сейсмоисточник для создания сейсмических волн на акваториях

Формула изобретения

1. Сейсмоисточник для создания сейсмических волн на акваториях, содержащий частично погружаемое в воду плавсредство, генератор акустического сигнала, состоящий из днища плавсредства, пригруза, опертого на днище плавсредства с возможностью перемещения вверх, и источника линейной механической силы, который установлен в корпусе плавсредства и первая подвижная часть которого присоединена к пригрузу, отличающийся тем, что в днище плавсредства выполнено отверстие, которое перекрыто жесткой плитой-излучателем с возможностью ее перемещения вниз и гибкой водонепроницаемой манжетой или мембраной, соединяющей плиту с днищем, вторая подвижная часть упомянутого источника силы присоединена к ударнику, который имеет возможность перемещаться вниз и отделен воздушным зазором от плиты-излучателя.

2. Сейсмоисточник по п.1, отличающийся тем, что в упомянутом зазоре помещен упругий элемент, выполненный, например, в виде пластины из резины или полиуретана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к невзрывным источникам сейсмических волн, применяемым при проведении сейсморазведочных работ на акваториях: озерах, реках, морях.

Сейсмические волны в жидкой среде образуются при создании в ней объемных возмущений, следствием которых является возникновение в среде градиента давления. Величина объемного возмущения и скорость его формирования определяют мощность и частотный спектр создаваемых волн.

Известны [1, 2] и получили наибольшее практическое применение пневматические сейсмоисточники, которые образуют объемное возмущение в водной среде посредством выпуска в нее сжатого воздуха из специального устройства (“пневмопушки”).

Основные технические недостатки сейсмоисточников-пневмопушек состоят в следующем.

1) Открытие отверстия для выпуска сжатого воздуха обычно обеспечивается специальным электромагнитным клапаном с последующим применением двухступенчатого пневмоусиления. Такая система обеспечивает недостаточную точность синхронизации работы нескольких пневмопушек между собой и с сейсмостанцией.

2) Сейсмоисточник необходимо опускать в воду, что усложняет его эксплуатацию.

3) Пульсация газового пузыря во время его движения к поверхности воды создает сейсмические помехи, а использование сейсмоисточников на малых глубинах становится нецелесообразным вследствие значительных потерь энергии.

4) Применение компрессора (или достаточного количества баллонов со сжатым газом), передача воздуха по шлангам в пневмопушку для ее "заряда" сопряжены с эксплуатационными недостатками и определяют низкий коэффициент использования энергии первичного источника для создания энергии сейсмических волн.

Известно принятое за прототип устройство для создания сейсмических волн в воде [3]. Оно содержит плавсредство, корпус которого частично погружен в воду и выполняет функцию излучателя сейсмических волн, пригруз и линейный силовой привод (источник механической силы), первая подвижная часть которого жестко присоединена к днищу плавсредства, а вторая - к пригрузу, опирающемуся через упругие элементы (пружины) на днище плавсредства.

Недостатком этого сейсмоисточника является его низкая сейсмическая эффективность, обусловленная низким коэффициентом преобразования механической энергии силового привода в сейсмическую из-за большой массы плавсредства, являющегося излучателем сейсмической энергии, и затратами энергии на создание поверхностных волн во время формирования основной, полезной волны. Кроме того, так как все днище является излучателем, то на него должны накладываться дополнительные требования, что вызывает увеличение расходов на изготовление и эксплуатацию сейсмоисточника.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение сейсмической эффективности сейсмоисточника. Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента преобразования потребляемой сейсмоисточником энергии в сейсмическую и снижение расходов на его эксплуатацию.

Упомянутая задача достигается тем, что в днище плавсредства выполнено отверстие, которое перекрыто жесткой плитой-излучателем с возможностью ее перемещения вниз и гибкой водонепроницаемой манжетой или мембраной, соединяющей плиту с днищем, вторая подвижная часть упомянутого источника силы присоединена к ударнику, который имеет возможность перемещаться вниз и отделен воздушным зазором от плиты-излучателя.

