| Разработка и исследование пневматических источников упругих волн для морской сейсморазведки
Диссертация
Автор: Гуленко, Владимир Иванович
Название: Разработка и исследование пневматических источников упругих волн для морской сейсморазведки
Справка: Гуленко, Владимир Иванович. Разработка и исследование пневматических источников упругих волн для морской сейсморазведки : диссертация доктора технических наук : 25.00.10 Краснодар, 2003 331 c. : 71 04-5/332
Объем: 331 стр.
Информация: Краснодар, 2003
Содержание:
1 Пневматические источники в морской сейсморазведке (обзор)
11 Обзор известных конструкций пневматических излучателей
111 Краткий исторический очерк
112 Устройство и 1финцип работы пневматических излучателей
113 Основные требования, предъявляемые к конструкции пневматических излучателей
12 Ги^фодинамика подводного "физического взрыва"
121 Уравнения движения в жидкости сферической газовой полости Поле давлений пульсирующей полости
1211 Аппроксимация нулевого порядка (уравнение Рэлея)
1212 Аппроксимация первого порядка: уравнения Херринга и Келлера-Колоднера
1213 Аппроксимация второго порядка (аппроксимация Юфквуда-Бете)
122 Результаты численного решения уравнений движения сферической полости Анализ принятых допущений применительно к подводному выхлопу сжатого воздуха
1221 Сравнение результатов численного решения уравнений движения сферической газовой полости в жидкости
1222 Анализ влияния вязкости и поверхностного натяжения
13 Обзор публикаций по теоретическому и экспериментальному исследованию подводного выхлопа сжатого воздуха Основные количественные соотношения
131 Теоретическая модель пневматического источника в виде газовой сферы в безграничной жидкости
1311 Описание на основе уравнения Рэлея
1312 Описание на основе уравнения Келлера-Колоднера
1313 Применение аппроксимации 2-го порядка
132 Теоретическая модель пневматического источника в виде сферического газового слоя
1321 Решение на основе уравнения Рэлея
1322 Решение Шульце-Гаттерманна
133 Теоретическая модель Сафара
134 Теоретическая модель излучателей типа ПИ-200 и ПИ-1В
135 Модель Максакова-Роя по импульсному истечению газа в воду
136 Математическая модель пневматического излучателя PAR, разработанная Джонстоном
137 Экспериментальные исследования акустических характеристик пневматических излучателей
14 Грушпфование пневматических излучателей
141 Принципы построения пневматических групп
1411 Цели и задачи группирования
1412 Однородные пневматические группы
1413 Неоднородные пневматические группы
142 Методы расчета конфигураций пневматических групп
1421 Расчет однородных пневматических групп У) 1422 Расчет неоднородных пневматических грзшп
143 Методы расчетов суммарного сигнала пневматических групп
144 Методы учета взаимного акустического влияния излучателей в группе
15 Системы управления пневматическими источниками
16 Цели и задачи диссертационной работы
2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПНЕВМАТИЧЕСЬСИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ РЯДА «СИГНАЛ»
21 Разработка излучателей ряда «Сигнал»
211 Основные требования, 1федьявляемые к конструкции разрабатъшаемых излучателей
21-2 Методика ра^аботки излучателей ряда «Сигнал»
213 Конструкция излучателей ряда «Сигнал»
4 214 Конструкция электропневмоклапана и датчиков момента срабатывания пневматических излучателей ряда «Сигнал»
22 Теоретическое исследование пневматического излучателя Математическая модель излучателей ряда «Сигнал»
221 Постановка задачи Основные допущения и ограничения модели
2211 Описание термодинамических процессов в переменных количествах газа
2212 Случай одновременного наполнения ёмкости переменного объема и истечения из нее
2213 Истечение газа из сосуда через большое отверстие
2214 Истечение сжатого газа из цилиндрического сосуда через отверстие, меньшее поперечного размера сосуда » 2215 Истечение газа из цилиндрического сосуда через насадок, поперечное сечение которого превышает поперечное сечение сосуда
2216 Уравнение изменения давления газа в пузыре с учетом теплообмена
2217 Расчет силы трения в уплотнительных кольцах
222 Система дифференциальных уравнений, описывающая динамику срабатывания тлучателя и подводного выхлопа сжатого воздуха на разных этапах процесса Начальные условия Методы решения
223 Результаты математического моделирования Основные закономерности динамики процесса, характерные для пневматических излучателей различных типов
