EA022286B1 - Морской сейсмический источник и способ генерирования волны морской сейсмической энергии в водном пространстве (варианты) - Google Patents

Abstract

В изобретении предлагается морской сейсмический источник, который содержит кожух, имеющий центральную ось, открытый конец и закрытый конец, противоположный открытому концу. Кроме того, источник содержит поршень, коаксиально расположенный внутри кожуха. Дополнительно источник содержит маховик, расположенный внутри кожуха и установленный по оси между закрытым концом и поршнем. Маховик выполнен с возможностью вращения относительно оси вращения. Кроме того, источник содержит соединительный шток, подвижно соединяющий поршень с маховиком. Соединительный шток имеет первый конец, шарнирно соединенный с поршнем, и второй конец, шарнирно соединенный с маховиком. Второй конец соединительного штока имеет первое положение на первом расстоянии, измеренном радиально от оси вращения, и второе положение на втором расстоянии, измеренном радиально от оси вращения. Первое расстояние меньше, чем второе расстояние.

Description

Настоящее изобретение, в общем, имеет отношение к сейсмической разведке. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к созданию сейсмических источников для генерирования акустических сигналов для морской сейсмической разведки.

Предпосылки к созданию изобретения

Ученые и инженеры часто используют сейсмическую разведку для разведки месторождений ископаемых, проведения археологических изысканий и осуществления инженерных проектов. Как правило, сейсмическая разведка делает попытку картографировать подземные области, чтобы обнаружить границы геологической формации, типы горной породы и присутствие или отсутствие продуктивных пластов. Такая информация значительно помогает в поиске воды, геотермальных коллекторов и залежей полезных ископаемых, таких как углеводороды. Нефтяные компании часто используют сейсмическую разведку для разведки подводных запасов углеводородов.

При проведении подводной или морской сейсмической разведки источник акустической энергии, также называемый источником сейсмической энергии или просто сейсмическим источником, вводят в воду над представляющей интерес геологической формацией. Как правило, сейсмические источники могут вырабатывать дискретные импульсы сейсмической энергии или непрерывные колебания сейсмической энергии. Оба эти типа сейсмических источников вырабатывают сигналы или волны сейсмической энергии (то есть импульсы акустической энергии), которые распространяются через среду, такую как вода или слои породы. В морских применениях, всякий раз при запуске этого источника, он вырабатывает сигнал сейсмической энергии, который распространяется в направлении вниз через воду и через границу воды с дном и в подводные геологические формации. Сдвиги горной породы и границы между различными формациями и типами горной породы создают различия в акустическом импедансе, которые вызывают частичное отражение сейсмических волн. Эти отражения побуждают волны акустической энергии возвращаться вверх, так что они могут быть обнаружены на дне моря при помощи сетки приемников сейсмической энергии (например, при помощи геофононов (сейсмоприемников) на дне океана) или могут быть обнаружены в морской воде при помощи сетки или набора смещенных друг от друга гидрофонов или других приемников сейсмической энергии. Эти приемники вырабатывают электрические сигналы, отображающие акустическую или упругую энергию, поступающую в их местоположения.

Сигналы акустической или упругой энергии, вырабатываемые при помощи сейсмических приемников, обычно усиливают и затем записывают или хранят в аналоговом или цифровом виде. Запись производят в функции времени после запуска источника сейсмической энергии. Записанные данные могут быть введены в компьютер и выведены на индикацию в виде трасс (то есть графиков амплитуды отраженной сейсмической энергии в функции времени для каждого из геофонов или приемников сейсмической энергии). Такие данные затем подвергают дополнительной обработке, чтобы упростить интерпретацию поступившей сейсмической энергии в каждом приемнике в терминах подповерхностного расслоения структуры земли. Сложные технологии обработки типично применяют к записанным сигналам, чтобы выделить изображение подповерхностной структуры.

Существует много различных методик получения волн акустической энергии или импульсов для сейсмической разведки. В стандартных видах сейсмической разведки типично используют искусственные источники сейсмической энергии, такие как взрывчатые вещества (например, твердые взрывчатые вещества или смеси взрывоопасного газа), взрывные заряды, пневмопушки или источники вибраций, чтобы возбуждать акустические волны. Некоторые из этих подходов создают сильные акустические волны, которые однако могут быть опасны для морских обитателей и/или не позволяют генерировать акустические волны только в заданном представляющем интерес диапазоне частот. Более контролируемым подходом к созданию акустических волн является использование подводного или морского сейсмического источника с совершающим возвратно-поступательное движение поршнем. В таких устройствах типично используют поршень, который совершает возвратно-поступательное движение в воде, чтобы генерировать продолжительные качания частоты акустической энергии. Поршень обычно приводится в движение при помощи источника механической силы, которым может быть линейный исполнительный механизм, звуковая катушка или пьезоэлектрический кристаллический преобразователь. Поршень может иметь прямой привод, когда перемещение поршня является почти полностью вынужденным, или же он может резонировать за счет балансирования гидростатических сил при помощи подстраиваемой пружины, причем в этом случае движущая сила только восполняет потери энергии в воде. Поршень также может быть частично заторможенным и частично может иметь управляемый резонанс. Подстраиваемой пружиной может быть, например, механическая пружина, регенеративное электромагнитное индуктивное устройство, пневматическая пружина или их комбинация.

На фиг. 1 показан пример стандартного морского сейсмического источника 10 с совершающим возвратно-поступательное движение поршнем, расположенного ниже морской поверхности 11 в воде 12. Источник 10 содержит цилиндр 15, имеющий центральную ось 19, и поршень 20, коаксиально расположенный в цилиндре 15. Цилиндр 15 имеет нижний конец 15а, открытый в воду 12, и верхний конец 15Ь, изолированный от воды или закрытый крышкой 16. Поршень 20 герметично входит в зацепление с внутренней поверхностью цилиндра 15 так, что образуется объем 17 внутри цилиндра 15, который заполнен

- 1 022286 сжимаемым газом, таким как азот или воздух. Поршень 20 имеет плоскую или планарную сторону 20а, которая обращена к воде и действует против нее на нижнем конце 15а цилиндра 15, и плоскую или планарную сторону 20Ь, которая обращена к воздуху в объеме 17. Поршень 20 связан при помощи вала 21 с линейным исполнительным механизмом 25, расположенным в объеме 17. Линейный исполнительный механизм 25 закреплен относительно цилиндра 15 при помощи опорных элементов 26 и создает возвратно-поступательное движение поршня 20 по оси внутри цилиндра 15. Когда поршень 20 совершает возвратно-поступательное движение внутри цилиндра 15, его лицевая сторона 20а воздействует на воду 12 у нижнего конца 15а, чтобы генерировать волны акустической энергии, которые распространяются вниз через воду 12.

Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, все же можно полагать, что возвратнопоступательное движение поршня 20 по оси только за счет действия исполнительного механизма требует непрактично больших количеств энергии. Поэтому во многих случаях часто используют настроенную систему (например, перестраиваемую пружину), которая вводит поршень в резонанс на желательной выходной частоте, что позволяет уменьшить полную потребляемую мощность. Однако это решение имеет два недостатка. Во-первых, энергия должна быть введена во время активного колебания (то есть во время фазы, в которой сейсмический источник генерирует волны акустической энергии желательной частоты или диапазона желательных частот), которое может иметь относительно короткую длительность по сравнению с периодом времени между активными колебаниями. Вообще говоря, чем короче период времени, в течение которого вводят данное количество энергии, тем выше требования к мощности. Вовторых, энергия должна быть введена тщательно контролируемым образом, чтобы не нарушить резонанс, причем это должно быть сделано даже тогда, когда изменяется резонансная частота, когда устройство совершает колебание.

