ИМПУЛЬСНЫЙ НАЗЕМНЫЙ НЕВЗРЫВНОЙ СЕЙСМОИСТОЧНИК
PULSED GROUND-BASED NON-EXPLOSIVE SEISMIC VIBRATOR

Изобретение относится к импульсным наземным сейсмоисточникам невзрывного типа, применяемым при проведении сейсморазведочных работ.
Известен импульсный невзрывной сейсмоисточник (Ивашин В.В., Иванников Н.А. Импульсные электромагнитные сейсмоисточники: особенности и перспективы совершенствования. Журнал: «Приборы и системы разведочной геофизики» №2, 2005 г., стр.9-13). Источник содержит жесткую излучающую плиту, опертый на нее пригруз (инерционную массу) и один или несколько демпферов, установленных между пригрузом и излучающей плитой.
Электромагнитный двигатель создает импульсное силовое воздействие между пригрузом и плитой, в результате чего плита перемещается в направлении грунта и деформирует его, что вызывает создание в грунте сейсмической волны. За время действия импульсной силы пригруз ускоряется вверх и затем вместе с якорем по инерции перемещается вверх на некоторую высоту. Скорость перемещения пригруза из верхнего положения в исходное положение на плите ограничивается одним или несколькими закрепленными на плите демпферами, что снижает интенсивность удара якоря о стойки плиты и пригруза о плиту-излучатель и ослабляет создаваемые сейсмоисточником волны-помехи.
Применяемые в сейсмоисточниках гидравлические демпферы выполнены в виде прикрепляемого к плите заполненного жидкостью корпуса-цилиндра, поршень которого выполнен с перепускным клапанным устройством и снабжен штоком для механической связи с пригрузом. При движении пригруза вверх поршень со штоком перемещаются за пригрузом. При этом перепускной клапан открыт, а жидкость через открытый клапан перетекает из полости над поршнем в полость цилиндра под поршнем. При перемещении пригруза вниз клапанное устройство обеспечивает увеличение гидравлического сопротивления перетеканию жидкости в обратном направлении.
Недостаток конструктивного решения сейсмоисточника с гидравлическим демпфером, корпус которого закреплен на плите-излучателе, состоит в том, что на корпус демпфера при движении плиты создаются большие передающиеся на жидкость и поршень знакопеременные нагрузки, что снижает надежность работы демпфера и приводит к отказам в работе самого сейсмоисточника.
Известно принятое за прототип (Патент РФ №2369883. БИ №28, 2009 г.) техническое решение сейсмоисточника, содержащее жесткую излучающую плиту, опертый на нее пригруз и установленный между пригрузом и плитой демпфер. В нем применен двигатель индукционно-динамического типа, создающий импульсное усилие между пригрузом и плитой. Катушка обмотки возбуждения двигателя помещена на обращенной к пригрузу стороне плиты, а якорь двигателя выполнен в виде помещенной на пригрузе пластины из материала высокой электропроводности. При пропускании по обмотке возбуждения импульса тока создается сила отталкивания между катушкой возбуждения и пластиной якоря, в которой индуктируется ток. В результате излучающая плита с катушкой обмотки возбуждения смещается в направлении грунта, грунт деформируется плитой и создается сейсмическая волна. Пригруз с пластиной якоря ускоряется вверх и перемещается в поле силы тяжести на некоторую высоту. Движение пригруза из верхнего положения вниз тормозится односторонним гидравлическим демпфером с целью снижения ударного взаимодействия пригруза с плитой и снижения интенсивности создаваемых при этом волн-помех.
В сейсмоисточниках с индукционно-динамическим двигателем достигается более высокое значение отношения создаваемой силы к массе плиты-излучателя при меньшем отношении веса сейсмоисточника к величине создаваемой силы, что позволяет повысить технические и эксплуатационные характеристики и расширить область применения сейсмоисточников, использовать их, например, при исследовании зоны малых скоростей и проведении сейсморазведочных работ в трудно доступных природных условиях (горная местность, переходные зоны вода-суша, при инженерной сейсморазведке и т.д.).
При работе такого сейсмоисточника между плитой и корпусом демпфера создаются значительные механические нагрузки, снижающие надежность работы сейсмоисточника. При жестком механическом креплении корпуса демпфера к плите он перемещается вместе с плитой с ускорением, в сотни раз превышающим ускорение силы тяжести. В случае если корпус демпфера опирается на плиту, при перемещении плиты вниз в направлении деформации грунта между корпусом демпфера и плитой образуется зазор. Возврат плиты в исходное положение сопровождается выбором этого зазора и ударом между плитой и корпусом демпфера, что приводит к нарушению работы демпфера и сейсмоисточника в целом. Удар вызывает также значительные затрудняющие эксплуатацию сейсмоисточника звуковые волны.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение долговечности сейсмоисточника и улучшение условий его эксплуатации.
