Гидроакустическая система поиска и мониторинга газовых гидратов

© А.В. Казанцев1, А.В. Петров2, А.Г. Ченский3, Д.А. Ченский4

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Описаны результаты опытно-конструкторской работы по теме «Разработка и создание гидроакустической системы поиска и мониторинга газовых гидратов». Обоснована актуальность исследований залежей газогидратов. Представлены состав, технические характеристики и конструктивные решения разработанной гидроакустической системы. Обозначены перспективы ее применения. Ил. 4. Табл. 1. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: газовый гидрат; гидроакустическая система; гидролокатор бокового обзора; профилограф; многолучевой эхолот; автономная донная станция; мониторинг.

HYDROACOUSTIC SYSTEM FOR GAS HYDRATE SEARCHING AND MONITORING A.V. Kazantsev, A.V. Petrov, A.G. Chensky, D.A Chensky

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.

The article presents the results of the research and development work on the topic "Development and design of a hydr o-acoustic system for gas hydrate exploration and monitoring". The relevance of studying gas hydrate deposits is substantiated. Composition, specifications and designs of the developed hydroacoustic system are described. Its application prospects are outlined. 4 figures. 1 table. 5 sources.

Key words: gas hydrate; hydroacoustic system; side-scan sonar; profilograph; multibeam echo sounder; autonomous bottom station; monitoring.

УДК 534.6.082/.084

ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОИСКА И МОНИТОРИНГА ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ

Изучение газовых гидратов (газогидратов) имеет большое значение как для решения ряда фундаментальных вопросов геологии, геофизики, геохимии, экологии, так и большое прикладное значение для добывающей отрасли и энергетики. Природные газогидраты чаще всего располагаются на дне морей (обычно на шельфе) и в районах вечной мерзлоты. По различным источникам глобальная оценка природных газов, находящихся в газогидратах, находится в диапазоне

13 3 19 3

от 10 м до 10 м , например, в [1] приводится значение 1,5х1016 м2. Всего в мире к настоящему времени обнаружено около двухсот газогидратных залежей. С экологической точки зрения газогидраты могут рассматриваться как возможные источники огромных объемов метана в окружающую среду. С геологической - как природные образования со специфическими условиями нахождения в осадочной толще и особым механизмом формирования. С экономической -

как нетрадиционные источники углеводородного сырья. В 2013 г. в Японии начата первая в мировой практике пробная промышленная добыча гидрата метана со дна моря [2].

В настоящее время все технологии обнаружения залежей газогидратов базируются на использовании таких их свойств, как высокое электрическое сопротивление, высокая акустическая проводимость, низкая теплопроводность, пониженная плотность, низкая проницаемость для газа и воды [1]. Также обнаружение залежей газогидратов осуществляется посредством сейсмического или акустического зондирования, измерением теплового и диффузионного потоков над залежью, гравиметрическим методом, изучением динамики электромагнитного поля в исследуемом регионе [3]. Основными источниками информации, по которой проводится идентификация и количественная оценка местонахождения газовых гидратов в донных

1Казанцев Александр Владимирович, электроник отдела информационно-измерительных систем Физико-технического института, тел.: +79501461042, e-mail: skb@istu.edu

Kazantsev Alexander, Electronics Engineer of the Information Measuring Systems of Physico-Technical Institute, tel.: +79501461042, e-mail: skb@istu.edu

2Петров Андрей Валерьевич, электроник кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, тел.: +79025788131, e-mail: rts_lab@istu.edu

Petrov Andrei, Electronics Engineer of the Department of Radio Electronics and Telecommunication Systems, tel.: +79025788131, e-mail: rts_lab@istu.edu

3Ченский Александр Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, зав. кафедрой радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, тел.: +79086612947, e-mail: zavmts@istu.edu

Chensky Alexander, Candidate of Physical and Mathematical sciences, Head of the Department of Radio Electronics and Telecommunication Systems, tel.: +79086612947, e-mail: zavmts@istu.edu

4Ченский Дмитрий Александрович, электроник отдела информационно-измерительных систем Физико-технического института, тел.: +79086425656, e-mail: skb@istu.edu

Chensky Dmitry, Electronics Engineer of the Information Measuring Systems Department of Physico-Technical Institute, tel.: +79086425656, e-mail: skb@istu.edu

отложениях, являются акустические измерения.

