СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ПОДВОДНО-ПОДЛЕДНОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОДВОДНОГО СУДНА
METHOD OF PERFORMING UNDERWATER-SUBGLACIAL GEOPHYSICAL EXPLORATION USING SUBMARINE VESSEL

Предлагаемое изобретение относится к геофизике, а именно к области сейсмической или акустической разведки районов, покрытых водой, и может быть использовано для геофизического исследования морских акваторий, в частности, лежащих под сплошными паковыми льдами для поиска полезных ископаемых в морском дне, например, на шельфе северных морей.
Подавляющее большинство известных способов и устройств для подводно-подледной геофизической разведки полезных ископаемых в морском дне включают в себя буксировку надводным судном (ледоколом) сейсморазведочной косы (или сейсмо-разведочных кос), выпускаемых в воду с помощью специальных сейсмических лебедок (см., например, пат. RU 2317572, МПК G01V 1/38 (2006.01), опубл. 20.02.2008). Поскольку длина стандартных сейсморазведочных кос достигает 6000 м, то их спуск в воду с борта или из трюма надводного судна и их буксировка за судном в условиях подледной разведки в северных широтах является сложной технической задачей, а в условиях паковых льдов просто невыполнимой задачей.
Известен также способ проведения подводно-подледной сейсмической разведки полезных ископаемых в донных отложениях на морском дне, в котором использовано подводное судно, например подводная лодка (пат. RU 2388022, МПК G01V 1/38 (2006.01), опубл. 27.04.2010). Данный способ выбран в качестве прототипа. В этом способе подводное судно в рабочем режиме движется лагом, то есть движется вперед одним бортом и буксирует набор сейсморазведочных приемоизлучающих антенных кос, выпускаемых с другого борта судна. По сути, данный способ с незначительными дополнениями копирует упомянутые выше стандартные способы ведения морской сейсморазведки, перенося те же конфигурации размещения оборудования под воду. Для реализации данного известного способа требуется наличие надводного ледокольного судна сопровождения. Само подводное судно геофизической разведки согласно данному способу для перемещения лагом должно быть сконструировано таким образом, чтобы иметь симметричный обтекаемый профиль обшивки как в вертикальной плоскости нос-корма, так и в перпендикулярной бортовой плоскости.
Недостатком способа прототипа является то, что для его реализации требуется радикальная переделка базового решения подводных лодок, что существенно снижает экономичность способа, а длительное рабочее перемещение подводного судна лагом (если оно вообще возможно) предъявляет повышенные требования к устойчивости судна. Кроме того, в процессе буксировки длинные, гибкие сейсморазведочные приемоизлучающие антенные косы подвержены колебаниям, вызываемым гидродинамическими силами, что приводит к возникновению фазовых ошибок и появлению дополнительных шумов обтекания. Все это снижает качество принимаемых сигналов.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка экономически более эффективного и более технологичного способа проведения геофизической разведки дна морских акваторий, лежащих подо льдом, обеспечивающего более высокое качество получаемого материала.
Технический результат в разработанном способе достигается тем, что разработанный способ проведения подводно-подледной геофизической разведки донных отложений морских акваторий, так же как и способ прототип, включает в себя перемещение приемников и излучателя акустического сигнала вблизи дна исследуемой морской акватории с помощью подводного судна.
Новым в разработанном способе является то, что облучение донных отложений осуществляют в надир непосредственно с движущегося в маршевом режиме подводного судна с помощью излучателя, выполненного в виде, по крайней мере, одного источника когерентного широкополосного низкочастотного излучения с мощностью порядка 1 кВт и установленного стационарно на подводном судне. А прием отраженного излучения осуществляют акустическими приемниками, жестко закрепленными на подводном судне, после чего обработку принятых сигналов проводят с привлечением корреляционного метода.
В первом частном случае реализации способа целесообразно дно акватории облучать в надир с помощью излучателя, выполненного в виде источника когерентного широкополосного низкочастотного акустического излучения с линейной частотной модуляцией в полосе частот 60-120 Гц.
