Устройство для возбуждения сейсмических волн

 

Использование: при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых методами многоволновой сейсморазведки, а также при проведении вертикального сейсмического профилирования глубоких скважин. Сущность изобретения: устройство для возбуждения поперечных волн включает гильзу 3, концентраторы 5, взрывные камеры 7 с зарядом взрывчатого вещества 10. Демпфер 11 может быть выполнен в виде пустотелого контейнера, внутренний объем которого заполнен сыпучим материалом. При этом отношение масс демпфера и каждого из зарядов взрывчатого вещества не должно превышать 5 10³. 3 ил.

Изобретение относится к техническим средствам для возбуждения поперечных волн и может найти применение при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых методами многоволновой сейсморазведки, а также при проведении вертикального сейсмического профилирования (ВСП).

Известно, что для возбуждения поперечных колебаний в твердой среде необходимо реализовать направленное действие на среду, которое на практике реализуется самыми разнообразными способами [1] Вертикально направленная сила излучает продольные волны в направлении воздействия и поперечные под углом к вертикали, близким к 45^о [2] Однако это свойство вертикальной силы не может быть использовано в практических целях, поскольку источник такого типа не обеспечивает углы выхода поперечных волн, необходимые для образования глубинных отраженных волн.

Известно устройство для возбуждения сейсмических колебаний, включающее демпфер (амортизатор), пробки, цилиндрическую взрывную камеру с продольным отверстием, с наружной стороны которой расположен концентратор заданной толщины, выполненный в виде двух софокусных поверхностей, а также заряда взрывчатого вещества (ВВ), распределенного по длине взрывной камеры вдоль фокальной линии этих поверхностей [3] Для возбуждения поперечных волн с помощью этого устройства необходимо бурить скважину большого диаметра, равного по крайней мере сумме наибольшего поперечного размера концентратора и толщины демпфера (амортизатора). Бурение таких скважин ограничивает возможность применения устройства мягкими и рыхлыми породами.

Задача изобретения повышение эффективности возбуждения поперечных волн путем согласования частотных характеристик верхней части грунта с временной функцией устройства.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, поперечный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1.

Устройствo для возбуждения поперечных волн состоит из несущей платформы 1, грунтозацепов 2, гильзы 3, крышек 4, концентраторов 5, пробок 6, взрывных камер 7, конусной насадки 8, отверстий 9, зарядов взрывчатого вещества 10, демпфера 11, шарнира 12, контейнера (коробчатой пластины) 13, пазов 14, полок 15, сыпучего материала 16 м отверстий 17.

Несущая платформа 1 выполнена в виде рамы из профилированной стали, на нижнем основании которой размещены клиновидные плоские грунтозацепы 2. К несущей платформе 1 жестко присоединена гильза 3, выполненная из полосовой стали в виде пустотелого цилиндра с двумя параллельными вырезами вдоль образующих, выполненных на противоположных концах диаметра. Гильза 3 с боков закрыто полусферическими крышками 4. Внутрь гильзы 3 вдоль вырезов вставлены концентраторы 5, жестко соединенные со стенками вырезов гильзы 3. Концентраторы 5 образуют взрывные камеры 7 при помощи пробок 6. Концентраторы 5 и пробки 6 выполнены из высоколегированной стали с высоким значением динамического предела текучести. В пробках 6 вдоль продольной оси взрывных камер 7 выполнены продольные отверстия 9, для помещения зарядов ВВ 10 внутрь взрывных камер 7, на других пробках 6 (с другого конца концентраторов 5) по оси взрывных камер 7 расположены конусные насадки 8. Отверстия 9 соединяют внутренний объем взрывной камеры 7 с атмосферой. Заряды взрывчатого вещества 10 выполнены в виде цилиндрических трубок, один конец которых снабжен конусной выемкой ответной конусной насадки 8, а другой конец открыт для размещения ВВ и средства подрыва. Демпфер 11 подвешен к верхней точке гильзы 3, разделяя ее внутренний объем пополам, на шарнире 12 и выполнен в виде узкого контейнера 13. Внутренняя полость этого контейнера по стенкам снабжена пазами 14 для расположения полок 15. Сыпучий материал 16 представляет собой либо дробь, либо опилки из самых различных материалов, например свинца, стали, чугуна. Плотность сыпучего материала 16 больше, чем плотность пустотелого контейнера 13.

Заряды взрывчатого вещества 10 находятся внутри цилиндрических тонких трубок, размещаются вдоль фокальных осей двух концентраторов 5 внутри взрывных камер 7 через отверстия 9 в крышках 4 гильзы 3 и каналы пробок 6, при этом концы зарядов 10, не содержащие взрывчатого вещества, фиксируются в этих отверстиях 9 и конусных насадках 8 пробок 6. Провода для инициирования детонации взрывчатого вещества зарядов 10 выводят из боковых каналов пробок 6 и отверстий 9 в крышках 4 гильзы 3 и присоединяют к боевой магистрали. После выполнения этих операций устройство готово к возбуждению поперечных волн.

