Измерительные системы пространственных координат сейсмоприемников при морских геофизических исследованиях

Актуальность проблемы. Одной из важнейших народнохозяйственных задач одиннадцатой пятилетки является развитие топливно-энергетической базы страны, что нашло свое отражение в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года». Для решения поставленной задачи большое значение имеет изучение геологического строения шельфовой зоны геофизическими методами в частности морской сейсморазведкой.

При проведении морских сейсморазведочных работ важна достоверность получаемой информации о геологических объектах, которая, кроме прочих факторов, в большой степени зависит от точного фиксирования пространственных координат сейсмоприемников, применяемых для регистрации временных полей отраженных сигналов. Необходимость фиксирования пространственных координат сейсмоприемников в момент регистрации сейсмических волн возникает особенно остро при проведении дорогостоящих высокоточных морских сейсмических работ, направленных на прямые поиски нефтегазовых месторождений.

Отсутствие информации о поверхности, на которой регистрировано временное поле, не позволяет проводить точный анализ полученных данных. При этом любые изменения временных и амплитудных характеристик принимаемых упругих волн интерпретируются как аномальные явления, связанные с геологическими объектами, что приводит к выбору ложного направления дальнейших нефтегазопоис-ковых работ, связанных с большими материальными затратами.

В силу перечисленных факторов контроль пространственного положения сейсмоприемников является необходимым условием при проведении морских сейсморазведочных работ и представляет практический интерес для повышения достоверности интерпретации сейсмического материала. Благодаря осуществлению такого контроля становится возможным решение ряда практических задач, в частности формирование и введение поправок в кинематические (времена регистрации) и динамические (уровни сигнала) характеристики принимаемых сейсмических сигналов.

Введение

указанных поправок зависимости от отклонения приемного устройства (косы) от расчетного профиля в конечном счете приводит к более точным геологическим результатам.

Б настоящее время непрерывный контроль за пространственным положением сейсмоприемников при проведении практических работ не производится, а применяются различные механические приспособления и устройства для обеспечения расчетной глубины погружения приемных устройств, которые не всегда отвечают требованиям практики. Бее применяемые устройства и способы контроля пространственного положения косы обладают низкой технологичностью, предусматривают отдельную регистрацию измеряемой информации и поэтому не нашли широкого применения при проведении массовых производственных работ. Учитывая большие объемы регистрируемой сейсмической информации, а также необходимость оперативной обработки полученных данных на ЭВМ с использованием измерительной информации, необходимо, чтобы последняя содержалась на том же носителе, что и сейсмическая информация, или же сейсмическая информация должна быть скорректирована с учетом положения косы перед регистрацией на магнитные носители.

Недостаточная разработка данной проблемы прежде всего связана с отсутствием решений ее теоретических и практических аспектов по созданию систем измерения и контроля пространственного положения сейсмоприемников и по использованию этой весьма ценной информации для повышения эффективности сейсморазведки в целом. Помимо этого, средства и системы рассматриваемого назначения представляют научный и практический интерес с точки зрения использования их для контроля пространственного положения различных объектов и сооружений.

Исходя из изложенного, разработка и исследование измерительных систем пространственных координат сейсмоприемников (ИС ПКС), а также путей использования получаемой информации для повышения эффективности морских геофизических исследований является актуальной задачей.

Актуальность работы подтверждается еще тем, что исследования и разработки по теме диссертации проводились в рамках Государственного плана экономического и социального развития Азербайджанской ССР на основании Постановлений Совета Министров Азербайджанской ССР №№ 380, 410, 501 в период с 1973;1984 гг по темам: «Разработка и исследование бесконтактных преобразователей технологических параметров и импульсных элементов местной автоматики для систем управления и контроля нефтяной и химической промышленности», «Исследование и разработка технических средств и систем сбора, преобразования и передачи информации в нефтяной промышленности» .

В процессе выполнения диссертационной работы большую помощь оказывал доцент кафедры «Автоматика, телемеханика и электроника» Абдуллаев И. М., которому автор выражает искреннюю благодарность.

Цель работы. Целью настоящей работы является решение методологических и практических вопросов контроля положения объектов, исследование и разработка ИС ПКС для повышения эффективности морских геофизических исследований.

Основными задачами исследований в диссертационной работе являются:

1. Анализ и обобщение задач, решаемых геофизическими измерительными системами при морской сейсморазведке.

2. Выбор и обоснование путей повышения эффективности морских геофизических исследований.

3. Изыскание рациональных путей получения измерительной информации о положении контролируемых объектов, разработка структур и алгоритмов функционирования ИС ПКС.

4. Исследование и разработка многоканальных геофизических измерительных систем с формированием и введением коррекции по временным и амплитудным характеристикам выходных сигналов сей-смоприемников.

5. Решение теоретических и практических задач по созданию датчиков информации с улучшенными метрологическими характеристиками для построения ИС ПКС.

