Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние и общие особенности способов и устройств возбуждения упругих колебаний при сейсмо-разведочных работах на акваториях 17
1.1. Пневматические излучатели сейсмических сигналов для морской сейсморазведки. Необходимость и технические возможности группирования пневматических излучателей.
1.2. Функциональные и конструктивные особенности отдельных элементов систем контроля и управления пневматическими излучателями 40
1.2.1. Системы управления групповьм пневмоизлучателем.
1.2.2. Электропневмоклапаны пневмоизлучателей 50
1.2.3. Средства контроля параметров возбуждения пневматических излучателей 56
Глава 2 Обоснование технических требований, предъявляемых к системе управления и контроля группового пневматического источника 67
2.1. Исследование основных параметров, определяющих акустические характеристики возбуждаемых сигналов. Выбор контролируемых параметров 67
2.1.1. Изучение факторов, влияющих на стабильность возбуждаемого сигнала одиночного пневматического излучателя 67
2.1.2. Исследование влияния нестабильности глубины транспортирования излучателей и нестабильности давления в рабочей камере излучателя на характеристики возбуждаемых сигналов 75
2.1.3. Исследование факторов, влияющих на процесс заполнения рабочей камеры излучателя сжатым воздухом 83
2.1.4. Оценка энергетических потерь при рассинхрони-зации групповых пневматических источников. Требования к стабильности работы излучателей в группе 89
2.1.5. Теоретическое и экспериментальное исследование стабильности работы электропневмоклапанов пневмоиз-лучателей 95
2.2. Обоснование выбранного направления создания автомати зированной системы управления и контроля группового пневматического излучателя 115
Глава 3 Разработка автоматизированной системы управления и контроля группового пневматического источника 124
3.1. Обоснование общей программы создания и внедрения автоматизированной системы управления и контроля пневмоисточником в практику морской сейсморазведки 124-
3.2. Выбор конструкции системы управления и контроля, разработка датчиков и исполнительных элементов 127
3.2.1. Разработка датчика контроля глубины транспортирования излучателей 117
3.2.2. Разработка датчика контроля срабатывания излучателя и датчика контроля давления в рабочей камере излучателя 149
3.3. Описание созданной системы управления и контроля группового пневмоисточника и принцип ее работы 154
3.4. Структура сейсморазведочного комплекса с применением автоматизированной системы управления и контроля пневматического источника 165
Глава 4 Повышение геологической эффективности сейсморазведки могт на базе использования автоматизированной системы управления и контроля пневмоисточника
4.1. Сопоставление попевых сейсмических материалов, полученных с применением новых типов источников возбуждения, оснащенных автоматизированной системой управления и контроля 119
4.2. Неоднородные группы пневматических излучателей, рекомендуемые для промышленного использования 192
Заключение 197
Литература 199
Приложение
- Функциональные и конструктивные особенности отдельных элементов систем контроля и управления пневматическими излучателями
- Исследование факторов, влияющих на процесс заполнения рабочей камеры излучателя сжатым воздухом
- Выбор конструкции системы управления и контроля, разработка датчиков и исполнительных элементов
- Неоднородные группы пневматических излучателей, рекомендуемые для промышленного использования
Введение к работе
Задача освоения морских месторождений нефти и газа, как важнейшая народнохозяйственная проблема, была впервые выдвинута в решениях ХХІУ съезда КПСС. ХХУ и ХХУІ съезды КПСС в своих решениях поставили задачу расширения и повышения эффективности морских работ с целью выявления и освоения перспективных подводных нефтяных и газовых месторождений.
К настоящему времени на обширных акваториях СССР выявлено значительное количество структур, перспективных на нефть и газ. Открыты нефтегазовые месторождения на шельфах о-ва Сахалин, Черного, Каспийского и Азовского морей. Расширяются масштабы исследований на акватории Баренцева моря, дальневосточных морей СССР.
Первопроходцем в освоении морских месторождений является геофизическая разведка, в которой на всех этапах и особенно на завершающем этапе детальных поисковых исследований главная роль отводится сейсмическому методу разведки. Качественные записи сейсмических волн, плотные системы наблюдений на завершающем этапе являются основой для наиболее достоверного построения геологического разреза. Эта задача решается обширным комплексом аппаратуры, оборудования и методических приемов проведения морской сейсморазведки. В этом комплексе одно из главных мест занимают средства возбуждения сейсмических сигналов, акустические характеристики и надежность которых решающим образом влияют на геологическую эффективность сейсморазведки в целом /2.20/.
В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года определено: "Обеспечить дальнейшее техническое перевооружение геологоразведочных организаций ... Существенно сократить сроки создания и освоения новой техники" /I.I/. Создание высокоэффективных источников упругих
колебаний, систем контроля и управления ими (СУиК) стимулируется усложнением геологоразведочных задач, ростом объема производства на акваториях и, как следствие, необходимостью совершенствования организации и автоматизации управления сеисморазведочных процессом.
Важность решения' этой проблеммы отражена в "Перечне основных научно-технических программ в области геофизических и инженерно--геологических исследований на I98I-I985 г.г. по Министерству газовой промьшленности СССР" /1.2/. В Перечень, в частности, включен проект "Источник" (проблемное задание 2.1), цель которого - разработка комплекса источников (пневматических излучателей, СУиК ими, первичных преобразователей информации) с расширенными возможностями управления энергией и спектром возбуждаемых колебаний.
