NL2006429C2 - Seismische shaker. - Google Patents

Description

Seismische shaker BESCHRIJVING: 5

Gebied van de uitvinding

De uitvinding heeft betrekking op een seismische shaker. Voor seismisch monitoren en de exploratie van olie- en gasreserves worden shakers gebruikt om de 10 grond in trilling te brengen. De transmissibility van de grond wordt gemeten met een combinatie van sensoren op de shaker en op de grond. De reproduceerbaarheid van de excitatie signalen is van belang om veranderingen in de grond te kunnen detecteren.

Stand van de techniek 15

Commercieel verkrijgbare shakers werken met hydrauliek. Het nadeel hiervan is dat bij lage frequenties (2-5 Hz) zich niet lineair effecten voordoen. Een nieuw ontwerp is noodzakelijk om de reproduceerbaarheid te garanderen.

20 Samenvatting van de uitvinding

Een doel van de uitvinding is het verschaffen van een shaker van de in de aanhef omschreven soort waarbij het nadeel van de bekende shaker zich niet voordoet. Hiertoe is de shaker volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat deze een basisplaat 25 omvat voor plaatsing op de grond, alsmede een boven de basisplaat aanwezige reactiemassa die via koppelmiddelen is verbonden met de basisplaat, en ten minste drie tussen de basisplaat en de reactiemassa aanwezige onafhankelijk aanstuurbare elektromagnetische actuatoren die met de basisplaat en de reactiemassa zijn verbonden en waarmee een kracht en moment op de basisplaat kan worden uitgeoefend. Door 30 elektromagnetische actuatoren te gebruiken in plaats van één of meer hydraulische actuatoren kan de shaker zo ontworpen worden dat bij lage frequenties zich geen of minder niet lineaire effecten voordoen. Tevens maakt onafhankelijk aansturen van de verschillende motoren het mogelijk koppels in de grond te minimalisren en zo stabiliteits van de shaker te optimaliseren.

2

Een uitvoeringsvorm van de seismische shaker volgens de uitvinding is gekenmerkt, doordat de shaker een aantal versnellings sensors omvat die op de reactiemassa aanwezig zijn en waarmee versnelling/snelheid van de reactiemassa bepaald kan worden. Een standaard shaker heeft één versnellingssensor op de 5 reactiemassa, terwijl in de shaker volgens de uitvinding meer dan één versnellingssensor is toegepast met als doel de tilt van de shaker te detecteren en/of trillingsmodi welke een negatieve invloed hebben met specifieke regeltechniek onzichtbaar te maken. De sensoren kunnen kantelingen afzonderlijk zichtbaar maken hetgeen de nauwkeurigheid waarmee kracht en frequentie van het signaal geproduceerd 10 wordt ten goede komt.

Een verdere uitvoeringsvorm van de seismische shaker volgens de uitvinding is gekenmerkt, doordat de koppelmiddelen ten minste één veer omvatten.

Nog een verdere uitvoeringsvorm van de seismische shaker volgens de uitvinding is gekenmerkt, doordat de koppelmiddelen ten minste één 15 zwaartekrachtcompensator omvatten. Hierdoor kan de reactiemassa tevens dienen als hold-down massa. Voorts kan hierdoor laag frequent en reproduceerbaar worden geëxciteerd. De zwaartekrachtcompensator reduceert verder sterk de belasting voor de motoren omdat de zwaartekracht niet middels de actuatoren behoeft te worden overwonnen. De thermische belasting van de actuatoren zou in het geval zonder 20 zwaartekrachtcompensator veel te hoog worden, waardoor de kracht welke voor het shaken gebruikt wordt drastisch zou moeten worden gereduceerd.

