СПОСОБ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ
GEOCHEMICAL EXPLORATION METHOD

Изобретение относится к области геохимической разведки полезных ископаемых, а более конкретно к поиску нефтяных и газовых месторождений преимущественно в морских условиях, и может быть использовано при поиске нефтяных и газовых месторождений на континентальном шельфе, на речных акваториях и болотистой местности, в условиях суши, для обнаружения утечек продукта транспортировки трубопроводами, а также для геоэкологического мониторинга морских нефтегазовых акваторий.
Известен способ геохимической разведки [авторское свидетельство SU №1786460], включающий отбор проб горных пород и растительности вдоль водотоков, разделение проб горных пород на фракции и их анализ на содержание химических элементов, в котором пробы пород разделяют на две фракции - более 0,1 мм и менее 0,1 мм, первую анализируют на Si, Al, Ti, Y, а вторую на Hg, а пробы растительности анализируют на Ba, Cu, Pb, Zn, Ag, результаты анализов фракции более 0,1 мм и проб растительности пересчитывают на соответствующие аддитивные показатели нормированных концентраций, строят карты распределения указанных аддитивных показателей и Hg и отождествляют объекты, характеризующиеся распределением аномальных значений аддитивных показателей и Hg в ряду Si, Al, Ti, Y-Ba, Cu, Pb, Zn, Ag-Hg-Ba, Cu, Pb, Zn, Ag-Si, Al, Ti, Y, с нефтегазовыми перспективными участками. Аналогами данного способа являются технические решения, описанные в источниках информации [патенты RU №№2017123, 2040783, 2108597].
Разделение проб пород на две фракции с последующим химическим анализом в данном способе позволяет повысить надежность выявления нефтегазовых перспективных участков в условиях суши.
Однако использование данного способа в морских условиях является трудоемким и связано с существенными материальными затратами, так как его реализация требует привлечения сложного оборудования и средств обеспечения поисковых работ и взятия проб грунта путем производства буровых работ, что требует привлечения таких средств, как подводные аппараты, оснащенные бурильной установкой и пробоотборником.
1
2
1
1
2
2
2
1
В известном способе обнаружения утечек природного газа из трубопроводов [патент RU №2017138], заключающемся в облучении участка земной поверхности вблизи трубопровода лазерным излучением на двух длинах волн, одна из которых λ попадает в полосу поглощения газа, а другая λ лежит вне ее, регистрации интенсивности рассеянного поверхностью излучения на длине волны λ-Р и λ-Р, формировании видеосигнала, пропорционального отношению Р/Р, и сравнении видеосигнала с априорно заданным порогом, в котором с целью повышения точности определения места утечки и точности оценки концентрации газа в облаке утечки дополнительно регистрируют температурный контраст обследуемого участка, по которому определяют координаты вероятного места утечки и его размеры L на поверхности, а лазерным излучением облучают непосредственно вероятное место утечки, причем среднюю концентрацию природного газа в облаке утечки определяют по формуле:
1
2
2
1
-1
N=[2(σ-σ)Λ]ln(Р/Р), Λ=min{L/cosθ, Н},
где
1
1
σ - сечение поглощения газа на длине волны λ;
2
2
σ - сечение поглощения газа на длине волны λ;
θ - угол зондирования вероятного места утечки, отсчитываемый от вертикали;
Н - высота, с которой производится обследование.
При этом выполняют многократное облучение с разных направлений по отношению к облаку утечки, по которым устанавливают истинное место утечки. Использование данного способа также ограничено только береговыми условиями и требует выполнения вычислительных операций.
В известном способе определения места утечки жидкости или газа из трубопровода [патент RU №2040783], находящегося в грунте, заключающемся в обзоре трубопровода трассоискателем с одновременным сканированием трубопровода телевизионным датчиком, с помощью которого определяют место утечки, в котором обзор трубопровода осуществляют облетом на маловысотном летательном аппарате с использованием в качестве трассоискателя метрового локатора, а для определения места утечки дополнительно используют тепловизионный датчик, сьюстированный с тепловизионным датчиком, и осуществляют совместную цифровую фильтрацию сигналов локатора, телевизионного и тепловизионного датчика.
Данный способ также имеет ограниченное применение, так как его использование возможно только для определения утечки в трубопроводах, уложенных на поверхности суши или уложенных в грунте, и при благоприятных погодных условиях для выполнения полетов на малой высоте и отсутствии навигационных опасностей.
Известен способ контроля магистрального трубопровода посредством обнаружения с вертолета облака метана над трубопроводом с использованием лазерного локатора, сканирующего атмосферу вдоль газопровода тремя разностными лучами [патент RU №2108597]. Достоинством известного способа является то, что обработке подвергается облако метана, который является профилирующим газом при оценке обнаружения нефтегазовых месторождений, что обеспечивает необходимую достоверность получения исходных данных для последующего анализа.
Данный способ также имеет ограничения по использованию, обусловленные обязательным наличием благоприятных погодных условий для выполнения полетов.
