Прибор

АрхивНаука и жизнь

Наш корреспондент беседует с разработчиками уникального по своим характеристикам прибора электромагнитного частотного зондирования земли, который получил название "Аппаратурно-программный комплекс ЭМС".

Разработки Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН (Новосибирск) для обывателя представляются фантастикой. В достижениях Института числятся приборы, которые способны: по горсти земли определять, есть ли в округе нефть; по воздуху, окружающему человека, установить, болен ли он сахарным диабетом; за несколько секунд распознать в толпе злоумышленника, у которого есть взрывчатое вещество. Институт регулярно выполняет государственные заказы по разработке специального оборудования.

Несколько лет назад сотрудники лаборатории электромагнитных полей Института закончили разработку уникального по своим характеристикам прибора электромагнитного частотного зондирования земли. Он получил название "Аппаратурно-программный комплекс ЭМС". За счет цифровой регистрации и узкополосной фильтрации в виде синхронного детектирования, аппарат обладает высокой точностью измерения малых сигналов и способен сильно подавлять помехи промышленной частоты. В характеристиках "ЭМС" читаем: "Комплекс ЭМС предназначен для круглогодичных исследований приповерхностной части подземного пространства для решения задач археологии, коммунального хозяйства, строительства, почвоведения и охраны окружающей среды". В плане СО РАН написано, что в этом году производство комплекса ЭМС будет передано на Опытный завод Сибирского отделения РАН.

ЭМС 10

Об устройстве прибора, его назначении и о том, почему ЭМС лучше своего канадского аналога GEM-300, рассказывают сотрудники Института, к.т.н., доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории электромагнитных полей Александр Манштейн (далее - A. M.) и ведущий инженер Григорий Панин (далее - Г. П.).

А. М. Электромагнитные зондирования ведут свою историю примерно с 30-х годов прошлого века. Литература, описывающая это явление, появилась уже давно, например, Краев А.П., "Физика земли" - это вообще 1940 год. Решения уравнений, которые описывают индуцированные в земле токи, давно известны. Очень важные расчеты переменных полей дипольных источников сделаны в России в 1950-60 годах. В 70-х годах результаты экспериментов и расчетов более или менее стали совпадать. Тогда начали решать проблему построения аппаратуры. Ввиду того, что была большая необходимость в исследовании нефтяных скважин, сначала была разработана каротажная аппаратура. В нашем Институте был создан прибор с названием ВИКИЗ, который сейчас широко используется в сервисных геофизических фирмах. И уже на основе приобретенного опыта был построен прибор для наземных исследований. В 1990-х годах существовали наземные приборы частотного индукционного профилирования. Зондирующих приборов не было.

- Они работали по принципу металлоискателей?

А. М. Металлоискатели – это тоже индукционные приборы, но они обычно - не измерительные, а индикаторные устройства. Есть зондирующие приборы другого принципа, когда возбуждается нестационарный электромагнитный процесс в земле. Этот метод разрабатывался в нашей лаборатории в 60-е годы, и работы признаны очень ценными для практики. Но полученный опыт показывал, что не создана аппаратура, с помощью которой можно исследовать верхнюю часть земли на глубину до 10 метров. Тогда в нашей группе под руководством академика М.И. Эпова была сформулирована задача – разработать наземную аппаратуру частотных зондирований. Были определены типовые разрезы и геологические ситуации применения прибора, для которых были выполнены теоретические расчеты параметров устройства. В течение года изготовили макет прибора, в 2000 году провели первые эксперименты. К полученным материалам появился интерес со стороны мировой геофизической общественности.

ЭМС 10 в полевых условиях

Формулы, по которым все это рассчитывается, довольно просты, но в то же время они не поддаются ручному расчету. Уровень и доступность вычислительных машин в 1960-1970-х годах не позволяли точно решать такие уравнения, а на современном компьютере они решаются точно. Оказалось, что есть различия между функцией среды на разных частотах. Если не менять расстояние между антеннами прибора, а изменять частоту, то измеряемый сигнал будет зависеть от электропроводности среды и её объёма, который меньше на высокой частоте и больше на низкой. Требования к прибору предъявлялись весьма высокие. Нужно было регистрировать сигналы уровня микровольт с точностью 5%. То есть, собственные шумы аппаратуры должны быть не больше 50 нановольт. Оказалось, что применение современной схемотехники дает такую возможность. Технические характеристики современных доступных операционных и инструментальных усилителей и, конечно, очень надежных микроконтроллеров обеспечили жизнеспособность прибора. В аппаратуре ЭМС имеется микроконтроллер, который управляет работой отдельных блоков, делает первичную обработку, подготавливает файл и выдает данные на внешний компьютер.

