RU2608301C2 - Система и способ 3d исследования морского дна для инженерных изысканий - Google Patents

Abstract

Использование: область трехмерных высокоразрешающих сейсмических исследований морского дна для проведения инженерных изысканий. Сущность: система 3D исследования морского дна для инженерных изысканий содержит по меньшей мере один сейсмоизлучатель и по меньшей мере одну сейсмокосу, датчик скорости звука, многолучевой эхолот, гидролокатор бокового обзора, высокочастотный и низкочастотный параметрические профилографы, многолучевой эхолот, выходы которых соединены общей шиной с блоком сбора данных, подключенным к блоку контроля и анализа данных, один из выходов которого соединен общей шиной с входами сейсмоизлучателя и сейсмокосы, датчика скорости звука, многолучевого эхолота, гидролокатора бокового обзора, высокочастотного и низкочастотного параметрических профилографов, а другой выход устройства контроля и анализа данных соединен с блоком первичной обработки данных, подключенным к блоку визуализации данных, соединенному с блоком построения полученных данных в 3D формате. Способ 3D исследования морского дна для инженерных изысканий включает сбор информации о рельефе морского дна и верхних слоев донных осадков, сбор данных о структуре глубинных слоев донных осадков, сбор данных о скоростях распространения сейсмоакустических сигналов с использованием датчиков скорости звука в воде и многоканального сейсмоакустического профилирования, последующую первичную обработку этих данных и анализ данных сейсмоакустических сигналов в реальном и квазиреальном времени, совмещение полученных данных по времени и координатам, после чего осуществляют вторичную обработку данных с помощью вычислительных средств, снабженных средствами трехмерной визуализации и моделирования, а по результатам обработанных данных осуществляют построение высокоточной трехмерной модели рельефа морского дна, верхних и глубинных слоев донных осадков, на основании анализа которой определяют сейсмические и геотехнические свойства донных осадков с выделением аномальных участков. Технический результат: повышение достоверности результатов исследования морского дна за счет повышения глубинности и разрешающей способности при комплексных инженерных изысканиях. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Заявляемая группа изобретений относится к области трехмерных высокоразрешающих сейсмических исследований морского дна с целью проведения инженерных изысканий для инженерно-геологического обеспечения строительства подводных сооружений.

Морская сейсмическая разведка представляет собой способ, предназначенный для исследования морского дна и определения структуры подземных пластов, лежащих под толщей воды. При морской сейсмической разведке обычно используют источники сейсмической энергии и сейсмические приемники, расположенные в воде, которые обычно буксируют позади судна или располагают на морском дне с судна. Обычно источник сейсмической энергии представляет собой взрывное устройство или систему со сжатым воздухом, образующую сейсмическую энергию, которая затем распространяется в виде сейсмических волн через толщу воды и в подземные пласты ниже морского дна. Когда сейсмические волны достигают границ раздела между подземными пластами, часть сейсмических волн отражается обратно через грунт и воду к сейсмическим приемникам, чтобы быть обнаруженной, переданной и зарегистрированной.

Однако при сейсмических поисках и разведке шельфовых месторождений, а также при инженерных изысканиях под строительство подводных сооружений, в первую очередь, в арктических морях, основной проблемой является обнаружение, классификация и определение физических свойств неоднородностей и аномальных объектов в донных осадках (палеомерзлота, морены, газонасыщенные осадки, газогидраты, покмарки и газофлюидные «трубы», погребенные каньоны и т.д.). Решение этой проблемы возможно за счет применения новых трехмерных и высокопроизводительных технологий исследований, в т.ч. основанных на новых физических принципах и суперкомпьютерной приборной базе.

Обычные 2D сейсмические данные получают вдоль линий, образованных решетками сейсмоприемников на участке побережья до прибойной зоны или решетками гидрофонных сейсмоприемных кос (стримеров), которые пересекают прибрежную водную зону. Сейсмоприемники и гидрофоны работают в качестве датчиков и принимают энергию, которая передана вглубь земли и отражена назад к поверхности земли от поверхностей раздела скальной породы нижнего горизонта. Энергия обычно создается на поверхности земли при помощи вибросейсмических аппаратов, которые передают с поверхности импульсы встряхивания грунта с заранее определенными интервалами и частотами. При работе с водной поверхности для этой цели обычно используют пневматические пушки.

