Силовая электромагнитная импульсная система для возбуждения сейсмических волн в водной среде

Актуальность темы

Требования создания надежной топливносырьевой базы, удовлетворяющей потребности промышленности, приводят к тому, что геологоразведочные работы по открытию новых месторождений полезных ископаемых должны проводиться во все возрастающих объемах. Важная роль в этих работах принадлежит сейсморазведке — основному геофизическому методу изучения строения недр [1, с. 404], базирующемуся на искусственном возбуждении и регистрации сейсмических волн. Материалы сейсморазведки служат основой для направления и проведения буровых поисково-разведочных работ. Поэтому поиски путей повышения геологической и экономической эффективности сейсмических методов разведки имеют высокую прикладную и научную значимость.

Важной частью разведочной геофизики является водная сейсморазведка. Причём в настоящее время наблюдается рост её значения, связанный с необходимостью расширения зон поиска запасов нефти и развитием разведочных методов. Так, например, в программе геолого-геофизических работ на акваториях только дальневосточных и северо-восточных морей РФ на 1998;2007 г. г. было запланировано исследование 54 335 погонных километров или 41 500 км2 [2].

В отличие от разведки на шельфах морей и океанов, разведка на мелководье (реках, озёрах, водохранилищах) имеет значительно меньшее распространение. Возможно, сдерживающими факторами здесь являются:

— необходимость частой смены технологии возбуждения сигнала при работе на местностях со множественными малыми водоёмами;

— невозможность эффективной адаптации средств возбуждения сигналов глубоководной сейсморазведки к малой глубине.

В результате, при работе на континенте (например, на равнинах Западной и Восточной Сибири, в дельтах рек (например, Волги и Кубани), на мелководной части морей (например, Каспийского моря)), сейсмическое профилирование выполняется с пропуском водных участков, что неизбежно ведёт к потере и искажению важного сейсмического материала и к снижению производительности и эффективности проводимых работ.

Таким образом, экономическая и техническая эффективность водной сейсморазведки определяются, прежде всего, характеристиками средств возбуждения сигналов. В развитии этих средств водная среда оказала двоякое влияние. С одной стороны, произошёл более ранний, по сравнению с наземными источниками, отказ от использования взрыва в водной среде. Эволюция средств возбуждения происходила быстрее [3, с. 304] и по иным путям, чем в наземной сейсморазведке. В результате, многообразные водные сейсмоисточники принципиально отличаются от сейсмоисточников наземных.

С другой стороны, наиболее распространённые типы водных сейсмоисточников имеют ряд недостатков, существенно ограничивающих возможности их совершенствования и применения. Например, упомянутая ранее, сложность их использование на мелкоглубинных водоёмах.

Представляемая работа выполнена в направлении силовых электромагнитных импульсных систем (СЭМИС) для возбуждения сейсмических сигналов с поверхности водоёмов. Указанный тип систем в наземной сейсморазведке используется с 90х годов и получил широкое применение и развитие: найдены простые и надёжные конструктивные решения и разработаны методики проектирования таких сейсмоисточников. Однако применение в водной сейсморазведке имеющегося опыта создания наземных электромагнитных сейсмоисточников возможно только при всестороннем учёте особенностей водной нагрузки и условий эксплуатации. В связи с этим возникает необходимость решения прикладных и научных задач по разработке новых вопросов, характерных только для работы на воде.

Цели и задачи исследования.

Целью работы является повышение эффективности и увеличение возможностей водной сейсморазведки за счёт совершенствования средств возбуждения сигнала применением линейного электромагнитного привода и поверхностным расположением водного сейсмоисточника.

