CN104932019B - 水听器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及水听器，例如可以用于海洋地震勘测、永久储层监视、井筒中的井下声学监视和/或各种其它应用的水听器。根据本公开的水听器的某些实施例被构造成使得水听器的纵向刚度大于水听器的周向刚度。但在某些实施例中，纵向刚度可能略小于周向刚度。例如，在某些情况下，纵向刚度可以大于周向刚度的一半。

Description

水听器
相关申请的交叉引用
本申请要求保护在2014年1月31日提交的临时专利申请号61/934,357的权益，该专利申请以其全文引用的方式并入到本文中。
背景技术
在油气勘探工业中，海洋地球物理调查常用于搜寻含烃地下地层。海洋地球物理调查技术可以得到地球的地下构造（subsurface structure）的知识，这些知识适用于找到并且提取烃矿藏/矿床（deposits）诸如石油和天然气。地震勘测/调查是海洋地球物理调查的熟知技术之一。
在海洋环境（其可包括盐水、淡水和/或微咸水环境）中执行的地震勘测的某些情形下，一个或多个地震源通常被配置成被浸没并且由船只拖曳。船只通常也被配置成拖曳一个或多个侧向间隔开的拖缆通过水中。在某些情况下，除了拖缆之外或作为拖缆的替代，传感器可以位于海底处或海底附近，在洋底电缆或节点上。在选定时间，控制器械可能造成一个或多个地震源促动。地震信号然后可以由传感器诸如沿着拖缆安置的水听器接收。可以分析在这种地震勘测期间收集的数据以辅助识别含烃地质构造，并且因此判断石油和天然气的矿床可能位于哪里。
在某些情况下，也可以将水听器用于海底储层监视（例如，永久储层监视或PRM）应用中。例如，水听器可以安置于海底上以在地震源（例如，在水面处或水面附近的地震源）被促动时记录数据。
附图说明
图1A至图1B示出了根据本公开的水听器的实施例。
图2示出了根据本公开的迈克尔逊（Michelson）干涉仪的实施例。
图3示出了作为不同维度的刚度/劲度（stiffness）的函数的水听器灵敏度的曲线图。
图4A至图4B示出了用于根据本公开的水听器的布置的实施例。
图5示出了根据本公开的干涉测量回路的实施例。
图6A至图6B示出了根据本公开的纤维套管/索环（grommet）的实施例。
图7示出了根据本公开的水听器的实施例的分解图。
图8示出了根据本公开的水听器的实施例。
具体实施方式
本说明书包括对“一个实施例”或“一实施例”的提及。短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现未必指相同实施例。特定特点、结构或特征可以用与本公开一致的任何合适方式组合。
各种装置、单元、回路或其它部件可以被描述或声称为“被配置成”、“可用于”或者“可操作成”执行一个或多个任务。在本上下文中，“被配置成”、“可用于”或者“可操作成”各自用于通过表明装置/单元/回路/部件包括在操作期间执行一个或多个任务的结构来表示结构。因此，装置/单元/回路/部件可以被说成被配置成，可用于或者适用于执行该任务，甚至当所规定的装置/单元/回路/部件当前并不操作时（例如，并未开启或并未处于操作状态）。结合“被配置成”、“可用于”或“可操作成”等语言使用的装置/单元/回路/部件可包括电子硬件（例如电路、储存可执行以实施操作的程序指令的存储器等），机械装置，或其它类型的结构。对于装置/单元/部件被“配置成”、“可用于”或“可操作成”执行一个或多个任务的陈述，关于该装置/单元/回路/部件而言，明确地并无援引35 U.S.C. § 112(f)的意图。
在某些实施例中，关于地震勘测的各项信息，诸如由水听器收集的数据，可以实施于地球物理数据产品中。“地球物理数据产品”可以存储于计算机可读、非暂时介质上并且可以体现地球物理数据（诸如原始拖缆数据、经处理的拖缆数据、基于拖缆数据的二维或三维图等）。计算机可读介质的某些非限制性示例可以包括硬盘驱动器、CD、DVD、打印输出（print-out）等。在某些实施例中，来自拖缆的原始模拟数据可以存储为地球物理数据产品。在其它情形下，数据可以在作为地球物理数据产品存储之前首先被数字化和/或调节。在其它情形下，数据可以在存储于地球物理数据产品中之前被完全处理为各种地球物理结构的二维或三维图。地球物理数据产品可以在美国或另一国家内离岸（例如，由船只上的器械/装备）或在陆上/境内（例如在陆地上的设施处）产生。如果地球物理数据产品离岸或在另一国家中产生，其可以在陆上被输入到美国的设施。一旦到了美国陆上/境内，可以对地球物理数据产品执行地球物理分析。
在典型海洋地球物理调查的情况下，一个或多个地震源可以用于生成地震能量。各种类型的地震源可以用于这个目的。例如（但并无限制意义），在某些情况下可以使用气枪、挠性盘投射器（flexural disc projector）、和/或海洋振动器。地震能量可以向下通过水中行进并且通过水底下方的地层。在海底地层内的阻抗边界可以（至少部分地）反射穿过这些地层行进的地震能量。所反射的地震能量然后可以向上行进。位于地层附近的地震传感器（例如，水听器、地震检波器、加速度计等）可以俘获这些反射的地震能量。这些地震传感器可以将俘获的地震能量转变为信号，诸如光学信号或电信号。然后可解释电信号或光学信号以提供关于水底下方的各种地表下地层的组成和/或结构的信息。这些信息可以例如用于确定这些地层可能包含矿床（包括烃）的可能性。
