СПОСОБ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ
METHOD OF GEOCHEMICAL EXPLORATION

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 континентальных шельфах и на речных акваториях и болотистой местности, в условиях суши и может быть использовано для обнаружения утечек продукта транспортировки морскими трубопроводами, а также для геоэкологического мониторинга морских акваторий.
Известен способ геохимической разведки (авторское свидетельство SU №1786460 [1]), 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 анализа 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 известного способа [1] являются технические решения, описанные в источниках информации (патенты RU №2017138, RU №2040783, RU №2108597 [2, 3, 4]).
Разделение проб пород на две фракции с последующим химическим анализом в данном способе позволяет повысить надежность выявления нефтегазовых перспективных участков в условиях суши.
Однако данный способ, при использовании его в морских условиях, является трудоемким и связан 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 [2], 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-P и λ-P, формировании видеосигнала, пропорционального отношению P/P, 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:
Λ=min{L/cosθ, H},
1
1
где 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;
H - 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 [3], 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, съюстированный 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.
В известном способе контроля магистрального трубопровода посредством обнаружения с вертолета облака метана над трубопроводом с использованием лазерного локатора, сканирующего атмосферу вдоль газопровода тремя разностными лучами [4]. Достоинством известного способа является то, что обработке подвергается облако метана, который является профилирующим при оценке обнаружения нефтегазовых месторождений, что обеспечивает необходимую достоверность получения исходных данных для последующего анализа.
Данный способ также имеет ограничения по использованию, обусловленные благоприятными погодными условиями для выполнения полетов.
Известен также способ геохимической разведки (патент RU №2374667 [5]), техническим результатом которого является повышение точности оценки концентрации газа в газовом образовании, преимущественно в водной среде.
В известном способе геохимической разведки [5], 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
го
бс
R(V, V)=R+(V+V)t,
го
бс
где R(V, V) - текущее положение газового образования относительно буйковой станции;
го
бс
V, V - векторы скорости буйковой станции и газового образования;
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, что существенно отличает данный способ от известных аналогов [1-4].
Однако в большинстве случаев, например, для экологической оценки загрязнения является важным и определение степени загрязнения грунта при утечке нефти, что известными способами (аналогами и прототипом) не решается.
Данная задача решена в известном техническом решении, в котором техническом результатом является расширение функциональных возможностей способа геохимической разведки преимущественно в водной среде и повышения надежности выявления нефтегазовых перспективных участков, а также геоэкологического мониторинга морских нефтегазоносных акваторий (патент RU №2456644 C2, 20.07.2012 [6]).
Данная задача решается за счет того, что в способе геохимической разведки, включающем отбор проб горных пород и растительности вдоль водотоков, разделение проб горных пород на фракции и их анализ на содержание химических элементов, 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 Ва, Cu, Pb, Zn, Ag, результаты анализа 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-Ва, Cu, Pb, Zn, Ag-Hg-Ва, Cu, Pb, Zn, Ag-Si, Al, Ti, Y, с нефтегазовыми перспективными участками, анализ на содержание метана путем определения координат газового образования, определение координат газового образования, с размещением в водной среде 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, в котором в отличие от известных способов геохимической разведки [1-4], 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, путем детектирования механизмов спин-фононных и спин-фотонных взаимодействий и эффектов динамической памяти в морской воде, при воздействии на объект исследования 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, по которым устанавливают площадь и глубину загрязнения, 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 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 [5].
Освоение ресурсов Мирового океана является обязательным и необходимым условием сохранения и расширения сырьевой базы РФ, обеспечения ее экономической и продовольственной независимости. Кроме того, известно, что перспектива истощения запасов углеводородного сырья и других минеральных ресурсов на континентальной части предопределила переориентацию разведки и добычи ресурсов полезных ископаемых на континентальный шельф Российской Федерации, а также на международные районы морского дна.
