Трехкомпонентный скважинный сейсмометр

Полезная модель относится к измерительной технике и может использоваться в сейсмологии и скважинной геоакустике. Задача повышения чувствительности за счет снижения внутренних шумов решена путем применения индукционных катушек, связанных с центральным инерционным грузом и введением в конструкцию прибора магнитов кольцевого типа при одновременной температурной оптимизации всех упругих элементов колебательной системы, а также тем, что здесь используются индукционные катушки, которые свободно без трения колеблются в кольцевых зазорах мощных магнитов. В этом случае мы получаем трехкомпонентный малогабаритный низкочастотный сейсмометр (аксельрометр), содержащий прочный водонепроницаемый корпус из немагнитного материала, пары индукционных катушек в кольцевых магнитах, ориентированных взаимно перпендикулярно и инерционный груз из немагнитного материала, установленный внутри корпуса на витых растяжках или стержнях.

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в сейсмологии и скважинной геоакустике.

Известны сейсмометры, которые в настоящее время применяются в гидроакустических и геоакустических измерениях. В их числе:

Известен трехкомпонентный вибродатчик, содержащий корпус, кубический инерционный элемент, пьезоэлементы и упругий подвес, выполненный в виде элементов, закрепленных на пьезоэлементах взаимно перпендикулярно их плоскостям. Каждый элемент выполнен в виде струн, закрепленных своими концами с натягом в корпусе, а пьезоэлементы другими своими концами закреплены на кубическом инерционном элементе. [Авторское свидетельство СССР 505900, кл. G01H/04].

Кроме того, известен трехкомпонентный вибродатчик, содержащий корпус, кубический инерционный элемент, пьезоэлементы и упругий подвес, выполненный в виде элементов, закрепленных на пьезоэлементах взаимно перпендикулярно их плоскостям, отличающийся от вибродатчика, отмеченного в п. 1. тем, что с целью упрощения конструкции пьезоэлементы закреплены на корпусе, а упругие элементы подвеса представляют собой шпильки [Авторское свидетельство СССР 462089, кл. G01H/00].

Известен трехкомпонентный низкочастотный акселерометр, содержащий корпус, пары пьезоэлементов, ориентированных взаимно перпендикулярно. В этом приборе с целью повышения чувствительности он снабжен центральной опорой, жестко закрепленной на корпусе тягами, а груз и пьезоэлементы выполнены в виде полых цилиндров [Авторское свидетельство СССР 1107061].

Однако все отмеченные аналоги не позволяют достичь требуемого результата. Основная причина заключается в том, что в них используются пьезоэлементы, которым присущи повышенные собственные шумы в низкой звуковой и инфразвуковой области спектра. В этой связи они не получили распространения при изучении микросейсмических шумов в зонах подготовки сейсмических событий.

Известен скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр по патенту РФ 2488849, включающий блок сбора данных с основным источником питания, блок электроники, состоящий из аналого-цифрового преобразователя, соединенного с микропроцессором, и трехкомпонентный акселерометрический датчик, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, отличающийся тем, что он снабжен наклономером, трехкоординатным магнитометром и установленным в блоке электроники вторичным источником питания, при этом наклономер и трехкоординатный магнитометр соединены с микропроцессором, причем трехкомпонентный акселерометрический датчик, наклономер, трехкоординатный магнитометр и блок электроники соединены с вторичным источником питания и установлены в водонепроницаемом корпусе, выполненном из нержавеющей стали.

Известно сейсмоприемное устройство по патенту РФ 2178898. Устройство содержит корпус, инерционную массу (сейсмомассу) в виде куба. Вершины инерционной массы связаны с корпусом посредством восьми пружин, расположенных в плоскостях диаметральных сечений инерционной массы. На гранях инерционной массы расположены зеркала, а напротив них - торцы световодов с полупрозрачными зеркалами. Световоды соединены через оптические соединители-разветвители с источником оптического когерентного излучения и оптическим мультиплексором. Мультиплексор соединен через фотоприемник с устройством определения фазы, подключенным к регистратору.

Наиболее близким является сейсмограф по патенту РФ 2236025, содержащий инертную массу и вертикальную удерживающую пружину, преобразователь колебаний инертной массы относительно основания в электрический сигнал и усилитель электрического сигнала, отличающийся тем, что в него введены скрепленные с основанием постоянные магниты, расположенные симметрично относительно направления качаний инертной массы, причем одни магниты расположены выше инертной массы, а другие ниже инертной массы, выполненной из магнитомягкого материала, при этом полярность верхних и нижних магнитов в пространстве одинакова, а внутренние стороны магнитов удалены на расстояние, обеспечивающее беспрепятственные колебания инертной массы.

Недостатками прототипа является невозможность использования в стандартных геологических скважинах и невысокая чувствительность в акустическом диапазоне частот.

Задачей полезной модели является создание перспективного скважинного геоакустического приемника, способного обеспечить решение поставленной задачи:

иметь габариты, допускающее его использование в скважинах диаметром от 70 до 110 мм;

обладать высокой чувствительностью в акустическом диапазоне частот, погружении в обводненную скважину на глубину до 100 метров и более.

