Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка и исследование пневматических источников упругих волн для морской сейсморазведки

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследование пневматических источников упругих волн для морской сейсморазведки"

На правах рукописи

ГУЛЕНКО Владимир Иванович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ УПРУГИХ ВОЛН ДЛЯ МОРСКОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ

Специальность 25.00.10 — Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Краснодар 2003

Работа выполнена в ОАО «НПО Нефтегеофизприбор» и Кубанском государственном университете

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Дембицкий С.И.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук

Шнеерсон М.Б.;

- доктор технических наук Коноплев Ю.В.;

- доктор геолого-минералогических наук Коган Л.И.

Ведущая организация - ГП НИПИокеангеофизика (г. Геленджик)

Защита состоится 26 сентября 2003 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.101.09 в Кубанском государственном университете по адресу: 350040 г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, ауд. 140.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Кубанского государственного университета

Автореферат разослан «IЬ » августа 2003 г.

И.о. ученого секретарь диссертационного совета,

доктор геолого-минералогических наук Се/% "" Соловьева Л.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В аппаратурном комплексе морской сейсморазведки одним из наиболее важных элементов являются источники упругих колебаний, в значительной степени определяющие геологическую эффективность и стоимость сейсморазведочных работ За последние три десятка лет то разнообразие типов и конструкций морских невзрывных источников, которое наблюдалось.в конце шестидесятых - начале семидесятых годов, значительно сократилось и в настоящее время ограничивается всего несколькими типами, эффективность которых проверена временем

Наряду с электроискровыми и электродинамическими источниками, область применения которых в основном ограничивается сейсмоакустическими исследованиями верхней части разреза, к числу таких, наиболее эффективных невзрывных источников, получивших широкое применение при различных модификациях морской сейсморазведки, относятся пневматические источники и различные модификации гидравлических и пнев-могидравлических источников, использующих в качестве рабочего тела сжатый воздух.

Пневматические источники отличаются высокими энергетическими характеристиками, надежны и технологичны в работе, компрессорное оборудование, обеспечивающее пневмоисточники сжатым воздухом высокого давления, сравнительно легко вписывается в энергосистему судна, - все это обусловило широкое распространение источников этого типа при морской сейсморазведке как за рубежом, так и в России и странах СНГ

В 1970 — 1990 годы бурное развитие морской сейсморазведки во всем мире сопровождалось не только постоянным увеличением объемов работ, повышением сложности решаемых задач, но и непрерывным совершенствованием всего аппаратурно-методичес-кого комплекса, в том числе и источников. Если в начале этого периода сейсморазведоч-ные работы проводились с одиночными излучателями или небольшими группами (3-4 излучателя), то в последнее десятилетие обязательным требованием заказчиков является использование при проведении работ линейных или площадных групп, содержащих несколько десятков излучателей, работой которых управляют системы контроля и управления, имеющие в своем составе компьютер. Необходимость создания таких совершенных технических средств и определяет актуальность настоящей диссертационной работы.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование разработки и проектирования пневматических излучателей, линейных и площадных групп, а также систем контроля и управления групповыми пневматическими источниками для морской сейсморазведки.

Основные задачи исследований:

- разработка математической модели пневматического излучателя;

- исследование с помощью математической модели динамики процесса срабатывания излучателя при подводном выхлопе и разработка основных принципов проектирования пневматических излучателей «Сигнал»;

- экспериментальное исследование динамических и акустических характеристик пневматических излучателей ряда «Сигнал»;

- разработка методики и техники группирования пневматических источников, исследование акустических характеристик групп;

- разработка принципов построения системы контроля и управления групповыми пневматическими источниками для морской сейсморазведки;

- разработка конструкции, алгоритмов и программного обеспечения контроллера «АСТРА»;

- оценка эффективности пневматических групп на основе излучателей «Сигнал» и системы управления «АСТРА» при морской сейсморазведке.

Методы и объекты исследований. При проведении исследований применялись методы математического и имитационного моделирован * протекающих процессов, в том числе методы экспериментал ческих

характеристик механических систем, методы гидроакустических измерений при подводных «физических» взрывах, расчетно-конструктивный метод, лабораторные, полигонные и морские испытания разработанных технических средств

Фактической основой работы явились результаты НИОКР, а также лабораторных, полевых и морских испытаний макетов и опытных образцов за период с 1980 г. по 1996 г. в НИИМоргеофизики ВМНПО «Союзморгео», преобразованного впоследствии в КФ НИИМоргеофизики ПО «Союзморгео», а затем в НПО «Нефтегеофизприбор» Объектами исследований являлись пневматические излучатели ряда «Сигнал» и др., составляемые из них линейные и площадные группы, а также системы контроля и управления -программируемые контроллеры «АСТРА» и «АСТРА-М». Лабораторные испытания экспериментальных макетов и опытных образцов проводились на экспериментальных установках и стендах НПО «Нефтегеофизприбор», полигонные испытания проводились в бассейне на опытном полигоне в станице Калужской, морские испытания проводились на НИС ПО «Союзморгео», НПО «Южморгеология» на акваториях Черного, Азовского, Каспийского и Баренцева морей.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель пневматического излучателя, адекватно описывающая процесс его срабатывания с выхлопом в воду сжатого воздуха и излучением акустического сигнала. .,.

2. Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование динамических и акустических характеристик пневматических излучателей ряда «Сигнал». • ,. ■

3. Разработаны и количественно обоснованы принципы рационального построения ряда пневмоизлучагелей, предназначенных для применения в, группах; эти принципы реализованы в конструктивных параметрах излучателей ряда «Сигнала,

4. Разработаны метод регистрации и датчики момента срабатывания (ДМС) пневматических излучателей; с их использованием выполнено исследование характеристик стабильности времен срабатывания излучателей ряда «Сигнал».

5. Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование основных факторов, определяющих эффективность группирования пневматических излучателей. Создана математическая модель взаимного акустического влияния- пневматических излучателей в группе и разработан метод расчета неоднородных групп. ,

6. Разработаны и количественно обоснованы принципы построения системы контроля и управления групповыми пневматическими источниками нового типа, эти принципы реализованы в конструктивных решениях.и алгоритмах программного обеспечения контроллера «АСТРА» и «АСТРА-М». , , , . . ,

Практическая значимость и реализация результатов. • ,

Практическое значение работы состоит в том, что,выполненные исследования позволили разработать, наладить серийный выпуск и внедрить в практику морской сейсморазведки современный аппаратурный комплекс для возбуждения упругих волн с высокой интенсивностью и широкополосньш спектральным составом. - пневмоизлучатели ряда «Сигнал» и программируемые контроллеры «АСТРА» и ^<АСТРА-М».

С 1986 г. по 1993 г. Краснодарским опытным заводом «Моргеофизприбор» было выпущено более 600 пневматических излучателей «Сигнал-5»,''' <<Сигнал-6>> и «Сигнал-7», а также несколько комплектов компактных и линейных трупп; с 1991 г. по 1996 г. опытным производством ОАО «НПО Нефтегеофизприбор» при 'участии отдела НИО-8 было выпущено 14 программируемых контроллеров «АСТРА!» и один комплект «АСТРА-М». Выпущенные изделия были направлены в производственные подразделения ПО «Союзморгео» - тресты «Южморнефтегеофизика»' (г. Геленджик), «Дальморнефтегеофи-зика» (г. Южно-Сахалинск), «Каспморнефтегеоф изразведка» (г. Баку), «Севморнефтеге-офизика» (г. Мурманск) и Черноморскую геофизическую экспедицию (г. Одесса) а также в НПО «Южморгеология», в ЮО ИОРАН и ГП «Шельф» (г. Геленджик), в ГП «АМИГЭ» (г. Мурманск), где применялись при проведении морских сейсморазведочных работ как на шельфе СССР (Российской Федерации и СНГ), так и при контрактных работах на ' ' ' 2

шельфах Болгарии, Вьетнама, Кубы и до. стран.

Основные защищаемые положения.

1. Математическая модель пневмоизлучателя, описывающая процесс его срабатывания с выхлопом в воду сжатого воздуха и излучением акустического сигнала.

2 Теоретическая и экспериментальная изученность динамических и акустических характеристик пневматических излучателей ряда «Сигнал».

3. Метод регистрации и датчики момента срабатывания (ДМС), реализованные в излучателях ряда «Сигнал» и защищенные авторским свидетельством.

4. Методика построения групп пневмоисточников с заданными акустическими характеристиками, реализованная в группах излучателей «Сигнал».

5. Принципы построения системы контроля и управления групповыми пневматическими источниками, реализованные в конструктивных решениях и алгоритмах программного обеспечения контроллеров «АСТРА» и «АСТРА-М».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались на XI творческом семинаре молодых специалистов и ученых Мингазпрома, Баку, 1981; семинаре молодых специалистов и ученых «О задачах молодых специалистов и молодых ученых отрасли по выполнению плановых заданий XI пятилетки», Оренбург, 1983; III республиканской конференции по прикладной гидромеханике «Проблемы гидромеханики в освоении океана», институт гидромеханики АН УССР, Киев, 1984; Всесоюзном совещании в институте океанологии им. ПП. Ширшова АН СССР «Технические средства и методы изучения океанов и морей», Москва, 1985; I научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ВМНПО «Союзмор-гео» «Геолого-геофизические исследования дна акваторий», Мурманск, 1985, V Всесоюзной научно-технической конференции «Технические средства изучения и освоения мирового океана», ЛКИ, Ленинград, 1985; I Всесоюзной конференции «Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР» в МИНГ им. Губкина, Москва, 1986; ученом совете НИИМоргефизики ВМНПО «Союзморгео», Краснодар, Мурманск, 1988, 1990, 1992 1995; Юбилейной конференции «Теория и практика морских геолого-геофизических исследований», Геленджик, 1999; третьих, четвертых и пятых геофизических чтениях им. В.В. Федынского, Москва, ГЕОН, 2001, 2002, 2003; заседаниях научно-технических советов НПО Южморгеологии, КФНИИМорнеофизики и НПО «Нефтегеофизприбор»; кафедре геофизики КубГУ, 1999,2001, 2003.

Публикации. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 35 печатных работах, в том числе в 7 авторских свидетельствах на изобретения, в двух научно-аналитических обзорах и в монографии. Результаты работ по теме исследований изложены также в 7 отчетах о НИОКР (в фондах НПО «Южморгео», ВМНПО «Союзморгео», КФНИИМоргеофизики и НПО «Нефтегеофизприбор»), выполненных при личном участии или под руководством соискателя.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Объем работы 331 страниц текста, который иллюстрируется 161 графиками, сейсмограммами, рисунками, фотографиями и 28 таблицами. Список использованной литературы включает 164 названия.

Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность своему учителю, заведующему кафедрой сейсмометрии и геоакустики МГУ, профессору, доктору физ.-мат. наук Аркадию Васильевичу Калинину и скорбь по поводу его безвременной кончины.

В решении задач, рассмотриваемых в настоящей работе, принимал участие в той или иной степени весь коллектив отдела морских невзрывных источников НИО-8 во главе с В.И. Тюхаловым. Практически на всех этапах исследований принимали участие сотрудники сектора теоретических и экспериментальных исследований В.Д. Карпенко, В.А. Шлыков, [Ю.Л. Романенко, | Ю.Б. Леонтьев, В.В. Шутов, сотрудники конструкторского сектора В.А. Ежов, Н.И. Федорчуков, В.Д. Громов, И.М. Рыжов, В.Г. Морозов, сотрудники сектора электронных систем управления Е.Ю. Якуш, Г.В. Кармацкий, A.B. Ковалевский, Г.В. Акулов. [а.П. Никитина! Т.М Дорохина, а также сотрудники группы информа-

ционного обеспечения во главе с П.Г. Куприяновым

Выполнение разработок, изготовление их,в виде опытных и серийных образцов, полигонные и морские испытания были бы невозможны без активного участия сотрудников конструкторско-технологического отдела В.Н. Михайленко, В Н. Ушканова, Н.Е. Бой-чевской, В.Я. Вертлибы, без содействия руководителей и сотрудников завода «Моргео-физприбор» А.Г. Жихарева, H Ф. Зилитинкевича. М.Ф. Овчаренко и др, а также руководителей НПО «Союзморгео» |ЯП. МаловицкогоЦв.К. Утнасина,| Л.И. Кузьменко, руководителей КФ НИИМоргеофизики Ю.В. Коноплева, В.П. Журавлева, Е.В. Завалко, руководителей НПО «Нефтегеофизприбор» В.Ф. Позднякова, В.Д. Никитенко, В.Н. Колесникова и В.П. Желнина.

В обработке материалов сравнительных испытаний источников действенную помощь оказывали сотрудники КОМЭ ПО «Союзморгео» В.В.Трофимов и В.П.Газарян; в обсуждении результатов работы и доброжелательной поддержке ее на всех этапах неоценимую роль сыграли |Е-,Е. Земцов|и Д.П. Земцова.

Всем перечисленным лицам автор приносит свою глубокую благодарность.

Особую признательность и благодарность автор выражает ректору Кубанского государственного университета, академику РАН, профессооу Бабешко В.А, а также зав. кафедрой геофизики профессору Дембицкому С.И., неизменным вниманием и помощью которых автор пользовался в течение всех последних лет работы над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ В МОРСКОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКЕ (ОБЗОР)

Первая глава содержит обзор современного состояния пневмоисточников для морской сейсморазведки и посвящена анализу конструкций, характеристик и способов теоретического описания излучающих систем на основе подводного выхлопа сжатого воздуха, средств контроля и управления ими, обоснованию целей и задач исследований.

В последние 40 лет в России и за рубежом на конструкции пневмоисточников было зарегистрировано множество патентов и авторских свидетельств, при этом количество конструкций, реально получивших практическое .применение, также велико и достигает двух-трех десятков. Конструкции и основные характеристики наиболее известных из зарубежных и отечественных разработок рассмотрены в первом разделе главы.

Первый пневматический источник был разработан в США в начале 60-х годов (L.R. Padberg, патент США №3077944) и представлял собой тонкостенный резиновый шар, в который под большим давлением закачивался сжатый газ. Прототипом современных пневмоисточников стали конструкции, разработанные в Lamont Geological Observatory США, а также фирмой Bolt Associates, Inc. (S.V. Chelminsky и др., патенты США №3240177, №3310128, №3379273, и др.). В последующие годы среди источников этого типа за рубежом получили известность такие конструкции, как пневмопушки PAR и Mobile Magnetic (Bolt Associates, Inc., США), Seismojet (Commercial Solvents, США), LRS-6000 (Litton Resources Systems, США), GSI, ARDCO и др.

Из тех конструкций, которые получили за рубежом широкое применение при производственных работах в конце 80-х начале 90-х годов, после излучателей PAR, наиболее популярны излучатели Sleeve Gun (H. Harryson и др., Geophysical Service International при участии Texas Instruments, Inc., а затем Halliburton Geophysical Services, США). Для использования в линейных и площадных группах, уже повсеместно применяемых в это время при морской сейсморазведке, обе конструкции представлены несколькими типоразмерами, в совокупности образующими обширные наборы излучателей разного объема и позволяющими синтезировать группы с различными спектральными и энергетическими характеристиками излучаемых сигналов.

Так, излучатели PAR имеют 9 основных моделей (морские и скважинныс излучат е-

ли) с объемами рабочих камер от 0.008 до 164 дм1. С конца 80-х годов фирма Bolt Technology Corporation без изменения конструктивной схемы усовершенствовала технологию производства, применила новые полимерные материалы в уплотнениях и в результате заметно расширила номенклатуру выпускаемых пневмоисточников. Кроме новых моделей излучателей для морской сейсморазведки, появляются портативные переносные комплексы для возбуждения сигналов в мелких скважинах при наземной сейсморазведке, на предельном мелководье и в транзитной зоне, а также скважинные комплексы для возбуждения сигналов на глубинах до 2500 м при работе по технологии «WELLSEIS».

Излучатели Sleeve Gun хотя и представлены всего тремя типоразмерами с диапазоном объемов от 0.16 до 7.37 дм3, однако имеют более высокий акустический к.п.д. и несколько лучшие эксплуатационные характеристики. С середины 90-х годов излучатели Sleeve Gun выпускаются уже под маркой фирмы INPUT/OUTPUT, Inc. (США), количество типоразмеров уменьшено до двух: Sleeve Gun-l (0.16 - 0.66 дм3) и Sleeve Gun-ПВ (1.15 — 4.92 дм3), однако именно эти излучатели наиболее широко применяются за рубежом в линейных и площадных групповых излучающих системах

В последние годы за рубежом появились пневматические излучатели оригинальной конструкции GI GUN, Mini GI GUN и G.GUN (разработка фирм Seismic Systems, Inc. США и Sodera, Франция), имеющие улучшенные акустические характеристики.

Излучатели GI GUN и Mini GI GUN («G» - Generator, «I» - Injector) - характеризуются значительно меньшими пульсациями воздушного пузыря и представляют собой спаренныс излучатели, имеющие независимое управление. Гашение пульсаций в этих системах осуществляется по известному способу (М.И. Балашканд и др.): в пузырь, образовавшийся при срабатывании излучателя «G», после его расширения производится выхлоп сжатого воздуха из второго излучателя «I». При правильном подборе объемов «G» и «I» (7= и <7, где и - 3-г4) происходит почти полное подавление пульсаций, однако общий акустический к.п.д. такой системы в и раз ниже.

Излучатели G.GUN могут работать при давлении до 20.6 МПа и применяются в параллельных кластерах, где даже при синхронном срабатывании излучателей заметное подавление пульсаций обеспечивается за счет взаимодействия близко расположенных пульсирующих в воде полостей.

С 1964 г. аналогичные изобретения начинают появляться и в СССР, при этом в числе первых отечественных разработок пневматических источников следует отметить ряд конструкций, разработанных в Раменском отделении ВНИИГеофизики: ПИ-1А, ПИ-1Б, ПИ-IB, ПИ-1Г, ПИ-1Д, ПИ-4, ПИ-5 и др. (а.с. СССР №325629, №391509, №438961, №656009 и др., М.И. Балашканд, С. А Ловля, О. Л. Чен, Ю.Б. Сапсович и др ).

В конце 70-х годов в Геленджикскоч отделении НИИМоргеофизики НПО «Южмор-гео» были разработаны пневматические излучатели «Импульс-1», позже «Импульс-2» и «Импульс-3» с внешним подвижным цилиндром, имеющие более высокие акустические характеристики (ас. СССР № 658518, № 915037, А.М. Грибанов, Ю.А. Москаленко, И.В. Паличев, Л.Г. Акентьев, Н.В. Бадиков, Ю.Л. Козлович, Э.Г. Матвеев, Б А. Штефан и др.). Усовершенствованный аналог этой конструкции источник И! 11-1, имеющий более высокую скорость вскрытия и вследствие этого более высокий к.п.д., в начале 80-х годов разработан в НИИМоргеофизики НПО «Южморгео» г. Краснодар (ас. СССР № 803679, № 965175, В.И. Тюхалов, В.А. Ежов, В.И. Гуленко, Ю.Л. Романенко, ВН Ушканов, В.Н. Михайленко и др.) и в течение ряда лет выпускался Краснодарским заводом «Моргео-физприбор». В это же время в НПО «Южморгеология» г. Геленджик разработан и другой аналог этой конструкции - источник ШИП-1 (Н.В. Бадиков, A.M. Грибанов, Ю.Л. Козлович, Ю.А. Москаленко, И.В. Паличев), в котором осуществляется некоторое ослабление пульсаций излучаемого сигнала вследствие затягивания процесса выхлопа из рабочей камеры, разделенной на две части специальной перегородкой с отверстиями. Аналогичный эффект в излучателях PAR, например, достигался применением устройства WSK -подобной же диафрагмы с отверстием, разделяющей рабочую камеру на две части. > •

В 1983 г. в НИИМоргеофизики ВМНПО «Союзморгео» г. Краснодар в содружестве с Раменским отделением ВНИИГеофизики разработан источник повышенной мощности ПИ-200 (В И. Тюхалов, М.И. Балашканд, В.И. Гуленко, В.А. Ежов, В.Н. Михайленко, В.Н. Ушканов, Н.И. Федорчуков и др.), выполненный по схеме ПИ-IB, но имеющий более простую конструкцию и давление до 20 МПа. В течение ряда лет этот источник успешно применялся при производственных работах в тресте «Севморнефтегеофизика».

В 1986 г. в НИИМоргеофизики ВМНПО «Союзморгео» г. Краснодар разработан ряд пневматических излучателей «Сигнал», состоящий из трех типоразмеров «Сигнал-5», «Сигнал-6», «Сигнал-7», и предназначенный для использования в больших группах (В.И. Тюхалов, В.И. Гуленко, В А Ежов, Н И. Федорчуков, Ю.Л. Романенко, В.Д Громов и др.). В течение шести лет эти источники выпускались сравнительно большой серией (более 600 излучателей) и широко применялись при производственных работах всеми подразделениями ВМНПО «Союзморгео». В последующие годы в Краснодарском филиале НИИМоргеофизики (с 1988 г. НПО «Нефтегеофизприбор») были разработаны и другие пневмоисточники - «Лиман» для предельного мелководья, погружной источник СПИ-1 для вертикального сейсмического профилирования и др., однако из-за кризиса, последовавшего в отрасли в 90-х годах, эти разработки не были доведены до серийного выпуска.

В 1989-1992 г.г. в КБ «Машиностроение» НПО «Искра» г. Пермь проводилась разработка пневмоизлучателей «Посейдон» (В.М. Дементьев, Е.М. Митин, С.И. Десятков, В.И. Шапорев и др.). Разработанные макеты имели оригинальную конструкцию, отличались высокими акустическими характеристиками и некоторое время находились в опытной эксплуатации в тресте «Севморнефтегеофизика» г. Мурманск, однако серийное производство, их также не состоялось, . ; <,

В, 1991 году в НИИМоргеофизики ПО «Союзморгео» г. Мурманск разработан ряд пневмоизлучателей. «ПУЛЬС-2», состоящий из трех типоразмеров с разньми объемами, и также предназначенный для использования в группах (патенты РФ №970984, №1373196, №2034310, авторы В.К. Утнасин, Ю.А. Москаленко, A.M. Грибанов, А.М. Скрицкий, H.H. Балабонцев, Н.В. Бадиков, Ю.Л. Козлович и др.). Близкий аналог этой конструкции - источник «ПУЛЬС-5» - с середины 90-х годов выпускается в ООО «ПУЛЬС» г. Геленджик (В К. Утнасин, Н.В. Бадиков, Ю.А. Москаленко, Ю.Л. Козлович и др.)

В последние годы в разработках пневмоисточников в России наблюдается некоторое оживление: в 2000 году в ООО «ПУЛЬС» была завершена разработка источников «ПУЛЬС-б» и скважинного варианта «ПУЛЬС-бС» (свидетельства на полезную модель № 13433, № 13705 Н.В. Бадиков, Ю.А. Москаленко, Ю.Л. Козлович, A.M. Игнатов, В.М. Харитонов и др.), в ООО «Ингеосейс» был разработан погружной источник ПИК-1 (В.Н. Ушканов, В.И. Гуленко, В.И. Тюхалов и др.), новые разработки ведутся и в НИИМоргеофизики г.Мурманск (A.M. Скрицкий, Н.Н Балабонцев и др.).

Во втором разделе приведен обзор работ, посвященных теоретическому и экспериментальному изучению процесса подводного выхлопа сжатого воздуха при срабатывании пневматического излучателя.

Подводный выхлоп сжатого воздуха является быстропротекающим процессом, имеющим взрывной характер, поэтому экспериментальное исследование его параметров связано с известными трудностями.

Так, например, скоростная киносъемка, применявшаяся в шестидесятые и семидесятые годы, позволяла лишь очень приблизительно оценить некоторые параметры процесса пульсации в воде воздушной полости. При этом собственно процесс срабатывания излучателя в воде практически недоступен для непосредственного изучения.

В этой связи, большая часть экспериментальных работ ограничивалась изучением акустических характеристик сигналов, возбуждаемых пневматическими излучателями, а также определением зависимостей таких параметров сигналов, как амплитуда, период пульсации, длительности фаз сжатия, акустическая энергия и др., от основных параметров возбуждения - рабочего давления, глубины погружения, объема рабочей

б! , .„ . о, ,

камеры. К числу таких работ можно отнести работы Giles B.F. - 1968, Балашканда М.И. - 1970, Mayne W.H., Quay R.G. - 1971, Giles B.F., Johnston R.C. - 1973, Непроч-нова Ю.П. и др. - 1975, 1976, 1979, Johnston R.C. - 1980 и др. ■

Тем не менее, все возрастающие требования к конструкции излучателей, сочетающие как необходимость повышения их надежности и долговечности, так и повышения их акустических показателей - обусловили необходимость более серьезного изучения динамики протекающих процессов, в том числе и на теоретическом уровне.

Простейшей и наиболее популярной теоретической моделью подводного выхлопа сжатого воздуха является пульсирующая в жидкости сферическая газовая полость. При этом центральной проблемой в теории излучения звука пульсирующей в безграничной жидкости полостью является проблема описания ее движения. Этому вопросу посвящено значительное число работ, относящихся к исследованию акустической кавитации (Акуличев В.А. - 1968, Левковский Ю.Л. - 1969, Морозов В.П. - 1969 и др.), расчету поля давления от взрывов газовых смесей и конденсированных взрывчатых веществ (Коул Р.- 1950, Keller J., Kolodner J.- 1956, Яковлев Ю.С.- 1961, Когарко С.М. - 1975 и др.), от электрических разрядов в воде (Баженова Т.В., Солоухин Р.И. -1959, Наугольных К.А, Рой H.A. - 1971 и др.), от выхлопа сжатого воздуха в воду пневматическим излучателем (Грибанов A.M. - 1972, Балашканд М.И. - 1977, Safar М.Н. - 1976, Ziolkowsky А. - 1977, Грибанов A.M., Акентьев Л.Г. - 1980, Максаков A.A., Рой H.A. - 1980, Johnston R.C. - 1980, Miksis M.J., Lu Т. - 1984 и др.).

Основополагающим исследованием в проблеме описания движения полости является данное Рэлеем классическое решение задачи о схлопывании сферической полости в неограниченном объеме невязкой несжимаемой и лишенной поверхностного натяжения жидкости под действием постоянного давления. Все дальнейшие решения сводятся, по существу, к анализу принятых Рэлеем допущений и учету реальных свойств жидкости.

Для описания движения полости можно пользоваться разными аппроксимациями. Все они по-разному учитывают сжимаемость жидкости, при этом каждая из них приводит к определенному нелинейному дифференциальному уравнению движения границы раздела полости.

Аппроксимаиия нулевого порядка. Простейшая модель пневматического источника в виде газовой сферы была рассмотрена в ряде работ (Грибанов A.M.-1972, Giles B.F., Johnston R.C.-1973 и др.). За основу этой модели взято дифференциальное уравнение Рэ-лея для сферической газовой полости, давление в которой в начальный момент времени равняется рабочему давлению воздуха Р0ь а начальный объем равен объему рабочей камеры излучателя. При этом изменение давления газа в полости на всех стадиях процесса считается адиабатическим. Сжимаемость воды, наличие излучателя и влияние происходящих в нем процессов в этой модели не учитываются. Поэтому такая модель может применяться лишь в первом приближении как чисто качественная иллюстрация процесса пульсации в жидкости воздушного пузыря.

Аппроксимация первого порядка. Применительно к подводному выхлопу сжатого воздуха эта модель использовалась в работе Джонстона (Johnston R.C. - 1980) и основывалась на применении дифференциального уравнения Келлера-Колоднера для описания процесса пульсации газовой полости в сжимаемой жидкости.

В этой модели учитываются потери энергии на акустическое излучение, поэтому решение уравнения Келлера-Колоднера является затухающим и непериодическим. Однако в ней также не учитываются наличие излучателя и влияние происходящих в нем процессов, а также теплообмен между воздухом в полости и окружающей жидкостью.

Аппроксимаиия второго порядка. Эта аппроксимация - аппроксимация Кирквуда-Бете - была разработана применительно к подводным взрывам конденсированных ВВ, характеризующихся очень высокими давлениями продуктов взрыва и, соответственно, высокими скоростями расширения пузырей, сравнимыми со скоростью звука в воде. Для описания свободных колебаний воздушного пузыря в сжимаемой жидкости эта модель,

описываемая дифференциальным уравнением Джилмора, впервые была применена А Циолковским (Ziolkowsky А - 1970).

'' Хотя автор в своей работе и предпринял попытку учесть потери энергии на тепло'' обмен между воздухом в полости и окружающей жидкостью, однако наличие излучателя и влияние происходящих в нем процессов в этой модели также не учитываются. Кроме того, как показывают расчеты, при исходных параметрах задачи, соответствующих типичным napáMeTpaM Подводного пневмовзрыва, решение уравнения Джилмора полностью совпадает с решением уравнения Келлера-Колоднера, поэтому применение аппроксимации второго порядка для решения этого класса задач не является оправданным.