Анализ патентного материала, обзор научно-технических публикаций показывают, что наибольшее распространение получили источники возбуждения сейсмических сигналов, использующие энергию сжатого воздуха. В частности, за рубежом применение получили пневматические излучатели РАВ фирмы Bolt Associates lac. .(США). Выпускаемый этой фирмой нормальный ряд пневматических излучателей (ПИ) позволяет создавать до 200 комбинаций различных групп, способных синтезировать сейсмический сигнал любой наперед заданной формы и энергии.
Опыт зарубежных фирм показывает необходимость использования систем управления и контроля ПИ, позволяющих управлять, контролировать и автоматически вносить необходимую коррекцию времени срабатывания излучателей для групп, состоящих, как правило, из 40 и более излучателей.
В морских сеисморазведочных комплексах, выпускаемых в СССР, к 1980 году использовались одиночные излучатели или излучатели с числом элементов не более 4-х без автоматического контроля и управления. Это снижало возможности увеличения энергии излучения и управления спектром импульса-посылки, возбуждаемого группой излучателей.
Необходимость дальнейшего развития поисковых работ на континентальном шельфе СССР, социалистических и развивающихся стран, отвечающих современным требованиям, выдвигает целый ряд задач, требующих разрешения в ближайщее время. В области создания излучателей наиболее важные из этих задач состоят в следующем:
необходимы теоретические и экспериментальные исследования, направленные на решение широкого круга вопросов, относящихся к группированию различных типов ПИ;
необходима разработка устройств управления и контроля параметров больших групп излучателей, способных работать в комплексе с бортовой ЭВМ и имеющих каналы обратной связи для возможной коррекции времени срабатывания каждого из излучателей;
необходима разработка ПИ с более высокой, по сравнению с существующими излучателями, суммарной запасенной энергией, с более высоким акустическим к.п.д. и обладающих увеличенным ресурсом работы.
Известно, что в последнее десятилетие наибольшее распространение в СССР получили пневматические и электроискровые источники сейсмических сигналов для акваторий. При этом электроискровые источники применяются, в основном, при сейсмоакустических исследованиях, поскольку они обеспечивают изучение верхней части разреза, и их вклад в разведку нефтегазовых залежей незначителея.Так,при глубинности по породам до 150-300 м этот метод обеспечивает превышение на 30-40 дб регулярных сейсмических сигналов над нерегулярными помехами и инструментальную разрешающую способность по времени 3-7 мс, при глубинности до 500-700 м - на 20-30 дб и 10-20 мс, при исследованиях по грунту от 700 до 1500 м динамический диапазон регулярной сейсмической записи еще более уменьшается и инструментальная разрешающая способность равна 25-50 мс. Если требуется, чтобы глубинность разведки по породам превышала 2000 м, то
электроискровой источник не обеспечивает превышения регулярных сейсмических сигналов над уровнем нерегулярных помех; при работах на акваториях он уступает пневматическому и другим типам источников с энергией более 100 кДж, особенно при работах на шельфе /2.14/.
В 70-80 годы пневматические источники, обеспечивая практически весь объем морских сейсморазведочных работ на нефть и газ, долгое время оставались без существенных изменений.
Совершенствование сейсмического источника, как одного из основных элементов сейсморазведочной системы, позволит с минимальными затратами и в кратчайшие сроки повысить качество и эффективность сейсморазведочных работ. До настоящего времени наиболее распространенными в СССР пневматическими источниками сейсмических сигналов для акваторий являются "Импульс-I" с пультом управления ПУ-І и ЙП1-І с ПУ-2.
Пневматические источники "Импульс-1" и Ш11-І, хотя и отлича-ются достаточно высокими энергетическими характеристиками, однако возбуждают сравнительно низкочастотные сигналы большой длительности, осложненные пульсациями, и во многих случаях не позволяют обеспечить получение качественной и достаточно разрешенной записи, необходимой для решения целого ряда геологических задач. Опыт применения невзрывных источников показывает, что технические возможности не только одиночных излучателей, но и малых групп (типа "Импульс-I" и 1Ш-ІВ) в настоящее время уже практически исчерпаны.
Вместе с тем, существует целый ряд задач, особенно при детальных работах, при изучении малоамплитудных структур, зон выклинивания, при работах на мелководье и т.п., для решения которых необходимо использование достаточно мощных излучателей с максимумами спектральной плотности на частотах 30-60 Гц, а иногда и выше, и имеющих сравнительно короткий сигнал, не осложненный пульсациями.
Одним из путей решения этой проблемы является использование больших неоднородных групп специально подобранных ПИ. У таких групп, наряду с более высокими требованиями к их надежности и стабильности работы отдельных излучателей, резко возрастают габариты и масса выносных забортных устройств. Поэтому использование . пневматических групп с большим суммарным объемом возможно лишь на специализированных геофизических судах, оснащенных сложньм такелажным оборудованием, более совершенными и мощными компрессорными установками, а также соответствующими СУиК, имеющими каналы обратной связи.
