СИСТЕМА ПОИСКА МОРСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ
SYSTEM FOR OFFSHORE HYDROCARBON DEPOSIT PROSPECTING

Изобретение относится к средствам поиска углеводородных залежей на протяженных морских акваториях, предпочтительно на шельфе. Изобретение также может быть использовано в просветных гидроакустических системах дальнего приема и комплексного мониторинга характеристик полей различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических), формируемых искусственными и естественными источниками водной среды и морского дна в низком, инфранизком и дробном диапазонах частот.
Известна сейсмоакустическая система поиска углеводородов, включающая взаимосвязанные, как минимум два, приемники, а также блоки обработки и пространственно-временного представления характеристик измеряемых сейсмических волн, формируемых углеводородными залежами, как неоднородными полостями земной коры, при этом в качестве приемных антенн использованы объемные, пространственно-разнесенные на 50-1000 м полусферы, соединенные со сквозными трактами обработки сигналов, содержащими блоки выделения информационных волн на фоне техногенных и других помех среды, а также блоки: исключения искаженных участков сигналов и их последующего обобщения; спектрального анализа сигналов и вычисления дисперсий, а также их амплитудно-временного представления, последующего определения временных участков проявления максимальных уровней дискретных составляющих, по которым затем судят о наличии УВ залежей и глубине их залегания.
Недостатками рассматриваемой системы являются низкая чувствительность приема сейсмических излучений углеводородных залежей, отсутствие мобильности поисковой системы, а также сложность и большое время обработки измеряемой информации. Это в совокупности приводит к низкой эффективности системы и трудностям ее практической реализации и к недостаточной достоверности результатов прогнозирования залежей углеводородов.
В целом такая система уступает по своей эффективности системам, основанным на закономерностях нелинейной гидроакустики.
Известна система параметрического приема акустической (упругой) волны в морской среде, включающая создание вблизи приемника рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки и измеряемых информационных посредством излучения в эту зону дополнительного сигнала. В основе системы заложена закономерность нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки с измеряемыми информационными (см. Б.К. Новиков, О.В. Руденко, Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика, Л.: Судостроение, 1981, с.7-12).
Недостатками этого технического решения являются низкая чувствительность и малая дальность параметрического приема информационных волн в инфранизкочастотном и дробном диапазонах. Существенным недостатком этой системы является практическая невозможность приема слабых геофизических волн в морской среде, формируемых неоднородностями, а также УВ залежами морского дна, как «волн малых амплитуд». Не предусматривается также возможность мобильного поиска источников формирования волн.
Известна система поиска морских месторождений углеводородов, включающая: установленные на дне моря по выбранному профилю (на основе данных сейсморазведки) одной или нескольких гидроакустических станций (ГДАС), снабженных трехканальными сейсмодатчиками, которые в течение нескольких часов как до, так и после использования внешнего возбуждения морского дна с помощью дополнительного излучения сейсмических колебаний, а также применения излучений естественного микросейсмического фона Земли - вне контура и внутри контура УВ залежи в инфразвуковом диапазоне (ИЗД) частот. Система включает блоки первичной обработки измеренной и зарегистрированной на носителях микросейсмической информации (уровней и формы спектров, формируемых залежью сигналов из окружающего сейсмоакустического шума), что выполняется после подъема на поверхность моря ГДАС, по которым рассчитывают комбинации информативных параметров  (площади под кривой взаимного спектра одноименных компонент при записи сейсмического фона после возбуждения среды сейсмическими колебаниями по сравнению с записью до возбуждения). Система включает также операции и блоки вторичной обработки информации и интерпретации полученных результатов с установлением факта наличия УВ залежи на площади разведки и ее типа: нефтяная, газовая и т.д. (см. Арутюнов С.Л., Ложкарев Г.Л., Графив Б.М. и др., 1996, Система вибросейсморазведки при поиске нефтегазовых месторождений (см. RU №2045079, 1992 г).
