Многокомпонентный сейсмоприемник

 

Использование: для измерения параметров упругих колебаний в скважинной, морской и наземной сейсморазведке. Сущность изобретения: сейсмоприемник содержит полый цилиндрический корпус 1, герметически закрытый с торцов крышками 2, пьезоэлементы 3, смонтированные на крышках внутри корпуса, и цилиндрическую инерционную массу 4, размещенную между пьезоэлементами. Пьезоэлементы выполнены в виде предварительно деформированных поджатых крышками сфер и установлены в специальных гнездах 5 на крышках. Гнезда верхней и нижней крышек расположены и ориентированы симметрично относительно продольной оси так, что каждый из верхних пьезоэлементов имеет парный, расположенный соосно с ним по вертикали, нижний пьезоэлемент. Инерционная масса с торцов имеет форму усеченного конуса 6, образующая поверхность которого взаимодействует с пьезоэлементами, а крышки снабжены упорами 7, ограничивающими осевые перемещения инерционной массы. Наружные токопроводящие обкладки всех пьезоэлементов заземлены, а внутренние - имеют технологические отверстия для подключения парных пьезоэлементов на вход дифференциальных усилителей. Корпус сейсмоприемника выполнен из немагнитного материала и имеет снаружи проточку 8, в которой уложены витки обмотки 9, изолированные герметиком 10. Основная большая часть обмотки периодически подключается к источнику переменного тока заданной частоты и силы, а другая меньшая - постоянно подключена к слаботочному генератору высокой частоты. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано для измерения параметров упругих колебаний в скважинной, морской и наземной сейсморазведке.

Известен пьезоэлектрический сейсмоприемник [1] содержащий полый цилиндрический корпус, герметически закрытый с торцов крышками, пьезоэлементы, смонтированные в торцевых частях корпуса и выполненные в виде пьезокерамических дисков, разделенных мембраной, и жидкостную, например ртуть, инерционную массу, заполняющую пространство между пьезоэлементами внутри корпуса.

Основным недостатком этого сейсмоприемника является низкая чувствительность, обусловленная тем, что действие жидкостной инерционной массы рассредоточено по всей площади пьезоэлементов, в то время как наиболее чувствительной к деформации воздействием является их центральная часть.

Другой недостаток состоит в том, что наряду с полезным сигналом, возникающим в цепи пьезоэлементов под действием ускорения вдоль оси сейсмоприемника, регистрируются помехи, возникающие в результате боковых воздействий, так как жидкостная инерционная масса передает давление на пьезоэлементы от звуковых колебаний, действующих в самых различных направлениях.

Кроме того, к недостаткам устройства следует отнести технологическую сложность заполнения сейсмоприемника жидкостью, при котором необходимо избежать образования пустот, воздушных капель и подушек, так как при больших гидростатических давлениях они могут стать причиной разрушения конструкции.

Известен сейсмометр [2] который содержит полый цилиндрический корпус, герметически закрытый с торцов крышками, пьезоэлементы в форме дисков, жестко закрепленных внутри корпуса, и инерционную массу в виде цилиндрического поршня, подвешенного на пьезоэлементах при помощи шайб, прокладок и зажимных винтов, установленных в центре дисков. При этом пространство между пьезоэлементами и инерционной массой внутри корпуса заполнено демпфирующей жидкостью, которая гасит собственные колебания инерционной массы.

Поскольку внутренняя полость корпуса заполнена жидкостью, а пьезоэлементы выполнены в форме дисков, сейсмоцентру присущи те же недостатками, что и рассмотренному выше аналогу, т. е. он имеет недостаточную чувствительность и не защищен от влияния помех.

Кроме того, в центральной части пьезоэлементов сейсмометра, наиболее чувствительной к деформирующим усилиям, имеется отверстие под узел крепления инерционной массы, что приводит к дополнительному снижению чувствительности устройства.

Другой недостаток этого сейсмометра состоит в том, что жесткое крепление инерционной массы к пьезоэлементам при отсутствии ограничителей ее осевых перемещений может привести к разрушению пьезоэлементов в результате ударов и колебаний большой амплитуды, например при транспортировке, погрузо-разгрузочных работах или спуско-подъемных операциях в скважинах.

