СПОСОБ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ПРИЕМА ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ И ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ВОЛН В МОРСКОЙ СРЕДЕ Российский патент 2014 года по МПК G01V1/00 

Способ относится к гидрофизике, геофизике и может быть использован в решении задач дальнего параметрического приема волн различной физической природы (акустических, электромагнитных, гидродинамических) в морской среде, формируемых естественными и искусственными источниками водной среды и морского дна (морскими объектами, гидродинамическими и сейсмическими процессами, а также углеводородными залежами) в диапазоне частот десятки-единицы-доли Герца.

В настоящее время проблема создания эффективного метода поиска месторождений нефти на морском шельфе приобретает во всем мире все большую остроту. Это связано с ограниченностью разведанных запасов нефти на суше, которых по оценкам специалистов должно хватить только на ближайшие 20-30 лет. В связи с этим вопрос разработки быстрого и высокоточного метода обнаружения залежей нефти и газа вблизи дна морского шельфа становится актуальным. При этом также актуальной и близкой по технической сущности является решение задачи эффективного (упреждающего) приема волн - предвестников сильных землетрясений.

Известно, что наличие залежей нефти на шельфе обычно характеризуется просачиванием в придонные слои воды нефтяных углеводородов и газов. Наличие таких выделений наиболее характерно для залежей газа, тогда как нефтяные углеводороды вследствие низкой скорости их диффузии в морской воде характеризуются почти полным отсутствием растворимости в ней и быстрой нейтрализации, а за счет процессов химического и биохимического взаимодействия с компонентами морской воды, практически полностью локализованы вблизи мест просачивания нефти на поверхность морского дна и далее в морскую среду.

Известен способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающий формирование в ней зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными (см. RU №2158029). Способ реализует закономерности нелинейной акустики, но не может быть использован в качестве прототипа заявляемого изобретения. Недостатками рассматриваемого технического решения, ограничивающими возможность его реализации при прямом мобильном поиске морских месторождений залежей углеводородов, является низкая чувствительность и помехоустойчивость приема волн, формируемых залежами, и, как следствие, ограниченная (сотни метров-единицы километров) дальность параметрического приема информационных сигналов различной физической природы в инфразвуковом и дробном (единицы-доли Герца) диапазонах частот. Эти недостатки обусловлены низким эффектом нелинейного преобразования взаимодействующих волн в рабочей зоне морской среды, а также наличием интенсивных помех среды в инфразвуковом и дробном диапазонах частот, соответствующих излучениям залежам углеводородов. Кроме того, при поиске залежей углеводородов к помехам среды добавляются интенсивные техногенные излучения, формируемые инженерными сооружениями обследуемой акватории. В результате этого не реализуется возможность дальнего параметрического приема геофизических волн, формируемых углеводородными залежами и предвестниками землетрясений в морском дне, а также возможность мобильного поиска и определения места их источников на акваториях морского шельфа.

Указанные недостатки связаны с характеристиками нелинейности морской среды, что заключается в следующем. Известно, что основной вклад в эффективность преобразования высокочастотного сигнала в низкочастотные гармоники вносит так называемый нелинейный параметр воды Е, который, как правило, незначителен. Например, для дистиллированной воды Е=3,1 при температуре 0°С; 3,5 - при 20°С; 3,7 - при 40°С. Для морской воды при солености 35% в диапазоне температур 20-30°С величина Е равна 3,6. Экспериментальные работы, проведенные в открытом море, показали, что коэффициент нелинейности Е в широком диапазоне частот до глубин 300 м меняется незначительно и не превышает 4. Поэтому принципиально новых эффектов по сравнению с уже изученными в открытом океане на произвольных глубинах ожидать невозможно, необходимо применять другие решения, например закономерности нелинейной акустики.

Известен также способ параметрического приема гидрофизических и геофизических волн в морской среде, включающий прозвучивание среды низкочастотными гидроакустическими сигналами с формированием в ней двух пространственно разнесенных в точке приема просветных параметрических антенн как зон нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн, последующий двухканальный прием параметрически преобразованных просветных сигналов и их обработку с восстановлением по ним исходных характеристик измеряемых информационных волн (см. RU №2452041). Указанный способ реализует закономерности просветной гидролокации гидрофизических и геофизических полей в морской среде как параметрической с низкочастотной подсветкой (накачкой) контролируемой среды.

Недостаток этого технического решения - недостаточная эффективность при изучении донных массивов (выявления структуры донных отложений и поиска в них углеводородных залежей различного типа), а также зачастую невозможность надежного восприятия сейсмических возмущений среды - предвестников землетрясений.

Технический результат - достижение дальнего помехоустойчивого обнаружения (приема) в морской среде и измерение пространственно-временной и спектральной структуры полей гидрофизических и геофизических волн, формируемых морскими объектами и донными углеводородными залежами, а также сейсмическими возмущениями среды предвестниками землетрясений в инфразвуковом и дробном диапазонах частот на протяженном морском шельфе (обеспечивается дальний помехоустойчивый прием формируемых информационных волн "малых амплитуд" в диапазоне частот десятки-единицы-доли Герца). А также обеспечивается снижение затрат времени и средств на обследование акватории с поисковыми целями, что реализуется прямым мобильным поиском их источников в параметрическом режиме просветной гидролокации.

