способ проведения 3d подводно-подледной сейсмоакустической разведки с использованием подводного судна

Формула изобретения

1. Способ проведения 3D подводно-подледной геофизической разведки с использованием подводного судна, перемещающего, по крайней мере, один излучатель акустического сигнала вблизи дна исследуемой морской акватории, отличающийся тем, что вначале на дне акватории с помощью подводного судна устанавливают линейные донные антенны из цифровых сейсмоакустических приемников, после чего дно акватории облучают непосредственно с движущегося относительно упомянутых линейных донных антенн подводного судна с помощью излучателя, выполненного в виде, по крайней мере, одного источника когерентного широкополосного низкочастотного акустического излучения с мощностью порядка и более 1 кВт и установленного стационарно на подводном судне, при этом прием и регистрацию отраженного излучения осуществляют упомянутыми цифровыми сейсмоакустическими приемниками, установленными на дне, а дальнейшую обработку принятых сигналов проводят с привлечением корреляционного метода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вначале на дне акватории с помощью подводного судна устанавливают две линейные донные антенны под углом друг к другу примерно 90°, работающие автономно.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вначале на дне акватории с помощью подводного судна устанавливают четыре линейные донные антенны, работающие автономно, которые располагают на дне в виде прямоугольника или квадрата.

4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что каждый цифровой сейсмоакустический приемник линейных донных антенн для автономной работы снабжен собственным накопителем информации.

5. Способ по п.1, п.2, п.3, отличающийся тем, что каждая линейная донная антенна снабжена общим накопителем информации для всех цифровых сейсмоакустических приемников данной антенны.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что дно акватории облучают с помощью излучателя, выполненного в виде источника когерентного широкополосного низкочастотного, акустического излучения с линейной частотной модуляцией в полосе частот 60-120 Гц.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что дно акватории облучают с помощью излучателя, содержащего несколько источников когерентного широкополосного низкочастотного акустического излучения, которые позволяют сформировать диаграмму направленности для облучения дна акватории в надир.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительный прием отраженного излучения осуществляют цифровыми акустическими приемниками, расположенными в два ряда вдоль обоих бортов подводного судна.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к геофизике, а именно к области сейсмической или акустической разведки районов, покрытых водой, и может быть использовано для геофизического исследования морских акваторий, в частности лежащих под сплошными паковыми льдами для поиска полезных ископаемых в морском дне, например, на шельфе северных морей.

Подавляющее большинство известных способов и устройств для подводно-подледной геофизической разведки полезных ископаемых в морском дне включают в себя буксировку надводным судном (ледоколом) сейсморазведочной косы (или сейсморазведочных кос), выпускаемых в воду с помощью специальных сейсмических лебедок (см., например, пат. RU 2317572, МПК G01V 1/38 (2006.01), публ. 20.02.2008). Поскольку длина стандартных сейсморазведочных кос достигает 6000 м, то их спуск в воду с борта или из трюма надводного судна и их буксировка за судном в условиях подледной разведки в северных широтах является сложной технической задачей, а в условиях паковых льдов - просто невыполнимой задачей.

О возрастающем интересе к развитию методов морской сейсмической разведки, в том числе и на шельфе арктических регионов, также свидетельствует патент RU 2407043 (дата публикации 20.12.2010), в котором предлагается использование адаптированной конструкции георадара, буксируемого надводным кораблем, при регистрации отраженных электромагнитных волн стационарно установленными на дне приемниками электромагнитного излучения. Получаемую информацию предлагается использовать для уточнения строения среды в областях с идентифицированной ранее геологической структурой, представляющей интерес для практического использования. Полученная ранее геофизическая информация используется для устранения неоднозначности интерпретации электромагнитных изысканий. Данный способ имеет недостаток, присущий технологии использования георадаров: сильное поглощение электромагнитного излучения в насыщенных водой пористых средах ограничивает глубину проникновения электромагнитных волн.

