RU2724964C1 - Digital recording module for underwater research - Google Patents

Digital recording module for underwater research Download PDF

Info

Publication number
RU2724964C1
RU2724964C1 RU2019140630A RU2019140630A RU2724964C1 RU 2724964 C1 RU2724964 C1 RU 2724964C1 RU 2019140630 A RU2019140630 A RU 2019140630A RU 2019140630 A RU2019140630 A RU 2019140630A RU 2724964 C1 RU2724964 C1 RU 2724964C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
seismic
electronic
section
molecular
module
Prior art date
Application number
RU2019140630A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вадим Михайлович Агафонов
Егор Владимирович Егоров
Дмитрий Леонидович Зайцев
Анна Сергеевна Шабалина
Максим Александрович Рыжков
Александр Вячеславович Вишняков
Светлана Юрьевна Авдюхина
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)"
Priority to RU2019140630A priority Critical patent/RU2724964C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2724964C1 publication Critical patent/RU2724964C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/38Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting specially adapted for water-covered areas

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Oceanography (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.SUBSTANCE: invention relates generally to geophysical measurement systems, and specifically to seismic technologies for data collection and sensors. Invention is capable of simultaneously recording seismic and acoustic signals, realizing the seismic waves separation principle depending on the propagation direction. Technical solution is capable of receiving, digitizing, processing of accumulating or transmitting a recorded seismic-acoustic array of measurements. Invention can be used as an independent measuring complex, and as part of bottom braids, by means of cables being connected in series into a single measuring circuit. Invention can be used to solve tasks of seismic exploration in transit zones and on shelf, seismic and acoustic observations of water areas, monitoring of underwater in that situation, including in arctic region, etc.EFFECT: invention provides improved quality of measurement data owing to use of a unique component base, molecular-electronic geophones as linear motion sensors and molecular-electronic hydrophones as sensors for recording an acoustic field in a medium; including invention reduces existing mass and dimensions parameters while maintaining high signal-to-noise ratio of device.8 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится в целом к геофизическим измерительным системам, а конкретно к сейсмическим технологиям сбора данных и датчикам. Может применяться для решения задач сейсморазведки в транзитных зонах и на шельфе, сейсмических и акустических наблюдений акваторий, мониторинга подводной в том обстановки в том числе в арктическом регионе и др.The invention relates generally to geophysical measuring systems, and specifically to seismic data acquisition technologies and sensors. It can be used to solve seismic problems in transit zones and on the shelf, seismic and acoustic observations of water areas, monitoring underwater conditions including those in the Arctic region, etc.

Продукты, при производстве которых используется нефть, широко распространены в современной экономике и могут быть найдены во всех отраслях: от бензина до медицинских приборов, детских игрушек и широкого спектра предметов повседневного обихода. Для удовлетворения постоянного спроса на эти продукты запасы нефти и газа должны быть своевременно разведаны и изучены, с тем чтобы этими важными ресурсами можно было эффективно управлять. Как следствие, существует постоянная потребность в новых сейсмических сенсорных системах и новых технологиях разведки. Ученые и инженеры обычно используют сейсмическую разведку на основе проходящих и отраженных волн для обнаружения новых нефтяных и газовых коллекторов, а также для разведки и управления существующими запасами в процессе разработки месторождений. Сейсморазведка проводится путем размещения упорядоченного массива сейсмических датчиков и акустических датчиков в исследуемом районе и мониторинга отклика на контролируемое воздействие на грунт посредством сейсмических источников, таких как вибраторы или воздушные пушки, или взрывная детонация. Отклик отраженных сигналов зависит от геологии внутренней структуры минеральных коллекторов и других подземных формаций, что позволяет получить изображение соответствующих структур. Обычные морские сейсморазведочные работы проводятся путем буксировки массива сейсмических датчиков или приемников за исследовательским судном, причем приемники распределены вдоль одного или нескольких шлангов. Набор воздушных пушек или других сейсмических источников используется для возбуждения сейсмических волн, которые распространяются через толщу воды, и проникают в дно океана. Частично сигнал отражается от подповерхностных структур, возвращается через толщу воды и регистрируется массивом измерителей. В качестве альтернативы сейсмоприемники могут также располагаться вдоль кабеля на дне водоема или функционировать в виде отдельных автономных сейсмических узлов, распределенных на морском дне. Сейсмические приемники включают в себя как датчики давления, так и детекторы движения, которые могут быть предоставлены в виде отдельных компонентов или объединены вместе с обоими типами датчиков, размещенных в непосредственной близости в модуле приемника или сейсмическом узле. Например, набор датчиков давления может быть сконфигурирован в массив гидрофонов и адаптирован для записи скалярных измерений давления сейсмического волнового поля, распространяющегося через толщу воды или другую сейсмическую среду. Датчики движения включают акселерометры и геофоны, которые могут обеспечивать одноосные или трехмерные векторные измерения скорости или ускорения, характеризующие движение среды в ответ на распространение сейсмических волн. Геофизические данные, относящиеся к подземным структурам, получают путем наблюдения отраженных сейсмических волн с помощью массива таких приемных компонентов. Полученные сейсмические сигналы могут быть использованы для формирования изображения, характеризующего состав и геологию недр в зоне исследования и вокруг нее. Общее качество изображения зависит от чувствительности, собственного шума приемных устройств, что создает спрос на более совершенные датчики и приемные технологии.Oil-based products are widely distributed in the modern economy and can be found in all sectors: from gasoline to medical devices, children's toys and a wide range of everyday items. To meet the constant demand for these products, oil and gas reserves must be explored and explored in a timely manner so that these important resources can be effectively managed. As a result, there is a continuing need for new seismic sensor systems and new exploration technologies. Scientists and engineers typically use seismic exploration based on transmitted and reflected waves to discover new oil and gas reservoirs, as well as to explore and manage existing reserves during field development. Seismic exploration is carried out by placing an ordered array of seismic sensors and acoustic sensors in the study area and monitoring the response to a controlled effect on the ground through seismic sources such as vibrators or air guns, or explosive detonation. The response of the reflected signals depends on the geology of the internal structure of mineral reservoirs and other underground formations, which allows you to get an image of the corresponding structures. Conventional marine seismic surveys are carried out by towing an array of seismic sensors or receivers behind a research vessel, the receivers being distributed along one or more hoses. A set of air guns or other seismic sources is used to excite seismic waves that propagate through the water column and penetrate the ocean floor. The signal is partially reflected from subsurface structures, returned through the water column and recorded by an array of meters. As an alternative, seismic receivers can also be located along the cable at the bottom of the reservoir or function as separate autonomous seismic nodes distributed on the seabed. Seismic receivers include both pressure sensors and motion detectors, which can be provided as separate components or combined with both types of sensors located in close proximity to the receiver module or seismic assembly. For example, a set of pressure sensors can be configured into an array of hydrophones and adapted to record scalar pressure measurements of a seismic wave field propagating through a water column or other seismic medium. Motion sensors include accelerometers and geophones, which can provide uniaxial or three-dimensional vector measurements of velocity or acceleration, characterizing the movement of the medium in response to the propagation of seismic waves. Geophysical data related to underground structures are obtained by observing reflected seismic waves using an array of such receiving components. The obtained seismic signals can be used to form an image characterizing the composition and geology of the subsoil in and around the study area. The overall image quality depends on the sensitivity and noise of the receiving devices, which creates a demand for more advanced sensors and receiving technologies.