Еще одним недостатком рассматриваемого сейсмометра является зависимость вязкости демпфирующей жидкости, и, следовательно, эффективности демпфирования от температуры окружающей среды, которая может изменяться в широких пределах.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому техническому эффекту к предлагаемому техническому решению является пьезоэлектрический сейсмоприемник [3] принятый за прототип.

Сейсмоприемник содержит полый цилиндрический корпус, герметически закрытый с торцов крышками, пьезоэлементы, смонтированные на крышках внутри корпуса, и цилиндрическую инерционную массу, размещенную между пьезоэлементами. Пьезоэлементы выполнены в виде прямоугольных биморфных пластин и установлены на опорах, электрически изолированных от крышек. В качестве опор использованы отрезки проволоки, диаметр которой меньше величины максимально возможного прогиба пьезоэлементов, при котором происходит их разрушение.

Инерционная масса имеет осевое отверстие, на концах которого установлены твердые металлические шарики, причем между шариками расположена пружина, прижимающая шарики к пьезоэлементам и обеспечивающая тем самым механический и электрический контакт шариков с внутренними обкладками пьезоэлементов. Отверстие с пружиной и шариками заполнено компаундом, который после затвердевания связывает в единое целое пружину, шарики и инерционную массу. Инерционная масса вблизи торцов имеет кольцевые пазы, в которых установлены демпфирующие тороидальные прокладки, функция которых состоит в ослаблении собственных колебаний инерционной массы, а также поперечных колебаний.

Одним из недостатков рассмотренного датчика является ненадежность контакта шариков с пьезоэлементами. При осевых воздействиях большой амплитуды контакт может быть нарушен со стороны, противоположной направлению перемещения инерционной массы, что приводит к разрыву электрической цепи. Это в конечном итоге ограничивает динамический диапазон измеряемых параметров колебаний.

Другой недостаток состоит в том, что динамический диапазон измеряемых величин зависит от параметров пружины, изменяющихся в зависимости от состояния компаунда, которое в свою очередь может изменяться под воздействием температуры.

При воздействии поперечных звуковых колебаний, представляющих собой помеху, на обкладках пьезоэлементов могут появляться заряды противоположного знака, что исключает возможность использования схемы дифференциального усиления, которая в этом случае будет удваивать величину помехи.

В процессе эксплуатации датчиков температура окружающей среды может изменяться в широких пределах (от -40^oC на поверхности до -150^oC в скважинах). При таком перепаде температур тороидальные резиновые прокладки теряют свои демпфирующие свойства и перестают выполнять свои рабочие функции.

Еще один недостаток рассмотренного сейсмометра заключается в отсутствии ограничителей перемещения инерционной массы. В процессе работы пьезоэлементы оказываются зажатыми между инерционной массой и крышками. При этом деформации мгновенного сжатия могут превысить критическую величину, при которой наступает разрушение пьезокерамики.

Наконец, к общим недостаткам данного сейсмометра [3] и рассмотренных аналогов [1] и [2] следует отнести невозможность метрологического контроля чувствительности и нулевого уровня измеряемых параметров колебаний, а также организации многокомпонентных измерений в габаритах рассмотренной конструкции сейсмоприемника.

Основной целью изобретения является повышение чувствительности, улучшение соотношения полезный сигнал-помеха и расширение динамического диапазона измерений с одновременным обеспечением многокомпонентности измерений, а также повышение эксплуатационной надежности и защита пьезокерамики от возможного разрушения при резких ударах и колебаниях большой амплитуды.

Другая цель состоит в конструктивном обеспечении возможности метрологического контроля чувствительности и нулевого уровня при измерениях.

Первая из указанных целей достигается тем, что в устройстве, содержащем полый цилиндрический корпус, закрытый с торцов крышками, пьезоэлементы и цилиндрическую инерционную массу, размещенную между ними, пьезоэлементы выполнены в виде предварительно деформированных (поджатых крышками) сфер, установленных в специальных гнездах на крышках и ориентированных симметрично относительно продольной оси так, что каждый из верхних пьезоэлементов имеет парный, расположенный соосно с ним по вертикали, нижний пьезоэлемент, причем торцевые части инерционной массы имеют форму усеченных конусов, образующие поверхности которых взаимодействуют с пьезоэлементами, а крышки снабжены упорами, ограничивающими перемещения инерционной массы по вертикали. Наружные токопроводящие обкладки пьезоэлементов заземлены, а внутренние имеют выводы через технологические отверстия для подключения каждой пары пьезоэлементов в схему дифференциального усиления.

