СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ ОТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Российский патент 1998 года по МПК G01V13/00 

Изобретение относится к экспериментальной и прикладной сейсмологии, точнее к методам и технике регистрации сейсмических сигналов и волновых полей, и может быть использовано при решении поисковых задач сейсморазведки (в первую очередь на газ и нефть), прогноза землетрясений и изучения сейсмотектонических процессов планеты.

Известей способ защиты сейсмографов от внешнего воздействия изоляцией прибора специальным контейнером (ящиком), стенки которого сохраняли в определенных пределах "микроклимат" (по вариациям давления, влажности, воздушных потоков) и обеспечивали тем самым нормальный режим работы [1]. Развитие морской сейсмологии потребовало качественного улучшения этого метода. Известен способ защиты сейсмической аппаратуры от проникания морской воды и значительного гидростатического давления путем размещения сейсмометров и блока записи полезного сигнала в герметичном толстостенном металлическом корпусе, опускаемом на морское дно на стальном тросе. Корпус - цилиндрической формы и рассчитан на давление глубины погружения (2000 м). По этой схеме создается современное поколение донных сейсмических станций [2]. Однако согласно описанию освоение глубин около 10000 м (внешнее давление 1000 атм) требует развитие новых принципов проектирования.

Наиболее близким к заявляемому является способ защиты скважинной геофизической аппаратуры, помещенной в водонепроницаемый цилиндрический корпус, когда часть аппаратуры - пьезокерамические преобразователи - каждый из которых монолитный блок, помещают в трансформаторное масло [3]. Недостатком известного способа является то, что основные проблемы других методов [1-2] не устранены: сейсмоприемники и вспомогательная аппаратура помещены в тяжелый герметичный корпус, внутри которого при нормальном давлении в воздушной атмосфере работает аппаратура; вводы (порты) сигнальных и силовых кабелей должны обеспечивать герметичность на перепаде давлений: гидростатический столб - нормальное внутреннее давление в камере. Указанные особенности не позволяют обеспечить работоспособность аппаратуры при давлениях порядка 20000 атм, существующих в глубинных донных частях грязевого вулкана.

Изобретение направлено на увеличение глубины погружения в геофизическую среду жерла грязевого вулкана с использованием модифицированной стандартной геофизической аппаратуры.

Результат достигается тем, что при достижении указанных глубин защиту геофизической аппаратуры от окружающей геофизической среды осуществляют путем заполнения слабосжимаемой, невязкой химически пассивной жидкостью внутреннего свободного пространства корпуса каждого геофизического прибора, проводки кабеля через донную гидравлически проницаемую часть корпуса, отделения внутреннего объема корпуса от проницаемой части эластичной мягкой оболочкой, помещения аппаратуры в верхней части внутреннего объема корпуса станции, заливкой свободного внутреннего пространства корпуса станции желеобразной пассивной средой; наматывания кабель-троса на корпус станции в виде сферы скатывания последней вниз по внутреннему склону жерловой части вулкана.

Отличительными признаками заявляемого способа являются расположение геофизической аппаратуры в верхней части объема корпуса геофизической станции, заполнение внутреннего объема и полостей корпусов аппаратуры невязкой инертной жидкостью, заполнение внутреннего объема корпуса геофизической станции желеобразной инертной массой, гидравлическая проницаемость донных частей корпусов аппаратуры и станции, раздел поверхностей контакта жидкость корпуса аппаратуры - желеобразная масса, желеобразная масса - забортная геофизическая среда эластичными непроницаемыми оболочками, вывод кабельной сети через донные части корпусов, шаровая намотка кабель-троса на корпус станции и спуск станции на исследуемые горизонты земной коры на начальном этапе путем скатывания системы намотка - станция по внутреннему склону жерла вулкана.

Заполнение свободных объемов и пустот в корпусах геофизической аппаратуры инертной невязкой жидкостью, во внутреннем объеме геофизической станции - желеобразной инертной массой, проницаемость донных частей корпусов и камер ликвидируют проблему разрушения аппаратуры и станции внешним избыточным давлением при погружении станции по жерлу грязевого вулкана до глубинных разломов (10 км, давление 20000 атм), так как одностороннее давление заменяется всесторонним сжатием в условиях инертной среды, причем подобное обеспечение работоспособности одновременно позволит применить тонкостенные конструкции из легких сплавов. Разделение поверхностей контакта невязкая жидкость - желеобразное вещество - геофизическая среда, вывод кабельной сети через донные части конструкции, расположение геофизической аппаратуры в верхней части объема станции гарантируют изоляцию от контакта и перемешивания жидкости вещества забортного флюида, что исключает выход из строя аппаратуры из-за химической агрессивности флюида и его проводящих свойств обеспечивает длительную работоспособность станции на расчетных глубинах. Инертность невязкой жидкости высокого давления, находящейся под высоким давлением, стабильность ее физико-химических свойств, незначительно или в расчетных пределах меняют основные рабочие характеристики стандартной геофизической аппаратуры, поэтому применение последней (сейсмоприемников, наклономеров, сейсмовибраторов и т. п.) упростит и удешевит проведение измерений.

