источник сейсмических колебаний

Формула изобретения

Источник сейсмических колебаний, содержащий гидроцилиндр в виде рабочего цилиндра и поршня, один из которых соединен с пригрузом, а другой - с излучающей плитой, и управляемый клапан, к приводу которого присоединено устройство управления, и устройство для подъема пригруза на высоту h, отличающийся тем, что рабочая полость между поршнем и рабочим цилиндром через управляемый клапан соединена с резервуаром для слива жидкости, нерабочая полость между рабочим цилиндром и поршнем со стороны штока соединена с резервуаром для слива жидкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области невзрывной сейсморазведки и предназначено для возбуждения сейсмических волн с использованием энергии падающего груза при производстве сейсморазведочных работ.

Известен [Авторское свидетельство СССР №687430, кл. G01V 1/147, 1979] источник сейсмических колебаний, содержащий установленный на излучающей плите гидроцилиндр с поршнем, соединенным с пригрузом, и управляемый клапан, соединенный с одной стороны с полостью между поршнем и гидроцилиндром, а другой с аккумулятором низкого давления.

Из-за противодействия внутреннего давления аккумулятора низкого давления истечению жидкости из гидроцилиндра скорость падения пригруза невелика. Это снижает сейсмическую эффективность такого источника сейсмических сигналов за счет малой энергии, которую набирает пригруз к моменту передачи ее в грунт во время торможения.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому является источник [Авторское свидетельство СССР №1824608, кл. G01V 1/147, 1993 - прототип] сейсмических колебаний, содержащий гидроцилиндр в виде рабочего цилиндра и поршня, один из которых соединен с пригрузом, а другой - с излучающей плитой, устройство подъема пригруза на высоту h и управляемый клапан, к приводу которого присоединено устройство управления, соединенный с одной стороны с рабочей полостью между поршнем и гидроцилиндром, а другой с резервуаром для слива жидкости в виде полости в пригрузе.

Часть недостатков предыдущего источника сейсмических колебаний в нем устранена. Однако его сейсмическая эффективность также невелика.

К уплотнению между поршнем и цилиндром, а также между цилиндром и штоком предъявляются противоречивые взаимоисключающие требования. Оно должно быть сильным, чтобы исключить прохождение жидкости через уплотнение и должно быть слабым, чтобы трение было небольшим.

Если уплотнение слабое, то на интервале формирования сейсмического импульса наблюдается частичное просачивание жидкости через зазор между цилиндром и поршнем в полость над поршнем. При подъеме поршня в верхнее крайнее положение она или выдавливается через уплотнение за пределы гидроцилиндра или накаливается в полости над поршнем. Это приводит к ее повышенному расходу, загрязнению поверхности сейсмоисточника и ухудшению его экологических и гигиенических свойств.

Если уплотнения между штоком и цилиндром обеспечивает предотвращение вытекания жидкости из гидросистемы сейсмоисточника, то накапливающаяся над поршнем жидкость ограничивает высоту подъема груза. Это постепенно приводит к сокращению времени цуга или невозможности формирования серии импульсов в течение заданного времени цуга. В результате работа сейсмоисточника возможна только с короткими межремонтными периодами. Частые ремонты необходимы для производства работ по удалению жидкости из нерабочей полости над поршнем или для добавления жидкости в гидросистему, что снижает эксплуатационные удобства при работе с сейсмоисточником и увеличивает затраты на его эксплуатацию.

Если уплотнение сильное, то это обеспечивает сохранение жидкости под поршнем, но увеличивается трение между поршнем и цилиндром. Это отбирает часть энергии падающего груза на преодоление этого повышенного трения в уплотнении и, следовательно, уменьшает энергию, передаваемую в грунт, что снижает сейсмическую эффективность.

