Морской вибрационный источник сейсмических колебаний, включающий, по существу, эллиптическую наружную оболочку, привод, имеющий первый и второй концы, по меньшей мере одну наружную пружину, соединяющую первый и второй концы привода, и по меньшей мере одну внутреннюю пружину, соединяющую первый и второй концы привода. К внутренней пружине прикреплены одна или более масс. Наружную пружину и наружную оболочку соединяет по меньшей мере один передаточный элемент. Наружная и внутренняя пружины и прикрепленные к внутренней пружине массы выбираются так, чтобы генерировались первая и вторая резонансные частоты в частотном диапазоне от 1 до 300 Гц.

[0001] Морской вибрационный источник для возбуждения сейсмических колебаний, включающий

[0002] Морской вибрационный источник по п.1, отличающийся тем, что указанный привод выполнен магнитострикционным.

[0003] Морской вибрационный источник по п.2, отличающийся тем, что магнитострикционный привод изготовлен из терфенола-Д.

[0004] Морской вибрационный источник по п.1, отличающийся тем, что наружная пружина совместно с приводом и наружной оболочкой определяют первую резонансную частоту морского вибрационного источника сейсмических колебаний.

[0005] Морской вибрационный источник по п.4, отличающийся тем, что внутренняя пружина с прикрепленными к ней массами и указанный привод определяют вторую резонансную частоту морского вибрационного источника сейсмических колебаний.

[0006] Морской вибрационный источник по п.1, отличающийся тем, что наружная оболочка представляет собой гибконапряженную оболочку.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области морских геофизических исследований, в особенности к вибрационным источникам сейсмических колебаний, применяемым в морских геофизических исследованиях.

Предшествующий уровень техники

Источники сейсмических колебаний, в частности вибрационные источники, применяются в геофизических исследованиях, проводимых на суше и в водах, покрывающих поверхность земли. Сигналы, генерируемые этими источниками, распространяются вниз в землю, отражаются от отражающих границ в геологической среде и регистрируются датчиками сигналов, обычно гидрофонами или геофонами, расположенными на поверхности или вблизи поверхности земли.

Применяемые в настоящее время в морских исследованиях источники акустических сигналов в большинстве своем являются источниками импульсного типа, в которых стараются достичь генерации максимально возможной энергии за минимально возможный промежуток времени. Частотный состав таких источников управляем лишь в незначительной степени, и с целью генерации сигналов в различных частотных диапазонах для различных целей сейсморазведки выбираются различные источники. В морских исследованиях применяются, в частности, вибрационные акустические источники с гидравлическим приводом, а также источники, использующие пьезоэлектрические и магнитострикционные материалы. Однако такие источники нашли лишь ограниченное применение. Хотя они могут генерировать сигналы в различных полосах частот, обычно называемых полосами "качания частоты", ограниченная мощность известных источников такого типа ограничивала и их применение в морских исследованиях.

Хорошо известно, что при распространении звуковых волн в воде и в структурах геологической среды высокочастотные звуковые волны затухают быстрее низкочастотных и, следовательно, низкочастотные звуковые волны могут быть переданы на большие расстояния сквозь воду и геологическую среду, чем высокочастотные. В области сейсморазведки в нефте- и газодобывающей промышленности давно уже назрела потребность в мощных низкочастотных морских акустических источниках.

Соответственно, имеется непреходящая потребность в усовершенствованных акустических источниках для морских исследований.

Сущность изобретения

Изобретение предлагает морской вибрационный источник сейсмических колебаний, в конкретном варианте включающий наружную оболочку, по существу, эллиптической формы, привод, имеющий первый и второй концы, по меньшей мере одну наружную пружину, подсоединенную между первым и вторым концами привода, и по меньшей мере одну внутреннюю пружину, подсоединенную между первым и вторым концами привода. К внутренней пружине прикреплены одна или более масс. Наружную пружину и наружную оболочку соединяет по меньшей мере один передаточный элемент, передающий акустическую энергию в воду. Наружная и внутренняя пружины и прикрепленные к внутренней пружине массы выбраны таким образом, чтобы генерировались первая и вторая резонансные частоты в частотном диапазоне от 1 до 300 Гц.