Намотка на корпус станции кабельной сети в виде сферической оболочки и сброс этой системы в жерло грязевого вулкана в период его активности по внутреннему склону позволит более эффективно преодолевать выступы и террасы по трассе погружения на расчетную глубину. Одновременно толстый слой намотанного кабеля смягчает удары камней, выносимых потоком флюида из глубинных областей вулкана, а также предохраняет от контактов с выносимыми агрессивными включениями ЮЯ смягчает температурные нагрузки при прохождении зон воспламенения флюидов при активной фазе вулканизма. Перечисленные конструктивные особенности всей системы, обусловленные предлагаемым способом настолько снижают вес и общую стоимость эксперимента, что с учетом необходимости иметь постоянные точки наблюдения необходимость во многом вспомогательном оборудовании (например, подъемнике) отпадает.

На фиг. 1 изображена общая компоновка глубинной геофизической станции (ГТС), реализующей предлагаемый способ; на фиг. 2 - пример модификации стандартного сейсмоприемника; на фиг. 3 - схема станции со сферической намоткой кабельной сети; на фиг. 4 - тип ГТС под сферическую намотку; на фиг. 5 - схема применений ГГС для исследования грязевого вулкана.

На фиг. 1 обозначено корпус глубинной геофизической станции (ГГС); 2 - внутрикорпусная кабельная сеть; 3 - блок геофизической аппаратуры; 4 - внешний корпусной участок общей кабельной сети, протянутой от стыковочной колодки через низ корпуса 1; 5 - тонкостенный корпус; 6 - желеобразный заполнитель внутреннего объема ГГС; 7 - донный элемент проницаемой части корпуса ГГС; 8-эластичная оболочка; 9-бортовая укладка несущего кабель-троса; 10 - заборное устройство флюидов: 11 - нижний датчик тепловых потоков; 12 - датчик теллурических токов; 13 - якорь; 14 - 16 - элементы стабилизатора-бункера кабель-троса: 17 - пространственно-стабилизируемый стол для прецизионной геофизической аппаратуры; 18 - акустический передатчик геофизической информации; 19 - акустический ретранслятор информации; 20 - бортовой анализатор флюидов; 21 - участок кабель-троса в рабочем состоянии. На фиг. 2 обозначено: 22 - крышка сейсмоприемника типа СМ-З; 23 - невязкая химически пассивная жидкость; 24 - механические элементы сейсмоприемника; 25 - проницаемый элемент нижней части корпуса сейсмоприемника; 26 - эластичная оболочка. На фиг. 3: 27-сферическая намотка всего кабеля расчетной глубины погружения; 28 - корпус ГГС; 29 - дополнительная мембрана. На фиг. 4: 30 - пружинные фиксаторы. На фиг. 5: 31 - жерло кратерной части грязевого вулкана; 32 - грифон; 33 - дневная поверхность; 34 - поток глубинных флюидов; 35 - промежуточная камера или колено; 36 - ГГС цилиндрического типа на расчетной глубине; 37 - погружение ГГС со сферической намоткой кабель-троса; 38 - передвижная геофизическая лаборатория; 39 - поверхностная часть сейсмической антенны; 40 - глубинная часть сейсмической антенны; 41 - промежуточный блок термопара-электрод.

Защиту геофизической аппаратуры в соответствии с предлагаемым способом осуществляют следующим способом.

Согласно поставленным задачам исследования и объектом исследования определяют тип ГГС (фиг. 1, 3 - 5).комплекс наземной аппаратуры (фиг. 5) и промышленную модель стандартной геофизической аппаратуры (фиг. 2). Далее через проницаемый элемент 25 заполняют свободный внутренний объем аппаратуры невязкой плохо сжимаемой жидкостью 23 (например, спирт этиловый, бензин, силиконовая жидкость, дистиллированная вода) и герметизируют его оболочкой 26 (фиг. 2). Кабельную сеть каждого прибора подключают к стыковочной колодке, закрепленной на внутренней поверхности корпуса ГГС. Затем геофизическую аппаратуру закрепляют в верхней части внутреннего объема ГГС (фиг. 1, 3, 4), а общую кабельную сеть выводят через донную часть корпуса станции к бункеру кабель-троса 14 - 16, после этого заполняют этот объект через проницаемую нижнюю часть корпуса, каналы и отверстия 7,10 желеобразным пассивным веществом 6 (например, солидолом, вязким вариантом силиконовой жидкости), устанавливая в некоторых случаях промежуточную оболочку 29, и герметизируют от внешней среды эластичной оболочкой 8.Материалом для эластичных непроницаемых оболочек служат сорта химически стойкой резины, тефлона и т. п. Защищенную подобным образом аппаратуру используют для проведения наблюдений, поместив ГГС в жерло или грифон действующего или находящегося в стадии активации грязевого вулкана (фиг. 5). Под действием собственного веса ГГС 36 опускается вниз (плотность среды 1,5 - 2,5 г/см, средняя плотность ГГС 4 - 6 г/см) через осадочный чехол к кристаллическому фундаменту к истокам глубинных флюидов на глубины 8 - 12 км (фиг. 5).

