CN1026728C - 适用于井中的振动地震源 - Google Patents

Abstract

一种通过转动若干偏心块而发生振动的振动源。两对有角相移的重块(A1，A2和C1，C2)以同一方向旋转。一对重块(B1，B2)的质量是前两对的两倍，(B1，B2)也相互有角相移，它们以相同速度旋转，但转动方向与前两对方向相反。所有重块由马达带动。一电子装置(ME1，ME2)接收代表每一时刻各重块的位置和所产生的振动的方向的信号(cp1-cp6和ac1-ac3)，并产生驱动马达的电流以及用来控制锚定该源的液压装置所必需的电流。振动源适合在井中进行地震勘探。

Description

本发明涉及到一种振动源，特别是涉及到一种适用于下放到相对来说较小的井中的振动源。

按照本发明的振动源特别能用作地震勘探，即用来探测有可能含有碳氢化合物贮藏的地下区域。地震信号是在地（层）中发射的，这些信号经地下反射物反射后通过传感器接收。接收到的信号被记录并且通过信号的系统净化处理以便得到真正代表地下层构造的地震断面情况。

利用例如含有与地或井壁接触的传送单元的振动源装置和在该传送单元上施加正弦力的装置，可以实现地震勘探。该振动在一定的时间间隔内发出，随后是一段接收反射波的收听时间间隔。所发射的波的频率可以是恒定值，但频率的变动也可以实现。

为了在地（层）里产生振动，可以采用压电式或磁致伸缩型，液压或气动电磁振动器。在美国专利4，805，727、4，774，427、4，715，470和3，718，205中揭示了种种不同的振动器。

法国专利1，542，973、1，428，395、1，295，059或美国专利4，234，053也描述了多种振动源，在这些振动源中，含有一个或几个偏心转动块的旋转装置，该转动块的转轴牢固地和与地相耦合的传送单元相连接。所产生的力随转动块的质量和转动速度的增大而增大。要得到一个转动力，只要一个转动块就可以，但是，为了得到一个沿着一个特定的极化方向的振动力，必须使用一对以相同速度转动但方向相反且在相对于选定方向对称的偏心块。这种类型的（振动）源的缺点是：振动的力随偏心块的转动速度的增加而增大，因而，也随着所产生的振动的频率的增大而增大。用来调整这种力的熟知的方法主要是利用两对以相同转速转动的转动块，同时在它们之间引进一随所要产生的振动的频率而变化的角相移。但是，一般说来，角相移都是通过诸如齿轮的机械装置来获得，从而使实施变得非常复杂。利用这种纯机械的补偿装置要想按照频率很好地控制所产生的振动力的幅度是困难的。除此之外，还要指出下列几点：

带有偏心块的振动器一般体积很大;它们是为在地面工作而设计的，因此不适合在井中或往往是非常狭小的钻井中工作;以及

用来根据频率调整振动力的机械补偿装置进一步促使带有偏心块的振动器的体积增大，因而不利于远距离控制。

本发明的振动源可以克服（避免）上述缺点。本发明的振动源包括一个长的主体、一根由多根导线组成用以与安装在远处的主体相连的多功能电缆以及通过偏心块可控转动来产生振动的装置。本发明的振动源的特点有一能使主体固定在（锚定在）（井）壁上的装置，该固定装置由一压力装置驱动，若干质量基本相等且被分成两组的偏心块，与各偏心块相应的马达，上述马达使两组偏心块彼此以相反方向转动，这些马达牢固地与主体相连并基本上沿着同一轴线排齐，一电子控制系统，该系统至少有一控制组件放在主体之中，它能调节每一个马达的转速以及上述偏心块组当中的每一组偏心块的角相移以产生一个在一特定方向上极化的振动力，该特定方向基本上与各马达的共同对齐的轴线垂直，并且该振动力的振幅随频率以一个特定的方式变化。