详细描述
本公开大体而言针对于水听器的领域。术语“水听器”在本文中根据其在本领域中的普通意义使用，其包括地震传感器，地震传感器能检测在液体诸如水中的声波（例如，呈声压变化的形式）。水听器可以适用于烃勘探和采集的各种方面。例如，水听器可以用于海洋地球物理调查、海底储层监视（通常被称作永久储层监视或PRM），和用于井筒/井眼中的井下声学监测中。根据本公开的某些实施例，描述了光纤水听器，其对于流体静压/静水压力相对不敏感，同时向声压展现出适用的灵敏度。
本公开的各种实施例采用新颖的特征，这些新颖的特征可能允许比其它已知水听器每单位光纤长度更高的声压灵敏度。在某些实施例中，根据本公开的水听器可以是压力平衡的，这是通常用于表示在水听器内侧的静态压力（例如，在水听器的内部体积中）与水听器紧邻外侧的静态压力相同（或基本上相同）的术语。在某些实施例中，压力平衡的水听器所具有的内侧压力与外侧压力相同（例如，在测量的限度内）。但在某些实施例中，压力可以略微不同（例如，压力在外侧可能更大）。只要压差足够低使得水听器并不破裂或收缩（例如，在500psi内），那么水听器可以是可用的。
现转至图1A，示出了根据本公开的水听器的一实施例的截面图。水听器100包括端帽106和108，端帽106和108在某些实施例中由刚性材料（例如，钢、钛、合适树脂诸如玻璃填充的聚醚酰亚胺，如Ultem ™ 2300等）制成。端帽106和108可以附连到内心轴102和外心轴104的端部，在此实施例中，内心轴102和外心轴104被示出为沿着共同纵向轴线布置的两个同心圆筒。内心轴102可以被设计成相对于外心轴104比较刚硬/硬挺（或至少不远小于外心轴104刚度）以便使得水听器100在纵向方向或纵向维度上相对刚硬/硬挺。例如，如在下文中更详细地描述，可以有利地使内心轴102的刚度为外心轴104的至少一半。如下文所描述，在各种实施例中，内心轴102的刚度可以是从外心轴104的一半刚度到比外心轴104（在极限内）无限地更大。内心轴102（和在某些情形下，内心轴102和端帽106和108一起）和相对应的结构等效物可以被称作“用于形成纵向刚度的机构”。外心轴104和其结构等效物可以被称作“用于形成周向刚度的机构”。
参考光纤112和感测光纤114可以分别缠绕到内心轴102和外心轴104上。然后这些光纤的延伸部122和124可以分别穿过端帽中任一个（或在某些实施例中每一个）中的较小密封孔以便于水听器100的光学连接。某些实施例可以将例如Accutether™光纤用于光纤元件中的一个或多个。参考光纤112和感测光纤114可以用作干涉仪的两个光路（例如，迈克尔逊干涉仪，如在下文中更详细描述，或各种其它类型的干涉仪）。参考光纤112和其结构等效物可以被称作“用于测量参考信号的参考机构”。感测光纤114和其结构等效物可以被称作“用于测量可变信号的感测机构”。外心轴104在某些实施例中可以被封装于环氧树脂（例如，封装剂/密封剂）或其它合适材料的仿形/适形（conformal）护套中以保护感测光纤114避开外部环境。在某些实施例中，在海水中具有良好寿命性质的环氧化物，诸如Mereco ™CN-874或3M™ Scotchcast ™ 电树脂8，可以有利地用于这个目的。
如下文所描述，根据本公开的水听器的某些实施例可以根据将所施加的声压转变为与外心轴联接的感测光纤114的长度变化的原理而工作。
水听器100的内部体积132可以被填充适用体积模量（例如，合适油，诸如具有相对较低体积模量的高粘度油）的填充流体。例如，用于此目的的典型填充流体可以具有在1-2GPa范围的体积模量。可以使用的特定填充流体具有1.8GPa的体积模量。内心轴102可以包括至少一个孔103或其它孔口以允许填充流体在内心轴102的内空间与存在于内心轴102与外心轴104之间的同心空间之间传递。
在某些实施例中，端帽中的一者或二者可以包括填充流体储集器。如在本实施例中所示，端帽108包括填充流体储集器128和活塞126，活塞126可以用于使外部压力与填充流体储集器128的压力相关联，同时防止填充流体本身与外部介质（例如，海水）的任何关联。在某些实施例中，可以经由一个或多个O形环130密封活塞126。活塞126也可以包括密封螺杆110，在填充水听器100时可以使用密封螺杆110（如在下文中更详细地描述）。额外密封螺杆（未图示）也可以用在填充流体储集器128与水听器100的内部体积132之间并且当利用填充流体填充水听器100时使用。