Основными задачами исследования являются:

1) формулировка базовых свойств сейсмоисточника нового типа на основе СЭМИС;

2) анализ особенностей силового электропривода и разработка конструктивной схемы сейсмоисточника;

3) определение диапазонов значений параметров СЭМИС, обеспечивающих максимальную механическую энергию и КПД электромеханического преобразования;

4) формулировка технических требований и условий к системе электропитания и её разработка;

5) разработка математической модели для анализа возможностей и ограничений режимов работы СЭМИС;

6) экспериментальное исследование опытного образца и определение перспективных направлений совершенствования водного сейсмоисточника.

Объект исследования — комплекс процессов характеризующих преобразование потребляемой электрической энергии в энергию импульсного механического воздействия на водную среду.

Предметом исследования является силовая электромагнитная импульсная система — водный сейсмоисточник, включающий в себя мощный емкостной накопитель энергии с системой заряда, импульсный электромагнитный привод с системой управления, специальную механическую систему для согласования с нагрузкой.

Методологическая и теоретическая основа исследования.

Основные положения теории и практики сейсморазведки рассмотрены в трудах М. И. Балашканда, Г. А. Гамбурцева, JI. Гелдарта, И. И. Гурвича, Майорова, В. В. Федынского, И. С. Чичинина, Р. Шериффа, М. Б. Шнеерсона и др.

Вопросы акустического и сейсмического излучения, а также взаимодействия излучателя со средой освещены в работах А. Г. Горшкова, Э. И. Григолюка, J1. Кампа, Г. Пейна, Я. Г. Поновко, Г. М. Свердлина, Е. Скучика, А. А. Харкевича, и других учёных.

Система электромеханических аналогий прорабатывалась в трудах И. А. Дружинского, И. М. Тетельбаума, Ф. М. Шлыкова и др.

Вопросы теории и практики линейного электромагнитного привода, электромеханического преобразования и методики проектирования невзрывных импульсных сейсмоисточников разработаны в трудах, Ю. А. Бару, Н. П. Бахарева, А. Г. Турина, Н. А. Иванникова, В. В. Ивашина, И. А. Милорадова, Г. Г. Угарова и др.

Методы и средства исследования.

В диссертации использованы теоретические (проводимые аналитическими и численными методами) и экспериментальные, проводимые на действующем опытном образце сейсмоисточника, методы исследования. В частности, численные расчёты процессов динамики электромеханической системы сейсмоисточника проведены с использованием метода Рунге-Кутта, а уравнения составлены с использованием метода электромеханических аналогийрасчёт полей электромагнита проведён методом конечных элементов в программном комплексе Elcut 5.1.

Основой для реализации различных методов исследования являлись положения электротехники, теории линейного электропривода, электроники, механики.

Работоспособность положенных в основу работы идей и предположений подтверждена экспериментальными исследованиями.

Информационная база исследования.

В числе информационных источников диссертации использованы: а) научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов и отчётов, материалов научных конференций, семинаров, диссертационных работб) результаты собственных расчётов и проведённых экспериментов.

Научная новизна исследования.

1. Впервые разработана и исследована силовая электромагнитная импульсная система для возбуждения сейсмического сигнала в водной среде.

2. Предложены новые режимы работы электромеханической системы, позволяющие повысить эффективность воздействия на среду. Отличие новых режимов состоит в изменении процесса энергопреобразования и излучения за счёт нелинейного отбора энергии от электромагнитного привода.

3. Предложена методика получения составляющих энергетического баланса электромеханического преобразования на основе экспериментальных исследований.

4. Даны рекомендации по выбору параметров СЭМИС, обеспечивающих:

— максимальный КПД электромеханического преобразования и отдачу максимальной механической энергии;

— эффективное преобразование, накопление, передачу и использование электрической энергии системой электропитания.

5. Введено новое понятие «ключ заряда», развивающее метод электромеханических аналогий. Понятие «ключ заряда» используется для учёта состояния зазоров в электроприводе и его исполнительном органе при составлении математической модели электромеханического преобразователя.

Практическая значимость работы.

