CN1821808A - 减少海洋地震探测拖缆噪声的装置 - Google Patents

Abstract

海洋地震探测拖缆具有位于探测拖缆上的水听器壳体，水听器壳体具有端部，刚性侧壁，位于水听器壳体内的水听器，填充壳体的柔软的容易变形的实心材料，水听器壳体上的开口基本允许压力波通过，并可基本消除剪切波的通过。水听器壳体的另一实施例具有端部，刚性侧壁，和水听器壳体上的开口，其基本允许压力波通过，并基本消除剪切波的通过。开口可以是壳体的开口端，可位于壳体的侧壁，可位于壳体的端壁，或同时位于侧壁和端壁。

Description

减少海洋地震探测拖缆噪声的装置

技术领域

本发明大体上涉及地球物理探测的领域，具体地，涉及海洋地震勘测的领域。特别地，本发明涉及减少海洋地震探测拖缆噪音的装置。

背景技术

在地球物理探测的领域，地球表面下结构的知识可用于寻找和获取有价值的矿物资源，比如石油和天然气。已知道的地球物理探测方法是地震勘测法。地震勘测将适合的能量源发出的声波传入地球，并使用传感器阵列收集反射回来的信号。然后应用地震数据处理技术来收集数据并评估表面下的结构。

在地震勘测中，从地球表面上或表面附近注入声波信号产生地震信号，地震信号然后向下传输到地球表面之下。在海洋地震探测时，声波信号也可以通过水体向下传输。适合的能量源包括陆地上的爆炸物或振动器，水中的气枪或水下振动器。当声波信号遇到地震波反射体，具有不同声波阻抗的地表下的两个地层之间的界面时，一部分声波信号反射回到表面，反射回的能量被传感器检测和进行记录。

适当类型的地震波传感器可包括质点速度传感器，其用于陆地探测；和水压传感器，用于海洋探测。质点加速度传感器可用来代替质点速度传感器。质点速度传感器通常在所属领域公知为地音测听器，水压传感器在所属领域公知为水听器，震源和地震波传感器都可单独应用，或更常见地，以阵列形式应用。

地震波可以形成压力或压缩波(也称为P波)和剪切波(也称为S波)。压力波产生沿波的传播纵向的压缩，或质点前后运动，因此也称为纵向波。剪切波在横向于波的传播方向的方向上产生弹性变形，或从一侧到另一侧的质点运动，因此也称为横向波。剪切波只能在支承横向波的介质中形成。例如，水这样的流体不能支承剪切波的传输，而水体底部的固体就可以。尽管压力波和剪切波都可以在海洋地震探测时产生和检测到，通常仅关注水听器检测到的压力波。可通过压力波模式转换或其他方式产生的剪切波则是不需要的噪音。

在典型的海洋地震探测中，地震探测船在水面移动，一般速度为大约5节航速，船上装有地震探测控制装置，如航行控制，震源控制，地震检波器控制，和记录装置。地震探测控制装置可使得地震探测船在水中拖带的震源在选择的时刻促动。震源可以是地震探测领域公知的任何类型的震源，包括气枪或水枪，或最常用的气枪阵列。地震探测拖缆，也称为地震探测缆，具有细长的缆绳状结构，可被原有的地震探测船或另外的地震探测船拖带于水中。一般地，多个地震探测拖缆拖带于地震探测船后。地震探测拖缆上设有用于检测反射回来的波场的传感器，震源产生的波场通过环境中的地质分界面反射。通常，地震探测拖缆设有压力传感器如水听器，但已经要求除了水听器外，地震探测拖缆还设置水质点移动传感器，如地音测听器。传感器一般沿地震探测拖缆以固定间隔设置。

地震探测拖缆还包括电子模块，电线和传感器。地震探测拖缆一般分为多个长度大约为100米的部分，其整体长度可延伸到数千米。定位控制装置，如深度控制器，破雷卫，和尾部浮标，用于调节和监视地震探测拖缆的移动。海洋地震数据采集系统包括震源和地震探测拖缆。地震数据采集操作逐渐变得更加复杂，其使用了更多的震源和探测拖缆。这些震源和拖缆系统的共同特点是可以位于地震探测船移动路线的后面和侧面。此外，震源和探测拖缆沉在水中，震源一般位于水面下5到15米的深度，探测拖缆一般位于5到40米的水深处。

