Цифровой регистрирующий модуль для подводных исследований

Изобретение относится в целом к геофизическим измерительным системам, а конкретно к сейсмическим технологиям сбора данных и датчикам. Изобретение способно одновременно регистрировать сейсмические и акустические сигналы, реализуя принцип разделения сейсмических волн в зависимости от направления распространения. Техническое решение способно получать, оцифровывать, обрабатывать накапливать или передавать регистрируемых сейсмоакустический массив измерений. Изобретение может применяться как самостоятельный измерительный комплекс, так и в составе донных кос, соединяясь последовательно кабелями в единую измерительную цепь. Изобретение приводит к повышению качества измерительных данных за счет применения уникальной компонентной базы, молекулярно-электронных геофонов в качестве датчиков линейного движения и молекулярно-электронных гидрофонов в качестве датчиков регистрации акустического поля в среде. В том числе изобретение приводит к снижению существующих массогабаритных параметров при сохранении высокого отношения сигнала к шуму устройства. Изобретение может применяться для решения задач сейсморазведки в транзитных зонах и на шельфе, сейсмических и акустических наблюдений акваторий, мониторинга подводной в том обстановки в том числе в арктическом регионе и др. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится в целом к геофизическим измерительным системам, а конкретно к сейсмическим технологиям сбора данных и датчикам. Может применяться для решения задач сейсморазведки в транзитных зонах и на шельфе, сейсмических и акустических наблюдений акваторий, мониторинга подводной в том обстановки в том числе в арктическом регионе и др.

Продукты, при производстве которых используется нефть, широко распространены в современной экономике и могут быть найдены во всех отраслях: от бензина до медицинских приборов, детских игрушек и широкого спектра предметов повседневного обихода. Для удовлетворения постоянного спроса на эти продукты запасы нефти и газа должны быть своевременно разведаны и изучены, с тем чтобы этими важными ресурсами можно было эффективно управлять. Как следствие, существует постоянная потребность в новых сейсмических сенсорных системах и новых технологиях разведки. Ученые и инженеры обычно используют сейсмическую разведку на основе проходящих и отраженных волн для обнаружения новых нефтяных и газовых коллекторов, а также для разведки и управления существующими запасами в процессе разработки месторождений. Сейсморазведка проводится путем размещения упорядоченного массива сейсмических датчиков и акустических датчиков в исследуемом районе и мониторинга отклика на контролируемое воздействие на грунт посредством сейсмических источников, таких как вибраторы или воздушные пушки, или взрывная детонация. Отклик отраженных сигналов зависит от геологии внутренней структуры минеральных коллекторов и других подземных формаций, что позволяет получить изображение соответствующих структур. Обычные морские сейсморазведочные работы проводятся путем буксировки массива сейсмических датчиков или приемников за исследовательским судном, причем приемники распределены вдоль одного или нескольких шлангов. Набор воздушных пушек или других сейсмических источников используется для возбуждения сейсмических волн, которые распространяются через толщу воды, и проникают в дно океана. Частично сигнал отражается от подповерхностных структур, возвращается через толщу воды и регистрируется массивом измерителей. В качестве альтернативы сейсмоприемники могут также располагаться вдоль кабеля на дне водоема или функционировать в виде отдельных автономных сейсмических узлов, распределенных на морском дне. Сейсмические приемники включают в себя как датчики давления, так и детекторы движения, которые могут быть предоставлены в виде отдельных компонентов или объединены вместе с обоими типами датчиков, размещенных в непосредственной близости в модуле приемника или сейсмическом узле. Например, набор датчиков давления может быть сконфигурирован в массив гидрофонов и адаптирован для записи скалярных измерений давления сейсмического волнового поля, распространяющегося через толщу воды или другую сейсмическую среду. Датчики движения включают акселерометры и геофоны, которые могут обеспечивать одноосные или трехмерные векторные измерения скорости или ускорения, характеризующие движение среды в ответ на распространение сейсмических волн. Геофизические данные, относящиеся к подземным структурам, получают путем наблюдения отраженных сейсмических волн с помощью массива таких приемных компонентов. Полученные сейсмические сигналы могут быть использованы для формирования изображения, характеризующего состав и геологию недр в зоне исследования и вокруг нее. Общее качество изображения зависит от чувствительности, собственного шума приемных устройств, что создает спрос на более совершенные датчики и приемные технологии.

Качество получаемых данных в значительной мере зависит от чувствительности используемых датчиков, в частности гидрофонов. Большинство конструкций гидрофонов используют пьезоэлектрический чувствительный элемент. Пьезоэлектрический чувствительный элемент имеет невысокий коэффициент преобразования, сравнительно высокий собственный шум в области низких частот, и ограниченный частотный диапазон.

