А.Е.Старобинец

Использование дронов в сейсморазведке

Как известно, проведение полевых сейсмических работ связано с использованием колесных и гу́сеничных транспортных средств, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, и транспортировкой различных видов аппаратуры и оборудования, а также с большим объёмом ручного труда (установка и сбор сейсмоприемников или автономных регистрирующих модулей, укладка кос и прочее).
 
Поэтому автоматизация и роботизация тех или иных видов полевых сейсмических работ является важной инновацией, позволяющей повысить их эффективность за счет сокращения сроков проведения, снижения стоимости работ, минимизации ущерба для окружающей среды и создания более комфортных условий работы обслуживающего персонала. В первую очередь это актуально при сейсмических работах в сложных природно-климатических условиях - в тундре, тайге, горных районах и др.

Большую роль при проведении полевых сейсмических работ в последние годы начинают играть беспилотные летательные аппараты - дроны, которые во многом заменяют обычно используемые колёсные и гусеничные транспортные средства.  
 
Где-то с 2008 года некоторые сейсмические партии начали использовать вертолеты или небольшие самолеты для сбора данных о состоянии UNITE систем компании Sercel. С лицензией от Sercel на использование ее запатентованных методов, компании  Paragon и Blue-Chip UAS начали работы с использованинм Sensurion Magpie UAS (Unmanned aircraft system - беспилотные авиационные системы) и устройства Sercel UNITE [9].

Устройство Sercel UNITE включает приемопередатчик Wi-Fi с антенной, которая  имеет отличный профиль апертуры для коммуникации с устройством, находящемся сверху. Центральный блок устройства включает в себя функции, которые дают оператору четкий обзор статуса оборудования после получения данных от Sensurion Magpie. Sensurion Magpie представляет собой небольшой UAS с неподвижным крылом, который приводится в движение электродвигателем и оснащен автономной навигационной системой и прямой трансляцией с камеры на наземную станцию.

В конце 2016 года были произведены испытания разработанного в Хью́стонском университете США первого беспилотного летательного аппарата (unmanned aerial vehicle UAV) -  дрона, предназначенного для регистрации сейсмических колебаний, который  получил название  3DR Solo Quadcopter [7].

К дрону 3DR Solo Quadcopter (Рис.1) прикреплена платформа четырьмя 100 герцовыми геофонами, регистрирующим электронным  устройством и аккумулятором.  Шипы геофона являются опорой дрона (Рис.2). Дрон представляет собой летающую платформу с двигателем и дистанционным управлением.
Этот квадрокоптер мог летать по заранее запрограммированным или пилотируемым в реальном времени траекториям полета, приземляться (на конечном этапе в свободном падении), записывать сейсмические колебания и снова взлетать.

Рис 1. 3DR Solo Quadcopter (дрон) с прикрепленной четырехногой платформой для записи сейсмических колебаний

Рис 2. Конструкция платформы с четырьмя 100 Гц геофонами, прикрепленной к 3DR Quadcopter (квадрокоптеру)

Результаты, полученные после полетов, посадок и записи при различных условиях контакта геофонов с почвой  (при падении дрона на песок, траву и сухую глину), показали, что с помощью дрона можно записывать сейсмические колебания  с таким же качеством, как при использовании установленного вручную геофона.

В компании Total был создан проект, получивший название Multiphysics Exploration Technology Integrated System (METIS) [11]. Система  METIS нацелена на улучшение  качества и скорости сбора сейсмических данных, за счет контроля и обработки поступающей информации в реальном времени, а также сокращения как стоимости работ, так и рисков нанесения вреда окружающей среде.

Для решения задачи установки регистрирующих датчиков, не прибегая к помощи наземного персонала, компания Total объединилась с компанией Wireless Seismic, ведущим инноватором в области создания систем сбора сейсмических данных в реальном времени без использования кабелей.  Уникальная технология компании Wireless Seismic позволила Total разработать революционную систему, позволяющую устанавливать устройства с сейсмоприемниками с помощью беспилотных летательных аппаратов - дронов и передавать данные через высокоскоростную радиотелеметрическую систему в реальном времени.

