СЕЙСМОГРАФИЧЕСКОЕ СУДНО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ В АРКТИЧЕСКИХ МОРЯХ ВНЕ ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЙ
SEISMOGRAPHIC VESSEL FOR SEISMIC EXPLORATION IN ARCTIC SEAS REGARDLESS OF ICE CONDITIONS

Изобретение относится к области первичной разведки подводных месторождений нефти и газа в арктических морях.
Первоочередной задачей разведки любого нового нефтегазоконденсатного месторождения является поиск его места, который осуществляется методом 2D технологии сейсморазведки. Для морской 2D сейсморазведки используются специализированные суда. Технология морской сейсморазведки основана на анализе отраженных звуковых сигналов от пластов грунта морского дна. Для излучения звука применяются буксируемые пневмоисточники (пневмопушки). Прием отраженных сигналов осуществляется при помощи приемных кабельных антенн-сейсмокос, которые также буксируются за судном. Для получения 2D карты изучаемого района количество буксируемых сейсмокос может быть до 4 штук. Длина сейсмокосы может достигать нескольких километров.
В настоящее время одной из основных задач освоения новых месторождений нефти и газа является задача разведки месторождений углеводородов на шельфе арктических морей. Акватории арктических морей характеризуются штормовыми условиями, а в зимнее время покрыты сплошными дрейфующими льдами. Данные обстоятельства делают невозможным проведение сейсморазведочных работ по 2D технологии судами с надводной буксировкой системы сейсмокос и пневмоизлучателей и требуют разработки судов новой конструкции для работы по новым технологиям сейсморазведки, не зависящим от ледовых условий.
Известны специализированные морские сейсмические суда типа «Polarcus Asima», «Polarcus Samur», «Polarcus Nadia», «Pacific Explorer», «Western Trident», «WG Vespucci», способные буксировать до 14 сейсмокос по 6-8 км. В Российской Федерации используются сейсморазведочные суда «Академик Лазарев» и «Профессор Полшков» (Р.Н. Караваев, А.С. Портной, В.Н. Разуваев «Суда и плавучие технические средства для освоения морских нефтегазовых месторождений», СПб.: Моринтех, 2009). На судах прекрасные условия обитаемости, значительные площади палуб под установку сейсмооборудования позволяют производить обслуживание и ремонт. Недостатком этих судов является то, что они не могут работать в ледовых условиях в виду обрыва льдом буксируемой аппаратуры.
На сейсмографических судах для возбуждения сейсмоволн используются пневмоизлучатели (пневмопушки) типа Bolt (производство компании Bolt Technology Corporation, США), G-Gun (производства компании Sercel, Франция) с общим объемом 3000-4500 куб. дюймов. Для получения необходимой мощности излучения пневмоизлучатели собираются в 4 линии, в каждой линии устанавливаются до 4 сдвоенных пневмоизлучателя (http://polarcus.com, http://www.pgs.com).
Недостатком известных сейсмических судов для морской сейсморазведки является использование пневмоизлучателей для возбуждения сейсмоволн. Пневмоизлучатели требуют установки на судах воздушных компрессоров. Под установку этих компрессоров на судах предусматриваются компрессорные помещения по габаритам соизмеримые с машинными отделениями. Пневмоизлучатели являются широкополостными акустическими источниками, имеют круговую диаграмму направленности и низкий КПД. КПД в лучших конструкциях достигают нескольких процентов. Для получения необходимой мощности излучения требуется установка по несколько сдвоенных пневмоизлучателей в горизонтальные линии. Большое количество излучателей требует применения мощных компрессоров и соответственного увеличения мощности судовых электростанций, что в конечном итоге ведет к увеличению запасов топлива для дизельгенераторов и водоизмещения судна. Для обслуживания пневмоизлучателей, их хранения, спуска-подъема на главной палубе требуются специальные помещения. На современных судах эти помещения представляют собой высокомеханизированные производственные участки - цеха с огромным количеством вспомогательного и обслуживающего оборудования. Спуск-подъем пневмоизлучателей производится с открытого участка кормы судна. При волнении моря проведение спуско-подъемных операций с излучателями, представляющими из себя изделия длиной до 15 м и массой в несколько тонн, становится опасным для персонала, что ограничивает их выполнение в этих условиях. Пневмоисточники, являясь мощными источниками широкополостного гидроакустического (г/а) шума, наносят вред экологии морей и океанов.
