DE3015323A1

DE3015323A1 - Verfahren und vorrichtung zur lagebestimmung unterirdischer grenzflaechen

Info

Publication number: DE3015323A1
Application number: DE19803015323
Authority: DE
Inventors: Antoni Marjan Ziolkowski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-04-23
Filing date: 1980-04-22
Publication date: 1980-11-06
Also published as: NO801159L; FR2461269B1; NO155517B; NO155517C; FR2461269A1; CA1157138A; US4326271A

Description

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g? Zii(|olii8Honp Vertreter vor dom Europäischen Patentamt

^ Professional Representatives before the European Pat Office

Mandataires agrees pres !Office europeen des brevets

PATENTANWÄLTE

ANTONI IIAIIJAN ZIOLKOWSKI,

8 Eichmond Mansions, Lower Richmond Road, London SW.15·

Verfahren und Vorrichtung zur Lage"beStimmung unterirdischer Grenzflächen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur LagebeStimmung unterirdischer Grenzflächen oder Grenzschichten und/oder zur Bestimmung deren akustischer Eigenschaften mittels Aussendung von akustischen Wellen und Analyse der reflektierten seismischen Signale.

Der bisher bekannt gewordene Stand der Technik, dessen Nachteile und eine neue Lösung sind ausführlich in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung gleichen Titels auf den Namen von A₀Mo Ziolkowski und Seismograph Limited beschrieben.

Der wesentliche Inhalt dieser neuen Lösung, von dem auch die vorliegende Erfindung ausgeht, besteht darin, daß man mindestens eine orste punktförmige Schallquelle und mindestens eine zweite punktförmige Schallquelle als Sender einsetzt, deren Schallenergie in einem bestimmten Verhältnis zueinander gewählt wird, und daß die reflektierten seismischen Signale miteinander korreliert werden, um die gewünschte Lagebestimmung durchzuführen.

Die Verwendung von punktförmigen Schallquellen, wie sie auch in der oben genannten Patentanmeldung beschrieben ist, hat zwar große praktische Bedeutung, ist jedoch insofern etwas eingeschränkt, daß es oft günstiger ist, eine Anordnung von

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(ο

Schallquellen zu verwenden, insbesondere für den Einsatz in Gewässern, wobei allerdings derartige Anordnungen eine Strahlung erzeugen, die nicht mehr kuge!symmetrisch ist. Das bedeutet, daß die Amplitude und die Phase einer bestimmten Frequenz der Schallstrahlung normalerweise vom Azimut-Winkel abhängen.

Eine räumlich verteilte Anordnung von Punktschallquellen wird dazu benutzt, um die Leistung der Schallquelle zu erhöhen, den Wellenzügen eine bestimmte Form zu geben und die Richtungscharakteristik der Strahlung zu verbessern. Wenn der Abstand zwischen den einzelnen Punktstrahlungsquellen innerhalb einer solchen Anordnung weniger als ungefähr eine Wellenlänge beträgt, sind die Wechselwirkungen zwischen diesen einzelnen Strahlungsquellen bedeutsam. Pur die meisten praktisch verwendeten Punktstrahlungsquellen sind diese Wechselwirkungen nicht ausreichend aufgeklärt, und der zusammengesetzte Wellenzug einer Anordnung von solchen Punktstrahlungsquellen kann nicht aus der Kenntnis der einzelnen Strahlungsquelle berechnet werden, sondern muß vielmehr in einer Entfernung gemessen werden, bei der die Abweichung der Schallquelle von der angenommenen Punktform keine Rolle mehr spielt ("far field"). Da diese Messungen sehr oft mühsam oder gar unmöglich sind, ist der Wellenzug einer solchen Anordnung von Punktstrahlungsquellen sehr oft unbekannt .

Anordnungen von LuftSprengladungen verhalten sich in dieser Hinsicht typisch. Obwohl Luftsprengladungen einige praktische Vorzüge haben, ist ihr wesentlicher Kachteil bei der Verwendung als Schallquelle, die von ihnen erzeugte zeitliche Wellenform. Die Strahlungsenergie ist gering, das Spektrum weist mehrere Spitzen auf, und der Zeitverlauf der Wellenform ist lang und osziallatorisch. Außerdem erfüllt er nicht die Minimum-Phasenbedingung. Anordnungen von Luftsprengladungen werden oft gebraucht, um alle diese Schwierigkeiten gleichzeitig zu bewältigen. Dies gelingt bei manchen Schwierigkeiten einfacher als bei anderen.

