Содержание к диссертации
Введение
1. Морская сейсморазведка 17
1.1 Морские сейсмоакустические исследования: методы и оборудование 17
1.2 Особенности методов проведения сейсмоакустических исследований в в условиях Арктики 34
1.3 Требования к сейсмоакустическому оборудованию при работах в акватории с ледовым покрытием 42
1.4 Описание перспективных методов проведения комплексных геофизических исследований в условиях Арктики
1.4.1 Геофизические исследования с использованием когерентных методов зондирования сложными управляемыми сигналами 46
1.4.2 Технические требования к оборудованию, обеспечивающему применение когерентных методов зондирования сложными управляемыми сигналами 56
1.4.3 Перспектива постройки НИС ледокольного класса 58
1.5 Выводы по главе 1. Общая постановка задачи исследования. Возможность унификации вариантов технологии сейсмоакустических разведочных работ для арктических условий в акваториях с ледовым покрытием 61
1.5.1 Общая постановка задачи исследования 61
1.5.2 Возможность унификации вариантов технологии сейсмоакустических разведочных работ для арктических условий в акваториях с ледовым покрытием 71
2. Оборудование, специальные устройства и системы, спроектированные для реализации новых технологий сеисмоакустическои разведки на ледокольном судне 76
2.1 Сейсмоакустические разведочные работы с помощью когерентного зондирования грунта управляемыми сигналами 76
2.2 Состав, массогабаритные, энергетические и конструктивные характеристики оборудования для сейсмоакустических работ 76
2.2.1 Состав оборудования 77
2.2.2 Низкочастотные излучатели (НЧИ) 78
2.2.3 Высокочастотные излучатели (ВЧИ) 84
2.2.4 Приемные системы 86
2.2.5 Корабельный обрабатывающий пост 88
2.3 Специализированные системы и устройства, направленные на выполнения НИС функции сейсмоакустической разведки 90
2.3.1 Система выпуска приемных сейсмокос 90
2.3.2 Система заглубления излучателей 94
2.3.3 Устройство автоматизированного управления сейсмокосами 116
2.4 Выводы по главе 2 127
3. Исследование гидродинамического и ледового сопротивления модели, оборудованной имитаторами геофизической аппаратуры 129
3.1 Постановка задачи исследования гидродинамического и ледового сопротивления модели 129
3.2 Исходные данные для исследования гидродинамического и ледового сопротивления модели 1 3.2.1 Объект и способ исследований 130
3.2.2 Модели сплошного и битого льда 131
3.2.3 Методика пересчета результатов испытаний на натуру 133
3.3 Объем испытаний 137
3.3.1 Испытания на чистой воде 137
3.3.2 Ледовые испытания 137
3.4 Порядок подготовки и проведения испытаний 138
3.4.1 Подготовка к испытаниям 138
3.4.2. Проведение испытаний 138
3.4.3 Результаты испытаний 163
3.5 Выводы по главе 3 169
3.5.1 Испытания на чистой воде 169
3.5.2 Испытания в сплошном льду 170
3.5.3 Испытания в битом льду 171
3.5.4 Заключение 172
4. Способ проведения подводно-подледной сеисмоакустическои разведки с использованием ледокольного судна и комплекса для его осуществления 174
4.1 Общая постановка задачи проведения подводно-подледной сейсморазведки 174
4.2 Описание судна - носителя комплекса для проведения сейсморазведки 178
4.3 Описание комплекса для проведения подводно-подледной сейсморазведки 179
4.4 Способ управления сейсмокосами 194
4.5 Выводы 207
5. Испытания модели погружаемого неавтономного аппарата и оценка влияния гидродинамического шума на работу комплекса 214
5.1 Постановка задачи исследования гидродинамического шума 214
5.2 Описание экспериментальной установки, модели для исследования параметров ГШ и экспериментов 216
5.3 Результаты экспериментов 223
5.3.1 Результаты экспериментов в отсутствии дефектов поверхности модели 223
5.3.2. Влияние крупномасштабных неоднородностей поверхности корпуса 227
5.3.3 Влияние локальных дефектов обтекателей каналов бортовых антенн (выступы на крышке канала) 232
5.3.4 Влияние локальных дефектов обтекателей каналов бортовых антенн (отверстия в крышке канала) 237
5.4 Выводы 246
Заключение 249
Список литературы
- Требования к сейсмоакустическому оборудованию при работах в акватории с ледовым покрытием
- Состав, массогабаритные, энергетические и конструктивные характеристики оборудования для сейсмоакустических работ
- Методика пересчета результатов испытаний на натуру
- Описание комплекса для проведения подводно-подледной сейсморазведки
Введение к работе
Актуальность темы. Как известно, последние годы имеет место устойчивое падение добычи нефти по отдельным нефтяным компаниям, нефтегазоносным районам и по стране в целом. Это падение уже в ближайшие годы может приобрести устойчивый тренд. Одним из способов решение проблемы обеспечения энергетической безопасности страны может служить освоение «нетрадиционных» нефтегазоносных районов. К их числу относится Арктический шельф.