该电子系统用来控制偏心块的转动，以便获得例如振幅与频率基本上无关的力。

在一个实施例中，两组（偏心）块中至少有一组有两对以同一方向旋转的块。

在另一个实施例中，两组偏心块中包含例如三对偏心块，其中两对由质量为m且在同一方向旋转的偏心块构成，第三对由两个质量为前两对偏心块质量m的二倍质量m′的偏心块构成，第三对偏心块与前两对偏心块转动方向相反。

该电子控制系统含有例如位置传感器，上述位置传感器指示诸马达各自的角位置，测定所产生的力的装置，根据测定的所产生的力的大小来校正各马达相对于设定值的偏差的控制装置。

一个控制系统，它包含有一个编程处理装置（机），该处理装置与位置传感器和上述测定装置相连，以便按照设定值控制加到马达上的信号。

在一个实施例中，马达是步进马达，且该控制系统包括产生控制脉冲的装置以及用来改变施加到诸步进马达的脉冲数的一编程处理装置，用以获得确定的振荡频率和方向。

用来改变脉冲数的上述装置，可以例如由一些分配给各步进马达以控制脉冲的单元组成，使每一个马达接收一系列可与确定的振荡频率和方向相容 （相应）的脉冲。

用在上述实施例中的一个电子系统，该电子系统有两个电子组件，这两个电子组件包括例如信号传送装置和接口装置，信号传送装置接在多功能电缆的导线上，接口装置用来对由上述线路交换的电信号进行编码和译码。

振动源的压力装置，该装置包括例如液压泵和一千斤顶，上述液压泵设置在主体中，由一个马达驱动，该马达通过多功能电缆的导线与一个地面的发生器相连，上述千斤顶周期地与该压力装置相连通。

该电子控制系统包括例如信号分离装置，该信号分离装置依次传送传感器信号和确定所产生的力的装置的信号。该控制系统包括例如由编程的处理装置控制的控制组件，以便按照设定的值改变加到马达上的电流。

本发明提供的振动源有下列许多优点：

-由于偏心重块中每一块都由单独的马达驱动，因而可得到一个既简单又可靠的机械结构，它在组装后可放进象钻井那样有限的空间中。

-由于它的电子控制系统，它可以正确地控制所产生的力，包括控制它的大小（强度）和方向以及得到有规则的振荡频率的变化。

-与直流马达或步进马达相连的闭环调节回路可以很容易地把较长的传送线路包括在内，这一点对振动源的远距离控制是很有利的。本发明提供的振动源因而特别适用于井中。

本发明提供的振动源的其他特点和优点，通过参照附图对作为说明本发明的实施例（但本发明并不限于这些实施例）的例子描述的阅读，将变得更为清楚，附图中：

图1是用来获得一定方向且（振）幅基本上不随频率而变的振动力的一组偏心块的示意图，

图2是适合在较狭小的井中工作的（振动）源的各部分布局的示意图。

图3是图2中的振动源的详图。

图4是用来控制开动锚定靴形件的千斤顶的液压系统的一个较佳实施例图。

图5是控制上述源的电子系统的概要图。

图1是表示通过一组偏心机械块的转动来获得一个极化交变力。这组偏心块可由四个重块1A、1B、2A和2B组成，每一个通过壁3与一轴相连，由马达装置M使之旋转。这些驱动重块的轴是不同的但它们是用机械方法互相连结使支持它们的轴承相互依存。这四个重块质量相等且成对组合。重块1A和1B在一个方向旋转，另外两个重块2A和2B则在相反的方向旋转。两对（重块）的转动相对轴XX′是对称的，结果由这两对块旋转而产生的力是一种方向沿着轴XX′的振荡力。它的大小取决于偏心块的总重量及臂3的长度，并且随角速度的平方而变化。它的频率与轴的转速成正比。每一对的两只偏心块之间互相有一个角度间隔，这是为了使上述振荡力基本上与角速度无关。角相移随转速的增长而增大。

