СИСТЕМА ПОДВОДНОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ НА МОРЕ Российский патент 2021 года по МПК G01V1/38 B63G8/39 

Изобретение относится к геофизике и может быть применено для поиска углеводородов преимущественно в условиях Арктики с использованием подводных управляемых аппаратов-роботов (ПА).

Традиционно в морской сейсморазведке используется система, состоящая из геофизического судна, буксирующего сейсмические косы с излучателями сейсмических волн в виде пневмопушек и геофонами для приема отраженных сейсмических сигналов [Бондарев В.И., Сейсморазведка, Екатеринбург, 2007, 690 с.]. [1]

Недостатками этой системы является высокая стоимость, влияние волнения моря, а в условиях Арктики со сложной ледовой обстановкой, что существенно усложняет проведение работ.

Известен метод сейсморазведки при поиске углеводородов (Патент США №7330790 В2 от 12 февраля 2008), заключающийся в возбуждении георазреза сейсмическими вибраторами и заземленной электрической линии с током, приемом и обработкой сигналов электрического поля, возникающего в продуктивном пласте углеводородов под действием сейсмической волны.

Этот метод и применяемая аппаратура использовались на море с буксировкой геофизическим широкофюзеляжным судном сейсмических и электрических кос [2].

Недостатком его является необходимость буксировки кос, влияние волнения моря, высокая стоимость работ и сложность работы в ледовых условиях Арктики.

Известен способ поиска углеводородов патент RU 2685577, в котором не применяют дополнительную «подсветку» электрическим полем (полуактивный метод).

Этот способ может быть использован в морских условиях, однако штормовые условия Арктики, наличие льдов, обуславливают необходимость переноса устройств поиска на подводные аппараты и принятия нестандартных технических решений.

Известна система, регистрирующая сейсмические сигналы во время морской сейсморазведки (Патент США № US 201430 161). Система включает в себя, по меньшей мере, две подводные базы и несколько автономных подводных аппаратов (AUV), которые снабжены соответствующими сейсмическими датчиками. AUV размещается на подводной базе и запускается в конечный пункт назначения с подводной базы. AUV получает сигналы, по крайней мере, от двух подводных баз для корректировки своей траектории в направлении конечного пункта назначения.

Недостатком этой системы является применение для вождения подводных аппаратов(AUV) как минимум двух подводных баз, обеспечивающих траекторию движения AUV, а при изменении района работ, необходим подъем этих баз со дна моря и их транспортировка в другую точку положения, что существенно снижает производительность работ.

Известен способ подводного приема радиосигналов (Патент РФ №2453037 от 10 июня 2012), основанный на эффекте параметрической демодуляции электромагнитных волн с частотой ƒ_э±F акустическим излучением, по которому для приема сообщения на подводном объекте (ПА) излучаемую им волну направляют в заданную на водной поверхности область прихода электромагнитной волны, несущей сообщение, отличающийся тем, что излучение акустических волн осуществляют через равномерно расположенные вдоль корпуса подводного объекта основные акустические излучатели, фазируют акустические волны по каждому излучателю через управляемые эхолотами линии задержки, поочередно формируя на водной поверхности когерентную линейную область (виртуальную электрическую антенну), в зоне которой осуществляют параметрическую демодуляцию распространяющейся вдоль водной поверхности электромагнитной волны с выделением частоты модуляции при условии ƒ_э=ƒ_a, где ƒ_э - частота электромагнитной волны, несущей сообщение на частоте модуляции F; ƒ_a - частота акустической волны.

Этот способ может быть использован в варианте измерения текущих координат ПА в зоне работы подводных радионавигационных систем (РНС) длинноволнового диапазона частот ƒ_э=90-120 кГц, «Лоран» (США), Неман (РФ) и другие.

На борту подводных аппаратов в этой системе размещается излучатель акустических волн диапазона частот ƒ_a близких по частоте к ƒ_э. Прием сигналов осуществляется на разностной низкой частоте F=ƒ_э-ƒ_a, существенно меньше поглощаемых морской водой.

При геофизических исследованиях вне рабочей зоны РНС привязку координат ПА можно осуществить с использованием радиостанции сопровождающего судна, работающей также на частоте ƒ_э близкой к ƒ_a. Практическая реализация морской системы сейсморазведки требует комплекса аппаратно-программных средств, обеспечивающих работы в различных вариантах использования, включая подледное вождение ПА.