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Der Energiemangel und die geringe Bandbreite werden einfach dadurch behoben, daß man mehr Sprengladungen und Sprengladungen verschiedener Größe verwendet» Das wirklich bedeutsame Problem ist aber das Phasenspektrum des Wellenzuges in der oben beschriebenen Entfernung von den Schallquellen. Wenn die Minimum-Phasenbedingung erfüllt wäre, könnte eine Dekonvolutions-Methode ausgeführt werden, um den Einfluß der Wellenform aus den gewünschten Daten zu entfernen (vorausgesetzt, die Impulsantwort der Erde wäre weiß und stationär). Aber die übliche Methode der Dekonvolution kann nicht eingesetzt werden, weil der Wellenzug nicht die Minimum-Phasenbedingung erfüllt. Es sind daher Anstrengungen unternommen worden, eine Anordnung von Punktstrahlungsquelleη zu schaffen, die einen Wellenzug erzeugen, der so kurz ist, daß er nicht von den zu messenden Daten abgetrennt werden muß.

In den letzten Jahren haben sich die Bemühungen zur Schaffung derartiger Anordnungen auf die geringe zeitliche Ausdehnung des Wellenzuges konzentriert, wobei man sich gleichzeitig bemüht hat, Energieinhalt und Bandbreite beizubehalten. Dies ist schwierig zu erreichen, da die Kürze des Wellenzuges oft nur dadurch erreicht werden kann, indem man Strahlungsenergie im (nicht mehr vorhandenen) Schwanz des Wellenzuges aufgibt.

Ein wichtiges Maß für die Kürze des Wellenzuges ist als "primary-to-bubble" oder "front-to-back"-Verhältnis bekannt. Dieses Verhältnis wird üblicherweise aus Brextbandmessungen der Wellenzüge in größerem Abstand von den Strahlungsquellen berechnet. Dieses Verhältnis nimmt ab, wenn der Hochpaßfilter reduziert wird, um die Erdfilterung zu simulieren. Anders ausgedrückt, die Energie der höheren Frequenzen ist am Anfang des Wellenzuges konzentriert; wenn diese durch die Erdfilterung entfernt wird, nimmt die Amplitude des Anfangs des Wellenzuges schneller ab als die Amplitude des Schwanzes und der Wellenzug nimmt anscheinend in der Länge zu. Deshalb ist es immer noch erforderlich, eine Dekonvolution durchzuführen.

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— Ι/Γ —

Es ist bereits angemerkt worden, daß selbst, wenn der Wellenzug kurz ist, er nicht die Minimum-Phasenbedingung erfüllt. Um seinen Einfluß aus dem gemessenen Seismogramm zu eliminieren, muß seine Form bekannt sein, und diese muß deshalb gemessen werden. Da die Form des Wellenzuges sich aber ändert, ist ein stetiger Monitor für diesen Wellenverlauf im "IPernfeld" erforderlich, um eine akzeptierbare Dekonvolution durchzuführen. Wenn das Gewässer tief ist, ist es möglich, ein Hydrophon in der geeigneten Entfernung unterhalb der Anordnung der Luftsprengladungen zu vertäuen und den Wellenzug zu messen, bevor Eeflektionen vom Grund der See ankommen.

Wenn das Gewässer jedoch flach ist, ist es nicht möglich, diesen Wellenzug zu messen und da daher seine Form auch nicht berechnet werden kann, bleiben nur drei Möglichkeiten:

1. Zunächst eine Messung in tiefen Gewässern durchzuführen und dann zu hoffen, daß der Wellenzug in flachen Gewässern nicht allzusehr von dieser Messung abweicht;

2. anzunehmen, daß der Wellenzug im flachen Wasser die Minimum-Phasenbedingung erfüllt (im Bewußtsein, daß dies höchst unwahrscheinlich ist) und zu hoffen, daß die übliche Dekonvolutionsmethode anwendbar ist;

3. sich um Dekonvolution überhaupt nicht mehr zu kümmern.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, das bzw. die auf Annahmen und Voraussetzungen größeren Umfangs nicht angewiesen ist.

Diese Aufgabe löst die Erfindung durch den kennzeichnend.en Teil des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 12.