Как правило, зона гидратоформирования начинается ниже поверхности дна от 0,5 до 10 и более метров. Поэтому, чтобы обнаружить кровлю гидратсодер-

среды, системы хранения информации, мониторинга и управления комплексом гидроакустических средств (сХИМиУКГС) и программного обеспечения. Структурная схема ГАСПМГГ показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема ГАСПМГГ

жащих пластов, следует использовать акустические методы, обеспечивающие получение сигналов, отраженных от структур внутри донных отложений. Одним из основных акустических признаков наличия газовых гидратов в донных отложениях является особое отражение, получившее название BSR (bottom simulating reflections), которое можно интерпретировать как отражение от пузырьков газа. Другими словами, вследствие BSR получается гидроакустическая картина верхнего слоя залежей газогидратов. [4]

Гидроакустические системы работают в диапазоне от одного до нескольких десятков килогерц. Существуют два основных метода изучения структуры морского дна с использованием гидроакустической техники: 1) метод отраженных волн (МОВ) применяется при необходимости детально и точно определить структуру дна и измерить толщину грунтовых (осадочных) пород; 2) метод преломленных волн (МПВ) обеспечивает возможность проникать в глубину залегания каждого слоя. Оба метода основаны на анализе акустической неоднородности пород грунта [5]. В настоящее время приоритетным в геофизических исследованиях является применение технических средств, оперирующих различными модификациями МОВ.

В Иркутском государственном техническом университете (ФГБОУ ВПО «ИрГТУ») совместно с ЗАО «НПП «Ленарк» и ФГУП «Опытно-конструкторское бюро океанологической техники РАН» была разработана гидроакустическая система поиска и мониторинга газовых гидратов (ГАСПМГГ). ГАСПМГГ состоит из гидролокатора бокового обзора (ГБО), сейсмоакустиче-ского профилографа с линейно частотно-модулированным сигналом (ЛЧМ-профилографа), многолучевого эхолота (МЛЭ), модуля измерения гидрофизических и гидрохимических параметров водной

ГБО предназначен для изучения геоморфологического строения морского дна и построен по классической схеме. Принцип его действия основывается на излучении в направлениях, перпендикулярных к направлению движения судна коротких частотно-заполненных акустических импульсов и приеме эхо-сигналов, отраженных от поверхности дна и объектов на дне. ГБО работает на двух частотах: 30 кГц и 115 кГц. Применение высокой частоты (ВЧ) 115 кГц обеспечивает высокое разрешение; применение низкой частоты (НЧ) 30 кГц обеспечивает большую дальность действия. ГБО способен регистрировать донные отражения на глубинах от 5 до 1600 м с точностью не хуже 0,5% от значения глубины. Благодаря использованию НЧ, на сонограммах ГБО могут отображаться не только формы рельефа морского дна, но и литоло-гические особенности строения дна на глубину до первых метров.

Конструктивно ГБО состоит из набортной части, подводного буксируемого аппарата (ПБА) и грузоне-сущего коаксиального кабеля. Набортная часть состоит из специального блока, содержащего модем для связи с ПБА, источник питания и устройство синхронизации системы подводной гидроакустической навигации. Кроме описанного блока, в состав набортной части входит компьютер и система спутниковой навигации. В состав ПБА входят электрические узлы и гидроакустические антенны двухчастотного ГБО. Кроме того, в состав ПБА входят транспондер подводной навигации, работающий на частотах 8-20 кГц, датчик давления для определения глубины погружения и придонный высокочастотный сейсмоакустический профилограф, работающий на частоте 8 кГц. Внешний вид ПБА показан на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид ПБА

При эксплуатации ГБО обеспечивают либо постоянный горизонт профилирования по датчику давления, либо постоянную высоту ПБА над дном (обтекание рельефа дна) по показаниям придонного профи-лографа. Оптимальный горизонт или оптимальную высоту ПБА над дном выбирают исходя из рельефа дна и решаемых задач (обычно она составляет 30-100 м).