При более высоких частотах и на меньших глубинах в случае сейсмического источника с вибрирующим поршнем может возникать кавитация. Вообще говоря, кавитация возникает тогда, когда местный гидростатический напор минус местный напор давления пара становится меньше, чем местный скоростной напор на поршень в некоторой точке на передней поверхности поршня. Когда возникает кавитация, морская вода временно отрывается от передней поверхности движущегося поршня, оставляя вакуум у этой части передней поверхности поршня. Затем этот вакуум резко разрушается (пропадает), что может приводить к повреждению передней поверхности поршня в этом процессе. Кроме того, резкое пропадание (коллапс) вакуума создает нежелательную турбулентность, что приводит к бесполезному рассеиванию энергии в виде теплоты вместо акустического излучения.

Таким образом, с учетом изложенного остается необходимость в создании морских сейсмических источников, которые вырабатывают энергию с управляемым качанием частоты, которое продолжается во времени, без каких-либо импульсных ударов, и которые вырабатывают энергию только в представляющей интерес полосе частот, а не вне этой полосы, так что происходит излучение только минимально необходимой пиковой мощности на каждой частоте и вся излученная энергия является полезной. Излучение таких источников особенно хорошо можно принимать, если они вырабатывают энергию на частотах ориентировочно ниже 8 Гц, что в настоящее время трудно достичь с использованием стандартных сейсмических источников.

Раскрытие изобретения

Эти и другие потребности удовлетворены в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения при помощи морского сейсмического источника. В соответствии с этим вариантом осуществления морской сейсмический источник содержит кожух, имеющий центральную ось, открытый конец и закрытый конец, противоположный открытому концу. Кроме того, морской сейсмический источник содержит поршень, коаксиально расположенный внутри кожуха. Кроме того, источник содержит маховик, расположенный внутри кожуха и установленный по оси между закрытым концом и поршнем. Маховик выполнен с возможностью вращения относительно оси вращения. Кроме того, источник содержит соединительный шток, подвижно соединяющий поршень с маховиком. Соединительный шток имеет первый конец, шарнирно соединенный с поршнем, и второй конец, шарнирно соединенный с маховиком. Второй конец соединительного штока имеет первое положение на первом расстоянии, измеренном радиально от оси вращения, и второе положение на втором расстоянии, измеренном радиально от оси вращения. Первое расстояние меньше, чем второе расстояние.

В другом аспекте изобретение относится к способу генерирования волны морской сейсмической энергии в водном пространстве. Способ предусматривает (а) использование сейсмического источника. Сейсмический источник содержит кожух, имеющий закрытый конец и открытый конец, и поршень, расположенный с возможностью скольжения кожуха. Кроме того, сейсмический источник содержит маховик, расположенный в кожухе между закрытым концом и поршнем. Маховик выполнен с возможностью вращения относительно оси вращения. Сейсмический источник также содержит соединительный шток, имеющий первый конец, шарнирно соединенный с поршнем, и второй конец, шарнирно соединенный с маховиком. Кроме того, способ предусматривает (Ь) установку сейсмического источника в воде. Дополнительно, способ предусматривает (с) вращение маховика относительно оси вращения. Более того, способ предусматривает (Д) изменение первого расстояния, измеренного радиально от оси вращения до вто- 2 022286 рого конца соединительного штока, во время операции (с).

Еще одним объектом изобретения является способ генерирования волны морской сейсмической энергии в водном пространстве. Способ предусматривает (а) установку сейсмического источника в воде. Сейсмический источник содержит кожух, имеющий закрытый конец и открытый конец, и поршень, расположенный с возможностью скольжения внутри кожуха. Кроме того, сейсмический источник содержит маховик, расположенный в кожухе между закрытым концом и поршнем. Маховик выполнен с возможностью вращения относительно оси вращения. Сейсмический источник также содержит соединительный шток, имеющий первый конец, шарнирно соединенный с поршнем, и второй конец, шарнирно соединенный с маховиком. Кроме того, способ предусматривает (Ь) установку второго конца соединительного штока на оси вращения маховика или поблизости от нее. Дополнительно, способ предусматривает (с) приложение крутящего момента к маховику после операции (Ь). Более того, способ предусматривает (ά) повышение частоты вращения маховика во время операции (с). Способ также предусматривает (е) радиальное перемещение второго конца соединительного штока относительно оси вращения.

Таким образом, в описанных здесь вариантах осуществления изобретения использована комбинация характеристик и преимуществ, предназначенных для того, чтобы преодолеть различные недостатки, связанные с некоторыми известными ранее устройствами, системами и способами. Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематично показано поперечное сечение стандартного морского сейсмического источника, содержащего совершающий возвратно-поступательное движение поршень.

На фиг. 2 схематично показан вариант осуществления системы для морской сейсмической разведки.

На фиг. 3 схематично показан вид спереди с разрезом варианта осуществления морского сейсмического источника для системы, показанной на фиг. 2.

На фиг. 4 схематично показан вид сзади с разрезом варианта осуществления морского сейсмического источника для системы, показанной на фиг. 2.

На фиг. 5 схематично показан частичный вид сбоку узла привода, показанного на фиг. 4.

На фиг. 6 схематично показан вид с торца узла привода, показанного на фиг. 4.

Подробное описание изобретения

В последующем описании изложены различные варианты осуществления изобретения. Несмотря на то что один или несколько из этих вариантов могут быть предпочтительными, раскрытые здесь варианты не следует интерпретировать или использовать иным образом как ограничивающие объем патентных притязаний, определяемый формулой изобретения. Кроме того, специалисты в данной области легко поймут, что приведенное ниже описание имеет широкое применение и что обсуждение одного варианта осуществления является только примерным для этого варианта осуществления и не предназначено для того, чтобы ограничивать объем патентных притязаний, в том числе объем формулы изобретения, только этим вариантом осуществления.

Некоторые термины, которые использованы везде в последующем описании и в формуле изобретения, относятся к специфическим характеристикам или компонентам. Специалистам в данной области известно, что один и тот же компонент или одна и та же характеристика в различных публикациях могут иметь различные наименования. Однако в описании изобретения не сделано различия между характеристиками или компонентами, которые имеют различные наименования, но выполняют одинаковые функции. Кроме того, пояснительные чертежи не обязательно приведены в реальном масштабе. Некоторые характеристики и компоненты могут быть показаны на чертежах в увеличенном масштабе или в несколько схематичном виде, причем некоторые детали стандартных элементов могут быть вообще не показаны для упрощения понимания сути изобретения.

В последующем описании и в формуле изобретения термины содержит и включает в себя использованы с возможностью расширения, так что их следует понимать как содержит, но без ограничения... . Кроме того, термин соединять следует понимать как прямое или косвенное соединение. Таким образом, если первое устройство соединено со вторым устройством, то это соединение может быть осуществлено за счет прямого соединения или за счет косвенного соединения через другие устройства и соединения. Кроме того, использованные здесь термины осевой и по оси обычно означают вдоль или параллельно центральной оси (например, центральной оси конструкции), в то время термины радиальный и радиально обычно означают перпендикулярно к центральной оси. Например, осевым расстоянием является расстояние, измеренное вдоль или параллельно центральной оси, а радиальным расстоянием является расстояние, измеренное перпендикулярно к центральной оси.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 2, на которой схематично показан вариант осуществления системы 100 для морской сейсмической разведки. Систему 100 используют для осуществления операций морской сейсмической разведки, чтобы произвести разведку геологических формаций ниже поверхности 110 водного пространства 111. В соответствии с этим вариантом осуществления система 100 содержит по меньшей мере одно сейсморазведочное судно 101, которое буксирует по меньшей мере один морской сейсморазведочный кабель 102, содержащий несколько расположенных с равными промежутками друг

- 3 022286 от друга сейсмических датчиков или приемников 103. В этом варианте осуществления каждый морской сейсморазведочный кабель 102 содержит управляемый отклонитель 104, который управляет положением и движением морского сейсморазведочного кабеля 102 относительно судна 101. В частности, отклонитель 104 устанавливает морской сейсморазведочный кабель 102 на желательном расстоянии смещения от судна 101 и на желательной рабочей глубине ниже поверхности 110 воды.