Полученные результаты по разработке водного сейсмоисточника с импульсным электромагнитным приводом могут применяться в сейсморазведке в районах с различными водоёмами. Полученные результаты исследования и рекомендации, высказанные в работе, могут быть использованы и для наземных сейсмоисточников, а также для перспективных сейсмоисточников-амфибий.

В результате выполнения работы был разработан, изготовлен и испытан в лабораторных и полевых условиях опытный образец импульсного водного сейсмоисточника «Аква» с электромагнитным приводом (Приложение 1). Сейсмоисточник «Аква» был создан по техническому заданию, разработанному совместно с ОАО «Тюменнефтегеофизика» на параметры, приведённые в таблице В. 1.

Таблица В. 1.

Параметры опытного образца сейсмоисточника «Аква» .

Характеристика Значение характеристик.

1. Номинальное создаваемое электромагнитом усилие 25−104 Н.

2. Масса пригруза 1300 кг.

3. Диаметр плиты-излучателя 0,8 м.

4. Зазор в электромагните (4. 10)-10″ 3 м.

5. Зазор между ударником и плитой-излучателем (0.8)-10'3 м.

6. Масса сейсмоисточника (без плавсредства) 2500 кг.

7. Минимальный период повторения циклов работы Зс.

8. Средняя потребляемая мощность 700 Вт.

9. Режимы работы: а — упругий ударб — упругое давление.

Апробация результатов исследования.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры.

Промышленная электроника" и электротехнического факультета Тольяттинского государственного университетана научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологий» (г. Тольятти, 2004 г.) — на второй международной научно-технической конференции ELPIT — 2005 «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» (22−25 сентября 2005 г. ТолГУ).

Некоторые результаты работы были использованы на кафедре «Промышленная электроника» Тольяттинского государственного университета в спецкурсе лекций по импульсным электромеханическим преобразователям энергии, а также в курсовом и дипломном проектировании (Приложение 2).

Публикации. По результатам выполненных исследований было опубликовано 9 печатных работ из них 3 патента на изобретение.

Перечень положений, выносимых па защиту.

1. Предложенная в работе СЭМИС для возбуждения сейсмических волн в водной среде обладает рядом принципиальных, существенных преимуществ перед наиболее распространёнными в настоящее время типами водных сейсмоисточников. Так, например, становится возможной работа на мелководье (от 0,5 м), уменьшается энергопотребление (в десятки раз), повышается надёжность и др.

2. Короткоходовой электромагнит в качестве силового привода в составе СЭМИС способен обеспечить сочетание эффективного диапазона значений скорости и перемещения рабочего органа с высоким КПД (около 70%) электромеханического преобразования.

3. Предусмотренная в опытной установке возможность широкого изменения режимов работы электромеханической системы (давление, удар):

— подтвердила влияние типа режима, на такие показатели, как электромеханический КПД и развиваемое на нагрузке усилие;

— позволяет задавать оптимальные параметры режима (значения зазора в электромагните, разбега ударника и др.) по указанным выше показателям;

— расширяет представления о сложном электромеханическом преобразовании (с ударами, упругими элементами).

4. Предложенная методика экспериментального исследования позволяет получить представление об энергетическом балансе в электромеханической системе, что является основой для оптимизации параметров и модернизации установки.

5. Анализ динамики импульсного сейсмоисточника для крайних состояний нагрузки (т. н. режимов «короткого замыкания» и «холостого хода») можно проводить по разработанной математической модели его электромеханической системы. Такой анализ позволяет исследовать влияние различных параметров на работу установки, а его результаты использовать при проектировании водных сейсмоисточников.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 175 страниц, 104 рисунка,.

Выводы.

1. Экспериментальным путём подтверждена адекватность результатов расчёта электромагнита выполненного в п.п. 2.2.3.

2. Определены количественные значения параметров, характеризующих работу сейсмоисточника, такие как:

— амплитуды тока обмотки, магнитного потока, индукции;

— длительность фронта (тока, силы);

— время выбора зазора при разных условиях и т. д.

