Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Разработка и научно-экспериментальное обоснование комплекса специальных технических средств для морской нефтегазовой сейсморазведки

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Содержание диссертации, доктора технических наук, Штефан, Борис Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕНЕРАЦИИ УПРУГИХ ВОЛН В

ВОДНОЙ СРЕДЕ

1.1. Анализ некоторых характеристик процесса транспортировки газа по рукаву высокого давления

1.1.1. Задача численного интегрирования уравнений методом характеристик

1.1.2. Аналитическое решение линеаризованных уравнений неустановившегося движения газа

1.1.3. Расчет работы силы трения при квазиустановившемся изотермическом режиме течения газа

1.2. Теоретическое исследование упругого сигнала, возбуждаемого источником

1.2.1. Постановка задачи и вывод системы уравнений

1.2.2. Исследование процесса впрыска газоводяных струй в водную среду при работе пневмогид-равлических источников

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ В ПРАКТИКУ

МОРСКИХ НЕФТЕГА30П0ИСК0ВЫХ РАБОТ

2.1. Разработка и исследование пневмоисточника типа "Импульс"

2.1.1. Анализ некоторых характеристик пневмоисточника

2.2. Групповой пневматический источник "Импульс-1" 81 2.2.1. Исследование группового пневмоисточника

Импульс-1"

2.3. Результаты эксплуатации группового пневматического источника "Импульс-2"

2.3.1. Сейсмические исследования в бассейне

Чёрного моря

2.4. Разработка и исследование группового пневматического источника для мелководья "Импульс-3" 103 2.4.1. Результаты исследований одиночного излучателя от источника "Импульс-З"

2.5. Разработка и исследование пневмоисточника ШИП 107 2.5.1. Опытно-методические сейсмические работы

2.6. Групповой пневматический источник "Импульс-4"

2.7. Конструкции пневмогидравлических источников

2.1 Л. Пневмогидравлический источник с многоструйным соплом

2.7.2. Пневмогидравлический источник со сплошным кольцевым соплом

2.7.3. Пневмогидравлический источник с плоским кольцевым кавитатором

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДВИЖЕНИЯ СЕЙСМОГРАФНОГО

КАБЕЛЯ ПРИ БУКСИРОВКЕ

3.1. Состояние техники и технологии буксировки сейсмографных кабелей 135 3.1.1. Стабилизация сейсмографного кабеля по глубине

3.2. Обзор литературных источников

3.3. Предварительная информация к задаче

3.4. Методические предпосылки к задаче

3.5. Задача о равновесии невесомого сейсмографного кабеля в горизонтальной плоскости при движении в воде

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ КОНЦЕВОГО БУЯ ДЛЯ

СЕЙСМОГРАФНОГО КАБЕЛЯ

4.1. Основы проектирования концевого буя

4.2. Геометрические характеристики буя

4.3. Конструкция и компоновка буя

4.3.1. Проектировочный расчет площади руля

4.3.2. Расчёт светосигнализатора и уголкового отражателя

4.3.30. Система управления движением буя

4.4. Энергетическая установка буя 191 4.4.1. Основные эксплуатационные и техникоэкономические характеристики аккумуляторов

4.5. Гидростатический расчет буя

4.6. Гидродинамический расчёт буя

4.7. Технические средства навигации концевого буя

4.8. Спускоподьёмные операции

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СПУТНИКОВЫХ ПРИЁМОИНДИКАТОРОВ ДЛЯ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

5.1. Разработка и исследование спутникового

ПИ "Ламбда"

5.1.1. Программное обеспечение ПИ "Ламбда"

- 4

5.2. Разработка и исследование многофункционального приёмоиндикатора "Горизонт" 5.2.1. Исследование точностных характеристик

ГЛАВА 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПЛЕКСА

СПЕЦИАЛЬНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

6. 1. Зависимость формируемого упругого сигнала от изменения давления при выхлопе

6. 2. Зависимость параметров упругого сигнала от рабочего давления

6. •3. Зависимость параметров упругого сигнала от глубины погружения источника

6. 4. Зависимость параметров упругого сигнала от рабочего объема источника

6. 5. Зависимость параметров упругого сигнала от скорости вскрытия выхлопных отверстий п о. 6. Экспериментальное изучение влияния параметров излучаемого сигнала на глубинность исследований

6.6.1. Методика обработки материалов, результаты работ и их интерпретация

6.6.2. Зависимость излучаемых групповым пневмоисточником сигналов от изменения рабочего давления, глубины погружения и скорости вскрытия выхлопных отверстий

6.7. Экспериментальные исследования пневмогидравлического источника

6.8. Экспериментальные исследования навигационной системы буя

Введение Диссертация по геологии, на тему "Разработка и научно-экспериментальное обоснование комплекса специальных технических средств для морской нефтегазовой сейсморазведки"

Необходимость увеличения сырьевых ресурсов требует поиска и разведки новых месторождения полезных ископаемых и в первую очередь нефтегазовых. Решение этой проблемы связывается с открытием залежей в шельфовых зонах морей, а также глубоко залегающих перспективных комплексов осадочного чехла Мирового океана.

Расширение области применения геофизических методов вызывает необходимость разработки новых и совершенствования существующих методов морских сейсмических исследований, позволяющих получить достоверную информацию о строении среды в сложных геологических условиях. Поэтому особенно актуальным является решение задач, стоящих перед морской нефтяной геофизикой, требующих постоянного совершенствования методики и технологии работ, разработки и внедрения новейшей сейсморазведочной аппаратуры (источников нового поколения, концевых буев для сейсмографных кабелей, спутниковых прие-моиндикаторов и др.).

В настоящее время при геолого-геофизических исследованиях на акваториях, в большинстве случаев, применяется навигационная аппаратуры и концевые буи, созданные зарубежными фирмами. Однако, применяемые буи служат лишь определителями координат хвостовой части кабеля и не имеют устройств корректировки его положения по отношению к линии заданного геофизического профиля.

