DE2731044C2

DE2731044C2 - Vorrichtung zur seismischen Erforschung des Meeresgrundes

Info

Publication number: DE2731044C2
Application number: DE19772731044
Authority: DE
Inventors: William Harold Duncanville Tex. Ruehle
Original assignee: Mobil Oil Corp
Current assignee: ExxonMobil Oil Corp
Priority date: 1977-07-08
Filing date: 1977-07-08
Publication date: 1985-09-26
Also published as: DE2731044A1

Description

3 ■ ■■ τ-_; ■■· ■■■■■■:■■■ . .4.

dungsgemäßen Weise ausbildet, so erhält man die be- aus Hydrophonen, sollen so abgestimmt werden, daß sten und gehauesten Ergebnisse. Allein durch die Zu- man eine vertikale Richtwirkung erhält und sich horiordnung der beiden Anordnungen der VonrWityngen zonlal ausbreitende Geräusche ausgefötert werden sound der Elemente der Anordnungenzueinander erhält wie über dem breitbandigen Frequenzspektrum der . man auf sphr einlache Weise «ini Ausfilterh der.üner- 5 seismischen Impulse {vgl. Fig.3)<d»e ze den Hydrophowünschten horizontalen Störgeräuschkomponenten. nen reflektierten Impulse maximiert werden.

Die Richtwirkung der 'seismischen Energiequellen Hierbei wird die Anordnung derart getroffen, daß die

läßt sich dadurch variieren, daß die Verzögerungszeit Länge 24 der in F i g. 1 dargestellten Anordnung größer

zwischen der Zündung der einzelnen Energiequellen in irt als die Wellenlänge der der niedrigsten Frequenz

der Anordnung verändert wird. ^r ίο zugeordneten seismischen Impulse. Werden z. B. Gas-

Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel quellen mit einem in F i g. 3 dargestellten charakteristi-

unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert sehen Frequenzspektrum verwendet und wird weiterhin

Darin zeigen: eine Schallgeschwindigkeit im Wasser von 1524 m/s an-

F i g. 1 und 2 eine hinter einem Seefahrzeug schlepp- genommen, so ist die Länge der Anordnung größer als

bare Vorrichtung zur seismischen Erforschung des 15 1,524

Meeresgrundes, ' ~ToI~ ¹⁵²>^4m-

F i g. 3 das charakteristische Frequenzspektrum einer Weiterhin ist der in F i g. 1 mit dem Pfeil 25 bezeich-

Energiequelle, nete Abstand zwischen sämtlichen Elementen dieser

F ig. 4 die Richtwirkung einer geradlinigen ersten Anordnung kleiner als die Wellenlänge der der höchsten

Anordnung, bestehend aus mehreren seismischen Ener- 20 Frequenz zugeordneten seismischen Impulse. Hat ent-

giequellen, sprechend dem obigen Beispiel die Gasquelle das in

F i g. 5 die erfaßten reflektierten seismischen Impulse F i g. 3 dargestellte charakteristische Frequenzspek-

einer geradlinigen ersten Anordnung von 16 Elementen . , , ,,,. ,1524 ._„„

_uncl trum, so ist der Abstand kleiner als-7^-= 15,24 m.

F i g. 6 ein Polarkoordinaten-Diagramm über die er- 25 Bei einer beispielsweisen Ausführungsform der Vorfaßten Impulse. richtung zur seismischen Erforschung des Meeresgrun-

Gemäß den Fig. 1 und 2 durchfährt ein Schiff 11 mit des ist die vollständige Länge der Anordnung 243,8 m,

einer Vorrichtung zur seismischen Erforschung des d. h. wesentlich länger als 152,4 m. Die erste Anordnung

Meeresgrundes einen seismischen Untersuchungsweg besteht hierbei aus 16 Gasquellen, die in Abständen von

und vermißt eine Meeresgrundformation 12 unter einer 30 15,24 m angeordnet sind.

Wasserschicht 13. Hinter dem Schiff wird über ein Ka- Die Hydrophone in dem Streamer 21 können die gleibei 17 eine geradlinige horizontale erste Anordnung, chen Abstände haben und die Länge der gesamten Anbestehend aus seismischen Energiequellen 14, 15, 16 Ordnung kann gleich bemessen sein,
usw. geschleppt Oberflächenschwimmkörper 18,19,20 Im folgenden wird erläutert, warum derartige Anordusw. ermöglichen, daß ein gleichmäßiger Abstand zwi- 3s nungen eine vertikale Richtwirkung und ein genaues sehen den Energiequellen eingehalten wird. erfaßtes Signal über den breiten Frequenzbereich der

Ein Streamer 21 mit einer zweiten Anordnung von seismischen Impulse liefern.