Указанные недостатки можно преодолеть, если вместо пьезоэлектрического использовать молекулярно-электронный чувствительный элемент. В научной литературе решения, использующие молекулярно-электронные геофоны описаны в работах [1,2], а гидрофоны - в работах [3,4]. В патенте RU 2687297 C1 представлена базовая модель низкочастотной двухкомпонентной донной косы, использующей высокочувствительные молекулярно-электронные геофоны, а также в патенте RU 2678503 представлена структура и принцип действия молекулярно-электронного гидрофона. Недостатком технического решения для молекулярно-электронного гидрофона, представленного в патенте RU 2678503, является сильная зависимость чувствительности от глубины погружения, что не позволяет использовать его в составе донной косы, описанной в RU 2687297 C1 и предназначенной для работы на дне, где типичная рабочая глубина составляет от 10 до 100 метров, а, в некоторых случаях, может достигать 500 метров. Техническое решение для увеличения рабочей глубины предложено в патенте RU 2696060 C1, где в качестве референсного объема вместо газового пузыря предлагается использовать корпус, заполненный легкосжимаемой жидкостью. Такое решение позволяет существенно увеличить рабочую глубину до требуемых 500 метров. Однако, высокая чувствительность гидрофона достигается при условии использования большого объема сжимаемой жидкости ~ 1 литра. Использование такого гидрофона в составе модулей цифровой донной косы значительно увеличивает габариты и вес модулей и делает их использование неудобным.

В патентной базе также содержатся многочисленные свидетельства на изобретения, относящиеся к классу подводных кабельных систем (ocean bottom cable), сейсмоакстических измерительных систем для сейсморазведки, располагающихся на морском дне и объединенных в протяженные сейсмичские косы.

Так, например, в патенте DK 178813 B1, представлена донная кабельная коса, предназначенная для сейсмической разведки дна акватории, состоящая из измерительных модулей, причем эти модули отделены друг от друга отдельными участками напряженных элементов, где каждый участок напряженного элемента имеет акустические развязывающие устройства на каждом конце. При этом каждый сейсмический измерительный узел содержит съемную автономную сенсорную капсулу для зондирования и регистрации сейсмических данных.

Другим примером может служить патент US 10274627 В2, в котором также представлена конфигурация модулей донной сейсмической косы, отличающаяся тем, что каждый модуль имеет в своем составе сейсмические и/или акустические датчики, подвешенные в акустической среде, расположенной между сдвоенным корпусом модуля. При этом модули содержат, аналогово-цифровой преобразователь, внутреннюю память, элементы синхронизации и источник питания.

В то же время достаточно обширно представлен класс изобретений схожий в некоторых сферах применения с предлагаемым техническим решением и представляющий собой класс отдельных автономных сейсмических станций (ocean bottom station).

Так, например, в патенте US 005189642 A представлено устройство для регистрации акустических и сейсмических сигналов на дне океана с минимальными шумами. Сейсмический регистратор непосредственно осуществляет установку измерительных геофонов на дно, имеет устройство накопления данных, хранит сейсмические данные и может быть съемным. Сейсмическая станция оснащена устройством всплытия и якорной системой.

Комплексная донная буксируемая четырехкомпонентная антенная решетка для сбора сейсмических данных представлена в патенте US 6607050 B2 и состоит из четырехканальной электронной секции для сбора сейсмических данных, карданного трехкомпонентного сейсмоприемника и гидрофона в корпусе. Четырех компонентная станция имеет модульную структуры, а сигнал передается по кабелю на центральную станцию. Заявители изобретения заявляют о высоком SNR однако, достижения этого высокого соотношения планируется получать лишь за счет компактного кабельного соединения и небольших габаритов антенны, снижающих наводки при передаче данных.

В качестве прототипа к заявляемому техническому решению по совокупности признаков возьмем изобретение описанное в патенте US 10274627 В2. Среди недостатков прототипа можно выделить в первую очередь слабую чувствительность и высокий собственный шум применяемых измерителей, в то же время прототипу требуется прочный и герметичный корпус для работы при значительных статических давлениях воды, что приводит к значительным массогабаритным параметрам прототипа. В том числе к недостатком прототипа можно отнести ограничение функциональной возможности в качестве отдельного измерительного модуля.