Россия - государство с самой протяженной береговой линией в Арктике. Освоение ресурсов арктического региона является исключительно важной геополитической и экономической задачей, определяющей вектор дальнейшего развития страны и во многом определяющей саму возможность дальнейшего существования российского государства. При этом глобальное потепление и связанное с этим таяние арктических льдов играет нам на руку, так как открывает перед Россией новые экономические перспективы. Они связаны как с освоением месторождений нефти и газа на арктическом шельфе, так и с развитием судоходной магистрали Северного морского пути.
Большую часть рельефа дна Северного Ледовитого океана занимает шельф и подводные окраины материков (до 70 % площади дна). Именно этим объясняется малая средняя глубина океана — около 40 % его площади имеет глубины меньше 200 м. На сегодняшний день считается, что основные месторождения этой зоны мирового океана уже открыты, в связи с этим революционного прироста запасов от активной разведывательной деятельности не предвидится. Однако следует отметить, что сегодня основу промышленного прироста разведанных запасов нефти и газа составляет «доразведка» эксплуатируемых месторождений. Так же известно, что до начала любого промышленного бурения месторождение тщательно исследуется для выявления наиболее «интересных» мест бурения. В настоящее время в осуществлении геофизических исследований шельфа наметилось значительное отставание нашего государства от основных конкурентов. Если сравнить плотность трасс сейсмоакустического профилирования даже в активно изучаемых и разрабатываемых районах морей русского севера, то она на порядки будет ниже, чем в норвежской зоне Северного моря, хотя начаты сейсмоакустические работы в нашей стране и Норвегии одновременно (в 60-ых годах прошлого века). Согласно Ю. П. Трутневу (с 2004 по 2012 г. министр природных ресурсов и окружающей среды; доклад Президенту Российской Федерации Д.А. Медведеву 18.07.2009 г.), плотность покрытия сейсмическими работами в наиболее
перспективных акваториях арктических морей, за исключением Баренцева и Печорского,
не превышает 0,15 км на 1 кв. км, а для восточных морей — менее 0,1 км на 1 кв. км. И для того, чтобы довести этот показатель до уровня изучения шельфов «развитых» экономик с применением существующих методик сейсмопрофилирования, потребуется не менее 30 лет.
Отчасти, это связано с тем, что, например, акватория Северного моря практически круглый год свободна ото льда, что позволяет применять в ее границах традиционные методы сейсмопрофилирования и сейсмозондирования дна. Моря русского севера в зимний период сковывает лед (в некоторых районах Арктики понятие «зимний период» включает в себя 9-10 месяцев в году). Как показано в настоящем исследовании, данный факт значительно затрудняет исследования дна, а с применением традиционных методов, делает невозможным их осуществление в зимний период.
Из сказанного, очевидно, можно сделать вывод о высокой востребованности отечественного судна для осуществления геофизических исследований и сейсморазведки в ледовых условиях в случае его постройки. Настоящая работа посвящена поиску решения составной части этой технической задачи - разработке способа осуществления сейсмоакустической разведки арктического шельфа в условиях сложной ледовой обстановки и проектированию специальных устройств ледокольного судна, которые могут позволить эту разведку осуществить.
Теоретической основой настоящего исследования в области теории проектирования судов и физики льда стали работы: В.В. Ашика, А.В Бронникова, В.А. Зуева, Ю.П. Доронина, К.Е. Сазонова, Е.М. Грамузова, Б.П. Ионова, Л.М. Ногида, Р. Эдвардца (R.Y. Edwardc), X. Китагавы (Н. Kitagawa), А. Аткинса (A. G. Atcins), Н.А. Таранухи, В.М. Козина, Е.П. Роннова, и др. Основой исследования по проблемам сейсмической разведки, отражательной сейсмологии, морской сейсморазведки, ряда вопросов геофизики, изложенные в работах А.Н. Телегина, М.Б. Рапопорта, Р Шериффа, Л. Гелдарта, Г.М. Голошубина, B.C. Авербаха, П.И. Коротина и др.
Вопросам моделирования сплошного и битого льда и его взаимодействия с судами ледового класса посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных авторов: и т. д.
Цель работы. Разработка комплекса, включающего судно, специальные устройства и системы, обеспечивающего осуществление геофизических и сейсмоакустических исследований в ледовых условиях на шельфе Арктических морей.