Известен также способ геохимической разведки [патент RU №2374667], техническим результатом которого является повышение точности оценки концентрации газа в газовом образовании, преимущественно в водной среде. В этом способе геохимической разведки, включающем анализ на содержание метана путем определения концентрации газа в газовом образовании, определение координат газового образования путем размещения в водной среде буйковых станций, снабженных датчиками обнаружения метана, посредством которых измеряют концентрацию метана в водной толще по изменению сопротивления активного слоя датчика, которое преобразуют в выходное (измеренное) напряжение, координаты (географические) газового образования определяют по положению газового образования в подвижной системе координат буйковой станции, которое определяется в соответствии с выражением:
го
бс
го
гo
бс
R(V, V)=R+(V+V)t,
гo
бс
где R(V, V) - текущее положение газового образования относительно буйковой станции;
гo
бс
V, V - векторы скорости газового образования и буйковой станции;
го
R - начальное положение газового образования;
R - радиус-вектор, определяющий положение буйковой станции в спутниковой системе координат;
t - текущее значение времени после определения положения газового образования.
Однако в большинстве случаев, например, для экологической оценки загрязнения, является важным и определение степени загрязнения грунта при утечке нефти, что известными способами не обеспечивается.
Задачей настоящего технического предложения является расширение функциональных возможностей способа геохимической разведки преимущественно в водной среде, повышение надежности выявления нефтегазовых перспективных участков, а также геоэкологического мониторинга морских нефтегазоносных акваторий.
Поставленная задача в способе геохимической разведки, характеризующемся тем, что производят отбор проб горных пород и растительности вдоль водотоков, пробы горных пород разделяют на две фракции - более 0,1 мм и менее 0,1 мм, фракцию более 0,1 мм анализируют на содержание химических элементов Si, Al, Ti, Y, фракцию менее 0,1 мм - на содержание химического элемента Hg, пробы растительности анализируют на содержание химических элементов Ba, Cu, Pb, Zn, Ag, результаты анализа фракции более 0,1 мм и проб растительности пересчитывают на соответствующие аддитивные показатели нормированных концентраций, после чего строят карты распределения указанных аддитивных показателей и химического элемента Hg и отождествляют объекты, характеризующиеся распределением аномальных значений аддитивных показателей и химического элемента Hg в ряду химических элементов Si, Al, Ti, Y-Ba, Cu, Pb, Zn, Ag-Hg-Ba, Cu, Pb, Zn, Ag-Si, Al, Ti, Y, с нефтегазовыми перспективными участками; производят анализ на содержание метана путем определения концентрации газа в газовом образовании, определяют координаты газового образования по его положению в подвижной системе координат буйковых станций, размещаемых в водной среде и снабженных датчиками обнаружения метана, посредством которых измеряют концентрацию метана в водной толще по изменению сопротивления активного слоя датчика, которое преобразуют в выходное (измеренное) напряжение; при этом предварительно выполняют съемку рельефа водной акватории, по результатам съемки выявляют затопленные речные долины, пересекающие континентальный шельф, выполняют зондирование донных осадков акустическими импульсами и измерение временного интервала между раздельными сигналами, выполняют восстановление рельефа местности, определяют длину корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии и/или импульса, от вершины донного отложения осадков до подошвы и от подошвы донного отложения осадков на глубину залегания грунта до 2-4 км, выполняют анализ структурно-денудационных форм на рельефе с выделением терригенных отложений, при выявлении предпосылок существования нефтегазовых участков выполняют зондирование грунта воздействием когерентным импульсным протонным спиновым эхом, при этом выполняют томографическое восстановление изображения исследуемого геологического разреза грунта на уровне призматических кристаллов, дополнительно измеряют коэффициенты сопротивления и трения грунта дна, по которым определяют прочностные характеристики, коэффициенты сопротивления и трения измеряют посредством пенетрометра, установленного на донной сейсмической станции, причем устанавливают по крайней мере две донные сейсмические станции, посредством которых регистрируют микросейсмические волны, при анализе микросейсмических волн выделяют продольные микросейсмические волны и исключают из анализа поперечные микросейсмические волны посредством фазового амплитудного фильтра, при этом при анализе продольных микросейсмических волн выбирают все гармонические колебания, зарегистрированные двумя сейсмическими станциями одновременно и имеющие практически равные амплитуды, при этом угол между направлениями прихода микросейсмических сигналов одновременно от двух сейсмических станций, одна из которых расположена по нормали, составляет от 1 до 10 градусов; при выявлении разливов транспортируемого жидкого продукта с образованием нефтяного пятна процессы растекания и переноса нефти рассчитывают с учетом гидродинамических параметров водной среды.
Взятие проб грунта и растительности может быть выполнено после установления потенциальных нефтегазовых районов для установления пригодности выявленных месторождений для промышленного освоения.
Способ основан на гидроакустическом зондировании рельефа дна и методе детектирования механизмов спин-фононных взаимодействий в морской среде методом когерентного импульсного протонного спинового эха, который является одним из современных методов квантовой радиофизики и относится к методам неразрушающего контроля, и на методе регистрации сейсмических сигналов, включая микросейсмические волны [см. Зверев С.Б. Новый метод исследования динамики вод океана. Владивосток. Труды Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН, т.3, 1990, с.160-172].
Главное преимущество метода заключается в четкой физической концепции квантово-механических представлений о структуре вещества. Вся информация о структуре среды и явлениях, происходящих в ней, отображена в динамике прецессии спинов резонирующих поляризованных атомных ядер и детектируется методом протонного спинового эха с учетом механизмов спин-фононных взаимодействий.