Качество получаемых данных в значительной мере зависит от чувствительности используемых датчиков, в частности гидрофонов. Большинство конструкций гидрофонов используют пьезоэлектрический чувствительный элемент. Пьезоэлектрический чувствительный элемент имеет невысокий коэффициент преобразования, сравнительно высокий собственный шум в области низких частот, и ограниченный частотный диапазон.The quality of the data obtained largely depends on the sensitivity of the sensors used, in particular hydrophones. Most hydrophone designs use a piezoelectric sensor. The piezoelectric sensitive element has a low conversion coefficient, a relatively high intrinsic noise in the low-frequency region, and a limited frequency range.

Указанные недостатки можно преодолеть, если вместо пьезоэлектрического использовать молекулярно-электронный чувствительный элемент. В научной литературе решения, использующие молекулярно-электронные геофоны описаны в работах [1,2], а гидрофоны - в работах [3,4]. В патенте RU 2687297 C1 представлена базовая модель низкочастотной двухкомпонентной донной косы, использующей высокочувствительные молекулярно-электронные геофоны, а также в патенте RU 2678503 представлена структура и принцип действия молекулярно-электронного гидрофона. Недостатком технического решения для молекулярно-электронного гидрофона, представленного в патенте RU 2678503, является сильная зависимость чувствительности от глубины погружения, что не позволяет использовать его в составе донной косы, описанной в RU 2687297 C1 и предназначенной для работы на дне, где типичная рабочая глубина составляет от 10 до 100 метров, а, в некоторых случаях, может достигать 500 метров. Техническое решение для увеличения рабочей глубины предложено в патенте RU 2696060 C1, где в качестве референсного объема вместо газового пузыря предлагается использовать корпус, заполненный легкосжимаемой жидкостью. Такое решение позволяет существенно увеличить рабочую глубину до требуемых 500 метров. Однако, высокая чувствительность гидрофона достигается при условии использования большого объема сжимаемой жидкости ~ 1 литра. Использование такого гидрофона в составе модулей цифровой донной косы значительно увеличивает габариты и вес модулей и делает их использование неудобным.These disadvantages can be overcome if instead of using a piezoelectric, use a molecular-electronic sensitive element. In the scientific literature, solutions using molecular-electronic geophones are described in [1,2], and hydrophones in [3,4]. In patent RU 2687297 C1 a basic model of a low-frequency two-component bottom braid using highly sensitive molecular-electronic geophones is presented, and also in patent RU 2678503 the structure and principle of operation of a molecular-electronic hydrophone are presented. The disadvantage of the technical solution for the molecular-electronic hydrophone, presented in patent RU 2678503, is the strong dependence of sensitivity on immersion depth, which does not allow its use in the composition of the bottom spit described in RU 2687297 C1 and designed to work on the bottom, where the typical working depth is from 10 to 100 meters, and, in some cases, can reach 500 meters. A technical solution for increasing the working depth is proposed in RU 2696060 C1, where it is proposed to use a housing filled with an easily compressible liquid instead of a gas bubble as a reference volume. This solution allows you to significantly increase the working depth to the required 500 meters. However, the high sensitivity of the hydrophone is achieved by using a large volume of compressible fluid ~ 1 liter. The use of such a hydrophone as part of the modules of the digital bottom braid significantly increases the dimensions and weight of the modules and makes their use inconvenient.

В патентной базе также содержатся многочисленные свидетельства на изобретения, относящиеся к классу подводных кабельных систем (ocean bottom cable), сейсмоакстических измерительных систем для сейсморазведки, располагающихся на морском дне и объединенных в протяженные сейсмичские косы.The patent base also contains numerous certificates for inventions related to the class of underwater cable systems (ocean bottom cable), seismic-acoustic measuring systems for seismic exploration located on the seabed and combined into long seismic streamers.