Отличительными от прототипа признаками являются выполнение излучателя в виде жесткой плиты, помещенной в отверстии днища плавсредства, предложение применить ударник, обеспечивающий эффективную импульсную передачу механической энергии источника силы в энергию плиты-излучателя, формирующей сейсмическую волну, применение упругой пластины в зазоре между ударником и плитой-излучателем, позволяющее повысить коэффициент передачи энергии от ударника и источника силы в энергию воздействия плиты-излучателя на нагрузку (водную среду).

Предложенное решение повышает сейсмическую эффективность применения сейсмоисточника за счет повышения коэффициента преобразования потребляемой сейсмоисточником энергии в механическую энергию воздействия на плиту-излучатель и за счет более высокого коэффициента преобразования в сейсмическую энергию энергии механического воздействия на излучатель.

На фиг.1 представлен вид сбоку с половиной продольного разреза сейсмоисточника; на фиг.2 - фронтальный вид с половиной поперечного разреза, на фиг.3 - вид сверху; на фиг.4 - диаграмма работы сейсмоисточника; на фиг.5 - вариант конструктивного исполнения демпферного устройства; на фиг.6, 7, 8 - варианты конструктивного исполнения узла крепления ударника; на фиг.9, 10 - варианты конструктивного исполнения фиксаторов положения излучающей плиты; на фиг.11 - вариант конструктивного исполнения манжеты; на фиг.12 - вариант выполнения плиты-излучателя с пластиной из упругого материала.

На фигурах и следующем их детальном описании для удобства иллюстрации характерных особенностей изобретения показан вариант конструктивного исполнения различных узлов, а также выбран для примера тип источника линейной силы - импульсный электромагнитный двигатель на короткоходовом электромагните, как наиболее эффективный тип двигателя для рассматривающихся условий.

Сейсмоисточник (фиг.1, 2, 3) содержит плавсредство 1 с отверстием в днище 2. В отверстии помещена жесткая плита-излучатель 3, соединенная с краями отверстия водонепроницаемой манжетой 4. На днище оперт пригруз 5 с возможностью его перемещения вверх. На пригрузе закреплен индуктор 6 электромагнита с обмоткой возбуждения 7 в пазах его магнитопровода. Якорь 8 электромагнита расположен над индуктором 6, отделен от него первым воздушным зазором 9 и опирается на опорные площадки 10 ударника 11, который охватывает пригруз 5 и вывешен на упругих элементах - пружинах сжатия 12, установленных между кронштейнами 13 на ударнике и днищем 2. Ударник 11 отделен от плиты-излучателя вторым зазором 14, величина которого меньше первого зазора 9. Обмотка возбуждения 7 соединена кабелем 15 с генератором импульсов тока 16.

Сейсмоисточник работает следующим образом. В момент t₀ (фиг.4) от генератора 16 через кабель 15 по обмотке возбуждения 7 электромагнита начинает проходить ток и между якорем 8 и индуктором 6 электромагнита создается электромагнитная сила 17. Под действием этой силы якорь с ударником ускоряются вниз в направлении уменьшения зазора 14. При этом механическое усилие на ударник передается от якоря через полки 10. В момент t₁ зазор 14 уменьшается до нуля и ускоренные до некоторой скорости V₁ якорь и ударник наносят удар по плите-излучателю 3. Масса якоря 8 и ударника 11 существенно больше массы плиты-излучателя 3, и в результате их дальнейшего перемещения вместе с плитой-излучателем 3 вниз с послеударной скоростью V₂ в воде под плитой создается импульс давления 18 (фиг.4) и формируется сейсмическая волна.

Одновременно с движением якоря 8 вниз с момента t₀ под действием силы 17 происходит ускорение пригруза 5 вверх. В результате встречного движения якоря 8 и индуктора 6 с пригрузом 5 зазор 9 между якорем и индуктором уменьшается к моменту t₂ до нуля, между ними происходит ударное взаимодействие и сила 17, действующая на ударник 11 и плиту-излучатель 3, становится равной нулю. Масса индуктора 6 и пригруза 5 многократно превышает массу якоря 8 и с момента t₂ (фиг.4) они вместе перемещаются в поле силы тяжести вверх и затем падают вниз.