Придонный сейсмоакустический профилограф реализован на принципе излучения акустических импульсов вертикально вниз и приеме эхо-сигналов, отраженных от поверхности дна и отражающих горизонтов поддонной осадочной толщи. ПБА снабжен гидроразъемами для подключения дополнительных аналоговых и цифровых измерительных приборов.

ЛЧМ-профилограф предназначен для изучения геоморфологического строения морского дна и донных осадков с целью выявление закономерностей распределения газовых гидратов в донных отложениях. Принцип действия ЛЧМ-профилографа основывается на излучении ЛЧМ акустического сигнала приемопередающей антенной вертикально вниз. Акустический сигнал, отразившись от дна и далее от отражающих горизонтов поддонной осадочной толщи, возвращается обратно в антенну и отображается на мониторе. Благодаря использованию ЛЧМ достигаются большая глубина проникновения (до 100 м) и высокое разрешение (0,15 м). Профилограф обеспечивает определение глубины залегания плотного консолидированного грунта с точностью не хуже 0,5 м.

Конструктивно ЛЧМ-профилограф состоит из набортной части, буксируемого аппарата и грузонесу-

щего коаксиального кабеля.

В состав набортной части входят: процессорный блок, где происходит собственно формирование ЛЧМ-сигнала, а также обработка (аналого-цифровое преобразование) принятого отраженного сигнала; выходной усилитель мощности и персональный компьютер с подключенной спутниковой навигационной системой. Буксируемый аппарат состоит из несущей рамы и комплекта широкополосных антенн.

Необходимость удаления антенн от несущего судна обусловлена высоким уровнем шумов, излучаемых двигателями судна. Оптимальную глубину погружения буксируемого аппарата определяют по качеству принимаемого сигнала, варьируя скоростью судна и длиной вытравленного кабель троса. Обычно оптимальная глубина погружения составляет 30-100 м.

Многолучевой эхолот (МЛЭ) предназначен для: измерения глубины в широком секторе обзора (до 180°); картографирования; поиска объектов на дне и в толще воды; сопровождения подводных работ.

В состав МЛЭ входит антенный блок, включающий в себя две приемопередающие антенны со встроенными кабелями, и электронный блок (набортная часть), осуществляющий управление приемом и излучением, обработку принятых гидроакустических данных и передачу данных потребителю, в соответствии с протоколом. Антенный блок размещается на временной штанге или монтируется на корпусе судна на постоянной основе. В электронном блоке по команде пользователя формируется излучаемый импульс (посылка), который по кабелю передается на антенны. Антенны преобразуют входной электрический импульс

в излучаемый акустический. Отраженный от дна и других препятствий акустический эхосигнал принимается теми же антеннами, преобразуется в электрический сигнал и передается в электронный блок. В электронном блоке сигналы усиливаются, оцифровываются и фильтруются, после чего производится определение наклонных дальностей в лучах. Затем формируются пакеты данных, которые передаются пользователю через порт Ethernet в программу МЛЭ. Внешний вид электронного и антенного блоков показан на рис. 3.