Важнейшими задачами сейсмических методов разведки являются изучение строения осадочного чехла, картирование поверхности фундамента, выделение тектонических нарушений, структур и литологи-ческих несогласий, перспективных в нефтегазоносном отношении. В этой связи соискателем разработаны пневмогидравлические источники, использующие для генерации упругого сигнала впрыск высокоскоростных газожидкостных струй в окружающее водное пространство, активный радионавигационный буй, снабженный следящей системой, отечественными спутниковыми приемоиндикаторами и автоприводом. Буй определяет не только свои координаты, но и удерживает сейсмографный кабель на заданном профиле с высокой степенью точности, достаточной для геолого-геофизических исследований.

Актуальность данной разработки состоит еще и в том, что за счет точного определения координат точек приема и возбуждения повышается разрешающая способность, позволяющая более качественно оценить перспективы изучаемого разреза и, в конечном счете, предопределить успешность бурения.

Специальные технические средства - это часть сейсморазведочного комплекса, в который входят: пневматические, пневмогидравлические источники и пульт управления к ним; концевой буй с радионавигационной системой определения его координат в любое время суток в океане с точностью до 5 м. Для этого выполнено следующее:

1. Развита теория возбуждения упругих колебаний с учётом транспортировки и конечным расходом сжатого воздуха из пневматического и пневмогидравлического источников, на основе которой разработаны, исследованы и внедрены в производство новые типы генераторов.

2. Впервые, с учётом исследований других авторов, построена принципиально новая математическая модель пространственного поведения сейсмографного кабеля в толще воды при нефтегазопоиско-вых работах.

3. Разработан, испытан и внедрён в производство концевой буй для сейсмографного кабеля.

4. Разработана следящая система и автопривод для буя.

5. Разработан и внедрен в производство многоканальный пульт управления источниками.

6. Впервые разработаны шестиканальные спутниковые приёмоиндикаторы

Кварк", "Ламбда" и "Горизонт", применяемые на судах различного типа и радионавигационном буе.

7. Разработана дифференциальная система спутниковой навигации, которая предназначена для навигационно-гидрографической привязки местоположения концевого участка сейсмографного кабеля при сейсморазведочных работах на акваториях и в районах переходных зон, а также при бурении скважин в морских условиях. В соответствии с практикой поисково-разведочных работ в пределах нефтегазоносных бассейнов шельфовых зон Мирового океана основными объектами для поисков залежей углеводородов являются локальные поднятия (антиклинали) и неструктурные ловушки, такие как зоны литологического и стратиграфического выклинивания и некоторые другие формы с коллекторскими свойствами, благоприятными для нефтена-копления [43, 50].

Для поисков таких структур применяется комплекс геофизических методов, основным из которых является метод отражённых волн в модификации многоканального сейсмического профилирования (МОГТ) [73].

Повышение глубинности методики МОГТ обеспечивается использованием многоканальных приемных устройств, применением более совершенных программ обработки и усложнением методики наблюдений.

Метод КМПВ используется, как правило, на региональной стадии изучения нефтегазоносных бассейнов, однако, в ряде случаев, этот метод используется на поисковой стадии, преследуя специфические задачи картирования поверхности фундамента и получения данных о граничных скоростях.

В последнее время на акваториях Чёрного и Каспийского морей успешно применяются исследования МОГТ с использованием высокочастотных источников для более точного расчленения верхней части разреза, получения данных о скоростных характеристиках среды и динамической обработки [65,123,124,131]. Обычно высокочастотная модификация МОГТ применяется при выборе местоположения установки морских буровых платформ. Эти работы проводятся в комплексе с сейсмоакус-тическими исследованиями, в задачу которых входит изучение латеральных неоднородностей, определение местоположения газовых карманов в верхней части разреза, несущих потенциальную опасность при бурении.

Комплекс сейсмических методов, применяемый при нефтегазопоис-ковых работах на акваториях, требует навигационной привязки пунктов геофизических наблюдений с целью точного определения в плане местоположения структуры. Данная точность определяется инструкциями по сейсморазведке и навигации, предполагая определение географических координат судна с последующим расчётом пикетажа в предположении прямолинейного положения сейсмографного кабеля. В нашем случае предусматривается введение поправок за отклонение сейсмографного кабеля от линии заданного направления геофизического профиля. Это возможно только в том случае, если точно известно местоположение хвостовой части кабеля, которое определяется навигационной системой буя. Поэтому целесообразность и необходимость разработки активного концевого радионавигационного буя для. точного определения координат сейсмографного кабеля очевидна [44].

По данным работы [31], в состав комплекса основных геологогео-физических методов при поисках и разведке нефти и природного газа должны входить: сейсморазведка КМПВ; сейсморазведка МОВ ОГТ; сейсморазведка высокого разрешения; сейсмоакустика.

Повышение эффективности геофизических методов разведки является главной задачей обеспечения страны нефтью и газом. Поэтому решение сложных задач, стоящих перед морской нефтяной геофизикой, требует постоянного совершенствования методики и технологии работ, разработки и внедрения новейшей сейсморазведочной аппаратуры. Важным фактором в деле повышения эффективности морских геолого-геофизических исследований является применение более совершенных источников упругих волн.

Разработка морских источников нового поколения требует постановки и решения большого круга задач, в частности, оценки эффективности различных типов источников, изучения параметров, связывающих характеристики волнового поля с характеристиками источника, теоретического анализа различных схем источников и многих других.

Вышесказанное требует дальнейшего развития и усовершенствования теоретических методов исследования динамических задач для жидкостного полупространства с заглубленными источниками различных типов.

К моменту постановки рассматриваемой работы за рубежом была создана серия гидравлических источников, использующих схлопывание кавитационной полости, образующейся в результате отрыва струи жидкости от днища поршня, для генерации упругого сигнала. Однако конкретных сведений о конструкции источников и протекающих в них процессах не сообщалось, а имевшиеся по этим вопросам публикации и проспекты носили чисто рекламный характер и не содержали сведений оптимизации параметров, методики и технологии их использования.

