RU2233000C1

RU2233000C1 - Impulse non-explosive ground seismosource

Info

Publication number: RU2233000C1
Application number: RU2003111244/28A
Authority: RU
Inventors: В.В. Ивашин (RU); В.В. Ивашин; Н.А. Иванников (RU); Н.А. Иванников
Original assignee: Ивашин Виктор Васильевич; Иванников Николай Александрович
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2003-04-18
Publication date: 2004-07-20

Abstract

FIELD: generation of seismic waves at seismoprospecting operations.

SUBSTANCE: the source has a rigid base-radiator of seismic waves, sticked load, self-contained electric power supply system and a power electromagnet, whose force is transmitted to the base. The electromagnet inductor is fastened on the sticked load, which rests on the base and is made with a cantilever. The end of the cantilever is coupled to the support on the base by means of an axle. The movement of the sticked load upwards at operation of the seismosource is accompanied by arising of inconsiderable frictional forces in the axle connection, which provides for an effective excitation of seismic waves both in the horizontal and non-horizontal positions of the base on the ground (at operation on a cross country).

EFFECT: enhanced durability, reduced frictional forces counteracting the movement of the sticked load, provided effective operation in the non-horizontal position of the base.

3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области невзрывных импульсных сейсмоисточников, применяемых при проведении сейсморазведочных работ, и предназначено для создания сейсмических волн воздействием импульсного усилия на поверхность грунта.The invention relates to the field of non-explosive pulsed seismic sources used in seismic exploration, and is intended to create seismic waves by the action of pulsed forces on the soil surface.

Известен источник сейсмических волн (Теория и практика наземной невзрывной сейсморазведки - под ред. д.т.н. Шнеерсона М.Б. М.: Недра, 1998, с.149-151), принятый за аналог. Источник содержит расположенную на поверхности грунта опорную плиту-излучатель, пригруз - инертную массу и импульсный электромеханический преобразователь со схемой электрического питания. Ферромагнитные якорь и реактор электромеханического преобразователя расположены коаксиально и содержат обмотку возбуждения, помещенную в пазах на обращенных друг к другу цилиндрических поверхностях магнитопроводов.A well-known source of seismic waves (Theory and practice of land-based non-explosive seismic exploration - under the editorship of Doctor of Technical Sciences Schneerson MB M .: Nedra, 1998, p.149-151), adopted as an analogue. The source contains a base plate-emitter located on the surface of the soil, a load - an inert mass and a pulsed electromechanical converter with an electric power circuit. The ferromagnetic armature and the reactor of the electromechanical converter are located coaxially and contain an excitation winding placed in grooves on the cylindrical surfaces of the magnetic circuits facing each other.

Недостатком аналога является низкая сейсмическая эффективность, определяемая низким значением коэффициента преобразования потребляемой электромеханическим преобразователем от схемы электрического питания энергии в механическую энергию воздействия на грунт. Это приводит к увеличению отношения веса сейсмоисточника к развиваемой им силе, большой стоимости и большой потребляемой электрической мощности, что ограничивает возможности сейсмоисточника и область его применения.The disadvantage of the analogue is the low seismic efficiency, determined by the low value of the conversion coefficient consumed by the electromechanical converter from the electric power supply circuit of the energy into mechanical energy of impact on the ground. This leads to an increase in the ratio of the weight of the seismic source to the force it develops, its high cost and high electrical power consumption, which limits the capabilities of the seismic source and its scope.

Известен источник сейсмических волн (Патент РФ №2171478, БИ. №21, 2001 г), принятый за прототип и содержащий плиту-излучатель сейсмических волн, пригруз, преобразователь электромагнитного типа, индуктор которого жестко соединен с пригрузом, а якорь размещен над индуктором и отделен от него воздушным зазором, схемы электрического питания и обмотку возбуждения в пазах магнитопровода индуктора.A known source of seismic waves (RF Patent No. 2171478, BI. No. 21, 2001), adopted as a prototype and containing a plate-emitter of seismic waves, a load, an electromagnetic type converter, the inductor of which is rigidly connected to the load, and the anchor is placed above the inductor and separated from it by an air gap, electrical power circuits and an excitation winding in the grooves of the inductor magnetic circuit.

