Разработка системы подводного гидроакустического позиционирования нефтедобывающего комплекса

Аннотация Дипломный проект посвящен разработке системы подводного гидроакустического позиционирования нефтедобывающего комплекса.

Во введении производится обоснование необходимости использования гидроакустических средств для разработки нефтяных месторождений.

В первом разделе дипломной работы рассмотрены теоретические вопросы в области гидроакустического позиционирования.

Во втором разделе затрагивается проектная часть работы: принципы действия различных составляющих гидроакустической системы позиционирования, описание устройств, схемы.

В третьей части диплома разработан пьезоэлектрический преобразователь.

В процессе работы производятся конструкторские, технологические и прочие расчеты.

В последнем разделе производятся экономические расчеты по разработке данной системы.

В заключении произведен анализ целесообразности производства и использования данной ГСП.

Содержание Введение.

1. Аналитическая часть.

1.1 Техническое обоснование проекта.

1.2 Акустические КБ-системы.

1.2.1 КБ — система с маяком.

1.2.2 КБ-система с приемоответчиком.

1.3 Акустические СКБ-системы.

1.4 Акустические ДБ — системы.

1.5 Акустические LUSBL-системы.

1.5.1 GIB-система.

1.6 Источники помех ГА.

2. Проектная часть.

2.1 Устройство гидроакустической системы.

2.2 Принцип действия системы позиционирования в нефтедобывающем комплексе.

2.2.1 Передача ГА сигналов по траектории прохождения бура.

2.3 Плавучая якорная система.

2.4 Придонная установка.

3. Разработка пьезоэлектрического преобразователя.

3.1 Выбор материала преобразователя.

3.2 Расчет активного элемента антенны.

3.2.1 Конструкция преобразователя.

3.3 Ультразвуковая кавитация.

4. Экономико-организационный раздел Заключение Список использованной литературы Введение В последние годы большим спросом стали пользоваться подводные работы с использованием систем подводного гидроакустического позиционирования (ГСП). Данные системы широко применяются при поиске углеводородов, находящихся на морском дне, укладке подводных трубопроводов, обследовании подводной части нефтедобывающих платформ и т. д. Интенсивность таких работ все время возрастает, охватывая уже не только мелководные, но и глубоководные районы мирового океана. И если на мелководье часто достаточно информации, полученной, например, при буксировке гидролокатора бокового обзора, то в более глубоких водах, оказалось необходимой более точная информация о положении подводного аппарата (ПА), проводящего работы. Именно для этих целей и используются системы подводной гидроакустической навигации. ГСП используются, как для определения координат неподвижного ПА, находящегося на морском дне, так и для определения координат движущегося ПА. ГСП представляют собой один или несколько стационарных передающих гидроакустических маяков, установленных на морском дне или судне носителе, маяк-ответчик на перемещающемся или стационарном объекте, ППА или гидрофон на судне-носителе и систему обработки и выдачи информации на борту судна-носителя. ГСП по своей сути является относительной системой координат с судном-носителем в центре отсчёта, при использовании системы GPS возможно позиционирования в абсолютных географических координатах.

В основе определения координат маяка-ответчика под водой лежат геометрические законы нахождения координат какой-либо точки по известным координатам трёх других точек, так называемых базисных точек. Расстояние между двумя точками базиса называется базисной линией. Длина базисной линии определяет алгоритм подсчёта координат и тип ГСП.

При практическом применении оказывается, что, чем меньше базисная линия, тем сильнее физическое воздействие качки и крена судна-носителя наточность определения координат, поэтому для каждого типа ГСП существуют свои ограничения и рекомендуемые варианты использования. Ниже приводятся основные типы ГСП:

Различают следующие типы ГСП:

а) ГСП с длинной базисной линией (ДБ или LBL системы).

б) ГСП с короткой базисной линией (КБ SBL системы).

в) ГСП с ультракороткой базисной линией (СКБ или USBL системы) г) ГСП комбинированного типа, например LUSBL система.

При выборе ГСП особое внимание уделяется повышению основных характеристик навигационных средств: точности, степени автоматизации, надежности, срока службы. Немаловажным для разработчиков также являются вопросы снижения стоимости проектирования и эксплуатации ГСП.

1. Аналитическая часть.

1.1 Техническое обоснование проекта Гидроакустические волны — единственный вид энергонесущих колебаний, способных распространяться в воде на большие расстояния. При этом они могут достаточно эффективно отражаться от неоднородности (естественных и искусственных) в толще волы и границ раздела морской среды: «вода-дно», «вода-поверхность», «вода-лед». Этот физический феномен лежит в основе принципа действия различных гидроакустических систем, получивших широкое использование на флоте; на подводных лодках, надводных корабля, глубоководных аппаратах, а также в стационарных (береговых) системах. Эти средства позволяют решать задачи обнаружения, классификации, определения координат и параметров движения морских целей, слежения за ними с выдачей данных целеуказания оружию.

В связи с расширением поисков углеводородов под водой в сторону глубоководных районов потребовались более точные батиметрические измерения и обследования состояния морского дна. И если на мелководье для определения местоположения было достаточно информации, получаемой при буксировке гидролокатора бокового обзора или геофизического оборудования на кабеле, то в более глубоких водах, в которых теперь эксплуатируются подводные нефтяные и рудные месторождения, оказалось необходимым получить более точные данные о глубине и положении буксируемого устройства, используя гидроакустическую технику подводного позиционирования. Это связано с тем, что после обнаружения и выбора района для разработки, нужно иметь возможность возвратиться в ту же самую точку морского дна, например, для бурении разведочной скважины с целью определения мощности месторождения и возможной последующей операции — установки буровою кондуктора для того, чтобы начать бурение, не дожидаясь доставки платформы для добычи полезного ископаемого. Система подводного позиционирования позволит точно установить кондуктор и проверить его уровень и ориентацию морского дна перед началом бурения, эта же система может быть впоследствии использована для установки стального каркаса платформы и его дальнейших осмотров.

