ДОННАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ МОРСКОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ

Полезная модель относится к устройствам, используемым для морской сейсмической разведки. Оно может быть использовано для трехмерной разведки нефти и газа на акваториях с широким диапазоном глубин, в переходных зонах море-суша, в частности, для активного и пассивного мониторинга морских углеводородных месторождений при их разработке и для исследований земной коры.
Используемая в сейсморазведке донная станция состоит, как правило, из донного модуля (далее ДМ) и бортового модуля (RU 24890; Глубоководная донная самовсплывающая сейсмическая станция АДС-8 / Соловьев С.Л., Контарь Е.А., Дозоров Т.А., Ковачев С.А. // Известия АН СССР Физика Земли, 1988, №9, с.459-460$ Ocean Bottom Seismometer (OBS) Systems. Company Profile/Project Companies Kieler Umwelt und Meerestechnik GmbH (KUM), Signal-Elektronik und Nets Dienste GmbH (SEND), April 2002, 11 p). Донный модуль имеет герметичный корпус, снабженный устройством постановки на дно, внутри которого размещена аппаратура регистрации гидроакустических сигналов с соответствующими фильтрами, формирователями, преобразователями, накопителями информации, источник питания и устройство определения ориентации подводного модуля.
Типичным примером такого донного модуля является система АДС (RU 2392643, 2010), которая включает средства регистрации сигналов, выполненные в виде группы донных приемных устройств. Приемные устройства состоят из прочного корпуса, внутри которого размещены датчики сейсмических сигналов, устройства регистрации, устройства временной привязки информации, устройства определения ориентации корпуса. Корпус в нижней части сопряжен с якорем-балластом посредством размыкателя и упругих строп. Якорь-балласт изготовлен из железобетона и имеет чашеобразную форму. На внешней поверхности прочного корпуса установлена мачта с сенсорным кольцом, на котором размещены гидроакустический канал связи, гидрофоны и геофоны.
Основным недостатком большинства известных станций является невозможность полной и адекватной передачи колебаний грунта на датчики измерения сигналов, что в сочетании с наличием границы грунт-металл вызывает дополнительные погрешности при прохождении акустических сигналов и в конечном итоге приводит к искажению результатов измерении, а также сложность синхронизации времени генерации сигнала и получения сигнала станцией, особенно при работе на больших глубинах и в сложной метеорологической обстановке.
В частности, в прибрежной зоне в зависимости от характера и скорости набегающего потока за корпусом станции, сочлененной с якорем-балластом, остается ламинарный или турбулентный след. В обоих случаях непосредственно за станцией образуется вихревая зона, которая вызывает его колебания. Ламинарный след отличается отсутствием перемешивания слоев в безвихревой области следа. В случае турбулентного течения появляется дополнительное раскачивание станции за счет пульсаций самого потока. Основной источник акустической помехи сосредоточен непосредственно за станцией на некотором расстоянии от линии отрыва.
Наличие на корпусе станции упругих элементов, представляющих собой тонкомерный трубчатый каркас, антенну, буйреп, соединительные кабели вызывают дополнительные излучения акустической помехи. Колебания этих элементов возбуждаются обтекающим потоком и могут иметь резонансные максимумы, и хотя их добротность невелика вследствие большого сопротивления воды, но вследствие высокой чувствительности сейсмографов эти помехи могут оказывать существенное влияние на сейсмоприемники, расположенные в непосредственной близости от источника турбулентности. Так как частотный диапазон помех совпадает с диапазоном пульсаций турбулентности, лежащих в диапазоне частоты от 0.03 до 500 Гц, а частотный диапазон многоцелевых сейсмометров составляет в среднем 1-200 Гц, то помехи полностью могут его перекрывать. В низкочастотной части диапазона сейсмометра возможно также возникновение помех за счет турбулентных явлений на резко выраженных неровностях дна размером от 1 до 10 м, а с учетом того что нижний предел частот турбулентности зависит от средней скорости течений и размеров донной станции и выступающих упругих элементов, установленных на ее корпусе, то не учет этих параметров при обработке полезных сигналов может привести к существенным дополнительным погрешностям в определении достоверности прогноза.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является донная станция, используемая для морской поляризационной сейсмической разведки (RU 2072534, 1997). Последняя включает в себя возбуждение источником продольных упругих волн, прием и регистрацию продольных и обменных волн группами, осуществление приема продольных и обменных волн осуществляют в моменты укладки приемных устройств на морское дно при непрерывном движении буксирующего сейсмоприемники судна, при этом время разрешенного приема фиксируют по пороговому уровню шума приемников, расположенных в сейсмокосах, а прием и регистрацию упругих волн различных типов осуществляют соответствующими группами сейсмоприемников гидрофонного и геофонного типов, размещенных в одном комбинированном или нескольких специализированных приемных устройствах. При этом, на судне имеется бортовой модуль, содержащий последовательно соединенные приемные устройства, многоканальный усилитель, коммутатор, регистратор, блок воспроизведения, а также устройство управления и последовательно соединенные устройства подачи команд на возбуждение и источник упругих волн, а приемные устройства выполнены шланговых сейсмокос комбинированного типа, т.е. содержащих в себе приемники, предназначенные для приема определенных типов волн (в том числе приемников для приема продольных упругих волн и ориентированных соосно с косой горизонтальных геофонов для приема обменных волн Х-поляризации), либо в виде кабельно-модульных устройств, где симметричные или азимутальные геофонные установки, снабженные системами самоориентации, помещены в герметические корпуса модулей, соединенных между собой многожильными кабелями.