224 Оптимизация параметров излучателей «Сигнал» и некоторые • рекомендации по их констру1фованию
23 Экспериментальное исследование характеристик пневматических излучателей ряда «Сигнал» ^
231 Аппаратура и методика экспериментальных исследований
2311 Аппаратура и методика экспериментального исследования динамических характеристик пневматических источников
2312 Аппаратура и методика регистрации акустических сигналов морских сейсмических источников
232 Экспериментальное исследование динамики пневматических излучателей ряда «Сигнал»
233 Экспериментальное исследование акустических характеристик пневматичесвсих излучателей ряда «Сигнал»
234 Экспериментальное исследование динамики работы электропневмоклапана (ЭПК) и датчиков момента срабатывания (ДМС)
235 Экспериментальное исследование характеристик стабильности времен срабатывания излучателей ряда «Сигнал»
3 РАЗРАБ0Т1СА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГРУППОВЫХ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ
31 Теоретические основы группирования пневматических излучателей Взаимное влияние излучателей в группе Расчет конфигураций пневматических групп
311 Математическая модель взаимного влияния пневматических излучателей в группе
3111 Моделирование формы акустического сигнала одиночного излучателя
3112 Система дифференциальных уравнений, описывающая взаимное влияние пневматических излучателей в группе
3113 Проверка модели и проведение вычислительного эксперимента
312 Расчет конфигураций пневматических групп
3121 Расчет однородных пневматических групп
3122 Расчет неоднородных пневматических групп
313 Частотные характеристики и диаграммы направленности пневматических групп
314 Частотные характеристики линейных и площадных пневматических групп в функции проекции волнового числа k^ky,k
3141 Характеристики направленности в вертикальных плоскостях XOZ и YOZ
3142 Характеристики направленности групп в горизонтальной плоскости XOY
315 Принципы построения линейных и площадных групповых пневматических источников
32 Влияние нестабильности параметров возбуждения на акустические характеристики пневматических групп
321 Оценка энергетических потерь при рассинхронизации групповых пневматических источников
322 Влияние флуктуации рабочего давления и глубины погружения на характеристики суммарного сигнала группы
33 Компактные пневматические группы УВ-10 и УВ-5 Конструкция и основные характеристики этих групп
331 Установка УВ-
3311 Краткое техническое описание установки УВ-
3312 Основные особенности формирования компактных групп
3313 Основные характеристики широкополосных групп установки УВ-
3314 Основные характеристики узкополосных низкочастотных групп, создаваемых на базе установки УВ-
332 Установка УВ-
34 Линейные пневматические группы «Сигнал-Ь> (ЛШ-10/145), «Сигнал-П» (ЛПГ-8/115) и «Сигнал-Ш» (ЛПГ-6/56) Конфигурации и основные характеристики этих групп »>
35 Пневматический излучатель в водном слое
4 РАЗРАБОТКА СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОВЫМИ ПНЕВМОИСТОЧНИКАМИ
41 Основные требования, предъявляемые к системам управления пневматическими группами Принципы их построения
42 Разработка алгоритма автоматической коррекции времен срабатывания пневматических излучателей
421 Постановка задачи об автоматической синхронизации излучателей в группе
422 Исследование свойств алгоритма автокоррекции методом имитационного моделирования
43 Исследование алгоритма синтеза сигнала группы для дальней зоны
44 Программируемые контроллеры «АСТРА» и «АСТРА-М» Их конструкция и основные характеристики
441 Общая характеристика контроллеров «АСТРА» и «АСТРА-М»
442 Конструкция функционального блока контроллера «АСТРА»
4421 Силовая часть блока функционального
4422 Логическая часть блока функционального
443 Конструкция блока акустического контроля контроллера «АСТРА-М»
444 Датчики давления ДД-25 и датчики глубины ДГ-50 Гидрофоны для регистрации акустических сигналов в ближней зоне
45 Программное обеспечение контроллера «АСТРА»
451 Общая характеристика программного обеспечения
452 Назначение программы ASTRA-2000EXE
453 Режим "УСТАНОВКА СИСТЕМЫ"
454 Режим "РАБОТА"
455 Режим "ТЕСТИРОВАНИЕ"
456 Структура файла ASTRADAT
457 Обмен информацией с головной ЭВМ
4571 Передача информации из управляющей ЭВМ контроллера "АСТРА" в головнз^ю ЭВМ
4572 Передача информации из головной ЭВМ в управляющую ЭВМ контроллера "АСТРА"