在某些实施例中，端帽108还可以包括毛细管116（也被称作欧式管（Eustachiantube）），其在水听器100的内部体积与填充流体储集器128的内部体积之间提供很小但开放的路径。在功能上，这可能允许在有限时段的压力均衡，诸如数秒或数分钟。由于活塞126可以被密封到端帽108的内孔，外部压力的任何增加可以转移到与活塞126内侧表面相接触的填充流体。因此，活塞126可以响应于压力升高而移动，造成填充流体通过毛细管116直到内部压力（例如水听器100的内部体积132中的压力）与外部压力相等。因此，从流体静压的观点而言，这种设计可以被认为是压力平衡的并且因此可以在任何所希望的深度操作而不会有被压碎的危险。
在诸如图1B中所示的其它布置中，作为毛细管116的补充（或替代），可以包括一个或多个泄压阀/安全阀。在这些实施例中，由于这些泄压阀中不完善的/有瑕疵的密封造成的小泄漏路径可能起到与毛细管116相同的功能。
已知填充流体可能具有高粘度，并且毛细管116可能具有很小内孔，流体能通过的最大速率可以实际上很低（例如，可通过选择适当填充流体粘度和毛细管直径和长度而使速率像所需要那样低，如下文所讨论）。这可能得到以下设计：其将允许静态压力随着时间改变以实现均衡，但将不允许高于所选定设计频率的动态声压实现均衡。即，通过毛细管116的流率可以足够低使得低频压力变化（例如，下降到海洋内）能通过毛细管116。但更高频率变化（例如，1Hz或更高）可能没有时间经由毛细管116均衡。
使水听器100从海面到某限定海洋深度（例如，100米或更深），其周围的流体静压通常升高。在水听器上的这种外部压力的效果通常使之体积压缩。水听器的体积可压缩性可以包括两个主要部件：其圆柱形壳结构的体积可压缩性，和填充流体的体积可压缩性，填充流体的体积可压缩性可以取决于填充流体的体积模量。
由外部压力造成的体积负荷因此基本上在这两个部件之间被支承和分担。（在这个意义上，水听器100可以被认为是体积复合物。）由于活塞126响应于外部压力自由移动，填充流体储集器128的压力通常等于外部流体静压，并且因此某些实施例可以被称作压力平衡水听器。
随着外部压力升高，环向应力（也被称作周向应力）形成于外心轴104中，并且因此也形成于感测光纤114内。同样，纵向应力响应于作用于端帽106和108上的流体静压而形成于内心轴102和外心轴104的壁中。在水听器100中的各种材料的压缩模量和泊松比可能决定出现的所产生压缩定向应变，这种压缩定向应变继而可能限定某些体积减小。随着水听器100的体积减小，填充流体的内部压力升高。因此，由于前述结构应力和填充流体的内部压力的集合，外部压力可以保持均衡。由于某些外部压力由结构应力支承，内部压力可以略小于外部压力。在某些实施例中，选择具有相对较大体积模量的填充流体可能是适用的，具有相对较大体积模量的填充流体使得它响应于周向应力比外心轴104略微更刚硬。例如，基于填充流体的体积模量和外心轴104的弹性模量，填充流体的刚度可以是当与外心轴104的周向刚度相比时，后者的2倍与10倍之间，2倍与20倍之间，2倍与50倍之间，2倍与100倍之间等。例如，如在下文中更详细地描述，相对刚硬的填充流体可适用于允许根据本公开的水听器压力平衡。
因此，由外部声压呈现给水听器的体积负荷可以在结构应力与由于体积压缩所致的内部压力变化之间分担。由于结构应力之一是在外心轴104中的周向环向应力，这个应力可以部分地施加到感测光纤114，感测光纤114围绕其外表面缠绕。因此，这个应力可能在外心轴104中造成应变，这种应变可表现为感测光纤114长度的较小变化。因此，这个光纤可以用作光学感测水听器的感测腿。
当声压作用于水听器100上，所施加的负荷可以几乎完全由填充着内部体积132的填充流体所支承。响应于这个压力，这个填充流体的体积可以根据其体积模量减小。由于端帽106和108通常由内心轴102分离，内心轴102可以在纵向刚性很强，填充流体体积的这种减小通常可能仅（或主要地）通过减小外心轴104的圆周来进行。因此，可以使感测光纤的长度/单位压力的变化增加或最大化。即，对于给定量的体积变化，可以通过减小纵向变化量（其通常是不可测量的）来增加周向变化量（其是可测量的）。
如先前所提到的那样，内心轴102也具有缠绕于其外表面上的参考光纤112。由于这种心轴可能被设计成比外心轴104更刚硬并且可能具有至少一个孔103或帮助维持它周围的压力在所有相关频率基本上近似相等的其它孔口，其通常将不会以外心轴104对声压做出响应的相同方式张紧。因此，可以认为参考光纤112的长度基本上恒定并且因此可以用作光学干涉仪中的参考路径。（在下文中描述干涉仪的基本知识）。
现转至图1B，示出了根据本公开的水听器的替代实施例。水听器150通常类似于水听器100，但添加了泄压阀。（贯穿本公开全文对水听器100或水听器150的提及应被理解为指任一个，除非上下文指示为其它情况。）这些泄压阀可以通过允许毛细管根据需要被绕过而用于保护水听器的结构避开与压力测试或部署相关联的很大和快速压力变化。
如图所示，端帽108可以合并一个或多个泄压阀120，泄压阀120在某些实施例中具有一定启动压力，启动压力远高于任何相关声压信号的峰值压力，但远低于会对所描述的组件造成结构损坏的差压。这些条件可以允许泄压阀120防止水听器150发生损坏，同时不影响所测量的信号。这可以用于流体静压快速变化的情形（例如，快速降低到较大海洋深度等）。
