РАДИОГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МОБИЛЬНОГО ПОИСКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ И ДОННЫХ ОБЪЕКТОВ, ОБНАРУЖЕНИЯ ПРИЗНАКОВ ЗАРОЖДЕНИЯ ОПАСНЫХ МОРСКИХ ЯВЛЕНИЙ НА МОРСКОМ ШЕЛЬФЕ Российский патент 2016 года по МПК G10K11/00 

Изобретение относится к гидроакустическим методам и реализующим их системам поиска углеводородных залежей, а также донных объектов различного назначения и физической природы, дальнего (упреждающего) обнаружения признаков зарождения опасных морских явлений на акваториях морского шельфа. Оно может быть использовано также при разработке и эксплуатации просветных гидроакустических систем дальнего параметрического приема и комплексного мониторинга характеристик полей различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических), формируемых искусственными и естественными источниками, опасными явлениями водной среды и морского дна в звуковом, инфразвуковом и дробном диапазонах частот. Предлагаемая система может быть эффективно реализована при поиске затонувших и находящихся в осадках морского дна устройств и объектов (например, затонувших морских судов, поврежденных газопроводов или кабелей связи), а также объектов, излучающих акустические и электромагнитные сигналы (например, подводных станций, аппаратов или «черных ящиков»).

Проблема дальнего (упреждающего) обнаружения признаков зарождения опасных морских явлений (сильных землетрясений, волн цунами) является всегда актуальной и требует разработки принципиально новых способов и реализующих их измерительных средств, например, средств, основанных на технологиях нелинейной просветной гидроакустики, что будет реализовано в предлагаемом изобретении. Научно-техническая проблема эффективного мобильного поиска на дне морского шельфа активных и пассивных объектов (например, поиска затонувших морских судов, заиленных газопроводов и морских кабелей связи) также актуальна и трудно разрешима, но может быть решена на основе измерительных технологий нелинейной просветной гидроакустики, что также реализуется в предлагаемом изобретении. Решение задачи мобильного поиска залежей углеводородов на морском шельфе может быть эффективно решено одновременно с двумя вышеуказанными, но в отличие от них она реализуется на основе измерительных технологий нелинейной просветной (низкочастотной) и высокочастотной реверберационной гидроакустики, что является предметом разработки и технического решения предлагаемого изобретения (см. Мироненко М.В., Василенко A.M., Бахарев С.А., Стародубцев П.А., Пятакович В.А. Нелинейная просветная гидроакустика в системах мониторинга гидрофизических и геофизических полей морских акваторий. Владивосток. МО РФ ВУНЦ ВМА им. Н.Г. КУЗНЕЦОВА. - 2013, 324 с.).

В настоящее время проблема эффективного мобильного поиска залежей месторождений углеводородов 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 примерно на 20-30 лет. В то же время считается, что залежи нефти под морским дном обладают чрезвычайно большими, еще не разведанными мощностями. Это подтверждается растущей долей нефти, добываемой на морском шельфе, составляющей в общем объеме мировой добычи (приблизительно 1/3 в данное время). В настоящее время на шельфе Мирового океана (в основном за рубежом) открыто более чем 1700 месторождений нефти, запасы которых оцениваются в 55 млрд. тонн. Россия также обладает большими потенциальными запасами нефти на шельфе северных морей, разработки которых тесно связаны с точностью геохимической разведки их месторождений. От качества и эффективности поиска залежей нефти на морском шельфе во многом зависит общая экономическая эффективность ее добычи, так как сегодня стоимость бурения только одной пробной скважины на морском дне составляет 1-5 млрд. рублей. В этой связи вопрос разработки мобильного и высокоточного метода обнаружения залежей нефти на морском шельфе становится все более актуальным, что является предметом разработки предлагаемого изобретения. Не менее актуальной является задача поиска затонувших кораблей, самолетов, а также мест повреждения нефтепроводов и кабелей связи на морском дне. Решение совокупности этих задач может быть обеспечено, как будет показано в описании, на основе совместной реализации научно-технических разработок низкочастотной (просветной) и высокочастотной (реверберационной) нелинейной гидроакустики, что является предметом разработок предлагаемого изобретения. (См. М.В. Мироненко, A.M. Василенко и др. // Нелинейная гидроакустика в системах мониторинга гидрофизических и геофизических полей морских акваторий. Владивосток. МО РФ ВМА им. Н.Г. Кузнецова. 2013, 324 с.).

Рассмотрим известные аналоги предлагаемого технического решения.