本发明提供的振动源是根据这个原则来工作的。在例如应用到井中时，振动元件（如图2，3）放在一个长的刚性体4中，该刚性体4中则系在由多根导线组成的传送电流的电缆5的一端而下降到井里。刚体4两端装有可动的紧固或锚定件6。这些紧固件或锚定件6例如可以是靴形件，它们可在缩进位置和伸出的位置之间作径向移动，在伸出位置时靴形件即与井壁相接触。靴形件的移动轴相互之间有120°的角度，最好有纵向的偏移。靴形件固定在液压千斤顶的杆7的端部。这些液压千斤顶由能传送压力流体的液压装置提供液压，这在图4中可以看出。该液压装置置于与刚体中央部分9相邻的部分8内，该部分9含有振动器V及相应的电子控制组件ME1，这在图3和图4中有详细的图示。

从图3中可以看出，振动源例如由两组含有三对A1、A2、B1、B2，以及C1、C2的偏心块或重块组成。这六个重块分别由六个马达MA1、MA2、MB1、MB2、MC1和MC2带动。块A1、A2、C1和C2质量都为m，它们的马达驱动它们以同一方向旋转。重块B1和B2的质量为m′，是质量m的两倍，它们的马达驱动它们以相反的方向旋转。为了获得两组动力矩相等但方向相反的重块，所有这些马达都以相同速度转动，因此，产生了一个沿指定方向振荡的力。该源的刚体中装有一只三轴（向）加速度表AC，它发出三个分量信号ac1、ac2和ac3。

按照本发明的第一实施例，马达MA1到MC2是直流电动机，它们分别与人们熟知的六个位置探测器或传感器CP1，CP2……CP6相连，这 六个探测器或传感器分别产生指示在相应马达上加了激励电流后作出响应的电信号CP1、CP2、CP3……CP6。电子系统或处理装置的第一电子组件ME1安排在刚体4中，电子系统的第二电子组件ME2装在井外通过电缆5中的三条线路LA、LO和LC与第一电（控制）组件ME1相连。第一电子组件ME1接收由传感器CP1……CP6的信号CP1-CP6和由上述加速度表AC产生的信号ac1-ac3，并发出分别驱动马达MA1到MC2的电流IMA1、IMA2、IMB1、IMB2、IMC1和IMC2，它也为部分8中的液压设备产生一电流ICH和触发信号EV，这将联系图4加以叙述。

由重块A1到C2的转动产生并传到刚体4的振动通过锚定靴形件6传到井壁。

每一锚定靴形件6都固定在千斤顶10的杆7上（图4），千斤顶有一个与杆7牢固地相连并能在一个径向室12里滑动的活塞11，该径向室12径向地设置在刚体中且在靴形件6对面的刚体的一边被盖13所盖住。杆7有一个可在盖13的开孔15中滑动的伸长部分14。这种安排可平衡杆7在两端所受到的井里的压力。为了将活塞11推向缩进位置，有一弹簧16设置在室12中。在与弹簧16相对的活塞的一边，室12的相应部分互相连通并通过管路18与部分8的液压装置17相连。该液压装置17包括一个由马达20驱动的液压泵19，马达20通过电线21接收来自ME1组件的激励电流。第一电磁阀22在开的位置时可使泵19的出口与管18相连。当第二电磁阀23在开的位置时，这个出口与一个液压储蓄器24相连。根据阀22和阀23的位置，泵19与储蓄器24和/或给千斤顶装置供压的管18相连。一个压力传感器25与管路18连接并发出测量信号MP。

当振动源的刚体4已达到发出振动的预定深度时，通过来自电子控制组件ME1（将在以后加以描述）的触发信号EV，使阀22和23释放以为各千斤顶提供液压从而将靴形件6移向它们与井壁接触的锚定位置。

