 24, достигнув максимального значения, спадает по экспоненциальному закону по цепи, образованной вторым диодом 31 и открытым тиристором 25. В процессе разряда выходной конденсатор 32 ограничивает скорость нарастания напряжения на закрытых тиристорах 25 при открывании тиристорного ключа 28. Дроссель 29 ограничивает скорость нарастания тока через тиристорный ключ 28 и амплитуду тока короткого замыкания, а первый диод 30 ограничивает рост напряжения выходного конденсатора 32 до уровня напряжения накопительного конденсатора 22 и обеспечивает его полный разряд, удерживая тиристорный ключ 28 в открытом состоянии током, циркулирующим в процессе разряда по цепи: дроссель 29 - диод 30 - тиристорный ключ 28. По окончании разряда в отсутствие разрядного тока тиристорный ключ 28 запирается и накопительный конденсатор 22 заряжается от зарядного устройства 23, после чего указанный процесс разряда повторяется по сигналам блока управления 26. При разряде накопительного конденсатора 22 блока 12 управления по верхней катушке 5 протекает ток i1 и вокруг обмоток создается магнитный поток Ф1, а по нижней катушке 4 - ток i2, создающий магнитный поток Ф2. Так как катушки 4 и 5 расположены друг над другом и включены встречно, магнитные потоки от протекающих по ним токов направлены навстречу друг другу. В результате взаимодействия токов i1 и i2 на нижнюю 4 и верхнюю 5 катушки возбуждения действует расталкивающая электромагнитная сила Р, а магнитные потоки замыкаются в основном через небольшой зазор между катушками 4 и 5. Под воздействием электромагнитной силы плита-антенна 1 с установленной на ней катушкой возбуждения 4 перемещается вниз в направлении грунта и деформирует его, что приводит к генерированию в грунте сейсмической волны. При этом пригруз 3 с установленной на нем катушкой возбуждения 5 движется по направляющей пустотелой стойке 2 вверх.
Перемещение плиты-антенны 1 вниз вызывает сжатие грунта приблизительно на 1-3 мм (в зависимости от его жесткости). За счет быстрого разряда накопительного конденсатора 22 блока управления 12 максимальное сжатие грунта происходит за время 2-3 мс, в течение которого происходит формирование и "отрыв" сейсмической волны от плиты-антенны 1. К моменту "отрыва" волны пригруз 3 ускоряется до некоторой скорости, а затем перемещается вверх по инерции, снижая свою скорость в результате действия силы гравитации. Так как демпфер 8 выполнен с возможностью свободного движения штока 11, перемещение пригруза 3 вверх не приводит к воздействию на плиту-антенну 1 и ее отрыву от грунта. После достижения пригрузом 3 верхней точки подлета, он за счет замедленной работы демпфера 8 при его обратном ходе медленно опускается на плиту-антенну 1 в исходное положение. Таким образом, в ходе подлета пригруза 3 после воздействия на грунт и его последующего опускания на плиту-антенну 1 за счет работы демпфера 8 исключаются дополнительные воздействия пригруза 3 на плиту-антенну 1 так называемых вторых ударов, что значительно улучшает качество излучаемого сейсмоисточником полезного сигнала в грунте.
Масса плиты-антенны 1 с установленными на ней элементами должна быть существенно меньше массы пригруза 3. Это обусловлено тем, что чем больше соотношение массы призруза 3 к массе антенны-плиты 1, тем выше КПД передачи энергии в грунт.