При этом задачей предлагаемого технического решения как раз является применение высокочувствительных и низкошумящих молекулярно-электронных измерителей полей скоростей [5] и акустических давлений [6] для реализации принципа разделения сейсмических волн в зависимости от направления распространения, сбор, оцифровка и передача снятых сейсмоакустических данных об энергия проходящих и отраженных волн, возможное объединение в единую цепь модулей для построения донных кос, возможность работать на глубинах до 500 метров (наиболее интересный диапазон для подводной сейсморазведки), возможность снижения массогабаритных требований и требований по герметичности корпуса.

Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение чувствительности к внешнему акустическому сигналам цифровых регистрирующих модулей донной косы, за счет использования высокочувствительных молекулярно-электронных гидрофонов. При этом габариты и вес устройства, а также рабочая глубина соответствуют модулям, использующим менее чувствительные пьезоэлектрические гидрофоны.

Поставленная задача решается и технический результат изобретения достигается тем, что цифровой регистрирующий модуль, предназначенный для измерения вертикальной компоненты сейсмического поля скоростей на дне водоемов, а также регистрации акустического волнового поля давлений в среде, содержит корпус, состоящий из двух секций, причем в первой секции, заполненной воздухом, расположен, по меньшей мере один молекулярно-электронный геофон, а во второй секции, заполненной легкосжимаемой жидкостью, расположен чувствительный элемент молекулярно-электронного гидрофона, а также электронные платы питания, усиления и частотной коррекции, плата АЦП и плата микроконтроллера, при этом секции изолированы друг от друга проставкой, содержащей герметичные проводные контакты и мембрану, открытую во внешнюю среду. В частных случаях реализации изобретения модуль содержит элемент питания, обеспечивающий независимое энергоснабжение модуля; модуль содержит внутренний накопитель данных в виде внутренней памяти для автономной регистрации сейсмоакустических данных; модуль содержит сетевой адаптер, позволяющий передавать при необходимости регистрируемые датчиком данные на внешние устройства При этом в каждой из двух секций модуля расположен разъем, позволяющий объединять цифровые регистрирующие модули кабельной системой в единую донную косу. При этом часть корпуса модуля, образующая вторую секцию, может быть выполнена из полимерного материала. В качестве легкосжимаемой жидкости использована полиметилсилоксановая жидкость. В первой секции модуля расположены, по меньшей мере два ортогонально ориентированных геофона, на плате микроконтроллера во второй секции расположен двух или трехосный акселерометр, предназначенный для определения ориентации модуля относительно вектора силы тяжести.

Заявленное техническое решение позволяет применить новейшую технологию на основе молекулярной электроники для повышения чувствительности и снижения уровня собственных шумов известных ранее технических решений. Полученное многофункциональное устройство сейсмических наблюдений способное выдерживать статические давления до 50 атмосфер и функционировать самостоятельно или в составе донной косы. Расположение электронного модуля внутри силиконовой жидкости позволит снизить требования по прочности по отношению к внешнему гидростатическому давлению для секции с электроникой, и позволяет решить задачу облегчения и удешевления корпуса устройства, при сохранении всех функциональных возможностей, поскольку давление внутри корпуса с электроникой будет фактически таким же, как и внешнее. Кроме того, поскольку жидкость внутри секции с гидрофоном обладает высокой гидрофобностью, это дополнительно предохраняет электронные компоненты от затекания.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена схема примера реализации изобретения, где: 1 - двухсекционный корпус цифрового регистрирующего модуля, 2 - взаимно-перпендикулярные молекулярно-электронные геофоны в секции при атмосферном давлении, 3 - чувствительный элемент молекулярно-электронного гидрофона, 4 - легкосжимаемая жидкость, заполняющая весь внутренний объем второй секции, 5 - электронные платы питания, усиления и частотной коррекции, АЦП, микроконтроллера и сетевого адаптера, 6 - проходные герметичные разъемы, позволяющие подавать питание, снимать цифровой сигнал с одного или нескольких (до 400) соединенных в цепь цифровых регистрирующих модулей, 7 - герметичные сквозные контакты между секциями.

Фиг. 2 - фотография примера реализации с открытой секцией для молекулярно-электронных геофонов и уже заполненной легкосжимаемой жидкостью секции для электронных плат и молекулярно-электронного гидрофона.

Фиг. 3 - фотография испытательских измерений технических параметров цифрового измерительного модуля под давлением на испытательном стенде.

Фиг. 4 и фиг. 5 - фотографии натурных испытаний цифровых регистрирующих модулей на естественном водоеме.

Фиг. 6 - спектральная плотность мощности собственного шума, используемого в измерительном модуле молекулярно-электронного гидрофона в дБ относительно 1мкПа/√Гц (Синий - собственный шум, Красные - сигналы сенсоров в эксперименте).