Такие группы могут быть реализованы на основе излучателей нормального ряда типа "Сигнал", включающего набор унифицированных ПИ 3-х типоразмеров с различными объемами рабочих камер (от 0,1 до 15 л). Применение больших групп новых типов излучателей с соответствующими СУиК требует разработки соответствующих датчиков для контроля за соблюдением технологического режима работ, при этом основными контролируемыми параметрами являются стабильность возбуждаемого сигнала, глубина транспортирования группы, давление в рабочих камерах, а также разброс времени срабатывания отдельных излучателей.
Разработка автоматизированной системы управления и контроля параметров группового пневматического источника возбуждения заняла 4 года. СУиК защищена двумя авторскими свидетельствами и после завершения НИОКР выпускается серийно с 1983 года /9.1/. СУиК отнесена к высшей категории качества. Излучатели нормального ряда типа "Сигнал" защищены двумя авторскими свидетельствами, по ним закончен НИР, утверждено техническое задание на ОКР, который планируется завершить в 1985 году.
Система управления и контроля ПИ с 1984 г. демонстрируется на ВДНХ СССР в павильоне "Газовая промышленность" и отмечена I
серебряной и б бронзовыми медалями.
В качестве одного из ответственных исполнителей (завлабораторией невзрывных источников КФ НИИМоргеофизика ВНПО "Союзморгео") автор принимал непосредственное участие в составлении и защите программ работ по темам, проведении научно-исследовательских работ, разработке макетов различных узлов, блоков и изделий в целом, проведении испытаний в полигонных и морских условиях, написании и защите отчетов по темам, составлении ТЗ на ОКР изделий, проведении ОКР, проведении предварительных и ведомственных приемочных испытаний, составлении и утверждении ТУ на выпускаемые изделия, а также в выпуске установочных серий и размещении системы и отдельных ее узлов на научно-исследовательских судах.
Так, в работе над созданием СУиК пневматическими излучателями автор, в качестве ответственного исполнителя темы, принимал участие с момента постановки темы, написания и защиты программы работ до ее завершения. Конструкторская документация выполнялась под руководством автора конструкторско-технологическим отделом КФ НИИМоргеофизика. В проведении НИР излучателей нормального ряда типа "Сигнал" автор осуществлял руководство и координацию работ групп исследователей.
Разработка датчика момента срабатывания излучателя и датчика давления в рабочей камере излучателя выполнялась автором, начиная с момента выработки технических требований и поиска материала для первичного преобразования давления. Датчик глубины транспортирования группы излучателей был создан автором в сотрудничестве с лабораторией шланговых приемных устройств КФ НИИМоргеофизика.
В теоретических и экспериментальных исследованиях автор при-нимал как личное участие, так и осуществляя научное руководство по отдельным направлениям.
Цель работы. Целью настоящей работы является исследование влияния технологических параметров группирования пневматических излучателей на характеристики возбуждаемых ими акустических сигналов и разработка на его основе автоматизированной системы управления и контроля параметров группового пневматического источника для морской нефтегазовой сейсморазведки.
Задачи исследований. Реализация поставленной цели потребовала решения ряда задач, основными из которых являются следующие:
Анализ современного состояния и тенденций развития средств возбуждения упругих волн для морской сейсморазведки (на примере групповых пневматических источников).
Исследование влияния нестабильности технологических параметров группирования пневматических излучателей на характеристи- ки возбуждаемых сигналов.
Теоретическое и экспериментальное исследование стабильности работы электропневмоклапанов пневмоизлучателей.
Выбор контролируемых параметров и обоснование технических требований, предъявляемых к системе управления и контроля группового пневматического источника.
Выбор блок-схемы и разработка конструкции СУиК. Выбор типов и разработка конструкций датчиков и исполнительных элементов.
Согласование СУиК с другими системами комплекса "Групповой пневматический источник".
Оценка эффективности применения группового пневматического источника с СУиК при морской сейсморазведке.
Методика исследований. В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследований, включающие: математическое и физическое моделирование, морские и полигонные экспериментальные работы, методы регистрации быстропротекающих процессов,
\г
численные методы обработки результатов наблюдений, разработка, изготовление и настройка аппаратуры СУиК, ее стендовые, полигонные и морские испытания в реальных производственных условиях.
Научная новизна работы состоит в следующем:
обоснован оптимальный набор технологических параметров излучающего комплекса, подлежащих управлению в процессе возбуждения сейсмических колебаний, и определены требования к точности их задания и контроля;
предложены и обоснованы принцип построения и функциональная схема автоматизированной системы управления и контроля группового пневматического источника, которые реализованы в конкретной разработке СУиК, обеспечивающей работу до 20 излучателей в группе и удовлетворяющей требованиям по проведению работ МОВ ОГТ и КМПВ
на акваториях. Автоматизированная СУиК группового пневматического источника, наряду с оперативным контролем технологических параметров возбуждения (рабочего давления, глубины погружения группы), дает возможность в широких пределах изменять параметры возбуждаемого сигнала (его амплитуду и спектр), а при пространственном группировании (линейном, площадном и др.) обеспечивает и управление характеристикой направленности источника;
разработан и создан датчик глубины погружения группы излучателей, позволяющий с необходимой точностью измерять эту глубину в процессе транспортирования излучателей в диапазоне О-г-60 м, с защитой от динамических импульсов давления, превосходящих статическое давление в 304-50 раз;
разработан и создан преобразователь давления на основе пьезорезистивной пленки, который позволяет измерять давление в рабочей камере излучателя в диапазоне от 1,0 до 20,0 МПа и время срабатывания излучателя с точностью 0,1 мс;
проведены сравнительные испытания по оценке эффективности применения нового типа источников, оснащенных автоматизированной
системой управления и контроля, при морской сейсморазведке.