Исследование структуры молекулы воды, динамики ее изменения в результате взаимодействия воды с природными и антропогенными объектами и явлениями дает возможность для изучения физической сути различных природных и антропогенных процессов (микроструктуры морской воды, динамики взаимодействия океана и морского дна).
-15
Проблема исследования структуры воды, как и вообще жидкого состояния вещества, - одна из наиболее сложных в современной физике конденсированного состояния. Морская вода по составу и своей структуре является сложной гетерогенной и многофазной системой. Исследования показали, что многофазовые состояния морской воды обладают различными временами корреляции молекул жидкости и, соответственно, разными временами релаксации, которые зависят от интенсивности межфазового обмена. Благодаря уникальной энергетической чувствительности, почти достигшей в настоящее время квантового предела - постоянной Планка h=4×10 эВ/Гц, данный квантовый радиофизический метод все более широко используется для самых различных измерений, требующих предельных разрешения и чувствительности. Импульсная мультиплексная логика измерений позволяет выделить фазы с разной подвижностью молекул и временами жизни протона в данной фазе, что исключительно важно для решения вышеуказанных задач. А использование эффектов механизма спин-фононных взаимодействий, т.е. поглощение энергии ультразвукового излучения отдельными фазами, составляющими гетерогенную систему, позволяет усилить или подавить остальные составляющие, что существенно повышает селективность и чувствительность метода.
Исследование, освоение и применение в решении прикладных оперативных задач фундаментальных квантовых свойств морской среды и извлекаемой таким образом информации - это новое, весьма перспективное и чрезвычайно актуальное направление, возникшее на стыке едва ли не всех передовых областей современной физики - квантовой механики, эффектов взаимодействия различных видов излучений с веществом, а также же теории информации и дискретной математики. Квантовые радиофизические методы относятся к фемтотехнологиям, позволяющим по уровню разрешения и чувствительности достичь почти квантового предела.
Для исследований параметров среды может быть использован весь спектр существующих датчиков: геофизических (акустических, сейсмических, магнитных), радиоактивных излучений, оптоэлектронной и радиолокационной съемки, с перекрытием всего электромагнитного спектра. При этом осуществляется измерение геометрических размеров и соотношений, статистических, динамических и других физических характеристик контролируемых и наблюдаемых объектов (стационарных и подвижных), а также производится регистрация сигнатур характерных полей, создаваемых этими объектами (электромагнитных, радиационных, магнитных), и приравненных к ним (полям) сигналов (акустических, сейсмических и др.), выявление химических и биологических агентов и состава конструкционных материалов объектов и их элементов.
Сущность способа поясняется графическими материалами (фиг.1, 2, 3, 4).
Фиг.1. Размещение измерительных средств на морской акватории.
1
1
2
2
1
2
Донные сейсмические станции 1 установлены на грунте 2 на расстоянии D друг от друга. Вдоль оси Z прием микросейсмических волн осуществляется сейсмографом первой донной сейсмической станции 1 по расстояниям L от точек P и Р горизонта 3 залегания углеводородов (Н), а другим сейсмографом второй донной станции 1 по расстояниям L от точек P и Р соответственно. Δφ - внутренний угол между осью Z и направлением прихода микросейсмических волн. На водной поверхности 4 размещена буйковая станция 5, соединенная гидроакустическим каналом связи с донными сейсмическими станциями 1 и спутниковым каналом связи с гидрографическим судном 6.
Фиг.2. Блок-схема сейсмической донной станции 1.
Блок-схема включает трехкомпонентный цифровой сейсмограф 7 с частотами регистрации 0,03-40 Гц, акустооптический спектрометр 8 видимого диапазона волн (415-800 нм), измеритель скорости и направления течений 9, измеритель температуры воды 10, измеритель гидростатического давления 11, измеритель электропроводности морской воды 12, магнитометр 13 постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр 14, датчик скорости звука в воде 15, датчик концентрации ионов водорода рН 16, гидроакустический модуль 17 для связи с буйковой станцией 5 и позиционирования на дне, устройство сбора и обработки информации 18, включающее управляющий компьютер 19 и блок регистрации и управления 20, датчик обнаружения метана 21, датчик сероводорода 22, соединенные своими выходами с блоком регистрации и управления 20, блок логической обработки 23, который своим входом соединен с выходом трехкомпонентного цифрового сейсмографа 7, блок гидрохимических измерений 24, датчик пространственной ориентации 25, схема определения координат 26, пенетрометр 27, датчик сероводорода 28, акустический сейсмический блок 29.
Трехкомпонентный цифровой сейсмограф 7 представляет собой трехкомпонентный сейсмоакустический датчик с частотами регистрации 0,03-40 Гц и предназначен для преобразования третьей производной колебания грунта в электрический сигнал в соответствующем динамическом и частотном диапазоне. Основные технические характеристики датчика: количество сейсмоакустических каналов 3, частотный диапазон 20-1000 Гц, динамический диапазон в полосе 1/3 октавы и центральной частотой 30 Гц не менее 60 дБ, амплитуда выходного сигнала не более ±10 В, амплитуда контрольного сигнала при токе нагрузки 4 мА не более ±5 В.