Морские сейсморазведочные кабели 102 могут иметь длину несколько километров и обычно образованы из секций длиной 100-150 м, причем каждая секция содержит группу до 35 или больше расположенных с равными промежутками друг от друга приемников 103. Вообще говоря, приемниками 103 могут быть морские сейсмоприемники любого подходящего типа, позволяющие принимать сигналы сейсмической энергии, в том числе (но без ограничения) гидрофоны или геофоны. Обычно используют электрические или волоконно-оптические кабели для соединения между собой приемников 103 на каждом морском сейсморазведочном кабеле 102 и для соединения каждого морского сейсморазведочного кабеля 102 с судном 101. Сейсмические данные, полученные при помощи приемников 103, могут быть преобразованы в цифровой вид в приемниках 103 или поблизости от них и затем переданы на судно 101 по кабелям с относительно высокой частотой передачи данных (например, с частотой свыше 5 Мбит/с в секунду). Как это показано на фиг. 2, приемники 103 буксируют позади сейсморазведочного судна 101. Однако в других вариантах осуществления морские сейсморазведочные кабели (например, морские сейсморазведочные кабели 102) и приемники (например, приемники 103) могут быть расположены на дне моря. В других вариантах осуществления приемники, расположенные на дне моря, могут быть выполнены как автономные узлы на дне моря. Кроме того, буксируемые судном морские сейсморазведочные кабели и узлы на дне моря могут быть использованы одновременно.

Как это показано на фиг. 2, система 100 для морской сейсмической разведки также содержит морской сейсмический источник 200. В этом варианте осуществления источник 200 буксируют позади сейсморазведочного судна 101. Однако в других вариантах осуществления, особенно в тех, в которых используют источник низкой частоты (например, источник 200 низкой частоты), этот источник преимущественно буксируют позади другого судна, чем приемники (например, приемники 103). Несмотря на то что могут быть использованы различные типы морских сейсмических источников, в этом варианте осуществления сейсмический источник 200 представляет собой сейсмический источник с вибрирующим поршнем, который подает сигналы акустической энергии в воду 111 и в подповерхностные геологические формации в течение продолжительного периода времени, в отличие от почти мгновенной энергии, создаваемой при помощи импульсных источников. Источник 200 и приемники 103 расположены ниже морской поверхности 110 на оптимальной глубине, которая зависит от различных факторов, в том числе (но без ограничения) от волнения на море и морских течений, мощности буксировочного оборудования и желательного диапазона частот передачи и приема. В случае морского сейсмического источника низкой частоты, создающего, например, акустическую энергию в диапазоне 2-8 Г ц, оптимальная глубина буксировки источника составляет ориентировочно 60 м.

Оборудование на борту судна 101 управляет работой источника 200 и приемников 103 и записывает данные, полученные при помощи приемников 103. Записанные данные используют в сейсморазведке для оценки расстояния между морской поверхностью 110 и подповерхностными структурами, такими как структура 106, которая лежит под морским дном 108. Для определения расстояния до подповерхностной структуры 106 источник 200 излучает волны 107 сейсмической энергии, которые распространяются через воду 111 и морское дно 108 в подповерхностные геологические формации. Волны 107 сейсмической энергии отражаются от подповерхностных структур, таких как структура 106, в виде эхо-сигналов или отраженных волн 109 сейсмической энергии. Часть отраженных волн 109 сейсмической энергии обнаруживают приемники 103, которые преобразуют их в электрические сигналы и записывают как сейсмические данные для последующей обработки. За счет определения времени прохождения сейсмических волн 107 от источника 200 до подповерхностной структуры 106 и времени прохождения отраженных сейсмических волн в виде эхо-сигналов 109 от подповерхностной структуры 106 до приемников 103 можно определить среди других параметров расстояние (как по горизонтали, так и по вертикали), геометрию, топографию, положение, импеданс, тип флюида и литологию подводных подповерхностных геологических структур. Например, некоторые топографические характеристики и амплитуды записанных сейсмических данных несут информацию о коллекторах углеводородов.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 3 и 4, на которых показан конструктивный вариант морского сейсмического источника 200, расположенного в воде 111. Во время использования сейсмический источник 200 расположен ниже поверхности 110 воды 111, как это показано на фиг. 2, чтобы генерировать волны акустической энергии для морской сейсмической разведки. В этом конструктивном варианте источник 200 содержит внешний кожух 210, поршень 220, коаксиально расположенный в кожухе 210, и узел 230 привода поршня, расположенный внутри кожуха 210. Как это описано далее более подробно, узел 230 привода поршня создает возвратно-поступательное движение поршня 220 внутри кожуха 210, чтобы генерировать волны акустической энергии в воде 111. Следовательно, морской сейсмический источник 200 также может быть назван как морской сейсмический источник с совершающим колебания или возвратно-поступательное движение поршнем.

- 4 022286

Как это показано на фиг. 3 и 4, кожух 210 имеет центральную или продольную ось 215, первый или верхний конец 210а и второй или нижний конец 210Ь, противоположный концу 210а. В этом конструктивном варианте кожух 210 содержит трубчатый корпус 211 и торцевую крышку 212, прикрепленную к корпусу 211. Корпус 211 коаксиально расположен относительно оси 215 и имеет первый или верхний конец 211а, совпадающий с концом 210а кожуха, и второй или нижний конец 211Ь, совпадающий с концом 210Ь кожуха. Нижний конец 211Ь корпуса 211 открыт в воду 111, однако верхний конец 211а закрыт торцевой крышкой 212. Таким образом, верхний конец 210а кожуха 210 можно также назвать закрытым концом, а нижний конец 210Ь кожуха 210 можно также назвать открытым концом. Крышка 212 входит в герметичное зацепление с корпусом 211, ограничивая и/или предотвращая течение флюида в корпус 211 и из него на верхнем конце 210а.

Вместе, корпус 211, торцевая крышка 212 и поршень 220 образуют внутреннюю камеру 213 внутри кожуха 210, которая идет по оси между поршнем 220 и торцевой крышкой 212 и расширяется радиально от оси 215 в корпус 211. Внутренняя камера 213 преимущественно заполнена газом, таким как воздух или азот, и герметизирована так, что впуск воды в камеру 213 и выпуск воды из нее ограничен и/или предотвращен.

Кожух 210 может иметь один или несколько сквозных каналов для прохода электрических соединений (например, кабелей датчиков, проводов электронного управления и т.п.), проводов электропитания, магистралей подачи сжатого воздуха, магистралей подачи рабочей жидкости и т.п. Для упрощения такие каналы, электрические соединения, провода и различные магистрали подачи на фиг. 3 и 4 не показаны. Следует иметь в виду, что любые каналы преимущественно содержат герметичные уплотнения, которые позволяют пропускать через них соединения или магистрали, но не позволяют воде проникать в камеру 213 и вытекать из нее.