Модель в виде сферического газового слоя В некоторых работах (Schulze-Gattermann R. - 1972; Грибанов A.M., Акентьев Л.Г. - 1980) были получены теоретические оценки параметров сигнала давления, излучаемого пневматическим источником, физической моделью которого является сферический слой со сжатым газом, содержащий внутри себя абсолютно жесткую сферу. Такая модель несколько ближе К реальности И учитывает влияние корпуса излучателя на расширение полости,-однако описание Динамики процес-, са, а особенно акустического излучения на начальной стадии выхлопа, также является приближенным и отличается от данных эксперимента

Модель Шульие-Гаттерманна. В отличие от модели сферического слоя, рассмотренной Грибановым A.M. и Акентьевым Л.Г. на основе уравнения Рэлея для адиабатического изменения состояния газа в пузыре, модель сферического слоя Шульце-Гаттерман-на построена на основе уравнения Келлера-Колоднера в предположении об изотермично-сти процесса изменения состояния воздуха в пузыре при его пульсации в воде.

Некоторые расчетные характеристики, полученные для модели Шульце-Гатгер-манна, несколько ближе к экспериментальным (период пульсаций), однако другие показатели (амплитуда и форма сигнала) отличаются от характеристик реального процесса

Модель Сафара. В отличие от всех других моделей, в которых пневматический источник моделируется воздушной сферой с начальным объемом, равным объему рабочей камеры излучателя, в теоретической модели Сафара (Safar М.Н. - 1976) предложено аппроксимировать форму пузыря на начальной стадии процесса эквивалентной сферой, площадь поверхности которой равна суммарной площади выхлопных окон излучателя. Кроме того, предполагается, что первый импульс излучаемого акустического сигнала достигает пикового значения при полном открытии выхлопного отверстия, а движение подвижного поршня происходит под действием постоянного давления.

Расчетные характеристики процесса подводного, выхлопа, полученные с помощью , модели Сафара, позволяют точнее оценивать не только амплитуду, крутизну и форму первого пика давления излучаемого сигнала, но и период его пульсации. Тем не менее, основные параметры, характеризующие динамику работы собственно, излучателя, в модели Сафара определяются или слишком приближенно, дли не определяются ворбще.

Модель Максакова-Роя. Важным шагом в изучении процесса подводного .выхлопа сжатого воздуха явилась работа (Максаков A.A., РЪй H.A.,- 1980), в которой рассматривается система дифференциальных уравнений, описывающая импульсное истечение газа в воду через отверстие, площадь сечения которого изменяется во времени по любому наперед заданному закону. Давления воздуха в камере постоянного объема и в пузыре выражаются из закона сохранения энергии и из уравнения состояния и сохранения массы газа при перетекании его из камеры в пузырь. Расход газа в пузырь при изоэнтропном течении дается формулой Сен-Венана и Ванцеля, в которой площадь отверстия задавалась , линейно изменяющейся во времени, при этом для описания движения стенок пузыря использовалось уравнение Рэлея. .

Такая модель уже позволяет количественно оценить влияние скорости открытия выхлопного отверстия, его максимальной площади и начального давления газа на акустическую эффективность процесса подводного выхлопа Однако в реальных конструкциях пневматических излучателей площадь выхлопного отверстия является сложной функцией как конструктивных параметров, так и параметров газа в рабочей и управляю-

щей камерах и в полости, и изменяется во времени отнюдь не по линейному закону. Поэтому более точное описание процесса подводного выхлопа может быть построено лишь с учетом динамики подвижного элемента излучателя.

Таким образом, попытки описания процесса подводного выхлопа сжатого воздуха и формирования упругого сигнала в воде приведены в ряде работ. Однако, как отмечают многие из авторов, все теоретические оценки существенно отличаются от экспериментальных. Основная причина расхождений - значительное отличие моделей, выбранных для теоретического анализа, от реального процесса срабатывания пневмоизлучателя.

В этой связи совершенно очевидно, что разработка нового поколения пневматических излучателей, имеющих как высоте акустические характеристики, так и отличающихся «мягкой» динамикой, которая обеспечит им высокую надежность и долговечность, обязательно предполагает разработку гораздо более совершенной математической модели, адекватно описывающей процесс подводного выхлопа сжатого воздуха при срабатывании пневматического излучателя, и применяемой в сочетании с экспериментальным изучением не только акустических, но и динамических характеристик,разрабатываемых конструкций.

В третьем разделе рассмотрены вопросы группирования пневматических излучателей: сформулированы основные принципы построения компактных, линейных и площадных групп, приведены конструкции и основные характеристики наиболее известных зарубежных и отечественных групповых пневматических источников.

Энергетически более выгодным является однородное группирование - группирование идентичных невзаимодействующих или слабовзаимодействующих излучателей, -позволяющее при оптимальном заглублении обеспечить максимальные плотности потока излучаемой акустической энергии Суммирование сигналов во временной области при этом происходит практически линейно, вследствие чего недостатком однородных групп пневматических источников является наличие интенсивных пульсаций и сравнительно большая длительность суммарного сигнала, что сказывается на разрешенное™ записи и ограничивает область их применения. Однако именно с использованием мощных однородных низкочастотных групп можно достигнуть максимальной глубинности при региональных сейсмических исследованиях MOB и КМПВ.

Как показывает опыт зарубежных и отечественных фирм, при поисковых и детальных морских сейсморазведочных работах на нефть и газ в последние 15-20 лет повсеместно применяются неоднородные группы пневматических источников. Такие группы позволяют формировать сравнительно простые по форме и короткие по длительности суммарные импульсы-посылки, обеспечивающие как необходимую глубинность разведки, так и сравнительно высокую разрешенность записи. Подавление пульсаций при этом достигается группированием пневмоизлучателей разного объема, сигналы которых имеют различные периоды пульсации. Геометрические размеры таких источников могут быть достаточно велики (база группирования до 300 м, а иногда и больше), что позволяет использовать их в качестве направленных интерференционных излучающих систем. Объемы камер излучателей, их количество, база группирования и глубина погружения при этом выбираются таким образом, что при синхронном срабатывании группы первые пики давления сигналов отдельных излучателей суммируются синфазно, а повторные удары (с учетом отражения от поверхности «вода-воздух») складываются в противофазе.

За рубежом в последние 15 лет широкое применение получили неоднородные группы, содержащие десятки (а по отдельным публикациям и до сотни) излучателей с суммарным объемом запасенного воздуха от 9-10 до 160 дм3 при рабочем давлении от 13.7 до 34.0 МПа. Наиболее известными из них являются пневматические группы, разработанные американскими фирмами Bolt Technology Corporation, Geophysical Service International, Halliburton Geophysical Services, Western Atlas International, а также европейскими фирмами - GECO (Норвегия) и Prakla-Seismos GMBH (ФРГ).

В четвертом разделе приведен обзор работ, по теории группирования взаимодействующих пневмоисточников и разработке методов расчета их конфигураций.

Конечной целью подобных расчетов является синтез такой группы, которая излучает сигнал с заданными акустическими характеристиками. Учитывая то, что сигналы отдельных пневматических излучателей осложнены многочисленными пульсациями и имеют сравнительно небольшую амплитуду и большую длительность, задача формирования группы с коротким и широкополосным суммарным сигналом высокой интенсивности является весьма непростой. Особую проблему при этом создает взаимное акустическое влияние излучателей в группе - нелинейный. процесс, сложно влияющий на динамику пульсирующих воздушных пузырей и, соответственно, приводящий к дополнительным искажениям возбуждаемых ими акустических сигналов

В первых работах, посвященных вопросу группирования пневматических излучателей, проблема взаимного акустического влияния либо вообще игнорировалась (Ziolkowslcy А. - 1970), либо делались попытки избежать взаимного влияния путем группирования источников на большой базе. При этом основное внимание уделялось определению такого минимального расстояния между излучателями, при котором этим эффектом можно пренебречь (Giles В F., Johnston R С. - 1973, Safar М.Н. - 1976, Nooteboom 11. - 1978). По разным оценкам критическое расстояние составляет от 8.2 до 10 Rp, где Rp -равновесный радиус полости Тем не менее, результаты эксперимента (Vaage S., Ursin В., Haughland К. - 1984) показывают, что пренебрегать взаимным влиянием .излучателей нельзя даже при расстояниях, превышающих 10 Rp •

Более того, в работе (Ziolkowsky A., Parkes G., Hatton L., Haughland Т. - 1982) показано, что принцип суперпозиции неприменим для сигналов от двух излучателей, находящихся друг от друга на расстоянии, меньшем длины излучаемых акустических волн, т.к. при этом нарушается закон сохранения энергии. Отсюда следует,.что взаимным влиянием можно пренебречь толвков случае,¡когда расстояние между излучателями больше или порядка длины излучаемых акустических волн, при этом взаимное влияние больше проявляется на низких частотах, чем на высоких

; В работе (Giles B.F., Johnston R.C.-1973) была предложена методика расчета импульса давления в дальней зоне от группы пневматических излучателей с учетом взаим-, ного влияния. Суммарный сигнал от группы рассчитывается как суперпозиция сигналов давления от всех излучателей группы, измененных взаимным, влиянием. Измененные импульсы давления от каждого излучателя, рассчитываются, путем масштабных трансформаций .неизмененных экспериментальных импульсов, степень которых для каждого момента времени выбирается ^как функция амплитуды динамического фона давления в окрестности каждого излучателя в соответствии с известными эмпирическими зависимостями. Расчет измененных импульсов производится по итерационной схеме и характеризуется неплохим совпадением с данными эксперимента.

В работе (Sinclaire r,E.,.Bhattacharya G.-1980) рассмотрено взаимное влияние в частотной области неимпульсных (вибрационных) излучателей. В работе отмечено отличие взаимного влияния импульсных излучателей от вибрационных и сделан вывод о том, что для удовлетворительного расчета взаимного влияния необходимо обязательно учитывать динамику, пульсирующих полостей.

В работе (Dragoset W.H.-1984) за основу модели взаимного влияния взято уравнение Джилмора, которое описывает движение газового пузыря в сжимаемой жидкости (аппроксимация 2-го порядка). Движение каждого пузыря группы определялось начальными условиями,.а также внешним давлением, которое представляет собой сумму гидростатического давления и динамического фона, обусловленного акустическим излучением соседних пузырей. Изменение давления в пузыре и в рабочей камере излучателя рассчитывалось с учетом перетока воздуха из излучателя в пузырь через отверстие постоянного диаметра, в течение ограниченного интервала времени т. Значения таких параметров модели, как коэффициенты затухания, длительность интервала т, а также показатель политропы для воздуха определялись путем подгонки расчетных сигналов к измеренным. '

Хотя эта модель взаимного влияния и выглядит более проработанной по сравнению

с рассмотренными выше, однако она тоже опирается на слишком упрощенное описание процесса и, как следует из представленных результатов, также далека от совершенства. 1

Таким образом, теории группирования взаимодействующих пневматических источников и разработке методов расчета их конфигураций посвящен целый ряд работ Общим их недостатком является очень грубое приближение в описании процесса подводного выхлопа, или даже полное его игнорирование (как, например, в работе Giles B.F., Johnston R.C.-1973). Другая причина слабого совпадения измеренных и расчетных сигналов пневматических групп, по-видимому, носит объективный характер и состоит в том, что форма пузыря в процессе его пульсаций не остается стабильной.

Тем не менее, необходимость создания новых групповых пневматических источников с заданными сейсмическими характеристиками требует дальнейшего совершенствования не только техники, но и технологии группирования пневматических излучателей, основанной на использовании более точных теоретических моделей.

В пятом разделе рассмотрены системы управления пневмоисточниками: сформулированы принципы их построения и предъявляемые к ним требования.

Применяемые в настоящее время при морской сейсморазведке групповые пневматические источники должны иметь в своем составе и достаточно сложные средства управления, с широкими функциональными возможностями, обеспечивающие запуск и автоматическую синхронизацию излучателей, контроль их работы, а также текущий контроль параметров группы и акустических характеристик возбуждаемых сигналов.

Наиболее известными из зарубежных систем контроля и управления пневматическими группами являются разработки таких американских фирм, как Input/Output Inc., Litton Resources Systems, Texas Instruments Inc., Macha Inc., Syntron Inc., а также Prakla-Seismos GMBH (ФРГ) и GECO (Норвегия).

Так, выпускавшаяся фирмой Prakla-Seismos GMBH система VZAD, применялась для контроля и управления сравнительно небольшими группами малой и средней мощности, содержащими до 20 излучателей. Система VZAD имела микропрограммное управление, обеспечивающее достаточно широкий набор функциональных возможностей, включая автоматическую синхронизацию излучателей, установку и измерение времен их срабатывания с точностью до 0.1 мс, а также контроль акустических характеристик группы путем регистрации сигналов в ближней зоне в 8 точках.

Близкие характеристики имели и системы «Aircon 1-81» на 30 каналов управления, разработанная фирмой Input/Output Inc., LRS-I00 на 64 канала управления, разработанная фирмой Litton Resources Systems, а также «Gunda», разработанная норвежской фирмой GECO. Последняя имела 34 канала управления и 24 канала для подключения гидрофонов, содержала в своем составе управляющую ЭВМ HP 9826, и обеспечивала постоянный контроль взаимного расположения в пространстве отдельных буксируемых подгрупп.

Еще большее разнообразие функциональных возможностей обеспечивала система «Tiger П», в конце 80-х годов разработанная фирмой Texas Instruments Inc. В состав этой системы кроме основного контроллера с микропрограммным управлением на 64 канала, содержащего блок синхронизации и запуска, блок контроля, дисплей, тестер линии и др., входила также отдельная подсистема контроля качества работы источника, реализованная на ЭВМ TI 990, и обеспечивавшая постоянный мониторинг всех основных технологических параметров работы источника на профиле.

Близкие характеристики имел и контроллер GCS 90. Этот контроллер, выпущенный также американской фирмой Syntron Inc., работал под управлением ЭВМ PC/AT - 386/25 с операционной системой DOS 4.01. Контроллер имел модульное исполнение и мог обеспечить работу от 8 до 128 пневмоизлучателей в группе, при этом их запуск, а также измерения временных интервалов осуществлялись с точностью до 0.1 мс. Контроллер GCS 90 был снабжен системой самотестирования, в нем эффективно выполнялся контроль основных технологических параметров — времен срабатывания излучателей и глубин их погружения, а при работе на профиле эти параметры регистрировались в протоколе.

В последние годы в число лидеров по выпуску систем управления взрывными и не-

взрывными сейсмическими источниками вышла американская фирма Macha International Inc., обеспечивающая своей продукцией значительную долю потребностей рынка США. В ряду контроллеров этой фирмы, предназначенных для пневматических групп,.следует отметить семейство аппаратуры для малоканальных групп GSU-4, GSU-8, а'особенно гибко конфигурируемую систему «The Gun Network»,. реализованную по модульному принципу с использованием сетевых компьютерных технологий.

Из отечественных разработок следует отметить такие системы, как ПУ-2, БУК-1 и КПИ-1, разработанные в КФ НИИМоргеофиз'ики ВМНПО «Союзморгео», и в течение ряда лет выпускавшиеся серийно Краснодарским заводом «Моргсофизприбор»

Так, 4-х канальный пульт управления ГТУ-2 выпускался до 1983 г. и применялся с групповыми пневмоисточниками «Импульс-1» и' ЙГП-1. ,

Разработанный в 1983 году блок контроля и управления БУК-1 уже обеспечивал запуск до 20 излучателей группы как одновременно, так и с регулируемыми задержками, которые корректировались вручную. Обе эти системы работали с излучателями, не имевшими встроенных датчиков момента срабатывания (ДМС). (,.

Более широкие функциональные возможности имел 10-канальный контроллер КПИ-1, разработанный в 1984 году! Наряду с обработкой сигналов общей отметки момента срабатывания группы, и измерением глубины ее погружения, при работе с излучателями, имеющими встроенные датчики (ДМС), контроллер обеспечивал возможность одновременной коррекции времен запуска излучателей для их синхронизации. К началу 90-х годов было выпущено~более 50 контроллеров КПИ-1.

Из российских pa3jtoí>OTOK последних лет наиболее близкими к лучшим зарубежным образцам были программируемый контроллер "АСТРА" ("АСТРА-М"), разработанный в НПО "Нефтегеофизприбор" г. Краснодар и выпущенный малой серией, а также контроллер "Кама" фирмы R&D Со. ARÜS Ltd. г. Пермь, разработка которого по ряду причин выпуском не завершилась

В конце первой главы', на основе выполненного обзора и анализа рассмотренных в нем сведений сформулированы цель й основные задачи диссертационной работы.

Глава 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ РЯДА «СИГНАЛ»

Вторая глава диссертации посвящена разработке пневматических излучателей «Сигнал», а также всестороннему - теоретическому и экспериментальному исследованию их динамических и акустических характеристик.

Первый раздел главы посвящен разработке пневматических излучателей ряда «Сигнал», этап ОКР которых был проведен в период с 1984 г. по 1985 г. - тема 58-8,4 (Тюха-лов В.И., Ежов В.А., Гуленко В.И, Якуш Е.Ю.). Целью этой разработки было создание такого ряда пневматических излучателей нового поколения, на основе которого стало бы возможным создание неоднородных пневматических групп, в которых подавление пульсаций суммарного сигнала достигается синхронным срабатыванием излучателей разного объема, собственные сигналы которых имеют различные периоды пульсации.

. В соответствии с техническим заданием к конструкции разрабатываемых излучателей предъявлялись следующие основные требования:

- рабочее давление сжатого воздуха - до 15 МПа;

- диапазон объемов рабочих камер — от 0.25 до 10 дм1;

- разброс времен срабатывания излучателей - не более +1.0 мс;

- минимальный интервал времени между срабатываниями - 6 с;

- рабочая глубина погружения излучателей — до 30 м;

- диапазон рабочих температур от -10 до +40 °С;

- средняя наработка на отказ - 20 тыс. циклов;

- средний ресурс излучателей - 120 тыс. циклов.

Кроме этого, излучатели должны быть выполнены из нержавеющих материалов и

должны иметь встроенные датчики момента срабатывания (ДМС), обеспечивающие определение момента срабатывания каждого излучателя с точностью до 0.1 мс. Целый ряд других требований к излучателям, изложенных в ТЗ на ОКР, обеспечивал их соответствие отраслевым стандартам на морскую геофизическую аппаратуру по условиям эксплуатации, хранения, упаковки, транспортировки и т.п.

Методика разработки излучателей ряда «Сигнал» предусматривала рациональное сочетание таких методов как конструкторское инженерное проектирование, математическое моделирование и исследование на его основе динамики процесса срабатывания излучателя при подводном выхлопе, экспериментальное исследование динамических и акустических характеристик разрабатываемых конструкций, полигонные и морские испытания макетов и опытных образцов

Важной особенностью этой разработки является сам принцип проектирования: после выбора конструктивной схемы основные размерные параметры излучателя задавались по результатам математического моделирования, после изготовления макетов некоторые параметры математической модели уточнялись и корректировались результатами эксперимента, а размерные параметры следующего макета корректировались с помощью уточненной модели. Такой подход позволил значительно сократить как сроки разработки, так и затраты на макетирование излучателей, обеспечив, в конечном итоге, создание отработанных опытных образцов, обладающих сравнительно высокими акустическими характеристиками в сочетании с '(мягкой» динамикой процесса срабатывания.

Конструкиия излучателей ряда «Сигнал» приведена на рис.1. Излучатель работает следующим образом. Сжатый воздух по гибкой пневмомагистрали через штуцер ()) подается в управляющую камеру (7), а через канал (9) и в рабочую камеру (8) источника. Подвижный цилиндр (5) под действием давления воздуха в управляющей камере занимает исходное положение, перекрывая выхлопные отверстия (6). В таком состоянии излучатель готов к работе. При включении элекгропневмоклапана (ЭПК) (13) сжатый воздух из рабочей камеры по каналу (11) перебрасывается под торец (12) цилиндра, в результате чего он начинает ускоренно перемещаться, открывая выхлопные отверстия (6) и освобождая запасенный в рабочей камере (8) сжатый воздух. Образуемый в жидкости в результате выхлопа пузырь, расширяясь, излучает первый положительный пик акустического давления. При перемещении подвижного цилиндра (5) вниз воздух в управляющей камере (7) начинает сжиматься, в то время как в рабочей камере вследствие выхлопа газа в воду давление быстро падает. Под действием разности, давлений подвижный цилиндр (5) останавливается и быстро возвращается в исходное положение.

После закрытия рабочей камеры процесс расширения полости происходит независимо от излучателя и определяется количеством истекшего воздуха Вследствие инерции потока жидкости пузырь расширяется за пределы радиуса равновесия, при котором давление в пузыре равно внешнему гидростатическому давлению. В результате этого в момент, когда радиальная скорость пузыря становится равной нулю, давление внутри пузыря оказывается намного меньше гидростатического. Под действием разности давлений пузырь начинает с ускорением схлопываться, излучая в момент достижения минимального размера второй положительный пик давления в окружающее пространство. Далее процесс повторяется, и пузырь совершает радиальные колебания с затухающей амплитудой до тех пор, пока либо энергия сжатого газа полностью не рассеется, либо пузырь не всплывет к поверхности.

Ряд излучателей «Сигнал» представлен тремя типоразмерами - «Сигнал-5», «Сигнал-6» и «Сигнал-7», в совокупности перекрывающими диапазон объемов рабочих камер от 0.25 дм3 до 10.0 дм3.

В этом же разделе подробно рассмотрена также конструкиия ЭПК и датчика момента срабатывания (ПМС). Приведенная на рис. 1 конструкция излучателя «Сигнал» с датчиком ДМС защищена авторским свидетельством.

Второй раздел посвящен теоретическому исследованию пневматических излучателей ряда «Сигнал» и разработке их математической модели.

Рис.1. Конструкция излучателей «Сигнал». Обозначение основных элементов: 1 -штуцер подвода сжатого воздуха; 2 - корпус; 3 - верхняя крышка; 4 - сменная крышка рабочей камеры; 5 - подвижный цилиндр; б - выхлопные окна; 7 - управляющая камера; 8 - ра-, бочая камера; 9 - отверстие для заполнения рабочей камеры; 10 - хомуты; 11 - канал для подачи запускающего импульса воздуха; 12 - верхний торец подвижного цилиндра; 13 - элек-тропневмоклапан (ЭПК); 14 - катушка электромагнита; 15 - якорь; 16 - датчик момента срабатывания (ДМС), 17 - мембрана; 18 - стеклотекстолиговые обкладки; 19 - дисковый пьезо-элемент; 20 - фигурная шайба; 21 - гайка; 22 - экранированный провод; 23 - штифт для фиксации ДМС в теле ЭПК; 24 - согласующее устройство; 25 - четырехконтактный'Электрический разъем. *■

Постановка задачи. Основные допущения и ограничения модели. В главе 1 было показано, что с точки зрения гидродинамики подводный выхлоп сжатого воздуха, как и любой физический взрыв, обычно рассматривается как процесс расширения газовой полости в жидкости. В настоящей работе на примере пневматического излучателя типа «Сигнал» построена математическая модель процесса подводного выхлопа сжатого воздуха, позволяющая на основе положений термодинамики переменного количества газа описать динамику срабатывания излучателя в функции реальных конструктивных параметров и рассчитать акустические характеристики излучаемых сигналов.

На рис.2 приведена расчетная схема, за основу которой была взята конструкция излучателя типа «Сигнал», с подвижным элементом, выполненным в виде цилиндра В исходном положении (на рис.2 справа) сжатый воздух при давлении Р01 и температурю Т01 заполняет рабочую камеру объемом У0, и управляющую камеру объемом ¥у = Б/1 + 5.Д,, где ¿5, - площадь выступа подвижного цилиндра со стороны управляющей камеры: <1 -длина управляющей камеры; й„ и 5Я — длина и площадь выборки в корпусе излучателя в

Рис.2. Расчетная схема пневматического излучателя типа «Сигнал»:

(а) - излучатель в исходном положении; (б) - излучатель в работе

определяется действием рабочего давления на разность площадей Sy и Sp со стороны управляющей камеры и на площадь S„ со стороны рабочей камеры. При срабатывании ЭПК на площадь S0 подается рабочее давление Ра и цилиндр массой Мч под действием разности сил, приложенных к площадям So, SKnSp,c одной стороны, и площадям Sy и S„ -с другой стороны, начинает ускоренно двигаться, разгоняясь на участке 0 <х <dr. При х > dr вскрываются выхлопные окна и сжатый воздух выбрасывается через расширяющуюся щель в воду (на рис.2 слева). По мере движения цилиндра объем тормозной части управляющей камеры уменьшается и давление в ней повышается, в то время как в рабо-

чей камере вследствие выхлопа воздуха в воду давление быстро падает Под действием разности давлений цилиндр постепенно останавливается и начинает ускоренно двигаться в обратном направлении, быстро закрывая выхлопные окна. При х <с1г переток воздуха из рабочей камеры в расширяющуюся полость прекращается, цилиндр возвращается в исходное положение, а начиная с этого момента процесс расширения и пульсаций полости протекает самостоятельно и от параметров конструкции излучателя не зависит.

В соответствии с положениями термодинамики переменного количества .газа (Мамонтов М.А., 1951) дифференциальные уравнения,' описывающие вменение,давления газа и его температуры в полости переменного объема V с давлением газа Р и температурой Т, в которую поступает сжатый газ в количестве из полости с давлением газа Р„ и температурой Т„ и вытекает в количестве (7уЛ в полость с давлением Ру, имеют вид:

где у- показатель адиабаты; Я. — газовая постоянная для воздуха; G„, Су - соответственно, расход газа в объем и из объема V в интервале времени Л, задаваемые уравнениями:

сп=к^„р„/4Щ;<р(р/р„)-, су =к^ур ЦЖТ<р{ру/р), к = 72у/(у-1), (3)

где р — коэффициент расхода; Ь'„ йу — соответственно, площади отверстий, через которые сжатый газ поступает в объем V и вытекает из него; <р(У) - функция расхода газа,

= при У.<Г< 1; ф(у) = <р(У.) = [2/(у+- 1)/(у +1) при 0<У< У.;

У» - [2/(у'г 1)],г(г'= 0,528 - критическое отношение давлений.

Уравнения (1) и (2) получены без учета внешнего теплообмена. Для воздуха, находящегося в рабочей и управляющей камерах, вследствие быстротечности процесса срабатывания излучателя это предположение вполне оправдано, однако в полости, имеющей большую площадь соприкосновения с жидкостью и корпусом излучателя и сравнительно большую длительность периода пульсации, пренебрегать внешним теплообменом нельзя. Предполагая теплоемкость переменной массы газа в полости постоянной в течение всего процесса, из первого начала термодинамики получим дифференциальное уравнение изменения давления газа в полости с учетом внешнего теплообмена и притока сжатого газа из рабочей камеры излучателя. Внешний теплообмен газа в полости при этом учитывается показателем политропы п:

-0^1) 1 ~пР~*\ ( ) где Т1 - абсолютная температура газа в рабочей камере излучателя; V — объем сферической полости радиуса К; Р — давление газа в полости; G^ — расход газа в полость.

Как показали выполненные исследования, на протяжении большей части периода срабатывания излучателя площадь выхлопных отверстий оказывается соизмеримой с площадью поперечного сечения рабочей камеры. В этом случае скорость течения воздуха перед входом в выхлопное отверстие уже не является пренебрежимо малой по сравнению со скоростью в отверстии, а поэтому зависимости (3), полученные для расхода газа при истечении его из неограниченного объема становятся неприменимыми. Необходимость более точного определения параметров газа в выхлопном отверстии обусловлена и тем, что движение цилиндра является функцией давления Р2, действующего на его разгонную площадь Бо Неточность в определении величины Р2 приводит к ошибкам в определении скорости цилиндра и, соответственно, площади выхлопного отверстия, от которой, в свою очередь, зависят все термодинамические параметры газа в камере и в полости.

Задача о течении воздуха в рабочей камере рассмотрена приближенно на основе описания процесса критического истечения газа из сосуда ограниченной емкости через

(1)

(2)

большое отверстие, т е для случая, когда скорость газа в выходном отверстии равна местной скорости звука (Мамонтов М.А., 1951). В основу решения задачи положено предположение о пропорциональном расширении газа, из которого следует линейный закон распределения скоростей элементов потока по длине цилиндрического сосуда и равенство внутренней энергии газа во всех сечениях в любой момент времени Последнее позволяет определить среднее давление воздуха Р} в камере из выражения общей внутренней энергии. Представив рабочую камеру в виде цилиндрического сосуда с площадью поперечного сечения Лт; = лЮг/4 и объемом У1 УВ1 \ (Бо + - ¿Уистечение воздуха из которого происходит через отверстие с переменной во времени площадью 1.(х -¡1Т) (где х - перемещение цилиндра в процессе срабатывания излучателя; Ь - общая длина выхлопных окон по периметру), для среднего давления воздуха в камере получим:

ар,/л - -где^,, (5)

где О] - расход воздуха из рабочей камеры в полость'

о^&лу^'П'ЪтР/Цйд* (6)

гдеу! Рк/Р,, у2 ~ ¡'2 /Рк; Р» Рз ~ соответственно, давление воздуха в рабочей камере у входа в выхлопное отверстие и давление в выхлопном отверстии - рис.2. Обозначив е -А = (у/2)!?у2Г^1>/у[1 — 0.5(у—1)у,ц], при е< 1 и 0 < А < 1 значенияу1 иу2можно определить следующим приближением (Мамонтов М.А., 1951):

у, (1 - 0,331А)/(1 + 0,35ЗА); у2 - (0,526 - 0,463е)/(1 - 0,943е).

