СПОСОБ ПОИСКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ НА МОРСКОМ ШЕЛЬФЕ
METHOD FOR OFFSHORE PROSPECTING FOR HYDROCARBON DEPOSITS

Способ относится к геофизическим методам исследований и может быть использован для выявления месторождений нефти и газа на морском 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.
В настоящее время проблема создания высокоэффективного метода поиска месторождений нефти на морском шельфе приобретает во всем мире все большую остроту. Это связано с ограниченностью разведанных запасов нефти на суше, которых по оценкам специалистов должно хватить только на ближайшие 20-30 лет. В то же время считается, что залежи нефти под морским дном обладают гораздо большими мощностями. Это подтверждается растущей долей нефти, добываемой на морском шельфе, в общем объеме мировой добычи (приблизительно 1/3 в данное время). В настоящее время на шельфе Мирового океана (в основном за рубежом) открыто более 1700 месторождений нефти, запасы которых оцениваются в 55 млрд. тонн. Россия также обладает большими потенциальными запасами нефти на шельфе северных морей, вопросы разработки которых тесно связаны с точностью геохимической разведки их месторождений. От качества и эффективности поиска залежей нефти на морском шельфе во многом зависит общая экономическая эффективность ее добычи, так как сегодня стоимость бурения только одной пробной скважины на морском дне составляет 1-5 млрд. рублей. В связи с этим вопрос разработки быстрого и высокоточного метода обнаружения залежей нефти вблизи дна морского шельфа становится высокоактуальным.
Известно, что наличие залежей нефти на шельфе обычно характеризуется просачиванием в придонные слои воды нефтяных углеводородов и газов. При этом наличие газовыделений характерно для залежей газа, тогда как нефтяные углеводороды, вследствие низкой скорости диффузии в морской воде, практически почти полным отсутствием растворимости в ней и быстрой деградацией из-за процессов химического и биохимического взаимодействия с компонентами морской воды, сильно локализованы вблизи мест просачивания нефти на поверхность морского дна.
Известен поиск месторождений углеводородов на морском шельфе, включающий отбор пробы морской воды и последующий анализ накопленного материала с определением концентрации металлов, характеристичных для нефтяных месторождений, а именно ванадия и никеля, после чего по обнаруженному изменению содержаний определяемых элементов в накопленном материале устанавливают район наличия залежей нефти. При этом признаком проявления нефтяного месторождения считается не менее чем 3-кратное превышение фоновых содержаний указанных элементов в морской воде (см. RU №2417387, G01V 9/00, 2009).
Недостаток решения - высокая трудоемкость, связанная с необходимостью отбора значительного числа проб и их обработки, в связи с чем известный метод может использоваться только в условиях предварительного выделения участков акватории, наиболее перспективных для исследования.
Известен способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включающий формирование в ней зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования упругих волн накачки с измеряемыми информационными сигналами (см. RU №2158029, G10K 11/00, G10K 15/02, 1998 г.). Это решение может быть использовано в качестве основы заявляемого способа. 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. Исходя из этого, недостатками известного технического решения 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.
Известно, что основной вклад в эффективность преобразования высокочастотного сигнала в низкочастотные гармоники вносит, так называемый, нелинейный параметр воды Е, который, как правило, незначителен. Например, для дистиллированной воды Е=3,1 при температуре 0°С; 3,5 - при 20°С; 3,7 - при 40°С. Для морской воды при солености 35% в диапазоне температур 20-30°С величина Е равна 3,6. Экспериментальные работы, проведенные в открытом море, показали, что коэффициент нелинейности Е в широком диапазоне частот до глубин 300 м меняется незначительно и не превышает 4. Поэтому принципиально новых эффектов по сравнению с уже изученными, в открытом океане на произвольных глубинах ожидать невозможно. 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 возможности надежного измерения информационных волн на протяженных акваториях.