При использовании 3D сейсмических данных принцип остается таким же, однако линии и решетки размещают более часто, что позволяет получать более детальное перекрытие нижнего горизонта. При таком перекрытии с очень высокой плотностью требуется записывать, хранить и обрабатывать чрезвычайно большие объемы цифровых данных перед тем, как может быть произведена их окончательная интерпретация. Обработка данных требует применения огромных компьютерных ресурсов и сложного программного обеспечения, чтобы усилить сигнал, отраженный от нижнего горизонта, и выделить его из сопровождающих шумов, которые маскируют сигнал.

Трехмерные (3D) сейсмические данные интенсивно используются повсюду в мире для получения более детального структурного и стратиграфического изображения резервуаров нижнего горизонта. Применение трехмерных (3D) сейсмических данных расширилось в течение последних нескольких лет, что позволяет уменьшать эксплуатационные расходы в результате более точного исследования структуры морского дна и грунтов.

Известна «Система для морской сейсмической разведки» (RU 2393507, 27.06.2010), с помощью которой реализуется способ морской сейсмической разведки, включающий размещение группами вдоль линии заданного профиля или по заданной площади на морском дне самовсплывающих автономных донных сейсмических станций гидрофонного и геофонного типов, содержащих устройства регистрации сигналов и средства сцепления станции с дном. Указанный способ предусматривает прием и регистрацию продольных и поперечных волн группами сейсмоприемников по методике многократных перекрытий или одинаковых зондирований, а также использование скоростных параметров разреза. В данном способе используют два судна, чем обеспечивается пространственная сейсмическая разведка.

Однако указанный способ требует достаточно сложного оборудования.

Известен способ морской сейсмической разведки (RU №20725352, 27.01.1997), включающий возбуждение колебаний источником и регистрацию отраженных волн многоканальным приемным устройством, установленным с углом наклона, перемещение по профилю источника и многоканального приемного устройства с помощью судна прямым и обратным курсом с последовательным изменением расстояния между источником и приемным устройством при смене курса, обработку информации, в котором перемещение источника осуществляется с помощью дополнительного судна с фиксированным расстоянием от основного и с той же скоростью движения, а угол наклона многоканального приемного устройства определяют для каждого курса судна относительно вертикали. В данном способе используют два судна, чем обеспечивается пространственная сейсмическая разведка. Однако реализация данного способа сопряжена с необходимостью определения местоположения и ориентации приемного устройства с использованием дополнительных технических средств с последующей их привязкой к единой системе координат, что при нарушении стационарных условий эксплуатации, особенно при воздействии внешних факторов, является проблематичной задачей и в конечном итоге негативно отражается на надежности и достоверности при обработке исходной информации.

Известен «Способ профилирования донных отложений» (RU 2518023, 10.06.2014), включающий установку приемоизлучающей антенны профилографа на буксируемый носитель, при этом излучающая и приемная антенны профилографа устанавливаются на носителе раздельно друг от друга, а в качестве приемной антенны используется ориентированная вдоль продольной оси носителя K-элементная приемная антенна. Буксируют носитель над дном, производят излучение импульсного акустического фазоманипулированного сигнала, модулируемого M-последовательностью, прием отраженного сигнала, его корреляционную обработку с копией излученного акустического фазоманипулированного сигнала, при этом усиление и корреляционную обработку принятых сигналов производят К-канальным приемным трактом. После усиления и корреляционной обработки сигналов, принятых каждым элементом К-элементной приемной антенны, формируют Q значений комплексной амплитуды принятого сигнала

, из Q элементов - строк формируют матрицу, для каждого момента времени излучения t_pn и времени прихода t_q вычисляют временные задержки. Повторяют операции временного сдвига и синфазного суммирования для всего массива данных для каждого элемента приемной антенны, для каждого момента времени прихода принятых сигналов t_q и времени излучения t_P, синфазно суммируют К сигналов, принятых К-элементной приемной антенной. Затем выполняют графическое построение профиля донных отложений по времени задержки отраженного сигнала. Технический результат: увеличение разрешающей способности способа профилирования в продольном направлении при сохранении достаточно большой глубины профилирования и высокой разрешающей способности.