Так, например, в патенте DK 178813 B1, представлена донная кабельная коса, предназначенная для сейсмической разведки дна акватории, состоящая из измерительных модулей, причем эти модули отделены друг от друга отдельными участками напряженных элементов, где каждый участок напряженного элемента имеет акустические развязывающие устройства на каждом конце. При этом каждый сейсмический измерительный узел содержит съемную автономную сенсорную капсулу для зондирования и регистрации сейсмических данных.So, for example, in patent DK 178813 B1, a bottom cable spit is designed for seismic exploration of the bottom of the water area, consisting of measuring modules, these modules being separated from each other by separate sections of stressed elements, where each section of the stressed element has acoustic decoupling devices on each the end. In addition, each seismic measuring unit contains a removable autonomous sensor capsule for sensing and recording seismic data.

Другим примером может служить патент US 10274627 В2, в котором также представлена конфигурация модулей донной сейсмической косы, отличающаяся тем, что каждый модуль имеет в своем составе сейсмические и/или акустические датчики, подвешенные в акустической среде, расположенной между сдвоенным корпусом модуля. При этом модули содержат, аналогово-цифровой преобразователь, внутреннюю память, элементы синхронизации и источник питания.Another example is US 10274627 B2, which also presents the configuration of the modules of the bottom seismic streamer, characterized in that each module includes seismic and / or acoustic sensors suspended in an acoustic medium located between the dual module housing. In this case, the modules contain an analog-to-digital converter, internal memory, synchronization elements and a power source.

В то же время достаточно обширно представлен класс изобретений схожий в некоторых сферах применения с предлагаемым техническим решением и представляющий собой класс отдельных автономных сейсмических станций (ocean bottom station).At the same time, the class of inventions that is similar in some applications to the proposed technical solution and is a class of separate autonomous seismic stations (ocean bottom station) is presented quite extensively.

Так, например, в патенте US 005189642 A представлено устройство для регистрации акустических и сейсмических сигналов на дне океана с минимальными шумами. Сейсмический регистратор непосредственно осуществляет установку измерительных геофонов на дно, имеет устройство накопления данных, хранит сейсмические данные и может быть съемным. Сейсмическая станция оснащена устройством всплытия и якорной системой.So, for example, in patent US 005189642 A presents a device for recording acoustic and seismic signals on the ocean floor with minimal noise. The seismic recorder directly installs the measuring geophones to the bottom, has a data storage device, stores seismic data and can be removable. The seismic station is equipped with an ascent device and an anchor system.

Комплексная донная буксируемая четырехкомпонентная антенная решетка для сбора сейсмических данных представлена в патенте US 6607050 B2 и состоит из четырехканальной электронной секции для сбора сейсмических данных, карданного трехкомпонентного сейсмоприемника и гидрофона в корпусе. Четырех компонентная станция имеет модульную структуры, а сигнал передается по кабелю на центральную станцию. Заявители изобретения заявляют о высоком SNR однако, достижения этого высокого соотношения планируется получать лишь за счет компактного кабельного соединения и небольших габаритов антенны, снижающих наводки при передаче данных.A comprehensive bottom towed four-component antenna array for collecting seismic data is presented in US Pat. No. 6,607,050 B2 and consists of a four-channel electronic section for collecting seismic data, a three-component cardan gimbal and a hydrophone in the housing. The four-component station has a modular structure, and the signal is transmitted via cable to the central station. The inventors claim a high SNR, however, it is planned to achieve this high ratio only due to the compact cable connection and small dimensions of the antenna, which reduce interference during data transmission.

В качестве прототипа к заявляемому техническому решению по совокупности признаков возьмем изобретение описанное в патенте US 10274627 В2. Среди недостатков прототипа можно выделить в первую очередь слабую чувствительность и высокий собственный шум применяемых измерителей, в то же время прототипу требуется прочный и герметичный корпус для работы при значительных статических давлениях воды, что приводит к значительным массогабаритным параметрам прототипа. В том числе к недостатком прототипа можно отнести ограничение функциональной возможности в качестве отдельного измерительного модуля.As a prototype of the claimed technical solution for the totality of signs, we take the invention described in patent US 10274627 B2. Among the disadvantages of the prototype, it is possible to single out, first of all, the weak sensitivity and high intrinsic noise of the meters used, while the prototype requires a strong and airtight housing to operate at significant static water pressures, which leads to significant prototype dimensions. Including the disadvantage of the prototype can be attributed to the limitation of functionality as a separate measuring module.

При этом задачей предлагаемого технического решения как раз является применение высокочувствительных и низкошумящих молекулярно-электронных измерителей полей скоростей [5] и акустических давлений [6] для реализации принципа разделения сейсмических волн в зависимости от направления распространения, сбор, оцифровка и передача снятых сейсмоакустических данных об энергия проходящих и отраженных волн, возможное объединение в единую цепь модулей для построения донных кос, возможность работать на глубинах до 500 метров (наиболее интересный диапазон для подводной сейсморазведки), возможность снижения массогабаритных требований и требований по герметичности корпуса.At the same time, the objective of the proposed technical solution is precisely the use of high-sensitivity and low-noise molecular-electronic meters of velocity fields [5] and acoustic pressures [6] to implement the principle of separation of seismic waves depending on the direction of propagation, collection, digitization and transmission of captured seismic-acoustic energy data transmitted and reflected waves, possible integration into a single chain of modules for constructing bottom braids, the ability to work at depths of up to 500 meters (the most interesting range for underwater seismic exploration), the ability to reduce weight and size requirements and the requirements for tightness of the hull.

Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение чувствительности к внешнему акустическому сигналам цифровых регистрирующих модулей донной косы, за счет использования высокочувствительных молекулярно-электронных гидрофонов. При этом габариты и вес устройства, а также рабочая глубина соответствуют модулям, использующим менее чувствительные пьезоэлектрические гидрофоны.The technical result of the proposed solution is to increase the sensitivity to external acoustic signals of digital recording modules of the bottom braid, through the use of highly sensitive molecular-electronic hydrophones. At the same time, the dimensions and weight of the device, as well as the working depth, correspond to modules using less sensitive piezoelectric hydrophones.

Поставленная задача решается и технический результат изобретения достигается тем, что цифровой регистрирующий модуль, предназначенный для измерения вертикальной компоненты сейсмического поля скоростей на дне водоемов, а также регистрации акустического волнового поля давлений в среде, содержит корпус, состоящий из двух секций, причем в первой секции, заполненной воздухом, расположен, по меньшей мере один молекулярно-электронный геофон, а во второй секции, заполненной легкосжимаемой жидкостью, расположен чувствительный элемент молекулярно-электронного гидрофона, а также электронные платы питания, усиления и частотной коррекции, плата АЦП и плата микроконтроллера, при этом секции изолированы друг от друга проставкой, содержащей герметичные проводные контакты и мембрану, открытую во внешнюю среду. В частных случаях реализации изобретения модуль содержит элемент питания, обеспечивающий независимое энергоснабжение модуля; модуль содержит внутренний накопитель данных в виде внутренней памяти для автономной регистрации сейсмоакустических данных; модуль содержит сетевой адаптер, позволяющий передавать при необходимости регистрируемые датчиком данные на внешние устройства При этом в каждой из двух секций модуля расположен разъем, позволяющий объединять цифровые регистрирующие модули кабельной системой в единую донную косу. При этом часть корпуса модуля, образующая вторую секцию, может быть выполнена из полимерного материала. В качестве легкосжимаемой жидкости использована полиметилсилоксановая жидкость. В первой секции модуля расположены, по меньшей мере два ортогонально ориентированных геофона, на плате микроконтроллера во второй секции расположен двух или трехосный акселерометр, предназначенный для определения ориентации модуля относительно вектора силы тяжести.The problem is solved and the technical result of the invention is achieved by the fact that the digital recording module, designed to measure the vertical component of the seismic velocity field at the bottom of the reservoirs, as well as registering the acoustic pressure wave field in the medium, contains a housing consisting of two sections, and in the first section, filled with air, at least one molecular-electronic geophone is located, and in the second section, filled with an easily compressible liquid, there is a sensitive element of the molecular-electronic hydrophone, as well as electronic power, amplification and frequency correction boards, an ADC board and a microcontroller board, sections are isolated from each other by a spacer containing sealed wire contacts and a membrane open to the external environment. In particular cases of implementing the invention, the module contains a battery providing independent power supply to the module; the module contains an internal data storage device in the form of internal memory for autonomous recording of seismic-acoustic data; the module contains a network adapter that allows you to transfer, if necessary, the data recorded by the sensor to external devices. In each of the two sections of the module, there is a connector that allows you to combine the digital recording modules with a cable system into a single bottom braid. In this case, the part of the module housing forming the second section may be made of a polymer material. Polymethylsiloxane liquid was used as an easily compressible liquid. At least two orthogonally oriented geophones are located in the first section of the module, on the microcontroller board in the second section there is a two or three-axis accelerometer designed to determine the orientation of the module relative to the gravity vector.

Заявленное техническое решение позволяет применить новейшую технологию на основе молекулярной электроники для повышения чувствительности и снижения уровня собственных шумов известных ранее технических решений. Полученное многофункциональное устройство сейсмических наблюдений способное выдерживать статические давления до 50 атмосфер и функционировать самостоятельно или в составе донной косы. Расположение электронного модуля внутри силиконовой жидкости позволит снизить требования по прочности по отношению к внешнему гидростатическому давлению для секции с электроникой, и позволяет решить задачу облегчения и удешевления корпуса устройства, при сохранении всех функциональных возможностей, поскольку давление внутри корпуса с электроникой будет фактически таким же, как и внешнее. Кроме того, поскольку жидкость внутри секции с гидрофоном обладает высокой гидрофобностью, это дополнительно предохраняет электронные компоненты от затекания.The claimed technical solution allows you to apply the latest technology based on molecular electronics to increase sensitivity and reduce the level of intrinsic noise of previously known technical solutions. The resulting multifunctional seismic observation device is able to withstand static pressures of up to 50 atmospheres and function independently or as part of a bottom spit. The location of the electronic module inside the silicone fluid will reduce the strength requirements with respect to the external hydrostatic pressure for the electronics section, and will solve the problem of facilitating and reducing the cost of the device case, while maintaining all the functionality, since the pressure inside the case with the electronics will be practically the same as and external. In addition, since the liquid inside the hydrophone section is highly hydrophobic, this further protects the electronic components from leakage.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведена схема примера реализации изобретения, где: 1 - двухсекционный корпус цифрового регистрирующего модуля, 2 - взаимно-перпендикулярные молекулярно-электронные геофоны в секции при атмосферном давлении, 3 - чувствительный элемент молекулярно-электронного гидрофона, 4 - легкосжимаемая жидкость, заполняющая весь внутренний объем второй секции, 5 - электронные платы питания, усиления и частотной коррекции, АЦП, микроконтроллера и сетевого адаптера, 6 - проходные герметичные разъемы, позволяющие подавать питание, снимать цифровой сигнал с одного или нескольких (до 400) соединенных в цепь цифровых регистрирующих модулей, 7 - герметичные сквозные контакты между секциями.In FIG. 1 is a diagram of an example embodiment of the invention, where: 1 - a two-section housing of a digital recording module, 2 - mutually perpendicular molecular-electronic geophones in a section at atmospheric pressure, 3 - a sensitive element of a molecular-electronic hydrophone, 4 - an easily compressible liquid filling the entire internal volume the second section, 5 - electronic power, amplification and frequency correction boards, ADC, microcontroller and network adapter, 6 - leak-through sealed connectors that allow power supply, take a digital signal from one or more (up to 400) digital recording modules connected to the circuit, 7 - sealed through contacts between sections.