Известна сейсмоакустическая система поиска углеводородов, на поверхности Земли включающая в себя взаимосвязанные, как минимум два приемника сейсмических волн, а также блоки обработки и пространственно-временного контроля характеристик измеряемых сейсмических волн, формируемых углеводородными залежами, как неоднородными полостями земной коры. При этом в качестве приемных антенн использованы пространственно-разнесенные по обследуемой площади на 50-1000 м объемные полусферы, которые соединены с трактами обработки сигналов, содержащими блоки выделения информационных волн на фоне техногенных и других помех земной коры и воздушной среды. Тракт обработки сигналов рассматриваемой поисковой системы включает: блоки исключения искаженных участков сигналов и их последующего обобщения; блоки спектрального анализа сигналов и вычисления дисперсий их уровня, а также их амплитудно-временного представления; блоки последующего определения временных участков проявления максимальных уровней дискретных составляющих, по которым затем судят о наличии УВ залежей и глубине их залегания (см. МПК G01V1/00 RU 2836984 от 07.05.2010).

Известна также система поиска месторождений углеводородов на морском шельфе, реализующая «Способ вибросейсмической разведки при поиске нефтегазовых месторождений», включающая установленные на дне моря по выбранному на основе данных сейсморазведки профилю одной или нескольких гидроакустических станций (ГДАС), снабженных трехканальными сейсмическими датчиками, которые в течение нескольких часов как до, так и после использования внешнего возбуждения морского дна с помощью дополнительного излучения сейсмических колебаний, а также применения излучений естественного микросейсмического фона Земли - вне и внутри контура углеводородной залежи в инфразвуковом диапазоне (ИЗД) частот. Для этого система включает блоки первичной обработки измеренной и зарегистрированной на носителях микросейсмической информации (уровней и формы спектров сигналов, формируемых залежью и окружающим сейсмическим шумом). Это выполняется после подъема на поверхность моря ГДАС, по которым рассчитывают комбинации информативных параметров (площади под кривой взаимного спектра одноименных компонент при записи сейсмического фона после возбуждения среды сейсмическими колебаниями по сравнению с записью до возбуждения). Рассматриваемая поисковая система включает также блоки вторичной обработки измеряемой информации и установления по ним наличия залежи углеводородов на площади разведки, а также определения ее типа: нефтяная, газовая. (См. способ вибросейсмической разведки при поиске нефтегазовых месторождений. Патент РФ №2045079, 1992 г.).

Недостатком данной системы является низкая эффективность поиска источников гидрофизических и геофизических волн, обусловленная ограниченными возможностями автономных донных гидроакустических станций, а также техническими трудностями их практического использования в морских условиях. Существенным недостатком этого технического решения является невозможность его реализации в мобильных поисковых системах обнаружения и точного измерения и последующей идентификации гидрофизических и геофизических волн, что особенно проявляется при обследовании протяженных морских акваторий. В рассматриваемом аналоге невозможна реализация всех других технологий и преимуществ, которые реализуются в предлагаемом изобретении, а именно мобильности поиска залежей углеводородов и донных объектов, а также точности определения их места или границ залежи на морском дне. Рассматриваемая система не предусмотрена для решения задачи дальнего обнаружения признаков зарождения опасных морских явлений, например сильных землетрясений и волн цунами. Совокупность перечисленных недостатков может быть решена на основе совместной реализации в поисковых системах закономерностей нелинейной низкочастотной и высокочастотной реверберационной гидроакустики, научно-технические разработки и измерительные технологии которых являются основой технического решения предлагаемого изобретения.

Закономерности нелинейной гидроакустики, которые используются в мобильной поисковой системе, обеспечивающей параметрический прием информационных волн в морской среде, основаны на нелинейном взаимодействии и параметрическом преобразовании акустических волн накачки среды и измеряемых информационных (см. Б.К. Новиков, О.В. Руденко, В.И. Тимошенко. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1981, с. 7-12). Дальнейшие разработки нелинейной гидроакустики, низкочастотной (просветной) и высокочастотной изложены в следующей монографии, посвященной ее дальнейшим разработкам. (См. Мироненко М.В., Василенко A.M., Бахарев С.А. и др. Нелинейная гидроакустика в системах мониторинга гидрофизических и геофизических полей морских акваторий. Владивосток, ВУНЦ ВМА ВМФ, 2013, 324 с.).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Система поиска месторождений углеводородов» (Пат. RU №2503977 G1 от 18.07.2012). Система поиска месторождений углеводородов на морском шельфе включает в себя разнесенные на противоположные границы обследуемой акватории излучающий и приемный акустические преобразователи, выполненные с возможностью озвучивания контролируемой среды просветными акустическими сигналами накачки среды, формирования между ними зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки и измеряемых информационных (просветной параметрической антенны), соединенные с ними соответственно тракт формирования и усиления излучаемых сигналов накачки среды, а также тракт приема усиления, обработки, выделения и регистрации информационных сигналов, а также соединенные с ними излучающий и приемный акустические преобразователи, при этом излучающий преобразователь размещен на подвижном носителе и содержит низкочастотный и высокочастотный излучатели, первый из которых выполнен с возможностью горизонтального ориентирования его диаграммы направленности в сторону приемного преобразователя, а высокочастотный излучатель выполнен с возможностью ориентирования его диаграммы направленности в сторону морского дна, при этом тракт формирования и усиления излучаемых просветных сигналов накачки среды сформирован как двухканальный, содержащий низкочастотный и высокочастотный каналы, каждый из которых включает последовательно соединенные генератор стабилизированной частоты, усилитель мощности, блоки согласования выходов усилителей мощности с подводными кабелями, которые подключены к соответствующим излучающим преобразователям, при этом приемный преобразователь включает два горизонтально разнесенных приемных блока, каждый из которых соединен с расположенными на поверхности моря радиомодулями. Далее они связаны по радиоканалу с приемным трактом системы, который включает последовательно соединенные: двухканальный радиоблок, широкополосный двухканальный усилитель, блок измерения разности их фаз, преобразователь частотно-временного масштаба сигналов в высокочастотную область, блок узкополосного спектрального анализа и функционально связанный с ним регистратор выделяемых спектров, при этом поисковая система содержит средства определения местоположения излучающего преобразователя и блоков приемного преобразователя в режиме реального времени, она включает в себя также блок радиосвязи с центральным постом, выполненный с возможностью дистанционного управления (подстройки) ее работой.