Для достижения указанной цели подлежали решению следующие задачи:
1. исследование современного состояния вопроса изучения донных пластов
шельфа арктических морей сейсмоакустическими методами;
-
формулировка требований, предъявляемых к специальным устройствам и системам для их применения в ледовых условиях;
-
определение зависимостей характеристик ходкости ледокольных судов и комплексная оценка влияния на них установки сейсмоакустической аппаратуры;
-
разработка специальных судовых устройств и систем, обеспечивающих безопасное погружение геофизической аппаратуры ниже нижней границы ледяного покрова и исключающих ее взаимодействие с обломками льда;
-
разработка методики и алгоритма практической проверки ходовых, ледокольных и прочих характеристик судна с установленной сейсмоакустической аппаратурой, оценка способов и технологии использования специальных устройств на этих судах и оценка степени выполнения специальными устройствами и системами своих функций путем исследования масштабной модели и макетов аппаратуры в опытовом ледовом бассейне;
-
разработка способа проведения подводно-подледной сейсмоакустической разведки с использованием ледокольного судна и комплекса для его осуществления;
-
разработка методики и алгоритма учета вклада специфических параметров (гидродинамического шума) в сейсмограммах, полученных при сейсмоакустическом исследовании донных пластов;
-
разработка практических рекомендаций для проектирования ледокольного судна пр. 00902, направленных на учет установки выдвижной фермы из донного люка и учет буксировки сейсмоакустических кос за судном, погруженных ниже нижней границы ледового покрова.
Объектом научного исследования является взаимодействие ледяного покрова с выступающими за пределы корпуса ледокола специальной геофизической аппаратурой, системами и устройствами для сейсмоакустической разведки и геофизических исследований в ледовых условиях.
Предметом научного исследования являются ледокольные суда, оборудованные
выступающей за пределы корпуса специальной геофизической аппаратурой, системами и
устройствами для сейсмоакустической разведки и геофизических исследований в ледовых
условиях.
Методы исследования. При моделировании использованы современные
цифровые методы видео и фото фиксации и записи исследуемых параметров. В ходе
работы применялись статистические методы (для исследования и анализа
экспериментальных данных); методы теории вероятностей (для установления величины
погрешностей в экспериментальных данных, их учета при анализе и устранения грубых
промахов в экспериментах); методы теории проектирования судов (для обоснования расположения, формы и размеров специальной аппаратуры для сейсмоакустических исследований); теория физического моделирования (при выборе параметров модели судна и пересчете результатов на натуру).
Научная новизна. В результате проведенных исследований были получены следующие новые результаты:
разработаны специальные устройства и системы, устанавливаемые на ледокольном судне и предназначенные для осуществления сейсмоакустической разведки с ледокола. Проведены исследования по расположению этих устройств и систем на судне с учетом требования по безопасному выпуску кос и излучателей, а так же повышения их эффективности при использовании в ледовых условиях;
продолжены исследования прокладки ледоколом канала в ледовых условиях и исследования малоизученного вопроса взаимодействия элементов ледокола с обломками льда, затягиваемыми под судно, и их влияния на выносную аппаратуру (косы, излучатели, несущие конструкции и т.п.);
разработаны методика и алгоритм практической проверки ходовых, ледокольных и прочих характеристик судна с установленной сейсмоакустической аппаратурой путем исследования его масштабной модели в опытовом ледовом бассейне, осуществлена эта проверка на практике;
предложен и теоретически обоснован способ проведения подводно-подледной сейсмоакустической разведки с использованием ледокольного судна и комплекса для его осуществления;
-разработан и предложен к реализации способ управления сейсмоакустическими косами и устройство позиционирования для его осуществления, позволяющие применять сейсмоакустические косы по прямому назначению в ледовых условиях;
- предложены и реализованы на практике методика и алгоритм учета вклада
специфических параметров (гидродинамического шума) в сейсмограммах, полученных
при сейсмоакустическом исследовании донных пластов.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
-
Алгоритм определения ходкости ледокольных судов и комплексной оценки влияния на нее установки специальных систем и устройств сейсмоакустической аппаратуры;
-
Методика и алгоритм практической проверки ходовых, ледокольных и прочих
характеристик судна ледового класса с установленными специальными устройствами и
системами путем исследования его масштабной модели, оборудованной макетами устройств и систем, в опытовом ледовом бассейне;
-
Способ проведения подводно-подледной сейсмоакустической разведки с использованием ледокольного судна и комплекса для его осуществления;
-
Методика и алгоритм проведения модельных испытаний неавтономного погружаемого аппарата с целью установления величины вклада гидродинамического шума в работу комплекса для сейсмоакустических исследований.