Недостатком данной системы является низкая эффективность поиска источников гидрофизических и геофизических волн, обусловленная ограниченными возможностями автономных донных гидроакустических станций, а также техническими трудностями их практического использования в морских условиях. Существенным недостатком этого технического решения является невозможность его реализации в мобильных поисковых системах обнаружения и измерения характеристик гидрофизических и геофизических волн на протяженных морских акваториях.
Известно также изобретение, наиболее близкое по своей сущности к заявленному решению, которое может быть использовано как система поиска подводных морских месторождений углеводородов, выполненная с возможностью приема, идентификации гидрофизических и геофизических волн, как поисковых признаков месторождения углеводородов и определения местоположения источников этих волн, включающая в себя размещенные в среде излучающий и приемный акустические преобразователи, выполненные с возможностью формирования между ними параметрической антенны, соединенные с ними соответственно, тракт формирования и усиления излучаемых сигналов накачки среды, а также тракт приема усиления, обработки, выделения и регистрации информационных сигналов (cм. RU №2158029, G10K 11/00, G10K 15/02, 1998 г.). Это решение реализует параметрический прием упругих волн в морской воде, в котором рабочая зона (параметрическая антенна) формируется только в ближней зоне приемника. При этом модуляционные возмущения сигналов подсветки используются только для повышения параметра нелинейности среды в рабочей зоне, а изменение этого параметра за счет непосредственного воздействия измеряемых волн источников не используются. Названная система может быть принята за прототип заявленной системы поиска подводных морских месторождений углеводородов.
Вместе с тем недостатками известного технического решения, затрудняющими их эффективное использование при поиске подводных морских месторождений углеводородов, являются низкие чувствительность и помехоустойчивость приема и, как следствие, ограниченная (единицы километров) дальность параметрического приема информационных сигналов различной физической природы в инфразвуковом и дробном (единицы-доли герца) диапазонах частот. Эти недостатки обусловлены низким коэффициентом их нелинейного преобразования в рабочей зоне среды, а также наличием интенсивных помех среды в инфразвуковом и дробном диапазонах частот. При поиске углеводородного месторождения к помехам среды добавляется интенсивные техногенные излучения, формируемые инженерными сооружениями обследуемой акватории. Не реализуется также возможность дальнего параметрического приема геофизических волн, формируемых в морском дне, мобильного поиска их источников. Кроме того, в условиях протяженного гидроакустического канала распространения волн неизбежно формируются интенсивные помехи среды инфразвукового диапазона частот, которые излучаются естественными источниками морской среды, а также развитым судоходством, что также ограничивает надежность поиска на протяженных акваториях.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в обеспечении мобильности поиска углеводородных залежей на шельфе, при повышении надежности поиска на протяженных акваториях.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в достижении дальнего параметрического приема и измерения спектральных характеристик и пространственно-временной динамики гидрофизических и геофизических полей в инфранизкочастотном и дробном диапазонах, формируемых морскими объектами, как самодвижущимися подводными аппаратами или судами, так и источниками морского дна (углеводородными залежами). Кроме того, обеспечивается четкая идентификация источников полученных информационных сигналов, высокая мобильность поиска месторождений углеводородов и точность определения их пространственной протяженности.
