СКВАЖИННЫЙ ИМПЛОЗИВНЫЙ ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
BOREHOLE IMPLOSIVE SOURCE OF SEISMIC VIBRATIONS

Суть изобретения.
Использование: для возбуждения сейсмических волн из скважин.
Источник содержит кабельный электрический ввод, пусковой механизм, приводной мотор-редуктор, рабочую камеру и ресивер под атмосферным давлением. Камера в верхней части имеет ряд радиальных окон, которые перекрываются дифференциальным поршнем с возможностью возвратно-поступательного движения. Камера и ресивер соединяются муфтой, в которой установлен подпружиненный затвор, с возможностью закрытия отверстий, соединяющих камеру и ресивер. Пусковой механизм выполнен в виде гидравлической подвески, в которой давление, создаваемое весом источника, удерживает плунжер дифференциального поршня в положении, в котором окна закрыты. Также пусковой механизм имеет поворотный корпус, жестко связанный с корпусом мотор-редуктора и с грузовым кабелем, и сердечник, жестко насаженный на вал редуктора. На сердечник по подвижному шлицевому соединению установлен оголовок гидравлической подвески. Внутри поворотного корпуса установлены ролики, которые катятся по желобу, выполненному в оголовке гидравлической подвески. Форма желоба обеспечивает на половине оборота оголовка подъем на необходимую высоту источника и затем его свободное падение на ту же высоту относительно поворотного корпуса.
Технический результат: достижение максимальной мощности сейсмического импульса при автоматическом процессе закрытия окон и подготовке к следующему пуску при упрощении конструкции источника и его управления.
Описание изобретения.
Предлагаемое изобретение относится к устройствам для возбуждения сейсмических волн из скважин.
Известен скважинный источник, патент РФ №2166779 от 10.05.2001 (Классы патента: G01V 1/135, G01V 1/52), выбранный за прототип, содержащий корпус, кабельный электрический ввод, управляемый клиновой прижим, приводной электродвигатель и силовозбудитель, который выполнен в виде камеры с окнами в корпусе, которые перекрываются посредством кольцевого затвора, и снабжен поршнем возвратно-поступательного движения, причем привод перемещения поршня выполнен в виде ходового винта, подсоединенного через редуктор и управляемую муфту к валу электродвигателя, окна в корпусе размещены в нижней части камеры, а затвор, поджатый пружиной, зафиксирован защелкой, сопряженной с якорем спускового электромагнита, и над поршнем со стороны, противоположной рабочей камеры, размещена газовая полость. Это очень сложное механическое устройство, использующее электрически двигатель, редуктор, управляемую двухпозиционную муфту, электромагнитный способ включения источника в работу. Для работы с таким источником необходимо иметь сложный блок управления. Такой агрегат имеет высокую стоимость и сложен в обслуживании.
Задачей изобретения является достижение максимальной мощности сейсмического импульса при упрощении конструкции источника и его управления.
Положительный результат достигается тем, что впускные окна, находящиеся в верхней части камеры, перекрываются дифференциальным поршнем возвратно-поступательного движения, причем привод поршня осуществляется от гидравлической подвески, давление в которой создается весом излучателя; камера в нижней части соединена с ресивером при помощи муфты, внутри которой установлен подпружиненный с возвратно-поступательным движением затвор с возможностью перекрывания отверстий, связывающих камеру и ресивер, которые находятся под атмосферным давлением; гидравлическая подвеска, заполненная маслом, выполнена в виде поршня-хвостовика, закрывающего полость, в которую входит силовой плунжер дифференциального поршня, и уплотненного ползуна, жестко закрепленного к поворотному корпусу пускового механизма и свободно перемещающегося по поршню-хвостовику и корпусу; пусковой механизм имеет поворотный корпус, жестко связанный с корпусом мотор-редуктора и грузовым кабелем и сердечник, жестко закрепленный на шпонке на валу редуктора; на сердечник по подвижному шлицевому соединению установлен оголовок ползуна гидравлической подвески; внутри корпуса поворотного устройства установлены ролики, которые катаются по желобу, выполненному в оголовке ползуна гидравлической подвески, причем форма желоба обеспечивает на половине оборота оголовка подъем источника на необходимую высоту и затем его свободное падение на ту же высоту относительно поворотного корпуса.
