Заякоренная профилирующая подводная обсерватория - RU2617525C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области геофизики, а более конкретно к устройствам измерения геофизических и гидрофизических параметров в придонной зоне морей и океанов, и может быть использовано при оперативной оценке сейсмического и гидродинамического состояния районов и прогноза возможных сейсмических и экологических последствий катастрофических явлений природного и техногенного характера, а более конкретно для автоматического телеуправляемого мониторинга вод шельфово-склоновой зоны моря в режиме реального времени.

Известны автономные донные станции (RU №2270464 [1], RU №2276388 [2], RU №2294000 [3], Башилов И.П. и др. Донные геофизические обсерватории: методы конструирования и области применения / Научное приборостроение, 2008, т. 18, №2, с. 93-95 [4], RU №2009116092 А, 20.11.2010 [5], Подводная геофизическая обсерватория / ОКБ ОТ РАН / 2-я Международная специализированная выставка «SIMEXPO - Научное приборостроение». – М., 13.10.2008 [6], RU №2331876 С2, 20.08.2008 [7]).

Так, например, известные донные станции [1, 2, 3] представляют собой цилиндрические или шарообразные корпусы, снабженные балластом для установки их на грунт, внутри и на корпусе которых установлены измерительные датчики и средства обработки первичной информации. В качестве измерительных датчиков используются, как правило, гидрофоны и геофоны. Зарегистрированная датчиками информация хранится на флеш-памяти донной станции, которая после подъема донных станций обрабатывается с помощью комплекса судовой аппаратуры или считывается по каналам гидроакустической связи. Известные донные станции предназначены в основном для регистрации сейсмических сигналов в морских акваториях. Так, устройство [3] представляет собой морскую автономную донную сейсмическую станцию, устанавливаемую на морское дно преимущественно с плавучих средств. Станция включает герметичный корпус, состоящий из двух полусфер, снабженных в месте сочленения уплотнительным кольцом. Внутри размещена геофизическая аппаратура, включающая измерительные датчики геофонного и гидрофонного типов, модули приема, регистрации, преобразования и хранения зарегистрированных сигналов, блоки сопряжения с бортовым модулем после всплытия и подъема устройства на борт, спутниковый и гидроакустический каналы связи, блок ориентации, блок синхронизации, блок управления размыкателем и блок питания. На внешней поверхности корпуса установлены гидроакустическая и спутниковая антенны, средства для поиска донной станции при всплытии, такелажные элементы и разъемы, устройство постановки на дно и обеспечения всплытия донной станции, выполненное в виде якоря-балласта. Технический результат - повышение точности измерений, снижение трудоемкости и изготовления донной станции, упрощение процессов ее постановки на дно и возвращения на борт после окончания работы.

Недостатком известных автономных донных станций является то, что они предназначены для регистрации только сигналов сейсмической природы. В то же время автономные донные станции могут применяться и при решении таких задач, как изучение строения земной коры, исследование совокупности проявления геофизических полей и тектонических разломов непосредственно на дне океана, геофизический мониторинг сложных гидротехнических сооружений.

Известны также подводные обсерватории (патент ЕР №0519031 [8], патент NO №911639 [9], патент ЕР №0516662 [10], кн.: Средства и методы океанологических исследований. Смирнов Г.В., Еремеев В.Н., Агеев М.Д. и др. – М., Наука, 2005 [11], патент AU №2002100749, 04.09.2002 [12]), которые включают донный сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, средства первичной обработки и хранения информации, средства связи с комплексом судовой аппаратуры, установленные на платформе, что позволяет регистрировать более полный спектр геофизических и гидрофизических параметров и, как следствие этого, расширить функциональные возможности донных станций.

Недостатком известных подводных обсерваторий является то, что состав их измерительных средств не позволяет решить задачу, связанную с комплексным исследованием параметров морской среды в придонной зоне, включая тектонические процессы, происходящие под морским дном, а также задачу геофизического мониторинга сложных гидротехнических сооружений.

Выявленных недостатков лишено устройство, представляющее собой подводную обсерваторию (патент RU №2348950 [13]), состоящую из герметичного корпуса, установленного на раме, и содержащую средства регистрации геофизических сигналов, включающие донный сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, блок оптических измерений, средства хранения информации, средства связи с диспетчерской станцией, датчик пространственной ориентации, радиобуй, балласт, размыкатель балласта, дополнительно введены блок гидрохимических измерений, спектроанализатор, сейсмоакустический блок, блок гидроакустического телеуправления, блок контроля радиоактивного загрязнения, блок регистрации и управления, модем кабельной линии связи, в котором блок гидрохимических измерений своими входами соединен с выходами блока контроля радиоактивного загрязнения, спектроанализатора, а своим выходом соединен с входом блока регистрации и управления, который другими выходами соединен с выходами донного сейсмометра, гидрофизического модуля, датчика магнитного поля, блока оптических измерений, модемом кабельной линии связи, а входом-выходом соединен с входом-выходом блока гидроакустического телеуправления. Отличительные признаки по сравнению с известными устройствами [1-12] заключаются в том, что в известное устройство дополнительно введены блок гидрохимических измерений, спектроанализатор, сейсмоакустических блок, блок гидроакустического телеуправления, блок контроля радиоактивного загрязнения, блок регистрации и управления, модем кабельной линии связи, в котором блок гидрохимических измерений своими входами соединен с выходами блока контроля радиоактивного загрязнения, спектроанализатора, а своим выходом соединен с входом блока регистрации и управления, который другими выходами соединен с выходами донного сейсмометра, гидрофизического модуля, датчика магнитного поля, блока оптических измерений, модемом кабельной линии связи, а входом-выходом соединен с входом-выходом блока гидроакустического телеуправления, позволяют решить техническую задачу не только оперативной оценки сейсмического состояния исследуемых районов, но и задачу оперативной оценки гидродинамического состояния на границе вода-грунт, обусловленных изменением окружающей среды под воздействием процессов природного и техногенного характера.