Системы подводного позиционирования могут применяться и для других задач (укладки подкидных трубопроводов, их обследования, засыпки траншей и т. п.,), причем не только для подводного, но и для надводного определения местоположения. В последнем случае их информация используется в системах динамического позиционирования, которые должны удерживать судно на месте при меняющихся внешних условиях, эта же информация оказывается необходимой и при обследованиях подводного трубопровода обитаемым или необитаемым подводным аппаратом, позволяя следить за кривизной пролегающего по дну трубопровода.

Навигационные задачи, решаемые с помощью систем подводного позиционирования, существенно шире задач, подпадающих в практике подпонятие «навигация», включая в себя:

а) сопровождение: например, сопровождение ПА судном-базой вдоль трубопровода или вокруг платформы;

б) позиционирование: например, установку водолазного колокола в заданном месте по отношению к рабочей зоне для сварочных или ремонтных работ;

в) измерение: например, точное обследование морского дна и измерение расстояний между копнами горизонтального участка трубопровода и стояка.

В то время, как надводные корабли и гидрографические суда используют для навигации географическую систему отсчета координат (т. е. широту и долготу), под водой требовании несколько иные. Для того чтобы система могла использоваться и под водой, она должна иметь высокую степень позиционной точности и хорошую повторяемость в районе с пределами в несколько километров.

Разнообразные испытания подводных систем, проведенные многими исследователями выявили несколько способов гидроакустического определения местоположения, основанных на различных видах определения координат, приведены в таблице 1.1:

Таблица 1.1 — Способы гидроакустического определения местоположения.

Чтобы выбрать из этого перечня систему ПП для конкретного применения, необходимо представлять себе ее точность или область неопределенности.

В одном из современных исследований при выборе системы для работы на необитаемом ПА рассчитана область неопределенности для большинства из перечисленных выше систем. В целях упрощения было сделано предположение, что ПА работает в непосредственной близости к плоскому дну, а область неопределенности обусловлена нормальным распределением случайных погрешностей в системах. На основании этого исследования были отвергнуты те системы, которые не обладали способностью привести необитаемый ПЛ на дистанцию визуального обнаружения выбранной цели.

Наиболее приемлемые на основании выполненного анализа ГСП с короткой (КБ), ультракороткой (СКБ) и длинной (ДБ) базами, а также гидролокационные и гиперболические системы.

1.2 Акустические КБ-системы Такие системы имеют несколько (от трёх и более) разнесённых друг от друга гидрофонов, расположенных в нижней части судна-носителя. Блок обработки, используя гидроакустические сигналы дистанции маяка-ответчика, выдаёт относительные и координаты подводного объекта в реальном масштабе времени. Достоинства такой системы, это её мобильность и достаточно высокая точность (около метра) определения координат объекта. Рабочая глубина ограничена 1000 метров. К основным недостаткам следует отнести требования к минимально длине судна-носителя, необходимость точной калибровки системы. А так же большая чувствительность системы к волнению моря, которая в несколько раз уменьшает точность позиционирования. Для уменьшения влияния качки используется специальный блок компенсации влияния качки на изменение гидроакустических сигналов с маяка-ответчика. Благодаря их низкой стоимости такие системы широко использовались и используются для выполнения задач позиционирования подводных аппаратов и водолазов, хотя в последнее время они постепенно вытесняются более простыми и технически развитыми СКБ-системами.

Для типичной КБ — системы необходимо иметь специальное надводное судно с закрепленной на его корпусе решеткой из приемников или преобразователей (или их комбинаций). Если приемоответчик (ответчик) или синхронизированный маяк (получатель) установлен на дне моря, то разность времен прихода сигналов к разным частям решетки будет определять разницу дистанций (пеленгов), что даст возможность вычислить положение надводного судна по отношению к приемоответчику или маяку. Таким образом, буровое или иное судно может определяться по отношению к устью скважин или, если маяк установлен на ПА, управлять движением аппарата по отношению к обеспечивающему судну.

1.2.1 КБ — система с маяком Эта система определяет местоположения объекта методом измерения пеленгов. Измеряя разницу во времени приёма акустического сигнала приемниками dt, можно точно определить пеленг на маяк как это показано на рисунке 1.1 для двухмерной модели вдоль оси X:

1 — приемники; 2 — дно моря; 3 — природный маяк.

Рисунок 1.1 — Геометрическое представление определения координат в плоскости xz для КБ-системы с маяком.

На рисунке показан основной комплект аппаратуры, необходимый для работы КБ — системы с маяком, который состоит минимум из трех приемников. Для учета бортовой и килевой качки в нем предусмотрены устройства измерения отклонений от вертикали.

1 — приемник; 2 — блок определения отклонения от вертикали; 3 — компенсационный тракт крена; 4 — кандалы приемного тракта; 5 — преобразователь время — напряжения; 6 — блок компенсации крена и смещения; 7 — глубина; 8 — смещения маяка и приемника; 9 — дисплей; 10 — формирователь сигнала; 11 — генератор; 12 — излучатель; 13 — блок питания; 14 — природный маяк.

Рисунок 1.2 — Структурная схема КБ — системы с маяком.