Известен также способ поиска месторождений углеводородов на морском шельфе, включающий генерирование лоцирующего сигнала в воде, регистрацию информационного сигнала в диапазоне, близком к инфразвуковым частотам, не менее чем двумя подводными акустическими установками и обработку информационного сигнала с проверкой наличия поисковых признаков месторождений углеводородов (см. RU №2145102, G01V 1/38, 1997). При этом информационный сигнал регистрируют одновременно не менее чем двумя трехкомпонентными акустическими установками одновременно по всем компонентам, а наличие нефтегазового месторождения определяют по появлению инфразвуковых резонансных частот в спектральных характеристиках информационного сигнала, записанного в процессе и после прекращения генерирования лоцирующего сигнала, относительно спектральных характеристик информационного сигнала, записанного до генерирования.
Недостатком известного способа следует признать его продолжительность, обусловленную необходимостью опускания и подъема акустических установок на дно акватории, а также возможное несовпадение компонент регистрации установками, поскольку установки могут расположиться и не на одной плоскости. Существенным недостатком этого технического решения также является невозможность его реализации в мобильных поисковых системах обнаружения и измерения характеристик гидрофизических и геофизических волн на протяженных морских 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 - достижение дальнего обнаружения (приема) в морской среде и измерение пространственно-временной и спектральной структуры полей гидрофизических и геофизических волн, формируемых морскими объектами и донными углеводородными залежами в инфразвуковом и дробном диапазонах. Это достигается за счет низкочастотной подсветки (прозвучивания) всего пространства обследуемой акватории и увеличения протяженности и объема параметрической антенны в контролируемой среде до десятков-сотен километров. Последующее круговое сканирование протяженной параметрической антенны по периметру обследуемой акватории обеспечивает возможность определения направлений принимаемых информационных волн на акватории, а перемещение излучателя накачки (сокращение, а затем увеличение протяженности просветной линии) и использование дополнительного направленного облучения морского дна акустическими или электромагнитными волнами накачки обеспечивает определение местонахождения источников информационных волн с повышенной точностью. Последующие знакопеременные отклонения движения излучающего блока от прямолинейного курса при сближении и удалении от приемного блока обеспечивают определение пространственной протяженности источников информационных волн.
Для решения поставленной задачи способ поиска месторождений углеводородов на морском шельфе, включающий генерирование лоцирующего сигнала в воде, регистрацию информационных волн в диапазоне инфразвуковых частот посредством подводного приемного акустического блока и обработку информационного сигнала с проверкой наличия поисковых признаков месторождений углеводородов, отличается тем, что в пределах обследуемого участка акватории формируют зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования лоцирующего сигнала с информационными сигналами, проявляющимися на акватории, при этом подводный приемный акустический блок формируют из двух горизонтально разнесенных приемников и размещают в центре обследуемого участка акватории, причем в составе излучающего блока используют низкочастотный и высокочастотный акустические излучатели, при этом излучающий блок размещают на подвижном носителе, который при поиске источников информационных сигналов перемещают по границе обследуемого участка акватории, в процессе которого формируют вертикальную и горизонтальную параметрические антенны, первая из которых направлена в направлении морского дна, а вторая в направлении приемного блока, при этом волны лоцирующего сигнала, взаимодействовавшие с измеряемыми информационными сигналами, принимают горизонтально разнесенными приемниками, двухканально усиливают в полосе частот параметрического преобразования, измеряют их разность фаз и переносят временной масштаб в высокочастотную область, выделяют их узкополосные спектры, определяют в них и регистрируют параметрические составляющие нижней и верхней боковых полос, по которым с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки, а также направлений параметрических антенн восстанавливают и фиксируют характеристики измеряемых информационных полей, соответствующие поисковым признакам месторождений углеводородов, например частотный диапазон, интенсивность, пространственно-временную и спектральную структуру, а также определяют и фиксируют направления их максимального проявления, далее по этим направлениям излучающий блок перемещают в точку расположения приемного блока, затем проходят за него, при этом уточняют местоположения источников информационных сигналов по этой курсовой линии и фиксируют протяженность месторождения вдоль нее, подобным же образом, перемещая подвижный носитель по траекториям, пересекающим, по меньшей мере, первую курсовую линию, оконтуривают площадь месторождения углеводородов, выполняют наблюдение и измерение признаков пространственно-временной динамики их характеристик, а по ним осуществляют идентификацию волн на их принадлежность к водным гидрофизическим или донным геофизическим, при обнаружении геофизических волн и фиксации их спектральных характеристик полученные результаты сравнивают с обобщенными эталонными спектрами и выявляют принадлежность информационных волн к конкретным типам скоплений углеводородов, например газовым, газоконденсатным или залежам с притоком газа. Кроме того, низкочастотные волны горизонтальной накачки, используемые для формирования горизонтальной параметрической антенны, формируют в диапазоне десятки - сотни герц.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак в пределах обследуемого участка акватории формируют зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования лоцирующего сигнала с информационными сигналами, проявляющимися на акватории, обеспечивают формирование параметрических антенн большой протяженности, которыми затем сканируют обследуемый участок акватории.