Для решения поставленной задачи способ параметрического приема гидрофизических и геофизических волн в морской среде, включающий прозвучивание среды низкочастотными гидроакустическими сигналами с формированием в ней двух пространственно разнесенных в точке приема просветных параметрических антенн как зон нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн, последующий двухканальный прием параметрически преобразованных просветных сигналов и их обработку с восстановлением по ним исходных характеристик измеряемых информационных волн, отличается тем, что дополнительно к прозвучиванию среды низкочастотными гидроакустическими сигналами осуществляют инфранизкочастотную накачку грунта морского дна вдоль направления параметрических антенн, при этом низкочастотные и инфранизкочастотный гидроакустические сигналы излучают из центра обследуемой акватории, кроме того, приемный гидроакустический преобразователь формируют из двух вертикально разнесенных приемников, располагают на подвижном носителе, который перемещают по границе обследуемой акватории, при этом низкочастотными гидроакустическими сигналами формируют две вертикально разнесенные просветные параметрические антенны, а инфранизкочастотным излучающим преобразователем формируют накачку морского грунта по контролируемой трассе и усиливают уровень волн сейсмического фона, при этом в процессе перемещения по периметру акватории фиксируют направления максимального проявления измеряемых информационных волн, далее, по этим направлениям приемный блок перемещают в точку расположения излучающих преобразователей, причем приемный блок в ходе поисковых работ перемещают с постоянной минимально возможной для носителя скоростью или с заданными интервалами остановок, при этом измеряют и уточняют местоположения источников максимального проявления информационных волн, их протяженность и характеристики пространственно-временной динамики, а по ним осуществляют идентификацию измеряемых волн, их принадлежность к водным гидрофизическим или донным геофизическим, например углеводородным или сейсмическим, кроме того, при обнаружении геофизических волн и выделении их спектральных характеристик последние сравнивают с обобщенными эталонными спектрами и выявляют принадлежность измеряемых информационных волн к конкретным типам скоплений углеводородов или идентифицируют как предвестников землетрясений. Кроме того, прозвучивание среды низкочастотными гидроакустическими сигналами осуществляют посредством низкочастотного излучающего гидроакустического преобразователя, который располагают в водной среде. Кроме того, обработка параметрически преобразованных просветных сигналов включает их усиление в полосе преобразования, перенос их частотно-временного масштаба в высокочастотную область, измерение разности фаз сигналов с приемных антенн и их последующий узкополосный спектральный анализ, выделение параметрических составляющих суммарной и разностной частоты просветных и информационных сигналов. Кроме того, инфранизкочастотную накачку грунта морского дна осуществляют инфранизкочастотным излучателем, который располагают на морском дне. Кроме того, низкочастотные волны накачки водной среды излучают в диапазоне частот десятки-сотни Герц. Кроме того, инфранизкочастотные волны накачки грунта морского дна формируют в диапазоне частот единицы-доли Герца. Кроме того, прием и измерение характеристик гидрофизических и геофизических волн проводят в режиме минимальной для носителя скорости или с заданными интервалами остановок, обеспечивающими устойчивый прием и выделение информационных сигналов.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки «дополнительно к прозвучиванию среды низкочастотными гидроакустическими сигналами осуществляют инфранизкочастотную накачку грунта морского дна» обеспечивает возможность формирования зон нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн (являющихся следствием накачки морского грунта его инфранизкочастотной обработкой по контролируемой трассе, а также сейсмическими волнами предвестников землетрясений, распространяющихся в морском грунте и выходящими в водную среду на контролируемой трассе.

Признаки, указывающие, что инфранизкочастотную накачку грунта морского дна осуществляют «вдоль направления параметрических антенн», повышают эффективность «работы» зон нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн, что способствует повышению надежности и достоверности замерных результатов.

Признаки, указывающие, что «низкочастотные и инфранизкочастотный гидроакустические сигналы излучают из центра обследуемой акватории», в совокупности с признаками, указывающими, что «приемный гидроакустический преобразователь формируют из двух вертикально разнесенных приемников, располагают на подвижном носителе, который перемещают по границе обследуемой акватории», обеспечивают возможность выявления профиля (траектории перемещения судна-носителя) наиболее перспективного для обследования траектории на выявление поисковых признаков (после завершения обхода периметра разведываемого участка акватории).