Наиболее близким к заявляемому способу является «Способ разведки геологической структуры морского дна» (RU 2502091, 10.09.2013) с помощью линейно-протяженной сейсмоакустической антенны и буксируемого импульсного источника звука, в котором линейно-протяженная сейсмоакустическая антенна установлена на донном грунте; импульсный источник звука перемещается перпендикулярно линии расположения донной линейно-протяженной сейсмоакустической антенны; излучаемые буксируемым импульсным источником звука сигналы фиксируются с помощью специального приемного гидрофона, установленного на донной линейно-протяженной сейсмоакустической антенне; при каждом излучении импульсного сигнала фиксируются координаты точки излучения и время излучения; линейно-протяженная сейсмоакустическая антенна принимает зондирующие геологическую структуру дна сигналы и формирует диаграммы направленности в плоскости «линия расположения антенны - глубина», для каждой сформированной диаграммы направленности сейсмоакустической антенны производится свертка принятого сигнала с излученным по параметру «время задержки», результаты свертки суммируются по излучаемым импульсам с учетом изменения времени задержки отраженного сигнала относительно линии буксировки; просматриваются все угловые направления в плоскости «линия буксировки импульсного источника звука - глубина»; формируется изображение в формате 3D в сферической системе координат относительно центра сейсмоакустической антенны для углов, азимута и времени задержки сигнала.

Известен гидроакустический локационный комплекс (патент RU №2426149, 10.08.2011), включающий гидролокационное устройство и буксируемый подводный аппарат, в котором гидролокационный комплекс состоит из бортовой системы управления, размещенной на борту судна, формирователя сигналов накачки, размещенного внутри буксируемого подводного аппарата, параметрического излучающего тракта, размещенного на буксируемом подводном аппарате, приемного тракта, размещенного на буксируемом подводном аппарате, дежурной управляющей системы, размещенной на буксируемом подводном аппарате, управляемого блока питания, размещенного на буксируемом подводном аппарате, видеоконтрольного устройства, размещенного на борту судна, а буксируемый подводный аппарат выполнен в виде полого цилиндрического тела со съемной головкой и хвостовыми частями и оснащен носовой и кормовой телекамерами, гидролокатором бокового обзора с дальностью действия 100 м, и соединен с судном кабель-тросом; ввод сигнальных жил кабель-троса выполнен в головной части подводного аппарата, кабельные вводы для приемных и излучающих антенн выполнены рядом с антеннами, на боковых частях буксируемого подводного аппарата выполнены установочные площадки для четырех преобразователей накачки, на специальных бандажах крепятся четыре приемные антенны, антенна излучающего тракта наклонена под углом 20°; буксируемый подводный аппарат для уменьшения рыскания и дифферента снабжен хвостовым стабилизатором, выполненным в виде широкополосного обода, соединенного с хвостовой частью цилиндрического корпуса пластинчатыми спицами, стабилизация по крену (вращательное движение вокруг продольной оси) достигается за счет смещения центра тяжести буксируемого подводного аппарата, необходимое заглубление буксируемого подводного аппарата при минимальной вытравке кабель-троса осуществляется путем использования заглубительной решетки для отведения всей буксируемой системы в сторону от судна-носителя, отличающийся тем, что заглубительная решетка дополнительно снабжена контейнерами для размещения привязного телеуправляемого подводного аппарата и автономного подводного аппарата, измерителем положения кабель-троса; автономный подводный аппарат и привязной телеуправляемый подводный аппарат снабжены системой управления движением аппарата вдоль исследуемого подводного объекта, системой обсервации по реперным точкам, аппаратурой для определения местоположения исследуемого подводного объекта в пространстве, аппаратурой измерения толщины слоя грунта над исследуемым подводным объектом, аппаратурой измерения физических и химических параметров среды, аппаратурой измерения параметров электрохимической защиты исследуемого подводного объекта, выполненного в виде трубопровода, телевизионной и осветительной аппаратурой, системой накопления измерительной информации; привязной телеуправляемый подводный аппарат снабжен гидрофизическим зондом-профилографом, боковые стенки контейнеров выполнены в виде ласточкина хвоста. Наиболее близким к заявляемому способу 3D исследования морского дна для морских изысканий является способ для сейсмических исследований (US №7221620, 22.05.2007).

