Анализ динамики и разработка импульсного источника сейсмических колебаний с индукционно-динамическим приводом для геологоразведочных работ

Главная задача одиннадцатой пятилетки состоит в обеспечении дальнейшего роста благосостояния советских людей на основе устойчивого, поступательного развития народного хозяйства, ускорения научно-технического прогресса и перевода экономики на интенсивный путь развития, более рационального использования производственного потенциала страны, всемерной экономии всех видов ресурсов и улучшения качества работы.

Решение поставленных задач неразрывно связано с увеличением энергетической мощи нашей страны, определяющим фактором которой является запас и добыча нефти, газа, угля и других полезных ископаемых. В одиннадцатой пятилетке намечен курс по освоению новых районов, богатых природными ресурсами, Сибири, Дальнего Востока, Средней Азии, Казахстана. Для решения поставленной задачи значительно увеличивается объем reoлого-разведочных работ, связанных с поиском новых месторождений нефти и газа.

Основным геофизическим методом поиска и разведки залежей нефти и газа является сейсмический. Сущность сейсмического метода состоит в исследовании геологического строения Земной коры, основанном на изучении распространения упругих волн, возбуждаемых искусственным способом. Основным существующим методом возбуждения упругих волн в земной коре является взрывной. Взрывы с целью проведения сейсморазведочных работ производятся как на дневной поверхности Земли, так и в специально пробуренных на определенную глубину, обеспечивающую наиболее благоприятные условия излучения сейсмических волн, скважинах.

Этому способу разведки присущ ряд значительных недостатков, главным из которых на современном этапе развития науки и техники является вредное воздействие производимых взрывов на окружающую среду. Взрывы на поверхности уничтожают верхний плодородный слой почвы или приводят к значительной ее эрозии. Взрывы в скважинах нарушают исторически сложившуюся циркуляцию подпочвенных и грунтовых вод и отрицательно влияют на урожайность посевных культур.

Сейсморазведка с помощью взрывов затруднена или практически невыполнима в густонаселенных районах, в садах, на посевных полях. Производительность взрывной сейсморазведки невысока и ограничивается значительным объемом выполнения трудоемких буровзрывных работ, стоимость которых достигает 30 — 35% от общей стоимости сей-сморазведочных исследований.

Взрыв, как источник сейсмических колебаний, трудно контролируется и плохо поддается регулированию воздействия на среду, что выражается в сложности формирования силового импульса с наперед заданной длительностью, амплитудой и формой.

Необходимость преодоления указанных недостатков взрывного способа привела к появлению новых в современной сейсморазведке невзрывных источников сейсмических колебаний (ИСК), которые увеличивают производительность и улучшают качество сейсморазведочных работ. За рубежом в настоящее время этим способом выполняются до 40% всех работ.

Невзрывные ИСК позволяют проводить работы в густонаселенных районах, на сельскохозяйственных угодьях. Вредное воздействие на среду в этом случае либо совсем отсутствует, либо при некоторых типах источников сводится к минимуму, а исключение трудоемких буровзрывных работ, повышенная мобильность установок, возможность многократного повторения воздействий на среду значительно повышают производительность и качество сейсморазведочных работ.

Возбуждение сейсмических колебаний невзрывными источниками с различными приводами по виду преобразуемой энергии происходит посредством давления или удара плиты, мембраны по грунту. С целью повышения качества сейсмического материала воздействия, как правило, осуществляются многократно, что возможно лишь при применении невзрывных ИСК, обеспечивающих высокую стабильность и идентичность силовых импульсов.

