способ получения сейсмических сигналов

Формула изобретения

1. Способ получения многократных сейсмических сигналов на выходе сопла ракетного двигателя на твердом топливе, отличающийся тем, что возбуждение сейсмических сигналов достигают индуцированием пульсирующего горения топливного элемента в камере за счет колебательных химических реакций, обусловленных неодновременным выгоранием компонентов топлива, состоящего, например, из 80% перхлората аммония - окислителя и тиокола - горючего связующего в количестве 20%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при индуцированном пульсирующем горении время завершения основных химических реакций должно превысить время вылета продуктов распада через сопло.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сейсмологии (морская сейсморазведка, сейсморазведка в переходных зонах земля-вода, наземная и скважинная сейсморазведка), где требуется получение упругих волн в геологических средах в виде многократных пульсаций давления с определенными характеристиками. Изобретение может быть применено также для инженерно-геологических изысканий, в строительстве, гидрологии для имитации землетрясений с исследовательской целью и т.п.

Известно большое количество различных источников сейсмосигналов, работающих на суше и в воде, не использующих энергию взрыва.

На суше работа таких источников заключается в механическом воздействии на породу с помощью различных приспособлений ударного типа, например [1]. В воде сигналы получают источниками пневматического, пневмогидравлического или электродинамического типа.

При этом сигналы создаются за счет волн сжатия или разрежения при возникновении газового пузыря, гидродинамического воздействия или путем преобразования электрического импульса в перемещение мембраны, от которой распространяются волны давления.

Большинство источников имеют ряд существенных недостатков, не позволяющих использовать их для конкретных видов сейсмических работ с учетом всех требований к ним или к месту их использования. Среди недостатков существующих источников - громоздкость, трудность эксплуатации, дороговизна, сложность оборудования, неблагоприятное экологическое влияние на природу и т.п.

Одно из основных требований, предъявляемых к источникам, - получение воспроизводимых свип-сигналов, т.е. сигналов с изменяющейся при работе источника частотой и амплитудой, удобных для расшифровки. Частота сигналов при этом должна изменяться в пределах от нескольких герц до 250 герц, амплитуда (при подводных работах) не должна превышать 0,6...1 МПа. Известные способы генерации сигналов не могут одновременно удовлетворить совокупности рассматриваемых требований, т.к. исчерпали свои возможности. В этой связи необходимо искать принципиально новые способы индуцирования сигналов.

В качестве прототипа был выбран способ возбуждения сейсмосигналов, основанный на использовании импульсного двигателя на твердом топливе [2]. Двигатель, напоминающий ракетный, при работе образует продукты сгорания, вылетающие через сопло. За счет появляющейся реактивной тяги начинается движение его с последующим ударом по жидкости. В результате этого возникают сейсмические сигналы.

Описанный способ имеет следующие недостатки. Он ограничен в области применения. Поверхностные (без шпура) и подводные варианты источника на основе этого способа разработать невозможно, они будут неработоспособны. Регулирование амплитудно-частотными характеристиками излучаемых сигналов затруднено из-за движения двигателя, который может двигаться не так, как надо. Одновременно будет недостаточное для сейсморазведки отношение амплитуд полезного сигнала и помех. При ударах может возникнуть только низкочастотная составляющая сигналов. Способ не позволяет достичь достаточной синхронизации источников при работах на сейсмическом профиле. На его основе, в принципе, невозможно получить свип-сигналы.

Предлагается принципиально новый способ возбуждения сейсмических сигналов, который устранит описываемые недостатки прототипа. Суть его заключается в следующем. В небольшом по объему и простом по исполнению устройстве, напоминающем ракетный двигатель на твердом топливе, индуцируется пульсирующее горение, которое представляет собой достаточно интенсивные колебания давления в камере с изменяющейся по времени частотой и амплитудой. Частоты при определенной настройке двигателя (прежде всего за счет топлива) совпадут с частотами, необходимыми для сейсморазведки. Соответственно будет происходить возникновение пульсирующей реактивной тяги (при работе на Земле) или соответствующее пульсирующее излучение (при работе под водой) через отверстие (сопло), одно или несколько, что приведет к генерации упругих волн.

Следует заметить, что первопричина пульсирующего горения рассматриваемого способа не связана с конструктивными доработками, приводящими к перекрыванию сопла, или другими механическими воздействиями на двигатель, а обусловлена процессом неодновременного выгорания основных компонентов топлива в твердой фазе. Этот процесс проявляется в виде колебаний в поступлении массы продуктов горения в газовую фазу, их химического состава, а также тепловой энергии.

