ДОННАЯ СТАНЦИЯ (ВАРИАНТЫ)
BOTTOM STATION (VERSIONS)

Изобретение относится к области разведочной геофизики, в частности к комплексам оборудования для осуществления морской геоэлектроразведки, в частности, методами вызванной поляризации, магнито-теллурики и/или сейсморазведки, и предназначено для прогнозирования залежей углеводородов и других полезных ископаемых, а также для изучения строения земной коры.
В настоящее время для морских геофизических исследований широко применяются донные станции различной конструкции и назначения. Так, известны донные сейсмические станции (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 (K.U.M.), Signal-Elektronik und Nets Dienste GmbH (SEND), April 2002, 11 p.), на основе подводного модуля, который представляет собой герметичный корпус, снабженный устройством постановки на дно, внутри которого размещена аппаратура регистрации гидроакустических сигналов с соответствующими фильтрами, формирователями, преобразователями, накопителями информации, схемой синхронизации, источником питания и устройством определения ориентации подводного модуля.
Основным недостатком подобных станций является невозможность полной и адекватной передачи изменяющихся параметров грунта на датчики измерения сигналов, установленные на опорной трубчатой раме, снабженной металлическими механизмами откидывания и прижимания к грунту, что в сочетании с наличием границы грунт-металл вызывает дополнительные погрешности при прохождении акустических сигналов и в конечном итоге приводит к искажению результатов измерений. Кроме того, использование механизмов откидывания и прижимания к грунту недостаточно эффективно вследствие их сложности, отсутствия контроля за их установкой, что приводит к попаданию блока измерительных датчиков в рыхлый грунт дна и, как следствие, к нарушению работоспособности.
Известны донные сейсмические станции конструкции ГНПП «Севморгео» (рекламный проспект Севморгео) буйкового и самовсплывающего типа. Станции обоих типов имеют трехкомпонентный геофон в карданном подвесе и гидрофон. Буйковые станции имеют хороший коэффициент передачи в каналах геофонов благодаря большой массе корпуса, однако станции данного типа имеют ограничения по глубине постановки, высокий риск потерь станции и требуют достаточно сложной технологии спуско-подъема. Самовсплывающая станция выполнена в сферическом гермокорпусе, в котором располагаются геофоны, источник питания, регистратор и электронный блок акустического размыкателя электрохимического типа. Гермокорпус обеспечивает положительную плавучесть всей станции и для постановки станции на дно крепится эластичными (резиновыми) жгутами к бетонному грузу через размыкатель.
Такая конструкция станции обеспечивает высокую технологичность спуско-подъемных операций, возможность работы на глубинах до 6000 метров, однако высокое расположение датчиков смещения относительно дна и эластичное крепление станции к грузу снижает чувствительность станции к волнам смещения.
Известна самовсплывающая электромагнитная станция (US 5,770,945 А), имеющая корпус, расположенные в нем два взаимноортогональных индукционных датчика магнитного поля и систему измерения горизонтальных составляющих электрического поля, состоящую из прикрепленных к корпусу станции горизонтальных полужестких «удочек» («arms»), длиной по пять метров каждая, с электродами на концах.
Недостатком такой станции является недостаточная точность измерений, ограниченная область применения. Кроме того, конструкция станции требует свободное место на палубе площадью не менее 100 кв. метров и специальное оборудование для проведения спуско-подъемных работ.
Еще одним недостатком всех вышеописанных донных станций является возможность снятия только конкретной группы параметров, что обусловлено различиями в требованиях к эксплуатации донных станций различного типа. Станций, позволяющих снимать сейсмические параметры, наряду с электромагнитными и/или магнитными характеристиками пород, в просмотренной научно-технической литературе не обнаружено.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является самовсплывающая станция для электромагнитных измерений (US 6,842,006 B2). Станция имеет корпус, блок плавучестей, систему сбора информации, размыкатель балласта и груз. Входящие в систему измерения горизонтальных составляющих электрического поля «удочки» имеют длину пять метров и диаметр около пяти сантиметров с электродами. Они образуют два взаимоперпендикулярных диполя, которые могут опускаться вниз в вертикальной плоскости, что упрощает проведение спуско-подъемных операций, т.к. не требует при проведении таких работ выносить станцию от борта судна на расстояние, превышающее длину «удочек».
Индукционные датчики (от одного до четырех) располагаются, как правило, ближе к концу «удочек» для снижения влияния магнитных масс станции на результаты измерения магнитного поля.
Недостатком станции является возможность использования ее только для измерения параметров магнитного поля. Кроме того, вывод станции за борт с «удочками», направленными вертикально вниз, повышает вероятность повреждения электродов и индукционных датчиков в случае, когда поток воды при спуске не успевает перевести «удочки» в вертикальное положение или загибает одну или несколько «удочек» под груз, в частности при работах на мелководье.