При опускании кабель-трос 9, 21 сматывается с бобины стабилизатора-бункера 14 - 16 (фиг. 1), а затем с катушки геофизической лаборатории 38 и обеспечивает энергоинформационную связь с лабораторией. Независимо от глубины погружения аппаратура защищена от высокого давления и воздействия агрессивной внешней среды. Внешнее давление через гидравлически проницаемые донные элементы корпусов ГГС (фиг. 1, 3, 4) передается через непроницаемые гибкие оболочки на желеобразный заполнитель, который это же давление передает через проницаемые донные части геофизических приборов и гибкие оболочки на невязкую жидкость-заполнитель внутреннего объема приборов. В результате во всех объемах и элементах аппаратуры и ГГС устанавливается и поддерживается гидростатическое равновесие с заборной средой, а всестороннее высокое давление нейтральной невязкой жидкости не препятствует нормальному функционированию геофизической аппаратуры (например, сейсмической). Даже забортное давление 2000 атм вызывает 15 - 25%-ное сжатие объемов жидкостей заполнителей, что допускает заход внешней среды только лишь перед первой эластичной оболочкой и не влияет на работоспособность ГГС. В процессе погружения по вулканическому жерлу ГГС дает информацию по температурам, тепловым потокам, флюидному составу, сейсмическим и электромагнитным полям вдоль трассы движения (фиг. 5). По достижении кристаллических структур ГГС используется как стационарная комплексная глубинная обсерватория для решения многих прикладных и фундаментальных геофизических проблем. В случае деформированного жерла и грифона и/или вулканической пробки в верхней части канала (фиг. 5) используют в момент активизации вулкана вариант ГТС со сферической намоткой кабель-тросса (фиг. 3, 4), так как перекатывание ГТС по наклонным спускам более эффективно, чем опускание с якорем. При этом намотка 27 предохраняет аппаратуру от ударов и тепловых импульсов. По достижения/расчетной глубины с полностью размотанным тросом ГТС под действием массивного элемента 1 (фиг. 4) или якоря 13 (фиг. 1) занимает рабочее положение.

Все изложенные примеры указывают на реализуемость предлагаемого метода защиты геофизической аппаратуры от окружающей среды и одновременно позволяют проводить качественно новые исследования с грязевыми вулканами. Простейший макет ГТС создан с использованием модифицированной стандартной аппаратуры (сейсмоприемники СВ-20: СВ-5), испытания подтвердили его работоспособность.

Для реализации предлагаемого способа и создания устройств для его осуществления практически создана обширная инфраструктура от геолого-геофизических карт областей с активными грязевыми вулканами до многочисленных элементов и систем, необходимых для создания ГТС. Предлагаемый метод безальтернативен, позволит создать сеть ГГС, провести фундаментальные и прикладные эксперименты, например, по поиску углеводородов, прогнозу сейсмичности, глубинным сейсмоэмиссионным полям, геохимическому анализу ювенильных флюидов и т.д.

Использование: при решении поисковых задач сейсморазведки, прогноза землетрясении, изучении сейсмотектонических процессов. Сущность изобретения: заполнение свободных внутренних объемов аппаратуры и корпуса геофизической станции инертной жидкостью и желеобразной средой. Соответственно донные вывода кабельной сети обеспечивают работоспособность геофизической аппаратуры в агрессивных средах и при внешнем давлении свыше 1000 атм. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ защиты геофизической аппаратуры от окружающей среды путем помещения аппаратуры в прочный герметичный корпус геофизической станции и уплотнения вводов и выводов информационной и силовой кабельной сети, отличающийся тем, что внутреннее свободное пространство корпуса каждого геофизического прибора заполняют слабосжимаемой невязкой химически пассивной жидкостью-заполнителем, проводят кабель через донную часть корпуса прибора, которую делают гидравлически проницаемой извне, а внутренний объем корпуса прибора отделяют от проницаемой части мягкой эластичной оболочкой, после чего приборы помещают в верхнюю часть внутреннего объема корпуса геофизической станции, выводят через нижнюю часть внешней стенки корпуса геофизической станции общий кабель питания и связи и проводят его по внешней поверхности корпуса геофизической станции к стыковочному узлу на кронштейне крепления станции к транспортному тросу, заливают свободное внутреннее пространство корпуса геофизической станции желеобразной пассивной средой, а в нижней части корпуса геофизической станции с внутренней стороны закрывают его гидравлически проницаемую часть эластичными оболочками. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кабель-трос наматывают на корпус геофизической станции в шаровой форме.