Данное обстоятельство привело к необходимости проведения инженерных изысканий и обследования дна отдельных морей для обнаружения объектов естественного происхождения (камни, валуны и т.п.), объектов техногенного происхождения (корабли, суда, другие объекты, затонувшие в результате стихийных бедствий или военных действий, другое имущество, взрывоопасные предметы, в том числе мины, фрагменты тралов и т.п.).
Необходимость обследования дна отдельных морей в интересах обнаружения и ликвидации взрывоопасных предметов (ВОП) обусловлена, с одной стороны, остаточной минной и другой взрывоопасностью, ограничением в плавании и производственной деятельности судов, установленной нормативными документами ВМФ, с другой стороны. И если задачи обнаружения объектов техногенного и естественного происхождения решаются с использованием известных поисковых средств, к которым относятся многолучевые эхолоты, гидролокаторы бокового обзора, а также телеуправляемые подводные аппараты, то задача своевременного обнаружения ВОП для обеспечения безопасности прокладки подводных нефтепроводов и газопроводов на акваториях бывшими опасными от мин (например, районы Финского залива), а также вблизи районов затопления химического оружия является актуальной и в настоящее время.
Задачей настоящего технического предложения является расширение функциональных возможностей способа геохимической разведки преимущественно в водной среде и повышение надежности выявления нефтегазовых перспективных участков, а также геоэкологического мониторинга морских нефтегазоносных акваторий.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе геохимической разведки, включающем отбор проб горных пород и растительности вдоль водотоков, разделение проб горных пород на фракции и их анализ на содержание химических элементов, 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, Mn, Fe, Ni, Cr, результаты анализа 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, анализ на содержание метана путем определения координат газового образования, определение координат газового образования, с размещением в водной среде 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, в котором, в отличие от известных способов геохимической разведки, 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, путем детектирования механизмов спин-фононных и спин-фотонных взаимодействий и эффектов динамической памяти в морской воде, при воздействии на объект исследования 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, по которым устанавливают площадь и глубину загрязнения, 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 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, в котором пробы растительности дополнительно анализируют на Sr, Cd, Hg, при превышении фоновых уровней содержания тяжелых металлов дополнительно выполняют магнитометрическую съемку, с выделением ферромагнитных объектов на фоне подводных объектов естественного происхождения.
Совокупность новых отличительных признаков, заключающихся в том, что пробы растительности дополнительно анализируют на Sr, Cd, Hg, при превышении фоновых уровней содержания тяжелых металлов дополнительно выполняют магнитометрическую съемку, с выделением ферромагнитных объектов на фоне подводных объектов естественного происхождения, из известного уровня техники не выявлены, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
В отличие от известного способа геохимической разведки [5], в котором пробы растительности анализируют на Ba, Cu, Pb, Zn, Ag, Mn, Fe, Ni, Cr, в предлагаемом способе пробы растительности дополнительно анализируют на Sr, Cd, Hg, что позволяет в конечном итоге повысить достоверность анализа.
Так как механизм накопления тяжелых металлов происходит непосредственно из воды через листовую поверхность, из донных отложений через их корневую систему, то свободноплавающие гидрофиты (ряска, водокрас, трехдольница, многокоренник и др.), не имеющие связи с грунтом, накапливают тяжелые металлы из воды. Поэтому они являются наиболее адекватными показателями загрязнения именно водной толщи тяжелыми металлами. Укореняющие гидрофиты с плавающими листьями (кубышка, кувшинка и др.) помимо водной массы накапливают значительную часть тяжелых металлов из донных отложений (см., например, Балоян Б.М., Хромов В.М. Использование высшей водной растительности для биоиндикации тяжелых металлов в воде. Прикладная экология, опыт, результаты, прогнозы. Вып.1. М.: 2007, с.171-186.; Власов Б.П., Гигиевич Г.С. Использование высших водных растений для оценки и контроля за состоянием водной среды. Методические рекомендации. Минск, БГУ, 2002, 84 с.).
