Иследование и разработка автоматизированной системы управления и контроля параметров группового пневматичесокго источника для морской нефтегазовой сейсморазведки

Задача освоения морских месторождений нефти и газа, как важнейшая народнохозяйственная проблема, была впервые выдвинута в решениях ХХ1У съезда КПСС. ХХУ и ХХУ1 съезды КПСС в своих решениях поставили задачу расширения и повышения эффективности морских работ с целью выявления и освоения перспективных подводных нефтяных и газовых месторождений.

К настоящему времени на обширных акваториях СССР выявлено значительное количество структур, перспективных на нефть и газ. Открыты нефтегазовые месторождения на шельфах о-ва Сахалин, Черного, Каспийского и Азовского морей. Расширяются масштабы исследований на акватории Баренцева моря, дальневосточных морей СССР.

Первопроходцем в освоении морских месторождений является геофизическая разведка, в которой на всех этапах и особенно на завершающем этапе детальных поисковых исследований главная роль отводится сейсмическому методу разведки. Качественные записи сейсмических волн, плотные системы наблюдений на завершающем этапе являются основой для наиболее достоверного построения геологического разреза. Эта задача решается обширным комплексом аппаратуры, оборудования и методических приемов проведения морской сейсморазведки. В этом комплексе одно из главных мест занимают средства возбуждения сейсмических сигналов, акустические характеристики и надежность которых решающим образом влияют на геологическую эффективность сейсморазведки в целом /2.20/.

В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года определено: «Обеспечить дальнейшее техническое перевооружение геологоразведочных организаций. Существенно сократить сроки создания и освоения новой техники» /1.1/. Создание высокоэффективных источников упругих колебаний, систем контроля и управления ими (СУиК) стимулируется усложнением геологоразведочных задач, ростом объема производства на акваториях и, как следствие, необходимостью совершенствования организации и автоматизации управления сейсморазведочных процессом.

Важность решения' этой проблеммы отражена в «Перечне основных научно-технических программ в области геофизических и инженерно-геологических исследований на I98I-I985 г. г. по Министерству газовой промышленности СССР» /1.2/. В Перечень, в частности, включен проект «Источник» (проблемное задание 2.1), цель которого — разработка комплекса источников (пневматических излучателей, СУиК ими, первичных преобразователей информации) с расширенными возможностями управления энергией и спектром возбуждаемых колебаний.

Анализ патентного материала, обзор научно-технических публикаций показывают, что наибольшее распространение получили источники возбуждения сейсмических сигналов, использующие энергию сжатого воздуха. В частности, за рубежом применение получили пневматические излучатели РАВ фирмы Bolt Associates lac. .(США). Выпускаемый этой фирмой нормальный ряд пневматических излучателей (ПИ) позволяет создавать до 200 комбинаций различных групп, способных синтезировать сейсмический сигнал любой наперед заданной формы и энергии.

Опыт зарубежных фирм показывает необходимость использования систем управления и контроля ПИ, позволяющих управлять, контролировать и автоматически вносить необходимую коррекцию времени срабатывания излучателей для групп, состоящих, как правило, из 40 и более излучателей.

В морских сейсморазведочных комплексах, выпускаемых в СССР, к 1980 году использовались одиночные излучатели или излучатели с числом элементов не более 4-х без автоматического контроля и управления. Это снижало возможности увеличения энергии излучения и управления спектром импульса-посылки, возбуждаемого группой излучателей.

Необходимость дальнейшего развития поисковых работ на континентальном шельфе СССР, социалистических и развивающихся стран, отвечающих современным требованиям, выдвигает целый ряд задач, требующих разрешения в ближайщее время. В области создания излучателей наиболее важные из этих задач состоят в следующем:

— необходимы теоретические и экспериментальные исследования, направленные на решение широкого круга вопросов, относящихся к группированию различных типов ПИ;

— необходима разработка устройств управления и контроля параметров больших групп излучателей, способных работать в комплексе с бортовой ЭВМ и имеющих каналы обратной связи для возможной коррекции времени срабатывания каждого из излучателей;

— необходима разработка ПИ с более высокой, по сравнению с существующими излучателями, суммарной запасенной энергией, с более высоким акустическим к.п.д. и обладающих увеличенным ресурсом работы.