Практическая значимость. Полученные результаты, методики, алгоритмы, способы и рекомендации могут быть использованы проектными и научными организациями при проектировании научно-исследовательских или вспомогательных судов ледового класса, предназначенных для проведения сейсмоакустических исследований мирового океана, или иной сложной техники, предназначенной для использования в сложных погодно-климатических условиях Арктического региона.
Внедрение. Полученные результаты использованы Институтом прикладной физики РАН (ИПФ РАН) в рамках ряда совместных проектов по созданию и обоснованию методик и способов изучения арктического шельфа, планируется их дальнейшее внедрение при проектировании подводных и надводных научно-исследовательских судов ведущими проектными организациями России.
Некоторые аспекты проектирования судов ледового класса, сформулированные и подробно изученные в рамках настоящего исследования, внедрены в учебный процесс и в научно-исследовательскую работу кафедры Кораблестроения и авиационной техники Института транспортных систем Нижегородского государственного университета им. Р.Е. Алексеева.
Достоверность. Достоверность полученных результатов подтверждается выполненными статистическими исследованиями с оценкой погрешности результата и выполненными проверочными расчетами. Достоверность полученных соотношений подтверждается сходимостью результатов экспериментов и предварительно вьшолненных теоретических расчетов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
XIII международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (НГТУ, Нижний Новгород, 2014 г.);
межведомственной конференции «Актуальные проблемы военной науки и политехнического образования ВМФ» (ВМПИ ВУНЦ ВМФ «ВМА», Санкт-Петербург, 2015 г.);
VII научно-практической конференции «Гидроакустическая связь и гидроакустические средства аварийно-спасательного назначения» (НИИ гидросвязи «Штиль», Волгоград, 2015 г.);
XXI Губкинских чтениях «Фундаментальный базис инновационных технологий поисков, разведки и разработки месторождений нефти и газа и приоритетные направления развития ресурсной базы ТЭК России» (РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, Москва, 2016 г.).
Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «Кораблестроение и авиационная техника» НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 работы в реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК, получены 2 патента на изобретение.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 268 листов формата А4, 127 рисунков, 3 таблицы. Список использованной литературы включает 102 наименования. В общее количество листов входит четыре приложения на 7 листах.
Требования к сейсмоакустическому оборудованию при работах в акватории с ледовым покрытием
Принципы сейсмозондирования донных пород существенно отличаются от простой эхолокации при батиметрических работах [21,40,41]. Основные отличия заключаются в особенностях распространения звука в грунте и воде: наличии нескольких типов волн, существенной неоднородности пород различного типа, большом затухании звука в земных породах. Считается, что эффективно использовать для глубинной сейсмолокации частоты до 100Гц [40]. С этим связаны и проблемы излучения столь низких частот и невозможность сформировать хорошо направленный лоцирующий сигнал и получить пространственное разрешение сравнимое с гидролокацией.
Строгого решения обратной задачи восстановления распределения скоростей и плотности грунта по глубине при сейсмолокации не существует [40]. Во всех известных алгоритмах используется та или иная модель дна, в которой подбирают параметры плотности и скорости грунта по результатам эксперимента. Модели дна используют одно-, двух и наиболее реалистичные - трехмерные, отчего и используют термины 2-D и 3-D профилирования.
Для одиночного приемника, движущегося вместе с излучателем, сейсмограмма (фактически эхолот, захватывающий донные слои) выглядит проще (рис. 1.3), так как в ней отсутствует вклад поперечных волн, однако параметры слоев (толщину и плотность, или толщину) по ней рассчитать невозможно. 1S14S 01ЄЗ 910 1ЯИЙ НН№2 1№4е ISOfie 13№& 1М№ 19SS 15042
На рис.1.3 приведен пример данных морской сейсморазведки около Гавайских островов. На этом рисунке изображен сигнал, принятый на один гидрофон при перемещении системы излучатель-приемник. Излучающая система - пневмопушка фирмы Seismic Systems, располагалась на глубине 8 метров и производила выстрелы в процессе движения судна через каждые 40 метров; приемник буксировался на глубине 20 метров. Начало записи синхронизовано с моментом выстрела.
