ВЕРТОЛЕТНЫЙ ГРАВИМЕТРИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС Российский патент 1999 года по МПК G01V7/16 

Изобретение относится к геофизическим измерительным комплексам и может быть использовано для производства гравиметрических измерений зоны шельфа мирового океана и акватории внутренних водоемов на глубинах от 0 до 120 метров, а также в труднодоступных горных, залесенных и заболоченных районах.

Известен гравиметрический комплекс, включающий гравиметр в скафандре, гидростатический нивелир, расположенные на штативе. Кроме того, устройство содержит пульт управления гравиметром, пульт управления гидростатическим нивелиром, размещенные на борту судна, при этом входы пультов управления гравиметром и гидростатическим нивелиром соединены с выходами соответственно гравиметра и гидростатического нивелира посредством кабеля, намотанного на лебедку, обеспечивающую погружение на глубину и подъем штатива с размещенными на нем измерительными приборами (см. "Справочник геофизика". Т. V. - М.: "Недра", 1968 c. 140-146).

Недостатками известного комплекса являются низкая точность и производительность гравиметрической съемки, обусловленные наличием одного гравиметра, одного гидростатического нивелира, замеры с помощью которых требуют значительное количество контрольных замеров по общепринятой трудоемкой методике, а также требуют в дальнейшем трудоемкую обработку для получения результатов.

Кроме того, низкая производительность обусловлена длительностью спускоподъемных операций, продолжительным перемещением судна с пункта на пункт измерения, длительностью ввода приборов в температурный режим перед началом рейса, необходимостью устанавливать судно на якорь в пункте измерения. Кроме того, к недостатку известного комплекса относится низкая информативность гравиметрической съемки, обусловленная также наличием одного гравиметра и одного гидростатического нивелира, так как с их помощью можно измерить только первую производную потенциальной функции силы тяжести по вертикали, что в целом снижает эффективность метода при решении задач поиска и оценки залежей углеводородов, то есть не дает полной оценки качества замеряемого контура. Кроме того, низкая точность и производительность гравиметрической съемки обусловлена наличием облегченного неустойчивого штатива для размещения измерительных приборов, затрудняющего установку приборов в места замеров и замеры параметров в условиях придонных течений, приливно-отливных перемещений вод, илистых грунтов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является вертолетный гравиметрический комплекс, содержащий гравиметр в скафандре на подставке-треноге, прибор для определения абсолютных высот, например гидростатический нивелир, расположенные на внешней подвеске вертолета, выполненной в виде кабель-троса, снабженного грузами и поплавками. Кроме того, комплект содержит пульт управления гравиметром, пульт управления прибором для определения абсолютных высот, навигационную систему, размещенные на борту вертолета МИ-8, при этом входы пультов управления гравиметром и прибором для определения абсолютных высот соединены с выходами соответственно гравиметра и прибора для определения абсолютных высот (Временные методические указания по проведению гравиметрических съемок донным гравиметром с борта вертолета МИ-8 на внешней подвеске. -М.: ВНИИгеофизика 1986).

Недостатками известного комплекса является низкая точность и производительность гравиметрической съемки, обусловленные наличием одного гравиметра, одного прибора для определения абсолютных высот, замеры с помощью которых требуют значительное количество контрольных замеров по общепринятой трудоемкой методике, а также требуют в дальнейшем трудоемкую обработку для получения результатов.

Кроме того, к недостатку известного комплекса относится низкая информативность гравиметрической съемки обусловленная также наличием одного гравиметра и одного прибора для определения абсолютных высот, так как с их помощью можно измерить только первую производную потенциальной функции силы тяжести по вертикали, что не дает полной оценки качества замеряемого контура и в целом снижает эффективность метода при решении задач поиска и оценки залежей углеводородов.

Кроме того, низкая точность и производительность гравиметрической съемки, обусловлена наличием облегченной, неустойчивой подставки-треноги для размещения измерительных приборов, а также поплавков кабель-троса внешней подвески, создающих высокую "парусность", затрудняющих установку приборов в места замеров и замеры параметров в условиях придонных течений, приливно-отливных перемещений вод, илистых грунтов, а также ограничивающих скорость транспортировки комплекса на внешней подвеске к месту работ и обратно.

Низкая точность и производительность комплекса обусловлены также выполнением внешней подвески в виде кабель-троса, создающего помехи, возникающие за счет стекания статического электричества по тросу, расположенному внутри кабеля во время касания подставкой-треногой водной поверхности, и в процессе измерений.