4573 Протокол обмена с головной ЭВМ
458 Работа с блоком акустического контроля (БАК)
46 Управление характеристиками направленности линейных и площадных пневматических групп
5 ПРИМЕНЕЬШЕ ПНЕВМОИСТОЧНИКОВ РЯДА «СИГНАЛ» И КОНТРОЛЛЕРОВ «АСТРА» ПРИ СЕЙСМОРАЗВЕДКЕ НА АКВАТОРИЯХ
51 Оценка эффективности пневматических групп УВ-10 и УВ-
511 Изучение эффективности широкополосных пневматических групп с гашением пульсаций на Гудаутском шельфе Черного моря
512 Изучение эффективности низкочастотной пневматической группы УВ-10 на северо-западном шельфе Черного моря
513 Результаты опробования макета группы УВ-
514 Основные результаты сравнительных испытаний
52 Результаты морских испытаний контроллера «АСТРА»
53 Исследование влияния пневматических источников на ихтиофауну
Введение:
В аппаратурном комплексе морской сейсморазведки одним из наиболее важных элементов являются ИСТОЧНРШИ упругих колебаний, в значительной степени определяющие геологическую эффективность и стоимость сейсморазведочных работ. За последние три десяпса лет то разнообразие типов и констР5ЛКЦИЙ морских невзрывных источников, которое повсеместно наблюдалось в конце шестидесятых - начале семидесятых годов, значительно сократилось и в настоящее время ограничивается всего несколькими типами, эффективность которых проверена временем.Наряду с электроискровыми и электродинамическими источниками, область применения которых в основном ограничивается сейсмоакустическими исследованиями верхней части разреза, к числу таких, наиболее эффективных невзрывных источников, получивпшх наиболее пшрокое применение при различных модификациях морской сейсморазведки, в первую очередь относятся пневматические источники, а также различные модификации гидравлических и пневмогидравлических источников, использующих в качестве рабочего тела сжатый воздух.Пневматические источники отличаются высокими энергетическими характеристиками, надежны и технологичны в работе: компрессорное оборудование, обеспечивающее пневматические источники сжатым воздухом высокого давления, сравнительно легко вписывается в энергосистему судна. Все это обусловило широкое pacnpocTpaHCiffle источников этого типа при морской сейсморазведке как за рубежом, так и в России и странах СНГ. В 1970 - 1990 годы бурное развитие морской сейсморазведки во всем мире сопровождалось не только постоянным увеличением объемов работ, повышением сложности решаемых задач, но и непрерывным совершенствованием всего аппаратурно-методического комплекса, в том числе и источников. Если в начале этого периода сейсморазведочные работы проводились с одиночными излучателями или небольшими группами (3-4 излучателя), то в последнее десятилетие обязательным является использование при проведении работ больших линейных или площадных групп, содержащих несколько десятков излучателей, работой которых управляют сложные системы контроля и управления, имеющие в своем составе компьютер. Необходимость разработки и внедрения таких совершенных технических средств и определяет актуальность настоящей диссертационной работы.Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование разработки и проектирования пневматических излучателей, линейных и площадных групп, а также систем контроля и управления групповыми пневматическими источниками для морской сейсморазведки.Основные задачи исследований: - разработка математической модели пневмоизлучателя «Сигнал»; - исследование с помощью математической модели динамики процесса срабатывания излучателя при подводном выхлопе и разработка основных принципов проекгарования пневматических излучателей этого типа; - экспериментальное исследование динамических и акустических характеристик пневматических излучателей ряда «Сигнал»; - разработка методики и техники группирования пневматических источников, исследование акустических характеристик групп; - разработка принципов построения системы контроля и управления групповыми пневматическими источниками для морской сейсморазведки; - разработка конструкции, алгоритмов и программного обеспечения контроллера «АСТРА»; - оценка эффективности пневматических групп на основе излз^ателей «Сигнал» и системы управления «АСТРА» при морской сейсморазведке.