Известен также способ проведения 3D подводно-подледной сейсмической разведки полезных ископаемых в донных отложениях на морском дне, в котором использовано подводное судно, например, подводная лодка, (пат. RU 2388022, МПК G01V 1/38 (2006.01), публ. 27.04.2010). В этом способе подводное судно в рабочем режиме движется лагом, то есть движется вперед одним бортом и буксирует набор сейсморазведочных приемоизлучающих антенных кос, выпускаемых с другого борта судна. По сути, данный способ с незначительными дополнениями копирует упомянутые выше стандартные способы ведения морской сейсморазведки, перенося те же конфигурации размещения оборудования под воду. Для реализации данного известного способа требуется наличие надводного ледокольного судна сопровождения. Само подводное судно геофизической разведки согласно данному способу для перемещения лагом должно быть сконструировано таким образом, чтобы иметь симметричный обтекаемый профиль обшивки как в направлении нос-корма, так и в перпендикулярном направлении. Этот способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком способа-прототипа является то, что для его реализации требуется радикальная переделка базового решения подводных лодок, что существенно снижает экономичность способа, а длительное рабочее перемещение подводного судна лагом (если оно вообще возможно) предъявляет повышенные требования к устойчивости судна. Кроме того, в процессе буксировки длинные, гибкие сейсморазведочные приемоизлучающие антенные косы подвержены колебаниям, вызываемым гидродинамическими силами, что приводит к возникновению фазовых ошибок и появлению дополнительных шумов обтекания. Все это снижает качество принимаемых сигналов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка экономически более эффективного и более технологичного способа проведения 3D геофизической разведки дна морских акваторий, лежащих подо льдом, обеспечивающего более высокое качество получаемого материала.

Технический результат в разработанном способе достигается тем, что разработанный способ проведения 3D подводно-подледной геофизической разведки донных отложений морских акваторий, так же, как способ-прототип, включает в себя перемещение, по крайней мере, одного излучателя акустического сигнала вблизи дна исследуемой морской акватории с помощью подводного судна.

Новым в разработанном способе является то, что вначале на дне исследуемой акватории с помощью подводного судна устанавливают линейные донные антенны из цифровых сейсмоакустических приемников. После чего дно акватории облучают непосредственно с движущегося относительно упомянутых линейных донных антенн подводного судна с помощью излучателя, выполненного в виде, по крайней мере, одного источника когерентного широкополосного низкочастотного акустического излучения с мощностью порядка и более 1 кВт и установленного стационарно на подводном судне. При этом прием и регистрацию отраженного излучения осуществляют упомянутыми цифровыми сейсмоакустическими приемниками, установленными на дне, которые по окончании подводно-подледной геофизической разведки поднимают на борт судна, а дальнейшую обработку принятых сигналов проводят с привлечением корреляционного метода.

Использование стандартной корреляционной обработки сигналов в разработанном способе приводит к выигрышу в соотношении сигнал/шум за счет корреляционного сжатия при свертке принятого сигнала с опорным сигналом (сигналом, подаваемым на излучатель). Регистрация трех компонент смещения (векторный прием) и давления каждым из сейсмоакустических приемников, составляющих линейную донную антенну, позволяет произвести дополнительную селекцию типов принимаемых (отраженных и преломленных) воли, что обеспечивает более высокое качество получаемого материала. Эффективность векторного приема показана, например, в книгах: Гальперин Е.И. «Вертикальное сейсмическое профилирование». М.: Недра, 1982, второе издание, и «Вертикальное сейсмическое профилирование: Опыт и результаты». - М.: Наука, 1996.

Кроме того, разработанный способ предполагает использование многократно апробированных базовых инженерно-технических решений в области подводного кораблестроения, что принципиально важно для обеспечения безопасности эксплуатации оборудования. Отсутствие в первую очередь приемных буксируемых антенных кос ведет к исключению гидродинамических шумов обтекания и появления дополнительных фазовых искажений, обусловленных колебаниями длинных гибких кос в процессе буксировки. Таким образом, сама схема измерений в разработанном способе направлена на повышение качества принимаемых сигналов при обеспечении к тому же экономической эффективности и технологичности геофизической разведки дна покрытых льдом морских акваторий.