На сегодня такие решения отсутствуют.

Целью изобретения является создание комплекса нестандартных аппаратных средств для проведения подводных и подледных геофизических работ при поисках углеводородов в море методами сейсморазведки и сейсмо-электроразведки с использованием управляемых по координатам подводных аппаратов-роботов.

1. В этих целях заявленная система поиска реализуется в виде одного (пассивный вариант) или двух подводных самодвижущихся аппаратов-роботов (ПА) (полуактивный вариант) и сопровождающего их судна, причем в одном из ПА установлен широкополосный сейсмический излучатель, а в другом размещены приемные датчики сейсмических и электромагнитных полей, соединенные с двухканальной сейсмостанцией.

Отличительной особенностью заявленной системы является то, что в обеих ПА установлены параметрические устройства измерения текущих координат, эхолот и излучатели акустического поля в диапазоне рабочих частот разностно-дальномерных длинноволновых систем радионавигации (РНС) класса «Лоран» или «Неман», а на сопровождающем судне установлены пеленгатор, гидролокатор и радиопередатчик команд управления АП, работающих в диапазоне частот смещенных относительно указанных РНС.

2. Система подводной сейсморазведки на море по п. 1, отличающаяся тем, что бортовая сейсмостанция второго ПА содержит два канала приема, соединенных по входу с датчиками сейсмических и электрических сигналов, а по выходам подключена к коррелятору, вычисляющему коэффициент взаимной корреляции (КВК) этих сигналов, выход которого подсоединен к устройству флэш-памяти КВК и текущих координат движения ПА.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что датчик электрических сигналов второго ПА выполнен в виде магнитной антенны.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в корпусах обеих ПА содержится параметрическое устройство измерения текущих координат ПА, состоящее из акустических излучателей частоты ƒ_a, частоте близкой или равной несущей передатчиков РНС ƒ_э на величину F=ƒ_э-ƒ_a, также приемные магнитные антенны, настроенные на разностную частоту F и подключенные через приемники и декодер принимаемых сигналов к бортовой флэш-памяти, запоминающей текущие координаты ПА.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что при работе в пассивном режиме с приемом сигналов естественных сейсмических и электрических шумов, первый ПА не используется и во флэш-памяти второго ПА накапливается информация КВК сейсмо-электрического эффекта, создаваемого естественными сейсмическими шумами Земли.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что при работе вне зоны действия РНС, на сопровождающем судне включается комплекс приема и передачи координат ПА, состоящий из пеленгатора акустических сигналов, излучаемых ПА и гидролокатора, подключенных к входу бортовой радиостанции сопровождающего судна, настроенной на частоту РНС ƒ_э и передающей текущие координаты ПА.

На фиг. 1 представлена схема расположения средств поиска в зоне действия РНС, где изображены:

1 - сопровождающее судно

2 - поверхность моря 3,4- подводные аппараты

5 - судовая радиостанция

6 - акустический пеленгатор

7 - гидролокатор

8, 9, 10 - базовые радиостанции РНС

11 - линии положения РНС

На фиг. 2 показана схема приема сигналов управления подводным аппаратом, где изображено:

1 - сопровождающее судно

2 - поверхность моря

3 - подводный аппарат приема и обработки сигналов - носитель сенсоров

4 - подводный аппарат с излучателем сейсмических волн

5 - радиостанция передачи сигналов управления

12, 13 - навигационные приемники сигналов управления ПА излучателя и носителя сенсоров, работающие на разностной частоте F=ƒ_э-ƒ_a

14, 15 - генераторы акустических сигналов для параметрической «подсветки» поверхности моря

16 - широкополосный вибратор излучения сейсмических волн (ВИС)

17 - сейсмостанция с датчиками приема сейсмических и электрических сигналов и флэш памятью

18, 19 - параметрические скин-слои электромагнитной волны

20, 21 - диаграмма излучения генераторов акустических сигналов

22, 23 - векторные диаграммы электромагнитного поля РНС

24 - дно моря

На фиг. 3 показана структурная схема аппаратного комплекса системы, где изображено:

1 - сопровождающее судно

2 - поверхность моря

3 - подводный аппарат-носитель сенсоров (ПАС)