典型的探测拖缆部分包括外套，连接件，间隔件和加强件。外套保护探测拖缆部分的内部防止水进入。各探测拖缆的端部连接件通过机械、电和/或光学方式将一部分连接到相邻部分，最后连接到地震探测拖引船。加强件，通常是两个或更多个，沿各探测拖缆部分的长度从端部连接件延伸到另一连接件，提高了轴向机械强度。电线束也沿各探测拖缆部分的长度延伸，其包括电源导线和电子数据通讯导线。在某些情况下，数据通讯的光导纤维也包括于电线束。水听器或水听器组也位于探测拖缆。水听器有时设置在间隔件以得到保护。间隔件之间的距离一般大约为0.7米。水听器组，一般包括8个或16个水听器，通常其延伸长度为大约12.5米。

地震探测拖缆的内部充填了芯部材料，以提供浮力并得到希望的声波性能。多年来，大部分地震探测拖缆用流体芯部材料填充。这种流体填充的探测拖缆设计得到良好的检验，已经在该工业领域长时间应用。但是，这种设计有两个主要缺点。第一个缺点是，当探测拖缆部分损坏和受到切割时，流体会泄漏到周围的水中。因为探测拖缆中的流体一般是碳氢化合物，如煤油，泄漏将带来严重的环境问题。损坏可能发生在探测拖缆在水中拖带时，或者当探测拖缆从拖缆绞盘拉出或回收到绞盘时也可能损坏，拖缆通常储存在地震探测拖船上的绞盘。

使用流体填充拖缆部分的第二个缺点是探测拖缆在水中拖带时振动产生噪音。这种振动产生通过拖缆内部流体传播的内部压力波，这种压力波通常称为“膨胀波”或“呼吸波”。例如，这种噪音在S.P.Beerens等人的论文进行了介绍，论文名为“Flow Noise Analysis ofTowed Sonar Arrays”，发表于1999年6月29日到7月1日在法国Nice市召开的会议UDT 99-Conference Proceedings Undersea DefenseTechnology，属于Kent市Swanley镇的Nexus Media Limited公司。

在探测拖缆以恒定速度移动的理想条件下，所有的元件，包括外壳，连接件，间隔件，加强件，和流体芯部材料，互相没有相对移动。但在实际情况下，导致加强件瞬间移动的地震探测拖缆的振动可因连接到拖缆的地震探测船、破雷卫和尾部浮标的倾斜和起伏，连接到拖缆的拖带缆绳的跳动，或位于拖缆的深度控制装置的操作而形成，其中跳动是由缆绳上形成的旋涡造成。加强件的瞬间移动使间隔件或连接件位移，使流体芯部材料的压力波动，这可由水听器检测出。从间隔件或连接件辐射出的压力波动还造成柔性外套如行波一般突起和凹下，使得这种现象得到该名。

此外，还有其他类型的噪音，通常称为流动噪音，其可影响水听器的信号。例如，地震探测拖缆的振动可造成外壳中的膨胀波，和传递到加强件的瞬间共振。拖带探测拖缆在拖缆外套周围形成的湍流边界层还造成流体芯部材料的压力波动。在流体填充的拖缆部分，膨胀波、瞬间共振、和湍流导致的噪音一般与膨胀波相比其幅度小很多。膨胀波通常是最大的振动噪音源，因为这些波在充填拖缆部分的流体芯部材料中传播，因此其直接作用到水听器。