电子控制系统的第一（控制）组件ME1包含有（见图5）一个多路转换器26，在多路转换器26的进口端，加有由与振荡器的马达MA1到MC2相连的位置传感器产生的信号cp1，cp2……cp6（cp1-6），由加速度表AC（图3）产生的信号ac1、ac2、ac3（ac1-3）以及给出在为液压装置17进行锚定的回路中的压力的压力传感器25所提供的信号MP。从多路转换器26过来的信号取样加到一个对信号取样进行数字化和编码的接口装置27，然后再加到传送装置28中的一线路发送器（未画出）。后者与被指定把测得的信号传送到外界（地面）组件ME2的电缆5的线路LC相连接。来自外界（地面）组件ME2的指令信号在加到一信号分离器29之前经过电缆5的线路LO被传送装置28中的一线路接收器（未画出）所接受并在接口装置27中被译码。后者的输出端e1，e2……e6与六个电子控制组件CE1、CE2……CE6的输入（口）相连，这六个电子控制组件连到电缆5的电源线路LA。提供给振动器V的各马达的电流IMA1到IMAC2分别在控制组件CE1……CE6的各个输出端输出。一电子开关CHE也与线路LA相连。当接到来自信号分离器另一个输出点e7的一个指令信号时，开关CHE在它的输出点上送出驱动液压泵19（图4）的电流ICH和开动电磁阀22、23的信号EV。

在电缆5的另一端的第二电子组件ME2有一个微处理机30，该微处理机编程得可以根据状态信号cp1……cp6、ac1……ac3以及从振动器V的传感器过来的信号MP控制井里振荡器的诸马达和液压装置17。该微处理机通过和在电缆5相对端且与装置27、28相似的一传送装置31、一个接口装置32与线路LC和LO相连接。第二控制组件ME2也含有一个与线路LA相连的电源装置33。

本发明提供的振动源是以如下方式实现的：

将振动源放下到井中的一个预定的深度，然后，然后，根据操作者的要求，微处理机30通过线路LO发送一控制信号EV去开动电磁阀22、23（见图4）并且为了分开锚定靴形件直到与井壁相耦合，给千斤顶装置以一个液压流体。

然后，微处理机30被控制得根据预先选定的工作参数将一个预先建立好的程序用来控制马达MA1到MC2，这些工作参数是：振荡力的极化方向、所产生的振动频率以及当为了地震勘探操作需要可变化的频率时所发出的可能的频率的变化等。该控制程序每一刻都考虑由振动器的传感器提供的指示以便调整提供给诸马达的电流。为了使振动力 基本上不随频率变化而保持恒定，如按图1所出的叙述那样，通过改变在同一对重块之间的角相移而调整电流。通过充分调整角相移，微处理机也可改变所产生的振动力的极化方向。

在该实施例中，每一马达的控制通过利用一个含有线路LO和LC的闭环控制回路来实现，该微处理机在任何时候都把指向振动器的控制信号与由后者内的诸传感器所测得的结果进行比较。

在另一实施例中，用步进马达来代表直流马达MA1……MA6来驱动诸重块。每一马达利用控制组件CE1……CE6从微处理机接收序列控制脉冲，该脉冲的频率适应马达所需要的转速。通过有选择地、精确地根据情况改变每一单位时间内加到每对马达中的一个或两个马达的脉冲数来改变重块之间的角位移以获得极化方向的改变或根据频率获得相适应的振动力。

在上述实施例中，该电子控制系统由两个（控制）组件ME1、ME2组成，ME1和ME2相互隔开同时通过线路相互联接。很明显，在地面源的情况下，该电子系统只要一个ME2组件就可以，此时，该组件直接受微处理机30的控制并由电发生器33供电。

使用任何被分成两组且其中一组相对另一组以相反方向旋转的偏心块的振动源都将包括在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1、一种尤其适于在井中工作的振动源，它包括：分为两组质量基本相同的偏心块的转动偏心块组件；具有沿互相相反的方向驱动两组偏心块的马达装置的控制单元；接收角相移以调节两组偏心块旋转所产生的振动力的装置；长形体(4)；设有导电体使该长形体与远距离装置相连的多功能电缆(5)；将该长形体固定在壁上的装置(6，7)；用来启动固定装置的压力装置(19，20)，其特征在于，所述马达装置包括与各个偏心块分别相连的多个电动马达(MA1-MC2)，这些马达与长形体形成一体并与长形体的纵轴基本对齐，控制单元(ME1，ME2)至少具有一个置于长形体内的电子控制模块，产生各个电动马达的控制信号，使它们的旋转速度和各组偏心块的角相移可以独立调节。