Признаки, указывающие, что «низкочастотными гидроакустическими сигналами формируют две вертикально разнесенные просветные параметрические антенны», обеспечивает возможность эффективного помехоустойчивого приема и выделения измеряемых информационных волн методом фазового приема и последующей обработки параметрически преобразованных просветных сигналов. При этом разнесение приемных преобразователей, формирующих параметрические антенны, в соответствии с корреляционными свойствами просветных сигналов в вертикальной плоскости (не более десяти длин волн просветных сигналов), обеспечивает помехоустойчивый прием просветных сигналов и последующее выделение из них признаков информационных полей (см Williams R.E., Wei C.H. The Correlation of Acoustic Wavefront and Signal Time-Base Instabilities in the Ocean, J. Acoust. Soc. Amer., 59, 1310-1316, 1976).

Признаки, указывающие, что «инфранизкочастотным излучающим преобразователем формируют накачку морского грунта по контролируемой трассе и усиливают уровень волн сейсмического фона», обеспечивают возможность прямого мобильного поиска геофизических волн, формируемых углеводородными залежами при их накачке инфранизкочастотным излучением за счет усиления процессов нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн.

Признаки, указывающие, что «при этом в процессе перемещения по периметру акватории фиксируют направления максимального проявления измеряемых информационных волн», позволяют минимизировать количество поисковых проходов по акватории за счет выявления ограниченного числа наиболее перспективных для детальной разведки профилей.

Признаки, указывающие, что по зафиксированным направлениям максимального проявления измеряемых информационных волн «приемный блок перемещают в точку расположения излучающих преобразователей», обеспечивают возможность получения измерительных сигналов на наиболее перспективном профиле.

Признаки, указывающие, что носитель с приемным блоком «в ходе поисковых работ перемещают с постоянной минимально возможной для носителя скоростью или с заданными интервалами остановок», обеспечивают надежный прием информационных волн подвижной приемной системой.

Признаки «измеряют и уточняют местоположения источников максимального проявления информационных волн, их протяженность и характеристики пространственно-временной динамики, а по ним осуществляют идентификацию измеряемых волн, их принадлежность к водным гидрофизическим или донным геофизическим, например углеводородным или сейсмическим» обеспечивают возможность идентификации измеряемых волн, их принадлежность к водным гидрофизическим или донным геофизическим, формируемым углеводородными или сейсмическими источниками, обеспечивает надежную идентификацию источников информационных волн и использование этих параметров в качестве поисковых признаков.

Признак «при обнаружении геофизических волн и выделении их спектральных характеристик последние сравнивают с обобщенными эталонными спектрами и выявляют принадлежность измеряемых информационных волн к конкретным типам скоплений углеводородов или идентифицируют как предвестников землетрясений», обеспечивает завершение операций (измерительных технологий) предлагаемого способа мобильного поиска (обнаружения) источников информационных волн на морском шельфе и их систематизацию по типам залежей.

Дополнительный отличительный признак «прозвучивание среды низкочастотными гидроакустическими сигналами осуществляют посредством низкочастотного излучающего гидроакустического преобразователя, который располагают в водной среде» обеспечивает эффективное формирование двойной параметрической антенны.

Дополнительный отличительный признак «обработка параметрически преобразованных просветных сигналов включает их усиление в полосе преобразования, перенос их частотно-временного масштаба в высокочастотную область, измерение разности фаз сигналов с приемных антенн и их последующий узкополосный спектральный анализ, выделение параметрических составляющих суммарной и разностной частоты просветных и информационных сигналов» обеспечивает надежное восстановление исходного информационного сигнала.

Дополнительный отличительный признак «инфранизкочастотную накачку грунта морского дна осуществляют инфранизкочастотным излучателем, который располагают на морском дне» обеспечивает эффективную накачку массива морского дна и повышает информационность разведочных работ».

Дополнительный отличительный признак «низкочастотные волны накачки водной среды излучают в диапазоне частот десятки-сотни Герц» обеспечивает возможность дальнего параметрического приема геофизических и гидрофизических волн на протяженных морских акваториях.

Дополнительный отличительный признак «инфранизкочастотные волны накачки грунта морского дна формируют в диапазоне частот единицы-доли Герца» обеспечивает возможность эффективного параметрического приема геофизических волн, формируемых углеводородными залежами за счет дополнительной накачки грунта инфранизкочастотными волнами, близкими к резонансным излучениям залежей или сейсмическим волнам предвестников землетрясений.

Дополнительный отличительный признак «прием и измерение характеристик гидрофизических и геофизических волн проводят в режиме минимальной для носителя скорости или с заданными интервалами остановок, обеспечивающими устойчивый прием и выделение информационных сигналов» обеспечивает надежный прием информационных волн путем исключения помех, создаваемых подвижной системой мониторинга.