Акустооптический спектрометр 8 видимого диапазона волн (415-800 нм) предназначен для измерения спектров комбинационного рассеяния оптического излучения. По спектрам комбинационного рассеивания получают информацию о составе морской воды. Основные технические характеристики акустооптического спектрометра 8: спектральный диапазон 0,52-0,78 мкм, полоса пропускания 0,54 нм на 0,783 мкм, точность позиционирования по спектру 0,2 нм, число спектральных каналов 4096.
Измеритель скорости и направления течений 9, измеритель температуры воды 10, измеритель гидростатического давления 11, измеритель электропроводности воды 12, датчик скорости звука в воде 15 объединены в гидрофизический модуль, который предназначен для выполнения измерений следующих параметров: температуры воды, гидростатического давления, электропроводимости, вектора скорости течения (трехосный акустический измеритель течений), солености, условной плотности, аномалий потенциальной плотности, скорости звука, глубины, динамической высоты, потенциальной температуры, частоты Вяйселя-Брента, градиента потенциальной температуры, градиента солености.
Магнитометр 19 постоянного магнитного поля предназначен для измерения абсолютного значения магнитной индукции поля земли в морских акваториях до глубин 6000 м. Основные технические характеристики датчика: диапазон измеряемой величины магнитной индукции 20000…100000 нТ, погрешность отсчитывания ±10 нТ.
Гамма-спектрометр 20 предназначен для определения in situ содержания гамма-излучающих радионуклидов (как техногенного, так и естественного происхождения) в морской воде.
Основные технические характеристики гамма-спектрометра 20: диапазон регистрируемых энергий 0,2-3,0 мэВ, энергетическое разрешение по линии цезия 137 13%, число уровней квантования спектра 256, максимальное число отсчетов в канале 65000, максимальная скорость регистрации не менее 1000 1/с.
Аналогом датчика концентрации ионов водорода рН 16 является устройство, приведенное в источнике [Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. / Л.И.Лобковский, Д.Г.Левченко, А.В.Леонов, А.К.Амбросимов. М.: Наука, 2005, с.97-99].
Гидроакустический модуль 17 предназначен для связи с буйковой станцией 5, посредством которой по спутниковому каналу связи осуществляется связь с гидрографическим судном 6, а также для позиционирования сейсмической донной станции 1 на дне.
Устройство сбора и обработки информации 18 включает управляющий компьютер 19 и блок регистрации и управления 20.
Блок регистрации и управления 20 предназначен для сбора информации от измерительных датчиков сейсмической донной станции 1, привязки ее к системе точного времени, сжатия и передачи по гидроакустической линии связи через соответствующий модем, а также для записи информации на жесткий магнитный диск в автономном режиме. Блок регистрации и управления 20 содержит также модуль гидроакустического телеуправления, который предназначен для управления режимами работы и тестирования сейсмической донной станции.
Модуль гидроакустического телеуправления состоит из двух частей и включает аппаратуру, входящую в состав буйковой станции 5, которая осуществляет передачу команд управления на расстоянии до 8 километров, и предназначенную для управления режимами работы, путем передачи гидроакустических команд управления, прием квитанций от сейсмической донной станции 1, подтверждающих выполнение команд, измерение дальности до сейсмической донной станции.
-7
Подводная часть модуля гидроакустического телеуправления, размещенная на сейсмической донной станции 1, обеспечивает прием и декодирование гидроакустических команд управления режимами работ сейсмической донной станции 1 и передачу квитанций, подтверждающих выполнение команд, а также подачу команд на передачу сообщений при превышении тех или иных измеряемых параметров, при работе в автономном режиме. Дальность гидроакустического канала связи не более 8000 м. Число команд, передаваемое по гидроакустическому каналу, равно 256. Число команд, принимаемое на сейсмической донной станции, равно 20. Число одновременно обслуживаемых сейсмических донных станций - не более 10. Формат команды - двоичный девятиразрядный код. Способ модуляции, используемый при передаче команд, - многочастотная манипуляция. Диапазон частот сигналов переносчиков команд 7-10 кГц. Вероятность возникновения необнаруженной ошибки при приеме команды при уровне спектральной плотности шумового давления в зоне расположения подводной гидроакустической антенны 0,001 Па/Гц не более 10. Вид связи с блоком регистрации и управления - последовательный порт в стандарте EIA/TIA-232E со скоростью 115200 бит/с. Вид связи с ЭВМ гидрографического судна 6 - параллельный интерфейс ЕРР 1.7 в стандарте IEEE 1284.
Датчик обнаружения метана 21 предназначен для измерения концентрации метана в водной толще. Датчик представляет собой полупроводниковый прибор, принцип работы которого заключается в том, что диффузия молекул углеводородов из воды через специальную силиконовую мембрану транслируется в камеру датчика. Адсорбция молекул углеводов на активном слое датчика приводит к электронному обмену с молекулами кислорода, таким образом, меняя сопротивление активного слоя, которое преобразуется в выходное (измеряемое) напряжение.