Недостатками прототипа являются ограниченность его применения и недостаточные долговечность и сейсмическая эффективность. Перемещение пригруза вверх-вниз при работе сейсмоисточника сопровождается значительным трением между пригрузом и его направляющими. При работе сейсмоисточника на холмистой местности положение сейсмоисточника негоризонтальное, трение при движении пригруза по направляющим возрастает, что приводит к снижению долговечности сейсмоисточника из-за интенсивного износа трущихся поверхностей, снижению величины и стабильности создаваемых им механических воздействий на грунт и снижению сейсмической эффективности. При этом возможны заклинивание скользящей пары пригруз-направляющие, что приводит к отказам в работе сейсмоисточника. Кроме этого, сейсмоисточник не может создавать поперечные волны, что также ограничивает его возможности применения.The disadvantages of the prototype are the limitations of its use and insufficient durability and seismic efficiency. The movement of the load up and down during the operation of the seismic source is accompanied by significant friction between the load and its guides. When the seismic source operates on hilly terrain, the position of the seismic source is not horizontal, friction during movement of the load along the guides increases, which leads to a decrease in the durability of the seismic source due to intensive wear of the friction surfaces, a decrease in the magnitude and stability of the mechanical effects it creates on the soil, and a decrease in seismic efficiency. In this case, jamming of the sliding pair of load-guides is possible, which leads to failures in the operation of the seismic source. In addition, the seismic source cannot create shear waves, which also limits its application.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение долговечности сейсмоисточника и расширение области применения за счет обеспечения его эффективной работы на пересеченной местности.The problem to which the invention is directed, is to increase the durability of the seismic source and expand the scope by ensuring its effective operation on rough terrain.

Техническим результатом является снижение противодействующих перемещению пригруза сил трения и обеспечение возможности эффективной работы сейсмоисточника при негоризонтальном положении основания-излучателя на грунте.The technical result is to reduce the frictional forces that counteract the movement of the load and provide the possibility of efficient operation of the seismic source with the horizontal position of the emitter base on the ground.

Упомянутая задача достигается тем, что сейсмоисточник, содержащий основание-излучатель сейсмических волн, опертый на него пригруз, электромагнит, индуктор которого жестко закреплен на пригрузе, а якорь размещен над магнитопроводом индуктора и отделен от него воздушным зазором, отличается тем, что основание-излучатель выполнено с двумя выступающими над ним опорами, якорь оперт на первую из них, а пригруз снабжен консолью, конец которой посредством оси соединен со второй опорой с возможностью углового перемещения в вертикальной плоскости в направлении уменьшения воздушного зазора.The aforementioned task is achieved in that the seismic source containing the seismic wave emitter base, a load supported on it, an electromagnet whose inductor is rigidly fixed to the load, and the armature is placed above the inductor magnetic circuit and separated from it by an air gap, differs in that the emitter base is made with two supports protruding above it, the anchor is supported on the first one, and the load is equipped with a console, the end of which is connected via an axis to the second support with the possibility of angular movement in a vertical plane in the direction of reducing the air gap.

Якорь электромагнита может быть снабжен консолью, конец которой посредством оси соединен со второй опорой.The anchor of the electromagnet can be equipped with a console, the end of which is connected via an axis to the second support.

Основание-излучатель может быть выполнено с увеличивающейся в направлении от первой опоры ко второй высотой, а нижняя поверхность основания снабжена выступами с возможностью их погружения в грунт.The emitter base can be made with increasing in the direction from the first support to the second height, and the lower surface of the base is equipped with protrusions with the possibility of immersion in the ground.