Методы и объекты исследований. При проведении исследований пгароко применялись методы математического и имитационного моделирования, методы физики быстропротекаюпщх процессов, в том числе методы экспериментального исследования динамических характеристик механических систем, методы гидроакустических измерений при подводных «физических» взрывах, расчетно-конструктивный метч)д, лабораторные, полигонные и морские испытания разработанных технических средств.Фактической основой работы явились результаты НИОКР, а также лабораторных, полевых и морских испытаний макетов и опытных образцов за период с 1980 г. по 1996 г. в НИИМоргеофизики ВМНПО «Союзморгео», преобразованного впоследствии в КФ НИИМоргеофизики ПО «Союзморгео», а затем в НПО «Нефтегеофизприбор». Объектами исследований являлись пневматические излучатели ряда «Сигнал» и др., составляемые из них линейные и площадные группы, а также системы контроля и управления - программируемые контроллеры «АСТРА» и «АСТРА-М». Лабораторные испытания экспериментальных макетов и опытных образцов проводились на экспериментальных установках и стендах НПО «Нефтегеофизприбор», полигонные испытания проводились в бассейне на опытном полигоне в станице Калужской, морские испытания проводились на научно-исследовательских судах ПО «Союзморгео», ЕПТО «Южморгеология» на акваториях Черного, Азовского, Каспийского и Баренцева морей.Научная новизна выполненной работы заключается в следующем: 1. Разработана математическая модель пневматического излучателя, адекватно описывающая процесс его срабатывания с выхлопом в воду сжатого воздуха и излучением акустического сигнала.2. Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование динамических и акустических характеристик пневматических излучателей ряда «Сигнал».3. Разработаны и количественно обоснованы основные принципы рационального построения ряда пневматических излучателей, предназначенных для применения в группах; эти принципы реализованы в конструктивных параметрах излучателей ряда «Сигнал».4. Разработаны метод регистрации и датчики момента срабатывания (ДМС) пневматических излучателей; с их использованием выполнено исследованне характеристик стабильности времен срабатывания излучателей ряда «Сигнал».5. Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование основных факторов, определяющих эффективность группирования пневматических излучателей. Создана математическая модель взаимного акустического влияния пневматических излучателей в группе и разработан метод расчета неоднородных групп.6. Разработаны и количественно обоснованы принципы построения системы контроля и управления групповыми пневматическими источниками нового типа, эти принципы реализованы в конструктивных решениях и алгоритмах программного обеспечения контроллера «АСТРА».Практическая значимость и реализаЕцня результатов.Практическое значение работы заключается в том, что выполненные исследования позволили разработать, наладить серийный выпуск и внедрить в практику морской сейсморазведки современный аппаратурный комплекс для возбуждения упругих волн с высокой интенсивностью и широкополосным спектральным составом - пневматические излучатели ряда «Сигнал» и программируемые контроллеры «АСТРА» и «АСТРА-М».С 1986 г. по 1993 г. Краснодарским опытным заводом «Моргеофизприбор» было выпущено более 600 пневматических излучателей «Сигнал-5», «Сигнал-6» и «Сигнал-7», а также несколько комплектов компактных и линейных групп; с 1991 г. по 1996 г. опытным производством ОАО «НПО Нефтегеофизприбор» при участии отдела разработчика НИО-8 было выпущено 14 программируемых контроллеров «АСТРА» и один комплект «АСТРА-М». Выпущенные изделия были направлены в производственные подразделения ПО «Союзморгео» - тресты «Южморнефтегеофизика» (г. Геленджик), «Дальморнефтегеофизика» (г. Южно-Сахалинск), «Каспморнефтегеофизразведка» (г.Баку), «Севморнефтегеофизика» (г. Мурманск) и Черноморскую геофизическую экспедицию (г. Одесса) а также в IfflO «Южморгеология», в ЮО ИОРАН и ГП «Шельф» (г. Геленджик), в ГП «АМИГЭ» (г. Мурманск), где применялись при проведении морских сейсморазведочных работ как на шельфе СССР (Российской Федерации и СНГ), так и при контрактных работах на шельфах Болгарии, Вьетнама, Кубы и др. стран.