1.2.2 КБ-система с приемоответчиком Использование приемоответчика (транспондера) вместо маяка дает целый ряд преимуществ:

а) приемоответчик излучает сигнал только после запроса, поэтому остальное время он молчит. Таким образом увеличивается срок службы батарей, что весьма полезно, если устье скважины приходится оставлять на период плохой погоды;

б) доступность измерения абсолютного времени прохождения посылки обеспечивает возможность решения геометрических трехмерных соотношений системы приемник — приемоответчик без всяких упрощений. В случае использования маяков, можно измерить лишь разницу во времени;

в) запросы приемоответчика могут быть запрограммированы, поэтому скорость поступления данных можно соотнести с требованиями навигационной обстановки. При использовании нескольких приемоответчиков (что часто встречается) запросы могут быть распределены во времени таким образом, чтобы избежать взаимного перекрытия ответов;

г) точное знание моментов запросов и управления ими дает возможность организовать «временное окно» для приема ответных сигналов приемниками. Таким образом будут использоваться только те сигналы, которые приходят в моменты времени, соответствующие открытому «окну». Это значительно снижает объем ложных тревог и поступление сигналов, связанных с явлением многолучевости;

д) в случае использования двух запрашивающих устройств и двух приемоответчиков становится возможным выбрать лучшую «акустическую картину». Это снижает эффект маскировки звука буровой колонной или вертикальным участком трубопровода и обеспечивает чистоту сигналов как для приемоответчиков, так и для приемников.

Если КБ — система используется для управления АП и необходимо знать геодезические координаты, то положение решетки приемников следует вычислять, используя стандартную процедуру гидрографического определения места и наземную, либо спутниковую систему навигации.

1 — приемоизлучатели; 2 — блок определения отклонения от вертикали; 3 — компенсационный тракт крена; 4 — канал приемного тракта; 5 преобразователь время — напряжение; 6 — умножитель; 7 — блок компенсации крена и смещения; 8 — глубина; 9 — смещения приемоизлучателя и приемоответчика; 10 — дисплей; 11 — переключатель прием — передача; 12 — генератор; 13 — импульсный генератор; 14 — запросчик; 15 — тракт дистанции — R; 16 — гидрофон ответчика; 17 — блок импульсной логики; 18 — приемоответчик (транспондер).

Рисунок 1.3 — Структурная схема КБ — системы с приемоответчиком (транспондером).

На рисунке 1.3 показан основной комплект аппаратуры, использующий минимальное количество приемников (три) в режиме дистанция/пеленг для работы КБ — системы с приемоответчиком. Хотя электронная часть КБ — системы с приемоответчиком более сложна, по сравнению КБ — системой с маяком, это компенсируется преимуществами, которые приведены выше.

1.3 Акустические СКБ-системы В основе построения СКБ систем лежит принцип определения координат маяка-ответчика по дистанции и углу. Типичная ГСП такого типа состоит из ППА c множеством приёмо-передающих элементов расположенных в виде сферы, блока обработки и блока компенсации влияния качки. Дальность действия таких систем доходит до 4000 м. Степень точности зависит от положения маяка-ответчика относительно ППА и выражается в процентах от дистанции и угла.

1 — маяк, 2 — приемоответчик (транспондер), 3 — кабель, 4 — буксируемый ПА с ответчиком, 5 — буксируемый ПА с приемоответчиком.

Рисунок 1.4 — Варианты СКБ-систем.

Внедрение СКБ — систем основывалось на современном развитии микропроцессорной техники, которая произвела революцию в области акустических систем определения местоположения. Близкое расположение датчиков СКБ — систем делает невозможным детектирование огибающих импульсов, как и измерение относительного времени прихода сигналов, обычно используемое в КБ — системах. Вместо этого СКБ — системы основаны на принципах измерения разности фаз или сравнении фаз акустического сигнала на элементах приемника.

На рисунке 1.4 изображены четыре основные схемы организации СКБ — систем:

а) схема с маяком (излучателем) — требует знания глубины и угла наклонения луча;

б) схема с приемоответчиком — требует знания дистанции и угла наклона луча, знание глубины не требуется;

в) схема с ответчиком (с односторонним прохождением сигнала и запуском ответчика по кабелю) — требует знания дистанции и угла наклона луча;

г) схема с приемоответчиком (ответчиком), установленным на автономном или буксируемом ПА — при известной глубине дает наибольшую точность путем согласования дистанции и глубины с углом наклона луча.

Выбор СКБ-системы производится в соответствии с 3 основными схемами их функционирования:

а) по углу наклона и глубине (А-модель) б) по углу наклона и дистанции (Т-модель) в) по углу наклона, дистанции и глубине (ТН-модель) Основными преимуществами СКБ-систем являются их компактность и способность работать с одного борта любого судна, что следует из применения только одного приемника или преобразователя.

Обычно, при работах до 1000 м, точность определения координат не хуже 10 м. Этого достаточно для определения местоположения перемещающегося объекта, например подводного аппарата или водолаза, однако не достаточно для выполнения сложных подводных работ по бурению, строительству и т. п.

1.4 Акустические ДБ — системы Для построения ГСП используются три или более маяков стационарно устанавливаемых на морском дне, на расстоянии примерно 500 метров друг от друга в заданных точках с известными географическими координатами. ППА на борту судна получает гидроакустические сигналы от каждого базисного маяка и маяка-ответчика. Координаты местоположения ДБ — системы определены относительно морского дна, а потому могут быть соотнесены с самим дном, основанием платформы в абсолютных или относительных единицах.

а) надводное судно, б) наклонные дальности до приемоответчиков Т1, Т2, Т3, установленных на дне. 1 — преобразователь, 2 — донная решетка приемоответчиков, 3 — ПА.

Рисунок 1.5. Навигационная ДБ-система.

С помощью геометрических и математических преобразований блок обработки определяет абсолютные координаты маяка-ответчика. При перемещении подводного объекта на мониторе выводиться траектория движения в реальном масштабе времени.

В ДБ-системах используются придонные приемоответчики, работающие на различных частотах, поэтому их сигналы можно отличать друг от друга. На борту судна или ПА регистрируется время запроса приемоответчика, так же, как и время ответа. Для определения расстояния до ответчиков вычисляется половина времени прохождения сигнала Существует несколько режимов передачи, методов калибровки и алгоритмов слежения, которые используются в ДБ-системах:

а) ДБ-системы для судна. В нем решетка приемоответчиков запрашивается преобразователем на одной частоте, а ДПА на другой. По времени, затрачиваемом на сигнал определяется их местоположение.