Во втором частном случае реализации способа прием отраженного от донных отложений излучения целесообразно осуществлять акустическими приемниками в виде линейных антенн из цифровых гидрофонов, расположенных в один ряд вдоль обоих бортов подводного судна.
В третьем частном случае реализации способа прием отраженного от донных отложений излучения целесообразно осуществлять акустическими приемниками в виде линейных антенн из цифровых гидрофонов, расположенных в два ряда вдоль обоих бортов подводного судна.
Технический результат - повышение экономической эффективности, технологичности и качества получаемого материала - обеспечивается в разработанном способе за счет предложенного авторами использования когерентного накопления сигналов сложной формы при продолжительном излучении. В отличие от известных аналогов, где в качестве источников сейсмоакустического излучения используются импульсные устройства, например воздушные пушки (см., например, Телегин А.Н. ред. Морская сейсморазведка. М.: ООО «Геоинформмарк». 2004), в разработанном способе используются источники когерентного широкополосного низкочастотного акустического излучения с мощностью порядка и более 1 кВт и когерентное накопление принятого сигнала (общие принципы когерентной обработки описаны, например, в Справочник по гидроакустике под ред. Колесникова А.Е., Л.: Судостроение, 1988. Второе издание. Глава 4 «Гидроакустические сигналы»). При этом отношение длительности когерентного излучения в разработанном способе к длительности излучения упомянутых импульсных устройств (около 0.1 секунды) составляет величину порядка 100 и, возможно, более, что означает выигрыш по энергии излучения в разработанном способе во столько же раз. Кроме того, когерентность излучения позволяет организовать направленное излучение и прием, например преимущественное излучение в направлении надира и прием сигналов, отраженных преимущественно дном акватории с подавлением отражений от поверхности, покрытой льдом. По этой причине при использовании в разработанном способе мощных источников направленного излучения отпадает необходимость в перемещении длинных сейсморазведочных кос, достоинством которых является среди прочего возможность ослабления шумов за счет суммирования большого числа спаренных гидрофонов и выделения годографов отраженных волн на фоне шумов. Таким образом, высокая экономическая эффективность и технологичность разработанного способа обеспечиваются за счет возможности использования апробированных базовых решений подводных лодок с необходимыми доработками, которые при реализации разработанного способа перемещаются в обычном маршевом режиме. Возможность использования апробированных базовых решений подводных лодок обеспечивается за счет жесткого крепления приемоизлучающей системы на подводном судне. В результате чего не страдает гидродинамика подводного судна, его маневренность и безопасность эксплуатации. Все это важно для обеспечения автономной работы подводной лодки и проведения сейсморазведки 3D путем последовательной записи набора сейсмических трасс. Качество получаемого материала обеспечивается за счет использования источников когерентного широкополосного сигнала и гидроакустических антенн последнего поколения с цифровым преобразованием непосредственно в гидрофонах антенны.
В разработанном способе первичная корреляционная обработка сигналов осуществляется стандартным образом (см., например, Скучик Е. Основы акустики. М.: Мир, 1976, T.1; Справочник по гидроакустике под ред. Колесникова А.Е. Л.: Судостроение, 1988. Второе издание. Глава 4 «Гидроакустические сигналы»), что, как показал опыт практического применения (Лебедев А.В., Малеханов А.И. Когерентная сейсмоакустика // Изв. вузов. Радиофизика. 2003. 46. №7. 579-597), позволяет реализовать нехарактерные для традиционной сейсморазведки режимы зондирования и повысить разрешающую способность. В результате корреляционной обработки определяется импульсный отклик исследуемой среды, который в силу малой величины деформаций и очевидной линейности среды распространения (донных отложений) формально совпадает с импульсным откликом, получаемым стандартным способом (например, в морской сейсморазведке с использованием импульсных источников). Поэтому интерпретация полученных после корреляционной обработки данных подледной разведки с использованием когерентного излучения и приема производится так же, как и для данных надводной морской сейсморазведки. Следовательно, возможно использование всего накопленного опыта, прикладных программ, вычислительных центров и т.п. служб.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлено два вида (вид сбоку и вид сверху) принципиальной компоновочной схемы подводного судна сейсмической разведки для реализации разработанного способа.