- А раньше как это делалось?

А. М. По проводам, или вообще не делалось. Bluetooth вот недавно изобрели.

Г. П. Основная проблема в таких приборах – это наличие сильного первичного поля, на фоне которого мы работаем со средой. Мы получаем очень низкий полезный сигнал. Необходимо было сфокусировать прибор именно на среде. Это основная проблема, которая была решена. Смысл в том, что прибор сам себя не видит. Видит только то, что отражается от исследуемого объекта.

- И как решается эта проблема?

А. М. Приемники нужно было сделать такими, чтобы на всех частотах рабочего диапазона их моменты не менялись. В этом заключается наше изобретение.

- Это дорогостоящий прибор?

А. М. Нет. По сравнению с другими приборами.

- Сколько стоит "ЭМС"?

А. М. Одно дело себестоимость, другое дело - рыночная цена. Нашему Институту очень выгодно продавать этот прибор за 530 тысяч рублей. Покупают.

- И ломают.

А. М. В этом случае мы ремонтируем их.

- А что интересного нашли с помощью вашего прибора?

А. М. Присылали фотографии редких монет. Один прибор у нас работал в Антарктиде, его купила итальянская экспедиция. Были интересные геологические результаты.

- Как долго вы их производите?

А. М. В 2002 году мы продали первый прибор. Тот, который Вы сейчас видели, номер тринадцать. В Сибирском отделении принято постановление, что разработка этого прибора закончена, и мы его передаем на Опытный завод.

- Сколько экземпляров в год планируется изготавливать?

А. М. Мы считаем, что рынок мог бы поглотить таких приборов штук 50 в год.

- Почему другие страны сами не могут производить такие приборы?

А. М. Потому что там не применили точных решений интегральных уравнений. А вот у нас в Академгородке и в Институте есть люди, умеющие это делать профессионально.

Г. П. Считается, что русские традиционно сильны в аналоговой схемотехнике. А на Западе – в цифровой.

- А чем канадский прибор плох по сравнению с нашим?

Г. П. Тем, что у него негармонический выход.

А. М. И тем, что он может работать на одной или двух-трех частотах.

Г. П. А у нас в "ЭМС"е последовательно перебирается 14 частот в достаточно неспешном гармоническом режиме, при этом измерение занимает не 0,5 секунды как в GEM-300, а 2 секунды. Что обеспечивает лучшее подавление помех и увеличивает чувствительность измерений.

- Кто является вашими российскими заказчиками?

А. М. Завтра приедет "Роснефть", а строительная фирма из Краснодара купила у нас три года назад один прибор и сейчас оплатила половину стоимости еще одного. Археологи купили у нас прибор. В Институте почвоведения есть прибор.

- Могут ли возникнуть какие-то проблемы в эксплуатации?

Г. П. Вы видели, что прибор показывает 14 глубинных карт. Очевидно, если присутствует какая-то аномалия, её будет видно. Программное обеспечение достаточно понятное. Если проблемы у пользователя и возникают, то мы помогаем. Нам интересны все области применения, поэтому, конечно, мы участвуем в разрешении возможных затруднений.

- А предшественники и прототипы?

Г. П. Конструктивно нет предшественников, только электроника разрабатывалась по заказам в других коллективах, и то это непринципиально, так как пришлось всё переделывать.

- Когда прибор запустят в производство?

А. М. В планах СО РАН написано, что в этом году должны сделать 20 приборов на Опытном заводе СО РАН.

- Какое применение у прибора в сфере строительства?

А. М. Например, по заказу фирмы "Стройизыскания" мы делали зондирования для обоснования строительства будущего автомобильного моста через Обь. С помощью аппаратуры ЭМС исследовались участки, где будут ставиться опоры. И по нашим данным, мост надо ставить не так, как планировалось, а несколько развернуть. Если бы исследования выполнялись только бурением, пришлось бы пробурить несколько десятков скважин по сто метров глубиной. А бурение, между тем, стоит тысячу рублей за метр. Получена значительная экономия.

Таким образом, можно говорить о новом этапе в развитии электромагнитного зондирования земли, когда легче будут решаться такие проблемы, как поиск объектов, представляющих археологический интерес, распознавание структуры грунта, решение задач строительства и нефтедобычи.