Данный способ реализуется с помощью аппаратуры для трехмерных одноканальных сейсмических измерений, содержащей по меньшей мере один сейсмический источник, при этом используются гидрофонные устройства, установленные позади судна и пара полупогруженных отражателей, которые при движении судна перемещаются в направлении, противоположном направлению движения судна. Между дефлекторами закреплен провод, ограничивающий расстояние между дефлекторами. На проводе также закреплены гидрофонные устройства, соединенные между собой гидрофонным сигнальным кабелем. Дополнительный сигнальный кабель соединяет этот кабель с оборудованием для обработки сигнала на судне. Сейсмический источник может быть соединен с сигнальным оборудованием на судне и расположен в области между судном и проводом или по меньшей мере, один из отражателей может быть снабжен сейсмическим источником.

Однако в указанном способе присутствует одноканальное сейсмопрофилирование, т.е. в нем отсутствуют данные многоканальной сейсмоакустики для определения скоростей звука в осадках, что снижает достоверность полученной информации в 3D формате и не позволяет построить трехмерное изображение среды под дном. Кроме того, данный способ не позволяет строить карты рельефа дна с мозаикой бокового обзора и учитывать воздействие различных внешних факторов, например, таких как придонные течения, аномалии магнитного поля.

Наиболее близким к заявляемой системе 3D исследования морского дна является «Устройство для восстановления рельефа морского дна при измерениях глубин посредством гидроакустических средств» (RU №2429507, 20.09.2011), представляющее собой гидролокатор для определения глубин акватории, содержащее функционально соединенные первую и вторую антенны, одна из которых излучающая, а вторая приемная, формирующие приемоизлучающие каналы, вычислитель, блок управления, в котором блок управления соединен с приемоизлучающими каналами, вычислителем, в которое дополнительно введены формирователь сигналов накачки, графопостроитель, параметрический излучающий тракт, который своим выходом соединен с излучающей антенной, а входом соединен с выходом формирователя накачки, который своим выходом соединен с выходом блока управления, графопостроитель своими входами соединен с выходами вычислителя и блока управления, гидролокатор бокового обзора, многоканальный генератор зондирующих импульсов, многоканальный приемник эхосигналов, блок функционального управления, многолучевой эхолот, высокочастотный профилограф, низкочастотный параметрический профилограф, блок пенетрометров, блок мареографов, блок визуализации, при этом низкочастотный параметрический профилограф своими входами соединен с выходом формирователя сигналов накачки и выходом многоканального генератора зондирующих импульсов, который другими выходами соединен с входами гидролокатора бокового обзора, высокочастотного профилографа и многолучевого эхолота соответственно, многоканальный приемник эхосигналов своими выходами соединен с входами блока функционального управления, который своим выходом соединен с входом вычислителя и входом-выходом с входом-выходом блока управления, блок мареографов и блок пенетрометров по гидроакустическому каналу связи соединены с блоком функционального управления, блок визуализации своими входами соединен с выходами блока функционального управления, блока управления, вычислителя и графопостроителя соответственно.

Однако указанное устройство не позволяет получить сейсмоакустическую информацию в формате 3D, поскольку в нем не определяются скорости распространения звука в среде и соответственно не вычисляются реальные дистанции до отражающих элементов в среде, что не позволяет строить трехмерное изображение среды в масштабе глубин.

Основной задачей заявляемых способа и системы для его реализации является создание способа и системы 3D исследования морского дна с большой глубиной проникновения в морские донные осадки (до 500 м) и высокой разрешающей способностью (5-50 см).

Технический результат заявляемых способа и системы для его реализации - повышение достоверности результатов исследования морского дна за счет повышения глубинности и разрешающей способности при комплексных инженерных изысканиях с набортной предварительной обработкой и визуализацией комплексных данных в реальном и квазиреальном времени.

Поставленная задача решается тем, что система 3D исследования морского дна для инженерных изысканий содержит по меньшей мере один сейсмоизлучатель и по меньшей мере одну сейсмокосу, датчик скорости звука, многолучевой эхолот, гидролокатор бокового обзора, высокочастотный и низкочастотный параметрический профилографы, выходы которых соединены общей шиной с блоком сбора данных, подключенным к блоку контроля и анализа данных, один из выходов которого соединен общей шиной с входами сейсмоизлучателя и сейсмокосы, датчика скорости звука, многолучевого эхолота, гидролокатора бокового обзора, высокочастотного и низкочастотного параметрических профилографов, а другой выход блока контроля и анализа данных соединен с блоком первичной обработки данных, подключенным к блоку визуализации данных, соединенному с блоком построения полученных данных в 3D формате.

