ИМПУЛЬСНЫЙ ПОРОХОВОЙ ИСТОЧНИК УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ
PULSED POWDER ELASTIC WAVE SOURCE

Изобретение относится к геофизическому оборудованию, обеспечивающему процесс возбуждения упругих колебаний при сейсмической разведке. Основные области применения - малоглубинная сейсморазведка высокого разрешения на месторождениях полезных ископаемых и инженерная сейсмоакустика для решения задач инженерно-геологических изысканий.
В сейсморазведке малых глубин используются два типа импульсных источников - ударные и взрывные [1]. Например, известны следующие виды ударных источников: падающий груз [2], пружинные [3], гидравлические [4], пневматические [5]. Данные источники характеризуются следующими общими недостатками: имеют значительные габариты и вес, т.е. не мобильны на сложно пересеченной и лесистой местности; требуют существенных затрат физического труда или специальных транспортных средств для продвижения вдоль профиля; требуют специальных дополнительных источников энергии (аккумуляторы, компрессоры, бензоагрегаты) для подъема бойка ударника; отработка физической точки наблюдений производится за значительный временной промежуток; имеют высокую вероятность двойного удара при единичном воздействии.
Взрывные источники колебаний в малоглубинной и инженерной сейсморазведке применяются крайне редко. Это связанно с опасностью перевозки бризантных взрывчатых веществ, необходимостью оборудования и охраны складов взрывчатых веществ, опасностью взрывов вблизи земной поверхности, низкой экономичностью и невозможностью использования в условиях градопромышленных агломераций.
Наиболее удачным известным примером импульсного взрывного источника колебаний для целей малоглубинной сейсморазведки является - сейсморужье [6]. В сейсмо-ружье для генерации упругих колебаний в грунте используется энергия выброса пороховых газов в неглубокой скважине. В основном используется заряд дымного пороха, который снаряжается в стандартные гильзы охотничьих патронов 12 калибра.
Самым близким по своей технической сущности к предлагаемому является патент США №4867266 [7], который принимается в качестве прототипа. Устройство предназначено для возбуждения сейсмических сигналов в грунте с помощью взрыва одного или более патронов. Трубчатый ствол (подземная часть устройства), выполненный из хрупкого материала, такого как пластик, имеет зафиксированный патрон внутри, патрон имеет головку с электрически возбуждаемым капсюлем. Внутри ствола, закреплен удлинительный блок, обеспечивающий электрическую связь с патроном и капсюлем. Провода присоединены к электропроводящему блоку и проходят далее по внешней стороне ствола; патрон взрывается путем соединения с источником тока. Ствол может быть удлинен путем присоединения множества дополнительных патронов, расположенных на расстоянии друг от друга, первый патрон приводится в действие электрически, остальные патроны взрываются под действием удара. Каждый ударный патрон соединен с плунжером, который приводится в движение пулей (сердечником), выстреливаемой из предыдущего патрона; таким образом, после взрыва «электрического» патрона его пуля приводит в действие первый "ударный" патрон, и далее каждый ударный патрон взрывается последовательно. В этом устройстве, первый патрон может быть ударным, приводимым в действие с помощью стержня, выведенного на поверхность земли.
Недостатком прототипа является то, что вся подземная часть устройства ("ствол"), состоящая из множества специально изготовленных деталей, предназначена для однократного использования и полностью разрушается при каждом срабатывании источника. Такое количество специальных деталей объективно обусловливает значительную стоимость одной физической точки.
Недостатком прототипа является необходимость использования дополнительного устройства - аккумулятора, обеспечивающего инициализацию заряда. Это обусловливает значительный вес источника и его низкую мобильность. Электрический вариант инициализации специального капсюля-воспламенителя подразумевает качественную изоляцию внутренних частей устройства от проникновения грязи и влаги, что не всегда возможно в полевых условиях - болото, дождь, снег, заполненные водой и жидкой грязью скважины. Существенным недостатком прототипа является и значительное время перезарядки, обусловленное медленной установкой электрических контактов первого патрона, бойков последующих патронов и отдельных разрушаемых (пластиковых) частей ствола.
