СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В ВОДОЕМЕ
METHOD FOR STIMULATING SEISMIC WAVES IN WATER

Изобретение относится к сейсморазведке, а точнее к способам возбуждения сейсмических волн в водной среде, преимущественно в мелководных зонах морей, рек и озер, для передачи волновой энергии в донный грунт водоемов.
Наиболее распространенным является способ возбуждения сейсмических волн в водоемах путем образования объемного возмущения в водной среде посредством подачи порции сжатого воздуха из специального устройства (пневмопушки) (Захаров Н.В., Шумский Б.В. Технология и технические средства для сейсмических исследований на мелководье и транзитных зонах. Журнал «Приборы и системы разведочной геофизики», 01/2005, с.24-26).
Основной недостаток этого способа состоит в том, что при малой глубине водоема эффективность преобразования энергии порции сжатого воздуха в энергию упругих колебаний сейсмической волны становится крайне низкой вследствие быстрого прорыва расширяющимся воздушным пузырем толщи воды, перекрывающей порцию сжатого воздуха, и образованием неупругих поверхностных колебаний воды. Для повышения эффективности упомянутого выше преобразования осуществляют выпуск воздуха из пневмопушки, предварительно заглубив ее в дно водоема, что приводит к снижению производительности и увеличению стоимости сейсморазведочных работ.
Наиболее близким к заявляемому объекту является сейсмоисточник для создания сейсмических волн на акваториях, где приводится способ возбуждения сейсмических волн путем создания объемного возмущения в водной среде пульсирующим жестким элементом (пульсатором), выполненным в виде плиты-излучателя и расположенным в днище плавсредства, которое выполняет роль экрана, обеспечивающего снижение эффективности образования неупругой поверхностной волны и повышение эффективности преобразования энергии механических колебаний пульсатора в энергию упругих колебаний возбужденной сейсмической волны в массе воды (Патент РФ №2231087, кл. G01V 1/155, 1/38, опубл. 20.06.2004).
Недостаток этого способа состоит в недостаточной эффективности преобразования энергии механических колебаний пульсатора в энергию упругих колебаний возбужденной сейсмической волны при сочетании малой глубины погружения днища плавсредства и относительно малого радиуса экрана (днища плавсредства), окружающего активный элемент пульсатора.
Низкая эффективность упомянутого выше преобразования энергии обусловлена рассеянием энергии в горизонтальном направлении, быстрым пробегом переднего фронта возбужденной сейсмической волны до края экрана и слабой укупоркой активного элемента пульсатора, обусловленной малой глубиной его погружения, равной глубине осадки плавсредства, вследствие чего большая доля энергии механических колебаний пульсатора преобразуется в неупругую поверхностную волну.
Для повышения эффективности преобразования энергии механических колебаний пульсатора в энергию упругих колебаний возбужденной сейсмической волны необходимо либо усилить укупорку пульсатора путем увеличения глубины погружения днища плавсредства, тогда будет исключена возможность работы при малой глубине водоема, либо увеличить время пробега переднего фронта сейсмической волны от пульсатора до края экрана путем увеличения радиуса экрана, окружающего активный элемент пульсатора, за счет увеличения ширины плавсредства, но при этом снизится маневренность плавсредства и будет исключена возможность его захода в относительно узкие протоки водоема.
Задача изобретения состоит в повышении эффективности преобразования энергии механических колебаний пульсатора в энергию упругих колебаний возбужденной сейсмической волны в водной среде для передачи волновой энергии в донный грунт водоема и повышение производительности сейсморазведочных работ в неглубоких водоемах.
Задача решается тем, что в известном способе возбуждения сейсмических волн в водоеме, включающем создание объемных возмущений в водной среде посредством механического воздействия на массу воды пульсатором, пульсатор размещают внутри полости, образованной жесткой емкостью, имеющей открытую часть, обращенную вниз, которую вводят в контакт с водой водоема, при этом пульсатор размещают внутри жесткой емкости выше уровня поверхности водоема, массу воды из водоема поднимают выше уровня поверхности водоема в полость жесткой емкости и создают пульсатором объемные возмущения.