Для решения поставленной задачи система поиска подводных морских месторождений углеводородов, выполненная с возможностью приема, идентификации гидрофизических и геофизических волн как поисковых признаков месторождения углеводородов и определения местоположения источников этих волн, включающая в себя размещенные в среде излучающий и приемный акустические преобразователи, выполненные с возможностью формирования между ними параметрической антенны, соединенные с ними соответственно, тракт формирования и усиления излучаемых сигналов накачки среды, а также тракт приема усиления, обработки, выделения и регистрации информационных сигналов, отличается тем, что протяженность рабочей зоны измерительной параметрической системы соответствует протяженности обследуемой акватории, для чего излучающий и приемный преобразователи акустических сигналов разнесены на ее противоположные границы, при этом излучающий преобразователь размещен на подвижном носителе и содержит низкочастотный и высокочастотный излучатели, первый из которых выполнен с возможностью горизонтального ориентирования его диаграммы направленности в сторону приемного преобразователя, при этом высокочастотный излучатель выполнен с возможностью ориентирования его диаграммы направленности на морское дно, кроме того, тракт формирования и усиления излучаемых сигналов накачки среды сформирован как двухканальный, содержащий низкочастотный и высокочастотный каналы, каждый из которых включает последовательно соединенные генератор стабилизированной частоты, усилитель мощности, блоки согласования выходов усилителей с подводными кабелями, которые подключены к соответствующим излучающим преобразователям, кроме того, приемный преобразователь включает два горизонтально разнесенных приемных блока, каждый из которых соединен с расположенным на поверхности моря радиомодулем, который по радиоканалу связан с приемным трактом системы, содержащим последовательно связанные с соответствующим каналом двухканального приемного радиоблока информационных сигналов, двухканальный широкополосный усилитель информационных сигналов, блок измерения разности фаз информационных сигналов, преобразователь временного масштаба информационных сигналов в высокочастотную область, блок узкополосного спектрального анализа и функционально связанный с ним регистратор спектров выделяемых информационных сигналов, кроме того, система содержит средства определения местоположения излучающего преобразователя и приемных блоков приемного преобразователя в режиме реального времени. Кроме того, она включает в себя блок спутниковой связи с центральным постом, выполненный с возможностью дистанционного управление ее работой.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «протяженность рабочей зоны измерительной параметрической системы соответствует протяженности обследуемой акватории» является основным (исходным) принципом формирования системы и обеспечивает возможность реализации всех последующих признаков изобретения и достижения технического результата, поскольку обеспечивает возможность проведения поиска на протяженных поисковых участках, что минимизирует трудоемкость и продолжительность поисковых работ.
Признак, указывающий на то, что «излучающий и приемный преобразователи акустических сигналов разнесены» на противоположные границы обследуемой акватории, обеспечивает охват всего поискового участка акватории и возможность практической реализации первого отличительного признака.
Признак, указывающий на то, что «излучающий преобразователь размещен на подвижном носителе», обеспечивает возможность при его перемещении вдоль соответствующей границы поискового участка акватории «просканировать» всю площадь, при использовании одного излучающего преобразователя, размещенного на подвижном носителе (предпочтительно морском судне), не прибегая к плотному оснащению акватории излучающими устройствами, что кроме всего прочего позволяет сканировать поисковый участок, обеспечивая одинаковые для каждой линии характеристики излучения.
Признак, указывающий на то, что излучающий преобразователь «содержит низкочастотный и высокочастотный излучатели», обеспечивает формирование низкочастотных горизонтальных и высокочастотных вертикальных параметрических антенн, которые, в свою очередь, обеспечивают возможность дальнего параметрического приема гидрофизических волн среды и геофизических волн морского дна, в т.ч. являющихся результатом проявления месторождений углеводородов.
Признак, указывающий, что низкочастотный излучатель «выполнен с возможностью горизонтального ориентирования его диаграммы направленности в сторону приемного преобразователя», обеспечивает формирование параметрической антенны в горизонтальной плоскости протяженностью, соизмеримой с размерами поискового участка акватории, которой (при перемещении излучателя вдоль соответствующей границы поискового участка акватории) можно «просканировать» всю его площадь.
Признак, указывающий, что «высокочастотный излучатель выполнен с возможностью ориентирования его диаграммы направленности на морское дно», обеспечивает сканирование толщи акватории в направлении ее дна.
Признак, указывающий на то, что «тракт формирования и усиления излучаемых сигналов накачки среды сформирован как двухканальный, содержащий низкочастотный и высокочастотный каналы», продиктован конструктивной схемой излучающего преобразователя, который содержит низкочастотный и высокочастотный излучатели, таким образом названные признаки обеспечивают возможность реализации ранее упомянутых признаков.
Признак, указывающий на то, что и низкочастотный и высокочастотный каналы, содержат «последовательно соединенные генератор стабилизированной частоты, усилитель мощности, блоки согласования выходов усилителей с подводными кабелями, которые подключены к соответствующим излучающим преобразователям», обеспечивает работоспособность названных каналов, т.е. возможность формирования соответствующих сигналов накачки.