В первом частном случае реализации способа целесообразно вначале на дне акватории с помощью подводного судна установить две линейные донные антенны под углом друг к другу примерно 90°, работающие автономно.

Во втором частном случае реализации способа целесообразно вначале на дне акватории с помощью подводного судна установить четыре линейные донные антенны, работающие автономно, которые следует расположить на дне в виде прямоугольника или квадрата.

В третьем частном случае реализации способа целесообразно каждый цифровой сейсмоакустический приемник для автономной работы снабдить собственным накопителем информации.

В четвертом частном случае реализации способа целесообразно каждую линейную донную антенну снабдить общим накопителем информации для всех цифровых сейсмоакустических приемников данной антенны.

В пятом частном случае реализации способа целесообразно дно акватории облучать с помощью всенаправленного излучателя, выполненного в виде источника когерентного широкополосного низкочастотного акустического излучения с линейной частотной модуляцией в полосе частот 60-120 Гц.

В шестом частном случае с помощью излучателя, содержащего набор из нескольких источников когерентного широкополосного низкочастотного акустического излучения, целесообразно формировать диаграмму направленности для облучения дна акватории в надир.

В седьмом частном случае целесообразно дополнительный прием отраженного излучения осуществлять цифровыми акустическими приемниками, расположенными в два ряда вдоль обоих бортов подводного судна

Во всех частных случаях реализации способа регистрацию сигналов осуществляют многоканальными векторными приемниками, развернутыми на дне в виде набора параллельных и/или перпендикулярных линейных донных антенн из цифровых сейсмоакустических приемников, работающих автономно. Автономность работы сейсмоакустических приемников исключает наличие длинного сигнального кабеля, что привело бы к ограничению мобильности и потенциальному возникновению нештатных ситуаций. Запись сигналов в цифровом виде с максимально возможной разрядностью (например, 32 бита) осуществляется на магнитные или иные накопители информации (например, высокоскоростные флэш-карты большой емкости), предназначенные для долговременного хранения информации. Такие накопители информации, потребляющие малую энергию, могут быть автономными и использоваться для хранения данных либо каждого приемника, как заявлено в п.4 формулы, либо сразу всех приемников линейной донной антенны, как заявлено в п.5 формулы. Формат записи должен допускать преобразование в формат SEG-Y, который используется в разведочной геофизике и с которым работают многочисленные прикладные программы. Каждый из сейсмоакустических (векторных) приемников должен снабжаться системой ориентации для взаимной привязки сигналов горизонтальных (в плоскости дна) и вертикальных проекций скоростей (или ускорений - в случае использования акселерометров в качестве сейсмоприемников).

В настоящее время существуют технологии укладки кабеля с привязкой координат. В качестве примера можно указать на американо-канадский проект «Тесей», основанный на использовании подводного автономного судна для прокладки кабельных трасс в Арктическом бассейне. Подробную информацию на английском языке можно найти по адресу: www.ise.bc.ca/Theseus.htm. Векторные приемники на базе акселерометров (цифровых сейсмоакустических приемников) с полосой частот от единиц герц до килогерц, интегрированные в кабель с рабочей глубиной до километра, производятся, например, норвежской компанией RXT (www.rxt.com). Таким образом, установка геофизического кабеля на дно в арктическом бассейне является решаемой технологической проблемой.