实验了许多方法来减少拖缆部分的噪音问题。例如，第一种方法是在流体填充的拖缆部分设置间隔块，阻止振动造成的膨胀波沿拖缆部分连续传播。第二种方法是设置开孔泡沫材料于拖缆部分的内部空腔。开孔泡沫材料限制了流体填充材料响应瞬间压力改变时的流动，使得能量分散到短距离内的外套和泡沫材料。解决噪音问题的第三种方法是将多个水听器结合成组件，以减少缓慢移动波。相同数量的水听器设置在间隔件之间或间隔件的两侧，使得成对的水听器感应到相等和相反的压力变化，水听器组件的信号相加可抵消一部分噪音。

另一个减少膨胀波的方法是取消拖缆部分的流体，使得膨胀波没有传播介质。这个方法可通过所谓的实心拖缆作为例证，拖缆部分由代替流体的实心芯部材料进行充填。但是，实心材料将产生剪切波，其可增加水听器探测到的噪音。还注意到，剪切波不能在流体填充材料中传播，因为流体不具有剪切模量。另外，对于希望的压力波，许多传统的实心芯部材料是不能传播声波的。

解决噪音问题的另一方法是用柔软的实心芯部材料代替拖缆部分的流体芯部材料。与流体芯部材料相比，使用柔软的实心材料可阻挡膨胀波的传播。与较硬的材料相比，柔软的实心材料还可减少剪切波的传播。但是仍有很多的剪切波通过柔软的实心材料传递到水听器。

因此，需要一种安装海洋地震探测拖缆部分的水听器的机构，可使压力波可传播到水听器，同时基本消除甚至防止了膨胀波和剪切波传播到水听器。

发明内容

本发明是一种装置，可用于减少海洋地震探测拖缆的噪音。在一个实施例中，本发明包括海洋地震探测拖缆，位于海洋地震探测拖缆的水听器壳体，水听器壳体具有端部和基本刚性的侧壁；位于水听器壳体中的水听器，柔软可变形的实心材料，其填充所述壳体和海洋地震探测拖缆；和位于水听器壳体的开口，基本允许压力波通过，基本消除剪切波的通过。

在一个实施例中，开口是水听器壳体的开口端。在另一实施例，开口位于水听器壳体的侧壁。在又一实施例中，开口位于水听器壳体的基本刚性的封闭端壁。在还有一个实施例中，开口位于水听器壳体的端壁和侧壁。

在一可选实施例中，本发明包括水听器壳体，其具有端壁和基本刚性的侧壁，位于水听器壳体的开口，其基本允许压力波通过，基本消除剪切波的通过。

附图说明

通过参考下面的详细说明和附图，将更加容易了解本发明及其优点，附图中：

图1是根据本发明的保持有水听器壳体的地震探测拖缆部分的示意性透视图；

图2是根据本发明的带有开口端的水听器壳体实施例的透视图；

图3A和3B是封闭的水听器壳体实施例的透视图，壳体带有位于封闭端壁的开口；

图4A和4B是封闭的水听器壳体实施例的透视图，壳体带有位于侧壁的开口；和

图5是封闭的水听器壳体实施例的透视图，壳体带有位于封闭端壁和侧壁的开口。

尽管本发明将参考优选实施例进行介绍，应当知道本发明并不限于这些实施例。相反地，本发明应覆盖所有的变化，改进及其等同体，这些将属于本发明的范围，如所附权利要求定义的。

具体实施方式

本发明是一种可减少海洋地震探测拖缆的噪音的装置。在一个实施例中，本发明包括水听器壳体，用于固定水听器于地震探测拖缆部分内。在一可选实施例中，本发明包括带有水听器壳体的地震探测拖缆，封闭的水听器安装于壳体内，柔软的可变形的实心芯部材料填充到拖缆和壳体。在一特定实施例，本发明包括水听器组件，其可消除膨胀波和剪切波，同时允许压力波进入，从而增加了水听器检测到信号的信噪比。

本发明的水听器组件通过使用柔软的可变形的实心材料作为芯部材料来填充水听器壳体以及地震探测拖缆部分，可消除噪音，如膨胀波。此外，对于压力波柔软的可变形实心材料是可通过声波的。水听器壳体通过采用基本刚性侧壁和端壁以及其上开口，其基本允许通过压力波和基本消除剪切波的通过，这样可减少剪切波。在一个实施例中，开口是水听器壳体的开口端。在其他实施例中，开口位于水听器的侧壁，或位于水听器壳体的端壁，或位于水听器壳体的侧壁和端壁。