Эти регистрирующие устройства (Downfall Air Receiver Technology -DART), имеют форму дротика (Рис.3) и при сбрасывании могут вонзаться в землю в вертикальном положении. Каждый из прототипов беспроводных датчиков весил менее 700 г и имел длину менее 50 см. Затем их размеры и вес были уменьшены до 25 см в длину и до 300 г соответственно. Их корпус сделан из биоразлагаемой разновидности пластика, чтобы быть безвредным для окружающей среды.

Рис.3. Дротик

 

В настоящее время ведутся работы с существующими технологиями, чтобы гарантировать, что в конечном итоге каждая часть дротика, включая батарею и датчики, будет оставлять незначительный экологический след. С этой целью дополнительными партнерами в проекте являются компания-специалист по батареям SAFT, недавно приобретенная Total, и многопрофильная исследовательская организация VTT Technical Research Centre of Finland, которая в этом проекте специализируется на исследованиях печатной и гибридной электроники и биополимеров.

Дроны (Рис.4) были разработаны компанией ISS Aerospace для одновременного ношения нескольких дротиков.

Рис.4. Дрон с дротиками

 

После установки дротиков и регистрации сейсмических колебаний беспроводная система передает данные с датчиков на промежуточные антенны, которые, в свою очередь, передают информацию в базовый центр с помощью радиотелеметрической системы. Таким образом, эта коммуникационная система предоставляет данные в режиме реального времени.  Могут быть оперативно получены предварительные сейсмозаписи, позволяющие осуществлять  мониторинг качества поступающих данных и вносить изменения в параметры получения данных для обеспечения оптимальных результатов сейсмических работ.

Получение информации и принятие решений в режиме реального времени ускоряет рабочий процесс и позволяет привлекать для выполнения полевых работ меньше людей и поэтому при  использовании технологии METIS происходит значительное сокращение стоимости работ. Дальнейшее снижение затрат и экологические преимущества ожидаются за счет использования специально построенных дирижаблей, а также использования биоразлагаемых датчиков, что исключит необходимость посылать бригады для их извлечения.

Total объединилась с авиационными экспертами компании Flying Whales для создания многоцелевого надувного дирижабля (Рис.5).  Его использование позволит транспортировать все необходимое сейсмическое оборудование и материалы, необходимые для создания лагерей в районе исследования, а также удалять все не поддающиеся биологическому разложению материалы.

Рис.5. Модели многоцелевого надувного дирижабля

В конце 2017 года компания  Total провела пилотные исследования с использованием дронов по технологии METIS в Папуа-Новой Гвинее [5, 10], которая характеризуется  одним из самых сложных ландшафтов для проведения сейсморазведки в мире. Было успешно размещено с помощью одного дрона всего за несколько часов около 60 дротиков и удалось получить сейсмические данные высокого качества  с этих датчиков, что доказало работоспособность  методики.

Во многом аналогичная система, использующая сейсмические узлы (Рис.8), содержащие все элементы и технологии, необходимые для регистрации, оцифровки, фильтрации и хранения сейсмических данных, была опробована в Нидерландах [8].
4 таких узла были вначале установлены на дроне Altura Zenith ATX8 (Рис.6) для тестирования сбрасывающего механизма. Во втором испытании они были установлены на дрон DJI Martrice M600 (Рис.7, 9), который мог развернуть 7 узлов Innoseis Tremornet на расстоянии 1 км менее чем за 10 минут полного цикла (включая взлет, посадку и замену аккумулятора).

Сейсмические узлы навешивались непосредственно на дрон, обычно используемым для фотосъемки. Это означает, что их можно переоборудовать под новые типы дронов, и что дроны в полевых условиях могут также выполнять работы по фотосъемке, такие как разведка маршрутов развертывания и эвакуации, создание цифровых моделей рельефа или беспроводный мониторинг развернутых узлов, в частности, для определения неработающих.

Рис.6. Altura Zenith ATX8

Рис.7. DJI Martrice M600

В качестве узлов использовались узлы Innoseis Tremornet весом 650 г каждый. Узлы были прикреплены к дрону через их соединительный штырь, так что  в принципе любой узел небольшого веса может быть использован без изменений. Для присоединение узла нужно просто вставить его в место крепежа, где он надежно фиксируется. Схема механизма сбрасывания узла показан ниже на рис.8.