Техническим результатом является уменьшение динамических механических нагрузок на демпфер.
Упомянутая задача достигается тем, что сейсмоисточник содержит жесткую излучающую плиту-антенну, на которую оперт пригруз, гидравлический демпфер и импульсный двигатель, например, индукционно-динамического типа, установленный с возможностью приложения силы между пригрузом и плитой-антенной, отличается тем, что между корпусом упомянутого демпфера и плитой-антенной помещен упругий элемент, выполненный, например, в виде пружины сжатия, а шток демпфера соединен с пригрузом, например оперт на него.
Получение технического результата достигается за счет исключения жесткой механической связи между корпусом демпфера и перемещающейся с большими ускорениями плитой-антенной с помощью помещения между ними упругого элемента. При таком решении уменьшаются механические знакопеременные динамические нагрузки между плитой и корпусом демпфера, передающиеся на жидкость внутри демпфера и его поршень с клапанным устройством, что повышает надежность работы демпфера и сейсмоисточника в целом, а также уменьшает создаваемые при работе сейсмоисточника акустический шум и генерируемые сейсмоисточником сейсмические помехи.
Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 показан разрез сейсмоисточника с импульсным двигателем индукционно-динамического типа, катушка обмотки возбуждения которого закреплена на обращенной к плите стороне пригруза, а якорь помещен на обращенной к пригрузу поверхности излучающей плиты-антенны.
На фиг.2 показан разрез возможного технического решения сейсмоисточника, в котором катушка обмотки возбуждения двигателя помещена на плите-антенне, а якорь - на обращенной к плите поверхности пригруза.
На фиг.3 приведены поясняющие работу сейсмоисточника графики изменения силы двигателя и скоростей перемещения плиты-антенны и пригруза.
Сейсмоисточник (фиг.1) состоит из жесткой излучающей плиты 1, устанавливаемой на грунте 2. Плита снабжена направляющей стойкой 3. На верхней поверхности плиты 1 закреплен якорь двигателя индукционно-динамического типа, выполненный в виде кольца 4 из электропроводного материала. Над основанием 1 расположена плита 5 из электроизоляционного материала, в пазу на обращенной к плите 1 стороне которой помещена катушка 6 обмотки возбуждения двигателя. К выводам катушки 6 присоединен генератор импульсов тока 7. С плитой 5 скреплена инерционная масса 8, которая вместе с плитой 5 и катушкой 6 обмотки возбуждения составляет пригруз 9 сейсмоисточника. Внутри направляющей стойки-трубы помещен односторонний гидравлический демпфер 10, шток 11 которого оперт на пригруз 9. Между корпусом 12 демпфера 10 и плитой 1 помещена пружина 13.
0
0
1
Работает сейсмоисточник следующим образом. В момент времени t (фиг.3) от генератора 7 импульсов тока по обмотке 6 пропускается импульс тока 14. При этом между обмоткой 6 и электропроводящим кольцом 4 якоря индукционно-динамического двигателя создается импульс силы 15, действующей на обмотку 6 вверх, а на кольцо 4 и плиту 1 - вниз. За время t-t действие силы 15 кольцо якоря вместе с жесткой плитой 1 ускоряется в направлении грунта 2 и деформирует его со скоростью 16.
1
2
2
3
К моменту времени t сила 15 уменьшается до нуля. Ускоренная до максимального значения скорости 16 плита 1 продолжает по инерции сжимать грунт (кривая 17). К моменту времени t скорость 16 плиты под действием сил упругости грунта уменьшается до нуля, а грунт получает максимальное значение деформации 17. На интервале времени t-t происходит разжатие грунта, сопровождающееся ускорением плиты 1 вверх. Далее продолжается затухающий процесс колебаний плиты 1 на грунте 2, частота которого определяется массой плиты 1 с якорем 4 и упругостью грунта. Обычно эта частота для грунтов различной жесткости находится в области нескольких десятков герц и увеличивается с уменьшением массы излучающей плиты 1.
2
Наибольшее значение скорости деформации грунта плитой у источников невзрывного типа обычно не превышает 1-2 м/с. Максимальные ускорения плиты зависят от воздействующей на нее силы и массы плиты и достигают значений 500-1000 м/с и более.
При смещении плиты 1 вниз на величину деформации 17 грунта помещенная между корпусом 12 и плитой 1 пружина 13 разжимается, а при разжатии грунта 2 и соответствующем движении плиты 1 вверх со скоростью 16 сжимается, что обеспечивает снижение механических знакопеременных воздействий на корпус 12 демпфера и обеспечивает повышение надежности и долговечности его работы.