如果流体静压升高到一定水平使得其以多于泄压阀120中朝向内的泄压阀的启动压力超过水听器150的内部压力，那么阀可以打开。在启动时，流体静压可能向外推动活塞126（通常以相对较少的量）直到充分的填充流体已通过打开的阀以使水听器150的内部压力与填充流体储集器128（其通常等于外部流体静压）的压力平衡。
一旦内部压力和外部压力相等（或者等于泄压阀120中朝向内的泄压阀的启动压力以内），那么阀可以闭合，并且在水听器中的结构应力可能全都为零（或接近零）。因此，那么这种水听器的深度能力于是可以主要受到其填充流体储集器的体积限制。在一实施例中，例如，为了均衡在3,500米水深处的流体静压，活塞126可需要相对于其在大气压力的位置而移位大约1mm。在一实施例中，活塞126具有4.5mm的自由度。现有技术（例如，非压力平衡的）水听器将会通常在向这种类型的压力暴露时被压碎。应当指出的是泄压阀120中朝向外的泄压阀一个可能益处是当流体静压降低时向填充流体提供返回到填充流体储集器128的途径（例如，如在实验室测试、现场回收、或深度减小时通常可能发生的情形）。如上文所提到的那样，填充流体相对刚度是有用的，因为受益于本公开的本领域普通技术人员将了解到如果填充流体的体积模量太低，那么活塞126所需的行进距离可能不切实际地较大。然而，相反，如果体积模量太高，那么可能导致不充分的灵敏度。因此，选择具有适当体积模量的填充流体（例如，足够高使得活塞126的行进距离是实际的，但足够低以提供良好的灵敏度）可适用于形成根据本公开的压力平衡的水听器。
如先前所提到的那样，泄压阀120的启动压力可有利地被选择为在相关声压信号的峰值压力以下所述阀不能被启动。因此，在这些实施例中，将通常不存在使水听器的内部压力能贯通而与由于作用于水听器外表面上的声压所造成的填充流体的流动相均衡的开放路径。
如上文所提到的那样，在某些实施例中，根据本公开的装置可用于迈克尔逊干涉测量传感器中。为了辅助理解，在图2中示出了迈克尔逊干涉仪200的一实施例的图示。迈克尔逊干涉仪200可以包括2×2光耦合器202、光耦合器202的两个腿耦合到两个光路，这两个光路可以具有不同的光学长度：参考腿204和感测腿206。2×2光耦合器202也可以耦合到光输入208和光输出210。在一实施例中，可以使用单模式光纤来形成所有这些光路/腿。在干涉仪的简单的示例中，这些光路中的每一个可以终止于反射镜212，反射镜212可以反射相应入射光回到耦合器。在某些实施例中，法拉第旋转镜可以用于这个目的。
由于参考腿204和感测腿206的长度通常不同，在干涉仪的每个腿中光的飞行时间也可以不同。如果使用相干光来照亮这个配置，那么反射的光的两部分将通常在耦合器处干涉。干涉光将具有不同的干涉图案，其性质将是两个路径长度中失配的函数。
迈克尔逊干涉测量传感器为其中干涉仪的腿之一（或有时两只腿）的路径长度根据被感测的性质以某种方式变化的传感器。因此，所造成的干涉测量图案的变化可能表示被感测的性质变化。在此示例中，仅改变感测腿206的长度。
这种传感器的某些实施例的一个可能优点在于干涉测量图案可能出现在叠接到光输出210的任何光纤的长度的某处。因此，在某些实施例中，完全无源和远程感测也是可能的。
现转回至图1A和图1B，可以看出参考光纤112和感测光纤114可以用作光学干涉仪（例如，迈克尔逊干涉仪）的两个腿。
外心轴104可以由相对柔顺的耐腐蚀塑料诸如Ultem™ 1000™、其它聚醚酰亚胺、CPVC、各种其它塑料材料等制成。例如，CPVC具有2551.1 MPa的弹性模量。内心轴102可由相对刚硬、耐腐蚀金属诸如钛、钢（例如，超级双相钢）、合适树脂（例如，玻璃填充的聚醚酰亚胺诸如Ultem™ 2300)）等制成。例如，钛具有1.376e5 MPa的弹性模量，或者CPVC弹性模量的大约54倍。在某些实施例中端帽106和108可由相对刚硬、耐腐蚀金属诸如钛、钢（例如，超级双相钢（Super Duplex Steel））、合适树脂（例如，玻璃填充的聚醚酰亚胺诸如Ultem™2300)）等制成。关于上述那些的类似评论也适用于端帽的弹性模量。
根据本公开的水听器因此可以利用参考光纤和感测光纤制成干涉测量水听器。它们也可以合并使它们在每单位光纤长度能呈现更高声压灵敏度的各种特征。根据某些实施例，某些类型的光纤可能每米相对昂贵并且可能每个水听器使用约150 m的长度。因此，一种可能的设计目的可以是实现声压到光纤内应变的高效转变（这是可能造成干涉测量信号的原因）同时提供对流体静压的免疫力。这样做，从金融效率而言，可以允许所需的光纤长度最小化。根据某些实施例，与根据现有技术建置的类似规模水听器相比，可以实现所需光纤长度多达50%的减小。根据其它实施例，可以实现甚至更多的减少。即，通过提高给定光纤长度的灵敏度，可能建置具有充分灵敏度的水听器，而同时使用更小长度的光纤。
在压电水听器的情形下，可能的情况是纵向和环向方向上的响应应力将直接促成水听器的有用输出。然而，这通常不是具有围绕心轴圆周盘绕的光纤的光纤水听器的情况。在光纤水听器中，纵向应变可能实际上降低它们的灵敏度，并且因此减小纵向应变使得水听器的体积压缩主要出现在周向维度是有利的。