Однако состав измерительных средств данного устройства не позволяет выполнить анализ на содержание метана в водной среде в зонах размещения нефтегазовых трубопроводов при наличии утечек, а также определение координат газового образования. Кроме того, при использовании сейсмических датчиков электромеханического типа возможны нарушения в их работе при наличии ударов при постановке геофизической обсерватории на грунт, а также при отклонении положения сейсмических датчиков от вертикали на угол, больший максимально допустимого. Также ввиду небольшой собственной плавучести и небольшого внутреннего пространства сферы на обсерваторию невозможно установить блоки автономного питания большой емкости и, как следствие, невозможно увеличить срок автономной работы устройства без потери способности самостоятельного всплытия на водную поверхность.

В то же время посредством данных устройств, при их усовершенствовании, возможно решение следующих фундаментальных задач, заключающихся в изучении строения земной коры в акваториях мирового океана: исследование совокупности проявления геофизических полей в зонах тектонических разломов непосредственно на дне океана, исследование состояния морской среды в придонной зоне и ее взаимодействие с тектоническими процессами, геофизический мониторинг сложных гидротехнических сооружений, оперативная оценка сейсмического и гидродинамического состояния районов и прогноза возможных сейсмических и экологических последствий.

Известное устройство (заявка RU №2009116092 [5]) представляет собой подводную обсерваторию, состоящую из герметичного прочного корпуса, установленного на несущей раме, и содержащую средства регистрации геофизических и гидрофизических данных, включающие сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, средства связи с комплексом судовой аппаратуры, радиобуй, балласт, размыкатель балласта, блок гидрохимических измерений, блок гидроакустического телеуправления, блок регистрации и управления, в котором блок гидрохимических измерений своим выходом соединен с входом блока регистрации и управления, который другими входами соединен с выходами сейсмометра, гидрофизического модуля, датчика магнитного поля, а входом-выходом соединен с входом-выходом блока гидроакустического телеуправления, в которую дополнительно введены датчик обнаружения метана, соединенный своим выходом с блоком регистрации и управления, донный датчик давления, соединенный своим выходом с блоком регистрации и управления, датчик пространственной ориентации, соединенный своим входом-выходом с входом-выходом блока регистрации и управления; сейсмометр состоит из сейсмического модуля и сейсмоакустического модуля. При этом известная подводная обсерватория сочленена с судовым комплексом и устройством типа Data-буй, которые используются для обеспечения функционирования подводной обсерватории по прямому назначению. Кроме того, герметичный прочный корпус, установленный на несущей раме, имеет сферическую форму и выполнен из титана с отношением запаса плавучести к полной массе подводной обсерватории 1:1,35, несущая рама снабжена анкерным устройством, на выносной штанге которого установлен сейсмический модуль. Благодаря новым отличительным признакам, заключающимся в том, что: введены датчик обнаружения метана, соединенный своим выходом с блоком регистрации и управления, датчик пространственной ориентации, соединенный своим входом-выходом с входом-выходом блока регистрации и управления; сейсмометр состоит из сейсмического модуля и сейсмоакустического модуля; герметичный корпус сферической формы, установленный на несущей раме, выполнен из титана с отношением запаса плавучести к полной массе подводной обсерватории 1:1,35; а несущая рама снабжена анкерным устройством, на выносной штанге которого установлен сейсмический модуль, обеспечивается возможность выполнить анализ на содержание в водной среде метана за счет ввода в состав измерительных средств датчика метана. Ввод в состав измерительных средств донного датчика давления, соединенного своим выходом с блоком регистрации и управления, позволяет с высокой точностью регистрировать изменение уровня моря и тем самым определять приближение и фиксировать прохождение волны цунами. Выполнение сейсмометра из двух модулей расширяет функциональные возможности устройства и повышает надежность проводимых исследований. Выполнение герметичного прочного корпуса из титана с отношением плавучести к полной массе подводной обсерватории 1:1,35 обеспечивает большую положительную плавучесть обсерватории и возможность установки элементов электрического питания повышенной емкости, обеспечение глубоководных исследований. Снабжение несущей рамы анкерным устройством, на выносной штанге которого установлен сейсмический модуль, позволяет регистрировать сейсмические сигналы на границе раздела вода-грунт.

Однако при использовании данной подводной обсерватории имеется ряд проблем, связанных с влиянием придонных течений на аппаратные шумы, сцеплением ее с мягким дном, микросейсмическими шумами, генерируемыми гравитационными волнами, особенностями распространения сейсмических сигналов в коре океанического типа и др. Например, придонные течения, особенно с рельефом дна в виде крутых склонов подводных гор, являются не коррелированными с направлением и скоростью ветра, что не позволяет из результатов наблюдений исключать данные помехи. При этом квазигармонические помехи могут возникать на частотах 1,3 Гц, 3 Гц и 6 Гц и занимать до 40% всего времени регистрации. Причем амплитуды этих помех неустойчивы и могут меняться примерно на 35 дБ.