Учитывая эти факторы и отсутствие аналогичных источников в стране, необходимо было направить исследования на теоретическое обоснование формирования сигнала за счёт впрыска газоводяных струй в окружающую водную среду и разработать достаточно простой по конструкции пневмогидравлический источник. В качестве движителя в таком источнике является сжатый воздух, который выталкивает через специальный конически сходящийся насадок воду и затем истекает вслед за кавитационной полостью, образованной струёй воды.

При постановке работ по созданию и внедрению пневмогидравли-ческих источников требовалось решить ряд задач научного и технического характера.

Во-первых, обосновать конструкцию источника, теоретически и экспериментально определить удобство и безопасность работы с ним. С этой целью необходимо было провести детальные исследовательские работы по гидродинамике истечения газожидкостных струй из различного типа насадков и выбору оптимальных элементов конструкции источника и режимов его работы, включая разработку основных элементов методологии их расчёта и методических особенностей их применения.

Во-вторых, в результате исследовательских работ необходимо было реализовать полученные оптимальные параметры в конкретную конструкцию источника и в ходе полевых испытаний определить его эффективность в сравнении с источниками других типов.

Разработка такого источника и комплекса методических приёмов его применения должна обеспечить получение геологических результатов, по информативности, глубинности исследований, разрешенности и прослеживаемости изучаемых горизонтов не уступающих или превосходящих другие типы источников для аналогичных целей, что является главным требованием к разрабатываемому источнику.

Создание источника должно соответствовать идеологии разработки регистрирующей и обрабатывающей сейсморазведочной аппаратуры. При внедрении нового источника в эксплуатацию не должны меняться полевые методические приёмы, способы первичной оценки качества получаемого материала и графы его машинной обработки.

Важным элементом в оснащении сейсморазведочного судна аппаратурой для геолого-геофизических исследований служит многоканальный пульт управления источниками, который должен работать в ручном, автоматическом и запуском от набортной ЭВМ режимах с высокой степенью точности от запуска к запуску, надёжной, стабильной и безопасной работой при длительной эксплуатации. При использовании групповых источников пульт управления должен иметь обратную связь для определения неработающего источника.

При морских нефтегазопоисковых работах используют приёмные устройства (сейсмографные кабели) большой длины, достигающей 5000 м и более. Это поставило проблему определения их планового положения, так как при сильных подводных течениях, в зоне которых расположены геофизические профили, и ветро-волновых возмущениях снос кабеля от линии профиля может достигать 500 м. Кроме того, в процессе буксировки сейсмографного кабеля за счёт гидродинамического обтекания возрастает уровень собственных шумов акустических пь-езоприёмников; всё это приводит к снижению качества, детальности и адекватности получаемой геофизической информации.

Поэтому для проведения качественного сейсмического профилирования необходимо было решить основные задачи управления сейсмог-рафным кабелем - минимизировать отклонение рабочих секций кабеля от заданного профиля и снизить шумы приёмных устройств.

По причинам, указанным выше, контроль за пространственным положением сейсмографного кабеля в морских условиях является важной составной частью проводимых геофизических исследований, позволяющий получать точные геологические результаты.

Для этого необходимо было создать математическую модель поведения сейсмографного кабеля в толще воды при буксировке его сейс-моразведочным судном и на основании теоретических исследований разработать и изготовить концевой радионавигационный буй.

В практике морских сейсморазведочных работ применяются концевые буи различных зарубежных фирм. Однако в рекламных проспектах не приводятся описания конструкций, различных узлов и систем, размещение и состав радионавигационной аппаратуры, отсутствуют схемы передачи и контроля обменной информации между судном и буем. Кроме того, все известные буи служат лишь определителями своих координат, на основании которых в геофизическую бортовую ЭВМ вводятся соответствующие поправки, и не имеют устройств корректировки положения сейсмографного кабеля по отношению к линии проложенного геофизического профиля.

Автором впервые в стране разработан активный буй, снабжённый следящей системой и автоприводом, которые позволяют удерживать его на профиле за счёт установленного на буе отводителя с точностью, достаточной для ведения геологогеофизических изысканий при волнении моря до 4 баллов включительно.

Для целей обеспечения навигационной привязки комплекса: сейс-моразведочное судно-концевой буй - применяются спутниковые приёмо-индикаторы "Ламбда", "Кварк" и "Горизонт" для определения в любое время суток координат и скорости движения этих объектов по сигналам спутниковой навигационной системы GPS (Навстар) с использованием режима дифференциальных поправок DGPS, разработанные под руководством и непосредственном участии автора [20, 24, 26, 30].

Целью настоящей работы явилось теоретическое и экспериментальное обоснование возможности разработки высокоэффективного комплекса специальных технических средств для морской сейсморазведки. Для достижения этой цели необходимо решить целый ряд исследовательских, методических и опытноконструкторских задач.

1. Теоретические исследования формирования упругого сигнала в воде с учётом транспортировки сжатого воздуха по длинной магистрали от рессивера судовой компрессорной установки до пневматического или пневмогидравлического источников с последующим его истечением в окружающее водное пространство.

2. Анализ и обобщение результатов исследовательских, конструкторских и методических работ по разработке и внедрению различного типа невзрывных источников.

3. Теоретические и экспериментальные исследования по разработке и выбору нового типа источника.

4. Теоретические исследования зависимости параметров излучаемого сигнала от конструктивных параметров источника и условий возбуждения.

5. Экспериментальные исследования упругого сигнала от конструктивных параметров источника и способов изменения его интенсивности, длительности, формы и спектра.

6. Исследование процессов движения сейсмографного кабеля в толще воды при буксировке.

7. Разработка и экспериментальная проверка элементов методологии расчёта гидростатических и гидродинамических параметров концевого радионавигационного буя.

8. Разработка и исследование точностных характеристик спутниковых приёмоиндикаторов, входящих в радионавигационный комплекс сейсморазведочного судна и концевого буя.

9. Экспериментальное исследование параметров обмена информацией между береговой станцией, сейсморазведочным судном и буем в дифференциальном режиме.

10. Практическая реализация результатов исследований в конструкциях специальных технических средств для морской нефтегазовой сейсморазведки.