Основные защищаемые положения.
Для обеспечения необходимой стабильности суммарного сигнала группы рабочее давление в камерах излучателей и глубина их погружения, в зависимости от конкретной методики работ, должны выдерживаться с погрешностью 4т8% и 5-10% от соответствующих номиналов. При этом максимальный допустимый разброс моментов срабатывания излучателей в неоднородной группе не должен превышать 1,0 мс.
Для измерения глубины транспортирования источника (гидростатического давления) в диапазоне глубин 0,2-60 м с погрешностью 2,5% целесообразно применять интегральный датчик давления, созданный на основе КНС-структур (пленка кремния на сапфире), имеющий на входе регулируемое устройство с высокой степенью демпфирования в диапазоне 0-6 с и защиту от динамических импульсов давления, превосходящих статическое в 30-50 раз.
Для измерения давления в рабочей камере с погрешностью измерения не более 4% в диапазоне 1-20 МПа и времени срабатывания излучателей с точностью до 0,1 мс целесообразно использовать преобразователь давления, изготовленный из пьезорезистивной пленки
и размещенный в электропневмоклапане пневмоисточника.
Формирование для целей морской сейсморазведки достаточно мощных и стабильных сигналов с широкополосным спектром и высокой степенью гашения пульсаций с помощью неоднородных пневматических групп возможно лишь с использованием автоматизированной системы управления и контроля параметров группового источника, обеспечивающей как автоматическую синхронизацию моментов срабатывания отдельных излучателей группы, так и оперативный контроль основных технологических параметров: рабочего давления в каждом излучателе и глубины погружения всей группы.
Для повышения геологической эффективности и технологичности морских сейсморазведочных работ в состав аппаратурного ком-
ih-
плекса морской сейсморазведки целесообразно включать неоднородные пневматические группы на основе нормального ряда излучателей типа "Сигнал" с автоматизированными системами управления и контроля параметров источника.
Практическая ценность, внедрение.
На основе проведенных исследований под руководством и при непосредственном участии автора разработана автоматизированная система управления и контроля параметров группового пневматического источника. Автоматизированная СУиК, наряду с набором пневматических излучателей, компрессорным оборудованием, спуско-подъемным, транспортировочным и другим оборудованием, входит в состав комплекса "Групповой пневматический источник повышенной мощности", позволяющего реализовать практически любую из известных методик сейсмо-разведочных работ на море (НСП, МОВ-ОГТ, КМПВ, ГСЗ). Для практической реализации автором предложены также конкретные варианты неоднородных пневматических групп на основе разрабатываемых в настоящее время излучателей нормального ряда "Сигнал", возбуждающие достаточно мощные сигналы и отличающиеся высокой степенью гашения пульсаций с широкополосным спектром. Автоматизированная СУиК группового пневматического источника, наряду с оперативным контролем технологических параметров возбуждения (рабочего давления, глубины погружения группы), дает возможность в широких пределах изменять параметры возбуждаемого сигнала (его амплитуду и спектр), а при пространственном группировании (линейном, площадном и др.) обеспечивает и управление характеристикой направленности источника. Конструкция СУиК защищена двумя авторскими свидетельствами.
Комплекс "Групповой пневматический источник повышенной мощности" предназначен для оснащения современных геофизических судов. К настоящему времени им оснащены три судна: "Академик Гамбурцев", "Академик Голицын" и "Профессор Полшков". С 1985 года этой аппа-
ратурой будет оборудовано еще девять аналогичных судов. Отдельные элементы комплекса, в той или иной конфигурации, кроме того, используются на многих геофизических судах, ведущих работы на аква— ториях.
Экономический эффект, рассчитанный по опытной эксплуатации одной СУиК группового пневматического источника, составляет 160 тыс. рублей в год (для всего комплекса - 510 тыс. рублей).
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав и заключения (138 страниц машинописного текста). Основные положения диссертационной работы иллюстрируются 50 фотографиями и 11-ю таблицами в тексте. Список использованной литературы содержит 146 наименований.
Исследования, связанные с темой диссертационной работы, начаты автором в 1979 году. В 1979 г. автором были проведены экспериментальные исследования влияния разброса времени срабатывания пнев-моизлучателя типа "Импульс-I" на параметры излучаемого спектра с помощью пульта управления ПУ-2 /4.24/. Составлено и утверждено техническое задание (ТЗ) на опытно-конструкторскую разработку (ОКР) СУиК пневматическими излучателями. В 1983 г. ведомственная приемочная комиссия Мингазпрома приняла СУиК к серийному производству с высшей категорией качества /9.1/.