Рассматриваемое техническое решение является наиболее близким к заявляемому изобретению, выбрано в качестве прототипа, но имеет следующие недостатки.

Недостатками системы-прототипа являются низкая чувствительность параметрического приема информационных волн различной физической природы и точность определения границы залежи углеводородов на дне морского шельфа, а также низкая вероятность идентификации измеряемых информационных волн, излучаемых углеводородами, морскими объектами, источниками сейсмических волн, формируемых предвестниками землетрясений в условиях помех от техногенных источников на обследуемой акватории. Невозможна также реализация всех других технологий и преимуществ предлагаемого изобретения, например, надежности поиска донных объектов различной физической природы и назначения, точности определения их места на морском дне.

Указанные недостатки могут быть устранены за счет включения в поисковую систему блоков, обеспечивающих дополнительное излучение в направлении морского дна высокочастотных электромагнитных сигналов накачки среды, а также информационно-аналитического комплекса, обеспечивающего анализ и идентификацию измеряемых информационных волн, излучаемых углеводородными залежами, морскими и донными объектами на фоне техногенных помех на обследуемой акватории. Обоснование технологий снижения влияния или полного устранения указанных недостатков рассматривается в описании изобретения.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении эффективного мобильного поиска залежей углеводородов, а также донных объектов различного назначения и физической природы с повышенной точностью определения их места на морском шельфе, в надежной идентификации измеряемых информационных волн в условиях техногенных помех, в обеспечении дальнего (упреждающего) параметрического приема гидрофизических и геофизических волн, формируемых зарождающимися землетрясениями, цунами и другими опасными явлениями.

Для решения поставленной задачи радиогидроакустическая система мобильного поиска месторождений углеводородов и донных объектов, обнаружения признаков зарождения опасных морских явлений на морском шельфе включает в себя размещенные в контролируемой среде излучающий и приемный акустические преобразователи, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования измеряемых информационных волн и волн накачки среды, как просветной параметрической антенны, соединенные с ними, соответственно, тракт формирования, усиления и излучения просветных сигналов накачки среды, а также тракт приема, усиления, обработки и регистрации выделяемых при обработке информационных сигналов, при этом протяженность рабочей зоны измерительной параметрической системы соответствует протяженности обследуемой акватории, для чего приемный и излучающий акустический преобразователи разнесены на ее противоположные границы, при этом излучающий преобразователь размещен на подвижном носителе и содержит низкочастотный и высокочастотный акустические преобразователи, первый из которых выполнен с возможностью ориентирования его диаграммы направленности в сторону приемного преобразователя, а высокочастотный излучатель выполнен с возможностью ориентирования его диаграммы направленности в сторону морского дна, при этом тракт формирования, усиления и излучения просветных сигналов накачки среды сформирован как двухканальный, содержащий блоки низкочастотного и высокочастотного каналов, каждый из которых включает последовательно соединенные генератор стабилизированной частоты, усилитель мощности согласования выходов усилителей мощности с подводными кабелями, которые подключены к соответствующим излучающим преобразователям, при этом приемный преобразователь включает два горизонтально разнесенных приемных преобразователя, каждый из которых соединен с расположенными на поверхности моря радиомодулями, которые по радиоканалу связаны с приемным трактом системы, содержащим последовательно соединенные двухканальный приемный радиомодуль, выходы которого связаны с соответствующим каналом приемного тракта системы, содержащим последовательно соединенные блоки - двухканальный широкополосный усилитель принимаемых просветных сигналов, блок измерения разности их фаз, преобразователь временного масштаба сигналов в высокочастотную область, блок узкополосного спектрального анализа и функционально связанный с ним регистратор спектров выделяемых информационных сигналов, при этом система содержит средства определения местоположения излучающего и приемных блоков в поисковом режиме работы и управление ее работой в поисковом режиме, отличается тем, что в тракт формирования и излучения высокочастотных сигналов накачки в вертикальной плоскости среды, дополнительно к известным акустическим блокам, включены блоки формирования и излучения электромагнитных волн, а именно блок переключения формируемых сигналов накачки среды, соединенный с блоком согласования для акустических сигналов накачки, а также с блоком согласования для акустических и электромагнитных сигналов накачки и далее, посредством подводных кабелей с блоками излучения формируемых сигналов накачки, при этом в поисковую систему включен также блок информационно-аналитического комплекса (ИАК), содержащий связанные с его входом и выходом, двухсторонней связью, соответственно, приемный и передающий радиоблоки, при этом вход приемного радиоблока связан с выходом приемного тракта системы через его передающий радиоблок, а выход передающего радиоблока ИАК связан с трактом формирования и усиления сигналов накачки через его приемный радиоблок.

