Способ мобильного поиска месторождений углеводородов и донных объектов, обнаружения признаков зарождения опасных явлений на морском шельфе

Использование: изобретение относится к геофизическим методам исследований морской среды и предназначено для мобильного поиска месторождений нефти и газа, донных объектов различного назначения, дальнего упреждающего обнаружения признаков зарождения опасных морских явлений (разрушительных землетрясений и волн цунами) на морском шельфе. Сущность: способ мобильного поиска месторождений углеводородов, донных объектов, дальнего обнаружения признаков зарождения опасных морских явлений на морском шельфе включает облучение контролируемой морской среды в горизонтальной плоскости низкочастотными просветными, а в вертикальной плоскости зондирующими высокочастотными акустическими сигналами и формирование в области их пересечения рабочей зоны «тройного» нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн низкочастотной и высокочастотной накачки среды и измеряемых информационных волн, излучаемых поисковыми углеводородными залежами при этом, подводный приемный акустический блок формируют из двух горизонтально разнесенных приемников и размещают в центре обследуемого участка акватории, причем в составе излучающего блока используют низкочастотный и высокочастотный акустические излучатели, при этом излучающий блок размещают на подвижном носителе, который при поиске источников информационных волн перемещают по границе обследуемой акватории, с использованием его формируют вертикальную и горизонтальную параметрические антенны, первая из которых расположена в направлении морского дна, а вторая в направлении приемного блока, при этом волны зондирующего высокочастотного сигнала, взаимодействовавшие с измеряемыми информационными сигналами, принимают горизонтально разнесенными приемниками просветных параметрических антенн, усиливают по каждому каналу в полосе частот параметрического преобразования, измеряют сигналы их разности фаз и переносят их временной масштаб в высокочастотную область, выделяют их узкополосные спектры, определяют в них и регистрируют параметрические составляющие нижней и верхней боковых полос, по которым с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки, а также направлений параметрических антенн восстанавливают и фиксируют характеристики измеряемых информационных полей, соответствующие поисковым признакам месторождений углеводородов, например частотного диапазона, интенсивности, пространственно-временной и спектральной структуры, а также определяют и фиксируют направления их максимального проявления. Далее по этим направлениям излучающий блок перемещают в точку расположения приемного блока, затем проходят за него, при этом уточняют местоположения источников информационных сигналов по этой курсовой линии и фиксируют протяженность месторождения вдоль нее, подобным же образом, перемещая подвижный носитель переменными галсами, многократно пересекающим каждую курсовую линию, определяют контур площади месторождения углеводородов, выполняют наблюдение и измерение признаков пространственно-временной динамики их характеристик, по которым осуществляют идентификацию измеряемых информационных волн по их принадлежности к водным гидрофизическим или донным геофизическим. При обнаружении геофизических волн и измерении их спектральных характеристик результаты сравнивают с обобщенными эталонными спектрами и выявляют принадлежность информационных волн к конкретным типам скоплений углеводородов, например газовым, газоконденсатным или залежам с притоком газа, при этом накачку морской среды в вертикальной плоскости дополнительно к акустическим сигналам проводят высокочастотными электромагнитными сигналами, при этом идентификацию и выделение информационных волн на фоне инженерных помех обследуемой акватории осуществляют с учетом известной информации о вероятных характеристиках этих полей на основе информационно-аналитических технологий. Технический результат: обеспечение мобильного поиска залежей углеводородов на морском шельфе с высокой точностью определения площади ее залегания на морском дне, с повышенной надежностью идентификации измеряемых информационных полей. 2 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Изобретение относится к гидроакустическим методам и реализующим их системам поиска углеводородных залежей, а также поиска донных объектов различного назначения и физической природы на мелководных акваториях, предпочтительно на морском шельфе. Оно может быть использовано также при разработке и эксплуатации просветных гидроакустических систем дальнего параметрического приема и комплексного мониторинга характеристик полей различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических), формируемых искусственными и естественными источниками водной среды и морского дна в звуковом, инфразвуковом и дробном диапазонах частот.

Изобретение предназначено для комплексного мониторинга полей и объектов различной физической природы и назначения на акваториях морского шельфа. Оно может быть эффективно реализовано в решении задач: дальнего обнаружения признаков зарождения опасных морских явлений (сильных землетрясений, волн цунами); поиска (затонувших или находящихся в осадках морского дна устройств и пассивных объектов затонувших морских судов, поврежденных газопроводов, кабелей связи); поиска активных донных объектов, излучающих акустические или электромагнитные сигналы (например, стационарных подводных станций, аппаратов, «черных ящиков»).

Проблема дальнего (упреждающего) обнаружения признаков зарождения опасных морских явлений (сильных землетрясений, волн цунами) является актуальной и требует разработки принципиально новых способов и реализующих их средств измерительных систем, например способов и средств, основанных на технологиях нелинейной просветной гидроакустики, что будет реализовано в предлагаемом изобретении. Научно-техническая проблема эффективного мобильного поиска на дне морского шельфа активных и пассивных объектов (например, поиска затонувших морских судов, заиленных газопроводов и морских кабелей связи) также актуальна и трудно разрешима, но может быть решена на основе измерительных технологий нелинейной просветной гидроакустики, что так же реализуется в предлагаемом изобретении. Решение проблемы мобильного поиска залежей углеводородов на морском шельфе может быть эффективно решено одновременно с двумя вышеуказанными, но в отличие от них оно реализуется на основе измерительных технологий нелинейной просветной (низкочастотной) и высокочастотной реверберационной гидроакустики, что является предметом решения предлагаемого изобретения (см. Мироненко М.В., Василенко A.M., Бахарев С.А., Стародубцев П.А., Пятакович В.А. Нелинейная просветная гидроакустика в системах мониторинга гидрофизических и геофизических полей морских акваторий. Владивосток. МО РФ ВУНЦ ВМА им. Н.Г. Кузнецова. - 2013, 324 с.).