Известна также подводная обсерватория (патент RU №2468395 С1, 27.11.2012 [14]), которая сочленена с судовым комплексом и устройством типа "Data"-буй и состоит из герметичного прочного корпуса, установленного на несущей раме, и содержит средства регистрации геофизических и гидрофизических данных, включающие сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, средства связи с комплексом судовой аппаратуры, радиобуй, балласт, размыкатель балласта, блок гидрохимических измерений, блок гидроакустического телеуправления, блок регистрации и управления, в котором блок гидрохимических измерений своим выходом соединен с входом блока регистрации и управления, который другими входами соединен с выходами сейсмометра, гидрофизического модуля, датчика магнитного поля, а входом-выходом соединен с входом-выходом блока гидроакустического телеуправления, дополнительно содержащая датчик обнаружения метана, соединенный своим выходом с блоком регистрации и управления, донный датчик давления, соединенный своим выходом с блоком регистрации и управления, датчик пространственной ориентации, соединенный своим входом-выходом с входом-выходом блока регистрации и управления; сейсмометр состоит из сейсмического модуля и сейсмоакустического модуля, при этом герметичный прочный корпус, установленный на несущей раме, имеет сферическую форму и выполнен из титана с отношением запаса плавучести к полной массе подводной обсерватории 1:1,35, несущая рама снабжена анкерным устройством, на выносной штанге которого установлен сейсмический модуль, и отличается тем, что на несущей раме и в корпусе устройства типа "Data''-буй размещены датчики ядерно-магнитного резонанса, соединенные своими выходами с входом блока регистрации и управления, датчик ядерно-магнитного резонанса состоит из самарий-кобальтовых шайб, что позволяет устранить недостатки, присущие аналогам [1-13].

Однако известное устройство [14] имеют сложную конструкцию, включающую несущую раму, что усложняет постановку их на дно, особенно при постановке такого устройства, например, с нефтегазовой платформы или терминала для контроля гидрологических и физико-химических характеристик водных масс в целях мониторинга экологического состояния морской среды непосредственно у стационарного сооружения. Кроме того, при наличии несущей рамы остается проблема, связанная с влиянием придонных течений на аппаратные шумы, сцеплением их с мягким дном, микросейсмическими шумами, генерируемыми гравитационными волнами, особенностями распространения сейсмических сигналов в коре океанического типа и др. В общем случае придонные течения могут носить как ламинарный, так и турбулентный характер (вследствие наличия неровностей дна). При этом в низкочастотной части диапазона сейсмометра возможно возникновение помех за счет турбулентных явлений на крупных неровностях дна (до 10 м). В связи с этим практически полностью исключается возможность использования сейсмических приемников с инерционной массой на упругой подвеске, несмотря на то, что они имеют высокую чувствительность, широкий динамический и частотный диапазоны.

В окраинных морях Российской Федерации в шельфовых зонах активно ведутся сейсмоакустические исследования, использующие методы активного зондирования. Для этого используются, как правило, системы пневмопушек или спаркеры и бумеры, суммарная мощность которых превышает биологически допустимые нормы. Известны исследования экологов, опубликованные в последние годы, о необратимых воздействиях мощных акустических импульсов на природу океана, что дает основания сформировать различные меры, ограничивающие плановое проведение морских сейсмических исследований. Преодоление ограничений за счет уменьшения мощности зондирующих сигналов в морской сейсморазведке до настоящего времени активно не рассматривалось, поскольку считалось, что в этом случае не обеспечивается решение главной задачи - получения качественных результатов сейсмопрофилирования. С другой стороны, в смежной отрасли - в подводной гидролокации используются методы когерентного зондирования, которые могут представлять интерес для систем морской сейсморазведки. Излучатели, применяемые в подводной гидролокации, имеют существенно меньшую мощность, а качество зондирования достигается за счет использования когерентных методов обработки принимаемых эхо-сигналов. Кроме того, использование, например, когерентного зондирования, посредством гидролокатора, позволит получить избыточную сейсмическую информацию, а также обеспечит исследование подводных конструкций морских терминалов, что позволит на ранней стадии выявить деформацию и трещины подводных конструкций.

Из известных устройств, представляющих измерительные обсерватории для оперативного мониторинга морской среды в водах шельфово-склоновой зоны, наиболее близким аналогом является известная заякоренная профилирующая океанская обсерватория (Заякоренная профилирующая океанская обсерватория / А.Г. Островский, А.Г. Зацепин, В.Н. Иванов и др. // Подводные исследования и робототехника, №2 (8), 2009, с. 50-59 [15]).

Известная заякоренная профилирующая океанская обсерватория [15, с. 52] состоит из подповерхностного буя, заякоренного с помощью стального буйрепа, который служит ходовым тросом для профилирующего носителя, носителя с комплектом измерительных датчиков, включающих датчики измерения температуры, электропроводности и давления, акустический доплеровский измеритель течения, датчик растворенного в воде кислорода, модуль центрального микроконтроллера, электропривода и передвигающийся по ходовому тросу, системы цифровой связи посредством бесконтактной индуктивной врезки в ходовой трос, поверхностного буя-вехи с модемами передачи данных и телеметрической информации по радиоканалу, гидроакустического размыкателя якорного балласта.

Преимуществами известной заякоренной профилирующей океанской обсерватории является меньший риск потери обсерватории, что позволяет своевременно производить техническое обслуживание источников питания и очистку измерительных датчиков от биообрастателей. Радиосвязь в прибрежной зоне представляет собой экономическую альтернативу мобильной и спутниковой связи, поскольку передача информации по радиоканалу не имеет ограничений в частотном диапазоне.