В известном устройстве используются патроны, содержащие, кроме порохового заряда, и массивный металлический снаряд (боек) - пулю массой 3 унции (около 85 граммов), что представляет опасность для обслуживающего персонала в случае непреднамеренного срабатывания устройства вне скважины. Также устройство не может быть сертифицировано по безопасности в РФ, т.к. не оборудовано предохранителем и не предусматривает защиты при выбросе метательного заряда при случайном выстреле на дневной поверхности.
В известном устройстве отсутствует уплотнение между стенками скважины и трубчатым корпусом источника, которое предотвращает потери энергии на выброс грунта и газов на земную поверхность. В результате чего понижаются энергетические показатели генерируемого сейсмического импульса, и возникает опасность выброса частиц грунта и газов вдоль стенок скважины в сторону оператора.
В известном решении возможно использование первого (одного) патрона в качестве ударного, приводимым в действие с помощью стержня, выведенного на поверхность земли. Но такой вариант также требует наличия пули в патроне для создания давления газов, а сам патрон по-прежнему помещается в полностью разрушаемую (пластиковую) часть ствола.
Кроме того, недостатком в известном решении является то, что часть энергии пороховых газов каждого патрона расходуется на разгон массивной пули и последующее разрушение стенок ствола, выполненного из хрупкого материала, что приводит к растяжению импульса во времени и уменьшению его энергии, а также к понижению частотного диапазона возбуждаемых колебаний.
Совокупность указанных недостатков не позволяют применять известный источник при сейсморазведке малых глубин с достаточной эффективностью и оперативностью, требует значительных материальных затрат, практически исключает возможность его использования в сложнопересеченной болотистой местности, не обеспечивает норм безопасности, принятых для соответствующих устройств в РФ, а также обладает недостаточными динамическими показателями для проведения высокоразрешающих сейсморазведочных работ на отраженных волнах.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности сейсморазведочных работ при исследовании малых глубин за счет большей мобильности и оперативности отработки физической точки, расширения спектра возбуждаемых колебаний и увеличения энергии единичного воздействия пороховых газов на грунт в неглубокой скважине, снижения ограничений по применению из-за поверхностных условий, повышения безопасности эксплуатации устройства, обеспечение длительного многократного использования устройства.
Указанный выше технический результат достигается за счет того, что в импульсном пороховом источнике упругих колебаний, состоящем из патронника, ресивера, штанги, защитного диска, крестовины с рукоятками, генерирующего элемента, согласно изобретению генерирующий элемент выполнен в виде ударного механизма, обеспечивающего механическую инициацию капсюля холостого патрона, при этом ударный механизм оснащен предохранительным устройством в виде вилки, патронник внутри имеет сужение, выполненное в виде уступа прямоугольной формы, при этом дульная часть патронника выполнена в виде конуса, расширяющегося в направлении дульного среза, на нижней торцевой части патронника установлена упорная скоба, штанга оснащена резиновым уплотнителем, сравнимым с диаметром скважины, соединение патронника и ресивера осуществлено при помощи многозаходной резьбы.
Совокупность отличительных признаков позволяет обеспечить во время выстрела задержку пыжей-обтюраторов с последующим их разрушением, при этом развивается давление форсирования, необходимое для полноценного и максимально быстрого сгорания заряда бездымного охотничьего пороха. Это позволяет максимально увеличить энергию генерируемого импульса и сократить его длительность, за счет чего достигается расширение спектра возбуждаемых колебаний. Выполнение дульной части патронника в виде конического расширения (сопла), обеспечивает равномерное распределение пороховых газов по объему донной части скважины, что уменьшает величину необратимых пластических деформаций грунтов, снижающих результирующую энергию возбуждения колебаний.
Заявленный импульсный пороховой источник упругих колебаний является устройством длительного многократного использования. Расходным материалом служат только холостые патроны.
Упорная скоба, расположенная на нижнем торце патронника, является защитой от выброса метательного элемента из ствола при его несанкционированном заряде, обеспечивает постоянное расстояние между дульным срезом патронника и дном скважины и препятствует забиванию дульного среза грунтом, за счет чего повышается стабильность энергетических показателей импульса от выстрела к выстрелу.
