Беспилотники и роботы в наземной сейсморазведке

Череповский Анатолий Викторович
Холдинг Геосейс

Введение

Автоматизация и роботизация всё шире внедряются не только в различных отраслях промышленности, но и в банковском секторе, в торговле и в быту. Согласно прогнозам различных экспертов, в ближайшие 20-25 лет роботы могут взять на себя половину тех функций, за которые сейчас платят людям. 

Почти во всех отраслях есть потенциал частичной автоматизации. Как известно, геологоразведка всегда была связана с использованием большого количества транспортных средств и различных механизмов, а также с большим объёмом ручного труда, зачастую в очень сложных природно-климатических условиях. Поэтому возможность автоматизации и роботизации тех или иных видов полевых работ позволит повысить их безопасность, сократить сроки и снизить стоимость. Оптимисты полагают, что уже в ближайшие годы при полевых работах будут реже реветь моторы колёсных и гусеничных вездеходов, на смену которым придут бесшумные летающие и передвигающиеся по земле роботы разнообразного назначения [Wilcox, 2015]. 

Инновации в наземной сейсморазведке 

Появление беспилотных летательных аппаратов (БПЛА или просто «беспилотников»), которые за рубежом для краткости часто называют «дронами», вызвало наибольший интерес у тех заказчиков и подрядчиков, которые используют бескабельные системы, особенно с автономной регистрацией сейсмических данных.

Как известно, большинство применявшихся за рубежом в последние 5 лет бескабельных регистрирующих систем относятся к «слепым» [Череповский, 2015], то есть данные записываются автономно во встроенную память каждого полевого модуля, и в процессе съёмки оператор не может контролировать не только качество регистрируемых данных, но и функционирование или сохранность установленного на площади работ оборудования. Далеко не все заказчики, особенно в России и странах СНГ, готовы принять такую модель сейсмической съёмки. 

Если применяется «полуслепые» бескабельные системы, – то у оператора имеется возможность периодически контролировать вынесенные в поле модули и выборочно или полностью считывать данные с использованием беспроводных сетей малого радиуса действия (например, на основе стандарта Wi-Fi, разработанного ещё в 20-м веке.). В этом случае для контроля функционирования модулей или считывания данных создаются бригады из 1-2 человек, обычно использующих портативные компьютеры и антенны высотой 2-3 м от поверхности земли, установленные на тех или иных транспортных средствах (внедорожники, багги, лодки и т.п.). 

Чтобы ускорить процессы контроля «полуслепых» бескабельных приёмных расстановок, в некоторых сейсмопартиях использовались летательные аппараты. Например, в 2008-10 годах при выполнении сейсмических съёмок 3D с системой “Unite” в США и Мексике применялись пилотируемые вертолёты для ежедневного контроля функционирования полевых модулей (каждое утро, до начала регистрации данных). Было установлено, что для надёжной связи с модулями скорость вертолёта должна быть небольшой, до 60-70 км/час. Появление множества модификаций лёгких БПЛА (дронов) в последние годы позволяет отказаться от пилотируемых вертолётов и резко снизить стоимость контроля приёмной бескабельной расстановки. 

В США тестирование дронов в бескабельных сейсмопартиях началось в 2015 году. В настоящее время небольшие беспилотные самолёты с размахом крыльев порядка 2 м, летающие со скоростью до 40 км/час на высоте порядка 150 м, уже применяются для контроля автономных модулей при некоторых сейсмических съёмках на территории США и Канады. После выпуска сверхлёгких планшетных компьютеров, которые можно будет устанавливать на дронах, такие летательные аппараты будут использоваться не только для контроля модулей, но и для полного считывания сейсмических данных. 

Необходимо отметить, что правила любительского и коммерческого использования дронов только разрабатываются, и во многих странах на использование дронов накладываются существенные ограничения. В России, согласно внесённым в 2016 году в Воздушный кодекс изменениям, все беспилотные воздушные суда со взлетной массой более 30 кг подлежат регистрации. При регистрации необходимо указывать изготовителя, тип и серийный номер аппарата, количество и мощность поставленных двигателей. Также надо указывать, является ли дрон военным или гражданским. После регистрации беспилотнику присваиваются государственный и регистрационный опознавательные знаки, а владелец получает справку с указанием своих данных и лётных характеристиках дрона. 

Реестр беспилотников, подлежащих регистрации по текущим законам, будет контролировать Росавиация. Чтобы внести в него свой летательный аппарат, надо будет подать соответствующее заявление в произвольной форме, указав характеристики беспилотника и информацию о владельце. Важно, что новой редакции Воздушного кодекса вводится и новый термин – "внешний пилот". Внешний пилот, обладающий правами командира воздушного судна, является лицо, имеющее действующее свидетельство пилота (летчика, внешнего пилота), а также подготовку и опыт, необходимые для самостоятельного управления воздушным судном определенного типа. 

Как видим, применение беспилотников в России в настоящее время весьма затруднено, но «Воздушный кодекс» часто редактируется, и можно надеяться, что коммерческое использование гражданских дронов, в том числе при геологоразведочных и геофизических работах, станет реальностью. 