4 - подводный аппарат-излучатель (ПАИ) сейсмических волн

5 - судовая радиостанция

6 - акустический пеленгатор

7 - гидролокатор

12, 13 - приемники сигналов текущих координат ПА

14, 15 - генераторы акустических сигналов для параметрической «подсветки» поверхности моря

16 - широкополосный вибратор излучения сейсмических волн (ВИС)

17 - сейсмостанция

25 - датчик приема электрических сигналов - магнитоприемник

26 - датчик приема сейсмических сигналов - сейсмоприемник

27 - коррелятор

28 - микроконтроллер

29 - флэш-память

30, 31 - блоки управления движителями ПА

32, 33 - приводные винты движения ПА

Система работает следующим образом:

С борта сопровождающего судна (СС) 1 на морскую поверхность 2опускаются подводные аппараты 3, 4, снабженные программами движения ПА, включаются их бортовые координатные приемники 12, 13 и генераторы 14, 15 «подсветки» акустических сигналов. Движение ПА контролируется гидролокатором 6 и акустическим пеленгатором 7 определяющие угловые координаты ПА по акустическим сигналам излучаемым бортовыми генераторами «подсветки» 14, 15.

Далее начинается режим работы по сейсмическому профилированию.

При работе в активном режиме [2], бортовой программой ПА включаются широкополосный сейсмический вибратор 16 и сейсмостанция 17, которая принимает отраженные от георазреза электрические E(t) u сейсмические сигналы S(t) с помощью датчиков 25, 26, а коррелятор 27 вычисляет коэффициент взаимной корреляции

где t, Т - текущее время и время наблюдения.

- нормированные по дисперсии сигналы.

Микроконтроллер 28 обрабатывает и запоминает всю информацию, включая текущие координаты ПА, и переписывает ее во флэш-память 29, которая после завершения работ переписывается на ЭВМ сопровождающего судна.

Так реализуется метод сейсмо-электроразведки, успешно испытанной на поверхности моря [3].

Параллельно сейсмостанция 17 записывает сигналы сейсмического профилирования в традиционной форме для последующего построения сейсмического разреза.

При работе в пассивном режиме, в воду опускается лишь один ПА 3, снабженный датчиками для приема электромагнитных и сейсмических шумов земли. Электромагнитное поле от искомой залежи генерируется по действиям естественных сейсмических излучений, проходящих в Земле от различных геодинамических процессов - землетрясений, гроз, извержений, вулканов и пр.

Этот метод успешно использовался автором изобретения на суше [4].

На сейсмостанции 17 накапливается текущая информация с датчиков 25, 26. Коррелятором 27 вычисляется КВК, который запоминается на микроконтроллере 28 и во флэш-памяти 29, точно также как при работе в активном режиме.

В случае геофизических исследований вне зоны действия РНС управление движением ПА осуществляется через радиостанцию сопровождающего судна 5. Их положение контролируется пеленгатором 6 и гидролокатором 7 по акустическому излучению вибраторов 14, 15.

В качестве широкополосных сейсмических вибраторов 16 (ШПС) целесообразно использовать импульсные невзрывные излучатели с электромагнитным приводом и псевдослучайной модуляцией последовательности излучаемых сейсмических импульсов, позволяющей при небольшой силе удара, реализовать необходимую для глубинных исследований энергетику сигнала.

Так, при периоде повторений последовательности T=10 сек и длительности одного элемента посылки (одного удара) τ=5 м/сек, может быть реализована база излучаемого сигнала величину

Это означает, что при необходимой для работы в режиме одиночных сейсмо-импульсов силе удара, например, равной 10⁵ КГ, ШПС - вибратор должен обеспечить генерацию сейсмического импульса всего 100 КГ, что позволяет разместить эти вибраторы в корпусе небольшого ПА с питанием от бортового аккумулятора.

Заявленная система имеет большое преимущество по сравнению с прототипом за счет исключения из комплекса подводных сейсмических станций, сложной аппаратуры акустической привязки координат ПА, необходимости использования радиобуев для определения положения ПА по спутниковым системам радионавигации типа GPS или «Глонасс».

Важным преимуществом является также возможность работы подо льдами, поскольку привязка координат осуществляется без всплытия ПА по заранее записанным программам в памяти их микроконтроллеров.

Сегодня в мире, как и в России, разработаны много различных автоматических аппаратов - роботов торпедообразного типа, которые могут быть использованы в качестве ПА для реализации заявленной системы.