В этом конструктивном варианте кожух 210 также содержит множество дренажных клапанов 216, расположенных вдоль корпуса 211. Клапаны 216 позволяют выпускать из камеры 213 любую жидкость (например, воду 111). Кроме того, множество датчиков 219а, Ь, с соединены с кожухом 210. В частности, датчик 219а внутреннего давления обнаруживает и измеряет давление внутри кожуха 210, датчик 219Ь внешнего давления обнаруживает и измеряет давление снаружи от кожуха 210 (то есть давление воды 111), а датчик 219с уровня жидкости обнаруживает и измеряет уровень любой жидкости (например, воды 111), которая могла поступить в кожух 210.

Как уже было указано здесь выше, поршень 220 коаксиально расположен в цилиндре 210. В частности, поршень 220 со скольжением входит в зацепление с внутренней поверхностью корпуса 211 и расположен поблизости от открытого конца 210Ь. Поршень 220 имеет центральную ось 225, коаксиально совмещенную с осью 215 кожуха, первый или верхний конец 220а и второй или нижний конец 220Ь.

Когда источник 200 расположен под водой, как это показано на фиг. 2, вода 111 может свободно втекать по оси в открытый конец 210Ь и входить в зацепление с поршнем 220. Таким образом, нижний конец 220Ь обращен к воде и воздействует на воду 111 внутри открытого конца 210а кожуха 210, в то время как верхний конец 220а обращен внутрь камеры 213 и воздействует на газ внутри камеры 213. В этом конструктивном варианте оба конца 220а, Ь являются планарными. Однако в других конструктивных вариантах один или оба осевых конца поршня (например, концы 220а, Ь поршня 220) могут быть не планарными. Например, конец поршня, обращенный к воде (например, нижний конец 220Ь), может быть выполнен в виде конуса или пули, как это показано в заявке на патент США № 61/290611 и в РСТ заявке на патент № РСТ/ϋδ 2010/62329, которые полностью включены в данное описание в качестве ссылки.

Как это показано на фиг. 3 и 4, кольцевой уплотняющий элемент 221 радиально расположен между поршнем 220 и кожухом 210. В этом конструктивном варианте уплотняющий элемент 221 сидит в кольцевой выемке 222 в радиально внешней поверхности поршня 220. Уплотняющий элемент 221 радиально сжат между поршнем 220 и кожухом 210 и входит в герметичное зацепление с поршнем 220 и кожухом 210. Более конкретно, уплотняющий элемент 221 образует кольцевое, радиально внешнее динамическое уплотнение 221а с кожухом 210 и кольцевое, радиально внутреннее статическое уплотнение 221Ь с поршнем 220. Уплотнения 221а, Ь ограничивают и/или предотвращают течение флюида между поршнем 220 и кожухом 210, когда поршень 220 совершает возвратно-поступательное движение по оси относительно кожуха 210. Таким образом, уплотняющий элемент 221 ограничивает и/или предотвращает осевое течение воды 111, внешней относительно сейсмического источника 200, между поршнем 220 и кожухом 210 во внутреннюю камеру 213, и ограничивает и/или предотвращает осевое течение газа, находящегося во внутренней камере 213, между поршнем 220 и кожухом 210 в воду 111 в открытом конце 210Ь.

В зависимости от вида применения и желательных характеристик акустических волн, создаваемых при помощи источника 200 (например, диапазона частот, амплитуды и т.п.), максимальный внешний радиус поршня 220 и цилиндра 210 (измеренный перпендикулярно к осям 215, 225) может быть различным. В большинстве применений поршень 210 имеет максимальный внешний радиус в диапазоне ориентировочно от полуметра до нескольких метров в зависимости от желательного диапазона частот и амплитуд создаваемых акустических колебаний.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 3-6, на которых показан узел 230 привода поршня, расположенный во внутренней камере 213 и создающий осевое возвратно-поступательное движение поршня

- 5 022286

220 внутри кожуха 210. Когда поршень 220 совершает возвратно-поступательное движение, его нижний конец 220Ь воздействует на воду 111 в открытым конце 210а, за счет чего создаются волны акустической энергии, которые распространяются вниз через воду 111. Как это описано далее более подробно, частоту и амплитуду акустических волн, генерируемых при помощи совершающего возвратно-поступательное движение поршня 220, можно регулировать и изменять при помощи узла 230 привода.

В этом конструктивном варианте узел 230 привода поршня содержит маховик 231, приводной или соединительный шток (шатун) 240, идущий от маховика 231 к поршню 220, элемент 250 фиксированной или дополнительной массы, первый линейный исполнительный механизм 251, второй линейный исполнительный механизм 252, первый элемент 260 связи, идущий между первым исполнительным механизмом 251 и соединительным штоком 240, и второй элемент 262 связи, идущий между вторым исполнительным механизмом 252 и элементом 250 массы. Как это описано далее более подробно, вращательное движение маховика 231 управляет осевым возвратно-поступательным движением поршня 220, причем частотой и амплитудой осевых колебаний поршня 220 также управляют исполнительные механизмы 251, 252 через элементы 260, 262 связи.

Как это показано на фиг. 3-6, маховик 231 вращается относительно оси 235 вращения, проходящей через центр маховика 231 и ориентированной перпендикулярно к осям 215, 225. Вообще говоря, маховик 231 может вращаться вокруг оси 235 в первом направлении по стрелке 237 или во втором направлении по стрелке 238. В этом конструктивном варианте плотность материала маховика 231 равномерно уменьшается радиально наружу от оси 235. Однако в других конструктивных вариантах плотность материала маховика (например, маховика 235) может увеличиваться радиально наружу от оси вращения (например, от оси 235), чтобы увеличить инерцию вращения маховика, имеющего фиксированную общую массу.

Вращение маховика 231 создает двигатель 270. Вообще говоря, двигателем 270 может быть любой двигатель, позволяющий вращать маховик 231, в том числе (но без ограничения) электрический двигатель, гидравлический двигатель или пневматический двигатель. Кроме того, двигатель 270 может приводить во вращение маховик 231 при помощи любого подходящего механизма, в том числе (но без ограничения) вращающегося выходного вала, сопряженных зубчатых колес, маховика с использованием прямой магнитной индукции или их комбинации. В этом конструктивном варианте двигатель 270 приводит во вращение ролик 271, который входит в зацепление с радиально внешней поверхностью маховика 231. Вращение ролика 271 передается маховику 231 за счет фрикционного зацепления контактных поверхностей ролика 271 и маховика 231. Двигатель 270 соединен с кожухом 210 так, что двигатель 270 не имеет поступательного перемещения относительно кожуха 210, однако выходной вал двигателя 270 и ролик 271 могут свободно вращаться относительно двигателя 270 и кожуха 210, чтобы приводить во вращение маховик 231 относительно кожуха 210. В этом конструктивном варианте опорные элементы 272 соединяют двигатель 270 с кожухом 210 и поддерживают положение двигателя 270 относительно кожуха 210.

Частотой вращения и направлением вращения маховика 231 (то есть вращением в первом направлении 237 или во втором направлении 238) управляют путем регулировки выходной мощности, крутящего момента, частоты вращения и направления вращения двигателя 270. Кроме того, вращение маховика 231 может быть снижено и/или остановлено при помощи двигателя 270 и/или отдельного тормозного устройства (не показано). Например, если двигателем 270 является электрический двигатель, простое снижение мощности электрического двигателя уменьшает частоту вращения маховика 231, так как трение между вращающимися компонентами начинает преобразовывать энергию вращения в системе в теплоту. Аналогично, реконфигурация соединений с двигателем 270, чтобы преобразовать его в генератор, также позволяет создать тормозное устройство.