Целью настоящего изобретения является достижение технического результата в виде повышения эффективности источника сейсмических колебаний путем решения задачи - увеличения энергии, передаваемой в грунт при возбуждении сейсмического сигнала, при одновременном повышении эксплуатационных удобств, сокращении расхода жидкости, увеличения межремонтных периодов и улучшения экологических и гигиенических свойств сейсмоисточника.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что в известном источнике сейсмических колебаний, содержащем гидроцилиндр в виде рабочего цилиндра и поршня, один из которых соединен с пригрузом, а другой с излучающей плитой, и управляемый клапан, к приводу которого присоединен блок управления, и подъемное устройство, с помощью которого поднимают пригруз на высоту h, рабочая полость между поршнем и рабочим цилиндром через управляемый клапан соединена с резервуаром для слива жидкости, нерабочая полость между рабочим цилиндром и поршнем со стороны штока соединена с резервуаром для слива жидкости.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации позволил установить, что введенные элементы и образованные новые конструктивные связи между элементами предлагаемого источника сейсмических колебаний образуют совокупность отличительных существенных признаков, что обуславливает соответствие предлагаемого технического решения условию патентоспособности "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображен предлагаемый источник сейсмических колебаний для варианта соединения с излучающей плитой рабочего цилиндра, а с пригрузом поршня. На фиг.2 изображен предлагаемый источник сейсмических колебаний для варианта соединения с излучающей плитой поршня, а с пригрузом рабочего цилиндра.

Источник сейсмических колебаний на фиг.1 содержит гидроцилиндр с рабочим цилиндром 1 и поршнем 2, который через шток 3 соединен с пригрузом 4, а рабочий цилиндр 1 соединен с излучающей плитой 5, расположенной на грунте 6. Рабочая полость 7 между поршнем 2 и рабочим цилиндром 1 через управляемый клапан 8 соединена с резервуаром 9 для слива жидкости 10. Между рабочей полостью 7 и резервуаром 9 может быть включен гидронасос 11 с обратным клапаном 12 для нагнетания жидкости в рабочую полость 7 при подъеме пригруза 4. Устройство 13 управления присоединено к приводу управляемого клапана 8. Нерабочая полость между рабочим цилиндром 1 и поршнем 2 со стороны штока 3 соединена с резервуаром 9 для слива жидкости каналом 14.

Источник сейсмических колебаний на фиг.1 работает следующим образом.

Перед началом работы поршень 2 со штоком 3 и пригруз 4 находятся в нижнем положении.

Для создания серии силовых воздействий на грунт с целью возбуждения сейсмических колебаний предварительно, с помощью подъемного устройства, выполненного, например, в виде гидронасоса 11 с обратным клапаном 12, который подключен параллельно управляемому клапану 8 и вращаемого от вала отбора мощности транспортного средства сейсмоисточника, нагнетают жидкость из резервуара 9 в рабочую полость 7. Под действием давления, создаваемого гидронасосом 11 в полости 7, поршень 2 со штоком 3 и пригрузом 4 поднимаются вверх на расстояние h. После этого гидронасос 11 останавливают и пригруз 4 остается в поднятом на высоту h состоянии. Источник сейсмических колебаний становится приведенным в исходное состояние готовности к возбуждению сейсмических колебаний.

Для возбуждения в грунте сейсмических колебаний от устройства 13 управления подают команду на срабатывание управляемого клапана 8. Клапан 8 открывается и жидкость из полости 7 под действием избыточного давления, обусловленного весом пригруза 4, перетекает в резервуар 9 через управляемый клапан 8. При этом пригруз 4 падает вниз, запасая кинетическую энергию W_k=mV²/2, где m - масса пригруза 4, V - скорость пригруза 4 к моменту закрытия клапана 8. При соответствующем выборе геометрических размеров отверстия клапана 8, обеспечивающих малое гидродинамическое сопротивление, после открытия клапана 8 пригруз 4 перемещается вниз в режиме свободного падения или близком к нему. Тогда будет соблюдаться равенство энергии mV²/2=mgh ₁, где g - ускорение силы тяжести, h₁ - величина перемещения пригруза 4 при единичном срабатывании сейсмоисточника. В момент времени, когда пригруз 4 запасет необходимую для возбуждения сейсмических волн энергию, клапан 8 сигналом с устройства 13 управления закрывают. Пригруз 4 затормаживается на высоте h-h₁ и его энергия mV ²/2=mgh₁ через жидкость в рабочей полости 7, гидроцилиндр 1 и плиту 5 передается в грунт 6.