3. В ходе форсировки (увеличения значения вводимой от емкостного накопителя энергии от 1225 до 2256 Дж) обнаружено проявление насыщения магнитной системы на виде ЭД и кривых тока обмотки электромагнита.

Установлено, что при переходе к верхней границе диапазона форсировки, снижается КПД электромеханического преобразования. Это происходит за счёт роста потерь в обмотке и магнитопроводе. Однако снижение КПД сопровождается ростом абсолютных значений механической энергии и развиваемой электромагнитом силы. Поэтому, можно заключить, что в рассматриваемой установке допустимо дополнительное увеличение форсировки. При этом предел увеличения должен определяться технико-экономическими критериями.

4. В ходе лабораторных исследований на твёрдой нагрузке была отработана методика получения и анализа данных по энергетическому балансу. Было обнаружено, что на указанной нагрузке КПД электромеханического преобразования имеет область максимальных значений. Она получена при значении разбега ударника 4 мм и ограничена диапазоном значений зазора в электромагните 6−8 мм. Здесь можно отметить, что с точки зрения энергетического баланса, режим давления уступает режиму удара в упомянутой области значений параметров последнего. Важным является также то, что указанной области максимального КПД соответствует область максимальных абсолютных значений механической энергии. Причём, в отличие от КПД, механическая энергия растёт на всём интервале значений вводимой энергии накопителя.

5. С помощью измерения отклика сейсмоприёмника на воздействия сейсмоисточника было подтверждено наличие разницы между режимами работы электромеханической системы в воздействии на нагрузку. Выявлены соответствующие рекомендуемые области значений соотношений зазоров (разбег ударника, мм/(диапазон зазора в электромагните, мм)): 0/(4−6), 3/(7−10), 4/(6−8), 5/(6−9).

6. Приведены некоторые характеристики работы сейсмоисточника в условиях полевых испытаний, позволившие:

— сделать вывод о верности выводов и рекомендаций, выполненных по результатам лабораторных испытаний;

— выявить разницу в механическом поведении установки на суше и на воде.

7. Представлены результаты сейсмических испытаний, показавшие принципиальную возможность получения достаточного сейсмического сигнала при использовании водного сейсмоисточника с импульсным электромагнитным приводом.

Следует обратить внимание, что наземные импульсные электромагнитные сейсмоисточники, имеющие аналогичный рассматриваемому водному сейсмоисточнику тип привода, эксплуатируют с использованием группирования. Так, например [27], сейсмоисточники «Геотон» в результате группирования образуют группу эквивалентную (по развиваемой силе двигателя) шести (!) исследовавшимся водным источникам. Этот факт позволяет обоснованно предполагать существенное увеличение (уже присутствующей!) сейсмической эффективности водных сейсмоисточников нового типа при их группировании.

8. На основе результатов сейсмических испытаний:

— сделана оценка сейсмической эффективности установки. Обнаружена сравнимость сейсмических сигналов от импульсного сейсмоисточника «Аква» и от наземного вибратора (на усилие 27 тс);

— подтверждена возможность работы сейсмоисточника «Аква» на малых глубинах. Что является актуальным для сейсморазведки транзитных зон;

— сделана оценка амплитудно-частотных характеристик, позволившая оценить частотный диапазон принимаемого сигнала (15−75 Гц);

— отмечена необходимость дальнейших исследований, уже с проходом участка профиля.

9. В результате изучения работы сейсмоисточника в различных условиях и режимах, в лабораторных и полевых условиях разработаны предложения по его модернизации. В том числе, предложена упрощенная конструкция водного сейсмоисточника без излучающей плиты, что направлено на повышение простоты и надёжности. На новую конструкцию и её варианты получен патент РФ на изобретение [91].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В результате проведённых исследований разработан экспериментальный образец поверхностного водного сейсмоисточника, содержащего импульсный силовой привод на основе короткоходового электромагнита, специальную систему электропитания и механическую систему, обладающую возможностью изменения режима формирования механического воздействия.