如上文所提到的那样，本公开的水听器的实施例可以被描述为体积复合物，其中由声压施加的体积负荷的支承在水听器的结构部件与其填充流体之间分担。如果结构被设计成体积刚度小于填充流体的体积刚度数倍，那么填充流体的体积模量限定（完全地或主要地）每单位所施加声压的结构总体积可压缩性。
在某种意义上，体积复合物的结构部件可以简单地被认为是允许对所封闭的流体圆筒的圆周进行测量的量规。因此在某些实施例中，水听器的内部压力可能与外部压力不可辨别，因为如果结构的体积刚度小于流体数倍，那么该结构将提供比较小的机械支承。也就是说，该结构将向所施加的声压信号提供的支承分担可以为零或接近零。
然而，水听器的结构仍可响应于所施加的声压而变形。在圆柱形实施例中，存在可以便于响应于所施加的声压而顺应填充流体体积变化的两个维度：长度和圆周。
因此，在结构的圆周和纵向方向（即，周向刚度相对于纵向刚度）上的比较模量可能决定圆周与纵向应变的相对水平。由于水听器的感测光纤中的应变可能主要响应于结构圆周的应变而发生，可有利地设计该结构在纵向轴线中比周向中以数倍更刚硬（或至少不远小于周向中刚度）。在某些情况下，该结构在纵向轴线上的刚度可以是与在周向轴线上相比的二倍；在其它情形下，其可以具有10倍刚度；具有20倍刚度；具有30倍刚度；具有40倍刚度；具有50倍刚度；具有60倍刚度；具有70倍刚度；具有80倍刚度；具有90倍刚度；具有100倍刚度等或在这些示例之间包括的任何范围。在某些实施例中，甚至低至周向刚度一半的纵向刚度可以提供显著灵敏度优点。在其它实施例中，纵向刚度可以更接近比周向刚度无限更高刚度的极限。
现转至图3，示出了一曲线图，其说明了相对于周向刚度改变纵向刚度的效果。在水平轴线上，示出了纵向刚度除以周向刚度（“刚度比”）。在竖直轴线上，示出了水听器压力灵敏度。出于本公开的目的，干涉测量光学水听器的水听器压力灵敏度通常认为是每单位施加压力的输出。例如，灵敏度可以用弧度/Pa (或弧度/μPa)为单位规定。可以看出，在大约0.2-0.3的刚度比（即，仅为纵向刚度20-30%大的周向刚度），仅获得了相对较低灵敏度。在0.5-0.6的刚度比，获得显著增益。在从1至20的刚度比范围，得到额外增益，但可以看出曲线图开始随着收益递减而变得更加平坦。截止到已到达刚度比50时，认为已实现了最大可能的增益。该曲线图在原则上可以任意地或无限远地向右延伸，但（不希望受理论限制）其表现为水听器灵敏度在无限刚度比的极限/限度内接近渐近线。然而设想到本公开的某些实施例可以具有可任意大的刚度比。因此，在某些情况下可以做出近似：结构在纵向方向上的刚度无限大并且在周向方向上很柔顺。以及假定填充流体与周向刚度相比相对刚硬，这种近似提供了将会具有由填充流体的体积模量决定的灵敏度的结构，因为结构本身将不向所施加的流体静压提供任何阻力。
图3的曲线图的数据示出了如何将内心轴的材料从高度柔顺的变成刚硬的材料以示出其如何影响水听器的灵敏度，同时保持外心轴的材料恒定（出于图3的目的假定Ultem™ 1000，但受益于本公开的本领域普通技术人员将了解概括性）。图3的数据如下：
内心轴 材料 外心轴 材料 周向刚度 (MPa) 纵向刚度 (MPa) 纵向/ 周向刚度比 灵敏度 (dB re 1 Rad/μPa)
不锈钢 Ultem™ 1000 6025.21 118586.80 19.682 −140.04
钛 Ultem™ 1000 6025.21 70479.00 11.697 −140.08
Ultem™ 2400 Ultem™ 1000 6025.21 8390.55 1.393 −140.99
Ultem™ 2300 Ultem™ 1000 6025.21 7060.87 1.172 −141.27
Ultem™ 1000 Ultem™ 1000 6025.21 3585.00 0.595 −143.56
模量1000 MPa Ultem™ 1000 6025.21 2015.50 0.335 −152.65
模量500 MPa Ultem™ 1000 6025.21 1711.75 0.284 −153.57
表1。
不认为已知水听器的设计利用了纵向相对于周向刚度的效果。因为光纤中的玻璃通常很刚硬，将光纤层围绕圆筒圆周缠绕可能倾向于使之在周向轴线上比在纵向轴线上更刚硬。因此，在已知水听器中，响应于所施加声压，由于在纵向轴线上的较低的结构刚度，填充流体所需的体积压缩可以由纵向应变（其可以并不显著地促成水听器的光纤中的应变）而显著地满足。因此，并未使周向应变最大，并且因此每单位长度光纤的灵敏度在这些设计中将通常低于若增加周向应变的情况。
此外，因为在某些实施例中是填充流体决定体积可压缩性，可以通过增加容纳于水听器的结构内的填充流体体积来增加灵敏度。因此，可以有利地使用直径与长度比为1（或约等于1，诸如在直径与长度比1的5%内、10%内、20%内、5%内、100%内等）的圆筒。
本公开的各种实施例可以合并以下可能优点中的某些、全部优点或甚至并不合并下列中的任何优点。
1.水听器结构的体积刚度可以低于封闭填充流体的体积刚度数倍。
