ПОДВОДНАЯ СТАНЦИЯ
UNDERWATER STATION

Изобретение относится к области геофизики, а более конкретно к устройствам измерения геофизических и гидрофизических параметров в придонной зоне морей и океанов, и может быть использовано при оперативной оценке сейсмического и гидродинамического состояния районов и прогноза возможных сейсмических и экологических последствий катастрофических явлений природного и техногенного характера, а также для геолого-геофизических исследований морских углеводородных месторождений.
Известные автономные донные станции (патенты RU №2270464, RU №2276388, RU №2294000 [1, 2, 3]) представляют собой цилиндрические или шарообразные корпуса, снабженные балластом для установки их на грунт, внутри и снаружи которых установлены измерительные датчики и средства обработки первичной информации. В качестве измерительных датчиков используются, как правило, гидрофоны и геофоны. Зарегистрированная датчиками информация хранится на флеш-памяти донной станции, которая после подъема донных станций обрабатывается с помощью комплекса судовой аппаратуры или считывается по каналам гидроакустической связи. Известные донные станции предназначены в основном для регистрации сейсмических сигналов в морских акваториях. Так устройство [3] представляет собой морскую автономную донную сейсмическую станцию, устанавливаемую на морское дно преимущественно с плавучих средств. Станция включает герметичный корпус, состоящий из двух полусфер, снабженных в месте сочленения уплотнительным кольцом. Внутри размещена геофизическая аппаратура, включающая измерительные датчики геофонного и гидрофонного типов, модули приема, регистрации, преобразования и хранения зарегистрированных сигналов, блоки сопряжения с бортовым модулем после всплытия и подъема устройства на борт, спутниковый и гидроакустический каналы связи, блок ориентации, блок синхронизации, блок управления размыкателем и блок питания. На внешней поверхности корпуса установлены гидроакустическая и спутниковая антенны, средства для поиска донной станции при всплытии, такелажные элементы и разъемы, устройство постановки на дно и обеспечения всплытия донной станции, выполненное в виде якоря-балласта. Технический результат - повышение точности измерений, снижение трудоемкости и изготовления донной станции, упрощение процессов ее постановки на дно и возвращения на борт после окончании работы.
Недостатком известных автономных донных станций является то, что они предназначены для регистрации только сигналов сейсмической природы. В то же время автономные донные станции могут применяться и при решении таких задач, как изучение строения земной коры, исследование совокупности проявления геофизических полей и тектонических разломов непосредственно на дне океана, геофизический мониторинг сложных гидротехнических сооружений, а также для геолого-геофизических исследований морских углеводородных месторождений.
Известна также морская автономная донная электросейсмическая станция (заявка WO №2009110818 А1, 11.09.2009 [4]), включающая герметичный корпус, состоящий из двух полусфер, снабженных в месте сочленения уплотнительным кольцом, внутри которого размещена геофизическая аппаратура, а также модуль регистрации, блок управления размыкателем и блок питания; на внешней поверхности герметичного корпуса установлены такелажные элементы и разъемы, устройство постановки на дно и обеспечения всплытия донной станции, а также индукционные датчики магнитного поля, измерительные электроды, выполняющие функцию датчиков электрического поля, и сейсмический датчик, при этом индукционные датчики магнитного поля и измерительные электроды, выполняющие функцию измерительных датчиков электрического поля, выполнены в виде отдельного модуля, установленного на внешней поверхности герметичного корпуса.
Благодаря наличию индукционных датчиков магнитного поля и измерительных электродов, выполняющих функцию датчиков электрического поля, появляется возможность получить одновременные записи вариаций электромагнитного и сейсмического полей и построить геоэлектрический разрез осадочного чехла и скоростной разрез осадочного чехла.
Однако при постановке известной морской автономной донной электросейсмической станции на дно, на средних и больших глубинах возможны механические и гидродинамические воздействия на герметичный корпус, на внешней поверхности которого установлен модуль, состоящий из индукционных датчиков магнитного поля и измерительных электродов, что приводит к их повреждению, а соответственно к нарушению функционирования.
Кроме того, из наличия неучтенных уклонов морского дна возможны нарушения в работе сейсмического датчика.