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

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки, указывающие на то, что «в тракт формирования и излучения высокочастотных сигналов накачки в вертикальной плоскости среды дополнительно включен блок переключения сигналов, соединенный с блоком согласования для акустических сигналов, а также с блоком согласования для акустических и электромагнитных сигналов и далее, посредством подводных кабелей соединен с блоками излучения сформированных высокочастотных сигналов накачки среды», обеспечивает дополнительное излучение в направлении морского дна высокочастотных электромагнитных сигналов накачки среды, которые обеспечивают достижение положительных результатов изобретения - повышение чувствительности и точности измерения информационных волн, формируемых объектами морского дна и среды.

Признаки, указывающие на то, что «в поисковую систему включен ИАК, содержащий последовательно связанные с его входом и выходом двухсторонней связью, соответственно, приемный и передающий радиоблоки, при этом вход приемного радиоблока связан с выходом приемного тракта системы мониторинга через его передающий радиоблок, а выход передающего радиоблока связан с трактом формирования и усиления сигналов накачки среды через его приемный радиоблок», что реализует применение в поисковой системе информационно-аналитических технологий, обеспечивающих надежную идентификацию измеряемых информационных волн, излучаемых углеводородными залежами, землетрясениями, морскими и донными объектами различного назначения в условиях техногенных помех обследуемой акватории. Включение в поисковую систему ИАК обеспечивает также возможность оперативного управления (подстройку) ее работой в соответствии с характеристиками измеряемой информации и изменениями гидрологических условий морской среды.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении мобильного поиска залежей углеводородов, морских и донных объектов, дальнего параметрического приема гидрофизических и геофизических волн, как признаков зарождения опасных морских явлений, определения места объектов и границ залежи углеводородов на морском шельфе с повышенной точностью, надежной идентификацией измеряемых информационных волн, формируемых морскими и донными объектами в условиях техногенных помех на обследуемой акватории. Включение в поисковую систему ИАК обеспечивает также возможность оперативного управления (подстройку) ее работой в соответствии с измеряемой информацией и возможными изменениями гидролого-акустических условий морской среды на обследуемой акватории.

Сущность работы поисковой системы при поиске углеводородных залежей заключается в контроле сейсмического поля земной коры на морской акватории. Измерительные технологии закономерностей концентрации и последующего обратного излучения углеводородными скоплениями 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 углеводородных залежах, как протяженных полостях земной коры, 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 происходит близкое к резонансным формирование и обратные излучения волн в диапазоне частот доли-единицы-десятки Герц. В отдельных случаях такое излучение 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 используются в практике поиска углеводородных залежей в морских условиях (например, см. Биряльцев Е.В., Рыжов В.А., Шабалин Н.Я. // Прием и обработка информации в сложных системах - Казань. Казанский Ун-т. 2005. - Вып. 22. - с. 113-120).

Обнаружение и идентификация геофизических волн, а также их принадлежность к характерным углеводородным залежам производится на основе обобщенных спектральных характеристик и их пространственно-временной динамики, которые получают в местах действующих нефтедобывающих скважин или на выявленных подводных месторождениях залежей углеводородов.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами и рисунками. На фиг. 1 приведена структурная схема радиогидроакустической системы мобильного поиска залежей углеводородов и донных объектов на морском шельфе, обеспечивающей дальний параметрический прием в морской среде и измерение характеристик геофизических и гидрофизических полей, генерируемых источниками водной среды и морского дна. На фиг. 2 представлена схема обследования акватории, измерения характеристик полей, определения местоположения и горизонтальной протяженности участков проявления источников гидрофизических волн. На фиг. 3-5 приведены спектры частот, а также спектрограммы гидрофизических полей источников морских акваторий, которые соответствуют измерениям сигналов разности фаз горизонтально разнесенных приемных элементов. 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 шумового излучения 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 залежами при различной степени их насыщения газом и нефтью. Фиг. 6 - спектр углеводородных залежей (соответствует преимущественно газовым скоплениям). Фиг. 7 - спектр углеводородных залежей (соответствует преимущественно газоконденсатным скоплениям). Фиг. 8 - спектр углеводородных залежей (соответствует преимущественно залежам с притоком газа). Фиг. 9 - спектрограмма шумов крабовых скоплений на дне морского шельфа (параметрические измерения просветной радиогидроакустической системой мониторинга с использованием зондирования морского дна высокочастотными электромагнитными сигналами накачки среды). На фиг. 10 - спектрограмма сейсмического фона на акватории морского шельфа. На фиг. 11 показана спектрограмма сигнала сильного землетрясения в р-не Курильских островов, прием проводился в р-не о. Сахалин (2014 год). Фиг. 12 приведена запись «волны - убийцы», зарегистрированной на станции мыса Анива о. Сахалин в 2010 году. На фиг. 13 приведена схема расположения технического оборудования измерительного полигона в заливе «Петра Великого» (а) и измеренные спектрограммы тонального сигнала (частота - 28,5 Гц), зарегистрированные в параметрическом режиме приема с акустической (б) и электромагнитной накачкой среды (в), и линейном режиме ГАС (в).