图1显示了根据本发明的优选实施例的地震探测拖缆部分的示意性透视图(未按比例)。海洋地震探测拖缆一般包括多个拖缆部分，图中显示出一个，用标记11来表示。各海洋探测拖缆部分11主要包括外套12，内部加强件13，电线束14，连接件15，和间隔件16。外套12的一般形式是细长的柔性圆筒，其最好是挤出外套。外套12可保护拖缆部分11的内部，使其免于水进入产生腐蚀作用。内部加强件13沿拖缆部分11的纵向延伸，通常位于外套12的附近，从拖缆部分11一端的连接件15延伸到另一端的连接件15。一般地，各拖缆部分11至少使用两个内部加强件13。加强件13提高了拖缆部分11的轴向机械强度。电线束14一般与拖缆部分11的中心同轴，沿拖缆部分11的纵向延伸。电线束14提供来自地震探测拖船的能量和数据传输。电线束14包括电源导线和数据通讯导线，在某些情况下，还有用于数据通讯的光导纤维。连接件15位于拖缆部分11的两端。连接件15以机械、电和/或光学的方式连接拖缆部分11到相邻的拖缆部分11，允许电线束提供能量和数据传输到各地震探测拖缆11，和传输来自拖缆部分11的数据。

间隔件16在拖缆部分11的内部以一定间隔设置。间隔件支承外套12，内部加强件13和电线束14。在传统的地震探测拖缆部分11，水听器通常封闭于间隔件16，以便固定和保护。但是在本发明，水听器17安装在水听器壳体19，而不是安装在间隔件16。在一个实施例中，水听器壳体19绕地震探测拖缆部分11的纵轴线径向对中。但是，不能用这个位置来限制本发明。在优选实施例中，各水听器17通过电连接件(在后面的图中显示)连接到电线束14。拖缆部分11的内部填充了芯部材料，包括柔软的可变形的实心材料18。

本发明的水听器壳体可以不同的实施例来制造。图2显示了根据本发明的水听器壳体19的一个实施例的透视图。水听器壳体19主要包括基本刚性的圆筒20，其带有侧壁21和开口端22。水听器壳体19显示于图2，还显示于图3A，3B，4A，4B和图5，圆筒形状只是用于显示。本发明不想只限于圆筒形的水听器壳体19，而是包括任何具有相同功能的水听器壳体19。

水听器17封闭于水听器壳体19。水听器17通过结构支承件23保持在适当位置，结构支承件连接于水听器17和水听器壳体19的刚性圆筒20的侧壁21之间。结构支承件23的数量和结构应允许水听器壳体19内部的压力波通过，以便水听器17进行检测。水听器17通过电连接件24连接到拖缆部分11的电线束14(见图1)，电连接件通过水听器壳体19的一个开口端22。水听器壳体19的内部也填充了柔软可变形的实心材料18，其还作为芯部材料填充地震探测拖缆部分11。

柔软可变形实心材料18用于本发明，取代了水听器壳体19以及拖缆部分11中的传统的流体或实心芯部材料。采用柔软可变形的实心芯部材料18代替流体芯部材料可防止形成膨胀波，因膨胀波将提高水听器17检测信号的噪音。采用柔软可变形实心材料18代替实心芯部材料使得压力波可到达水听器17进行检测，由于柔软可变形的实心芯部材料18允许声波传输。此外，柔软可变形的实心材料18与传统的实心芯部材料相比不容易传输剪切波，尽管柔软可变形的实心材料18不能完全消除剪切波。

为了能够使用柔软可变形的实心材料18，本发明使用的水听器壳体19的设计允许压力波通过到达水听器17，同时消除剪切波的通过。水听器壳体19允许通过开口接近内部，以限制柔软可变形的实心材料18中的剪切波沿横向于进入的压力波移动方向的移动。因为剪切波的质点运动是横向于压力波的纵向移动方向的，因此可消除剪切波。