Данная технология и устройство для его реализации обеспечивают возможность выполнения поляризационной сейсморазведки за счет использования средства регистрации продольных и обменных волн группами сейсмоприемников морской сейсмической косы в моменты укладки сейсмокосы на морское дно. Однако она практически неприменима при работе на больших глубинах и в сложной ледовой обстановке, имеет большую погрешность при определении местоположения сейсмоприемников и их ориентации, что отрицательно сказывается на надежности и достоверности получения и обработке исходных данных и не позволяет получить бесшовный профиль исследуемого участка дна.
В качестве донного модуля известна морская автономная самовсплывающая донная сейсмическая станция (АСДС) (RU 2294000, 2007), устанавливаемая на морское дно преимущественно с плавучих средств, включающая в себя герметичный корпус, состоящий из двух полусфер, снабженных в месте сочленения уплотнительным кольцом. Внутри размещена геофизическая аппаратура, включающая измерительные датчики геофонного и гидрофонного типов, модули приема, регистрации, преобразования и хранения зарегистрированных сигналов, блоки сопряжения с бортовым модулем при всплытии, спутниковый и гидроакустический каналы связи, блок ориентации, блок синхронизации, блок управления размыкателем и блок питания. На внешней поверхности корпуса установлены гидроакустическая и спутниковая антенны, средства для поиска донной станции при всплытии, такелажные элементы и разъемы, устройство постановки на дно и обеспечения всплытия донной станции, выполненное в виде якоря-балласта.
Основным недостатком известных станций является невозможность точной синхронизации времени получения сигнала станцией и часами на судне, трудности фиксации места станции на грунте при работе на больших глубинах, что в целом не позволяет снять бесшовный профиль участка.
Задачей, решаемой авторами, являлось разработка сейсмической донной станции, имеющую конструкцию более простую и дешевую в эксплуатации, при осуществлении которой достигается возможность точной синхронизации времени получения сигнала станцией и часами на судне при работе как на больших глубинах (около 6000 м) и в прибрежной зоне, что, в частности, позволяет снять бесшовный профиль исследуемого участка.
В основе предлагаемого решения лежит тот факт, что традиционная сейсморазведочная аппаратура предусматривают кабельную или радиосвязь датчиков (сейсмоприемников) с сейсмостанцией - по этим каналам связи передаются служебные команды, а также сейсмическая и специальная информация. При этом одно из важнейших положений методики любых сейсморазведочных работ есть синхронизация момента возбуждения сейсмических колебаний источником (подрыв) с моментом начала записи показаний сейсмоприемников. При этом, если донной модуль станции полностью автономен (с ней нет никакой связи на протяжении ее работы) получение точных времен зарегистрированных сейсмических событий требует ее комплектации очень точными часами, которые обеспечивали бы уход часов станции не более шага дискретизации съемки за отрезок времени между синхронизациями с GPS-UTC. Возможная синхронизация путем установки точных хронометров на каждой станции исключается в связи с их высокой стоимостью и чувствительностью к внешним воздействиям.
Технический результат достигался оснащением устройства управления бортовым модулем дополнительно схемой синхронизации, выполненной таким образом, что в момент отстрела одновременно с командой «на подрыв» она передает команду «начать запись показаний сейсмоприемников» на донные модули. При этом, т.к. первая команда реализуется в диапазоне частот 5-170 Гц, а вторая - при частоте 39 кГц, то сигналы не перекрываются и исключается возможность сбоев в акустическом канале антенна бортового модуля - ДС. Одновременно донный модуль оборудован блоком синхронизации, связанным каналами связи с блоком питания и через блок регистрации с геофоном и  антенной, что позволяет осуществлять коррекцию внутренних часов станции, связывая их показания с показаниями судовых часов, корректируемых временем GPS-UTC. При этом корпус выполнен в виде герметичного контейнера цилиндрической формы с выпуклой верхней крышкой и радиусными скруглением боковой поверхности в области смежной с плоским дном.
