погружной источник сейсмических колебаний

Формула изобретения

1. Погружной источник сейсмических колебаний, включающий систему управления, линию подачи энергоносителя и излучатель, содержащий тупиковую магистраль, состоящую из одной или нескольких последовательно соединенных секций. каждая из которых включает в себя способный к радиальному расширению упругий рукав с концевыми нерасширяющимися частями, причем входная часть магистрали излучателя присоединена к концевой части линии подачи энергоносителя, а наружная поверхность излучателя содержит рабочую поверхность, отличающийся тем, что упругий рукав в каждой секции излучателя охвачен составной обоймой, содержащей рабочую поверхность и внутреннюю контактную поверхность, причем обойма образована двумя или более колодками, способными к поперечному перемещению относительно центральной оси упругого рукава, каждая из которых содержит соответствующие вышеуказанным поверхностям обоймы рабочую поверхность и внутреннюю контактную поверхность и выполнена в виде сектора полого кругового цилиндра или части этого сектора, каждая из двух продольных боковых сторон которой ограничена плоской поверхностью, параллельной соответствующей ей радиальной плоскости указанного сектора, а толщина обоймы на участке между ее рабочей и внутренней контактной поверхностями составляет не менее половины величины наружного диаметра упругого рукава.

2. Погружной источник по п.1, отличающийся тем, что плоские поверхности продольных боковых сторон колодки равноудалены от соответствующих им радиальных плоскостей указанного сектора, а плоскости продольной симметрии рабочей поверхности колодки и ее внутренней контактной поверхности совпадают друг с другом.

3. Погружной источник по п.1, отличающийся тем, что колодки каждой обоймы излучателя связаны с концевой частью линии подачи энергоносителя промежуточными звеньями с ограничением возможности осевого перемещения колодок в направлении, противоположном указанной концевой части.

4. Погружной источник по п.1, отличающийся тем, что диаметр рабочей поверхности колодок в каждой обойме излучателя составляет от 1,005 до 1,050 величины диаметра скважины, а диаметр окружности, описанной в плоскости поперечного сечения обоймы около крайних габаритных точек рабочих поверхностей всех колодок обоймы, сомкнутых до упора их продольных боковых сторон друг в друга, составляет от 0,95 до 1,00 величины диаметра скважины.

5. Погружной источник по п.1, отличающийся тем, что диаметр внутренней контактной поверхности каждой колодки обоймы излучателя составляет от 1,01 до 1,35 величины наружного диаметра охватываемого обоймой упругого рукава.

6. Погружной источник по п.1, отличающийся тем, что колодки обоймы излучателя выполнены и установлены в каждой секции таким образом, что их внутренние контактные поверхности во всех положениях, при которых они соприкасаются с наружной поверхностью, способной к радиальному расширению части охватываемого ими упругого рукава, перекрывают упомянутую часть рукава по его длине.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области геофизической техники, а именно к вибрационным источникам сейсмических колебаний, погружаемым в скважину или другую выработку в геологической среде, непосредственным воздействием на которую осуществляется возбуждение сейсмических колебаний.

Известен погружной источник сейсмических колебаний, в котором поршень под действием давления жидкости, сжатого воздуха или электромагнитных сил совершает возвратно-поступательное движение в устройстве, размещаемом в скважине, а нагрузки на стенки скважины передаются с помощью системы рычагов на рабочий орган, непосредственно воздействующий на геологическую среду (стенку скважины) (1).

Главным недостатком такого источника является его низкая сейсмическая эффективность, обусловленная невозможностью реализации высоких нагрузок в связи с габаритными ограничениями излучателя, и, как следствие, малой величиной реактивной массы, определяющей небольшие реальные нагрузки на стенки скважины.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к настоящему изобретению является погружной источник сейсмических колебаний, включающий систему управления, линию подачи энергоносителя и излучатель, содержащий тупиковую магистраль, состоящую из одной или нескольких последовательно соединенных секций, каждая из которых включает в себя способный к радиальному расширению упругий рукав с концевыми нерасширяющимися частями, причем входная часть магистрали излучателя присоединена к концевой части линии подачи энергоносителя, а наружная поверхность излучателя содержит рабочую поверхность (2).

