ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН
PULSED ELECTROMAGNETIC SEISMIC WAVE GENERATOR

Изобретение относится к области сейсморазведки, а именно к невзрывным источникам сейсмических волн (сейсмоисточникам), создающим сейсмические волны механическим импульсным воздействием на поверхность грунта посредством плиты-излучателя.
Известен сейсмоисточник (патент РФ №2171478, бюл. №21, 2001 г.), принятый за аналог. Он содержит жесткое основание-излучатель сейсмических волн, выполненное в виде полозьев саней, пригруз, демпфер и электромеханический преобразователь, выполненный в виде электромагнита, индуктор которого закреплен на пригрузе, а якорь расположен над индуктором и отделен от него воздушным зазором, обмотка возбуждения помещена в пазах магнитопровода индуктора и присоединена к схеме электропитания.
При подаче импульса тока в обмотку возбуждения между якорем и индуктором возникает электромагнитная сила, под действием которой якорь движется вниз, воздействуя через опоры (борта саней) на жесткое основание, которое и возбуждает в грунте упругие колебания. Закрепленный на пригрузе индуктор под действием электромагнитной силы движется вверх и в момент выбора зазора ударно взаимодействует с якорем и приподнимает его над опорами. Возвращение пригруза с индуктором и якорем в исходное состояние происходит под действием силы тяжести. Скорость падения пригруза на излучатель ограничена демпфером.
Недостатком аналога является невысокая сейсмическая эффективность, обусловленная низким значением коэффициента преобразования механической энергии электромагнита в механическую энергию воздействия на грунт. Значительная часть электромагнитной энергии преобразуется не в механическую энергию движения якоря и связанного с ним излучателя, а на ускорение вверх массивного пригруза с последующим выделением ее в демпфере, замедляющем движение пригруза при его возврате из верхнего положения в исходное.
Известен принятый за прототип сейсмоисточник (патент РФ №2242027, опубл. 10.12.2004 г.), содержащий жесткое основание-излучатель сейсмических волн с закрепленными на нем жесткими опорами (при выполнении излучателя в виде саней - бортами саней) и опертый на основание пригруз с возможностью его перемещения относительно стоек в направлении, перпендикулярном плоскости излучателя. На пригрузе закреплен магнитопровод индуктора электромагнита с обмоткой возбуждения в пазах. К обмотке присоединена схема электропитания. Магнитопровод якоря электромагнита отделен от магнитопровода индуктора зазором δ1, а от опор - зазором δ2, в который помещен упругий элемент высотой Н, не превышающей величины зазора δ2.
В прототипе не предусмотрена возможность оперативного регулирования параметров воздействия сейсмоисточника на грунт, необходимая для обеспечения эффективной работы на грунтах различной жесткости, что сужает область его применения.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение возможностей применения сейсмоисточника и повышение его технических характеристик.
Техническим результатом является обеспечение эффективной работы сейсмоисточника на грунтах различной жесткости, повышение кпд преобразования механической энергии его электромагнитного двигателя в энергию воздействия на грунт и возможность изменять спектр излучаемых волн.
Задача достигается тем, что в импульсном электромагнитном источнике сейсмических волн, содержащем основание-излучатель с закрепленными на нем жесткими стойками, размещенный на основании между стойками пригруз, электромагнитный двигатель с системой его питания, состоящий из якоря и индуктора с обмоткой возбуждения, магнитопровод индуктора жестко закреплен на пригрузе, магнитопровод якоря размещен над магнитопроводом индуктора и отделен от него зазором δ1, корпус якоря выполнен с консолями, отделенными от стоек зазорами δ2, в которые помещены упругие элементы с возможностью их сжатия якорем при выборе зазора δ1, между основанием и пригрузом установлен демпфер, якорь оперт на стойки посредством подпружиненных штоков с возможностью деформации пружин при выборе зазора δ2.
Получение технического результата достигается возможностью установления начальных величин зазоров δ1 и δ2, оптимально соответствующих максимальному значению коэффициента передачи механической энергии электромагнитного двигателя излучателю при различных параметрах грунта под сейсмоисточником. Применением подпружиненных штоков, отделяющих якорь от стоек зазорами δ2 в исходном положении, обеспечиваются повышение передаваемой посредством якоря и излучателя доли механической энергии электромагнитного двигателя в грунт и возможность изменять спектр излучаемых сейсмических волн изменением длительности фронта силы воздействия на грунт.
Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 показан разрез сейсмоисточника; на фиг.2 - конструктивная схема упругой опоры якоря; на фиг.3 - варианты возможного размещения упругих опор: а - на стойках излучателя, б - на пригрузе; на фиг.4 - графики изменения сил, а также скоростей движения пригруза, якоря и основания.
Импульсный сейсмоисточник (фиг.1) содержит основание-излучатель 1 с закрепленными на нем жесткими стойками 2, пригруз 3, демпфер 4, установленный между основанием и пригрузом, и электромагнитный двигатель, состоящий из якоря 5 и индуктора 6 с обмоткой 7 возбуждения, к которой присоединена схема ее электропитания (на фиг.1 не показана). Пригруз 3 жестко соединен с индуктором 6 и имеет возможность перемещения вдоль стоек 2. Магнитопровод якоря 5 отделен от магнитопровода индуктора 6 зазором δ1, а консоли 8 якоря отделены от стоек 2 зазорами δ2 с помощью упругих опор 9, содержащих штоки 10 и пружины 11. В зазоры δ2 помещены упругие элементы 12. Корпусы 9 упругих опор установлены на консолях 8 якоря 5. Нижние концы штоков 10 свободно проходят через отверстия в донных частях корпусов 9 и опираются на стойки 2, а их верхние расширенные концы прижимаются к донным частям корпусов 9 пружинами 11, сжатыми между расширенными концами штоков и верхними частями 13 корпусов 9.
Общее усилие сжатия пружин 11 должно превышать вес якоря 5. Величина усилия сжатия пружин 11 может быть установлена изменением положения верхней части 13 корпуса 9 относительно его донной части. Величины зазоров δ2 могут быть установлены изменением высоты прокладок 14 (фиг.2). При этом изменяется длина выступающих из корпусов 9 частей штоков 10, а также изменяется величина зазора δ1 между магнитопроводами якоря и индуктора. Величина зазора δ1 должна быть больше величин зазоров δ2, что достигается соответствующим установлением высоты стоек 2. Нижние концы штоков 10 могут опираться непосредственно на стойки 2 либо на размещенные на стойках упругие элементы 12 (во втором случае величины зазоров δ2 могут быть установлены изменением высоты элементов 12). Возможны варианты размещения упругих опор: на стойках излучателя - (фиг.3, а) или на пригрузе - (фиг.3, б).
0
Сейсмоисточник работает следующим образом. В момент t (фиг.4) по сигналу с сейсмостанции от подготовленной к работе схемы питания по обмотке возбуждения 7 (фиг.1) начинает проходить электрический ток. При этом вокруг обмотки создается импульсный магнитный поток 15, замыкающийся по зазору δ1 и магнитопроводам якоря 5 и индуктора 6. В результате между якорем и индуктором создается сила 16 притяжения, существенно превышающая силу сжатия пружин 11, под действием которой якорь 5 ускоряется в направлении стоек излучателя 1, а индуктор 6 с пригрузом 3 - вверх. Излучатель 1 двигается вверх под действием разности сил сжатых грунта и пружин 11. Штоки 10 продолжают опираться на стойки 2, расстояние между консолями 8 и стойками 2 уменьшается, в результате чего пружины 11 дополнительно сжимаются. Графики 17, 18 и 19 скоростей движения, соответственно, индуктора с пригрузом 3, якоря 5 и излучателя 1 показаны на фиг 4.
1
Поскольку масса якоря 5 электромагнита существенно меньше массы пригруза 3 с закрепленным на нем индуктором 6, то до момента времени t выбора зазоров δ2 якорь набирает существенно большую скорость 17, чем пригруз, и выбирает, соответственно, существенно большую часть зазора δ1. При этом большая доля содержащейся в объеме зазора δ1 электромагнитной энергии преобразуется в кинетическую энергию якоря.