Работы по теме диссертации выполнялись автором в 1979-1984 г.г. в лаборатории невзрывных источников НИИМоргеофизика. Сравнительные испытания различных технических средств проводились опытно-методической партией, созданной при лаборатории. Основные результаты докладывались на слете изобретателей и рационализаторов Главморнефте-газа Мингазпрома в ВПО "Каспморнефтегазпром" по проблемным вопросам освоения континентального шельфа (г.Баку, 1981 г.), на Ученом Совете НИИМоргеофизика ВНПО "Союзморгео" (г.Геленджик, 1981 г.),
на Научно-техническом совете НИИМоргеофизика (г.Краснодар, 1980, 1981, 1983 г.г.), на ХП отраслевом творческом семинаре молодых специалистов и молодых ученых Мингазпрома (г.Оренбург, 1983 г.), а также на совещаниях в Главморнефтегазе (I98I-I983 г.г.).
Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю - профессору, доктору геолого-минералогических наук Урупову А.К.
Автор приносит благодарность всем сотрудникам лаборатории невзрывных источников, а также сотрудникам КФ НИИМоргеофизика Власову В.А., Прийме В.И., Слипченко В.А., Сурикову И.Б.
Особую признательность автор выражает сотрудникам лаборатории невзрывных источников Гуленко В.И., Ежову В.А., Трофимову В.В. и Шестакову С.Н., деятельность которых и постоянные творческие контакты с которыми во многом способствовали выполнению данной работы.
Функциональные и конструктивные особенности отдельных элементов систем контроля и управления пневматическими излучателями
Средства управления групповым пневматическим излучателем (ПИ) служат для реализации заданной методики работы на акватории, для формирования необходимого излучаемого сигнала.
Сжатый воздух по гибким рукавам подается в камеру ПИ, буксируемого за судном на заданной глубине. При срабатывании электро-пневмоклапана (ЭПК) в камере излучателя быстро открываются выхлопные отверстия и сжатый воздух в режиме ударной волны за короткий отрезок времени ( 10 мс) выпускается в воду, возбуждая акустические волны, которые распространяются в нижнем полупрост-ранв стве и после отражения на акустических границах (в том числе многократных отражений-преломлений) регистрируются приемным устройством. Для практически одновременного выпуска воздуха по командам от внешних устройств Iрежим запуска излучателей) или путем подачи команд на выхлоп воздуха от датчиков внутри излучателей (режим внутреннего запуска) служат системы (пульты) управления, ини должны обеспечивать режимы запусков с погрешностями менее U,2 миллисекунды. Разработка и совершенствование пневматических источников (.одиночных и различных по характеру и размерам групповых излучателей) требует поэтому создания соответствующих СУиК ими.
Первым отечественным пультом управления пневматическими излучателями был пульт, разработанный во ВНИИГеофизика /2.1, 8.1, 8.2/. Пульт имеет два канала, к каждому из которых подключается до пяти-шести ПИ. Во втором канале предусмотрена регулировка времени задержки срабатывания излучателей с шагом равным I мс. Это позволяет корректировать отдельные отклонения моментов срабатывания излучателей. При замыкании контактов "синхронизация" подается напряжение на управляющий электрод силового тиристора, при этом накопительный конденсатор разряжается на обмотку ЭПК. Подача управляющего напряжения на тиристор по второму каналу может быть задержана в пределах 1-100 мс. Для обеспечения устойчивой работы схемы на время разряда накопительных конденсаторов они отключаются системой реле от источника питания. В НИИМоргеофизика НПО "Ккморгео" в середине 70-х годов разрабатывались ПИ типа "Импульс" с пультом управления к ним ПУ-І. Усилия авторов этих разработок сыграли большую роль в оснащении отрасли источниками типа "Импульс-I" (до 5-ти излучателей в группе) /8.7/.
По мнению разработчиков, при соблюдении допустимых отклонений от стандарта в процессе изготовления образцов излучателей "Импульс-I" (различный диаметр отверстий на подрыв, разная индуктивность ЭПК, сопряженность подвижных элементов, чистота обработки и т.д.) время срабатывания излучателей остается практически постоянным, причем абсолютные величины его составляют от 10 до 14 мс. Поэтому точная синхронизация системы путем введения задержек электронным путем от пульта управления, по мнению разработчиков, является излишней, нецелесообразной (количество независимых каналов на запуск должно быть равно количеству излучателей в группе). С целью поисков более рационального решения вопроса авторами были проведены экспериментальные работы по синхронизации излучателей за счет изменения параметров ЭПК путем изменения линейных размеров вкладыша в ЭПК и с его помощью, как они считают, удалось точность синхронизации группового источника практически приравнять к точности срабатывания излучателя, т.е. + I мс /8.8/.
Пульт управления ПУ-І имеет три канала, каждый из которых имеет задержки от 0 до 10 мс через I мс; два канала дополнительно имеют задержки до 200 мс с постепенно-ступенчатовозрастающими временными интервалами между величиной соседних задержек. Линия задержки - набор емкостей, которые поочередно, в зависимости от разбаланса ПИ, при помощи переключателей могут быть подключены к управляющему электроду электронного коммутатора.