Основные характеристики датчика:
- 10 µм силиконовая мембрана;
- рабочая глубина 0-3500 м;
- рабочая температура 2-20 градусов С;
- время измерения от 1 до 3 сек;
- время стабилизации диффузии до 5 минут, в зависимости от турбулентности;
- входное напряжение 9-36 В;
- расход энергии 160 мА/ч;
- выходной сигнал - аналоговый 0-5 В и цифровой RS-485;
- метан 50 нмоль/л-10 µмоль/л.
Аналогом датчика обнаружения метана 21 является датчик типа METS («CAPSUM»).
Пенетрометр 27 представляет собой зонд, установленный на телескопическом устройстве, и предназначен для выполнения морской грунтовой съемки. Аналогом пенетрометра 27 является пенетрометр типа «СРТ Fugro» с глубиной проникновения зонда в грунт до 20 м.
По результатам морской грунтовой съемки, на основании моделирования определяется пространственно-временное распределение средней по глубине концентрации взвеси и толщины слоя осадков на морском дне, а также гранулометрический состав грунта.
Задача обнаружения утечки газа из нефтепровода решается аналогичным образом.
Для определения площади и глубины загрязнения от утечки нефти донная станция снабжена пенетрометром, который представляет собой конусовидный снаряд, оснащенный датчиками, которые под воздействием силы тяжести или с помощью бура через телескопическое устройство заглубляются в загрязненный грунт. По измеренным коэффициентам сопротивления и трения определяются прочностные характеристики грунта.
Впоследствии по полученным данным выполняют картирование района загрязнения - топографическую и навигационную карту, на которой отображаются границы загрязнения.
Датчик сероводорода 28 представляет собой устройство, в котором полупроводниковый слой датчика сероводорода 28 выполнен из частично галогенированного безметального или содержащего переходной металл фталоцианина, при этом галогенирование используемого фталоцианина выполнено до замещения атомами галогена (Cl, Br, I) 50-75% периферических атомов водорода, входящих в изоиндольные группировки фталоцианинового макрокольца. Аналогом датчика сероводорода 28 является датчик сероводорода, приведенный в описании патента [патент RU №1789915].
В качестве буйковых станций 5 используются дрифтеры [аналоги - патент RU №2047874, якорный буй прибрежного мониторинга модели 4280 фирмы AANDERAA Instruments - проспект компании "Компания ИНФОРМАР", сайт www.infomarcompany.com]. На буйковой станции 5 также размещены датчики сейсмических сигналов, датчик обнаружения метана 21, датчик сероводорода 28, гидрофизический модуль и зонд протонного спинового эха.
Аналогом сейсмической донной станции 1 являются автономные донные станции [Зубко Ю.Н., Левченко Д.Г., Леденев В.В., Парамонов А.А. Современные донные станции для сейморазведки и сейсмологического мониторинга. // Научное приборостроение, 2003, том 13, №4, с.70-82].
Наличие каналов связи позволяет определять координаты газового образования по траектории его движения. Определение координат газового образования определяется следующим образом.
гo
Буйковая станция 5 посредством спутниковой антенны принимает сигналы спутниковой навигационной системы напрямую со спутника или через гидрографическое судно 6, в которой вектор скорости дрейфа буйковой станции 5 точно фиксируется. При этом на буйковой станции 5 постоянно накапливается информация о точном ее положении и траектории движения в системе гидрографических координат. Газовое образование также совершает движение в подводном пространстве на глубине Н с вектором скорости V, который как и глубина Н являются также сугубо переменными величинами.
Положение газового образования в подвижной системе координат буйковой станции 5 может быть определено следующим векторным выражением (фиг.3):
гo
бс
го
гo
бс
R(V, V)=R+(V-V)t,
гo
бс
где R(V, V) - текущее положение газового образования относительно буйковой станции 5;
гo
бс
V, V - векторы скорости буйковой станции 5 и газового образования;
го
R - начальное положение газового образования;
R - радиус-вектор, определяющий положение буйковой станции 5 в спутниковой системе координат;
t - текущее значение времени после определения положения газового образования.
Зная географические координаты буйковой станции 5, можно решением геодезической задачи определить координаты газового образования в географической системе координат относительно буйковой станции 5. При этом в качестве измеряемых параметров наиболее простым решением является определение направления (пеленг) и дистанции до газового образования, что осуществляется посредством гидроакустического средства, установленного на буйковой станции 5.
Положение сейсмической донной станции 1 также определяется относительно буйковой станции 5 (фиг.4) по значениям глубины погружения h, наклонной дальности L буйковой станции 5 от сейсмической донной станции 1, азимута β, угла места α сейсмической донной станции 1 относительно буйковой станции 5, что реализуется благодаря наличию гидроакустического канала связи между буйковой станцией 5 и сейсмическими донными станциями 1.
1
1
Наличие гидроакустического канала связи между буйковой станцией 5 и сейсмической донной станцией 1 обеспечивает не только передачу информации от сейсмической донной станции 1 на буйковую станцию 5, но и позволяет реализовать гидроакустическую навигационную систему, посредством которой измеряют углы α и β, используя данные о глубине h погружения сейсмической донной станции 1, по известным геометрическим соотношениям вычисляют координаты сейсмической донной станции X и У относительно буйковой станции 5. По географическим координатам буйковой станции 5 рассчитывают географические координаты сейсмической донной станции 1.