Известная автономная донная сейсмическая станция (патент RU №2229146, 20.05.2004 [5]) содержит глубоководный самовсплывающий носитель геофизической аппаратуры, размещенный в герметичном сферическом контейнере, устройство постановки и снятия носителя с грунта дна, выполненное в виде якоря-балласта и закрепленное посредством размыкателей в нижней части носителя геофизической аппаратуры.
Известная подводная станция со съемным электропитанием (патент US №4780863, 25.10.1988 [6]) содержит блок с измерительной аппаратурой, размещенный в контейнере, размыкательное устройство и якорное устройство, в котором размещается блок сменного электропитания. Данное устройство позволяет заменять батареи, а также позволяет извлечь батареи после окончания работы станции и всплытия блока с измерительной аппаратурой.
Известна подводная сейсмостанция (патент US №6951138, 04.10.2005 [7]). Станция размещена в контейнере и содержит измерительный блок и отделяемое якорное устройство. Она снабжена двигательным устройством и устройством управления движением станции при погружении и всплытии. Данное устройство автономно запускается с судна и, планируя в заданную точку, устанавливается на грунте. По команде всплывающий модуль отделяется от якоря и при всплытии также направляется двигательным устройством в необходимую точку.
Известные подводные станции [5, 6, 7] достаточно сложны в изготовлении и эксплуатации. Подводные станции, особенно предназначенные для работы на больших глубинах, должны содержать один или несколько прочных разъемных корпусов, выполненных из прочного материала, стекла, титана или композитных материалов, которые являются дорогими в исполнении и требуют сложных разъемных соединений. Для проверки и настройки аппаратуры на корпуса устанавливаются герметичные глубоководные вводы.
Станции требуют замены или зарядки энергией блоков питания аппаратуры. Поэтому все корпуса станций являются разъемными.
Известна также подводная станция (патент RU №2388021 С1, 27.04.2010 [8]), которая содержит всплывающий блок измерительной аппаратуры и якорное устройство. Всплывающий блок измерительной аппаратуры и якорное устройство выполнены в виде монолитных модулей. Модуль измерительной аппаратуры установлен на модуль якорного устройства и соединен с последним размыкающим устройством. Модуль якорного устройства содержит источник питания. Модуль якорного устройства и модуль измерительной аппаратуры включают элементы устройства для бесконтактной передачи энергии от модуля якорного устройства в модуль измерительной аппаратуры.
Такая конструкция подводной станции не предполагает корпуса станции, так как модуль измерительной аппаратуры и модуль якорного устройства выполнены в виде монолитных модулей. В частности, они могут быть выполнены путем заливки и отвержения пластической массы, при этом в качестве таких веществ могут использоваться форполимеры.
В частном случае выполнения блок измерительной аппаратуры включает положительную плавучесть в виде поплавка, выполненного из пластмассы/пластика с микросферами.
Модуль измерительной аппаратуры может включать аккумуляторы, например электрические аккумуляторы, для того чтобы обеспечивать работу станции после ее отделения от модуля якорного устройства.
Модуль измерительной аппаратуры может дополнительно включать гидроакустический приемопередатчик для связи станции с надводным или подводным средством, с которого могут отдаваться команды. Кроме того, модуль может включать приемник GPS для определения местоположения станции в надводном положении и маяк для облегчения ее поиска в темное время после всплытия.
Для передачи данных из модуля измерительной аппаратуры он может дополнительно включать приемопередатчик беспроводной связи, с помощью которого данные передаются с измерительной аппаратуры станции для дальнейшего использования. В этом случае на модуле нет необходимости устанавливать выходные разъемы.
Модуль якорного устройства в качестве источника питания модуля измерительной аппаратуры может включать электрические батареи.
Устройство для бесконтактной передачи энергии от модуля якорного устройства в модуль измерительной аппаратуры может быть выполнено в виде устройства бесконтактной передачи электрической энергии, при этом модуль якорного устройства содержит передатчик электрической энергии, а модуль измерительной аппаратуры содержит приемник электрической энергии.
Несмотря на кажущуюся простоту изготовления модулей, использование данной конструкции придает модулям станции новые и неизвестные ранее технические свойства. Например, такая конструкция обеспечивает пространственно распределенный теплоотвод, позволяющий достичь крайне высокой интеграции элементов на единицу площади печатной платы, что дает возможность, с одной стороны, выполнять модули простыми и дешевыми в изготовлении, с другой стороны, делать аппаратуру модулей сколь угодно сложной, выполняющей любые необходимые задачи.