2. Анализ известных решений существующих водных сейсмоисточников позволил сформулировать базовые свойства, которые были приданы спроектированной установке:

— поверхностное расположение;

— применение высокоиспользуемого типа силового привода, для которого возможно обеспечить согласование с нагрузкой — водной средой;

— простота конструкции;

— отсутствие создания макронеоднородностей (полостей) в водной среде при работе установки.

3. Предложенное конструктивное решение водного поверхностного невзрывного сейсмоисточника с электромагнитным приводом позволяет работать при глубине водного слоя от 0,5 м, что исключает необходимость погружения сейсмоисточника. Предусмотренная возможность изменения режима работы электромеханической системы (от давления до удара по излучающей плите) обеспечивает повышение согласования с нагрузкой при учёте требования максимального КПД электромеханического преобразования.

4. Была установлена приемлемость работы электромагнита в предусмотренных режимахэкспериментально исследована силовая характеристика электромагнитаопределена область параметров (значений зазоров и начальной энергии накопителя) СЭМИС, в которой от силового привода получается максимальная (и близкая к ней) механическая энергиятакже было установлено, что этой области соответствуют максимальные (и близкие к ним) значения КПД электромеханического преобразования.

5. Показано соответствие выбранной схемы системы электропитания техническим требованиям и условиям. Выявлены схемотехнические возможности повышения эффективности заряда емкостного накопителя и надёжности схемы заряда.

6. Обоснованы особенности разработанного водного сейсмоисточника, обусловившие его экологичность и энергоэкономичность.

7. В ходе описания (с помощью механических схем и их электрических схем-аналогов) режимов работы электромеханической системы введено новое понятие «ключ заряда», расширяющее возможности применения метода электромеханических аналогий для механических систем в ударных режимах с изменяющимися связями между элементами.

8. С помощью аналитического анализа и математического моделирования представлено описание динамики различных режимов работы, позволившее сделать рекомендации по выбору некоторых параметров и определить возможности установки. В частности:

— исследование режима неупругого удара (п.п. 3.1.2) позволило определить, что оптимальным является соотношение масс (якоря, ударника, индуктора с пригрузом, излучающей плиты) при котором выполняется равенство ml+mi= yjm2 • m4 .

Рекомендовано исключение из конструкции излучающей плиты и снижение массы ударника;

— по результатам расчётов на математической модели сейсмоисточника установлено, что,.

1) переход от режима давления к ударным режимам позволяет г получить большую скорость движения якоря с ударником и, следовательно, увеличить мощность воздействия на среду;

2) в определённом диапазоне значений податливости упругой прокладки возможно получение фронта скорости излучателя, значительно более крутого, чем фронт скорости якоря с ударником. Это может быть использовано при оптимизации характеристик импульса воздействия на нагрузку.

9. Результаты сейсмических испытаний показали принципиальную возможность получения достаточного сейсмического сигнала при использовании водного сейсмоисточника с импульсным электромагнитным приводом.

Таким образом, проведёнными в ходе синтеза и анализа исследованиями, были достигнуты и изучены характеристики разработанной установки, потенциально повышающие эффективность и увеличивающие возможности водной сейсморазведки при использовании водного поверхностного сейсмоисточника с импульсным электромагнитным приводом.

Новизна предложенных решений предопределяет появление некоторых новых задач исследования (излучаемого сейсмического сигнала и его прохождения через различные средыполучение адекватной модели водной среды как нагрузки для сейсмоисточника и др.) и уже очевидных перспектив совершенствования сейсмоисточника (оптимизации конструктивной схемыразработки наземно-водного варианта и др.).

Некоторые результаты данной работы могут быть использованы при проектировании наземных импульсных сейсмоисточников и других систем с электромагнитным линейным приводом.