Однако, исследования, проведенные в ВНПО "Союзморгео" показали, что в виду необходимости устранения разброса времени срабатывания каждый излучатель должен иметь свой канал управления, поэтому одновременно с разработкой излучателей типа ИГП-І был разработан и пульт управления пневматическими излучателями ПУ-2 /4.24/. Он обеспечивает работу как одиночных, так и групповых пневмоизлучателей, содержащих не более пяти запускающих ЭПК, соленоиды которых рассчитаны на импульсы постоянного напряжения с амплитудным значением 300+10 В.
Исследование факторов, влияющих на процесс заполнения рабочей камеры излучателя сжатым воздухом
В процессе проведения морских сейсмических исследований при обычном технологическом режиме после каждого срабатывания источника заполнение рабочей камеры ПИ осуществляется сжатым воздухом, поступающим по длинной магистрали из ресивера, давление в котором с помощью компрессора поддерживается практически постоянным. Так как контроль давления воздуха в системе обычно осуществляется лишь на распределительном устройстве, расположенном в начале магистрали, истинное давление воздуха в рабочей камере излучателя, буксируемого нередко на значительном удалении от судна, остается неизвестньм и, при малом взрывном интервале (обычном при работе в режиме МОВ ОГТ), может быть значительно меньше рабочего давления, фиксируемого манометром на распределительном устройстве. Уменьшение давления в рабочих камерах излучателей обусловлено потерями давления при прохождении потока сжатого воздуха вдоль длинного шланга магистрали в процессе заполнения камер и приводит к резкому снижению амплитуды излучаемого сигнала к.п.д. излучателя и к ухудшению качества получаемого сейсмического материала. Теоретические и экспериментальные исследования процессов, протекающих в пневматических трубопроводах при распространил в них неустановившихся газовых потокав /2.7, 2.II, 2.23/ показывают, что сопротивление воздушной магистрали зависит как от параметров газового потока, так и от параметров шланга: его длины, диаметра, шероховатости внутренних стенок, наличия и количества штуцерных разъемов. С увеличением длины шланга, размера шероховатостей его внутренних стенок, количества штуцерных разъемов, а также с уменьшением диаметра шланга и проходного сечения штуцерных разъемов полное сопротивление возрастает, при этом возрастает также и время заполнения до необходимого давления рабочей камеры излучателя сжатым воздухом.
Для определения степени и характера влияния перечисленных параметров на время заполнения пневмо-источника нами была составлена приближенная математическая модель, описывающая динамику процесса заполнения рабочей камеры излучателя сжатым воздухом, поступающим из ресивера по магистрали. Проведенные исследования имели целью определить основные требования по выбору оптимальных параметров воздушной магистрали, позволяющих осуществлять наиболее эффективный режим заполнения пневмоисточника сжатым воздухом и, тем самым, обеспечить максимальные показатели излучаемого акустического сигнала - максимальное давление в волне сжатия и акустический к.п.д. В основу математической модели процесса заполнения ПИ сжатым воздухом положены результаты теоретических расчетов пневматических приводов, приведенные в работах /2.7, 2.II, 2.23/. Алгоритм для расчетов на ЭВМ был составлен применительно к пневматической схеме, изображенной на рис. 2.1.7. Сжатый воздух под давлением Pj и плотностью рА подается из ресивера достаточно большого объема (У ресивера Y камеры +V магистрали) по магистрали длиной L с внутренним диаметром шлангов d и с размером шероховатостей внутренних стенок А в рабочую камеру излучателя объемом Ye , начальное давление в которой равно Р . Выполненные нами исследования и рачеты /8.10/ показывают, что время заполнения рабочей камеры излучателя до давления равного Р практически не зависит от величины этого давления и определяется лишь параметрами магистрали и объемом рабочей камеры. С другой стороны, время заполнения пропорционально величине объема рабочей камеры излучателя. Чтобы излучатель работал при заданном давлении, необходимо, чтобы магистраль обеспечивала транспортировку всего производимого компрессорами сжатого воздуха. На судах типа "Академик Гамбурцев" длина жгута, сотоящего из кабеля и четырех шлангов высокого давления, равна 100 м, а компрессорная группа дает 180 л воздуха в минуту при давлении "20,0 МПа. Таким образом, проходное сечение четырех шлангов должно обеспечивать транспортировку этих 180 л воздуха непосредственно за борт судна к раме с излучателями. Расчет параметров магистрали удобно производить следующим Как следует из графика -b0 (L, d ) - (рис. 2.1.8), - при "t0 = 1,33 с/л и L = 100 м внутренний диаметр шланга должен быть не менее d Ю мм, а общее сечение магистрали составит & = = 4 -т-= 4 3,14 25 ммг. Следовательно, магистраль с попе- р речным сечением 314 мм обеспечивает за одну минуту транспортировку 180 л воздуха при давлении 20,0 МПа на расстояние 100 м. Анализ полученных: результатов позволяет отметить следующее: 1. Правильный выбор параметров магистрали имеет важное значение при производстве сейсморазведочных работ. Если, например, диаметр магистрали выбран недостаточным, это повлечет за собой необходимость увеличивать интервал срабатывания и, как следствие, значительное снижение производительности работ. 2. Общее сечение магистрали можно увеличивать за счет увеличения количества подводящих шлангов. Очевидно, время заполнения рабочей камеры будет уменьшаться обратно пропорционально количеству шлангов.