Признак, указывающий, что «приемный преобразователь включает два горизонтально разнесенных приемных блока, каждый из которых соединен с расположенным на поверхности моря радиомодулем, который по радиоканалу связан с приемным трактом системы», обеспечивает формирование двухгоризонтально разнесенных параметрических антенн, следствием чего является помехоустойчивый прием измеряемых информационных волн (сигналов) с последующей их передачей по радиоканалу в приемный тракт системы, для последующей обработки. Этот признак включает необходимую последовательность радиогидроакустических блоков и их измерительных технологий, обеспечивающих решение основных задач радиогидроакустической системы. Это решение, помимо всего прочего минимизирует количество плавсредств, задействуемых при обследовании акватории, поскольку позволяет дистанционно возвратить (перебросить) информационный сигнал к месту обработки.
Признак, указывающий на то, что приемный тракт системы содержит «последовательно связанные с соответствующим каналом двухканального приемного радиоблока информационных сигналов, двухканальный широкополосный усилитель информационных сигналов, блок измерения разности фаз информационных сигналов, преобразователь временного масштаба информационных сигналов в высокочастотную область, блок узкополосного спектрального анализа и функционально связанный с ним регистратор спектров выделяемых информационных сигналов», описывает конструктивное выполнение тракта обработки параметрически преобразованных волн подсветки среды, который обеспечивает подавление помех среды путем фазовой обработки принимаемых сигналов, выделение информационных признаков в инфранизкочастотном и дробном диапазонах частот путем узкополосного спектрального анализа сигналов существующими радиотехническими средствами.
Признак, указывающий на то, что «система содержит средства определения местоположения излучающего преобразователя и приемных блоков приемного преобразователя в режиме реального времени», обеспечивает точное позиционирование на акватории параметрических антенн и точную топографическую привязку на плане акватории мест проявлений, являющихся поисковым признаком на месторождения углеводородов, что особенно важно в процессе перемещения плавсредства (с излучающими преобразователями) по акватории и обеспечения мобильности поиска.
Признаки второго пункта изобретения обеспечивают дистанционную управляемость системы.
Измерительные технологии закономерностей концентрации и последующего переизлучения УВ скоплениями микросейсмических волн Земли заключается в использовании метода «прослушивания». Такой метод подобен медицинскому прослушиванию живого организма, в котором аналогичные волны формируются за счет работы сердца. В УВ залежах, как протяженных полостях, такие волны формируются за счет наличия в окружающей земной среде микросейсмических и других аналогичных колебаний. При этом, в зависимости от пространственных размеров и плотности залежей, происходит близкое к резонансному формирование и переизлучение волн в диапазоне доли-единицы-десятки герц. В отдельных случаях переизлучение охватывает диапазон частот до 200 Гц. Излучения залежей, как показывает практика, прослушиваются и регистрируются на поверхности земли с использованием специальных ловушек (антенных полусфер), затем измерения дальнейшей обработке и анализу. В этом случае поверхность земли работает как рупор, усиливающий шумовые сигналы. Но, как показывает практика, не все, что эффективно шумит, является нефтяной залежью, в этом случае необходима специальная идентификация принимаемых шумов, сущность которой используется в заявляемом изобретении. Закономерности формирования и практического использования микросейсмических излучений Земли интенсивно исследуются и широко используются в практике поиска УВ залежей в морских условиях (например, см. Биряльцев Е.В., Рыжов В.А., Шабалин Н.Я. // Прием и обработка информации в сложных системах. - Казань. Изд. Казанский Университета, 2005. - Вып. 22 - С.113-120).