Перечень фигур чертежей

На фиг. 1 показан один из вариантов осуществления настоящего изобретения, пригодных для проведения морских исследований;

на фиг. 2 - один из вариантов осуществления настоящего изобретения в частичном поперечном разрезе;

на фиг. 3 - наружная пружина в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 4 - наружная пружина в сочетании с приводом;

на фиг. 5 - наружная пружина в сочетании с приводом, внутренней пружиной и прикрепленными к ней массами;

на фиг. 6 - модельный амплитудный спектр с двумя резонансами.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Полный импеданс для морского вибрационного источника сейсмических колебаний может быть выражен следующей формулой:

где

Z _r - полный импеданс,

R _r - радиационный импеданс и

X _r - реактивный импеданс

При исследовании энерговыделения морского вибрационного источника сейсмических колебаний в качестве модели может быть выбран экранированный диск. В этом случае в выражении для полного импеданса радиационный импеданс R _r экранированного диска будет

а реактивный импеданс:

где

и

а также

где

ρ ₀ - плотность воды,

ω - круговая частота,

k - волновое число,

α - радиус диска,

c - скорость звука,

λ - длина волны и

J ₁ - Бесселева функция первого порядка.

Разложение в ряд Тейлора вышеприведенных выражений дает

Для низких частот, когда x=2ka много меньше 1, действительная и мнимая части выражения для полного импеданса могут быть аппроксимированы первыми членами рядов Тейлора. Соответствующие выражения для низких частот, когда длина волны много больше радиуса диска, приобретают следующий вид:

Отсюда следует, что для низких частот R будет малым в сравнении с X, что означает очень низкую эффективность генерации сигнала. Однако введением резонанса на нижнем крае частотного спектра можно повысить эффективность генерации низкочастотного акустического сигнала. При резонансе мнимая (реактивная) часть импеданса обращается в ноль, и источник акустических колебаний способен эффективно передавать акустическую энергию в водную среду.

Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения включает морской вибрационный источник сейсмических колебаний, имеющий по меньшей мере две резонансные частоты в диапазоне частот, представляющих интерес для сейсмических исследований, обычно это диапазон от 1 до 300 Гц.

На фиг. 1 показан один из вариантов морского вибрационного источника сейсмических колебаний 19 согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, пригодному для проведения морских исследований. Морской вибрационный источник сейсмических колебаний 19 включает вибрационный источник (вибратор) 20, смонтированный в раме 16. Планка 14 соединена с верхом рамы 16 и включает отверстия 24, которые могут быть использованы для позиционирования вибратора в водной среде. Фиг. 1 еще будет обсуждаться ниже, но для лучшего понимания изобретения обратимся к фиг. 2-5.

На фиг. 2 показан в частичном поперечном разрезе один из вариантов осуществления настоящего изобретения, включающий привод 8, который может быть выполнен как магнитострикционный привод и который в предпочтительном варианте изготовлен из терфенола-Д (terfenol-D). Хотя в конкретном описанном варианте осуществления изобретения показан только один привод, но в объем изобретения входит и вариант, в котором используется несколько параллельных приводов. Далее настоящий вариант включает наружную приводную пружину 3, соединенную с каждым из концов 13 привода 8. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения приводная пружина 3 может иметь эллиптическую форму. В предпочтительном варианте, в котором привод 8 включает привод из терфенола-Д, привод 8 включает также магнитную цепь (отдельно не показана), создающую магнитное поле, когда в нее подается электрический ток. Это магнитное поле вызывает удлинение штоков из терфенола-Д. Длина привода 8 изменяется посредством изменения силы электрического тока и, соответственно, величины магнитного поля. Обычно для задания магнитного поля смещения, действующего на штоки из терфенола-Д, используются постоянные магниты, а изменения магнитного поля создаются подачей меняющегося электрического тока в катушки, созданные вокруг штоков из терфенола-Д. Изменения длины приводных штоков вызывают соответствующие изменения размеров наружной приводной пружины 3.

Кроме того, на фиг. 2 показана внутренняя пружина 4 с прикрепленными к ней массами 7. Как будет разъяснено ниже, эта внутренняя приводная пружина 4 с прикрепленными к ней массами 7 включена для получения второй резонансной частоты системы в диапазоне частот, представляющих интерес для сейсмических исследований. Хотя система вибратора, включающего только наружную пружину 3, как правило, имеет вторую резонансную частоту, но у систем с размерами, подходящими для морских геофизических исследований, вторая резонансная частота значительно выше частот, представляющих интерес для сейсмических исследований.