Результаты эксперимента наглядно подтверждают повышенную эффективность приема волн с электромагнитной накачкой среды, относительно акустической, а именно - наблюдается повышение уровня и остроты направленности параметрического приема информационных волн. При этом прием информационных волн в линейном режиме проявился отрицательно. (См. Мироненко М.В., Василенко A.M., Бахарев С.А. и др. // Нелинейная гидроакустика в системах мониторинга гидрофизических и геофизических полей морских акваторий. Монография: Влад-ток. ВУНЦ ВМА ВМФ. 2013, с. 58-90).

Теоретическое обоснование закономерностей нелинейной акустики и их реализации в предлагаемой параметрической системе поиска и измерения геофизических и гидрофизических волн в проводящей морской среде заключается в следующем. Гидрофизические поля морской среды различной физической природы, в которой распространяется другая дополнительная гидроакустическая волна, изменяют свои 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 заявляемая система 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 инфразвуковые волны, формируемые специальными морскими источниками или стихийными явлениями (например, землетрясениями, цунами, углеводородными залежами), 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 инфразвуковых 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 модулированной в пространстве нелинейной среде акустической волны накачки ее параметры будут модулированы 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:

где - коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости;

υ - удельный объем.

Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью , можно получить следующее выражение для фазовой скорости:

Очевидно, что качественно любые изменения плотности ρ, давления P при постоянной температуре среды 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.

В заявляемом изобретении используется закономерность нелинейного взаимодействия низкочастотных просветных волн подсветки и высокочастотных волн накачки среды с информационными волнами различной физической природы. В этом случае имеет место совокупное взаимодействие волн. 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):

где P^*(t), P(t) - результирующее (модулированное) 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 модулированных 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:

Из него следует, что вклад различных боковых составляющих в суммарную мощность модулированного колебания определяется величиной 2A_m/P. 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).

В случае совместного применения в системах мониторинга методов низкочастотной просветной и высокочастотной реверберационной гидролокации (см. фиг. 1), высокочастотные волны накачки среды, излучаемые в направлении морского дна, отражаясь от его поверхности, распространяются совместно с измеряемыми информационными и нелинейно взаимодействуют в среде. А далее при пересечении с низкочастотной просветной параметрической антенной они получают дополнительное (тройное) нелинейное взаимодействие и параметрическое преобразование. Большой объем и протяженность рабочей зоны общего взаимодействия волн в этом случае обеспечивают повышенный эффект параметрического приема, а также его направленность в широком низкочастотном диапазоне. Научно-технические основы формирования практических путей реализации параметрической системы, как реверберационной антенны, также достаточно проработаны.

Структурная схема радиогидроакустической системы мобильного поиска углеводорода и донных объектов на морском шельфе показана на фиг. 1. Система включает двухканальный тракт формирования и усиления низкочастотных сигналов подсветки среды в горизонтальной плоскости, а также высокочастотных сигналов накачки среды в вертикальной плоскости, выходы которых через блоки согласования 14 и 11 посредством морских кабелей соединены с низкочастотным и высокочастотным преобразователями 2, 3.

Система включает также тракт приема нелинейно преобразованных просветных сигналов 15, обеспечивающий усиление, выделение и регистрацию информационных волн, вход которого по радиоканалу соединен с расположенными на поверхности морской среды радиомодулями (РГАБ) 7 и 8 (блок 34) и далее по кабелям с акустическими преобразователями волн 5, 6.

Тракт формирования и усиления сигналов подсветки и накачки среды в направлении морского дна 1 представляет двухканальную электронную схему, содержащую последовательно соединенные: генераторы стабилизированной частоты 9 и 12; усилители мощности сформированных сигналов 10 и 13; блоки согласования 11 и 14 их выходы с подводными кабелями и далее с излучающими блоками 2 и 3. При этом блок согласования 14 включает последовательно соединенные переключатель каналов 14а, параллельно подключенные блоки согласования с акустическим преобразователем 14б и электромагнитным излучателем 14в высокочастотных волн накачки среды в направлении морского дна (см. фиг. 1).