В целом, полная система дифференциальных уравнений, описывающая процесс срабатывания пневматического излучателя и подводный выхлоп сжатого воздуха имеет следующий вид (Гуленко В.И., Карпенко В.Д. - 1985, 1988):

= +/>А --РА + Р„Бр -/»Л-РБВ ±РЩ (7)

сИ>

р

Л

Л1

= /г

Рр.Р.

<1УТ

>>•^01 >^»>^>>^011^» ^ , С 2 , С,

(1Т„ ( ¿Р ¿К

_£-= / р _Е. Т V -—- С й

(8)

ар

—= г л л

íму

ату л

л

Л ¿р

Л

ат

' Л ' '

Л

Л

7

Л К, Л ед 1

7-п

1 <#>

= Т(---+

РА V

а2к л2

рМ 0

2—{Р - Р0)+ Я

0/ Л

Г-1

1 ¿V ят

Л~~~РУ

ар~] Как

ШЪх-пР

л

С,),

Л

и*

Р\Л

<ж л

КсШ. \

А*-*).

(9)

J¡ '

(10)

(11) (12) (13)

В системе (7)—(13) дифференциальное уравнение (7) описывает движение подвижного цилиндра, Р„ = РУ - Р¡у¡^ - давление воздуха у дна рабочей камеры; Рр, Ру- соответственно, давление воздуха в управляющей камере по обе стороны от тормозного ус-

17

тупа цилиндра,SK1 S„, Sp, Sy So - площади кольцевых поверхностей - рис.2.

IG ила гидродинамического сопротивления, действующая на выступающую часть цилиндра площадью Sp, вычислялась по формуле. Fc - {[¡2)pQx2cxSD, где р0 - плотность жидкости; х - скорость цилиндра; сх - коэффициент лобового сопротивления (сх = 1.16 для круглого диска, сх- 1.78 для шайбы с d/D = 0.8 при Re >5-105 - Идельчик И.Е., 1975). После охвата выступа цилиндра расширяющейся полостью, величина Fc = 0.

Сила трения на уплотнительных кольцах вычислялась с помощью полуэмпирической зависимости (Кондаков Л. А., 1982)' F„p - яй (D, + D^P^jCnp, где h — Ширина уплотняемой поверхности (А = const); Рконт - среднее контактное давление по кольцу. Условный коэффициент трения Стр в зависимости от режима трения является функцией многих параметров: контактного давления, скорости скольжения, температуры, материала кольца и контртела, наличия пленки смазочной жидкости и ее вязкости 77. Из анализа этих параметров следует, что большую часть фрикционного пути цилиндр проходит со скоростями скольжения свыше 0.25 м/с в режиме жидкостного трения, для которого С.щ,= г]х/ Рк[тт8ж , где — толщина смазочной пленки (при расчетах принималось tj/S^ const - Кондаков Л.А ,1982) При скоростях цилиндра меньше 0 25 м/с в режиме граничного трения величина Сщ, считалась постоянной.

Уравнения (8) описывают изменения давлений Рр Ру и температур Тр Ту в управляющей камере, соответственно, по обе стороны от тормозного выступа цилиндра В зависимости от давлении Рр Ру ^положения тормозного выступа по отношению к отверстию в магистраль, давление P0j и температуру Т0, воздуха в которой считаем постоянными, эти уравнения имеют вид (1) для скорости изменения давлений и (2) для скорости изменения температуры. Объемы воздуха Vp н Vy и их производные вычисляются в зависимости от перемещения цилиндра х Расходы G2 и G; вычисляются в зависимости от параметров газа в объемах Vp и Vy и в магистрали по уравнениям (3), где G2 — расход сжатого воздуха в магистраль или из магистрали в объем Vy или Vp в зависимости от положения тормозного выступа по отношению к отверстию в магистраль; Cij — расход сжатого воздуха между объемами VynVp при перетоке novкольцевому зазору площадью ^ или S„

Уравнения (9) и (10) описывают изменение давления и температуры в рабочей камере. На участке разгона цилиндра х <dr, объем камеры рассчитывается по формуле:

V, = V0i + *(Sо + S, + SJ: dV/dt = (dx/dt)(S0 + S, - SJ, где Voi — объем рабочей камеры в закрытом состоянии. При этом полагается Р2 — Рк= Р»= Pi, а расход воздуха Gi в полость через отверстие по посадке между направляющими цилиндра и корпусом излучателя рассчитывается по уравнению типа (3). После открытия излучателя (при x>dr) объем рабочей камеры считаем постоянным. При этом в зависимости от е = S/Si расход газа G/, в полость вычисляется по уравнению (6); при S2>S1 s полагалось равным 1, a Р2=Р. '

Уравнения (11) и (12) системы описывают изменение, соответственно, давления и температуры воздуха в полости с учетом теплообмена с окружающей жидкостью.

■ Уравнение (13) - уравнение Келлера-Колоднера - описывает движение сферической газовой полости в жидкости, Ро - гидростатическое давление на глубине выхлопа; сд -скорость звука в воде; ро - плотность жидкости; R - текущий радиус полости.

Решение системы дифференциальных уравнений (7) - (13) осуществляется при следующих начальных условиях:

- х(0) = 0, х (0) - 0, Р/0) - Роь Т/0) = Т0,.

Р(0) = Ро, Т(0) = То, Р,(0) = Роь т,(0) = То,. (14)

Рр(0)= Р01, Тр(0) = Т01, R(0) =Ro, R (0) = 0, где P0i, T0i — рабочее давление сжатого воздуха и его абсолютная температура; Т0 - температура морской воды; R0 - начальный радиус полости.

Система уравнений (7) - (13) была затем преобразована к безразмерному виду, при-

ведена к системе дифференциальных уравнений 1-го порядка, после чего решение ее выполнялось на ЭВМ методом Рунге-Кутта-Гилла .

В ходе расчетов для каждого варианта конструкции определялись перемещение, скорость перемещения и ускорение цилиндра, давление воздуха в обеих частях управляющей камеры, в рабочей камере и в полости, а также радиус полости, скорость ее расширения и давление в акустической волне, вычисляемое по формуле:

I л » к(Р-Ро лд'Г л'

А2 л4

где г — расстояние от излучателя до точки, в которой рассчитывается сигнал.

(35)

I, мс

Рис. 3. Сравнение теоретических (а) и экспериментальных (б) зависимостей изменения давления воздуха в управляющей и рабочей камерах излучателя «Сигнал-6» (Уо1 = 2дм3, Р01 = 15 МПа, Р0 = 0.12 МПа - глубина погружения Ь„ = 2 м).

В качестве примера на рис.3 приведены расчетные и экспериментальные зависимости давлений воздуха в рабочей камере Рх ив обеих частях управляющей камеры, соответственно, Рр и Ру, полученные для излучателя «Сигнал-6» при У0/ — 2 дм3, Р<и = 15 МПа и Ра = 0.12 МПа (глубина Л, = 2м).

После экспериментальной проверки и уточнения некоторых констант модели (коэффициенты расхода, параметры трения - стр и т^бх, показатель политропы), был выполнен большой объем вычислительных экспериментов, позволивших выявить основные закономерности динамики процесса, характерные для пневматических излучателей разных типов, и определить характер влияния конструктивных параметров на акустические характеристики возбуждаемых сигналов. В ходе этих исследований были выявлены конструктивные параметры, которые в наибольшей степени определяют основные акустические и динамические характеристики излучателя. К таким параметрам следует отнести длину управляющей камеры с/; разгонную площадь 53 = =50 + 5д —, а также площади

19

кольцевых площадок Бу и Кроме этого, основное влияние на процесс торможения подвижного цилиндра при закрытии излучателя оказывают длина тормозного участка с12 и площадь отверстия по посадке

Задача оптимизации конструкции излучателей «Сигнал» решалась с помощью математической модели перебором значений предварительно ранжированных параметров При этом основное внимание уделялось динамическим характеристикам излучателей, от которых в основном зависит их надежность. Оптимизация излучателей по конструктивным параметрам проводилась следующим образом:

1. Определялись величины конструктивных параметров излучателя, от которых в существенно зависят не только динамические и акустические характеристики, но и стабильность работы излучателя при изменении других, менее значимых параметров. К таким параметрам относятся: длина управляющей камеры <1, площади Бу и

2. Определялись величины менее значимых параметров таким образом, чтобы они обеспечивали хорошие акустические характеристики при "мягком" динамическом режиме, и эти характеристики были малочувствительны к небольшим изменениям параметров излучателя. К таким конструктивным параметрам относятся: разгонное расстояние 4-, участок с сильным торможением </., участок с малым торможением с1т, площадь выборки

а также площадь отверстия по посадке Л'й неудачный выбор которой может, например, приводить к повторному вскрытию излучателя.

Чтобы уменьшить влияние величины на динамику излучателя, например, было предложено величину зазора на участке + < х < ¿1 делать в 2-3 раза большей, чем на участке 0 < х < <1г. Это приведет к тому, что излучатель вскроется на большую величину, большее время будет находиться в открытом состоянии, в результате чего большая часть воздуха успеет вытечь, и поэтому повторного вскрытия излучателя не будет. При этом амплитуда первого пика акустического сигнала не изменится, а динамика излучателя станет значительно «мягче». Разная величина посадки по длине управляющей камеры была реализована в конструкциях излучателей «Сигнал».

Некоторые, наиболее важные результаты модельных расчетов, могут быть сформулированы в виде рекомендаций по конструированию излучателей этого типа Так, соотношение между величинами площадей 8У и существенно влияющих на динамику работы излучателей, должно удовлетворять неравенству:

7^/(5,-^:^0.' (16)

При увеличении-этого соотношения вместе с ростом амплитуды акустического сигнала возрастают и динамические нагрузки. Для излучателей «Сигнал» это соотношение выбрано равным 7, для излучателей «Луч» и ИПТ-1 оно составляет около 9.5. При этом площади Бу и Бр выбираются из условия:

Бу/Бр = 1.3. (17)

Такое соотношение этих площадей обеспечивает быстрое вскрытие излучателя и надежное торможение цилиндра на прямом и обратном ходе. Для всех рассматриваемых излучателей также должно выполняется соотношение:

- 4, (18)

где От,,; — максимальный внешний диаметр подвижного цилиндра

Весьма важным является и выбор правильного соотношения между длиной управляющей камеры <1 и максимальным диаметром подвижного цилиндра При увеличении диаметра подвижного цилиндра растет его масса, поэтому, чтобы обеспечить быстрое вскрытие излучателя и затормозить подвижный цилиндр при возможно меньшем пиковом давлении в управляющей камере, пропорционально росту диаметра цилиндра должна увеличиваться и длина управляющей камеры. По результатам математических экспериментов с моделями излучателей оптимальное соотношение этих параметров равно:

0^ = 2.7. (19)

Важным параметром является также и отношение рабочего объема излучателя к величине ГРтах*!, имеющей размерность объема и пропорциональной массе подвижного

цилиндра. А = Vm/( 1Утах<1). Было отмечено, что максимальное значение акустического к.п.д. для всех излучателей наблюдается приблизительно при одном и том же значении величины А, близком к 1, т.е.

V0! ~D2mai<i. (20)

Отсюда становится понятным, что реализовать большой диапазон объемов рабочих камер на одном типоразмере, с одним и тем же размером подвижного цилиндра, практически невозможно: при очень малых объемах рабочих камер У0/ << tßmax<i запасенной энергии сжатого воздуха будет недостаточно для эффективного разгона цилиндра, вследствие чего доля акустической энергии будет сокращаться. Соответственно, при больших объемах рабочих камер V0j » ТУmax-d излучатель также работает неэффективно вследствие «запирания» потока воздуха при истечении его через отверстия сравнительно небольшого диаметра Амплитуда акустического сигнала с увеличением объема рабочей камеры свыше некоторого порогового значения при этом практически не возрастает.

Третий раздел посвящен описанию экспериментального исследования характеристик пневматических излучателей ряда «Сигнал». В отдельном разделе рассмотрены аппаратура и методика экспериментальных исследований динамических и акустических характеристик излучателей.

Основной целью экспериментального исследования динамических характеристик излучателей ряда «Сигнал» было определение зависимости от времени давлений в управляющей и рабочей камерах, а также в зоне выхлопных окон при срабатывании излучателя. Интерпретация и анализ этих зависимостей позволяют не только оценить экспериментальные значения давлений в камерах, но и полностью восстановить временную диаграмму процесса срабатывания излучателя и последующего заполнения его сжатым воздухом. Проверка правильности разработанной математической модели и оценка величины эмпирических констант при этом могут быть выполнены путем сопоставления расчетных и экспериментальных зависимостей.

Экспериментальные исследования динамических характеристик излучателей «Сигнал» проводились на опытном полигоне в ст. Калужской, в бассейне с глубиной воды 4.5 м, с использованием специализированного цифрового аппаратурного комплекса для регистрации быстропротекающих процессов, включающего двух канальный цифровой запоминающий осциллограф «GOULD-1425» с плоттером, а также датчики давления - тен-зопреобразователи Д25 и Д100, и калиброванный гидрофон.

Целью экспериментальных исследований акустических характеристик было определение основных зависимостей амплитудных, временных и частотных характеристик излучаемых акустических сигналов от условий возбуждения и параметров конструкций для всем ряда излучателей «Сигнал». Полученные при этом характеристики на следующем этапе разработки должны быть использованы при выборе конфигураций групп.

Экспериментальное исследование акустических характеристик отдельных пневматических излучателей, составленных из них кластеров и групп проводилось на акватории Черного и Баренцева морей в районах с глубиной не менее 500 м. Работа выполнялась в дрейфе, при этом регистрация акустических сигналов осуществлялась при разных рабочих давлениях сжатого воздуха, при разных глубинах погружения излучателей с помощью специально разработанного цифрового аппаратурного комплекса «Импульс» и калиброванных гидрофонов. Обработка зарегистрированных акустических сигналов выполнялась с использованием программного обеспечения того же комплекса «Импульс» по известной методике (A.B. Калинин и др., 1968) и предусматривала получение таких локальных и интегральных характеристик, как амплитуды и длительности пиков давления сигналов, периода пульсации, амплитудных спектров и энергии сигналов, частот спектральных экстремумов и содержание энергии в фиксированных диапазонах частот.

В работе представлены результаты экспериментального исследования динамики излучателей «Сигнал-5», «Сигнал-6» и «Сигнал-7» - зависимости от времени давлений воздуха в рабочей и в разных частях управляющей камер, давление воздуха вблизи вы-

хлопных окон, а также акустический сигнал, зарегистрированный в ближней зоне излучателя. Как следует из теоретических и экспериментальных зависимостей, все излучатели ряда характеризуются сравнительно «мягкой» динамикой при высоких (до 10-12 м/с) скоростях вскрытия, обеспечивающих высокие акустические показатели, максимальные пиковые давления Py(t) и пиковые температуры в управляющих'камерах'не достигают, соответственно, 30 МПа и 80°С. Эти,, параметры соответствуют максимальной степени сжатия воздуха в управляющей камере не более двух, что достаточно далеко от тех значений, при которых начинает проявляться «дизельный» эффект Максимальные давления Pp(t), реально наблюдаемые на обратном ходе при закрытии излучателей, также невелики (25-30 МПа) и свидетельствуют о сравнительно небольших посадочных скоростях.

Результаты экспериментального исследования акустических характеристик излучателей «Сигнал» представлены в работе в виде таблиц и графиков, на которых приведены основные зависимости характеристик сигналов и спектров от параметров возбуждения (Гуленко .B.R,.Шлыков В.А. - 1984, 1986, 1988, 2002). Как показывает анализ* полученных данных, экспериментальные зависимости акустических характеристик лигн&гов от параметров возбуждения, в целом, соответствуют зависимостям, известным для пневматических .излу^рлей других типов (Giles B.F-1968, Giles В F., Johnston R.C.-1973, Балашканд М.И., Ловля С.А.-1977 и др.). Так, для всех излучателей ряда периоды пульсации сигналов Т при глубинах погружения свыше 2.0-3.0 м соответствуют известному соотношению Релея-Вифлиса (Р. Коул - 1950 и др ):

■) ''„/,",'. Т-kW"3/¡'0S!6, "' ' (21)

где W = Poi-Vg/0.4-т энергия сжатого воздуха, запасаемая на один выхлоп, Дж; Р01 - давление воздуха в Па; V0¡ - объем рабочей камеры, м ; Р0=(1 > 0.1 -hj -105Па - гидростатическое давление на глубине hu, Па; к - коэффициент, зависящий от 1ипоразмера и конструкции излучателя: к = 46.7 - для излучателей «Сигнал-5» (кроме V0¡ = 1.5 дм3); к = 47.0 -для «Сигнал-6»;. к ~ 44.6для «Ситнал-7». При указанных выше единицах измерения всех параметров период пульсации Т в выражении (2Димеет размерность [секунда].

Различие амплитудных .характеристик сигналов .излучателей «Сигнал-5» и «Сигнал-6» при объемнх рабочих камер 1$ дм3 и 1.5 дат, ожидаемое по результатам математического моделирования, обусловлено .большой разницей диаметров и площадей вскрытия этих'излучателей. Также,закономерным является и некоторое отклонение от линейного закона зависимости, амплитуды первого пика Pim от рабочего давления, которое наблюдается' для всех .типоразмеров излучателей «Сигнал». Аналогичное отклонение было отмечено и для пневматических излучателей других конструкций при давлениях свыше 14 МПа (GilesB.F., Johnston R.C. - 1973).

' Амплитудные спектры сигналов излучателей «Сигнал» являются осциллирующими многолепестковыми функциями с глубокими минимумами и по виду своему также являются типичными для спектров .пневмоизлучателей. В ближней зоне ^первые лепествд спектров имеют максимальную амплитуду, и ад держат . рсновную энергию сигнала (50-80%), амплитуды последующих лепестков с ростом частоты быстро уменьшаются, при этом осциллирующий характер кривых сменяется монотонным спадом. Так же как и для других пневмоисточников (ИГЛ-1ПИ-200, «Пульс» и др.) во всем диапазоне изменения параметров возбуждения частоты экстремумов спектров определяются только значениями периода пульсации Тис погрешностью не более 10 % связаны с ним следующими известными эмпирическими зависимостями:

-f^^bJT, к -1,2,3,... (22)

гдеа, = 0.95-1.05;а2= 2.0-2.1;а3^3.0-3.1;'= 1.55-1.65;b¡= 2.6-2.7;3.6-3.7., •.

Как следует из (22), ширина спектральных лепестков = f(k*i)mm ~fkmm , кроме

первого, определяется выражением:

4/W-Í/r. ' - ■ • ■ > ••■•<23)

Выражения (22) и (23) позволяют по периоду пульсации определять частоты экстремумов спектра при различных глубинах погружения и при разных рабочих давлениях.

22

Сопоставление спектров сигналов в ближней зоне Sa(a>) и спектров сигналов в дальней зоне Sfca) подтверждает известное соотношение S(co) = 2So(ca)-\sm(cohl/cQ}\, следствием которого является наличие в спектре S(ta) дополнительных минимумов на частотах fjmm = (jC'^QhJ, j = 1, 2, 3,.., обусловленных влиянием интерференционной характеристики заглубления излучателя (ha - глубина погружения, с0 = 1500 м/с - скорость звука в воде) (Калинин A.B., Калинин В.В., Пивоваров Б.Л. - 1968, 1983)

В целом, по своим амплитудным, спектральным и энергетическим параметрам излучатели «Сигнал» всех трех типоразмеров близки к аналогичным моделям широко известных излучателей PAR (Bolt Technology Corp., США) (Giles B.F., Johnston R С. - 1973) и образуют непрерывный ряд. что при создании больших однородных групп позволяет реализовать любую необходимую конфигурацию излучающей системы

В работе приведены также результаты экспериментального исследования характеристик ЭПК датчиков ДМС излучателей «Сигнал».

Как следует из представленных в работе данных, оптимальные характеристики серийного ЭПК излучателей «Сигнал», при которых обеспечивается устойчивый запуск излучателей с минимальным разбросом времен срабатывания, достигаются при напряжении заряда конденсатора U= 250+300 В и сопротивлении линии R;, < 20 Ом.

Кроме характеристик датчиков ДМС и подробного описания методики их настройки, в работе приведены полученные с помощью ДМС результаты экспериментального исследования характеристик стабильности времен срабатывания излучателей ряда «Сигнал». Эти измерения показали, что весь ряд излучателей «Сигнал» характеризуется сравнительно небольшими величинами разброса - не более 0.2-0.3 мс, что при законе распределения случайной величины близком к нормальному вполне удовлетворяет тем требованиям, которые предъявляются к пневматическим излучателям при использовании их в группах (Гуленко В.И., Тюхалов В И. - 1983).

Вместе с тем, при анализе большого числа измерений (от 300 до 500 срабатываний) было отмечено, при длительной наработке время срабатывания излучателя не является стационарной случайной величиной (т.е. М & const), а подвержено медленным флуктуа-циям в пределах 1—3 мс, причины которых связаны, вероятно, с износом колец, неравномерностью подачи и выноса смазки и конденсата и др. факторами.

В конце второй главы кратко сформулированы основные выводы по результатам разработки и исследования излучателей ряда «Сигнал».

Глава 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГРУППОВЫХ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ

Первый раздел главы посвящен описанию теоретических основ группирования пневматических излучателей: построению математической модели взаимного влияния излучателей в группе, расчету конфигураций пневматических групп, а также анализу частотных характеристик и диаграмм направленности линейных и площадных групп.'

Из обзора работ следует, что для построения удовлетворительной математической модели взаимного влияния пневматических излучателей в группе, необходимо учитывать динамику пульсирующих полостей. Следовательно, по экспериментальному сигналу давления, зарегистрированному от одиночного излучателя, нельзя точно рассчитать его изменение от взаимодействия с соседним излучателем с известным сигналом давления. Взаимное влияние может быть рассчитано теоретически по уравнениям движений воздушной полости в жидкости. Поэтому ясно, что расчет взаимного влияния будет тем точнее, чем точнее эти уравнения аппроксимируют действительное движение пузырей, и чем точнее мы можем моделировать сигнал давления от одиночного излучателя.

Сопоставление экспериментальных сигналов с расчетными показывает хорошее их соответствие лишь на начальной стадии расширения пузыря — на протяжении длительности первого пика. На последующих стадиях процесса пульсация реального пузыря харак-

теризуется значительно большим затуханием, обусловленным потерями энергии на тур-булизаци'ю потоков жидкости и,' возможно, несферичностью и нестабильностью формы.

' Энергетические потери можно учесть путем умножения функции радиуса пузыря R(t) на убывающую функцию,1 как это сделано, например, А Циолковским (1970)'

"Г!'/?(/) = (R(t)-КУт+Яг, (24)

где R(t) - радиус пузыря, найденный из решения дифференциального уравнения (13); R(t)- затухающий радиус пузыря; Лг - равновесный радиус пузыря; а — коэффициент затухания; t - время ...При этом си гнал давления .вычисляется по уравнению (15), которое в новых, затухающих функциях, имеет вид: t , ■

с г4 г

"Ai —--Г- (25)

В основу построения математической, модели группы взаимодействующих излучателей положены следующие предположения:

1) размеры пузырей маль* ng, сравнению с преобладающей длиной возбуждаемых акустических волн, поэтому; рузыри можно считать точками, а давление одинаковым со всех сторон пузыря в крк^ый данный момент времени,

2) в процессе рульсации пузыри не сливаются, это предположение вводит минимальное расстояние между излучателями в группе

Взаимное влияние рассматривается как воздействие на динамику каждого пузыря поля переменно 'давления, возникающего за счет акустического излучения других излучателей группы. Применительно к подводному выхлопу сжатого воздуха динамика отдельной полосой описывается системой дифференциальных уравнений (7)—(13), являющейся , математической моделью пневматического излучателя. При близком размещении синхронно срабатывающих излучателей (на расстоянии 1—3 м) акустическое возмущение от соседних.излучателей приходит в тот момент, когда каждый из них еще остается открытым. Вмесге.с^трм, на характер истечения воздуха из рабочей камеры и на динамику подвижного элемента излучателя это возмущение не влияет, так как в течение всего процесса давление воздуха в рабочей камере значительно превышает давление в пузыре и, следовательно, режим истечения воздуха из камеры является надкритическим.

^ Вследствие этого процесс расширения пузыря с учетом перетока воздуха из рабочей камеры можно'описать двумя уравнениями,/одно из которых является уравнением расширения идеального пузыря (13) с затуханием (24), а второе описывает изменение давления в нем с учетрм перетерка воздуха из рабочей камеры, и выражается через функцию расхода Sift), получаемую" решения системы уравнений, (7)—(13) и не зависящую от внешнего давления в жидкости. Введение функции Si(t) позволяет вместо модели излучателя, описываемой системой уравнений (2.37) - (2.43), рассматривать модель излучателя в виде внезапно расширяющейся сферы с заданным изменением массы газа1 внутри. Таким образом, для расчета суммарного сигнала группы из N излучателей с учетом взаимного влияния необходимо решать систему из 2N дифференциальных уравнении:

Р*Уъ Г, S*

Л rr-iyi(Mm-S,X Mo,у

где Но,-(Р,-Ро)/ро, Ра - внешнее давление в окрестности ;-го пузыря.

Затухающий радиус каждого пузыря вычисляется из уравнения (24), а давление в волне сжатия - из уравнения (25). Внешнее давление в окрестности каждого пузыря вычисляется как сумма волн от каждого пузыря и их отражений от поверхности "вода-воздух" с учетом задержек на время пробега и ослабления за счет расхождения:

где Р„ - гидростатическое давление на глубине погружения /-го излучателя, rh], г2,1 - соответственно, расстояние между /-м и j-м источниками и расстояние между /'-м и "мнимым" 7-м источниками. Если излучатели срабатывают не синхронно, а с некоторыми задержками во времени, то эти задержки учитываются при расчете давления Po,(t).

Система дифференциальных уравнений (26) вместе с вспомогательными уравнениями (24), (25) и (27) представляет собой математическую модель взаимодействующих излучателей (Гуленко В.И., Карпенко В.Д — 1989). Такая модель обеспечивает адекватное описание сложного механизма взаимного влияния излучателей и может быть использована для расчета конфигураций пневматических групп и излучаемых ими суммарных сигналов. Правомерность такого подхода подтверждается близким совпадением расчетных и экспериментальных сигналов пневматических групп различных конфигураций.

При расчете конфигураций синхронных групп в работе рассматриваются разные методы для однородных и неоднородных ррупп.

Расчет однородных пневматических групп выполнен на основе критерия помехоустойчивости по методу, предложенному A.B. Калининым, В.В. Калининым и Б.Л. Пи-воваровым (1976) для оценки эффективности однородных групп электроискровых источников. Решение этой задачи проводится при тех же допущениях:

1. Рассматриваются помехи, связанные с шумами приемного устройства и не зависящие от источника; эти помехи нерегулярны и имеют спектр мощности S„(a>).

2. Приемник и источник расположены так, что расстояние между ними много меньше расстояния до рассматриваемых отражающих границ раздела

3. Рассматриваются однородные синхронные группы пневматических источников, при этом геометрическая база группирования много меньше расстояния до рассматриваемых отражающих границ, а взаимное акустическое влияние в группе отсутствует.

4. Исследуемая среяа является горизонтально-слоистой и состоит из толстых слоев.

5. Зависимость коэффициента поглощения от частоты для всех слоев описывается одним и тем же линейным законом ß(o) = ß0-m.

С точки зрения критерия помехоустойчивости рассматриваемая задача сводится к следующему: при фиксированном значении ß(a) и Н и произвольной величине полной запасаемой энергии W6 (энергетическая база группирования) необходимо определить отношение помехоустойчивости группы из N источников с суммарной энергией W6 к помехоустойчивости единичного пневматического источника с той же запасенной энергией.

Так как в задаче об эффективности группирования пневматических источников переменной величиной является энергия единичного источника группы ^(энергетический шаг группирования) при постоянной энергетической базе (fVg = const), расчет максимальной удельной помехоустойчивости T}(W) для всех энергий W £ We и является решением поставленной задачи. С точностью до постоянного множителя выражение для удельной помехоустойчивости имеет следующий вид:

где Фгр, = - верхняя граничная частота спектра сигнала единичного излучателя с

энергией (V,; т = 2-рср-Н - параметр поглощения, с.