На фиг.2 представлена схема способа проведения подводно-подледной геофизической разведки с использованием подводного судна.
На фиг.3 представлены результаты численного моделирования проведения подводно-подледной геофизической разведки.
Подводное судно сейсмической разведки (см. фиг.1) включает в себя само подводное судно 1, имеющее герметичный отсек 8 для расположения там и транспортировки в положении «по-походному» излучателя 2, выполненного из, по крайней мере, одного источника 3 акустического когерентного широкополосного низкочастотного излучения с мощностью порядка или более 1 кВт. Кроме того, подводное судно 1 снабжено акустическими приемниками 4, жестко закрепленными на подводном судне. Излучатель 2 установлен на штанге 9, которая шарнирно закреплена в отсеке 8 с возможностью фиксации в двух положениях: в положении «по-походному», при котором штанга 9 расположена в отсеке 8 параллельно днищу судна, и в рабочем положении, при котором штанга 9 расположена вне корпуса судна перпендикулярно его днищу (см. фиг.2).
В частных случаях реализации акустические приемники 4 могут быть выполнены в виде линейных антенн из цифровых гидрофонов 5, расположенных либо в один ряд вдоль обоих бортов подводного судна 1, либо в два ряда также вдоль обоих бортов подводного судна 1.
В качестве источников 3 акустического когерентного широкополосного низкочастотного излучения могут быть использованы изготавливаемые в ИПФ РАН (г. Нижний Новгород) глубоководные источники когерентного широкополосного акустического излучения с мощностью порядка и более 1 кВт. Краткое описание источников представлено в обзоре (Лебедев А.В., Малеханов А.И. Когерентная сейсмоакустика // Изв. вузов. Радиофизика. 2003. 46. №7. 579-597).
В качестве цифровых гидрофонов 5 могут быть использованы гидрофоны, выпускаемые, например, фирмой «Мониторинг» (ИПФ РАН, Нижний Новгород), описание которых представлено в работах (Коротин П.И., Кияшко Б.В., Чащин А.С., Харитонов А.В. Цифровой гидроакустический приемник. Журнал «Приборы и системы разведочной геофизики» 2007, №1, с.35-39 и Коротин П.И., Чащин А.С., Эйдельман Э.С. Цифровая система сбора данных морской сейсморазведки. Журнал «Приборы и системы разведочной геофизики» 2007, №3, с.16-18).
Разработанный способ реализуют следующим образом.
Подводное судно 1, находясь в автономном плавании, в маршевом режиме выходит в район проведения геофизической разведки и занимает исходную позицию на выбранной глубине. Из герметичных отсеков 8 посредством штанги 9 выводят в рабочее положение один или несколько источников 3 акустического когерентного широкополосного низкочастотного излучения (см. фиг.2). Поскольку источники 3 акустического излучения и акустические приемники 4 имеют небольшие объемы и закреплены на подводном судне 1 стационарно и жестко, то гидродинамика подводного судна и его маневренность не нарушаются, и подводное судно 1 может перемещаться над обследуемым районом со скоростью до 40 узлов, т.е. практически в маршевом режиме. В этом режиме трехмерную 3D геофизическую разведку в обследуемом районе проводят путем последовательной записи набора сейсмических трасс. При этом посредством источников 3 дно акватории облучают в надир когерентным широкополосным низкочастотным акустическим излучением 6 с мощностью порядка 1 кВт. А отраженное от морского дна и от неоднородностей (донных отложений) под морским дном излучение 7 принимают акустическими приемниками 4, например цифровыми гидрофонами 5 в виде линейных антенн, расположенных вдоль обоих бортов подводного судна 1 (см. фиг.1). После чего первичную обработку принятых сигналов проводят на судне с привлечением известного корреляционного метода (см., например, Скучик Е. Основы акустики. М.: Мир, 1976, T.1).
В разработанном способе за счет когерентности излучения и накопления принимаемых сигналов увеличивается энергия зондирующих импульсов, что позволяет отказаться от использования длинных (порядка 6000 м) стандартных сейсморазведочных кос и использовать для создания подводного комплекса геофизической разведки апробированные базовые решения подводных лодок с необходимыми доработками, и это обеспечивает решение поставленной задачи.