Приемный тракт измерительной системы 15 (фиг. 1) представляет собой электронную систему, включающую последовательно соединенные двухканальный приемный радиоблок 16 и двухканальный широкополосный усилитель 17, выходы усилителя соединены с блоком измерения разности фаз 18, а его выход с преобразователем временного масштаба нелинейно преобразованных просветных сигналов в высокочастотную область 19, далее с узкополосным анализатором спектров 20, выход которого соединен с рекордером (или иным регистратором) выделяемых спектров 21. При этом выход анализатора спектров 20 соединен с передающим радиоблоком 22, выход которого по радиоканалу соединен с информационно-аналитическим комплексом (ИАК) поисковой системы 23. При этом ИАК включает блок системного анализа 25, вход которого двухсторонне связан с приемным радиоблоком 24 и далее с приемным трактом 15 через его передающий блок 22, а выход блока системного анализа 25 двухсторонне связан с передающим радиоблоком 26, далее по радиоканалу связан с излучающим трактом измерительной системы 1 через его приемный радиоблок 27 и далее с формирователями сигналов накачки 9 и 12. Кроме того, на фиг. 1 показаны: источник формирования гидрофизических волн 4; рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн 30, сформированная низкочастотными просветными параметрическими антеннами, источник формирования геофизических волн морского дна (залежь углеводородов) 28, донные объекты 29, из них - пассивный неизлучающий объект 29а и активный излучающий объект 29б.

Кроме того, на фиг. 1, 2 показаны: поверхность обследуемой акватории 33; области нелинейного взаимодействия волн накачки и измеряемых информационных (рабочая зона) 31; морское судно 32, как носитель излучателей низкочастотной подсветки и высокочастотной накачки среды 36, а также характеристика направленности дополнительного излучения (накачки) среды в сторону морского дна 35 обследуемая акватория 37.

Система мобильного поиска месторождений углеводородов и объектов морского дна реализуется следующим образом. Процесс приема информационных волн начинается с перемещения сформированной просветной параметрической антенны по периметру обследуемой акватории. При обнаружении признаков информационных волн носитель излучающего преобразователя перемещают в сторону сближения, а затем на удаление от приемных преобразователей (центра акватории) и уточняют места расположения и протяженности источников информационных волн. В обнаруженных местах определяют их координаты. Путем отклонения излучателей от прямолинейного курса перемещают по змейке и определяют ширину залежи углеводородов. При этом производят наблюдения и измерения пространственно-временных характеристик и динамики волн. Далее судно - носитель излучающего блока возвращается в исходную точку периметра акватории, из которой процесс обнаружения и поиска источников информационных волн продолжается (повторяется) по всему периметру акватории.

Закономерность измерения гидрофизических и геофизических волн просветным параметрическим методом в поисковой радиогидроакустической системе реализуется следующим образом. Воздействие источников информационных волн 4 и 28 приводит к изменению механистических характеристик морской среды (плотности и температуры, которые модулируют сигналы накачки). При пропускании по такой модулированной в пространстве нелинейной упругой среде акустической волны накачки ее параметры будут модулированы 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 связанной компонентой, нелинейно преобразованной низкочастотной просветной волны, они переносятся на большие расстояния и затем выделяются (обнаруживаются и регистрируются) в блоках обработки приемного тракта системы мониторинга.

Усиление нелинейного взаимодействия геофизических волн источников морского дна, а также эффективности дальнего приема и идентификации характеристик измеряемых геофизических и гидрофизических волн и определения их местоположения обеспечивается за счет дополнительного направленного облучения морского дна сигналами близкой по частоте к акустической подсветке среды, что обеспечивает «тройное» нелинейное взаимодействие волн (просветных в направлении трассы, дополнительных в направлении дна и информационных) 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 среды в направлении морского дна. Применение в тракте приема и обработки операций преобразования (переноса) частотно-временного масштаба волн накачки в высокочастотную область обеспечивает эффективное выделение волн инфразвукового и дробного диапазонов частот существующими средствами узкополосного спектрального анализа и их последующей регистрации.

Усиление нелинейного взаимодействия геофизических волн источников морского дна, повышение эффективности дальнего приема и последующей идентификации измеряемых волн и определение их местоположения на морском шельфе обеспечивается за счет дополнительного направленного облучения морского дна электромагнитными сигналами, что обеспечивает «тройное» нелинейное взаимодействие волн (просветных в направлении трассы, высокочастотных в направлении дна и информационных). Выбор и применение акустической или электромагнитной накачки среды в направлении морского дна определяется особенностями их распространения в проводящей морской среде, а именно, акустические волны, как медленнее затухающие при распространении в среде, применяются первыми. Электромагнитные волны, как интенсивно затухающие в проводящей морской среде, способны распространяться до глубин порядка 500 метров, но сформированная ими параметрическая антенна обеспечивает более интенсивное и более направленное взаимодействие с измеряемыми информационными волнами. В этой связи электромагнитную накачку среды используют, после акустической, как дополнительную для уточнения границ площади залегания залежи углеводородов на морском дне и на малых глубинах шельфа (в пределах около 500 - 1000 метров).