Фиг. 7 - спектральная плотность мощности собственного шума, используемых в измерительном модуле молекулярно-электронных геофонов в дБ относительно 1м/сек²/√Гц (Черный - собственный шум, Красный и синий - сигналы сенсоров в эксперименте).

Цифровой регистрирующий модуль, предназначенный для измерения вертикальной компоненты сейсмического поля скоростей на дне водоемов, содержит металлический корпус 1 вытянутой формы, который составляется из двух функциональных секций. В первой секции, заполненной воздухом, расположен, по меньшей мере один молекулярно-электронный геофон 2, а во второй секции, заполненной легкосжимаемой жидкостью, расположен чувствительный элемент молекулярно-электронного гидрофона 3, а также электронные платы 5 питания, усиления и частотной коррекции, плата АЦП и плата микроконтроллера. В частном случае реализации модуля часть корпуса, образующая вторую секцию, выполнена из полимерного материала, например пластика или поликарбоната, а целостность упомянутой секции при действии внешнего гидростатического давления обеспечивается упругими силами, возникающим при изменении объема заполняющей секцию легкосжимаемой жидкости 4. Секции изолированы друг от друга проставкой содержащей, мембрану молекулярно-электронного гидрофона, открытую во внешнюю среду. Вторая мембрана гидрофона обращена внутрь одной из секций. Кроме того, для электрической связи двух секций формируются герметичные проводные контакты между ними, способные выдерживать достаточное для функционирования и работы гидрофона статическое давление. Секция, содержащая чувствительный элемент молекулярно-электронного гидрофона, полностью заполняется легкосжимаемой жидкостью 4 с хорошими гидрофобными свойствами, подобно решению, описанному в RU 2696060 C1, при этом в этой же секции заранее фиксируются и подключаются к выводному разъему 6 секции и проходным контактам все электронные платы 5 цифрового регистрирующего модуля. Секция герметично закрывается, так, чтобы в жидкости не оставалось воздушных пузырей. При этом во второй секции цифрового регистрирующего модуля располагаются взаимно перпендикулярная пара молекулярно-электронных геофонов, подключенная посредством электрических герметичных проходных контактов к электронной плате, размещенной в секции с легкосжимаемой жидкостью, причем пара закрепляется таким образом, чтобы электронные платы секции с жидкостью были сориентированы вдоль одной из осей геофонов. На электронной плате присутствует трехкомпонентный акселерометр MEMS типа, две оси которого получаются соосными геофонам измерительного модуля, третья ось будет определять угол по отношению к вертикали, под которым лег на дно измерительный модуль. Секция с геофонами также содержит герметичный выходной разъем, позволяющий принимать сигнал с последующих цифровых модулей, в случае соединения в донную косу и снабжать их электропитанием. Проходные соединения могут быть реализованы посредством промышленных впаиваемых изоляторов с остеклением проходного вывода.

Схема примера реализации технического решения представлена на фиг. 1. в соответствии с указанной схемой и описанием изобретения собран и пример реализации фиг. 2 и фиг. 3. В качестве заполняющей объем секции с платами жидкости выбран ПМС-5 (полиметилсилоксановая жидкость), имеющая отличные гидрофобные свойства и коэффициент объемной сжимаемости примерно в два раза выше, чем у воды.

В соответствии с описанием изобретения на фиг. 1 обозначены: 1 - двухсекционный корпус цифрового модуля, 2 - взаимно-перпендикулярные молекулярно-электронные геофоны в секции при атмосферном давлении, 3 - молекулярно-электронный гидрофон, 4 - силиконовая жидкости на основе ПМС-5, заполняющая весь внутренний объем второй секции, 5 электронные платы питания, усиления и частотной коррекции, АЦП, микроконтроллера и сетевого адаптера, 6 - проходные герметичные разъемы, позволяющие подавать питание, снимать цифровой сигнал с одного или нескольких (до 400) соединенных в цепь цифровых регистрирующих модулей, 7 - герметичные сквозные контакты между секциями.

Для собранных примеров реализации был проведен необходимый комплекс испытательских тестов, измерительные параметры модуля установлены на следующих значениях:

Молекуряно-электронные геофоны:

- рабочая полоса частот: 1÷300 Гц;

- чувствительность геофона: 250 В/м/сек;

- собственный шум - 100 нм/сек в полосе 1-300 Гц

Молекулярно-электронный гидрофон:

- рабочая полоса частот: 1÷500 Гц;

- чувствительность гидрофона: 300 мкВ/Па;

- рабочее гидростатическое давление: до 50 атм;

- спектральная плотность собственного шума на частоте 10 Гц по отношению к 1 мкПа ≤ 48 дБ.

