Материал: Разработка системы передачи цифровой информации в арктических сетях подводного мониторинга

Разработка системы передачи цифровой информации в арктических сетях подводного мониторинга

МАГИСТЕРСКАЯ РАБОТА

Разработка системы передачи цифровой информации в арктических сетях подводного мониторинга

Введение

сейсморазведка автономный подводный

Арктический шельф хранит в себе колоссальные запасы нефти и природного газа. Суровая природа затрудняет поиск там полезных ископаемых. Но уже разведаны месторождения нефти и природного газа на шельфе Карского и Баренцева морей, у берегов Аляски и Канады. На дне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского обнаружены отложения, богатые различными рудами [1]. Отсюда желание приарктических стран расширить зоны своих континентальных шельфов. Об этом уже заявили США, Канада, Норвегия и Дания. С ними России предстоит вести борьбу, отстаивая в ООН свое право на богатства в условном треугольнике Архангельск - Северный полюс - Чукотка.

По сложившейся практике страна может получить право контроля над морским дном за пределами 200-мильной экономической зоны, если сможет предоставить доказательство того, что это дно является продолжением её континентального шельфа [1]. Стратегическая цель России - восстановить, укрепить и защитить статус России в Арктике [2]!

Чтобы убедительно заявить, что в зону своих стратегических интересов Россия никого не пустит, необходим соответствующий комплекс научно-технологического обеспечения независимой, лидирующей деятельности России на шельфе Арктики и морей Дальнего Востока. Новые российские арктические экспедиции - лишь начало работ в этом направлении. Будущее Арктики не предопределено. Совершенно очевидно лишь одно: те страны, которые могут создать наиболее передовой научно-технологический комплекс обеспечения исследований, освоения, охраны и защиты шельфа Арктики, и будут её реальными хозяевами в XXI веке. Российские и советские традиции освоения «Севера» и Дальнего Востока должны быть продолжены [2].

Одной из перспективных технологий разведки углеводородных месторождений на шельфе, является технология «Тотальной донной сейсморазведки», разработанная Санкт-Петербуржской компанией «Сейсмо-Шельф» [3]. Технология основывается на использовании автономных самовсплывающих донных станций (АДС), расставляемых, приблизительно через 50 м вдоль профиля длиной около 10 км.

Технология «Тотальной донной сейсморазведки» может являться одним из важных методов, обеспечивающих сбор объективных доказательств в пользу того, что дно участка Северного Ледовитого Океана, на которое претендует РФ является продолжением её арктического шельфа. Сложность сбора доказательств заключается в том, что он должен осуществляться на акваториях преимущественно покрытых льдом. Поэтому, при реализации этого проекта следует опираться на безоператорные технологии, которые предполагают применение сетевых принципов организации, которые основаны на передаче под водой больших объёмов цифровой информации и решении вопросов дистанционного управления и навигации. Исследование этих вопросов осуществляется на примере технологии «Тотальной донной сейсморазведки» при проведении исследований подо льдом.

1. Применение сетевых принципов при проведении географических исследований на шельфе. Технология тотальной донной разведки

Для сейсмо- и гидропоиска углеводородов на шельфе Северного-Ледовитого океана компанией «Сейсмо-Шельф» была разработана технология тотальной донной сейсморазведки, на основе малогабаритных автономных донных станций [4], которая не создаёт помех судоходства и рыболовству, может осуществляться вблизи искуственных сооружений. Данная технология позволяет повысить точность исследований, снизить их себестоимость.

На 71-й конференции EAGE в Амстердаме, в приветственной речи, открывающий конференцию, Рhill Chistie отметил данную технологию, как одну из «прорывных технологий XXI века» [5].

Основу технологии составляют устанавливаемые вдоль профиля на берегу и на шельфе, на расстоянии приблизительно 50 м друг от друга автономные сейсмостанции, регистрирующие сейсмические колебания. При этом на суше станции устанавливаются как отдельные регистрирующие модули, на мелководье (до 20 м) - в виде гирлянды с подвсплываюшим буем, на глубокой воде (до 1000 метров) как отдельные самовсплывающие модули (рисунок 1.1). Обычно на профиле устанавливается до 220 донных и до 20 сухопутных станций.

После того, как донные станции установлены, центру управления необходимо знать их местоположение и их готовность к работе. Для получения геофизической информации о нахождении углеводородных соединений в морском дне, в нём создаётся возбуждение, и сейсмостанции регистрируют реакцию морского дна на возбуждение. Собрав воедино данные со всех станций, можно получить картину залегания углеводородного сырья в морском дне.

Возбуждение на каждом из сегментов перехода «суша-море» обеспечивается стандартными источниками: вибросейсами, специализированными мелководными пневмопушками, групповым пневмоисточником [4].