Монтажные стойки 28, показанные на фиг. 2, жестко соединены своими верхними и нижними концами с верхней и нижней концевыми пластинами 18 (показаны на фиг. 1). Привод 8 жестко соединен в своей средней по длине части с монтажными стойками 28 для создания устойчивой опорной точки привода 8. Перемещение концов 13 приводного штока 8 относительно монтажных стоек 28 не ограничено.

Вариант осуществления настоящего изобретения, показанный на фиг. 2, включает наружную оболочку 2, с которой наружная пружина 3 соединена посредством передаточных элементов 5. Форму оболочки 2 обычно называют гибконапряженной. В одном из вариантов осуществления изобретения наружная оболочка 2 включает две боковины, которые могут быть зеркальными отражениями друг друга, и две концевые балки 1, причем боковины шарнирно соединены с концевыми балками 1 шарнирами 6. На фиг. 2 показана одна из боковин наружной оболочки 2, обозначенная на фиг. 2 как оболочечная боковина 2а. В полностью собранном устройстве вторая оболочечная боковина (не показана на фиг. 2), представляющая собой зеркальное отражение оболочечной боковины 2а, шарнирно соединена шарнирами 6 с концевыми балками 1, завершая полную гибконапряженную оболочку, окружающую смонтированные привод 8, наружную пружину 3 и внутреннюю пружину 4.

Как показано на фиг. 1, морской вибрационный источник сейсмических колебаний 19 далее включает верхнюю и нижнюю концевые пластины 18. В сборе наружная оболочка 2, включающая две боковины, и две концевые балки 1 герметично соединены с верхней и нижней концевыми пластинами 18. Хотя наружная оболочка 2 герметично связана с верхней и нижней концевыми пластинами 18, однако когда морской вибрационный источник сейсмических колебаний 19 работает, наружная оболочка 2 перемещается относительно концевых пластин 18, так что соединение концевых пластин 18 и наружной оболочки 2 должно быть гибким; такое соединение может быть обеспечено, например, гибкой мембраной 22 (в подробностях не показана).

Дополнительные детали одного из вариантов осуществления настоящего изобретения показаны на фиг. 3, 4 и 5. На фиг. 3 показана наружная приводная пружина 3. У этой пружины две функции. Первая - преобразование изменений длины магнитострикционного привода 8 в перемещение наружной оболочки 2. Вторая - формирование резонансной системы для более эффективного генерирования акустического сигнала в морской среде. При уменьшении длины привода 8 центральная часть приводной пружины 3 смещается кнаружи от привода 8, а когда привод 8 удлиняется, центральная часть приводной пружины 3 смещается внутрь, приближаясь к приводу 8. Эти смещения центральной части наружной пружины 3 передаются на наружную оболочку 2 посредством передаточных элементов 5. При этом перемещение наружной оболочки по сравнению с перемещением привода будет усилено с коэффициентом усиления, обычно называемым ″коэффициентом трансформации ″, определяемым величиной радиуса 10 эллиптической приводной пружины 3. Величина коэффициента трансформации, как правило, варьируется в пределах от 2 до 5, в зависимости от радиуса эллиптической пружины. Когда нужны большие амплитуды и меньшая сила, выбирают более высокие значения коэффициента трансформации. Две секции приводной пружины 3 связаны друг с другом приводными пластинами 9, образующими верхний и нижний концы 13 привода 8, когда вибратор 20 собран.

Фиг. 4 показывает наружную приводную пружину 3 с приводом 8. Как видно из фиг. 4, приводная пружина 3 соединяется с приводом 8 через приводные пластины 9, связанные с каждым из концов привода 8. Характеристики наружной приводной пружины 3, привода 8 и наружной оболочки 2 определяют первую резонансную частоту. Выбором жесткости приводной пружины 3 может быть получена желаемая резонансная частота в диапазоне частот, представляющих интерес для сейсмических исследований.

На фиг. 5 показан морской вибрационный источник сейсмических колебаний, включающий внутреннюю приводную пружину 4 с прикрепленными к ней массами 7. Эта внутренняя приводная пружина 4 с прикрепленными к ней массами 7 определяет, во взаимодействии с приводом 8, вторую резонансную частоту. Посредством выбора жесткости внутренней приводной пружины 4 и величин масс 7 может быть получена желательная вторая резонансная частота в диапазоне частот, представляющих интерес для сейсмических исследований. Этот второй резонанс усиливает акустическую мощность морского вибрационного источника сейсмических колебаний и дает почти плоский амплитудный спектр между первым и вторым резонансами. Как наружная пружина 3, так и внутренняя пружина 4 могут быть изготовлены из стали, стекловолокна, углеволокна или иного подходящего гибкого материала.