Уплотнитель, расположенный на штанге, при установке устройства в рабочее положение плотно закрывает устье скважины и в совокупности с подвижным защитным диском препятствует выходу пороховых газов и частиц грунта вдоль ствола скважины в сторону оператора.
Предохранительное устройство в виде вилки, запирающей шток ударника, предотвращает срабатывание устройства во время переноски и в ходе подготовки к выстрелу.
Устройство может без ограничений использоваться в любом грунте, в том числе в болоте, в скважинах, затопленных водой и загрязненных.
В таком исполнении заявленное устройство может быть сертифицировано по нормам безопасности, принятым в РФ.
Импульсный пороховой источник упругих колебаний в таком исполнении обеспечивает достижение технического результата.
На фиг.1 представлен общий вид заявленного устройства, на фиг.2 представлен внутренний вид патронника, на фиг.3 показаны примеры волновых полей и их спектры для разных источников.
Импульсный пороховой источник упругих колебаний состоит из патронника 1 с упорной скобой 2 на нижнем торце, ресивера 3, корпуса ударного механизма 4 с металлической кнопкой 5 на верхнем торце, штанги 6 с резиновым уплотнителем 7, подвижного защитного диска 8, крестовины с рукоятками 9 и предохранительного устройство в виде вилки 10. Внутренняя часть патронника имеет сужение в виде уступа 11 прямоугольной формы, а его дульная часть выполнена в виде конуса, расширяющегося в направлении дульного среза 12. Патронник соединяется с ресивером за счет многозаходной резьбы 13.
Механическая инициализация (накалывание) патрона производится путем нанесения удара легким молотком по металлической кнопке 5, расположенной на верхнем торце штока, проходящего внутри штанги 6.
Резиновый уплотнитель 7, расположенный на штанге 6 имеет диаметр, сравнимый с диаметром скважины, тем самым при установке устройства в рабочее положение плотно закрывает устье скважины и препятствует выходу пороховых газов, чем обеспечивается более полная передача энергии выстрела в грунт, и, следовательно, увеличивается глубина проникновения сейсмических сигналов.
Защитный диск 8 выполнен из пластика или твердой резины и свободно перемещается по штанге 6. Во время возбуждения колебаний он дополнительно уплотняет скважину и исключает выброс частиц грунта в сторону оператора, обеспечивая его безопасность.
Крестовина с двумя резиновыми рукоятками 9 обеспечивает удобное и безопасное удержание устройства во время работы.
Внутри патронника 1 заявляемого устройства (фиг.2) имеется переход внутреннего диаметра в виде уступа 11 прямоугольной формы с большего диаметра (наружный диаметр патрона) на меньший (диаметр канала ствола). Уступ 11 обеспечивает во время выстрела задержку пыжей-обтюраторов с последующим их разрушением, при этом развивается давление форсирования, необходимое для полноценного и максимально быстрого сгорания заряда бездымного охотничьего пороха. Согласно стендовым испытаниям, при такой конструкции, давление форсирования увеличивается не менее чем в 3 раза, что в свою очередь позволяет максимально увеличить энергию генерируемого импульса, сократить его длительность и расширить спектр возбуждаемых колебаний.
Дульная часть патронника 1 выполнена в виде конического расширения (сопла) в сторону дульного среза 12. Предлагаемая форма выходного отверстия обеспечивает равномерное распределение пороховых газов по объему донной части скважины, что уменьшает величину необратимых пластических деформаций грунтов, снижающих результирующую энергию возбуждения колебаний.
На нижнем торце патронника имеется упорная скоба 2, которая в случае несанкционированного заряда метательного элемента в патрон, предотвращает его выброс из ствола, обеспечивает постоянное расстояние между дульным срезом патронника и дном скважины и препятствует забиванию дульного среза грунтом, за счет чего повышается стабильность энергетических показателей импульса от выстрела к выстрелу.
Соединение патронника 1 и ресивера 3 осуществляется по многозаходной резьбе 13, что обеспечивает высокую прочность запирания и возможность быстрой замены стреляной гильзы на новый заряженный патрон. Длительность перезарядки источника составляет не более 30 секунд.