Результаты расчетов представлены в виде кривых относительной удельной помехоустойчивости т]отн(Ше,Ш) = г}(№)/т](№^. Модули спектров сигналов Sofo.Wi.hoi) источников с энергиями Щ при оптимальных четвертьволновых глубинах погружения Ай при этом рассчитывались численно по реальным спектрам сигналов пневмоисточников «Сигнал» с помощью критерия подобия. Численные расчеты функции г}от,(И^„,%(а),т) были выполнены при следующих значениях параметров:

' jfe(a,W„ h0i)• sin 4 (®АШ je)-е-г™/S,(©))■ do, ,

(28)

о

1. Энергетическая база группирования Щ = 2500 кДж, энергетический шаг группирования Щ - 5 2500 кДж, N = 1 + 500 (при рабочем давлении сжатого воздуха Рщ = 15 МПа и при постоянном суммарном объеме группы ' (Л = 66.6 дм1 это соответствует диапазону изменения объемов рабочих камер'группируемых излучателей V, от 0,133 до 66.6 дм3). Выбранный диапазон изменения включает практически весь диапазон энергий как уже используемых, так и разрабатываемых пневматических источников.

2 Параметр поглощения' изменился в пределах 0 < т $ 0.06, что при средних коэффициентах поглощения дл* терригенного разреза (по данном Епрнатьевой А М Др « 2 18-1СГ6 с/м.(1970), по данным Берзон И.С. рср ~ 0.64-1 ОГ* с/м (1962)).соответствует глубинам исследуемых горизонтов 10-15 км. 11.1

I "3'. Спектр мощности помех 5п(т) был задан следующими функциями: con.il

«белый шум», 8'„(&) - 1/а, 8„(а) = 1/<р2, ¿„(а) = 1/а4. Программная реализация алгоритма этой задачи предусматривает возможность использования и других функций 5„(со).

Выполненные расчеты показали, что основные закономерности, отмеченные для электроискровых источников, справедливы и для однородных груйп пневмоисточНиков.

1. При любых значениях параметра поглощения т >.0 имеется такая энергия единичного источника для которой удельная помехоустойчивость достигает максимума. Группа таких излучателей с точки зрения принятого критерия будет оптимальной.

2 Помехоустойчивость группы существенно зависит- от поглощающих свойств среды и характера помех. Наименьший выигрыш при группировании достигается'при нерегулярных помехах типа «белого шума». При малых параметрах поглощения более эффективным является группирование излучателей малого объема (с энергиями 5-10 кДж), при больших параметрах поглощения оптимальный энергетический шаг возрастает и при т - 0.06 группирование на данной энергетической базе становится неэффективным.

3. Если энергтЫ'^б ограничена и Щ < то наиболее эффективным способом использования этой энергии является применение одиночного источника

4. Кривые' удельной помехоустойчивости имеют сравнительно пологие и слабо выраженные экстремумы. Поэтому окончательный выбор конфигурации группы {И, IV,) в пределах эквивалентных с точки зрения удельной помехоустойчивости вариантов группирования Проводится с учетом дополнительных критериев: возможность технической реализации, удобство эксплуатации, безопасность ихтиофауны, разрешающая способность исследования, частотная характеристика среды и т.п

, Расчет неоднородных пневматических групп. Предложенный в этом разделе способ предназначен для расчета широкополосных групп невзаимодействующих или слабовзаимодействую щих пневматических излучателей с суммарным амплитудным спектром близким к'заданной целевой функции в полосе частот -/тах, и отличается тем, что расчет выполняется в частотной области. В качестве целевой функции может быть ис-пользрван ам!шитуднь1Й; спектр идеального'сейсмического импульса, например, в виде периода синуса^ или; что бблее естественно для подобных источников,,в виде двух одинаковых по амплитуде разнополярных импульсов с экспоненциальным задним фронтом.

Расчет основан на применении критерия подобия для подводных взрывов (Р. Коул, 1950), согласно которому' применительно Ус подводному выхлопу сжатого воздуха выполняются следующие соотношения: ,

1. Если для пневматического излучателя1 с объемом У0,' рабочим давлением Ри расположенного на глубине Но (гидростатическое'давление Р0), йзлучаемый акустический сигнал давления (в ближней зоне) описывается функцией та для излучателя объемом V,, с рабочим давлением Р]„ расположенного на глубине И» (гидростатическое давление Ро,) сигнал давления описывается функцией: • ' '

' (29)

г де к, = (У/Ус)"3, к2 = (Ро/Р¡¿5/6, к3 -(Р1/Р1).

2. В соответствии с теоремами о спектрах в частотной области критерий подобия (29)

может быть записан в следующем виде

= ¿,2 • к* ■ к~_' -S0(a -А", -к,- к), (30)

где S0(<x>) - амплитудный спектр сигналаf(l), S(a) - амплитудный спектр сигнала F(t).

Если вся группа излучателей будет находиться на одной и той же глубине погружения h(h а рабочее давление Р] будет постоянным и одинаковым для всех излучателей, то коэффициенты к3в выражениях (29) и (30) будут равны 1.

Широкополосный суммарный спектр группы может быть сформирован с помощью нескольких подгрупп излучателей, каждая из которых содержит излучатели одинакового ,объема Частота максимума спектра каждой подгруппы выбирается следующим образом:

/> = с/,, fs C-f2, ..., Л-C/w, , (31)

где С - коэффициент перекрытия (С > /), ■/] - частота максимума спектра сигнала наиболее низкочастотной подгруппы (/] выбирается равной fm,„); fk - частота максимума спектра наиболее высокочастотной подгруппы (fk выбирается ближайшей к значению fmax).

Так как частота максимума 1-го лепестка спектра обратно пропорционадьна:периоду пульсации сигнала, то объемы излучателей Vt , слагающие каждую подгруппу,1 могут быть найдены с помощью формулы Рэлея-Виллиса: ,-,'!!

К =РоА/к-Р, ■/:), i = /, 2,.. ,к, ■ '(32)

где Р0 = (1+O.I-hrJ-lO5 Н/м2 - гидростатическое давление на глубине погружения группы, Н/м2; Р1 - рабочее давление в камере излучателя, Н/м2; / - частотк максимума 1-го лепестка спектра суммарного сигнала i - ой подгруппы, Гц; к„ - коэффициент Пропорциональности в формуле Рэлея-Виллиса, зависящий от конструкции излучателя.'

Таким образом, синтез группы F^ft) выполняется в частотной области: при этом

спектр суммарного сигнала Sjfto) формируется путем суммирования спектров сигналов

отдельных подгрупп S,(a>) в интервале частот/„,„ -fmax '■

к

г-1,2,...,к. (33)

Количество излучателей в подгруппах п, при этом выбирается таким образом, чтобы на частотах их спектральных максимумов fs выполнялось условие:

sjlrfj-const, fmm ¿f,<fmax, ¡ = 1.2. ..„Ar; j-l,2....,b (34)

I«!

где Бх(2тф - амплитудный спектр желаемого сигнала (целевая функция); Б,(2тф -= n,-Sa(2tf) - амплитудный спектр сигнала /-ой подгруппы, содержащей п, излучателей объемом V,\ So,(2t0 - амплитудный спектр сигнала одиночного излучателя объемом V,. После расчета конфигурации каждой группы (п„ V„ h0) в частотной области, во временной области Выполняется синтез её суммарного сигнала:

.-Г \ : = (35)

<=1

при этом для достижения максимальной суммарной амплитуды сложение сигналов отдельных подгрупп F,(t) производится с небольшими сдвигами rt, обусловленными различиями в крутизне передних фронтов первых пиков суммируемых сигналов

Так как регулировка амплитуды суммарного спектра на частотах £ осуществляется дискретно изменением количества излучателей в каждой отдельной подгруппе nh и, кроме того, на этих частотах необходимо учитывать вклад спектральных компонент всех остальных подгрупп, синтез суммарного спектра в соответствии с (34) выполняется на ЭВМ приближенно, и требует использования итерационных вычислительных схем.

Частотные характеристики и диаграммы направленности пневматических групп. Пусть сигнал, возбуждаемый i-m излучателем группы, описывается функцией ./$) и характеризуется амплитудой А/. Тогда в дальней зоне излучаемый в направлении r(a,ß) сигнал F/t) является интерференционным и представляет суперпозицию прямой волны

f(t) и запаздывающей волны, отраженной в противофазе от поверхности «вода-воздух» Модуль обобщенной комплексной частотной характеристики произвольной дискретной группы излучателей, расположенных в жидком полупространстве в точках с координатами х„ у„ z, (где z, = А, - глубины погружения излучателей), срабатывающих с произвольными задержками Al, относительно некоторого нулевого момента и различающихся амплитудами сигналов Л„ имеет следующий вид.

K(<o,a,/}) = Jz?+Z¡/j^A¡, (36)

/ ,=i

или в логарифмическом масштабе (в децибелах):

K(a,a,ft)= 10Ig(z,2 +Z22)-201g^¿4 j, (Зба)

N V

где Z, -sin©,-sin У,, Z2 -sin®,-eos*?,, 0, = ©-A,-cosar/c,

i-i

*F, = ©-[Д/, -(ДА, • eos ям Дх, • sin а • eos P + Ay, • sin аг • sin f)~ht -cosa)/c], Ax, =x,-x¡;

Ay, - y, - y¡\ Ah, = h, — h¡\ A, = (Vt /F, - относительная интенсивность излучателей; с = =1500 м/с - скорость звука в воде; N-количество излучателей в группе.

На рис.4 приведен модуль обобщенной характеристики неоднородной группы «Сиг-иал-1» (ЛПГ-10/14.5 - 10 излучателей «Сигнал» с общим объемом Vr= 14.5 дм3 на базе£> = 12 м при глубине погружения группы h0 = 5 м), полученный с помощью выражения (36) при р0. Прямоугольное изображение, приведенное в левой части этого рисунка, представляет собой проекцию на плоскость 3-мерной функции (поверхности), вдоль оси ординат которой отложена частота (от 0 до 250 Гц), а вдоль оси абсцисс отложен угол а — направление излучения в продольной плоскости XOZ (при/?=0, или в поперечной плоскости YOZ- при р= 90°). Угол а при этом изменяется от -90° до +90°, значение а= = 0° соответствует направлению излучения вертикально вниз. Амплитуды модуля обобщенной частотной характеристики группы представлены в виде рельефа, изображаемого изолиниями, проведенными с шагом 0.1. Сечение такой 3-мерной поверхности плоскостью а= a¡ (параллельной оси ординат) представляет собой частотную характеристику группы в направлении излучения а,, сечение плоскостью f = fj (параллельной оси абсцисс) представляет собой также хорошо известную функцию — диаграмму направленности группы на частоте f¡. Частотная характеристика группы «Сигнал-I» при а= 0 (в прямоугольных координатах), а также диаграмма направленности на частоте/= 75 Гц (в полярных координатах) приведены в правой части рис.4 и изображены линиями, соотвеил-венно, вверху и внизу. Соответствующие вертикальные и горизонтальные линии сечения модуля обобщенной характеристики на левом рисунке выделены жирными линиями.

При синхронном срабатывании излучателей (при At¡ = 0) акустическая ось группы направлена вертикально вниз: амплитуда характеристики имеет в этом направлении максимум, величина которого пропорциональна сумме относительных амплитуд сигналов отдельных излучателей группы. Поворот акустической оси осуществляется соответствующими задержками времен срабатывания излучателей группы. Для поворота акустической оси в плоскости XOZ на угол oto, в плоскости YOZ на угол р0 (углы отсчитываются от вертикали), задержки срабатывания излучателей Ai, и At¡ выбираются относительно момента срабатывания одного из крайних излучателей группы, координаты х0 и у0 которого задаются равными нулю, в соответствии с соотношением:

Д/, = jc,-sinorje, hlt =у1 - sin je. (37)

В этом же разделе рассмотрены и частотные характеристики линейных и площадных групп в функции проекции волнового числа kx, ку, kz Такая форма представления характеристик направленности обеспечивает сохранение их естественных угловых пропорций и

Модуль характеристики К(«>.а,р)

= о

Частотная характеристика при а = 0°

Частота, Гц

Г= 75 Гц

Диаграмма направленности при 1 = 75 Гц

£

Угол а,°

Рис.4. Модуль обобщенной комплексной характеристики неоднородной группы «Сигнал-1» в плоскости Х02 (,5=0°)- слева, частотная характеристика труппы в направлении а= 0° (справа вверху) и диаграмма направленности на частоте 75 Гц (справа внизу).

иногда позволяет достичь лучшей наглядности при анализе пространственной структуры излучаемых волновых полей. В работе показано, что характеристика направленности группы в плоскости ХОХ в функции проекций волнового числа кх и к,, т.е. к^ определяется теми же выражениями (36), но при этом функции V, и 6? ,берутся в виде:

•Р, =-с-Мг^к2х +к] -Акгк,-Ахгкх ¡ в„ ®,=кг А,; где к = (а/с, Шп(а),к^

1 ' 1 ■ , 1. , - к-сса(а'). Аналогично определяется и характеристика направленности группы в плоскости У02 К(ку, к,). При этом функции &, и в плоскости 702 при [}= 90° имеют вид:

% =с АГ, ■ ^к] + к] - ДА, • -Ду,

В конце первого раздела рассмотрены принципы построений линейных и площадных групповых пневматических источников. При морской сейсморазведке выбор характеристик источника определяется геологической задачей, для решенйя которой создается бортовой сейсморазведочный аппаратурный комплекс, а также особенностями технологии проведения работ в разных сейсмогеологических условиях'й' возможностями применяемых транспортных средств Рассмотрим некоторые наиболее типичные ситуации.

1. Для'решения геологических задач по поиску и разведке глубоко залегающих месторождений углеводородов в шельфовой зоне с глубинами моря свьппе 10-20 м применяются сравнительно большие научно-исследовательские геофизические суда водоизмещением в несколько тысяч тонн, оснащенные мощным компрессорным и специализированным такелажным оборудованием, необходимыми для эксплуатации больших площадных пневматических групп, состоящих из нескольких (от 4-х до 8) идентичных линейных подгрупп с суммарным объемом рабочих камер от 50 дм3 до 100 дм3 (а иногда и больше).

При скорости буксировки 4—6 узлов, обычной1 при работах с плавающими пьезоко-сами, интервал между пунктами возбуждения в '25 м такое судно проходит за время 8-12 с. Производительность компрессорной станции должна обеспечива^'г^атгшрованное заполнение за это время всех рабочих камер излучатйМ' 'Группы сжатым воздухом при рабочем давлении 12-15 МПа, при этом вся энергия сжатого воздуха, запасаемая на одно воздействие, может составлять несколько (2-4) мегаджоулей.

Таким образом, общий суммарный объем группы, с одной стороны, определяется производительностью судовой компрессорной станции, а с другой стороны - необходи-

мостью обеспечить такую плотность потока акустической энергии в заданной полосе частот и в заданных телесных углах, которая обеспечит требуемое для успешного решения геологической задачи отношение «сигнал/помеха» на входе буксируемого приемного устройства, т.е. необходимую помехоустойчивость группы.

2. При детальной сейсморазведке ограниченных по площади объектов, залегающих на средних глубинах, при работах по технологии 2D, чаще используются специализированные геофизические суда второго поколения водоизмещением до полутора тысяч тонн, имеющие значительно меньшую энерговооруженность и допускающие одновременное использование не более двух линейных подгрупп с общим количеством излучателей до 20-30, при суммарном объеме камер до 30-40 дм3.

До конца 80-х годов на геофизических судах такого класса нередко применялись компактные пневматические группы, с размещением группируемых излучателей на буксируемых металлических рамах. В отличие от линейных и, тем более, площадных источников компактные группы отличаются значительно более высоким уровнем взаимного акустического влияния, имеют слабо выраженные свойства направленности и при одинаковом суммарном объеме обычно уступают линейным группам по всем показателям.

3. Для решения инженерно-геологических задач, при исследованиях неглубоко залегающих, толщи верхней части разреза обычно применяются сравнительно небольшие геофизические суда водоизмещением до 600-800 тонн. В составе технологического комплекса, отработанного в последние годы в НПО «Южморгеология», наряду с обычно применяемыми для решения подобных задач сейсмоакустикой, гидролокацией бокового обзора, высокочастотными профилографами и др., нередко применяют и высокоразрешающую высокочастотную сейсморазведку с регистрацией в полосе частот от 20-30 Гц до 300-400 Гц. В качестве источника возбуждения лучшие результаты были получены с использованием сравнительно небольших компактных пневматических групп, содержащих 3-5 излучателей с общим объемом до 2-3 дм3, и буксируемых на глубине 2-3 м.

4. При сейсморазведке в условиях мелководья, при глубинах моря от 2 м до 8-10 м, обычно применяются сравнительно мелкосидящие малотоннажные суда, энерговооруженность и грузоподъемность которых позволяют эксплуатировать лишь небольшие пневматические группы (8-16 излучателей) с суммарным объемом 10-20 дм3. В подобных сейсмогеологических условиях работы часто выполняются с использованием так называемой «старт-стопной» технологии (в зарубежной терминологии «уо-уо») с периодическими размотками-выборками косы при непрерывном движении судна. Существенно лучшие показатели в таких условиях имеют геофизические суда-катамараны, например, типа «Искатель», которые при малой осадке (около 1.5 м) обеспечивают эксплуатацию более мощных площадных излучающих систем, содержащих до 4-х линейных подгрупп с общим количеством излучателей до 30-40, при суммарном объеме камер до 40-50 дм3.

5. В наиболее сложных сейсмогеологических условиях предельного мелководья и в транзитной зоне наряду с обычным линейным 2Г)-профилированием с перемещаемой расстановкой (технология «Drag Bottom» с донной косой) в последние годы широко применяются пространственные системы наблюдения с неподвижным приемным устройством (донная телеметрия, донная коса, или установленные на металлических штырях геофоны) и подвижным взрыв-пунктом, перемещающимся по заданной сети точек возбуждения. В качестве источников применяются обычно небольшие группы пневматических излучателей, устанавливаемые на маломерном плавсредстве (понтон, баржа и т.п.) и буксируемые на поплавках с подвеской на глубине 1.0 - 1.5 м, или волоком по дну (при глубине моря менее 1,0'м). В последнем случае применяется накапливание информации.

6. В транзитной зоне, при глубине моря менее 0.5 м, где возбуждение в водном слое становится неэффективным, лучшие результаты достигаются с использованием пневмо-источников погружного типа, возбуждающих сигналы в мелких скважинах и обычно работающих в режиме накапливания. При этом весь аппаратурный комплекс, включая сейсмостанцию, компрессор и шнековую буровую установку или гидромонитор, размещают на транспортных средствах амфибийного класса с повышенной проходимостью.

Таким образом, учитывая большое разнообразие' решаемых геологических задач; применяемых технологий, различие в энерговооруженности и грузоподъемности транспортных средств, используемых в разных сейсмогеологических условиях, наиболее целесообразным представляется вести разработку технических средств для лозбужденил упругих волн, исходя из модульного принципа построения аппаратуры Такой подход был обоснован, в работах А В. Калинина и др. применительно к разработке электроис1фового источника для морских сейсмоакусгических исследований. Применительно к разработке групповых пневматических источников модульный принцип построения аппаратуры предполагает создание такого комплекса технических средств, который при минимальном номенклатурном разнообразии разрабатываемых устройств обеспечил бы максцмцль-ное разнообразие характеристик, необходимое для решения широкого спектра, задач в различных сейсмогеологических условиях : —......

При блочном исполнении компрессорной станции и системы управления такая задача сводится, в сущности, к созданию на основе ряда излучателей «Сигнал» достаточно универсальной линейной группы, имеющей высокую надежность и хорошие акустические показатели. Необходимое разнообразие акустических характеристик при этом может быть достигнуто простым объединением идентичных.линейных подгрупп в соответствующую площадную систему. За счет такого объединения амплитуда суммарного сигнала в направлении акустической оси группы возрастает приблизительно, пропорционально количеству объединяемых подгрупп К, а плотность потока акустической энергии - пропорционально К2. Наряду с изменением амплитудных и энергетических показателей, при этом происходит существенное изменение и свойств направленности группы.

Таким образом, выбирая соответствующие продольные и поперечные разносы между подгруппами АХ и АУ, а также задавая Оля каждой подгруппы с помощью набора задержек {А1,} определенный закон срабатывания излучателей, можно достаточно эффективно концентрировать излучаемую энергию в любом направлении нижнего полупространства в пределах любого заданного телесного угла.

В этом разделе приведены также расчетные зависимости для выбора необходимой ширины основного лепестка характеристики направленности группы в продольной плоскости Х02 в зависимости от размеров приемного устройства, глубины целевых отражающих границ и скоростных характеристик разреза.

Второй раздел главы посвящен изучению влияния нестабильности параметров возбуждения на акустические характеристики пневматических групп. К числу таких параметров относятся рабочее давление воздуха, глубина погружения группы и степень синхронности срабатывания излучателей, т.е. такие параметры, которые в процессе работы могут случайным образом меняться от взрыва к взрыву, что и является основной причиной нестабильности суммарного сигнала группы и его спектральных характеристик.

В первой части раздела рассматривается влияние случайного разброса моментов срабатывания излучателей группы на энергетические показатели суммарного сигнала (Гуленко В.И., Тюхалов В.И. - 1983). Для однородной группы при отсутствии взаимного акустического влияния суммарный сигнал можно представить в следующем виде:

= (38)

где р($ - сигнал давления единичного излучателя, N - количество излучателей в группе; ц - случайные временные сдвиги. Полная акустическая энергия этого сигнала с точностью до постоянного множителя определяется выражением'

= = (39)

О >-> 1-'

И II со

где Ж0 - энергия сигнала единичного излучателя.

о

С переходом в частотную область энергетический спектр суммарного сигнала группы, может быть получен в следующем виде:

С{т,тк) =S»

(40)

tel 1=1

Так как сдвиги моментов срабатывания отдельных излучателей в группе взаимно независимы и подчинены нормальному закону распределения, математическое ожидание энергетического спектра G((a, T/J имеет вид-

(41)

где Тд - среднее значение случайной величины ц, ак - среднеквадратическое отклонение величины тк от среднего значения г0. , • -

В качестве конечных результатов рассматривались кривые относительных энергетических потерь группы при рассинхронизации, расчет которых для любой заданной полосы частот c?i — а>2 выполнялся по формуле:

/^-"¡S^ . (42) г™* щ ч / ч

Расчет функции ¡^(сг, N) выполнен при следующих значениях параметров:

1. Количество излучателей в группах N составляло: 2,4, 8,12 и 16.

2. Среднеквадратическое отклонение моментов срабатывания излучателей в группе а, изменялось от 0 до 5 мс.

Оценка энергетических потерь выполнялась для однородных и неоднородных групп пневматических излучателей ряда «Сигнал» с объемами единичных рабочих камер от 0.25 до 10.0 дм3, при рабочем давлении 15 МПа в полосах частот 0 - 62.5 Гц, 0- 125 Гц и 0 - 250 Гц При этом амплитудные спектры S0((d), входящие в выражение (42), рассчитывались по реальным сигналам соответствующих пневматических излучателей. Анализ полученных результатов позволил отметить следующее:

1. Энергетические потери, возникающие при рассинхронизации всех типов групп, в любом частотном диапазоне возрастают с увеличением разброса времен срабатывания излучателей. В наибольшей степени эти потери проявляются в области высоких частот.

2. При одних и тех же значениях среднеквадратических отклонений <тг энергетические потери выше для групп, содержащих большее излучателей, а также для групп, составленных из более высокочастотных излучателей. В работе приведены максимальные среднеквадратические отклонения См*, при которых уровень энергетических потерь для однородных групп не превышает 10%. Значения (Ти,1ах для разных объемов единичных излучателей получены при N = 16 в полосе частот 0 - 250 Гц.

3. Требования к стабильности времен срабатывания излучателей для неоднородных групп должны определяться по величине допустимых энергетических потерь самой высокочастотной подгруппы и ; в целом, зги требования должны быть выше, чем для однородных групп. Как показывают расчеты, при использовании в неоднородных группах излучателей объемом до 0.25дм3 допустимые временные сдвиги всех входящих в состав группы излучателей в этом случае не должны превышать 0.5 мс.

Во второй части этого раздела рассматривается влияние флуктуации рабочего давления и глубины погружения на характеристики суммарного сигнала группы. (Гуленко В.И, Тюхалов В.И. - 1986). Конструктивно пневматическая группа может быть размещена на одной буксируемой раме, с подводом сжатого воздуха от одного общего ресивера. В этом случае глубина погружения группы перед взрывом хотя и будет изменяться по случайному закону, однако может быть принята одинаковой для всех излучателей. Учитывая, что для компактной группы время перетока воздуха между отдельными камерами, соединенными общим воздуховодом, много меньше взрывного интервала (обычно не менее 8-10 с), давление воздуха перед выхлопом, меняющееся на выходе магистрали по

случайному закону, для всех излучателей группы можно считать одинаковым..

При этих допущениях суммарный сигнал группового пневматического источника и его амплитудный спектр могут рассматриваться в «дальней» зоне как функции двух независимых случайных переменных:

Я(0 = Я(гД,/>)- />(? - 2Л0/с-А,/>), 5(®)= 2-30{ф,Л0Л )-Нй>А0/С], (43) где А0 - глубина погружения группы; Р1 - давление сжатого воздуха в рабочих камерах излучателей перед выхлопом; /•'(/)- суммарный сигнал давления в «ближней» зоне (т е без учета отражения от поверхности вода-воздух).

Как известно из эксперимента, с изменением рабочего давления Р), наряду с изменением амплитуды сигнала (приблизительно пропорционально Р1), происходит и изменение его временного масштаба: приблизительно пропорционально изменяется длительность фаз сжатия, периода пульсации и общей длительности сигнала. С изменением глубины погружения группы (гидростатического давления) амплитуда сигнала в диапазоне глубин 5-30 м практически не изменяется, но пропорционально (| + 0.1-Ао) ^ происходит изменение его временного масштаба. С учетом этих соотношений и спектральных теорем выражения (43) для сигнала группы в «дальней» зоне и его амплитудного спектра могут быть представлены в следующем виде'

= , ■ - " (44)

„ Д _ 1+0.1-А„ „ ,

где х = —; у =--; Р, и пд - соответственно, математические ожидания слу-

Ру 1+0.1-А0 . • .

чайных величин Р} и А0. Будем также предполагать, что случайные величины и й0 имеют нормальный закон распределения:

2-<т

СГиЛя

(45)

где сгр и О), - среднеквадрэтические отклонения случайных величин Р^ и А0. В этом случае, в соответствии с известными положениями теории вероятностей числовые характеристики функции случайной величины могут бьггь определены следующим образом:

М[ф)]= ]ф{х)-/(х)ск, В[<р(х)} = {Ц*)]2 • /(х)А ~Мг к*)], (46)

где /(х)- плотность распределения случайного аргумента х; М[/р(х)] - математическое ожидание функции <р(х) случайного аргументам; 0[<р(х)] - дисперсия функции <р(х).

Подстановкой функций (44) и плотностей распределения взаимно независимых случайных аргументов Р1 и А0 (45) в выражения (46) в работе получены выражения для математических ожиданий ^[^.(0], А/р^Сй))], А/,,[?(0)], и дисперсий ¿),|Д(о]> £>л[^:(0]> /3А|5(©)] суммарного сигнала группы и его амплитудного спектра

Расчет этих математических ожиданий и дисперсий был выполнен на ЭВМ с использованием реальных сигналов и спектров, полученных экспериментально для излучателей ряда «Сигнал», при этом пределы в интегралах (46) выбирались равными:

~р\ Р= И!*. ~ ПРИ фиксированном значении А0 или

= И0-п-стк; = = А„+«-<тА; - при ф [кйЦ&вНАйЯО^ЛЬйЛЯ^а л с уче-

БИБЛИОТСКА С Петербург ОЭ КМ акт

том правила «трех сигма» выбиралась из условия и 2 3.

В работе приведены результаты расчетов - максимальные допустимые значения среднеквадрэтических отклонений рабочего давления ирдо„ и глубины погружения &нд полученные для группируемых пневматических излучателей разного объема при математическом ожидании рабочего давления сжатого воздуха Р1 - 15 МПа и двух различных глубинах погружения. Значение глубины - соответствует оптимальному четвертьволновому заглублению; = с-Л!¡/2 - заглубление, при котором время запаздывания сигнала, отраженного от поверхности вода-воздух, равняется длительности первого пика давления А//. В качестве допустимых были приняты такие значения дисперсии рабочего давления арг и глубины погружения <т/, при которых среднеквадраггическое отклонение амплитудного спектра суммарного сигнала на верхней границе заданного частотного диапазона составляет, не более 10% от значения математического ожидания спектра на этой же частоте. В качестве верхней граничной частоты при расчетах была принята час-тотаУяяй - частота, ниже которой сосредоточено 90% энергии суммарного сигнала.