Таким образом, совокупность и взаимосвязь рассмотренных отличительных признаков предлагаемого способа обеспечивает возможность получения общего технического эффекта, а именно достижение дальнего обнаружения (приема) в морской среде и измерение пространственно-временной и спектральной структуры полей гидрофизических и геофизических волн, формируемых морскими объектами и донными углеводородными залежами, а также сейсмическими возмущениями предвестников землетрясений в инфразвуковом и дробном диапазонах на протяженном морском шельфе, что реализуется прямым мобильным акустическим поиском их источников, а также за счет дополнительной накачки морского грунта и усиления его сейсмического фона, формируемого полем предвестников землетрясений.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 приведена структурная схема измерительной системы мониторинга, реализующая способ дальнего параметрического приема в морской среде и измерения характеристик геофизических и гидрофизических полей источников водной среды и морского дна. На фиг.2 представлена схема обследования акватории, измерения характеристик полей и определения местоположения сейсмических источников информационных волн. На фиг.3-5 приведены спектры и спектрограммы гидрофизических полей источников морских акваторий, которые соответствуют измерениям сигналов разности фаз горизонтально разнесенных приемных элементов. При этом фиг.3 - спектр акустических резонансных и гидродинамических полей движущегося морского судна, измеренных параметрическим способом. Частота подсветки среды - 400 Гц, протяженность обследуемой акватории - 30 км, горизонтальное разнесение приемных элементов донной антенны - 200 м. Фиг.4 - спектр электромагнитных излучений морского судна, измеренный параметрическим просветным методом, частота около 390 Гц. Протяженность обследуемой акватории - 45 км, горизонтальное разнесение приемных элементов донной антенны - 200 м. Спектр представляет результат нелинейного взаимодействия акустических и электромагнитных волн в проводящей морской среде. Фиг.5 - спектр шумоизлучения морского судна (вально-лопастного звукоряда). Представлен результат «тройного» нелинейного взаимодействия волн различной физической природы в морской среде. Наблюдаются акустические волны на частоте подсветки среды 386 Гц, электромагнитные волны на частоте 400 Гц и акустические волны вально-лопастного звукоряда морского судна. На фиг.6-8 приведены обобщенные (используемые как эталонные) спектры геофизических волн морского дна, сформированного углеводородными (далее УВ) залежами при различной степени их насыщения газом и нефтью. На фиг.6 - спектр УВ залежей (соответствует преимущественно газовым скоплениям). Фиг.7 - спектр УВ залежей (соответствует преимущественно газоконденсатным скоплениям). Фиг.8 - спектр УВ залежей (соответствует преимущественно залежам с притоком газа). Фиг.9 - записи сигналов землетрясений (амплитудно-временные характеристики). Фиг.10 - записи предвестников землетрясений, представленных в формате 3D.

Измерительные технологии закономерностей накопления энергии сейсмического фона и последующего его переизлучения УВ залежами микросейсмических волн Земли заключаются в использовании метода «прослушивания». Такой метод подобен медицинскому прослушиванию живого организма, в котором аналогичные волны формируются за счет работы сердца. В УВ залежах, как протяженных полостях, такие волны формируются за счет наличия в окружающей земной среде микросейсмических и других аналогичных колебаний. При этом в зависимости от пространственных размеров и плотности залежей, как морских ракушек, происходит близкое к резонансному формирование и переизлучение волн в диапазоне частот доли-единицы-десятки Герц. В отдельных случаях переизлучение охватывает диапазон частот до 200 Гц. Излучения залежей, как показывает практика, прослушиваются и регистрируются на поверхности земли с использованием специальных ловушек (антенных полусфер), затем измерения подвергаются дальнейшей обработке и анализу. В этом случае поверхность земли работает как рупор, усиливающий шумовые сигналы. Но, как показывает практика, не все, что эффективно шумит, является нефтяной залежью, в этом случае необходима специальная идентификация принимаемых шумов, сущность которой используется в заявляемом изобретении. Закономерности формирования и практического использования микросейсмических излучений Земли интенсивно исследуются и широко используются в практике поиска УВ залежей в морских условиях (например, см. Биряльцев Е.В., Рыжов В.А., Шабалин Н.Я. // Прием и обработка информации в сложных системах. - Казань: Изд. Казанский Университет. 2005. - Вып.22. - С.113-120).

Теоретическое обоснование закономерностей нелинейной акустики и их реализации в предлагаемом параметрическом способе поиска и измерения характеристик геофизических и гидрофизических волн в проводящей морской среде заключается в следующем. Известно, что характеристики гидрофизических полей морской среды различной физической природы, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на ее параметры (см. Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия вузов». - Электромеханика, №4, 1995). Это связано с тем, что влияние гидрофизических полей осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости среды. По своей физической сущности заявляемый способ предусматривает изменение плотности и (или) температуры контролируемой водной среды, распределение этих величин в протяженной рабочей зоне параметрического приема (взаимодействия волн различной физической природы), которое является следствием воздействия на морскую среду измеряемыми информационными полями, формируемыми комплексом информационных сигналов, распространяющихся в обследуемой акватории. Очевидно, что и все инфранизкочастотные волны, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями (например, землетрясениями или цунами), будут надежно зарегистрированы.