Неодновременность выгорания, в какой-то мере напоминающая дискретное горение, инициирует, в свою очередь, появление непрореагировавших, промежуточных компонентов, находящихся в газообразном состоянии. Такие компоненты при определенных условиях, которые можно регулировать, способствуют появлению колебательных процессов, представляющих собой периодические химические реакции. В отличие от обычного механизма химических реакций, характеризующихся образованием новых веществ до исчерпания реагентов или до установления равновесного состояния, колебательный режим связан с периодическим изменением промежуточных продуктов до тех пор, пока, в конечном итоге, не образуются стабильные продукты, препятствующие дальнейшим изменениям.

Колебательные химические реакции возникают, например, при окислении окиси углерода в процессе неполного горения топлива при низких давлениях в камере ракетного двигателя. Они приводят к пульсирующему горению, низкочастотная составляющая которого усиливается, когда время завершения основных химических реакций (обычно несколько миллисекунд), не связанных с колебательными, превышает время вылета продуктов распада (газообразных компонентов) через сопло.

При высоких давлениях и уменьшении неполноты сгорания топлива могут появиться и высокочастотные составляющие рассматриваемого пульсирующего режима.

Новый технический результат, связанный с индуцированием пульсирующего горения, может быть осуществлен, если в ракетном двигателе используют топливо на основе перхлората аммония в качестве окислителя - 80% и 20% тиокола - горючего связующего.

Неодновременное выгорание компонентов в твердой фазе происходит вследствие того, что окислитель начинает разлагаться при 240^oC, а тиокол - при 170^oC, причем скорость его распада выше.

Разница в скоростях и началах разложения указанных компонентов и является основой для возникновения колебательных химических реакций в газовой фазе с последующим индуцированием пульсирующего горения в камере и генерированием сейсмических сигналов через сопло.

Очевидно, что и другие топлива, имеющие большую разницу в скоростях и началах разложения основных компонентов, вступающих в реакции, также могут быть использованы в качестве рабочих тел в двигателях, генерирующих сейсмические сигналы.

В качестве примера реализации предлагаемого способа получения многократных сейсмических сигналов на фиг. 1 показано устройство - излучатель, разработанное на основе модельного ракетного двигателя.

Устройство состоит из переходника для подключения линии воспламенения 1, воспламенителя 2 (небольшая навеска дымного пороха в корпусе или та же навеска с электрозапалом типа МБ-2Н, уменьшающим время срабатывания воспламенителя от стандартной сейсмической аппаратуры), металлического стакана 3, цилиндрического канального элемента из твердого топлива 4 длиной от 50 до 140 мм, наружным диаметром от 18 до 36 мм и диаметром канала от 6 до 10 мм (в качестве элемента может использоваться и пучок тонкосводных трубок топлива), решетки 5, соплового блока 6 и заглушки 7.

Устройство предназначено для подводных работ. При запуске срабатывает воспламенитель, затем загорается топливо и после срыва заглушки начинается истечение продуктов сгорания через сопло. Чтобы устройство не двигалось при запуске, его закрепляют на опускаемой вместе с ним платформе. Однако оно может быть и без платформы, если вместо одного сопла в центре соплового блока использовать 4 таких сопла с той же суммарной площадью выходного отверстия, но расположенных на периферии соплового блока. В этом случае устройство при работе будет оставаться неподвижным.

При испытаниях устройства в воде на глубинах до 10 м видны световые кратковременные вспышки, соответствующие по частоте пульсирующему режиму работы устройства. После вспышек на поверхность поднимается пузырь с газообразными продуктами горения (образуются CO и CO₂) и создается бурление. В отличие от взрывных подводных сейсмических работ, неблагоприятно воздействующих на ихтиофауну, в данном случае имеет место мягкое возбуждение звуковой волны, не оказывающее такого влияния. К тому же продукты горения являются достаточно экологически безопасными.

Объем газов при одном испытании (до 100 г топлива) составляет около 1 м³, высвобождающаяся при горении энергия - 400 кДж.

На фиг. 2 показаны фрагменты звуковых колебаний, записанных гидрофоном (с соответствующей аппаратурой), при пульсирующем режиме работы устройства. Глубина погружения источника - 5 м, расстояние до гидрофона - 10 м. Видно, что генерируемые сигналы сложной формы. Для них характерны два диапазона частот.

В отличие от прототипа в данном случае имеют место многократные сигналы, которые можно регулировать по частоте и амплитуде в широких пределах. Поэтому предлагаемый способ за один цикл работ устройства позволяет получить значительно больше информации для сейсморазведочных работ на нефть и газ, что потребует меньше испытаний и позволит провести улучшенную обработку предварительно записанных сигналов. К тому же устройство, использующее предлагаемый способ, может работать на Земле, в скважинах и в других условиях, где прототип работать не может. Устройство по совокупности своих свойств является более эффективным по сравнению с другими известными источниками сейсмосигналов. Особенно оно эффективно в переходных зонах земля-вода, в труднодоступных районах и других местах, где требуются легкие, простые, мощные излучатели свип-сигналов с регулируемыми характеристиками, безотказно работающие в самых различных условиях.