В верхней торцевой части штанги 6 имеется предохранительное устройство в виде вилки 10, запирающей шток ударного механизма, чем обеспечивается безопасное обращение с устройством во время переноски и в ходе подготовки к выстрелу.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Вдоль сейсморазведочного профиля на каждом пикете (физической точке) ручным или переносным мотобуром бурится скважина диаметром 6 см (сравнимо с диаметром уплотнительного кольца) и глубиной 50-100 см. В скважину до упора вставляется предлагаемый источник колебаний. По команде оператора сейсмостанции оператор источника, придерживая рукой крестовину 9, а ногой защитный диск 8, наносит легким молотком удар по металлической кнопке 5, после чего происходит инициализация специального холостого патрона. Газы, высвободившиеся при резком сгорании бездымного пороха, ударяют в дно скважины, тем самым возбуждая в грунте упругие колебания. Эти колебания регистрируются сейсмодатчиками, расставленными вдоль профиля. После отработки физической точки осуществляется переход к следующей, во время которого производится перезарядка источника. Оператор откручивает патронник 1, извлекает отработанную гильзу, вставляет новый патрон, прикручивает патронник 1, помещает источник в заранее пробуренную на следующем пикете скважину.
Для работы устройства используются специально снаряженные холостые патроны в пластмассовой гильзе 12 калибра с зарядом бездымного пороха, предназначенного для применения в дробовых охотничьих патронах, и пластмассовыми пыжами-обтюраторами, разрушающимися в процессе выстрела.
Заявленное устройство использовали при проведении малоглубинных сейсморазведочных работ на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей. Отработано более 20000 физических точек в различных поверхностных и погодных условиях.
В результате использования заявленного устройства зарегистрированные волновые поля позволили с большей детальностью изучать строение породного массива до глубин 500 м, в 1,5 раза уменьшилось время на отработку погонного километра профиля. Ширина спектра возбуждаемых колебаний достигала 100 Гц и значительно превосходила аналогичные характеристики других типов источников. На фиг.3 в сравнении показаны волновые поля и их спектры для типов источников: а - падающий груз 40 кг с высоты 2,5 м; б - механизированный источник "GeoStrike" (США); в - заявленное устройство.
Таким образом, импульсный пороховой источник упругих колебаний в заявленном исполнении обеспечивает достижение технического результата. Технический результат - повышение эффективности полевых сейсморазведочных работ при исследовании малых глубин, заключается в следующем:
- повышение мобильности устройства, за счет исключения дополнительных электрогенерирующих устройств (аккумуляторов);
- сокращение времени отработки физической точки, за счет оперативности и простоты перезарядки;
- расширение спектра и повышение энергии возбуждаемого импульса и, соответственно, разрешающей способности и глубинности исследований;
- повышение уровня безопасности при эксплуатации устройства;
- снижение ограничений по применению из-за поверхностных условий;
- низкая стоимость патронов, изготовленных с применением стандартных, общедоступных компонентов.
Промышленная применимость заявленного устройства не вызывает сомнений, тем более позволяет отказаться от тяжелых ударных источников, патронов оснащенных метательным зарядом, использовать многократно и в любых условиях. Заявленное устройство прошло сертификацию № РОСС RU.SA02.B11988), согласно которой соответствует ТУ 4314-004-04538067-2007 и удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 50529-93 и ТУ 4314-004-04538067-2007 по прочности и безопасности.
Источники информации
1. Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики. - М., Изд-во МГУ, 1981.
2. Шнеерсон М.Б., Майоров В.В. Наземная сейсморазведка с невзрывными источниками колебаний. - М.: Недра, 1980.
3. Налагай В.В., Попов А.Я., Дик П.И. Сейсморазведка малых глубин. - М.: Недра, 1989.
4. Патент Российской Федерации №2322685, кл. G01V 1/147, 2006.
5. Патент Российской Федерации №2246740, кл. G01V 1/147, 2002.
6. Miller R.D., Pullan S.E., Waldne J.S., Haeni F.P. Field comparison of shallow seismic sources // Geophysics. 1986. V.51, P.2067-2092.
7. Патент США №4867266, МПК G01V 11/04, 1989.