В настоящее время проблема эффективного мобильного поиска залежей месторождений углеводородов на морском шельфе приобретает во всем мире все большую остроту. Это связано с ограниченностью разведанных запасов нефти на суше, которых по оценкам специалистов должно хватить примерно на 20-30 лет. В то же время считается, что залежи нефти под морским дном обладают чрезвычайно большими, еще не разведанными мощностями. Это подтверждается растущей долей нефти, добываемой на морском шельфе, составляющей в общем объеме мировой добычи (приблизительно 1/3 в данное время). В настоящее время на шельфе Мирового океана (в основном за рубежом) открыто более чем 1700 месторождений нефти, запасы которых оцениваются в 55 млрд тонн. Россия также обладает большими потенциальными запасами нефти на шельфе северных морей, разработки которых тесно связаны с точностью геохимической разведки их месторождений. От качества и эффективности поиска залежей нефти на морском шельфе во многом зависит общая экономическая эффективность ее добычи, так как сегодня стоимость бурения только одной пробной скважины на морском дне составляет 1-5 млрд рублей. В связи с этим вопрос разработки мобильного и высокоточного метода обнаружения залежей нефти вблизи дна морского шельфа становится все более актуальным, что является предметом разработки предлагаемого изобретения.

Известен способ поиска месторождений углеводородов на морском шельфе, включающий отбор проб морской воды и последующий анализ накопленного материала с определением в них концентрации металлов, характерных для нефтяных месторождений, а именно: ванадия и никеля, а по обнаруженному изменению содержаний определяемых элементов в накопленном материале устанавливают район наличия залежей нефти. При этом признаком проявления месторождения нефти на контролируемой акватории считается не менее чем 3-кратное превышение фоновых содержаний этих элементов при проведении измерений в морской воде (см. RU №2417387 G01V 9/00, 2009). Недостаток рассмотренного решения - высокая трудоемкость поисковых работ, связанная с необходимостью отбора значительного числа проб и их обработки, по этой причине известный метод может использоваться только в условиях предварительного анализа и выделения участков акватории, наиболее перспективных, для исследования и обнаружения залежей углеводородов. Наличие залежей нефти на морском шельфе характеризуется просачиванием в придонные слои воды нефтяных углеводородов и газов. При этом наличие газовых выделений характерно для залежей только газа, тогда как нефтяные углеводороды, вследствие низкой скорости диффузии в морской воде, проявляются почти полным отсутствием растворимости в ней и быстрой деградацией из-за процессов химического и биохимического взаимодействия с компонентами морской воды. При этом они сильно локализованы только вблизи мест просачивания нефти на поверхность морского дна. Это делает рассматриваемый способ неэффективным для эффективного мобильного поиска залежей углеводородов на морском шельфе. Для решения этой задачи необходимы принципиально новые научно-технические решения и их измерительные технологии нелинейной просветной гидроакустики, что реализуется в изобретении.

В последние десятилетия в практике поиска запасов углеводородов на земной поверхности активно разрабатывается и эффективно внедряется способ, основанный на приеме волн сейсмического фона Земли, накапливаемых залежью углеводородов как объемной полостью. Такие поисковые работы активно проводятся в России для поиска углеводородов на поверхности Земли, например, нефтяниками Татарстана (см. Биряльцев Е.В., Рыжов В.А., Шабалин Н.Я. Прием и обработка информации в сложных измерительных системах. - Казань. Изд. Казанский Университет. 2005. - Вып. 22. - С. 113-120). Рассматриваемое техническое решение было использовано в способе поиска углеводородов на морском шельфе (см. Патент RU №2503036, C1 G01V 1/38 от 17.07.2012), который изложен следующей формулой.

Способ поиска месторождений углеводородов на морском шельфе, включающий облучение контролируемой морской среды низкочастотными просветными и высокочастотными акустическими сигналами накачки в ее горизонтальной и вертикальной плоскостях, соответственно и формирование в зоне их пересечения области «тройного» нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн низкочастотной и высокочастотной накачки среды с измеряемыми информационными волнами, излучаемыми поисковыми углеводородными залежами и гидрофизическими волнами среды, для этого подводный приемный акустический блок поисковой системы формируют из двух горизонтально разнесенных в области приема просветных волн двух акустических преобразователей и размещают их в центре обследуемой акватории, а в составе излучающего блока используют низкочастотный и высокочастотный акустические излучатели, и размещают их на подвижном носителе, который перемещают по границе обследуемой акватории и используют их для формирования вертикальной и горизонтальной параметрических антенн, первую из которых направляют в сторону морского дна, а вторую в сторону приемного блока, при этом волны вертикального высокочастотного сигнала накачки контролируемой среды, взаимодействующие с измеряемыми информационными сигналами, принимают горизонтально разнесенными преобразователями просветных параметрических антенн, далее усиливают их в полосе частот параметрического преобразования, измеряют сигналы разности их фаз и преобразуют их частотно-временной масштаб в высокочастотную область, далее выделяют их узкополосные спектры, определяют в них и регистрируют параметрические составляющие нижней и(или) верхней боковых полос спектра, по которым, с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки, а также с учетом направлений параметрических антенн восстанавливают и фиксируют характеристики измеряемых информационных полей, соответствующие поисковым признакам месторождений углеводородов, например частотный диапазон, интенсивность, пространственно-временную и спектральную структуру информационного поля, а также определяют и фиксируют направления их максимального проявления. Далее по этим направлениям излучающий блок перемещают в точку расположения приемного блока, затем проходят за него, при этом уточняют местоположения источников информационных сигналов по этой курсовой линии и определяют протяженность месторождения вдоль нее, подобным же образом, перемещая подвижный носитель по трассам, пересекающим, по меньшей мере, первую курсовую линию, и определяют контур площади месторождения углеводородов на акватории, выполняют наблюдение и измерение признаков пространственно-временной динамики их характеристик, а по ним осуществляют идентификацию волн по их принадлежности к водным гидрофизическим или донным геофизическим, а при обнаружении геофизических волн и измерении их спектральных характеристик полученные результаты сравнивают с обобщенными эталонными спектрами и выявляют принадлежность информационных волн к конкретным типам скоплений углеводородов, например газовым, газоконденсатным или залежам углеводородов с притоком газа, при этом низкочастотные просветные волны накачки среды в горизонтальной плоскости, используемые для создания просветных параметрических антенн, формируют и излучают в диапазоне частот десятки-сотни герц.