因此，水听器壳体19的设计允许希望的压力波进入，并使得不希望的剪切波不能进入。在图2所示的实施例中，水听器壳体19的刚性侧壁21将阻挡任何未沿水听器壳体19的纵向传播的波。因此，只有沿圆筒形水听器壳体19的纵向通过水听器壳体19的一个开口端22进入水听器壳体19的波可被受保护的水听器17检测到。这种波的进入方向对应于拖缆部分11的直接方向。

在图2所示的实施例中，圆筒形水听器壳体19的长度大约是水听器17长度的二倍。这种长度关系通过实验确定是有效的，可消除剪切波传播进入水听器壳体到达水听器。此外，已经发现水听器壳体19对消除流动噪音是有效的。局部效应，如拖缆部分11的外套12的压力波动，只有在从较长的水听器壳体19的开口端22进入后才能被水听器17检测到。因此，流动噪音将在外套的较大区域产生。较大区域的流动噪音的平均使得部分噪音得到消除。

图3A，3B，4A，4B和图5显示了本发明的水听器壳体19的各实施例的透视图，水听器壳体19具有在封闭的水听器壳体19的侧壁和端壁上的不同组合的开口。图3A和3B显示了具有端壁开口的实施例，图4A和4B显示了具有侧壁开口的实施例，最后图5显示了具有侧壁和端壁开口的另一实施例。各图3A，3B，4A，4B和图5显示的水听器壳体19主要包括基本刚性的圆筒20，圆筒具有侧壁21和封闭的端壁32(取代了图2所示实施例的开口端22)。注意到，本发明不想限于圆筒形水听器壳体19，而包括任何适当形状的水听器壳体19。水听器17被封闭于水听器壳体19内。水听器17通过连接到圆筒20的两个封闭端壁32的端部保持件33保持在适当位置。保持件33还通过另外的结构支承件(未显示)连接到圆筒20的侧壁21。水听器17连接电导体24，电导体24通过一个封闭端壁32的一个保持件33，并连接到拖缆部分11的电导体15。水听器壳体19的内部充填了柔软可变形的实心材料18，其可作为芯部材料填充地震探测拖缆部分11。

图3A和3B显示了封闭的水听器壳体19的实施例，水听器壳体具有位于封闭端壁32的开口35。水听器壳体19这样设计可消除剪切波。水听器壳体19的基本刚性的侧壁21可基本阻挡任何未沿水听器壳体19纵向传播的波。位于圆筒20的各封闭端壁32的开口35允许压力波进入水听器壳体19的内部，被水听器17检测到。此外，开口35的尺寸加工成为剪切波消除端口。长度36和开口35的直径37之间的比例通过实验确定，其取决于柔软可变形的实心材料18的粘性(因此，剪切模量)，使得柔软可变形实心材料18的横向运动限于开口35。然后，基本上纵向压力波通过开口35进入水听器壳体19的内部，其中设置了水听器17。剪切波，其具有横向于开口35的纵轴线的质点运动，可受到阻挡基本不能通过开口35进入水听器壳体19的内部。

图3A显示的实施例其长度36和开口直径37相对较大。图3B显示的实施例其长度36和开口直径37相对较小。在这两种情况下，压力波可通过开口35进入水听器壳体19。而剪切波得到消除。水听器壳体19的开口的数量和结构，如图3A和3B所示，只是用于说明，不能用于限制本发明。开口35的数量和结构只需足以保证足够的压力波能通过进入水听器壳体19的内部，受水听器17的检测。