2、如权利要求1所述的振动源，其特征在于两组偏心块中的至少一组具有两对沿相同方向转动的偏心块。

3、如权利要求1所述的振动源，其特征在于两组偏心块组件具有三对偏心块，其中两对（A1，A2和C1，C2）由规定质量m的偏心块组成，并沿相同方向旋转，第三对（B1，B2）则由其质量m′是前两对偏心块质量m两倍的两个偏心块所组成，第三对偏心块沿前两对偏心块相反方向旋转。

4、如以上权利要求任一项所述的振动源，其特征在于电子系统通过控制偏心块的旋转获得一个其振幅基本上与频率无关的合力。

5、如权利要求1或2或3所述的振动源，其特征在于电子工作系统具有：分别表明各电动马达角位置的位置传感器（CP1-CP6）;监视合力的装置（AC）;以及用以校正各个电动马达任何偏离预定合力一系列预置值的偏差的控制装置。

6、如权利要求5所述的振动源，其特征在于工作系统包括一与位置传感器（CP1-CP6）和监视装置（AC）连接的编程处理单元（30），以控制预置值的信号加到马达上。

7、如权利要求1或2或3所述的振动源，其特征在于电动马达包括：产生控制脉冲的装置;以及调整加到不同步进马达的脉冲数的编程处理单元，以获得预选的频率值和振动方向。

8、如权利要求7所述的振动源，其特征在于调整脉冲数的装置包括将控制脉冲传送给不同步进马达的单元，以使每一马达接收与振动频率和设定方向相适应的一系列脉冲。

9、如权利要求5所述的振动源，其特征在于电子工作系统具有与第一电子模块有一定距离的第二电子模块，它们之间通过多功能电缆中的导线（LD，LC，LA）连接。

10、如权利要求9所述的振动源，其特征在于两电子模块（ME1，ME2）包括：沿多功能电缆（5）的导线（LO，LC）传送信号的单元（28，31）;以及对导线所交换的电信号编码和译码的接口单元（26，32）。

11、如权利要求1或2或3所述的振动源，其特征在于压力装置包括：位于长形体（4）内的液压泵，由与地面发生器（33）通过多功能电缆（5）中的导线（LA）相连接的电动马达（20）驱动;以及与压力装置间歇相联的控制千斤顶（10）。

12、如权利要求1或2或3所述的振动源，其特征在于电子工作系统具有：顺序传送传感器和监视装置的信号的多路复用装置;以及有选择地将控制脉冲传送给不同电动马达的信号多路分解装置。

13、如权利要求1或2或3所述的振动源，其特征在于电子工作系统包括控制模块（CE1-CE6），该控制模块由编程处理装置控制以按照预先值来调节加到马达上的电流。

14、如权利要求1所述的振动源，其特征在于所述偏心块组件包括两组质量基本相同的偏心块，每一组包括三对偏心块，其中两对（A1，A2和C1，C2）由沿相同方向旋转的预定质量m的偏心块组成。第三对（B1，B2）则由其质量m′是前两对偏心块质量m两倍的两个偏心块所组成，第三对偏心块沿前两对偏心块相反方向旋转，所述振动源还包括分别与不同偏心块相联的电动马达（MA1-MC2），用于驱动两对偏心块沿互相相反的方向旋转，所述控制单元包括电子控制系统（ME1，ME2），其中至少一个模块置于长形体内，并且编程以调整各个马达的旋转速度以及各组偏心块的角相移，以产生一个在某一特定方向极化的合成振动力，该方向基本上与不同马达对齐的公共轴线垂直，该力的振幅以一预定方式随频率变化。

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