Недостатком такого погружного источника сейсмических колебаний является его относительно низкая сейсмическая эффективность, повышение которой требует весьма существенного удорожания работ. Это обусловлено следующими факторами. Для решения современных поисковых задач на нефть, газ и другие полезные ископаемые полноценное освещение геологического разреза требует суммарных динамических нагрузок на стенки скважины порядка 100 кН. Для проведения региональных сейсмических исследований эта величина должна быть повышена в 2-3 раза. В то же время наиболее эффективная передача энергии в геологическую среду как с точки зрения ее потерь, так и с точки зрения наименьшего искажения сейсмического сигнала имеет место при нагрузках, величина которых не превосходит пределов упругости или, по крайней мере, предела прочности грунта, т.е. как правило, не превышает 0,3-0,4 МПа. Длина излучающей поверхности ограничена условиями возбуждения и регистрации (допустимыми с точки зрения искажения сигнала в диапазоне не только высоких, но даже и средних частот) величиной около 2-2,5 м. Поэтому необходимое для реализации указанных выше значений нагрузок увеличение излучающей поверхности может быть достигнуто лишь за счет роста диаметра излучателя. Однако расход рабочей жидкости при заданной амплитуде его пульсации D при возбуждении колебаний возрастает пропорционально квадрату внутреннего диаметра рукава D в рабочем положении, когда его наружная поверхность прижата к стенкам скважины. При этом в области давлений, не превышающих предела прочности, а для многих видов грунтов - предела упругости, величина D может составлять около 2 мм и более. Однако при таких D и диаметрах рукавов D = 200 мм и более существующие компактные насосные станции не обеспечивают необходимой производительности даже на частотах порядка 15-25 Гц, а использование более мощных насосов делает комплекс источника громоздким и практически нетранспортабельным в реальных полевых условиях. Использование толстостенных рукавов малоэффективно, поскольку основная энергия будет расходоваться на сжатие материала рукава.

Технической задачей изобретения является повышение сейсмической эффективности и снижение стоимости сейсморазведочных работ.

Задача решается за счет того, что в погружном источнике сейсмических колебаний, включающем систему управления, линию подачи энергоносителя и излучатель, содержащий тупиковую магистраль, состоящую из одной или нескольких последовательно соединенных секций, каждая из которых включает в себя способный к радиальному расширению упругий рукав с концевыми нерасширяющимися частями, причем входная часть магистрали излучателя присоединена к концевой части линии подачи энергоносителя, а наружная поверхность излучателя содержит рабочую поверхность, упругий рукав в каждой секции излучателя охвачен составной обоймой, содержащей рабочую поверхность и внутреннюю контактную поверхность, причем обойма образована двумя или более колодками, способными к поперечному перемещению относительно центральной оси упругого рукава, каждая из которых содержит соответствующие вышеуказанным поверхностям обоймы рабочую поверхность и внутреннюю контактную поверхность и выполнена в виде сектора полого кругового цилиндра или части этого сектора, каждая из двух продольных боковых сторон которой ограничена плоской поверхностью, параллельной соответствующей ей радиальной плоскости указанного сектора, а толщина колодки обоймы на участке между ее рабочей и внутренней контактной поверхностями составляет не менее половины величины наружного диаметра упругого рукава.

Плоские поверхности продольных боковых сторон колодки равноудалены от соответствующих им радиальных плоскостей указанного сектора, а плоскости продольной симметрии рабочей поверхности колодки и ее внутренней контактной поверхности совпадают друг с другом.