Это решение является основой заявляемого изобретения и, в этой связи, используется в качестве прототипа. Основными недостатками этого технического решения, как способа-прототипа, затрудняющими его эффективное использование при мобильном поиске месторождений углеводородов на морском шельфе, донных объектов различного назначения и физической природы, а также дальнего параметрического приема волн, как признаков зарождения опасных морских явлений на морском шельфе, являются пониженная чувствительность и направленность параметрического приема информационных волн, обусловленная использованием только акустических волн накачки среды в вертикальной плоскости контролируемой среды. При этом непосредственно связанная с чувствительностью параметрического приема информационных волн точность определения границ площади залежи на морском дне остается также недостаточной, что обусловлено использованием для вертикального зондирования морского дна только акустических волн накачки и формирования только вертикальной акустической параметрической антенны. Низкая чувствительность и направленность параметрического приема такой антенны не обеспечивает возможность обнаружения на морском дне пассивных и активных объектов различной физической природы. Применение электромагнитных зондирующих волн, как дополнительных, существенно улучшает направленность антенны и эффективность параметрического приема информационных волн, а также точность определения границ площади залежи на морском дне. Это устраняет указанные недостатки, что будет проанализировано и обосновано в дальнейшем описании заявки на изобретение. Другим существенным недостатком способа-прототипа является отсутствие возможности объективной идентификации измеряемых информационных волн, излучаемых углеводородами на фоне аналогичных гидрофизических волн и техногенных помех среды. Этот недостаток может быть устранен за счет применения в способе дополнительной информации (известной информации из банка данных) о вероятных характеристиках гидрофизических и геофизических полей объектов, среды и морского дна на обследуемой акватории. В предлагаемом способе поиска углеводородов эти функции выполняет специально разработанный информационно-аналитический комплекс (ИАК), используемый как дополнительный блок поисковой системы, связанный с трактами излучения и приема сигналов поисковой системы по каналам радиосвязи.

Таким образом, недостатками способа-прототипа являются: низкая чувствительность параметрического приема информационных волн и недостаточная точность определения площади залежи углеводородов, отсутствие возможности обнаружения донных объектов различного назначения, а также дальнего (упреждающего) обнаружения признаков зарождения опасных морских явлений на акватории морского шельфа. Недостатком способа-прототипа является также низкая вероятность идентификации измеряемых информационных волн, излучаемых углеводородами на фоне других волн, например гидрофизических волн объектов среды и морского дна в условиях помех техногенных источников на обследуемой акватории.

Указанные недостатки способа-прототипа исключают за счет дополнительного излучения в направлении морского дна высокочастотных электромагнитных волн накачки среды, а также за счет применения аналитических технологий, обеспечивающих идентификацию геофизических и гидрофизических волн, излучаемых углеводородными залежами, морскими и донными объектами, на фоне помех, излучаемых техногенными источниками обследуемой акватории. Обоснование технологий снижения влияния или полного устранения указанных недостатков является предметом решения изобретения.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в повышении надежности поиска и точности определения площади залежи углеводородов на протяженных акваториях морского шельфа, эффективного параметрического приема волн различной физической природы, формируемых объектами среды и морского дна, обеспечении дальнего обнаружения признаков зарождения опасных морских явлений, а также в повышении надежности идентификации комплексно измеряемых информационных волн на фоне техногенных помех среды.

Для решения поставленной задачи способ мобильного поиска месторождений углеводородов и донных объектов на морском шельфе включает облучение контролируемой среды низкочастотными акустическими сигналами подсветки в горизонтальной плоскости, а также облучение среды высокочастотными акустическими сигналами накачки в вертикальной плоскости и формирование в области их пересечения рабочей зоны «тройного» нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн низкочастотной и высокочастотной накачки среды с измеряемыми информационными волнами, излучаемыми поисковыми углеводородными залежами и(или) гидрофизическими волнами среды, для этого подводный приемный акустический блок поисковой системы формируют из двух горизонтально разнесенных в зоне приема просветных волн двух акустических преобразователей и размещают их в центре обследуемой акватории, а в состав излучающего блока включают низкочастотный и высокочастотный акустические излучатели и размещают их на подвижном носителе, который перемещают по границе обследуемой акватории и используют их для формирования вертикальной и горизонтальной (просветной) параметрических антенн, первую из которых направляют в сторону морского дна, а вторую в направлении приемного блока, при этом низкочастотные просветные и зондирующие высокочастотные волны накачки среды, взаимодействовавшие с измеряемыми информационными волнами, которые принимают горизонтально разнесенными приемниками просветных параметрических антенн, далее в приемном тракте усиливают их по каждому каналу в полосе частот параметрического преобразования, измеряют их разность фаз и переносят временной масштаб в высокочастотную область, выделяют их узкополосные спектры, определяют в них и регистрируют параметрические составляющие нижней и верхней боковых полос, по которым с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки, а также направлений параметрических антенн восстанавливают и фиксируют характеристики измеряемых информационных полей, соответствующие поисковым признакам месторождений углеводородов, например, частотного диапазона, интенсивности, пространственно-временной и спектральной структуры, а также определяют и фиксируют направления их максимального проявления, далее по этим направлениям излучающий блок перемещают в точку расположения приемного блока, затем проходят за него, при этом уточняют местоположения источников информационных сигналов по этой курсовой линии и фиксируют протяженность месторождения вдоль нее, подобным же образом, перемещая подвижный носитель переменными галсами, многократно пересекающим каждую курсовую линию, определяют контур площади месторождения углеводородов, выполняют наблюдение и измерение признаков и пространственно-временной динамики их характеристик, по которым осуществляют идентификацию измеряемых информационных волн на их принадлежность к водным гидрофизическим или донным геофизическим, при обнаружении геофизических волн и фиксации их спектральных характеристик полученные результаты сравнивают с обобщенными эталонными спектрами и выявляют принадлежность информационных волн к конкретным типам скоплений углеводородов, например газовым, газоконденсатным или залежам с притоком газа, при этом низкочастотные просветные волны накачки среды в горизонтальной плоскости, используемые для формирования просветных параметрических антенн, формируют и излучают в диапазоне частот десятки-сотни герц, отличается тем, что высокочастотную накачку контролируемой среды в вертикальной плоскости дополнительно к акустической проводят высокочастотную электромагнитную, при этом идентификацию и выделение информационных волн в приемном тракте системы из совокупности гидрофизических волн среды, донных объектов и техногенных помех осуществляют с учетом информации об их вероятных характеристиках, на основе вычислительных технологий информационно-аналитического комплекса, вход и выход которого по каналам радиосвязи соединяют с выходом и входом приемного и излучающего трактов поисковой системы соответственно, а также проводят оперативное управление (подстройку) ее работой. Кроме того, высокочастотные электромагнитные волны накачки среды в вертикальной плоскости формируют и излучают в диапазоне частот десятки - сотни килогерц. Кроме того, при поиске пассивных (неизлучающих) донных объектов, в приемном тракте системы, принимают и анализируют отраженные от них сигналы накачки среды, излучаемые в вертикальной плоскости среды.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна». Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Отличительные признаки, указывающие на то, что «высокочастотную накачку контролируемой среды в вертикальной плоскости дополнительно к акустической, проводят высокочастотную электромагнитную», обеспечивая повышение эффективности (чувствительности), а также направленности параметрического приема информационных волн в условиях интенсивных техногенных помех, формируемых инженерными объектами.