Hydrophonen wird auch hinter dem Schiff hergezogen. Eine Anordnung mit Richtwirkung kann im Zusam-

Das erste Hydrophon dieser zweiten Anordnung läßt menhang mit F i g. 4 beschrieben werden. Die Richtwir-

sich irgendwo außerhalb des Schiffes anordnen. Im Ide- 40 kung der Anordnung ist mit .^bezeichnet d. h. der Zeit

Palfall ist das erste Hydrophon direkt gegenüberliegend die ein seismischer Impuls benötigt um von der Quelle

im Zentrum der ersten Anordnung, bestehend aus Ener- 26 zu einem Punkt 27 zu gelangen. Mit anderen Worten

|J giequellen, angeordnet. Eine Oberflächentrageboje 22 ist ^7die Zeit die ein seismischer Impuls benötigt, um

Hf ermöglicht die Einhaltung einer exakten Beziehung zwi- von einer Quelle am einen Ende der Anordnung zu der

i;5 sehen dem Hydrophon-Streamer 21 und der zweiten 45 von den Impulsen anderer Energiequellen erzeugten

Anordnung, bestehend aus Energiequellen. Diese sind ebenen Wellenfront zu gelangen. ^Tläßt sich darstellen

£ um einen durch einen Pfeil 23 bezeichneten Abstand als:

_t.| voneinander seitlich versetzt Dieser seitliche Abstand - r \

in* ist so gewählt daß die Hydrophone des Streamers 21 ΔΤ = η\τ- Δ Χ ) (1)

ψ dem sich horizontal ausbreitenden Geräusch der ersten 50 V K■ J
( · Anordnung, bestehend aus Energiequellen, ausgesetzt

'''' jind. η ist hierbei die Anzahl der Elemente in der Anord-Die Energiequellen der ersten Anordnung können nung, ^/X ist der Abstand zwischen den Elementen einer ?~ von Gasquellen gebildet werden, bei denen ein elektri- Anordnung, Φ der Winkel zwischen der Vertikalen und j:- sches Signal ein Elektromagnetventil steuert, wodurch 55 der Ausbreitungsrichtung der Impulse, Vw die Ge- *' Druckluft hohen Druckes plötzlich aus einer Kammer in schwindigkeit der seismischen Impulse im Wasser und ν \- der Gasquelle ausgegeben und hierbei ein seismischer die Verzögerungszeit zwischen der Zündung der einzel- C Impuls im Wasser erzeugt wird. Übliche Gasquellen die- nen Energiequellen. Die Frequenz der seismischen Im-'' ser Art haben ein Fassungsvermögen in der Größenord- pulse ist MT. Bei einer horizontalen Eneigiequellenannung von 1310 bis 3277 cm³. Ein charakteristisches Fre- to Ordnung unter der Bedingung τ = 0 wird eine maximale quenzspektrum der seismischen Impulse einer solchen vertikale Richtwirkung erhalten.
Energiequelle ist in F i g. 3 gezeigt in der die Amplitude Das erfaßte Signal eines Geophon-Streamer (hier der akustischen seismischen Impulse über der Frequenz Hydrophon-Streamer) einer solchen geradlinigen Anaufgetragen ist. Wie dort gezeigt ist, liegt die niedrigste ordnjng von Energiequellen im eingeschwungenen ZuFrequenz der seismischen Impulse bei 10 Hz, die hoch- 65 stand kann mit:
stc Frequenz bei 100 Hz und die vorherrschende Frequenz bei 30 Hz. Die erste Anordnung, bestehend aus /; (ΑΣΛ = Sin ^^ T/T ^j Energiequellen, und die zweite Anordnung, bestehend \ T / η Δ Τ/Τ

angegeben werden. Dieses erfaßte Signal

ist in F i g. 5 dargestellt.

In der Praxis wird das erfaßte Signal der Vorrichtung
durch Ermittlung von Φ und W und Errechnung von ΔT
aus Gleichung (1) ermittelt. Für das obige Beispiel erhält
man io