Система 3D исследования морского дна может быть установлена на базе специализированной плавучей лаборатории.

Специализированная плавучая лаборатория может быть выполнена в виде гидрографического катамарана.

Система 3D исследования морского дна может дополнительно содержать навигационный приемник спутниковых навигационных данных класса GPS/ГЛОНАСС.

Система 3D исследования морского дна может быть дополнительно снабжена акустическим доплеровским профилографом течений.

Систему 3D исследования морского дна рационально снабдить системой автоматического управления движением судна.

Система 3D исследования морского дна рационально снабдить гирокомпасом и датчиками крен-дифферента-вертикальных перемещений.

В системе 3D исследования морского дна низкочастотный и высокочастотный параметрические профилографы могут содержать дополнительный блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали, и блок контроля угла наклона, использующий данные гирокомпаса и датчиков перемещений.

Поставленная задача осуществляется также тем, что способ 3D исследования морского дна для инженерных изысканий включает сбор информации о рельефе морского дна и верхних слоев донных осадков, сбор данных о структуре глубинных слоев донных осадков, сбор данных о скоростях распространения сейсмоакустических сигналов с использованием датчиков скорости звука в воде и многоканального сейсмоакустического профилирования, с последующей первичной обработкой этих данных на соответствующих программных комплексах и анализом данных сейсмоакустических сигналов в реальном и квазиреальном времени, совмещением полученных данных по времени и координатам, после чего осуществляют вторичную обработку данных с помощью вычислительных средств, снабженных средствами трехмерной визуализации и моделирования, а по результатам обработанных данных осуществляют построение высокоточной трехмерной модели рельефа морского дна, верхних и глубинных слоев донных осадков, на основании анализа которой определяют сейсмические и геотехнические свойства донных осадков с выделением аномальных участков.

В качестве аномальных участков могут быть приняты, например, газонасыщенные слои, палеомерзлота, газогидраты, газофлюидные трубы, покмарки, неотектонические разломы и иные, препятствующие строительству морских сооружений (платформы, трубопроводы, причалы, подводные кабели и др.), а также разведочному и эксплуатационному бурению нефтегазовых скважин.

Оптимально первичный сбор информации о рельефе морского дна и верхних слоев донных осадков осуществлять с использованием высокочастотного параметрического профилографа и гидролокатора бокового обзора.

Сбор данных о структуре глубинных слоев донных осадков рационально осуществлять с использованием низкочастотного параметрического профилографа.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленных способа и системы, отсутствуют. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники для выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаков каждого заявленного изобретения из группы, показал, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из уровня техники не выявлена известность влияния существенных признаков каждого из заявленных изобретений на достижение указанного технического результата. Следовательно, каждое из заявляемых изобретений группы соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

В данной заявке на выдачу патента соблюдены условия соответствия «единства изобретения», поскольку система и способ предназначены для 3D исследования морского дна для инженерных изысканий.

Заявляемые изобретения решают одну и ту же задачу - исследование с большой глубиной проникновения в морские донные осадки (до 500 м) и высокой разрешающей способностью за счет достижения одного и того же технического результата при осуществлении изобретений - повышение достоверности исследования морского дна для инженерных изысканий.

Заявленный технический результат достигается вышеуказанной совокупностью признаков способа и системы для его реализации за счет повышения глубины исследования морских донных осадков с высокой разрешающей способностью, а также обеспечения бокового обзора на поверхности дна и под поверхностью дна по донным структурам, построения трехмерной картины расположения донных структур и контроля качества мониторинга в режиме реального времени.

На фиг. 1 представлена блок-схема системы 3D исследования морского дна для инженерных изысканий.

На фиг. 2 схематически представлен один из вариантов расположения приборов и блоков системы 3D исследования морского дна на борту судна.