Такое техническое решение позволяет использовать в составе станции в качестве задающего генератора относительно недорогой кварцевый генератор с низким потреблением электричества, позволяет корректировать время в сейсмограммах с донных станций и обеспечивать его отклонение от точного времени на величину не более шага дискретизации сигнала, выбранного при данных работах. В результате часы донного модуля становятся более дешевыми и только термокомпенсированными, а не термостабилизированными, что дополнительно экономит электропитание станции и удешевляет, как станцию, так и стоимость работ с ней в целом.
Бортовой модуль, размещенный на судне, содержит стандартные блоки, а именно последовательно соединенные приемные устройства, многоканальный усилитель, коммутатор, регистратор, блок воспроизведения, а также устройство управления и последовательно соединенные устройства подачи команд на возбуждение и источник упругих волн и приемные модули.
Общий вид донного модуля станции приведен на рис.1, функциональная схема донного модуля станции приведен на рис.2
При этом используются следующие сокращения: 1 - корпус; 2 - амортизирующие элементы; 3 - блок геофонов (БГ); 4 - гидрофон (ГФ); 5 - блок питания с устройством управления питанием (БП); 6 - компас-инклинометр (УГ); 7 - средства обнаружения (СО) - световой и радио маяки; 8 - электрический герморазъем (ГР); 9 - вакуум-порт (ВП); 10 - регистратор сейсмической информации (РГ); 11 - задающий генератор (ЗГ); 12 - блок синхронизации (БС); 13 - блок антенны (БА); 14 - узел размыкания (УР).
Донный модуль состоит из герметичного корпуса 1, выполненного из двух полусфер, снабженных в месте сочленения уплотнительным кольцом 2. Внутри корпуса 1 размещены аппаратурные блоки: блок геофонов (БГ) 3, блок питания с устройством управления питанием (БП) 5, компас-инклинометр (УГ) 6, блок синхронизации (БС) 12, часть блока антенны (БА) 13, регистратор сейсмической информации (РГ) 10, часть блока размыкания (УР) 14. С внешней стороны корпуса расположены гидрофон (ГФ) 4; внешние устройства узла размыкания (УР) 15; средства обнаружения (СО) 7 - световой и радио маяки; герморазъем (ГР) 8; вакуум-порт (ВП) 9; внешняя часть антенного блока 13 («усы»), которая выполнена с возможностью движения по вертикали и снабжена фиксирующими замками. Для постановки имеющей положительную плавучесть станции на дно используется балластное устройство (якорь-балласт).
Корпус станции 1 выполняется в виде герметичного контейнера состоящего из двух полусфер, снабженных амортизирующими элементами 2 и способен выдерживать удары об лед при ее всплытии. Корпус рассчитан на работу на глубине до 6000 метров
Блок геофонов 3, предназначен для преобразования механических колебании грунта в электрические сигналы и представляет собой правую ортогональную тройку из геофонов GS-20DX имеющих частотный диапазон входных сигналов от 10 до 250 Гц и чувствительность 27 В/м/с. Ось Х ортогональной тройки конструктивно связана с цифровым компасом 9 для определения ориентации компонент донной станции и станции в целом при постановке на сейсмическом профиле.
Гидрофон 4 предназначен для приема звуковых волн, распространяемых в водной среде должен обладать чувствительностью, не менее 100 мкВ/Па.
Питание донного модуля осуществляется от блока 5 питания, который представляет собой, например, две параллельные линейки, (для увеличения автономности работы) по пять аккумуляторов в каждой, обеспечивающие общее напряжение порядка 7 В. Заряд аккумуляторов блока 5 питания осуществляют без вскрытия герметичного корпуса 1 через электрический герморазъем 8.
Компас-инклиномер 6 предназначен для определения положения станции в пространстве. Диапазон измеряемых углов: по азимуту 360 градусов, по крену и дифференту ±60 градусов от вертикали; точность измерения углов ±2 градуса.
Средства обнаружения 7 предназначены для обнаружения станции на поверхности воды и включают в радиомаяк и световой проблесковый маячок для обнаружения станции в темное время суток. На станцию может быть дополнительно установлен радиомодем.
Электрический герморазъем 8 (разъем внешний) служит для подключения к донной станции внешних устройств и бортовых систем. Он, в частности, предназначен для подключения к станции аппаратуры из комплекса бортовых устройств без вскрытия герметичного контейнера станции. При отключенных внешних устройствах разъем закрывается крышкой, позволяющей работать этому узлу на глубине до 600 метров.