Качественная и количественная характеристики процесса взаимодействия упругих (акустических) и электромагнитных волн в проводящих средах заключаются в следующем. При излучении электромагнитной волны в морскую электропроводящую среду происходит ее поглощение и затухание. Одновременно значительно уменьшается ее длина. В зависимости от проводимости морской среды расстояние, на котором затухает электромагнитная волна инфранизких частот (от единиц Гц до сотен Гц), может составлять от 10-20 метров до 100-200 метров. При этом «длина» затухающей электромагнитной волны может составлять от 0,1-0,2 до 10-20 метров.

Математически процесс распространения электромагнитной волны описывается известным уравнением диффузии, которое выводится на основе теории взаимодействия электромагнитной волны в проводящей жидкости, приблизительно описывающей морскую среду. Теоретическая основа рассматриваемой закономерности заключается в том, что электрические токи, генерируемые электромагнитной волной, переходят в джоулево тепло. Диссипативные потери на ток проводимости в морской среде преобразовываются в тепловые потери, которые в свою очередь изменяют механические характеристики проводящей жидкости (плотность, температуру, теплоемкость и т.д.). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной среде акустической волны накачки ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения. Спектр упругой (акустической) волны накачки за счет нелинейного преобразования изменяется, в нем формируются высокочастотные и низкочастотные параметрические составляющие. Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с ней в точку приема и затем выделяется в тракте обработки сигналов. Процесс формирования параметрического приема волн просветной гидроакустической линией можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве.

Для вычисления скорости распространения упругой (акустической) волны можно применить известную формулу

$${\text{C}}_{\left(\text{t}\right)}=\sqrt{{\text{1/P}}_{\text{o}}{\text{β}}_{\text{s}\left(\text{t}\right)}}$$ ,

где $${\text{β}}_{\text{s}}=-\text{1/υ}{\left(\raisebox{1ex}{$\partial \text{υ}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\partial \text{P}$}\right.\right)}_{\text{s}}$$ - коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости; υ - удельный объем.

Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью β_S=Gυ/G_pβ_t можно получить следующее выражение для фазовой скорости

$${\text{C}}_{\left(\text{t}\right)}=\sqrt{\left({\text{C}}_{\text{p}}{\text{/C}}_{\text{υ}}\right){\left(\partial \text{P/}\partial \text{ρ}\right)}_{\text{t}}}$$

Очевидно, что качественно любые изменения плотности ρ, давления Р при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой через морскую среду, проводящую электрический ток. То есть в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, в последних уравнениях фазовая скорость упругой волны изменяется во времени и пространстве по закону изменения электромагнитной волны. Таким образом, если в рабочей зоне просветной параметрической системы распространяется электромагнитная волна гармонической частоты Ω_эм, то фазовая скорость упругой (просветной акустической) волны C_(t) также будет меняться с той же частотой Ω_зв=Ω_эм. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели реализации способа.

Теоретическими и морскими экспериментальными исследованиями обоснованы закономерность и эффективность так называемого тройного взаимодействия акустических просветных волн с акустическими и электромагнитными полями источников морской среды. Показано, что морские источники, например сейсмические возмущения морского дна, могут быть обнаружены по признакам преобразования их упругими и электромагнитными полями распространяющихся в среде просветных акустических волн. Аналитический вид такого преобразования представляется в следующем виде (см. Шостак С.В., Мироненко М.В., Сургаев И.Н. Амплитудно-фазовая модуляция просветных акустических волн при их взаимодействии с электромагнитными в морской среде // Сб. статей. - Владивосток. ТОВМИ. Вып.22, 2001, с.82-88):

$$\begin{array}{l}{\text{P}}^{\text{*}}\left(\text{t}\right)={\text{0,5P}}^{\text{2}}\{{\text{J}}_{\text{0}}\left({\text{m}}_{\text{p}}\right)\text{cos}{\text{2ω}}_{\text{1}}\text{t}+{\text{J}}_{\text{1}}\left({\text{m}}_{\text{p}}\right)\left[\text{cos}\left({\text{2ω}}_{\text{1}}-\text{Ω}\right)\text{t}-\text{cos}\left({\text{2ω}}_{\text{1}}+\text{Ω}\right)\text{t}\right]+\\ +{\text{J}}_{\text{2}}\left(\frac{\text{2A}}{\text{P}}\right)\left[\text{cos}\left({\text{2ω}}_{\text{1}}-\text{2Ω}\right)\text{t}+\text{cos}\left({\text{2ω}}_{\text{1}}+\text{2Ω}\right)\text{t}\right]+{\text{J}}_{\text{3}}\left(\frac{\text{2A}}{\text{P}}\right)[\text{cos}\left({\text{2ω}}_{\text{1}}-\text{3Ω}\right)\text{t}-\\ -\text{cos}\left({\text{2ω}}_{\text{1}}+\text{3Ω}\right)\text{t}]+\dots \}\end{array}$$ ,

где Р^*(t), P(t) - результирующее (промодулированное) и мгновенное значения просветной акустической волны; ω₁, ω₂ - круговая частота акустической просветной и электромагнитной объектных волн; Ω - низкочастотная акустическая волна от объекта; φ - начальная фаза просветной волны; t - текущее время; J_n - функции Бесселя n-го порядка; A₀, A_m - амплитуды исходной и промодулированных волн; m - коэффициент модуляции. Анализ этого выражения показывает, что спектр колебаний взаимодействующих волн состоит из бесконечного числа составляющих, расположенных симметрично относительно удвоенной центральной частоты 2ω (равной ω₁+ω₂), значения частот которых отличаются от 2ω на n·Ω, где n - любое целое число. Амплитуды n-х боковых составляющих будут определяться выражением

J_n(2A_m/P)·0,5P².