Для восстановления характеристик дна в двумерных и трехмерных моделях надо принимать и учитывать при расшифровке сейсмограмм - преломленные и рефрагированные в донных слоях волны [21]. Для глубоких слоев выход таких волн из дна происходит на расстояниях от источника больших, чем интересующая глубина зондирования [там же]. Поэтому и необходимо использовать распределенные приемные системы в виде кос большой длины и чем больше интересующая глубина, тем длиннее должны быть косы. Общепринятыми методами в морской геологоразведке являются варианты реализации 2D и 3D разведки при помощи буксировки гибких протяженных сейсмокос [21,40,41]. При первичном исследовании района обычно достаточно восстановление его характеристик в 2-D модели, т.е. достаточно буксировать одиночную косу, что уже в состоянии указать на потенциально интересные точки для бурения. В процессе бурения берутся пробы, которые дают информацию о скоростях и плотностях грунта на различных глубинах. После бурения разведывательных скважин более детальный анализ требует структуры трехмерной в 3-D модели, которая позволяет получать контуры месторождения и оценивать запасы обнаруженного сырья. Для построения 3-D модели дна необходима уже буксировка системы кос. Чем глубже акватория, тем устранение искажений требует систем с большим разнесением кос друг от друга. На настоящий момент наиболее мощные комплексы используют больше десятка кос с разнесением крайних на расстояние до километра (по сотне метров между косами) [21].
В тоже время известны и методы, использующие донные сейсмокосы, вертикальные приемные системы и одиночные приемники, а также их совместное применение в различных конфигурациях [21].
Недопущение искажений в восстановленной 3D картине в морской разведке требует строгой геометрии приемной системы или непрерывного контроля геометрического положения кос, акустическими методами или средствами глобального позиционирования - GPS. Ограничения точности данных систем является причиной невозможности совместной обработки нескольких параллельных проходов кос, в отличие от сухопутной 3D сейсморазведки, в которой можно «перекладывать» приемные системы.
В качестве источников лоцирующих сигналов применяют в большинстве случаев пневмопушки или их батареи (рис. 1.4), опускаемые независимо от приемных кос [21,22,41]. Батареи сейсмопушек применяют для увеличения мощности зондирующих сигналов с учетом жестких требований по их синхронизации - одновременному срабатыванию. Рис. 1.4 Пневмопушки - источник звука для сейсмолокации.
Как уже отмечалось, для глубинной локации на глубины до нескольких километров представляют интерес частоты до 100 Гц вследствие сильного роста затухания в грунте с ростом частоты. Более высокие частоты могут использоваться для инженерной разведки на глубинах до нескольких сотен метров.
Акустическое давление пневмопушки (рис. 1.5а) имеет форму импульса и формирует ударную волну с широким спектром (рис. 1.56). Батарея пушек используется для увеличения давления (рис. 1.6), но также имеет широкий спектр и ненаправленное излучение в пространстве. Фактически акустический КПД пневмопушек составляет не более единиц процентов, так как эффективно используется сигнал до 100 Гц [21].
Основное требование к пневмопушкам - большая мощность, обеспечивающая превышение сигнала над шумами буксировки приемных антенн и фоновыми шумами моря. Для обеспечения их работы необходимо оборудование (компрессорные станции) обеспечивающие высокое давление до 140 Атм, которое передается на источники звука по воздушным кабелям [21]. Работать такие источники могут с определенной скважностью: по наполнению буферных объемов воздухом с нужным избыточным давлением. По величине объема выбрасываемого воздуха оценивается эффективность источника. Батарея пушек может развивать давление до 240 дБ отн. 1 мкПа [21].
Состав, массогабаритные, энергетические и конструктивные характеристики оборудования для сейсмоакустических работ
Основным методом изучения донных осадков, как на поисковом этапе, так и в ходе разведки и обустройства скважин на акваториях является непрерывное сейсмическое профилирование (НСП), представляющее собой одноканальный вариант метода отраженных волн. Метод НСП по технике проведения наблюдений близок к эхолокации, но благодаря использованию низких частот позволяет получать отраженные сигналы от многих контактов поддонных слоев с контрастными акустическими импедансами. На получаемых временных разрезах для каждой точки определяется нулевое время: t0 = /у , где Н - глубина до эха от залегания отражающего контакта, a vcp - средняя скорость в толще горных пород мощностью Н. Чтобы определить глубину отражающей границы, необходимо получить 17ср. Для этого используются приемные косы (например, метод МОВ). Методика и глубинность исследований этими методами различаются. НСП служит для изучения верхней части осадочного чехла глубиной до 1,5 км при больших скоростях движения судна по одному проходу галса (профиля). Методы с длинными косами позволяют детально изучать разрез глубиной в несколько километров при многократных проходах судна по одному галсу. Получаемые временные и глубинные сейсмогеологические разрезы позволяют выявлять отражающие контакты, картировать структуры и сейсмостратиграфические комплексы, которые могут быть потенциально нефтегазоносными. Разведка уже выявленных перспективных участков проводится детальными площадными работами (трехмерной сейсморазведкой - 3D технология). При ее выполнении используют часто донные постановки приемных систем - сотни донных сейсмоприемников устанавливаются на изучаемой площади и подключаются либо проводами, либо с помощью радиобуев к многоканальной цифровой сейсмической станции на измерительном корабле. С помощью второго корабля, несущего невзрывные источники упругих волн, производится их возбуждение во множестве точек. В результате недра как бы «подсвечиваются» со всех сторон и получается их объемная «голографическая картина» в поле упругих волн. Обработка информации производится на измерительном корабле с помощью мощных ЭВМ. Такая морская сейсморазведка оказывается высокоточной и экономически выгодной, несмотря на высокую стоимость техники и проведения работ на акваториях. Окончательная разведка месторождений, за которой часто следует добыча нефти и газа, ведется с помощью морских (океанических) скважин и комплексных геофизических исследований в них.