При этом модули просты в эксплуатации и не могут нарушить экологию района, даже при их оставлении на поверхности или морском дне, так как могут быть выполнены из материалов, например форполимеров, которые практически не разлагаются и сохранят начинку модулей от контакта с внешней средой.
Существенным недостатком известной подводной станции является то, что источник питания размещен в модуле якорного устройства, т.е. источник питания является одноразовым элементом, и при каждой последующей постановке подводной станции необходим новый источник питания, стоимость которого может существенно превосходить стоимость корпуса подводной станции и измерительных датчиков, и при постановке одновременно нескольких подводных станций это приведет с существенным материальным затратам.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является подводная станция, приведенная в источнике [8].
Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности функционирования подводной станции.
Поставленная задача решается за счет того, что в подводной станции, содержащей всплывающий модуль измерительной аппаратуры и якорное устройство, выполненные в виде монолитных модулей, в которой всплывающий модуль измерительной аппаратуры установлен на якорном устройстве и соединен с последним посредством размыкающего устройства, при этом всплывающий модуль измерительной аппаратуры и якорное устройство выполнены монолитными путем заливки и отверждения пластической массы, в качестве которой использованы форполимеры, в которой положительная плавучесть в виде поплавка, выполненного из пластика с полыми микросферами, установлена на всплывающем модуле измерительной аппаратуры, включающем аккумуляторы, например электрические аккумуляторы, гидроакустический приемопередатчик, приемник GPS, датчики сейсмических приемников, акселерометр, в которой на поплавке размещен маяк, нижняя часть всплывающего модуля измерительной аппаратуры размещена внутри фермы, выполненной из высокопрочной пластмассы, в нижней своей части сочлененной с размыкающим устройством, всплывающий модуль измерительной аппаратуры дополнительно содержит акустический доплеровский измеритель течения, зонд для измерения электропроводности, температуры морской воды, давления и скорости звука, магнитометр постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр, на внешней поверхности фермы установлены две механические консоли с закрепленными на них трехкомпонентными цифровыми сейсмографами с частотой регистрации сейсмических сигналов 0,03÷40 Гц и гидрофоном.
На фиг. 1 приведен общий вид подводной станции в сборе, на фиг. 2 приведена блок-схема модуля измерительной аппаратуры.
Подводная станция содержит модуль 1 измерительной аппаратуры, модуль 2 якорного устройства (фиг. 1). На модуле 1 измерительного устройства установлена положительная плавучесть в виде поплавка 5. В положении, когда модули 1 и 2 установлены один на другом, они соединены между собой через размыкающее устройство 3 с соединителями 4, например резиновыми лентами, закрепленными в отверстиях фланца модуля 1 измерительного устройства. Нижняя часть всплывающего модуля 1 измерительной аппаратуры размещена внутри фермы 6, выполненной из высокопрочной пластмассы, в нижней своей части, сочлененной с размыкающим устройством 3. Внутри всплывающего модуля 1 измерительной аппаратуры установлен источник 7 питания, состоящий, например, из батарей. В качестве источника 7 питания могут использоваться электрохимические источники, работающие путем электролиза морской воды, топливные элементы или другие источники электрического питания. На внешней поверхности фермы 6 установлены две механические консоли 8 с закрепленными на них трехкомпонентными цифровыми сейсмографами 9 с частотой регистрации сейсмических сигналов 0,03÷40 Гц, гидрофоном 12, модулем 20 электромагнитных датчиков, который состоит из двух индукционных датчиков магнитного поля и двух датчиков электрического поля.
Модуль 1 измерительной аппаратуры включает также гидроакустический приемопередатчик 13, GPS приемопередатчик 14 связи с подводной станцией, блок 15 измерительной и управляющей аппаратуры, который комплектуется в зависимости от назначения подводной станции. В модуле 1 устанавливаются также аккумуляторы 16, необходимые для работы аппаратуры, модемы 17 каналов связи для передачи зарегистрированных данных, акселерометр 38, который представляет собой трехосевой акселерометр типа LSM303DLM.
Модули 1 и 2 станции изготавливают монолитными путем заливки пластической массой элементов модулей и последующего отвержения. В качестве пластической массы могут быть использованы форполимеры. В качестве пластической массы, составляющей монолит модулей, могут быть использованы любые вещества, известные из уровня техники.
