CC BY
24
УДК 621.316:621.373
А.Г. Гурин, Б.Т. Кононов, В.Н. Щека
ОСОБЕННОСТИ ВОЗБУЖДЕНИЯ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НАЗЕМНЫМИ ИМПУЛЬСНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ С ПЛОСКИМИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМИ ИЗЛУЧАТЕЛЯМИ
Наведені співвідношення, що описують зв'язок між параметрами розрядного кола конденсаторної батареї, що формують імпульс струму та вплив досліджуваного середовища на форму і спектральний склад ударного імпуль-су,сформованого електродинамічним випромінювачем з плоскою випромінюючою системою котушок.
Приводятся соотношения, описывающие связь между параметрами разрядной цепи конденсаторной батареи, формирующей импульс тока, и влияние исследуемой среды на форму и спектральный состав ударного импульса, формируемого электродинамическим излучателем с плоской излучающей системой катушек.
ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ
Высоковольтные электроразрядные установки широко применяются при реализации разрядноимпульсных технологий для обработки материалов давлением, очистки и обеззараживания продуктов, биомедицинских исследованиях. Такие установки целесообразно использовать и для поиска полезных ископаемых путем изучения состояния верхних слоев твердой оболочки земли, морей и шельфов, структуры донных осадков внутренних водоемов. Электрораз-рядное оборудование, используемое для этих целей, должно позволять осуществление многократного генерирования одинаковых по амплитуде и форме зондирующих сигналов, позволяющих осуществить оценку времени распространения упругих волн, определить их скорости, расстояния до отражающих горизонтов, акустическую жесткость, коэффициенты отражения и поглощения упругих волн, спектральные характеристики среды. Основными направлениями исследований по совершенствованию высоковольтных электроразрядных установок, используемых для поиска полезных ископаемых, связаны с повышением эффективности процесса преобразования энергии и улучшением удельных энергетических характеристик за счет уменьшения габаритов и металлоемкости оборудования. Желаемые результаты могут быть получены путем создания специализированных разрядных систем, допускающих продолжительную непрерывную работу с постоянными характеристиками и имеющих узкую сканирующую диаграмму направленности, обеспечивающую требуемую точность определения параметров исследуемой среды. Наиболее полно поставленным требованиям отвечают электродинамические источники с плоскими излучателями, использующие энергию, накопленную в электрическом поле конденсаторов.
Вместе с тем, при создании наземных и морских излучателей сейсмических колебаний стремились получить одновременно и наибольшую силу и максимальную эффективность преобразования энергии, накопленной в конденсаторах, в энергию упругих колебаний в земле или энергию гидроакустического импульса в воде. При этом первая цель достигалась созданием мощных инерционных преобразователей, что закономерно уводило от достижения второй цели. Для преодоления указанного противоречия и разработки практических рекомендаций по снижению инерционности используемых передаточных звеньев и снижению силового воздействия на элементы установок, рассмотрим особенности возбуждения сейсмических сигналов электродинамическими источниками с плоскими индукционными преобразователями.
АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ
В последние годы все больший интерес представляют сейсмоакустические методы воздействия на нефтеносные пласты с целью повышения нефтеотда-чи и повышения дебита действующих скважин [1, 2]. При определении остаточных запасов нефти, выборе оптимального спектра акустического импульса, воздействующего на пласт, может быть использован опыт создания и эксплуатации невзрывных источников сейсмических колебаний наземного исполнения [3] для сейсморазведки полезных ископаемых. Наряду с газодинамическими, пневматическими, электрогид-равлическими и другими видами излучателей, электродинамические излучатели с плоской излучающей мембраной позволяют:
• распределить давление по поверхности грунта с целью согласованной передачи в исследуемую среду импульса давления в области упругих деформаций [4];
• создавать направленное излучение группой излучателей [5];
• расширить диапазон излучаемых колебаний в сторону средне- и высокочастотных [6] благодаря малой массе излучающей мембраны (штампа), расположенного непосредственно на поверхности грунта без промежуточных передающих элементов [6];
• с высокой точностью синхронизировать момент подачи импульса давления от каждого отдельного и группы излучателей с приемной аппаратурой, что важно при накапливании информации и её обработке [7];
• регулировать амплитуду излучения и спектр путем формирования импульса тока в разрядной цепи конденсаторной батареи с учетом решаемых сейсмо-геологических задач [8, 9].
Цель статьи - установление зависимости между параметрами сейсмоакустического импульса, электрической и механической системами его формирования.
