Способ проведения подводно-подледного сейсмопрофилирования с использованием перемещаемой подводным судном донной сейсморазведочной косы и технологический комплекс для его осуществления
METHOD FOR CARRYING OUT UNDERWATER/UNDER-ICE SEISMIC PROFILING USING A BOTTOM SEISMIC INSPECTION STREAMER MOVED BY AN UNDERWATER VESSEL CROSS AND THE TECHNOLOGICAL COMPLEX FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к морской геофизике и может быть использовано при проведении геологоразведочных работ с использованием донных сейсмокос в морских акваториях, находящихся подо льдом.
Известно устройство для обеспечения сейсмопрофилирования глубоководного морского шельфа методом укладки сейсмокос на морское дно с использованием подводного носителя и способ установки данного устройства на морское дно (патент RU 2460096).Устройство состоит из нескольких частей, несущих на себе лебедки с установленными на них сейсмокосами. Доставка и установка устройства в рабочую точку, объединение частей устройства в единую систему и укладка сейсмокос на дно осуществляется самоходной многофункциональной подводной станцией с использованием необитаемых подводных аппаратов, размещаемых на этой станции.
Недостатком данного способа и устройства является сложность всего комплекса используемых средств, а также необходимость при работе на длинных профилях многократного повторения многофункциональной подводной станцией и необитаемыми подводными аппаратами операций по сборке и разборке устройства, укладке и свертывании сейсмокос, длина которых ограничена размерами устанавливаемых на устройстве барабанов лебедок и в большинстве случаев может быть существенно меньше длины исследуемых профилей, что делает данный способ чрезвычайно затратным.
Известен способ проведения подводно-подледной геофизической разведки и технологический комплекс для его осуществления (патент RU 2388022). Данный способ является наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности. В этом способе сейсморазведочные антенные косы буксируют подо льдом с помощью подводного судна, передвигающегося лагом на оптимальной геофизической глубине и тянущего за собой антенные косы, выпускаемые с бортовых лебедок, расположенных по длине подводного судна. Подводное судно содержит судовые движители с управляемыми векторами тяги, обеспечивающие движение и динамическое позиционирование подводного судна, и работает подо льдом вместе с надводным ледокольным судном обеспечения - носителем транспортно-спасательных подводных аппаратов, автономными необитаемыми подводными аппаратами, донными и буксируемыми акустическими маяками.
Данный способ позволяет осуществлять непрерывное сейсмопрофилирование за счет буксировки кос подводным судном, однако не обеспечивает укладку сейсморазведочных антенных кос на дно для получения более высокого качества сейсмических измерений. Кроме того, реализация подводного судна, являющегося аналогом атомной подводной лодки и перемещающегося лагом, требует радикальной переделки базовых решений подводных лодок, что снижает экономичность способа.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка более экономически эффективного и более технологичного способа проведения подводно-подледного сейсмопрофилирования морского дна с помощью перемещаемых подводным судном сейсморазведочных антенных кос, обеспечивающего более высокое качество получаемого сейсмического материала.
Для решения поставленной задачи, в отличие от известного способа проведения подводно-подледной геофизической разведки с использованием буксировки сейсморазведочных кос подо льдом с помощью подводного судна, содержащего сейсмоакустический излучатель, судовые движители с регулируемыми векторами тяги, обеспечивающие горизонтальное и вертикальное перемещение и пространственное динамическое позиционирование подводного судна, работающего вместе с надводным ледокольным судном обеспечения, донными и буксируемыми маяками (патент RU 2388022), новым в разработанном способе является то, что осуществляют подводным судном буксировку донной сейсморазведочной косы, поочередно изменяя плавучесть косы с отрицательной на нулевую или близкую к нулевой плавучесть и обратно, при придании косе отрицательной плавучести производят укладку косы на дно подводным судном и облучение дна относительно косы, а при придании косе нулевой или близкой к нулевой плавучести производят подводным судном перемещение косы вдоль профиля.