11. Разработка и исследование следящей системы и автопривода для буя.

12. Обобщение и анализ материалов внедрения в практику работ отдельных технических средств, входящих в комплекс, с целью определения их геолого-геофизической, экономической и экологической эффективности.

С целью скорейшего создания комплекса специальных технических средств и, в первую очередь, источника упругих колебаний и концевого радионавигационного буя многие этапы работ по решению перечисленных задач проводились параллельно. В результате были выполнены научные, технические и методические работы, начиная от поисковых исследований до практического изготовления первого российского комплекса специальных технических средств для морской сейсморазведки.

При оценке значимости представленной работы необходимо учитывать полное отсутствие теоретических наработок и опыта создания пневмогидравлических источников и радионавигационных буёв, вследствие чего все сформулированные задачи автору пришлось практически решать впервые.

Все исследовательские и опытно-конструкторские работы были выполнены в Государственном научном центре ГГП НПО "Южморгеология", Научно-исследовательском и проектном институте геофизических методов разведки океана (НЙПИокеангеофизика) Министерства природных ресурсов Российской Федерации совместно с рядом производственных организаций под руководством или при непосредственном участии автора настоящей диссертации. С 1970 года автор работает над созданием невзрывных источников упругих колебаний для моря, способов возбуждения сейсмических волн и пультов для запуска и управления источниками. В 1970-75 гг. как один из основных исполнителей работал над созданием одиночных пневматических источников; а в 1976-83 гг. - над созданием серии мощных групповых источников для глубокого моря, мелководья и корреляционного метода преломленных волн (КМПВ).

Параллельно с этим автор также разрабатывал пульты для запуска и управления источниками, с 1984 г. по 1989 г. руководил исследовательскими работами и непосредственно участвовал в создании широкополосных импульсных источников, по выбору оптимальных параметров их конструкций и режимов работы, осуществлял научное руководство опытно-конструкторскими работами, активно участвовал в создании рекомендаций по рациональному выбору методики применения источников, в сравнительных испытаниях источников различных типов, во внедрении разработанных источников и пультов управления к ним, а также оказывал техническую, методическую и консультационную помощь сотрудникам полевых партий при поступлении к ним модернизированных или новых типов источников и пультов управления к ним. С 1990 г. по 1993 г. автор впервые разработал математическую модель генерации упругого импульса за счёт впрыска газоводяных струй в водную толщу и на этой теоретической базе создал серию пневмогидравличес-ких источников, осуществлял техническое и методическое руководство сравнительными испытаниями новых типов источников на полигоне и в морских условиях. Начиная с 1994 г., перейдя в отдел спутниковой навигации и гидрографии, совместно с коллективом разработал серию спутниковых приёмоиндикаторов, осуществлял научное руководство исследовательскими работами по усовершенствованию и созданию различных модификаций приёмоиндикаторов, используемых при сейсмораз-ведочных работах на акваториях, руководил всеми видами испытаний этих приёмоиндикаторов. С 1997 г. ведёт разработку и осуществляет общее руководство НИР и ОКР по созданию радионавигационного буя, следящей системы и автопривода к нему, включая полигонные и морские испытания.

В результате деятельности коллектива лаборатории источников упругих волн Геленджикского отделения НИИморгеофизика, СКВ НПО "Южморгеология", при участии Российского инженерного центра порошковой металлургии (РЙЦ ПМ, г. Пермь), Пермского политехнического института, Краснодарского завода "Геофизприбор" был разработан и выпущен одиночный пневматический источник "Импульс", который успешно прошёл приёмочные испытания в 1973 г; а в 1974 г. начат его серийный выпуск. В 1975 г. на базе этого источника создан мощный групповой источник "Импульс-1" с пультом управления "Импульс-1", его серийный выпуск начат в том же году и отмечен Государственной премией. В 1976-79 гг. созданы опытные образцы групповых источников для работ КМПВ "Импульс-2" и "Импульс-2М" со съёмным электроп-невмоклапаном. В 1980 г. разработан и изготовлен опытный образец группового источника для мелководья "Импульс-3". В связи с переориентацией НПО "Южморгеология" на ЖМК в 1981-83 гг. был разработан широкополосный пневматический источник ШИП (разработчики Б.А.Ште-фан и И.В.Паличев). Автор осуществлял общее и научное руководство данной разработкой вплоть до выпуска опытного образца и его предварительных полигонных и морских испытаний. Выпускается серийно по настоящее время. В 1986 г. специально для работ в полосе Трансин-доокеанского геотраверза был разработан и изготовлен групповой источник "Импульс-4". В 1991 г. был выпущен первый в РФ опытный пневмогидравлический источник ПГИ (самостоятельная авторская разработка). В 1992-93 гг. на базе ПГИ автором были разработаны модификации источников ПГИ-1 и ПГИ-2.

Совместно с коллективом отдела морской навигации и гидрографии НИПИокеангеофизика, при участии Таганрогского НИИсвязи, Главного

Управления навигации и океанографии Министерства обороны РФ (ГУНиО МО, г. Санкт-Петербург), Новороссийского завода "Прибой", Краснодарских заводов "Каскад" и радиоизмерительных приборов (РИП), а также завода спутниковых антенн "Восход" (г.Абинск) с 1994 по 1998 гг. разработаны и выпущены опытные образцы спутниковых приёмоинди-каторов: "Гном", "Кварк", "Ламбда", "Горизонт", а также первый в РФ радионавигационный активный буй.

В результате выполненных исследований с использованием обобщения материалов других авторов по представленной работе можно сформулировать следующие основные научные положения:

1. Впервые достаточно полно сформулированы теоретические основы генерации упругого сигнала в воде и предложена методика проектирования трансформируемого пневмогидравлического источника.

2. Аналитически и экспериментально изучена зависимость формируемого сигнала от параметров источника.

3. Научно обоснованы критерии для определения оптимальных параметров конструкции и режимов работы пневмогидравлического источника.

4. Впервые выявлена возможность формирования упругого сигнала за счёт впрыска газоводяных струй в окружающее водное пространство.