Однако недостатком известной заякоренной профилирующей океанской обсерватории является невозможность подключения к ним сейсмических датчиков, которые не допускают механических соединений с оборудованием, генерирующим низкочастотный шум. Поскольку ходовой трос является источником такого шума, то размещение сейсмических датчиков должно выполняться на некотором удалении от него.

Задачей также известного технического решения (патент RU 2545159 С1, 27.03.2015 [16]) является расширение функциональных возможностей и повышение надежности при эксплуатации сейсмических подводных обсерваторий, которая решается за счет того, что в заякоренной профилирующей подводной обсерватории, сочлененной с диспетчерской станцией и состоящей из подповерхностного буя, заякоренного с помощью стального буйрепа, который служит ходовым тросом для профилирующего носителя с комплектом измерительных датчиков, включающих датчики измерения температуры, электропроводности и давления, акустический доплеровский измеритель течения, датчик растворенного в воде кислорода, модуль центрального микроконтроллера, электропривода и передвигающийся по ходовому тросу, системы цифровой связи посредством бесконтактной индуктивной врезки в ходовой трос, поверхностного буя-вехи с модемами передачи данных и телеметрической информации по радиоканалу, гидроакустического размыкателя якорного балласта, на ходовом тросе над гидроакустическим размыкателем якорного балласта закреплена нижняя плавучесть шарообразной формы, внутри которой размещен модем гидроакустического канала связи, электропривод, сочлененный с телескопическим устройством, в оконечности которого установлен сейсмометр, профилирующий носитель дополнительно содержит датчики содержания углеводородов, углекислого газа, альфа-, бета- и гамма-радиоактивности.

Выполнение заякоренной профилирующей подводной обсерватории с размещением на ходовом тросе над гидроакустическим размыкателем якорного балласта нижней плавучести шарообразной формы, внутри которой размещен модем гидроакустического канала связи, электропривод, сочлененный с телескопическим устройством, в оконечности которого установлен сейсмограф, профилирующий носитель дополнительно содержит датчики содержания углеводородов, углекислого газа, альфа-, бета- и гамма-радиоактивности позволяет контролировать гидрологические и физико-химические характеристики водных масс в целях мониторинга экологического состояния морской среды непосредственно у стационарного сооружения. Решение этой задачи обеспечивает снижение рисков утраты или повреждения подводной обсерватории при ее постановки на дно, практически полное исключение влияния придонных течений на аппаратные шумы. Ввод в состав средств регистрации заякоренной профилирующей подводной обсерватории, сейсмографа позволяет получить сейсмическую информацию.

В связи с активным освоением шельфа для нефте- и газодобычи прокладкой подводных трубопроводов и кабелей связи донные землетрясения и провоцируемые ими явления становятся чрезвычайно опасными как для самих морских сооружений, так и для экологии региона в целом. Кроме того, имеется возможность появления наведенной сейсмичности при извлечении больших объемов нефти и газа из земных недр. Размещение подводной обсерватории непосредственно в зоне добычи и транспортировки углеводородов позволяет заблаговременно оценить возможную угрозу жизнедеятельности морских терминалов.

Однако наличие нижней плавучести, ограничивает зону регистрируемых характеристик. Кроме того, эксплуатация таких подводных обсерваторий в зоне добычи и транспортировки углеводородов сопряжена с нарушением нормального функционирования гидроакустического канала связи из-за наличия акустических помех, вызванных работой добычных агрегатов и шумов судоходства.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей подводной обсерватории за счет увеличения зоны исследований.

Поставленная задача решается за счет того, что в заякоренной профилирующей подводной обсерватории, сочлененной с диспетчерской станцией и состоящей из: подповерхностного буя, заякоренного с помощью стального буйрепа, который служит ходовым тросом для профилирующего носителя, содержащего комплект измерительных датчиков, включающих датчики измерения температуры, электропроводности и давления, акустический доплеровский измеритель течения, датчик растворенного в воде кислорода, модуль центрального микроконтроллера, электропривод, и передвигающегося по ходовому тросу; системы цифровой связи посредством бесконтактной индуктивной врезки в ходовой трос, поверхностного буя-вехи с модемами передачи данных и телеметрической информации по радиоканалу GPS, гидроакустического размыкателя якорного балласта, на ходовом тросе над гидроакустическим размыкателем якорного балласта закреплена нижняя плавучесть шарообразной формы, внутри которой размещен модем гидроакустического канала связи, электропривод, сочлененный с телескопическим устройством, в оконечности которого установлен сейсмометр, а профилирующий носитель содержит датчики содержания углеводородов, углекислого газа, альфа-, бета- и гамма-радиоактивности, нижняя плавучесть содержит лифтовую шахту, через которую профилирующий носитель перемещается по ходовому тросу в зону между нижней плавучестью и балластом, нижняя плавучесть также содержит считывающее устройство с флэш-карты интегрированного регистратора данных, внутри стального буйрепа размещен гидросенсорный кабель, буй-веха снабжена акселерометром и магнитным компасом, счетчиками потребления электроэнергии, GSM-модемом, солнечными батареями.