Из него следует, что вклад различных боковых составляющих в суммарную мощность модулированного колебания определяется величиной 2A_m/Р. Причем при малых значениях коэффициента модуляции m_p спектр колебания состоит приближенно из гармоник центральной частоты 2ω (суммарной) и двух боковых частот: верхней (2ω+Ω) и нижней (2ω-Ω).

На чертежах показаны тракт формирования сигналов накачки 1, подводный излучатель 2 просветных сигналов накачки водной среды, подводный излучатель 3 сигналов накачки морского грунта, источник гидрофизических волн 4, приемные блоки 5 и 6, генератор стабилизированной частоты 7, тиристорный инвертор 8, блок согласования 9 его выхода с подводными кабелями, генератор стабилизированной частоты 10, тиристорный инвертор 11, блок согласования 12 его выхода с подводными кабелями, тракт 13 приема, выделения и регистрации информационных волн, двухканальный широкополосный усилитель 14, блок измерения разности фаз 15, преобразователь временного масштаба параметрически преобразованных просветных волн в высокочастотную область 16, узкополосный анализатор спектров 17, рекордер 18 (или иной носитель информации), источник 19 геофизических волн - например, УВ залежь, параметрические антенны 20, зона «тройного» нелинейного взаимодействия волн 21, морское дно 22, морская поверхность 23, дополнительное инфранизкочастотное излучение (накачка) 24 морского дна 22, сейсмические волны предвестников землетрясений 25, акватория 26, судно-носитель 27.

Структурная схема параметрической системы измерения характеристик гидрофизических и геофизических полей на протяженных морских акваториях, реализующая предлагаемый способ, показана на фиг.1. Система включает тракт формирования сигналов низкочастотной и инфранизкочастотной накачки водной среды и морского грунта 1, соединенный с подводными излучателями просветных сигналов накачки 2 и сигналов инфранизкочастотной накачки морского грунта 3. Измерительная система мониторинга полей среды включает также тракт приема, выделения и регистрации информационных волн 13, входы которого соединены с приемными блоками 5 и 6, вертикально разнесенных параметрических антенн 20.

Тракт формирования и усиления сигналов подсветки среды и накачки морского грунта 1 представляет двухканальную электронную схему, содержащую последовательно соединенные: генераторы стабилизированной частоты 7 и 10; тиристорные инверторы 8 и 11; блоки согласования 9 и 12 их выходов с подводными кабелями и далее с излучающими блоками 2 и 3 (см. фиг.1).

Приемный тракт измерительной системы 13 (фиг.1) представляет собой электронную систему, включающую последовательно соединенные двухканальный широкополосный усилитель 14, входы которого посредством подводных кабелей соединены с приемными блоками вертикальных параметрических антенн 5 и 6, а выходы с блоком измерения разности фаз 15, выход которого соединен с преобразователем временного масштаба параметрически преобразованных просветных волн в высокочастотную область 16, далее с узкополосным анализатором спектров 17, выход которого соединен с рекордером или иным носителем выделяемых спектров информационных волн 18. Кроме того, на чертежах (фиг.1) показаны источник формирования гидрофизических волн 4, рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн (низкочастотные просветные параметрические антенны) 20, источник формирования геофизических волн залежей УВ морского дна 19, морская поверхность 23, а также зона «тройного» нелинейного взаимодействия волн 21 (низкочастотных просветных, акустических или гидродинамических и электромагнитных геофизических, принимаемых за счет дополнительной инфранизкочастотной накачки морского дна), а также волн, сформированных углеводородными скоплениями 19.

Заявленный способ реализуется следующим образом. Излучатели подсветки среды и накачки морского грунта 2 и 3, а также приемные блоки 5 и 6 размещают (заглубляют и устанавливают) по отношению к источникам информационных волн обследуемой акватории так, чтобы наиболее эффективно формировались и использовались области их нелинейного взаимодействия. Процесс обнаружения информационных волн начинается с постоянного минимально возможного для носителя перемещения сформированных просветных параметрических антенн по площади обследуемой акватории ("циркуляции" относительно местоположения излучающих блоков). При обнаружении признаков информационных волн носитель приемных блоков перемещают в сторону сближения, а затем на удаление от излучающих преобразователей (от центра акватории) и уточняют места расположения и протяженность источников информационных волн. В обнаруженных местах определяют их координаты. Путем отклонения судна-носителя приемников от прямолинейного курса перемещают их от первоначально пройденной линии (например, перемещают по змейке) и определяют ширину залежи УВ. При этом производят наблюдения и измерения пространственно-временных характеристик и динамики волн. Далее судно - носитель приемных блоков возвращается в исходную точку периметра обследуемой акватории, из которой процесс обнаружения и поиска источников информационных волн продолжается (повторяется) по всему периметру.