Основные за1Ц11щаемы[е положения.1. Математическая модель пневматического излучателя, описывающая процесс его срабатывания с выхлопом в воду сжатого воздуха и излучением акустического сшгнала.2. Теоретическая и экспериментальная изученность динамических и акустических характеристик пневматических излучателей ряда «Сигнал».3. Метод регистрации и датчики момента срабатывания (ДМС) пневматических излучателей, реализованные в излучателях ряда «Сигнал» и защищенные авторским свидетельством.4. Методика построения гр)шп пневмоисточников с заданными акустическими характеристиками, реализованная в группах излучателей «Сигнал».5. Принципы построения системы контроля и управления групповыми пневматическими источниками, реализованные в технических решениях и алгоритмах программного обеспечения контроллеров «АСТРА» и «АСТРА-М».Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались на XI творческом семинаре молодых специалистов и ученых Мингазпрома, Баку, 1981; семинаре молодых специалистов и ученых «О задачах молодых специалистов и молодых ученых отрасли по выполнению плановых заданий XI пятилетки», Оренбург, 1983; Ш республиканской конференции по прикладной гидромеханике «Проблемы гидромеханики в освоении океана», институт гидромеханики АН УССР, Киев, 1984; Всесоюзном совеш;ании в институте океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР «Технические средства и методы изучения океанов и морей», Москва, 1985; I наз^чно-технической конференции молодых ученых и специалистов ВМНПО «Союзморгео» «Геолого-геофизические исследования дна акваторий», Мзфманск, 1985, V Всесоюзной научно-технической конференции «Технические средства изучения и освоения мирового океана», ЛКИ, Ленинград, 1985; I Всесоюзной конференции «Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР» в МИНГ им. Губкина, Москва, 1986; ученом совете НИИМоргефизики ВМНПО «Союзморгео», Краснодар, Мурманск, 1988, 1990, 1992 1995; Юбилейной конференции «Теория и практика морских геолого-геофизических исследований», Геленджик, 1999; Третьих, четвертых и пятых геофизических чтениях им. В.В.Федынского, Москва, ГЕОН, 2001, 2002, 2003; заседаниях научно-технических советов НПО Южморгеологии, КФНИИМорнеофизРпси и НПО «Нефтегеофизприбор»; кафедре геофизики КубГУ, 1999,2001,2003.Публикации. Основные наз^чные положения и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 33 печатных работах, в том числе в 7 авторских свидетельствах на изобретения, в двух научно-аналитических обзорах и в монографии. Результаты работ по теме исследований изложены также в 7 отчетах о НИОКР (в фондах НПО «Южморгео», ВМНПО «Союзморгео», КФНИИМоргеофизики и НПО «Нефтегеофизприбор»), выполненных под руководством или при личном участии соискателя.Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Объем работы 331 страниц текста, который иллюстрируется 161 графиками, сейсмограммами, рисунками, фотографиями и 28 таблицами. Список использованной литературы включает 164 названия.Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность своему учителю, заведующему кафедрой сейсмометрии и геоакустики МГУ, профессору, доктору физико-математических наук Аркадию Васильевичу Калинину и скорбь по поводу его безвременной кончины.В решении задач, рассмотриваемых в настоящей работе, прршимал участие в той или иной степени весь коллектив отдела морских невзрывных источников НИО-8 во главе с В.И. Тюхаловым. Практически на всех этапах исследований принимали участие сотрудники сектора теоретических и экспериментальных исследований В.Д. Карпенко, В.А. Шлыков] Ю.Л. Романенко] Ю.Б. Леонтьев, В.В. Шутов, сотрудники конструкторского сектора В.А. Ежов, Н.И. Федорчуков, В.Д. Громов, И.М. Рыжов, В.Г. Морозов, ссугрудники сектора электронных систем управления Е.Ю. Якуш, Г.В. Кармацкий, А.В. Ковалевский, Г-В. AкyлoвJ A.II. Никитина] Т.М Дорохина, а также сотрудники группы информационного обеспечения во главе с П.Г. Куприяновым.В обработке материалов сравнительных испытаний источников действенную помощь оказывагш сотрудники КОМЭ ПО «Союзморгео» В.В.Трофимов и В.П.Газарян; в обсуждении результатов работы и доброжелательной поддержке ее на всех этапах неоценимую рюль сыграли|Е.Е. Земцов|и Д.П. Земцова.Всем перечисленным лицам автор приносит свою глубокую благодарность.Особую признательность и благодарность автор выражает ректору Кубанского государственного университета, академику РАН, профессору Бабешко В.А., а также зав. кафедрой геофизики профессору Дембицкому СИ., неизменным вниманием и помопцэю которых автор пользовался в течение всех последних лет работы над диссертацией. II 1, ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ В МОРСКОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКЕ (обзор)
|