Колодки каждой обоймы излучателя связаны с концевой частью линии подачи энергоносителя промежуточными звеньями с ограничением возможности осевого перемещения колодок в направлении, противоположном указанной концевой части.

Диаметр рабочей поверхности колодок в каждой обойме излучателя составляет от 1,005 до 1,050 величины диаметра скважины, а диаметр окружности, описанной в плоскости поперечного сечения обоймы около крайних габаритных точек рабочих поверхностей всех колодок обоймы, сомкнутых до упора их продольных боковых сторон друг в друга, составляет от 0,95 до 1,00 величины диаметра скважины.

Диаметр внутренней контактной поверхности каждой колодки обоймы излучателя составляет от 1,01 до 1,35 величины наружного диаметра охватываемого обоймой упругого рукава.

Колодки обоймы излучателя выполнены и установлены в каждой секции таким образом, что их внутренние контактные поверхности во всех положениях, при которых они соприкасаются с наружной поверхностью упругого рукава, перекрывают упомянутую часть рукава по его длине.

Далее изобретение поясняется перечнем фигур чертежей, на которых схематически изображено:

фиг. 1 - общий вид погружного источника сейсмических колебаний;

фиг. 2 - поперечное сечение по А-А фиг. 1;

фиг. 3 - вариант поперечного сечения по А-А фиг. 1;

фиг. 4 - колодка обоймы, выполненная таким образом, что она является частью сектора полого кругового цилиндра с равноудаленными от радиальных плоскостей сектора боковыми сторонами и с совпадающими плоскостями продольной симметрии рабочей и контактной поверхностей;

фиг. 5 - поперечное сечение по А-А фиг. 4;

фиг. 6 - поперечное сечение 1-й секции излучателя для исполнения обоймы из трех колодок в исходном положении составных частей излучателя, т.е. при сомкнутых колодках обоймы до упора их продольных боковых сторон друг в друга;

фиг. 7 - 1-я секция излучателя в положении, при котором внутренние контактные поверхности ее колодок совпадают с наружной поверхностью расширившейся части упругого рукава и располагаются соосно этой поверхности;

фиг. 8 - поперечное сечение по А-А фиг. 7.

Погружной источник сейсмических колебаний состоит из системы управления 1, системы подачи энергоносителя 2, линии подачи энергоносителя 3 и излучателя 4. Излучатель 4 содержит тупиковую магистраль 5, состоящую из одной или нескольких последовательно соединенных секций (например, как показано на фиг. секции 5.1, 5.2 и 5.3 - для 3-х секционного исполнения магистрали), каждая из которых включает в себя способный к радиальному расширению под действием внутреннего давления упругий рукав 6 с концевыми нерасширяющимися частями 7. Входная часть магистрали 5 соединена с концевой частью 8 линии подачи энергоносителя 3 при помощи соединительного элемента 9, обеспечивающего жесткую и герметичную связь внутренних линий подачи энергоносителя и магистрали 5. Противоположный конец магистрали 5 снабжен заглушкой 10, герметизирующей указанный конец магистрали. Рукав 6 в каждой секции магистрали 5 охвачен составной обоймой 11, содержащей рабочую поверхность П_раб и внутреннюю контактную поверхность П_конт. Обойма 11 состоит из двух или более колодок. Например, на фиг. 2, 3, 6 и 8 показана обойма из трех колодок 11.1 в первой секции, трех колодок 11.2 - во второй секции и т.д. Увеличение числа колодок в обойме, с одной стороны, улучшает характеристики излучаемого сигнала, с другой стороны, увеличивает стоимость изготовления обоймы. Каждая из колодок в обойме выполнена в виде сектора полого кругового цилиндра, как показано на фиг. 2, или части этого сектора. Каждая из двух продольных боковых сторон колодки ограничена плоской поверхностью П_бок и П"_бок, параллельной соответствующей ей радиальной плоскости П_рад и П"_рад этого сектора, а толщина колодок обоймы S_кол на участке между ее рабочей и внутренней контактной поверхностями составляет не менее половины величины наружного диаметра упругого рукава D_рук.