Для осуществления разработанного способа предлагается система подводно-подледного сейсмопрофилирования морского дна, в которой:
- надводное ледокольное судно обеспечения оснащено средствами навигации, связи, управления и электроснабжения для работы с подводными объектами, опускаемым с судна на дно на силовом кабель-тросе носителем-заглубителем, имеющем в своем составе подводное судно, выполненное в виде необитаемого телеуправляемого подводного аппарата, устройство регулирования плавучести и лебедку с размещенными на ней донной косой переменной плавучести и плавучим магистральным кабелем;
- устройство регулирования плавучести включает в себя прочный резервуар, разделенный перегородкой на два герметичных отсека, в первом отсеке, заполненном жидким наполнителем малой плотности, установлен сильфон, основание которого прикреплено к передней стенке отсека и имеет патрубок в этой стенке для заполнения сильфона водой из внешней среды, а противоположная сторона сильфона может перемещаться внутри отсека, во втором отсеке установлена насосная система, включающая в себя гидронасос, трубопроводы, управляемый вентиль и блок управления, при этом управляемый вентиль пропускает жидкий наполнитель из первого отсека по одному из трубопроводов только через гидронасос и далее в полость рукава донной косы, а по другому трубопроводу пропускает этот наполнитель только обратно из донной косы непосредственно в первый отсек;
- донная коса выполнена в виде гибкого эластичного полимерного рукава, на концах которого имеются герморазъемы, при этом коса через первый герморазъем подключена к устройству регулирования плавучести, а через хвостовой герморазъем подключена к имеющему нейтральную плавучесть магистральному кабелю, коренной конец которого закреплен на лебедке, установленной в носителе-заглубителе, сквозь рукав пропущен заделанный в герморазъемы трос для компенсации продольного растяжения рукава, на тросе между сейсмоприемниками, закрепленными на определенном расстоянии друг от друга, размещены гирлянды плавучестей, выполненных из сферопластика малой плотности, в которых имеются сквозные каналы, через которые проходят транзитные провода электрических линий коммуникаций, и каналы для перемещения жидкого наполнителя в полости донной косы в прямом или обратном направлении при изменении ее плавучести;
- подводное судно, содержащее сейсмоакустический излучатель, судовые движители с регулируемыми векторами тяги, обеспечивающие горизонтальное и вертикальное перемещение и пространственное динамическое позиционирование подводного судна, оснащено стыковочным узлом для закрепления на поверхности корпуса узла регулирования плавучести и соединено с узлом регулирования плавучести кабелем телеуправления и электропитания, размещенным на лебедке, установленной на корпусе узла регулирования плавучести.
Возможность реализации разработанного способа поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен технологический комплекс подводно-подледного сейсмопрофилирования на режиме спуска-подъема носителя-заглубителя с надводного судна обеспечения.
На фиг. 2 представлена принципиальная компоновочная схема устройства регулирования плавучести донной косы.
На фиг. 3 представлена принципиальная компоновочная схема донной косы переменной плавучести.
На фиг. 4 изображен технологический комплекс на режиме буксировки подводным аппаратом донной косы переменной плавучести над поверхностью дна.
На фиг. 5 изображен технологический комплекс на режиме облучения подводным аппаратом участка профиля после укладки косы переменной плавучести на дно.
Технологический комплекс (фиг. 1) включает в себя надводное ледокольное судно обеспечения 1, содержащее средства навигации, связи, управления и электроснабжения 2 для работы с подводными объектами, опускаемый на дно с судна обеспечения по силовому кабель-тросу 3 тяжелый носитель-заглубитель 4, в котором размещены подводное судно 5, выполненное в виде необитаемого телеуправляемого подводного аппарата, устройство регулирования плавучести 6, и лебедка 7 с размещенными на ней донной косой 8 и плавучим магистральным кабелем 9.
Устройство регулирования плавучести 6 (фиг. 2) включает в себя прочный резервуар, разделенный перегородкой 10 на два герметичных отсека. В первом отсеке, заполненном жидким наполнителем малой плотности 11, установлен сильфон 12, основание которого прикреплено к передней стенке отсека и имеет патрубок 13 для заполнения сильфона водой из внешней среды, а противоположная сторона сильфона может перемещаться внутри отсека. Во втором отсеке установлена насосная система, которая включает в себя гидронасос 14, трубопроводы 15,16 и 17, управляемый вентиль 18 и блок управления 19.
Управляемый вентиль 18 пропускает жидкий наполнитель 11 из первого отсека только по трубопроводу 15 через гидронасос и далее по трубопроводу 17 в полость рукава донной косы, а по трубопроводам 17 и 16 пропускает наполнитель 11 только из донной косы 8 обратно непосредственно в первый отсек.
Донная коса переменной плавучести 8 выполнена в виде гибкого эластичного полимерного рукава 20 (фиг. 3), на концах которого установлены герморазъемы 21 и 22. Через герморазъем 21 донная коса подключена к устройству регулирования плавучести 6, а через герморазъем 22 подключена к магистральному кабелю 9. Сквозь рукав 20 пропущен заделанный в герморазъемы 21 и 22 трос 23 для компенсации продольного растяжения рукава, на тросе 23 между сейсмоприемниками 24 размещены гирлянды плавучестей 25 из сферопластика, в которых имеются сквозные каналы 26, через которые проходят провода электрических линий коммуникаций и через которые может перетекать жидкий наполнитель 11. Плавучести 25 поддерживают цилиндрическую форму донной косы на всей ее длине и, кроме того, служат для компенсации излишнего утяжеления косы, вызванного размещением в ней имеющих большой вес сейсмоприемников и соединительных проводов. Внешние размеры плавучестей 25 и сейсмоприемников 24 выбирают такими, чтобы между их поверхностями и внутренними стенками рукава косы имелся зазор для прохождения наполнителя 11.