Как это лучше всего показано на фиг. 5, маховик 231 содержит удлиненный сквозной паз 232, имеющий центральную или продольную ось 233, первый конец 232а у оси 235 вращения маховика 231 и второй конец 232Ь, удаленный от оси 235 и расположенный поблизости от внешнего периметра маховика 231. В этом конструктивном варианте проекция оси 233 является перпендикулярной к оси 235 вращения маховика 231 и пересекает ее. Таким образом, в этом конструктивном варианте удлиненный паз 232 ориентирован радиально относительно оси 235 и, таким образом, концы 232а, Ь могут быть названы соответственно радиально внутренним концом и радиально внешним концом. Удлиненный паз 232 имеет длину Ь₂₃₂, измеренную по оси 233 между концами 232а, Ь, и имеет ширину ^₂₃₂, измеренную перпендикулярно к оси 233. В этом конструктивном варианте удлиненный паз 232 идет линейно между концами 232а, Ь. Однако в других конструктивных вариантах удлиненный паз (например, паз 232) может быть не линейным, но преимущественно имеет радиально внутренний конец (например, конец 232а) на оси маховика (например, маховика 231) или поблизости от нее и радиально внешний конец (например, конец 232Ь), удаленный от оси маховика.

Первый и второй направляющие элементы 271, 272 расположены с возможностью скольжения внутри паза 232 и смещены друг от друга на осевое расстояние Ό_271-272, измеренное параллельно оси 233. Каждый направляющий элемент 271, 272 имеет ширину, измеренную перпендикулярно к оси 233, которая ориентировочно равна или немного меньше ширины ^₂₃₂ удлиненного паза 232, так что направляющие элементы 271, 272 могут свободно двигаться по оси 233 внутри паза 232, но не могут двигаться в боковом направлении относительно паза 232. В этом конструктивном варианте направляющие элементы

- 6 022286

271, 272 являются цилиндрическими, так что ширина каждого направляющего элемента 271, 272 равна его диаметру. Несмотря на то что в этом конструктивном варианте направляющие элементы 271, 272 расположены в одном и том же пазу 232, в других конструктивных вариантах два направляющих элемента (например, направляющие элементы 271 и 272) могут быть расположены в разных пазах в маховике (например, в маховике 231).

Первый направляющий элемент 271 соединен с первым исполнительным механизмом 251 через первый элемент 260 связи, а второй направляющий элемент 272 соединен со вторым исполнительным механизмом 252 через второй элемент 262 связи. Как это описано далее более подробно, осевым положением и движением первого направляющего элемента 271 относительно оси 233 управляет и регулирует его первый исполнительный механизм 251; а осевым положением и движением второго направляющего элемента 272 относительно оси 233 управляет и регулирует его второй исполнительный механизм 252. В этом конструктивном варианте первый исполнительный механизм 251 и второй исполнительный механизм 252 могут работать независимо друг от друга, так что осевые положения и движение направляющих элементов 271, 272 относительно оси 233 могут изменяться относительно друг друга. Например, осевое расстояние Ό_271-272 между элементами 271, 272 может изменяться во время работы источника 200. В других конструктивных вариантах работа исполнительных механизмов (например, исполнительных механизмов 251, 252) может быть связана друг с другом, так что осевое расстояние между направляющими элементами (например, осевое расстояние Ό_271-272 между элементами 271, 272) является постоянным или изменяется в соответствии с заданным алгоритмом.

Вновь обратимся к рассмотрению фиг. 3-5, на которых показано, что удлиненный соединительный шток 240 имеет центральную или продольную ось 245, первый или поршневой конец 240а, соединенный с поршнем 220, и второй конец 240Ь или конец маховика, соединенный с направляющим элементом 271. Первый конец 240а шарнирно соединен с поршнем 220 так, что соединительный шток 240 может свободно поворачиваться вокруг первого конца 240а относительно поршня 220, а второй конец 240Ь шарнирно соединен с направляющим элементом 271 так, что соединительный шток 240 может свободно поворачиваться вокруг второго конца 240Ь относительно направляющего элемента 271, удлиненного паза 232 и маховика 231.

Как это лучше всего показано на фиг. 5, первый исполнительный механизм 251 прикреплен к маховику 231 и соединен с первым элементом 260 связи, с первым направляющим элементом 271 и с концом 240Ь соединительного штока 240; а второй исполнительный механизм 252 прикреплен к маховику 231 и соединен со вторым элементом 262 связи, со вторым направляющим элементом 272 и с элементом 250 массы. В этом конструктивном варианте каждый элемент 260, 262 связи представляет собой удлиненный стержень, идущий от соответствующего исполнительного механизма 251, 252 к соответствующему направляющему элементу 271, 272. Проекция оси 233 проходит через конец 240Ь и центр элемента 250 массы.

Первый исполнительный механизм 251 управляет осевым положением и движением первого элемента 260 связи, первого направляющего элемента 271 и конца 240Ь вдоль паза 232 и оси 233 и, таким образом, также управляет радиальным положением и движением первого элемента 260 связи, первого направляющего элемента 271 и конца 240Ь относительно оси 235 маховика. Кроме того, второй исполнительный механизм 252 управляет осевым положением и движением второго элемента 262 связи, второго направляющего элемента 272 и элемента 250 массы вдоль паза 232 и оси 233 и, таким образом, также управляет радиальным положением и движением второго элемента 262 связи, второго направляющего элемента 272 и элемента 250 массы относительно оси 235. Так как исполнительные механизмы 251, 252 перемещают соответствующие элементы 260, 262 связи линейно параллельно оси 233, то их также можно назвать линейными исполнительными механизмами. Несмотря на то что в этом конструктивном варианте использованы два исполнительных механизма (например, исполнительные механизмы 251, 252) для управления положением и движением конца соединительного штока (например, конца 240Ь) и элемента массы (например, элемента 250 массы) относительно оси маховика, в других конструктивных вариантах положением и движением конца соединительного штока и элемента массы относительно оси маховика может управлять единственный исполнительный механизм. Кроме того, несмотря на то что в этом конструктивном варианте использован единственный элемент 250 массы, в других конструктивных вариантах могут быть использованы два или несколько элементов массы, каждый со своим собственным исполнительным механизмом, позволяющим управлять их положением, например, расположенные и управляемые так, чтобы поддерживать центр масс системы маховика на оси 235 в течение всей работы источника.

Амплитуда колебаний поршня 220 зависит от радиального положения второго конца 240Ь относительно оси 235 маховика. Более конкретно, чем больше радиальное расстояние, измеренное от оси 235 до второго конца 240Ь (вдоль паза 232), тем больше амплитуда колебаний поршня 220. Наоборот, чем меньше радиальное расстояние, измеренное от оси 235 до второго конца 240Ь (вдоль паза 232), тем меньше амплитуда колебаний поршня 220.

Частота колебаний поршня 220 зависит от частоты вращения маховика 231. Более конкретно, чем больше частота вращения маховика 231, тем больше частота колебаний поршня 220, и чем меньше час- 7 022286 тота вращения маховика 231, тем меньше частота колебаний поршня 220. Частота вращения маховика 231 зависит от различных факторов, в том числе (но без ограничения) от энергии вращения, вводимой в маховик 231, от снижения энергии вращения маховика 231 за счет трения и потерь на акустическое излучение и от момента инерции маховика 231. Вообще говоря, чем больше ввод энергии вращения в маховик 231, тем больше частота вращения маховика 231. Для заданного ввода энергии вращения в маховик 231 увеличение момента инерции маховика 231 будет понижать частоту вращения маховика 231, а уменьшение момента инерции маховика 231 будет повышать частоту вращения маховика 231. Момент инерции маховика 231 может быть увеличен за счет перемещения массы 250 радиально наружу относительно оси 235 и уменьшен за счет перемещения массы 250 радиально внутрь относительно оси 235.

Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, все же можно полагать, что амплитуда колебаний поршня 220 и частота колебаний поршня 220 определяет амплитуду и частоту волн акустической энергии, генерируемых при помощи сейсмического источника 200. Более конкретно, амплитуда и частота акустических волн, генерируемых при помощи источника 200, пропорциональны амплитуде колебаний поршня 220 и квадрату частоты колебаний поршня 220. Таким образом, за счет изменения радиального положения второго конца 240Ь относительно оси 235 маховика можно управлять амплитудой колебаний поршня 220 и амплитудой соответствующих волн акустической энергии; а за счет изменения частоты вращения маховика 231 (например, за счет изменения энергии вращения, вводимой в маховик 231, и за счет изменения момента инерции маховика 231 при помощи элемента 250 массы) можно управлять частотой колебаний поршня 220 и частотой соответствующих волн акустической энергии.

Вообще говоря, исполнительные механизмы 251, 252 могут содержать любое подходящее устройство для управления радиальным положением второго конца 240Ь и элемента 250 массы относительно оси 235, в том числе могут содержать (но без ограничения) пневматический исполнительный механизм, гидравлический исполнительный механизм, электрический исполнительный механизм, двигатель и т.п. В этом конструктивном варианте каждый исполнительный механизм 251, 252 представляет собой электрический исполнительный механизм. Кроме того, несмотря на то что исполнительные механизмы 251, 252 описаны здесь как линейные исполнительные механизмы, следует иметь в виду, что исполнительным механизмом, который управляет радиальным положением конца приводного вала (например, радиальным положением второго конца 240Ь) и элемента добавочной массы (например, элемента 250 массы), можно управлять не только линейно при помощи простого перемещения элемента связи (например, элемента 260, 262 связи). Например, в других конструктивных вариантах исполнительный механизм (механизмы) может вращать резьбовой вал, который по резьбе связан с направляющими элементами (например, с направляющими элементами 271, 272), которые не могут вращаться на резьбовом валу. В результате, вращение резьбового вала позволяет управлять радиальным положением и перемещением направляющего элемента (элементов) относительно оси вращения (например, оси вращения 235), причем направление вращения определяет движение направляющих элементов радиально внутрь или наружу, а скорость вращения управляет скоростью, с которой направляющие элементы движутся радиально. Исполнительные механизмы 251, 252 могут получать питание от батарей или получать питание по проводам, что позволяет исполнительным механизмам 251, 252 свободно вращаться вместе с маховиком 231 (например, с использованием электрических щеток, которые проводят ток между стационарными проводами и вращающимися исполнительными механизмами 251, 252).

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 4 и 5. В этом конструктивном варианте каждый исполнительный механизм 251, 252 содержит датчик 280, который обнаруживает и измеряет радиальное положение второго конца 240Ь и элемента 250 массы соответственно относительно оси 235 вращения. Датчики 280 передают данные о положении в систему 281 управления, соединенную с кожухом 210 внутри камеры 213 (фиг. 3 и 4). Система 281 управления осуществляет текущий контроль радиальных положений второго конца 240Ь и элемента 250 массы относительно оси 235 и регулирует радиальные положения второго конца 240Ь и элемента 250 массы относительно оси 235 за счет управления исполнительными механизмами 251, 252 во время работы источника 200. За счет текущего контроля и регулирования радиальных положений второго конца 240Ь система 281 управления управляет частотой и амплитудой волн акустической энергии, генерируемых при помощи источника 200. Кроме того, система 281 управления управляет выходной мощностью, крутящим моментом, частотой вращения и направлением вращения двигателя, который приводит во вращение маховик 231. В этом конструктивном варианте система 281 управления имеет беспроводную связь с датчиками 280 и исполнительными механизмами 251, 252 и имеет проводную связь с двигателем 270. Однако, вообще говоря, система управления (например, система 281 управления) может иметь связь с датчиками (например, с датчиками 280), с исполнительными механизмами (например, с исполнительными механизмами 251, 252) и с двигателем (например, с двигателем 270) при помощи любых подходящих средств, позволяющих свободно производить вращение маховика (например, маховика 231) и датчиков (например, датчиков 280), соединенных с ним. Датчики 219а, Ь, с могут также передавать данные относительно измеренного давления и уровня флюида в систему 281 управления. Данные, полученные системой 281 управления, передают на поверхностное судно 101 для осуществления текущего контроля и анализа, а сигналы управления узлом 230 привода передают от поверхностного судна 101 в систему 281 управления.

- 8 022286

Вновь обратимся к рассмотрению фиг. 3-5, на которых показано, что сейсмический источник 200 преимущественно работает циклически. Каждый цикл содержит три фазы, а именно (а) фазу ускорения; (Ь) фазу колебаний и (с) фазу возврата в исходное положение. В фазе ускорения второй конец 240Ь соединительного штока 240 расположен в центре маховика 231 (то есть на оси 235 вращения) или с небольшим смещением от центра и крутящий момент приложен к маховику 231 (например, при помощи ролика 271), чтобы повысить частоту вращения маховика 231 до достижения заданной и желательной частоты вращения маховика 231. Следует иметь в виду, что когда второй конец 240Ь и направляющий элемент 271 расположены на оси 235 вращения (то есть когда второй конец 240Ь и направляющий элемент 271 расположены в центре маховика 231), поршень 220 совсем не совершает колебаний.

В фазе колебаний крутящий момент, приложенный к маховику 231, может быть снят и изменено радиальное расстояние, измеренное от оси 235 до второго конца 240Ь, что приводит к изменению амплитуды колебаний поршня 220 и соответствующего акустического излучения. Например, в фазе колебаний радиальное расстояние, измеренное от оси 235 до второго конца 240Ь, может быть увеличено, что приводит к увеличению амплитуды колебаний поршня 220 и соответствующего акустического излучения. Альтернативно, в фазе колебаний радиальное расстояние, измеренное от оси 235 до второго конца 240Ь, может быть уменьшено, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний поршня 220 и соответствующего акустического излучения. Кроме того, радиальное расстояние, измеренное от оси 235 до второго конца 240Ь, может быть увеличено и затем уменьшено во время одного колебания, чтобы увеличить и затем уменьшить амплитуду колебаний поршня 220 и соответствующего акустического излучения, или уменьшено и затем увеличено во время одного колебания, чтобы уменьшить и затем увеличить амплитуду колебаний поршня 220 и соответствующего акустического излучения. Указанным образом можно изменять и регулировать амплитуду колебаний поршня 220 и соответствующего акустического излучения во время фазы колебаний.