Каждая обойма снабжена упругими элементами 12, например, устанавливаемыми в поперечных кольцевых канавках колодок резиновыми или пружинными кольцами, обеспечивающими упругое стягивание колодок в обойму в исходном положении и возврат колодок в исходное положение при сбросе давления в упругом рукаве 6.

Каждая колодка выполнена в виде части сектора полого кругового цилиндра, обе плоские поверхности продольных боковых сторон которой равноудалены от соответствующих им радиальных плоскостей указанного сектора (т.е. C₁=C₂), а плоскости продольной симметрии рабочей поверхности колодки П_сраб и ее внутренней контактной поверхности П_сконт совпадают друг с другом,

Как правило, для возбуждения продольных волн геометрические размеры конструктивных элементов каждой колодки обоймы выполняются равными геометрическим размерам соответствующих конструктивных элементов других колодок обоймы, в том числе центральные углы расположения рабочих поверхностей колодок одной обоймы равны между собой; также равны между собой центральные углы расположения внутренних контактных поверхностей колодок в одной обойме.

Колодки каждой обоймы связаны с концевой частью 8 линии подачи энергоносителя 3 промежуточными звеньями 13 с ограничением возможности перемещения колодок в направлении, противоположном указанной концевой части 8. При этом связь колодок каждой обоймы с концевой частью 8 с помощью промежуточных звеньев 13 может осуществляться как через соответствующие колодки предыдущей обоймы за счет крепления концов промежуточных звеньев на противолежащих концах соседних колодок обоймы каждой секции, так и непосредственной связью каждой колодки с концевой частью 8 с помощью соответствующего промежуточного звена 13. В последнем случае промежуточные звенья 13 размещаются, например, в продольных выемках в теле колодок вдоль их боковых сторон. Промежуточные звенья 13, ограничивая перемещения колодок в указанном выше направлении, обеспечивают в то же время возможность перемещения в направлении, противоположном указанному, и могут быть выполнены в виде, например, тросов, цепей, шарнирно соединенных звеньев и т.п.

Колодки в обойме излучателя выполнены таким образом, что диаметр их рабочей поверхности D_раб (фиг. 6) в каждой обойме составляет от 1,005 до 1,050 величины диаметра бурения скважины D_бур, а диаметр окружности D_ораб, описанной в плоскости поперечного сечения обоймы около крайних габаритных точек M₁, M₂, M₃ и т.д. (соответственно числу колодок в обойме) рабочих поверхностей D_раб всех колодок обоймы, сомкнутых до упора их продольных боковых сторон П_бок друг в друга из точек их центров O₁, O₂, O₃ и т.д. (соответственно числу колодок в обойме) в этом сомкнутом положении, составляет от 0,95 до 1,00 величины диаметра бурения скважины D_бур (т.е. D_раб = (1,005...1,05) D_бур; D_ораб = (0,95...1,00) D_бур), который практически всегда превышает диаметр D_скв.

Кроме того, диаметр внутренней контактной поверхности D_конт каждой колодки обоймы излучателя составляет от 1,01 до 1,35 величины наружного диаметра D_рук охватываемого обоймой упругого рукава, т.е. D_конт = (1,01...1,35)D_рук.

С помощью промежуточных звеньев 13 колодки в одной и той же обойме установлены на одном и том же расстоянии от концевой части 8 линии подачи энергоносителя 3, а положение каждой обоймы, в целом, устанавливается таким образом, что за счет этой установки и соответствующего выполнения внутренних контактных поверхностей П_конт (по их длине L_конт в конструкции колодок обоймы), эти внутренние контактные поверхности П_конт во всех положениях, при которых они соприкасаются с наружной поверхностью способной к радиальному расширению части охватываемого ими упругого рукава 6, перекрывают упомянутую расширившуюся часть рукава L"_рук его длине.

