Ударник сейсмического вибратора

Ударник сейсмического вибратора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

.-, ф, 1фЯ

/pi. р-,, t s +1Ф

Союз Советских

Социалистических

Реслублнк

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 09.11.77 (21) 2419873/18-25 (51) М. Кл. - с присоединением заявки № (23) Приоритет—. Гкударстеенный наитет

СССР ро делаи нзобретеннй

Н OTKPblTNN (53) УДК 550.834 (088.8) Опубликовано 05.05.79. Бюллаетень ¹ 17

Дата опубликования описания 10.05. i9 (72) Авторы изобретения

В. А. Гусев, О. Л. Коротун и А. Г. Церетели

1 (71) Заявитель (54) УДАРНИК СЕЙСМИЧЕСКОГО ВИБРАТОРА

Изобретение относится к геофизическим методам разведки, в частности, к источникам сейсмических сигналов ударного воздействия с механическим преобразованием энергии.

Для возбуждения сейсмических сигналов в земле широко используются различного рода механические источники. Так, с помощью источника для возбуждения механических колебаний можно существенно повысить эффективность излучения сейсмических колебаний в среду, в частности, в диапазоне частот 0,5 — 3 герц, перспективном для глубинного зондирования Земли (1). Источник содержит зарядное устройство, п параллельных цепей (п = 2,3,4....), состоящих из накопителей энергии и управляемых разрядников, датчик временных интервалов, анализатор сигналов, излучающее устройство, приемник колебаний, кольцевой разрядный распределитель импульсов и вентиль. Благодаря синфазному сложению колебаний в воз- 20 буждаемой среде сейсмических КПД устройства выше, чем у известных, но оно является сложным.

В другом источнике сейсмических колебаний в качестве ударника используется массивное тело, которос поднимается на определенную высоту и оттуда сбрасывается на грунт. Для увеличения амплитуды, сейсмических колебаний в широком диапазоне излучаемых частот груз падает на плиту, на которой установлено метательное устройство, которое подбрасывает груз вверх (2).

Недостатком этого аналога является низкий сейсмический КПД в диапазоне излучаемых частот от 0,5 до 5 герц, характерный для импульсных источников возбуждения колебаний.

В устройстве. для возбуждения сейсмических волн также предусматривается возможность регулирования спектра излучаемых в среду колебаний, Устройство представляет собой свободно падающий груз, составленный из отдельных массивных плит, подвешенных одна под другой с некоторыми промежутками. При сбрасывании такого груза, например с вертолета, с заданной высоты удар производит сначала нижняя плита непосредственно по грунту, затем вторая плита ударяет по первой и т. д. Изме661461

3 няя промежутки между плитами и их вес можно изменять величину и форму возбуждаемого импульса (3). Недостатком данного аналога является не высокий сейсмический КПД, в частности, в диапазоне низких частот из-за невозможности сбрасывать груз с ускорением (иначе произойдет его складывание) и не идентичность форм кривой-огибающей вырабатываемого импульса от разнесенных во времени ударов. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что плоскости соударяющихся плит от удара к удару будут иметь друг относительно друга случайный угол, а значит и механический импульс будет йо велйчине случайным.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является ударник сейсмического вибратора, содержащий пустотелый корпус с "внутренййми пе- регооодками, внутри которого помещен сыпучий материал (4). Корпус, выполнен в виде пустотелого цилиндра, внутри которого размещены массивные металлические шары-сыпучее тело, жесткие перегородки установлены по радиусам образующей цилиндpà на "различном расстоянии друг от друга.

Цилиндр перекатывают по профилю и шары, задерживаясь в ячейках между перегородками, поднимаются на некоторую высоту и, срываясь, свободно падают внутри цилиндра на линию контакта цилиндра с грунтом, излучая всякий раз в среду импульс сейсмических колебаний. Расстояние между .:ерегородками выбрано нерегулярным с целью излучения в грунт последовательности импульсов со случайным периодом; что дает возможность проводить зондирование в сравнительно широком спектре частот.