Донные сейсмические станции, как и в прототипе [5], установлены на грунте на определенном расстоянии друг от друга. На водной поверхности размещена буйковая станция, соединенная гидроакустическим каналом связи с донными сейсмическими станциями и спутниковым каналом связи с гидрографическим судном. Блок-схема сейсмической донной станции включает трехкомпонентный цифровой сейсмограф с частотами регистрации 0,03-40 Гц, акустооптический спектрометр видимого диапазона волн (415-800 нм), измеритель скорости и направления течений, измеритель температуры воды, измеритель гидростатического давления, измеритель электропроводности морской воды, магнитометр постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр, датчик скорости звука в воде, датчик концентрации ионов водорода pH, гидроакустический модуль для связи с буйковой станцией и позиционирования на дне, устройство сбора и обработки информации, включающее управляющий компьютер и блок регистрации и управления, датчик обнаружения метана, датчик сероводорода, соединенные своими выходами с блоком регистрации и управления, блок логической обработки, который своим входом соединен с выходом трехкомпонентного цифрового сейсмографа, блок гидрохимических измерений, датчик пространственной ориентации, схему определения координат, пенетрометр, датчик сероводорода, акустический сейсмический блок.
Сейсмограф 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 B, амплитуда контрольного сигнала при токе нагрузки 4 мА не более ±5 B.
Акустооптический спектрометр 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: 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, измеритель температуры воды, измеритель гидростатического давления, измеритель электропроводности воды, датчик скорости звука в воде 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 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 нТл, погрешность отсчитывания ±10 нТл. Гамма-спектрометр предназначен для определения in situ содержания гамма-излучающих радионуклидов (как техногенного, так и естественного происхождения) в морской воде.
Основные технические характеристики гамма-спектрометра: 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 является устройство, приведенное в источнике (см., например, 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 предназначен для связи с буйковой станцией, посредством которой по спутниковому каналу связи осуществляется связь с гидрографическим судном, а также для позиционирования сейсмической донной станции на дне. Устройство сбора и обработки информации включает управляющий компьютер и блок регистрации и управления.
Блок регистрации и управления предназначен для сбора информации от измерительных датчиков сейсмической донной станции, 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 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, которая осуществляет передачу команд управления на расстоянии до 8 км, и предназначенную для управления режимами работы, путем передачи гидроакустических команд управления, приема квитанций от сейсмической донной станции, подтверждающих выполнение команд, измерения дальности до сейсмической донной станции.
-7
Подводная часть модуля гидроакустического телеуправления, размещенная на сейсмической донной станции, обеспечивает прием и декодирование гидроакустических команд управления режимами работ сейсмической донной станции 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, - 256. Число команд, принимаемое на сейсмической донной станции, - 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 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.
Аналогом датчика обнаружения метана является датчик типа METS («CAPSUM»). Пенетрометр представляет собой зонд, установленный на телескопическом устройстве, и предназначен для выполнения морской грунтовой съемки. Аналогом пенетрометра 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 на топографической и навигационной карте, на которой отображают границы загрязнения. Датчик сероводорода, представляет собой устройство, в котором полупроводниковый слой датчика сероводорода выполнен из частично галогенированного безметалльного 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 является датчик сероводорода, приведенный в описании к (см., например, патент RU №1789915). В качестве буйковых станций 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 также размещены датчики сейсмических сигналов, датчик обнаружения метана, датчик сероводорода, гидрофизический модуль и зонд протонного спинового эха.
Аналогом сейсмической донной станции являются автономные донные станции, приведенные в источнике информации (см., например, Современные донные станции для сейсморазведки и сейсмологического мониторинга/Зубко Ю.Н., Левченко Д.Г., Леденев В.В., Парамонов А.А. // 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.