Поплавок 5 может быть изготовлен из пластмассы или пластика с микросферами, содержащими полости. На поплавке 5 установлен проблесковый маяк 19 для поиска подводной станции при всплытии ее на водную поверхность, а также антенны 10 и 11 соответственно спутникового и гидроакустического каналов связи.
Фиг.2. Блок-схема модуля измерительной аппаратуры. Блок-схема включает модули приема 21, регистрации 22, преобразования 23 и хранения 24 зарегистрированных сигналов, блоки сопряжения 25 с бортовым модулем после всплытия и подъема подводной станции на борт судна, спутниковый 26 и гидроакустический 27 каналы связи, блок ориентации 28, блок синхронизации 29, блок управления 30 размыкателем и источник питания 7, а также гидроакустическую и спутниковую антенны 10 и 11, сейсмический датчик 31, гидрофон 12, трехкомпонентные широкополосные цифровые сейсмографы 9.
Сейсмический датчик 31 представляет собой высокочувствительный датчик типа «СМ-3КВ1», расположенный на карданом подвесе 32 в нижней части подводной станции, что позволяет сохранять вертикальное расположение датчика внутри станции при наклонах морского дна до 25 град. и предназначен для регистрации вертикальной компоненты Z сейсмического поля в диапазоне частот от 0,5 до 40 Гц.
Подводная станция также снабжена модулем 20 электромагнитных датчиков, состоящим из двух индукционных датчиков магнитного поля и двух датчиков электрического поля, который установлен на внешней поверхности фермы 6 и предназначен для регистрации двух компонент электрического (Ех, Еу), двух компонент магнитного (Нх, Ну) в диапазоне частот электромагнитного поля от 300 до 0,0001 Гц с периодами регистрации от 0,033 до 10000 секунд.
По результатам измерений строится, например, простейшая модель подводной углеводородной залежи, которая может быть представлена в виде однородного пласта с пониженной плотностью и повышенной скоростью упругих волн. В такой модели подводной залежи должны присутствовать две контрастные границы - у поверхности дна, связанной с кровлей залежи, и на нижней граничной глубине. Изменение плотности осадков и скорости распространения в них упругих волн создает предпосылки для выявления подводных залежей сейсмическими и акустическими методами. Поскольку подводные залежи распределены в осадочной толще крайне неравномерно и встречаемые структурные аномалии разномасштабные, то может потребоваться применение гораздо более сложных структурно-акустических моделей подводной залежи углеводородов. Регистрация сейсмических колебаний в диапазоне 20-40 Гц, электромагнитного поля в диапазоне частот от 300 до 0,0001 Гц с периодами регистрации от 0,033 до 10000 секунд позволяют получить одновременные записи вариаций электромагнитного и сейсмического полей и построить геоэлектрический разрез осадочного чехла и скоростной разрез осадочного чехла, а также выполнить геологическую интерпретацию разрезов осадочного чехла, что позволяет определять нижнюю и верхнюю границы углеводородных пород, а также их концентрацию, на основании чего можно оценивать ресурсы газа и выбирать место бурения геологоразведочных скважин для первичной оценки залежи.
Детальная разведка подводных залежей осуществляется посредством геофизических исследований в пробуренных скважинах, а также путем отбора кернов с последующим их комплексным анализом.
Изготовленная таким образом станция может эксплуатироваться в большом диапазоне глубин, от мелководья до предельных глубин мирового океана.
Подводная станция работает следующим образом.
Аккумуляторы 16, необходимые для работы аппаратуры всплывающего модуля 1, могут быть предварительно бесконтактно заряжены от зарядного устройства, находящегося на судне.
Всплывающий модуль 1 измерительной аппаратуры устанавливается на модуль 2 якорного устройства и пристегивается к размыкателям 3 соединителями 4, резиновыми лентами.
Входящий в состав подводной станции GPS приемник 14 устанавливает координаты и синхронизирует время таймеров в процессоре блока 15 измерительной и управляющей аппаратуры в соответствии с глобальным временем UTC. Подводная станция переходит в режим измерения.