б) ДБ-система для ДПА. Сигнал идет не с борта, а с ДПА.

в) ДБ — система для автономного ПА. Сигнал идет и с судна и с АПА. Определяется расстояние между судном и АПА и расстояние между АПА и приемоответчиками. В результате 2 циклов определяется взаимное месторасположение судна и АПА.

г) ДБ-система с синхронизацией. Используя синхронизацию задающего генератора на судне и блока времени на АПА вычисляется расстояние между АПА и приемоответчиками и соответственно положение АПА.

Достоинства таких систем высокая точность определения координат (субметровая точность), отсутствие влияния на точность системы степени волнения моря и типа судна-носителя, практически неограниченная глубина использования.

Основные недостатки это громоздкость системы, необходимость точной выставки базисных маяков на морском дне, необходимость подъёма базисных маяков по окончанию работ. Основное применение таких систем — длительные работы по обследованию каких-либо подводных объектов, строительство и эксплуатация нефтедобывающих платформ, прокладка трубопроводов.

1.5 Акустические LUSBL-системы Представляют собой комбинацию LBL и USBL систем, объединяя в себе все их достоинства. Такие ГСП обладают повышенной (сантиметровой) точностью, работают с большим количеством подводных объектов и применяются для выполнения наиболее сложных подводно-технических работ, как, например, постройка и обслуживание нефтедобывающих комплексов.

1.5.1 GIB-система В последние годы на рынке гидроакустических систем появилась принципиально новая система позиционирования, которая использует основные принципы построения стандартных ГСП LBL и SBL типа с одновременным сопоставлением координат с сигналами DGPS (DGPS или дифференциальная система GPS выдаёт координаты объекта с точностью до 0,5 м, за счет корректировки сигналов GPS от стационарной наземной станции). Её нельзя отнести к какому-либо вышеописанному типу, хотя в чём-то она напоминает LBL и SBL системы.

Рисунок 1.6 — GIB-система позиционирования.

Французская компания ACSA предложила использовать несколько плавающих буев с гидроакустическими ППА и приёмниками DGPS для получения координат маяка-ответчика. Она назвала свою систему — GIB система, от английского GPS Intelligent Buoys. ППА и приёмник DGPS на каждом буе работают в строгой синхронизации по времени и посылают полученные данные, в УКВ диапазоне на центральный модуль, обычно установленный на судне носителе, для их дальнейшей обработки.

К основным достоинствам GIB системы можно отнести очень высокую точность определения абсолютных координат подводного объекта (до 0,5 м), мобильность, возможность быстрой транспортировки и установки на различных типах судов-носителей, возможность работать на малых глубинах (5−15 метров), стоимость сравнимая с USBL системами.

Диапазон применение такой ГСП велик. Благодаря своей мобильности, высокой скорости развёртывания и нетребовательности к типу судна, такая система идеальна для выполнения работ в любых условиях.

1.6 Источники помех ГА При приеме гидроакустических сигналов необходимо учитывать уровень полезного сигнала и маскирующие помехи. Частотный спектр гидроакустических помех перекрывает весь диапазон используемых в гидроакустике сигналов, вследствие чего гидроакустические помехи являются основным фактором, ограничивающим дальность действия гидроакустических средств.

Существует 4 типа ГА помех:

а) Шумы моря;

б) Шумовыносителей;

в) Организованные помехи;

г) Реверберационные помехи.

Шумы моря обусловлены взаимодействием океана и атмосферы, разрушением и подвижками ледового покрова, жизнедеятельностью морской фауны, тектонической деятельностью земной коры, техническими и тепловыми (на высоких частотах) шумами.

Шумы носителей определяются шумами, создаваемыми движителями, вибрациями судовых механизмов и конструкций и гидродинамическими шумами, связанными с обтеканием. Шумы, создаваемые винтами и вибрациями механизмов, имеют выраженные дискретные составляющие, частоты которых кратны числу оборотов механизмов.

Организованные гидроакустические помехи создаются специально различными гидроакустическими средствами (стационарными, судовыми, самоходными и дрейфующими) в диапазоне частот используемых сигналов для снижения вероятности и дальности обнаружения.

Реверберационные помехи — послезвучание в морской среде после выключения источника акустических колебаний, возникающее в результате многократных отражений от поверхности и дна моря, и из-за рассеяний на неоднородностях морской среды.

Для борьбы с реверберационной помехой используют в режиме приема узкополосную фильтрацию, позволяющую выделить движущие объекты, отражения от которых сдвинуты по частоте из-за эффекта Доплера. Различают следующие виды реверберации:

Объемная реверберация образуется температурными, воздушными и биологическими рассеивателями в толще морской среды; она убывает обратно пропорционально времени во второй степени. Интенсивность объемной реверберации в момент начала времени t от начала излучения вычисляется по формуле:

(1.1).

где — коэффициент объемной реверберации, характеризующий рассеивающую способность моря,.

— длительность импульса,.

— акустическая мощность источника звука,.

— коэффициент концентрации, коэффициент пространственного затухания.

Поверхностная реверберация образуется из-за рассеивания акустических волн волнистой поверхностью моря и неоднородностями, в основном в виде воздушных пузырьков, в поверхностном слое; она убывает обратно пропорционально третей степени времени. Интенсивность поверхностной реверберации в точке излучения в момент времени t вычисляется по формуле:

(1.2).

где H — толщина поверхности слоя, рассеивающего звуковые волны.