0
2
3
3
В известных технических решениях пружина 13 не применяется, а корпус 12 демпфера или жестко присоединяется к плите 1, или может быть оперт на нее. При жестком креплении демпфера с плитой на его корпус действует усилие, определяемое его массой и ускорением плиты 1. Если корпус демпфера оперт на плиту, то при смещении плиты вниз (интервал времени t-t) между корпусом и излучающей плитой образуется зазор. Возврат плиты в исходное положение к моменту времени t сопровождается выбором этого зазора и ударным взаимодействием корпуса с плитой в момент времени t при значительном значении скорости 16 плиты 1, нарушающем нормальную работу демпфера. Процесс удара сопровождается генерацией акустического шума, ухудшающего условия эксплуатации сейсмоисточника.
0
1
1
0
1
п
4
п
5
п
Пригруз 9 с обмоткой возбуждения 6 на интервале времени t-t действия на него силы 15 двигателя ускоряется вверх (кривая 18) и перемещается вдоль направляющей стойки 3. Поскольку масса пригруза с обмоткой возбуждения существенно больше, чем масса плиты 1 с пластиной 6 якоря, то на указанном интервале он получает скорость 18 значительно меньше скорости 16 плиты 1. При времени t больше t пригруз 9, ускорившись на интервале времени t-t до некоторой скорости 18, перемещается вверх в поле силы тяжести на высоту H. При этом его скорость уменьшается до нуля (момент времени t). В дальнейшем его движение в исходное положение на плите тормозится демпфером 10. В начале перемещения h пригруза из верхнего положения вниз демпфер не оказывает существенного сопротивления перемещению штока с поршнем, что обусловлено переключением клапанного устройства демпфера в режим торможения. К моменту времени t, соответствующему перемещению h штока, клапанное устройство демпфера закрывается. При этом пружина 13 снижает импульсное силовое воздействие пригруза через демпфер на излучающую плиту 1 и интенсивность создаваемых плитой сейсмических волн-помех.
Применение стойки 3 на плите 1 обеспечивает возможность движения пригруза 8 вдоль стойки 3 как при горизонтальном, так и негоризонтальном положении плиты на грунте (с углом наклона 30-35 градусов) сейсмоисточника к линии горизонта. Помещенный между корпусом 12 демпфера и плитой 1 с направляющей стойкой 3 упругий элемент 13 может быть выполнен в виде пластины из упругого материала.
С целью уменьшения веса сейсмоисточника и повышения коэффициента преобразования механической энергии двигателя в энергию механического воздействия плитой на грунт плита 1 (фиг.1) может быть выполнена сотовой конструкции из высокопрочного материала с возможно меньшим удельным весом, например сплава алюминия, или из композиционного материала (пластика).
п
4
4
В приведенном на фиг.2 конструктивном выполнении сейсмоисточника двигатель индукционно-динамического типа, так же как и в конструктивном решении на фиг.1, развивает импульсное усилие между пригрузом 8 и излучающей плитой 20. Особенностью этого решения является размещение катушки обмотки возбуждения 6 двигателя в пазах плиты-излучателя 20, которая должна быть выполнена из электроизоляционного немагнитного материала. При этом якорь двигателя 4 из материала высокой электропроводности закрепляется на обращенной к плите 20 поверхности пригруза 8. Перемещение 17 плиты-излучателя 1 на фиг.1 и плиты-излучателя 20 на фиг.2 существенно (в 10 - 20 раз) меньше максимального значения H перемещения 19 пригруза. В связи с этим конструктивное решение по фиг.1 перспективно для сейсмоисточников переносного типа, развивающих усилия до 5-10·10 H, в которых генератор импульсов тока, содержащий накопительные конденсаторы с зарядным устройством и силовые коммутирующие приборы, целесообразно размещать на пригрузе. В сейсмоисточниках повышенной мощности на усилия 20·10 H и более может быть предпочтительнее применение технического решения по фиг.2, при котором катушка обмотки возбуждения 6 двигателя помещается на плите 20.
4
Предложенное техническое решение сейсмоисточника с двигателем индукционно-динамического типа применено при разработке переносного сейсмоисточника, который при весе ≈60 кг создает на излучающую плиту импульсную силу до 5·10 H. Источник предназначен для исследования зоны малых скоростей, в том числе в трудно доступных для транспортных средств районах (горной местности, болотистых районах и т.д.).
4
Разновидность предложенного технического решения (фиг.2) применена при разработке импульсного сейсмоисточника с индукционно-динамическим двигателем, который при массе≈300 кг создает на излучающую плиту усилия до 20·10 H.
Оба источника успешно прошли испытания в сейсморазведочных партиях.