Недостатком этого устройства является невысокий сейсмический коэффициейт полезного действия в диапазоне низких излучаемых частот и не идентичность формы излучаемых импульсов. Действительно, каждый удар шара можно рассматривать как достаточно широкополосный импульс механических колебаний, сейсмическая энергия которого распределена в широком спектре излучаемых колебаний, причем на долю низкочастотных составляющих (0,5 — 5 Гц) приходится небольшой процент общей излученной энергии. Можно добиться некоторого увеличения сейсмического КПД в диапазоне"низких частот, распределив соответствующим образом перегородки. Однако свободно падающие шары не достаточно эффективны для достижения поставленной цели, а сбрасЫвать шары с ускорением внутри цилиндра невозможно, так как это не позволяет конструкция и сам принцип работы устройства. Неидентичность формы выраба тываемых импульсов обусловлена тем, что шары всякий раз падают не на твердую идеальную поверхность, а на такие же ша4 ры, которые скопились в нижней части цилиндра. Таким образом, падающий сверху шар может попасть в одном случае лоб в лоб с лежащим внизу шаром, а может попасть и в пространство между шарами, раздвинув их. Налицо большой разброс в амплитудах вырабатываемых механических импульсов, а значит и формы вырабатываемого суммарного импульса.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение сейсмического коэффициенЮ та полезного действия в диапазоне низких частот и повышение стабильности формы излучаемых в среду механических импульсов.

Эта цель достигается тем, что в ударнике перегородки выполнены сплошными и жестко закреплены внутри корпуса поперек к направлению удара, при этом количество перегородок п = N + 1, где N — число аппроксимируемых отрезков огибающей механического импульса, а массы сыпучего материала, помещенные в полостях между перегородками, начиная с нижней полости, пропорциональны ординатам огибающей механического импульса, отсчитанным в середине каждого аппроксимируемого участка, причем высота каждой из соседних полостей

25 пропорциональна длительности аппроксимируемого участка огибающей механического импульса, формируемого массами сыпучих тел в этих полостях, На фиг. 1 представлен ударник сейсмического вибратора в разрезе,в момент старта и финиша; на фиг. 2 показан ударник сейсмического вибратора в разрезе,в момент разгона с ускорением; на фиг. 3 приведен ударник сейсмического вибратора в разрезе при достижении им заданного ускорения;на з5 фиг. 4 проиллюстрирован пример формы огибающей механического импульса, вырабатываемого ударником.

Ударник сейсмического вибратора состоит из пустотелого корпуса 1, поперечных жестко закрепленных перегородок 2, образу40 ющих полости 3 — 11. При этом полости заполнены сыпучим материалом 12, например металлическими шариками. Расстояния между перегородками 2, а значит и размеры образованных ими полостей могут бь|ть раз4> личными. Разными являются и массы сыпучего материала 12, находящегося в полостях 3 — 11.

Ударник сейсмического вибратора работает следующим образом.

Ударник поднимается на некоторую высоту над поверхностью земли (фиг. 1). Это, так называемый, момент старта. Сыпучий материал 12 леЖит на соответствующих перегородках. Далее ударник с ускорением начинает движение к земле. Maccbr сыпучего материала 12 отрываются от перегородок и перемещаются к потолкам полостей 3 — 11 (фиг. 2).

При достижении ударником заданного ускорения массы сыпучего материала 12 прижи661461

Д() 4,О.,Р: ; . (4.) @=С

Ы = „— tq.(6) маются к потолкам полостей 3 — 11 (фиг. 3) и движутся вместе с корпусом 1 ударника к земле. При ударе с ней корпус 1 ударника передает ей первый механический импульс

Массы сыпучего материала 12 продолжают двигаться внутри полостей 3 — 11 и при достижении соответствующих перегородок передают механический импульс через корпус

1 ударника земле. Mexa,íè÷åñêèå импульсы формируют в земле суммарный импульс смещения почвы. Огибающая такого импульса показана на фиг. 4. На этой фигуре сплош10 ная линия — теоретическая огибающая 13 механического импульса смещения йочвы; —— пунктирные прямоугольники — аппроксимирующие теоретическую кривую импульсы от падения масс сыпучих материалов 12; по оси абцисс отложено время t, по оси ординат — смещение почвы. Подбором расстояний между перегородками и масс сыпучих материалов 12 в каждой из полостей можно сформировать в грунте импульс механических колебаний достаточно сложной формы. Для глубинного зондирования земли используют импульсы с пологими передним и задним фронтами, спектр которь1х сосредоточен в диапазоне низких частот. Из теории колебаний известно, что импульс колоколообразной формы наиболее удовлетворяет решению поставленной задачи. Покажем на примере возможность формирования импульса колоколообразной формы с помощью предлагаемого ударника. Обозначим массу тела ударника через mq, а массы сы- З0 пучего материала 12 в полостях 3 — 11 через тз, mq, ..., mi<. Пусть ударник движется равноускоренно с ускорением а. Тогда формулу для смещения грунта при воздействии на него ударника можно записать