Каждый из узлов пронумерован и после нажатия кнопки разблокировки, программное обеспечение осуществляет циклическое прохождение по подсоединениям по порядку до возврата к номеру 1.

Рис.8. Механизм сбрасывания узла. Показаны сейсмические узлы,  прикрепленные к мультикоптеру Altura Zenith ATX8. Каждый узел подвешивается с помощью зажима, который захватывает его за соединительный стержень датчика.

Для безопасности высота дрона контролируется ультразвуковым датчиком, который предотвращает падение с высоты более 2 м. Также есть камера, которая показывает пилоту вид прямо под дроном.

Рис.9. Дрон DJI Martrice M600 A - с полезной нагрузкой из 7 узлов, готовый к взлету, и B - сбрасывание первого из 7 сенсорных узлов

В 2019 г. компании Total и национальная нефтяная компания эмирата Абу-Даби ADNOC (Abu Dhabi National Oil Company)  объявили в ноябре 2019 года о своем сотрудничестве по развертыванию автоматизированной системы сбора сейсмических данных в Абу-Даби. В этом проекте, осуществляемом с помощью системы METIS компании Total, будут использоваться автономные беспилотные летательные аппараты и наземное транспортное средство для развертывания и извлечения сейсмических датчиков без вмешательства человека. Сейсмические работы 3D с высокой плотностью записи будут развернуты по всему эмирату Абу-Даби впервые в этом регионе [4,6,12,13,15,16].

Новаторская автоматизированная технология METIS, способна проводить сейсмические исследования в суровых условиях, в частности, в таких как пустыня, которые являются тяжелыми для людей и оборудования.
Ключевыми задачами являются оптимизация эффективности полевых сейсмических наблюдений и затрат при одновременном снижении нагрузки на персонал и соблюдении требований техники безопасности, что является критической проблемой в условиях экстремальной жары пустыни.

После успешных испытаний METIS, проведенных к концу 2017 года в Папуа-Новой Гвинее, компания ADNOC Onshore планирует использовать этот новый пилотный проект для проверки универсальности и возможности масштабирования системы в пустыне на территории площадью 36 кв. км.

Будут использоваться пять автономных воздушных дронов для сброса датчиков и один дрон наблюдения, предназначенный для обеспечения безопасности эксплуатации. Эта инновационная система, управляемая одним оператором на наземной станции управления (GCS), на основе использования искусственного интеллекта позволит взаимодействовать с дронами, автоматически определяя наилучшие маршруты для максимально эффективного развертывания дротиков и автономной адаптации к изменениям в окружающей среде, будь то в воздухе (например, неожиданное вторжение с воздуха) или на земле (например, присутствие людей или животных), путем обновления траекторий полета и планов сброса дротиков в режиме реального времени. Дроны обмениваются данными друг с другом.

Будет учитываться информацию, предоставляемая в режиме реального времени Command & Control,  для мониторинга персонала и наземного оборудования. Современная система безопасности, разработанная для Metis, работает в тандеме с воздушной системой визуального контроля безопасности, встроенной в дроны. Она также управляет трехмерной системой геозон, которая создает запретную зону вокруг людей, транспортных средств, зданий (базовый лагерь и т. д.) и сооружений (трубопроводы и прочее), запрещая дронам пролетать над ними.

После отработки датчики будут извлечены беспилотным наземными роботизированными транспортными средствами, тогда как обычно они вручную развертываются и восстанавливаются наземными группами. Будет использоваться беспилотный наземный аппарат (UGV), интегрированный в систему управления парком дронов, для автоматического восстановления дротиков и их доставки обратно на базу.

Планируется сбросить последовательно около 4000 дротиков, чтобы плотно покрыть сенсорами 30 квадратных километров территории сбора данных.
Перед началом работ будет создана цифровая модель местности с очень высоким разрешением с помощью LIDAR. Это позволит определить наилучшие позиции для приемников и сейсмических источников с учетом топографии местности, а также определить наилучшие маршруты движения транспортных средств UGV в дюнах и вокруг них.