ОСНОВНОЙ МАТЕРИАЛ
В электродинамическом излучателе происходит превращение электрической энергии в механическую. Электродинамический излучатель имеет в своем составе накопитель и преобразователь электрической энергии. Его действие основано на многократном увеличении мощности, достигаемом путем медленного накопления энергии, поступающей от источника, и быстрого поступления ее в нагрузку, плоскую катушку, накладываемую на штамп, выполненный в виде массивной электропроводящей среды. При протекании импульсного электрического тока через плоскую катушку начинаются колебания штампа, вызываемые электродинамическими силами, возникающими в результате взаимодействия тока катушки и тока, индуцируемого в штампе. Штамп может быть выполнен и
в виде катушки, импульс силы в которой возникает в результате взаимодействия токов, протекающих в катушках. Электрическая схема электродинамического излучателя состоит из зарядного устройства, конденсаторной батареи, коммутатора, активного сопротивления разрядной цепи и плоских катушек.
Для исследования процессов преобразования энергии, происходящих в электродинамическом излучателе, предлагается следующая математическая модель системы излучатель-грунт. Математическая модель образуется соотношениями, описывающими связь между параметрами схемы, формирующими импульс тока, а также соотношениями, отражающими процессы, происходящие в электродинамическом преобразователе, и соотношениями, описывающими колебания грунта.
Процесс в разрядной цепи описывается уравнением равновесия напряжений:
ёф т . 1 г ■ 7
-------ь LJ н---------1 idt — U н .
dt 3 г Ї н
с
(1)
Учитывая то, что токосцепление у является функцией времени t и перемещения х, определяемого суммой перемещения катушки х1 и штампа х2, эквивалентная индуктивность Ьэ(х) электродинамического излучателя равна
Ьэ (х) = Ь1 + Ь2 + 2М (х), (2)
где Ь1 и Ь2 - собственные индуктивности излучателя; М - взаимная индуктивность.
Знак + в (2) определяется согласным или встречным включением индуктивно связанных катушек.
Запишем уравнение (1) в виде
Ьэ(х)М- + Кс(х)^, + ЯЭ1 +±}м = ин , (3)
где Кс =
dLэ (х)
= -2
dt
ёМ
С,
Л ёх
Влияние относительного движения индуктора на ток в разрядной цепи представим в виде действия как бы вносимого сопротивления Яен, включаемого последовательно с сопротивлением Яэ.
Величина Яен определяется соотношением
Явн = Кох^х = КСх¥х(0= КСх[Ух(а)+А¥х(t)], (4) М
где Ух(^, Ух(0) - текущая и начальная скорости перемещения индуктора; А¥х(^ - изменение скорости перемещения индуктора.
Исходя из того, что Яэ+КохУх(0) >> КохУх(^ можно считать, что полное сопротивление разрядной цепи в процессе работы электродинамического излучателя является величиной постоянной. Поскольку Ьэ практически остается постоянной величиной в процессе разряда, постольку можно считать, что разряд происходит в цепи с постоянными значениями Я^, Ьэ и Сэ.
Исходя из необходимости получения колебательного переходного процесса, параметры схемы должны выбираться таким образом, чтобы
ЯЕ < 2^1 Ьэ / Сэ . Решение уравнения (3) при таком соотношении параметров имеет следующий вид:
и
Lэ
0 Є * ЄІП tt>cвt,
(5)
12 2
где асв = ^а0) -5 - угловая частота синусоидаль-
ных колебаний, возникающих вследствие преобразования энергии электрического поля в энергию маг-
нитного поля и обратно, причем эти колебания сопровождаются потерей энергии в сопротивлении;
соо = 1/(д/Ьэ / Сэ) - резонансная угловая частота;
5 = Яе/2£э; Яе = Яэ + Яен; и0 - напряжение заряда конденсаторной батареи.
Электродинамическую силу взаимодействия ^ определим как производную электромагнитной энергии Ж рассматриваемых контуров по направлению х, т.е.
^Ц)= ёЖ/ёх. (6)
Электромагнитная энергия двух контуров, по которым проходят токи 1^) и Ь((), равна
(7)
Ж = +12-^ + М/1/2 .
Представляя электродинамический излучатель как один контур с эквивалентной индуктивностью Ьэ(х), определим силу взаимодействия:
^ .(8)
ёх
и о2
2 сL
2 є 231 sin2 тсві ■
Учитывая то, что энергия Жн, запасенная в конденсаторе Сэ, определяется из соотношения
Жн = и 02С^2, (9)
преобразуем соотношение (8) к следующему виду:
Р (1 )=^
Lэ
Ґ „ Л ®о
є 231 sin2 а
Св1 . (10)
ах
Величину перемещения х определим как результат взаимного перемещения двух масс (катушки т1 и штампа т2). Эти массы действуют на грунт с силой Р = (ті + т2)и, равной силе тяжести. Уравнение движения массы т1 имеет вид:
т1 =щи -р(?).