Для повторного возбуждения сейсмических волн вновь в необходимый момент времени сигналом с устройства 13 открывают клапан 8 и описанный выше процесс повторяется.

Источник сейсмических сигналов на фиг.2 работает следующим образом.

Перед началом работы поршень 2 со штоком 3 и пригруз 4 находятся в верхнем положении.

Для создания серии силовых воздействий на грунт с целью возбуждения сейсмических колебаний предварительно, с помощью устройства для подъема пригруза 4 на высоту h, выполненного, например, в виде гидронасоса 11 с обратным клапаном 12, который подключен параллельно управляемому клапану 8 и вращаемого от вала отбора мощности транспортного средства сейсмоисточника, нагнетают жидкость из резервуара 9 в рабочую полость 7. Под действием давления, создаваемого гидронасосом 11 в полости 7, рабочий цилиндр 1 пригрузом 4 поднимаются вверх на расстояние h. После этого гидронасос 11 останавливают и пригруз 4 остается в поднятом на высоту h состоянии. Источник сейсмических колебаний становится приведенным в исходное состояние готовности к возбуждению сейсмических колебаний.

Для возбуждения в грунте сейсмических колебаний от устройства 13 управления подают команду на срабатывание управляемого клапана 8. Клапан 8 открывается и жидкость из полости 7 под действием избыточного давления, обусловленного весом пригруза 4, перетекает по шлангу в резервуар 9 через управляемый клапан 8. При этом пригруз 4 падает вниз, запасая кинетическую энергию W _k=mV²/2, где m - масса пригруза 4, V - скорость пригруза 4 к моменту закрытия клапана 8. При соответствующем выборе геометрических размеров отверстия клапана 8, обеспечивающих малое гидродинамическое сопротивление, после открытия клапана 8 пригруз 4 перемещается вниз в режиме свободного падения или близком к нему. Тогда будет соблюдаться равенство энергии mV ²/2=mgh₁, где g - ускорение силы тяжести, h₁ - величина перемещения пригруза 4 при единичном срабатывании сейсмоисточника. В момент времени, когда пригруз 4 запасет необходимую для возбуждения сейсмических волн энергию, клапан 8 сигналом с устройства 13 управления закрывают. Пригруз 4 затормаживается на высоте h-h₁ и его энергия mV²/2=mgh ₁ через жидкость в рабочей полости 7, поршень 2, шток 3 и излучающую плиту 5 передается в грунт 6.

Для повторного возбуждения сейсмических волн вновь в необходимый момент времени сигналом с блока 13 открывают клапан 8 и описанный выше процесс повторяется.

Таким образом, при любом варианте и по фиг.1 и по фиг.2 выполнения источника сейсмических колебаний при каждом возбуждении сейсмических волн пригруз 1 опускается вниз на расстояние h₁. После серии силовых воздействий пригруз 4 опустится вниз на расстояние h=nh₁, где n - число силовых воздействий в серии, и займет исходное положение.

Для возбуждения следующей серии силовых воздействий сейсмоисточника на грунт для возбуждения новой серии сейсмических колебаний, снова приводят во вращение гидронасос 11 и нагнетают жидкость из резервуара 9 в рабочую полость 7, поднимая тем самым пригруз 4 вверх на высоту h. После этого гидронасос 11 останавливают и вновь в необходимый момент времени сигналом с устройства 13 открывают клапан 8 и описанный выше процесс повторяется.