Известно, что в последнее десятилетие наибольшее распространение в СССР получили пневматические и электроискровые источники сейсмических сигналов для акваторий. При этом электроискровые источники применяются, в основном, при сейсмоакустических исследованиях, поскольку они обеспечивают изучение верхней части разреза, и их вклад в разведку нефтегазовых залежей незначителея. Так, при глубинности по породам до 150−300 м этот метод обеспечивает превышение на 30−40 дб регулярных сейсмических сигналов над нерегулярными помехами и инструментальную разрешающую способность по времени 3−7 мс, при глубинности до 500−700 м — на 20−30 дб и 10−20 мс, при исследованиях по грунту от 700 до 1500 м динамический диапазон регулярной сейсмической записи еще более уменьшается и инструментальная разрешающая способность равна 25−50 мс. Если требуется, чтобы глубинность разведки по породам превышала 2000 м, то электроискровой источник не обеспечивает превышения регулярных сейсмических сигналов над уровнем нерегулярных помехпри работах на акваториях он уступает пневматическому и другим типам источников с энергией более 100 кДж, особенно при работах на шельфе /2.14/.

В 70−80 годы пневматические источники, обеспечивая практически весь объем морских сейсморазведочных работ на нефть и газ, долгое время оставались без существенных изменений.

Совершенствование сейсмического источника, как одного из основных элементов сейсморазведочной системы, позволит с минимальными затратами и в кратчайшие сроки повысить качество и эффективность сейсморазведочных работ. До настоящего времени наиболее распространенными в СССР пневматическими источниками сейсмических сигналов для акваторий являются «Импульс-I» с пультом управления ПУ-1 и ИГП-i с ПУ-2.

Пневматические источники «Импульс-1тт и ИГ11−1, хотя и отлича-* ются достаточно высокими энергетическими характеристиками, однако возбуждают сравнительно низкочастотные сигналы большой длительности, осложненные пульсациями, и во многих случаях не позволяют обеспечить получение качественной и достаточно разрешенной записи, необходимой для решения целого ряда геологических задач. Опыт применения невзрывных источников показывает, что технические возможности не только одиночных излучателей, но и малых групп (типа «Импульс-I» и Пи-IB) в настоящее время уже практически исчерпаны.

Вместе с тем, существует целый ряд задач, особенно при детальных работах, при изучении малоамплитудных структур, зон выклинивания, при работах на мелководье и т. п., для решения которых необходимо использование достаточно мощных излучателей с максимумами спектральной плотности на частотах 30−60 Гц, а иногда и выше, и имеющих сравнительно короткий сигнал, не осложненный пульсациями.

Одним из путей решения этой проблемы является использование больших неоднородных групп специально подобранных ПИ. У таких групп, наряду с более высокими требованиями к их надежности и стабильности работы отдельных излучателей, резко возрастают габариты и масса выносных забортных устройств. Поэтому использование. пневматических групп с большим суммарным объемом возможно лишь на специализированных геофизических судах, оснащенных сложным такелажным оборудованием, более совершенными и мощными компрессорными установками, а также соответствующими СУиК, имеющими каналы обратной связи.

Такие группы могут быть реализованы на основе излучателей нормального ряда типа «Сигнал», включающего набор унифицированных ПИ 3-х типоразмеров с различными объемами рабочих камер (от 0,1 до 15 л). Применение больших групп новых типов излучателей с соответствующими СУиК требует разработки соответствующих датчиков для контроля за соблюдением технологического режима работ, при этом основными контролируемыми параметрами являются стабильность возбуждаемого сигнала, глубина транспортирования группы, давление в рабочих камерах, а также разброс времени срабатывания отдельных излучателей.