Расположение на дне сейсмостанции позволяет избежать шумов, связанных с волнением моря и регистрировать 4 компонента сейсмического поля (три геофона и гидрофон).

Автономная донная станция (АДС), внешний вид которой изображён на рисунке 1.2, представляет собой герметичную сферу, внутри которой находится аппаратура регистрации сейсмических колебаний, модуль аппаратуры гидроакустической связи и управления, флэш-память для хранения данных, полученных в ходе регистрации сейсмических колебаний, аккумулятор для питания аппаратуры регистрации и аппаратуры гидроакустического канала связи. Снаружи корпуса АДС находится приёмо-передающая гидроакустическая антенна, гидрофон для регистрации сейсмических колебаний в воде.

Автономная донная станция имеет положительную плавучесть, поэтому для спуска на дно используется бетонный якорь, который крепится с помощью специального пускового механизма. При необходимости завершить исследования и собрать АДС, по гидроакустическому каналу связи им передаётся команда на сброс балласта. При получении АДС такой команды активизируется пусковой механизм, бетонный якорь отделяется и станция всплывает.

Для того чтобы провести исследования должным образом, необходимо, чтобы техническое состояние АДС находилось в пределах допустимых норм (достаточный запас свободной памяти, достаточный запас по питанию), а так же чтобы расположенная на дне станция была ориентирована приёмо-передающей антенной вертикально вверх. В противном случае, необходимо поднимать донную станцию, и после исправления замеченных дефектов заново её устанавливать.

Донные станции оснащены аппаратурой гидроакустического канала связи «Марина-2». Приведём в кратце её технические характеристики:

1.) Аппаратура гидроакустического канала связи (ГАКС) предназначена для обеспечения морских геофизических исследований с помощью автономных донных станций, объединенных в измерительную сеть.

.) По характеру обмена сигналами аппаратура гидроакустического канала связи представляет собой аппаратно-программный комплекс, который по функциональным признакам можно разделить на следующие составные части:

донные модули ГАКС (ДМ-ГАКС) по числу АДС в сети;

- судовую приёмно-обрабатывающая аппаратура (СПОА), включающую в себя:

а) судовую управляющую ЭВМ

б) специальное программное обеспечение «GALS-М2» для судовой управляющей ЭВМ,

в) бортовой модуль ГАКС (БМ-ГАКС);

эксплуатационная документация (ЭД) [4].

.) Судовая приёмно-обрабатывающая аппаратура предназначена для:

передачи на донные модули аппаратуры ГАКС команд управления;

приёма от донных модулей аппаратуры ГАКС квитанций о приёме и исполнении на АДС команд управления;

приема информации о состоянии АДС на дне;

определения наклонного расстояния до АДС;

текущий контроль качества функционирования аппаратуры ГАКС;

отображения на мониторе и регистрации на машинном носителе протокола обмена сигналами с донными станциями.

.) Донные модули ГАКС устанавливаются в корпусе АДС, через них осуществляется управление устройствами донной станции.

Донные модули ГАКС обеспечивают:

приём от СПОА команд управления;

передачу на СПОА квитанций о приёме и исполнении на АДС команд управления;

передачу на СПОА по запросу информации о состоянии устройств АДС;

переход по команде в режим гидроакустического маяка

В связи с претензиями РФ на арктический шельф, необходимо осуществлять сбор доказательств в пользу, что дно арктического шельфа, является продолжением континентальной зоны РФ.

Если удастся собрать все необходимые доказательства, то Россия сможет осуществлять добычу нефти и газа на шельфе Северного-ледовитого Океана. Одновременно собранные доказательства позволят объективно оценить потенциальные запасы полезных ископаемых.

Наличие ледяного покрова осложняет процедуру сбора сейсмических данных. Описанный выше вариант постановки донных станций оказывается неприемлемым. Поэтому следует ориентироваться на ледокол, либо на постановку станций посредством бурения лунок во льду.

Схема работ в сложных ледовых условиях выглядит следующим образом: Ледокол прокладывает полосу свободной воды, по которой идет научно-исследовательское судно (НИС) с сейсмическим оборудованием. (Рисунок 1.3) [4].

Как правило, НИС буксирует короткую плавающую сейсмическую косу длиной порядка 300 метров и производит возбуждение сейсмических сигналов. Так как короткая коса не позволяет произвести оценки скоростей в среде и получить глубинный разрез, с некоторым шагом, зависящим от геологического строения исследуемого региона, выставляются Плавающие сейсмические модули (ПСМ), которые в режиме реального времени непрерывно передают всю сейсмическую информацию на борт судна.

Схема работ в сложных ледовых условиях [4]

МОВ - метод отражённых волн, МПВ - метод преломлённых волн,

ПСВ - плавающий сейсмический модуль (В данном случае ПСМ рассматриваются как не лучшая альтернатива АДС).