Когда этот пилотный проект будет завершен, планируется осуществить новый пилотный проект в 2022 году. Для проведения в коммерческих масштабах на площади 100 квадратных километров в предгорьях Папуа-Новой Гвинеи будут использоваться десятки дронов для сброса десятков тысяч дротиков.
Конструкция дрона (Рис.10), разработанная для полевого пилотного проекта METIS 2020, сочетает в себе эффективность и модульность. Наиболее примечательными нововведениями являются карусель (центральная часть устройства) с шестью модулями дротиков и аккумуляторными батареями, которые легко снимаются для быстрой замены.

Рис.10. Дрон

Форма дротика (Рис.11) также была адаптирована к карусели дрона, чтобы обеспечить идеальную совместимость с пусковыми установками для надежного взаимодействия с механизмом двойной блокировки дротиков. Благодаря системе связи между дроном и дротиками, качество каждого сбрасывания можно контролировать в режиме реального времени: каждый дротик оснащен акселерометром и наклономером. Показания передаются на дрон, чтобы проверить правильно ли установлен каждый датчик на земле, прежде чем сбросить следующий.

Рис.11. Дротик

 

В проекте 2022 г. планируется использовать биоразлагаемую версию дротиков EcoDART (конструкция и батарея) с печатной электроникой, разработанных специально для труднодоступных мест. Это революционное нововведение, которое сохранит окружающую среду и снизит потребность в отправке сотен сотрудников на места сбора или восстановления дротиков.

В работах будет задействован гибридный дирижабль Manta, разработанный командой проекта METIS. Этот инновационный гибридный дирижабль с полезной нагрузкой в 2 тонны менее дорог, чем вертолет, и оказывает меньшее воздействие на окружающую среду. Он будет нести оборудование, управлять связью, а также собирать несейсмические данные.

Также на повестке дня стоят инновации, касающиеся обработки данных, предусматривающие получение изображений недр уже через несколько часов после съемки!

В начале 2020 года в условиях пустынных песчаных дюн Абу-Даби были осуществлены экспериментальные работы по использованию системы Metis.

В России использование дронов при сейсмических работах находится  в начальной стадии [1] и информация на эту тему практически отсутствует.

Известно об испытаниях технологии использование дронов для  автоматизированного дистанционного сбора сейсмических данных, которые были проведены компанией «Газпром нефть» на Западно-Зимнем лицензионном участке в ХМАО весной 2020 года. Дрон на лету в режиме реального времени скачивал данные с автономных регистрирующих модулей. При стандартных работах  для сбора данных используются вездеходы и снегоходы  и требуется существенно больше времени и задействуется больше техники и людей [2].

Казанским федеральным университетом совместно с ООО «ТНГ-Групп» начаты работы по создания системы сбора и обработки информации на основе комплекса беспилотных воздушных судов в сейсморазведочных работах [3]. Эти работы получили господдержку.

Использованные материалы

1. Беспилотники и роботы в наземной сейсморазведке.
2. Технология, которая удешевляет разведку нефти в разы.
3. Сейсморазведка воздушными беспилотниками.
4. Abu Dhabi: ADNOC and Total Innovate in the Field of Seismic Acquisition with the Use of Unmanned Drones and Vehicle.
5. Acquiring High Quality, Low Impact Onshore Seismic.
6. ADNOC and Total team up on drone-based seismic acquisition pilot program.
7. An unmanned aerial vehicle with vibration sensing ability (seismic drone).
8. Drones for Deploying Seismic Nodes: For Those Hard to Reach Places.
9. Drones support seismic acquisition.
10. Drones Take On Roles In Land Seismic Data Acquisition Operations.
11. Metis: Imaging Complex Onshore Areas.
12. Metis in the Desert of the United Arab Emirates.
13. Metis Seismic Acquisition Programme in the United Arab Emirates.
14. Seismic Drone.
15. Total revolutionizes imaging techniques for onshore acreage.
16. Total - METIS targeting Papua New Guinea.