Получение технического результата достигается за счет осевого соединения конца консоли пригруза со второй опорой, что обеспечивает возможность перемещения пригруза без возникновения значительных противодействующих движению пригруза сил трения при работе сейсмоисточника как при его горизонтальном, так и не горизонтальном положении основания сейсмоисточника на грунте, т.е. при его работе на холмистой местности.The technical result is achieved due to the axial connection of the end of the load bracket with the second support, which makes it possible to move the load without significant frictional forces opposing the movement of the load during operation of the seismic source, both when it is horizontal and not horizontal, on the ground, i.e. when working on hilly terrain.

Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 показан продольный разрез сейсмоисточника; на фиг.2 - вид сверху при снятом якоре; на фиг.3 - диаграмма работы; на фиг.4 - конструктивная схема сейсмоисточника с выполнением основания-излучателя в виде полоза саней; на фиг.5 - вид сбоку варианта конструкции с консольным соединением якоря с опорой и клинообразным основанием-излучателем.The device is illustrated by drawings. Figure 1 shows a longitudinal section of a seismic source; figure 2 is a top view with the anchor removed; figure 3 is a diagram of the work; figure 4 is a structural diagram of a seismic source with the implementation of the base-emitter in the form of a runner sleigh; figure 5 is a side view of a design with a cantilever connection of the armature with a support and a wedge-shaped base-emitter.

Сейсмоисточник содержит жесткое основание-излучатель 1 с первой опорой 2 и второй опорой 3, фиг.1, 2. Пригруз 4 оперт на основание 1 и снабжен консолью 5, конец которой посредством оси 6 соединен с вершиной опоры 3. Индуктор 7 электромагнита с размещенной в пазах его магнитопровода обмоткой возбуждения 8 закреплен на пригрузе 4. Якорь 9 электромагнита помещен над индуктором 7, отделен от него воздушным зазором 10 и оперт на опору 2 с возможностью перемещения вверх относительно опоры 2. К обмотке возбуждения 8 электромагнита присоединена схема электрического питания, которая может быть размещена отдельно от сейсмоисточника (на фиг.1, 2 не показана). Между пригрузом 4 и основанием 1 может быть помещена прокладка 11 из податливого материала, например резины или полиуретана.The seismic source contains a rigid emitter base 1 with a first support 2 and a second support 3, Figs. 1, 2. A load 4 is supported on the base 1 and is equipped with a console 5, the end of which is connected via the axis 6 to the top of the support 3. An inductor 7 of an electromagnet with the grooves of its magnetic circuit is mounted on the load 4 by the excitation winding 4. An anchor 9 of the electromagnet is placed above the inductor 7, separated from it by an air gap 10 and is supported on the support 2 with the possibility of moving upward relative to the support 2. An electric circuit is connected to the excitation winding 8 of the electromagnet eskogo supply, which can be placed separately from the seismic source (1, 2 are not shown). Between the load 4 and the base 1 can be placed a gasket 11 of a flexible material, such as rubber or polyurethane.