Наряду с регистрацией сигналов стационарными векторными (сейсмоакустическими) приемниками, установленными на дне, целесообразно на самом подводном судне установить набор гидроакустических приемников (гидрофонов), жестко связанных с судном. Такие приемники составляют группы из нескольких (два-четыре) гидрофонов и их устанавливают жестко по бортам, сверху и снизу подводного судна, как указано, например, в п.8 формулы и на фиг.2. Гидроакустические приемники могут быть использованы как в качестве вспомогательных регистраторов отраженных сигналов с последующей совместной обработкой с векторными приемниками, установленными стационарно на дне, так и для организации векторных приемников, настроенных на регистрацию сигналов, отраженных от донных отложений. Для установки геофизического кабеля на дно и последующего перемещения излучателя в разработанном способе предполагается использование подводного автономного судна малого тоннажа. В этом случае из-за ограниченности длины подводного судна группы из гидроакустических приемников не образуют развернутые антенны и могут играть лишь вспомогательную роль приемников-интерферометров.

Технический результат - повышение экономической эффективности, технологичности и качества получаемого материала обеспечивается в разработанном способе за счет предложенного авторами использования когерентного накопления сигналов сложной формы при продолжительном излучении. В отличие от способа-прототипа вместо импульсных устройств в виде воздушных пушек (см., например, Телегин А.Н. /Ред. Морская сейсморазведка. - М.: ООО «Геоинформмарк», 2004) предлагается использовать источники когерентного широкополосного низкочастотного акустического излучения с мощностью порядка и более 1 кВт. Когерентность излучения предполагает и когерентные накопление и обработку принятых сигналов. Общие принципы когерентной обработки известны и описаны, например, в Справочник по гидроакустике. /Под ред. Колесникова А.Е. - Л.: Судостроение, 1988. Второе издание. Глава 4 «Гидроакустические сигналы». При этом отношение длительности когерентного излучения в разработанном способе к длительности излучения упомянутых импульсных устройств (около 0,1 секунды) составляет величину порядка 100 и, возможно, более, что означает выигрыш по энергии излучения в разработанном способе во столько же раз. Немаловажным является экологический аспект. В последние годы (см., например, материалы последних съездов американского акустического общества, раздел «морская акустика») учеными отмечается негативное влияние звукового шума интенсивных источников (сонары и воздушные пушки) на жизнь морских обитателей. Использование когерентных источников излучения позволяет уменьшить мгновенную мощность излучения и локализовать ее в диапазоне частот ниже килогерцового диапазона, в котором в основном сосредоточена активность морских обитателей. В условиях хрупкого экологического равновесия Арктического бассейна экологический аспект приобретает дополнительное значение.

Кроме того, когерентность излучения позволяет организовать направленное излучение и прием, например, преимущественное излучение в направлении надира, как заявлено в п.7 формулы, и прием сигналов, отраженных преимущественно дном акватории с ослаблением отражений от поверхности, покрытой льдом. При использовании в разработанном способе мощных источников направленного когерентного акустического излучения отпадает необходимость, в отличие от прототипа, в суммировании большого числа сигналов спаренных приемников для выделения сигналов отраженных волн на фоне шумов. Автономность каждого из накопителей информации и когерентность излучения обеспечивают значительную гибкость в обработке принятых сигналов, организации приема сигналов с определенных направлений. Это обстоятельство среди прочего обеспечивает высокую экономическую эффективность и технологичность разработанного способа. При использовании когерентности излучаемых и принимаемых сигналов отсутствует необходимость использования большого числа спаренных приемников для обеспечения высокого отношения сигнал/шум, что исключает затраты на создание многокилометровых подводных сейсмоакустических кос. Второй, не менее существенной, особенностью предлагаемого способа является использование апробированных базовых решений подводных лодок с необходимыми доработками, которые при реализации разработанного способа перемещаются в обычном маршевом режиме. Возможность использования апробированных базовых решений подводных лодок обеспечивается за счет жесткого крепления излучающей системы на подводном судне. В результате чего не страдает гидродинамика подводного судна, его маневренность и безопасность эксплуатации. Все это важно для обеспечения автономной работы подводной лодки и проведения сейсморазведки 3D путем последовательной записи принятых сигналов для набора сейсмических трасс. Качество получаемого материала обеспечивается за счет использования источников когерентного широкополосного акустического излучения и приемников с цифровым преобразованием непосредственно в элементах линейной донной антенны.