На основе результатов исследования влияния нестабильности основных параметров возбуждения на акустические характеристики пневматических групп сформулированы требования к системе технологического контроля основных параметров возбуждения: рабочего давления, глубины погружения, степени синхронности работы излучателей в группе, реализованной в контроллере «АСТРА».

В третьем разделе описаны конструкция и основные характеристики компактных пневматических групп УВ-10 и УВ-5.

Установка УВ-10, разработка которой была завершена в НПО "Нефтегеофизприбор" в 1988 г., представляет собой аппаратурный комплекс для возбуждения сейсмических сигналов при морской сейсморазведке и предназначена для использования на научно-исследовательских судах (НИС) серии Б-93 типа "Академик Ферсман".

В состав УВ-10 входят: 16 излучателей "Сигнал"; транспортировочное устройство, включающее раму размерами около 5x2x1.6 м, пневмоэлектромагисграль длиной около 100 м, поплавок с обвязкой и набор кронштейнов, скоб и цепей для подвески излучателей, контроллер КПИ-1 с блоком коммутационным и комплект ЗИП. В работе приведены блок-схема установки, схема питания системы сжатым воздухом, рассмотрены состав бортового оборудования и последовательность спускоподьемных операций.

Входящие в состав УВ-10 излучатели, средства буксировки, пневмо- и элекгроком-муникации, средства контроля и управления позволяют реализовать разные варианты однородных и неоднородных пневматических групп, имеющих различные частотные и энергетические характеристики возбуждаемых сигналов. Конфигурации нескольких вариантов широкополосных компактных групп даны в табл. 1.

В качестве примера на рис.5 приведены сигнал, амплитудный спектр и другие характеристики группы 10/12 при рабочем давлении 15 МПа и глубине буксировки 7 м. При запасаемой энергии 450 кДж амплитуда суммарного сигнала 11.0-12.0 бар-м, степень гашения пульсаций 9.5:1—10.5:1, плотность потока акустической энергии 4.5-5.5 кДж/м2 (на 1 м); основная энергия сигнала сосредоточена в полосе частот от 18-20 до 90-100Гц.

Некоторое повышение степени гашения пульсаций, в принципе, еще может быть достигнуто уменьшением глубины погружения излучателей до 3-5 м, однако, в целом, для компактных групп с малой базой группирования (типа УВ-10), возможности дальнейшего улучшения акустических характеристик, особенно для мощных групп с большим суммарным объемом, ограничены нелинейными эффектами, обусловленными высокой концентрацией энергии, выделяемой в сравнительно малом объеме пространства.

В работе приведены основные характеристики и узкополосных низкочастотных групп, создаваемых на базе установки УВ-10. Такие группы, обычно буксируемые на оптимальной по энергоотдаче четвертьволновой глубине погружения, находят применение при широкоугольном глубинном сейсмическом профилировании ШГСП (Коган Л.И., Бя-

• ! и m.I ,/!

Таблица 1

Конфигурации широкополосных групп установки УВ-10

Номер излучателя •Группа 6/8.5 Группа 6/12 Группа 6/18.5 Группа 10/12 Группа 10/19.5

Тип V;, дм' Тип Тип Тип Уьдм* Тип

1 С-5 1.0 С-6 1.0 С-6 3.5 С-6 2.0 С-5 1.0

2 С-6 2.0 С-6 2.0 С-6 - 2.0 С-5 1.0 С-6 2.0

3 С-5 1.0 С-7 3.0 С-7 3.0 С-5 > 0.5 С-7 3.0

4 С-5 . 1.0 С-5 1.0 С-5 1.0 С-5 0.5 С-6 2.0

5 С-6 2.0 С-6 20 С-6 3.5 С-6 2.0 С-5 1.0

6 С-5 1.5(1.0) С-7 3.0 С-7 5.5 С-5 0.5 С-5 1.0

7 - - - - С-5 0.5 С-6 2.0

8 - - - - С-6 1.0 С-7 , 3.0

9 - - - - С-7 3.0 • С-6/ .3 5

10 - - - - С-5 1.0 С-5 1.0

С-5 - «Сигнал-5»; С-6 - «Сигнал-б»; С-7 - «Сигнял-7»

Рис. 5. Акустические характеристики группы УВ-10 10/12 (iV=10, Vg=l2 дм3) при •j'.uv' рабочем давлении сжатого воздуха 15 МПа и глубине буксировки 7 м. . ■

'< • /ч îav . ; ni

ков Ю.А. и др., 2001 г.), при низкочастотных модификациях МОВ и КМПВ и т.п. i >q

В этом же разделе описан и макетный образец установки УВ:5, представляющий, собой упрощенный и облегченный вариант компактной группы, содержащей 5 излучателей «Сигнал-5», размещаемых на раме из стальных труб размерами Л,х2 м. Размеры и масса группы УВ-5 (.около 1.50 кг); позволяют использовать ее,, на небольших геофизических судах, не оснап;енныхсвециализированнь™ с^скоподьемнь№(оборудованием. ,(!i_ Группа УВ-5 сострит из деух jgiacrepqB^ расположенных на противоположных концах рамы: один из трех излучателей на базе 1м (1.0д?л3+1.5 дм3+1.0 да3), другой - из двух излучателей на базе 0.7 м (0.75 дм3 +,0 .75 дм3).-Общий объем группы составляет 5.р до3, глубина буксировки h = 3.0 м. Возможно использование этой же группы в виде линии на гибкой подвеске с буксировкой излучателей на отдельных поплавках.

Акустические характеристики группы УВ-5 при Р = 15 МПа приведены на рис. 6.

Как видно из этого рисунка, сигнал группы УВ-5 при амплитуде 4.1 бар-м, плотности потока энергии 0.64 кДж/м2 (на 1 м) и Степени гашения пульсаций около 8.7:1 характеризуется значительно более высокочастотным спектральным составом: основная энергия его сосредоточена в полосе частот огг 24 до 144-150 Гц.

Рис.6. Акустические характеристики группы УВ-5 (М= 5, 5.0 дм3) при Р = 15 МПа и глубине погружения А — 3 .0 м

В четвертом разделе третьей главы рассмотрены линейные пневматические группы (ЛПГ) Разработка ЛПГ на базе излучателей «Сигнал» длительное время сдерживалась отсутствием на отечественных геофизических судах специальных спускоподьемных средств, необходимых для эксплуатации линейных и площадных излучающих систем. Первые такие системы появились в тресте «Севморнефтегеофизика» НПО «Союзморгео» после соответствующего переоборудования научно-исследовательских судов серии Б-93. Применительно к этим судам в НИО-8 НПО «Нефтегеофизприбор» совместно с заводом «Моргеофизприбор» в 1990 году была выполнена разработка линейных пневматических групп на основе излучателей «Сигнал».

Расчет линейных пневматических групп был выполнен с помощью описанного выше метода расчета неоднородных широкополосных групп, с использованием библиотеки экспериментально зарегистрированных сигналов одиночных излучателей ряда «Сигнал», а также составленных из них кластеров. В работе приведены расчетные акустические сигналы и спектры трех вариантов групп, их расчетные конфигурации, а также модули обобщенных частотных характеристик Рассмотрим подробнее эти группы в порядке уменьшения их мощности.

1. Группа «Сигнап-1» Щц'-10/14 51. Содержит 10 излучателей при общей базе группирования 12 м и суммарном объеме группы 14.5 дм3 - рис.7. Рабочее давление 12-15 МПа, рекомендуемые глубины погружения А; = 3 м и Ь2 - 5м. Акустические характеристики группы при Р= 14 МПа приведены на рис. 8(а) При глубине погружения = 5 м, как следует из рисунка, основная энергия сигнала излучается в полосе частот от 17.0-17.5 Гц до 87.5-94.0 Гц и характеризуется сравнительно равномерным распределением в пределах этого диапазона. При высокой степени гашения пульсаций (16-17):1 амплитуда 1-го пика сигнала достигает 14.9 бар-м (двойной размах Р-Р около 2.5 МПа-м), при этом плотность потока излучаемой акустической энергии в дальней зоне 6.97-8.10 кДж/м2 на 1м.

При глубине А; => Зм группа «Сигнап-1» характеризуется более широкополосным составом излучения с равномерным распределением энергии в полосе частот от 23-25 Гц до

115-120 Гц, а также лучшим подавлением пульсаций - не менее (17-18):1; плотность потока энергии в дальней зоне при Р = 14 МПа составляет 2.36-2.65 кДж/м2 на 1м

| д 2.0 м ^ |0.75| 25 и ш jO.75jO.73j З.Ом jB.75jQ.75ja.75j

й 5~й Ш ГО!

Шм

Рис 7. Конфигурация линейной группы «Сигнал-1» (ЛПГ-10/14 5).

Проведенные эксперименты показали, что группа Л1II -10/14.5, как и ожидалось по теоретическим оценкам, устойчива по своим характеристикам как к вариациям глубины погружения и рабочего давления, так и к выходу из строя отдельных излучателей.

2. Группа «Сигнал-П» (ЛШ-8/11.5). Акустические характеристики группы при Р= 14 МПа и Н2 - 5 м приведены на рис. 8(6) Эта группа имеет на 3.0 дм3 меньший суммарный объем и может быть получена из группы «Сигнал-1» отключением излучателей №6 и №10 (У6 =1.0 дм3, К,о = 2.0 дм3). При амплитуде сигнала от 14.4 бар-м до 17.4 бар-м (Р-Р) и плотности потока акустической энергии от 1.83 кДж/м2 (при А/ = 3 м) до 3.54 кДж/м2 (при И2 — 5 м) группа также характеризуется широкополосным излучением, однако степень гашения пульсаций у нее несколько ниже: от 12:1 (при /г2 = 5 м) до 15:1 (при А/ = 3 м).

3. Группа «Сигнал-М» 01111 -6/5.6). Акустические характеристики группы при Р= 14 МПа и И2 = 5 м приведены на рис. 8(в). Эта группа также является подмножеством группы «Сигнал-1» и может быть получена из нее отключением наиболее мощной подгруппы (излучатели №7-№10). Имея весьма небольшой суммарный объем (Кг =5.6 дм3) при рабочем давлении Р= 14 МПа группа «Сигнал-ГП» возбуждает сигнал с амплитудой 11.5-12.3 бар-м, плотностью потока акустической энергии в дальней зоне 1.54—1.78 кДж/м2 на 1м и с широкополосным спектром, близким к равномерному в полосе частот от 29-30 Гц до 138-140 Гц (при А; = 3 м). В этом варианте группа «Сигнал-Ш» отличается и хорошей степенью гашения пульсаций, достигающей (12-13):1.

Это группа минимальной мощности. При расходе сжатого воздуха всего около 5 дм3 на один выхлоп такую группу при А = 3 м можно использовать для изучения верхней части разреза с небольшим взрывным интервалом. Именно такая группа с базой всего 6.75 м может быть рекомендована и к применению на маломерных судах, например," для работы на мелководье, для цепей речной сейсморазведки, а также и в качестве компактного излучающего модуля при создании больших линейных и площадных интерференционных систем, содержащих 4-6 подобных подгрупп.

В пятом разделе главы рассмотрены особенности возбуждения упругих волн в условиях мелководья, связанные с наличием двух жестких отражающих границ «вода-воздух» и дно, вносящих существенные искажения в излучаемые и регистрируемые акустические сигналы (Гуленко В.И., Карпенко В.Д., Шлыков В.А. - 1989; Гуленко В.И., Бяков Ю.А. -1999 г.). При этом на акустические характеристики излучателя, такие как амплитуда и период пульсации сигнала, оказывают влияние толщина водного слоя и глубина погружения. Это влияние аналогично взаимному влиянию излучателей в группе и обусловлено действием внешнего переменного давления в окрестности излучателя, которое складывается из волн давления, излучаемых бесконечной цепочкой "мнимых" источников, получающейся в результате последовательных зеркальных отображений излучателя в границах

N Тип V, дм3

1 Сигнал^ 05

2 Сигнал-5 07

3 Сигнал-5 10

4 Ситап-5 10

5 Стив/ьв 14

6 Снтап-5 10

7 СигнягМ> 1.4

8 Сигнагьб 20

9 Сигнал^ 35

10 Ситап-8 20

©".

2Э140 П«1 Г10у- I*. О Гц

"во*- •«-» Г« ьв-ао " «1в-во- я*-**

»■О-!»"

1

1:в ■ ц г -хивга-дщки-—того—1 <М ■> 26. -7«. А - X -ти" лш.ц

и к - п»»ич

©

Г»0>— г«* Г9ох- га

Ее-го -с1в-во* оя еао-во- •«-»* _ _

»4 о*- г*

- 13. вх

с1в-«а" *»-** Сяо-во-

Рис.8.. Акустические характеристики линейных пневматических групп«Сигнал-1» - (а), «Сигнал-П» - (б) и «Сигнал-Ш>> - (в) при Р01" 14МПа, и = 5 м

слоя (Бреховских Л.М. — 1973 г.). Принимая коэффициент отражения от границы "вода-воздух" равным -1, а от гранита "вода-дно" равным к, для расчета внешнего давления получим выражение:

где г„, = 2пН; г„2 = 2пН + 2Н; г„3 = 2(п+1)Н-2И; гм = 2(п+1)Н; (47)

38

H, А — толщина водного слоя и глубина погружения излучателя.

Измененные акустические характеристики излучателя с учетом влияния граничных поверхностей могут быть рассчитаны с помощью систему дифференциальных уравнений (26) при N = 1, совместно с уравнением (47) для расчета давления в жидкости в окрестности пузыря. Приведенные в работе расчетные зависимости периодов пульсации излучателей «Сигнал», полученные при разных глубинах погружения в водном слое Н = 4„5 м, демонстрируют хорошее совпадение с экспериментом.

В конце третьей главы кратко сформулированы основные вывода по результатам разработки и исследования пневматических групп.

Глава 4. РАЗРАБОТКА СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОВЫМИ ПНЁВМОИСТОЧНИКАМИ

В первом разделе сформулированы основные требования, предъявляемые к современным многофункциональным системам управления пневматическими группами, и рассмотрены принципы их построения. К числу таких требований отнесены .следующие:

I. При минимальном временном интервале срабатывания до 6 с система должна обеспечивать эффективную работу групп, содержащих до 50 излучателей, имеющих встроенные датчики момента срабатывания (ДМС), с запуском излучателей как синхронно, так и по любому наперед заданному закону, с автоматической коррекцией времен , их срабатывания. Внутренний запуск системы должен осуществляться от таймера ЭВМ, внешний запуск - от сейсмостанции или от головной ЭВМ сейсмического комплекса

2. Система должна обеспечивать постоянный мониторинг текущего состояния группы с визуализацией на каждом взрыве основных технологических параметров, определяющих эффективную работу источника. Характер выводимой информации и способ ее представления (желательно на русском и английском языках) должны обеспечивать необходимую наглядность и удобство ее восприятия, а также возможность надежной оценки оператором качества работы, как всей группы, так и отдельных излучателей при периодическом и кратковременном наблюдении за экраном монитора управляющей ЭВМ.

3. В системе должна быть предусмотрена возможность независимого параллельного контроля акустических сигналов не менее чем в 20 точках в ближней зоне излучателей группы, с выводом на экран монитора как всех зарегистрированных сигналов одновременно, так и любого сигнала в отдельности. При этом система должна обеспечивать при необходимости расчет и визуализацию спектральных характеристик отдельных сигналов подгрупп (кластеров), а также синтез и визуализацию суммарного сигнала и амплитудного спектра всей группы для дальней зоны.

4. Система также должна обеспечивать автоматическое ведение протокола работы источника (также на русском или английском языке) с документацией в процессе его работы на профиле таких основных технологических параметров, как рабочее давление воздуха в подгруппах, глубины их погружения, а также оценка среднеквадратических отклонений времен срабатывания всех в отдельности излучателей группы в скользящем окне. Кроме того, в основном режиме при работе на профиле система должна накапливать статистику неисправностей всех излучателей группы.

5. В режиме тестирования должна обеспечиваться проверка функциональных блоков контроллера, проверка состояния и диагностика неисправностей излучателей, измерение их собственных времен срабатывания, проверка и калибровка датчиков , - •

6. Система должна быть простой, надежной и удобной в эксплуатации; по своим габаритам, весу и энергопотреблению она должна соответствовать возможностям геофизических судов, в том числе и малотоннажных плавсредств, предназначенных для работ в условиях мелководья. В процессе работы обслуживание системы должно осуществляться имеющимся штатом сменных операторов, без привлечения дополнительного персонала.

При создании таких систем целесообразно использовать модульный принцип построения аппаратуры (А.В. Калинин, 1976), позволяющий при минимальнЬй номенклатур

39

ре разрабатываемых устройств обеспечить максимальное разнообразие ее возможностей.

Второй раздел главы посвящен разработке алгоритма автоматической коррекции времен срабатывания пневматических излучателей и исследованию свойств этого алгоритма методом имитационного моделирования.

Наличие медленных флуктуаций времен срабатывания в пределах нескольких миллисекунд характерно для пневмоисточников различных типов и конструкций и вероятно обусловлено причинами, связанными с износом колец, неравномерностью подачи и выноса смазки и конденсата и др. факторами. Так как синхронизация группы обычно осуществляется в начале работы при заходе на профиль, через некоторое время в силу указанных причин группа может полностью выйти из режима синхронного срабатывания, в результате чего, как показано в главе 4, энергетические характеристики возбуждаемых суммарных сигналов будут значительно хуже ожидаемых. Отсюда необходимость создания таких систем контроля и управления источниками, в которых обеспечивается автоматическое поддержание режима синхронной работы группы является очевидной.

С точки зрения теории автоматического регулирования (Бессекерский В.А., Попов Е.П.-1966) задача создания системы контроля и управления с автоматической синхронизацией группы из М излучателей сводится к построению М-канального дискретного предсказывающего фильтра, осуществляющего подавление флуктуаций времен срабатывания каждого излучателя группы. Так как в общем случае времена срабатывания излучателей можно считать взаимно независимыми, достаточно построить предсказывающий фильтр для одного канала, для других каналов системы такие фильтры могут быть построены аналогично. Такой фильтр должен удовлетворять следующим требованиям.

1. В качестве входных параметров алгоритм дискретного фильтра может использовать лишь измеренные значения скорректированных времен срабатывания излучателей (в том числе и предшествующие значения), а также заданное время срабатывания группы Т0. Априорные сведения о виде функции, описывающей флуктуацию, отсутствуют (за исключением того, что эта функция меняется во времени сравнительно медленно).

2. Алгоритм дискретного фильтра должен быть устойчивым для достаточно широкого класса функций, описывающих флуктуации, и обеспечивать высокое качество подавления медленных флуктуаций времени срабатывания излучателя (не менее чем в 8-10 раз). Шум, вносимый оператором фильтра при отсутствии флуктуаций, не должен увеличивать среднеквадратические отклонения моментов срабатывания излучателей более чем в 1.5-2 раза. Критерием качества подавления флуктуаций может быть выбран критерий минимума суммы среднеквадратических отклонений скорректированных (измеренных) времен срабатывания излучателей Тк от заданного времени Т0 в течение N срабатываний:

3. Алгоритм дискретного предсказывающего фильтра должен быть достаточно простым и в М-канальном варианте программно реализуемым в пределах возможностей ЭВМ, входящей в состав системы контроля и управления.

В работе предложен алгоритм предсказывающего дискретного фильтра автокоррекции, удовлетворяющий перечисленным требованиям и содержащий интегральную и дифференциальную компоненты, учитывающие тенденции изменения отклонений времени срабатывания излучателя за последние Ь срабатываний, взятых с соответствующими весовыми коэффициентами. В этом алгоритме величина коррекции Qk+] времени (к+1)-го срабатывания излучателя вычисляется по формуле:

где Ак = + - Тв; АТк=Тк - Т0 - измеренное отклонение к-то скорректированного времени срабатывания от заданного То; <7, = 1 - (I- 1)/Ь - весовые коэффициенты закона "забывания"; / = 1,2, ...Ь; к - 1,2, ...М-порядковый номер срабатывания излуча-

(48)

(49)

теля, С - коэффициент пропорциональности при дифференциальной компоненте, выбираемый в соответствии с критерием (48): лучшие результаты достигаются при С «2

Действие алгоритма при I, = 6 показано на рис 9, где верхняя трасса соответствует временам срабатывания излучателя без коррекции Г**, нижняя трасса - скорректированным (и измеренным) временам 7*, при этом на каждом этапе вычислений используются только Ь значений Л^ ()к + ЛТк

На рис.10 представлены экспериментальные зависимости времен 200 срабатываний излучателя "Сигнал-7" от номера цикла, полученные при работе его без автокоррекции (а) и с автокоррекцией (б), а также соответствующие гистограммы. Как видно из рисунка, хотя алгоритм автокоррекции и вносит небольшой дополнительный шум, однако он обеспечивает эффективное подавление флуктуации, вследствие чего диапазон разброса времен срабатывания излучателя значительно уменьшается.

В работе приведены результаты исследования эффективности фильтра (49) методом имитационного моделирования Из полученных данных видно, что этот алгоритм является устойчивым, при этом степень подавления флуктуаций составляет не менее 10, а

к-1 к-2 Ы к

Рис.9. Иллюстрация работы дискретного предсказывающего фильтра.

увеличение среднеквадратического отклонения времен срабатывания излучателей при отсутствии флуктуаций вследствие вносимого фильтром шума наблюдается не более чем вдвое. Несколько худшие результаты отмечены для флуктуаций, представленных разрывными функциями в виде одиночного выброса времени срабатывания, в виде ступенчатой функции, соответствующей спонтанному переходу излучателя на другое время срабатывания, а также в виде пилообразной функции; при этом фильтр пропускает лишь более высокочастотные компоненты флуктуации,, в ,то время как относительно низкочастотные участки разрывных флуктуаций эффективно подавляются.

В третьем разделе четвертой главы-приведены результаты исследования алгоритма синтеза сигнала группы для .дальней зоны., Проблема получения суммарного сигнала группы в случае, когда глубина моря недостахрчна для прямых измерений в дальней 'зоне, может быть решена с помощью метода (йоИсошвку А. и др. - 1982), позволяющего рассчитать искомый сигнал группы по измерениям сигналов в ближней зоне. В этом случае, суммарный сигнал группы в любой точке среды можно представить в виде суперпо-

-Сигиап-7" У-'Л.О дм3. Р=15 МПа

Без а*токорр*кции

С аеттагоррвкфмй

Т2,

ш в «» «в гт и» Л >

«• - 1,:

-зЬ-*-А.

м II

И и I»

Рис. 10. Изменение времен срабатывания пневматического излучателя "Сигнал-7" при

работе его без автокоррекции (а) и с автокоррекцией (б), з также их гистограммы

зиции зарегистрированных в ближней зоне сигналов от отдельных излучателей, измененных взаимным влиянием. По измерениям с помощью гидрофонов в ближней зоне, число которых должно быть равно числу N излучателей в группе, можно вычислить эти сигналы из системы алгебраических уравнений.

При синхронном срабатывании группы сигнал, регистрируемый у-м гидрофоном, расположенным на 1 м выше излучателя, имеет вид (23о11кт81су А.):

'НЫ'-^Ы'-Г-}

где /,(!)- реальный сигнал, возбуждаемый г-м излучателем; г!0 ~ расстояние между ;'-м действительным излучателем иу-м гидрофоном (при / =у г 1^=1); г2ц - расстояние между /-м мнимым излучателем и у'-м гидрофоном, т.е. длина траектория «волны-спутника» от ¡-го действительного излучателя до у'-го гидрофона с отражением от поверхности «вода-воздух» (при / =j г2,}=2-И - 1 - если гидрофон расположен над излучателем); к - коэффициент отражения волны давления от поверхности «вода-воздух», к -—1. Первая сумма в выражении (50) - суперпозиция прямых волн от всех излучателей группы в точке размещения у-го гидрофона, вторая сумма — суперпозиция «волн-спутников». Это уравнение можно записать в следующем виде:

1 , \ * 1 1 \ Е -г/.МЛ+Х-^/МЛ (51)

''у ,=1 Г¿ц

где 11 ч~ (г!у - 1)/с и 12^ (г2ц - 1)/с - соответственно, времена запаздывания прямых и отраженных от поверхности «вода-воздух» волн, регистрируемых у'-м гидрофоном; с -1500 м/с. Как видно из (51), в точке, где расположен у-й гидрофон, в суммарном регистрируемом сигнале доминирует сигнал от расположенного рядом у'-го излучателя. Поэтому при решении системы уравнений (51) итерационным методом в качестве первого приближения могут быть взяты зарегистрированные гидрофонами сигналы Р0. С использованием рассчитанных таким образом значений - реальных, искаженных взаимным влиянием сигналов всех излучателе! группы, суммарный сигнал ¥¡(1), излучаемый в вертикальном направлении, с учетом отражения от поверхности «вода-воздух», имеет вид:

где г - 2-к/с - запаздывание «волны-спутника» относительно прямой волны

Исследование этого алгоритма позволило выявить следующие его свойства.

1 Расчетные сигналы излучателей уже после трех: итераций сходятся тс ожидаемым «реальным» сигналам/,(1). Вместе с тем, при 4-й и 5-й итерациях, па отрицательных фазах импульсов появляется высокочастотный дребезг, отсутствующйй на реальных сигналах и свидетельствующий о некоторой неустойчивости алгоритма 'ВкчМсЛительнЫе эксперименты, выполненные при изменении взаимного расположения гидрофонов и излучателей, или при небольшом увеличении дистанции между ними (например, до 1.5 м), показывают, что этот алгоритм становится неустойчивым уже на первых итерациях.

2. Как показывают результаты моделирования, основной физической причиной неустойчивости этого алгоритма является то, что сигналы от близко расположенных излучателей трудно разделимы: в точке приема они близки по амплитуде, а различие времен их прихода к соседним гидрофонам часто меньше дискретности квантования В этой связи в работе предложено усовершенствование метода. Так, значительно лучшие результаты могут быть получены при установке гидрофонов не у каждого излучателя, а только у каждого кластера. При этом наряду с уменьшением количества гидрофонов задача разделения сигналов близко расположенных излучателей уже не возникает, так как в рассматриваемом алгоритме восстанавливаются сигналы не отдельных излучателей, а сигналы отдельных кластеров, расстояния между которыми составляют несколько метров. При приемлемой для практики точности синтеза суммарного сигнала группы в этом случае устойчивость алгоритма (при вдвое меньшем объеме регистрируемой и обрабатываемой информации) значительно выше.

3. В качестве первого и достаточно хорошего приближения к сигналу группы в дальней зоне может быть использована сумма зарегистрированных гидрофонами сигналов Р,(1), пересчитанная на дальнюю зону в соответствии с выражением (52).

В четвертом разделе четвертой главы рассмотрены конструкция и основные характеристики программируемых контроллеров «АСТРА» и «АСТРА-М», выпуск которых в течение ряда лет осуществлялся в НПО «Нефтегеофизпрнбор». Блок-схема контроллера «АСТРА-М» приведена на рис.11.

Контроллер содержит пять функциональных блоков, каждый из которых обеспечивает работу одной подгруппы из десяти пневматических излучателей, снабженных датчиками ДМ С, датчиками'давления и глубины (по два на одну подгруппу), а также 20-каналышй акустический блок, к которому подключаются 20 гидрофонов для контроля акустического излучения группы в ближней зоне. В качестве управляющей ЭВМ используется «Репйит-2» с тактовой частотой не менее 300 МГц, которая соединена с функциональными блоками с помощью специального интерфейса, а с головной ЭВМ через последовательный интерфейс 115-232. Принтер, входящий в состав системы, предназначен для печати протокола работы источника на профиле.

Контроллер «АСТРА-М», является более новой разработкой (1997г.) и отличается от контроллера «АСТРА» наличием подсистемы акустического контроля - блока БАК и гидрофонов. Введение этой подсистемы потребовало некоторого усложнения программы и применения более мощной управляющей ЭВМ - «РеШшт-2».

Программное обеспечение контроллера обеспечивает его работу во всех режимах с выполнением следующих функций: '

- подача на ЭПК пусковых электрических импульсов с заданными задержками;

- измерение времени срабатывания пневмоизлучателей по сигналам датчиков (ДМС);

- вычисление задержек для каждого излучателя и автоматическое удержание одного из 11 заданных временных законов срабатывания группы (включая синхронный запуск);

- диагностика состояния цепей подачи пусковых импульсов на ЭПК (обрыв цепи, замыкание в цепи, отсутствие сигнала ДМС);

измерение глубины погружения группы пневмоизлучателей;

~ измерение давления воздуха в пневмомагистрали;

- выдача сигнала отметки момента взрыва на сейсмостанцию;

- цифровая регистрация и визуализация сигналов, зарегистрированных гидрофонами в ближней зоне излучателей группы (до 20 сигналов), с дискретностью от 0 25 до 2 0 мс;

- передача основных технологических параметров (показания датчиков, отклонения времен срабатывания и другая информация) через интерфейс КБ-232С в головную ЭВМ.