Техническая задача, решаемая авторами, состояла в разработки конструкции самовсплывающей донной станции, позволяющей проводить измерения различных параметров пород морского дна, что обеспечивает повышенную точность прогноза, а также более удобной и надежной в эксплуатации, в частности, имеющей меньшие объемные габариты в предстартовом положении и позволяющей оптимизировать спуско-подъемные работы.
Технический результат достигался за счет создание модульной конструкции донной станции на основе сочетания базового модуля, предназначенного для изменения электромагнитных характеристик пород морского дна, с дополнительными модулями, содержащими оборудование, позволяющее измерять иные параметры пород.
Заявляемая модульная донная станция характеризуется тем, что между базовым модулем, предназначенным для изменения электромагнитных характеристик пород морского дна, и грузом установлен по крайней мере один модуль, измеряющий иные характеристики пород морского дна, причем все системы регистрации и питания расположены в базовом модуле и связаны с другими модулями через герморазъемы, установленные в корпусе модуля, а сами модули фиксированы на грузе с помощью кевларовых шкотов, снабженных электрохимическим размыкателем.
В качестве дополнительных модулей донная станция содержит модули для магнитных и/или сейсмических измерений.
Для удобства проведения спуско-подъемных работ «удочки» закреплены на нижней части корпуса станции и в исходном состоянии направлены вверх под углом не менее 15° от вертикали и зафиксированы с помощью фиксаторов, соединенных с размыкающим элементом спуско-подъемного устройства (СПУ) (кран-балки, крана или манипулятора), например пентергаком.
Для удобства транспортировки «удочки» выполнены телескопическими.
В качестве варианта заявляемой донной станции базовый модуль может использоваться самостоятельно. В этом случае между модулем и грузом устанавливают жесткий конический элемент «таз», изготовленный из непроводящего материала, например, полиэтилена, полиуретана и т.п. материалов для фиксации корпуса базового модуля в горизонтальной плоскости и предотвращения прилипания корпуса базового модуля к грунту.
При этом к базовому модулю может быть дополнительно подсоединен на полужесткой штанге модуль магнитных измерений, что позволяет снизить влияние магнитных масс базового модуля на результаты измерения магнитного поля, например при работах с устанавливающимися электромагнитными полями (далее двузвенный вариант). Поскольку среднее расстояние от базового модуля до магнитных датчиков в этом варианте составляет 0.5-0.8 метра, а влияние магнитных масс убывает как куб расстояния, предложенная конструкция станции уже при длине штанги 5 метров обеспечивает снижение влияния магнитных масс на 2.5-3 порядка.
Общий вид базового модуля представлен на фиг.1а (вид модуля спереди) и 1б (вид модуля сбоку).
На фиг.2 представлена донная станция, содержащая базовый модуль и модуль для магнитных измерений, которая применяется при исследовании магнитотеллурических полей, когда необходимо измерять одновременно ортогональные магнитные и электрические компоненты.
На фиг.3 представлена донная станция, содержащая базовый модуль, модуль для магнитных измерений и сейсморазведочный модуль, которая применяется при необходимости одновременных измерений электромагнитных и сейсмических полей, например при работе на Государственной сети опорных профилей.
Схема двухзвенного варианта станции с вынесенным модулем магнитных измерений приведена на фиг.4.
На фиг. 1-4 используют следующие дополнительные обозначения: 1 - сферический герметичный корпус из алюминиево-магниевого сплава, 2 - вставка, 3 - «удочки», 4 - неполяризующиеся электроды, 5 - «таз», 6 - груз, 7 - акустический размыкатель электрохимического типа, 8 - герморазъемы, 9 - шкоты из кевлара, 10 - упругий тяж, 11 - ограждение, 12 - фиксатор «удочек», 13 - регистратор, 14 - блок питания основной, 15 - блок питания размыкателя, 16 - электронный блок размыкателя, 17 - датчик углов, 18 - усилители электрических каналов (фиг.1а-1б), 19 - базовый модуль, 20 - корпус модуля магнитных измерений, 21 - блок плавучестей, 22 - индукционные датчики магнитного поля, 23 - узлы крепления подвижных «удочек», 24 - ограничители, 25 - шпильки, 26 - груз (фиг.2), 27 - корпус сейсморазведочного модуля, 28 - крепление, 29 - гидрофон, 30 - герморазъем (фиг.3), 31 - модуль магнитных измерений, 32 - пассивный размыкатель, 33 - корпус датчика углов, 34 - карданный подвес, 35 - полужесткая штанга, 36 - базовый модуль, 37 - упругие тяжи (фиг.4).