Работает сейсмоисточник следующим образом. В момент t_o (фиг.3) по сигналу с сейсмостанции от подготовленной к работе схемы электропитания по обмотке возбуждения 8 электромагнита пропускается импульс тока необходимой величины и между магнитопроводами якоря 9 и индуктора 7 создается сила 12. Эта сила через опору 2 передается от якоря 9 на основание-излучатель 1, что приводит к перемещению 13 основания 1 вниз, формированию импульсного механического воздействия на грунт, сжатию грунта и созданию сейсмической волны. Одновременно с силовым воздействием на основание 1 сила 12 действует на индуктор 7, который вместе с пригрузом 4 начинает перемещаться вверх, совершая угловое движение вокруг оси 6 на опоре 3. К моменту t₁ в результате встречного движения якоря вниз, а индуктора вверх зазор 10 между ними уменьшается до нулевого значения и в момент t₁ происходит ударное взаимодействие якоря 9 и закрепленного на пригрузе 4 индуктора 7. Поскольку масса якоря 9 в несколько раз меньше массы индуктора 7 с пригрузом 4, то после ударного взаимодействия якорь 9 и индуктор 7 с пригрузом 4 продолжают совместное движение 14 (фиг.3) вверх в поле силы тяжести, совершая угловое перемещение вокруг оси 6 опоры 3.The seismic source works as follows. At time t _o (Fig. 3), a signal of the required magnitude is passed through a signal from a seismic station from a power supply circuit prepared for operation on an excitation winding 8 of an electromagnet, and a force 12 is generated between the armature cores of the armature 9 and the inductor 7. This force is transmitted from the armature 9 through the support 2 on the emitter base 1, which leads to the displacement of the base 1 down 13, the formation of a pulsed mechanical effect on the soil, the compression of the soil and the creation of a seismic wave. Simultaneously with the force acting on the base 1, the force 12 acts on the inductor 7, which, together with the load 4, begins to move upward, making an angular movement around the axis 6 on the support 3. By the time t _1, as a result of the oncoming movement of the armature down, and the inductor up, the gap 10 between them decreases to zero and at time t ₁ occurs impact interaction armature 9 and fixed to prigruzami 4 inductor 7. since the mass of the armature 9 is several times smaller than the mass of the inductor 7 prigruzami 4, after the impact interaction anchor 9 and the inductor 7 4 rigruzom continued joint movement 14 (3) upward in the gravity field, making an angular displacement around the axis 6 of the support 3.

В момент t₁ действие силы 12 на основание 1 в связи с выбором зазора 10 заканчивается и при t>t₁ происходит свободное колебание 13 основания 1 на грунте, частота которого определяется массой основания с опорами и реологическими параметрами упругого грунтового полупространства. Процесс силового нагружения грунта на интервале t₀-t₁ и дальнейшее затухающее колебание 13 основания 1 на грунте сопровождается излучением сейсмической волны.At time t _{1, the} action of the force 12 on the base 1 in connection with the choice of the gap 10 ends and at t> t ₁ there is a free oscillation 13 of the base 1 on the ground, the frequency of which is determined by the mass of the base with supports and rheological parameters of the elastic ground half-space. The process of power loading of the soil in the interval t ₀ -t ₁ and further damped oscillation 13 of the base 1 on the soil is accompanied by the emission of a seismic wave.

Максимальное перемещение пригруза с индуктором и якорем электромагнита вверх определяется их послеударной скоростью движения в момент t₁. После достижения максимальной высоты (момент t₂) пригруз перемещается вниз и в момент t₃ возвращения якоря на опору 2 происходит ударное взаимодействие 15 между якорем и опорой 2 основания 1, сопровождающееся созданием звуковой волны и сейсмической волны-помехи. В момент t₄ возвращения пригруза 4 на основание 1 происходит повторное ударное взаимодействие 16, также сопровождающееся созданием звуковой волны и сейсмической волны-помехи.The maximum movement of the load with the inductor and the armature of the electromagnet up is determined by their post-impact speed at time t ₁ . After reaching the maximum height (moment t ₂ ), the load moves down and at the moment t _{3 the} anchor returns to the support 2, shock interaction 15 occurs between the anchor and the support 2 of the base 1, accompanied by the creation of a sound wave and a seismic interference wave. At time t _{4, the} return of the cargo 4 to the base 1, a second shock interaction 16 occurs, which is also accompanied by the creation of a sound wave and a seismic interference wave.