го
Буйковая станция посредством спутниковой антенны принимает сигналы спутниковой навигационной системы (напрямую со спутника или через гидрографическое судно), в которой вектор скорости дрейфа буйковой станции точно фиксируется. При этом на буйковой станции 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, является также сугубо переменной величиной. Положение газового образования в подвижной системе координат буйковой станции определяется, как и в прототипе, путем решения геодезической задачи. 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. Положение сейсмической донной станции также определяется относительно буйковой станции по значениям глубины погружения, наклонной дальности буйковой станции от донной станции, азимута β, угла места α донной станции относительно буйковой станции, что реализуется благодаря наличию гидроакустического канала связи между буйковой станцией и сейсмическими донными станциями.
Наличие гидроакустического канала связи между буйковой станций и сейсмической донной станцией обеспечивает не только передачу информации от сейсмической донной станции на буйковую станцию, но и реализацию гидроакустической навигационной системы, посредством которой измеряют углы α и β, используя данные о глубине погружения сейсмической донной станции 1, по известным геометрическим соотношениям вычисляют координаты сейсмической донной станции относительно буйковой станции. По географическим координатам буйковой станции рассчитывают географические координаты сейсмической донной станции. Задача обнаружения утечки газа из газопровода решается аналогичным образом. Для определения площади и глубины загрязнения от утечки нефти сейсмическая 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.
Картирование информации, как и в прототипе, осуществляется нанесением геодезических координат места нахождения донной станции с телескопическим устройством на дне водоема на планшет, которое 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 карты 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 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, плотности, а также снабжено морским магнитометром типа «Си-Спай»: гондола, кабель, интерфейс, блок питания, портативный компьютер с системой сбора данных (динамический диапазон 18000…120000 нТл, разрешение 0,001 нТл, абсолютная точность 0,2 нТл), и феррозондовым магнитометром «Vallon». Для анализа физико-механических свойств слабых донных осадков гидрографическое судно также снабжено специализированными пробоотборниками, дночерпателями типа ДГ-1,5 до глубины опробования 0,7 м и коробчатым пробоотборником типа КП-2,5 до глубины опробования 2,5 м, обеспечивающими относительно более высокую сохранность грунтовых проб по сравнению с другими аналогичными средствами, комплексом измерения характеристик физико-механических свойств осадков после подъема грунтовых проб на борт судна для определения физических (плотность, влажность), прочностных (сопротивление вращательному срезу, удельное сопротивление пенетрации), деформационных (модуль деформации) и фильтрационных (коэффициент фильтрации) характеристик грунта.
Блок логической обработки 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 и к входу селектора шаговых импульсов, подключенного к D-входу счетчика импульсов, а другое пороговое устройство подключено к выходу усилителя акустического сейсмического блока, входу формирователя времени анализа и к входу С счетчика импульсов, выход формирователя времени анализа подключен к R-входу счетчика импульсов и к второму входу селектора шаговых импульсов, выход счетчика импульсов является первым выходом блока логической обработки.
Данное схемное решение позволяет в блоке логической обработки 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.
Блок гидрохимических измерений представляет собой устройство, которое предназначено для классификации загрязнений морской воды по спектральным характеристикам и молекулярному составу морской воды. Аналогом данного блока являются устройства, приведенные в различных источниках (см., например, 1. Основные процессы и аппаратура химической технологии. Под ред. Дытнерского Ю.Н. - М.: Химия, 1983. 2. Химико-аналитические комплексы фирмы Agilent Technologies (US), http://www.chem.agilent.com. 3. Химико-аналитические комплексы фирмы SRI Instruments (US), http://www.perichrom.com. 4. Химико-аналитические комплексы ЗАО "Хроматэк" (RU), http://www.chronomatec.ru).
Датчик пространственной ориентации предназначен для определения точного положения в пространстве сейсмографов. 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 предназначена для преобразования координат (географических) газового образования, которые определяют по положению газового образования относительно сейсмической донной станции.
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. 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.
Устройство сбора и обработки информации предназначено для работы в составе средств сейсмической донной станции 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 производится по результатам экспресс-обработки сигналов на основе анализа уровня энергии и спектрального состава с помощью быстрых алгоритмов реального времени.
На гидрографическом судне 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 и буйковой станции.