В разработанном способе первичная корреляционная обработка сигналов осуществляется стандартным образом (см., например, Скучик Е. Основы акустики. - М.: Мир, 1976, T.1; Справочник по гидроакустике./Под ред. Колесникова А.Е. Л.: Судостроение, 1988. Второе издание. Глава 4 «Гидроакустические сигналы».), что, как показал опыт практического применения (Лебедев А.В., Малеханов А.И. Когерентная сейсмоакустика. // Изв. вузов. Радиофизика. 2003. 46. № 7. 579-597), позволяет реализовать нехарактерные для традиционной сейсморазведки режимы зондирования и повысить разрешающую способность. В результате корреляционной обработки определяется импульсный отклик исследуемой среды, который в силу малой величины деформаций и очевидной линейности среды распространения (донных отложений) формально совпадает с импульсным откликом, получаемым стандартным способом (например, в морской сейсморазведке с использованием импульсных источников). Поэтому интерпретация полученных после корреляционной обработки данных подледной разведки с использованием когерентного излучения и приема производится так же, как и для данных надводной морской сейсморазведки. Следовательно, возможно использование всего накопленного опыта, прикладных программ, вычислительных центров и т.п. служб.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема способа проведения 3D подводно-подледной сейсмоакустической разведки с использованием подводного судна.

На фиг.2 представлено два вида (вид сбоку и вид сверху) принципиальной компоновочной схемы подводного судна сейсмоакустической разведки для реализации разработанного способа.

На фиг.3 представлена схема перемещения подводного судна относительно линейных донных антенн из цифровых сейсмоакустических приемников.

Подводное судно сейсмической разведки (см. фиг.1 и 2) включает в себя само подводное судно 1, имеющее герметичный отсек 8 для расположения там и транспортировки в положении «по-походному» излучателя 2, выполненного, по крайней мере, из одного источника 3 когерентного широкополосного низкочастотного акустического излучения с мощностью порядка или более 1 кВт. Излучатель 2 установлен на штанге 9, которая шарнирно закреплена в отсеке 8 с возможностью фиксации в двух положениях: в положении «по-походному», при котором штанга 9 расположена в отсеке 8 параллельно днищу судна, и в рабочем положении, при котором штанга 9 расположена вне корпуса судна перпендикулярно его днищу (см. фиг.2).

В соответствии с разработанной в данном способе схемой проведения 3D подводно-подледной сейсмической разведки углеводородных ископаемых (см. фиг.1) на дне акватории с помощью подводного судна 1 установлены линейные донные антенны 4 из цифровых сейсмоакустических приемников 5 с накопителями информации 7. При этом накопитель информации 7 может быть как общим для всех цифровых сейсмоакустических приемников 5 линейной донной антенны, так и устанавливаться внутрь каждого из них.

Кроме того, подводное судно 1 дополнительно снабжено гидроакустическими приемниками (гидрофонами) 10, закрепленными на кабель-тросе 11, который жестко связан с подводным судном 1. Количество гидроакустических приемников 10 определяется соотношением длины кабель-троса 11 и максимальной рабочей частоты излучения. Например, для максимальной частоты 120 Гц при длине звуковой волны около 12 метров гидрофоны 10 могут быть размещены не чаще чем через 6 метров. При длине автономного подводного судна малого тоннажа 15-20 метров количество вспомогательных гидроакустических приемников 10 в каждой группе не превышает два-три гидрофона.

В качестве источников 3 акустического когерентного широкополосного низкочастотного излучения могут быть использованы, изготавливаемые в ИПФ РАН (г.Нижний Новгород) глубоководные источники когерентного широкополосного акустического излучения с мощностью порядка и более 1 кВт. Краткое описание источников представлено в обзоре (Лебедев А.В., Малеханов А.И. Когерентная сейсмоакустика. // Изв. вузов. Радиофизика. 2003. 46. № 7. 579-597).