ё1
Уравнение движения массы т2:
т2 d-Х— = т2И + Р(г)- ^(х2 )= ё12
(11)
(12)
где 8(х2) - определяется динамической реакцией грунта на перемещение штампа.
Если принять во внимание то обстоятельство, что возбуждение колебаний штампом происходит в упругом полупространстве с потерями, то функция динамической реакции будет иметь вид:
^(х2 )=~к2 ёё- - кСр х2 ;
(13)
где к2 - коэффициент демпфирования колебаний; кср -коэффициент, учитывающий характеристики грунта. Учитывая, что
х1г
<< Х2Г
ёх1
ё1
ёх2
ё1
где ^ - момент времени начала перемещения массы т1, определяемый из условия ш1% = Е(Г), уравнение движения штампа на упругом полупространстве представим в виде уравнения вынужденных колебаний диссипативной системы с одной степенью свободы:
р (t)
ё 2 х
к2 ёх
+ ---------+ _
2 т2 ё1
ср
■ + И .
(14)
^2 Ш2 М Ш2 Ш2
Для анализа воздействия процессов в разрядной цепи и элемента механической системы целесообразно использовать спектральное представление силового воздействия. Учитывая, что период Т силового воздействия определяется интервалом [0, я/юсв] , запи-
2
г
г
шем преобразование Фурье
2
H (<и) =---------f F (t У jantdt
юга i
(15)
св о
или в виде
H(ю) = e-2^t.sm2 ю te-jantdt. (16)
«4 L dx 0 ce
Используя (16), получим соотношения для амплитудного GF(ro) и фазового ф^ю) спектров силы:
/ \ (2 &>0 \е2na — 2ena' ■ cosna +1
Gf (®) = A--------f I------------ --- --------; (17)
2 2 ^1 +^1
q>F (®)= arctg
e 2na sin na" e 2na cos na” -1
где
ni
- arctg,
A _ WndL3 . . _ 2^ . . _ ,, .
A — ------ ; a — -- ; a ——&l& ;
L„dx a
ц1 = a'(4 + a'2 -3a"2); щ = a"(4- a"2 + 3a'2)-(a) .
Соотношения (5, 10, 14, 17) позволяют установить влияние различных факторов на работу электродинамического излучателя. Так, увеличение Яэ приводит к увеличению тепловых потерь и снижению той части запасенной в конденсаторе энергии, которая расходуется на механическую работу. Вместе с тем, увеличение Яэ при неизменных значениях L3 и С„ а значит и неизменном значении ю0 приводит к смещению максимума силового импульса к его переднему фронту. Величина GF(ro) при фиксированной частоте и при 5 = const будет увеличиваться с увеличением ю0.Управление генератором ю0 можно осуществлять путем изменения скорости разряда конденсаторной батареи или изменением схемы включения индукторов. Изменение эквивалентной индуктивности разрядной цепи достигается переходом от последовательного к параллельному или смешанному соединению катушек, либо применением группы преобразователей, рассредоточенных по поверхности грунта.
ВЫВОДЫ
1. Рассмотрены вопросы возбуждения сейсмоа-кустических сигналов с поверхности земли плоскими электродинамическими излучателями. Получены аналитические выражения, устанавливающие связь между формой и амплитудой силового импульса и его спектром от величины накопленной в конденсаторе энергии и параметров разрядного контура при условии, что исследуемая геологическая среда представлена в виде упругого полупространства.
2. Полученные соотношения позволяют определить основные электрические и геометрические параметры электродинамического преобразователя и провести его оптимизацию для необходимого спектра излучаемых частот.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Загривный Э.А., Козярук А.Е., Малярев В.И., Мельникова Е.Е. Перспективы использования забойных электротермических комплексов для повышения нефтеотдачи пластов с тяжелой высоковязкой нефтью // Электротехника. -2010. - № 1.
2. Колосов В.М. Применение приповерхностных источников возбуждения при остронаправленном излучении сейсмической энергии в нижнее полупространство. Использование приповерхностных источников в сейсморазведке: Тема-тич. сб. - Саратов, 1987. - С. 32-38.
3. Потапов О.А., Организация и технические средства сейсморазведочных работ. - М.: Недра, 1989. - 260 с.
4. Турин А.Г. Определение механических напряжений под мембраной электродинамического излучателя сейсмических колебаний // Мехатка та машинобудування. Наук.-техн. журнал АН ВШ Украши. - 1998. - № 2. - С. 69-72.