Система 3D исследования морского дна, реализующая заявленный способ, содержит по меньшей мере один сейсмоизлучатель 1 и по меньшей мере одну сейсмокосу 2, датчик скорости звука 3, многолучевой эхолот 4, высокочастотный параметрический профилограф 5, выполненный узколучевым, гидролокатор бокового обзора 6, низкочастотный параметрический профилограф 7. Заявляемая система может дополнительно содержать навигационный приемник 8 спутниковых навигационных данных систем ГЛОНАСС-DGPS, датчики перемещений 9, магнитометр-градиентометр 10 и профилограф течений 11. Выходы всех вышеуказанных устройств соединены общей шиной с блоком 12 сбора данных, подключенным к блоку 13 контроля и анализа данных, обеспечивающего текущее построение временных разрезов 2D, один из выходов которого соединен общей шиной с входами сейсмоизлучателя 1 и сейсмокосы 2, датчика скорости звука 3, многолучевого эхолота 4, высокочастотного 5 и низкочастотного 7 параметрических профилографов, гидролокатора бокового обзора 6, навигационного приемника 8 спутниковых навигационных данных систем ГЛОНАСС-DGPS, датчиков перемещений 9, магнитометра-градиентометра 10 и профилографа течений 11, а другой выход блока 13 контроля и анализа данных соединен с блоком 14 первичной обработки данных, подключенным к блоку визуализации данных 15, соединенному с блоком 16 построения полученных данных в 3D формате.

Система 3D иссследования морского дна может быть установлена на базе специализированной плавучей лаборатории, которая в одном из вариантов реализации выполнена в виде гидрографического катамарана (Фиг. 2).

Профилограф течений 11 выполнен акустическим доплеровским и может быть объединен с датчиком скорости звука 3.

Систему 3D исследования морского дна рационально снабдить блоком автоматического управления движением судна (на чертежах не показан), который может входить в блок 13 контроля и анализа данных.

Датчики перемещений 9 могут быть выполнены в виде гирокомпаса и датчиков крен-дифферента-вертикальных перемещений, данные которых используются всеми бортовыми системами.

В системе 3D исследования морского дна низкочастотный и высокочастотный параметрические профилографы 7, 5 могут содержать дополнительный блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали и блок контроля угла наклона (на чертежах не показаны), использующий данные датчиков перемещений 9.

Способ 3D исследования морского дна реализуется следующим образом.

На гидрографическом катамаране (фиг. 2) установлены следующие приборы и оборудование, обеспечивающие проведение комплексных инженерных изысканий: буксируемые сейсмический излучатель 1, многоканальные сейсмокосы 2, датчик скорости звука в воде 3, многолучевой эхолот 4, высокочастотный узколучевой параметрический профилограф 5, гидролокатор бокового обзора 6, низкочастотный узколучевой параметрический профилограф 7, навигационный приемник 8, датчики перемещений 9, магнитометр-градиентометр 10 и профилограф течений 11.

Для определения скорости звука в донных осадках используется технология многоканального сейсмоакустического профилирования, включающая, например, буксируемый низкочастотный сейсмоизлучатель 1 и одну многоканальную сейсмокосу 2 в режиме 2D или несколько параллельных сейсмокос в режиме 3D, по данным которой в блоке 14 первичной обработки данных вычисляется предварительный скоростной разрез 2D или 3D, который используется для пересчета временных данных низкочастотного параметрического профилографа 7 и гидролокатора бокового обзора 6 в глубинные разрезы, а также для построения предварительной 2Д модели (разреза) или 3Д модели (сейсмический куб).

С помощью низкочастотного (разностная частота 500-3000 Гц) узколучевого параметрического профилографа 7 мощностью излучателя 100 кВт, обеспечивающего проникновение до 500 м и с линейно-частотно-модулированный импульсным сигналом (вертикальное разрешение 5-50 см), узким лучом 3-4 градуса (увеличение горизонтального разрешения по сравнению с ненаправленными профилографами, увеличение глубинности исследования за счет раширения частотного диапазона до 500 Гц) обеспечивается изучение вертикального (2D) разреза донных осадков (во временной области). Низкочастотный параметрический профилограф 7 может быть выполнен также в виде устройства, совмещающего профилограф с гидролокатором бокового обзора, которые обеспечивают одновременное изучение 3D рельефа дна (в полосе +/-60 градусов) и 3D разреза донных осадков в полосе докритических углов (+/-30 градусов) с той же глубинностью, что и профилограф 7. Все измерения осуществляются также во временной области.