Отличительные признаки, указывающие на то, что «идентификацию и выделение информационных волн в приемном тракте системы из совокупности гидрофизических волн среды, донных объектов и техногенных помех осуществляют с учетом известной информации об их вероятных характеристиках, на основе вычислительных технологий информационно-аналитического комплекса», обеспечивают повышение надежности поиска залежи углеводородов и их идентификации в совокупности измеряемых информационных волн морских и донных объектов и техногенных помех среды.

Отличительные признаки, указывающие на то, что «вход и выход информационно-аналитического комплекса (ИАК), по каналам радиосвязи соединяют с выходом и входом приемного и излучающего трактов поисковой системы и проводят оперативное управление (подстройку) ее работой» обеспечивают эффективность мобильного поиска залежей углеводородов и надежность идентификации измеряемых информационных волн, формируемых морскими и донными объектами в условиях помех и нестабильности гидрологических характеристик морской среды.

Дополнительные отличительные признаки, указывающие на то, что «высокочастотные (акустические и электромагнитные) волны накачки среды в ее вертикальной плоскости формируют и излучают в диапазоне частот, составляющем десятки - сотни килогерц», обеспечивают повышение направленности и чувствительности формируемой высокочастотной параметрической антенны, обеспечивающей эффективность поиска залежи углеводородов и точность определения границ ее площади.

А так же эффективности обнаружения и определения места морских и донных объектов различного назначения на морском шельфе.

Дополнительные отличительные признаки, указывающие на то, что «при поиске пассивных (неизлучающих) донных объектов в поисковой системе принимают и анализируют отраженные от них высокочастотные сигналы накачки среды, излучаемые в вертикальной плоскости» расширяют измерительные возможности системы при поиске донных объектов различного назначения и физической природы. Это реализуется при поиске затонувших и(или) находящихся в осадках морского дна объектов (затонувших морских судов, поврежденных газопроводов или кабелей связи), а также объектов, излучающих акустические или электромагнитные сигналы (стационарных подводных аппаратов или «черных ящиков»).

Технический результат изобретения выражается в повышении надежности мобильного поиска и точности определения границ площади залежи углеводородов, морских и донных объектов, а также дальнего обнаружения признаков зарождения опасных морских явлений на протяженных акваториях морского шельфа, в повышении эффективности параметрического приема волн различной физической природы, формируемых объектами среды и морского дна, а так же надежности идентификации комплексно измеряемых информационных волн на фоне техногенных помех среды.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 приведена структурная схема измерительной системы мониторинга, реализующая способ дальнего параметрического приема в морской среде и измерения характеристик геофизических и гидрофизических полей источников водной среды и морского дна. На фиг. 2 представлена схема обследования акватории, измерения характеристик информационных полей и определения местоположения и горизонтальной протяженности залежи углеводородов на морском дне. На фиг. 3-5 приведены спектральные характеристики и спектрограммы гидрофизических полей источников морских акваторий, которые построены по измерениям сигналов разности фаз горизонтально разнесенных приемных преобразователей: фиг. 3 - спектр акустических резонансных и гидродинамических полей движущегося морского судна, измеренных параметрическим способом. Частота подсветки среды 400 Гц, протяженность обследуемой акватории 30 км, горизонтальное разнесение приемных элементов донной антенны 200 м; фиг. 4 - спектр электромагнитных излучений морского судна, измеренный параметрическим просветным методом, частота около 390 Гц. Протяженность обследуемой акватории 45 км, горизонтальное разнесение приемных элементов донной антенны 200 м. Спектр представляет результат нелинейного взаимодействия акустических и электромагнитных волн в проводящей морской среде; фиг. 5 - спектр шумового излучения морского судна (вально-лопастного звукоряда). Представлен результат «тройного» нелинейного взаимодействия волн различной физической природы в морской среде. Наблюдаются акустические волны на частоте подсветки среды 386 Гц, электромагнитные волны на частоте 400 Гц и акустические волны вально-лопастного звукоряда морского судна. На фиг. 6-8 приведены обобщенные (используемые как эталонные) спектры геофизических волн морского дна, сформированного углеводородными залежами при различной степени их насыщения газом и нефтью; фиг. 6 - спектр углеводородных залежей (соответствует преимущественно газовым скоплениям); фиг. 7 - спектр углеводородных залежей (соответствует преимущественно газоконденсатным скоплениям); фиг. 8 - спектр углеводородных залежей (соответствует преимущественно залежам с притоком газа). На фиг. 9 приведена спектрограмма шумов крабовых скоплений на дне морского шельфа (параметрические измерения просветной радиогидроакустической системой мониторинга с использованием зондирования морского дна высокочастотными электромагнитными сигналами накачки среды). На фиг. 10 - спектрограмма сейсмического фона на акватории морского шельфа. На фиг. 11 показана спектрограмма сигнала сильного землетрясения в р-не Курильских островов, прием проводился в р-не о. Сахалин (2014 г.). На фиг. 12 приведена запись «волны-убийцы», зарегистрированной на станции мыса Анива о. Сахалин в 2010 г. На фиг. 13 приведена схема расположения технического оборудования измерительного полигона в заливе «Петра Великого» (а) и измеренные спектрограммы тонального сигнала (частота 28,5 Гц), зарегистрированные в параметрическом режиме приема с акустической (б) и электромагнитной накачкой морской среды (в), и линейном режиме работы ГАС (в). Результаты эксперимента наглядно подтверждают повышенную эффективность приема волн с электромагнитной накачкой среды, относительно акустической, а именно - наблюдается повышение уровня и остроты направленности параметрического приема информационных волн. При этом прием информационных волн в линейном режиме проявился отрицательно (см. Мироненко М.В., Василенко A.M., Бахарев С.А. и др. // Нелинейная гидроакустика в системах мониторинга гидрофизических и геофизических полей морских акваторий. Монография: Владивосток. ВУНЦ ВМА ВМФ. 2013, с. 58-90).