Подводная станция погружается в воду и опускается на дно. Благодаря центровке станции модуль 2 якорного устройства размещается на дне, а антенна гидроакустического приемопередатчика 13 направлена вверх. Время погружения контролируется аппаратурой станции с помощью акселерометра 38 и GPS приемопередатчика 14. Считая началом погружения момент, когда будет потерян сигнал GPS приемопередатчика 14, антенна станции погрузится под воду. Время, когда погружение закончится, определяется по фиксации акселерометром 38 скачка отрицательного ускорения, который произойдет при касании станцией поверхности дна. В заданное, исходя из известной глубины в точке установки, время записываются показания измерительной аппаратуры подводной станции. Последние из записанных показаний упомянутых датчиков и координаты GPS приемопередатчика 14 в момент пропадания сигнала со спутника (т.е. погружения в воду) после надлежащей обработки позволят определить точное местоположение станции на дне.
После постановки подводной станции на дно подается сигнал на электропривод 33, посредством которого две механические консоли 8, с закрепленными на них трехкомпонентными цифровыми сейсмографами 9 с частотой регистрации сейсмических сигналов 0,03÷40 Гц, переводятся в горизонтальное положение. Пространственный разброс трехкомпонентных цифровых сейсмографов 9 от подводной станции осуществляется для исключения влияния на качество регистрации сейсмических сигналов придонных течений, которые раскачивают подводную станцию и вызывают вихревые помехи вокруг тонкомерных элементов фермы 6.
Трехкомпонентные цифровые сейсмографы 9 с частотой регистрации сейсмических сигналов 0,03÷40 Гц снабжены микроакселерометрами и микровычислителями для контроля положения сейсмографов относительно морского дна.
Связь между трехкомпонентными цифровыми сейсмографами 9 с блоком 1 измерительной аппаратуры осуществляется по кабелю, проложенному в механических консолях 8.
Блок 1 измерительной аппаратуры дополнительно содержит акустический доплеровский измеритель 34 течения и зонд 35 для измерения электропроводности, температуры морской воды, давления и скорости звука, установленные на внутренней поверхности фермы 6, внутри блока измерительной аппаратуры дополнительно установлены магнитометр 36 постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр 37.
По завершении времени, заданного одним из таймеров процессора или по получении сигнала от гидроакустического приемопередатчика 13 модуль 1 измерительной аппаратуры активирует через электропривод 33 две механические консоли 8 с закрепленными на них трехкомпонентными цифровыми сейсмографами 9 для приведения механических консолей 8 в исходное положение, а затем и размыкатели 3, которые, в свою очередь, освобождают резиновые ленты, стягивающие всплывающую станцию и энергетический блок. При этом измерения сейсмоакустических сигналов прекращаются и начинается всплытие модуля 1 измерительной аппаратуры. Во время всплытия и далее до момента подъема на борт судна всплывающая станция использует встроенные аккумуляторы 16, заряжаемые в ходе ее работы на дне от источника питания 7.
После активации размыкателей 3 модуль 1 измерительной аппаратуры активирует GPS приемник 14 и определяет координаты, что произойдет по достижении станцией поверхности.
После получения достоверного сигнала GPS приемопередатчик 14 определяет и фиксирует в памяти информацию. Затем передает свои координаты в радиоэфир и включает проблесковый маяк. Судно, получив координаты с местонахождения модуля 1 станции, перемещается к нему и модуль 1 извлекается из воды.
На борту судна из модуля 1 измерительной аппаратуры подводной станции извлекаются данные, после чего всплывающая станция может быть установлена на новый модуль 2 якорного блока. После этого станцию снова можно использовать.
Предлагаемое устройство реализуется на установках, имеющих промышленное применение, что обуславливает отсутствие технических рисков при его применении.
В отличие от известных аналогичных устройств морской сейсмической разведки для поиска углеводородов предлагаемое устройство позволяет повысить надежность морской подводной станции и получить более широкий спектр сигналов о состоянии геофизических полей, что повышает достоверность суждения о наличии на дискретных участках подводных залежей углеводородов, а также возможного развития сейсмических процессов.
Источники информации
1. Патент RU №2270464.
2. Патент RU №2276388.
3. Патент RU №2294000.
4. Заявка WO №2009110818 A1, 11.09.2009.
5. Патент RU №2229146, 20.05.2004.
6. Патент US №4780863, 25.10.1988.
7. Патент US №6951138, 04.10.2005.
8. Патент RU №2388021 С1, 27.04.2010.