дуль сбора и обработки информации реализован на микроконтроллере PIC24FJ256GA106 и вспомогательных периферийных устройствах. Модуль включает в себя 4 порта RS232 для связи с цифровыми датчиками и возможности подключения к компьютеру для изменения режимов работы, установки точного времени и прочих настроек. Кроме того, в состав контроллера входит 10-битный аналого-цифровой преобразователь и цифровые порты ввода-вывода, что позволяет подключать к модулю различные датчики. Для соедине-

а) б)

Рис. 3. Внешний вид электронного (а) и антенного (б) блоков МЛЭ

Полная шкала дальности МЛЭ составляет 600 м. Сектор обзора 180° обеспечивается при наличии отражающих объектов (стенок и т.п.) под соответствующими углами на дальности менее 600 м. На больших глубинах сектор обзора сужается до 150°. Диапазон обследуемых глубин составляет от 5 до 500 м; ширина полосы захвата - 40 м; точность определения глубин в диапазоне от 5 до 20 м - 0,1 м; точность определения глубин в диапазоне от 20 до 500 м - 0,5% от глубины. Ширина луча по ходу судна 1,2°. Точки дна определяются с шагом не менее 1°. В программе отображаются точки дна, 3й картина дна и картина в режиме гидролокатора бокового обзора.

Модуль измерения гидрофизических и гидрохимических параметров водной среды (МИГГПВС) предназначен для долговременных измерений, первичной обработки и хранения данных о температуре, давлении, электропроводности, концентрации растворенного метана и концентрации растворенного кислорода. МИГГПВС реализован в виде автономной донной станции (АДС); при необходимости датчики модуля могут быть установлены вместо донной станции на ПБА.

Конструктивно АДС состоит из герметичного корпуса с внешней рамой, якоря, кухтылей (поплавков), модуля поиска и обнаружения и двух гидроакустических размыкателей с системой связи. Модуль поиска и обнаружения смонтирован в собственном герметичном корпусе, который закреплен на внешней раме. Внутри герметичного корпуса АДС расположены модуль автономного питания и модуль сбора и обработки информации. Для модуля автономного питания применены щелочные гальванические элементы. Мо-

ния закрепленных на внешней раме датчиков с находящимися внутри корпуса модулями питания и сбора данных применены герморазъемы.

Система датчиков МИГГПВС состоит из универсального прибора ББЕ 37-БМР-ЮО и датчика концентрации метана компании Franatech. Прибор SBE 37-БМР-ЮО представляет собой комбинацию четырех датчиков: концентрации кислорода, электрической проводимости, давления и температуры; устройство имеет помпу для прокачки датчика кислорода и собственный микропроцессорный модуль сбора и записи данных. Параметры датчиков МИГГПВС приведены в таблице.

Для обеспечения постановки АДС и ее всплытия предназначены гидроакустические размыкатели. Один размыкатель соединяет корпус с якорем, другой - с тросом, с помощью которого осуществляется погружение. После того, как достигнуто дно, второй размыкатель включают на размыкание, после чего трос выбирают обратно, а станция (корпус с якорем и кухты-лями) остается на дне в рабочем режиме. Для всплытия АДС судно обеспечения подходит к району погружения станции - первый размыкатель включают на размыкание, что приводит к отсоединению корпуса вместе с кухтылями от якоря, после чего станция всплывает. Управление размыкателями осуществляется по гидроакустическому каналу связи. Для облегчения поиска всплывшей АДС предназначен модуль поиска и обнаружения, который состоит из навигационного спутникового приемника и радиомодема, который передает в эфир координаты станции. АДС может погружаться на дно на срок до одного года.

Технические характеристики датчиков МИГГПВС

Параметр Диапазон измерений Начальная точность Стабильность измерений Разрешавшая способность

Электрическая проводимость от 0 до 7 См/м 0,0003 См/м 0,0003 См/м 0,00001 См/м

Температура от -5 до 35°C 0,002°C 0,0002 °С 0,0001°С

Концентрация кислорода 16 мг/дм3 2% от насыщения 0,5% за 1000 часов 0,035% от полного диапазона

Давление 20/100/350/600/1000 /2000/3500/7000 м 0,1% от полного диапазона шкалы 0,05% от полного диапазона шкалы в год 0,002% от полного диапазона шкалы

Концентрация метана от 50 нМ/л до 10 мкМ/л от 1 нМ/л до 500 нМ/л от 20 нМ/л до 1 мкМ/л от 1 мкМ/л до 40 мкМ/л

Для считывания данных и установки режимов работы на корпусе донной станции имеется герморазъ-ем для ее подключения к компьютеру с помощью специального соединительно кабеля. На компьютере, при этом, должно быть установлено специальное программное обеспечение, позволяющее считывать данные и определять режимы работы автономной донной станции.