Измерительные технологии закономерностей концентрации и последующего излучения углеводородными скоплениями микросейсмических волн Земли заключается в использовании метода акустического «прослушивания». Такой метод подобен медицинскому прослушиванию живого организма, в котором аналогичные волны формируются за счет работы сердца. В углеводородных залежах, как протяженных объемных полостях, такие волны формируются за счет наличия в окружающей земной коре микросейсмических и других аналогичных колебаний. При этом в зависимости от пространственных размеров и плотности залежей углеводородов происходит «объемное» накопление и последующее излучение волн в диапазоне частот доли-единицы-десятки герц. В отдельных случаях обратное излучение накопленной энергии охватывает диапазон частот до 200 Гц. Излучения залежей, как показывает практика, прослушиваются и регистрируются на поверхности земли с использованием специальных ловушек (антенных полусфер), затем измерения передаются для дальнейшей обработки и анализа. В этом случае поверхность Земли работает как рупор, усиливающий шумовые сигналы. Но, как показывает практика, не все что эффективно шумит, является нефтяной залежью, в этом случае необходима специальная идентификация принимаемых шумов, сущность которой используется в заявляемом изобретении. Закономерности формирования и практического использования микросейсмического поля Земли интенсивно исследуются и широко используются в практике поиска углеводородных залежей в морских условиях (например, см. Биряльцев Е.В., Рыжов В.А., Шабалин Н.Я. // Прием и обработка информации в сложных измерительных системах. - Казань. Изд. Казанский Университет. 2005. Вып. 22. - С. 113-120).

Теоретическое обоснование закономерностей нелинейной акустики и их реализация в предлагаемой параметрической системе поиска и измерения характеристик геофизических и гидрофизических волн в морской среде заключаются в следующем. Известно, что характеристики гидрофизических полей морской среды различной физической природы, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на ее параметры (см. Воронин В.Α., Кириченко // И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал «Известия ВУЗов». - Электромеханика, 1995, №4). Это связано с тем, что влияние гидрофизических полей осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости среды. По своей физической сущности заявляемый способ предусматривает изменение плотности и(или) температуры контролируемой водной среды, распределение этих величин в протяженной рабочей зоне параметрического приема (взаимодействия волн различной физической природы), которое является следствием воздействия на морскую среду измеряемыми информационными полями, формируемыми комплексом информационных сигналов, распространяющихся в обследуемой акватории. Очевидно, что и все инфразвуковые волны, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями (например, землетрясениями или цунами) будут надежно зарегистрированы.

Качественная и количественная характеристики процесса взаимодействия упругих (акустических) и электромагнитных волн в проводящих средах заключаются в следующем. При излучении электромагнитной волны в морскую электропроводящую среду происходят ее поглощение и затухание. Одновременно значительно уменьшается ее длина. В зависимости от проводимости морской среды расстояние, на котором затухает электромагнитная волна инфразвуковых частот (от единиц Гц до сотен Гц), может составлять от 10-20 метров до 100-200 метров. При этом «длина» затухающей электромагнитной волны может составлять от 0,1-0,2 до 10-20 метров. Это показано на фиг. 13, где приведены схема расположения оборудования при проведении эксперимента (а) и спектрограммы тонального сигнала (частота 28,5 Гц), зарегистрированные в параметрическом режиме приема с акустической (б) и электромагнитной накачкой морской среды (в), и линейном режиме работы ГАС (в).

Математически процесс распространения электромагнитной волны описывается известным уравнением диффузии, которое выводится на основе теории взаимодействия электромагнитной волны в проводящей жидкости, приблизительно описывающей морскую среду. Теоретическая основа рассматриваемой закономерности заключается в том, что электрические токи, генерируемые электромагнитной волной, переходят в Джоулево тепло. Диссипативные потери на ток проводимости в морской среде преобразовываются в тепловые потери, которые, в свою очередь, изменяют механические характеристики проводящей жидкости (плотность, температуру, теплоемкость и т.д.). При пропускании по такой модулированной в пространстве нелинейной среде акустической волны накачки ее параметры будут модулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения. Спектр упругой (акустической) волны накачки за счет нелинейного преобразования изменяется, в нем формируются высокочастотные и низкочастотные параметрические составляющие. Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с ней в точку приема и затем выделяется в тракте обработки сигналов. Процесс формирования параметрического приема волн просветной гидроакустической линией можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве.

Для вычисления скорости распространения упругой (акустической) волны можно применить известную формулу:

где - коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости; υ - удельный объем.

Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью , можно получить следующее выражение для фазовой скорости:

Очевидно, что качественно любые изменения плотности среды ρ и давления Р при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой в морской среде, проводящей электрический ток. То есть, в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, в последних уравнениях фазовая скорость упругой волны изменяется во времени и пространстве по закону изменения электромагнитной волны. Таким образом, если в рабочей зоне просветной параметрической системы распространяется электромагнитная волна гармонической частоты Ω_эм, то фазовая скорость упругой (просветной акустической) волны C_(t) также будет меняться с той же частотой Ω_зв=Q_эм. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя инженерные модели реализации способа. Теоретическими и морскими экспериментальными исследованиями обоснованы закономерность и эффективность, так называемого, «тройного» взаимодействия акустических просветных волн с акустическими и электромагнитными полями источников морской среды. Показано, что морские источники, например, сейсмические возмущения морского дна, могут быть обнаружены по признакам преобразования их упругими и электромагнитными полями распространяющихся в среде просветных акустических волн. Аналитический вид такого преобразования представляется в следующем виде (см. Шостак С.В., Мироненко M.B. Амплитудно-фазовая модуляция просветных акустических волн при их взаимодействии с электромагнитными в морской среде // Владивосток. ТОВМИ им. С.О. Макарова. Сб. статей, вып. 22, 2001, с. 82-88)

где - результирующее (модулированное) и мгновенное значения просветной акустической волны; ω₁, ω₂ - круговая частота акустической просветной и электромагнитной объектных волн; Ω - низкочастотная акустическая волна от объекта; φ - начальная фаза просветной волны; t - текущее время; J_n - функции Бесселя n-го порядка; A₀, A_m - амплитуды исходной и модулированных волн; m - коэффициент модуляции.

Анализ этого выражения показывает, что спектр колебаний взаимодействующих волн состоит из бесконечного числа составляющих, расположенных симметрично относительно удвоенной центральной частоты 2ω (равной ω₁+ω₂), значения частот которых отличаются от 2ω на n·Ω, где n - любое целое число. Амплитуды n-х боковых составляющих будут определяться выражением . Из него следует, что вклад различных боковых составляющих в суммарную мощность модулированного колебания определяется величиной 2A_m/Р. Причем при малых значениях коэффициента модуляции m_p спектр колебания состоит приближенно из гармоник центральной частоты 2ω (суммарной) и двух боковых частот: верхней (2ω+Ω) и нижней (2ω-Ω).

В случае совместного применения в системах мониторинга методов низкочастотной просветной и высокочастотной (реверберационной) гидролокации (см. фиг. 1), высокочастотные волны накачки среды, излучаемые в направлении морского дна, отражаясь от его поверхности, распространяются совместно с измеряемыми информационными и нелинейно взаимодействуют в среде. Далее при пересечении с низкочастотной просветной параметрической антенной они получают дополнительное (тройное) нелинейное взаимодействие и параметрическое преобразование. Большой объем и протяженность рабочей зоны общего взаимодействия волн в этом случае обеспечивают повышенный эффект параметрического приема, а также его направленность в широком низкочастотном диапазоне. Закономерности формирования и практические пути реализации параметрической системы как реверберационной также достаточно проработаны и изложены в публикациях и монографии (см. Мироненко М.В., Василенко A.M., Бахарев С.А. и др. // Нелинейная гидроакустика в системах мониторинга гидрофизических и геофизических полей морских акваторий. Монография: Владивосток. ВУНЦ ВМА ВМФ. 2013, с. 58-90).

Структурная схема поисковой параметрической системы измерения характеристик информационных геофизических и гидрофизических полей на протяженных акваториях морского шельфа показана на фиг. 1. Система включает тракт формирования низкочастотных просветных сигналов и высокочастотных сигналов накачки среды 1, соединенный с подводными излучателями просветных сигналов низкочастотной накачки среды в горизонтальной плоскости 2 и сигналов высокочастотной накачки среды в направлении морского дна 3. При этом блок излучения высокочастотных сигналов 3 включает акустический преобразователь 3а и излучатель электромагнитных волн 3б. Измерительная система мониторинга полей среды включает также тракт приема, выделения и регистрации информационных волн 13, входы которого соединены с подводными акустическими приемными блоками 5 и 6.

Тракт формирования и усиления сигналов подсветки среды в горизонтальной плоскости и накачки среды в направлении морского дна 1 представляет двухканальную электронную схему, содержащую последовательно соединенные: генераторы стабилизированной частоты 7 и 10; усилители мощности 8 и 11; блоки согласования их выходов с усилителями мощности 12 и 9, соединенные с подводными кабелями и далее с излучающими блоками 2 и 3. При этом усилитель мощности высокочастотных сигналов накачки среды в вертикальной плоскости 12 включает блок переключения 12а, соединенный с блоком согласования его выхода с подводным кабелем для акустических сигналов накачки 12б, а так же с блоком согласования его выхода с подводным кабелем для электромагнитных сигналов накачки 12в (см. фиг. 1).

Приемный тракт поисковой измерительной системы 13 (фиг. 1) представляет собой электронную систему, включающую последовательно соединенные двухканальный широкополосный усилитель 14, входы которого посредством подводных кабелей соединены с приемными преобразователями горизонтальных просветных антенн 5 и 6, а его выходы с блоком измерения разности фаз 15, выход которого соединен с преобразователем временного масштаба просветных сигналов в высокочастотную область 16, далее с узкополосным анализатором спектров 17, выход которого соединен с входом радиоблока 19, обеспечивающим передачу измеряемых геофизических и гидрофизических волн в информационно-аналитический комплекс (ИАК) 20, выход анализатора спектров 17 соединен также с рекордером или иным носителем выделяемых спектров информационных волн 18. При этом ИАК 20 включает блок анализа многофункциональной информации, вход и выход которого через приемный 21 и передающий 23 радиоблоки соединены с приемным трактом 13 (через радиоблок 19), а также с излучающим трактом 1 (через приемный радиоблок 24), соответственно и далее с блоками генерации сигналов стабилизированной частоты 7 и 10. Кроме того, на (фиг. 1) показаны источник формирования гидрофизических волн 4, источник формирования геофизических волн земной коры (залежи углеводородов) 25, донные объекты 26 (пассивный 26а и активный 26б), морская поверхность 30, зона «тройного» нелинейного взаимодействия волн различной физической природы, приходящих от источников их формирования (морских, донных и земной коры) 28, а также волн, сформированных углеводородными скоплениями 25. Кроме того, на фиг. 1, 2 показаны: просветные параметрические антенны, как области нелинейного взаимодействия волн накачки среды и измеряемых информационных 27; источники излучения водных и донных информационных волн 4 и 25; расположенный на судне-носителе блок излучателей низкочастотной накачки 2, а также источники дополнительного высокочастотного излучения (накачки) среды акустическими и электромагнитными сигналами 3а и 3б в направлении морского дна 29; характеристика направленности высокочастотного излучения сигналов накачки в направлении морского дна 31; судно-носитель блока излучателей 32 и обследуемая акватория 33.

