Морская автономная донная станция для выполнения геофизических и геологоразведочных работ

Морская автономная донная станция для выполнения геофизических и геологоразведочных работ

Реферат

Изобретение относится к морским автономным донным станциям и может использоваться для выполнения различных геофизических и геологоразведочных работ, в том числе и для мониторинга сейсмической обстановки.

В настоящее время можно выделить следующие направления создания автономных донных станций, различающихся между собой типами всплывающих носителей геофизической аппаратуры и применяемыми системами якорь-балласт-плавучесть.

1. Беспоплавковые одноблочные системы балласт-плавучесть самые распространенные и широкоиспользуемые на данный момент в мире. Необходимая положительная плавучесть создается прочным корпусом сферической формы - приборным контейнером, внутри которого размещены сейсмодатчики, аппаратура регистрации сигналов, накопители, преобразователи и источники питания (например, донные станции фирм «Geomar» Германия - www.geomar.de, «Ifremer» Франция - www.ifremer.fr, «JAMSTEC» Япония - www.jamstec.go.jp, «АДСС» Россия - www.edboe.ru). Основной положительной чертой таких беспоплавковых одноблочных систем является упрощение конструкции станции в целом, что ведет к повышению ее надежности и упрощению технологии работ. Основные недостатки: относительно небольшое значение положительной плавучести системы не позволяет обеспечить высокую скорость всплытия, сейсмоприемники имеют недостаточно плотный контакт с морским дном, необходимый для оптимальной работы и максимального отношения сигнал-помеха, и невозможно минимизировать размеры прочного корпуса приборного контейнера, так как это приводит к потере положительной плавучести.

2. Беспоплавковые многоблочные системы балласт-плавучесть. Необходимая положительная плавучесть создается приборным контейнером (например, донные станции фирм «Oceanographic Institution» США - www.obsip.org, «University of Carrack» Великобритания - www.carrak.co.uk). Основная характерная черта таких беспоплавковых многоблочных систем балласт-плавучесть - возможность пространственного разделения всей геофизической аппаратуры по разнесенным прочным корпусам, в частности, отделение геофизических датчиков от регистрирующей аппаратуры, что позволяет иметь более плотный контакт датчиков с дном. Но реализация многоблочной системы ведет к значительному усложнению конструкции, увеличению массогабаритных характеристик и стоимости производства. Кроме того, в случае постановки контейнера с датчиками непосредственно на дно, возможно создание аварийных ситуаций, вызванных присосом контейнера с сейсмодатчиками илистыми вязкими донными осадками. Это ведет или к необходимости еще большего увеличения положительной плавучести приборного контейнера для отрыва блока сейсмодатчиков, или созданию специального механизма для отброса блока датчиков.

3. Поплавковые системы балласт-плавучесть. Необходимая положительная плавучесть создается дополнительным поплавковым модулем (например, донные станции фирм «LDEO» США, «SIO» США - www.obsip.org). Поплавковые системы позволяют увеличить положительную плавучесть после отделения якоря, что без особого труда решает проблемы отрыва заиленного блока сейсмодатчиков или увеличения скорости всплытия. Но существующие модели имеют значительно усложненную конструкцию, увеличенные массогабаритные характеристики, сложны в обслуживании и дороги в производстве.

Учитывая все плюсы и минусы приведенных выше станций, за прототип взята автономная донная сейсмическая станция («АДСС «ЛАРГЕ»), описанная в патенте RU 2229146 С1, 20.05.2004. Автономная донная сейсмическая станция (АДСС) по патенту РФ №2229146 содержит устанавливаемый на дне глубоководный самовсплывающий носитель геофизической аппаратуры (НГА). НГА состоит из двух полусфер, между которыми проложено уплотнительное кольцо. Причем НГА включает размещенные в герметичном контейнере блок регистрации, блок определения ориентации, блок синхронизации, блок гидроакустического маяка, устройство управления размыкателями и блок питания, а также установленные снаружи герметичного контейнера гидрофон, антенну гидроакустического маяка, устройство постановки и снятия НГА с грунта дна, выполненное в виде якоря-груза - бетонного диска или прямоугольного параллелепипеда с плоским основанием и с полусферическим углублением для размещения контейнера НГА с закреплением его посредством размыкателей. Кроме того, имеются средства для поиска всплывшего НГА, выполненные в виде проблескового маяка и/или активного радиолокационного отражателя. Внутри герметичного контейнера размещен блок определения местоположения, а снаружи установлена антенна спутниковой радионавигационной системы «НАВСТАР» и/или «ГЛОНАСС». Блок регистрации включает трехкомпонентный сейсмоприемный модуль из трех геофонов или акселерометров для измерения волнового поля и накопитель измерительной информации.