Корпус 1 состоит из двух полусфер из алюминиево-магниевого сплава и вставки 2 из высокопрочного полиуретана или иного подобного материала. Внутри корпуса 1 базового модуля располагаются регистратор 13, конструкция которого позволяет устанавливать от одной до трех четырехканальных плат с памятью на флэш-картах; основной блок питания 14, блок питания размыкателя 15, электронный блок размыкателя 16, трехкомпонентный датчик углов 17 и предварительные усилители электрических каналов 18.
Вставка 2 предназначена для придания модулю дополнительной положительной плавучести, а также для крепления «удочек» 3 и установки герморазъемов 4.
«Удочки» 3 имеют телескопическую конструкцию и изготовлены из непроводящего материала, например, стекло- или углепластика. Внутри «удочек» проложен кабель с герморазъемами (не показан), которые служат для подключения измерительных неполяризующихся электродов 4 и подсоединения к соответствующему герморазъему на вставке 2. «Удочки» для измерения горизонтальных составляющих электрического поля крепятся по углам вставки 2 и могут свободно вращаться вокруг горизонтальной оси. «Удочка» для измерения вертикальной составляющей электрического поля жестко крепится к боковой поверхности вставки 2. Длина «удочек» в разложенном состоянии не менее 5 метров.
Корпус 1 базового модуля при использовании модуля самостоятельно через жесткий конический элемент «таз» 5, изготовленный из непроводящего материала, например полиэтилена или полиуретана, установлен на бетонный груз 6. «Таз» служит для фиксации корпуса базового модуля в горизонтальной плоскости и предотвращения прилипания корпуса базового модуля к грунту при постановке станций на дно.
Базовый модуль жестко крепится к «тазу» 5 и грузу 6 через размыкатель 7, установленный на верхней полусфере, с помощью нерастяжимых, например кевларовых, шкотов 9. Для создания первичного натяжения в направлении размыкания между кевларовым шкотом и грузом располагается упругий, например резиновый, тяж 10.
Верхнее ограждение 11 служит для предохранения акустической антенны размыкателя от повреждений, создания начального угла раскрытия подвижных «удочек» (не менее 15 градусов от вертикальной оси) и их фиксации в этом положении перед спуском.
Фиксаторы 12 имеют клиновидную или коническую форму и служат для фиксации «удочек» 3 на ограждении 11. Фиксаторы 12 шкотами соединены с размыкающим элементом спуско-подъемного устройства СПУ (кран-балки, крана или манипулятора), например пентергаком. Длина шкотов фиксаторов 12 выбирается таким образом, чтобы освобождение фиксаторов под действием веса станции происходило в воде после срабатывания размыкающего элемента СПУ. При этом фиксаторы 12 вместе со шкотами остаются на СПУ для последующих постановок станций.
При необходимости измерения нескольких параметров используют вариант настоящего изобретения, в рамках которого между базовым модулем и грузом устанавливают не менее одного дополнительного модуля для магнитных или сейсмических измерений.
Базовый модуль 19 с дополнительной четырехканальной платой регистратора 13 с помощью шпилек 25, выполненных из немагнитного материала, например латуни, жестко крепится к блоку плавучестей 21. Блок плавучестей 21 может быть изготовлен из стандартных стеклосфер или синтактика и крепится к корпусу 20 модуля магнитных измерений в верхней части.
Корпус модуля 20 изготавливается из непроводящего материала, например, полиэтилена или полипропилена. В нижней части корпуса 20 располагаются индукционные датчики 22 для измерения горизонтальных составляющих магнитного поля и узлы крепления 23 подвижных «удочек» 3 для измерения горизонтальных составляющих электрического поля.
Узлы крепления 23 обеспечивают свободное перемещение «удочек» 3 в вертикальной плоскости и расположены таким образом, чтобы в раскрытом состоянии «удочки» располагались параллельно соответствующему индукционному датчику 22.
Подвижные «удочки» 3 крепятся к ограничителю 24 под начальным углом раскрытия с помощью фиксаторов 12. Индукционный датчик 22 и «удочка» 3 для измерения вертикальных составляющих магнитного и электрического поля соответственно жестко закреплены в вертикальном положении к корпусу 20 на противоположных сторонах.
Электроды 4 «удочек» 3 и индукционные датчики 22 соединяются с регистратором 13 через герморазъемы 8, расположенные на вставке 2. Крепление станции к грузу 26 осуществляется через размыкатель 7 с помощью описанных ранее кевларовых шкотов 9 и тяжей 10.