В фазе колебаний изменяют частоту вращения маховика 231, что приводит к изменению частоты колебаний поршня 220. В частности, во время одного колебания энергия вращения, введенная в маховик 231 в фазе ускорения, теряется на трение и выходное акустическое излучение. Эти потери энергии приводят к снижению частоты вращения маховика 231, что также снижает частоту колебаний поршня 220. За счет перемещения массы 250 радиально наружу от оси 235 вдоль паза 232 во время одного колебания, в результате чего эффективно уменьшается момент инерции маховика 231, может быть дополнительно снижена частота вращения маховика 231. Таким образом, за счет поддержания или увеличения радиального расстояния от оси 235 до элемента 250 массы во время одного колебания может быть снижена частота вращения маховика 231 и соответственно может быть снижена частота колебаний поршня 220 и связанного акустического излучения. Однако за счет перемещения элемента 250 массы радиально внутрь от оси 235 вдоль паза 232 во время одного колебания, в результате чего эффективно уменьшается момент инерции маховика 231, частота вращения маховика 231 может быть повышена и соответственно может быть повышена частота колебаний поршня 220 и связанного акустического излучения. В некоторых случаях радиальное расстояние от оси 235 до элемента 250 массы может быть увеличено и затем уменьшено, чтобы увеличить момент инерции маховика 231 и затем уменьшить момент инерции маховика 231, или же радиальное расстояние от оси 235 до элемента 250 массы может быть уменьшено и затем увеличено, чтобы уменьшить момент инерции маховика 231 и затем увеличить момент инерции маховика 231. Указанным образом можно изменять и регулировать частоту колебаний поршня 220 и связанного акустического излучения во время фазы колебаний.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления во время фазы колебаний конец 240Ь соединительного штока 240 перемещают радиально наружу относительно оси 235 вращения маховика при помощи исполнительного механизма 251 и элемента 260 связи, а элемент 250 дополнительной массы перемещают радиально наружу относительно оси 235 вращения при помощи исполнительного механизма 252 и элемента 262 связи. В результате амплитуда колебаний поршня 220 увеличивается, а частота колебаний поршня 220 уменьшается, таким образом, увеличивается амплитуда акустических волн, генерируемых при помощи источника 200, и уменьшается частота акустических волн, генерируемых при помощи источника 200. Радиальное расстояние между концом 240Ь и осью 235 вращения увеличивается до тех пор, пока конец 240Ь не дойдет до конца 232Ь паза 232, при этом достигается минимальная рабочая частота и максимальная рабочая амплитуда поршня 220 и источника 200. В этом конструктивном варианте источник 200 позволяет генерировать волны акустической энергии с такими низкими частотами, как 0,5 Гц.

Во время фазы колебаний, когда поршень 220 начинает поступательно двигаться относительно оси 235 маховика, часть кинетической энергии маховика 231 передается поршню 220 и связанной с ним массе (то есть массе воды 111, увлеченной в конец 210Ь, которая движется вместе с поршнем 220) и элементу 250 дополнительной массы. Другими словами, по меньшей мере часть кинетической энергии вращения, переданной маховику 231 во время периода ускорения, передается поршню 220 и элементу 250 массы. Таким образом, во время периода колебаний начальная кинетическая энергия вращения маховика 231 распределяется между маховиком 231, поршнем 220 (и связанной с ним массой) и элементом 250 дополнительной массы. Энергия, которая передается элементу 250 дополнительной массы, помогает сглажи- 9 022286 вать осевое движение поршня 220. Более конкретно, элемент 250 дополнительной массы позволяет производить относительно тонкое управление порцией энергии, которая передается от маховика 231 поршню 220 во время фазы колебаний. В частности, управление радиальным перемещением и положением элемента 250 дополнительной массы относительно оси 235 позволяет независимо управлять амплитудой и частотой движения поршня 220 во время одного колебания, чтобы обеспечивать желательную амплитуду и/или частоту (или желательный диапазон амплитуд и/или частот). Не желая связывать себя какойлибо конкретной теорией, все же можно полагать, что это помогает создавать более гладкое и более близкое к синусоиде движение поршня 220 и, таким образом, помогает создавать более чистый выходной акустический спектр с меньшим уровнем нежелательных гармоник. Без дополнительной степени свободы управления, обеспечиваемой за счет элемента 250 дополнительной массы, поршень 220 двигался бы менее управляемым образом и создавал нежелательные гармоники в выходном акустическом спектре.

В фазе возврата в исходное положение двигатель 270 и/или отдельный тормоз используют для уменьшения и/или прекращения частоты вращения маховика 231. Кроме того, конец 240Ь соединительного штока 240 перемещается радиально внутрь к оси 235 маховика при помощи исполнительного механизма 251 и элемента 260 связи, а элемент 250 массы перемещается радиально внутрь к оси 235 маховика при помощи исполнительного механизма 252 и элемента 262 связи, за счет чего происходит возврат источника 200 в исходное положение и подготовка источника 200 к следующему циклу. После возврата источника 200 в исходное положение цикл может быть повторен, начиная с фазы ускорения.

Описанные здесь варианты осуществления (например, варианты осуществления источника 200) обладают преимуществами по сравнению с обычной резонансной системой, связанными с тем, что после полного возбуждения системы дополнительный ввод энергии требуется только для того, чтобы восполнить потери демпфирования и потери энергии на акустическое излучение. Кроме того, в отличие от обычной резонансной системы описанное здесь механическое устройство позволяет еще больше уменьшить требуемый пик входной мощности за счет его распределения по всей спокойной фазе отсутствия колебаний (или, факультативно, позволяет даже непрерывно вводить мощность). Более конкретно, при работе большинства обычных сейсмических источников с совершающим колебания поршнем энергию возбуждения, которая управляет колебаниями поршня, вводят во время фазы колебаний. Однако обычно длительность одного колебания является относительно малой по сравнению с полным временем между колебаниями. Так как энергия возбуждения должна быть введена в течение относительно малого промежутка времени, требования к мощности являются относительно высокими. В отличие от этого в описанных здесь конструктивных вариантах (например, в источнике 200) энергию возбуждения, которую в конечном счете используют для создания колебаний поршня 220, вводят ранее фазы колебаний, что позволяет вводить энергию возбуждения в течение относительно длительного периода времени (по сравнению с длительностью фазы колебаний). Таким образом, маховик 231 можно довести до заданной скорости вращения во время периода ускорения с использованием относительно малой мощности вместо использования высокой мощности в течение относительно короткой длительности одного колебания.

Вообще говоря, компоненты описанного здесь сейсмического источника 200 с совершающим возвратно-поступательное движение поршнем (например, поршень 220, кожух 210, маховик 231, элемент 250 массы и т.п.), могут быть изготовлены из любых подходящих материалов, в том числе (но без ограничения) из металлов и металлических сплавов (например, из алюминия, нержавеющей стали и т.п.), не из металлов (например, из керамики, полимеров и т.п.), из композиционных материалов (например, из композиционного материала, содержащего углеродное волокно и эпоксидную смолу, и т.п.), или из их комбинаций. Так как на поршень (например, на поршень 220) и на цилиндр (например, на кожух 210) воздействуют условия на дне моря, то каждый из них преимущественно изготовлен из прочного, износостойкого материала, способного противостоять коррозии за счет воздействия морской воды, такого как нержавеющая сталь.

Несмотря на то что были описаны и показаны на чертежах предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в них специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения. Описанные здесь варианты осуществления изобретения являются только примерными и не ограничительными. Возможны различные вариации и модификации описанных здесь систем, устройств и процессов, которые подпадают под объем патентных притязаний. Например, могут быть изменены относительные размеры различных деталей; материалы, из которых изготовлены различные детали; и другие параметры. Таким образом, объем патентной защиты не ограничен описанными здесь вариантами осуществления изобретения, а ограничен только приведенной ниже формулой изобретения, объем которой включает в себя все эквиваленты предмета изобретения.

Claims (23)

1. Морской сейсмический источник, который содержит кожух, имеющий противоположные друг другу открытый конец и закрытый конец, причем центральная ось кожуха проходит через эти концы;

- 10 022286 поршень, расположенный с возможностью скольжения внутри кожуха;

маховик, расположенный внутри кожуха и установленный по его центральной оси между закрытым концом кожуха и поршнем, причем маховик выполнен с возможностью вращения относительно оси вращения;

соединительный шток, подвижно соединяющий поршень с маховиком; причем указанный соединительный шток имеет первый конец, шарнирно соединенный с поршнем, и второй конец, шарнирно соединенный с маховиком так, что при его вращении второй конец соединительного штока имеет первое положение на первом расстоянии, измеренном радиально от оси вращения, и второе положение на втором расстоянии, измеренном радиально от оси вращения, причем первое расстояние меньше, чем второе расстояние.