В положении, при котором внутренние контактные поверхности _конт колодок обоймы (фиг. 8) совпадают с наружной поверхностью П_рук расширившейся части охватываемого ими упругого рукава 6 и соосны ей, плоскость поперечной симметрии рабочей поверхности каждой колодки П_{пс раб}, проходящая через середину длины L_раб ее рабочей поверхности, совпадает с плоскостью поперечной симметрии П_{пс рук} расширившейся части упругого рукава 6, проходящей через середину ее длины L"_рук, с допускаемым отклонением в пределах 10% длины рабочей поверхности L_раб.

Принцип действия погружного источника сейсмических колебаний заключается в следующем.

Для возбуждения сейсмических колебаний с использованием предлагаемого погружного источника излучатель 4, подвешенный на линии подачи энергоносителя 3, погружается в скважину или другую горную выработку на заданную глубину. Спуск излучателя 4 в скважину осуществляется в исходном положении колодок во всех обоймах 11 излучателя, при котором все колодки в каждой обойме сомкнуты до соприкосновения их продольных боковых поверхностей П_бок с помощью упругих элементов 12, как показано на фиг. 6 для колодок 11.1 в обойме 1-й секции излучателя. В случае тяжелых условий прохождения излучателя по стволу скважины (заплывание ствола, прихват, заклинивание и т.п.) с целью придания большей жесткости упругим рукавам в тупиковую магистраль 5 от системы подачи энергоносителя 2 может быть подано давление, величина которого не должна превышать уровня внутренних сил сопротивления расширению упругого рукава, а также сил сопротивления упругих элементов 12, фиксирующих колодки обоймы в исходном положении.

Выполнение колодок обоймы в пределах соотношения D_{о раб} (0,95...1,00) D_бур при достаточно устойчивых стенках скважины обеспечивает нормальное прохождение излучателя по ее стволу. Однако вследствие трения рабочих поверхностей колодок П_раб о стенки скважины, осыпания породы при спуске, прихватов и т.п. обоймы с колодками могут перемещаться вверх вдоль тупиковой магистрали 5. В связи с этим для обеспечения установки обойм с колодками в исходное положение по отношению к соответствующим секциям 5.1, 5.2, 5.3 магистрали 5, обеспечивающим с учетом допускаемого отклонения оптимальное приложение (центровку) нагрузок по длине колодок обоймы при последующем расширении упругого рукава, линия подачи энергоносителя 3 с концевой частью 8 после спуска излучателя на расчетную глубину поднимается вверх на величину, равную расчетной максимально возможной величине смещения обойм при их спуске. При этом тупиковая магистраль, жестко связанная с концевой частью 8 указанной магистрали, также перемещается вверх, в том числе относительно обойм с колодками, имеющими свободный зазор с магистралью, до натяжения промежуточных звеньев 13 под действием сил тяжести обойм с колодками.

После этого осуществляется рабочий цикл воздействия на стенки скважины.

При работе в импульсном режиме возбуждения сейсмических колебаний воздействие осуществляется, как правило, забросом давления в заполненную рабочей жидкостью тупиковую магистраль 5. Заброс давления при этом может осуществляться через линию подачи энергоносителя 3 или непосредственной передачей давления в тупиковую магистраль 5 от управляемого аккумулирующего узла (например, пневмопушки, гидропушки и т.д.), устанавливаемого на входе в магистраль 5, накапливающего энергию от системы подачи энергоносителя 2 через линию его подачи 3 и срабатывающего (т.е. осуществляющего заброс давления и накопленной энергии) по команде от системы управления 1.