Цифровая система:

- разрядность АЦП: 24 разряда;

- эффективный динамический диапазон АЦП: ≥123 дБ при f рег=1 кГц и коэф. усиления 1;

- локальная сеть 100 Мбит/сек с ретрансляцией данных - до 400 модулей на косу.

Выполненные натурные испытания измерительного модуля продемонстрировали высокие параметры чувствительности и крайне низкие значения собственных шумов фиг. 6 и фиг. 7.

Источники информации

1. А.С. Шабалина, Д.Л. Зайцев, Е.В. Егоров, И.В. Егоров, А.Н. Антонов, А.С. Бугаев, В.М. Агафонов, В.Г. Криштоп. «Молекулярно-электронные преобразователи в современных измерительных приборах» Успехи современной радиоэлектроники. №9, 2014, стр. 33-42.

2. Egorov, I.V.; Shabalina, A.S.; Agafonov, V.M. Design and self-noise ofMET closed-loop seismic accelerometers. IEEE Sens. J. 2017, 17, 2008-2014.

3. Авдюхина С.Ю., Агафонов B.M., Егоров E.B., Зайцев Д.Л., Рыжков М.А. «УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННОГО ГИДРОФОНА», Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики, Труды XIV Всероссийской конференции. 2018. С. 621-624.

4. Zaitsev, D.L., Avdyukhina, S.Y., Ryzhkov, M.A., Evseev, I., Egorov, E.V., and Agafonov, V. M.: Frequency response and self-noise of the MET hydrophone, J. Sens. Sens. Syst, 7, 443-452, https://doi.org/10.5194/jsss-7-443-2018, 2018.

5. В.М. Агафонов, И.В. Егоров, А.С.Шабалина «Принципы работы и технические характеристики малогабаритного молекулярно-электронного сейсмодатчика с отрицательной обратной связью» Сейсмические приборы. 2013. Т. 49, №1, с. 5-18.

6. Dmitry Zaitsev, Egor Egorov, Maxim Ryzhkov, Grigory Velichko, Prof. Vladimir Gulenko «LOW-FREQUENCY, LOW-NOISE MOLECULAR-ELECTRONIC HYDROPHONE FOR OFFSHORE AND TRANZIT ZONE SEISMIC EXPLORATION», 19th INTERNATIONAL MULTIDISCIPLINARY SCIENTIFIC GEOCONFERENCE & EXPO SGEM 2019, June 28 - July 7. 2019, Albena, Bulgaria Conference proceedings, Volume 19, pp 961-968.

1. Цифровой регистрирующий модуль, предназначенный для измерения вертикальной компоненты сейсмического поля скоростей на дне водоемов, а также регистрации акустического волнового поля давлений в среде, характеризующийся тем, что содержит корпус, состоящий из двух секций, причем в первой секции, заполненной воздухом, расположен, по меньшей мере один молекулярно-электронный геофон, а во второй секции, заполненной легкосжимаемой жидкостью, расположен чувствительный элемент молекулярно-электронного гидрофона, а также электронные платы питания, усиления и частотной коррекции, плата АЦП и плата микроконтроллера, при этом секции изолированы друг от друга проставкой, содержащей герметичные проводные контакты и мембрану, открытую во внешнюю среду.

2. Модуль по п. 1, характеризующийся тем, что содержит элемент питания, обеспечивающий независимое энергоснабжение модуля.

3. Модуль по п. 1, характеризующийся тем, что содержит внутренний накопитель данных в виде внутренней памяти для автономной регистрации сейсмоакустических данных.

4. Модуль по п. 1, характеризующийся тем, что содержит сетевой адаптер, позволяющий передавать при необходимости регистрируемые датчиком данные на внешние устройства.

5. Модуль по п. 1, характеризующийся тем, что в каждой из двух секций расположен разъем, позволяющий объединять цифровые регистрирующие модули кабельной системой в единую донную косу.

6. Модуль по п. 1, характеризующийся тем, что часть корпуса, образующая вторую секцию, выполнена из полимерного материала.

7. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что в качестве легкосжимаемой жидкости использована полиметилсилоксановая жидкость.

8. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что в первой секции расположены, по меньшей мере два ортогонально ориентированных геофона, на плате микроконтроллера во второй секции расположен двух или трехосный акселерометр, предназначенный для определения ориентации модуля относительно вектора силы тяжести.