обеспечивать достаточную температурную компенсацию натяжения в процессе эксплуатации при изменении температурного режима скважины на этапе подготовки катастрофического сейсмического события.

Указанным требованиям отвечает разработанный нами геоакустический трехкомпонентный сейсмометр.

Указанная задача повышения чувствительности за счет снижения внутренних шумов решена путем применения магнитоэлектрических преобразователей (индукционных катушек), связанных с центральным преобразователем инертной массы (инерционным грузом) и введением в конструкцию прибора трех пар магнитов кольцевого типа заглубленных внутрь корпуса при одновременной температурной оптимизации всех упругих элементов колебательной системы. В приборе используются индукционные катушки, которые свободно без трения колеблются в кольцевых зазорах трех мощных магнитов заглубленных внутрь корпуса. В этом случае мы получаем трехкомпонентный малогабаритный низкочастотный сейсмометр (акселерометр), содержащий прочный водонепроницаемый корпус из немагнитного материала, при этом входящие в состав прибора составные конструктивные элементы в собранном виде обеспечивают полную герметизацию внутреннего объема прибора при внешнем гидростатическом давлении до 30 атмосфер, пары индукционных катушек в кольцевых магнитах, ориентированных взаимно перпендикулярно и инерционный груз из немагнитного материала, установленный внутри корпуса и связанный упругими витыми растяжками с центрами опорных подвижных диафрагм. Опорные диафрагмы закреплены по внешнему периметру кольцевых магнитов так, что магнитные катушки могут свободно перемещаться в кольцевых магнитах без трения. Витые растяжки или составные упругие стержни выполнены из материалов, обеспечивающих достаточную температурную компенсацию натяжения в процессе эксплуатации при изменении температурного режима скважины на этапе катастрофического сейсмического события.

Деформация верхней и нижней диафрагм вертикального измерительного геоакустического канала, компенсируется демпфирующими пружинами заданной жесткости.

На фигуре в плоскости XY изображен схематично разрез трехкомпонентного геоакустического скважинного сейсмометра в корпусе цилиндрического типа.

В жестком водонепроницаемом корпусе 1 в центре размещен инерционный груз 2 и компенсирующие пружины 3. При воздействии геоакустических колебаний полезные сигналы, снимаемые с попарно включенных магнитных катушек 5, которые удерживаются в зазорах кольцевых магнитов 4, герметично закрепленных в горловинах цилиндрического жесткого корпуса 1 и размещенными в зазорах индукционными катушками, которые закреплены на упругих диафрагмах и соединенными с инерционным грузом, по гибким проводным линиям передаются на усилители с положительной обратной связью, чем и обеспечивается повышение чувствительности и расширение измерительного диапазона в сторону низких инфразвуковых частот.

Устройство работает следующим образом:

При воздействии геоакустического поля на корпус сейсмометра последний начинает совершать колебания, что и приводит к появлению электрических сигналов в индукционных катушках, свободно перемещающихся под действием инерционной массы в кольцевых магнитах. Электрические сигналы с индукционных катушек поступают на усилители с положительной обратной связью, что и обеспечивает в конечном итоге повышение помехоустойчивости датчика на низких частотах.

Технический результат: Предлагаемая конструктивная схема сейсмического акселерометра позволяет создавать малогабаритные скважинные сейсмометры нового поколения, обеспечивающие мониторинг геоакустических полей в сейсмоопасных регионах на этапе подготовки и развития крупных сейсмических событий.

1. Трехкомпонентный скважинный сейсмометр, содержащий корпус, магнитоэлектрический преобразователь, преобразователь инертной массы, магниты, которые ориентированы взаимно перпендикулярно, отличающийся тем, что три пары магнитов закреплены герметично на прочном водонепроницаемом корпусе из немагнитного материала, будучи заглубленными внутрь корпуса, в центре которого расположен инерционный груз из немагнитного материала, связанный упругими витыми растяжками с центрами опорных подвижных диафрагмам, к которым прикреплены магнитные катушки, а опорные диафрагмы закреплены по внешнему периметру кольцевых магнитов так, что магнитные катушки могут свободно перемещаться в кольцевых магнитах без трения.

2. Трехкомпонентный скважинный сейсмометр по п. 1, отличающийся тем, что входящие в состав прибора составные конструктивные элементы в собранном виде обеспечивают полную герметизацию внутреннего объема прибора при внешнем гидростатическом давлении до 30 атмосфер.

3. Трехкомпонентный скважинный сейсмометр по п. 1, отличающийся тем, что деформация верхней и нижней диафрагм вертикального измерительного геоакустического канала компенсируется демпфирующими пружинами заданной жесткости.

4. Трехкомпонентный скважинный сейсмометр по п. 1, отличающийся тем, что сигналы, снимаемые с попарно включенных магнитных катушек, по гибким проводным линиям передаются на усилители с положительной обратной связью.

5. Трехкомпонентный скважинный сейсмометр по п. 1, отличающийся тем, что витые растяжки или составные упругие стержни выполнены из материалов, обеспечивающих достаточную температурную компенсацию натяжения в процессе эксплуатации при изменении температурного режима скважины на этапе подготовки катастрофического сейсмического события.