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Mit diesem ΔΤ, verschiedenen T's oder Frequenzen 15 $ kann das Verhältnis ΔΤ/Τ bestimmt werden. Für die % einzelnen Werte von ΔΤ/Τ kann das erfaßte Signal aus < der obigen Gleichung (2) oder aus der Kurve in F i g. 5 |i| ermittelt werden. Ein Bereich solcher Werte wurde er- ψ rechnet und als Polarkoordinaten-Diagramm gezeich- 20 -^; net (siehe F i g. 6). Es ist dort das erfaßte Signal für eine j,; horizontale geradlinige Anordnung bestehend aus 16 ,;■ Elementen im Abstand von 15,24 m dargestellt ohne ei- Jf ne Auslöseverzögerung zwischen den einzelnen Energiequellen. Das in Polarkoordinaten erfaßte Signal zeigt 25

das relative Maß der seismischen Energie bei einer ge- 1

gebenen Frequenz unter Ausbreitung unter verschiede- }■'

nen Winkeln, die auf die Energieausbreitung einer '{. punktförmigen Energiequelle bezogen ist. Eine solche

punktförmige Energiequelle weist ein charakteristisches 30 'ii

erfaßtes Signal in Polarkoordinaten mit einem Kreis der ϊ ·,

Amplitude 1,0 auf. ·'.·,

Es sei darauf hingewiesen, daß für sehr große T der f'-

Bereich der Werte ΔΤ/Τzwischen 0 und 1 liegt In dem '-Ij

Maß, wie Tabnimmt, wächst ^Γ/Tjenseits 1 und in dem 35 '};*

Polarkoordinaten-Diagramm erscheinen seitliche Äste '■'■

(gestrichelte Kurve). Für den Fall τ = 0 liegen die Kur- %

ven symmetrisch um Φ = 0°. ΐ;

Die beiden horizontalen Anordnungen der Vorrich- 5

tung zur seismischen Erforschung des Meeresgrundes 40 ίΐ

sind speziell für den Fall geeignet, bei dem die Energie- tii

quellen in separaten Gruppen gezündet werden, um ei- '%-

nen seismischen Impuls zu erzeugen, dessen Zeitbe- fs

reichscharakteristik inversen Verzerrungseffekten, die ί

durch Echos in den V/asserschichten verursacht werden, 45 ffi

entsprechen. ρ

Claims

■■[:■■ ;"^; ' akustische Dnicfc^eUen breiten s^^^

r. Patentanspruch: Impulsenergie pflanzt sich im Wasser nach unten fort

:: , '_'.. μΐ^Ιϊπαΐη die Meeresgrundfonnation ein und wird von

Vorrichtung zur seismischen Erforschung des dort reflektiert Ein anderer Teil der Impulsenergie brci-Meeresgrundes mit einer ersten Anordnung, beste- 5 te* sich aber in horizontaler Richtung aus und wird von hend aus mehreren seismischen Energiequellen, die den Hydrophonen erfaßt und kann bei der Erfassung jeweils seismische Impulse breitbandiger Frequenz der durch die Meeresgrundformationen reflektierten mit einer niedrigsten Frequenz, einer höchsten Fre- seismischen Impulse an den Hydrophonen zu lnierfequenz und einer vorherrschenden Frequenz erzeu- renzen führen. Hierbei ,gibt es einen kritischen Abstand gen, und einer zweiten Anordnung, bestehend aus io zwischen den Energiequellen, der durch die Schallgemehreren Hydrophonen zur Erfassung von reflek- schwindigkeit im Wasser und die Schallgeschwindigkeit tierten seismischen impulsen, wobei die' beiden An- auf dem Meeresgrund bestimmt ist Wenn dieser kritiordnungen hinter einem Seefahrzeug jeweils gerad- sehe Abstand aberschritten wird, wird die Impulsenerlinig horizontal, mit festem Abstand zwischen den gie total reflektiert und breitet sich horizontal aus. Dies Energiequellen, festem Abstand zwischen den Hy- is führt zu ungenauen Ergebnissen bei der Erforschung drophonen und einem festen seitlichen Abstand un- des Meeresgrundes. Wenn die Länge der Anordnungen tereinander schleppbar sind und die Länge der er- und der Abstand zwischen den Elementen der Anord-

Isten Anordnung mindestens so groß ist wie die der nungen durch die der vorherrschenden Frequenz zuge-

vorherrschenden Frequenz zugeordnete Wellenlän- ordneten seismischen Impulse bestimmt ist, hat die Vor-

ge, dadurch gekennzeichnet, daß die Lan- 20 richtung eine Richtwirkung bei dieser vorherrschenden

ge mindestens einer der beiden Anordnungen grö- Frequenz. Die Richtwirkung ist aber im gesamten brei-

ßer als die Wellenlänge der der niedrigsten Fre- ten Frequenzband der seismischen Impulse unzurci- I

quenz zugeordneten seismischen Impulse ist und chend. I

daß der Abstand zwischen sämtlichen Elementen Bei der US-PS 34 79 638 ist der Abstand zwischen den

dieser mindestens einen Anordnung kleiner als die 25 Energiequellen derart gewählt daß er ein ganzzahliges