Данные недостатки полностью устраняются за счет замены пневмоисточников на низкочастотные г/а излучатели (электромагнитные или пьезокерамические), применение которых дает ряд преимуществ. Г/а излучатели работают на заданной частоте излучения и могут быть установлены в вертикальную интерференционную решетку, с помощью которой можно получить диаграмму направленности в виде луча строго вниз в сторону исследуемого участка, тем самым значительно снизить потребляемую мощность. Г/а излучатели электромагнитного типа, имеющие в основе конструкции подвижные диафрагмы, колеблющиеся за счет электромагнитов, могут быть выполнены резонансного типа за счет выбора жесткости диафрагм, что резко снижает потребляемую мощность и повышает КПД излучателя (до 40-60%). Г/а излучатели на пьезокерамических элементах позволяют формировать излучающий сигнал заданного вида по времени и управлять пространственными характеристиками излучения. Использование г/а излучателей, позволяющих формировать временные сигналы сложной формы (М-последовательности, сигналы ЛЧМ), обеспечивает получение при последующей математической обработке повышенной пространственной разрешающей способности сейсмоакустической разведки за счет исключения помеховых составляющих, присутствующих в широкополостных принимаемых сигналах. Использование гидроакустических сигналов с управляемой формой сигнала и возбуждением сигнала с высоким акустическим КПД за счет резонансных особенностей г/а существенно снижает интегральный уровень акустического излучения в отличие от пневмопушек, работающих в широкой полосе и имеющих малый коэффициент преобразования энергии в акустическую, что снижает отрицательное воздействие на экологию обследуемых акваторий. Указанные преимущества г/а излучателей, по сравнению с пневмоизлучателями, послужили основанием для разработчиков сейсмооборудования и проектантов сейсмических судов искать решения применения г/а излучателей в морской сейсморазведке.
Известен способ проведения подводно-подледной сейсмоакустической разведки с использованием подводного судна (заявка RU №2011153344/28 (080273) от 26.12.2011 [1]). Данный способ заключается в использовании когерентных широкополостных низкочастотных г/а излучателей, установленных на подводном судне, для получения сейсмоволн.
Известна многоцелевая подводная станция МПС (патент RU №2436705 МПК B63G 8/00, B63G 8/41, 20.12.2011 [2]), предназначенная для проведения сейсморазведки по указанному выше способу в Арктических морях. Сейсмокоса для 2D сейсморазведки выпускается через кормовой верхний стабилизатор и буксируется в толще воды подо льдом.
Недостатком многоцелевой подводной станции (МПС) является то, что она по сути представляет собой подводную лодку и, соответственно, сверхдорогое техническое средство повышенной опасности. Кроме этого, на подводной лодке по сравнению с надводными судами значительно ниже уровень обитаемости, ограниченное пространство, а режим подводной работы МПС требует разработки всего сейсмического оборудования в погружном забортном исполнении с расчетом на работу при полном рабочем давлении воды. Проведение ремонтов забортного оборудования во время подводного рейса невозможно.
Известны также аналогичные технические решения для выполнения сейсмических работ в морских условиях (патенты RU №2317572 C1, 20.02.2008 [3], US №2010226204 A1, 09.09.2010 [4], RU №2427860 C1, 27.08.2011 [5], RU 2427859 C1, 27.08.2011[6], US 2113376 A, 12.05.1992 [7], авторское свидетельство SU №1835938 A1, 10.04.1995 [8], патент RU №2539430 C2, 20.01.2015 [9]).