В качестве цифровых гидрофонов 10 могут быть использованы гидрофоны, выпускаемые, например, фирмой «Мониторинг» (ИПФ РАН, Нижний Новгород), описание которых представлено в работах (Коротан П.И., Кияшко Б.В., Чащин А.С., Харитонов А.В. Цифровой гидроакустический приемник. - Журнал «Приборы и системы разведочной геофизики» 2007, № 1, с.35-39 и Коротан П.И., Чащин А.С., Эйдельман Э.С. Цифровая система сбора данных морской сейсморазведки. - Журнал «Приборы и системы разведочной геофизики» 2007, № 3, с.16-18). Регистрация и преобразование сигналов с шаровых сейсмоакустических приемников 5 могут быть организованы аналогичным образом.

Разработанный способ реализуют следующим образом.

Подводное судно 1, находясь в автономном плавании, в маршевом режиме выходит в район проведения геофизической разведки. Вначале на дне акватории с помощью подводного судна 1 устанавливают линейные донные антенны 4 из цифровых сейсмоакустических приемников 5 с накопителями информации 7 (см. фиг.1). После чего из герметичного отсека 8 посредством штанги 9 выводят в рабочее положение излучатель 2, состоящий из одного или нескольких источников 3 когерентного широкополосного низкочастотного акустического излучения (см. фиг.2). Поскольку источники 3 акустического излучения и гидроакустические приемники 10 имеют небольшие объемы и закреплены на подводном судне 1 стационарно и жестко, то гидродинамика подводного судна и его маневренность не нарушаются, и подводное судно 1 может перемещаться над обследуемым районом со скоростью до 40 узлов, т.е. практически в маршевом режиме. В этом режиме трехмерную 3D геофизическую разведку в обследуемом районе проводят путем последовательной записи принимаемых сигналов для набора взаимных расположений излучателя 2 и линейных донных антенн 4 из цифровых сейсмоакустических приемников 5 (см. фиг.3). При этом посредством источников 3 дно акватории облучают в надир когерентным широкополосным низкочастотным акустическим излучением 6 с мощностью порядка или более 1 кВт. А отраженное от морского дна и от неоднородностей (донных отложений) под морским дном излучение принимают векторными цифровыми сейсмическими приемниками 5, снабженными накопителями информации 7. Использование, например, двух перпендикулярных линейных донных антенн 4 или квадрата, составленного из четырех линейных донных антенн 4, позволяет оценить возможные наклоны границ геологических образований за счет выделения соответствующих линий синфазности (например, Телегин А.Н. ред. Морская сейсморазведка. - М.: ООО «Геоинформмарк», 2004; Хаттон Л., Уэрдингтон М., Мейкин Дж., Обработка сейсмических данных, теория и практика. - М.: Мир, 1989; Гамбурцев Г.А. и др.. Корреляционный метод преломленных волн - руководство для инженеров сейсморазведчиков. - М.: Из-во академии наук СССР, 1952). После подъема линейных донных антенн 4 и накопителей информации 7 или только накопителей информации 7 на поверхность производят считывание данных. Обработку принятых сигналов проводят с привлечением известного корреляционного метода (см., например, Скучик Е. Основы акустики. - М.: Мир, 1976, T.1) для вычисления импульсных откликов. Затем полученные таким образом первичные данные преобразуются в стандартный геофизический формат SGY, обработка которого осуществляется квалифицированным персоналом геофизических вычислительных центров с помощью специализированных программ.

В разработанном способе за счет когерентности излучения и накопления принимаемых сигналов увеличивается энергия зондирующих импульсов, что позволяет отказаться от использования длинных (порядка 6000 м) стандартных сейсморазведочных кос и использовать для создания подводного комплекса геофизической разведки апробированные базовые решения подводных лодок с необходимыми доработками, что и обеспечивает решение поставленной задачи.