Подача пусковых импульсов на ЭПК может осуществляться в автоматическом режиме с заданным интервалом времени (режим настройки) или по сигналу, получаемому от сейсмостанции (рабочий режим).

Рис.11. Блок-схема многофункциональной системы управления групповыми пневматическими источниками «АСТРА-М»

Разработанная система может обеспечить работу группы любых пневматических излучателей, имеющих встроенные датчики момента срабатывания (ДМС) и амплитуду запускающего импульса от 60 до 260 В при максимальном токе элекгропневмоклапана до 10 А (например, типа "ПУЛЬС"). При этом длительность запускающего импульса составляет около 20 мс, диапазон измерения и регулировки времен срабатывания излучателей составляет 0 - 100 мс с дискретностью 0.01 мс.

Такая конструкция системы управления соответствует модульному принципу, положенному в основу разработки: работа малых групп обеспечивается системой в минимальной конфигурации, содержащей всего один функциональный блок; группы, состоящие из четырех линейных подгрупп, соответственно, требуют использования четырех функциональных блоков. В том случае, когда в состав большой группы входят 6-8 линейных подгрупп, содержащих 60-80 пневматических излучателей, возможно одновременное использование двух (или даже более) контроллеров «АСТРА», при этом один из них имеет статус «ведущего», а другой - статус «ведомого».

В работе подробно рассмотрены устройство и работа блока функционального, блока акустического контроля, гидрофонов, датчиков давления ДЦ-25 и глубины ДГ-50.

В пятом разделе четвертой главы подробно рассмотрено программное обеспечение контроллера «АСТРА». Версия 5.1 от 2000 г. состоит из следующих файлов: , ■

1. ASTRA-2000.EXE - управляющая программа контроллера «АСТРА»;

2. ASTRA.DAT - .входной стартовый файл стандартных переменных для программы ASTRA-2000 ЕХЕ;

3. ASTRABAK.DAT - входной стартовый файл с установочными параметрами блока акустического контроля (БАК) — коэффициенты чувствительности гидрофонов, коэффициенты усиления по каналам, дискретность квантования сигналов и др.

4. ASTRA1.TXT - ASTRA8.TXT - восемь текстовых файлов на русском языке с описанием основных режимов работы;

5. ASTRA1A.TXT -ASTRA8A.TXT-BoceMb текстовых файлов на английском языке с описанием основных режимов работы.

Основная рабочая программа ASTRA-2000.EXE имеет четыре режима работы, обеспечивающих выполнение следующих функций:

- установка системы с заданием (обновлением) всех ( или отдельных) параметров и режимов работы контроллера и всего источника в целом;

- основной рабочий режим, обеспечивающий управление и мониторинг технологических параметров пневматических источников при профильных наблюдениях, а также передачу этих параметров через интерфейс RS-232 в головную ЭВМ для последующей записи их в этикетку сейсмограммы;

- автоматическое ведение протокола работы системы на профиле с выводом на принтер и (или) диск всех основных технологических параметров;

- тестирование всей системы с проверкой состояния и диагностики неисправностей функциональных блоков контроллера, блока акустического контроля, проверка излучателей группы и измерение их собственных времен срабатывания; проверка и калибровка датчиков для измерения рабочего давления, датчиков для измерения глубины погружения излучателей, а также корректировка начальных данных в стартовых файлах ASTRA.DAT и ASTRABAK.DAT;

- вызов краткого описания программного обеспечения контроллера "АСТРА" (на русском и английском языках).

В программе ASTRA-2000.EXE в основном рабочем режиме реализован рассмотренный выше алгоритм автоматической коррекции времен срабатывания излучателей с удерживанием любого из одиннадцати заданных временных законгбв срабатывания группы (в том числе синхронного), ,ч 1

При наличии в составе контроллера блока акустического контроля 'посйе 'каждого взрыва осуществляется цифровая регистрация до 20 сигналов с гидрофонов ближней зоны и выполняется синтез суммарного сигнала группы для дальней зоны в соответствии с описанным выше алгоритмом.

Выбор нужного режима работы или выход из программы осуществляются с помощью меню. В любой момент времени оператор имеет возможность по "горячей" клавише перейти к англоязычному варианту программы ASTRA-2000.EXE (и обратно). В работе детально рассмотрена работа Программного обеспечения во всех режимах эксплуатации контроллера, а также Структура стартовых файлов ASTRA.DAT и ASTRABAK.DAT'и протоколы обмена информацией с головной ЭВМ сейсморазведочного комплекса.

• Программное обеспечение контроллера создано на языке Турбо Паскаль (версия 7.0 фирмы Borland Inc.) и поставляется потребителю в виде гото1вой'к выполнению программы (загрузочный модуль ASTRA-2000.EXE). Работа программного обеспечения 'осуществляется под управлением операционной системы MS DOS кли WTNDOWS-95/98.- 1

В шестом разделе четвертой главы подробно рассмотрена методика управления характеристиками направленности линейных и площадных групп с помощью контроллера «АСТРА». В программном обеспечении контроллера реализованы все возможности для

практического управления характеристиками направленности линейных и площадных пневматических групп. В соответствии с выражениями (37) управление характеристиками направленности осуществляется с помощью задержек At, и Atp времен срабатывания отдельных излучателей группы, обеспечивающих поворот основного максимума характеристики направленности в том или другом направлении cto, Д?. Рассчитанные таким образом значения задержек At, и Atj в миллисекундах для каждого излучателя группы в режиме «Установка системы» раздел «Задание параметров группы» заносятся в один из 10 массив заданных «произвольных законов» срабатывания. Наряду с законом синхронного срабатывания группы (At, = 0 и Ät} = 0) все эти законы хранятся в стартовом файле AS-TRA.DAT и в любой момент готовы к применению при работе источника на профиле.

Потенциальная эффективность линейных групп с управляемыми характеристиками направленности в работе иллюстрируется результатами моделирования сейсмических волновых полей с помощью пакета «ВОЛНА» (Гуленко В И. и др.- 2001).

Созданный в 1990 г. контроллер «АСТРА» («АСТРА-М» - 1996 г.) остается системой современной, многофункциональной, универсальной и может работать с пневматическими источниками различных типов. В течение всех 12 лет с начала серийного выпуска конструкция контроллера и его программное обеспечение постоянно совершенствовались и поддерживались на уровне непрерывно возрастающих требований. Цоэтому практически все сейсморазведочные работы, выполненные Российскими организациями в последние годы и выполняемые в настоящее время на акваториях южных морей, были отработаны пневматическими группами с использованием контроллеров «АСТРА».

В конце главы сформулированы основные выводы по результатам разработки и исследования систем контроля и управления групповыми пневмоисточниками.

Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ ПНЕВМОИСТОЧНИКОВ РЯДА «СИГНАЛ» И КОНТРОЛЛЕРОВ «АСТРА» ПРИ СЕЙСМОРАЗВЕДКЕ НА АКВАТОРИЯХ

В первом разделе главы дана оценка эффективности компактных пневматических групп УВ-10 и УВ-5 при морской сейсморазведке. Оценка эффективности источников проводилась в 1986-1988 г.г. на НИС «Академик Ферсман» методом их сравнительных испытаний на одних и тех же участках сейсмических профилей с использованием одной и той же штатной цифровой приемно-регистрирующей аппаратуры на Гудаутском и северо-западном шельфах Черного моря. Работы проводились с группой ИГП-1 и разными вариантами групп установки УВ-10 методом MOB ОГТ с буксируемой пьезокосой.

Первый эксперимент с широкополосной группой 6/12 УВ-10 (6 излучателей с — = 2 дм3 при давлении Р = 15 МПа) и группой ИГП-1 (Кг= 4x3 дм3, Р= 12 МПа, А = 6 м) был проведен на профиле № 038026 длиной 25 км. Обе эти группы имеют сравнительно близкие показатели по плотности потока акустической энергии, излучаемой в сейсмическом диапазоне частот в вертикальном направлении; при этом, хотя группа УВ-10 в конфигурации 6/12 по запасаемой энергии и превышает в 1.25 раза ИГП-1 (12 дм3 при давлении 12 МПа), однако последний имеет более высокий акустический к.п.д. В этом эксперименте различия сейсмических записей обусловлены, в основном, различиями в степени гашения пульсаций и, соответственно, в спектральном составе возбуждаемых сигналов.

Второй полевой эксперимент был проведен на участке морского сейсмического профиля № 538726 длиной 25 км, который также отработан дважды: один раз с мощной широкополосной группой ¡0/19.5 (10 излучателей "Сигнал" с общим объемом 19.5 дм3 при Р = 15 МПа и А = 6-7 м), второй раз - с источником ИГП-1 (группа Ур- 4x3 дм3, Р= 12 МПа, А = 6 м). Эта группа УВ-10 имеет практически такой же спектральный состав излучения, как и группа 6/12 в первом эксперименте, однако она значительно мощнее, и по запасаемой энергии (W3ml= 750 кДж) более чем вдвое превосходит группу ИГП-1.

Полевой эксперимент с низкочастотными модификациями групп 10/19.5 УВ-10 (Fz= 19.5 дм\ Р = 15 МПа, А = 17 м) и ИГП-1 (Vz= 12 дм3, Р = 12 МПа, А- 12 м) был

46

проведен на профиле № 528716 длиной около 30 км в районе поднятия Голицына

Морские испытания макета пневматической группы УВ-5 были проведены А/О «Морсейс» на НИС «Искатель-3» в 1993 году в режиме опытного опробования'в ходе изучения строения верхней части разреза одного из объектов на Керченско-Таманскйм шельфе Черного моря методом MOB ОГТ.

Анализ сейсмических материалов,,полученных при этих полевых экспериментах, а также результатов их. обработки, позволяет сделать следующие выводы: .,

1. Различия в характеристиках исходных сейсмограмм, полученных в одинаковых условиях с группами УВ-10 и ИГП-1, в целом, с учетом фильтрующих свойств среды и приемно-регистрирующей аппаратуры, соответствуют реальному соотношению акустических характеристик этих источников и обусловлены только их различиями в амплитудных, спектральных и энергетических параметрах возбуждаемых сигналов.

Однако, как следует из полученных результатов, на каждом последующем этапе обработки сейсмической информации по стандартному графу даже существенные различия в исходных материалах постепенно уменьшаются и на,результирующих временных разрезах оказываются в значительной мерю сглаженными

2. Применение широкополосных групп УВ-10 с гашением пульсаций, трм не, менее, позволяет, по сравнению с источником ИГП-1, расширить частотный состав записи и повысить ее разрешенность, особенно в верхней и средней части разреза Использование более мощных, по сравнению с ИГП-1, широкополосных групп позволяет повысить интенсивность отражений и улучшить качество прослеживания отражающих горизонтов.

3. Еще более широкий спектральный состав сейсмической записи может быть получен с применением высокочастотных пневматических групп типа УВ-5, позволяющих существенно улучшить разрешенность записи и обеспечить более высокую детальность исследований в интервале времен регистрации до 1.0-1.5 с.

4. Применение более мощных низкочастотных групп УВ-10 позволяет при той же разрешенности записи, как и с источником ИГП-1, заметно повысить интенсивность отражений и улучшить качество прослеживания горизонтов и в нижней части разреза.

5. При увеличении мощности источника и амплитуды возбуждаемых сигналов наряду с повышением интенсивности полезных отражений в экспериментах отмечено практически такое же увеличение интенсивности и фона регулярных волн-помех.

В этом случае применение более мощного источника создает предпосылки для увеличения глубинности разведки, однако их реализация требует также совершенствования и методов подавления регулярных волн-помех, как за счет использования оптимальных с этой точки зрения систем наблюдения при получении данных, так и при их обработке с применением более эффективных алгоритмов и программ.

Тем не менее, рассмотренные в настоящей работе пневматические групповые источники, созданные на основе излучателей ряда «Сигнал», (и те, которые могут быть созданы на их основе), от мощных низкочастотных групп, линейных, и площадных излучающих систем, до маломощных высокочастотных групп, в совокупности могут обеспечить то разнообразие характеристик, которое необходимо для решения самого ит-рокого круга задач современной морской сейсморазведки.

Во вторам разделе пятой главы рассмотрены результаты морских испытаний опытного образца контроллера «АСТРА». Эти испытания были проведены летом 1990 г. на акватории Черного моря на НИС «Искатель-3». Целью испытаний была проверка показателей назначения и оценка функциональных возможностей контроллера «АСТРА» при работе с групповым пневматическим источником «Лиман» (2 модуля, содержащих 10 излучателей при рабочем давлении 15 МПа и глубинах погружения 3 м и 5 м), В ходе проведенных испытаний установлено следующее: - „г ,

1. Контроллер «АСТРА» обеспечивает работу источников во всех предусмотренных режимах: запуск внутренний (автоматический) и внешний, синхронная работа группы и срабатывание излучателей по заданному закону, а также автоматическая коррекция времен срабатывания излучателей с удержанием любого заданного закона их запуска Ре-

зультатами испытаний показано, что введение автоматической коррекции позволяет почти вдвое снизить среднеквадратические отклонения времен срабатывания излучателей и полностью устранить низкочастотный «дрейф».

2. Контроллер «АСТРА» обеспечивает постоянный мониторинг текущего состояния излучающей системы, в том числе осуществляет диагностику состояния излучателей и электрических линий связи, а также контроль над давлением в пневмомагистралях и глубиной погружения источника.

3. Примененная в контроллере система защиты сохраняет его нормальную работоспособность при любых неисправностях в электрических линиях связи с излучателями.

В ходе испытаний источник в течение нескольких часов буксировался за судном на глубине 3 м со скоростью 4-5 узлов, а контроллер работал в режиме автокоррекции с внешним запуском с интервалом 6-8 с. В целом, морские испытания опытного образца контроллера «АСТРА» прошли успешно. Серийный выпуск и 12 лет успешной эксплуатации контроллера подтвердили эффективность этой разработки.

Третий раздел пятой главы посвящен исследованию влияния пневматических источников на ихтиофауну.

В последние годы заметно возросло внимание общества к экологическим проблемам, в том числе, и связанным с применением морской сейсморазведочной техники на акваториях, относящихся к числу рыбохозяйственных водоемов. Необходимость исследований в этом направлении обусловлена как внедрением в практику сейсморазведки новых технических средств, так и постоянной переоценкой предельно допустимой степени воздействия антропогенных факторов на окружающую среду.

В этой связи начиная с 1970-х годов все разработанные источники для морской сейсморазведки обязательно подвергались изучению их воздействия на ихтиофауну. Летом 1990 г. совместно с трестом «Южморнефтегеофизика» ПО «Союзморгео» и при участии Краснодарского научно-исследовательского института рыбного хозяйства (Крас-НИИРХ) такие исследования были проведены на полигоне завода «Моргеофизприбор».

Целью этих исследований являлось определение характера воздействия акустического излучения пневмоисточников на отдельные виды рыб, зависимости стелет этого воздействия от параметров излучаемого сигнала и расстояния до объекта воздействия.

Эксперименты проводились в специальном бассейне с размерами 20x40 м и глубиной до 4.5 м, оснащенном техническими средствами для регистрации и измерения параметров акустических сигналов по методике, разработанной и опробованной ранее комплексной методической партией КМП-7 треста «Южморнефтегеофизика».

В качестве исследуемых источников в эксперименте использовались одиночные излучатели «Сигнал-5», «Сигнал-6» и «Сигнал-7», а также компактная группа ИГП-1 и линейная пневматическая группа «Лиман». В соответствии с обычно применяемой методикой (Солодилов Л.Н. и др.-1968, Векилов Э.Х.-1973) в ходе проведения эксперимента, испытываемые виды рыб (молодь двух видов осетровых, лещ, чехонь, судак) размещались в бассейне в садках на глубине 2 м на расстояниях 0.5, 1.5, 2.5, 3.5 и 5 м от исследуемого источника возбуждения. Время адаптации рыб до начала воздействия составляло 1 час. После однократного или многократного воздействия, через определенное время экспозиции (1 мин, 15 мин, 30 мин) рыба извлекалась из садков, и специалистами ихтиологами изучалось состояние внутренних органов рыб и их поведенческие реакции.

В ходе эксперимента акустические характеристики возбуждаемых сигналов регистрировались гидрофоном на дистанции 1.5 м от источника, пиковые значения амплитуды давления для других точек, в которых располагались садки с рыбой, рассчитывались в соответствии с формулой (50).

Анализ основных результатов исследований, сводятся к следующему:

1. Молодь осетровых рыб является наиболее уязвимой для воздействия акустического излучения и необратимо поражается отдельными пневматическими источниками на расстояниях до 2-3 м. На расстояниях 3.5-5.0 м воздействие всех типов источников сводится к появлению в отдельных случаях обратимых изменений, исчезающих через 15-30

48

мин после воздействия.

2. Наибольшей степенью воздействия на испытуемых рыб характеризуется источник ИГП-1. Наименьшей степенью воздействия - линейный источник «Лиман». Такой результат, обусловлен не столько их различиями в запасаемой энергии; сколько (и в основном) различиями в геометрии групп и, соответственно, различиями в пространственной структуре поля пиковых акустических давлений в ближней зоне

Данные, полученные с источниками ИГП-1, «Сигнал-5», «Сигнал-6», «Сигнал-7», хотя и свидетельствуют о их небезопасности для рыб, однако нуждаются и й некоторых оговорках. Так, во-первых, эти источники предназначены для работы на глубокой воде, вне мест постоянного сосредоточения гидробионтов. Во-вторых, серьезные поражения внутренних органов рыб наблюдаются только при многократном воздействии на небольших расстояниях, в то время как в реальных условиях в режиме непрерывной буксировки источников кратные воздействия на одни и те же экземпляры рыб практически исключены. И, наконец, при обычно применяемых технологиях морских сейсморазведоч-ных работ буксируем ый за судном источник работает с интервалом 8 - 15 с, а поэтбму появление рыб на пути следования приближающегося судна с источником, периодически возбуждающим интенсивные акустические сигналы, представляется маловероятным.

3 АКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе рассмотрен широкий круг вопросов, посвященных разработке пневматических источников для морской сейсморазведки. В ходе выполнения этой работы были решены следующие задачи:

1. Разработана математическая модель пневматического излучателя ряда «Сигнал» и выполнено теоретическое исследование основных закономерностей динамики процесса его срабатывания и подводного выхлопа сжатого воздуха. На основе этих исследований разработаны основные принципы проектирования пневматических излучателей этого типа, выполнена оптимизация параметров излучателей «Сигнал» и сформулированы некоторые рекомендации по их рациональному конструированию.

2. Выполнено экспериментальное исследование динамических и акустических характеристик пневматических излучателей «Сигнал». Полученные результаты, иллюстрирующие основные зависимости динамических и акустических характеристик излучателей от параметров возбуждения, приведены в работе в виде таблиц и графиков, и имеют хорошее соответствие с результатами теоретического моделирования.

В целом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что разработанные излучатели ряда «Сигнал» удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям технического задания и могут быть основой для создания неоднородных пневматических групп, обеспечивающих формирование сигналов с высокими акустическими характеристиками, необходимых для целей морской сейсморазведки.

3. Разработана методика группирования пневмоисточников «Сигнал», а именно:

- разработана математическая модель взаимного акустического влияния излучателей в группе, позволяющая рассчитать суммарный сигнал в зависимости от количества излучателей в группе, объемов их рабочих камер и конфигурации группы;

- разработан метод расчета неоднородных групп, основанный на применении итерационного алгоритма;

- выполнено исследование частотных характеристик и характеристик направленности линейных и площадных групп;

- выполнено теоретическое и экспериментальное исследование основных факторов, определяющих эффективность группирования пневматических излучателей.

4. На основе пневматических излучателей ряда «Сигнал» создано несколько вариантов трупп (кймйактных УВ-5, УВ-10 и линейных ЛПГ-10/14.5, ЛПГ-8/11.5, ЛПГ-6/5.6), выполнено исследование их акустических характеристик. Созданные излучающие системы были внедрены на геофизических судах ВМНПО «Союзморгео» «Академик Ферс-

мам» и «Академик Лазарев».

5. На основе результатов исследования влияния нестабильности параметров возбуждения на акустические характеристики пневматических групп сформулированы требования к системе технологического контроля основных параметров возбуждения: рабочего давления, глубины погружения, степени синхронности работы излучателей в группе, реализованной в контроллере «АСТРА».

6. Разработаны принципы построения системы контроля и управления групповыми пневматическими источниками для морской сейсморазведки. Эти принципы реализованы в разработке конструкции и алгоритмов программного обеспечения контроллера «АСТРА)) («АСТРА-М»), который был выпущен малой серией в НПО «Нефтегеофизприбор».

7. По результатам сравнительных испытаний, проведенных в ходе опытно-методических работ в разных сейсмогеологических условиях, дана качественная и количественная оценка эффективности разработанных пневматических групп на основе излучателей «Сигнал» и системы управления «АСТРА» при морской сейсморазведке. Показано, что даже существующий набор пневматических групп, реализованных на основе ряда «Сигнал» и рассмотренных в настоящей работе, по своим параметрам уже позволяет потребителю обеспечить то методическое разнообразие технологических и акустических характеристик источника, которое необходимо для решения широкого круга геологических задач в разных сейсмогеологических условиях.

Таким образом, можно считать, что цель настоящей диссертационной работы -теоретическое и экспериментальное обоснование разработки и проектирования пневматических излучателей, линейных и площадных, однородных и неоднородных групп, а также систем контроля и управления групповыми пневматическими источниками для морской сейсморазведки —является достигнутой.

Результаты, полученные в этой работе, были использованы и в других разработках («Лиман», СПИ-1, СПИК-3, «Сигма» и др.). В частности, разработанная методика группирования пневматических излучателей позже использовалась при создании групп на основе излучателей «Пульс-5» и др. (Гуленко В.И., Бадиков Н.В. - 2001)

Приложения. В приложениях приведены справки о серийном выпуске пневматических излучателей «Сигнал» и контроллеров «АСТРА» и «АСТРА-М».

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Бяков Ю.А., Гуленко В.И. Особенности возбуждения упругих волн в условиях мелководья и переходной зоны суша-море: Обзор/Геленджик: ГПНИПИокеангеофизика, 1999 60с.

2. Бяков Ю.А., Гуленко В.И. Пакет программ для экспресс-моделирования сейсмических волновых полей //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2001. Спецвыпуск. С.26-30.

3. Гуленко В.И. Пневматические источники упругих волн для морской сейсморазведки: Монография. // Краснодар. КубГУ, 2003, 313 с.

4. Гуленко В.И., Романенко Ю.Л. О взаимном акустическом влиянии морских сейсмических газовых излучателей при их группировании // Вестник МГУ. Серия «Геология». 1982 № 2. С 84-86.

5. Гуленко В.И., Ежов В.А., Романенко Ю Л., Тюхалов В.И. Невзрывные источники упругих волн для морской сейсморазведки: Обзор / ВНИИЭгазпром. Серия «Геология и разведка морских нефтяных и газовых месторождений». 1983. Вып.4. 44 с.

6. Гуленко В.И, Тюхалов В.И. Оценка энергетических потерь при рассинхронизации групповых пневматических источников // Технические средства и методика морских геофизических исследований. Рига: Сб. науч. тр. Рига- ВНИИМоргео, 1983. С. 14-18.

7. Гуленко В. И., Карпенко В. Д. Результаты математического моделирования динамики пневматических излучателей для морской сейсморазведки // Геолого-геофизические исследования дна акваторий: Тр. I науч. конф. мол. ученых и спец. Мурманск, 12-16 нояб, 1984. Мурманск, 1985. Деп. в ВИНИТИ № 7939-В.

8. Гуленко В.И, Тюхалов В.И. Влияние нестабильности параметров возбуждения на ха-

50

рактеристики сигналов пневматических источников // Результаты морских геолого-геофизических исследований. Сб. науч. тр. Рига: ВНИИМоргео, 1986. С.103-109.

9. Гуленко В.И., Карпенко В.Д., Шлыков В.А. Теоретическое и экспериментальное исследование динамических и акустических характеристик пневматических излучателей для морской сейсморазведки //Технология и методика применения источников упругих волн при морских сейсмоакустических исследованиях: Сб.научтр. Геленджик: ПО «Южморгеоло-гия»,1988. С.13-30.

10. Гуленко В И. Разработка и исследование алгоритма автоматической синхронизации пневматических излучателей в группе // Аппаратура и оборудование морских геофизических исследований: Сб. науч. тр. Рига: ВНИИМоргео, 1989. С.25-31.

11. Гуленко В И., Карпенко В.Д:, Шлыков В.А. Влияние внешнего акустического поля и границ водного слоя на акустические характеристики пневматического излучателя //'Разведочная геофизика. М.: Недра, 1989. Вып.110 С.98-105

12. Гуленко В.И., Бадиков Н В. Акустические характеристики пневматических излучателей «Пульс-5» и различных вариантов линейных групп на их основе // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион! Технические науки. 2001. №1. С.23-32. ' '

13 Гуленко В.И. Система управления линейными пневматическими Групповыми источниками для морской сейсморазведки и основные принципы ее построения // Изв вузов. Сев -Кавк. регион. Естественные науки. 2001. №1. С 116-122.

14 Гуленко В.И., Голивец В Г. Разработка системы управления групповыми пневматическими источниками для морской сейсморазведки // Геофизика XXI столетия. 2001г.: Сб. трудов Третьих геофизических чтений им. В.В. Федынского М.: Научный мир, 2001. С.304-312

15. Гуленко В. И., Карпенко В. Д. Теоретическое исследование динамических и акустических характеристик пневматических излучателей для морской сейсморазведки // Геофизика XXI столетия: 2001 г.: Сб. трудов Четвертых геофизических чтений им. В В. Федынского М.: Научный мир, 2002. С.278-284.

16. Гуленко В. И., Шлыков В.А. Экспериментальное исследование динамических и акустических характеристик пневматических излучателей для морской сейсморазведки // Геофизика XXI столетия: 2001 г.: Сб. трудов Четвертых геофизических чтений им. В.В. Федынского. М.: Научный мир, 2002. С.285-292.

17. Гуленко В.И, Карпенко В. Д., Шлыков В.А. Теоретическое и экспериментальное исследование пневматических излучателей для морской сейсморазведки // Изв. вузов. Сев -Кавк. регион. Техн. науки. 2002. №3. С.50-58. ,,, ,

18. А.с № 651281 СССР. Источник сейсмических сигналов / В.А Ежов, Ю.Л. Романен-ко, В.Е. Минеев, В.И. Гуленко. Зарегистрировано 14.11.78. 4 с.

19. Ас. № 748311 СССР. Пневматический источник сейсмических сигналов / В.А Ежов, В.И. Тюхалов, В И. Гуленко, Ю.Л. Романенко. Опубл. 17.07.80 Бюл. №26. 6 с.

20. A.c. № 803679 СССР. Пневматический источник сейсмических сигналов для акваторий /В.А.Ежов, Ю.Л.Романенко, В.И.Гуленко, В.И.Тюхалов, Н.И.Федорчуков. - 7с.

21. A.c. № 832511 СССР. Способ возбуждения сейсмических сигналов в водной среде / В И. Гуленко, Ю.Л. Романенко, В.А Ежов, В.И. Тюхалов. Опубл. 25.05.81. Бюл. №19. 6с.

22. A.c. № 842670 СССР. Пневматический источник сейсмических сигналов для акваторий /В.А. Ежов, В.И. Тюхалов, В.И. Гуленко, Н И. Федорчуков. Опубл. 30.06.81. Кюл.№24.4с.

23. Ас. № 1149765 СССР. Пневматический излучатель акустических сигналов в жидкой среде /В.АЕжов, В.И Гуленко, В.И.Тюхалов, С.В Думчев, В.ДКарпенко. - 6с.

24. Ас. №1477109 СССР. Пневматический излучатель сейсмических сигналов / В.И. Гуленко, В.И. Тюхалов, В.А. Шлыков, Е.Ю Якуш. Опубл. 21.05.91. Бюл. №18. 5 с.

25. Рекомендации по технологии применения установки УВ-10 в морской сейсморазведке: Метод, рекомендации / НПО «Нефтегеофизприбор»: Отв. исполнители В.И. Гуленко, В.И. Тюхалов. Краснодар, 1989. 107 с.

26. Опытно-методические исследования по оценке эффективности применения новых типов невзрывных источников в морской сейсморазведке: Отчет по теме 58-78 / НИИМорге-офизика: Отв. исполнители В.И. Тюхалов, В.И. Гуленко, В А. Ежов, Ю.Л. Романенко. № ГР 78002830 (№ ГР ВГФ 1-78-19/33). Инв. № 2421. Краснодар, 1980.