Закономерность измерения гидрофизических и геофизических волн просветным параметрическим способом в поисковой системе реализуется следующим образом. Воздействие источников информационных волн 4, 19, 25 приводит к изменению механистических характеристик морской среды (плотности и температуры, которые модулируют просветные сигналы подсветки среды). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде акустической волны накачки ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости по трассе распространения. Возникающие в результате нелинейного взаимодействия волн гармоники проявляются как модуляционные составляющие амплитуды и фазы низкочастотных волн накачки. Являясь неразрывно связанной компонентой низкочастотной просветной волны, они переносятся на большие расстояния и затем выделяются (обнаруживаются) в блоках обработки приемного тракта системы мониторинга полей и поиска их источников.

Усиление нелинейного взаимодействия геофизических волн источников морского дна, а также эффективности дальнего приема и последующей идентификации измеряемых геофизических и гидрофизических волн и определения их местоположения обеспечивается за счет дополнительного облучения грунта морского дна инфранизкочастотными сигналами, что обеспечивает суммарное нелинейное взаимодействие волн (просветных в направлении трассы с дополнительными, распространяющимися из морского дна, а также информационными) распространяющимися в морской среде.

Повышенный эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн достигается за счет использования соизмеримой с протяженностью среды пространственной рабочей зоны (протяженного объема) взаимодействия волн, а также дополнительного облучения морского дна. Применение в тракте приема и обработки операций преобразования (переноса) частотно-временного масштаба волн накачки в высокочастотную область обеспечивает эффективное выделение волн инфранизкочастотного и дробного диапазонов частот существующими методами и средствами узкополосного спектрального анализа и их последующей регистрации на носителях.

На фиг.1-8 приведены конкретные результаты реализации заявленного способа (результаты наблюдений и измерений шумоизлучения УВ залежей), полученные в условиях реальных акваторий, которые могут использоваться как признаки проявления (присутствия) подводных месторождений углеводородов.

Газовая залежь (фиг.6) характеризуется следующими признаками. На спектрограмме наблюдаются сплошные и дискретные шумы с уровнями их превышений над фоном 10% и 45% соответственно. Дискретный ряд представляет собой несимметричный колокол, состоящий из трех двойных и двух (более широких) одиночных составляющих, расположенных в интервале частот около 3,4-4,2 Гц, а его максимума на частоте около 3,8 Гц.

Газоконденсатная залежь (фиг.7). В интервале частот около 1,8-4,8 Гц приведенная к фону спектральная мощность собственных шумоизлучений залежи УВ примерно на 5% превышает фон. При этом в диапазоне частот от 2,0 до 3,4 Гц над сплошным шумом регистрируется «лежащая на спине буква Е», у которой две широкие (по 0,2 Гц) дискретные составляющие в пределах 25% превышающие сплошной шум и на 30% превышающие фон. Центральная линия как двойная дискретная составляющая примерно на 15% превышает сплошной шум и на 20% превышает фон. В диапазоне частот от 3,5 Гц до 5 Гц регистрируются «изрезанный меандр» (серия из трех разрезанных прямоугольников), в которых уровень «меандра» превышают сплошной шум примерно на 15% и на 20% - фон.

Залежь с притоком газа (фиг.8). В диапазоне частот от 1,0 Гц до 7,0 Гц приведенная к фону спектральная мощность собственных шумоизлучений залежи УВ примерно на 10-20% превышает фоновый уровень. При этом в диапазоне частот от 2.0 до 5,5 Гц регистрируется равносторонний «треугольник» с вершиной (максимумом спектральной плотности) на частоте около 4,0 Гц, который превышает уровень фона примерно на 40%.

Таким образом, техническими решениями заявляемого способа дальнего параметрического приема и измерения характеристик геофизических и гидрофизических волн низкочастотного, инфранизкочастотного и дробного диапазонов реализованы практические пути построения и эксплуатации широкомасштабной гидроакустической системы комплексного мониторинга гидрофизических и геофизических полей в инфранизкочастотном и дробном диапазонах, формируемых источниками водной среды и морского дна. Протяженность рассматриваемой системы (большой масштаб дальности параметрического приема волн) обеспечивается прозвучиванием (накачкой) среды слабозатухающими низкочастотными акустическими сигналами в диапазоне десятки-сотни Герц. Обеспечение в заявляемом способе дальнего обнаружения и определения местоположения источников геофизических и гидрофизических волн, формируемых УВ залежами, а также предвестниками землетрясений достигается за счет измерительных технологий просветной гидролокации и реализации в ней закономерностей нелинейного взаимодействия волн различной физической природы, что обосновано теоретически и подтверждено морскими экспериментами.