2. Морской сейсмический источник по п.1, который дополнительно содержит элемент добавочной массы, подвижно соединенный с маховиком и выполненный с возможностью перемещения радиально относительно оси вращения.

3. Морской сейсмический источник по п.1, который дополнительно содержит элемент добавочной массы, подвижно соединенный с маховиком, причем элемент добавочной массы имеет первое положение на третьем расстоянии, измеренном радиально от оси вращения, и второе положение на четвертом расстоянии, измеренном радиально от оси вращения, причем третье радиальное расстояние меньше, чем четвертое радиальное расстояние, при этом третье радиальное расстояние больше, чем первое радиальное расстояние, а четвертое радиальное расстояние больше, чем второе радиальное расстояние.

4. Морской сейсмический источник по п.2, который дополнительно содержит первый исполнительный механизм, который предназначен для перемещения второго конца соединительного штока радиально относительно оси вращения.

5. Морской сейсмический источник по п.4, который дополнительно содержит второй исполнительный механизм, который предназначен для перемещения элемента добавочной массы радиально относительно оси вращения.

6. Морской сейсмический источник по п.5, в котором первый исполнительный механизм и второй исполнительный механизм прикреплены к маховику.

7. Морской сейсмический источник по п.2, который дополнительно содержит двигатель, расположенный внутри кожуха и установленный по оси между поршнем и закрытым концом кожуха, причем двигатель соединен с кожухом и предназначен для вращения маховика.

8. Морской сейсмический источник по п.5, в котором маховик содержит удлиненный сквозной паз, имеющий радиально внутренний конец поблизости от оси вращения и радиально внешний конец на удалении от оси вращения, причем второй конец соединительного штока шарнирно соединен с первым направляющим элементом, который расположен с возможностью скольжения в пазу;

при этом элемент добавочной массы соединен со вторым направляющим элементом, который расположен с возможностью скольжения в пазу.

9. Морской сейсмический источник по п.8, который дополнительно содержит первый элемент связи, который идет от первого исполнительного механизма к первому направляющему элементу, и второй элемент связи, который идет от второго исполнительного механизма ко второму направляющему элементу.

10. Морской сейсмический источник по п.5, в котором первый исполнительный механизм и второй исполнительный механизм представляют собой линейные исполнительные механизмы.

11. Способ генерирования волны морской сейсмической энергии в водном пространстве, который включает в себя следующие операции:

(a) использование сейсмического источника, причем указанный сейсмический источник содержит кожух, имеющий противоположные друг другу открытый конец и закрытый конец, причем центральная ось кожуха проходит через эти концы;

поршень, расположенный с возможностью скольжения внутри кожуха;

маховик, расположенный внутри кожуха и установленный по его центральной оси между закрытым концом кожуха и поршнем, причем маховик выполнен с возможностью вращения относительно оси вращения;

соединительный шток, подвижно соединяющий поршень с маховиком;

причем указанный соединительный шток имеет первый конец, шарнирно соединенный с поршнем, и второй конец, шарнирно соединенный с маховиком так, что при его вращении второй конец соединительного штока имеет первое положение на первом расстоянии, измеренном радиально от оси вращения, и второе положение на втором расстоянии, измеренном радиально от оси вращения, причем первое расстояние меньше, чем второе расстояние;

(b) установка сейсмического источника в воде;

(c) вращение маховика относительно оси вращения и (ά) изменение первого расстояния, измеренного радиально от оси вращения до второго конца соединительного штока, во время операции (с).

- 11 022286

12. Способ по п.11, который дополнительно предусматривает (е) изменение второго расстояния, измеренного радиально от оси вращения до элемента добавочной массы, подвижно соединенного с маховиком, во время операции (с).

13. Способ по п.12, в котором операция (6) предусматривает увеличение или уменьшение первого расстояния во время операции (с).

14. Способ по п.13, который дополнительно предусматривает уменьшение или увеличение первого расстояния после операции (6).

15. Способ по п.12, который дополнительно предусматривает (ί) генерирование волны акустической энергии при помощи сейсмического источника во время операции (6), причем волна акустической энергии имеет частоту и амплитуду, при этом частоту или амплитуду волны акустической энергии изменяют во время операции (6); и (д) передачу волны акустической энергии через воду.

16. Способ по п.15, в котором операция (6) дополнительно предусматривает увеличение первого расстояния во время операции (с);

причем операция (е) дополнительно предусматривает увеличение второго расстояния во время операции (с);

при этом операция (ί) дополнительно предусматривает уменьшение частоты волны акустической энергии во время операции (6) и увеличение амплитуды волны акустической энергии во время операции (6).

17. Способ по п.12, который дополнительно предусматривает увеличение частоты вращения маховика до операции (6); уменьшение частоты вращения маховика после операции (6); уменьшение первого расстояния после операции (е) и уменьшение второго расстояния после операции (е).

18. Способ по п.11, в котором маховик сейсмического источника содержит удлиненный сквозной паз, который идет радиально наружу от оси вращения;

причем второй конец соединительного штока соединен с первым направляющим элементом, расположенным с возможностью скольжения в сквозном пазу;

при этом элемент добавочной массы соединен со вторым направляющим элементом, расположенным с возможностью скольжения в сквозном пазу;

причем операция (6) предусматривает перемещение первого направляющего элемента вдоль сквозного паза;

при этом операция (е) предусматривает перемещение второго направляющего элемента вдоль сквозного паза.

19. Способ генерирования волны морской сейсмической энергии в водном пространстве, который включает в себя следующие операции:

(a) установка морского сейсмического источника в воде, причем указанный сейсмический источник содержит кожух, имеющий противоположные друг другу открытый конец и закрытый конец, причем центральная ось кожуха проходит через эти концы;

поршень, расположенный с возможностью скольжения внутри кожуха;

маховик, расположенный внутри кожуха и установленный по его центральной оси между закрытым концом кожуха и поршнем, причем маховик выполнен с возможностью вращения относительно оси вращения;

соединительный шток, подвижно соединяющий поршень с маховиком; причем указанный соединительный шток имеет первый конец, шарнирно соединенный с поршнем, и второй конец, шарнирно соединенный с маховиком так, что при его вращении второй конец соединительного штока имеет первое положение на первом расстоянии, измеренном радиально от оси вращения, и второе положение на втором расстоянии, измеренном радиально от оси вращения, причем первое расстояние меньше, чем второе расстояние;

(b) установка второго конца соединительного штока на оси вращения маховика или поблизости от нее;

(c) приложение крутящего момента к маховику после операции (Ь);

(6) повышение частоты вращения маховика во время операции (с) и (е) радиальное перемещение второго конца соединительного штока относительно оси вращения.

20. Способ по п.19, в котором операцию (е) проводят после операции (с).

21. Способ по п.20, в котором операция (е) предусматривает перемещение второго конца соединительного штока радиально наружу относительно оси вращения.

22. Способ по п.21, который дополнительно предусматривает (ί) уменьшение частоты вращения маховика и (д) перемещение второго конца соединительного штока радиально внутрь относительно оси вращения.

- 12 022286

23. Способ по п.22, в котором повторяют операции (с), (ά) и (е) после операций (ί) и (д).