Для достижения второй поставленной цели корпус выполнен из немагнитного материала и имеет снаружи проточку, в которой уложены витки обмотки, изолированные герметиком. Основная (большая часть) обмотки периодически подключается к источнику переменного тока заданной частоты и силы, а другая (меньшая) постоянно подключена к слаботочному генератору высокой частоты.

На фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемого сейсмоприемника; на фиг. 2 вид сверху (верхняя крышка с пьезоэлементами и инерционная масса удалены с чертежа).

Сейсмоприемник содержит полый цилиндрический корпус 1, герметически закрытый с торцов крышками 2, пьезоэлементы 3, смонтированные на крышках внутри корпуса, и цилиндрическую инерционную массу 4, размещенную между пьезоэлементами. Пьезоэлементы выполнены в виде предварительно деформированных (поджатых крышками) сфер и установлены в специальных гнездах 5, расположенных на крышках и ориентированных симметрично относительно продольной оси так, что каждый из верхних пьезоэлементов имеет парный, расположенный соосно с ним по вертикали, нижний пьезоэлемент. Торцевые части инерционной массы имеют форму усеченных конусов 6, образующие поверхности которых взаимодействуют с пьезоэлементами, а крышки снабжены упорами 7. Наружные токопроводящие обкладки всех пьезоэлементов заземлены, а внутренние имеют выводы через технологические отверстия для подключения парных пьезоэлементов на вход дифференциальных усилителей.

Корпус сейсмоприемника выполнен из немагнитного материала и имеет снаружи проточку 8, в которой уложены витки обмотки 9, изолированные герметиком 10, причем основная (большая) часть обмотки периодически подключается к источнику переменного тока заданной частоты и силы, а другая (меньшая) постоянно подключена к слаботочному генератору высокой частоты.

На фиг. 1 и 2 показан вариант выполнения сейсмоприемника, в котором использованы три пары пьезоэлементов, а гнезда для установки пьезоэлементов имеют форму полусфер несколько большего диаметра, чем пьезоэлементы. Количество пар пьезоэлементов может быть больше трех, а гнезда могут иметь другую форму, но принцип действия сейсмоприемника при этом не меняется. Каждая пара пьезоэлементов вместе с дифференциальным усилителем образует автономный канал для измерения одной из компонент упругого поля и количество пар пьезоэлементов, расположенных соосно по вертикали, всегда равно количеству измеряемых компонент.

Сейсмоприемник работает следующим образом.

Упругие колебания, распространяющиеся в окружающей среде, передаются корпусу 1 сейсмоприемника. При этом инерционная масса 4 движется относительно корпуса 1 в противоположном направлении, взаимодействуя с пьезоэлементами 3, установленными в гнездах 5 на крышках 2, образующей поверхностью торцевого усеченного конуса 6. В результате деформации пьезоэлементов 3 под действием инерционной массы 4 на их обкладках возникают заряды, которые передаются в измерительный канал.

При осевых воздействиях масса движется относительно корпуса вверх или вниз. При движении вверх верхние, предварительно поджатые, пьезоэлементы еще более сжимаются, а нижние распрямляются, при движении вниз наоборот, но в любом случае верхние и нижние пьезоэлементы испытывают противоположные деформации и поэтому на их одноименных обкладках появляются заряды противоположного знака. Полезный сигнал, обусловленный этими зарядами, будучи поданным на дифференциальный усилитель, практически удваивается.

При боковых воздействиях, представляющих собой помеху, инерционная масса 4 деформирует верхние и парные с ними нижние пьезоэлементы одинаково и на их одноименных обкладках возникают заряды одного знака. Поэтому, проходя через схему дифференциального усиления, паразитный сигнал, обусловленный боковыми воздействиями, существенно уменьшается.