0
m
1
1
2
2
0
2
В момент t по сигналу "Разряд" от сейсмостанции от блока управления 12 по катушкам возбуждения 4 и 5 начинает проходить импульс тока (с максимальной величиной I и длительностью t). При прохождении тока по катушкам вокруг них создаются импульсные магнитные потоки Ф1 и Ф2, замыкающиеся по плите-антенне 1 и пригрузу 3 и проходящие между нижней 4 и верхней 5 катушками возбуждения. В результате между ними создается электродвижущая сила 13, под действием которой плита ускоряется в направлении грунта. В результате действия силы 13 на катушку возбуждения 4 и, соответственно, на плиту-антенну 1 в течение времени t происходит преобразование магнитной энергии в кинетическую энергию плиты-антенны 1 и частичную деформацию 14 грунта под ней. При t<t≤t скорость движения плиты-антенны 1 снижается за счет механического сопротивления грунта при его деформации. При t>t происходит колебательный процесс разгрузки грунта с расположенной на нем плитой-антенной 1. Мощность излучения сейсмоисточником сейсмической волны определяется площадью плиты и скоростью деформации грунта в течение времени t-1.
1
3
Действие электродинамической силы 13 на закрепленную на пригрузе 3 катушку возбуждения 5 приводит к перемещению 15 пригруза 3 вверх со скоростью 16, максимальное значение которой определяется величиной и продолжительностью действия силы, т.е. воздействующим на них механическим импульсом силы. После окончания действия электродинамической силы в момент t пригруз 3 продолжает перемещаться (кривая 15) в поле силы тяжести на высоту Н (момент t), определяемую полученной им кинетической энергией. Одновременно поднимается вверх шток 11 демпфера 8 вслед за перемещающимся пригрузом 3. Затем пригруз 3 под воздействием силы тяжести перемещается вниз в исходное положение на плиту-антенну 1. С целью уменьшения повторного механического воздействия на плиту скорость перемещения 16 пригруза вниз (пунктирная часть линии 15) ограничивается до допустимого значения демпфером 8.
После возврата пригруза 3 в исходное положение на плиту-антенну 1 в обмотки катушек возбуждения 4 и 5 может быть подан очередной импульс тока, и процесс создания сейсмической волны повторяется.
0
0
0
2
Демпфер 8 может быть выполнен двустороннего действия (фиг. 3, 4), что позволит упростить конструкцию сейсмоисточника за счет уменьшения максимальной высоты подлета пригруза 3. До достижения высоты Н пригруз 3 с соединенным с ним штоком 11 демпфера 8 свободно поднимается вверх, перепуская рабочую жидкость из верхней полости 16 в нижнюю 17 через открытый обратный клапан 18. После достижения пригрузом 3 высоты Н, ступенчатый выступ 19 на штоке 11 входит в проточку в корпусе 9 демпфера 8, при этом образуется полость 20, из которой рабочая жидкость перетекает в полость 21 по маленькому зазору между корпусом 9 и штоком 11, гася за счет дросселирования скорость пригруза 11 и ограничивая его максимальное перемещение вверх. Высота Н значительно меньше высоты Н свободного подлета пригруза 3 и определяется по времени t (фиг. 2), что позволяет уменьшить необходимую высоту направляющей 2.
1
В предложенном источнике применен магнитно-импульсный двигатель, принципиальными особенностями которого являются меньший вес и возможность получения большей силы с меньшей длительностью t ее воздействия. Эти особенности определяют возможности повышения сейсмической эффективности, технических и эксплуатационных характеристик источника.
1
2
1
Длительность силы t может быть существенно, то есть в 2-3 раза, меньше времени t сжатия грунта плитой. При выполнении этого условия реакция грунта на величину передаваемой в движение плиты механической энергии влияет слабо из-за незначительной его деформации за время t длительности силы.
Описанный выше источник устанавливается на землю и сжимает грунт силой собственного веса, которая в десятки раз меньше электромагнитной силы, развиваемой источником при работе.
При монтаже источника на транспортное средство для исключения отрыва излучающей плиты-антенны от грунта при работе источника и лучшего прилегания плиты к грунту плита-антенна может быть дополнительно прижата к грунту весом транспортного средства через упругость (механическую или пневматическую пружину). В этом случае источник перемещения пригруза вверх. Как видно на фиг. 2, электродвижущая сила действует короткое время t1, за которое пригруз поднимается на небольшую высоту Н. Далее пригруз поднимается по инерции и не оказывает на плиту никакого значительного воздействия.