Заявленный способ реализуется следующим образом. Излучатели высокочастотной накачки среды в направлении морского дна 3а и 3б и горизонтальной накачки (подсветки) среды 2, а также приемные блоки 5 и 6 размещают (заглубляют и устанавливают) по отношению к источникам информационных волн обследуемой акватории так, чтобы наиболее эффективно формировались и использовались области их нелинейного взаимодействия. Процесс поиска и обнаружения информационных волн начинается с перемещения сформированных просветных параметрических антенн по площади обследуемой акватории («вращения» относительно местоположения приемных блоков, как центра 5, 6). При обнаружении признаков информационных волн судно-носитель излучающего блока перемещают в сторону сближения, а затем на удаление от приемных преобразователей (центра акватории) и уточняют места расположения и протяженности источников информационных волн. В обнаруженных местах определяют их координаты. Путем отклонения судна-носителя излучателей от прямолинейного курса излучатели перемещают вбок от первоначально пройденной линии (например, перемещают по змейке) и определяют ширину залежи углеводородов и(или) места расположения донных объектов. При этом производят наблюдения и измерения пространственно-временных характеристик и динамики измеряемых информационных волн. Далее судно-носитель излучающего блока возвращают в исходную точку периметра контролируемой акватории, из которой процесс обнаружения и поиска источников информационных волн продолжается (повторяется) по всему периметру обследуемой акватории.

Технологии измерения гидрофизических и геофизических волн просветным параметрическим способом в поисковой системе реализуются следующим образом. Воздействие источников информационных гидрофизических и геофизических волн 4, 25 и 26 приводит к изменению механистических характеристик морской среды (плотности и температуры, которые модулируют сигналы накачки). При пропускании по такой модулированной в пространстве нелинейной упругой среде акустической волны накачки ее параметры будут модулированы за счет изменения фазовой скорости по трассе распространения. Возникающие в результате нелинейного взаимодействия волн гармоники проявляются как модуляционные составляющие амплитуды и фазы низкочастотных волн накачки. Модуляционные составляющие низкочастотной просветной волны переносятся на большие расстояния и затем выделяются и регистрируются в блоках приемного тракта поисковой системы 13.

Технологии обнаружения гидрофизических волн различной физической природы формируемых активными (излучающими) донными объектами 26б различной физической природы выполняются аналогично рассмотренным выше технологиям для углеводородов. При поиске пассивных (неизлучающих) донных объектов 26а принимаются и анализируются от них высокочастотные волны накачки среды, как зондирующие сигналы, излучаемые в вертикальной плоскости среды.

Усиление нелинейного взаимодействия геофизических волн источников морского дна, повышение эффективности дальнего приема и последующей идентификации измеряемых волн и определение их местоположения на морском шельфе обеспечиваются за счет дополнительного направленного облучения морского дна электромагнитными сигналами, что обеспечивает «тройное» нелинейное взаимодействие волн (просветных в направлении трассы, высокочастотных в направлении дна и информационных). Выбор и применение акустической или электромагнитной накачки среды в направлении морского дна определяются особенностями их распространения в проводящей морской среде, а именно акустические волны как слабо затухающие при распространении в среде применяются первыми. Электромагнитные волны как интенсивно затухающие в проводящей морской среде способны распространяться до глубин порядка 500-1000 метров, но сформированная ими параметрическая антенна обеспечивает более интенсивное и более направленное взаимодействие с измеряемыми информационными волнами. В этой связи электромагнитную накачку среды используют, после акустической, как дополнительную для уточнения границ площади залегания залежи углеводородов на морском дне и на малых глубинах шельфа (в пределах около 500 метров).

Повышенный эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн при их совместном распространении в морской среде достигается за счет использования соизмеримой с протяженностью среды пространственной рабочей зоны (протяженного объема) взаимодействия волн, а также дополнительного облучения среды в направлении морского дна. Применение в тракте приема и обработки операций преобразования (переноса) частотно-временного масштаба волн накачки в высокочастотную область обеспечивает эффективное выделение волн инфразвукового и дробного диапазонов частот существующими методами и средствами узкополосного спектрального анализа и их последующей регистрации. Использование в способе вычислительных технологий информационно-аналитического комплекса обеспечивает возможность надежной идентификации измеряемых информационных волн как геофизических (углеводородных) или гидрофизических, формируемых морскими и донными объектами и средой в общем для всех диапазоне частот, в котором, как правило, присутствуют интенсивные инженерные помехи. Кроме того, применение в способе ИАК обеспечивает возможность оперативного управления (подстройки) работой поисковой системы в процессе поиска и мониторинга информационных волн.

Ниже приведены результаты реализации заявленного способа (результаты наблюдений и измерений шумового излучения углеводородных залежей), полученные в реальных условиях, которые могут использоваться как признаки проявления сейсмического поля месторождений углеводородов на акваториях морского шельфа (фиг. 6-8).

Газовая залежь (фиг. 6) характеризуется следующими признаками. На спектрограмме наблюдаются сплошные и дискретные шумы с уровнями их превышений над фоном 10% и 45%, соответственно. Дискретный ряд представляет собой несимметричный колокол, состоящий из трех двойных и двух (более широких) одиночных составляющих, расположенных в интервале частот около 3,4-4,2 Гц, а его максимума на частоте 3,8 Гц.