Применение для задачи поиска сейсмоэлектрического метода позволяет вести работы как в поисковом режиме обнаружении аномалий КВК над залежью углеводородов, так и при разведке, с построением сейсмических и сейсмоэлектрических георазрезов, а площадь пространственного распределения вторичного электрического поля, сопоставимого с площадью искомого продуктивного пласта не требует высокоточной привязки координат ПА.

Предложена система подводной, в том числе подледной сейсморазведки, на море, состоящая из сопровождающего судна и одного-двух роботизированных подводных аппаратов ПА. На одном из ПА расположен широкополосный сейсмический вибратор, а на втором - приемные датчики электромагнитного и сейсмического полей, соединенные с двуканальной сейсмостанцией, коррелятором, микроконтроллером и флеш-памятью. Для привязки координат ПА используется параметрический метод приема сигналов наземной радионавигационной системы типа «Лоран», «Неман» или радиостанции сопровождающего судна. Параметрический прием радионавигационных сигналов осуществляется «подсветкой» поверхности воды с ПА акустическим излучением, близким по частоте ƒ_a к сигналам наземных РНС ƒ_э, так что в скин-слое электромагнитной волны образуется разностный сигнал низкой частоты F=ƒ_э-ƒ_a, переносящий информацию о координатах на приемники ПА. Реализуется сейсмоэлектрический и сейсмический методы поиска и разведки в пассивном режиме, по шумам естественного сейсмического и электромагнитного полей земли, и полуактивный с излучением с одного из ПА широкополосного сейсмического излучения. Технический результат - предложенная система существенно упрощает поисковый комплекс, позволяет вести прием сигналов под водой и подо льдом с минимальным уровнем шумов, исключает буксировку геофизическим суднам длинных сейсмических кос, обеспечивает работу в сложных погодных условиях Арктики, а сейсмоэлектрический метод за счет пространственного распределения вторичного электрического поля, сопоставимого с размером искомой продуктивной аномалии углеводородов, не требует высокоточной привязки координат, что существенно упрощает проведение работ. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система подводной сейсморазведки на море, реализуемая в виде одного или двух подводных самодвижущихся аппаратов-роботов (ПА) и сопровождающего их судна, причем в одном из ПА установлен широкополосный сейсмический излучатель, а в другом размещены приемные датчики сейсмических и электромагнитных полей, соединенные с двухканальной сейсмостанцией, отличающаяся тем, что в обоих ПА установлены параметрические устройства измерения текущих координат, эхолот и излучатели акустического поля в диапазоне рабочих частот разностно-дальномерных длинноволновых систем радионавигации (РНС) класса «Лоран» или «Неман», а на сопровождающем судне установлены пеленгатор, гидролокатор и радиопередатчик команд управления ПА, работающих в диапазоне частот, смещенных относительно указанных РНС.

2. Система подводной сейсморазведки на море по п. 1, отличающаяся тем, что бортовая сейсмостанция второго ПА содержит два канала приема, соединенных по входу с датчиками сейсмических и электрических сигналов, а по выходам подключена к коррелятору, вычисляющему коэффициент взаимной корреляции (КВК) этих сигналов, выход которого подсоединен к устройству флеш-памяти КВК и текущих координат движения ПА.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что датчик электрических сигналов второго ПА выполнен в виде магнитной антенны.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в корпусах обоих ПА содержится параметрическое устройство измерения текущих координат ПА, состоящее из акустических излучателей частоты ƒ_a, близкой или равной несущей передатчиков РНС ƒ_э на величину F=ƒ_э-ƒ_a, также приемные магнитные антенны, настроенные на разностную частоту F и подключенные через приемники и декодер принимаемых сигналов к бортовой флеш-памяти, запоминающей текущие координаты ПА.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что при работе в пассивном режиме с приемом сигналов естественных сейсмических и электрических шумов первый ПА не используется и во флеш-памяти второго ПА накапливается информация КВК сейсмоэлектрического эффекта, создаваемого естественными сейсмическими шумами Земли.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что при работе вне зоны действия РНС на сопровождающем судне включается комплекс приема и передачи координат ПА, состоящий из пеленгатора акустических сигналов, излучаемых ПА, и гидролокатора, подключенных к входу бортовой радиостанции сопровождающего судна, настроенной на частоту РНС ƒ_э и передающей текущие координаты ПА.