В отличие от прототипа [16], в предлагаемом техническом решении нижняя плавучесть содержит лифтовую шахту, через которую профилирующий носитель перемещается по ходовому тросу в зону между нижней плавучестью и балластом, нижняя плавучесть также содержит считывающее устройство с флэш-карты интегрированного регистратора данных, внутри стального буйрепа размещен гидросенсорный кабель, буй-веха снабжена акселерометром и магнитным компасом, счетчиками потребления электроэнергии, GSM-модемом, солнечными батареями.

Сущность технического решения поясняется чертежами.

Фиг. 1. Схема размещения заякоренной профилирующей подводной обсерватории. Заякоренная профилирующая подводная обсерватория выполнена в виде вертикально профилирующего носителя 1, размещенного на ходовом тросе 2 между подповерхностным буем 3 и нижней плавучестью 4. Ходовой трос 2 закреплен на балласте 5 посредством гидроакустического размыкателя 6.

Подповерхностный буй 3 соединен кабелем 7 с поверхностным буем-вехи 8 с модемами передачи данных и телеметрической информации по радиоканалу на диспетчерскую станцию 9, которая может располагаться на берегу или судне.

Внутри нижней плавучести 4 расположен электропривод 10, сочлененный с телескопическим устройством 11, в оконечности которого установлен сейсмометр 12, а также модем 13 гидроакустического канала связи с диспетчерской станцией 9. В центральной части нижней плавучести 4 оборудована лифтовая шахта 14. Нижняя плавучесть 4 также содержит считывающее устройство 15 с флэш-карты интегрированного регистратора данных сейсмометра 12. Внутри стального буйрепа (ходового троса 2) размещен гидросенсорный кабель.

Поверхностный буй-веха 8 представляет собой веху Фруда с расположенной в верхней точке надводной части радиоантенной 16 типа ANLI A-100MU. Встроенный в буй-веху 8 радиомодем 17 типа INTEGRA TR питается от комплекта свинцово-гелевых аккумуляторов 18, которые являются основным балластом буй-вехи 8. Буй-веха 8 снабжена акселерометром 19 и магнитным компасом 20, счетчиками потребления электроэнергии 21, GPS-приемник 22, GSM-модем 23, солнечными батареями 24.

Фиг. 2. Блок-схема заякоренной профилирующей подводной обсерватории.

Заякоренная профилирующая подводная обсерватория содержит вертикально профилирующий носитель 1, в котором размещены датчики измерения температуры 25, электропроводности 26 и давления 27, акустический доплеровский измеритель течения 28, датчик растворенного в воде кислорода 29, модуль 30 центрального микроконтроллера, электропривод 31 для перемещения по ходовому тросу 2 вертикально профилирующего носителя 1, система 32 цифровой связи посредством бесконтактной индуктивной врезки в ходовой трос 2, профилирующий носитель 1 содержит датчики содержания углеводородов 33, углекислого газа 34, альфа-, бета- и гамма-радиоактивности 35, источник питания 36.

Нижняя плавучесть 4 также содержит считывающее устройство 15 с флэш-карты интегрированного регистратора данных сейсмометра 12.

Внутри ходового троса 2 размещен гидросенсорный кабель, который состоит из двух параллельных гибких сенсорных элементов - находящихся под напряжением металлических жил, с оболочкой из высокоэлектропроводящей пластмассы. От взаимного замыкания жилы предохраняются за счет диэлектрического пластикового прутка, обвитого вокруг жил в виде восьмерок. Вся конструкция помещена в «сорбционный» чехол, изготовленный из капиллярно пористого волокнообразного материала, обладающего в сухом состоянии диэлектрическими свойствами.

В качестве ключевого сенсорного элемента гидросенсорного кабеля используются провода с оболочкой из трансэнергопластиков - высокоэлектропроводящего гибкого полимерного композита типа «ЭМИСТОП» (Необычные пластики - новые решения / Ремонт * Инновации * Технология * Модернизация // Ритм, октябрь 2014, с. 10-12), что позволяет благодаря полимерной основе сенсорных жил обеспечить соответственно гибкость и высокую химическую стойкость кабеля. При этом такой кабель не подвержен коррозии долгое время и может работать во влажной высокотемпературной среде.

Кабель 7 также представляет собой гидросенсорный кабель.

Схема работы сорбционного кабеля заключается в следующем. При механическом повреждении ходового троса, морская вода, соприкасаясь с чехлом, за счет совокупности сорбционных и капиллярно пористых эффектов начинает впитываться (распространяться по толщине чехла), образуя при этом совокупность электропроводящих взаимно проникающих микроканалов. В конечном итоге эти микроканалы замыкают электропроводящие поверхности двух сенсорных элементов. При замыкании генерируется электрический сигнал, передаваемый далее по металлической сердцевине сенсорных элементов. После соответствующей процедуры обработки сигнала на пульте управления появляется сообщение о факте затопления и его координатах, что повышает надежность эксплуатации подводной обсерватории.

Акселерометр 19 и магнитный компас 20 формируют единый датчик, предназначенный совместно с GPS-приемником 22 для измерения высоты и направления волнения, а также перемещений буя-вехи 8 под воздействием ветрового волнения и поверхностного течения.

GPS-приемник 22 также служит для определения местоположения буя-вехи 8 и передачи зарегистрированных данных на большие расстояния с использованием спутниковых систем связи Iridium (глобальная спутниковая связь), Argos (глобальная одноканальная связь) или Orbcomm.

GSM-модем 23 предназначен для обеспечения прибрежной связи по SMS или по Internet, что позволяет использовать существующую сеть и экономит затраты на установку дополнительных высокочастотных приемных станций.