Задача обнаружения утечки газа из газопровода решается аналогичным образом.
Для определения площади и глубины загрязнения от утечки нефти сейсмическая донная станция 1 снабжена пенетрометром 27, который представляет собой конусовидный снаряд, оснащенный датчиками, которые под воздействием силы тяжести или с помощью бура через телескопическое устройство заглубляются в загрязненный грунт. По измеренным коэффициентам сопротивления и трения определяются прочностные характеристики грунта.
Впоследствии по полученным данным выполняют картирование района загрязнения - топографическую и навигационную карту, на которой отображаются границы загрязнения.
Картирование информации осуществляется нанесением геодезических координат места нахождения донной станции с телескопическим устройством на дне водоема на планшет, который строится путем сопряжения топографических и навигационных растровых карт в следующей последовательности:
- растр навигационной карты в проекции Меркатора подвергается векторизации береговой линии навигационной карты;
- выполняется выборка участка, соответствующего морской акватории, на которой произошла утечка из транспортного водопровода с учетом векторизации береговой линии навигационной карты;
- производится запись в итоговый растр навигационной карты;
- растр топографической карты в проекции Гаусса-Крюгера приводится к масштабу навигационной карты;
- выполняется преобразование координат проекции Гаусса-Крюгера в географические координаты;
- выполняется преобразование географических координат в координаты проекции Меркатора;
- производится выборка участка растра, соответствующего сухопутной (береговой) области;
- выполняется запись в итоговый растр топографической карты;
- по результатам записей в итоговые растры навигационной и топографической карт строится итоговая растровая карта совмещенной навигационной и топографической информации в Меркаторской проекции;
- на итоговой растровой карте, выводимой на устройство индикации, также отображается путь телескопического устройства с пенетрометром относительно донной станции.
Результаты картирования впоследствии могут быть выведены для визуализации на монитор, на котором полученная информация может быть отражена в двумерной и трехмерной проекциях.
Гидрографическое судно 6 помимо штатных средств радио и спутниковой связи, навигационного комплекса для обеспечения судовождения также оснащено:
- промерным эхолотом, который представляет собой двухчастотный промерный эхолот типа «Bathy-1000» с диапазоном измеряемых глубин в диапазоне 0,5-6000 м, оснащенный блоком классификации грунта типа «ISAN-5» и анализатором плотности слоев грунта,
- акустическим профилографом, который обеспечивает определение физико-акустических характеристик разрешаемых слоев донных осадков, таких как: коэффициент отражения, коэффициент акустической восприимчивости, коэффициент шероховатости, коэффициент поглощения, плотность.
Блок логической обработки 23 состоит из схемы сопряжения, фазового амплитудного фильтра, двух пороговых устройств, селектора шаговых импульсов, формирователя времени анализа и счетчика импульсов.
Блок логической обработки выполнен в виде двух пороговых устройств, одно из которых подключено к выходу усилителя акустического канала сейсмографа 7 и к входу селектора шаговых импульсов, подключенного к D-входу счетчика импульсов, а другое пороговое устройство подключено к выходу усилителя акустического сейсмического блока 29, входу формирователя времени анализа и к входу С счетчика импульсов, выход формирователя времени анализа подключен к R-входу счетчика импульсов и ко второму входу селектора шаговых импульсов, выход счетчика импульсов является первым выходом блока логической обработки 23.
Данное схемное решение позволяет в блоке логической обработки 23 производить анализ сигналов, поступающих с акустического и сейсмического канала. При этом на выходе формируется сигнал, свидетельствующий о наличии или отсутствии антропогенного воздействия в зоне исследований.
Фазовый амплитудный фильтр предназначен для выделения микросейсмических волн для анализа излучаемых микросейсмических сигналов при поиске подводных месторождений углеводородов (фиг.1).
2
1
2
1
Для всех излучающих микросейсмических точек (например, точка Р на фиг.1) вдоль оси Z расстояния L и L будут равны. Для некоторых других точек внутренний угол Δφ (например, для точки P) равен:
.
3
ср
ср
Допуская, что время задержки t=ΔL/(V), где V - средняя скорость продольных микросейсмических волн, равная 2325 м/с (получено при натурных испытаниях в Бенгальском заливе) и гармонический период Tг=1/fг, где Тг - период гармонической волны в секунду и частота fг гармонической волны в Гц.
1
2
Для получения всех сигналов внутри угла Δφ выбираются все гармоники от двух сейсмографов 1, отраженных одновременно с практически равными амплитудами A=А.
Так как фазовое изменение между двумя парами гармоник может быть меньше, чем значение
При этом условием выбора гармоник является условие:
выполняемое посредством фазового амплитудного фильтра, который извлекает продольные микросейсмические волны и исключает поперечные микросейсмические волны.
Угол Δφ может быть выбран двумя путями. С одной стороны, угол Δφ не должен быть больше 10 градусов ввиду большой скорости продольной волны, что может привести к ошибкам, обусловленным геометрией расположения излучаемых сигналов по лучам их распространения. С другой стороны, угол Δφ не должен быть меньше 1 градуса, так как необходимая точность времени фиксации сигналов будет недостаточна и в сочетании с существующей чувствительностью сейсмических датчиков увеличивается погрешность измерений. С учетом этого, угол Δφ для конкретного исполнения сейсмической донной станции 1 составляет 7 градусов.