Om nog beter laag frequent en reproduceerbaar te kunnen exciteren is een verdere uitvoeringsvorm van de seismische shaker volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat de actuatoren gevormd zijn door elektromagnetische lineaire 25 motoren zonder ferromagnetische materiaal bij de spoelen. Nadelige parasitatire krachten welke vaak aanwezig zijn in dergelijke actuatorconcepten worden hiermee vermeden. De iron-less lineaire motoren zijn standaard in de semi-conductor industrie. Ze hebben een lagere efficiency dan ijzerhoudende motoren, maar zijn wel beter reproduceerbaar. In de seismische shaker toepassing is meestal een hoge kracht vereist 30 waardoor de keuze voor iron-less motoren niet triviaal is. Deze shaker kenmerkt zich door een hoge reproduceerbaarheid en het verlies aan kracht wordt opgevangen door meerdere motoren te gebruiken.

Nog weer betere laag frequente en reproduceerbare excitatie is mogelijk met een verdere uitvoeringsvorm van de seismische shaker volgens de uitvinding 3 waarbij een hysteresevrije en in verplaatsingsrichting slappe parallelgeleiding tussen de basisplaat en de reactiemassa aanwezig is. Tevens kan een positie sensor worden toegevoegd die de relatieve afstand tussen de reactiemassa en basisplaat meet en waarbij regeltechnisch via de actuatoren middels een terugkoppeling de residuële 5 stijfheid wordt gecompenseerd. De performance met betrekking tot het nauwkeurig maken van laagfrequente signalen met grote amplitude kan daarbij nog verder verbeterd worden.

Om te voorkomen dat de shaker omvalt of scheef zakt kan men regeltechnisch een koppel rond het massa middelpunt van de shaker uitoefenen met de 10 actuatoren omdat de krachten van de drie actuatoren (onder 120 graden gepositioneerd rond het massa middelpunt) individueel te regelen zijn. De totale kracht uitgeoefend op de bodem kan gelijk gehouden worden, omdat de som van de drie actuatorkrachten ook gelijk gehouden kan worden (enkel het aangrijpingspunt van de resulterende kracht wordt t.o.v. het massa middelpunt verschoven).

15 Het design van de shaker volgens de uitvinding is binnen zekere grenzen modulair te noemen, omdat men d.m.v. toepassen van meerdere actuatoren (3 stuks, of 6 stuks, of 9 stuks etc.) de piekkracht van de shaker kan verhogen, waarbij de mechanisch constructie gelijk blijft. Met de shaker is men bijv. in staat om een uitvoering te bouwen met 3, 6 of 9 actuatoren en daarmee met één design een effectieve 20 oplossing te bieden voor drie krachten niveaus zonder dat daarvoor de mechanische constructie behoeft te wijzigen.

Om een grotere nauwkeurigheid te verkrijgen is het mogelijk om de kracht constante van de verschillende motoren met een positie sensor te kalibreren en deze middels een feed forward (geïmplementeerd als look-up tabel of wiskundige 25 functie) in de vorm van een stator versus mover positie afhankelijke stroom te corrigeren. Men is dan bij de lage frequenties waarbij de uitslagen groot zijn in staat nauwkeuriger een exacte sinusvormige kracht met constante kracht amplitude te produceren.

30 Beknopte omschrijving van de tekeningen

Hieronder zal de uitvinding nader worden toegelicht aan de hand van een in de tekeningen weergegeven uitvoeringsvoorbeeld van de shaker volgens de 4 uitvinding. Hierbij toont:

Figuur 1 schematisch een één-dimensionaal dynamisch model van de shaker; en

Figuur 2 het ontwerp van de shaker.

5

Gedetailleerde omschrijving van de tekeningen

Figuur 1 toont schematisch een één-dimensionaal dynamisch model van de shaker, waarbij een basisplaat 3 op de grond 1 aanwezig is en een reactiemassa 5 10 boven de basisplaat aanwezig is en met de basisplaat is gekoppeld. Een lineaire motor genereert de kracht Fact, die werkt op de basisplaat 3 en op de reactiemassa 5. De kracht Fground die op de grond werkt is: mreact·Vact+mbase·abase waarbij a de versnelling voorstelt en m de massa. Dit wordt de “weighted-sum ground force” genoemd.