Выбор конструкции системы управления и контроля, разработка датчиков и исполнительных элементов
Как отмечено выше, одним из факторов, существенно влияющих на качество получаемых сеисморазведочных данных, является контроль глубины транспортирования излучателей в процессе проведения работ. Но ни один из рассмотренных выше вариантов не приводит к положительным результатам, т.к. для подавления кратковременных импульсов давления, возникающих при срабатывании ПИ, нужен демпфер, имеющий постоянную времени в 5-8 раз большую, чем у демпфера ДМП, т.е. требуется примерно 300-400 дисков с общей длиной канала 60--90 мм, что сложно в выполнении. Между тем в работе /4.52/ показано, что при ламинарном потоке узкий круглого сечения канал (капилляр) эквивалентен гидравлическому (пневматическому) сопротивлению, величина которого определяется на основании формулы Пуазейля /2.5/ V - объем жидкости, протекающей по капилляру за время t ; І1 - диаметр капилляра; 0 - длина капилляра; ty, - динамическая вязкость; дР - разность давлений на концах капилляра. Таким образом, поток пропорционален падению давления. Сопротивление ламинарному потоку Rfcm определяется из соотношения Отсюда видно, как гидравлическое сопротивление зависит от длины капилляра и его диаметра. В дальнейшем будем рассматривать гидравлическое сопротивление только в зависимости от длины , так как будем считать, что диаметр капилляра вьшолнен столь мальм, сколько это возможно при современном уровне техники. Идея такого канала, как средства защиты датчика давления от перегрузки, представляется перспективной. Большая требуемая длина капилляра наводит на мысль, что капилляр следует выполнить не прямолинейным, как у демпфера датчика ДМП, а криволинейным, например, в виде цилиндрической спирали. За основу образования тонкого канала можно принять широко применяемую в технике общеизвестную резьбу. В самом деле, если взять резьбовую пару - болт и гайку и у болта несколько притупить резьбу, то-есть уменьшить наружный диаметр резьбы болта и после этого ввинтить болт в гайку, то в винтовой паре будет образован канал спиральной формы с поперечным сечением, равным сделанному притуплению резьбы. Простой расчет показывает перспективность использования резьбовой пары для образования тонкого канала большой длины.
Если, например, взять метрическую резьбу диаметром пять миллиметров с нормальным шагом h =0,8 мм, то на винте длиной 6 = 10 мм можно образовать канал, длина которого L будет равна: В технике под демпфером понимают, вообще говоря, механическое или гидравлическое сопротивление. Однако реализация демпфера в виде специальной конструкции придает ему свойства, аналогичные некоторому фильтру. Рассмотрим конструкцию и принцип действия предложенного нами демпфера. Выполнен он как трубка, имеющая чередующиеся участки узкого и более широкого сечения. При очень низкой частоте этот канал передает давление к мембране датчика почти без ослабления. В области же высоких частот наличие участков в трубке с более широким сечением вызывает турбулентное движение жидкости, что создает дополнительное сопротивление потоку /2.3/. При внезапном приложении давления к системе демпфер-мембрана, мембрана прогибается и создается за демпфером дополнительный объем Vd 9 который показан на рис. 3.2.1(a). Этот дополнительный объем должен быть заполнен жидкостью, т.е. через демпфер создается микроток жидкости. Узкие части демпфера оказывают активное (гидравлическое) сопротивление, широкие же части, в которых скорость микропотока замедляется, ведут себя как емкость (гидравлическая). Таким образом, предлагаемый демпфер аналогичен фильтру нижних частот, и его электрический аналог приведен на рис. 3.2.1(6). Дополнительный объем заполняется жидкостью. Этот дополнительный объем CVd) определяется геометрическими размерами мембраны и давления (Р) на входе демпфера (капилляра). Коэффициент пропорциональности может быть назван /4.12/ гидравлической емкостью(С ) Очевидно, что чем больше С , тем дольше заполняется жидкостью объем Yd до своего установившегося значения, то-есть тем дольше устанавливается давление на мембране при скачкообразном изменении давления на входе демпфера. Вышеизложенное позволяет электрическую схему замещения датчика давления с тонким подводящим каналом (капилляром) представить в виде КС цепочки (рис. 3.2.2), в которой R = Rfm, С = С , Р -- давление на входе подводящего канала, Рм - давление на мембране датчика. Давление на мембране датчика (на выходе подводящего канала) согласно рис. 3.2.1 устанавливается в соответствии с уравнением ь где То = SC. Поскольку 1Г0 определено (экспериментально), то из записи кривой переходного процесса следует, что
Неоднородные группы пневматических излучателей, рекомендуемые для промышленного использования
В настоящее время в практике морских сейсморазведочных работ за рубежом широкое применение получили большие неоднородные группы ПИ, возбуждающие сравнительно короткие сигналы простой формы, не осложненные пульсациями и имеющие широкополосный спектр. Для формирования подобных суммарных сигналов объемы рабочих камер группируемых излучателей выбираются таким образом, чтобы первые пики сигналов, возбуждаемых отдельными излучателями, складывались син-фазно, а конечная часть общего сигнала, образующаяся при суммировании импульсов охлопывания отдельных пузырей (повторных ударов), оказалась бы, по возможности, максимально сглаженной. Основная трудность в создании неоднородных групп состоит в точном выборе их конфигурации: объемов отдельных излучателей, глубины их погружения и взаимного расположения в пространстве, а также других параметров, от которых зависит максимальная амплитуда сигнала, форма его и степень подавления пульсаций.