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 среды в направлении морского дна. Применение в тракте приема и обработки операций преобразования (переноса) частотно-временного масштаба волн накачки в высокочастотную область обеспечивает эффективное выделение волн инфразвукового и дробного диапазонов частот существующими методами и средствами узкополосного спектрального анализа и их последующей регистрации. Использование в системе вычислительных технологий информационно-аналитического комплекса обеспечивает возможность надежной идентификации измеряемых информационных волн, как геофизических (углеводородных) или гидрофизических, формируемых морскими объектами и морской средой, в одном для всех диапазоне частот, в котором, как правило, присутствуют интенсивные инженерные помехи. Кроме того, применение в способе ИАК обеспечивает возможность оперативного управления (подстройки) работой системы мониторинга в процессе поиска.

При обнаружении пассивных (неизлучающих) донных объектов принимаются и анализируются отраженные от них высокочастотные сигналы накачки в вертикальной плоскости среды, которые затем распространяются в обратном направлении и нелинейно взаимодействуют с низкочастотными просветными сигналами накачки среды в горизонтальной плоскости.

Ниже приведены конкретные результаты использования заявленного устройства (результаты наблюдений и измерений шумового излучения углеводородных 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 3,8 Гц.

Газоконденсатная залежь (фиг. 7). В диапазоне частот около 1,8-4,8 Гц приведенная к фону спектральная мощность собственных шумовых излучений залежи углеводородов 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» превышает 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 шумовых излучений залежи углеводородов 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%.

Совокупность положительных результатов общего технического эффекта достигается за счет низкочастотной подсветки (озвучивания) всего пространства обследуемой акватории и формирования двух горизонтально разнесенных параметрических антенн протяженностью десятки-сотни километров. При этом прием волн горизонтально разнесенными антеннами обеспечивает возможность последующей фазовой обработки сигналов и эффективное подавление некоррелированных помех среды. «Сканирование» просветной параметрической антенны по периметру обследуемой акватории обеспечивает возможность определения направлений приема информационных волн на акватории. Последующее перемещение излучателей подсветки и накачки (сокращение, а затем увеличение протяженности просветной линии), использование дополнительного направленного облучения морского дна акустическими или электромагнитными волнами накачки обеспечивает определение местонахождения источников информационных волн с повышенной точностью. При этом за счет отклонения движущегося двойного излучающего преобразователя от прямолинейного курса при удалении от приемного блока переменным курсом обеспечивается точное определение места и пространственной протяженности источников информационных, преимущественно геофизических волн.

Таким образом, техническими решениями заявляемой системы дальнего параметрического приема и измерения геофизических и гидрофизических волн низкочастотного, инфразвукового и дробного диапазонов реализованы практические пути построения и эксплуатации широкомасштабной гидроакустической системы комплексного мониторинга полей, формируемых источниками водной среды и морского дна. Протяженность рассматриваемой системы (большой масштаб дальности параметрического приема волн) обеспечивается озвучиванием среды слабозатухающими низкочастотными акустическими сигналами в диапазоне десятки-сотни Герц.

Обеспечение в системе дальнего обнаружения и точного определения места источников формирования геофизических и гидрофизических волн, морскими и донными объектами, а также их пространственной протяженности достигается за счет совместной реализации закономерностей и измерительных технологий нелинейной низкочастотной просветной и высокочастотной реверберационной гидроакустики, с использованием блоков акустических и электромагнитных волн накачки, обосновано теоретически и подтверждено морскими экспериментами.