Беспилотники имеют следующие преимущества:    

•      небольшая высота полёта;

•      программируемый маршрут полёта;

•      высокоразрешающая фото- и видеосъёмка.
   

Благодаря видеокамерам, устанавливаемым на беспилотниках, область их применения в наземной сейсморазведке может быть достаточно широкой [Wilcox, 2015]. Во-первых, это предпроектное детальное изучение местности с целью уточнения плана и графика полевых работ. Во-вторых, периодический видеоконтроль сохранности регистрирующего оборудования и качества установки сейсмоприёмников в процессе съёмки (Рис.1). В-третьих, это фотосъёмка до и после завершения работ для анализа ущерба, нанесённого природе, сельскохозяйственным угодьям или искусственным сооружениям (что упрощает рассмотрение претензий со стороны местных представителей власти или землевладельцев).

Рис. 1. Плохо установленный одиночный геофон, сфотографированный беспилотником.

Руководители полевых партий и супервайзеры получают «дополнительные глаза», благодаря которым можно оперативно отслеживать все этапы полевых работ: топогеодезические работы, бурение взрывных скважин, размотку и смотку приёмных линий, замену неисправного оборудования и т.д. Неблагоприятные погодные условия –снегопады зимой или грозы и ливни летом –оказывают сильное влияние на ход полевых работ или даже приостанавливают их. Своевременный просмотр видеозаписей, полученных беспилотниками, позволяет водителям автотранспорта и пешим отрядам оперативно изменять свои маршруты в случае возникновения лесных завалов, размыва дорог, повышения уровня воды в реках и т.п. [Lopez and Caldwell, 2017].

Университет Хьюстона шагнул значительно дальше и занялся разработкой «сейсмического дрона» [Stewart et al., 2016]. В Техасе уже проведены опытные работы 2D с квадрокоптером, в четырёх ногах-опорах которого были установлены 100-Герцовые вертикальные последовательно соединённые сейсмоприёмники на расстоянии 25 см друг от друга (Рис.2). В крестообразной платформе, прикреплённой к опорам сейсмического дрона, была размещена записывающая электроника и аккумулятор. 

Рис. 2. Сейсмический квадрокоптер с 4 геофонами.

Волновое поле (с шагом ПП = 1 м) было отработано на травянистом грунте с ударными источниками (молотом и «ускоренным падающим грузом») и двумя типами регистрирующего оборудования: обычными геофонами, вдавленными в грунт, и перелетающим с места на место сейсмическим дроном. Чтобы проверить качество контакта геофонов квадрокоптера с различными типами грунта, было опробовано падение квадрокоптера с небольшой высоты на песок, сухую глину и траву. Глубина проникновения штырей геофонов квадрокоптера в травянистый грунт достигала 20 мм. Во всех случаях дрон самостоятельно взлетал и приземлялся.

Хотя уровень шума был выше на сейсмограммах, записанных геофонами дрона, прослеживание преломлённых и поверхностных волн было почти такого же качества, как на сейсмограммах, записанных полностью вдавленными в грунт геофонами кабельной регистрирующей системы, что доказывает хорошие перспективы сейсмических дронов для определённых видов работ.

Есть ещё целый ряд идей, практическим воплощением которых заняты исследователи в разных странах уже несколько лет. Во-первых, это создание автономных полевых модулей (со встроенными сейсмоприёмниками), присоединяемых к беспилотникам (квадрокоптерам) и переносимых ими с места на место. Другой вариант роботизации полевых сейсморазведочных работ – это разработка самоходных автономных модулей, способных по команде оператора передвигаться на нужные пункты наблюдения (Рис.3). Как вариант, такие модули-роботы могут быстро доставляться на нужные участки работ с помощью дронов- квадрокоптеров.

  
Рис. 3. Шестиногий робот с сейсмоприемниками, установленными в ногах-опорах. 

Заключение

В настоящее время разрабатывается и тестируется целый ряд беспилотных летательных аппаратов и самоходных наземных аппаратов, снабжённых сейсмоприёмниками и способных обеспечивать качество данных, сравнимое с тем, которое можно получить при обычных полевых работах, когда приёмники устанавливаются вручную. Это направление развивается очень быстро, и можно предположить, что в ближайшее десятилетие многие виды полевых геофизических работ будут автоматизированы или роботизированы.

Список литературы

Череповский А.В., 2016, Наземная сейсморазведка нового технологического уровня. – Москва, ЕАГЕ Геомодель, 230 с.

Lopez R. and Caldwell J., 2017, Drones take on roles in land seismic data acquisition operations. – Exploration&Production Magazine, January 2017.

Postel J.-J., Bianchi T., and J. Grimsdale J., 2014, Drone seismic sensing method and apparatus: U. S. Patent US 2014/0307525 A1.

Stewart R.R. et al., 2016, An unmanned aerial vehicle with vibration sensing ability (seismic drone). – SEG International Exposition and 86th Annual Meeting, Dallas, 18-21 October 2016.

Wilcox, S., 2015, Drones support seismic acquisition. – Exploration&Production Magazine, June 2015.