6. Инженерное проектирование, разработка и внедрение измерительных систем и устройств для контроля пространственного положения объектов.

Методы исследований базируются на теории электрических цепей, теории поля, уравнениях математической физики, численных методах анализа. Основные теоретические выводы подтверждаются результатами экспериментальных исследований в лабораторных и натурных условиях, а также цифровым моделированием на ЭВМ.

Научная новизна. Научную новизну проведенных в диссертационной работе исследований составляют:

1. Принципы построение измерительных систем пространственных координат сейсмоприемников для определения профиля сейсмо-приемной косы при морских геофизических исследованиях.

2. Структуры и алгоритмы функционирования многоканальной геофизической измерительной системы с коррекцией временных и амплитудных параметров выходных сигналов сейсмоприемных устройств.

3. Методика выбора рационального количества контролируемых точек и мест расположения датчиков информации в ИС ИКС.

Математическая модель датчика пространственного угла наклона и решение внешней краевой задачи электромагнитного поля для накладного токовихревого преобразователя с задающим элементом ограниченного размера.

Новизна принципов построения и способов улучшения метрологических характеристик устройств, составляющих основу разработанных измерительных систем, защищена тремя авторскими свидетельствами СССР на изобретения.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработанные структуры и алгоритмы функционирования ИС ПКС позволяют повысить эффективность морских геофизических исследований за счет правильного учета фактической формы сейсмо-приемной косысозданная базовая модель многоканальной измерительной системы, а также разработанные датчики пространственного угла наклона могут быть использованы при автоматическом контроле положения объектов в различных областях науки и техники.

Результаты, полученные в работе, были использованы при разработке многоканальной измерительной системы пространственного положения сейсмоприемной косы автономной буйковой станции, дрейфующей в море, которая внедрена в сейсмической партии ЮжВНИИГЕОФИЗЙКИ и используется для практических геофизических исследований в морских условиях.

Разработанная измерительная система для определения угла наклона морского стояка при непрерывном бурении скважин с полупогруженных буровых установок (ППБУ) внедрена на ППБУ «Касп-морнефть» МУРБ со СТС БПО «Каспморнефтегазпром». Экономическая эффективность от внедрения указанной системы составляет 191,432 тыс. рублей в год на одну ППБУ.

Результаты диссертационной работы использованы в научно-методических разработках кафедры «Автоматика, телемеханика и электроника» АзИНЕФТЕХИМа им. М.Азизбекова и внедрены в учебный процесс института.

Основные положения, выносимые на защиту:

— необходимость учета фактического положения сейсмоприемников для повышения эффективности морских геофизических исследований с использованием измерительной информации о пространственном угле наклона;

— принципы построения систем для получения и обработки измерительной информации о пространственном положении контролируемых объектов;

— методика определения пространственных координат сейсмоприемников и рационального количества контролируемых точек для размещения датчиков информации в ИС ПКС;

— структуры и алгоритмы функционирования многоканальной геофизической измерительной системы с коррекцией временных и амплитудных характеристик выходных сигналов сейсмоприемников- - способы построения, результаты теоретических и экспериментальных исследований частотных токовихревых измерительных устройств для контроля пространственного угла наклона и отклонения сейсмоприемников.

Апробация работы. Основные теоретические положения и экспериментальные результаты доложены и обсуждены на:

1. Всесоюзной конференции молодых ученых и студентов нефтяных вузов СССР. Баку, 1973.

2. Межвузовской конференции молодых ученых и студентов нефтяных вузов. Москва, 1975.

3. Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых «Проблемы разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений в условиях Крайнего Севера и Сибири». Москва, 1977.

4. Республиканской научно-технической конференции «Участие молодых ученых вузов, НИИ, КБ и специалистов промышленных предприятий республики по вопросу внедрения достижений науки и техники в производство». Баку, 1977.

5. Научной конференции по итогам выполнения важнейших научно-исследовательских работ Азербайджанского института нефти и химии им. М.Азизбекова. Баку, 1978.

6. Республиканской научной конференции аспирантов вузов Азербайджана. Баку, 1979.

7. Республиканской научной конференции аспирантов и молодых ученых вузов Азербайджана. Баку, 1984.

Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 13 печатных работ, из них 3 авторских свидетельства на изобретение.

Результаты работы включены в отчеты проблемной лаборатории автоматики и технической кибернетики АзИНЕФТЕХИМ им. М.Азизбекова по темам, выполняемым в рамках Государственного плана экономического и социального развития Азербайджанской ССР (№№ 0I8I5005646, 0I8I6005645), научно-исследовательской работы 60/77 «Разработка и изготовление устройства измерения угла отклонения сейсмоприем-ной косы от вертикали (угломер сейсмоприемной косы — УСК), -гос.регистр.№ 7 805 862.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 105 наименований и двух приложений. Текст изложен на 138 страницах основного текста, содержит 43 иллюстрации и 10 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Показано, что дальнейшее повышение эффективности морской сейсморазведки может быть достигнуто путем автоматического контроля пространственного положения сейсмоприемников с помощью ИС ПКС. Установлено, что при разработке систем указанного назначения целесообразно использовать измерительную информацию датчиков пространственного угла наклона, на основании которой, помимо определения положения сейсмоприемных устройств, возможно решение ряда задач по повышению эффективности морских геофизических исследований.