Таким образом, предварительное поджатие пьезоэлементов в сочетании с дифференциальным усилением позволяет улучшить соотношение полезного сигнала и помехи, т. е. увеличить относительную чувствительность сейсмоприемника.

Так как емкость сферического пьезоэлемента всегда больше емкости дискового или пластинчатого пьезоэлементов с диаметром и длиной, равными диаметру сферы, чувствительность предлагаемого сейсмоприемника будет выше, чем в аналогичных известных устройствах [1, 2 и 3] выполненных в тех же габаритах.

Предварительное поджатие пьезоэлементов 3 и выполнение торцевых участков инерционной массы 4 в виде конуса 6, а пьезоэлементов 3 в виде сфер, обеспечивает надежный и постоянный контакт инерционной массы 4 и пьезоэлементов 3 в одной точке, что также способствует увеличению чувствительности и расширяет динамический диапазон измеряемых параметров колебаний.

Вместе с повышением чувствительности предлагаемая конструкция сейсмоприемника обеспечивает одновременную регистрацию нескольких компонент без увеличения габаритов сейсмоприемника.

При воздействии резких толчков и колебаний большой амплитуды упоры 7, смонтированные в крышках 2, ограничивают перемещения инерционной массы 4 и предотвращают возможное разрушение пьезоэлементов 3.

При необходимости контроля чувствительности сейсмоприемника в процессе работы основная (большая) часть обмотки 9, уложенной в проточке 8 на немагнитном корпусе 1 и изолированной герметиком 10, подключается к источнику переменного тока при покоящемся сейсмоприемнике. Под действием магнитного поля переменного тока инерционная масса 4 при этом совершает осевые колебательные движения с заданной частотой и амплитудой, и, взаимодействуя с пьезоэлементами, вызывает их деформации и появление зарядов на обкладках. Будучи подаными в измерительную цепь, они регистрируются записывающим устройством как стандарт-сигнал.

Положение нулевого уровня также может быть проконтролировано при покоящемся сейсмоприемнике путем подключения другой (меньшей) части обмотки 9 к слаботочному генератору высокой частоты. При этом инерционная масса 4 приходит в движение, совершая колебания с небольшой амплитудой, которые регистрируются записывающим устройством в виде размытой нулевой линии 9 (так называемого "жирного нуля").

Постоянное подключение части обмотки 9 к слаботочному высокочастотному генератору имеет дополнительное преимущество, так как высокочастотные колебания небольшой амплитуды, совершаемые инерционной массой, усиливают ее реакцию на изменение положения корпуса сейсмоприемника в результате внешних воздействий.

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого сейсмоприемника создают очевидный положительный эффект, заключающийся в повышении чувствительности и эксплуатационной надежности, обеспечении возможности метрологического контроля и многокомпонентности измерений без увеличения габаритов прибора.

Формула изобретения

1. Многокомпонентный сейсмоприемник, содержащий полый цилиндрический корпус, герметически закрытый с торцов крышками, пьезоэлементы, смонтированные на крышках внутри корпуса, и цилиндрическую инерционную массу, размещенную между пьезоэлементами, отличающийся тем, что пьезоэлементы выполнены в виде предварительно деформированных поджатых крышками сфер, установленных в специальных гнездах на крышках и ориентированных симметрично относительно продольной оси так, что каждый из верхних пьезоэлементов имеет парный, расположенный соосно с ним по вертикали нижний пьезоэлемент, причем торцевые части инерционной массы имеют форму усеченных конусов, образующие поверхности которых взаимодействуют с пьезоэлементами, а крышки снабжены упорами, ограничивающими перемещения инерционной массы по вертикали, при этом наружные токопроводящие обкладки всех пьезоэлементов заземлены, а внутренние имеют выводы через технологические отверстия для подключения парных пьезоэлементов на вход дифференциальных усилителей.

2. Сейсмоприемник по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен из немагнитного материала и имеет снаружи проточку, в которой уложены витки обмотки, изолированные герметиком, причем основная большая часть обмотки периодически подключается к источнику переменного тока заданной частоты и силы, а другая меньшая постоянно подключена к слаботочному генератору высокой частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2