Примененный нами расчет конфигурации неоднородных пневматических групп взаимодействующих или слабовзаимодействующих излучателей, обеспечивающих формирование достаточно мощных широкополосных сигналов заданной формы, в том числе и сигналов с высокой степенью гашения пульсаций и основан на синтезе амплитудного спектра суммарного сигнала заданной формы по спектрам сигналов одиночных излучателей. Впервые этот метод был использован при расчете параметров неоднородных групп с широкополосным спектром, равномерным в заданной полосе частот / 8-10 /. Расчет основан на применении критерия подобия для подводных взрывов / 2.16; 4.Ю/. В качестве примера на рис. 4.2.1 (а, г) приведены расчетные сигналы и соответствующие амплитудные спектры для двух неоднородных пневматических групп, конфигурации которых (количества и объемь: излучателей в подгруппах, частоты спектральных максимумов подгрупп, а также временные задержки UL) указаны там же в таблицах. Как следует из этих данных, расчетные сигналы отличаются хорошим подавлением пульсаций, имеют высокие энергетические характеристики и широкополосный спектральный состав. Как видно из этих зависимостей, иллюстрирующих сравнительную эффективность различных групп, наилучшие показатели имеют группы "С" при глубине погружения 6,3-8,4 м, которые при одном и том же суммарном объеме рабочих камер излучатели, по сравнению с другими группами, возбуждают сигналы, имеющие значительно более высокие энергетические характеристики и более широкополосный спектральный состав. Практический интерес представляют также мощные группы "Д" при глубине погружения 12,5 м, которые хотя и уступают группам "С" по энергоотдаче на единицу объема рабочих камер, однако при хорошем подавлении пульсаций имеют более низкочастотный спектр и могут быть более эффективными при низкочастотных модификациях МОВ. Группы "А" и "В" по своим характеристикам являются промежуточными между первыми двумя типами и, по сравнению с ними, особых преимуществ не имеют. Рассматриваемая неоднородная группа из 20 излучателей с суммарным объемом 18,6 дм3 при глубине погружения 6,3 м имеет максимальную амплитуду сигнала до 3,9 МПа м, плотность потока энергии около 40 кДжДг на І м и отличается высокой степенью гашения пульсаций и широкополосным спектром (рис. 4.2.1 а). Вся группа размещается на двух рамах типа РТПИ-І и может эксплуатироваться на новых геофизических судах финской и польской постройки. Вариант размещения излучатели на двух рамах с учетом различной степени взаимного влияния их друг на друга приведен на рис. 4.2.1(B), где показаны также радиусы эквивалентного влияния излучателей и максимальные размеры образующихся при выхлопе пузырей (заштриховано). Сигналы, возбуждаемые каждой полугруппой, и их амплитудные спектры приведены на рис. 4.2.1 (б), при этом видно, что каждый из них в отдельности имеет сравнительно худшие характеристики. В том случае, когда для решения поставленной задачи нет необходимости использовать всю группу в полной конфигурации, например, при исследовании верхней части разреза, полугруппа на раме № I может быть легко перестроена и для самостоятельного применения. В этом случае при изменении объемов рабочих камер только двух излучателей (в таблицах на рис. 4.2.1 (а) и (г) они отмечены звездочкой) на той же раме может быть реализована группа "А" из 10 излучателей с суммарным объемом 12,2 дм3 и с максимальной амплитудой сигнала до 2,0 МПа м при достаточно хорошем подавлении пульсаций. Сигнал давления, излучаемый группой "А", его амплитудный спектр, а также основные параметры конфигурации группы приведены на рис. 4.2.1 (г). Основные выводы по главе. I. Выполненное сопоставление полученных временных разрезов по опытному профилю показывает эффективность использования при проведении мелководных сейсмических работ автоматизированной СУиК пневматическими излучателями с многоэлементным пневматическим источником типа "Сигнал с целью детального изучения геологического разреза в условиях значительного изменения глубины залегания отражающих сейсмических горизонтов. Временные разрезы, получаемые с использованием СУиК источником типа "Сигнал", отличаются от временных разрезов, получаемых с использованием источника ИГП-І, более высокой степенью разрешенности сейсмической записи. 2. Наибольшей степенью разрешенности характеризуется сейсмическая запись, полученная с использованием источника "Сигнал" ( Y2 = 1,6 л). Сейсмическая запись, полученная с использованием источника "Сигнал" ( Y = 3,5 л), имеет более высокую разрешенності по сравнению с сейсмической записью от источника ИГП-І (Y = 3 л). 3. Для практической реализации предложены неоднородные группы ПИ, которые с использованием автоматизированной СУиК позволяют создавать различные комбинации групп, имеющие амплитуду сигнала до 3,9 МПа м при суммарном объеме 18,6 дм3 и отличающиеся высокой степенью гашения пульсаций и широкополосным спектром.