Вакуум-порт 9 представляет собой отверстие малого диаметра закрытое заглушкой и предназначен для откачка воздуха из внутренней полости герметичного контейнера модуля с помощью вакуум-насоса до создания пониженного атмосферного давления около 0,1 атм с целью исключения попадания в корпус 1 влаги в рабочем состоянии или при длительном хранении модуля.
Регистратор сейсмической информации 10 предназначен для регистрации двух видов информации: сейсмической и положения донного модуля в пространстве, имеет каркас, на котором установлены элементы регистрирующего устройства вышеуказанной сейсмической информации и информации о положении модуля. РГ создан на современной элементной базе, с пониженным потреблением, обеспечивает скачивание информации со станции через разъем на корпусе, без разбора станции. Интеллектуальное ядро станции, созданное на основе данного РГ, обладает функциями, для построения автоматизированного комплекса управления группой станций и хранения информации. В качестве регистрирующего устройства предназначенного для записи, согласно программируемому режиму, сейсмических сигналов используется четырехканальный регистратор на базе программируемого микроконтроллера. Для обеспечения работы внутренних часов регистратора используется задающий кварцевый генератор 11.
Блок синхронизации 12, входящий в состав данного модуля, позволяет реализовать метод коррекции внутренних часов станции. Это позволяет использовать в составе станции относительно недорогой кварцевый генератор с низким потреблением, что существенно повышает автономность станции по питанию. Кроме того при обработке полученного сейсмического материала, полученного через РГ 10, БС позволяет корректировать время в сейсмограммах с донных станций и обеспечивать его отклонение от точного времени на величину не более шага дискретизации сигнала, выбранного при данных работах.
Антенный блок 13, обеспечивает передачу управляющих команд на станцию, прием с нее служебной информации и определения наклонной дальности. Совместно с гидроакустическим оборудованием на борту судна, БА станции позволяет определять координаты постановки станции на дне, передавать со станции информацию о ходе сбора сейсмических данных.
Узел размыкания 14 предназначен для отсоединения станции от якоря-балласта и обеспечения возможности по команде ее подъема со дна на поверхность акватории.
Донная станция работает следующим образом. Способ осуществляется следующим образом. Сейсмическое исследование проводят в соответствии с геологическим заданием. Согласно этому заданию определяется шаг постановки донных модулей (ДМ) и их расположение (по профилю-станции расположены в линию или по площади). При подготовке к работе донной станции на профиле и ее окончании осуществляется синхронизация внутренних часов регистратора от GPS или ГЛОНАСС приемника.
Навигационная служба рассчитывает координаты постановки ДМ, судно движется по профилю, около точки сброса сбрасывает скорость до 2-3 узлов. С судна донные модули, вынутые из транспортных ячеек и подсоединенные к тросу, погружаются, под действием силы тяжести, на дно акватории. При достижении дна обеспечивается надежный контакт модуля с дном, посредством отличительных особенностей конструкции модуля, а именно, цилиндрической формы корпуса 1 со скруглениями со стороны дна и крышки, что гарантированно обеспечивает надежный контакт с грунтом при любых его рельефах и составе. В рабочем состоянии, а так же при длительном хранении модуля, полость внутри герметичного контейнера должна находиться под пониженным атмосферным давлением, около 0,1 атм. Тем самым обеспечивается отсутствие влаги внутри контейнера. Это производится через так называемый вакуум-порт 9, который представляет собой отверстие малого диаметра закрытое заглушкой. При снятой заглушке производится откачка воздуха из внутренней полости герметичного контейнера модуля с помощью вакуум-насоса. После откачки отверстие герметизируется той же заглушкой.
После сброса модуля координаты его точки постановки на дно уточняются по гидроакустическому каналу.
При подрыве устройство управлений бортового модуля одновременно выдает две команды - первая на подрыв, (вторая - начать запись показаний сейсмоприемников. В результате синхронизации подрыва и акустического импульса на начало полезной записи ДСМ происходит привязка модуля к абсолютному времени GPS-UTC. обеспечивая преобразование и запись сейсмической информации во внутреннюю память.
Прием компонент волнового поля осуществляется датчиками 3 геофонного типа по трем ортогональным направлениям и гидрофоном 4. Сейсмический сигнал с X, Y, Z каналов блока геофонов поступает на плату регистратора 10, одновременно с сигналом гидрофона, находящегося с внешней стороны корпуса. Сигнал поступает на четыре раздельных, одинаковых канала X, Y, Z, Н. на многофункциональный чип регистратора 14. обеспечивая преобразование и запись сейсмической информации во внутреннюю флеш-память.