1
0
1
2
1
3
4
4
В момент времени t якорь 5 начинает воздействовать на упругие элементы 12, сжимая их, тормозится, и приобретенная им на интервале t-t кинетическая энергия начинает переходить в потенциальную энергию сжатых упругих элементов 12; сила 20 их сжатия начинает расти. В момент времени t, когда силы 16 и 20 уравниваются, скорость движения якоря начинает уменьшаться. После момента t потенциальная энергия сжатых упругих элементов переходит в кинетическую энергию излучателя 1, формируя в грунте фронт сейсмической волны. В момент времени t скорости движения якоря и излучателя становятся равными, а сила 20 сжатия упругих элементов 12 достигает своего максимума. В момент времени t полностью выбирается зазор δ1, якорь 5 соударяется с индуктором 6, и далее сила 16 перестает приводить якорь и индуктор в движение, то есть процесс преобразования электромагнитной энергии в механическую прекращается. После момента времени t якорь 5 отделяется от стоек 2 излучателя 1 и далее двигается вместе с индуктором и пригрузом. За счет усилия сжатых пружин 11 штоки 10 выталкиваются из корпусов 9 до упора верхних, расширенных концов в донные части корпусов 9.
5
6
4
Упругие элементы 12, разжимаясь, передают оставшуюся свою потенциальную энергию в кинетическую энергию совместного движения якоря, пригруза и излучателя 1. Масса системы индуктор, якорь, пригруз гораздо больше массы излучателя 1 со стойками 2, следовательно, в кинетическую энергию движения излучателя переходит большая часть потенциальной энергии сжатых упругих элементов 12. В момент t сила 20 уменьшается до нуля, далее пригруз 3 продолжает движение под действием силы тяжести. Излучатель совершает на грунте затухающие колебания. В момент t>t система питания может обесточить обмотку 7, при этом сила 16 исчезает.
4
2
От момента времени t до момента достижения максимальной высоты над излучателем (нулевой скорости 17 движения пригруза вверх) движение пригруза происходит по инерции, а затем он и якорь опускаются в исходные положения под действием силы тяжести со скоростью, ограниченной с целью уменьшения повторного воздействия на излучатель 1 демпфером 4. В момент соприкосновения штоков 10 со стойками 2 возможен кратковременный отрыв расширенных концов штоков 10 от донных частей корпусов 9, уменьшающий силу воздействия якоря на стойки (и возникающую при этом сейсмическую помеху), с последующим восстановлением контакта расширенных концов штоков и донных частей корпусов и установлением исходной величины зазоров δ силой сжатых пружин 11.
После возврата пригруза и якоря в исходное положение процесс создания сейсмической волны может повторяться подачей очередного импульса тока в обмотку 7.
0
1
2
Величина зазора δ2 определяет продолжительность свободного ускорения якоря 5 и величину запасаемой им кинетической энергии, которая, как показано ранее, в значительной мере преобразуется в кинетическую энергию излучателя 1. В течение времени свободного ускорения якоря t-t сила 20 на излучатель не действует, а после момента t на излучатель действует сила 20, превышающая электромагнитную силу 16. При этом излучатель 1 может приобрести бóльшую скорость за меньшее время, а излучаемая сейсмическая волна при увеличении продолжительности свободного ускорения якоря становится более высокочастотной, что позволяет при проведении сейсморазведочных работ оптимально настраивать сейсмоисточник для воздействия на грунты различной жесткости.
1
2
Э
П
При более жестком грунте под излучателем противодействие грунта движению излучателя вниз на интервале времени t-t больше, чем при мягком, поэтому длительность этого интервала при неизменной величине зазора δ2 и заданных величинах электромагнитной энергии А и электромагнитной силы f (график 16) увеличивается и возрастает ее доля, преобразуемая в кинетическую энергию A пригруза:
П
И
где m - масса пригруза. А так как кинетическая энергия пригруза не преобразуется в энергию A формируемой сейсмической волны:
И
Э
П
A=A-A,
то эффективность η сейсмоисточника:
снижается.
0
1
0
1
1
5
Предлагаемая конструкция сейсмоисточника позволяет при жестком грунте увеличивать зазоры δ2 по сравнению зазором δ1. При этом якорь на увеличивающемся интервале времени t-t запасает и в последующем передает излучателю больше кинетической энергии. Кинетическая энергия пригруза на интервале времени t-t увеличивается значительно меньше, чем энергия якоря, так как масса пригруза намного больше, а на интервале t-t в кинетическую энергию движения излучателя переходит большая часть потенциальной энергии сжатых упругих элементов, так как масса пригруза больше массы излучателя.
При грунте любой жесткости оптимальная настройка сейсмоисточника может быть достигнута подбором величин зазоров δ2.