Газоконденсатная залежь (фиг. 7). Мощность шума углеводородов в диапазоне частот от 1,8 до 4,8 Гц, приведенная к фону, которая примерно на 5% превышает мощность фона. При этом в диапазоне частот от 2,0 до 3,4 Гц над сплошным шумом наблюдается «лежащая на спине буква Е», у которой две широкие (по 0,2 Гц) дискретные составляющие, в пределах 25% превышающие сплошной шум и на 30% превышающие фон. Центральная линия, как двойная дискретная составляющая, примерно на 15% превышает сплошной шум и на 20% превышает фон. В диапазоне частот от 3,5 Гц до 5 Гц регистрируется «изрезанный меандр» (серия из трех разрезанных прямоугольников), в которых уровень «меандра» превышает сплошной шум примерно на 15% и на 20% - фон.

Залежь с притоком газа (фиг. 8). Мощность шума углеводородов в диапазоне частот от 1,0 Гц до 7,0 Гц, приведенная к фону, которая примерно на 10-20% превышает фоновый уровень. При этом в диапазоне частот от 2.0 до 5,5 Гц регистрируется равносторонний «треугольник» с вершиной (максимумом спектральной плотности) на частоте около 4,0 Гц, который превышает уровень фона примерно на 40%.

Таким образом, техническими решениями заявляемого способа дальнего параметрического приема, определения пространственно-временной амплитудно-фазовой структуры геофизических и гидрофизических полей звукового, инфразвукового и дробного диапазонов частот, реализованы практические пути построения и эксплуатации мобильной радиогидроакустической поисковой системы. Протяженность поисковой системы (большой масштаб дальности параметрического приема волн) обеспечивается озвучиванием (накачкой) среды слабозатухающими низкочастотными просветными акустическими сигналами в диапазоне десятки-сотни герц. Обеспечение в заявляемом способе дальнего обнаружения и определения местоположения источников излучения геофизических и гидрофизических волн достигается за счет совместной реализации закономерностей и измерительных технологий низкочастотной просветной и высокочастотной гидролокации, что обосновано теоретически и подтверждено многолетними морскими испытаниями на акваториях Дальневосточных морей.

Обнаружение и идентификация информационных волн, а также их принадлежность к углеводородным залежам производятся на основе обобщенных спектральных характеристик и их пространственно-временной динамики, которые получают в местах действующих нефтедобывающих скважин. Выделение и идентификации информационных волн, включая геофизические углеводородные, а также гидрофизические, формируемые морскими и донными объектами, выполняются на основе аналитических технологий, включающих использование информации о вероятных характеристиках гидрофизических и геофизических полей обследуемых акваторий. Дальнее упреждающее обнаружение признаков зарождения опасных морских явлений (сильных разрушительных землетрясений и волн цунами) реализуется технологиями нелинейной просветной гидроакустики, включая фазовый прием и последующую обработку просветных волн, а также их частотно-временное преобразование в высокочастотную область, обеспечивающих эффективный параметрический прием полей сейсмического диапазона частот.

1. Способ мобильного поиска месторождений углеводородов и донных объектов на морском шельфе, заключающийся в облучении контролируемой среды низкочастотными акустическими сигналами накачки среды в горизонтальной плоскости, а также в облучении среды высокочастотными акустическими сигналами накачки среды в вертикальной плоскости и формирование в области их пересечения рабочей зоны «тройного» нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн низкочастотной и высокочастотной накачки среды с измеряемыми информационными волнами, для этого приемный акустический блок формируют из двух горизонтально разнесенных преобразователей и размещают их в центре обследуемого участка акватории, в излучающем блоке используют низкочастотный и высокочастотный акустические преобразователи, при этом излучающий блок размещают на подвижном носителе, где формируют вертикальную и горизонтальную параметрические антенны, при этом первая расположена в направлении морского дна, а вторая в направлении приемного блока, и перемещают их по границе обследуемой акватории, при этом волны низкочастотной и высокочастотной накачки, взаимодействовавшие с измеряемыми информационными сигналами, принимают горизонтально разнесенными приемниками просветных параметрических антенн, усиливают по каждому каналу в полосе частот параметрического преобразования, измеряют сигналы разности их фаз и переносят их частотно-временной масштаб в высокочастотную область, выделяют их узкополосные спектры, определяют в них и регистрируют параметрические составляющие нижней и верхней боковых полос, по которым с учетом параметрического и частотно-временного преобразования волн накачки среды, а также направлений параметрических антенн восстанавливают и фиксируют характеристики измеряемых информационных полей, соответствующие поисковым признакам месторождений углеводородов, например, частотного диапазона, интенсивности, пространственно-временной и спектральной структуры, а также определяют и фиксируют направления их максимального проявления, далее по этим направлениям излучающий блок перемещают в точку расположения приемного блока, затем проходят за него, при этом уточняют местоположения источников информационных сигналов по этой курсовой линии и фиксируют протяженность месторождения вдоль нее, подобным же образом, перемещая подвижный носитель переменными галсами, многократно пересекающим каждую курсовую линию, определяют контур площади месторождения углеводородов, выполняют наблюдение и измерение признаков пространственно-временной динамики их характеристик, а по ним осуществляют идентификацию измеряемых информационных волн на их принадлежность к водным гидрофизическим, или донным геофизическим, при обнаружении геофизических волн и фиксации их спектральных характеристик полученные результаты сравнивают с обобщенными эталонными спектрами и выявляют принадлежность информационных волн к конкретным типам скоплений углеводородов, например газовым, газоконденсатным или залежам с притоком газа, при этом низкочастотные просветные волны накачки среды в горизонтальной плоскости, используемые для формирования просветных параметрических антенн, формируют и излучают в диапазоне частот десятки-сотни герц, отличающийся тем, что накачку морской среды в вертикальной плоскости дополнительно к акустическим сигналам проводят высокочастотными электромагнитными сигналами, при этом идентификацию и выделение информационных геофизических волн на фоне гидрофизических волн и инженерных помех среды проводят с учетом известной информации об их вероятных характеристиках, что осуществляют на основе вычислительных информационно-аналитических технологий.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высокочастотные волны накачки среды в вертикальной плоскости формируют и излучают в диапазоне частот десятки-сотни килогерц.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при поиске пассивных (неизлучающих) донных объектов в системе мониторинга принимают и анализируют отраженные от них сигналы накачки среды, излучаемые в вертикальной плоскости среды.