В основу изобретения положена задача создать вертолетный гравиметрический комплекс, обеспечивающий повышение точности, производительности и информативности измерения поля силы тяжести при съемках масштаба 1:50000 и мельче, а также при поисках и оценке залежей углеводородов на акватории шельфа, внутренних водоемов, труднодоступных горных, залесенных и заболоченных районах.

Поставленная задача решается тем, что вертолетный гравиметрический комплекс, содержащий гравиметр в скафандре, прибор для определения абсолютных высот, размещенных на опоре, расположенной на внешней подвеске вертолета, устройство для определения высоты висения вертолета, пульты управления гравиметром, прибором для определения абсолютных высот, устройством для определения высоты висения вертолета, навигационную систему, установленных на борту вертолета, при этом выходы гравиметра, прибора для определения абсолютных высот, соединены с входами пультов управления этими приборами, дополнительно снабжен вторым гравиметром в скафандре, вторым прибором для определения абсолютных высот, размещенных на опоре, при этом опора выполнена в виде утяжеленной платформы, пультами управления вторым гравиметром, вторым прибором для определения абсолютных высот, набортным гиростабилизированным относительным гравиметром с пультом управления, компьютером, размещенных в салоне вертолета, при этом гравиметры оборудованы указателями недопустимого крена установки утяжеленной платформы, а утяжеленная платформа снабжена устройствами указания касания дна и указания неподвижности платформы с пультом управления этими устройствами, размещенным в салоне вертолета, причем внешняя подвеска выполнена в виде нескручивающегося троса с прибортованным к нему кабелем, причем выходы второго гравиметра, второго прибора для определения абсолютных высот, устройств указания касания дна и указания неподвижности платформы, указателей недопустимого крена установки утяжеленной платформы соединены соответственно со входами пультов управления этими приборами и устройствами, а выходы пультов управления гравиметрами и приборами для определения абсолютных высот - со входами компьютера.

Снабжение вертолетного гравиметрического комплекса вторым гравиметром в скафандре, вторым прибором для определения абсолютных высот, размещенных на утяжеленной платформе, пультами управления вторым гравиметром и вторым прибором для определения абсолютных высот, набортным гиростабилизированным относительным гравиметром с пультом управления, компьютером, размещенных в салоне вертолета, а также снабжение гравиметров указателями недопустимого крена установки утяжеленной платформы, а утяжеленной платформы - устройствами указания касания дна и указания неподвижности платформы с пультом управления этими устройствами, а также выполнение внешней подвески в виде нескручивающегося троса с прибортованным к нему кабелем, а также соединение выходов второго гравиметра, второго прибора для определения абсолютных высот, устройств указания касания дна и указания неподвижности платформы, указателей недопустимого крена установки утяжеленной платформы, соответственно со входами пультов управления этими приборами и устройствами, а выходов пультов управления гравиметрами и приборами для определения абсолютных высот со входами компьютера отличает заявленное техническое решение от прототипа и обусловливает соответствие этого решения критерию "НОВИЗНА".

Отличие заявленного вертолетного гравиметрического комплекса от известных состоит в том, что в комплекс введен второй гравиметр в скафандре, второй прибор для определения абсолютных высот, размещенных на утяжеленной платформе. Кроме того, введены пульты управления гравиметром и прибором для определения абсолютных высот, а также набортный гиростабилизированный относительный гравиметр с пультом управления и компьютер, размещенные в салоне вертолета, при этом гравиметры оборудованы указателями недопустимого крена установки утяжеленной платформы, а утяжеленная платформа снабжена устройствами указания касания дна и указания неподвижности платформы с пультом управления этими устройствами, размещенным в салоне вертолета, а внешняя подвеска выполнена в виде нескручивающегося троса с прибортованным к нему кабелем, причем выходы второго гравиметра, второго прибора для определения абсолютных высот, устройств указания касания дна и указания неподвижности платформы, указателей недопустимого крена установки утяжеленной платформы соединены соответственно со входами пультов управления этими приборами и устройствами, а выходы пультов управления гравиметрами и приборами для определения абсолютных высот - со входами компьютера.

Из уровня техники неизвестно использование одновременно двух гравиметров в скафандрах, двух приборов для определения абсолютных высот, размещенных на утяжеленной платформе, и третьего гиростабилизированного относительного гравиметра с пультом управления, а также компьютера, размещенных в салоне вертолета, что доказывает соответствие заявленного технического решения критерию "ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ".