Донная реверберация образуется из-за рассеивания акустической энергии от неоднородностей дна и рассеивателей в придонном слое морской среды. Особенно сильно донная реверберация проявляется в мелком море при слабо поглощающем акустическую энергию дне (камень, твердые грунты). Она убывает обратно пропорционально в четвертой степени времени, т. е. быстрее объемной и поверхностной ревербераций. В случае движения рассеивателей при объемной и поверхностной реверберациях может наблюдаться эффект Доплера. Интенсивность донной реверберации в момент времени t вычисляется по формуле:

(1.3).

где h — глубина моря.

Реверберация, особенно в мелком море, имеет значительную когерентность в вертикальной плоскости за счет того, что сигналы, рассеиваемые под большими углами и определяющие реверберацию на малых расстояниях, постепенно затухают, особенно на мелководье при распространении от дна к поверхности и обратно. В горизонтальной плоскости реверберация слабо когерентна.

2. Проектная часть.

2.1 Устройство гидроакустической системы Гидроакустическая система состоит из одной или нескольких приёмо-передающих антенн (ППА), устройства управления режимами работы ППА, блока обработки, выдачи и сохранения полученных данных, выполненного обычно на базе персонального компьютера со специальным программным обеспечением.

На сегодняшний день существует огромное количество ППА различных производителей, которые, в основном, обладают сходными техническими параметрами, являются взаимозаменяемыми для различных гидроакустических систем и отличаются лишь различной технологией и материалом изготовления приёмо-передающих элементов.

Основным элементом обработки гидроакустических данных является специальное программное обеспечение (ПО), которое не только «выжимает» максимум информации из получаемых данных, но и вносить, при необходимости, изменения в режимы работы ППА. Такой режим работы ПО предъявляет большие требования к скорости обработки данных компьютером, т.к. запись, измерения и выдача необходимых команд управления должны производиться в реальном масштабе времени. Но на сегодняшний день, благодаря быстрому развитию компьютерных технологий и систем передачи информации, возможности ПО практически не ограничены быстродействием компьютеров, а зависят лишь от используемых алгоритмов фильтрации и обработки данных с ППА.

Визуальное представление полученных и обработанных данных возможно на мониторе, термопринтере, видеомагнитофоне, а при наличии локальной сети или сети Интернет, на любом удалённом устройстве.

Качество и достоверность полученной с помощью гидроакустических приборов информации зависит, прежде всего, от технических параметров самого гидроакустического прибора и ППА. Однако нельзя не учитывать сложные физические и геометрические законы распространение звуковых волн в водном пространстве. Скорость распространения звука в воде величина непостоянная и изменяется в пределах от 1470 до 1550м/с, это обусловлено изменением солёности, температуры и гидростатического давления различных слоёв воды. Расположения ППА по отношению к поверхности воды или морскому дну без учёта направления излучения акустических сигналов может вызвать так называемые зоны «поверхностной или донной засветки» на мониторах гидроакустических приборов. Но даже при соблюдении всех условий и внесении необходимых поправок в систему обработки данных, велико влияние на ППА посторонних шумов от двигателя судна и естественных морских шумов.

Основными параметрами гидроакустических приборов и устройств является частота излучаемого акустического сигнала и угол обзора (диаграмма направленности). Диапазон частот лежит в пределах от единиц килогерц до мегагерц, чем больше частота, тем меньше дальность проникновения сигнала. Диаграмма направленности определяет тип и область применения гидроакустического устройства и различается величиной углов в вертикальной и горизонтальной плоскости.

По количеству излучаемых ППА сигналов различают однолучевые и многолучевые системы. Многолучевые системы производят одновременное сканирование с помощью нескольких десятков гидроакустических сигналов. Они позволяют покрыть большую площадь при сканировании в единицу времени и за счет применения большого количества сигналов с узкой диаграммой направленности получить изображение с высоким разрешением. С использованием компьютерных технологий для обработки и фильтрации данных возможно получение изображений с фотографической чёткостью. В настоящее время многолучевые системы становятся всё более популярными, несмотря на их высокую (сотни тысяч долларов) стоимость.

ППА однолучевых систем способна излучать и принимать только один гидроакустический сигнал в единицу времени. Однако благодаря их надёжности, простоте в эксплуатации и относительно низкой стоимости, однолучевые системы продолжают интенсивно развиваться и находят широкое применение в различных сферах деятельности.

2.2 Принцип действия системы позиционирования в нефтедобывающем комплексе Гидроакустическая система позиционирования содержит базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенный на объекте навигации, гидроакустический приемопередатчик, посредством которого измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между подводным объектом и гидроакустическими приемоответчиками. Приемная гидроакустическая антенна состоит из четырех гидрофонов, каждая секция антенны состоит из двух одноканальных и одного многоканального модуля, установленных на линейном несущем кронштейне, выполненном перфорированным, антенны приемников выполнены в форме сферической поверхности и размещены на стальной пластине, по крайней мере, один из М гидроакустических приемоответчиков, установлен на водной поверхности. Технический результат — повышение надежности при обеспечении позиционирования подводных объектов.

Гидроакустическая синхронная система позиционирования, содержащая донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенные на объекте позиционирования гидроакустический передатчик, генератор синхроимпульсов, М-канальный приемник, М измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до приемоответчиков и обратно, М· N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по N в каждом из каналов из М, М блоков выбора максимального значения дистанции из N значений и вычислитель координат объекта позиционирования, в котором в каждый из М каналов введены по числу лучевых траекторий N-1 дополнительных измерителей времени распространения гидроакустических сигналов, N-1 мультивибраторов задержки, N-1 мультивибраторов строб-импульса, N-1 селекторов, причем первые входы N-1 измерителей распространения соединены с выходом генератора синхроимпульсов, вторые входы соединены с первыми выходами соответствующих селекторов, а выходы соединены с М· N входами блока преобразования временных интервалов в дистанции, первый вход каждого из селекторов соединен с выходом соответствующего мультивибратора строб-импульса, второй вход соединен с выходом соответствующего канала приемника, вход первого мультивибратора задержки соединен с выходом соответствующего канала приемника, а выход каждого последующего мультивибратора задержки соединен с вторым выходом соответствующего селектора, в каждый из М каналов введена N (N-1), дополнительных блоков преобразования временных интервалов в дистанции, N-1 дополнительных блоков выбора максимального значения дистанции и усреднитель дистанции, причем входы каждого из N-1 наборов по N блоков преобразования временных интервалов в дистанции соединены с соответствующими выходами N-1 дополнительных измерителей временных интервалов, а выходы соединены с входами N-1 дополнительных блоков выбора максимального значения, выходы всех блоков выбора максимального значения дистанции соединены с N входами усреднителя дистанций, а выход усреднителя дистанций соединен с входом вычислителя координат объекта позиционирования.