По данным ФГУП «Росатомфлот» [6] - аренда атомного ледокола обойдётся нанимателю в 65 000 - 70 000 долларов в сутки. Аренда НИС обойдётся примерно в такую же сумму.

Такой способ весьма затратный, а качество сейсмических данных, собранных с помощью плавающих сейсмических модулей, существенно хуже, чем данных собранных с помощью автономных донных станций ПСМ регистрируют, колебания в отражённых волнах, а АДС регистрируют колебания в самом дне [7]. Эта технология является более ранней по отношению к технологии с использованием автономных донных станций.

Поэтому в качестве альтернативы такому способу проведения сейсморазведки хотелось бы оценить возможность реализации технологии тотальной донной сейсморазведки на акваториях, покрытых льдом. Решить вопрос можно предложить расставлять донные станции со льда, предварительно во льду отверстия с помощью бурильной установки [8], [9]. Хотя данный вариант является тоже весьма затратным (около 3 млн. р. в сутки [8] за аренду буровой установки), и трудоёмким (доставка буровой установки в район проведения испытаний). Однако такой вариант проведения сейсморазведки не всегда возможен по причине движения и торосистости льда [10].

2. Пути реализации технологии тотальной донной сейсморазведки подо льдом

.1 Особенности реализации технологии «Тотальной донной сейсморазведки» подо льдом

Традиционная технология тотальной донной сейсморазведки. Данная технология включает в себя последовательность технологических операций:

1)    Постановка АДС вдоль профиля;

2)      Проверка работоспособности АДС после их постановки

)        Определение местоположения АДС на дне;

)        Проведение геофизических измерений;

)        Подъём донных станций на поверхность;

)        Считывание данных геофизических измерений из ПЗУ АДС.

При этом часть этих операций может выполняться одновременно. Например, операция определения местоположения АДС на дне обычно проводится одновременно с операцией проверки работоспособности АДС после их постановки на дно.

Возможность одновременного выполнения указанных технологических операций базируется на комплексном использовании сигналов телеуправления и телеметрии в качестве навигационных сигналов. Наличие льда на акватории создаёт дополнительную специфику в реализации у казанных технологических операций. Рассмотрим более детально особенности реализации каждой из упомянутых технологических операций.

Постановка автономных донных станций на акватории, покрытой льдом, может осуществляться несколькими способами.

Первый способ - использование ледокола для прокладывания полосы свободной воды и установки с него донных станций.

Второй способ - ставить автономные донные станции через полыньи, в таком случае требуется доставка донных станций на лёд с помощью какого-либо транспортного средства, так же возможно бурение лунок во льду.

Третий способ - постановка донных станций с использованием подводного носителя, например, подводной лодки класса «подводный минный заградитель» [11]. Используя её механизм для постановки мин в качестве механизма для постановки донных станций. Лодка должна пройти вдоль профиля, расставляя автономные донные станции.

Технология постановки АДС выходит за рамки данных исследований и в настоящей работе не рассматривается.

Проверка работоспособности станций и определение их местоположения.

Для проверки работоспособности АДС, установленных на дно с поверхности (с судна, со льда) с помощью аппаратуры гидроакустического канала связи (ГАКС) передаются последовательности команд управления, по которым процессором донной АДС проверяется работоспособность их устройств и передаётся в обратном направлении соответствующее сообщение. Если станция исправна, то она отвечает на запрос.

Определение местоположения станции на дне может совмещаться с проверкой работоспособности, и основывается на определении наклонного расстояния от АДС до, минимум, трёх опорных точек на поверхности, в которых находится соответствующее оборудование ГАКС.

Проведение геофизических измерений, с точки зрения информационного обмена предполагает осуществление дистанционного управления работой АДС, которое позволяет изменять режимы работы донных станций: включать и выключать регистрацию геофизической информации, проверять состояние памяти, источников питания, осуществлять управление передавать зарегистрированную информацию на поверхность и так далее.

Доставка собранной информации на поверхность. Информация, полученная в ходе проведения измерений геофизической информации, записывается в ПЗУ автономных донных станций, и по требованию должна доставляться на поверхность. Принципиально существуют несколько вариантов доставки данных измерений на поверхность.

Традиционно в технологии «Тотальной донной сейсморазведки» данные измерений извлекаются из АДС после их подъёма на судно. На акваториях, покрытых льдом, массовое применение такого варианта съёма данных измерений вызывает сомнения в реализуемости. Такой вариант называется прямой передачей данных, полученных в ходе измерений, по гидроакустическому каналу связи.

Возможен вариант передачи информации на поверхность через кабельную линию связи.

Ещё один предполагаемый вариант - съём информации с АДС, находящихся на дне, с помощью специального необитаемого автономного аппарата (АНПА). При этом должна быть решена задача приведения подводного аппарата к АДС.