2.可以使用同心圆筒布置，其中外心轴由相对柔顺塑料（例如聚醚酰亚胺诸如Ultem™）制成。内心轴可以是薄壁的以便不用尽内部体积，内部体积在某些实施例中原本可能被不可压缩的填充流体占据，但是在某些实施例中可以由与外心轴相比很刚硬的材料制成。因此当盖上端帽时，可以使封闭结构在其纵向轴线上比在其周向轴线上更刚硬。
3.可以使组件端帽的挠曲刚度显著较高以确保由于所施加外部声压所造成的挠曲与组件外心轴的周向应变相比是可忽略的。
4.组件的刚性端帽之一可以合并如上文所描述的压力平衡活塞和填充流体储集器，压力平衡活塞和填充流体储集器可以合并压力补偿特征。
5.可以使便于促成水听器的内部体积与外部环境之间连接的馈通点（feed-though point）比较刚硬。
6.根据本公开的某些水听器可以是压力平衡的使得能减小或排除通常与极端流体静压相关联的差应力/所储存能量。采用这种方案可以减小或排除对于冗余密封件的传统要求。某些实施例可以包括机械地耦合在一起的感测元件和干涉测量回路。
7.根据本公开的水听器完全可以维修并且在某些方面可以利用紧固件而不是结构粘合剂而保持在一起。
现转至图4A和图4B，示出了用于感测元件和干涉测量回路的可能布置的两个实施例。图4A示出了水听器400的串列（in-line）安装实施例，并且图4B示出了水听器450的侧部安装实施例。在图4A至图4B中，示出了感测元件402和干涉测量回路404。如图所示，还分别示出了输入纤维套管（grommet）406和输出纤维套管408。受益于本公开的本领域普通技术人员将了解到在本公开的范围内各种其它布置是可能的。
现转至图5，示出了可以根据本公开使用的干涉测量回路500的实施例的示例（诸如可用于干涉测量回路404中的那种）。
干涉测量回路500可以包括外壳502，外壳502还可以包括O形环密封盖510并且可以机械地附连到感测元件上。在图5中并未示出整个感测元件，但示出一个端帽504以指示可能的布置。外壳502可以由诸如玻璃填充Ultem™这样的刚性聚合材料或任何其它合适材料制成。在某些实施例中可以有利地使用在海水中具有显著稳定性的材料。
盖510在某些情形下合并密封螺杆（未图示）和挠曲特征，挠曲特征便于外部压力转移到外壳502内部。外壳502还可以包括光路508（例如在上文中参考图2所描述的光路），光路508可以被封装于用于耐压的适当材料（例如，封装剂）中。参考光纤522和感测光纤524示出了在干涉测量回路500与所附连的心轴之间的耦合位置。
外壳502的内部在某些实施例中可以被填充由高度地延伸的高性能热塑性橡胶（TPR）制成的热可逆凝胶506。（兼容性白矿物油诸如ISO 46油在某些实施例中可以用于延伸 TPR。）。
凝胶的一个目的是为了约束光纤使得水听器并不呈现假的加速响应。这种凝胶通常基本上是不可压缩的、完全自修复/自愈性的、化学良性的并且热可逆的。在制造中，组件可以被加热到大约60℃，并且受热液体凝胶可以倾倒至外壳502内部的。盖然后可以被牢固固定就位。然后可以将该组件放置于温热烤箱中持续较短时间，移除并且静置冷却使得凝胶凝固。使用注射器，可以经由密封螺杆孔向加盖的外壳内的剩余空的空间完全填充额外增量油（extending oil），使得盒完全或基本上无空气。然后可插入密封螺杆。
久而久之，这种增量油可以分散于凝胶内以形成均质的更柔软的化合物，这种化合物能被移除以用于维修/修理，例如通过简单地移除盖子510并且将该装置在合适容器中颠倒地放置于烤箱中。
在某些实施例中紧致的缓冲光纤可以用于向水听器提供光学连接。这些光纤可以经由如图6所示的一个或多个限制弯曲的纤维套管512从外壳502出来。这些纤维套管可以例如由合适柔软等级的含氟弹性体或氢化腈制成以确保与水接触的寿命。可选择它们的尺寸使得它们向所有接触表面提供少量压缩。为了防止通过纤维套管自由滑动，可以将小长度的聚烯烃热收缩套筒（未图示）在其进出点处牢固固定到光纤上。图6A和图6B示出了纤维套管512的特写视图。
现转至图7，示出了水听器的一个实施例的分解图。此实施例包括内心轴701、参考光纤702、外心轴703、感测光纤704、活塞705、密封螺杆706、封装件707、毛细管708、端帽709、端帽710、较大内径O形环711和较小内径O形环712。
根据某些实施例，可能希望根据本公开的水听器实现−146 dB re 1 rad/μPa ±1dB @ 1835psi的声压灵敏度或比例因子。（出于本公开目的，除非另外规定，dB测量应被理解为相对于1 rad /μPa。）在某些实施例中通过采用2cm半径感测线圈和采用具有大约7cm线圈长度的47米光纤而实现了这种灵敏度。在其它实施例中，水听器可以被构造成具有更低但仍有用的灵敏度。例如，根据本公开的某些水听器可以具有−158 dB或更高的灵敏度。根据本公开的某些水听器可以用于检测在−158 dB至−100 dB范围的声压。
根据某些实施例，可能需要根据本公开的水听器具有从≈0.1Hz至200Hz的相对平坦频率响应。水听器的主共振可以（a）足够高以在高于典型气枪簇−40 dB频率存在或者（b）被其流体环境充分阻尼从而不会在给定其频率的情况下给光电子装置带来“速率限制”的风险。根据本公开的水听器的频率响应的上限可以由它们的纵向或环向模式共振确定。