Навигационная база системы состоит из 12 маяков-ответчиков и предварительно калибруется в относительных и в географических координатах (относительная и абсолютная калибровки) с помощью судна обеспечения, оснащенного бортовым комплексом спутниковой и гидроакустической системами позиционирования. После выработки своего энергетического ресурса маяки-ответчики заменяются, при этом производится новая калибровка донной навигационной базы.

Задачей настоящего технического предложения является повышение надежности при обеспечении позиционирования бура с одновременным расширением функциональных возможностей.

Поставленная задача решается за счет того, что в гидроакустической системе позиционирования, содержащей базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенного на объекте навигации гидроакустического приемопередатчика, посредством которого измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между подводным объектом и гидроакустическими приемоответчиками; приемная гидроакустическая антенна состоит из четырех гидрофонов, каждая секция антенны состоит из двух одноканальных и одного многоканального модуля, установленных на линейном несущем кронштейне, выполненным перфорированным, антенны приемников выполнены в форме сферической поверхности и размещены на стальной пластине, по крайней мере, один из М гидроакустических приемоответчиков установлен на водной поверхности.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами.

Подводный грунт 1, водная поверхность 2, донные гидроакустические приемоответчики 3, судно с располагающемся на нем приемоответчиком 4 на поверхности 2, снабженный спутниковым связным модулем 6 и гидроакустическим приемоответчиком 5, бур 7, спутники 8 низкоорбитальной системы спутниковой навигации, спутники 9 среднеорбитальной системы спутниковой навигации.

Рисунок 2.1 — Схема формирования навигационной базы.

Приемники 10, 11, 12, 13, подводный объект 7 или донный гидроакустический приемоответчик 3.

Рисунок 2.2 — Поверхности положения подводного объекта в гидроакустической системе позиционирования с ультракороткой базой.

Формирователь характеристики направленности (ФХН) 18, широкополосный фильтр 19 с коррекцией амплитудно-частотной характеристики, ограничитель 20, узкополосный фильтр 21, детектор 22, интегратор 23, пороговую схему 24.

Рисунок 2.3 — Функциональная схема приема сигнала «включение» .

Широкополосный фильтр 25 с коррекцией амплитудно-частотной характеристики, ограничитель 26, узкополосный фильтр 27, детектор 28, интегратор 29, узкополосный фильтр 30, детектор 31, интегратор 32, пороговую схему 33, схему выбора максимума 34.

Рисунок 2.4 — Функциональная схема обработки сигналов.

Кодер 35, устройство формирования 36 пакетов сообщений на передачу, устройство формирования 37 алгоритма передачи пакетов сообщений, устройство управления 38 с программой работы передатчика на излучение (3−8 раз/сутки).

Рисунок 2.5 — Спутниковый связной модуль.

Приемоответчик 4 представляет собой устройство, состоящее из полиуретанового корпуса, на котором размещена спутниковая антенна. Внутри корпуса установлена аппаратура измерения, обработки и хранения информации.

Обработка сообщений включает помехоустойчивое кодирование, разбивку каждого сообщения на пакеты с длительностью, зависящей от состояния взволнованной поверхности, передачу пакетов сообщения на ретранслятор по алгоритму, автоматически формируемому в зависимости от морского волнения, которое определяется посредством спутниковой навигационной системы в соответствии с определенными алгоритмами.

Очевидно, что позиционирование маяка-ответчика на морской поверхности не требует проведения относительной и абсолютной калибровок полигона, который необходим при использовании донных гидроакустических маяков-ответчиков, так как наличие у маяка-ответчика GPS приемника позволяет ему «знать» свои географические координаты в реальном масштабе времени с высокой точностью. Позиционирование бура относительно донных приемоответчиков и маяков-ответчиков может осуществляется как в режиме с длинной, ультракороткой базой (ДБ и УКБ), так и в комбинированном режиме ДБ/УКБ.

Бур оснащается соответствующими режиму работ гидроакустическими приемо-передающими антеннами, навигационным контроллером и навигационным программно-математическим обеспечением.

Маяк-ответчик работает в режиме «запрос-ответ» и в режиме «пингер» (маяк). В режиме с длинной базой при определении координат бура решается триангуляционная задача. При этом площадь или протяженность зоны действия системы зависит от энергетической дальности действия гидроакустической связи, глубины расположения подводного объекта, гидрологии, шумов подводного объекта и морской поверхности. При этом в отличие от позиционирования с использованием только донной навигационной базы совместное позиционирование посредством маяков ответчика и донных приемоответчиков существенно расширяет функциональные возможности подводного объекта, дает возможность оперативно оборудовать рабочий полигон любой площади и протяженности, позволяет подводному объекту определять свои координаты в реальном времени, получать данные по своим координатам в любое необходимое время или постоянно в автоматическом режиме.