Образование сейсмических волн-помех в моменты t₃ и t₄ незначительно влияет на качество получаемой при работе сейсмоисточника сейсмической информации ввиду значительной задержки моментов t₃ и t₄ относительно момента t₀ начала формирования рабочего сейсмического воздействия на грунт. Импульсные воздействия 15 и 16 на основание 1 сейсмоисточника при необходимости могут быть существенно уменьшены применением одностороннего демпфера, установленного между пригрузом 4 и основанием 1 с целью создания тормозного усилия, снижающего скорость движения пригруза при его перемещении из верхнего положения в исходное на основание 1. Импульсное воздействие 16 уменьшается также при помещении упругой прокладки 11 между пригрузом 4 и основанием 1, фиг.1.The formation of seismic noise waves at moments t ₃ and t ₄ slightly affects the quality of seismic information obtained during operation of the seismic source due to the significant delay of moments t ₃ and t ₄ relative to time t _{0 of the} beginning of the formation of a working seismic effect on the soil. Pulse effects 15 and 16 on the base 1 of the seismic source, if necessary, can be significantly reduced by using a one-way damper installed between the load 4 and the base 1 in order to create a braking force that reduces the speed of movement of the load when it moves from the upper position to the original one on the base 1. Pulse effect 16 also decreases when the elastic strip 11 is placed between the load 4 and the base 1, FIG. 1.

При каждом последующем пропускании импульса тока по обмотке возбуждения 8 электромагнита создаются аналогичные рассмотренному импульсные воздействия на грунт.With each subsequent transmission of a current pulse through the excitation winding 8 of the electromagnet, impulse effects on the ground similar to those considered are created.

Механические удары якоря 9 и индуктора 7 в момент t₁ выбора зазора 10 при их встречном движении создают звуковую волну и приводят к уменьшению долговечности магнитопроводов якоря и индуктора и снижению электромагнитных характеристик электромагнита за счет наклепа пластин магнитопровода якоря и индуктора. Эти недостатки могут быть устранены установкой на индукторе или якоре прокладок из упругого материала, частично выступающих в воздушный зазор и устраняющих жесткий, происходящий в момент t₁ удар магнитопроводов якоря и индуктора.Mechanical impacts of the armature 9 and inductor 7 at the time t _{1 of the} choice of the gap 10 during their oncoming movement create a sound wave and lead to a decrease in the durability of the magnetic circuits of the armature and the inductor and lower electromagnetic characteristics of the electromagnet due to the hardening of the plates of the magnetic circuit of the armature and the inductor. These disadvantages can be eliminated by installing on the inductor or anchor gaskets made of elastic material, partially protruding into the air gap and eliminating the hard impact of the armature and inductor magnetic circuits at time t ₁ .

Для проведения сейсморазведочных работ на грунте со снежным покровом основание сейсмоисточника может быть выполнено в виде санного полоза, фиг.4. Два полоза могут быть объединены в одну санную, транспортируемую по снежному покрову сейсмоустановку.To conduct seismic surveys on soil with snow cover, the base of the seismic source can be made in the form of a sled runner, Fig.4. Two runners can be combined into one sled, transported along the snow cover by a seismic installation.

При массе сейсмоисточника (4-5)·10³ кг развиваемое электромагнитами усилие достигает (50-70)·10⁴H и он может перемещаться по снежному покрову трактором или иным транспортным средством.With the mass of the seismic source (4-5) · 10 ³ kg, the force developed by the electromagnets reaches (50-70) · 10 ⁴ H and it can move along the snow cover with a tractor or other vehicle.

Для снижения массы сейсмоисточника и повышения импульсного механического воздействия на грунт основание 1 и опоры 2 и 3 сейсмоисточника могут быть выполнены из легких высокопрочных сплавов алюминия или титана.To reduce the mass of the seismic source and increase the pulsed mechanical effect on the soil, the base 1 and supports 2 and 3 of the seismic source can be made of light high-strength alloys of aluminum or titanium.

Якорь 9 может быть снабжен консолью, конец которой посредством оси 6 соединен со второй опорой 3, что обеспечивает его стабильное положение на опоре 2 при работе сейсмоисточника и позволяет, при необходимости, выполнять первую опору 2 не в виде двух стоек, расположенных на основании с боковых сторон пригруза (фиг.1, 2), а в виде опоры 2 (фиг.5), расположенной на основании слева от пригруза.The anchor 9 can be equipped with a console, the end of which is connected via the axis 6 to the second support 3, which ensures its stable position on the support 2 during operation of the seismic source and allows, if necessary, to perform the first support 2 not in the form of two posts located on the base from the side sides of the cargo (Fig. 1, 2), and in the form of a support 2 (Fig. 5) located on the base to the left of the cargo.