Обнаружение и идентификация геофизических волн, а также их принадлежность к характерным углеводородным залежам производится на основе обобщенных спектральных характеристик и их пространственно-временной динамики, которые получают в местах действующих нефтедобывающих скважин или на выявленных подводных месторождениях углеводородов.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 приведена структурная схема измерительной системы мониторинга, обеспечивающей дальний параметрический прием в морской среде и измерение характеристик геофизических и гидрофизических полей,  генерируемых источниками водной среды и морского дна. На фиг.2 представлена схема обследования акватории, измерения характеристик полей и определения местоположения и горизонтальной протяженности участков проявления источников геофизических и гидрофизических волн. На фиг.3-5 приведены спектры и спектрограммы гидрофизических полей источников морских акваторий, которые соответствуют измерениям сигналов разности фаз горизонтально разнесенных приемных элементов. Фиг.3 - спектр акустических резонансных и гидродинамических полей движущегося морского судна, измеренных параметрическим способом. Частота подсветки среды 400 - Гц, протяженность обследуемой акватории - 30 км, горизонтальное разнесение приемных элементов донной антенны - 200 м. Фиг.4 - спектр электромагнитных излучений морского судна, измеренный параметрическим просветным методом, частота около 390 Гц. Протяженность обследуемой акватории - 45 км, горизонтальное разнесение приемных элементов донной антенны - 200 м. Спектр представляет результат нелинейного взаимодействия акустических и электромагнитных волн в проводящей морской среде. Фиг.5 - спектр шумоизлучения морского судна (вально-лопастного звукоряда). Представлен результат «тройного» нелинейного взаимодействия волн различной физической природы в морской среде. Наблюдаются акустические волны на частоте подсветки среды 386 Гц, электромагнитные волны на частоте 400 Гц и акустические волны вально-лопастного звукоряда морского судна. На фиг.6-8 приведены обобщенные (используемые как эталонные) спектры геофизических волн морского дна, сформированного углеводородными залежами при различной степени их насыщения газом и нефтью. Фиг.6 - спектр углеводородных залежей (соответствует преимущественно газовым скоплениям). Фиг.7 - спектр углеводородных залежей (соответствует преимущественно газоконденсатным скоплениям). Фиг.8 - спектр углеводородных залежей (соответствует преимущественно залежам с притоком газа).
Теоретическое обоснование закономерностей нелинейной акустики и их реализации в предлагаемой параметрической системе поиска и измерения характеристик геофизических и гидрофизических волн в проводящей морской среде заключается в следующем. Известно, что характеристики гидрофизических полей морской среды различной физической природы, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на ее параметры (см. Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия вузов». - Электромеханика, №4, 1995). Это связано с тем, что влияние гидрофизических полей осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости среды. По своей физической сущности заявляемый способ предусматривает изменение плотности и (или) температуры контролируемой водной среды, распределение этих величин в протяженной рабочей зоне параметрического приема (взаимодействия волн различной физической природы), которое является следствием воздействия на морскую среду измеряемыми информационными полями, формируемыми комплексом информационных сигналов, распространяющихся в обследуемой акватории. Очевидно, что и все инфранизкочастотные волны, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями (например, землетрясениями или цунами), будут надежно зарегистрированы.
Качественная и количественная характеристики процесса взаимодействия упругих (акустических) и электромагнитных волн в проводящих средах заключаются в следующем. При излучении электромагнитной волны в морскую электропроводящую среду происходит ее поглощение и затухание. Одновременно значительно уменьшается ее длина. В зависимости от проводимости морской среды расстояние, на котором затухает электромагнитная волна инфранизких частот (от единиц Гц до сотен Гц), может составлять от 10-20 метров до 100-200 метров. При этом «длина» затухающей электромагнитной волны может составлять от 0,1-0,2 до 10-20 метров.
Математически процесс распространения электромагнитной волны описывается известным уравнением диффузии, которое выводится на основе теории взаимодействия электромагнитной волны в проводящей жидкости, приблизительно описывающей морскую среду. Теоретическая основа рассматриваемой закономерности заключается в том, что электрические токи, генерируемые электромагнитной волной, переходят в джоулево тепло. Диссипативные потери на ток проводимости в морской среде преобразовываются в тепловые потери, которые в свою очередь изменяют механические характеристики проводящей жидкости (плотность, температуру, теплоемкость и т.д.). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной среде акустической волны накачки ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения. Спектр упругой (акустической) волны накачки за счет нелинейного преобразования изменяется, в нем формируются высокочастотные и низкочастотные параметрические составляющие. Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с ней в точку приема и затем выделяется в тракте обработки сигналов. Процесс формирования параметрического приема волн просветной гидроакустической линией можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве.