27. Опытно-конструкторская разработка пневматического излучателя повышенной мощности ПИ-200 и транспортировочной рамы РТПИ-1: Отчет по теме 42-82 / НИИМоргео-физика. Отв исполнители В.И. Тюхалов, В.И. Гуленко, В.А. Ежов. Л» ГТ 0182 2006287 (инв.№ 0283 0054597). Инв. № 2639. Краснодар, 1983.

28 Опытно-методические работы по оценке эффективности применения групповых источников различной мощности в морской сейсморазведке: Отчет по теме 8-81 / НИИМорге-офизика: Отв. исполнители В И. Тюхалов, В.й. Гуленко, В.А. Ежов, Ю.Л Романенко, С.Н. Шестаков. № ГР 81004642 (№ ГР ВГФ 1-81-38/28). Инв.Ха 2640. Краснодар, 1983.

29. Опытно-методические работы по разработке и совершенствованию различных типов невзрывных источников, систем контроля и управления ими в морской сейсморазведке. Отчет по теме 58-83 / НИИморгеофизика: Отв. исполнители В.И. Тюхалов, С.Н. Шестаков. № IT 01.83.0062437. Инв №2753 Краснодар, 1984.

30. Разработка системы возбуждения на базе излучателей нормального ряда «Сигнал» для морской нефтегазовой сейсморазведки. Отчет по теме 58-84 (в 2 частях) / НИИМоргео-физика: Отв. исполнители В.И. Тюхалов, В.И. Гуленко, В.А. Ежов, Е.Ю. Якуш № ГР 01.86.0134207. Краснодар, 1986. 336 с.

31. Поисковые работы по созданию источников возбуждения, основанных на новых конструктивных принципах и способах преобразования энергии: Отчет по теме 95-90 / КФ НИИМоргеофизики: Отв. исполнители В.И. Тюхалов, В.И. Гуленко. № ГР 01900020388 (инв. № 02910 012838). Инв № 2936. Краснодар, 1990.

32. Разработка источника для морской сейсморазведки в условиях мелководья (в том числе предельного) и многофункциональной системы управления: Отчет по теме 58-88 (в 2 частях) / КФ НИИМоргеофизики. Огв. исполнители: В.И. Тюхалов, В.И. Гуленко, Е.Ю. Якуш. № ГР 01.88.0013879 (инв. № 02910 022875). Инв. № 2936, Краснодар, 1990.

33. Гуленко В И., Якуш Е.Ю. Контроллер программируемый групповых пневматических источников «АСТРА-М»: Руководство по эксплуатации. РПДК 2.399.001 РЭ, ОАО «НПО Нефтегеофизприбор». Краснодар, 1997.47 с

34. Гуленко В.И. Контроллер программируемый групповых пневматических источников «АСТРА-М»: Руководство оператора. РПДК 00010-01 34 03, ОАО «НПО Нефтегеофизприбор». Краснодар, 1997. 90 с , ,

35. Гуленко В.И. Контроллер программируемый групповых пневматических источников «АСТРА-М»: Описание программного обеспечения. РПДК 00004-01 13 02, ОАО «НПО Нефтегеофизприбор». Краснодар, 1997. 37 с.

Бумага тип. №2. Печать трафаретная Тираж 100 экз. Заказ № 223 от 14.08.2003 г. Кубанский государственный университет.

350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, Центр "Универсервис", тел. 699-551.

Р 13015

Содержание диссертации, доктора технических наук, Гуленко, Владимир Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

1. Пневматические источники в морской сейсморазведке (обзор).

1.1. Обзор известных конструкций пневматических излучателей.

1.1.1. Краткий исторический очерк.

1.1.2. Устройство и принцип работы пневматических излучателей.

1.1.3. Основные требования, предъявляемые к конструкции пневматических излучателей.

1.2. Гидродинамика подводного "физического взрыва".

1.2.1. Уравнения движения в жидкости сферической газовой полости.

Поле давлений пульсирующей полоста.

1.2.1.1. Аппроксимация нулевого порядка (уравнение Рэлея).

1.2.1.2. Аппроксимация первого порядка: уравнения Херринга и Келлера-Колоднера.

1.2.1.3. Аппроксимация второго порядка (аппроксимация Кирквуда-Бете).

1.2.2. Результаты численного решения уравнений движения сферической полости. Анализ принятых допущений применительно к подводному выхлопу сжатого воздуха.

1.2.2.1. Сравнение результатов численного решения уравнений движения сферической газовой полости в жидкости.

1.2.2.2. Анализ влияния вязкости и поверхностного натяжения.

1.3. Обзор публикаций по теоретическому и экспериментальному исследованию подводного выхлопа сжатого воздуха. Основные количественные соотношения.

1.3.1. Теоретическая модель пневматического источника в виде газовой сферы в безграничной жидкости.

1.3.1.1. Описание на основе уравнения Рэлея.

1.3.1.2. Описание на основе уравнения Келлера-Колоднера.

1.3.1.3. Применение аппроксимации 2-го порядка.

1.3.2. Теоретическая модель пневматического источника в виде сферического газового слоя.

1.3.2.1. Решение на основе уравнения Рэлея.

1.3.2.2. Решение Шульце-Гаттерманна.

1.3.3. Теоретическая модель Сафара.

1.3.4. Теоретическая модель излучателей типа ПИ-200 и ПИ-1В.

1.3.5. Модель Максакова-Роя по импульсному истечению газа в воду.

1.3.6. Математическая модель пневматического излучателя РАЯ, разработанная Джонстоном.

1.3.7. Экспериментальные исследования акустических характеристик пневматических излучателей.

1.4. Группирование пневматических излучателей.

1.4.1. Принципы построения пневматических групп.

1.4.1.1. Цели и задачи группирования.

1.4.1.2. Однородные пневматические группы.

1.4.1.3. Неоднородные пневматические группы.

1.4.2. Методы расчета конфигураций пневматических групп.

1.4.2.1. Расчет однородных пневматических групп.

1.4.2.2. Расчет неоднородных пневматических групп.

1.4.3. Методы расчетов суммарного сигнала пневматических групп.

1.4.4. Методы учета взаимного акустического влияния излучателей в группе.

1.5. Системы управления пневматическими источниками.

1.6. Цели и задачи диссертационной работы.

2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ

ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ РЯДА «СИГНАЛ».

2.1. Разработка излучателей ряда «Сигнал».

2.1.1. Основные требования, предъявляемые к конструкции разрабатываемых излучателей.

2.1.2. Методика разработки излучателей ряда «Сигнал».

2.1.3. Конструкция излучателей ряда «Сигнал».

2.1.4. Конструкция электропневмоклапана и датчиков момента срабатывания пневматических излучателей ряда «Сигнал».

2.2. Теоретическое исследование пневматического излучателя. Математическая модель излучателей ряда «Сигнал».

2.2.1. Постановка задачи. Основные допущения и ограничения модели.

2.2.1.1. Описание термодинамических процессов в переменных количествах газа.

2.2.1.2. Случай одновременного наполнения ёмкости переменного объема и истечения из нее.

2.2.1.3. Истечение газа из сосуда через большое отверстие.

2.2.1.4. Истечение сжатого газа из цилиндрического сосуда через отверстие, меньшее поперечного размера сосуда.

2.2.1.5. Истечение газа из цилиндрического сосуда через насадок, поперечное сечение которого превышает поперечное сечение сосуда.

2.2.1.6. Уравнение изменения давления газа в пузыре с учетом теплообмена.

2.2.1.7. Расчет силы трения в уплотнительных кольцах.

2.2.2. Система дифференциальных уравнений, описывающая динамику срабатывания излучателя и подводного выхлопа сжатого воздуха на разных этапах процесса. Начальные условия. Методы решения.

2.2.3. Результаты математического моделирования. Основные закономерности динамики процесса, характерные для пневматических излучателей различных типов.

2.2.4. Оптимизация параметров излучателей «Сигнал» и некоторые рекомендации по их конструированию.

2.3. Экспериментальное исследование характеристик пневматических излучателей ряда «Сигнал».

2.3.1. Аппаратура и методика экспериментальных исследований.

2.3.1.1. Аппаратура и методика экспериментального исследования динамических характеристик пневматических источников.

2.3.1.2. Аппаратура и методика регистрации акустических сигналов морских сейсмических источников.

2.3.2. Экспериментальное исследование динамики пневматических излучателей ряда «Сигнал».

2.3.3. Экспериментальное исследование акустических характеристик пневматических излучателей ряда «Сигнал».

2.3.4. Экспериментальное исследование динамики работы электропневмоклапана (ЭПК) и датчиков момента срабатывания (ДМС).

2.3.5. Экспериментальное исследование характеристик стабильности времен срабатывания излучателей ряда «Сигнал».

3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГРУППОВЫХ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ.

3.1. Теоретические основы группирования пневматических излучателей. Взаимное влияние излучателей в группе. Расчет конфигураций пневматических групп.

3.1.1. Математическая модель взаимного влияния пневматических излучателей в группе.

3.1.1.1. Моделирование формы акустического сигнала одиночного излучателя.

3.1.1.2. Система дифференциальных уравнений, описывающая взаимное влияние пневматических излучателей в группе.

3.1.1.3. Проверка модели и проведение вычислительного эксперимента.

3.1.2. Расчет конфигураций пневматических групп.

3.1.2.1. Расчет однородных пневматических групп.

3.1.2.2. Расчет неоднородных пневматических групп.

3.1.3. Частотные характеристики и диаграммы направленности пневматических групп.

3.1.4. Частотные характеристики линейных и площадных пневматических групп в функции проекции волнового числа к^ку,^.

3.1.4.1. Характеристики направленности в вертикальных плоскостях XOZ и YOZ.

3.1.4.2. Характеристики направленности групп в горизонтальной плоскости XOY.

3.1.5. Принципы построения линейных и площадных групповых пневматических источников.

3.2. Влияние нестабильности параметров возбуждения на акустические характеристики пневматических групп.

3.2.1. Оценка энергетических потерь при рассинхронизации групповых пневматических источников.

3.2.2. Влияние флуктуации рабочего давления и глубины погружения на характеристики суммарного сигнала группы.

3.3. Компактные пневматические группы УВ-10 и У В-5. Конструкция и основные характеристики этих групп.

3.3.1. Установка УВ-10.

3.3.1.1. Краткое техническое описание установки УВ-10.

3.3.1.2. Основные особенности формирования компактных групп.

3.3.1.3. Основные характеристики широкополосных групп установки УВ-10.

3.3.1.4. Основные характеристики узкополосных низкочастотных групп, создаваемых на базе установки УВ-10.

3.3.2. Установка УВ-5.

3.4. Линейные пневматические группы «Сигнал-I» (ЛШ-10/14.5), «Сигнал-П» (ЛПГ-8/11.5) и «Сигнал-Ill» (ЛПГ-6/5.6). Конфигурации и основные характеристики этих групп.

3.5. Пневматический излучатель в водном слое.

4. РАЗРАБОТКА СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОВЫМИ ПНЕВМОИСТОЧНИКАМИ.

4.1. Основные требования, предъявляемые к системам управления пневматическими группами. Принципы их построения.

4.2. Разработка алгоритма автоматической коррекции времен срабатывания пневматических излучателей.

4.2.1. Постановка задачи об автоматической синхронизации излучателей в группе.

4.2.2. Исследование свойств алгоритма автокоррекции методом имитационного моделирования.

4.3. Исследование алгоритма синтеза сигнала группы для дальней зоны.

4.4. Программируемые контроллеры «АСТРА» и «АСТРА-М».

Их конструкция и основные характеристики.

4.4.1. Общая характеристика контроллеров «АСТРА» и «АСТРА-М».

4.4.2. Конструкция функционального блока контроллера «АСТРА».

4.4.2.1. Силовая часть блока функционального.

4.4.2.2. Логическая часть блока функционального.

4.4.3. Конструкция блока акустического контроля контроллера «АСТРА-М».

4.4.4. Датчики давления ДЦ-25 и датчики глубины ДГ-50. Гидрофоны для регистрации акустических сигналов в ближней зоне.

4.5. Программное обеспечение контроллера «АСТРА».

4.5.1. Общая характеристика программного обеспечения.

4.5.2. Назначение программы ASTRA-2000.EXE.

4.5.3. Режим "УСТАНОВКА СИСТЕМЫ".

4.5.4. Режим "РАБОТА".

4.5.5. Режим "ТЕСТИРОВАНИЕ".

4.5.6. Структура файла ASTRA.DAT.

4.5.7. Обмен информацией с головной ЭВМ.

4.5.7.1. Передача информации из управляющей ЭВМ контроллера "АСТРА" в головную ЭВМ.

4.5.7.2. Передача информации из головной ЭВМ в управляющую ЭВМ контроллера "АСТРА".

4.5.7.3. Протокол обмена с головной ЭВМ.

4.5.8. Работа с блоком акустического контроля (БАК).

4.6. Управление характеристиками направленности линейных и площадных пневматических групп.

5. ПРИМЕНЕНИЕ ПНЕВМОИСТОЧНИКОВ РЯДА «СИГНАЛ» И КОНТРОЛ

ЛЕРОВ «АСТРА» ПРИ СЕЙСМОРАЗВЕДКЕ НА АКВАТОРИЯХ.

5.1. Оценка эффективности пневматических групп УВ-10 и УВ-5.

5.1.1. Изучение эффективности широкополосных пневматических групп с гашением пульсаций на Гудаутском шельфе Черного моря.

5.1.2. Изучение эффективности низкочастотной пневматической группы УВ-10 на северо-западном шельфе Черного моря.

5.1.3. Результаты опробования макета группы УВ-5.

5.1.4. Основные результаты сравнительных испытаний.

5.2. Результаты морских испытаний контроллера «АСТРА».

5.3. Исследование влияния пневматических источников на ихтиофауну.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка и исследование пневматических источников упругих волн для морской сейсморазведки"

В аппаратурном комплексе морской сейсморазведки одним из наиболее важных элементов являются источники упругих колебаний, в значительной степени определяющие геологическую эффективность и стоимость сейсмораз-ведочных работ. За последние три десятка лет то разнообразие типов и конструкций морских невзрывных источников, которое повсеместно наблюдалось в конце шестидесятых - начале семидесятых годов, значительно сократилось и в настоящее время ограничивается всего несколькими типами, эффективность которых проверена временем.

Наряду с электроискровыми и электродинамическими источниками, область применения которых в основном ограничивается сейсмоакустическими исследованиями верхней части разреза, к числу таких, наиболее эффективных невзрывных источников, получивших наиболее широкое применение при различных модификациях морской сейсморазведки, в первую очередь относятся пневматические источники, а также различные модификации гидравлических и пневмогидравлических источников, использующих в качестве рабочего тела сжатый воздух.

Пневматические источники отличаются высокими энергетическими характеристиками, надежны и технологичны в работе: компрессорное оборудование, обеспечивающее пневматические источники сжатым воздухом высокого давления, сравнительно легко вписывается в энергосистему судна. Все это обусловило широкое распространение источников этого типа при морской сейсморазведке как за рубежом, так и в России и странах СНГ.

В 1970 - 1990 годы бурное развитие морской сейсморазведки во всем мире сопровождалось не только постоянным увеличением объемов работ, повышением сложности решаемых задач, но и непрерывным совершенствованием всего аппаратурно-методического комплекса, в том числе и источников. Если в начале этого периода сейсморазведочные работы проводились с одиночными излучателями или небольшими группами (3-4 излучателя), то в последнее десятилетие обязательным является использование при проведении работ больших линейных или площадных групп, содержащих несколько десятков излучателей, работой которых управляют сложные системы контроля и управления, имеющие в своем составе компьютер. Необходимость разработки и внедрения таких совершенных технических средств и определяет актуальность настоящей диссертационной работы.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование разработки и проектирования пневматических излучателей, линейных и площадных групп, а также систем контроля и управления групповыми пневматическими источниками для морской сейсморазведки.

Основные задачи исследований:

- разработка математической модели пневмоизлучателя «Сигнал»;

- исследование с помощью математической модели динамики процесса срабатывания излучателя при подводном выхлопе и разработка основных принципов проектирования пневматических излучателей этого типа; 7

- экспериментальное исследование динамических и акустических характеристик пневматических излучателей ряда «Сигнал»;

- разработка методики и техники группирования пневматических источников, исследование акустических характеристик групп;

- разработка принципов построения системы контроля и управления групповыми пневматическими источниками для морской сейсморазведки;

- разработка конструкции, алгоритмов и программного обеспечения контроллера «АСТРА»;

- оценка эффективности пневматических групп на основе излучателей «Сигнал» и системы управления «АСТРА» при морской сейсморазведке.

Методы и объекты исследований. При проведении исследований широко применялись методы математического и имитационного моделирования, методы физики быстропротекающих процессов, в том числе методы экспериментального исследования динамических характеристик механических систем, методы гидроакустических измерений при подводных «физических» взрывах, расчетно-конструктивный метод, лабораторные, полигонные и морские испытания разработанных технических средств.

Фактической основой работы явились результаты НИОКР, а также лабораторных, полевых и морских испытаний макетов и опытных образцов за период с 1980 г. по 1996 г. в НИИМоргеофизики ВМНПО «Союзморгео», преобразованного впоследствии в КФ НИИМоргеофизики ПО «Союзморгео», а затем в НПО «Нефтегеофизприбор». Объектами исследований являлись пневматические излучатели ряда «Сигнал» и др., составляемые из них линейные и площадные группы, а также системы контроля и управления - программируемые контроллеры «АСТРА» и «АСТРА-М». Лабораторные испытания экспериментальных макетов и опытных образцов проводились на экспериментальных установках и стендах НПО «Нефтегеофизприбор», полигонные испытания проводились в бассейне на опытном полигоне в станице Калужской, морские испытания проводились на научно-исследовательских судах ПО «Союзморгео», НПО «Южморгеология» на акваториях Черного, Азовского, Каспийского и Баренцева морей.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель пневматического излучателя, адекватно описывающая процесс его срабатывания с выхлопом в воду сжатого воздуха и излучением акустического сигнала.

2. Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование динамических и акустических характеристик пневматических излучателей ряда «Сигнал».

3. Разработаны и количественно обоснованы основные принципы рационального построения ряда пневматических излучателей, предназначенных для применения в группах; эти принципы реализованы в конструктивных параметрах излучателей ряда «Сигнал».

4. Разработаны метод регистрации и датчики момента срабатывания (ДМС) пневматических излучателей; с их использованием выполнено исследование характеристик стабильности времен срабатывания излучателей ряда «Сигнал».

5. Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование основных факторов, определяющих эффективность группирования пневматических излучателей. Создана математическая модель взаимного акустического влияния пневматических излучателей в группе и разработан метод расчета неоднородных групп.

6. Разработаны и количественно обоснованы принципы построения системы контроля и управления групповыми пневматическими источниками нового типа, эти принципы реализованы в конструктивных решениях и алгоритмах программного обеспечения контроллера «АСТРА».

Практическая значимость и реализация результатов.

Практическое значение работы заключается в том, что выполненные исследования позволили разработать, наладить серийный выпуск и внедрить в практику морской сейсморазведки современный аппаратурный комплекс для возбуждения упругих волн с высокой интенсивностью и широкополосным спектральным составом - пневматические излучатели ряда «Сигнал» и программируемые контроллеры «АСТРА» и «АСТРА-М».

С 1986 г. по 1993 г. Краснодарским опытным заводом «Моргеофизпри-бор» было выпущено более 600 пневматических излучателей «Сигнал-5», «Сигнал-6» и «Сигнал-7», а также несколько комплектов компактных и линейных групп; с 1991 г. по 1996 г. опытным производством ОАО «НПО Нефтегео-физприбор» при участии отдела разработчика НИО-8 было выпущено 14 программируемых контроллеров «АСТРА» и один комплект «АСТРА-М». Выпущенные изделия были направлены в производственные подразделения ПО «Союзморгео» - тресты «Южморнефтегеофизика» (г. Геленджик), «Дальмор-нефтегеофизика» (г. Южно-Сахалинск), «Каспморнефтегеофизразведка» (г. Баку), «Севморнефтегеофизика» (г. Мурманск) и Черноморскую геофизическую экспедицию (г. Одесса) а также в НПО «Южморгеология», в ЮО ИОРАН и ГП «Шельф» (г. Геленджик), в ГП «АМИГЭ» (г. Мурманск), где применялись при проведении морских сейсморазведочных работ как на шельфе СССР (Российской Федерации и СНГ), так и при контрактных работах на шельфах Болгарии, Вьетнама, Кубы и др. стран.

Основные защищаемые положения.

1. Математическая модель пневматического излучателя, описывающая процесс его срабатывания с выхлопом в воду сжатого воздуха и излучением акустического сигнала.

2. Теоретическая и экспериментальная изученность динамических и акустических характеристик пневматических излучателей ряда «Сигнал».

3. Метод регистрации и датчики момента срабатывания (ДМС) пневматических излучателей, реализованные в излучателях ряда «Сигнал» и защищенные авторским свидетельством.

4. Методика построения групп пневмоисточников с заданными акустическими характеристиками, реализованная в группах излучателей «Сигнал».

5. Принципы построения системы контроля и управления групповыми пневматическими источниками, реализованные в технических решениях и алгоритмах программного обеспечения контроллеров «АСТРА» и «АСТРА-М».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались на XI творческом семинаре молодых специалистов и ученых Мингазпрома, Баку, 1981; семинаре молодых специалистов и ученых «О задачах молодых специалистов и молодых ученых отрасли по выполнению плановых заданий XI пятилетки», Оренбург, 1983; Ш республиканской конференции по прикладной гидромеханике «Проблемы гидромеханики в освоении океана», институт гидромеханики АН УССР, Киев, 1984; Всесоюзном совещании в институте океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР «Технические средства и методы изучения океанов и морей», Москва, 1985; I научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ВМНПО «Союзморгео» «Геолого-геофизические исследования дна акваторий», Мурманск, 1985, V Всесоюзной научно-технической конференции «Технические средства изучения и освоения мирового океана», ЛКИ, Ленинград, 1985; I Всесоюзной конференции «Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР» в МИНГ им. Губкина, Москва, 1986; ученом совете НИИМоргефизики ВМНПО «Союзморгео», Краснодар, Мурманск, 1988, 1990, 1992 1995; Юбилейной конференции «Теория и практика морских геолого-геофизических исследований», Геленджик, 1999; Третьих, четвертых и пятых геофизических чтениях им. В.В.Федынского, Москва, ГЕОН, 2001, 2002, 2003; заседаниях научно-технических советов НПО Южморгеологии, КФНИИМорнеофизики и НПО «Нефтегеофизприбор»; кафедре геофизики КубГУ, 1999,2001, 2003.

Публикации. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 33 печатных работах, в том числе в 7 авторских свидетельствах на изобретения, в двух научно-аналитических обзорах и в монографии. Результаты работ по теме исследований изложены также в 7 отчетах о НИОКР (в фондах НПО «Южморгео», ВМНПО «Союзморгео», КФНИИМоргеофизики и НПО «Нефтегеофизприбор»), выполненных под руководством или при личном участии соискателя.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Объем работы 331 страниц текста, который иллюстрируется 161 графиками, сейсмограммами, рисунками, фотографиями и 28 таблицами. Список использованной литературы включает 164 названия.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Гуленко, Владимир Иванович

Основные результаты исследований, осредненные по трем повторным сериям приведены в табл. 5.4-5.11. Соответствующие протоколы и акты даны в приложениях к отчету [126].

Как и следовало ожидать, молодь осетровых рыб является наиболее уязвимой для воздействия акустического излучения и необратимо поражается отдельными пневматическими источниками на расстояниях до 2-3 м. Вместе с тем, на расстояниях 3,5-5,0 м воздействие всех типов источников сводится к появлению в отдельных случаях обратимых изменений, исчезающих через 15-30 мин. после воздействия.

Наибольшей степенью воздействия на испытуемых рыб характеризуется источник ИГП-1, наименьшей степенью - линейный источник «Лиман». Такой результат обусловлен не столько их различиями в запасаемой энергии, сколько (и в основном) различиями в геометрии групп и соответственно различиями в пространственной структуре поля пиковых акустических давлений в ближней зоне.

В качестве примера на рис. 5.24 приведены графики изолиний поля пиковых акустических давлений (в барах, 1 бар = 105 Па), рассчитанные для каждой из этих групп с использованием формулы (4.4). Как видно из сопоставления этих графиков, компактная пневматическая группа ИГП-1 характеризуется в несколько раз большими пиковыми акустическими давлениями в ближней зоне, что и является основной причиной гибели рыб при расстояниях до 3,5 м. У линейного пневматического источника «Лиман» излучатели разнесены друг от друга на большее расстояние, потому пиковые давления в ближней зоне в несколько раз меньше, и их воздействие даже на близких дистанциях сводится только к разрывам отдельных сосудов у молоди осетровых рыб, не приводящим непосредственно к их гибели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе рассмотрен широкий круг вопросов, посвященных разработке пневматических источников для морской сейсморазведки. В ходе выполнения этой работы были решены следующие задачи:

1. Разработана математическая модель пневматического излучателя и выполнено теоретическое исследование основных закономерностей динамики процесса его срабатывания и подводного выхлопа сжатого воздуха. На основе этих исследований разработаны основные принципы проектирования пневматических излучателей типа «Сигнал», выполнена оптимизация параметров излучателей и сформулированы некоторые рекомендации по их рациональному конструированию.

2. Выполнено всестороннее экспериментальное исследование динамических и акустических характеристик пневматических излучателей «Сигнал». Полученные результаты, иллюстрирующие основные зависимости динамических и акустических характеристик излучателей от параметров возбуждения, приведены в виде таблиц и графиков, и имеют хорошее соответствие с результатами теоретического моделирования.

В целом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что разработанные излучатели ряда «Сигнал» удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям технического задания и могут быть основой для создания неоднородных пневматических групп, обеспечивающих формирование сигналов с высокими акустическими характеристиками, необходимых для целей морской сейсморазведки.

3. Разработана методика группирования пневматических источников ряда «Сигнал», а именно: разработана математическая модель взаимного акустического влияния пневматических излучателей в группе, позволяющая рассчитать суммарный сигнал в зависимости от количества излучателей в группе, объемов их рабочих камер и конфигурации группы;

- разработан метод расчета неоднородных групп, основанный на применении итерационного алгоритма;

- выполнено исследование частотных характеристик и характеристик направленности линейных и площадных групп; выполнено теоретическое и экспериментальное исследование основных факторов, определяющих эффективность группирования пневматических излучателей.

4. На основе пневматических излучателей ряда «Сигнал» создано несколько вариантов групп (компактных УВ-5, УВ-10 и линейных ЛПГ-10/14.5, ЛПГ-8/11.5, ЛПГ-6/5.6), выполнено исследование их акустических характеристик. Созданные излучающие системы были внедрены на геофизических судах ВМНПО «Союзморгео» «Академик Ферсман» и «Академик Лазарев».

5. На основе результатов исследования влияния нестабильности параметров возбуждения на акустические характеристики пневматических групп сформулированы требования к системе технологического контроля основных параметров возбуждения, рабочего давления, глубины погружения, степени синхронности работы излучателей в группе, реализованной в контроллере «АСТРА».

6. Разработаны принципы построения системы контроля и управления групповыми пневматическими источниками для морской сейсморазведки- Эти принципы реализованы в разработке конструкции и алгоритмов программного обеспечения контроллера «АСТРА» («АСТРА-М»), который был выпущен малой серией в НПО «Нефтегеофизприбор».

7. По результатам сравнительных испытаний, проведенных в ходе опытно-методических работ в разных сейсмогеологических условиях, дана качественная и количественная оценка эффективности разработанных пневматических групп на основе излучателей «Сигнал» и системы управления «АСТРА» при морской сейсморазведке. Показано также, что даже существующий набор пневматических групп, реализованных на основе ряда «Сигнал» и рассмотренных в настоящей работе, по своим основным параметрам уже позволяет потребителю обеспечить то методическое разнообразие технологических и акустических характеристик источника, которое необходимо для решения широкого круга геологических задач в разных сейсмогеологических условиях.

Таким образом, можно считать, что цель настоящей диссертационной работы — теоретическое и экспериментальное обоснование разработки и проектирования пневматических излучателей, линейных и площадных, однородных и неоднородных групп, а также систем контроля и управления групповыми пневматическими источниками для морской сейсморазведки — является достигнутой. При этом можно также отметить, что рациональное сочетание теоретических и экспериментальных методов в ходе выполнения этой разработки представляется одним из наиболее важных достоинств работы.