Признак «подводный приемный акустический блок формируют из двух горизонтально разнесенных приемников и размещают в центре обследуемого участка акватории» обеспечивает возможность при перемещении излучающего блока по периметру обследуемого участка акватории просканировать его на предмет наличия поисковых признаков месторождений углеводородов.
Признак «в составе излучающего блока используют низкочастотный и высокочастотный акустические 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 «излучающий блок размещают на подвижном носителе, который при поиске источников информационных сигналов перемещают по границе обследуемого участка акватории» обеспечивает возможность при перемещении вдоль 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 (трассы) сканирования характеристики излучения накачки.
Признак, указывающий, что в процессе перемещения подвижного носителя «формируют вертикальную и горизонтальную параметрические антенны, первая из которых направлена в направлении морского дна, а вторая - в направлении приемного блока», обеспечивает формирование параметрической антенны в горизонтальной плоскости, протяженностью соизмерима с расстоянием от границы до центра обследуемого участка, при этом формирование вертикально-ориентированной параметрической антенны позволяет сканировать и толщу акватории до ее дна (т.е. сканирование идет не лучом (узкой диаграммой направленности), а вертикальной плоскостью (широкой диаграммой направленности), причем вертикальная параметрическая антенна, воздействуя на дно, дополнительно стимулирует интенсивность проявлений поисковых признаков углеводородного месторождения (выделение газовых компонентов или флюидов).
Признак, указывающий, что «волны лоцирующего сигнала, взаимодействовавшие с измеряемыми информационными сигналами, принимают горизонтально разнесенными приемниками, двухканально усиливают в полосе частот параметрического преобразования», обеспечивает оптимальный параметрический прием измеряемых волн с последующим сохранением их информационной емкости в широкой полосе частот.
Признак, указывающий на то, что в двухканально принимаемых сигналах «измеряют их разность фаз», обеспечивает помехоустойчивость дальнего приема волн путем подавления случайных некоррелированных помех среды на фоне устойчивых волн накачки и информационных сигналов (водных и донных).
Признак, указывающий на то, что у принятых параметрически преобразованных волн накачки среды после усиления «переносят временной масштаб в высокочастотную область», обеспечивает возможность эффективного спектрального анализа сигналов в диапазоне инфранизких и особенно дробных частот с использованием существующих средств узкополосного спектрального анализа. Теоретические основы и практические пути реализации такого метода обработки применительно к гидроакустике и сейсмологии даны в работе В.М. Черницер, Б.Г. Кадук «Преобразователи временного масштаба». М.: Сов. радио, 1972, с.3-16.
Признаки, указывающие на то, что в принятых параметрически преобразованных волнах накачки среды «выделяют их узкополосные спектры, определяют в них и регистрируют параметрические составляющие нижней и верхней боковых полос по которым, с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки, а также направлений параметрических антенн восстанавливают и фиксируют характеристики измеряемых информационных полей, соответствующие поисковым признакам месторождений углеводородов», обеспечивают возможность фиксации сигналов (признаков) характеризующих источники информационных сигналов на акватории, в т.ч. источников, формирующих поисковые признаки, характерные для присутствия месторождений углеводородов. При этом совместное «выделение в измеряемых спектрах параметрических составляющих верхней и нижней боковых полос» обеспечивает возможность эффективного приема информационных волн в зависимости от полосы частот интенсивных помех среды.