Для ограничения возрастания скорости и снижения силы удара по днищу 2 при возврате в исходное положение пригруза 5 с индуктором 6 можно применить демпферное устройство 19 (фиг.5), уперев одну из опор которого в пригруз, а другую - в днище.

Ударник 11 возвращается в исходное положение под действием усилия пружин 12 (фиг.1, 2), а якорь 8 опирается на полки 10 на ударнике 11. Упругие элементы 12, вывешивающие ударник, можно опереть как на днище 2 (фиг.1, 2), так и на кронштейны 20 пригруза 5 (фиг.6), а для более точной установки и регулировки положения ударника 11 можно использовать дополнительные упоры 21 (фиг.7, 8), установленные в необходимом положении.

Возврат плиты-излучателя в исходное положение обеспечивают силы гидростатического давления и возвратная сила манжеты.

Для более точного установления положения плиты-излучателя могут быть применены известные технические решения, например пружинные фиксаторы положения (фиг.9, 10), которые вывешивают плиту-излучатель 3 относительно днища 2 на упругих элементах, например пружинах 22, при этом для возможности регулировки положения плиты-излучателя она может фиксироваться в верхнем положении за счет поджатия к упорам 23 (фиг.10), установленным в необходимом положении.

При пропускании по обмотке возбуждения следующего импульса тока происходящие в сейсмоисточнике процессы повторяются и создается очередная сейсмическая волна.

Для упрощения конструкции манжету можно выполнить в виде мембраны, перекрывающей все отверстие в днище (фиг.11), в этом случае плита-излучатель 3 фиксируется над мембраной 24.

Для изменения формы и длительности импульса давления 18 в воде под плитой-излучателем (фиг.4) и соответствующего изменения частотного состава создаваемой сейсмической волны во втором зазоре 14 может быть помещен упругий элемент 25, выполненный, например, из резины, полиуретана и т.д. (фиг.12). Упругое ударное взаимодействие между ударником 11 и плитой-излучателем 3 увеличивает длительность импульса давления в воде, снижает спектр создаваемой волны и повышает КПД передачи механической энергии ударника в энергию воздействия на воду за счет снижения потерь энергии за время удара.

Высота упругого элемента в зазоре 14 может быть равна или меньше величины зазора 14. При приближении высоты упругого элемента 25 к значению величины зазора 14 механическое взаимодействие ударника с плитой-излучателем переходит от ударного взаимодействия, характеризуемого предударной скоростью V₁, к их упругому взаимодействию при нулевой начальной скорости. Применение упругого элемента в зазоре 14 снижает образование шума от ударного взаимодействия ударника 11 с плитой 3.

С целью снижения звукового шума в местах опоры пригруза 5 на днище 2 и якоря 8 на опорные площадки 10 на ударнике 11 могут быть размещены прокладки из эластичного материала.

Опытный экземпляр сейсмоисточника для создания сейсмических волн на акваториях выполнен на следующие параметры.

Создаваемое электромагнитое усилие 2510⁴ H

Масса пригруза 2000 кг

Диаметр плиты-излучателя 0,8 м

Зазор в электромагните (4...10)10^-3 м

Зазор между ударником и плитой-излучателем (0...8)10^-3 м

Масса сейсмоисточника (без плавсредства) 3000 кг

Период повторения циклов работы 6 с

Средняя потребляемая мощность 700 Вт

Режимы работы: а - ударный (без упругого элемента в зазоре между ударником и плитой-излучателем); б - упругий удар (при наличии упругого элемента в зазоре между ударником и плитой-излучателем); в - упругое взаимодействие (при толщине полиуретановой пластины, равной зазору между ударником и плитой-излучателем).

Источники информации

1. Шерифф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка: В 2-х т. Т.1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1987, 448 с., ил. (с. 329).

2. Кордик В.Н. Технические средства для возбуждения сейсмических сигналов в морской сейсморазведке. - М., 1990, 55 с. (Региональная и морская геофизика: Обзор/ВНИИ экон. минер, сырья и геол.-развед. работ. ВИЭМС) (с. 5).

3. Pat. 5978316 (USA)/ Marine seismic source / Ambs et al. - 1999 (прототип).