При этом каждый сигнал маяка-ответчика имеет специальный формат и кодировку и несет в себе информацию о географических координатах маяка-ответчика и донных приемоответчиков, его индивидуальном номере, направлении и скорости его перемещения на поверхности относительно донных приемоответчиков. Алгоритм работы системы позиционирования с применением маяков-ответчиков имеет гибкую структуру и может быть легко адаптирован как под заранее прокладываемый маршрут бура на полигоне, так и под определение координат бура в любое конкретное время ее работы на полигоне в различных гидрологических условиях, условиях шума, в том числе с соблюдением условия защиты от обнаружения.

2.2.1 Передача ГА сигналов по траектории прохождения бура В разрабатываемой гидроакустической системе позиционирования применена комбинированная система гидроакустического позиционирования с длинной и ультракороткой базой, которая позволяет использовать пеленгационную систему решения задачи выхода бура в точку установки буровой скважины. При этом гидроакустическая антенна донных приемоответчиков, как и бура, представляет две имеющие общий центр базы из приемников. Если две приемные базы расположены в плоскости, параллельной плоскости палубы, и ортогональны, ось одной базы направлена вдоль осевой линии бура, а ось другой базы направлена по траверзу вправо.

Две имеющие общий центр базы из приемников позволяют определить направление на источник сигнала как линию пересечения двух конических поверхностей с совпадающими вершинами. Сдвиг фаз? электрических сигналов двух точечных приемников (первого второго), поступающих на входы приемного тракта, связан с углом между базовой линией и направлением прихода сигнала соотношением:

? =kcosб, (2.1).

где б — угол прихода сигнала,.

k — коэффициент, равный.

k=2р b/c, (2.2).

где b — длина базовой линии,.

— несущая частота, с — скорость звука в точке приема сигнала.

Таким образом б =arccos?/k.

Сдвиг фаз? электрических сигналов двух точечных приемников (третьего и четвертого), поступающих на входы приемного тракта, связан с углом между базовой линией и направлением прихода соотношением.

?=kcosв, в=arccos?/k.

Введя вспомогательные углы и Ш (Рисунок 2.2), получим, что при известной глубине Н подводного объекта выражения для координат подводного объекта, относительно центра базы. При этом плоскость с ординатой Н является третьей поверхностью положения. Очевидно, что.

cosШ =D/R,.

где D — дистанция,.

R — наклонная дальность,.

cos =x/D, cosб =x/R (cosШcosц)=(Dx)/(RD)=x/R,.

cosв=y/R (cosШcos)=(Dy)/(RD)=yR.

При этом cosб =cosШcos, cosв=cosШcos,.

=Hcosц/tgШ, =Hsinц /tgШ.

Откуда получаем:

=сН?ц1/a; =сН?ц2/b.

Так как плоскость палубы практически никогда не совпадает с плоскостью горизонта, то учитываются также влияние углов креназ и дифферентаг. Дифферент не сказывается на значении, а крен на значении, ось X направлена вдоль продольной оси подводного объекта, а ось У направлена по траверзу. Исправленные путем учета крена и дифферента значения координат маяка можно записать следующим образом:

=Htg[arctg (/H)+ г], (2.3).

=Htg[arctg (/H)+ з], (2.4).

где г и з — положительные значения приопускания носа и правого борта.

Информация о координатах маяка-ответчика относительно бура позволяет решить задачу выхода бура в точку нахождения буровой скважины, так как она легко преобразуется в значения курсового угла (КУ) и дистанции D:

КУ=arctg (y, x), D = ((2.5).

Решение обратной задачи дает возможность определить координаты бура на карте или планшете, на который предварительно наносится придонная установка. В том случае, когда определяется также наклонное расстояние до маяка-ответчика или донного приемоответчика, третьей поверхностью положения является сфера с радиусом, равным наклонному расстоянию. Формулы для вычисления координат упрощаются и имеют вид:

=(сR?)/б, (2.6).

=(сR?)/в (2.7).

Каждая приемная гидроакустическая антенна состоит из четырех гидрофонов. Секция антенны состоит из двух одноканальных и одного двухканального модуля, располагающихся на линейном несущем кронштейне. Расстояние между приемными гидрофонами двухканального модуля составляет 50 мм. Максимальное разнесение крайних приемников на кронштейне составляет 1000 мм. Кронштейн перфорирован, что позволяет располагать приемники в непосредственной близости друг от друга для проведения фазовой калибровки и с произвольным разнесением для проведения измерений направления прихода акустического сигнала.

Антенный комплекс состоит из 8-канальной 2-секционной приемной гидроакустической антенны и гидроакустической излучающей антенны. Каждая секция приемной антенны представляет собой 4-элементный неэквидистантный гидрофонный модуль, предназначенный для измерения проекции вектора прихода акустического сигнала на одну из горизонтальный осей в режиме ультракороткой базы, в пеленгационном режиме, либо для приема сигналов в режиме длинной базы на 4 рабочих частотах. Секции приемной антенны расположены в горизонтальной плоскости перпендикулярно друг к другу.

Таким образом, когда все гидрофоны производят прием на одной и той же рабочей частоте, реализуется режим определения задержки и направления прихода отклика от фиксированного маяка-ответчика или донного приемоответчика в режиме ультракороткой базы, а когда каждый из гидрофонов настроен на свою рабочую частоту, осуществляется режим измерения задержек от нескольких донных приемоответчиков и маяка-ответчика в режиме длинной базы.

Система передачи информации по гидроакустическому каналу на подводном объекте реализуется с использованием штатных средств гидроакустической связи. При этом в качестве устройств формирования и обработки сигналов могут быть применены как имеющая в составе гидроакустическая аппаратура, обеспечивающая режим гидроакустической связи, так и дополнительные устройства в виде приставок, подключаемых к их передающему и приемному трактам.

В качестве сигналов местоположения использованы тональные сигналы с частотой 3 кГц, излучаемые как в автоматическом режиме по специальной программе, так и в режиме запроса.