На фиг. 6 показаны результаты моделирования методом конечных элементов морского вибрационного источника сейсмических колебаний согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Первая резонансная частота 11 определяется взаимодействием наружной приводной пружины 3, привода 8 и наружной оболочки 2. Вторая резонансная частота 12 определяется взаимодействием привода 8 и внутренней приводной пружины 4 с добавленными массами 7.

Как известно специалистам, при проектировании любого конкретного варианта осуществления изобретения может быть использован метод конечных элементов. При любом применении этого метода придерживаются следующих принципов. Если наружная оболочка 2 моделируется диском, то для низких частот инерционная нагрузка, или эквивалентная жидкая масса, действующая на оболочку, равна

где

М - инерционная нагрузка,

ρ ₀ - плотность воды и

α - радиус эквивалентного диска, соответствующего размеру наружной оболочки 2.

Наружная оболочка 2 имеет коэффициент трансформации T _shell , связывающий длинную и короткую оси ее эллипса, так что прогиб двух боковин оболочки (боковины 2а на фиг. 2 и ее зеркального отражения с другой стороны наружной оболочки 2) будет иметь большую амплитуду, чем прогиб концевых балок 1 (связывающих друг с другом две боковины оболочки 2), вызванный перемещением передаточных элементов 5. Далее, наружная пружина 3 создает большую инерционную нагрузку на привод 8, так как эта наружная пружина 3 также имеет коэффициент трансформации, связывающий длинную и короткую оси ее эллипса, при этом длинная ось равна длине привода 8, а короткая ось это ширина данной эллиптической пружины. Обозначив ее коэффициент трансформации T _spring , получим инерционную нагрузку на привод 8:

Частота первого резонанса f _resonance данного акустического излучателя определяется следующим соотношением для массивной пружины:

где

K - жесткость пружины и

M _outer - инерционная нагрузка на привод 8.

K - это жесткость сочетания наружной пружины 3 с приводом 8, где наружная пружина 3 соединена с наружной оболочкой 2 посредством передаточных элементов 5, концевой балки 1 и шарниров 6.

Для достижения эффективной передачи энергии в диапазоне частот, представляющих интерес для сейсмических исследований, важно получить вторую резонансную частоту в этом диапазоне частот, представляющих интерес для сейсмических исследований. В отсутствии внутренней пружины вторая резонансная частота возникает как вторая частота собственных колебаний, когда наружная приводная пружина 3 взаимодействует с приводом 8. Однако эта резонансная частота, как правило, намного выше первой резонансной частоты и, соответственно, оказывается вне диапазона частот, представляющих интерес для сейсмических исследований. Как видно из вышеприведенного соотношения, резонансная частота снижается с увеличением инерционной нагрузки на наружную пружину 3. Инерционная нагрузка может быть увеличена добавлением массы к приводу 8, однако чтобы такой добавкой получить вторую резонансную частоту в диапазоне частот, представляющих интерес для сейсмических исследований, величина необходимой добавки массы к приводу сделала бы такую систему практически неприменимой для морских сейсмических исследований.

В соответствии с настоящим изобретением внутри наружной приводной пружины 3 включена вторая пружина, внутренняя приводная пружина 4, с добавленными массами 7 на боковой части внутренней пружины 4. По своему воздействию добавление таких масс эквивалентно добавлению массы на конце привода 8.

Эта дополнительная пружина - внутренняя приводная пружина 4 - также имеет свой коэффициент трансформации T _inner и увеличивает инерционную нагрузку на терфеноловый привод 8. Использование внутренней пружины 4 с добавленными массами 7 позволяет настроить второй резонанс системы так, чтобы вторая резонансная частота оказалась в диапазоне частот, представляющих интерес для сейсмических исследований, повышая тем самым к.п.д. акустического излучателя в сейсмической полосе частот.

где

K _inner - жесткость внутренней пружины;

K _driver - жесткость пружины наружного узла привода.

Настоящее изобретение не только создает два резонанса в диапазоне частот, представляющих интерес, но дает также возможность создавать большие амплитуды с помощью акустических передатчиков данного типа.

Хотя настоящее изобретение описано с использованием ограниченного числа вариантов осуществления, специалисты, используя преимущества раскрытого изобретения, смогут вывести из настоящего описания другие варианты осуществления, не отступающие от объема раскрытого изобретения. Соответственно, объем настоящего изобретения ограничивается только прилагаемой формулой.