Снабжение вертолетного гравиметрического комплекса вторым гравиметром в скафандре, вторым прибором для определения абсолютных высот, размещенных на утяжеленной платформе и снабженных пультами управления, выходы которых связаны с входами компьютера, повышает точность измерения в 1,4 раза и производительность работ, так как измерения производятся одновременно с оперативным контролем измерений, что снижает влияние случайных погрешностей на результаты измерений и значительно уменьшает количество контрольных наблюдений.

Введение замеряемой информации на компьютер, установленный в салоне вертолета, позволяет по методике разностного нуль-пункта сразу же после снятия замеров оценить качество как последних измерений, так и всего рейса в целом, и принять решение о продолжении рейса или необходимости "замыкания" на опорный пункт, что в свою очередь гарантирует получение каждого рейса с заранее заданной точностью.

Кроме того, размещение дополнительно введенных в комплекс гравиметра в скафандре и прибора для определения абсолютных высот на утяжеленной платформе, снабженной устройствами указания касания дна и указания неподвижности, повышает точность измерений за счет обеспечения благоприятных условий для производства замеров в условиях придонных течений, прибойно-волновой части шельфа, илистых грунтов и приустьевых частях крупных рек, а также повышает производительность работ за счет увеличения скорости транспортировки утяжеленной платформы с размещенными на ней приборами.

Снабжение вертолетного гравиметрического комплекса набортным гиростабилизированным относительным гравиметром с пультом управления в комплексе с двумя гравиметрами, размещенными на утяжеленной платформе, повышает информативность гравиметрической съемки, так как появляется возможность замерить вторую производную (Wzz) потенциальной функции силы тяжести, что позволяет с большой уверенностью решать весь круг геологических задач, стоящих перед гравиразведкой.

Выполнение внешней подвески утяжеленной платформы в виде нескручивающегося троса с прибортованным к нему кабелем повышает точность и производительность гравиметрической съемки за счет резкого снижения уровня помех, сбоев в работе электронных блоков и предохранения от выхода из строя приборов, так как исключается скручивание кабеля и повреждение изоляции токопроводящих жил и устраняется влияние статического электричества при касании утяжеленной платформы водной поверхности и в процессе ее погружения. Все это доказывает соответствие заявленного технического решения критерию "ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ".

На чертеже изображена структурная схема вертолетного гравиметрического комплекса.

Вертолетный гравиметрический комплекс содержит два гравиметра в скафандрах 1, два прибора для определения абсолютных высот 2, например, два гидростатических нивелира при выполнении гравиметрической съемки на водной поверхности или два микробаронивелира при выполнении гравиметрической съемки в труднодоступных горных, залесенных и заболоченных районах, размещенных на утяжеленной платформе 3, выполненной, например, в виде правильного шестиугольника, вписанного в правильный треугольник. Утяжеленная платформа 3 отцентрирована, центр масс платформы находится в геометрическом центре треугольного основания, причем 50% массы приходится на три опоры, расположенные в вершинах треугольника. Точная центровка масс исключает кручение платформы во время полета и переворачивание ее, например, во время погружения в условиях придонных течений. Утяжеленная платформа 3 снабжена устройством указания неподвижности платформы 4, выполненным, например, в виде герметичных контактов, связанных с тросовой подвеской и устройством указания касания дна 5, выполненным, например, в виде герметичного контакта, связанного с грузом 6. Утяжеленная платформа 3 снабжена внешней подвеской, состоящей из разъемного нескручивающегося троса 7 с прибортованным к нему специальным кабелем 8 и двух половин стыковочных устройств 9. Внешняя подвеска снабжена аварийным устройством 10, выполненным, например, в виде герметичного баллона из прорезиненной ткани, баллончика, наполненного сжатым воздухом, и элементов крепления. Аварийное устройство 10 размещено на тросе 7 со стороны его крепления к вертолету. При выполнении гравиметрической съемки на море длина внешней подвески может быть 50 метров, 100 метров, 150 метров и устанавливается в зависимости от глубины акватории. В салоне вертолета установлены два, например, цифровых пульта управления гравиметрами 11 и два пульта управления приборами для определения абсолютных высот 12, например, гидростатическими нивелирами (для гравиметрической съемки на водной поверхности), причем входы пультов управления связаны с выходами приборов, а именно: гравиметров и приборов для определения абсолютных высот. Кроме того, в салоне вертолета установлены пульт управления 13 устройств указания касания дна, указания неподвижности платформы и указания недопустимого крена платформы, при этом для удобства работы (для обеспечения информацией одновременно всех членов экипажа) пультов управления 13 установлено на борту вертолета несколько, например, четыре в салоне вертолета и один в кабине пилотов. В салоне вертолета установлена также навигационная система 14, например спутниковая, снабженная антенной 15, расположенной, например, на втулке несущего винта, гиростабилизированный относительный гравиметр 16, пульт управления гиростабилизированным относительным гравиметром 17, компьютер 18 с соответствующим программным обеспечением, причем выходы пультов управления гравиметрами 11, приборами для определения абсолютных высот 12, например гидростатическими нивелирами, а также выход пульта управления гиростабилизированного относительного гравиметра 17 связаны с входами компьютера 18. На тросе 7 внешней подвески утяжеленной платформы 3 закреплено устройство для определения высоты висения вертолета 19, выполненное в виде, например, гидростатического нивелира, закрепленного на расстоянии 26 метров со стороны крепления троса 7 к вертолету, при этом высота висения вертолета определяется по формуле:
h = 26 - i,
где h - высота висения вертолета над водной поверхностью,
i - отсчет по гидростатическому нивелиру устройства определения высоты висения вертолета,
26 м складывается из минимально допустимой высоты снижения вертолета над уровнем моря по инструкции аэрофлота и глубины погружения гидростатического нивелира.