Подводное судно 5 (фиг. 5) оснащено излучателем акустических сигналов 27, судовыми движителями с регулируемыми векторами тяги, обеспечивающими горизонтальное и вертикальное перемещение и пространственное динамическое позиционирование подводного судна (не показаны на чертежах), стыковочным узлом 28 для закрепления на поверхности корпуса узла регулирования плавучести и соединено с узлом регулирования плавучести 6 кабелем телеуправления и электропитания 29, размещенным на лебедке 30, установленной на корпусе узла регулирования плавучести.
Способ проведения подводно-подледного сейсмопрофилирования морского дна с использованием перемещаемой подводным судном донной сейсмокосы реализуется следующим образом.
В район проведения геофизической разведки, оборудованном донными акустическими маяками, выходит надводное ледокольное судно обеспечения 1, оснащенное средствами навигации, связи, управления и электроснабжения 2 для работы с подводными объектами. Перед началом работ судно обеспечения 1 определяет свое исходное положение в районе исследований и свои координаты относительно известных координат донных акустических маяков. С судна обеспечения 1 опускают на дно по силовому кабель-тросу 3 тяжелый носитель-заглубитель 4, в котором имеется подводное судно 5, устройство регулирования плавучести 6, лебедка 7 с донной косой 8 и плавучим магистральным кабелем 9. Все размещенные в носителе-заглубителе 4 устройства имеют линии связи, управления и электроснабжения с судном обеспечения 1.
После подачи с судна обеспечения команды на движение подводное судно 5 со сцепленным с ним устройством регулирования плавучести 6 выходит на маршевых движителях из носителя-заглубителя 4 и вытягивает за собой прикрепленную к устройству регулирования плавучести донную косу 8. В процессе выхода из носителя-заглубителя донной косе, имеющей в исходном состоянии отрицательную плавучесть, придают плавучесть, близкую к нейтральной, для чего в блок управления 19 устройства регулирования плавучести 6 подают команду на включение гидронасоса 14 и переключение управляемого вентиля 18 на закачку по трубопроводам 15 и 17 под давлением в полость рукава 20 косы жидкого наполнителя 11 из устройства регулирования плавучести 6.
Жидкий наполнитель, поступающий в полость рукава косы из устройства регулирования плавучести под давлением, превышающем давление со стороны внешней среды, расширяет стенки эластичного рукава косы и увеличивает его объем, тем самым увеличивает плавучесть косы до значения, позволяющего ей при выходе из носителя-заглубителя не соприкасаться с морским дном..
После выхода косы полностью из носителя-заглубителя 4 подводное судно 5 направляют, ориентируя его пространственное положение при движении по донным акустическим маякам, на начальный участок исследуемого профиля, где дают команду на укладку косы на дно. При получении этой команды блок управления 19 устройства регулирования плавучести 6 переключает управляемый вентиль 18 на сброс из полости рукава косы закачанного из устройства регулирования плавучести объема жидкого наполнителя 11, который за счет обжатия оболочки рукава косы под воздействием давления внешней среды возвращается по трубопроводам 17 и 16 в отсек устройства регулирования плавучести. При этом происходит уменьшение плавучести косы вплоть до ее начальной отрицательной, при которой она устойчиво может лежать на дне. Одновременно подводное судно 5, управляемое оператором с надводного судна обеспечения 1, выключает движители, удерживающие его над поверхностью дна, и также опускается на дно вместе с прикрепленным к нему устройством регулирования плавучести 6. Затем по командам с судна обеспечения 1 на срабатывание стыковочного узла 28 подводное судно отстыковывается от устройства регулирования плавучести, поднимается над поверхностью дна и, сматывая с лебедки 30 кабель телеуправления 29, начинает движение и облучение дна сейсмоакустическим излучателем 27. Отраженные от геологических слоев дна сигналы воспринимаются сейсмоприемниками донной косы и по кабельным линиям связи поступают на судно обеспечения для накопления и последующего анализа.