在某些情况下，频率响应的下限可以由压力平衡布置的特征决定。在其中0.01”内径×1”长毛细管结合填充了ISO 450白（食品级）矿物油的2立方英寸内部空间而使用的一个实施例可以实现所希望的下限。
根据某些实施例，可能希望水听器对于加速度充分不敏感使得在200 Hz，由于水听器对于被测量的压力波的粒子加速度的灵敏度，使其干涉测量输出的相位相对于输入压力而言可以偏离不超过3°。
圆柱形结构可能适宜于低加速度灵敏度水听器设计，因为如果该结构沿着在圆形平面内的方向加速，在圆形平面中的对称性递送应变抵消。这种设计也可当在纵向方向上受激励时表现出低加速度，因为光纤通常在垂直平面（即，圆形平面）中缠绕，并且因此将不经历任何直接应变。然而，根据本公开的水听器仍可能具有某些较小但非零加速度响应。然而，由于加速度造成的光纤应变被认为与由主要压力造成的那些应变相比很小。照此，水听器可以具有极小的加速度灵敏度。
根据某些实施例，可以实现根据本公开的各种其它操作特征。例如，可以使用1550nm的光学操作波长；可以实现≤1.3dB 的干涉测量路径之间的损失差异；在可用压力上的损失的变化×1.5可以≤ 0.2dB；在185psi停留0.5小时后可以实现3.8dB ± 0.4dB的可容许损失；在1835psi处停留0.5小时之后可以实现70.0cm ± 2cm的光学网络失配（由于某些实施例的压力平衡性质，其可能不随着压力变化）；20年的设计寿命可以是可能的。
此外，某些实施例可以被设计成在50 psi至3,000 psi（例如20米至2000米的水深）或者在某些实施例中甚至更大压力操作。可以有利地确保容纳于水听器中的任何残留空气的体积充分较小以在最小规定压力完全溶解到填充流体内。某些实施例可以具有−20℃至60℃ (储存/功能响应)、0℃至33℃ (使用)和≤ 80ºC (制造)的温度规范。实施例可以在连续向海水、淡水和/或被环境可接受的防冻剂（其确保在-20℃为液态并且可以由不受暂时与常见烃油和醇类接触影响的材料构成）饱和的水中连续暴露的情况下具有20年或更长的寿命。某些实施例也可以有利地能耐受机械冲击，例如从1米降落到混凝土地板上，和/或诸如35℃的空气至水热冲击。
根据某些实施例，可以实现大约−1.02e−10每匝rad/μPa的ΔL/ΔP 典型环向应变。此外，对于−146dB rad/μPa所希望的灵敏度，在某些实施例中可以使用61.97米的总缠绕长度。
在本公开的范围内，各种几何形状是可能的。在图8中示出了一种这样的几何形状。在此实施例中，使用两个同心的心轴（例如，70 mm直径的两个同心的心轴），带有端帽（例如，5 mm高度的端帽）。一个端帽可以具有小孔以当浸没时由海水淹没在两个管之间的腔和在内管内侧的空间。内管可以具有两个孔以允许水从外腔向管内侧自由移动。另外，可以使用围绕每个管（例如，0.75 mm厚）大约3层绕组，如图所示。表2示出了作为TI、TO、RI和RO的函数，每巴压力每匝的环向应变变化和总绕组长度。
T<sub>I</sub> (mm) T<sub>O</sub> (mm) R<sub>I</sub> (mm) R<sub>O</sub> (mm) 每巴压力每匝的环向应力变化(m) 总绕组长度 (m)
5.0 5.0 5.0 15.0 −1.5433e−6 67.11
5.0 2.5 5.0 17.5 −1.7526e−6 59.09
2.5 2.5 7.5 17.5 −1.9025e−6 54.44
2.5 2.5 5.0 17.5 −1.9467e−6 53.21
表2。
如上文所指出的那样，在某些实施例中，施加到本公开的水听器的加速度在光纤绕组中可产生相对较小应变。例如，在一实施例中，在径向方向上1mm/s2的正弦加速度可以产生大约2.5e−12的应变，与由1巴动态压力所产生的1.589e−5的应变相比。在纵向方向上的类似加速度可能产生仅大约3.75e−15的应变。因此，根据本公开的某些结构可能看起来对于加速度相对不敏感。
根据本公开的某些实施例，一种水听器可包括：用于形成纵向刚度的机构；用于形成周向刚度的机构；用于测量参考信号的参考机构；以及，用于测量可变信号的感测机构；其中纵向刚度大于或等于周向刚度的一半。在本文中已描述了这些机构中每一个的各种示例。例如，用于形成纵向刚度的机构可以是刚硬心轴、内心轴、刚硬心轴和刚硬端帽等。用于形成周向刚度的机构可以是柔顺心轴、外心轴等。参考机构可以是光纤、围绕心轴缠绕的光纤等。感测机构可以是光纤、围绕心轴缠绕的光纤等。
尽管在上文中已描述了具体实施例，这些实施例并无限制本公开范围的意图，甚至在关于特定特征仅描述了单个实施例的情况下。在本公开中提供的特征的示例旨在为说明的而无限制意义，除非陈述为其它情况。上文的描述旨在涵盖将会对于受益于本公开的本领域技术人员显然的这些替代、修改和等效物。