Для вычисления скорости распространения упругой (акустической) волны можно применить известную формулу
,
s
∂P
S
∂υ
Где β=-1/υ(/) - коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости;
υ - удельный объем.
s
p
t
Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью β=Gυ/Gβ, можно получить следующее выражение для фазовой скорости
эм
(t)
зв
эм
Очевидно, что качественно любые изменения плотности ρ, давления Р при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой через морскую среду, проводящую электрический ток. То есть, в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, в последних уравнениях фазовая скорость упругой волны изменяется во времени и пространстве по закону изменения электромагнитной волны. Таким образом, если в рабочей зоне просветной параметрической системы распространяется электромагнитная волна гармонической частоты Ω, то фазовая скорость упругой (просветной акустической) волны C также будет меняться с той же частотой Ω=Ω. Количественные характеристики глубины модуляции
можно получить, используя конкретные инженерные модели реализации способа.
В заявляемом изобретении используется закономерность нелинейного взаимодействия низкочастотных просветных волн подсветки и высокочастотных волн накачки среды с измеряемыми информационными различной физической природы. В этом случае имеет место совокупное взаимодействие волн. Теоретическими и морскими экспериментальными исследованиями обоснованы закономерность и эффективность так называемого «тройного» взаимодействия акустических просветных волн с акустическими и электромагнитными полями источников морской среды. Показано, что морские источники, например, сейсмические возмущения морского дна, могут быть обнаружены по признакам преобразования их упругими и электромагнитными полями распространяющихся в среде просветных акустических волн. Аналитический вид такого преобразования представляется в следующем виде (см. Шостак С.В., Мироненко М.В., Сургаев И.Н. Амплитудно-фазовая модуляция просветных акустических волн при их взаимодействии с электромагнитными в морской среде // Сб. статей. - Владивосток. ТОВМИ. Вып.22, 2001, с.82-88):
*
1
2
n
0
m
1
2
где P(t), P(t) - результирующее (промодулированное) и мгновенное значения просветной акустической волны; ω, ω - круговая частота акустической просветной и электромагнитной объектных волн; Ω - низкочастотная акустическая волна от объекта; φ - начальная фаза просветной волны; t - текущее время; J - функции Бесселя n-го порядка; A, A - амплитуды исходной и промодулированных волн; m - коэффициент модуляции. Анализ этого выражения показывает, что спектр колебаний взаимодействующих волн состоит из бесконечного числа составляющих, расположенных симметрично относительно удвоенной центральной частоты 2ω (равной ω+ω), значения частот которых отличаются от 2ω на n·Ω, где n - любое целое число. Амплитуды n-х боковых составляющих будут определяться выражением
n
m
2
J(2A/P)·0,5P.
m
Из него следует, что вклад различных боковых составляющих в суммарную мощность модулированного колебания определяется величиной 2А/P.
p
Причем при малых значениях коэффициента модуляции m спектр колебания состоит приближенно из гармоник центральной частоты 2ω (суммарной) и двух боковых частот: верхней (2ω+Ω) и нижней (2ω-Ω).
В случае совместного применения в системах мониторинга методов просветной и реверберационной гидролокации (см. фиг.1) высокочастотные волны накачки среды, излучаемые в направлении морского дна, отражаясь от его поверхности, распространяются совместно с измеряемыми информационными и нелинейно взаимодействуют в среде. А далее при пересечении с низкочастотной просветной параметрической антенной они получают дополнительное (тройное) нелинейное взаимодействие и параметрическое преобразование. Большой объем и протяженность рабочей зоны общего взаимодействия волн в этом случае обеспечивают повышенный эффект параметрического приема, а также его направленность в широком низкочастотном диапазоне. Научно-технические основы формирования практических путей реализации параметрической системы как реверберационной антенны также достаточно проработаны.