Зарегистрированная сейсмическая информация сохраняется на размещенную в регистраторе встроенную энергонезависимую флэш-память, обеспечивающую до 1 месяца автономной работы станции при непрерывной работе четырех каналов, в зависимости от диапазона регистрируемых частот.
По окончании работы оператором по акустическому каналу с судна на ДМ передается команда на всплытие. При этом срабатывает узел размыкания 14, модуль отсоединяется от якоря-балласта и поднимается со дна на поверхность акватории.
Для обнаружения ДМ на поверхности воды он оборудован средствами обнаружения 7 - радиомаяком и световым проблесковым маячком для обнаружения в темное время суток. В качестве опции на станцию может быть установлен радиомодем.
После подъема модуля на борт судна он подсоединяется посредством герморазъема 8 к бортовому комплексу и осуществляется скачивание сейсмической информации из ее памяти для дальнейшей обработки и подзарядка аккумуляторов.
После получения информации бортовым модулем по времени подрыва (рабочему отстрелу) находят на записи функции (трассе) амплитуд давления воды от времени, выполненной конкретным i-ым гидрофоном 3, находящимся на донном модуле, установленным в точке с заданными координатами (пикете). Устанавливают первый приход на гидрофон прямой водной волны (FB) от источника колебаний, по акустическому каналу находят истинное время этого прихода первой волны (вступления), и сравнивают найденное время прихода волны (вступления) с абсолютным временем (GPS-UTC). Сдвигают запись функции (трассы) вдоль оси времени относительно 0 (ноля) так, чтобы значение прихода волны FB совпало с истинным временем, которое определено по акустическому каналу. При этом значения времени в начале каждого отрезка функции (трассы), размещенного в точке оси времени с шагом дискретизации, задаваемым перед началом измерений со станции, равны истинным значениям времен GPS-UTC. Осуществляют с заданным со станции шагом оцифровку аналогового сигнала амплитуд давления с помощью ЭВМ, оснащенной специальным программным обеспечением. Затем на основе оцифрованных значений снимают совокупность функций (трасс), записанных одной станцией от всех прдрывов источника колебаний, синхронизированных с истинным временем, зарегистрированным GPS-UTC и по полученной сейсмограмме определяют значения времени прихода FB прямой водной волны от рабочих отстрелов по автономным кварцевым часам с заданным предварительно периодом отстрела.
2
2
Далее формируется массив данных о моментах времени прихода на ДМ запроса по гидроакустическому каналу, привязанных к моментам срабатывания пневмоисточника, которые определяются с достаточной для решения этой задачи точностью на судне, в каждую трассу (т.е. запись подрыва) полученного SEGY-файла вводят статическую поправку за неточность часов станции, вычисляя TS - момент времени GPS-UTC [подрыва номер S (точность момента - не хуже шага дискретизации съемки) по формуле TR=TS+δТ, где TS - момент времени подрыва на часах станции, а δТ - разница времен часов станции и часов источника на момент времени TS. Данные станций с временами, исправленными вышеуказанной поправкой, по файлу отстрела с судна-источника нарезаются в формат SEGY и подлежат дальнейшей обработки. В результате работы получается правильная сейсмограмма каждой ДС, т.е. каждая трасса каждой сейсмограммы начинается в момент срабатывания пневмоисточников, что позволяет создать качественный бесшовный разрез суша-море.
Проведенные испытания показали, что заявляемая станция успешно работает до глубин моря 6000 метров, обеспечивает передачу управляющих команд на станцию, прием с нее служебной информации и определения наклонной дальности до 8000 метров, а также определение координат постановки станции на дне. Элементы гидроакустики станции (антенна и гидрофон) оснащены защитными элементами, позволяющими работать со станцией в условиях наличия льда. Корпус станции способен выдерживать удары об лед при ее всплытии.
Гидроакустическое оборудование позволяет передавать со станции информацию о ходе сбора сейсмических данных. Регистратор донной станции обеспечивает скачивание информации со станции через разъем на корпусе, без разбора станции, а интеллектуальное ядро станции на его основе обладает функциями, для построения автоматизированного комплекса управления группой станций и хранения информации. Блок синхронизации, входящий в состав данной станции позволяет использовать в составе станции относительно недорогой кварцевый генератор с низким потреблением, что существенно повышает автономность станции по питанию, а также корректировать время в сейсмограммах с донных станций и обеспечивать его отклонение от точного времени на величину не более шага дискретизации сигнала, выбранного при данных работах.