本公开的范围包括本文所公开（明确地或暗示地）的任何特征或特征组合或者其任何概括，无论它是否缓解本发明要解决的任何问题或所有问题。因此，可以在审查本申请期间根据任何这样的特征的组合制定新的权利要求。特别地，参考附图，来自附属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征组合并且来自相应独立权利要求的特征可以用任何适当方式组合并且不仅是权利要求中列举的具体组合。

Claims (20)

1.一种水听器，包括：
具有第一壁厚的外心轴和具有第二壁厚的内心轴；
其中所述水听器具有至少部分地基于内心轴的第二壁厚在纵向维度的纵向刚度和至少部分地基于外心轴的第一壁厚在周向维度的周向刚度；
其中纵向刚度大于周向刚度。
2.根据权利要求1所述的水听器，其特征在于，所述纵向刚度小于所述周向刚度的20倍。
3.根据权利要求1所述的水听器，其特征在于，所述水听器为光纤水听器。
4.根据权利要求3所述的水听器，其特征在于，所述水听器包括绕内心轴安置的参考光纤和绕外心轴安置的感测光纤。
5.根据权利要求4所述的水听器，其特征在于，所述水听器还包括安置于其内部体积内的填充流体并且其中所述填充流体的刚度在所述周向刚度的5倍与20倍之间。
6.根据权利要求5所述的水听器，其特征在于，其还包括：安置于所述水听器的相对纵向端处的端帽，其中所述端帽和所述内心轴由相同材料制成。
7.根据权利要求6所述的水听器，其特征在于，所述相同材料包括选自下列的组中的至少一种材料：钢、钛、玻璃填充的聚醚酰亚胺，和其任何组合。
8.一种水听器，包括：
第一端帽和第二端帽，其安置于所述水听器的相对纵向端处；
内心轴，其联接到所述第一端帽和第二端帽并且具有第二壁厚，其中参考光纤电缆围绕所述内心轴缠绕；以及
外心轴，其联接到所述第一端帽和第二端帽，具有第一壁厚，并且安置于所述内心轴外侧，其中感测光纤电缆围绕所述外心轴缠绕；
其中所述水听器具有至少部分地基于内心轴的第二壁厚在纵向维度的纵向刚度和至少部分地基于外心轴的第一壁厚在周向维度的周向刚度；并且其中所述纵向刚度大于所述周向刚度。
9.根据权利要求8所述的水听器，其特征在于，其还包括：安置于所述第一端帽内的活塞。
10.根据权利要求9所述的水听器，其特征在于，其还包括：
安置于所述第一端帽内的填充流体储集器；以及
联接于所述填充流体储集器与所述水听器的内部体积之间的毛细管。
11.根据权利要求8所述的水听器，其特征在于，所述水听器具有从0.1Hz至200Hz的相对平坦的频率响应。
12.一种水听器，包括：
第一端帽和第二端帽，其安置于所述水听器的相对纵向端处；其中所述第一端帽和第二端帽由选自下列的组中的材料制成：钢、钛、玻璃填充的聚醚酰亚胺；
内心轴，其联接到所述第一端帽和第二端帽，其中所述内心轴由选自下列的组中的材料制成：钢、钛以及玻璃填充的聚醚酰亚胺；以及
外心轴，其联接到所述第一端帽和第二端帽并且安置于所述内心轴外侧，其中所述外心轴由选自下列的组中的材料制成：聚醚酰亚胺、CPVC和塑料；
其中所述水听器具有至少部分地基于内心轴在纵向维度的纵向刚度和至少部分地基于外心轴在周向维度的周向刚度；并且
其中所述纵向刚度大于所述周向刚度。
13.根据权利要求12所述的水听器，其特征在于，所述水听器为光纤水听器。
14.根据权利要求12所述的水听器，其特征在于，所述水听器具有至少-146 dB re 1rad/μPa的灵敏度。
15.一种使用水听器的方法，所述方法包括：
将水听器安置于地层附近，其中所述水听器包括：
第一端帽和第二端帽，其安置于所述水听器的相对纵向端处；
内心轴，其联接到所述第一端帽和第二端帽，其中参考光纤电缆围绕所述内心轴缠绕；以及
外心轴，其联接到所述第一端帽和第二端帽并且安置于所述内心轴外侧，其中感测光纤电缆围绕所述外心轴缠绕；
其中所述外心轴具有第一壁厚，并且所述内心轴具有第二壁厚；
其中所述水听器具有至少部分地基于内心轴的第二壁厚在纵向维度的纵向刚度和至少部分地基于外心轴的第一壁厚在周向维度的周向刚度；并且其中所述纵向刚度大于所述周向刚度；以及
利用所述水听器检测从所述地层反射的地震能量。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，其还包括：使用所检测的地震能量来进行选自下列的组中的至少一种操作：海洋地球物理调查、海底储层监视、和井下声学监视。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，将所述水听器安置于所述地层附近包括将所述水听器放置于在100米与3500米之间的水深处。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述水听器具有至少-146 dB re 1rad/μPa的灵敏度。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述水听器的干涉测量输出的相位是在所述地震能量的相位的3°内。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述水听器处于温度在0℃与33℃之间的环境中。
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