Структурная схема радиогидроакустической системы измерения характеристик полей на протяженных морских акваториях показана на фиг.1. Система включает двухканальный тракт 1 формирования низкочастотных сигналов подсветки среды, а также высокочастотных сигналов накачки среды, выход которого посредством морских кабелей соединен с низкочастотным и высокочастотным излучающими преобразователями 2, 3. Тракт 1 формирования и усиления сигналов подсветки среды и накачки в направлении морского дна представляет собой двухканальную электронную схему, содержащую последовательно соединенные: генераторы стабилизированной частоты 9 и 12; тиристорные инверторы 10 и 13; блоки согласования 11, 14 их выходов с подводными кабелями и далее с излучающими преобразователями 2 и 3 (см. фиг.1).
Система включает также приемный тракт 15 параметрически преобразованных просветных сигналов, обеспечивающий усиление, выделение и регистрацию информационных волн, вход которого по радиоканалу соединен с расположенными на поверхности морской среды радиомодулями 7 и 8 и далее по кабелям с акустическими преобразователями волн 5, 6. Приемный тракт 15 представляет собой электронную систему, включающую последовательно соединенные двухканальный приемный радиоблок 16, двухканальный широкополосный усилитель 17, выходы усилителя соединены с блоком измерения разности фаз 18, его выход с преобразователем временного масштаба параметрически преобразованных просветных сигналов в высокочастотную область 19, далее с узкополосным анализатором спектров 20, выход которого соединен с рекордером 21 или иным носителем выделяемых спектров информационных волн. Кроме того, на фиг.1 показаны: источник формирования гидрофизических волн 4; источник 22 формирования геофизических волн морского дна, низкочастотные просветные параметрические антенны 23, рабочая зона 24 (нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн), сформированная взаимодействием волн накачки и измеряемых информационных сигналов; морское дно 25, поверхность обследуемой акватории 26; морское судно 28 (носитель) излучателей низкочастотной подсветки 2 и высокочастотной накачки среды 3, а также характеристика направленности дополнительного излучения (накачки) среды в сторону морского дна 27.
Заявленная система функционирует следующим образом. Процесс приема информационных волн начинается с перемещения сформированной просветной параметрической антенны по периметру обследуемой акватории. При обнаружении признаков информационных волн носитель 28 излучающего преобразователя перемещают в сторону сближения, а затем на удаление от приемных преобразователей (центра акватории) и уточняют места расположения и протяженности источников информационных волн. В обнаруженных местах определяют их координаты. Путем отклонения излучателей от прямолинейного курса перемещают по змейке и определяют ширину залежи УВ. При этом производят наблюдения и измерения пространственно-временных характеристик и динамики волн. Далее судно - носитель излучающего блока возвращается в исходную точку периметра акватории, из которой процесс обнаружения и поиска источников информационных волн продолжается (повторяется) по всему периметру акватории.
Закономерность измерения гидрофизических и геофизических волн просветным параметрическим методом в поисковой радиогидроакустической системе реализуется следующим образом. Воздействие источников информационных волн 4 и 22 приводит к изменению механистических характеристик морской среды (плотности и температуры, которые модулируют сигналы накачки). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде акустической волны накачки ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости по трассе распространения. Возникающие в результате нелинейного взаимодействия волн гармоники проявляются как модуляционные составляющие амплитуды и фазы низкочастотных волн накачки. Являясь неразрывно связанной компонентой низкочастотной просветной волны, они переносятся на большие расстояния и затем выделяются (обнаруживаются) в блоках обработки приемного тракта системы мониторинга.
Усиление нелинейного взаимодействия геофизических волн источников морского дна, а также эффективности дальнего приема и последующей идентификации измеряемых геофизических и гидрофизических волн и определения их местоположения, обеспечивается за счет дополнительного направленного облучения морского дна сигналами близкой по частоте к акустической подсветке среды, что обеспечивает «тройное» нелинейное взаимодействие волн (просветных в направлении трассы, дополнительных в направлении дна и информационных) в морской среде.
Повышенный эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн достигается за счет использования соизмеримой с протяженностью среды пространственной рабочей зоны (протяженного объема) взаимодействия волн, а также дополнительного облучения среды в направлении морского дна. Применение в тракте приема и обработки операций преобразования (переноса) частотно-временного масштаба волн накачки в высокочастотную область обеспечивает эффективное выделение волн инфранизкочастотного и дробного диапазонов частот существующими средствами узкополосного спектрального анализа и их последующей регистрации.