Фиг. 2 - фотография примера реализации с открытой секцией для молекулярно-электронных геофонов и уже заполненной легкосжимаемой жидкостью секции для электронных плат и молекулярно-электронного гидрофона.FIG. 2 is a photograph of an example implementation with an open section for molecular electronic geophones and a section for electronic circuit boards and a molecular electronic hydrophone already filled with easily compressible liquid.

Фиг. 3 - фотография испытательских измерений технических параметров цифрового измерительного модуля под давлением на испытательном стенде.FIG. 3 is a photograph of test measurements of the technical parameters of a digital measuring module under pressure on a test bench.

Фиг. 4 и фиг. 5 - фотографии натурных испытаний цифровых регистрирующих модулей на естественном водоеме.FIG. 4 and FIG. 5 - photographs of field tests of digital recording modules in a natural reservoir.

Фиг. 6 - спектральная плотность мощности собственного шума, используемого в измерительном модуле молекулярно-электронного гидрофона в дБ относительно 1мкПа/√Гц (Синий - собственный шум, Красные - сигналы сенсоров в эксперименте).FIG. 6 - spectral power density of the intrinsic noise used in the measuring module of the molecular-electronic hydrophone in dB relative to 1 μPa / √Hz (Blue - intrinsic noise, Red - sensor signals in the experiment).

Фиг. 7 - спектральная плотность мощности собственного шума, используемых в измерительном модуле молекулярно-электронных геофонов в дБ относительно 1м/сек2/√Гц (Черный - собственный шум, Красный и синий - сигналы сенсоров в эксперименте).FIG. 7 - spectral power density of the intrinsic noise used in the measuring module of molecular-electronic geophones in dB relative to 1 m / s 2 / √Hz (Black - intrinsic noise, Red and blue - sensor signals in the experiment).

Цифровой регистрирующий модуль, предназначенный для измерения вертикальной компоненты сейсмического поля скоростей на дне водоемов, содержит металлический корпус 1 вытянутой формы, который составляется из двух функциональных секций. В первой секции, заполненной воздухом, расположен, по меньшей мере один молекулярно-электронный геофон 2, а во второй секции, заполненной легкосжимаемой жидкостью, расположен чувствительный элемент молекулярно-электронного гидрофона 3, а также электронные платы 5 питания, усиления и частотной коррекции, плата АЦП и плата микроконтроллера. В частном случае реализации модуля часть корпуса, образующая вторую секцию, выполнена из полимерного материала, например пластика или поликарбоната, а целостность упомянутой секции при действии внешнего гидростатического давления обеспечивается упругими силами, возникающим при изменении объема заполняющей секцию легкосжимаемой жидкости 4. Секции изолированы друг от друга проставкой содержащей, мембрану молекулярно-электронного гидрофона, открытую во внешнюю среду. Вторая мембрана гидрофона обращена внутрь одной из секций. Кроме того, для электрической связи двух секций формируются герметичные проводные контакты между ними, способные выдерживать достаточное для функционирования и работы гидрофона статическое давление. Секция, содержащая чувствительный элемент молекулярно-электронного гидрофона, полностью заполняется легкосжимаемой жидкостью 4 с хорошими гидрофобными свойствами, подобно решению, описанному в RU 2696060 C1, при этом в этой же секции заранее фиксируются и подключаются к выводному разъему 6 секции и проходным контактам все электронные платы 5 цифрового регистрирующего модуля. Секция герметично закрывается, так, чтобы в жидкости не оставалось воздушных пузырей. При этом во второй секции цифрового регистрирующего модуля располагаются взаимно перпендикулярная пара молекулярно-электронных геофонов, подключенная посредством электрических герметичных проходных контактов к электронной плате, размещенной в секции с легкосжимаемой жидкостью, причем пара закрепляется таким образом, чтобы электронные платы секции с жидкостью были сориентированы вдоль одной из осей геофонов. На электронной плате присутствует трехкомпонентный акселерометр MEMS типа, две оси которого получаются соосными геофонам измерительного модуля, третья ось будет определять угол по отношению к вертикали, под которым лег на дно измерительный модуль. Секция с геофонами также содержит герметичный выходной разъем, позволяющий принимать сигнал с последующих цифровых модулей, в случае соединения в донную косу и снабжать их электропитанием. Проходные соединения могут быть реализованы посредством промышленных впаиваемых изоляторов с остеклением проходного вывода.The digital recording module, designed to measure the vertical component of the seismic velocity field at the bottom of reservoirs, contains an elongated metal casing 1, which is composed of two functional sections. In the first section, filled with air, there is at least one molecular-electronic geophone 2, and in the second section, filled with an easily compressible liquid, there is a sensitive element of the molecular-electronic hydrophone 3, as well as electronic boards 5 for power, amplification and frequency correction, a board ADC and microcontroller board. In the particular case of the implementation of the module, the part of the housing forming the second section is made of a polymer material, such as plastic or polycarbonate, and the integrity of the said section under the action of external hydrostatic pressure is ensured by elastic forces arising from a change in the volume of the easily compressible liquid filling the section 4. The sections are isolated from each other a spacer containing, the membrane of the molecular-electronic hydrophone, open to the external environment. The second membrane of the hydrophone faces one of the sections. In addition, for the electrical connection of the two sections, sealed wire contacts are formed between them, capable of withstanding the static pressure sufficient for the functioning and operation of the hydrophone. The section containing the sensitive element of the molecular-electronic hydrophone is completely filled with easily compressible liquid 4 with good hydrophobic properties, similar to the solution described in RU 2696060 C1, while in this section all electronic boards are fixed and connected to the terminal output section 6 and through-pass contacts 5 digital recording modules. The section is hermetically sealed so that no air bubbles remain in the liquid. At the same time, in the second section of the digital recording module, there is a mutually perpendicular pair of molecular-electronic geophones connected by means of electrical hermetic feed-through contacts to an electronic circuit board located in the section with easily compressible liquid, and the pair is fixed so that the electronic circuit boards of the liquid section are oriented along one from the axes of geophones. On the electronic board there is a three-component MEMS type accelerometer, two axes of which are obtained coaxially with the geophones of the measuring module, the third axis will determine the angle with respect to the vertical at which the measuring module lies at the bottom. The section with geophones also contains a sealed output connector that allows you to receive a signal from subsequent digital modules, if connected to the bottom of the scythe and supply them with power. Feed-through connections can be realized by means of industrial solder-in insulators with glazed lead-through terminals.