Солнечные батареи 24 в сочетании с источником питания 18 предназначены для увеличения длительности работы подводной обсерватории. Посредством счетчиков потребления электроэнергии 21 фиксируют фактическое потребление энергии подводной обсерватории и контролируют реальную оценку оставшегося времени автономной работы. Заякоренная профилирующая подводная обсерватория может устанавливаться непосредственно с диспетчерской станции 9 или с маломерного плавающего средства. Для буксировки заякоренной профилирующей подводной обсерватории от морского терминала, например добычной платформы, достаточно маломерного плавательного средства, например резиновой лодки. Вертикально профилирующий носитель 1 устанавливается на ходовом тросе 2, натянутом вертикально между верхней плавучестью 3 (приповерхностной плавучестью) и нижней плавучестью 4 (придонной плавучестью), которая, в свою очередь, закреплена на ходовом тросе 2.

После установки вертикально профилирующего носителя 1 на ходовом тросе 2 и постановки на дно балласта 5 включается электропривод 31. Вертикально профилирующий носитель 1 начинает автоматически со скоростью около 0.2 м/с передвигаться по вертикально натянутому ходовому тросу 2 между верхней плавучестью 3 и нижней плавучестью 4. и балластом 5 проходя через нижнюю плавучесть 4 по лифтовой шахте 14.

Внутри нижней плавучести 4 расположен электропривод 10, сочлененный с телескопическим устройством 11, в оконечности которого установлен сейсмометр 12, а также модем 13 с гидроакустической антенной гидроакустического канала связи с диспетчерской станцией 9.

После постановки балласта 5 на дно подается сигнал на электропривод 10, сочлененный с телескопическим устройством 11, и установленный в оконечности телескопического устройства 11 сейсмометр 12 занимает рабочее положение на некотором расстоянии от ходового троса 2.

Измерение сейсмических сигналов производится с помощью сейсмометра 12, который включает сейсмический модуль, который функционально объединен с сейсмоакустическим модулем для компактности и обеспечения проведения измерений одновременно несколькими датчиками различных конструкций, что приводит к повышению точности и надежности проводимых измерений.

Сейсмометр 12 предназначен для обеспечения непрерывного сейсмического мониторинга морского дна в широком частотном диапазоне и включает в себя датчики: электрохимический велосиметр типа СМЕ-3011-3, представляющий собой трехкомпонентный сейсмический датчик, предназначенный для регистрации сейсмических колебаний донной поверхности вдоль трех ортогональных направлений; датчик сильных движений, представляющий собой трехкомпонентный векторный сейсмометр; датчик пространственной ориентации.

Датчик сильных движений снабжен сенсором, который состоит из магнитоупругого кристаллического преобразователя, постоянного магнита высокой энергии, трех независимых электрических обмоток и единой инертной массы, а также предварительного усилителя и преобразует три компоненты вектора акустических колебаний донной поверхности по трем ортогональным направлениям в электрические сигналы. Он имеет велаксметрическую характеристику, которая, по сравнению с характеристиками традиционных приборов для измерения вибросмещений, имеет высокую частотно-зависимую чувствительность к смещениям. При этом чувствительность при увеличении частоты в 10 раз увеличивается в 1000 раз.

Для сравнения следует упомянуть, что при таком же увеличении частоты чувствительность обычных велосиметров увеличивается в 10 раз, а обычных акселерометров - увеличивается в 100 раз.

Собственные шумы магнитоупругого сенсора меньше собственных шумов сейсмометра и намного меньше собственных шумов акселерометра.

Магнитоупругий сенсор с крутой амплитудно-частотной характеристикой может одновременно регистрировать смещения в существенном диапазоне - более 240 дБ, что позволяет одновременно измерять амплитуды смещений менее 10^-15 м на частотах более 1000 Гц и более 10^-3 м на частотах менее 1 Гц.

Как и в прототипе [16], модуль 30 центрального микроконтроллера по заданной программе управляет электроприводом 10, обеспечивающим движение вертикально профилирующего носителя 1, выполняет сбор и обработку данных с датчиков измерения температуры 25, электропроводности 26 и давления 27, акустического доплеровского измерителя течения 28, датчика растворенного в воде кислорода 29, а также выполняет сбор и обработку данных с датчиков содержания углеводородов 33, углекислого газа 34, альфа-, бета- и гамма-радиоактивности 35.

В качестве датчиков измерения температуры 25, электропроводности 26 и давления 27, акустического доплеровского измерителя течения 28, могут быть использованы датчики, аналогичные датчикам прототипа [14], например акустический трехкомпонентный измеритель течений типа 3D-ACM модель 3ACM-CBP-S и измеритель электропроводности с датчиком температуры, выполненный на основе измерителя скорости течения типа CTS-C-1ED.

Датчик растворенного в воде кислорода 29 может быть использован, как и в прототипе, типа (AANDERAA Oxygen Optode 4330F).

Датчик содержания углеводородов 24 может представлять собой датчик типа METS ("CAPSUM"), который позволяет измерять концентрацию метана в водной толще, как и в прототипе.

Датчик содержания углекислого газа 33, как и в прототипе, предназначен для измерения спектров комбинационного рассеяния оптического излучения в составе заякоренной профилирующей подводной обсерватории посредством спектроанализатора. По спектрам комбинационного рассеивания получают информацию о составе морской воды. Основные технические характеристики спектроанализатора: спектральный диапазон 0,52-0,78 мкм, полоса пропускания 0,54 нм на 0,783 мкм, точность позиционирования по спектру 0,2 нм, число спектральных каналов 4096.