Закончив облучение участка профиля относительно уложенной на дно косы, подводное судно возвращается к началу косы и состыковывается с устройством регулирования плавучести. Получив команду от судна обеспечения на продолжение движения и переход на следующий участок профиля, устройство регулирования плавучести увеличивает плавучесть косы, при этом подводное судно вместе с устройством регулирования поднимает косу над поверхностью дна и начинает буксирование косы на следующий участок профиля, где снова повторяют операции укладки донной косы, облучения дна и последующего подъема и перемещения косы. При заданных длинах магистрального кабеля 9 и донной косы 8 максимальное количество участков, которые можно обработать таким способом на одном профиле, равно частному от деления длины магистрального кабеля на длину донной косы.
Закончив обработку всего профиля подводное судно возвращают в носитель-заглубитель 4 наматывая на лебедку 7 магистральный кабель 22 с донной косой, при этом подводное судно удерживается над поверхностью дна за счет своих движителей, а донная коса за счет придания ей нейтральной плавучести.
После завершения работ по одному профилю из точки стояния носителя-заглубителя могут быть начаты работы по другим профилям, либо носитель-заглубитель вместе с подводным судном и донной косой может быть поднят на борт судна обеспечения и перемещен в другой район исследований.
Технологический комплекс для проведения подводно-подледного сейсмопрофилирования морского дна с использованием перемещаемой подводным судном донной сейсмокосы формируют в основном из известных элементов, например:
- надводное судно обеспечения представляет собой классический ледокол, дооснащенный ангаром для хранения подводного носителя-заглубителя с размещенными в нем подводным аппаратом и донной сейсмокосой, соответствующим спуско-подъемным устройством и комплексом средств навигации, кабельных линий связи, управления и электроснабжения подводных аппаратов, приема и накопления геофизической информации;
- носитель-заглубитель в конструктивном исполнении является аналогом широко используемых при проведении подводных работ «устройств глубоководного погружения» (УГП), являющихся опускаемыми с борта надводного судна на дно гаражами для размещения в них автономных или телеуправляемых подводных аппаратов [3];
- подводное судно включает в себя основные базовые решения относительно небольших необитаемых телеуправляемых подводных аппаратов с ходовыми движителями с управляемыми в диапазоне 0-360° векторами тяги и движителями для перемещения в вертикальной плоскости, дополненных решениями по размещению на них сейсмоакустических излучателей, таких как, например, источник когерентного широкополосного низкочастотного акустического излучения [4];
- донная сейсмоакустическая коса включает в себя известные технические решения в области приема и регистрации сейсмического поля линейными сейсморазведочными косами с цифровыми многокомпонентными сейсмодатчиками, дополненные принципиально новыми оригинальными решениями, позволяющими изменять плавучесть косы и перемещать ее сравнительно маломощным подводным аппаратом методом буксировки.
Реализуемость предложенного способа сейсмопрофилирования и технологического комплекса для его осуществления не вызывает сомнения.
Технический результат- повышение экономической эффективности, технологичности и качества получаемого материала обеспечивается за счет следующих факторов:
- по сравнению с известными аналогами, использующими в качестве подводных судов-носителей сейсмокос автономные многофункциональные подводные станции в виде специализированных подводных лодок, для реализации предлагаемого способа достаточно использование относительно небольших необитаемых телеуправляемых подводных аппаратов среднего класса, стоимость которых 2-3 порядка ниже;
- перенос в предлагаемом технологическом комплексе на надводное судно обеспечения функций по управлению и электропитанию подводного оборудования, а также размещение на подводном носителе-заглубителе громоздкой и тяжелой лебедки с донной косой и магистральным кабелем большой длины существенно разгружает подводный телеуправляемый аппарат от дополнительного оборудования, снижает требования на тяговые усилия его движителей, упрощает его конструкцию и, соответственно, стоимость;
- возможность изменять плавучесть донной косы позволяет производить сейсмосъемку длинных профилей относительно короткой донной косой в несколько этапов методом ее укладки на дно и буксировки без повторения многократно операций стравливания косы с лебедки и обратного наматывания донной косы на лебедку, что повышает технологичность, надежность и безопасность способа;
- лежащие на дне сейсмокосы по сравнению с сейсмокосам, буксируемыми в водной среде, обладают более высокой помехозащищенностью, кроме того в них возможно размещение векторных донных сейсмоприемников, обеспечивающих прием и регистрацию многокомпонентного волнового поля, что повышает качество получаемого сейсмоакустического материала.
Источники информации
1. Патент России №2460096.
2. Патент России №2388022.
3. Войтов В.В. Телеуправляемые необитаемые подводные аппараты. Изд-во «Моркнига», 2012. Стр. 55-60.
4. Лебедев А.В., Малеханов А.И. Когерентная сейсмоакустика. Изв. Вузов. Радиофизика. 2003. 46 №7 Стр. 579-597.