Многолучевой эхолот 4, гидролокатор бокового обзора 6 и параметрические профилографы 5 и 7 регистрируют прием отраженных или рассеянных сигналов (временной интервал между излучением и отражением). Для перевода из временных координат в координаты глубин определяются средние скорости звука до отражающих границ или поверхностей. Для определения скорости звука в воде используется акустический датчик скорости звука 3, устанавливаемый или автономно, или на антенне многолучевого эхолота 4, или на антенне гидролокатора бокового обзора 6, а также может использоваться дополнительный зонд скорости звука. Датчик скорости звука 3 обеспечивает непрерывное определение значения скорости звука в воде, достаточного для расчета глубин на мелководье. Если же глубины будут десятки-сотни метров, то тогда не менее двух раз в день осуществляется вертикальное зондирование скорости звука до дна. Результаты зондирования передаются в блок 14 первичной обработки данных для более точного расчета глубин дна. Блок 14 может быть выполнен в виде высокопроизводительного компьютера и специализированного программного обеспечения для каждой технологии измерений.

Данные значений скорости звука на выходе акустического датчика скорости звука 3 и информационные данные многолучевого эхолота 4, параметрических профилографов 5 и 7, гидролокатора бокового обзора 6, навигационного приемника 8, датчиков перемещений 9, магнитометра-градиентометра 10 и профилографа течений 11 через общую шину поступают на блок 12 сбора данных, подключенного к блоку 13 контроля и анализа данных, один из выходов которого соединен общей шиной с входами сейсмоизлучателя 1 и сейсмокосы 2, многолучевого эхолота 4, параметрических профилографов 5 и 7, гидролокатора бокового обзора 6, навигационного приемника 8, датчиков перемещений 9, магнитометра-градиентометра 10 и профилографа течений 11. В блоке 13 контроля и анализа данных эти данные используются для предварительного вычисления глубин и дальностей.

В поступившем с блока 12 объеме данных в блоке 13 в координаты пакета данных каждого регистрируемого излучения-приема каждого из вышеуказанных устройств 1-11 вводятся стандартные поправки за реальное отклонение местоположения антенн многолучевого эхолота 4, гидролокатора бокового обзора 6, профилографов 5, 7, сейсмоизлучателя 1 и сейсмокос 2 в пространстве от местоположения антенны навигационного приемника 8 на судне. При этом временная шкала прихода отраженных волн пересчитывается в глубину (скорость звука умножается на время и делится пополам, если скорость звука постоянная на малых глубинах). На больших глубинах моря скорость звука изменяется с глубиной, поэтому по данным зонда скорости звука вычисляется средняя скорость звука до дна.

В сейсмопрофилировании функция скорости звука с глубиной тоже меняется, поэтому применяется прием отраженных волн многоканальной антенной, обеспечивающей получение функции зависимости времени прихода отражений от расстояния (годографы), по которой вычисляется скоростной разрез с помощью сейсмического программного обеспечения (стандартный граф в системе контроля качества). Поскольку все измерительные устройства находятся в разных точках пространства, а затем обрабатываются по отдельным программам по фиксированным (предварительно выбранным) графам для построения временных разрезов и полос рельефа дна с выводом на видеоэкраны в реальном времени, в устройстве 14 первичной обработки данных осуществляется их пространственное совмещение. Данные из блока 13 контроля и анализа данных передаются в устройство 14 первичной обработки данных, в которой после вычисления скоростного разреза 2D или 3D строятся глубинные разрезы 2D и 3D кубы по данным параметрических профилографов 5 и 7, а по данным гидролокатора бокового обзора 6 или многолучевого эхолота 4 с использованием скорости звука в воде строится предварительная карта полосы рельефа дна. Вывод всех данных производится в квазиреальном времени на блок визуализации данных 15 в виде сводного инженерного разреза по профилю и/или отдельных сейсмоакустических разрезов в масштабе глубин. Сводные сейсмоакустические данные дополняются картой придонных течений, картой аномального магнитного поля, картой рельефа дна и мозаикой гидролокатора бокового обзора.

Данные магнитометра-градиентометра 10 и профилографа течений 11 в случае их использования в одном из вариантов реализации системы 3D исследования морского дна для инженерных изысканий используются при интерпретации материалов по рельефу дна для идентификации опасных затопленных объектов.

Полный куб сейсмоакустических данных строится по завершении исследования в блоке построения данных в 3D формате. После того как произведена обработка данных, производится компиляция и интерпретация сейсмической 3D информации в полном объеме, представляющем характеристики нижнего горизонта. При использовании куба данных информация может выводиться на индикацию в самом разном виде. При этом могут быть выполнены карты горизонтальных временных срезов на выбранной глубине, а при использовании компьютерных рабочих станций интерпретатор может делать срезы по полю для исследования на различных горизонтах.