С 1986 г. по 1993 г. Краснодарским опытным заводом «Моргеофизприбор» было выпущено более 600 пневматических излучателей «Сигнал-5», «Сигнал-6» и «Сигнал-7», а также несколько комплектов компактных и линейных групп. С 1991 г. по 1996 г. опытным производством ОАО «НПО Нефтегеофизприбор» было выпущено 14 программируемых контроллеров «АСТРА» и один комплект «АСТРА-М». Выпущенные изделия были направлены в производственные подразделения ПО «Союзморгео» -тресты «Южморнефтегеофизика» (г. Геленджик), «Дальморнефтегеофизика» (г. Южно-Сахалинск), «Каспморнефтегеофизразведка» (г. Баку), «Севморнефтегеофизика» (г. Мурманск) и Черноморскую геофизическую экспедицию (г.Одесса) а также в НПО «Южморгеология», в ЮО ИОРАН и ГП «Шельф» (г. Геленджик), в ГП «АМИГЭ» (г. Мурманск), где применялись при проведении морских сейсморазведочных работ как на шельфе СССР (Российской Федерации и СНГ), так и при контрактных работах на шельфах Болгарии, Вьетнама, Кубы и др. стран.

Контроллеры «АСТРА» и «АСТРА-М» и сейчас широко применяются в практике морской сейсморазведки: практически все полевые работы, выполненные Российскими геофизическими организациями в последние годы и выполняемые в настоящее время на акваториях южных морей, были отработаны пневматическими группами с использованием контроллеров «АСТРА». В то же время в результате кризиса в отрасли в начале 90-х годов и после реорганизации завода «Моргеофизприбор» выпуск пневмоизлучателей ряда «Сигнал», к сожалению, был прекращен.

Тем не менее, результаты, полученные в этой работе, позже были использованы и в других разработках («Лиман», СПИ-1, СПИК-3 и др.). В частности, описанная выше методика группирования пневматических излучателей позже использовалась при создании групп на основе излучателей «Пульс-5» и др.

В заключение следует отметить, что приведенное в настоящей работе описание установки У В-10 и других групп по перечню изложенных параметров и характеристик, по методике их измерения и обработки в основном соответствует принятой за рубежом стандартной классификации морских сейсмических источников, утвержденной Комитетом по техническим стандартам Общества специалистов разведочной геофизики США (8Ев) [85]. Некоторые имеющиеся отличия относятся только к акустическим характеристикам и сводятся, в основном, к тому, что амплитуды сигналов Р]т приведенные выше, даны не для двойного размаха сигнала (реак-К>-реак), принятого в стандарте 8ЕС, а от нуля до максимума первого пика (О-Ю-реак), как это принято в отечественной литературе. Кроме того, амплитудные спектры акустических сигналов даны не в логарифмическом масштабе в дБ относительно 1 мкПа-м/Гц, а в линейном масштабе, в абсолютных единицах Бар м/Гц.

В целом, сравнивая основные характеристики рассмотренных выше групп с лучшими зарубежными образцами морских сейсмических источников, необходимо отметить, что за рубеком в настоящее время существуют и более совершенные и мощные, в основном, линейные и площадные излучающие системы, рассчитанные на эксплуатацию на судах, оборудованных более производительными компрессорными установками и соответствующими спускоподьемными устройствами, в то время как разработанные нами конструкции по всем основным параметрам были полностью ориентированы на возможности научно-исследовательских судов серии Б-93, построенных в Польше в конце 80-х годов на Щецинской судоверфи.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Гуленко, Владимир Иванович, Краснодар

1. Агеева Н.С. Распространение звука в мелком море // Акустика океана. Современное состояние. M.: Наука, 1982. С. 107-117.

2. Акуличев В.А., Богуславский Ю.Я., Иоффе А.И., Наугольных К.А. Излучение сферических волн конечной амплитуды // Акустический журнал. 1967. Т. 13. Вып.З. С.321—328.

3. Архипов A.A. О влиянии условий возбуждения и регистрации упругих волн на структуру параметрических полей // ЭИ: Геология и разведка газовых, газоконден-сатных и морских месторождений. М.: ВНИИЭгазпром, 1982. Вып.4. С.6-11.

4. Балашканд М.И., Скопылатов B.C., Чен О .Л. Возможность использования пневматических излучателей при морских сейсморазведочных наблюдениях // Разведочная геофизика. Вып.44. M.: Недра, 1971. С.30-35.

5. Балашканд М.И., Ловля С.А. Источники возбуждения упругих волн при сейсморазведке на акваториях. М.: Недра, 1977. 128 с.

6. Балашканд М.И. и др. Подавление пульсации при использовании пневматических источников сигнала в морской сейсморазведке // Разведочная геофизика. Вып. 81. M.: Недра, 1978. С.34^3.

7. Бат М. Спектральный анализ в геофизике: Пер. с англ. М.: Недра, 1980. 535 с.

8. Баум Ф.А., Орленко Л.П., Станюкович К.П., Челышев В.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. М.: Наука, 1975. 704 с.

9. Берзон И.С. и др. Динамические характеристики сейсмических волн. М.: Издательство АН СССР, 1962. 511с.

10. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. M.: Наука, 1966. 412 с.

11. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Наука, 1973. 343 с.

12. Букина Г.И., Котельников C.B. Исследование некоторых алгоритмов синтеза группового пневмоисточника // Методика и результаты морских сейсмических исследований. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1983. С.53-60.

13. Букина Г.И., Карп Б.Я. Расчет группового пневмоисточника для излучения импульсного сигнала. Владивосток, 1986. 8 с. Деп. в ВИНИТИ 02.06.86, № 3974.

14. Бяков Ю.А., Димза Л.Я., Иванов H.A. Особенности морской сейсморазведки в условиях мелководья на примере модельных исследований // Морская геофизика / Сб. науч. тр. Рига: ВНИИМоргео, 1984. С.59-63.

15. Бяков Ю.А., Гуленко В.И. Особенности возбуждения упругих волн в условиях мелководья и переходной зоны суша-море: Науч.-метод, обзор. Геленджик: ГП НИПИокеангеофизика, 1999. 60 с.

16. Бяков Ю.А., Гуленко В.И. Пакет программ для экспресс-моделирова-ния сейсмических волновых полей // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2001. Спецвыпуск. С.26-30.

17. Бяков Ю.А., Глумов И.Ф., Коган Л.И., Маловицкий Я.П., Мурзин P.P. Широкоугольное глубинное сейсмическое профилирование дна акваторий: В 2 ч. М.: Наука, 2001.

18. Вайнштейн Л.А., Зубаков В.Д. Выделение сигналов на фоне случайных помех. М.: Советское радио, 1960. 447 с.

19. Векилов Э.Х. Исследование влияния упругих и электрических полей на ихтиофауну в связи с повышением геологической эффективности морских геофизических работ: Автореф. дне. . канд. биол. наук. М., 1973.

20. Векилов Э.Х. Исследование влияния пневмоизлучателей на рыб. Морская геология и геофизика. Рига: Зинатне, 1974. Т.4. С. 135-139.

21. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. 576 с.

22. Выскребенцев Б.В., Пинус Г.Н., Солодилов Л.Н. О действии взрыва на рыбу // Рыбное хозяйство. 1968. № 1. С.44-51.

23. Герц Е.В. Пневматические приводы. М.: Наука, 1969. 360 с.

24. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Расчет пневмоприводов. М.: Машиностроние, 1975. 272 с.

25. Грибанов А.М. Оценка некоторых характеристик пневматического генератора упругих импульсов // Известия вузов. Геология и разведка. 1972. № 1. С. 128-132.

26. Грибанов А.М., Акентьев Л.Г. Об использовании сферического слоя сжатого газа для генерирования упругих импульсов // Геолого-геофизические исследования на нефть и газ на шельфах морей. М.: ВНИИЭгазпром, 1980. С.49-52.

27. Грибанов A.M., Москаленко Ю.А., Бадиков Н.В. Методические рекомендации по использованию группового пневмоисточника «Импульс-1» при морских сейс-моразведочных работах. Геленджик: ПО «Южморгеология», 1983. 22 с.

28. Гуленко В.И., Романенко Ю.Л. О взаимном акустическом влиянии морских сейсмических газовых излучателей при их группировании // Вестник МГУ. Серия «Геология». 1982. № 2. С.84-86.

29. Гуленко В.И., Ежов В.А., Романенко Ю.Л., Тюхалов В.И. Невзрывные источники упругих волн дня морской сейсморазвед ки: Обзор / ВНИИЭгазпром. Серия «Геология и разведка морских нефтяных и газовых месторождений». 1983. Вып.4. 44с.

30. Гуленко В.И., Тюхалов В.И. Оценка энергетических потерь при рассинхрони-зации групповых пневматических источников // Технические средства и методика морских геофизических исследований. Рига: ВНИИМоргео, 1983. С. 14-18.

31. Гуленко В.И. Разработка и исследование алгоритма автоматической синхронизации пневматических излучателей в группе // Аппаратура и оборудование морских геофизических исследований: Сб. науч. тр. Рига: ВНИИМоргео, 1989. С.25-31.

32. Гуленко В.И., Карпенко В.Д., Шлыков В.А. Влияние внешнего акустического поля и границ водного слоя на акустические характеристики пневматического излучателя // Разведочная геофизика. М.: Недра, 1989. Вып. 110. С.98-105. v' 321

33. Гуленко В.И., Бадиков H.B. Акустические характеристики пневматических излучателей «Пульс-5» и различных вариантов линейных групп на их основе // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Технические науки. 2001. №1. С.23-32.

34. Гуленко В.И., Голивец В.Г. Разработка системы управления групповыми пневматическими источниками для морской сейсморазведки // Геофизика XXI столетия: 2001 г.: Сб. трудов Третьих геофизических чтений им. В.В. Федынского. М.: Научный мир, 2001.С.304-312.

35. Гуленко В. И., Карпенко В. Д., Шлыков В.А. Теоретическое и экспериментальное исследование пневматических излучателей для морской сейсморазведки // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2002. №3. С.50-58.

36. Гурвич И.И., Боганик Г.Н. Сейсмическая разведка: Учебник для вузов. М.: Недра, 1980. 551 с.

37. Епинатьева А.М. Физические основы сейсмических методов разведки. М.: Издательство МГУ, 1970. 105 с.

38. Ивахненко А.Г., Лапа В.Г. Кибернетические предсказывающие устройства. Киев: Наукова думка, 1965. 215 с.

39. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. 559 с.

40. Калинин A.B., Калинин В.В., Пивоваров Б.Л. Потенциальная эффективность группирования источников в морской сейсморазведке // Прикладная геофизика. Вып. 82. М.: Недра, 1976. С. 106-114.

41. Калинин A.B., Калинин В.В., Пивоваров Б.Л. Сейсмоакустические исследования на акваториях. М.: Недра, 1983. 204 с.

42. Карп Б.Я., Букина Г.И. Группирование пневматических источников при сейсморазведке на акваториях. М.: Наука, 1988. 80 с.

43. Кондаков Л. А. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем. М.: Машиностроение, 1982. 217 с.

44. Коул Р. Подводные взрывы: Пер. с англ. М.: ИЛ, 1950. 494 с.

45. Левковский ЮЛ. Динамика сферической кавитационной каверны (обзор) // Труды акустического института. 1969. Вып.6. С. 102-123.

46. Лойцянский Л Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. 847 с.

47. Лукашин Ю.П. Оценка влияния случайных временных сдвигов между сейсмическими сигналами на эффективность группирования // Прикладная геофизика. Вып. 37. М.: Гостоптехиздат, 1963. С.40-43.

48. Максаков А. А., Рой Н. А. Об эффективности излучения импульса сжатия при выхлопе сжатого воздуха в воду // Акустический журнал. 1980. т. 26. Вып. 5. С. 764-768.

49. Мамонтов М.А Некоторые случаи течения газа по трубам, насадкам и проточным сосудам. М.: Оборонно, 1951. 491 с.

50. V 55. Мамонтов М.А. Вопросы термодинамики тела переменной массы. М.: Оборонив, 1961. 56 с.

51. Математическое обеспечение ЕС ЭВМ. Вып.2. Минск: Ин-т математики АН БССР, 1973. 216 с.

52. Математическое моделирование. Процессы в сложных экономических и экологических системах. М.: Наука, 1986. 296 с.

53. Наугольных К.А, Рой Н.А. Гидродинамические явления при электрических разрядах в воде // Труды акустического института. 1967. Вып.З. С. 100-127.

54. Наугольных К.А., Рой Н.А. Электрические разряды в воде. М.: Наука, 1971. 155 с.

55. Непрочное Ю.П., Балашканд М.И., Ельников И.Н. и др. Частотные спектры пневматических излучателей большой мощности // Океанология. 1975. Т. 15. Вып. 4. С.744-747.

56. Непрочное Ю.П. Сейсмические исследования в океане. М.: Наука, 1976. 178с.

57. Новиков И.И., Захаренко В.П., Ландо Б.С. Бессмазочные поршневые уплотнения в компрессорах. Л.: Машиностроение, 1981. 238 с.

58. Погорелов В.И. Газодинамические расчеты пневматических приводов. Л.: Машиностроение, 1971. 184 с.

59. Попович Е.Г., Непрочное Ю.П., Семенов Г. А. и др. Форма импульса от пневматических излучателей большой мощности по экспериментальным данным. М., 1976. Деп. в ВИНИТИ 10.05.76, № 308. 8 с.

60. Райхер Л.Д., Хараз И.И., Бендерский В.Я. Применение линейных управляемых источников колебаний при сейсморазведке MOB и КМПВ: Информационное сообщение. Серия: «Региональная, разведочная и промысловая геофизика», 1967. № 18. М.: ОНТИ ВИЭМС. 39 с.

61. Справочник по проектированию электропривода, силовых и осветительныхустановок / Под ред. Я.М. Большама, В.И. Круповича, М.Л. Самовера. М.: Энергия, 1974. 728 с.

62. Толстой И., Клей К. Акустика океана: Пер.с англ. М.: Мир, 1969. 302 с.

63. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / Под общ. ред. А.И. Голубе ва, Л.А. Кондакова. М.: Машиностроение, 1986. 464 с.

64. Физическая акустика / Под ред. У. Мэзона. Т.1. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Ч. Б. М.: Мир, 1967. 362 с.

65. Хофф Б.Д., Шмелик Ф.Б. Усовершенствованная система регистрации сейсмических данных на мелководье // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. 1982. № 6. С.58-60.

66. Ht 71. Amundsen L. Estimation of source array signatures // Geophysics. 1993. V.58, №12. P. 1865-1869.

67. Barger J.F., Hamblen W.R The air gun impulsive underwater transducer // Journal of the Acoustical Society of America. 1980. 68(4). P. 1038-1045.

68. Brandsaeter В., Farestveit A., Ursin B.A. A new high-resolution or deep-penetration airgun array // Geophysics. 1979. Vol.44. №5. P.865-879.

69. Cotton W.R. A new marine seismic source // Petroleum review. 1986. V.40, № 473.1. P.50.

70. Dragoset W.H. A Comprehensive method for evaluating the design of airguns and airgun arrays // XVI Ann. Offshore Technol. Conf., Houston, Texas, 1984. V.3, 5.1. P.75-84.

71. Dragoset W.H. Air-gun array specs: A tutorial // Geophysics: The leading edge of exploration. 1990. January. P.24-32.

72. Edelmann H.A.K. Applications of air gun energy source for offshore seismic work // Offshore Technology Conference. 1976. № 2513. P.3-5.

73. Epstein D., Keller J.B. Expansion and contraction of planar, cylindrical and spherical underwater gas bubbles // Journal of the Acoustical Society of America. 1972. V.52. № 3 (p.l). P. 975-980.

74. Giles B.F. Pneumatic acoustic energy source // Geophysical Prospecting. 1968. V.16. № 1. P. 21-53.

75. Giles B.F., Johnston R.C. System approach to air gun array design // Geophysical Prospecting. 1973. V.21. № 1. P. 77-101.

76. Heuckroth L.E., Glass I.I. Low-energy underwater explosions // The physics of fluids. 1968. V.ll. № 10. P. 2095-2107.

77. Johnston RC. Performance of2000 and 6000 psi air guns: theory and experiment // Geophysical Prospecting. 1980. V.28. № 5. P.700-715.

78. Johnston R.C. Development of more efficient airgun arrays: theory and experiment // Geophysical Prospecting. 1982. V.30. № 6. P. 752-773.

79. Johnston R.C. Marine seismic energy sources: acoustic performance comparison. -14th Ann. Offshore Technol. Conf., Houston, 1982, Proceed. V.2. P. 323-376.

80. Johnston R.C., Reed D.H., Desler J.F. Special report on the SEG Technical Standards Committee: SEG Standard specifying marine seismic energy sources // Geophysics. 1988. Vol. 53. № 4. P. 566-575.

81. Keller J.B., Kolodner I.I. Dampind of underwater explosion bubble oscillations // Journal of Applied Physics. 1956. 27. P. 1152-1161.

82. Kramer F.S., Peterson RA., Walter W.C. Seismic energy sources // Offshore Technology Conference, 1-st. Houston, Texas, Proceeding. V.2. 1969. P. 387-416.

83. Lamer K., Hale D., Zinkham Sh., Hewlitt Ch. Desired seismic characteristics of an air gun source // Geophysics. 1982. V.47. № 9. P. 1273-1284.

84. Lynn W., Lamer K. Effectiveness of wide marine seismic source arrays // Geophysical Prospecting. 1989. V.37. № 1. P. 181-207.

85. Mayne W.H., Quay RG. Seismic signatures of large airguns // Geophysics. 1971. V.36. № 6. P. 1162-1173.

86. Miksis M.J., Lu T. Nonlinear radial oscillations of a gas bubble including thermal effects // Journal of the Acoustical Society of America. 1984. V.76. № 3. P. 897-905.

87. Newman P. Continuous calibration of marine seismic sources // Geophysical Prospecting. 1985. V.33. №2. P. 224-232.

88. Nooteboom I.I. Signature and amplitude of linear airgun arrays // Geophysical Prospecting. 1978. V.26. № 1. P. 194-201.

89. Paikes G.E., Ziolkowski A., Hatton L., Haugland T. The signature of an air gun array: Computation from near-field measurements including interaction. Practical considerations // Geophysics. 1984. V.49. № 2. P. 105-111.

90. Safar M.H. The Radiation of acoustic wawes from an air-gun // Geophysical Prospecting. 1976. V.24. №4. P. 756-772.

91. Safar M.H. Efficient design of air-gun arrays // Geophysical Prospecting. 1976. V.24. № 4. P. 773-787.

92. Safar M.H. An efficient method of operating the airgun // Geophysical Prospecting. 1980. V.2j8. № 1. P. 85-94.

93. Safar M.H. Test results of a new type of efficient small airgun array // Geophysical Prospecting. 1983. V.31. № 2. P. 343-360.

94. Safar M.H. Comment on « Development of more efficient airgun arrays: theory and experiment» by R.C. Johnston // Geophysical Prospecting. 1984. V.32 № 3. p. 497-501.

95. Safar M.H. On the improvement in penetration achieved by using extended marine source airguns // Geophysical Prospecting. 1984. V.32. № 3. P. 497-501.

96. Schulze-Gattermann R. Physical aspects of the «Airpulser» as a seismic energy source // Geophysical Prospecting. 1972. V.20. № 1. P. 155-192.

97. Sinclaire I.E., Bhattachaiya G. Interaction effects in marine seismic source arrays // Geophysical Prospecting. 1980. V.28. № 2. P. 323-332.

98. Stoffa P.L., Ziolkowsky A. Seismic source decomposition // 13th Ann. Offshore technology conf. May 4-7. Houston, 1981. P. 161-168.

99. Vaage S., Haughland K., Utheim T. Signatures from single airguns // Geophysical Prospecting. 1983. V.31. № 1. P. 87-97.

100. Vaage S., Ursin В., Haughland K. Interaction Between airguns // Geophysical Prospecting. 1984. V.32. № 4. P. 676-689.

101. Wood L.C., Heiser R.C., Treitel S., Riley P.L. The debubbling of marine source signatures // Geophysics. 1978. V.43. № 4. P. 715-729.

102. Ziolkowsky A. A method for calculating the output pressure waveform from an air-gun // Geophysics, J. R. Astr. Soc. 1970. V.21. № 2. P. 137-161.

103. Ziolkowsky A. Comments on «The radiation of acoustic waves from an air gun» // Geophysical Prospecting. 1977. V.25. № 3. P. 560-563.

104. Ziolkowsky A., Parkes G., Hatton L., Haughland T. The signature of an air gun array: computation from near-field measurements including interactions // Geophysics. 1982. V.47. № 10. P. 1413-1421.

105. Ziolkowsky A. Source array scaling for wavelet deconvolution // Geophy-sical Prospecting. 1980. V.28. № 4. P. 902-918.

106. Ziolkowsky A. The Delft airgun experiment // First break. 1984. June. V.2. № 6. P. 9-18.

107. Патенты, авторские свидетельства

108. A.c. № 748311 СССР. Пневматический источник сейсмических сигналов / В .А. Ежов, В.И. Тюхалов, В.И. Гуленко, Ю.Л. Романенко. Опубл. 17.07.80. Бюл. №26. 6 с.

109. А.с. №832511 СССР. Способ возбуждения сейсмических сигналов в водной среде / В.И. Гуленко, Ю.Л. Романенко, В.А. Ежов, В.И. Тюхалов. Опубл. 25.05.81. Бюл. №19. 6 с.

110. А.с. №842670 СССР. Пневматический источник сейсмических сигналов для акваторий / В.А. Ежов, В.И. Тюхалов, В.И. Гуленко, Н.И. Федорчуков. Опубл. 30.06.81. Бюл. №24. 4 с.

111. А.с. №1477109 СССР. Пневматический излучатель сейсмических сигналов / В.И. Гуленко, В.И. Тюхалов, В.А. Шлыков, Е.Ю Якуш. Опубл. 21.05.91. Бюл. №18. 5 с.

112. Диссертации, авторефераты диссертаций

113. Балашканд М.И. Невзрывные импульсные источники для морской сейсморазведки: исследование, разработка, внедрение: Автореф. дис. . д-ра техн. наук. М., 1986. 44 с.

114. Гуленко В.И. Теоретическое и экспериментальное исследование некоторых типов источников, упругих волн на основе водородо-кислородной газовой смеси: Дис. . канд. геол.-мин. наук. МГУ, М., 1982. 224 с.

115. Калинин A.B. Теория, методика и техника сейсмоакустических исследований на море с электроискровым источником упругих волн: Дис. . д-ра физ.-мат. наук. М., 1977. 281 с.

116. Отчеты о НИОКР, рекомендации

117. Рекомендации по технологии применения установки УВ-10 в морской сейсморазведке: Метод, рекомендации / НПО «Нефтегеофизприбор»: Отв. исполнители В.И. Гуленко, В.И. Тюхалов. Краснодар, 1989. 107 с.

118. Разработка методики и техники группирования импульсных источников упругих волн для морской сейсморазведки: Отчет о НИР / НПО «Южморгео»: Отв. исполнители Ю.А. Москаленко, А.М. Грибанов и др. Геленджик, 1973.

119. Разработка источника для морской сейсморазведки в условиях мелководья (в том числе предельного) и многофункциональной системы управления: Отчет потеме 58-88 (в 2 частях) / КФ НИИМоргеофнзики. Отв. исполнители: В.И. Тюхалов,

120. В.И. Гуленко, Е.Ю. Якуш. № ГР 01.88.0013879 (инв.№ 02910 022875). Инв.№ 2936, Краснодар, 1990.

121. Разработка линейных многоэлементных излучающих систем для морской сейсморазведки: Отчет по теме 17-89 / НИИМоргеофнзики. В.К. Утнасин, В.А. Москаленко, Н.В. Бадиков, А.М. Скрицкий. Мурманск, 1990.

122. Текстовые конструкторские документы

123. Техническое задание на разработку пневматических излучателей нормального ряда «Сигнал» / Краснодарский филиал «НИИМоргеофизика» ВМНПО «Союз-мор гео». Краснодар, 1984.

124. Техническое задание на разработку контроллера программируемого пневматических излучателей «АСТРА» / НПО «Нефтегеофизприбор». Краснодар, 1989.

125. Гуленко В.И., Якуш Е.Ю. Контроллер программируемый групповых пневматических источников «АСТРА-М»: Руководство по эксплуатации. РПДК 2.399.001 РЭ, ОАО «НПО Нефтегеофизприбор». Краснодар, 1997. 47 с.

126. Гуленко В.И. Контроллер программируемый групповых пневматических источников «АСТРА-М»: Руководство оператора. РПДК 00010-01 34 03, ОАО «НПО Нефтегеофизприбор». Краснодар, 1997. 90 с.

127. Гуленко В.И. Контроллер программируемый групповых пневматических источников «АСТРА-М»: Описание программного обеспечения. РПДК 00004-01 13 02, ОАО «НПО Нефтегеофизприбор». Краснодар, 1997. 37 с.

128. Проспекты отечественных и зарубежных фирм

129. Групповой пневматический источник «Импульс-1»: Проспект ВДНХ СССР . М.: Недра, 1978. 4 с.

130. Ежов В.А., Тюхалов В.И., Гуленко В.И., Михайленко В.Н., Ушканов В.Н. Источник групповой пневматический Ш11-1: Информ. листок №82-14. Серия 13-06 ЦООНТИ-ВНИИЭгазпром, Краснодар, 1982. 4 с.

131. Пневматический излучатель ПИ-IB: Проспект ВДНХ СССР. JL: Аэрогеология, 1979. 3 с.

132. Обследование площадок под бурение на акваториях: Проспект ГНЦ НПО «Южморгеология», 1997. 7 с.

133. Проспект фирмы «GECO Well Services»: Energy source unit. Norvik, Norway,1. V 1981.

134. Проспект фирмы «GECO Geophysical Company of Norway А/S»: Airgun arrays. Norvic, Norway. 1984.

135. Проспект фирмы «GECO A.S.»: Energy sources. Point sources Areal arrays. Norvic, Norway. 1986.

136. Проспект фирмы «Prakla-Seismos GMBH»: Airgun equipment. Hannover, Germany, 1984.

137. Проспект фирмы «Prakla-Seismos GMBH»: Air-gun synchronizer WZAD. Hannover, Germany, 1985.

138. Air-gun synchronizer WZAD. Operators Manual. Prakla-Seismos, GMBH, Hannover, Germany, 1985.

139. А 144. Проспект фирмы «РгаЫа-Seismos GMBH»: AG-SV "Mintrop" an advanced marine seismic survey tool. Hannover, Germany, 1986.

140. Материалы фирмы «Pralcla-Seismos GMBH»: Array test results «W82». Hannover, Germany, 1986, 113 p.

141. Проспект фирмы «Litton Resources Systems»: LRS-100 Energy source synchronizer. Houston, Texas, USA, 1985.

142. Проспект фирмы «Litton Resources Systems»: LRS-6000 high pressure airgun system. Houston, Texas, USA, 1987.

143. Проспект фирмы «Exploration Equipment Service, Inc.»: EERI Airgun. USA,1987.

144. Проспект фирмы «Bolt Technology Corporation»: Bolt WELLSEIS™ System for Interwell Tomography. Norwalk, Connecticut, USA, 1986.

145. Проспект фирмы «Bolt Technology Corporation»: MINI-WELLSEIS™ Bore* hole Air Gun System. Model WS-1-1000. Norwalk, Connecticut, USA, 1987.

146. Проспект фирмы «Bolt Technology Corporation»: PAR air gun. Norwalk, Connecticut, USA, 1990.

147. Проспект фирмы «Bolt Technology Corporation»: The Bolt portable air gun system. Norwalk, Connecticut, USA, 1990.

148. Проспект фирмы «Bolt Technology Corporation»: Bolt technology LONGLIFE™ Air Guns. Norwalk, Connecticut, USA, 1998.

149. Проспект фирмы «Texas Instruments, Inc.»: Tiger П air gun controller system. Houston, Texas, USA, 1985.

150. Проспект фирмы «Syntron, Inc.»: GCS 90 Marine Seismic Source Controller. Houston, Texas, 1993.

151. Проспект фирмы «Halliburton Geophysical Services»: Sleeve Gun. Houston, ■V Texas, USA, 1990.

152. Проспект фирмы «Input/Output, Inc.»: I/O Sleeve Guns. Stafford, Texas, USA,1995.

153. Проспект фирмы «Seismic Systems, Inc.»: G. Gun. The recoilless air gun. Houston, Texas, USA, 1997.

154. Проспект фирмы «Seismic Systems, Inc.»: G.I Gun. The air gun that controls its own bubble. Houston, Texas, USA, 1997.

155. Проспект фирмы «Macha International, Inc.»: Air gun control unit. Model GCU- One. Houston, Texas, USA, 1997.

156. Проспект фирмы «Macha International, Inc.»: Air gun control unit. Model GCU- Four. Houston, Texas, USA, 1997.у 162. Проспект фирмы «Macha International, Inc.»: Air gun control system. Model

157. GCU Eight Houston, Texas, USA, 1999.

158. Проспект фирмы «Macha International, Inc.»: Distributed air gun control. The gun network. Houston, Texas, USA, 2000.

159. Проспект фирмы «GECO Geophysical Company of Norway А/S»: Gimda.Gun array control system. Norvic, Norway. 1984.