Изменяя длительность падения пригруза за счет регулировки времени открытого состояния клапана 8, можно регулировать силу воздействия на грунт 6, подбирая ее такой, чтобы она обеспечивала воздействие на грунт в пределах упругих деформаций. Изменяя момент открывания управляемого клапана 8, можно изменять закон распределения импульсных воздействий в каждой серии импульсов для обеспечения кодоимпульсного режима работы сейсмоисточника.

Устройство для поднятия пригруза 4 на высоту h может быть выполнено различным образом, например, в виде тельфера, крана-укосины, вертолета, домкрата и других подобных устройств. Принципиального значения вид подъемного устройства не имеет.

Для создания серии силовых воздействий на грунт с целью возбуждения сейсмических колебаний предварительно, с помощью подъемного устройства (на фиг.1 не показано) при открытом клапане 8 пригруз 4, соединенный с поршнем 2 и штоком 3 поднимают на высоту h и клапан 8 закрывают. После этого пригруз 4 остается в поднятом на высоту h состоянии. Источник сейсмических колебаний становится приведенным в исходное состояние готовности к возбуждению сейсмических колебаний.

В процессе торможения пригруза 4 в зазор между поршнем 2 цилиндром 1 может просочиться некоторое количество жидкости из рабочей полости 7 в нерабочую полость 2, что уменьшит количество жидкости в рабочей полости 7. Тем не менее, при подъеме пригруза 4 во время приведения источника сейсмических колебаний в исходное состояние жидкость через канал 14 и открытый при этом клапан 8 снова возвратится в рабочую полость 7, обеспечивая постоянную возможность поднятия пригруза 4 на высоту h в исходном состоянии перед началом каждой серии импульсов.

Кроме этого, соединение нерабочей полости через канал 14 с резервуаром для слива жидкости позволяет выполнить уплотнение между штоком 3 и стенками гидроцилиндра 1 с меньшим трением. При уменьшении объема нерабочей полости давление в ней не возрастает, как в прототипе, благодаря вытеканию ее через канал 14 в резервуар для слива жидкости 9. Поэтому нет необходимости выполнять это уплотнение с большим трением для предохранения от вытекания жидкости наружу. При падении пригруза 4 за счет меньшего трения в этом уплотнении будет теряться меньшая энергия. Следовательно, в пригрузе 4 будет запасаться большая энергия, которая на интервале торможения будет передаваться в грунт 6, что позволяет обеспечить большую сейсмическую эффективность.

Соединение нерабочей полости каналом 14 с резервуаром для слива жидкости обеспечивает слив жидкости, просочившейся в эту нерабочую полость, при каждом цикле подъема и опускания поршня. Это исключает необходимость проведения специального прекращения работы сейсмоисточника для осуществления возврата жидкости из нерабочей полости в гидросистему источника сейсмических колебаний и, следовательно, увеличивает межремонтные интервалы.

Поскольку жидкость не выливается из источника сейсмических колебаний наружу, то это не только повышает эксплуатационные удобства при работе с ним, но и улучшает его экологические свойства, так как не загрязняет окружающую среду.

Кроме этого, для сохранения высоких реологических свойств жидкости особенно при пониженных температурах могут применяться горючие растворители. Устранение попадания их наружу исключает возможность воспламенения таких растворителей или их паров, а также обеспечивает лучшие гигиенические условия труда персонала, исключая для него неприятные запахи или вдыхание токсичных паров.

Испытания разработанного источника сейсмических колебаний показали следующее.

При использовании гидроцилиндра диаметром 250 мм, управляемого блоком управления в виде мультивибратора, сервоклапана D760C928A компании «Moog» и пригруза массой 3000 кг можно получить энергию единичного импульса до 100 Дж при устойчивой частоте формирования импульсов свыше 25 Гц. Ширина полосы частотного спектра сейсмосигнала не менее 50 Гц. Величина энергии импульса регулировалась от 20 до 100 Дж.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий: средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата и может быть использовано при производстве сейсморазведочных работ.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".