Разработка автоматизированной системы управления и контроля параметров группового пневматического источника возбуждения заняла 4 года. СУиК защищена двумя авторскими свидетельствами и после завершения НИОКР выпускается серийно с 1983 года /9.1/. СУиК отнесена к высшей категории качества. Излучатели нормального ряда типа «Сигнал» защищены двумя авторскими свидетельствами, по ним закончен НИР, утверждено техническое задание на ОКР, который планируется завершить в 1985 году.

Система управления и контроля ПИ с 1984 г. демонстрируется на ВДНХ СССР в павильоне «Газовая промышленность» и отмечена I серебряной и б бронзовыми медалями.

В качестве одного из ответственных исполнителей (завлабораторией невзрывных источников КФ НИИМоргеофизика ВНПО «Союзморгео») автор принимал непосредственное участие в составлении и защите программ работ по темам, проведении научно-исследовательских работ, разработке макетов различных узлов, блоков и изделий в целом, проведении испытаний в полигонных и морских условиях, написании и защите отчетов по темам, составлении ТЗ на ОКР изделий, проведении ОКР, проведении предварительных и ведомственных приемочных испытаний, составлении и утверждении ТУ на выпускаемые изделия, а также в выпуске установочных серий и размещении системы и отдельных ее узлов на научно-исследовательских судах.

Так, в работе над созданием СУиК пневматическими излучателями автор, в качестве ответственного исполнителя темы, принимал участие с момента постановки темы, написания и защиты программы работ до ее завершения. Конструкторская документация выполнялась под руководством автора конструкторско-технологическим отделом КФ НИИМоргеофизика. В проведении НИР излучателей нормального ряда типа «Сигнал» автор осуществлял руководство и координацию работ групп исследователей.

Разработка датчика момента срабатывания излучателя и датчика давления в рабочей камере излучателя выполнялась автором, начиная с момента выработки технических требований и поиска материала для первичного преобразования давления. Датчик глубины транспортирования группы излучателей был создан автором в сотрудничестве с лабораторией шланговых приемных устройств КФ НИИМоргеофизика.

В теоретических и экспериментальных исследованиях автор приt нимал как личное участие, так и осуществляя научное руководство по отдельным направлениям.

Цель работы. Целью настоящей работы является исследование влияния технологических параметров группирования пневматических излучателей на характеристики возбуждаемых ими акустических сигналов и разработка на его основе автоматизированной системы управления и контроля параметров группового пневматического источника для морской нефтегазовой сейсморазведки.

Задачи исследований. Реализация поставленной цели потребовала решения ряда задач, основными из которых являются следующие:

1. Анализ современного состояния и тенденций развития средств возбуждения упругих волн для морской сейсморазведки (на примере групповых пневматических источников).

2. Исследование влияния нестабильности технологических параметров группирования пневматических излучателей на характерноти-• ки возбуждаемых сигналов.

3. Теоретическое и экспериментальное исследование стабильности работы электропневмоклапанов пневмоизлучателей.

4. Выбор контролируемых параметров и обоснование технических требований, предъявляемых к системе управления и контроля группового пневматического источника.

5. Выбор блок-схемы и разработка конструкции СУиК. Выбор типов и разработка конструкций датчиков и исполнительных элементов.

6. Согласование СУиК с другими системами комплекса «Групповой пневматический источник» .

7. Оценка эффективности применения группового пневматического источника с СУиК при морской сейсморазведке.