Схема примера реализации технического решения представлена на фиг. 1. в соответствии с указанной схемой и описанием изобретения собран и пример реализации фиг. 2 и фиг. 3. В качестве заполняющей объем секции с платами жидкости выбран ПМС-5 (полиметилсилоксановая жидкость), имеющая отличные гидрофобные свойства и коэффициент объемной сжимаемости примерно в два раза выше, чем у воды.A diagram of an example implementation of a technical solution is shown in FIG. 1. In accordance with the indicated scheme and description of the invention, an example of implementation of FIG. 2 and FIG. 3. PMS-5 (polymethylsiloxane liquid), which has excellent hydrophobic properties and a volume compressibility coefficient of about two times higher than that of water, was selected as the volume-filling section with liquid plates.

В соответствии с описанием изобретения на фиг. 1 обозначены: 1 - двухсекционный корпус цифрового модуля, 2 - взаимно-перпендикулярные молекулярно-электронные геофоны в секции при атмосферном давлении, 3 - молекулярно-электронный гидрофон, 4 - силиконовая жидкости на основе ПМС-5, заполняющая весь внутренний объем второй секции, 5 электронные платы питания, усиления и частотной коррекции, АЦП, микроконтроллера и сетевого адаптера, 6 - проходные герметичные разъемы, позволяющие подавать питание, снимать цифровой сигнал с одного или нескольких (до 400) соединенных в цепь цифровых регистрирующих модулей, 7 - герметичные сквозные контакты между секциями.In accordance with the description of the invention in FIG. 1 marked: 1 - two-section housing of the digital module, 2 - mutually perpendicular molecular-electronic geophones in the section at atmospheric pressure, 3 - molecular-electronic hydrophone, 4 - silicone fluid based on PMS-5, filling the entire internal volume of the second section, 5 electronic boards for power supply, amplification and frequency correction, ADC, microcontroller and network adapter, 6 - pass-through sealed connectors that allow power supply, take a digital signal from one or more (up to 400) digital recording modules connected to the circuit, 7 - sealed through contacts between sections.

Для собранных примеров реализации был проведен необходимый комплекс испытательских тестов, измерительные параметры модуля установлены на следующих значениях:For the collected implementation examples, the necessary set of test tests was carried out, the measuring parameters of the module are set to the following values:

Молекуряно-электронные геофоны:Molecular-electronic geophones:

- рабочая полоса частот: 1÷300 Гц;- working frequency band: 1 ÷ 300 Hz;

- чувствительность геофона: 250 В/м/сек;- sensitivity of the geophone: 250 V / m / s;

- собственный шум - 100 нм/сек в полосе 1-300 Гц- intrinsic noise - 100 nm / s in the band 1-300 Hz

Молекулярно-электронный гидрофон:Molecular electronic hydrophone:

- рабочая полоса частот: 1÷500 Гц;- working frequency band: 1 ÷ 500 Hz;

- чувствительность гидрофона: 300 мкВ/Па;- hydrophone sensitivity: 300 μV / Pa;

- рабочее гидростатическое давление: до 50 атм;- working hydrostatic pressure: up to 50 atm;

- спектральная плотность собственного шума на частоте 10 Гц по отношению к 1 мкПа ≤ 48 дБ.- spectral density of intrinsic noise at a frequency of 10 Hz with respect to 1 μPa ≤ 48 dB.

Цифровая система:Digital system:

- разрядность АЦП: 24 разряда;- ADC capacity: 24 bits;

- эффективный динамический диапазон АЦП: ≥123 дБ при f рег=1 кГц и коэф. усиления 1;- effective dynamic range of the ADC: ≥123 dB at f reg = 1 kHz and coefficient. gain 1;

- локальная сеть 100 Мбит/сек с ретрансляцией данных - до 400 модулей на косу.- 100 Mbps local area network with data relaying - up to 400 modules per streamer.

Выполненные натурные испытания измерительного модуля продемонстрировали высокие параметры чувствительности и крайне низкие значения собственных шумов фиг. 6 и фиг. 7.The field tests of the measuring module demonstrated high sensitivity parameters and extremely low values of the intrinsic noise of FIG. 6 and FIG. 7.

Источники информацииSources of information

1. А.С. Шабалина, Д.Л. Зайцев, Е.В. Егоров, И.В. Егоров, А.Н. Антонов, А.С. Бугаев, В.М. Агафонов, В.Г. Криштоп. «Молекулярно-электронные преобразователи в современных измерительных приборах» Успехи современной радиоэлектроники. №9, 2014, стр. 33-42.1. A.S. Shabalina, D.L. Zaitsev, E.V. Egorov, I.V. Egorov A.N. Antonov, A.S. Bugaev, V.M. Agafonov, V.G. Krishtop. "Molecular-electronic converters in modern measuring instruments." Advances in modern radio electronics. No. 9, 2014, pp. 33-42.