ударн
Высокое гидростатическое давление, присутствующее в скважине на больших глубинах, своим перепадом по отношению к атмосферному давлению в камере и ресивере создает на дифференциальном поршне усилие, которое сдвигает поршень в верхнее положение, при котором окна открыты. Давление внутри гидравлической подвески, создаваемое весом источника, создает на плунжере и на дифференциальный поршень усилие противоположного направления и большее по величине, чем усилие от гиростатического давления. Пока вес излучателя воспринимается гидравлической подвеской, дифференциальный поршень перекрывает входные окна в камере. В момент, когда источник свободно падает по вертикальному желобу оголовка ползуна, дифференциальный поршень открывает окна камеры, и скважинная жидкость с высокой скоростью устремляется в камеру, создавая на поршне усилие, величина которого на порядок превышает усилие от давления в масляной полости, так как оно создается давлением жидкости на всей площади поршня (при закрытых окнах это усилие создавалось на площади плунжера и разности площадей юбок дифференциального поршня). Это усилие будет удерживать дифференциальный поршень в крайнем верхнем положении до момента, когда ударное давление столкнувшейся с затвором жидкости, прокатившись несколько раз от затвора до окон и обратно, полностью не исчезнет. Скорость ударной волны С будет определяться упругостью трубы и жидкости. Чем «жестче» труба и жидкость, тем скорость будет выше.
И.Е.Жуковским была получена формула для расчета величины скорости распространения ударной волны в тупиковом трубопроводе.
ж
где Е и Е - модули упругости жидкости и стенок трубы соответственно;
d - диаметр трубы;
t - толщина стенок трубы;
ρ - плотность жидкости.
ударн
ж
0,5
Скорость распространения ударной волны в реальной камере С=1/[ρ/Е+ρd/(tE)]=423,4 м/с,
ж
8
10
3
где Е=2,06·10Па, d=0,1397 м, t=0,0092 м, E=2,1·10Пa, ρ=1000 кг/м.
скв
к
скв
0,5
6
0,5
v=φ[(Р-Р)]2/ρ]=0,8[(30-0,1)]·10·2·/1000]=196 м/с - скорость жидкости при заполнении камеры на глубине 3000 м (Р=30 МПа).
Величина ударного давления для данной глубины и этой конкретной камеры будет
ударн
ударн
Р=vρС=196·1000·423,4=83000000 Па=83 МПа.
К примеру, время заполнения этой камеры объемом 20 л будет
кам
t=V/(v·F)=0,02/(196·0,01155)=0,0088 c,
3
2
где V=0,02 м - объем рабочей камеры, F=0,01155 м - площадь впускных окон, равная площади внутреннего поперечного сечения камеры с внутренним диаметром 121 мм.
ок
ок
ок
0,5
0,5
2
Время открытия окон будет t=(2Н/w)=(2·0,08·/500)=0,018 c, где Н=0,08 м - величина пробега поршня, w=N/m=6000/12=500 м/с - ускорение поршня при массе m=12 кг и усилии на нем N=6000 H.
yд
yдapн
Время выравнивания давления в камере со скважинным давлением проходит примерно за 4 хода ударной волны от затвора до окон и обратно и тогда составит t=8L/C=8·1,6/423,4=0,003 с, где L=1,6 м - высота камеры объемом 20 л.
0,5
0,5
Временем свободного падения устройства будет t=(2H/g)=(2·0,12/9,81)=0,16 c при Н=0,12 м - высота вертикального паза.
Процесс заполнения камеры и время излучения ударной волны свободно умещается во время свободного падения источника. Даже при намеренном использовании дополнительных гидравлических сопротивлений в гидравлической подвеске для уменьшения скоростей движения подвижных частей открытое положение окон будет обеспечиваться процессом скоростного заполнения камеры. Окна начнут закрываться только после заполнения камеры и выравнивания давления внутри нее со скважинным давлением. Как только источник пролетит высоту паза или давление в камере сравняется с давлением в скважине, его вес создаст в гидравлической подвеске давление, которое сдвинет дифференциальный поршень вниз и закроет окна. Давление в камере и ресивере выровняется через дренажное отверстие в соединительной муфте, пружина поднимет затвор и откроет основные отверстия в муфте, через которые жидкость из камеры перетечет в ресивер. Излучатель готов к следующему пуску. Для пуска излучателя требуется только подать напряжение на мотор-редуктор. Открытие окон и все остальные процессы по подготовке его к следующему пуску происходят автоматически. Данное устройство во много раз проще по своей конструкции и по управлению пуска и подготовки к следующему пуску по сравнению с известными аналогами.
Гидравлическая ударная волна в устройстве излучается камерой при свободном падении устройства, то есть ее силовые импульсы (для внутреннего диаметра камеры 120 мм на глубине 3000 м - это около 55 т) не воздействуют на грузонесущий кабель. Следовательно, его прочностные характеристики должны обеспечивать только вес устройства. Данная конструкция обеспечивает те же высокие характеристики сигнала без дополнительных устройств, без дополнительного упрочнения грузового кабеля или узлов фиксации источника в скважине по сравнению с известными аналогами.