Блок гидрохимических измерений 24 представляет собой устройство, которое предназначено для классификации загрязнений морской воды по спектральным характеристикам и молекулярному составу морской воды, аналогом которого являются устройства, приведенные в следующих источниках [1. Основные процессы и аппаратура химической технологии. Под ред. Дытнерского Ю.Н. - М. Химия, 1983; 2. Химико-аналитические комплексы фирмы Agilent Technologies (US), http://; 3. Химико-аналитические комплексы фирмы SRI Instruments (US), http;//; 4. Химико-аналитические комплексы ЗАО "Хроматэк" (RU), http;//www.chromatec.ru].
Датчик пространственной ориентации 25 предназначен для определения точного положения в пространстве сейсмографов 7.
В качестве датчика используется модуль электрического компаса ТСМ-2 фирмы "Precision Navigation", представляющий собой трехосный феррозондовый магнитометр с блоком электроники, выполненные на одной плате.
Схема определения координат 26 предназначена для преобразования координат (географических) газового образования, которые определяют по положению газового образования относительно сейсмической донной станции 1.
Так как географические координаты места установки сейсмической донной станции известны, то решением геодезической задачи определяют координаты газового образования в географической системе координат относительно каждой сейсмической донной станции 1. При этом в качестве измеряемых параметров наиболее простым решением является определение направления (пеленг) и дистанции до газового образования, что осуществляется посредством гидроакустических средств (блок гидроакустического управления и гидроакустическая антенна), установленных на сейсмической донной станции 1.
Устройство сбора и обработки информации 18 предназначено для работы в составе средств сейсмической донной станции 1 и осуществляет сбор, оцифровку и накопление сигналов от датчиков. Подсистема представляет собой программно-аппаратный комплекс для Intel-совместимого семейства процессоров и снабжена средствами отладки и тестирования. Предусмотрены три режима регистрации сигналов: непрерывный, старт-стопный по заданной программе и старт-стопный с управлением по уровню сигнала. Управление параметрами устройства сбора и обработки информации 18 производится по результатам экспресс-обработки сигналов на основе анализа уровня энергии и спектрального состава с помощью быстрых алгоритмов реального времени.
На гидрографическом судне 6 для обеспечения функционирования средств измерения и регистрации сейсмической донной станции также установлены:
- персональный компьютер, совместимый с IBM PC;
- приемник спутниковой навигационной системы GPS;
- аппаратура гидроакустического телеуправления.
Минимальная конфигурация персонального компьютера включает:
- процессор - Pentium 166 МГц;
- ОЗУ - 32 Мбайт;
- плату SVGA с памятью 1 Мбайт;
- дополнительную плату с двумя последовательными портами с FIFO памятью (UART16550-совместимая).
Они используются для обработки информации, полученной с каждой сейсмической донной станции 1 и буйковой станции 5.
Программно-математическое обеспечение средств гидрографического судна 6 предназначено для проверки всех измерительных каналов сейсмической донной станции 1, буйковой станции 5 и блока регистрации и управления 20 через последовательный порт RS-485, привязки к системе единого времени внутренних часов блока регистрации и управления 20 посредством блока гидроакустического телеуправления и приемника GPS, установленного на буйковой станции 5 и/или гидрографическом судне 6, и осуществления привязки к географическим координатам посредством блока гидроакустического телеуправления, получения информации по результатам тестовых проверок после установки сейсмической донной станции 1 на дно и буйковой станции 5 на поверхности исследуемой акватории.
Акустический сейсмический блок 29 включает акустический канал гидрофонного и геофонного типа и широкополосный сейсмограф с частотным диапазоном от тысячных долей герца до десятков герц, аналогом которого являются широкополосные донные сейсмографы [Левченко Д.Г. Особенности конструирования широкополосных донных сейсмографов. // Океанология, 2001, том 41, №4, с.621-623].
Способ реализуется следующим образом.
На водной акватории (или заданном регионе суши с реками и болотами) выполняется съемка рельефа дна посредством гидроакустических средств, установленных на гидрографическом судне. Съемка рельефа может выполняться посредством известных способов и средств, основанных на принципах гидроакустики (многолучевые эхолоты, гидролокаторы, профилографы и т.д.).
По результатам съемки рельефа дна и его картографического отображения, применительно к морским акваториям, выявляют направление затопленных речных долин, которые пересекают континентальный шельф.
При этом затопленные речные долины выявляются по сильно вытянутым извилистым понижениям, пересекающим континентальный шельф и являющимся непосредственным продолжением речных долин прибрежной суши [Леонтьев О.К. Морская геология. М.: Высшая школа, 1982, с.161].
Далее выполняют зондирование донных осадков вдоль направления затопленных речных долин акустическими импульсами и измерение временного интервала между раздельными сигналами, формируемыми гидроакустическими средствами. По результатам акустического зондирования формируют слои донных отложений и грунта по глубине залегания до 4 км.
Выполняют восстановление донных отложений и грунта на глубину распространения акустических сигналов. При этом определяют длину корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии и/или импульса от вершины донного отложения осадков до подошвы и от подошвы донного отложения осадков на глубину залегания грунта до 2-4 км.