Донная гравиметрическая съемка с помощью вертолетного гравиметрического комплекса производится следующим образом. Изучается район предстоящей съемки, определяется необходимость определения второй производной потенциальной функции силы тяжести (Wzz) в рейсе, проектные координаты пунктов наблюдения заносятся в память компьютера 18. Устанавливается подвеска, соответствующая глубинам, в случае необходимости для регистрации приливно-отливных изменений уровня моря выставляется водомерный пост.

Вывод вертолета на пункты наблюдений осуществляется штурманом при помощи навигационной системы 14. Вертолет с закрепленной на внешней подвеске утяжеленной платформой 3 зависает в районе определяемого пункта, производится уточняющая корректировка положения вертолета, и в это время снимаются показания с пультов управления 12 приборов для определения абсолютных высот 2, например, гидростатических нивелиров, показания анализируются оператором и заносятся в память компьютера 18. После этого начинается плавный спуск вертолета и одновременно идет запись серии значений координат. При снижении вертолета дополнительный груз 6 устройства указания касания дна 5 касается дна водоема, срабатывают контакты этого устройства и подается сигнал на пульт управления 13 этим устройством. Вертолет прекращает снижение и утяжеленная платформа 3 "мягко" устанавливается на грунт. Затем вертолет еще снижается до высоты 25 метров над уровнем моря (минимально допустимая высота снижения), нижняя часть внешней подвески ложится на дно, срабатывает устройство указания неподвижности платформы 4 и подается сигнал на пульт управления 13 этим устройством. Это является сигналом для начала производства замеров по гравиметрам 1 и приборов для определения абсолютных высот 2, например, гидростатическим нивелирам и прекращения записи значений координат. Записанные значения координат осредняются и среднее значение заносится в память компьютера 18.

Замеры по гравиметрам 1 осуществляются в течение 10-30 с, замеры по гидростатическим нивелирам 2 продолжаются в течение 10 с. Замеры по приборам для определения абсолютных высот 2, например, гидростатическим нивелирам анализируются оператором и заносятся в память компьютера 18. Замеры по гравиметрам 1 направляются в компьютер 18, анализируются с его помощью и в случае удовлетворительного результата запоминаются, при отрицательном результате дается команда на выполнение дополнительной серии замеров. После запоминания компьютер по методике разностного нуль-пункта оценивает качество рейса и принимает решение о продолжении рейса или о необходимости "замыкания" рейса на опорный пункт. В случае необходимости определения второй производной потенциальной функции силы тяжести (Wzz) сразу после опускания вертолета на высоту 25 метров над уровнем моря начинают сниматься показания набортного гиростабилизированного относительного гравиметра 16 и устройства для определения высоты висения вертолета 19, например, гидростатического нивелира, закрепленного на тросе подвески, показания поступают в бортовой компьютер 18, который по показаниям приборов определяет разницу высот набортного гиростабилизированного относительного гравиметра и донных гравиметров, вводит поправки в измерения гиростабилизированного относительного гравиметра за изменение высоты, оценивает точность полученных измерений, в случае положительного результата дает команду о прекращении замеров. Затем пилоту дается команда на подъем утяжеленной платформы. Начинается плавный подъем, при котором в салоне вертолета каждым из операторов контролируется весь цикл подъема, а именно: натяжение внешней тросовой подвески с подачей сигнала устройством указания неподвижности платформы 4, отрыв от грунта груза 6 с подачей сигнала устройства указания касания дна 5, выход платформы из воды. После выхода платформы из воды и набора высоты вертолетом снимаются показания по приборам для определения абсолютных высот, например, по гидростатическим нивелирам, анализируются. Штурман выводит вертолет на следующий пункт наблюдения. После окончания вылета в память компьютера 18 заносятся также данные об уровне моря (данные водомерного поста или таблиц приливов) и производится обработка всей записанной информации вплоть до построения предварительной карты аномалий силы тяжести.