Для систем передачи информации, основанных на использовании тональных сигналов, помехоустойчивость системы определяется помехоустойчивостью обнаружителей сигнала «Включение» и обнаружителей информационных сигналов. Для обнаружения сигналов «Включение», представляющих собой отрезок гармонического колебания использован метод неоптимального некогерентного приема, обеспечивающий широкополосный прием с интегрированием после детектора 22. Функционально схема включает ФХН 18, обеспечивающий предварительное усиление и формирование ненаправленного пространственного канала с антенны маяка-ответчика, широкополосный фильтр 19 с полосой ?, ограничитель 20 и узкополосный фильтр 21 с полосой ?, образующую схему, обеспечивающую, при условии:

/ ?F>>1, (2.8).

Стабилизацию помех и подавления импульсной (широкополосной) помехи и обеспечивает выравнивание спектра помех на входе ограничителя 20, узкополосный фильтр 21, обеспечивающий формирование рабочих частот, детектор 22, имеющий линейную характеристику, интегратор 23, представляющий собой фильтр нижних частот с эффективной полосой пропускания:

?=1/Т, (2.9).

гдеТ=2 сек (длительность символа),.

пороговую схему 18, построенную на основании критерия Неймана-Пирсона, поскольку вероятность появления на ее входе сигнала существенно ниже вероятности его отсутствия.

Функциональная схема обработки сигнала (Рисунок 2.4) включает широкополосный фильтр 25 с полосой ?, ограничитель 26 и узкополосный фильтр 27 с полосой ?, которые образуют схему, обеспечивающую, при условии ?/?>>1, стабилизацию помехи и подавления импульсной (широкополосной) помехи и выравнивание спектра помехи на входе ограничителя 26, детектор 28, имеющий линейную характеристику, интегратор 29, который представляет собой фильтр нижних частот с эффективной полосой пропускания:

?=1/Т, (2.10).

гдеТ=0,5 сек (длительность символа),.

схему выбора максимума 34, обеспечивающую отбор максимального сигнала для последующего сравнения его с заданным порогом, пороговую схему 33, построенную на основании критерия идеального наблюдателя, поскольку весомость ошибок типа «ложная тревога» и типа «пропуск сигнала» можно считать одинаковым, то порог в схеме выбран из условия минимизации полной вероятности ошибки, при этом после превышения порога в схему выбора максимума 34 поступает команда, отключающая канал с максимальным сигналом. Таким образом, обработка сигнала при приеме сообщения сводится к обнаружению отдельных тональных сигналов с вероятностями F и D такими, чтобы сумма F+(1-D) не превышала 0,01, причем F+1-D. Спутниковый связной модуль предназначен для формирования пакетов и алгоритмов управления передаваемой информации на донные приемоответчики.

Маяк-ответчик, снабженный соответствующей аппаратурой, имеет возможность непрерывно принимать сигналы низкоорбитных и среднеорбитных спутниковых навигационных систем, обрабатывать их с определением высокоточных собственных координат в любой момент времени, а также определять действительное местоположение донных приемоответчиков. В определенный момент времени (по сигналу запроса с бура или по программе работы маяка-ответчика) эта информация передается по гидроакустическому каналу в виде шумоподобного кодированного сигнала определенного формата непосредственно на подводный объект или на донные приемоответчики. Определив свои координаты относительно маяка-ответчика и имея информацию о географических координатах последнего, бур выполняет собственное координирование в географической системе координат.

Для увеличения ресурса питания донных приемоответчиков они работают только в периодическом режиме. Их включение и выключение осуществляется по сигналам от маяка-ответчика.

2.3 Плавучая якорная система Для удержания судна в одной точке благодаря использованию данных местоположения применяется динамическое позиционирование (ДП). На глубоководье нефтедобывающие и буровые суда должны в течение длительного времени оставаться неподвижными внутри некоторой окружности над точкой входа буровой колонны в дно.

При этом в случае шторма или превышения предельных значений влияния окружающей среды выбранная система ДП должна быть максимально надежной.

В качестве выбранной системы ДП для нашего судна разработаем якорную система и плавучую установку для нефтедобычи, хранения и выгрузки с углеводородов в открытом море.

Рисунок 2.6 — Плавучая установка для нефтедобычи, хранения и выгрузки в соединенном положении.

Якорная система содержит цилиндрический якорный элемент (1), верхняя сторона которого предназначена для контакта с нижней стороной установки, якорные тросы для крепления к морскому дну и приводные средства для обеспечения контакта между якорным элементом (1) и плавучей установкой (2). Якорный элемент имеет такую плотность, что, когда он отсоединен от плавучей установки, он удерживается в плавучем состоянии на заданной глубине ниже уровня моря. Якорный элемент имеет нишу для размещения движителя (7) плавучей установки (2). Плавучая установка содержит указанную якорную систему, выполненную таким образом, что приводные средства включают запорные средства для крепления якорного элемента к плавучей установке при контакте с ней, или содержащую соединенные с якорным элементом (1) продуктопроводы (5), верхние концы которых могут перемещаться между нижним положением, в котором они отсоединены от плавучей установки (2), и верхним положением для соединения с этой установкой. Обеспечивается возможность плавучей установке быстро покинуть место стоянки в открытом море, а после возвращения быстро соединиться с якорной системой.

Якорная система содержит цилиндрический якорный элемент, верхняя сторона которого предназначена для контакта с нижней стороной плавучей установки, якорные тросы для крепления к морскому дну и приводные средства для обеспечения контакта между якорным элементом и плавучей установкой, при этом якорный элемент имеет такую плотность, что, когда он отсоединен от указанной установки, он удерживается в плавучем состоянии на заданной глубине ниже уровня моря, и, кроме того, якорный элемент имеет нишу для размещения движителя плавучей установки. Если плавучая установка имеет свой собственный движитель для изменения ее положения, то этот двигатель может быть размещен в указанной нише якорного элемента.