Для большего повышения эффективности передачи сейсмических волн в донный грунт водоема перед созданием объемных возмущений в водной среде заполненную водой жесткую емкость с размещенным в ней пульсатором погружают на дно водоема.
Для повышения производительности работ за счет возбуждения сейсмических волн в процессе непрерывного движении жесткой емкости на плаву или по дну водоема открытую часть емкости перекрывают мембраной.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Размещение пульсатора внутри полости, образованной жесткой емкостью, и заполнение жесткой емкости водой, взаимодействующей с водой водоема, позволяет предотвратить рассеяние энергии упругих колебаний возбужденной сейсмической волны в горизонтальном и в вертикальном направлении вверх и обеспечить за счет отражения сейсмических волн от корпуса емкости концентрацию энергии упругих колебаний возбужденной сейсмической волны в направлении вниз, в сторону донного грунта.
Вместе с тем, подъем воды в полость емкости выше уровня поверхности водоема позволяет усилить укупорку пульсатора, так как при этом увеличивается длина пути пробега переднего фронта возбужденной сейсмической волны до поверхности водоема, она становится равной сумме расстояний от пульсатора до нижней кромки жесткой емкости и от нижней кромки емкости до поверхности водоема.
Погружение жесткой емкости на дно водоема обеспечивает повышение эффективности передачи упругих колебаний непосредственно в донный грунт за счет увеличения укупорки пульсатора до максимального значения и за счет полного перекрытия жесткой емкостью пути распространения сейсмических волн в горизонтальном направлении.
Перекрытие открытой части жесткой емкости мембраной, защищающей полость емкости от попадания в нее ила, песка и различных предметов, находящихся вблизи дна или на дне водоема, обеспечивает возбуждение сейсмических волн в процессе непрерывного перемещения жесткой емкости в непосредственной близости от дна водоема на плаву либо по дну водоема волоком, чем обеспечивается повышение производительности работ.
Способ поясняется чертежом, где на фиг.1 показана жесткая емкость с пульсатором, расположенная в водной среде водоема, в рабочем положении; на фиг.2 - то же, но опирающаяся на дно водоема; на фиг.3 - жесткая емкость, перекрытая мембраной.
На фиг.1-3 обозначены: пульсатор 1, жесткая емкость 2 с полостью 3, вода 4 водоема, уровень поверхности 5 водоема, дно 6 водоема, мембрана 7.
Согласно изобретению пульсатор 1 любым известным способом размещают внутри полости 3, образованной жесткой емкостью 2, открытую часть жесткой емкости 2 вводят в контакт с водой 4 водоема, погружая ее ниже уровня поверхности 5 водоема так, чтобы полость 3 была полностью перекрыта водой 4 водоема; любым известным способом, например вакуумной откачкой, поднимают воду 4 водоема в полость 3 до полного ее заполнения и производят объемные возмущения пульсатором 1, возбуждая тем самым сейсмические волны в водной среде внутри полости 3 емкости 2, которые согласно известным физическим свойствам воды через открытую часть емкости 2 переходят в водоем.
Жесткая емкость может быть выполнена, например, в виде колокола, цилиндра, в форме поверхности полусферы или параболоида вращения и т.п.
В качестве пульсатора применяют любой известный пульсатор импульсного или вибрационного типа.
Повышение эффективности преобразования энергии механических колебаний пульсатора в энергию упругих колебаний сейсмических волн в водной среде, передаваемых в донный грунт, происходит вследствие предотвращения распространения упругих колебаний возбужденной сейсмической волны в нежелательных направлениях (горизонтально и вертикально вверх) и концентрации энергии упругих колебаний в нужном направлении (вниз в сторону донного грунта) за счет отражения сейсмических волн от корпуса жесткой емкости, а также усиления укупорки пульсатора за счет увеличения длины пути пробега возбужденной сейсмической волны от пульсатора до уровня поверхности водоема.