Основные недостатки АДСС являются следствием конструкции ее прочного корпуса - НГА, который должен обладать положительной плавучестью. Это, в первую очередь, ухудшает физический контакт НГА с якорем-грузом и, соответственно, уменьшает чувствительность сейсмодатчиков и ухудшает качество получаемых данных. Требование наличия положительной плавучести уменьшает возможности минимизации габаритов НГА, что автоматически уменьшает подъемную силу корпуса в воде. А чем больше вертикальная протяженность станции, тем сильнее воздействие на нее придонных течений - тем ниже общая помехоустойчивость. Кроме того, чем легче и устойчивее конструкция прочного корпуса и всей станции в снаряженном состоянии, тем проще и удобнее работать обслуживающему персоналу, тем выше эффективность проводимых работ.

Задачей заявляемого технического решения является создание надежной станции с высокими эксплуатационными характеристиками (с высокой чувствительностью к полезным сигналам и хорошей помехоустойчивостью), удобной в обслуживании, обеспечивающей хороший контакт сейсмодатчиков с морским дном, небольшой по массе и габаритам и недорогой в изготовлении.

Поставленная задача решается следующим образом. Предлагается морская автономная донная станция для выполнения геофизических и геологоразведочных работ, включающая в себя компактный герметичный полый металлический корпус цилиндрической формы. Внутри корпуса размещены аккумуляторы, датчики измерения сейсмического поля и электронная аппаратура, включающая электронный блок регистрации, обработки и хранения сигналов от датчиков измерения сейсмического и гидроакустического полей и электронный блок управления акустической антенной, размыкателем, радиомаяком и проблесковым светодиодным маяком. На внешней поверхности герметичного корпуса устанавливаются гидроакустическая антенна, датчики измерения гидроакустического поля, размыкатель системы обеспечения погружения и всплытия, средства поиска станции после всплытия, включающие радиомаяк и проблесковый светодиодный маяк, и устройство обеспечения погружения и всплытия станции.

Отличительной особенностью предлагаемой станции является то, что прочный корпус выполнен из металла (например из стали, алюминия или титана) соответствующей толщины, выдерживающего необходимое гидростатическое давление, и представляет собой цилиндр, ось которого расположена вертикально в рабочем положении станции (см. чертеж). В нижней части он закрывается плоской крышкой-фланцем из того же материала с уплотнительным кольцом и затягивается крепящими винтами и гайками. Конструкция предлагается, в первую очередь, исходя из требования улучшения передаточных характеристик упругих колебаний в области контакта станции с морским дном. Для этого необходимо обеспечить отрицательную плавучесть прочного корпуса с внутренней аппаратурой, а его среднюю плотность привести к величине не менее 1500 кг/м³, что позволяет оптимизировать внутреннюю компоновку (в цилиндрическом корпусе такую оптимизацию проводить проще, чем в сферическом), минимизировать массогабаритные параметры и оставляет широкий выбор металлов для производителя.

Важной отличительной особенностью является конструкция устройства обеспечения погружения и всплытия станции, выполненного в виде якоря-балласта, закрепленного на корпусе посредством размыкателя, спусковых и крепящих строп, и плавучести. Плавучесть представляет собой полый цилиндр (или тор) высотой не менее половины высоты цилиндра прочного корпуса, цельный или набираемый из соответствующих полых плоских дисков из композитного материала на основе современных синтактиков, выдерживающих высокое давление до 1000 атмосфер и с плотностью менее 700 кг/м³, во внутреннее пространство которого помещается прочный корпус донной станции, крепящийся к плавучести крепящими стропами в верхней части станции. Спусковые стропы, крепящие плавучесть с размыкателем в нижней части станции, протягиваются через специальные крепления-уши на якоре-грузе, что дополнительно увеличивает прижимную силу станции к морскому дну. Такая схема расположения и компоновки максимально увеличивает контакт сейсмодатчиков, находящихся в прочном корпусе, и морского дна, общую обтекаемость конструкции, минимизирует вертикальную протяженность станции и, соответственно, уменьшает влияние возможных придонных течений.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного устройства, автономной донной станции, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

В настоящее время авторам неизвестны автономные донные станции, имеющие аналогичный конструктив корпуса и системы якорь-балласт-плавучесть, удобные, надежные и простые в работе, обслуживании и транспортировке, обеспечивающие максимальный контакт сейсмодатчиков и морского дна, с минимально возможной вертикальной протяженностью, что минимизирует шумовое влияние придонных течений на качество регистрации полезных сигналов.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена схема донной станции в вертикальном разрезе. Введены следующие обозначения:

1 - прочный корпус;

2 - крышка-фланец;

3 - гидроакустическая антенна;

4 - датчики измерения сейсмического поля;

5 - электронный блок регистрации, обработки и хранения сигналов от датчиков измерения сейсмического и гидроакустического полей;

6 - электронный блок управления акустической антенной, размыкателем, радиомаяком и проблесковым светодиодным маяком;

7 - якорь-груз;

8 - спусковые стропы;

9 - аккумуляторы;

10 - средства поиска станции после всплытия, включающие радиомаяк и проблесковый светодиодный маяк;

11 - крепежные стропы;

12 - датчики измерения гидроакустического поля;

13 - размыкатель;

14 - специальные крепления-уши на якоре;

15 - плавучесть.

Устройство работает следующим образом.

Морская автономная донная станция для выполнения геофизических и геологоразведочных работ доставляется к месту постановки на соответствующем судне, комплектуется заряженными аккумуляторами 9, тестируется, программируется на работу в необходимом режиме, закрывается крышкой-фланцем 2. Непосредственно перед погружением прочный корпус 1 крепится к якорю-грузу 7 спусковыми стропами 8, протягивающимися через специальные крепления-уши 14 на якоре-грузе 7 и крепящимися с одной стороны к креплениям спусковых строп на размыкателе 13, с другой - к плавучести 15. В точке постановки станция погружается на дно, обеспечивая максимально возможный контакт с морским дном благодаря своей конструкции. В соответствии с внутренним расписанием-графиком работы начинается сбор информации с датчиков измерения сейсмического поля 4 и датчиков измерения гидроакустического поля 12, обработка этой информации и ее хранение в электронном блоке регистрации, обработки и хранения сигналов 5. После окончания запланированных работ по внутреннему таймеру или по команде с бортовой гидроакустической антенны электронный блок управления акустической антенной, размыкателем, радиомаяком и проблесковым светодиодным маяком 6 дает команду на всплытие. Размыкатель 13 сбрасывает спусковые стропы 8 и освобождает станцию от якоря-груза 7, плавучесть 15 вместе с прочным корпусом 1 поднимается на поверхность. После обнаружения автономной донной станции, используя гидроакустический канал или средства поиска станции 10, производится подъем станции на борт.

Дополнительный технический результат заключается в простоте конструкции, состоящей из независимых блоков, небольших размерах и массе станции и устойчивости к качке, что значительно облегчает работу обслуживающего персонала и условия перевозки и снижает стоимость производства.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполнялись следующие условия:

- средство, воплощающее устройство-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования для выполнения различных геофизических и геологоразведочных работ, в том числе и для мониторинга сейсмической обстановки;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

1. Морская автономная донная станция для выполнения геофизических и геологоразведочных работ, включающая герметичный прочный корпус с размещенными внутри аккумуляторами, датчиками измерения сейсмического поля и электронной аппаратурой, включающей электронный блок регистрации, обработки и хранения сигналов от датчиков измерения сейсмического и гидроакустического полей, и электронный блок управления акустической антенной, размыкателем, радиомаяком и проблесковым светодиодным маяком, на внешней поверхности прочного корпуса установлены гидроакустическая антенна, датчики измерения гидроакустического поля, средства для поиска станции при всплытии, включающие радиомаяк и проблесковый светодиодный маяк, и устройство обеспечения погружения и всплытия, включающее размыкатель, якорь-балласт, крепящие и спусковые стропы, и плавучесть, отличающаяся тем, что прочный корпус представляет собой компактный герметичный металлический полый цилиндр, ось которого расположена вертикально в рабочем положении станции, в нижней части корпус закрывается плоской крышкой-фланцем из того же материала с уплотнительным кольцом и затягивается крепящими винтами и гайками, в комплекте с внутренней аппаратурой обладает отрицательной плавучестью.

2. Морская автономная донная станция по п.1, отличающаяся тем, что конструкция устройства обеспечения погружения и всплытия станции выполнена в виде якоря-балласта, закрепленного на корпусе посредством размыкателя, спусковых строп, и плавучести, представляющей из себя полый цилиндр или тор, цельный или набираемый из соответствующих полых плоских дисков из оптимизированного композитного материала на основе современных синтактиков, во внутреннее пространство которого помещается прочный корпус донной станции, крепящийся к плавучести крепящими стропами в верхней части станции, а спусковые стропы, крепящие плавучесть с размыкателем в нижней части, протягиваются через специальные крепления-уши на якоре-грузе.