Ниже приведены конкретные результаты использования заявленного устройства (результаты наблюдений и измерений шумоизлучения УВ залежей), полученные в условиях реальных акваторий, которые могут использоваться как признаки проявления (присутствия) подводных месторождений углеводородов.
Газовая залежь (фиг.6) характеризуется следующими признаками. На спектрограмме наблюдаются сплошные и дискретные шумы с уровнями их превышений над фоном 10% и 45%, соответственно. Дискретный ряд представляет собой несимметричный колокол, состоящий из трех двойных и двух (более широких) одиночных составляющих, расположенных в интервале частот около 3,4-4,2 Гц, а его максимума на частоте около 3,8 Гц.
Газоконденсатная залежь (фиг.7). В интервале частот около 1,8-4,8 Гц приведенная к фону спектральная мощность собственных шумоизлучений залежи УВ примерно на 5% превышает фон. При этом в диапазоне частот от 2,0 до 3,4 Гц над сплошным шумом регистрируется «лежащая на спине буква Е», у которой две широкие (по 0,2 Гц) дискретные составляющие, в пределах 25 % превышающие сплошной шум и на 30% превышающие фон. Центральная линия, как двойная дискретная составляющая, примерно на 15% превышает сплошной шум и на 20% превышает фон. В диапазоне частот от 3,5 Гц до 5 Гц регистрируются «изрезанный меандр» (серия из трех разрезанных прямоугольников), в которых уровень «меандра» превышает сплошной шум примерно на 15%, и на 20% - фон.
Залежь с притоком газа (фиг.8). В диапазоне частот от 1,0 Гц до 7,0 Гц приведенная к фону спектральная мощность собственных шумоизлучений залежи УВ примерно на 10-20% превышает фоновый уровень. При этом в диапазоне частот от 2,0 до 5,5 Гц регистрируется равносторонний «треугольник» с вершиной (максимумом спектральной плотности) на частоте около 4,0 Гц, который превышает уровень фона примерно на 40%.
Совокупность положительных результатов общего технического эффекта достигается за счет низкочастотной подсветки (прозвучивания) всего пространства обследуемой акватории и формирования двух горизонтально разнесенных параметрических антенн протяженностью десятки-сотни километров. При этом прием волн горизонтально разнесенными антеннами обеспечивает возможность последующей фазовой обработки сигналов и эффективное подавление некоррелированных помех среды, формируемых различными источниками, включая техногенные излучения в зоне действия поисковой системы. Круговое сканирование протяженной параметрической антенны по периметру обследуемой акватории обеспечивает возможность определения направлений приема информационных волн на акватории, а последующее перемещение излучателей подсветки и накачки (сокращение, а затем увеличение протяженности просветной линии), использование дополнительного направленного облучения морского дна акустическими или электромагнитными волнами накачки обеспечивает определение местонахождения источников информационных волн с повышенной точностью. При этом за счет отклонения движущегося двойного излучающего преобразователя от прямолинейного курса при удалении от приемного блока переменным курсом обеспечивается точное определение места и пространственной протяженности источников информационных, преимущественно геофизических волн.
Таким образом, техническими решениями заявляемого способа дальнего параметрического приема и измерения характеристик геофизических и гидрофизических волн низкочастотного, инфранизкочастотного и дробного диапазонов, реализованы практические пути построения и эксплуатации широкомасштабной гидроакустической системы комплексного мониторинга гидрофизических и геофизических полей в инфранизкочастотном и дробном диапазонах, формируемых источниками водной среды и морского дна. Протяженность рассматриваемой системы (большой масштаб дальности параметрического приема волн) обеспечивается прозвучиванием среды слабозатухающими низкочастотными акустическими сигналами в диапазоне десятки-сотни герц.
Обеспечение в заявляемой системе дальнего обнаружения и определения местоположения источников геофизических и гидрофизических волн, а также их пространственной протяженности, достигается за счет совместной реализации закономерностей и измерительных технологий просветной и реверберационной гидролокации, что обосновано теоретически и подтверждено морскими экспериментами.