图4A和4B显示了封闭的水听器壳体19的另一实施例，水听器壳体具有位于侧壁21的开口45。水听器壳体19这样设计可消除剪切波。水听器壳体19的基本刚性的封闭端壁32可基本阻挡任何未横向于水听器壳体19纵向传播的波。位于圆筒20侧壁21的开口45允许压力波进入水听器壳体19的内部，被水听器17检测到。此外，开口45的尺寸加工成为剪切波消除端口。长度46和开口35的直径47之间的比例通过实验确定，其取决于柔软可变形的实心材料18的粘性，使得柔软可变形实心材料18的横向运动限于开口45。然后，基本上横向的压力波可通过开口45进入水听器壳体19的内部，其中设有水听器17。剪切波，其具有横向于开口45的纵轴线的质点运动，可受到阻挡基本不能通过开口45进入水听器壳体19的内部。

图4A显示的实施例其开口45的长度46和直径47相对较大。图4B显示的实施例其开口45的长度46和直径47相对较小。在这两种情况下，压力波可通过开口45进入水听器壳体19，剪切波被阻止。水听器壳体19的开口45的数量和结构，如图4A和4B所示，只是用于说明，不能用来限制本发明。开口45的数量和结构只需足以保证足够的压力波能通过进入水听器壳体19的内部，受水听器17的检测。

图5显示了封闭的水听器壳体19的另一实施例，水听器壳体具有位于封闭端壁32和侧壁21上的开口。开口35位于圆筒20的封闭端壁32，如同图3A和3B所示，开口45还位于圆筒20的侧壁21，如图4A和4B所示。在封闭端壁32的开口35和在侧壁21的开口45的尺寸如上面所讨论的进行加工，使得压力波可进入水听器壳体19，受水听器17的检测，同时阻止剪切波进入。水听器壳体19的开口35，45的数量和结构，如图5所示，只是用于说明，不能用来限制本发明。

应当知道前面的介绍只是本发明的特定实施例的详细介绍，可根据所公开的内容对公开的实施例进行许多变化，改进和替代，这些改进都未脱离本发明的范围。前面的介绍并不意味着对发明范围的限制，本发明的范围只由所附权利要求和其等同体确定。

Claims (17)

1.一种海洋地震探测拖缆部分，包括：

外套；

水听器壳体，位于所述外套内，所述水听器壳体具有端部和基本刚性的侧壁；

位于所述水听器壳体内的水听器；

柔软的容易变形的实心材料，填充所述外套和所述水听器壳体；和

水听器壳体上的开口，其基本允许压力波通过进入所述壳体，并可基本消除剪切波通过进入壳体。

2.根据权利要求1所述的海洋地震探测拖缆部分，其特征在于，所述水听器壳体上的开口是水听器壳体的开口端。

3.根据权利要求2所述的海洋地震探测拖缆部分，其特征在于，所述水听器壳体的长度大约为水听器长度的两倍。

4.根据权利要求1所述的海洋地震探测拖缆部分，其特征在于，所述开口位于所述水听器壳体的侧壁。

5.根据权利要求1所述的海洋地震探测拖缆部分，其特征在于，所述水听器壳体的端部包括基本刚性的端壁，所述开口位于所述水听器壳体的端壁。

6.根据权利要求5所述的海洋地震探测拖缆部分，其特征在于，所述开口位于所述水听器壳体的端壁和侧壁。

7.根据权利要求1所述的海洋地震探测拖缆部分，其特征在于，所述水听器壳体绕所述海洋地震探测拖缆的纵轴线径向对中。

8.一种消除海洋地震探测拖缆噪音的装置，包括：

水听器壳体，具有端部和基本刚性的侧壁；和

水听器壳体上的开口，基本允许压力波通过进入所述壳体，并基本消除剪切波通过进入壳体。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括位于所述水听器壳体内的水听器。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述水听器壳体设置于海洋地震探测拖缆。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置还包括柔软可变形的实心材料，用于充填所述水听器壳体和海洋地震探测拖缆。

12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述开口是水听器壳体的开口端。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述水听器壳体的长度大约为水听器长度的二倍。

14.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述开口位于所述水听器壳体的侧壁。

15.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述水听器壳体的端部包括基本刚性的端壁，所述开口位于所述水听器壳体的端壁。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述开口位于所述水听器壳体的端壁和侧壁。

17.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述水听器壳体绕海洋地震探测拖缆的纵轴线径向对中。

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