В качестве прототипа выбрано известное техническое решение, представляющее собой судно с конструкцией, объединяющей преимущества надводного корабля (высокий уровень обитаемости, безопасность, большие площади палуб, позволяющие производить обслуживание и ремонт сейсмооборудования) и преимущества многоцелевой подводной станции в части применения г/а излучателей и буксируемых в толще воды подо льдом сейсмокос для 2D технологии сейсморазведки (патент RU №2539430 С2, 20.01.2015 [9]). Технический результат в известном изобретении [9] достигается тем, что внутри корпуса судна устанавливаются две шахты для выдвижения устройства подводного выпуска буксируемой сейсмокосы и устройства выдвижения блока с г/а излучателями. Оба устройства выдвигаются из днища корпуса судна, тем самым защищаются от воздействия льда, а для снижения сопротивления при ходе судна они выполняются крыльевой формы. В корпусе судна размещаются шахта для устройства выпуска буксируемой сейсмокосы и шахта для выдвижной конструкции г/а излучателей. Спуск-подъем выдвижных устройств осуществляется при помощи лебедок. Г/а излучатели в выдвижной конструкции устанавливаются вертикально с шагом, равным 1/3 или 2/3 длины излучающей волны для получения диаграммы направленности излучения в виде луча, направленного вниз. Расстояние между г/а излучателями внутри выдвижной конструкции регулируется за счет крепления в зависимости от длины излучающих сейсмоволн и позволяет использовать излучатели разной частоты излучения для решения различных сейсмографических задач. Для повышения надежности системы и возможности получения дополнительной информации от отраженных сигналов от разных грунтов в подводной части судна устанавливаются не менее двух бортовых приемных антенн, которые не требуют обслуживания. Антенны устанавливаются стационарно в днищевой части корпуса судна вне зоны воздействия льда, что не требует контроля их положения при работе и обслуживании. Применение коротких бортовых антенн длиной около 2/3 длины судна допускается вследствие реализации синтеза апертуры при использовании когерентных г/а излучателей.
Однако, как правило, научно-исследовательское судно (НИС) буксирует короткую плавающую сейсмическую косу длиной порядка 300 м или так называемые «стримеры» - буксируемые косы длиной более 10 км (korabel.ru/news/comments/…). Например, известно судно типа «PGS Apollo» с системой 3D разведки для сейсмических исследований: длина 106 м, ширина 19,2 м, осадка 6 м или судно для сейсмических исследований компании «Rolls - Royce»: 14 кабелей длиной до 10 км каждый (mining-enc.ru/mining-news/show 202). При этом при буксировке производят возбуждение сейсмических сигналов. Так как короткая коса не позволяет произвести оценки скоростей в среде и получить глубинный разрез, с некоторым шагом, зависящим от геологического строения исследуемого региона, выставляются плавающие сейсмические модули (ПСМ), которые в режиме реального времени непрерывно передают всю сейсмическую информацию на борт судна, однако при этом выполняются единичные наблюдения, которые частично могут быть скомпенсированы путем комплексирования с короткой косой. Во льдах относительно безопасно буксировать косу длиной 300-600 м. В тяжелых ледовых условиях буксирование длиной косы невозможно, т.к. существует большая вероятность ее обрыва подо льдом. Недостатками известного технического решения являются возможность построения только двухмерных моделей по набору сейсмограмм вдоль линии профиля, сложность размещения на днище судна антенн, которые должны быть установлены стационарно в днищевой части корпуса судна вне зоны воздействия льда, что при наличии на акватории сейсмической съемки битого льда обеспечить практически невозможно.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности выполнения сейсмических измерений в условиях арктических морей.