2. Egorov, I.V.; Shabalina, A.S.; Agafonov, V.M. Design and self-noise ofMET closed-loop seismic accelerometers. IEEE Sens. J. 2017, 17, 2008-2014.2. Egorov, I.V .; Shabalina, A.S .; Agafonov, V.M. Design and self-noise ofMET closed-loop seismic accelerometers. IEEE Sens. J. 2017, 17, 2008-2014.

3. Авдюхина С.Ю., Агафонов B.M., Егоров E.B., Зайцев Д.Л., Рыжков М.А. «УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННОГО ГИДРОФОНА», Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики, Труды XIV Всероссийской конференции. 2018. С. 621-624.3. Avdyukhina S.Yu., Agafonov B.M., Egorov E.B., Zaitsev D.L., Ryzhkov M.A. “DEVICE AND PRINCIPLE OF ACTION OF MOLECULAR ELECTRON HYDROPHONE”, Applied technologies of hydroacoustics and hydrophysics, Proceedings of the XIV All-Russian Conference. 2018.S. 621-624.

4. Zaitsev, D.L., Avdyukhina, S.Y., Ryzhkov, M.A., Evseev, I., Egorov, E.V., and Agafonov, V. M.: Frequency response and self-noise of the MET hydrophone, J. Sens. Sens. Syst, 7, 443-452, https://doi.org/10.5194/jsss-7-443-2018, 2018.4. Zaitsev, D.L., Avdyukhina, S.Y., Ryzhkov, M.A., Evseev, I., Egorov, E.V., and Agafonov, V. M .: Frequency response and self-noise of the MET hydrophone, J. Sens. Sens. Syst, 7, 443-452, https://doi.org/10.5194/jsss-7-443-2018, 2018.

5. В.М. Агафонов, И.В. Егоров, А.С.Шабалина «Принципы работы и технические характеристики малогабаритного молекулярно-электронного сейсмодатчика с отрицательной обратной связью» Сейсмические приборы. 2013. Т. 49, №1, с. 5-18.5. V.M. Agafonov, I.V. Egorov, A.S.Shabalina "Principles of operation and technical characteristics of a small-sized molecular-electronic seismic sensor with negative feedback" Seismic instruments. 2013.V. 49, No. 1, p. 5-18.

6. Dmitry Zaitsev, Egor Egorov, Maxim Ryzhkov, Grigory Velichko, Prof. Vladimir Gulenko «LOW-FREQUENCY, LOW-NOISE MOLECULAR-ELECTRONIC HYDROPHONE FOR OFFSHORE AND TRANZIT ZONE SEISMIC EXPLORATION», 19th INTERNATIONAL MULTIDISCIPLINARY SCIENTIFIC GEOCONFERENCE & EXPO SGEM 2019, June 28 - July 7. 2019, Albena, Bulgaria Conference proceedings, Volume 19, pp 961-968.6. Dmitry Zaitsev, Egor Egorov, Maxim Ryzhkov, Grigory Velichko, Prof. Vladimir Gulenko “LOW-FREQUENCY, LOW-NOISE MOLECULAR-ELECTRONIC HYDROPHONE FOR OFFSHORE AND TRANZIT ZONE SEISMIC EXPLORATION”, 19th INTERNATIONAL MULTIDISCIPLINARY SCIENTIFIC GEOCONFERENCE & EXPO SGEM 2019, June 28 - July 7. June Conference pp 961-968.

Claims (8)

1. Цифровой регистрирующий модуль, предназначенный для измерения вертикальной компоненты сейсмического поля скоростей на дне водоемов, а также регистрации акустического волнового поля давлений в среде, характеризующийся тем, что содержит корпус, состоящий из двух секций, причем в первой секции, заполненной воздухом, расположен, по меньшей мере один молекулярно-электронный геофон, а во второй секции, заполненной легкосжимаемой жидкостью, расположен чувствительный элемент молекулярно-электронного гидрофона, а также электронные платы питания, усиления и частотной коррекции, плата АЦП и плата микроконтроллера, при этом секции изолированы друг от друга проставкой, содержащей герметичные проводные контакты и мембрану, открытую во внешнюю среду.1. A digital recording module designed to measure the vertical component of the seismic velocity field at the bottom of water bodies, as well as to record the acoustic wave pressure field in the medium, characterized in that it contains a housing consisting of two sections, and in the first section filled with air, at least one molecular-electronic geophone, and in the second section, filled with an easily compressible liquid, there is a sensitive element of the molecular-electronic hydrophone, as well as electronic power, amplification and frequency correction boards, an ADC board and a microcontroller board, while the sections are isolated from each other a spacer containing sealed wire contacts and a membrane open to the external environment. 2. Модуль по п. 1, характеризующийся тем, что содержит элемент питания, обеспечивающий независимое энергоснабжение модуля.2. The module according to claim 1, characterized in that it contains a battery that provides independent power supply to the module. 3. Модуль по п. 1, характеризующийся тем, что содержит внутренний накопитель данных в виде внутренней памяти для автономной регистрации сейсмоакустических данных.3. The module according to claim 1, characterized in that it contains an internal data storage device in the form of an internal memory for autonomous recording of seismic-acoustic data. 4. Модуль по п. 1, характеризующийся тем, что содержит сетевой адаптер, позволяющий передавать при необходимости регистрируемые датчиком данные на внешние устройства.4. The module according to claim 1, characterized in that it contains a network adapter that allows, if necessary, to transmit data recorded by the sensor to external devices. 5. Модуль по п. 1, характеризующийся тем, что в каждой из двух секций расположен разъем, позволяющий объединять цифровые регистрирующие модули кабельной системой в единую донную косу.5. The module according to claim 1, characterized in that in each of the two sections there is a connector that allows you to combine the digital recording modules with a cable system into a single bottom braid. 6. Модуль по п. 1, характеризующийся тем, что часть корпуса, образующая вторую секцию, выполнена из полимерного материала.6. The module according to claim 1, characterized in that the part of the housing forming the second section is made of polymer material. 7. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что в качестве легкосжимаемой жидкости использована полиметилсилоксановая жидкость.7. The module according to claim 1, characterized in that polymethylsiloxane liquid is used as an easily compressible liquid. 8. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что в первой секции расположены, по меньшей мере два ортогонально ориентированных геофона, на плате микроконтроллера во второй секции расположен двух или трехосный акселерометр, предназначенный для определения ориентации модуля относительно вектора силы тяжести.8. The module according to claim 1, characterized in that at least two orthogonally oriented geophones are located in the first section, on the microcontroller board in the second section there is a two or three-axis accelerometer designed to determine the orientation of the module relative to the gravity vector.
RU2019140630A 2019-12-10 2019-12-10 Digital recording module for underwater research RU2724964C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019140630A RU2724964C1 (en) 2019-12-10 2019-12-10 Digital recording module for underwater research