5. Впервые предложена математическая модель пространственного поведения сейсмографного кабеля при его буксировке сейсморазведоч-ным судном.

6. Впервые разработан активный радионавигационный буй, позволяющий определять свои координаты, обмениваться навигационной информацией с сейсморазведочным судном и удерживать сейсмографный кабель с достаточной степенью точности на заданном геофизическом профиле.

7. Аналитически и экспериментально установлено, что даже при самых неблагоприятных условиях проведения сейсмических исследований (подводные течения, ветро-волновые возмущения) концевой буй удерживает конец сейсмографного кабеля данной 5000 м с отклонениями от линии профиля, не превышающими 20 м ( 5 для кабеля длиной 2400 м).

8. Научно обоснованы оптимальные технология и объём экспериментальных работ, позволяющие при минимуме опытов в достаточной степени уточнить наиболее благоприятные режимы работы комплекса в различных условиях эксплуатации.

В целом новизна, важность и практическое значение представленной работы состоит прежде всего в том, что на основе приведенных результатов разработан комплекс специальных технических средств, позволяющий получать с высокой степенью точности геологическую информацию о строении среды.

Изложенное позволяет считать представленную работу теоретическим обобщением и решением крупной научной проблемы, имеющей важнейшее народнохозяйственное значение.

Основные результаты диссертации докладывались на научно-технической конференции "Сейсмические методы поиска и разведки месторождений полезных ископаемых" (Киев, 1988 г.), на Научно-технической конференции "Комплексные reoлого-геофизические исследования Мирового океана" (Геленджик, 1988 г.), на Всесоюзной школе "Технические средства и методы освоения океанов и морей" (Москва, 1989 г.), на V Всесоюзном совещании по робототехническим системам" (Москва, 1990 г.), на Международной конференции "Гидроавиация в России" (Геленджик, 1996 г.), на V111 Международной Крымской конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" (Севасто-поль,1998 г.), на Международной конференции, посвященной 50-летию Российской морской геофизике, "Теория и практика морских геолого-геофизических исследований" (Геленджик, 1999 г.), а также на ряде различных совещаний в научно-исследовательских и производственных организациях.

Результаты диссертации защищены 18 авторскими свидетельствами, 3 патентами РФ на изобретения, её содержание отражено в работах "Пневмогидравлические источники для акваторий" (1998 г.), "Исследование процессов движения сейсмографного кабеля при работах на акваториях" (1999 г.), "Спутниковая навигационная система для неф-тегазопоисковых работ" (находится в печати) и в других печатных изданиях.

Диссертация изложена на 279 страницах машинописного текста, включая 12 таблиц, 73 рисунка, 177 библиографических наименований.

Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения.

Заключение Диссертация по теме "Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых", Штефан, Борис Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований автора, направленных на техническое переоснащение отечественной морской сейсморазведки, основного метода геофизических исследований по поиску нефтегазоносных месторождений, за счёт разработки и внедрения комплекса специальных технических средств в практику морских работ.

В ходе исследовательских работ были выявлены параметры, определяющие характеристики возбуждаемой упругой волны, и особенности конструкции одиночных и групповых пневматических и пневмогидравли-ческих источников. В результате были даны рекомендации по повышению энергетических и амплитудно-частотных характеристик источников, которые были реализованы в опытноконструкторских работах.

Своевременная подготовка методических рекомендаций, разработанных во время опробования и эксплуатации различных типов невзрывных источников, и полученные при этом положительные геологические результаты облегчили внедрение их в практику морских сейсмо-разведочных работ. Это позволило повысить геолого-экономическую эффективность морских геофизических исследований и сохранить флору и фауну окружающей среды.

Ниже приводятся основные результаты разработки и исследований комплекса специальных технических средств и главные положения диссертационной работы.

1. В результате анализа и обобщения материалов зарубежной и отечественной технической литературы, рекламных и других источников, а также предварительных испытаний показано:

• обобщены теоретические основы генерации упругих волн в водной среде и проведено исследование сейсмического сигнала, возбуждаемого источником; основным. инструментом при геолого-геофизических исследованиях Мирового океана служат пневматические источники;

• для увеличения глубинности исследований необходимо использовать мощные групповые источники типа "Импульс-2М";

• полученные результаты о частотных и энергетических параметрах высокочастотных источников дают возможность изучать строение осадочной толщи с разрешенностью (20 - 30) м при общей глубинности исследований до 1000 м.

2. Сформулированы и научно обоснованы теоретические предпосылки формирования широкополосного акустического сигнала с помощью впрыска высокоскоростных газожидкостных струй в окружающую водную среду с последующим охлопыванием образовавшихся кавитационных полостей. В результате этого удалось:

• создать серию пневмогидравлических источников с равномерным распределением энергии по всему частотному диапазону;

- создать источник со сплошным кольцевым соплом, приспосабливаемый к среде за счёт изменения амплитуды сигнала и его частотного спектра в зависимости от сейсмогеологических задач;

• экспериментально исследовать амплитудно-частотные характеристики источников, позволяющие определить их оптимальную глубину погружения, при которой достигается наилучшее согласование излучаемого импульса с окружающей водной средой;

• предложить и проверить экспериментально методику морских полевых работ, позволяющую формировать нужный по частотному спектру сигнал, контролировать глубину погружения источника и сейсмографного кабеля, следить за формой излученного сигнала и автоматически поддерживать постоянное давление сжатого воздуха в рессивере компрессорной установки;

• теоретически обосновать и практически показать целесообразность разработки пневмогидравлических источников, пригодных для детального изучения верхней части разреза при нефтегазо-поисковых работах, а при использовании многоканальных систем профилирования для решения задач детального изучения придонного слоя осадков и прямого прогнозирования литологического состава отложений.