Признаки, указывающие на то, что в качестве характеристик измеряемых информационных полей используют характеристики «частотного диапазона, интенсивности, пространственно-временной и спектральной структуры, а также определяют и фиксируют направления их максимального проявления», конкретизируют возможные варианты фиксируемых характеристик измеряемых информационных полей и обеспечивают возможность выбора «поискового галса» для уточнения пространственных параметров месторождения.
Признаки, указывающие на то, что по направлениям максимального проявления поисковых признаков «излучающий блок перемещают в точку расположения приемного блока, затем проходят за него, при этом уточняют местоположения источников информационных сигналов по этой курсовой линии и фиксируют протяженность месторождения вдоль нее», обеспечивают определение протяженности площади с проявлениями признаков, характерных для углеводородного месторождения вдоль «поискового галса».
Признаки, указывающие на то, что «подобным же образом, перемещая подвижный носитель по траекториям, пересекающим, по меньшей мере, первую курсовую линию, оконтуривают площадь месторождения углеводородов», обеспечивают оконтуривание площади месторождения углеводородов.
Признаки, указывающие на то, что «выполняют наблюдение и измерение признаков пространственно-временной динамики их характеристик, а по ним осуществляют идентификацию волн на их принадлежность к водным гидрофизическим или донным геофизическим», обеспечивают возможность исключения из последующей идентификации информационных сигналов, не являющихся поисковыми признаками на месторождения углеводородов.
Признаки, указывающие на то, что «при обнаружении геофизических волн и фиксации их спектральных характеристик, полученные результаты сравнивают с обобщенными эталонными спектрами и выявляют принадлежность информационных волн к конкретным типам скоплений углеводородов, например газовым, газоконденсатным или залежам с притоком газа», обеспечивают идентификацию подводных месторождений углеводородов.
Дополнительный признак третьего пункта заявляемого изобретения, указывающий на то, что «низкочастотные волны подсветки среды формируют в диапазоне десятки - сотни герц», обеспечивает возможность оптимизированного к среде прозвучивания протяженных акваторий слабозатухающими сигналами накачки.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами и рисунками. На фиг.1 приведена структурная схема измерительной системы мониторинга, обеспечивающая реализацию заявленного способа. На фиг.2 представлена схема обследования акватории, измерения характеристик полей и определения местоположения и горизонтальной протяженности 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).
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, как морских ракушек, 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 Университет. 2005. - Вып.22 - С.113-120).
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
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><msub><mi>P</mi><mi>o</mi></msub><msub><mi>β</mi><mrow><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow>
,
<mrow><msub><mi>β</mi><mi>s</mi></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>υ</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><mo>∂</mo><mi>υ</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>P</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>s</mi></msub></mrow>
где
- коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости;
υ - удельный объем.
<mrow><msub><mi>β</mi><mi>s</mi></msub><mo>=</mo><mi>G</mi><mi>υ</mi><mo>/</mo><msub><mi>G</mi><mi>p</mi></msub><msub><mi>β</mi><mi>t</mi></msub></mrow>
Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью
, можно получить следующее выражение для фазовой скорости
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mi>p</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>С</mi><mi>υ</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mo>∂</mo><mi>P</mi><mo>/</mo><mo>∂</mo><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>t</mi></msub></mrow></msqrt></mrow>
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.