При погружении жесткой емкости 2 на дно 6 водоема повышение эффективности передачи возбужденных упругих колебаний воды, находящейся в полости 3, в грунт происходит потому, что колебания, возбуждаемые в полости, воздействуют непосредственно на грунт. Если же жесткая емкость не погружена на дно водоема, то передача волновой энергии в грунт происходит не непосредственно, а через воду 4 водоема, находящуюся вне полости 3, что приводит к утечке волновой энергии в горизонтальном направлении и, соответственно, снижению передачи волновой энергии в грунт дна водоема.
Перекрытие открытой части емкости 2 мембраной 7 препятствует заполнению полости 3 материалом донных осадков, чем обеспечивается сохранение постоянными физических свойств массы воды, находящейся в полости, и возникает возможность повышения производительности сейсморазведочных работ за счет возбуждения сейсмических волн в процессе непрерывного перемещения жесткой емкости 2 на плаву либо волоком по дну водоема.
Мембрана 7 может быть изготовлена из упругого синтетического материала, устойчивого к истиранию и к ударным нагрузкам.
В качестве примера рассмотрим применение способа в водоеме, глубина которого изменяется от 0,3 до 5,0 м.
Согласно изобретению в полости, образованной жесткой емкостью, выполненной в форме поверхности параболоида вращения, высотой 3 м с диаметром открытой нижней части 4 м, в зоне фокуса параболоида (при выбранных параметрах жесткой емкости фокус параболоида расположен на 0,5 м ниже вершины емкости) размещают пульсатор поршневого типа, выполненный, например, в виде цилиндра с поршнем, жестко закрепленного на внутренней поверхности жесткой емкости, и работающий без выпуска газообразных продуктов работы в полость. Жесткую емкость закрепляют над отверстием в днище плавсредства, имеющего осадку не более 0,2 м, так, чтобы открытая часть емкости находилась на уровне днища плавсредства; при наличии в водоеме участков с очень малой глубиной (0,2 м и менее) открытую часть жесткой емкости перекрывают мембраной, при этом емкость можно располагать и вне корпуса плавсредства, соединив ее с плавсредством при помощи буксирного троса. Емкость любым известным способом заполняют водой, например путем вакуумной откачки воздуха из полости либо принудительной подачей воды в полость емкости одновременно с выпуском вытесняемого водой воздуха, и производят объемные возмущения (импульсы или вибрации) в водной среде поршнем пульсатора.
Если емкость закреплена в корпусе плавсредства, то вода в полости, образованной емкостью, поднимается над уровнем водоема на высоту, равную высоте емкости (3,0 м), уменьшенной на величину осадки плавсредства (0,2 м), а эффективность преобразования энергии пульсаций в энергию сейсмических волн будет такой же, как при погружении пульсатора без емкости на глубину, равную высоте емкости (3,0 м), уменьшенной на величину расстояния между вершиной емкости и зоной фокуса параболоида (0,5 м) и увеличенной на величину осадки плавсредства (0,2 м). Это значит, что при любой фактической глубине водоема, выбранных параметрах жесткой емкости и выбранной осадке плавсредства эффективная укупорка пульсатора будет соответствовать глубине погружения пульсатора, равной 2,7 м.
Если емкость располагается вне корпуса плавсредства, на дне водоема, то эффективная глубина погружения пульсатора будет равна глубине водоема, увеличенной на высоту (3,0 м) жесткой емкости и уменьшенной на величину расстояния (0,5 м) между вершиной емкости и зоной фокуса параболоида. Это значит, что при глубине водоема 1 м эффективная глубина погружения пульсатора будет равна 3,5 м.
Во всех вариантах размещения жесткой емкости производили импульсные возбуждения пульсатором и сравнивали сейсмический эффект с эффектом, создаваемым при использовании прототипа. Во всех случаях было достигнуто не менее чем двукратное увеличение амплитуды сейсмических волн, регистрируемых датчиками давления, расположенными на поверхности дна водоема.