3. Исследования по изучению влияния конструктивных параметров и режимов работы источников на характеристики возбуждаемых упругих колебаний дали следующие основные результаты:

• разработаны основы методологии расчёта оптимальных конструктивных параметров источников;

• определённое влияние на параметры возбуждаемых колебаний оказывают: глубина погружения источника; объём рабочей камеры; рабочее давление и время вскрытия выхлопных отверстий; для пневмогидравлических источников одним из важнейших элементов является скорость движения цилиндра, при которой происходит поршневое течение жидкости в каналах гидронасадка, а также коэффициент его сужения, позволяющий регулировать скорость газо-жидкостных струй;

• экспериментально установлена зависимость параметров упругого сигнала от глубины погружения источника, его рабочего объема и скорости движения цилиндра;

• экспериментальная проверка подтвердила высокую точность расчётов параметров источников и справедливость отмеченных результатов.

4. При исследованиях по сопоставлению пневматических и пневмогидравлических источников между собой и источниками других типов установлено:

• "Импульс-2М" является самым мощным среди отечественных и зарубежных пневматических источников, используемых для глубинных исследований;

• при оптимальных режимах и методике наблюдений с источниками "Импульс-1", ШИП и ПГИ практически повсеместно получают сейсмические разрезы, по разрешённости и прослеживаемости изучаемых горизонтов, а также по глубинности исследований не уступающие, а в ряде случаев превосходящие разрезы, получаемые с зарубежными источниками.

5. Проведённые теоретические исследования динамики сейсмографного кабеля в водной толще при буксировке дали следующие результаты:

• построена математическая модель пространственного поведения сейсмографного кабеля, базирующаяся на известных основах решения задач для систем обыкновенных дифференциальных уравнений;

• установлено, что для каждого конкретного случая буксировки сейсмографного кабеля необходимо с помощью программно-математического обеспечения устанавливать фактическую величину его отклонения от заданного геофизического профиля в зависимости от скорости сейсморазведочного судна и подводного течения.

6. Разработан концевой радионавигационный буй со спутниковой интегральной системой навигации, предназначенной для определения координат пунктов геофизических наблюдений и параметров движения сейсмографного кабеля за счёт встроенной следящей системы и отво-дителей, удерживающих кабель на проложенном профиле.

Разработана структура навигационной системы в соответствии с требованиями и особенностями технологии методов исследований на море, которая обеспечивает:

• выполнение навигационных наблюдений;

• сбор данных от датчиков навигационной информации и их обработку;

• управление технологией исследований и выработку управляющих параметров для системы автоматического управления буем;

• регистрацию наблюдаемых и обрабатываемых данных на носителях ЭВМ, что позволяет провести в последующем окончательную обработку совместно с геофизической информацией;

• обеспечено автоматическое управление работой источников сейсмических колебаний в зависимости от заданного линейного интервала, что существенно повышает качество измерений по наиболее информативному методу ОГТ, в результате этого повышается качество первичной геологической информативности геофизических данных и глубинность исследований за счёт автоматизации технологии работ;

• решена основная задача управления сейсмографным кабелем, заключающаяся в минимальном отклонении его рабочих секций от заданного геофизического профиля.

7. Результаты анализа точностных параметров спутниковых навигационных приёмоиндикаторов позволили установить:

• разработанные приёмоиндикаторы "Ламбда" и "Горизонт" позволяют с высокой степенью точности определить координаты научно-исследовательских судов и подвижных объектов в любое время суток на акваториях при проведении сейсморазведочных работ на нефть и газ;

• создана высокоточная дифференциальная система для детального профилирования на базе схемотехнических и программно-математических решений, обеспечивающих точное и непрерывное определение местоположения судна и буя, что позволяет получать высокую достоверность и повторяемость геологической информации

8. Изложенное в пп. 4-7 позволяет утверждать:

• разработанные источники являются высокоэффективным инструментом для возбуждения упругих волн при морских нефтегазопо-исковых работах;

• автоматизированный комплекс технических средств обеспечивает проведение геолого-геофизических исследований в круглосуточном режиме с обработкой поступающей информации в реальном масштабе времени, автомагическим управлением технологией работ, движением сейсморазведочного судна и концевого радионавигационного буя по заданным программам.

В диссертации рассмотрены основные вопросы возбуждения упругих колебаний пневматическими и пневмогидравлическими источниками.

Наибольшее внимание уделено теоретическим исследованиям динамики сейсмографного кабеля при буксировке в толще воды, разработке концевого буя, созданию точных и высокоэффективных навигационных средств и определению их точностных характеристик.

Естественно, что в условиях быстрого развития технических средств для морской сейсморазведки невзрывные источники будут совершенствоваться, будут появляться новые типы источников, новые средства управления и навигации, будут создаваться новые комплексы, необходимые для решения геофизических задач в различных сейс-могеологических условиях. Однако основные сформулированные в диссертации положения останутся неизменными.

В целом актуальность, новизна и практическое значение выполненных исследований состоят прежде всего в том, что на базе их результатов впервые в стране разработан комплекс специальных технических средств для морской нефтегазовой сейсморазведки.

- 266

Основные защищаемые положения сводятся к следующему:

1. Единая технология и программно-методический комплекс обработки данных по определению влияния констуктивных параметров источников на характеристики возбуждаемых колебаний и анализа положения сейсмографного кабеля в процессе проведения геолого-геофизических исследований в Мировом океане с целью повышения эффективности разработки специальных технических средств для морской нефтегазовой сейсморазведки.

2. Обоснование специальных технических средств, предназначенных для выявления интервалов и параметров положения сейсмографного кабеля по отношению к заданной системе плановых геолого-геофизических исследований на всех стадиях изучения полезных ископаемых международного района морского дна Мирового океана и исключительной экономической зоны Российской Федерации.

3. Принципиальная схема устройств, предназначенных для точной геодезической привязки координат точек приема и возбуждения, позволяющая качественно оценить получаемые разрезы за счет существенного повышения временной разрешенности сейсмической записи.

4. Структура и элементы информационно-аналитической системы, обеспечивающей возможности получения достоверной информации в заданном масштабе морских геологосъемочных работ.