In figuur 2 is het ontwerp van de shaker getoond. De basisplaat 3 is via 15 een zwaartekrachtcompensator 9 gekoppeld met de reactiemassa 5. Deze zwaartekrachtcompensator is gevormd door een laagfrequente veer. De reactiemassa is via een slappe parallelle geleiding, die gevormd is door een zestal omgevouwen bladveren 11, in verticale richting verplaatsbaar ten opzichte van de basisplaat 3. Tussen de basisplaat 3 en de reactiemassa 5 zijn drie elektromagnetische actuatoren aanwezig 20 die gevormd zijn door lineaire motoren 7 die om de 120 graden op de reactiemassa aanwezig zijn. Deze drie lineaire motoren 7 kunnen een sinusvormige kracht genereren van 6700N. Zowel op de reactiemassa als op de basisplaat is een versnellingssensor 13 respectievelijk 15 aanwezig die worden gebruikt om de weighted-sum ground force te berekenen. De lineaire motoren 7 zijn verbonden met vermogenselektronica en 25 processor unit 17.

Karakteristieke eigenschapen van de shaker zijn:

Reactiemassa: tussen de 500 en 2000 kg

Massa basisplaat: tussen de 150 en 300 kg

Actieve kracht: in de orde grootte van 5000-10.000 N

30 Frequentie: 2-200 Hz

Actieve slag: tussen 25 en 76 mm

In een vereenvoudigd model kan de grond gemodelleerd worden door een veer, wat resulteert in een resonantie frequentie van de basisplaat op de grond. Om op en boven deze frequentie reproduceerbaar een kracht in de grond te injecteren is een 5 feedback lus gesloten over het gemeten weighted-sum signaal en de actuator. De performance van de feedback lus wordt beperkt door de flexibele modes in the shaker. Daarom is het ontwerp geoptimaliseerd voor sensor en actuator plaatsing (mode shape observability), basisplaat, reactiemassa en bladveer ontwerp (demping).

5 Hoewel in het voorgaande de uitvinding is toegelicht aan de hand van de tekeningen, dient te worden vastgesteld dat de uitvinding geenszins tot de in de tekeningen getoonde uitvoeringsvorm is beperkt. De uitvinding strekt zich mede uit tot alle van de in de tekeningen getoonde uitvoeringsvorm afwijkende uitvoeringsvormen binnen het door de conclusies gedefinieerde kader.

Claims (7)

1. Seismische shaker omvattende een basisplaat voor plaatsing op de grond, alsmede een boven de basisplaat aanwezige reactiemassa die via koppelmiddelen is verbonden met de basisplaat, en ten minste drie tussen de basisplaat en de reactiemassa 5 aanwezige onafhankelijk aanstuurbare elektromagnetische actuatoren die met de basisplaat en de reactiemassa zijn verbonden en waarmee een kracht en moment op de basisplaat kan worden uitgeoefend.

2. Seismische shaker volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de shaker een aantal versnellingssensors omvat die op de reactiemassa aanwezig zijn en waarmee 10 versnelling/snelheid van de reactiemassa bepaald kan worden.

3. Seismische shaker volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de koppelmiddelen ten minste één veer omvatten.

4. Seismische shaker volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de koppelmiddelen ten minste één zwaartekrachtcompensator omvatten.

5. Seismische shaker volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de actuatoren gevormd zijn door elektromagnetische lineaire motoren zonder ferromagnetische materiaal in het bewegende deel.

6. Seismische shaker volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een hysteresevrije en in verplaatsingsrichting slappe parallelgeleiding 20 tussen de basisplaat en de reactiemassa aanwezig is.

7. Seismische shaker volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de shaker een regellus omvat die op basis van de gemeten afstand tussen de basisplaat en de reactiemassa de residuële stijfheid kan compenseren.