В любом случае стандартным для современной практики морской сейсморазведки является подход к решению задачи профилирования донной структуры с использованием импульсных источников ударного типа (пневмопушек или искровых разрядников — спаркеров) и протяженных приемных сейсмокос. Батареи пневмопушек обеспечивают высокий уровень сигнала в диапазоне до 100 Гц, которого, с учетом характеристики приемной антенны, достаточно для зондирования глубин в несколько километров. Пространственное разрешение при использовании излучателей ударного типа определяется длительностью сигнала, которая ограничена снизу конструктивными особенностями величиной в 10 мс. При характерных значениях скорости звуковых волн в донных породах разрешающая способность при этом составляет десятки метров.
В ИПФ РАН разрабатывается альтернативный подход к построению систем сейсморазведки морского дна на основе когерентных зондирующих сигналов. Типичные варианты таких сигналов — сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и фазоманипулированные псевдослучайные сигналы (ПСП). Для генерации таких сигналов необходимы низкочастотные широкополосные излучатели, управляемые программно. Успешный опыт разработки подобных источников в ИПФ РАН связан с решением различных задач зондирования водной толщи океана. После приема сложного сигнала могут быть реализованы фильтрация и сжатие путем свертки с опорным сигналом, длительное накопление сигнальных последовательностей, синтез протяженной апертуры одиночным приемником по накоплению сигналов при движении пространственной координате. На приеме в полной мере могут быть использованы возможности диаграммы направленности косы по подавлению шумов и выделению полезных сигналов.
На рис. 1.15 показан пример опытной апробации возможностей когерентных методов морской сейсмоакустики: схема эксперимента, вид одиночного излучателя, сейсмограммы для двух типов источников возбуждения. Эксперименты на акватории Каспийского моря с буксируемым приемно-излучающим комплексом выполнены сотрудниками ИПФ РАН и ИО РАН. Использован гидроакустический излучатель (оборудование ИПФ РАН), генерирующий последовательности импульсных ЛЧМ - сигналов в полосе примерно 100 Гц в широком частотном диапазоне от 100 до 1000 Гц. Мощность излучателя в полосе 180 — 230 Гц составляла около 130 Вт. В качестве приемной системы использовалась приемная сейсмокоса, состоящая из 25 гидрофонов (оборудование ИО РАН).
Методика пересчета результатов испытаний на натуру
Запись данных и управление акустическим возбуждением, а также их синхронизацию и регистрацию служебных сигналов осуществляет корабельный обрабатывающий пост (КОП). В его функции входит: - связь с навигационной системой для привязки к абсолютным координатам и регистрация абсолютных координат, скорости, курса, глубины хода, глубины, параметров вытравленной косы, режима излучающей системы; - обеспечение единой системы времени для ПУ и излучающей системы; - формирование сигналов возбуждения; - фазирование излучателей.
Аппаратура КОП разрабатывается блочного исполнения трехуровневой архитектуры: ячейка (базовая несущая конструкция (БНК) 1 уровня) - вставной блок (БНК 2 уровня) - приборная стойка (БНК 3 уровня). Уровни разукрупнения и габариты БНК выбираются в соответствии с ГОСТ 51623-2000. Габаритные размеры: - БНК 2 уровня: 200 450 450 мм; - БНК 3 уровня: 1600 500 600 мм. Масса отдельных модулей аппаратуры, выполненных на базе БНК 2 уровня, не должна превышать 30 кг, масса стоек на базе БНК 3 уровня в сборе с комплектующей аппаратурой не более 500 кг. Аппаратура КОП изготавливается в климатическом исполнении В4.1 по ГОСТ 15150. При этом ее эксплуатация должна обеспечиваться в условиях: - предельное значение температуры верхнее +40 С, нижнее +1 С; - верхнее значение влажности 80 % при температуре 25 С.