Перспективность применения новых ИСК обуславливает необходимость расчета, проектирования и анализа их работы. Эта проблема является многосторонней и достаточно сложной, связанной с рассмотрением и увязкой множества других задач и проблем в различных областях. В общем виде процесс формирования сейсмических колебаний можно изобразить функциональной схемой на рис. В-1. ИСК непосредственно воздействует на нагрузку — грунт, в которой формируются сейсмические волны, проникающие вглубь среды и претерпевающие преломления и отражения от поверхности раздела геологических пластов. Отраженные волны, несущие информацию о внутреннем строении Земной коры, регистрируются на поверхности. Очевидно, что работоспособность источника с любым приводом может оцениваться как по качеству отраженных волн [71], так и по соответствию выходных характеристик источника, работающего на нагрузку-грунт, требуемым. Общее проектирование всей системы излучения, нацеленное на получение конечного эффекта, рассматривает совокупность всех задач, охватываемых схемой на рис. В-1. Такой общий подход к решению проблемы об исследовании строения Земной коры на данном этапе является сложным и практически невыполнимым ввиду недостаточного рещения составных задач общей проблемы: задачи взаимодействия ИСК с конкретным приводом и нагрузки и задачи, связанной с процессом получения информации о строении среды и оптимальных параметрах воздействия. Вторая задача успешно решается в работах многих ученых нашей страны, например, в работах, проводимых В. А. Бабежко, В. В. Майоровым, Г. И. Молокановым, А. В. Николаевым, М. Б. Шнеерсоном, И.С.Чичи-ниным и многими другими. Результатами решения этой задачи являются: во-первых, рекомендации, требования к выходным параметрам силового импульса ИСКвеличине амплитуды, длительности, форме импульса, частоте повторения и т. д.- во-вторых, определение нагрузки для источника, создающего импульсное давление на излучающую плиту, в виде механической нагрузки с конкретными параметрами.

Первая задача связана с решением вопросов, относящихся к работе всей системы ИСК на нагрузку-грунт. Всю систему ИСК представим в виде блок-схемы рис. В-2. Одним из основных звеньев системы является привод, который в общем случае может быть различным по виду энергопреобразования (газодинамический, гидравлический, пневматический, механический и электромеханический). Привод потребляет энергию и совершает работу по созданию механических колебаний поверхности грунта. Механическая система ИСК обеспечивает передачу механической энергии привода в грунт и согласование работы привода и нагрузки. Эффективность работы системы ИСК, способность изменять выходные характеристики такие, — как: амплитуда и длительность усилия на грунте, амплитуда скорости и абсолютная величина смещения верхних слоев почвы, максимальное давление излучающего органа источника на грунт и другие при изменении нагрузки (вида грунта, его влажности и т. д.), во многом определяются типом привода — как звена данной системы. Из всех существующих приводов, преобразующих различные виды энергии в механическую, наиболее перспективным и удобным в смысле управления и регулирования процессом энергопреобразования является электромеханический, преобразующий электрическую энергию в механическую энергию подвижных элементов системы. Автор работал с линейными возвратно-поступательными электромеханическими приводами индукционно-динамическо

Рис.В-1. Блок — схема формирования сейсмических волн невзрывнш ИСК.

Рис.В-2. Блок — схема системы невзрывного ИСК. го типа. Индукционно-динамический привод (ИДГС) является надежным в работе, имеет сравнительно высокий к.п.д. при требуемых сейсморазведкой длительностях силового воздействия 0,005.0,020 С, позволяет относительно просто регулировать амплитуду и длительность усилия ИСК, достаточно легко согласуется с нагрузкой.

Первая и вторая задачи взаимосвязаны. Однако решение вопросов второй задачи позволяет рассматривать решение первой самостоятельно.

Цель работы: создание для геологоразведочных работ эффективных импульсных сейсмоисточников, не оказывающих вредного влияния на окружающую среду, обладающих высоким к.п.д. на основе применения индук-ционно-динамического привода возвратно-поступательного перемещения.

Идеяработы. Обеспечить работу импульсного ИСК с ИДИ с высоким к.п.д. и требуемыми для сейсморазведки характеристиками без разрушения грунта за счет выбора параметров механической системы с учетом нагрузки.

Задачи исследований:

1. Разработка модели механической системы импульсного источника в виде электрической цепи, учитывающей основные элементы источника и нагрузку-грунт.

2. Установление зависимостей основных характеристик источника от параметров элементов его механической системы и нагрузки.