При работе в вибрационном режиме возбуждения колебаний перед непосредственным воздействием на стенки скважины, как правило, осуществляется статический прижим колодок обойм 11 к стенкам скважины. Для этого по команде системы управления 1 от системы подачи энергоносителя 2 через линию подачи энергоносителя 4 в тупиковую магистраль 5 подается статическое давление рабочей жидкости, под действием которого расширяющиеся упругие рукава 6 в каждой секции 5.1, 5.2, 5.3, воздействуя на П_конт колодок, перемещают последние до прижатия П_бок колодок к стенкам скважины с установленным статическим усилием, отвечающим условию безотрывности колодок от стенок скважины при последующем динамическом нагружении. Последующая работа источника как для случая импульсного, так и для вибрационного возбуждения отличается практически только тем, что в случае вибрационного возбуждения в источнике осуществляется управление формой, амплитудой и частотой колебаний за счет управления давлением и расходом во времени энергоносителя, подаваемого от системы подачи энергоносителя, что обеспечивает возбуждение вынужденных колебаний, а при импульсном возбуждении осуществляется кратковременный и практически не управляемый по форме и амплитуде заброс давления, возбуждающий собственные свободные колебания в геологической среде.

Под действием подаваемого в тупиковую магистраль давления упругие рукава 6 (фиг. 8), расширяясь и воздействуя на поверхность П_конт колодок (11.1 - в первой секции магистрали, 11.2 - во второй секции и т.д.), передают усилие от давления рабочей жидкости через их рабочие поверхности П_раб на стенки скважины и в геологическую среду, возбуждая сейсмические колебания. При этом колодки перемещаются в радиальном направлении в сторону стенок скважины (прямой ход) - при повышении давления и в сторону, противоположную стенкам скважины - при снижении или сбросе давления (обратный ход). Обратный ход колодок при этом осуществляется под действием упругих элементов 12 и упругих сил сопротивления грунта.

Цикл возбуждения колебаний на рабочей точке повторяется столько раз, сколько это предусмотрено методикой работ, причем после каждого цикла возбуждения осуществляется сброс давления в тупиковой магистрали; при работе в импульсном режиме сброс давления осуществляется, как правило, до атмосферного давления, при вибрационном режиме - до давления, при котором осуществлялся статический прижим колодок к стенкам скважины.

Для обеспечения спуска или подъема излучателя в скважине осуществляется сброс давления до величины атмосферного в тупиковой магистрали, вследствие чего колодки в обоймах под действием упругих элементов 12 возвращаются в исходное положение (фиг. 2, фиг. 6).

При спуске излучателя 4 по стволу скважины принцип действия погружного источника аналогичен вышеописанному. При подъеме транспортировка излучателя 4 обеспечивается (фиг. 1) передачей тягового усилия от линии подачи энергоносителя 3 через его концевую часть 8 на колодки 11.1, 11.2, 11.3 обойм при помощи связывающих их промежуточных звеньев 13, за счет которых обеспечивается также возможность расхаживания и извлечения колодок обойм 11 совместно с тупиковой магистралью 5 в случае их заклиниваний, прихватов и др. в стволе скважины.

Выполнение геометрических размеров колодок в обойме в пределах соотношений D_раб = (1,005...1,05) D_бур и D_{о раб} = (0,95...1,00) D_бур при смыкании их продольных боковых сторон друг в друга обеспечивает повышение сейсмической эффективности и снижение стоимости работ за счет выполнения геометрических размеров П_раб в поперечном сечении, зависящих от D_раб, при которых обеспечивается оптимальное прилегание П_раб к поверхности скважины с учетом реальных отклонений D_скв от D_бур и упругих смещений грунта при нагрузках, действующих при проведении циклов воздействий, а также обеспечения возможности транспортировки излучателя при реальных отклонениях D_скв от D_бур.

Экспериментальная проверка описываемого погружного источника сейсмических колебаний показала более чем двукратное повышение сейсмической эффективности и снижение стоимости работ.

Источники информации

1. Патент США N 4805727, кл. G 01 V 1/40, 1989.

2. Патент США N 4252210, кл. G 01 V 1/14, 1981.