В принципе, все четыре описанных выше прибора - ГБО, ЛЧМ-профилограф, МЛЭ и МИГГПВС (АДС) -могут работать самостоятельно (независимо друг от друга), однако их совместная работа по согласованным методикам позволяет получить новые измерительные свойства и характеризовать указанную совокупность приборов как единую систему, т.е. ГАСПМГГ. Для объединения перечисленных выше приборов в единую систему предназначена система хранения информации, мониторинга и управления комплексом гидроакустических средств и программное обеспечение.

СХИМиУКГС реализует следующие функции:

- предоставление пользователю интерфейса для контроля и управления комплексом в целом и отдельными программными модулями;

- вычисление координат и точного времени;

- передача данных между комплексом и удаленным сервером с помощью GPRS-Интернета и SMS;

- передача данных между устройствами и базовой системой;

- чтение данных с устройств комплекса, подготовка данных к обработке;

- обработка данных по соответствующим алгоритмам;

- организация архивов по выбранным параметрам; сохранение данных на физическом носителе;

- визуальное отображение данных по выбранным параметрам;

- синхронизация подсистем и единого времени в системе, чтение служебных данных с устройств, отражающих работоспособность комплекса (наличие питания, температура, состояние датчиков, калибровочные

настройки), обработка служебных данных и оповещение оператора в случае сбоя;

- визуализация и анализ структуры донных осадков, рельефа дна озера, гидро-физических и гидрохимических данных толщи водной среды.

Аппаратное обеспечение СХИМиУКГС представляет собой измерительно-вычислительный комплекс на основе платформы N1 РХ1 (рис. 4), представляющей собой промышленный компьютер с коммуникационным модулями, модулями ввода - вывода и т.п. Кроме того, к аппаратному обеспечению относится навигационный комплекс GPS/ГЛОНАСС и метеостанция.

Рис. 4. Внешний вид измерительно-вычислительного комплекса NIPXI

Программное обеспечение СХИМиУКГС реализовано в графической среде NI LabVIEW и состоит из главного модуля модулей: связи с устройством GPS/ГЛОНАСС; мобильной связи и GPRS; связи с

измерительными подсистемами комплекса; сбора данных; обработки данных; организации архивов; сохранения данных; визуального отображения данных; настройки и мониторинга работы комплекса. В целом программное обеспечение позволяет отображать режимы работы отдельных узлов ГАСПМГГ и текущие данные, осуществлять установку рабочих режимов и т.п.

К настоящему времени описанный комплекс пол-

1. Макогон Ю.Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева). 2003. Т. XLVTI, № 3. С. 70-79.

2. Япония начала пробную добычу топлива будущего [Электронный ресурс] // ИТАР-ТАСС. 2013. 11^: http://www.itar-tass.com/c11/620541.html.

ностью изготовлен и проходит испытания. Ввод комплекса в эксплуатацию запланирован на лето 2013 г. Предполагается применение ГАСПМГГ для проведения исследований на оз. Байкал и в других местах.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (ГК № 16.525.11.5013 от 26 октября 2011 г.; ОКР по теме «Разработка и создание гидроакустической системы поиска и мониторинга газовых гидратов»).

>ский список

3. Газогидраты пресноводного «Океана» / Я. Клеркс [и др.] // НАУКА из первых рук. 2004. Т. 2. № 3. С. 82-91.

4. Горчилин В.А., Лебедев Л.И. О признаках газогидратов в осадочной толще Черного моря и возможном типе ловушек углеводородов // Геологический журнал. 1991. № 5.

5. Справочник по гидроакустике // А.П. Евтютов [и др.]. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Судостроение, 1988. 552 с.