Использование: изобретение относится к гидроакустическим методам и реализующим их системам поиска углеводородных залежей, а также поиска донных объектов различного назначения и физической природы, предпочтительно на акваториях морского шельфа. Сущность: система мобильного поиска месторождений углеводородов и донных объектов, обнаружения признаков зарождения опасных морских явлений на морском шельфе включает в себя размещенные в среде излучающие и приемные акустические преобразователи, сформированную между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования измеряемых информационных волн и волн накачки среды, как параметрическую антенну, соединенные с преобразователями соответственно, тракт формирования и усиления низкочастотных просветных сигналов накачки среды, а также тракт приема, усиления, обработки, выделения и регистрации информационных сигналов, при этом протяженность рабочей зоны измерительной параметрической системы соответствует протяженности обследуемой акватории, для чего излучающий и приемный преобразователи акустических сигналов разнесены на ее противоположные границы, при этом излучающий преобразователь размещен на подвижном носителе и содержит низкочастотный и высокочастотный излучатели, первый из которых выполнен с возможностью горизонтального ориентирования его диаграммы направленности в сторону приемного преобразователя, при этом высокочастотный излучатель выполнен с возможностью ориентирования его диаграммы направленности на морское дно, кроме того, тракт формирования и усиления излучаемых сигналов накачки среды сформирован как двухканальный, содержащий низкочастотный и высокочастотный каналы, каждый из которых включает последовательно соединенные генератор стабилизированной частоты, усилитель мощности, блоки согласования выходов усилителей с подводными кабелями, которые подключены к соответствующим излучающим преобразователям, кроме того, приемный преобразователь включает два горизонтально разнесенных приемных блока, каждый из которых соединен с расположенным на поверхности моря радиомодулем, который по радиоканалу связан с приемным трактом системы, содержащим последовательно связанные с соответствующим каналом двухканального приемного радиоблока информационных сигналов, двухканальный широкополосный усилитель информационных сигналов, блок измерения разности фаз информационных сигналов, преобразователь временного масштаба информационных сигналов в высокочастотную область, блок узкополосного спектрального анализа и функционально связанный с ним регистратор спектров выделяемых информационных сигналов, при этом система содержит средства определения местоположения подвижных излучающих преобразователей в режиме реального времени. При этом система включает в себя блок спутниковой связи с центральным постом, выполненный с возможностью дистанционного управления ее работой, в процессе мобильного поиска углеводородов и донных объектов. Технический результат: обеспечение эффективного мобильного поиска залежей углеводородов и донных объектов различного назначения и физической природы, дальнее (упреждающее) обнаружение признаков зарождения опасных морских явлений на протяженных акваториях морского шельфа, определение места объектов и границ залежи углеводородов на морском дне с повышенной точностью, а также идентификацию измеряемых информационных волн, формируемых искусственными и естественными источниками, а также опасными явлениями морской среды и земной коры в широком диапазоне частот, охватывающим единицы килогерц - сотни - десятки - единицы - доли Герца. 13 ил.

Радиогидроакустическая система мобильного поиска месторождений углеводородов и донных объектов, обнаружения признаков зарождения опасных морских явлений на морском шельфе, включающая в себя размещенные в среде излучающий и приемный акустические преобразователи, сформированную между ними зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования измеряемых информационных волн и волн накачки среды просветную параметрическую антенну, соединенные с преобразователями, соответственно, тракт формирования и усиления излучаемых сигналов накачки среды, а также тракт приема усиления, обработки, выделения и регистрации информационных сигналов, разнесенные на противоположные границы контролируемой среды излучающий и приемный преобразователи акустических сигналов, при этом излучающий преобразователь размещен на подвижном носителе и содержит низкочастотный и высокочастотный излучатели, первый из которых выполнен с возможностью горизонтального ориентирования его диаграммы направленности в сторону приемного преобразователя, при этом высокочастотный излучатель выполнен с возможностью ориентирования его диаграммы направленности на морское дно, кроме того, тракт формирования и усиления излучаемых сигналов накачки среды сформирован как двухканальный, содержащий низкочастотный и высокочастотный каналы, каждый из которых включает последовательно соединенные генератор стабилизированной частоты, усилитель мощности, блоки согласования выходов усилителей с подводными кабелями, которые подключены к соответствующим излучающим преобразователям, кроме того, приемный преобразователь включает два горизонтально разнесенных приемных блока, каждый из которых соединен с расположенным на поверхности моря радиомодулем, который по радиоканалу связан с приемным трактом системы, содержащим последовательно связанные с соответствующим каналом двухканального приемного радиоблока информационных сигналов, двухканальный широкополосный усилитель информационных сигналов, блок измерения разности фаз информационных сигналов, преобразователь временного масштаба информационных сигналов в высокочастотную область, блок узкополосного спектрального анализа и функционально связанный с ним регистратор спектров выделяемых информационных сигналов. Кроме того, система содержит средства определения местоположения излучающего преобразователя и приемных блоков приемного преобразователя в режиме реального времени, при этом система мобильного поиска месторождений углеводородов и донных объектов на морском шельфе включает в себя блок спутниковой связи с центральным постом, выполненный с возможностью дистанционного управления ее работой в процессе мобильного поиска углеводородов, определения места излучающего и приемных блоков в поисковом режиме работы, отличающаяся тем, что в тракт формирования излучаемых высокочастотных сигналов накачки в вертикальной плоскости среды, дополнительно к известным акустическим блокам, включены блоки формирования и излучения электромагнитных волн, а именно блок переключения формируемых сигналов, соединенный с блоком согласования для акустических сигналов, а также с блоком согласования для акустических и электромагнитных сигналов и далее, посредством подводных кабелей с блоками излучения формируемых сигналов накачки, при этом в поисковую систему включен также блок информационно-аналитического комплекса (ИАК), содержащий связанные с его входом и выходом двухсторонней связью, соответственно, приемный и передающий радиоблоки, при этом вход приемного радиоблока связан с выходом приемного тракта системы через его передающий радиоблок, а выход передающего радиоблока ИАК связан с трактом формирования и усиления сигналов накачки через его приемный радиоблок.