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)
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>P</mi><mo>*</mo><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0,5</mn><msup><mi>P</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>{</mo><mrow><msub><mi>J</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>m</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>J</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>m</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>Ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>Ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>t</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo></mrow></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><msub><mi>J</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>A</mi></mrow><mi>P</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>Ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>Ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>t</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>J</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>A</mi></mrow><mi>P</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mn>3</mn><mi>Ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>t</mi></mrow></mrow><mo>−</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>−</mo><mrow><mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mn>3</mn><mi>Ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>t</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><mo>…</mo><mrow><mrow /><mo>}</mo></mrow></mtd></mtr></mtable>
,
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 со на n·Ω, где n - любое целое число. Амплитуды n-х боковых составляющих будут определяться выражением
<mrow><msub><mi>J</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>A</mi><mi>m</mi></msub><mo>/</mo><mi>P</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mn>0,5</mn><msup><mi>P</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
.
m
р
Из него следует, что вклад различных боковых составляющих в суммарную мощность модулированного колебания определяется величиной 2А/Р. Причем при малых значениях коэффициента модуляции m спектр колебания состоит приближенно из гармоник центральной частоты 2ω (суммарной) и двух боковых частот: верхней (2ω+Q) и нижней (2ω-Q).
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 системы обеспечивающей реализацию заявленного способа, показана на фиг.1. Система включает тракт формирования сигналов 1 низкочастотной и высокочастотной подсветки (накачки) среды, соединенный с подводными излучателями 2 и 3, соответственно, просветных сигналов накачки и сигналов высокочастотной накачки среды в направлении морского дна. Тракт формирования и усиления сигналов 1 представляет собой двухканальную электронную схему, содержащую последовательно соединенные: генераторы стабилизированной частоты 7 и 10; тиристорные инверторы 8 и 11; блоки согласования их выходов с подводными кабелями и далее с излучающими блоками 9 и 12 (см. фиг.1).
Система включает также тракт приема, выделения и регистрации 13 информационных волн, входы которого соединены с приемными блоками 5 и 6.
Приемный тракт измерительной системы 13 (фиг.1) представляет собой электронную систему, включающую последовательно соединенные двухканальный широкополосный усилитель 14, входы которого посредством подводных кабелей соединены с приемными блоками горизонтальной донной антенны 5 и 6, а выходы с блоком измерения разности фаз 15, а его выход с преобразователем временного масштаба параметрически преобразованных просветных волн в высокочастотную область 16, далее с узкополосным анализатором спектров 17, выход которого соединен с рекордером или иным носителем выделяемых спектров информационных волн 18. Кроме того, на чертежах (фиг.1) показаны источник формирования гидрофизических волн 4, рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн (низкочастотная просветная параметрическая антенна) 19, источник 20 формирования геофизических волн морского дна 21, морская поверхность 22, а также зона «тройного» нелинейного взаимодействия волн 23 (низкочастотных просветных, акустических или электромагнитных геофизических, принимаемых за счет дополнительной накачки среды в направлении морского дна, а также волн, сформированных углеводородными скоплениями 20), траектория 24 (курсовые линии) перемещения излучающего блока (излучателей 2 и 3), морское дно 25, судно 26.
Заявленный способ реализуется следующим образом. Излучатели накачки и подсветки среды 2 и 3, а также приемные блоки 5 и 6 размещают (заглубляют или устанавливают на дне) по отношению к источникам информационных волн обследуемой акватории так, чтобы наиболее эффективно формировались и использовались области их нелинейного взаимодействия. Процесс обнаружения информационных волн начинается с перемещения сформированной просветной параметрической антенны по площади обследуемой акватории («вращения» относительно местоположения приемного блока). При обнаружении признаков информационных волн носитель излучающего блока 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 судна 26 - носителя излучателей - от прямолинейного курса излучатели перемещают в бок от первоначально пройденной линии (например, 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.
Закономерность измерения гидрофизических и геофизических волн просветным параметрическим способом в поисковой системе реализуется следующим образом. Воздействие источников информационных волн 4 и 20 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 полей и поиска их источников.
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 и ее грунте.
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 методами и средствами узкополосного спектрального анализа и их последующей регистрации.
Ниже приведены конкретные результаты реализации заявленного способа (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» превышают 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%.
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 (накачкой) среды слабозатухающими низкочастотными акустическими сигналами в диапазоне десятки - сотни герц. Обеспечение в заявляемом способе дальнего обнаружения и определения местоположения источников геофизических и гидрофизических волн достигается за счет совместной реализации закономерностей и измерительных технологий просветной и реверберационной гидролокации, что обосновано теоретически и подтверждено морскими экспериментами.
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.