Последующую интерпретацию полученных после корреляционной обработки данных подледной геофизической разведки проводят по известной методике, как и для данных надводной морской сейсморазведки, с использованием известных прикладных программ.
Авторами проведено численное моделирование разработанного способа подводно-подледной геофизической разведки. Результаты численного моделирования представлены на фиг.3.
Проведенные расчеты показали возможность уверенного приема одиночным гидрофоном полезного сигнала от тонкого (несколько десятков метров) пласта, который лежит на глубине 1 км и моделирует насыщенный газом слой. При этом учитывалась реальная шумовая обстановка, характерная для арктического бассейна. Глубины в 1 км являются на сегодняшний день достижимыми для коммерческого использования. Расчеты базировались на усредненных геофизических данных, доступных из многочисленных авторитетных источников (см., например, Hyp А. Использование сейсмических свойств горных пород для изучения и мониторинга пластов-коллекторов // В кн.: Сейсмическая томография / под ред. Г.Нолета. М.: Мир. 1990. 213-250; Авербух А.Г. Изучение состава и свойств горных пород при сейсморазведке. М.: Недра. 1982; Mavko G., Mukeji Т., Dvorkin J. The Rock Physics Handbook. Tools for Seismic Analysis in Porous Media. Cambridge University Press. MA. 1998), и апробированной схеме вычислений.
Параметры модели приведены в Таблице.
Таблица.
Параметры слоистой среды, использованные при моделировании распространения сейсмических волн.
Среда
Плотность (кг/м<sup>3</sup>)
V<sub>P</sub> (м/с)
V<sub>S</sub> (м/с)
η<sub>р</sub>
η<sub>s</sub>
(1) вода
1000
1500
0
0
0
(2) ил
1500
1400
0
0.2
0
(3) песчаник №1
2510
4670
3060
0.01
0.01
(4) песчаник №2
2100
3130
1730
0.02
0.02
Песчаник №1 моделирует осадочную породу с низким содержанием пор, что препятствует выходу углеводородов на поверхность. Песчаник №2 моделирует пористую (до 30%) осадочную породу, которая содержит газ или иные углеводороды. В модельном расчете слой песчаника №2 имел толщину 40 метров и располагался на глубине 1 км. На фиг.3 показан импульсный отклик (свертка сигнала линейной частотной модуляции в полосе 60-120 Гц длительностью 8 секунд), на котором отчетливо виден сигнал, отраженный слоем песчаника №2. Две модели на фиг.3 отвечают следующим вариантам. Модель №1 представляет собой среду, составленную из жидкого (вода) слоя, слоя ила и полупространства, заполненного песчаником №1. В модели №2 на глубине 1 км имеется включение в виде слоя толщиной 40 метров пористого песчаника №2. Сравнивая отклики для двух моделей, нетрудно видеть, что отличия наблюдаются с времен 400 мс, когда приходит первый отраженный сигнал от слоя песчаника №2. Кроме того, можно заметить, что гидроакустические шумы арктической акватории начинают сказываться на сигналах, пришедших с задержкой более 1 секунды.
В результате проведенного анализа установлено следующее. Во-первых, уверенная регистрация полезного сигнала возможна при использовании полосы когерентного излучения в 1 октаву с центральной частотой порядка 100 Гц (расширение полосы излучения приводит к улучшению контраста акустического изображения). Во-вторых, для повышения качества регистрации целесообразно осуществлять зондирование при размещении подводного судна 1 ближе к дну. В-третьих, ограничения на скорость перемещения подводного судна 1 практически отсутствуют, и при длительности посылки 8 секунд скорость судна может достигать 40 узлов. В-четвертых, использование методов когерентной обработки сигналов с линейных антенн может только улучшить качество принимаемого сигнала за счет пространственной селекции по сравнению с регистрацией на одиночный гидрофон 5. Таким образом, предлагаемый способ функционирования подводного комплекса геофизической разведки с жестко закрепленными элементами приемоизлучающей системы является реализуемым в рамках имеющихся апробированных конструкторских решений для создания подводных судов.