Поставленная задача решается за счет того, что сейсмографическое судно для проведения сейсморазведки в арктических морях вне зависимости от ледовых условий, оборудованное акустичекими излучателями и средствами и устройствами выпуска сейсмокос, в котором в качестве источников сейсмоволн используются гидроакустические излучатели, а выпуск буксируемой сейсмокосы и г/а излучателей, осуществляется при помощи выдвижных конструкций, установленных в вертикальных шахтах в днищевой части судна вне зоны воздействия льда, для приема отраженных от грунта сейсмоволн устанавливается не менее 2-х бортовых линейных приемных антенн, в котором для приема отраженных от грунта сейсмоволн бортовые линейные приемные антенны установлены на выдвижных конструкциях, при этом формируют из приемников две навигационные базы с общим центром базы, располагая их в плоскости, параллельной плоскости палубы судна, при этом ось одной базы направлена вдоль осевой линии судна, а ось другой базы направлена по траверзу вправо, сейсмокосы выполнены из гидросенсорного кабеля, а система разведки для сейсмических исследований выполнена в варианте 3D.
В отличие от прототипа [9], в предлагаемом техническом решении бортовые линейные приемные антенны установлены на выдвижных конструкциях, сейсмокосы выполнены из гидросенсорного кабеля, а система разведки для сейсмических исследований выполнена в варианте 3D.
Размещение бортовых линейных приемных антенн на выдвижных конструкциях позволяет уменьшить риски, связанные с нарушением функционирования бортовых линейных приемных антенн при воздействии битого льда.
Выполнение сейсмокос из гидросенсорного кабеля позволяет оперативно определить нарушение функционирования конкретного кабеля сейсмокосы при его повреждении подо льдом.
Выполнение системы разведки для сейсмических исследований в варианте 3D повышает достоверность построения геологических разрезов.
Формирование из приемников двух навигационных баз с общим центром базы, расположенных их в плоскости, параллельной плоскости палубы судна, при этом ось одной базы направлена вдоль осевой линии судна, а ось другой базы направлена по траверзу вправо позволяет определить направление на источник сигнала как линию пересечения двух конических поверхностей с совпадающими вершинами.
Кабель сейсмокосы представляет собой гидросенсорный кабель, в котором в качестве ключевого сенсорного элемента используются провода с оболочкой из трансэнергопластиков - высокоэлектропроводящего гибкого полимерного композита типа «ЭМИСТОП» (Необычные пластики - новые решения / Ремонт * Инновации * Технология * Модернизация // Ритм, октябрь 2014, с. 10-12), что позволяет благодаря полимерной основе сенсорных жил обеспечить соответственно гибкость и высокую химическую стойкость кабеля. При этом такой кабель не подвержен коррозии долгое время и может работать во влажной среде.
Каждый кабель состоит из двух параллельных гибких сенсорных элементов - находящихся под напряжением металлических жил, с оболочкой из высокоэлектропроводящей пластмассы. От взаимного замыкания жилы предохраняются за счет диэлектрического пластикового прутка, обвитого вокруг жил в виде восьмерок. Вся конструкция помещена в «сорбционный» чехол, изготовленный из капиллярно-пористого волокнообразного материала, обладающего в сухом состоянии диэлектрическими свойствами.
Схема работы сорбционного кабеля заключается в следующем. Вода, соприкасаясь с чехлом за счет совокупности сорбционных и капиллярно-пористых эффектов, начинает впитываться (распространяться по толщине чехла), образуя при этом совокупность электропроводящих взаимно проникающих микроканалов. В конечном итоге эти микро каналы замыкают электропроводящие поверхности двух сенсорных элементов. При замыкании генерируется электрический сигнал, передаваемый далее по металлической сердцевине сенсорных элементов. После соответствующей процедуры обработки сигнала на пульте управления появляется сообщение о факте затопления и его координатах.
Источники информации
1. Заявка RU №2011153344/28 (080273), 26.12.2011.
2. Патент RU №2436705, 20.12.2011.
3. Патент RU №2317572 C1, 20.02.2008.
4. Патент US №2010226204 A1, 09.09.2010.
5. Патент RU №2427860 C1, 27.08.2011.
6. Патент RU №2427859 C1, 27.08.2011.
7. Патент US №2113376 A, 12.05.1992.
8. Авторское свидетельство SU №1835938 A1, 10.04.1995.
9. Патент RU №2539430 C2, 20.01.2015.