Датчики содержания альфа-, бета- и гамма-радиоактивности 35, как и в прототипе, объединены в блок гидрохимических измерений, который также содержит модуль контроля радиационного загрязнения, который предназначен для определения in situ содержания гамма-излучающих радионуклидов (как техногенного, так и естественного происхождения) в морской воде.

Датчик ядерно-магнитного резонанса может быть конструктивно установлен как на вертикально профилирующем носителе 1, так и в корпусах нижней 4 и подповерхностной плавучести 3, который используется для обеспечения функционирования заякоренной профилирующей подводной обсерватории по прямому назначению или в двух вариантах, что существенно повышает информативность устройства в целом.

Модуль 21 центрального микроконтроллера передает данные с помощью индуктивного модема на подповерхностную плавучесть 3.

Блок питания 18 предназначен для обеспечения возможности длительной автономной работы устройства и собран на параллельно соединенных секциях последовательно соединенных литиевых или щелочных батарей типа D. В отличие от прототипа в предлагаемом техническом решении дополнительно установлены счетчиками потребления электроэнергии 21 и солнечные батареи 24.

Модем гидроакустического канала 13 связи предназначен для обеспечения связи сейсмометра 12 с комплексом обработки информации, установленным на диспетчерской стации. В отличии от прототипа предлагаемое устройство также содержит GSM-модем. Балласт 6 с гидроакустическим размыкателем предназначен для проведения спусковых и подъемных работ заякоренной профилирующей подводной обсерватории. Управляющий компьютер диспетчерской станции 9 и программно-математическое обеспечение, служба реального времени предназначены для управления оборудованием подводной обсерватории, диагностирования ее неисправностей, приема данных, получаемых с подводной обсерватории, и размещения получаемых данных на устройствах накопления информации. Функционирование всего аппаратно-программного комплекса определяется файлом конфигурации, который создается специальной программой и задает наличие подводных обсерваторий, тип используемых геофизических каналов, параметры каналов, а также наличие или отсутствие аппаратуры синхронизации времени (приемник GPS). При запуске программы регистрации считывается конфигурация всей сети подводной обсерватории и производится привязка времени по Гринвичу с точностью до нескольких десятков микросекунд и расчет поправок к частоте кварца компьютера для поддержания функционирования комплекса в случае кратковременного отказа приемника GPS.

Синхронизация времени осуществляется каждую секунду от приемника GPS.

Вслед за синхронизацией происходят опрос, программирование, синхронизация и запуск оборудования заякоренной профилирующей подводной обсерватории. Запрашивается состояние оборудования заякоренной профилирующей подводной обсерватории (ее исправность, наличие каналов, исправность каналов и т.д.). В случае возникших проблем на экран выдается соответствующее сообщение (оно также записывается в файл протокола функционирования). В модуль 30 центрального микроконтроллера заякоренной профилирующей подводной обсерватории передаются программа работы для каждого измерительного канала, частота опроса и коэффициент усиления.

Перед запуском модуль 30 центрального микроконтроллера заякоренной профилирующей подводной обсерватории синхронизируется по времени компьютера диспетчерской станции 9 (в дальнейшем синхронизация проводится каждые 10 с). При синхронизации учитывается время прохождения сигнала от компьютера диспетчерской станции 9 до синхронизируемого модуль 30 центрального микроконтроллера заякоренной профилирующей подводной обсерватории. После этого модуль 30 центрального микроконтроллера заякоренной профилирующей подводной обсерватории запускается и начинает сбор данных с измерительных каналов. Модуль 30 центрального микроконтроллера заякоренной профилирующей подводной обсерватории всю информацию сжимает и складывает в буферную память.

Управляющий компьютер диспетчерской станции 9 циклически запрашивает у модуля 30 центрального микроконтроллера заякоренной профилирующей подводной обсерватории данные, о зарегистрированных датчиками сигналов и, в случае их наличия, принимает их и записывает в свои буфера в оперативной памяти. После накопления достаточного количества данных для канала они переписываются в файл, соответствующий типу канала. Обычно эти файлы расположены на другом компьютере и доступны по локальной сети, хотя для кратковременных экспериментов система может быть сконфигурирована таким образом, что будет использоваться локальный диск. При кратковременных разрывах связи (до 10 мин) данные не теряются в силу наличия у каждого блока управления и регистрации достаточно большого собственного буфера. В процессе обмена данными оператором может быть проведена калибровка любого измерительного канала, входящего в состав сети диспетчерской станции. При возникновении нештатных ситуаций (разрыв связи с заякоренной профилирующей подводной обсерваторией, ее поломка, отказ отдельных каналов либо восстановление вышеперечисленного), а также некоторых штатных ситуаций - возникновение события или запуск калибровки соответствующего измерительного канала, выдается сообщение на экран, включающее время по Гринвичу наступления ситуации, имена подводных обсерваторий и канала и само сообщение. Сообщения также записываются в буфер размером 100 строк и в файл протокола. Буфер может быть просмотрен оператором в любое время.

Измерительные датчики заякоренной профилирующей подводной обсерватории после постановки на дно балласта 5 функционируют по прямому назначению.

Зарегистрированные датчиками сигналы записываются на средства хранения информации, при сеансах связи передаются на диспетчерскую станцию, где выполняется полный анализ оценки сейсмического и гидродинамического состояния исследуемых районов, по результатам которого делается прогноз о возможных сейсмических и экологических последствиях природного и техногенного характера.