5. Разработанная система позволила получить новые научно-практические результаы по изучению различных комплексов пород осадочного чехла в условиях центральной Тихоокеанской котловины (зона Кларион-Клиппертон), Атлантического океана (Ангольский шельф, Бразильский шельф), Индийского океана (Мадагаскарский шельф, центральная Индоокеанская котловина, Австралийский шельф), в бассейнах Черного (Туапскинский прогиб) и Ионического (плато Сирт) морей,на акваториях Болгарии, Кубы, Социалистической Республики Вьетнам, в территориальных водах Турции, Германии и др.

Библиография Диссертация по геологии, доктора технических наук, Штефан, Борис Александрович, Геленджик

1. A.c. №1790297 (СССР)/НИПИокеангеофизика. Пневмогидравличес-кий источник сейсмических сигналов. Штефан Б.А., Бяков Ю.А., Осипенко С.Б., Ядыкин Ю.В. - Заявл. 23.10.89, №4782520/25. -Зарег. в Госреестре 22.10.92 - ДСП. МКИ G01V 1/137.

2. A.c. №1778722 (СССР)/НИПИокеангеофизика. Источник для морской сейсморазведки. Лазарев В.И., Штефан Б.А. Заявл. 05.02.90, №4788324/25. -Опубл. 30.11.92. Бюл. №44, МКИ G01V 1/137.

3. A.c. 1045184 (СССР). Пневматический генератор упругих сигналов/ ПО "Южморгеология", Штефан Б.А., Грибанов A.M. Заявл. 19.04.80, №2915074/18-25. - Опубл. 30.09.83 в Б. И. 1983, № 36; МКИ G01V 1/04.

4. A.c. 1056102 (СССР). Пневматический источник сейсмических сигналов/ПО "Южморгеология", Штефан Б.А., Паличев И.В., Акентьев Л. Г. -Заявл. 04.02.82, №3389121/18-25. Опубл. 23.11.83 в Б. И. 1983, №43; МКИ G01V 1/04.

5. A.c. 1169447 (СССР). Генератор упругих импульсов для акваторий/ ПО "Южморгеология", Штефан Б.А., Паличев И.В. Заявл. 05.05.83, №3587790/24-25. - Зарег. в Госреестре 22.03.85. -ДСП. МКИ G01V 1/135.

6. A.c. 1223614 (СССР). Пневматический источник для морской сейсморазведки/ ПО "Южморгеология", Штефан Б.А. Заявл. 15.04.82, №3783534/24-25. - Зарег. в Госреестре 14.01.84. -ДСП. МКИ G01V1/02.

7. A.c. 1187585 (СССР)." Пневматический источник упругих сигналов, ПО "Южморгеология, Штефан Б.А., Бадиков Н.В., Матвеев Э.Г. Заявл. 07.05.84, №3736273. - Зарег. 22.06.85. - ДСП. МКИ G01V 1/137.

8. A.c. 1223744 (СССР). Пневматический источник сейсмических сигналов/ ПО "Южморгеология", Штефан Б.А. Заявл. 24.08.84, №3783534/24-25. -Зарег. В Госреестре 08.12.85. -ДСП. МКИ G01V 1/02, G01N 1/137.

9. A.c. 1225714 (СССР). Пневматический источник сейсмических сигналов. Штефан Б. А. Заявл. 12. 06.84, №3783234/ 24-25. -Зарег. в Госреестре 10.09.85. - ДСП. МКИ G01V 1/137.

10. A.c. 1331281 (СССР). Пневматический источник упругих волн. ПО "Южморгеология", Лазарев В. И., Штефан Б. А., Бяков Ю. А. За-явл. 14.10.85, № 3963910/24-25. - Зарег. в Госреестре 15.04.87. - ДСП. МКИ G01V 1/137.

11. A.c. 1391252 (СССР). Электромагнитный клапан для морского пневмоисточника/ НИПИокеангеофизика, Штефан Б.А. Заявл. 29.07.85, №3950688/24-08. - Зарег. в Госреестре 22.12.87. -ДСП. МКИ F16 К 31102.

12. А.с. 1722162 (СССР). Пневматический источник для аквато-рий/НИПИокеангеофизика, Штефан Б.А. Заявл. 06.04.89, № 4686299/25. -Зарег. в Госреестре 23.11.91, -ДСП. МКИ GOIV 1/137.

13. A.c. 790131 (СССР). Формирователь импульсов/ ПО "Южморгеология", Грибанов A.M., Штефан Б. А. Заявл. 23.02.79, № 2730749/18-21. - Опубл. 23.12.80 в Б.И., 1980, №47; МКИ НОЗК 3/335.

14. A.c. 1331211 (СССР). Пневматический источник упругих волн. Штефан Б. А., Лазарев В. И., Бяков Ю. А. -Заявл. 10.08.85, №3963825/24-25. Зарег. в Госреестре 15.04.86. - ДСП. G01V1/137.

15. A.c. 10556182 (СССР). Пневматический источник сейсмических сигналов. Акентьев Л.Г., Штефан Б.А. Заявл. 15.03.82, №3389171/18-25. - Зарег. в Госреестре 10.08.83. - ДСП. G04V1/04.

16. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие/ С.В.Якубовский, H.A. Барканов, Л.И.Ниссельсон и др.: Под редакцией С.В.Якубовского. 2-е изд.перераб. и доп.

17. М.: Радио и связь, 1985. 432 с.; ил. - (Проектирование РЭА на интегральных микросхемах).

18. Асланов Г.К. Автоматизация управления судном в узкостях. В кн.: Методы и проблемы морской навигации/ ЛВИМУ. М.: ЦРИА "Морфлот", 1981. - с.-65-69.

19. Атанов Г.А., Бешевили Б.П. Коэффициент полезного действия импульсного гидродинамического способа разрушения/ Теоретическая и прикладная механика. Киев-Донецк, 1986. - №17,- с. 102-104.

20. Бадиков Н.В., Грибанов A.M., Козлович Ю.Л. Широкополосный пневматический источник для морских сейсмоакустических исследований/ Сейсмоакустические исследования Мирового океана.

21. Геленджик: ПО "Южморгеология", 1986. с.75-79.