3. Разработка математической модели системы импульсного ИСК с ИД1 с учетом нагрузки', позволяющей определять динамические характеристики источника и привода.

4. Разработка конструкции импульсных ИСК с ИДП на энергию 5 и 20 кДж, имеющих высокие энергетические показатели и характеристики, удовлетворяющие требованиям сейсморазведки.

5. Экспериментальная проверка достоверности основных теоретических положений, рекомендаций и выводов.

Методы исследования. Теоретические исследования динамики шпульсных источников с ИДИ выполнены с помощью метода электромеханических аналогий с привлечением методов электротехники и метода математического планирования эксперимента. Получение отдельных результатов осуществлено графо-аналитическими методами, а также численными с применением ЭВМ. Экспериментальные исследования выполнены на действующих натурных образцах.

Научные положения, защищаемые автором:

1. Анализ динамики импульсного сейсмоисточника можно проводить по разработанной электрической модели его механической системы с учетом нагрузки-грунта.

2. Изменением параметров механической системы (коэффициента трансформации, величины инертной массы, диаметра излучающей плиты, начального воздушного зазора привода) можно регулировать к.п.д., амплитуду и длительность механической силы импульсного ИСК.

3. Расчет динамических характеристик источника и привода необходимо проводить по разработанной математической модели, учитывающей параметры силовой схемы питания, привода, механической системы источника и нагрузки.

4. Возможность выбора оптимальных значений параметров импульсного ИСК при проектировании по зависимости к.п.д. механической системы источника от параметров ее элементов и жесткости грунта.

5. Возможность исключения режимов электромагнитного торможения в источнике с помощью силовой схемы питания, обеспечивающей форсированное уменьшение тока в обмотках привода.

6. Разработанные импульсные ИСК с ИДИ на энергию 5 кДд и 20 кДк позволяют проводить геологоразведочные работы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована: аналитическими исследованиями, базирующимися на положениях метода электромеханических аналогий, теоретической электротехники и метода математического планирования экспериментаэкспериментальной проверкой результатов теоретических исследований в лабораторных и полевых условиях на разработанных сейсмоисточниках на 5 и 20 кДжудовлетворительной сходимостью (расхождение не более 10 $) результатов теоретических исследований с экспериментальными даннымидостигнутыми практическими результатами (отражения сейсмических волн получены с глубины до б км).

Научная новизна. Разработана механическая схема замещения и ее электрическая схе&в-аналог импульсного сейсмоисточника.

Получены уравнения механической системы импульсного источника с учетом нагрузки и их решение, позволяющее получить аналитические зависимости для основных характеристик источника. Установлено влияние параметров нагрузки и механической системы источника на его выходные характеристики.

Получена в явном виде зависимость к.п.д. механической системы импульсного источника от его параметров и жесткости грунта, позволяющая определять оптимальные значения параметров источника при проектировании.

Показано, что к.п.д. импульсного источника имеет максимальное значение при определенном коэффициенте трансформации согласующего устройства. Даны рекомендации по выбору оптимальных значений коэффициента трансформации при проектировании источника.

Разработана математическая модель системы импульсного источника с учетом нагрузки, схемы питания и индукционно-динамического привода, с помощью которой получены динамические характеристики источника и привода. Исследовано влияние параметров механической системы источника и нагрузки на динамические характеристики.

Разработана силовая схема питания, обеспечивающая форсированное уменьшение тока в обмотках индуктора привода, исключающая возникновение режимов электромагнитного торможения.

Разработана конструкция импульсного источника сейсмических колебаний с индукционно-динамическш приводом с учетом размещения его на транспортном средстве ограниченной грузоподъемности. В результате испытаний источника показана перспективность его применения в сейсморазведке.

Основные результаты диссертационной работы получены и использованы при выполнении научно-исследовательских работ на кафедре «Электрические машины» Тольяттинского политехнического института: госбюджетной темы Г301 601, хоздоговорных тем 301 307, 301 519, 301 703, 30Ш5. НИР выполнялись в соответствии с постановлениями Госкомитета по науке и технике при СМ СССР № 415 от 18 ноября 1976 г., а также по планам Министерства Геологии СССР.