Программно-математическое обеспечение средств гидрографического судна предназначено для проверки всех измерительных каналов сейсмической донной станции, буйковой станции и блока регистрации и управления через последовательный порт RS-485, привязки к системе единого времени внутренних часов блока регистрации и управления посредством блока гидроакустического телеуправления и приемника GPS, установленного на буйковой станции и/или гидрографическом судне, и осуществления привязки к географическим координатам посредством блока гидроакустического телеуправления, получения информации по результатам тестовых проверок после установки сейсмической донной станции на дно и буйковой станции на поверхности исследуемой акватории.
Акустический сейсмический блок включает акустический канал гидрофонного и геофонного типа и широкополосный сейсмограф с частотным диапазоном от тысячных долей герца до десятков герц, аналогами которого являются широкополосные донные сейсмографы, приведенные в источнике информации (см., например, Особенности конструирования широкополосных донных сейсмографов / Д.Г.Левченко / 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 (см., например, Леонтьев O.K. 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.
По томографическому восстановлению донных отложений и грунта, выполняют механическую дифференциацию осадков и взвеси, с выделением фракций механического состава (гранулометрических фракций), в соответствии с классификацией фракций, принятой в практике морских геологических исследований (см., например, Леонтьев O.K. 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-Ва, Cu, Pb, Zn, Ag-Hg-Ва, 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 (см., например, Леонтьев O.K. 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 и по крайней мере две сейсмические донные станции.
Посредством измерительных датчиков, установленных на буйковой станции и на сейсмических донных станциях, выполняют регистрацию сейсмических, микросейсмических колебаний и гидрохимических параметров, а также выполняют зондирование водной толщи, путем детектирования механизмов спин-фононных и спин-фотонных взаимодействий, 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 (см., например, 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 (см., например, Леонтьев O.K. 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-Ва, Cu, Pb, Zn, Ag-Hg-Ва, Cu, Pb, Zn, Ag-Si, Al, Ti, Y, с нефтегазовыми перспективными участками, в части оценки целесообразности промышленного использования.
Пробы растительности анализируют на Ва, Cu, Pb, Zn, Ag, Mn, Fe, Ni, Cr, Sr, Cd, Hg. При превышении фоновых уровней содержания тяжелых металлов, приведенных в таблице (см., например, Балоян Б.М., Хромов В.М. Использование высшей водной растительности для биоиндикации тяжелых металлов в воде. Прикладная экология, опыт, результаты, прогнозы. Вып.1. М., 2007, с.171-186.; Власов Б.П., Гигиевич Г.С. Использование высших водных растений для оценки и контроля за состоянием водной среды. Методические рекомендации. Минск, БГУ, 2002, 84 с.), дополнительно выполняют магнитометрическую съемку, с выделением ферромагнитных объектов на фоне подводных объектов естественного происхождения.
Уровни содержания тяжелых металлов в пресноводных организмах условно принимаемых за фоновые
Элемент
Mn
Fe
Ni
Zn
Cr
Cu
Sr
Cd
Hg
Pb
Содержание мг/кг сухого веса
10,4-120
2000
1,5-24
80-23
2,3-5,4
2,5-60
5-10
0,1-0,5
0,04-0,3
0,3-1,8
При обнаружении утечек нефти из подводного трубопровода и наличия нефтяного разлива выполняют моделирование изменений конфигурации нефтяного пятна в соответствии с гидродинамической моделью SPILLMOD (см., например, Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий / Л.И. Лобковский, Д.Г.Левченко, А.В.Леонов, А.К. Амбросимов. М.: Наука, 2005, с.142-143). Практическая реализация предлагаемого способа технической сложности не представляет, так как для его реализации используются средства, имеющие промышленную применимость.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU №1786460.
2. Патент RU №2017138.
3. Патент RU №2040783.
4. Патент RU №2108597.
5. Патент RU №2374667.
6. Патент RU №2456644 C2, 20.07.2012.