22. Бадиков Н.В., Штефан Б.А., Танский С.И. и др. Перспективы использования высокочастотных сейсмоакустических источников новых типов/ Тез. докл. на 1 науч.-техн. конф. 12-13 апр. 1984, Геленджик, ч.1 Геленджик: ПО "Южморгеология", 1986 . -с.36-37.

23. Баранов Ю.К. Определение места судна с помощью навигационных спутников. М.: Транспорт, 1984. - 112 с.

24. Берсенев А.Ф., Ефимов В.Н., Саидов А.Ю. Пневмоисточник для непрерывного сейсмического профилирования. М.: ИФЗ АН СССР, 1984. - 10 с. Рук. деп. В ВИНИТИ 3.04.84, №1854-84.

25. Богданов В.А., Сорочинский В.А., ЯкшевичЕ.В. Спутниковые системы морской навигации. М.: Транспорт, 1987. - 200 с.

26. Бонд Б. Справочник яхтсмена: Пер. с англ. -JI. : Судостроение, 1989. 336 с.

27. Бондаренко Б.А., Кудряшов В.Е., Рождественский Ю.В. Исследование процессов буксирования сейсмографных кабелей по заданным профилям. Морская геол. и геофизика, ВИЭМС, 1984, вып. 4. - с. 1-13.

28. Бортовые устройства спутниковой радионавигации/ И.В.Кудрявцев, И.Н.Мищенко, А.Н.Волынкин и др. М.: Транспорт, 1988. -201 с.

29. Бяков Ю. А. Основные проблемы и принципы разработки унифицированных океанологических геолого-геофизических и геоэкологических комплексов технических средств и технологий. В кн. "Охрана и разведка недр", №12. М.: Недра, 1993. с. 18-20

30. Бяков Ю.А., Гуленко В.Н. Особенности возбуждения упругих волн в условиях мелководья и переходной зоны суша-море. Геленджик, ГП НИПИокеангеофизика, 1999. 60 с.

31. Бяков Ю.А., Димза А.Я., Иванов H.A. Особенности морской сейсморазведки в условиях мелководья на примере модельных исследований/ Морская геофизика. Рига: ВНИИморгео, 1984.с.59-63.

32. Бяков Ю.А., Шатохин А.Н. Оптимизация газодинамических параметров источников упругих волн при сейсморазведке на акваториях. Геофизические методы поисков и разведки месторождений нефти и газа. - Пермь: Изд-во ПГУ, 1985.- с.64-68.

33. Бяков Ю.А., Штефан Б.А., Шатохин А.Н. Новые типы источников для сейсмических исследований на акваториях. Геленджик: ПО

34. Южморгеология", 1989.- 16 с. Рук. деп. в ВИНИТИ 20.07.89» № 5310-В89.

35. Вагущенко Л.Л. Обработка навигационных данных на ЭВМ. М.: Транспорт, 1985. -144 с.

36. Васьков A.C. Методы управления движением судна и конфигурацией зоны навигационной безопасности. Новороссийск, НГМА, 1997. - 248 с.

37. Веселкова А.В. Структура и система команд вычислительного устройства на основе микропроцессорного комплекса повышенного быстродействия/ Навигационно-геодезическое обеспечение морских геолого-геофизических работ. Геленджик,1985. - с.41-47.

38. Волосов П.С. и др. Судовые комплексы спутниковой навигации. -Л.: Судостроение, 1985. 272 с., ил.

39. Гидродинамика судна в стеснённом фарватере/ Ю.Л.Воробьёв. -СПб.: Судостроение, 1992. 224 с.

40. Глобальная морская система связи при бедствии и для обеспечения безопасности: Пер с англ. / пер. Ю.С.Ацеров, В.А.Богданов, Ю. А. Русин; Под общ. ред. Ю. С.Ацерова. М. : Транспорт, 1989. -63 с.

41. Глумов И.Ф. Автоматизированные геофизические комплексы для изучения геологии и минеральных ресурсов Мирового океана. М.: Недра, 1986. 344 е., ил.

42. Групповой пневматический источник для мелководья. НПО "Рудге-офизика", 1982. с. 4. Проспект.

43. Гуленко В.И., Карпенко В.Д., Романникова А.Н. Математическая модель пневматического излучателя для морской сейсморазведки/ Прикладная геофизика, 1988 №118 - с. 59-68.

44. Гурвич И.И., Боганик Г.Н. Сейсмическая разведка: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. - М.: Недра, 1980. - 551 с.

45. Дедков В.И. Стабилизация движения буксируемых систем/ Тезисы докладов Всесоюзной научн. Конф. "Технические средства иуче-ния и освоения океана". Севастополь: Севастопольский приборостроительный ин-т, 1981. с. 43, 44.

46. Динамика подводных буксируемых систем/ Поддубный В.Н., Шама-рин ¡D.E., Черненко Д. А., Астахов Л. С. СПб.: Судостроение, 1995. - 200 с.

47. Дубровский В.А. и др. О спектральных свойствах пульсирующего пузыря в жидкости/Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли, 1986. № 6. - с. 39-48.

48. Ерошенко В.М., Зайчик Л.И., Першуков В.А. Влияние размеров сопла на автомодельные турбулентные струи/ Численные решения задач механики жидкости и газа. Днепропетровск: Изд-во ДГУ, 1988. - 140 с.

49. Железомарганцевые конкреции Мирового океана/ Под ред. Ю.Б.Казмина. Л.: Недра, 1984. - 175 с.

50. Зайцев Е.И. Проектирование микровычислительных средств для судовых навигационных систем/ Морская навигация при reoлого-геофизических исследованиях Мирового океана (Сб. Научных трудов). Геленджик: НПО "Южморгеология", 1991. - С. 14- 18.

51. Зарецкий A.B. Расчёт стационарного движения буксируемых систем/ Ин-т океанологии АН СССР. ВИНИТИ, (№2029-82 деп. ). М., 1981. 36 с.

52. Зверев С.М. Сейсмические исследования на море. Изд-во МГУ, 1964. 188 с.

53. Злотников Л.А., Смирнов А.В., Скоркин В.И. Экспериментальные61