Л() = <, (1)

Е где E — модуль Юнга среды;

6 (t) — напряжение в грунте, которое в свою очередь рассчитывается по формуле

6(1) =, (2)

S где F(t) — сила, воздействующая на грунт;

S — поперечное сечение ударника, Далее, учитывая, что сила равна произведению массы ударника на ускорение а, а также ограничиваясь рассмотрением явлений в линейной области деформаций, что справедливо для практики, можно с учетом выражений (1) и (2) записать л .Х ща; 50

=, rn,a,, (3) гдето = — — — некоторая постоянная для

1 выбранной нами системы ударник-грунт;

m — массы тел 12 в полостях удар55 ника; и = N -+- 1 — число полостей в ударнике;

N — число перегородок в ударнике.

Из выражения (3) с учетом равенства между собой ускорений всех масс в полостях ударника, окончательно запишем

Отсюда следует, что ординаты огибающей

А пропорциональны массам сыпучего материала в полостях и с увеличением числа полостей в ударнике п аппроксимация теоретической кривой прямоугольниками будет все более точной.

Что же касается расстояния между перегородками в ударнике и его выбора, то следует заметить, что массы тел 12 должны падать поочередно друг за другом. Совсем не обязательным является условие равенства аппроксимационных прямоугольников по ширине, однако непременным условием является следующее

t (1 qg (5) гд t> — время падения массы в j-й полости, считая от основания ударника;

1 + — время падения массы в (j + 1) -й полости, т. е. следующей по высоте ударника.

Здесь уместно ввести понятие свободного пробега масс-расстояния в каждой полости, отсчитанное по высоте ударника и свободное от сыпучего материала. Нетрудно видеть, что это расстояние пропорционально длительности элементарного аппроксимируемого импульса огибающей механического импульса, формируемого массами сыпучих тел в соседних полостях, то есть величине

Технико-экономический эффект от внедрения предлагаемого ударника заключается прежде всего в том; что с помощью очень простого и надежного устройства можно излучать в землю низкочастотные импульсы и иметь при этом высокие значения сейсмического КПД, то есть большую часть затраченной энергии превращать в колебания. Благодаря применению предложенного устройства можно осуществлять зондирование на большую глубину, чем с помощью известного устройства-прототипа, а собрав ударники в модули из нескольких штук . возможно осуществить просвечивание земли. Далее, чем меньше размеры отдельного элемента сыпучего материала (шарика), тем с боль шей точностью будет повторяться форма огибающей импульса от удара к удару, а это обстоятельство приведет к тому, что приемная регистрирующая аппаратура может быть выполнена весьма узкополосной. Это приведет к увеличению отношения сигнал/помеха на выходе приемника колебаний, что в конечном итоге повысит качество зондирования. ".7

Форхгула изобретения

661461 га

zo т"иг 3

Ригз г

2 г !, г g г, / сг гггг еп 1г "Ьг 4

Редактор А. Абрамов

Заказ 2456/46

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал П П П «Патент», г, Ужгород, ул. Проектная, 4

Ударник сейсмического вибратора, содержащий пустотелый корпус с внутренними перегородками, внутри которого помещен сыпучий материал, отличающийся тем, что, с целью увеличения сейсмического коэффициента полезного действия в диапазоне низ.ких частот и повьппения стабильности формы излучаемых в среду механических импульсов, перегородки выполнены сплошными и жестко закреплены внутри корпуса поперек к направлению удара, при этом количество перегородок n = N + 1, где N— число отрезков, аппроксимирующих огибающую механического импульса, а массы сыпучего материала, помещенные в полостях между перегородками, начиная с нижней полости, пропорциональны ординатам огибающей механического импульса, отсчитанным в середине каждого аппроксимируемого участка, причем высота каждой из соседних

5 полостей пропорциональна длительности аппроксимируемого участка огибающей механического импульса, формируемого массами сыпучих тел в этих полостях.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1О 1. Авторское свидетельство СССР № 468378, кл. Н 04 В 13/02, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР № 213360, кл. G 01 С, 1968.

3. Патент США № 3130809, кл. 181 — 5, 1964.

4. Патент США ¹ 3583521, кл. 181--5, 1971.

Составитель Л.Солодилов

Техред О. Луговая Корректор Г. Назарова

Тираж 696 Подписное