На основании анализа трехмерной модели рельефа морского дна, верхних и глубинных слоев донных осадков определяют сейсмические и геотехнические свойства донных осадков с выделением аномальных участков, например газонасыщенные слои, палеомерзлота, газогидраты, газофлюидные трубы, покмарки, неотектонические разломы и т.п., могущие служить препятствием для строительства морских сооружений (платформы, трубопроводы, причалы, подводные кабели и др.), а также разведочного и эксплуатационного бурения нефтегазовых скважин.

Промышленная реализация способа 3D исследования морского дна для инженерных изысканий и системы для его реализации позволит решить следующие актуальные задачи:

- Обеспечить большую глубину проникновения в морские донные осадки (~500 м) с одновременно высокой разрешающей способностью (от 5 см);

- Обеспечить боковой обзор под поверхностью дна;

- Создать оптимальные методики комплексирования и обработки получаемой информации в режиме реального времени;

- Создать единое решение для обработки полученных данных и управления гидроакустической системой данных в реальном времени;

- Снизить затраты на всех этапах поиска и разведки, мониторинга и проведения инженерных изысканий как за счет комплексирования методов съемки, так и за счет обработки данных съемки в реальном времени с оценкой качества получаемых данных и достигаемого решения геологической задачи.

Заявляемые способ и система 3D исследования морского дна, выполненные с возможностью построения и визуализации геологических и геофизических 3D моделей грунтов, оценки физических свойств грунтов по их акустическим характеристикам, построения прогнозных трехмерных моделей грунтов и их верификации в режиме реального времени с обратной связью и построения трехмерной многослойной геоинформационной системы в привязке к реальным системам координат может найти широкое применение в области морской сейсморазведки.

Claims (12)

1. Система 3D исследования морского дна для инженерных изысканий, содержащая по меньшей мере один сейсмоизлучатель и по меньшей мере одну сейсмокосу, датчик скорости звука, многолучевой эхолот, гидролокатор бокового обзора, высокочастотный и низкочастотный параметрические профилографы, многолучевой эхолот, выходы которых соединены общей шиной с блоком сбора данных, подключенным к блоку контроля и анализа данных, один из выходов которого соединен общей шиной с входами сейсмоизлучателя и сейсмокосы, датчика скорости звука, многолучевого эхолота, гидролокатора бокового обзора, высокочастотного и низкочастотного параметрических профилографов, а другой выход устройства контроля и анализа данных соединен с блоком первичной обработки данных, подключенным к блоку визуализации данных, соединенному с блоком построения полученных данных в 3D формате.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она установлена на базе специализированной плавучей лаборатории.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что специализированная плавучая лаборатория выполнена в виде гидрографического катамарана.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит блок автоматического управления движением судна.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит навигационный приемник спутниковых данных класса GPS/ГЛОНАСС.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит акустический доплеровский профилограф течений.

7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит гирокомпас и датчики крен-дифферента-вертикальных перемещений.

8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит магнитометр-градиентометр.

9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что высокочастотный и низкочастотный параметрические профилографы дополнительно содержат блок задания величин допустимого отклонения углов направлений излучения зондирующего сигнала от вертикали и блок контроля угла наклона.

10. Способ 3D исследования морского дна для инженерных изысканий, включающий сбор информации о рельефе морского дна и верхних слоев донных осадков, сбор данных о структуре глубинных слоев донных осадков, сбор данных о скоростях распространения сейсмоакустических сигналов с использованием датчиков скорости звука в воде и многоканального сейсмоакустического профилирования, последующую первичную обработку этих данных и анализ данных сейсмоакустических сигналов в реальном и квазиреальном времени, совмещение полученных данных по времени и координатам, после чего осуществляют вторичную обработку данных с помощью вычислительных средств, снабженных средствами трехмерной визуализации и моделирования, а по результатам обработанных данных осуществляют построение высокоточной трехмерной модели рельефа морского дна, верхних и глубинных слоев донных осадков, на основании анализа которой определяют сейсмические и геотехнические свойства донных осадков с выделением аномальных участков.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что первичный сбор информации о рельефе морского дна и верхних слоев донных осадков осуществляют при помощи высокочастотного параметрического профилографа и гидролокатора бокового обзора.

12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что сбор данных о структуре глубинных слоев донных осадков осуществляют с использованием низкочастотного параметрического профилографа.