Wellenlänge der der höchsten Frequenz zugeordne- Vielfaches der der vorherrschenden Frequenz zugeord-

ten seismischen Impulseist neten halben Wellenlänge ist

In der US-PS 38 52 708 ist eine spezielle Anordnung

von Hydrophonen angegeben; sie befaßt sich mit den

30 Schwiengkeiten von zwei Arten von Störgeräuschen, die zu Interferenzen mit den seismischen aufzuzeich-

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur seismi- nenden Daten führen. Die erste Störgeräuschkomposchen Erforschung des Meeresgrundes gemäß Oberbe- nente bezieht sich auf eine inkohärente Komponente, griff des Anspruches. die ihre Ursache in Umgebungsgeräuschen, Schiffsgc-Aus US-PS 36 13 823 ist eine Vorrichtung der ein- 35 rauschen usw. hat. Die zweite Komponente ist niedcrgangs genannten Art bekannt Hierbei ist die Länge der frequent und kohärent und hat hauptsächlich ihre Ursa-Anordnung, bestehend aus mehreren seismischen Ener- ehe in den Schlepptauvibrationen usw. Die Auslegung giequellen, die jeweils seismische Impulse breitbandiger ist hierbei derart getroffen, daß die kohärente GeFrequenz mit einer niedrigsten Frequenz, einer hoch- räuschkomponente eine effektive Wellenlänge hat, die sten Frequenz und einer vorherrschenden Frequenz er- 40 wesentlich kleiner als die durch die Hydrophone erfaßzeugen, größer als die der vorherrschenden Frequenz ten Impulse ist um die kohärente Geräuschkomponentc zugeordnete Wellenlänge. Wenn in Verbindung mit ei- zu dämpfen bzw. auszufiltem. Hierzu werden entweder ner solchen ersten Anordnung eine zweite Anordnung, die Hydrophon-Empfindlichkeiten entsprechend eingebestehend aus mehreren Hydrophonen zur Erfassung stellt oder die Abstände zwischen den Hydrophonen der reflektierten seismischen Impulse hinter einem See- 45 jeder Gruppe werden verändert Ferner werden mehrefahrzeug, wie einem Schiff durch das Wasser über ein zu re Gruppen von Wandlern vorgesehen, die zur Abschiruntersuchendes Gebiet geschleppt wird, werden die mung von unerwünschten Störgeräuschen dienen,
seismischen Energiequellen, wie Gasquellen, gezündet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vordie Preßluftimpulse als seismische Impulse erzeugen richtung zur seismischen Erforschung des Meeresgrun- und in das Wasser leiten (siehe US-PS 35 06 085). Diese 50 des der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, seismischen Impulse breiten sich durch das Wasser aus daß die Störgeräusche weitgehend minimal gehalten und dringen in die darunterliegenden Erdformationen werden, die auf die sich horizontal ausbreitenden seismiein, in denen sie reflektiert werden. Die reflektierten sehen Impulse zurückzuführen sind,
seismischen Impulse werden mit Hilfe der zweiten An- Nach der Erfindung wird diese Aufgabe mit dem einordnung, bestehend aus mehreren Hydrophonen, erfaßt, 55 zigen Patentanspruch gelöst

die als Detektoren dienen. Die reflektierten seismischen Bei der Vorrichtung zur seismischen Erforschung des Impulse, die für die Erforschung des Meeresgrundes Meeresgrundes nach der Erfindung erhält man eine guausschlaggebend sind, können hierbei durch Geräusche te senkrechte Richtwirkung und die sich horizontal ausgestört werden. Als Ursache für derartige Störgeräu- breitenden Störgeräusche beeinflussen die Erfassung sehe kommen die durch das Seefahrzeug bei der Fahrt 60 der ausschlaggebenden, in vertikaler Richtung sich ausselbst erzeugten Geräusche, die durch die beiden nach- breitenden reflektierten Impulse nicht nachteilig. Die geschleppten Anordnungen erzeugten Geräusche und erste Anordnung, bestehend aus den seismischen Enerdie durch die Schiffsschraube der Antriebseinrichtung giequellen, ist so getroffen, daß die Impulse von den [I des Seefahrzeugs erzeugten Geräusche in Betracht. Quellen im wesentlichen senkrecht ins Wasser gerichtet Sf Ferner liefern auch die seismischen Energiequellen stö- 65 werden. Die zweite Anordnung, bestehend aus den Hy-I;! rende Geräusche. Beim Zünden der Energiequellen drophonen, ist so beschaffen, daß diese eine größere Ijjj werden Impulse komprimierter Luft im Wasser als seis- Empfindlichkeit der maßgebenden senkrechten Rich-B mische Impulse breitbandiger Frequenz freigesetzt und tung haben. Wenn man beide Anordnungen in der erfin-