Обнаружение и идентификация геофизических волн, а также их принадлежность к характерным углеводородным залежам производятся на основе обобщенных спектральных характеристик и их пространственно-временной динамики, которые получают в местах действующих нефтедобывающих скважин.

Способ параметрического приема гидрофизических и геофизических волн в морской среде отличается тем, что дополнительно к прозвучиванию среды низкочастотными гидроакустическими сигналами осуществляют инфранизкочастотную накачку грунта морского дна вдоль направления параметрических антенн, которые излучают из центра обследуемой акватории, кроме того, приемный гидроакустический преобразователь формируют из двух вертикально разнесенных приемников, располагают на подвижном носителе, который перемещают по границе обследуемой акватории, при этом низкочастотными гидроакустическими сигналами формируют две вертикально разнесенные просветные параметрические антенны, при этом в процессе перемещения по периметру акватории фиксируют направления максимального проявления измеряемых информационных волн, далее, по этим направлениям приемный блок перемещают в точку расположения излучающих преобразователей с постоянной минимально возможной для носителя скоростью или с заданными интервалами остановок, при этом измеряют и уточняют местоположения источников максимального проявления информационных волн, их протяженность и характеристики пространственно-временной динамики, а по ним осуществляют идентификацию измеряемых волн, их принадлежность к водным гидрофизическим или донным геофизическим, например углеводородным или сейсмическим, кроме того, при обнаружении геофизических волн и выделении их спектральных характеристик последние сравнивают с обобщенными эталонными спектрами и выявляют принадлежность измеряемых информационных волн к конкретным типам скоплений углеводородов или идентифицируют как предвестников землетрясений. Изобретение обеспечивает снижение затрат времени и средств на обследование акватории с поисковыми целями на залежи УВ и возможность фиксации сейсмических возмущений среды предвестников землетрясений. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ параметрического приема гидрофизических и геофизических волн в морской среде, включающий прозвучивание среды низкочастотными гидроакустическими сигналами с формированием в ней двух пространственно разнесенных в точке приема просветных параметрических антенн как зон нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн, последующий двухканальный прием параметрически преобразованных просветных сигналов и их обработку с восстановлением по ним исходных характеристик измеряемых информационных волн, отличающийся тем, что дополнительно к прозвучиванию среды низкочастотными гидроакустическими сигналами осуществляют инфранизкочастотную накачку грунта морского дна вдоль направления параметрических антенн, при этом низкочастотные и инфранизкочастотный гидроакустические сигналы излучают из центра обследуемой акватории, кроме того, приемный гидроакустический преобразователь формируют из двух вертикально разнесенных приемников, располагают на подвижном носителе, который перемещают по границе обследуемой акватории, при этом низкочастотными гидроакустическими сигналами формируют две вертикально разнесенные просветные параметрические антенны, а инфранизкочастотным излучающим преобразователем формируют накачку морского грунта по контролируемой трассе и усиливают уровень волн сейсмического фона, при этом в процессе перемещения по периметру акватории фиксируют направления максимального проявления измеряемых информационных волн, далее, по этим направлениям приемный блок перемещают в точку расположения излучающих преобразователей, причем приемный блок в ходе поисковых работ перемещают с постоянной минимально возможной для носителя скоростью или с заданными интервалами остановок, при этом измеряют и уточняют местоположения источников максимального проявления информационных волн, их протяженность и характеристики пространственно-временной динамики, а по ним осуществляют идентификацию измеряемых волн, их принадлежность к водным гидрофизическим или донным геофизическим, например углеводородным или сейсмическим, кроме того, при обнаружении геофизических волн и выделении их спектральных характеристик, последние сравнивают с обобщенными эталонными спектрами и выявляют принадлежность измеряемых информационных волн к конкретным типам скоплений углеводородов или идентифицируют как предвестников землетрясений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прозвучивание среды низкочастотными гидроакустическими сигналами осуществляют посредством низкочастотного излучающего гидроакустического преобразователя, который располагают в водной среде.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработка параметрически преобразованных просветных сигналов включает их усиление в полосе преобразования, перенос их частотно-временного масштаба в высокочастотную область, измерение разности фаз сигналов с приемных антенн и их последующий узкополосный спектральный анализ, выделение параметрических составляющих суммарной и разностной частоты просветных и информационных сигналов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что инфранизкочастотную накачку грунта морского дна осуществляют инфранизкочастотным излучателем, который располагают на морском дне.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что низкочастотные волны накачки водной среды излучают в диапазоне частот десятки-сотни Герц.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что инфранизкочастотные волны накачки грунта морского дна формируют в диапазоне частот единицы-доли Герца.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что прием и измерение характеристик гидрофизических и геофизических волн проводят в режиме минимальной для носителя скорости или с заданными интервалами остановок, обеспечивающими устойчивый прием и выделение информационных сигналов.