Система теплообмена вставных блоков и приборной стойки в целом должна обеспечивать оптимальные условия работы технических средств: температура воздуха +20 С, влажность воздуха 60 %. Аппаратура КОП группируется в напольные стойки, изготовленные на базе БНК 3 уровня: - стойка ПУ, управление и сбор данных ПУ; - стойка для обработки данных и получения сейсмопрофилей; - стойка управления и обеспечения питанием буксируемых излучателей (управление и обеспечение питанием излучателей различного частотного диапазона осуществляется от различных стоек); - стойка с управляющим компьютером, общая координация работы сейсмоакустического комплекса, контроля его функционирования, пространственного положения БК, рабочее место руководителя работ; - стойка банка данных с возможностью хранения не менее 100 ТБт цифровых данных с первичной измерительной информацией и результатов обработки.
Степень защиты технических средств, обеспечиваемая стойкой, IP34 по ГОСТ 14254 [65]. Конструкция аппаратуры КОП должна исключать наличие резонансов в диапазоне частот 10- -160 Гц. Виброзащита от перемещений в горизонтальном и вертикальном направлениях разрабатываемой аппаратуры обеспечивается двухуровневой амортизацией. Амортизируются приборные стойки и рамы их крепления к корпусным конструкциям.
Для оперативной интерпретации данных в состав КОП может быть введен обрабатывающий центр на базе высокопроизводительных компьютеров со специализированным программным обеспечением. 2.3 Специализированные системы и устройства, направленные на обеспечение выполнения НИС функции сейсмоакустической разведки
Основной конструктивный прием, предлагаемый к реализации на ледоколе, оборудованном для сейсмоакустических разведочных работ, заключается в погружении приемных и излучающих антенн ниже ледового покрова [66, 67, 68].
Буксировка приемной косы на глубине порядка 15...20 метров в ситуации, когда заведомо большая часть её будет под ледовым покровом, однозначно потребует управления заглублением косы, даже не слишком большой длины, либо с помощью активных заглубителей [64], либо изменением плавучести по данным встроенных датчиков. Практика использования в мелком море буксируемых кос подводными лодками, как отечественными, так и иностранными, (а ледоколу в арктических морях придется часто работать на шельфе именно при малых глубинах) показывает частое повреждение буксируемых антенн длиной значительно большей глубины места. В глубоких морях подводные лодки для обнаружения используются гибкие буксируемые антенны до нескольких километров длиной. В условиях мелкого моря практика эксплуатации дает ограничения: буксируемые антенны не превышают вместе с нерабочим отрезком кабеля длины пятисот метров.
Для опускания приемной косы используется шахта в днище корабля. При этом сама приемная коса может быть унифицирована с косами, выпускаемыми с кормы при свободной воде.
Шахта (Рис.1) делится на две части, различные по функционалу и конструктивному исполнению. Одна из них - это стационарно установленная вертикальная труба (позиция 1 рис. 1), соединяющая помещение с вьюшками сейсмокос (главная палуба) и герметичную выгородку (поз. 2 рис. 1) в районе днища и второго дна. В местах пересечения трубы и палубных перекрытий, 4-х миллиметровая стенка трубы усилена армирующими кницами, вваренными в фундамент из равнополочного уголка (размер полки - 50 мм). Все фундаменты развязаны с корпусом судна посредством тросиковых виброизоляторов, посредством которых снижается влияние вибрации корпуса на измерительную аппаратуру.
Описание комплекса для проведения подводно-подледной сейсморазведки
Выделим наиболее очевидные технологические особенности сейсморазведки, осуществляемой традиционным способом и затрудняющие её применение в условиях сложной ледовой и погодной обстановки: - td хвостовой буй буксируют на поверхности, что обусловлено необходимостью регистрации GPS/ГЛОНАСС данных, либо осуществления с ним радиообмена; - td рабочий участок каждой косы позиционируют механической системой грузов и растяжек, для регулировки параметров этой системы необходимо прервать рабочий цикл исследований и выбрать косы на борт судна, где и осуществляется оговоренная регулировка. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является описываемый патентом РФ № 2516591 [72] способ управления сейсмическими косами.
В указанном патенте предлагаются способ и система для управления формой и расстояниями в схеме расположения сейсмических кос, буксируемых позади исследовательского судна. Каждой сейсмической косой управляют в поперечном направлении посредством устройств позиционирования (так называемых устройств рулевого управления), размещенных вдоль ее длины в конкретных узлах, для достижения заданного расстояния от соседней сейсмической косы. Одной из этих действительных сейсмических кос, используемой в качестве опорной для других действительных сейсмических кос, управляют для достижения заданного расстояния от мнимой, или фантомной, сейсмической косы, виртуально буксируемой вместе с действительными сейсмическими косами.