Реализация результатов работы. Разработанные импульсные ИСК с ИДП на энергию 5 и 20 кДж внедрены в Волжском отделении института геологии и разработки горючих ископаемых (ВО ИГ и РГИ), г. Куйбышев и в Туркменском научно-исследовательском геологоразведочном институте (ТуркменНИГРИ), г. Ашхабад.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на межотраслевой научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов в различных отраслях народного хозяйства», г. Сызрань, 1975; на третьем Всесоюзном совещании по проблеме «Электрические силовые импульсные оистемы», г. Новосибирск, 1976; на научно-технической конференции «Электромашинные и машинно-вентильные источники импульсной мощности», г. Томск, 1981; на научно-техническом семинаре кафедр «Электрические машины» и «Электрические аппараты» политехнического института, г. Тольятти, 1983.

4.6. Выводы.

1. Разработана методика экспериментального исследования импульсного источника, которая позволяет определить энергию упругих смещений грунта, определяющую эффективность сейсмоисточника.

2. В результате экспериментального исследования показано ка

Рис.4−49. чественное соответствие теоретических и экспериментальных характеристик источника и установлено: что: а) существует оптимальное значение коэффициента трансформации, изменяющееся в зависимости от нагрузки источника, обеспечивающее максимальное значение энергии, передаваемой источником в грунтб) с увеличением инертной массы увеличивается доля энергии, передаваемая в нагрузку, однако эта зависимость имеет явно нелинейный характер и для разработанных источников на 5 кДж и 20 кДж при увеличении инертной массы соответственно выше 2000 кг и 3000 кг увеличение механической энергии незначительно. Увеличение массы вышеуказанных значений ограничивается также грузоподъемностью транспортных средствв) с увеличением жесткости грунта уменьшается доля энергии, передаваемая источником в грунт.

3. С увеличением энергии накопителя эффективность источника возрастает. При форсированных режимах, когда энергия превышает номинальное значение, наблюдается меньший рост эффективности из-за насыщения магнитной цепи привода.

4. Экспериментально доказано, что стабильность формы силового воздействия, создаваемого источником, позволяет проводить сейсмо-разведочные работы в режиме накопления полезного сигнала.

5. В результате полигонных и полевых испытаний в различных сейсмогеологических условиях Туркменской ССР установлено, что разработанные импульсные сейсмоисточники с индукционно-динамическим приводом на энергию накопителя 5 кДж и 20 кДж позволяют решать задачу поиска месторождений нефти и газаявляются автономными, надежными, мобильными и безопасными в работене оказывают вредного влияния на окружающую среду. Полученный практический сейсмический материал вполне сопоставим с данными взрывной сейсморазведки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи создания эффективных импульсных сейсмоисточников для геологоразведочных работ на основе применения линейного индукционно-динами-ческого привода и выбора оптимальных параметров механической системы источника с учетом динамики импульсного ИСК с ИДП и нагрузки-грунта.

1. Развит метод электромеханических аналогий в направлении составления электрических цепей-аналогов механических систем}подобных механической системе источника, содержащей преобразовательный элемент гидравлического типа. Составлена электрическая цепь-айалог механической системы импульсного источника, учитывающая нагрузку и основные элементы механической системы: массу якоря привода, согласующее устройство, инертную массу.

2. В результате решения дифференциальных уравнений, описывающих электрическую цепь-аналог механической системы, установлены зависимости основных характеристик источника (энергии упругих смещений грунта, механического усилия, действующего на излучающую плиту, и других) от параметров механической системы и нагрузки, позволяющие проводить анализ работы источника на нагрузку и выбор его параметров при проектировании.

3. Установлено, что характеристики ИСК имеют максимальное значение при определенном коэффициенте трансформации согласующего устройства, диапазон значений которого при широком изменении величины инертной массы невелик (для ИСК на 5 кДж л" 3.6 при изменении инертной массы от 500 до 5000 кг). Выбор оптимального коэффициента трансформации особенно важен при малых инертных массах.