5. Мостовой С.П., Бяков Ю.А., Гурин А.Г. О выборе элементов электродинамических фазированных антенных решеток // Труды НТК "Комплексные геолого-геофизические исследования мирового океана". - 1988. - С. 67-68.
6. Дубов Н.Н., Заславский Ю.М., Мостовой С.П. Короткозамкнутый сейсмический геолокатор на объемных P-волнах // Изв. РАН Физика Земли. - 1992. - № 11. - С. 54-63.
7. Кауфман В.И. Аппаратурное обеспечение контроля и управления работой импульсных невзрывных источников / Совершенствование техники и методики геофизических исследований. Сб. науч. тр. - Львов: УкрНИГРИ, 1986. - С. 50-57.
8. Щерба А.А., Дубовенко КВ. Высоковольтные элекгрораз-рядные компактные системы. - К.: Наукова думка, 2008.- 360 с.
9. Гурин А.Г. Создание комплекса высокоэффективных электродинамических устройств для контроля параметров окружающей среды. Теоретические основы разработки и внедрение: Дис. д-ра техн. наук. - Харьков, 1999. - 391 с.
Bibliography (transliterated): 1. Zagrivnyj 'E.A., Kozyaruk A.E., Malyarev V.I., Mel'nikova E.E. Perspektivy ispol'zovaniya zabojnyh 'elektrotermicheskih kompleksov dlya povysheniya nefteotdachi plastov s tyazheloj vysokovyazkoj neft'yu // 'Elektrotehnika. - 2010. - № 1. 2. Kolosov V.M. Primenenie pripoverhnostnyh istochnikov vozbuzhdeniya pri ostronapravlennom izluchenii sejsmicheskoj 'energii v nizhnee poluprostranstvo. Ispol'zovanie pripoverhnostnyh istochnikov v sejsmorazvedke: Tematich. sb. - Saratov, 1987. - S. 32-38. 3. Potapov O.A., Organizaciya i tehnicheskie sredstva sejsmorazvedochnyh rabot. - M.: Nedra, 1989. - 260 s. 4. Gurin A.G. Opredelenie mehanicheskih napryazhenij pod membranoj 'elektrodinamicheskogo izluchatelya sejsmicheskih kolebanij // Mehanika ta mashinobuduvannya. Nauk.-tehn. zhurnal AN VSh Ukraini. -1998. - № 2. - S. 69-72. 5. Mostovoj S.P., Byakov Yu.A., Gurin A.G. O vybore 'elementov 'elektrodinamicheskih fazirovannyh antennyh reshetok // Trudy NTK "Kompleksnye geologo-geofizicheskie issledovaniya mirovogo okeana". - 1988. - S. 67-68. 6. Dubov N.N., Zaslavskij Yu.M., Mostovoj S.P. Korotkozamknutyj sejsmicheskij geolokator na ob'emnyh P-volnah // Izv. RAN Fizika Zemli. - 1992. - № 11. - S. 54-63. 7. Kaufman V.I. Apparaturnoe obespechenie kontrolya i upravleniya rabotoj impul'snyh nevzryvnyh istochnikov / Sovershenstvovanie tehniki i metodiki geofizicheskih issledovanij. Sb. nauch. tr. - L'vov: UkrNIGRI, 1986. - S. 5057. 8. Scherba A.A., Dubovenko K.V. Vysokovol'tnye 'elektrorazryadnye kompaktnye sistemy. - K.: Naukova dumka, 2008.- 360 s. 9. Gurin AG. Sozdanie kompleksa vysoko'effektivnyh 'elektrodinamicheskih ustrojstv dlya kontrolya parametrov okruzhayuschej sredy. Teoreticheskie osnovy raz-rabotki i vnedrenie: Dis. d-ra tehn. nauk. - Harkov, 1999. - 391 s.
Поступила 11.02.2011
Гурин Анатолий Григорьевич, д.т.н., проф.
Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт" кафедра "Электроизоляционная и кабельная техника"
61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21
тел. (057) 707-66-63, e-mail:agurin@kpi.kharkov.ua
КононовБорис Тимофеевич, д.т.н., проф.
Щека Владимир Николаевич, к.т.н., с.н.с.
Харьковский университет воздушных сил 61023, Харьков, ул. Сумская, 77/79 тел. (057) 772-61-83
Gurin A.G., KononovB.T., Scheka V.N.
Features of seismoacustic signal generation by ground-based pulsed sources with planar electrodynamic radiators.
The paper presents formulas describing relationship between parameters of capacitor bank discharge circuit that forms a current impulse and influence of investigated medium on the shape and spectrum distribution of a strike impulse formed by electrodynamic planar radiators.
Key words - capacitor bank, discharge circuit parameters, seismoacustic signal generation, electrodynamic planar radiators.