На чертеже изображен поперечный разрез скважинного источника. Скважинный источник сейсмических импульсов содержит корпус 1, электроввод 2, сопрягаемый далее с грузонесущим кабелем. Цилиндрическая камера 3 имеет в верхней части окна 4, выходящие в скважину и герметично перекрываемые дифференциальным поршнем 5 с плунжером 6. Цилиндрическая камера 3 трубой 7 и муфтой 8 соединяется с трубой ресивера 9, который снизу закрыт крышкой 10. В муфте 8 со стороны камеры установлен затвор 11, удерживаемый пружиной 12 в положении, когда отверстия 13 открыты; также в муфте выполнено дренажное отверстие 14. Внутренняя полость корпуса 1 закрыта сверху хвостовиком 15 с радиальными отверстиями 16, связывающими полость 17 с полостью, образуемую корпусом 1, ползуном 18 и хвостовиком 15; сопряженные поверхности ползуна 18, хвостовика 15 и корпуса 1 герметично уплотнены; полость 17 и полость, образованная корпусом 1, ползуном 18 и хвостовиком 15, заполнены маслом. К ползуну 18 сверху жестко крепится оголовок 19, который по подвижному шлицевому соединению сопряжен с сердечником 20. Сердечник 20 жестко на шпонке крепится на валу мотор-редуктора 21. Мотор-редуктор 21 жестко закреплен на поворотном корпусе 22. Внутри поворотного корпуса 22 установлены ролики 23, которые катаются по желобу 24, выполненному на внешней поверхности оголовка 19. Форма желоба на половине оборота сердечника 20 обеспечивает медленное по наклонной плоскости 25 взаимное вертикальное перемещение оголовка 19 вверх относительно поворотного корпуса 22 и затем свободное падение оголовка 19 вместе с нижней частью источника вниз по вертикальному пазу 26.
В исходном состоянии, как изображено на чертеже, внутренние полости камеры и ресивера свободны от скважинной жидкости и находятся под атмосферным давлением, окна 4 герметично закрыты. Поршень 5 с плунжером 6 совместным действием гидростатического давления и давления масла в полости 17 прижат к внутреннему бурту цилиндрической камеры 3, образованному переходом большей проточки в меньшую проточку. Источник висит на грузонесущем кабеле, его вес воспринимается давлением в масляной полости 17, давление создается кольцевой площадью по внутренним диаметрам подвижных герметичных соединений ползуна 18, хвостовика 15 и корпуса 1. Это давление создает усилие на плунжере 6, направленное вниз. Оно больше, чем усилие от гидростатического давления по кольцевой площади по внутренним диаметрам подвижных герметичных соединений поршня 5 и цилиндрической камеры 3. Затвор 11 поднят пружиной 12 над отверстиями 13, и внутренние полости камеры и ресивера соединены между собой. Ролики 23 находятся в положении перед началом скатывания их в паз 26, когда оголовок 19 вместе с источником максимально поднят вверх при помощи взаимного поворота оголовка 19 и поворотного корпуса 22 мотор-редуктором 21, на который подано напряжение. При дальнейшем взаимном повороте оголовка 19 и поворотного корпуса 22 ролики 23 попадут в вертикальные пазы 26, и оголовок с источником начнет свободно падать вниз. Мотор-редуктор автоматически выключится датчиком, воспринимающим исчезновение весовой нагрузки в грузонесущем кабеле. Давление масла в полости 17, создаваемое ранее весом устройства, исчезнет, и поршень 5 под действием гидростатических сил начнет движение вверх, открывая при этом окна 4. Чем больше будут открываться окна 4, тем большая сила будет толкать поршень 5 вверх. Эта сила на порядок превышает усилие от давления в масляной полости, так как оно создается давлением жидкости на всей площади поршня (при закрытых окнах это усилие создавалось на площади плунжера и разности площадей юбок дифференциального поршня). Движение поршня 5 вверх прекратится, когда он упрется в верхнее дно корпуса 1. Жидкость из скважины под гидростатическим давлением устремится через окна в камеру, разгоняясь при этом. Когда столб жидкости, летящий в камере, ударит по затвору и остановится вместе с ним, то кинетическая энергия столба летящей жидкости перейдет в энергию давления, которое ударной волной пройдет по стенкам камеры и по жидкости в обратном направлении, излучая сейсмические волны в скважинное пространство. Колебания стенок камеры постепенно успокоятся, и давление в камере сравняется со скважинным давлением. В это время оголовок 19 повиснет на роликах 23 в своем крайнем нижнем положении, и вес источника создаст давление в полости 17, которое двинет плунжер 6 вместе с поршнем 5 вниз, вытесняя жидкость через открытые окна 4, а когда окна закроются, то через дренажные отверстия 14 и 27. Как только окна полностью закроются и давление во внутренних полостях выровняется через дренажные отверстия 14 и 27, пружина 12 поднимет затвор 11 и откроет отверстия 13, через которые жидкость из камеры под собственным весом стечет вниз, а воздух поднимется вверх. Источник готов к следующему пуску, для производства которого необходимо только дать питание на мотор-редуктор.