Значения основных характеристик ИСК возрастают с увеличением инертной массы до определенных значений (для источника на 5 кДж 1500.2000 кг). При дальнейшем увеличении инертной массы возрастание значений происходит в меньшей степени.

Установлено, что с уменьшением диаметра излучающей плиты и массы якоря привода эффективность источника увеличивается. Однако уменьшение диаметра плиты, например в 2 раза, значительно увеличивает давление на грунт в 3,16 раза и смещение плиты в 1,59 раза, что приводит к нарушению условий упругой деформации и к разрушению грунта. Уменьшение массы якоря привода в 1,57 раза увеличивает к.п.д. источника на 13 $.

Изменение величины воздушного зазора ИДД позволяет регулировать длительность сигнала. Уменьшение воздушного зазора с 0,025 до 0,010 м уменьшает время сжатия грунта в 1,3 раза. о тт

С увеличением модуля упругости грунта (от 0,5*10^п до

8 Н м

1,5*10 —п) к.п.д. источника снижается на 21 $. Для источника на м

5 кДяс на грунтах с большим значением модуля упругости необходимо увеличивать коэффициент трансформации до 5.6.

4. Методами планирования эксперимента получена в виде полного квадратичного полинома зависимость к.п.д. механической системы импульсного источника от его параметров и жесткости нагрузки, позволяющая предварительно определять значения параметров при проектировании. Полученная зависимость позволяет вычислять к.п.д. с точностью 16,3 $ от его средних значений, определенных по формулам, полученным из анализа электрической цепи-аналога механической системы источника.

5. В результате расчета системы импульсного источника на 5 кДж по разработанной математической модели, учитывающей нагрузку-грунт, привод, силовую схему питания и механическую систему источника, определены значения его основных характеристик: энергия упругих смещений — 730 Дж (812 Дж), амплитуда усилия на плите 135 кН (149 кН), время выбора воздушного зазора — 7,5 мс (7,7 мс), время сжатия грунта — 13,8 мс (13,5 мс) и другие. В результате сравнения расчета механической системы ИСК с результатами эксперимента (значения указаны в скобках) установлена возможность применения полученных формул при проектировании и анализе работы механической системы источника.

6. Разработана конструкция импульсного источника на 5 и 20 кДж, содержащая индукционно-динамический привод возвратно-поступательного перемещения и гидравлическое преобразовательное устройство, обеспечивающее согласование с нагрузкой с целью повышения к.п.д. Показано, что для повышения к.п.д. на различных грунтах (песок, лёсс, супесь, суглинок) целесообразно в конструкции источника предусматривать возможность изменения коэффициента трансформации в пределах 3.6 изменением площади диафрагмы или поперечного сечения якоря привода.

7. Разработана импульсная схема питания, состоящая из емкостного накопителя электрической энергии и коммутирующего устройства, обеспечивающая формирование импульса тока в обмотках привода длительностью 0,005.О, 020 с и амплитудой 2.6 кА. Схема устраняет возникновение режимов электромагнитного торможения, снижающих к.п.д. энергопреобразования привода за счет форсированного уменьшения тока в обмотках индуктора (в источнике на 5 кДж частота изменения тока при его форсированном уменьшении увеличивается в 3,16 раза) и рекуперация энергии магнитного поля привода в коммутирующую емкость схемы.

8. В результате полигонных и полевых испытаний установлено, что разработанные импульсные сейсмоисточники на энергию 5 и 20 кДж обладают возможностью точной синхронизации (погрешность срабатывания менее 0,5 мс) при работе нескольких установок и высокой повторяемости силового воздействия по величине и форме, что позволяет проводить сейсморазведочные работы группой источников в режиме 16-кратного накопления полезного сигнала.

Для различных сейсмогеологических условий Туркменской ССР получен практический материал, сопоставимый с данными взрывной сейсморазведки. Получены отражения сейсмических волн с глубины до 6 км.