Заякоренная профилирующая подводная обсерватория предназначена для решения следующих задач:

- изучения строения земной коры в акваториях Мирового океана;

- исследования совокупности проявления геофизических полей в зонах тектонических разломов непосредственно на дне океана;

- исследования состояния морской среды в придонной зоне и ее взаимодействие с тектоническими процессами;

- геофизического и геоэкологического мониторинга сложных гидротехнических сооружений;

- оперативной оценки сейсмического и гидродинамического состояния районов и прогноза возможных сейсмических и экологических последствий;

- раннего оповещения с существенным повышением точности прогноза землетрясений и цунами;

- выявления предвестников сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических предвестников катастрофических землетрясений, очаги которых находятся под дном океана, осуществление среднесрочного и краткосрочного прогноза землетрясений с магнитудой 5,5 и выше;

- контроля изменений напряженно-деформированного состояния участков земной коры шельфовых зон вблизи разрабатываемых месторождений нефти и газа, вызванных извлечением углеводородов, законтурной закачкой воды и другими искусственными воздействиями на углеводородный пласт;

- выбора экологически безопасных режимов эксплуатации месторождений;

- прогноза развития деформаций земной коры и наведенной сейсмичности;

- прогноза небольших местных землетрясений, опасных повреждением скважин, нефтяных платформ/подводных трубопроводов;

- исследования месторождений морских газогидратов.

Применение предлагаемой заякоренной профилирующей подводной обсерватории позволит проводить исследования в придонной области океана на новом качественном уровне, дающем возможность не только регистрировать геофизические, гидрохимические, гидрофизические и гидроакустические параметры, но и оценивать взаимосвязи между этими параметрами, а также выявлять сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических предвестников катастрофических землетрясений, очаги которых находятся под дном океана, и тем самым существенно повысить точность прогноза землетрясений и цунами.

Кроме того, применение предлагаемой конструкции заякоренной профилирующей подводной обсерватории позволяет также осуществлять контроль изменений напряженно-деформированного состояния участков земной коры шельфовых зон вблизи разрабатываемых месторождений нефти и газа, вызванных извлечением углеводородов, законтурной закачкой воды и другими искусственными воздействиями на углеводородный пласт, прогнозировать небольшие местные землетрясения, опасные повреждением скважин, нефтяных платформ/подводных трубопроводов, прогнозировать аварийные ситуации, тем самым способствовать снижению экологической опасности при эксплуатации морских промышленных объектов.

Реализация устройства технической сложности не представляет, так как устройство реализовано на серийно выпускаемых датчиках и элементах микроэлектроники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "промышленная применимость".

Источники информации

1. Патент RU №2270464.

2. Патент RU№2276388.

3. Патент RU №2294000.

4. Башилов И.П. и др. Донные геофизические обсерватории: методы конструирования и области применения / Научное приборостроение, 2008, т. 18, №2, с. 93-95.

5. Патент RU 2009116092 А, 20.11.2010.

6. Подводная геофизическая обсерватория / ОКБ ОТ РАН / 2-я Международная специализированная выставка «SIMEXPO - Научное приборостроение». - М., 13.10.2008.

7. Патент RU №2331876 С2, 20.08.2008.

8. Патент ЕР №0519031.

9. Патент NO №911639.

10. Патент ЕР №0516662.

11. Средства и методы океанологических исследований. Смирнов Г.В., Еремеев В.Н., Агеев М.Д. и др. - М., Наука, 2005.

12. Патент AU №2002100749, 04.09.2002.

13. Патент RU №2388950 С1.

14. Патент RU №2468395 С1, 27.11.2012.

15. Заякоренная профилирующая океанская обсерватория / А.Г. Островский, А.Г. Зацепин, В.Н. Иванов и др. // Подводные исследования и робототехника, 2009, №2 (8), с. 50-59.

16. Патент RU №2545159 С1, 27.03.2015.

Реферат

Изобретение относится к устройствам для измерения геофизических и гидрофизических параметров в придонных зонах морей и океанов. Сущность: подводная обсерватория, сочлененная с диспетчерской станцией (9), включает поверхностный буй-веху (8), подповерхностный буй (3) и нижнюю плавучесть (4), соединенные посредством ходового троса (2). Ходовой трос (2) закреплен на балласте (5) посредством гидроакустического размыкателя (6). Между подповерхностным буем (3) и балластом (5) по ходовому тросу (2) передвигается профилирующий носитель (1). Профилирующий носитель (1) содержит модуль центрального микроконтроллера, электропривод и комплект измерительных датчиков. Поверхностный буй-веха (8) содержит радиоантенну (16), радиомодем (17), аккумуляторы (18), акселерометр (19), магнитный компас (20), счетчики (21) потребления электроэнергии, GPS-приемник (22), GSM-модем (23), солнечные батареи (24). Нижняя плавучесть (4) содержит электропривод (10), сочлененный с телескопическим устройством (11), в оконечности которого установлен сейсмометр (12), а также модем (13) гидроакустического канала связи с диспетчерской станцией (9) и устройство (15), считывающее с флеш-карты интегрированного регистратора данных сейсмометра (12). Нижняя плавучесть (4) выполнена шарообразной формы и содержит лифтовую камеру (14) для перемещения профилирующего носителя (1). Внутри ходового троса (2) размещен гидросенсорный кабель (7). Технический результат: расширение функциональных возможностей. 2 ил.

Формула