Выполняют томографическое восстановление изображения исследуемого геологического разреза грунта на уровне призматических кристаллов, дополнительно измеряют коэффициенты сопротивления и трения грунта дна, по которым определяют прочностные характеристики, коэффициенты сопротивления и трения измеряют посредством пенетрометра, установленного на донной сейсмической станции, причем устанавливают по крайней мере две донные сейсмические станции, посредством которых регистрируют микросейсмические волны, при анализе микросейсмических волн выделяют продольные микросейсмические волны и исключают из анализа поперечные микросейсмические волны посредством фазового амплитудного фильтра, при этом при анализе продольных микросейсмических волн выбирают все гармонические колебания, зарегистрированные двумя сейсмическими станциями одновременно и имеющие практически равные амплитуды, при этом угол между направлениями прихода микросейсмических сигналов одновременно от двух сейсмических станций, одна из которых расположена по нормали, составляет от 1 до 10 градусов, при выявлении разливов транспортируемого жидкого продукта с образованием нефтяного пятна процессы растекания и переноса нефти рассчитывают с учетом гидродинамических параметров водной среды.
По томографическому восстановлению донных отложений и грунта выполняют механическую дифференциацию осадков и взвеси с выделением фракций механического состава (гранулометрических фракций), в соответствии с классификацией, принятой в практике морских геологических исследований [Леонтьев О.К. Морская геология. М.: Высшая школа, 1982, с.80].
Далее выполняют анализ на содержание химических элементов, с выделением терригенных отложений, строят карты распределения аддитивных показателей и отождествляют объекты, характеризующиеся распределением аномальных значений аддитивных показателей и Hg в ряду Si, Al, Ti, Y-Ba, Cu, Pb, Zn, Ag-Hg-Ba, Cu, Pb, Zn, Ag-Si, Al, Ti, Y, с нефтегазовыми перспективными участками.
По наличию терригенных отложений судят о наличии нефтегазоносности исследуемой акватории.
Суждение о наличии нефтегазоносности по наличию терригенных отложений основано на известном факте, заключающемся в том, что многие шельфы характеризуются значительной мощностью платформенного чехла, которая резко убывает на внешнем крае шельфа. Это обусловлено тем, что у многих шельфов внешний край приподнят, и в большинстве случаев к шельфу приурочены острова [Леонтьев О.К. Морская геология. М.: Высшая школа, 1982, с.176].
Поскольку многие шельфы представляют собой продолжение низменностей, приуроченных к крупным платформенным прогибам или синеклизам, то толщи, выполняющие эти прогибы, наклонены в сторону шельфа и достигают максимальной мощности именно в его пределах. Большая мощность терригенных осадков в нефтегазоносных районах является условием, благоприятствующим нефтегазоности.
При выявлении морских акваторий с возможным существованием нефтегазовых участков устанавливают на водной акватории буйковую станцию 5 и по крайней мере две сейсмические донные станции 1.
Посредством измерительных датчиков, установленных на буйковой станции 5 и на сейсмических донных станциях 1, выполняют регистрацию сейсмических, микросейсмических колебаний и гидрохимических параметров, а также выполняют зондирование водной толщи, путем детектирования механизмов спин-фононных взаимодействий в морской воде, при воздействии на объект исследования когерентным импульсным протонным спиновым эхом, что реализуется посредством зонда протонного спинового эха, который снабжен спектрометром протонного спинового эха и блоком обработки спин-релаксационных параметров, аналог которого описан в [Зверев С.Б. Новый метод исследования динамики вод океана. Владивосток. Труды Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН, т.3, 1990, с.160-172]. По полученным данным посредством зонда протонного спинового эха выполняют томографическое восстановление изображения исследуемого геологического разреза грунта на уровне призматических кристаллов, что позволяет выполнить минералогический анализ.
При этом определение количественных соотношений минералов выполняется путем их выделения по плотности, оптическим свойствам, магнитным, электромагнитным, а также физическим и химическим признакам с использованием известных методов минералогического анализа [Леонтьев О.К. Морская геология. М., Высшая школа. 1982, с.87].
При выявлении потенциальных нефтегазовых участков, как и в прототипе, берут пробы грунта и растительности вдоль речного русла, выполняют анализ аддитивных показателей, строят карты распределения аддитивных показателей и отождествляют объекты, характеризующиеся распределением аномальных значений аддитивных показателей и Hg в ряду Si, Al, Ti, Y-Ba, Cu, Pb, Zn, Ag-Hg-Ba, Cu, Pb, Zn, Ag-Si, Al, Ti, Y, с нефтегазовыми перспективными участками, в части оценки целесообразности промышленного использования.
При обнаружении утечек нефти из подводного трубопровода и наличия нефтяного разлива выполняют моделирование изменений конфигурации нефтяного пятна по измеренным посредством гидрофизического модуля гидродинамическим параметрам водной среды в соответствии с гидродинамической моделью SPILLMOD [Л.И.Лобковский, Д.Г.Левченко, А.В.Леонов, А.К.Амбросимов. Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. М.: Наука, 2005, с.142-143].
Практическая реализация предлагаемого способа технической сложности не представляет, так как для его реализации используются средства, имеющие промышленную применимость.