Методика исследований. В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследований, включающие: математическое и физическое моделирование, морские и полигонные экспериментальные работы, методы регистрации быстропротекающих процессов, численные методы обработки результатов наблюдений, разработка, изготовление и настройка аппаратуры СУиК, ее стендовые, полигонные и морские испытания в реальных производственных условиях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— обоснован оптимальный набор технологических параметров излучающего комплекса, подлежащих управлению в процессе возбуждения сейсмических колебаний, и определены требования к точности их задания и контроля;

— предложены и обоснованы принцип построения и функциональная схема автоматизированной системы управления и контроля группового пневматического источника, которые реализованы в конкретной разработке СУиК, обеспечивающей работу до 20 излучателей в группе и удовлетворяющей требованиям по проведению работ MOB ОГТ и КМПВ на акваториях. Автоматизированная СУиК группового пневматического источника, наряду с оперативным контролем технологических параметров возбуждения (рабочего давления, глубины погружения группы), дает возможность в широких пределах изменять параметры возбуждаемого сигнала (его амплитуду и спектр), а при пространственном группировании (линейном, площадном и др.) обеспечивает и управление характеристикой направленности источника;

— разработан и создан датчик глубины погружения группы излучателей, позволяющий с необходимой точностью измерять эту глубину в процессе транспортирования излучателей в диапазоне О-г-бО м, с защитой от динамических импульсов давления, превосходящих статическое давление в 304−50 раз;

— разработан и создан преобразователь давления на основе пьезорезистивной пленки, который позволяет измерять давление в рабочей камере излучателя в диапазоне от 1,0 до 20,0 МПа и время срабатывания излучателя с точностью 0,1 мс;

— проведены сравнительные испытания по оценке эффективности применения нового типа источников, оснащенных автоматизированной системой управления и контроля, при морской сейсморазведке.

Основные защищаемые положения.

1. Для обеспечения необходимой стабильности суммарного сигнала группы рабочее давление в камерах излучателей и глубина их погружения, в зависимости от конкретной методики работ, должны выдерживаться с погрешностью 4т8% и 5−10% от соответствующих номиналов. При этом максимальный допустимый разброс моментов срабатывания излучателей в неоднородной группе не должен превышать 1,0 мс.

2. Для измерения глубины транспортирования источника (гидростатического давления) в диапазоне глубин 0,2−60 м с погрешностью 2,5% целесообразно применять интегральный датчик давления, созданный на основе КНС-структур (пленка кремния на сапфире), имеющий на входе регулируемое устройство с высокой степенью демпфирования в диапазоне 0−6 с и защиту от динамических импульсов давления, превосходящих статическое в 30−50 раз.

3. Для измерения давления в рабочей камере с погрешностью измерения не более 4% в диапазоне 1−20 МПа и времени срабатывания излучателей с точностью до 0,1 мс целесообразно использовать преобразователь давления, изготовленный из пьезорезистивной пленки и размещенный в электропневмоклапане пневмоисточника.

4. Формирование для целей морской сейсморазведки достаточно мощных и стабильных сигналов с широкополосным спектром и высокой степенью гашения пульсаций с помощью неоднородных пневматических групп возможно лишь с использованием автоматизированной системы управления и контроля параметров группового источника, обеспечивающей как автоматическую синхронизацию моментов срабатывания отдельных излучателей группы, так и оперативный контроль основных технологических параметров: рабочего давления в каждом излучателе и глубины погружения всей группы.

5. Для повышения геологической эффективности и технологичности морских сейсморазведочных работ в состав аппаратурного ком плекса морской сейсморазведки целесообразно включать неоднородные пневматические группы на основе нормального ряда излучателей типа «Сигнал» с автоматизированными системами управления и контроля параметров источника.

Практическая ценность, внедрение.