2. Предложены принципы построения измерительных систем для автоматического контроля пространственного положения сейсмоприемных устройств, рассмотрены области применения этих систем для решения широкого круга задач в нефтяной и газовой промышленности. Обоснована целесообразность использования частотного метода получения измерительной информации в этих системах.

3. Разработана методика рационального выбора количества и мест расположения контролируемых точек в этих системах для обеспечения достоверной информации о пространственных координатах СП и профиле сейсмоприемной косы при минимальных аппаратурных и временных затратах.

4-. Исследование и разработка методов и средств формирования и введения корректирующих поправок в характеристики выходных сигналов СП позволяет строить реальный годограф и определять глубины погружения СП на основе измерительной информации датчиков пространственного угла наклона.

5. Предложены структурные (централизованная, децентрализованная и комбинированная) и алгоритмические принципы построения многоканальных геофизических измерительных систем морской сейсморазведки с корректирующими каналами, в которых формированием и введением поправок во временные и амплитудные характеристики регистрируемых сигналов возможно значительное упрощение дальнейшей обработки и интерпретации данных сейсморазведки.

6. Исследованы вопросы аппаратурного обеспечения ИС пространственного положения сейсмоприемных устройств, в результате чего на основании сформулированных требований, предъявляемых к средствам измерения в морской сейсморазведке, предложено устройство для измерения пространственного угла наклона с преобразователем маятникового типа и устройство с преобразователем соленоидного типа. При этом установлено, что для определения координат СП с требуемой для практики точностью погрешность датчиков угла наклона должна быть не более Z% при достаточно высокой надежности и простоте конструкции.

7. Получена и исследована математическая модель преобразователя пространственного угла наклона маятникового типа и решена внешняя краевая задача для накладного токовихревого преобразователя с задающим элементом ограниченного размера. На основании анализа модели преобразователя дана методика расчета совокупности основных параметров катушки индуктивности и задающего элемента, обеспечивающей требуемые качественные и количественные показатели датчиков информации, что подтверждено экспериментально.

8. Разработан принцип построения и на основе цифрового моделирования исследованы метрологические и конструктивно-технологические характеристики измерительного преобразователя угла наклона соленоидного типа с задающим элементом в виде плоской короткозамкнутой катушки помещенной в диэлектрическом поплавке.

9. Исследованы методы и средства улучшения метрологических характеристик устройств пространственного угла наклона, в результате чего установлено следующее:

— для устройства с преобразователем маятникового типа с целью получения необходимой чувствительности и уменьшения нелинейности выходной характеристики в качестве задающего элемента следует использовать кольцо из красной меди с внешним диаметром, близким к среднему диаметру катушки индуктивности на ферритовом сердечникес той же целью, а также для обеспечения стабильной работы преобразователя во всем диапазоне измерения зазор между катушкой и задающим элементом должен находиться в пределах не менее 2 мм, а высота задающего элемента должна быть не менее 4 ммцелесообразно в качестве задающего элемента использовать двухслойный ЗЭ, состоящий из ферритовой и медной частей.

— в устройстве с преобразователем соленоидного типа для увеличения чувствительности высота соленоида должна быть равна половине его диаметра, а для уменьшения погрешности от смещения.

ЗЭ относительно оси соленоида рекомендовано использовать ЗЭ с наружным диаметром, близким к внутреннему диаметру каркаса соленоида, расположенного внутри кольца из ферродиэлектрика.

10. На основе теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и реальных условиях, разработана и внедрена в составе автономной буйковой станции, дрейфующей в море, шестиканальная ИС IIKC, имеющая следующие технические характеристики: рабочий диапазон измерения угла наклона — от 30* до 12°, основная погрешность измерения угла — не более 15*, глубина погружения датчиков — от 100 до 600 м, количество регистрирующих каналов — 6. Разработанная система используется сейсмической партией ЮжВНИИгеофизика для практических геофизических исследований в море.

11. Разработана и внедрена измерительная система для автоматического контроля положения морского стояка в процессе разведочного бурения скважин с ППБУ. Годовой экономический эффект от внедрения указанной системы в ППБУ «Каспморнефть» ВПО «Касп-морнефтегазпром», согласно приведенному в работе расчету экономической эффективности составляет 191,432 тыс. рублей на одну ППБУ.

12. Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс в АзИНЕФТЕХЙМе им. М.Азизбекова на кафедре «Автоматика, телемеханика и электроника» .

Отдельные положения диссертации могут быть использованы при создании систем контроля технологических параметров в нефтяной и газовой промышленности.