Вертолетный гравиметрический комплекс обеспечивает измерение ускорения силы тяжести, определение второй производной потенциальной функции силы тяжести (Wzz) и одновременно плановую и высотную привязку пунктов наблюдений, причем позволяет производить оперативный контроль измерения ускорения силы тяжести и глубин, а также повышает точность измерения в 1,4 раза. Кроме того, введение бортового компьютера и соответствующее программное обеспечение позволяет в полевых условиях построить карту аномалий силы тяжести и существенно облегчает работу штурмана по активному вождению вертолета, так как навигационная информация представляется в графическом виде на дисплее компьютера 18. Применение вертолетного гравиметрического комплекса позволяет расширить не только район применения метода гравиразведки на акватории шельфа Мирового океана за счет возможности ее проведения в зоне недоступности для судов (глубина менее 10 м), и круг решаемых ею задач - вплоть до поиска и оценка залежей углеводородов за счет повышения точности и измерения дополнительной компоненты поля силы тяжести при высокой производительности метода по сравнению с существующим ранее.

Использование: для производства гравиметрических измерений зоны шельфа мирового океана и акватории внутренних водоемов на глубинах 0-120 м, а также в труднодоступных горных, залесенных и заболоченных районах. Сущность изобретения: для обеспечения повышения точности, производительности и информативности измерения поля силы тяжести при поисках и оценке залежей углеводородов на акватории шельфа, внутренних водоемов, труднодоступных горных, залесенных и заболоченных районах устройство содержит два гравиметра в скафандре, два прибора для определения абсолютных высот, размещенных на опоре, в виде утяжеленной платформы, расположенной на внешней подвеске вертолета, устройство для определения высоты висения вертолета, пульты управления гравиметрами, приборами для определения абсолютных высот, устройство для определения высоты висения вертолета, навигационную систему, набортный гиростабилизированный относительный гравиметр с пультом управления и компьютер, установленные на борту вертолета, при этом выходы гравиметров, приборов для определения абсолютных высот соединены с входами пультов управления этими приборами и с компьютером. 1 ил.

Вертолетный гравиметрический комплекс, содержащий гравиметр в скафандре, прибор для определения абсолютных высот, размещенных на опоре, расположенный на внешней подвеске вертолета, устройство для определения высоты висения вертолета, пульты управления гравиметром, прибором для определения абсолютных высот, устройством для определения высоты висения вертолета, навигационную систему, установленных на борту вертолета, при этом выходы гравиметра, прибора для определения абсолютных высот соединены с входами пультов управления этими приборами, отличающийся тем, что комплекс дополнительно снабжен вторым гравиметром в скафандре, вторым прибором для определения абсолютных высот, размещенных на опоре, при этом опора выполнена в виде утяжеленной платформы, пультами управления вторым гравиметром, вторым прибором для определения абсолютных высот, набортным гиростабилизированным относительным гравиметром с пультом управления, компьютером, размещенных в салоне вертолета, при этом гравиметры оборудованы указателями недопустимого крена установки утяжеленной платформы, а утяжеленная платформа снабжена устройствами указания касания дна и указания неподвижности платформы с пультом управления этими устройствами, размещенным в салоне вертолета, причем внешняя подвеска выполнена в виде нескручивающегося троса с прибортованным к нему кабелем, и выходы второго гравиметра, второго прибора для определения абсолютных высот, устройств указания касания дна и указания неподвижности платформы, указателей недопустимого крена установки утяжеленной платформы соединены соответственно со входами пультов управления этими приборами и устройствами, а выходы пультов управления гравиметрами и приборами для определения абсолютных высот - со входами компьютера.