Корпус 27 имеет цилиндрическую или полусфероцилиндрическую форму и выполнен из немагнитного материала, например алюминиево-магниевого сплава. В верхней части корпуса расположен гидрофон 29, а на боковой поверхности цилиндра - герморазъем 30. Корпус 27 жестко крепится изнутри к боковым поверхностям корпуса 20 модуля магнитных измерений таким образом, чтобы нижняя поверхность корпуса 27 находилась заподлицо с нижним краем корпуса 20, а герморазъем 30 выступал наружу через технологическое отверстие корпуса 20 для удобства подключения к базовому модулю, в регистратор 13 которого в данном варианте устанавливается еще одна четырехканальная плата. Внутри корпуса 27 установлен трехкомпонентный геофон (не показан), жестко связанный с дном корпуса 27.
Поскольку корпус 20 модуля магнитных измерений жестко крепиться на грузе 26 нерастяжимыми кевларовыми шкотами 9, корпус 27 сейсморазведочного модуля и установленные на его дне геофоны оказываются прочно связанными с массивным грузом 26, что резко повышает чувствительность системы к волнам смещения. Другим положительным фактором, влияющим на качество приема поперечных волн, является отсутствие карданного подвеса в системе геофонов, поскольку базовый модуль имеет трехкомпонентный датчик углов 17.
Двухзвенный вариант донной станции, позволяет снизить влияние магнитных масс базового модуля на результаты измерения магнитного поля, например при работах с устанавливающимися электромагнитными полями.
В рамках данного варианта модуль магнитных измерений 31 (с сейсмомодулем или без) крепится к грузу 26 шкотами 9 с тяжами 10 через пассивный размыкатель 32, установленный на блоке плавучестей 21. В корпус 20 модуля магнитных измерений устанавливается герметичный корпус датчика углов 33 с трехкомпонентным датчиком углов. Модуль магнитных измерений 31 соединяется с базовым модулем 36 полужесткой штангой 35. Полужесткая штанга 35 выполнена из непроводящего материала, например полиэтилена, может разбираться для удобства транспортировки и имеет полую форму, например форму трубы. Длина штанги 35 в собранном состоянии не менее 5 метров. Штанга 35 соединяется с корпусом 20 через карданный подвес 34, изготовленный из непроводящего материала, например полиуретана. Карданный подвес 34 обеспечивает свободное перемещение штанги на 180 градусов в горизонтальной плоскости и на 160 градусов в вертикальной. С базовым модулем штанга 35 соединяется в месте крепления одной из подвижных «удочек». Внутри полужесткой штанги 35 располагается многожильный соединительный кабель (не показан) с разветвлениями на концах для подключения к герморазъемам датчиков и блоков модуля 31 и герморазъемам 8 базового модуля. Базовый модуль 36 размещается в «тазу» 5 и крепится к нему упругими тяжами 37 через акустический размыкатель 7. «Таз» 5 утяжеляется для придания базовому модулю отрицательной плавучести 1-2 кг. Пассивный размыкатель 32 срабатывает по сигналу от акустического размыкателя 7, передаваемого через соединительный кабель.
Донная станция работает следующим образом. Перед спуском выбирают заданную номенклатуру модулей и собирают станцию, подсоединяя контакты от датчиков дополнительных модулей и электроды «удочек» к регистратору 13 базового модуля через герморазъемы 8, расположенные на вставке 2.
«Удочки» вытягивают и крепят к ограничителю 24 под начальным углом раскрытия с помощью фиксаторов 12. Индукционный датчик 22 и «удочка» 3 для измерения вертикальных составляющих магнитного и электрического поля соответственно жестко крепятся в вертикальном положении к корпусу 20 на противоположных сторонах. При необходимости устанавливают модуль магнитных измерений 31, соединяя его с базовым модулем 36 полужесткой штангой 35. Крепление станции к грузу 26 осуществляется через размыкатель 7 с помощью кевларовых шкотов 9 и тяжей 10.
С помощью СПУ станцию спускают с борта судна в воду и открывают пентергак. Под действием силы тяжести станция начинает погружаться. Стопоры 12 освобождаются. При этом «удочки» удерживаются в течение спуска в квазивертикальном положении за счет потока воды.
При достижении дна «удочки» под действием силы тяжести раскрываются и принимают горизонтальное положение.
После получения сигнала с борта судна станция начинает работать в заданном режиме. После завершения работы подается сигнал на размыкатель 7, шкоты 9, связывающие груз 6 (и при наличии - «таз» 5) и модули станции освобождаются и станция всплывает.
Предлагаемая модульная конструкция станции позволяет при одном спуске осуществлять регистрацию различных параметров пород морского дна. При этом особенности установки модуля магнитных измерений и сейсморазведочного модуля на станции позволяет обеспечить чувствительность их датчиков, превышающую аналогичные показатели станций с такими однотипными измерительными устройствами. Предложенная станция более компактна и удобна в применении.