Скважинный источник возбуждения поперечных волн
Полезная модель относится к геологическому оборудованию, применяемому при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, в частности, к разделу геофизики, использующему сейсмические методы, основанные на применении поперечных волн. Техническим результатом является повышение отношения сигнал-помеха на сейсмограммах с записью целевых поперечных волн заданной поляризации и повышение глубинности исследований. Скважинный источник возбуждения поперечных сейсмических волн, состоит из пробуренной в грунте вертикальной скважины заданного диаметра и глубины, помещаемых в скважину зарядов взрывчатого вещества и материала, поглощающего энергию ударной волны со всех сторон от заряда, кроме рабочей, в качестве среды для возбуждения сейсмических колебаний с помощью взрыва заряда взрывчатого вещества используют жидкость, заполняющую эластичную емкость, помещаемую в полости взрывной скважины внутри экрана-отражателя в виде вертикально установленной металлической трубы с вырезанным продольным сектором заданной ширины, прижимаемой этим сектором к стенке взрывной скважины в рабочем направлении с помощью пневматического прижима, расположенного между тыльной стороной скважины и тыльной стороной экрана-отражателя. Причем экран-отражатель состоит из двух боковых металлических листов, между которыми находится воздушная прослойка, а дно и торцевые поверхности выполнены в виде металлических полосок шириной, равной толщине воздушной прослойки в щелевом экране, соединяющих между собой боковые листы щелевого экрана-отражателя; на забой взрывной скважины помещается поглощающая энергию ударной волны прокладка диаметром, равным диаметру взрывной скважины, покрытая сверху металлической крышкой того же диаметра.
Предлагаемый источник возбуждения поперечных волн относится к геологическому оборудованию, применяемому при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, в частности, к разделу геофизики, использующему сейсмические методы, основанные на применении поперечных волн.
Для возбуждения поперечных волн заданной поляризации в сейсморазведке наиболее широко применяется источники, использующие горизонтально направленные механические или взрывные воздействия.
На первом этапе развития метода поперечных волн применялись стационарные и самоходные горизонтальные копры, использующие для удара в вертикальный уступ или выступ в грунте груз весом до 2.5-3.0 т, сбрасываемый с высоты 4.0-5.0 м.
Ударные источники характеризуются высокой горизонтальной направленностью воздействий и высокой воспроизводимостью, однако мощность их ограничена и во многих случаях недостаточна для освещения геологического разреза на необходимую глубину. По этой причине они не нашли широкого применения на практике. Им на смену пришли более мощные источники, использующие для возбуждения поперечных волн энергию взрыва. Известен траншейный источник [А.С. 193092(СССР) «Способ возбуждения поперечных сейсмических волн». Н.Н.Пузырев, К.А.Лебедев. Заявлено 30.03.66. Опубликовано в Б.И. 
6, 01.01.1967], в котором линейный или дискретно рассредоточенный заряд взрывчатого вещества (ВВ) помещается у вертикальной стенки искусственно созданной в грунте полости (траншеи), которую перед взрывом заполняют рыхлым материалом, поглощающим энергию ударной волны, образовавшуюся в результате взрыва, со всех сторон, кроме заданного (рабочего) направления.
Недостатком траншейных взрывов является ухудшение эффективности поглотителя при повышении его влажности или степени промерзания, а также большой объем подготовительных земляных работ, специализированной техники для их выполнения.
На смену траншейным пришли более мощные скважинные взрывы с использованием искусственно созданных в грунте камуфлетов и рыхлого грунта в качестве средства для придания взрывному воздействию горизонтальной направленности [А.Г.Гинодман, Л.В.Миронова «Экспериментальные исследования поперечных отраженных волн в Восточной Татарии». В книге «Поперечные и обменные волны в сейсморазведке», М., «Недра», 1967 г с.51-68.]. С этими источниками был отработан самый большой объем сейсморазведочных работ с использованием поперечных волн - более 3000 км сейсмических профилей. Основным достоинством скважинно-камуфлетных источников является наличие стандартной (заводской) буровой техники для подготовки скважинных камуфлетов, большая мощность источников, позволяющая получить необходимую глубину исследований. Основным недостатком - низкое отношение сигнал-помеха на сейсмических записях, вызванное отсутствием возможности регулировать горизонтальную направленность взрывного воздействия на глубине, недоступной визуальному наблюдению.