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019140630A RU2724964C1 (en) 2019-12-10 2019-12-10 Digital recording module for underwater research

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2724964C1 true RU2724964C1 (en) 2020-06-29

Family

ID=71509809

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019140630A RU2724964C1 (en) 2019-12-10 2019-12-10 Digital recording module for underwater research

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2724964C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU206397U1 (en) * 2021-04-15 2021-09-08 Акционерное общество "Морская арктическая геологоразведочная экспедиция" BOTTOM MODULE OF SEISMIC STATION

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7239577B2 (en) * 2002-08-30 2007-07-03 Pgs Americas, Inc. Apparatus and methods for multicomponent marine geophysical data gathering
RU2546997C2 (en) * 2010-01-22 2015-04-10 Ион Геофизикал Корпорейшн Seismic recording system with rejection of ghost wave and movement
RU2592739C1 (en) * 2015-04-17 2016-07-27 Общество с ограниченной ответственностью "Арктический Научно-Проектный Центр Шельфовых Разработок" (ООО "Арктический Научный Центр") Method for seismic survey on water bodies and device therefor
EA029036B1 (en) * 2012-08-16 2018-01-31 Магсейс Ас Ocean bottom seismic node system
US10274627B2 (en) * 2015-10-30 2019-04-30 Ion Geophysical Corporation Ocean bottom seismic systems

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7239577B2 (en) * 2002-08-30 2007-07-03 Pgs Americas, Inc. Apparatus and methods for multicomponent marine geophysical data gathering
RU2546997C2 (en) * 2010-01-22 2015-04-10 Ион Геофизикал Корпорейшн Seismic recording system with rejection of ghost wave and movement
EA029036B1 (en) * 2012-08-16 2018-01-31 Магсейс Ас Ocean bottom seismic node system
RU2592739C1 (en) * 2015-04-17 2016-07-27 Общество с ограниченной ответственностью "Арктический Научно-Проектный Центр Шельфовых Разработок" (ООО "Арктический Научный Центр") Method for seismic survey on water bodies and device therefor
US10274627B2 (en) * 2015-10-30 2019-04-30 Ion Geophysical Corporation Ocean bottom seismic systems

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU206397U1 (en) * 2021-04-15 2021-09-08 Акционерное общество "Морская арктическая геологоразведочная экспедиция" BOTTOM MODULE OF SEISMIC STATION

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20230236333A1 (en) Multi-axis, single mass accelerometer
US6932185B2 (en) Acquisition method and device for seismic exploration of a geologic formation by permanent receivers set on the sea bottom
CA2913202C (en) Sensor for measuring the electromagnetic fields on land and underwater
US8650963B2 (en) Electrostatically coupled pressure sensor
RU2617525C1 (en) Anchored profiling underwater observatory
CN107202632A (en) Vector sensor unit for underwater surveillance net
AU2014216042A1 (en) Piezoelectric accelerometer
CN113391343A (en) Submarine optical fiber four-component seismic instrument system and data acquisition method thereof
US6160763A (en) Towed array hydrophone
RU2724964C1 (en) Digital recording module for underwater research
US11079506B2 (en) Multicomponent streamer
RU111691U1 (en) BOTTOM MODULE OF SEISMIC STATION
Latham et al. The Texas ocean-bottom seismograph
US10823865B2 (en) Multi component sensor device for point measurements on the seabed during seismic surveys
CN210427820U (en) Novel underwater MEMS double-detection detector
RU2687297C1 (en) Low-frequency two-component bottom seismic cable
CN206848490U (en) A kind of dual sensor
US20220120927A1 (en) Neutrally buoyant particle velocity sensor
RU206397U1 (en) BOTTOM MODULE OF SEISMIC STATION
RU2260199C2 (en) Method and device for determining parameters of gravitation and wave fields
CN107167837A (en) A kind of dual sensor
Neeshpapa et al. GEOPHYSICAL SYSTEM OF PERMANENT INSTALLATION FOR UNDERWATER MONITORING OF SEISMIC EVENTS
Makris* et al. The Geosyn Ocean Bottom Seismograph and its various applications for active and passive seismic obsrevations
RU142159U1 (en) MULTI-COMPONENT SEISMIC EXPLORATION COMPLEX
CN117518271A (en) Sediment layer particle vibration receiving transducer and receiving method suitable for interface wave detection

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20210115