Для возможности создания поперечных сейсмических волн сейсмоисточник может быть выполнен с основанием или установлен на основании, высота которого увеличивается в направлении от первой опоры 2 ко второй опоре 3, что обеспечивает расположение сейсмоисточника под углом γ к плоскости грунта, фиг.5. Создаваемое сейсмоисточником на грунт усилие Р при этом содержит продольную P_p=P·cosγ и поперечную P_s=P·sinγ составляющие, что приводит к возможности создания сейсмоисточником поперечных волн. Усилие P_s на грунт передается через выступы на прилегающей к грунту поверхности основания 1, фиг.5.To create transverse seismic waves, the seismic source can be made with the base or installed on the base, the height of which increases in the direction from the first support 2 to the second support 3, which ensures the location of the seismic source at an angle γ to the ground plane, Fig.5. The force P created by the seismic source on the ground contains longitudinal P _p = P · cosγ and transverse P _s = P · sinγ components, which makes it possible for the seismic source to create transverse waves. The force P _s to the soil is transmitted through the protrusions on the surface of the base 1 adjacent to the soil, Fig. 5.

Конструктивная схема на фиг.5 была применена при разработке переносного сейсмоисточника весом ~40 кг, развивающего усилие до 1,5·10⁴H и предназначенного для проведения сейсмических исследований зоны малых скоростей на глубину 200-300 м. Сейсмоисточник выполнен с консолью 17 на якоре, что обеспечило ему устойчивую работу как при негоризонтальной поверхности грунта, так и при углах γ к горизонту при применении клинообразной подставки с выступами-зубцами на ее прилегающей к грунту поверхности. Автономная система возбуждения магнитного поля и создания импульсного воздействия на грунт обеспечивает его работу от переменного напряжения 220 В или аккумуляторной батареи с напряжением 12 В. При частоте следования силовых воздействий на грунт 1 Гц средняя потребляемая сейсмоисточником мощность не превышает 50 Вт.The structural diagram in Fig. 5 was applied in the development of a portable seismic source weighing ~ 40 kg, developing a force of up to 1.5 · 10 ⁴ H and intended for seismic studies of the low-velocity zone to a depth of 200-300 m. The seismic source is made with the arm 17 at anchor , which ensured its stable operation both at a non-horizontal surface of the soil, and at angles γ to the horizon when using a wedge-shaped stand with protrusions-teeth on its surface adjacent to the soil. An autonomous system for exciting the magnetic field and creating a pulsed effect on the ground ensures its operation from an alternating voltage of 220 V or a storage battery with a voltage of 12 V. At a frequency of repetition of force effects on the ground of 1 Hz, the average power consumed by the seismic source does not exceed 50 watts.

Claims

1. A non-explosive pulse ground-based seismic source containing a rigid emitter base, a load supported on it, an electromagnet whose excitation winding is connected to an electric power supply circuit, the inductor magnetic circuit is mounted on the load, and the armature magnetic circuit is located above the inductor magnetic circuit and separated from it by an air gap, different the fact that the said base is made with two supports protruding above it, the anchor is supported on the first one, and the load is equipped with a console, the end of which is connected via an axis with a second support with the possibility of angular movement in a vertical plane in the direction of decreasing the air gap.

2. The pulse non-explosive seismic source according to claim 1, characterized in that the anchor is equipped with a console, the end of which is connected via axis to the second support.

3. Pulse non-explosive seismic source according to claims 1 and 2, characterized in that the base is made with increasing in the direction from the first support to the second height, and the bottom surface of the base is equipped with protrusions with the possibility of immersion in the ground.