Техническим решением, наиболее близким к предлагаемому источнику возбуждения поперечных волн (прототип), является источник, использующий взрыв заряда ВВ в скважине большого диаметра, заполненной рыхлым поглотителем [А.Г.Гинодман, Л.В.Миронова «Экспериментальные исследования поперечных отраженных волн в Восточной Татарии». В книге «Поперечные и обменные волны в сейсморазведке», М., «Недра», 1967 г с.51-68.]. Эти источники, являющиеся фактически скважинными аналогами траншейных взрывов, в отличии от последних имеют мощную техническую базу для проведения подготовительных буровых работ. Они показали высокую горизонтальную направленность взрывного воздействия, необходимую для возбуждения поперечных волн заданной поляризации, но только при сравнительно небольшой плотности заряжения зарядов ВВ q (q=Q/L, где Q - суммарный вес заряда ВВ, L - длина заряда), при которой образовавшаяся в результате взрыва ударная волна полностью поглощается рыхлым грунтом (или снегом) и не доходит до вертикальной стенки скважины большого диаметра, направленной в сторону, противоположную заданному направлению. При использовании зарядов большей мощности, в направлении, противоположном рабочему, в окружающей среде возбуждаются поперечные волны-помехи, имеющие обратную полярность относительно полезных поперечных волн, возбуждаемых источником в заданном (рабочем) направлении, что приводит к ослаблению целевых поперечных волн при их интерференции с поперечными волнами-помехами. Таким образом, основным недостатком известного источника (прототипа) является сравнительно слабая интенсивность целевых поперечных волн и относительно низкая поглощающая способность рыхлого материала-поглотителя в ограниченном объеме взрывной скважины. Поэтому эти источники не нашли широкого применения на практике.
Техническим результатом предлагаемого источника возбуждения поперечных волн является устранение недостатков известного источника (прототипа), а именно - повышение отношения сигнал-помеха на сейсмограммах с записью целевых поперечных волн заданной поляризации и повышение глубинности исследований.
Указанный технический результат достигается, во-первых, повышением интенсивности полезного сигнала, т.е. амплитуды поперечных волн заданной поляризации, путем взрыва заряда ВВ в жидкости (например в воде), помещенной во взрывную скважину, что в несколько раз увеличивает сейсмическую эффективность взрыва по сравнению со взрывом в грунте; во-вторых, одновременным уменьшением интенсивности волн-помех, что достигается отражением энергии ударной волны, образовавшейся в результате взрыва, металлическим экраном, ограничивающим ее распространение в горизонтальной плоскости во всех направлениях (-y, +x, -x), кроме рабочего (+y). Технический результат достигается тем, что в качестве среды для возбуждения сейсмических колебаний с помощью взрыва заряда взрывчатого вещества используют жидкость, заполняющую эластичную емкость, помещаемую в полости взрывной скважины внутри металлического экрана-отражателя в виде вертикально установленной металлической трубы с вырезанным продольным сектором заданной ширины, прижимаемой этим сектором к стенке взрывной скважины в рабочем направлении с помощью пневматического прижима, расположенного между тыльной стороной скважины и тыльной стороной металлического экрана-отражателя.
На фигуре 1 изображен поперечный разрез предлагаемого источника возбуждения поперечных волн, где 1 - вертикальная скважина в грунте; 2 - металлический экран-отражатель; 3 - продольный сектор, вырезанный в экране 2; 4 - эластичная емкость в демпферном отсеке; 5 - сжатый воздух; 6 - эластичная емкость во взрывном отсеке; 7 - жидкость (например, вода) во взрывном отсеке; 8 - заряд ВВ.
Предлагаемый источник возбуждения поперечных волн содержит пробуренную в грунте вертикальную скважину 1 заданного диаметра (порядка 0.2-0.7 м) и глубины (ориентировочно 1.0-2.5 м), прочный (например, металлический) экран-отражатель 2 в виде трубы заданного диаметра и длины, не меньшей чем глубина скважины 1, с вырезанным по всей длине сектором 3 заданной ширины; к внешней стороне экрана-отражателя 2 крепится (например, с помощью клея) эластичная емкость 4, заполняемая перед работой сжатым воздухом 5; к верхней части экрана-отражателя с внешней его стороны крепятся (например, с помощью сварки или болтов) ручки для переноски экрана-отражателя 2 и его ориентировки; во внутреннюю полость экрана-отражателя 2 помещается эластичная емкость 6, заполняемая перед работой жидкостью 7 (например, водой), в которую погружается точечный или линейный заряд ВВ 8.
Предлагаемый источник возбуждения поперечных волн работает следующим образом. На каждом пункте возбуждения, предусмотренном проектом сейсморазведочных работ, бурится вертикальная скважина заданного диаметра и глубины. В нее спускается до забоя экран-отражатель 2 и ориентируется в скважине так, чтобы вырезанный сектор 3 был направлен в рабочем направлении +y. В эластичную емкость 4 закачивается сжатый воздух 5, под давлением p которого экран-отражатель 2 прижимается сектором 3 к вертикальной стенке взрывной скважины 1. В результате полость взрывной скважины делится на два отсека: взрывной, занимающий пространство во внутренней части экрана-отражателя, и демпфирующий (прижимной, амортизирующий) отсек, занимающий в скважине пространство, примыкающее к внешней стороне экрана-отражателя 2. Во взрывной отсек скважины помещается эластичная емкость 6, перед работой она заполняется жидкостью 7, например, водой, в которую погружается заряд ВВ 8. После этого источник готов к работе. По команде из сейсмостанции производится взрывание заряда ВВ 8, в результате которого образуется ударная волна, стремящаяся распространиться в окружающем грунте во всех направлениях. При этом, в заданном (рабочем) направлении она распространяется беспрепятственно, возбуждая в окружающей среде целевые поперечные волны заданной поляризации. В тыльном же направлении (-y) она, встречаясь с металлическим экраном 2, теряет часть своей энергии на отражение от него и приведение его в движение, а также ослабевает под действием воздушной прокладки 5 в демпферном отсеке. А учитывая что сейсмический эффект взрыва в водной среде в несколько раз большее сейсмического эффекта в грунте, то соответственно возрастает амплитуда целевых поперечных волн заданной поляризации, в такой же степени улучшается отношение сигнал-помеха, а, следовательно, возрастает глубинность исследований при применении предлагаемого источника.