К недостаткам указанного изобретения можно отнести то, что координатную привязку осуществляют на основании данных, поступающих на управляющий комплекс с надводных частей антенной системы (хвостовой буй сейсмической косы), наличие которых может привести к столкновению косы с плавучими препятствиями (льдинами или иными техногенными объектами) и, как следствие, её повреждению. Также недостатком является то, что регулировку положения кос осуществляют только в поперечном направлении, что делает невозможным использование кос при низких скоростях судна или при его остановке. Кроме того, при маневрировании судна, замедлении или остановки судна (что особенно актуально для ледокола в старт-стоповом режиме хода) либо при наличии сильных течений из-за отсутствия регулировки положения кос в продольном направлении происходит провисание и сильное смещение рабочих участков кос, что приводит к неадекватному покрытию зоны исследований сетью сейсмических кос, а следовательно, к искажению и недостаточному количеству получаемых данных. В результате на тех территориальных участках шельфа, где полученной информации недостаточно, проводят дополнительные измерения, то есть снова осуществляют буксировку кос над конкретным участком для «загущения» получаемого массива данных. Недостатком также является то, что регулировку положения кос по глубине осуществляют с помощью механической системы грузов, для настройки которой требуется выборка кос на борт судна.
Кроме того, устройства позиционирования, посредством которых в прототипе предлагается управлять сейсмическими косами, используют для этого двигатели и подводные крылья. Помимо того, что это не позволяет данным устройствам осуществлять управление косами в продольном направлении, из чего автоматически вытекают многочисленные недостатки способа-прототипа, но еще эти устройства являются сильно шумящими, и нигде в способе-прототипе не упомянуто о том, что производимые позиционирующими устройствами шумы существенно влияют на качество измерений, что их необходимо измерять и учитывать при обработке разведочных данных для повышения точности измерений.
Задачей, на которую направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности разведочных данных, получаемых в результате измерений, производимых в процессе буксировки сейсмоакустических кос, расширение диапазона скоростей буксировки сейсмоакустических кос в сторону малых скоростей (вплоть до полной остановки судна), автоматизация отслеживания и регулировки пространственного расположения рабочих участков кос без прерывания рабочего цикла исследований, повышение сохранности сейсмоакустических кос при проведении процесса измерений.
Технический результат в части, касающейся способа, обеспечивается тем, что выпускают и буксируют за судном одну или более сейсмоакустических кос, рабочие участки которых представляют собой антенны с чувствительными элементами, оснащенных устройствами позиционирования, расположенными в разнесенных положениях вдоль длины сеисмоакустическои косы, определяют форму и взаимное расположение буксируемых сейсмоакустических кос, осуществляют их коодинатную привязку и задают целевое расстояние между соседними сейсмоакустическими косами, осуществляют передачу команд рулевого управления на позиционирующие устройства для упорядочивания взаимного расположения буксируемых сейсмоакустических кос и регулировки расстояния между соседними косами, а также осуществляют управление положением буксируемых сейсмоакустических кос в поперечном направлении и управление глубиной погружения кос.
Новым является то, что сейсмоакустические косы выпускают из специализированных донных шахт в кормовой части исследовательского судна, координатную привязку осуществляют автоматизированным способом с исследовательского судна, целевое расстояние между соседними косами, а также между чувствительными элементами в каждой антенне задают в соответствии с заранее рассчитанной координатной сеткой, осуществляют управление глубиной погружения кос, а также управление положением буксируемых сеисмоакустических кос не только в поперечном, но и в продольном направлениях с помощью одних и тех же устройств автоматизированного позиционирования, корректируют расстояния между косами, расстояния между чувствительными элементами на рабочих участках косы и глубину погружения кос без прерывания рабочего цикла исследований и выбирания кос на борт судна.
Технический результат в части, касающейся устройства, обеспечивается тем, что устройство позиционирования представляет собой тело нейтральной плавучести, снабженное сцепным устройством для крепления в определенных узлах сейсмоакустической косы.
Новым является то, что корпус тела нейтральной плавучести представляет собой две герметично сопряженных полости, соединенные таким образом, что между ними образуется система сквозных каналов, соединяющих торцевые сопла и сопла у движителей, которые установлены в определенных местах системы сквозных каналов и имеют вектор тяги, регулируемый посредством шторок, размещенных на корпусе устройства возле сопел у движителей, а также тем, что оно оборудовано гидрофоном для регистрации собственных шумов и шумов обтекания набегающим потоком воды, электронным акселерометром и электронным гироскопом, акустическими дальномерами, ретранслятором цифрового потока данных.