На основе проведенных исследований под руководством и при непосредственном участии автора разработана автоматизированная система управления и контроля параметров группового пневматического источника. Автоматизированная СУиК, наряду с набором пневматических излучателей, компрессорным оборудованием, спуско-подъемным, транспортировочным и другим оборудованием, входит в состав комплекса «Групповой пневматический источник повышенной мощности», позволяющего реализовать практически любую из известных методик сейсмо-разведочных работ на море (НСП, МОВ-ОГТ, КМПВ, ГСЗ). Для практической реализации автором предложены также конкретные варианты неоднородных пневматических групп на основе разрабатываемых в настоящее время излучателей нормального ряда «Сигнал», возбуждающие достаточно мощные сигналы и отличающиеся высокой степенью гашения пульсаций с широкополосным спектром. Автоматизированная СУиК группового пневматического источника, наряду с оперативным контролем технологических параметров возбуждения (рабочего давления, глубины погружения группы), дает возможность в широких пределах изменять параметры возбуждаемого сигнала (его амплитуду и спектр), а при пространственном группировании (линейном, площадном и др.) обеспечивает и управление характеристикой направленности источника. Конструкция СУиК защищена двумя авторскими свидетельствами.

Комплекс «Групповой пневматический источник повышенной мощности» предназначен для оснащения современных геофизических судов. К настоящему времени им оснащены три судна: «Академик Гамбурцев», «Академик Голицын» и «Профессор Полшков». С 1985 года этой аппаратурой будет оборудовано еще девять аналогичных судов. Отдельные элементы комплекса, в той или иной конфигурации, кроме того, используются на многих геофизических судах, ведущих работы на аква— ториях.

Экономический эффект, рассчитанный по опытной эксплуатации одной СУиК группового пневматического источника, составляет 160 тыс. рублей в год (для всего комплекса — 510 тыс. рублей).

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав и заключения (138 страниц машинописного текста). Основные положения диссертационной работы иллюстрируются 50 фотографиями и П-ю таблицами в тексте. Список использованной литературы содержит 146 наименований.

Основные выводы по главе.

I. Выполненное сопоставление полученных временных разрезов по опытному профилю показывает эффективность использования при проведении мелководных сейсмических работ автоматизированной СУиК пневматическими излучателями с многоэлементным пневматическим источником типа «Сигнал с целью детального изучения геологического.

IS?

Группа &bdquo-С" (Nz=20, V4"IBW, H = 6.3″).

0 10 40 И M ««0 1W.

1 4 i t J 2 1 1 t 3 раОи-'ни ?Оъе*. ih1 4 3 2 8 1 65 u C. a 0.5 035 D!5 015 01 ма' -'. — ' -/д iz, а не IS э 183 110 145 27. G 30 a 36 6 42 D.

14(R>'I A и ИЧ" «- 00, oe 1,5 11 ! 6 3.1 ЗА 31 40 4).

Pm". =39.3 Ю5Па M, иди/-'.

ПГ «о 700 SO> 400 400 t,'.

0 to 40 Я0.

Pm.- !14Ю'П. .", Эгкил — (I S.

Э0С «30 500 t.MC.

2 группы &bdquo-С (раиа N*1) о ш ««t so 100 но f.U.

300 400 500 t, • 'US* I д* Ш.

½ группы &bdquo-С (ра*"№ 1) •56.".

I 2д*> L.

05a*j 2. аж"".

Т 1 ч .'.^OlSn-l.

7 ' Лв—-*.

J % jj «р ш ж.

ОН"-5.

Р" .

Группа hA>l=Ю, Ve422a"j. Н = &3″) pawa If i) rmSi = гЧг^ эсо да wj.

5 бо бЬ wo 120 f.iu.

Количеству «Цнуч.ШлЛЙ 1 1 г г 1 > 1 1 I.

РлбОчин объел. -с: 4. J IS* 1А* QB 05 025 015 0.1 | ч"стч>1 a tl. O (4 2 ISO гю 2*5 366 4 го].

ЗАЦ «р и «• - ¦ ' 'и- ¦¦ -1^,-. i» • ¦ мс 00 09 га гб 31 3.7. 4.0 4.3 J.