По команде, поступающей из сейсмостанции, производится подрыв заряда 10, находящегося внутри взрывной камеры 7, образованной концентратором 5, например левым. Образующиеся при этом продукты детонации разлетаются во все стороны и в первую очередь достигают внутренней поверхности концентратора 5, выполненной в виде параболического цилиндра. Сильно сжатый газ отражается от этой поверхности практически параллельной струей, толкая концентратор 5, а вместе с ним и гильзу 3, жестко связанную с платформой 1. Сила, действующая на левый концентратор 5, равна произведению площади внутренней поверхности этого концентратора на давление продуктов детонации, занимающих полный объем взрывной камеры 7, передается в грунт посредством платформы 1 и грунтозацепов 2.

Демпфер, выполненный в виде пустотелого контейнера, заполненного сыпучим материалом, обеспечивая горизонтальную направленность взрывного воздействия, одновременно с этим позволяет управлять временным промежутком этого воздействия путем смещения положения центра тяжести демпфера относительно точки его подвеса, комбинируя размещение сыпучего материала около геометрического центра контейнера. Этим достигается увеличение или уменьшение времени одностороннего действия силы давления продуктов детонации заряда ВВ на внутреннюю поверхность концентратора, что приводит к пропорциональному сдвигу частотного спектра поперечных колебаний либо в низкую, либо высокую стороны.

Это дает возможность управлять спектром генерируемых поперечных колебаний за счет регулирования положения центра тяжести демпфера 11. Пусть полость коробчатой пластины 13 заполнена до половины своей высоты материалом 16 с плотностью ₂ большей, чем плотность ₁ материала контейнера 13. В этом случае в результате равенства объемов двух половин контейнера 13 основная массовая сила будет сосредоточена там, где больше плотность. Предположим, что это нижняя часть контей- нера 13, тогда d₁ d + d т.е. новое расстояние до центра тяжести стало в 1,5 раза больше того, которое имеет место при однородном распределении плотности материала контейнера 13. Отношение частот в этом случае уменьшается в /^o_s = 1,22 раза Размещая такую же массу сыпучего материала 16 в нижней четверти полости контейнера 13, например, путем увеличения плотности этого материала, преобладающая частота поперечной волны уменьшится в 1,35 раза.

Наоборот, помещая более плотный сыпучий материал 16 в верхнюю половину демпфера 11, получаем возрастание частоты в такой же пропорции. Это осуществляется при помощи полок 15, вставляемых в пазы 14, и насыпанием на них материала 16.

Интервал изменения частоты, реализуемый путем смещения координат центра тяжести демпфера 11 в виде коробчатой пластины 13, составляет 100% т.е. частоты поперечных волн удваиваются.

Вместе с тем нельзя беспредельно увеличивать массу пластины 13, превращая ее в жесткую неподвижную стенку, что приведет к резкому сокращению амплитуды поперечной волны.

Удар газообразных продуктов детонации по демпферу 11 вызовет его отклонение из положения равновесия на некоторый угол . Для оценки доли энергии, поглощаемой демпфером 11, предположим, что потерь энергии внутри гильзы 3 не происходит или эти потери малы по сравнению с полной энергией заряда ВВ 10. Тогда уравнение сохранения энергии в системе продукты детонации пластина 13 выразится в виде W₃ + W_пл 0, W₃ m₃q₃, W_пл Mgd(1 cos ), где m₃ масса заряда ВВ 10; q₃ теплотворная способность ВВ; М полная масса пластины 13, включающая массы коробки и наполнителя полости; d расстояние от центра тяжести демпфера 11 до точки подвеса шарнира 12; g ускорение свободного падения;
угол отклонения.

Подставляя в общее уравнение и производя преобразования, получим, что (1-cos)=310^-4 при сле- дующих значениях величин: g 9,81 м/с²; d 0,4 м; 45^о, q₃ 4,18 10³ Дж/кг.

Но до контейнера 13 доходит только 1/6 часть полной энергии заряда ВВ 10, поэтому отношение между массами заряда ВВ 10 и пластины 13 m₃/M 5 10^-3 или М 5 10³m₃.

Таким образом, масса контейнера и сыпучего материала 13 должна быть в 5000 раз больше массы взрывчатого вещества заряда 10.

Отработавшие продукты детонации выбрасываются в атмосферу через отверстия 17, расположенные на гильзе 3 симметрично демпферу 11.

Использование предлагаемого устройства позволяет повысить эффективность возбуждения поперечных волн за счет лучшего и более полного согласования временной функции источника с частотной характеристикой верхней части разреза, а признак, выявляющий оптимальное отношение между массами демпфера и заряда ВВ, позволяет повысить отношение полезный сигнал помеха.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН, включающее демпфер, цилиндрическую взрывную камеру с продольным отверстием, с наружной стороны которой расположен концентратор заданной толщины, выполненный в виде двух софокусных поверхностей, а также зарядом взрывчатого вещества, распределенным по длине взрывной камеры вдоль фокальной линии, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено платформой с грунтозацепами, гильзой, а также вторыми концентратором и взрывной камерой, расположенными внутри гильзы, симметрично относительно первых камеры и концентратора, при этом демпфер шарнирно закреплен в верхней части гильзы симметрично относительно взрывных камер и выполнен с неоднородным распределением массы по его высоте, исходя из условия, чтобы отношение массы демпфера к массе каждого из зарядов взрывчатого вещества не превышало 5 10³.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3