Предлагаемый источник позволяет проводить операцию накапливания без дополнительных буровых работ в случае, если интенсивности одиночного воздействия будет недостаточно для получения отражений с заданной глубины. Для этого после первого взрыва заряда ВВ необходимо освободить взрывной отсек скважины от остатков эластичной емкости и жидкости, повторить все операции по подготовке и заряжанию взрывной скважины и произвести следующий взрыв.
В случае, если проектом сейсморазведочных работ предусмотрено возбуждение парных противоположно направленных воздействий (±y или ±x) для последующего вычитания или суммирования сейсмических записей, полученных от противоположно направленных воздействий, что значительно повышает отношение сигнал-помеха на результирующих сейсмограммах, предлагаемый источник позволяет это делать также без дополнительных буровых работ. Для воздействия -y или ±x взрывную скважину необходимо освободить от последствий предыдущего взрыва в направлении +y, экран-отражатель 2 переориентировать в новом рабочем направлении и произвести взрывание нового заряда ВВ.
В случае, если при решении более тонких и сложных сейсмических задач потребуется дополнительно повысить отношение сигнал-помеха без увеличения диаметра взрывной скважины, в предлагаемом источнике необходимо заменить однослойный экран-отражатель 2 на трехслойный, состоящий из двух металлических слоев, между которыми находится воздушная прослойка, а дно и торцевые поверхности этой конструкции представляют собой металлические полоски шириной, равной толщине воздушного слоя в щелевом экране, приваренные к боковым листам щелевого экрана; на забой взрывной скважины помещается поглощающая Энергию ударной волны упругая прокладка (например, из пористой резины) с диаметром, равным диаметру взрывной скважины, которая сверху накрывается металлической крышкой того же диаметра.
По сравнению с однослойным металлическим экраном трехслойный металлический воздушно-щелевой экран ослабляет давление ударной волны, распространяющейся в нерабочем (тыльном) направлении -y, за счет отражения на дополнительных границах металл-воздух и воздух-металл. А дополнительная прокладка из пористой резины и покрывающая ее металлическая крышка уменьшают давление ударной волны, распространяющейся в направлении забоя взрывной скважины, т.е. в направлении +z, с которым в методе поперечных волн связано образование продольных и других волн-помех. Это дополнительно увеличивает отношение сигнал-помеха на сейсмических записях за счет уменьшения интенсивности волн-помех, возбуждаемых в нерабочих направлениях -y и +z.
Экспериментальные работы по возбуждению поперечных сейсмических волн источниками с водной укупоркой заряда ВВ показали возможность увеличения в 3-5 раз амплитуды полезных поперечных волн заданной поляризации по сравнению с источниками, использующими рыхлый грунт для укупорки заряда ВВ.
В отличие от известных источников возбуждения поперечных волн, использующих выработку в грунте в виде линейных полостей различной ширины (траншеи, вертикальные щели), предлагаемый источник имеет мощную техническую базу для проведения подготовительных буровых работ, что открывает широкие возможности для его применения как в методе монополяризационной поперечно-волновой сейсморазведки, так и в полиполяризационной сейсморазведке с использованием волн различной поляризации.
1. Скважинный источник возбуждения поперечных сейсмических волн, состоящий из пробуренной в грунте вертикальной скважины заданных диаметра и глубины, помещаемых в скважину зарядов взрывчатого вещества и материала, поглощающего энергию ударной волны со всех сторон от заряда, кроме рабочей, отличающийся тем, что в качестве среды для возбуждения сейсмических колебаний с помощью взрыва заряда взрывчатого вещества используют жидкость, заполняющую эластичную емкость, помещаемую в полости взрывной скважины внутри экрана-отражателя в виде вертикально установленной металлической трубы с вырезанным продольным сектором заданной ширины, прижимаемой этим сектором к стенке взрывной скважины в рабочем направлении с помощью пневматического прижима, расположенного между тыльной стороной скважины и тыльной стороной экрана-отражателя.
2. Скважинный источник по п.1, отличающийся тем, что экран-отражатель состоит из двух боковых металлических листов, между которыми находится воздушная прослойка, а дно и торцевые поверхности выполнены в виде металлических полосок шириной, равной толщине воздушной прослойки в щелевом экране, соединяющих между собой боковые листы щелевого экрана-отражателя.
3. Скважинный источник по п.1, отличающийся тем, что на забой взрывной скважины помещается поглощающая энергию ударной волны прокладка диаметром, равным диаметру взрывной скважины, покрытая сверху металлической крышкой того же диаметра.