Рис. 4.2.1. Расчетные акустические характеристики и возможные конфигурации неоднородных пневматических групп «А* и «Си, рекомендуемых для практической реализации. разреза в условиях значительного изменения глубины залегания отражающих сейсмических горизонтов. Временные разрезы, получаемые с использованием СУиК источником типа «Сигнал», отличаются от временных разрезов, получаемых с использованием источника ИГП-1, более высокой степенью разрешенности сейсмической записи.

2. Наибольшей степенью разрешенности характеризуется сейсмическая запись, полученная с использованием источника «Сигнал» (Vj = 1,6 л). Сейсмическая запись, полученная с использованием источника «Сигнал» (V? = 3,5 л), имеет более высокую разрешенност! по сравнению с сейсмической записью от источника ИГП-I (V2 = 3 л).

3. Для практической реализации предложены неоднородные группы ПИ, которые с использованием автоматизированной СУиК позволяют создавать различные комбинации групп, имеющие амплитуду сигнала до 3,9 МПа*м при суммарном объеме 18,6 дм³ и отличающиеся высокой степенью гашения пульсаций и широкополосным спектром.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании выводов, детально сформулированных в соответствующих разделах, в качестве обобщающего итога диссертационной работы в целом следует отметить следующее.

С целью создания автоматизированной системы управления и контроля параметров группового пневматического источника для морской сейсморазведки проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния нестабильности глубины транспортирования излучателей и давления в рабочей камере излучателя на характеристики возбуждаемых сигналовисследована и дана оценка энергетических потерь при рассинхронизации групповых пневматических источников. Теоретические исследования и эксперименты позволили выработать основные требования как к собственно СУиК, так и ко всему комплексу «Групповой пневматический источник» с автоматизированным управлением и контролем параметров возбуждения.

В результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны: датчик контроля глубины транспортирования излучателейдатчик контроля давления в рабочей камере и контроля срабатывания излучателяавтоматизированная СУиК пневматическим источникомперечисленные разработки реализованы в комплексе «Групповой пневматический источник повышенной мощности» позволяющем решать на современном уровне задачи морской сейсморазведки. При этом имеется возможность в широком диапазоне изменять параметры излучаемого сигнала, его амплитуду и спектр путем вариации глубины погружения, временных задержек срабатывания излучателей в группе, подбора необходимых излучателей в группе по количеству и объемам рабочих камер, их размещения на транспортировочной раме, контроля технологического режима работ. Полное завершение начатых разработок, внедрение их в производство явится существенным обновлением и усовершенствованием технических средств морской сейсморазведки, позволит расширить масштабы, повысить качество и производительность морских сейсмических исследований.

Дальнейшее развитие работ, по мнению автора, должно идти по следующим направлениям:

1. Современная тенденция перехода к использованию больших групп источников возбуждения (в перспективе до 60 излучателей в группе) ставит вопрос об усовершенствовании известных и создании новых автоматизированных СУиК невзрывными источниками возбуждения, которые должны включаться в аппаратурный комплекс сбора геофизической информации. Такие системы должны включать в себя датчики первичной информации, каналы ее передачи и каналы обратной связи, устройства для стыковки с действующими бортовыми ЭВМ и обладать высокой точностью, стабильностью и универсальностью.

2. Представляется целесообразным ввести в систему управления и контроля спецвычислитель (из числа существующих или вновь разработанный) на базе микропроцессора с целью обеспечения надежного автоматического контроля и управления большими группами излучателей.

3. Необходима разработка и внедрение устройств по контролю.

• за излучаемым сигналом (регистрация сигнала в дальней зоне и регистрация геометрии расположения датчика и процесс этой регистрации) .

4. Необходимы разработки и внедрение в практику морской геофизики программ по обработке сейсмического материала с учетом: а) глубины транспортирования излучателейб) давления в рабочих камерах излучателейв) времени срабатывания излучателейг) сигнала в дальней зонед) геометрии расположения датчика регистрации сигнала в дальней зоне.