Jede Anordnung der zweiten Strahlergruppe sollte grundsätzlich in derselben Position wie die korrespondierende Anordnung der ersten Strahlergruppe angebracht sein, d. h. daß

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die Mittelpunkte der beiden Anordnungen im allgemeinen nicht um ungefähr eine halbe Wellenlänge in ihrer gegenseitigen Position abweichen.

Die Bezeichnung "Punkt-Schallquelle" bezeichnet eine Schallquelle, deren maximale Ausdehnung klein im Vergleich zur kürzesten Wellenlänge der von ihr erzeugten, nutzbaren Strahlung ist ο

Die einfachste Lösung gemäß der Erfindung besteht daher darin, zwei Anordnungen zu benutzen, von denen die eine eine maßstäblich abgeänderte Version der anderen ist. Wenn beide abwechselnd und beispielsweise die eine hinter der anderen vertäut ist, können die aufgenommenen Positionen übereinstimmend gemacht werden und die Impulsantwort der Erde g(t) wird für beide Messungen identisch sein. Allgemein gesagt, kann man ρ nicht wechselwirkende,erste Strahlungsquellen und q nicht wechselwirkende,zweite Strahlungsquellen benutzen, wobei ρ und q gleich oder verschieden sein können, jede aber eine ganze Zahl größer oder gleich 1 darstellen.

Es soll noch angemerkt werden, daß die Punktstrahlungsquellen innerhalb einer Anordnung nicht identisch sein müssen, die Form der erzeugten Schallwelle kann durch eine geschickte Auswahl des Typs und der Größe der Punktschallquelle nützlich variiert werden.

Die Impulsantwort der Erde g(t) kann aus den folgenden gleichzeitig gültigen Gleichungen bestimmt werden:

x(t) = ps(t) * g(t)
X¹Ct) - qs¹(t)* g(t)
S¹Ct) . ^s(V

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ΛΌ

wobei x(t) ein erstes seismisches Signal ist, s(t) ein erster Wellenzug der Schallquelle in der

"IPernfe Id "-Näherung,
χ (t) ein zweites seismisches Signal und

s (t) ein zweiter Wellenzug der Schallquelle in der "Fernfeld-Näherung".

Dabei wird angenommen, daß das Rauschen vernachlässigbar ist.

Da die Wellenzüge der Schallquellen keine spezifischen Voraussetzungen erfüllen müssen, ausgenommen eine Maßstabsbeziehung, die im folgenden erläutert wird, ist es nicht erforderlich, die Anordnung auf mehrere zu erfüllende Bedingungen auszurichten. Es würde ausreichen, z.B. lediglich eine maximale leistung über eine gegebene Bandbreite zu verlangen, ohne dabei die Zeitdauer des Signals und sein Phasenspektrum zu beachten.

Zwischen dem ersten Wellenzug s(t) und einem maßstäblich geänderten Wellenzug s (t) besteht die folgende Maßstabsrelation;

S¹Ct) = c* S(V^) (1-)

Dabei ist ού der Maßstabsfaktor und oC ist das Energieabstrahlungsverhältnis. Wir betrachten nun die Fourier-Transformierte dieser Gleichung. Diese erhalten wir zu:

S¹(f) = ²SC f), (2)

SI

wobei die Fourier-Transformierte S Cf) wie folgt defieniert ist: S¹Cf) = J sCt)e-^2:r:Lftdt (3)

-OO

Gleichung C2) gibt an, daß das Frequenzspektrum S Cf) eine verschobene, verstärkte Version des Frequenzspektrums SCf) ist, wobei oC der Phasenfaktor und cL der Verstärkungsfaktor ist. Wenn oC größer als 1 ist, wird S Cf) in Richtung zu niedrigeren Frequenzen bezüglich SCf) verschoben. Eine derartige

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Frequenzverschiebung ist in Figur 1 dargestellt,

Die Maßstabsbeziehung, wie sie durch Gleichung (1) oder Gleichung (2) gegeben ist, besitzt keine Azimut-Abhängigkeit. Um diese Maßstabsbeziehung auf ein Strahlungsfeld anzuwenden, wie es an einem gegebenen Punkt im Fernfeld der beiden Anordnungen auftritt, müssen wir davon ausgehen, daß die Azimut-Abhängigkeit der Amplitude und der Phase bei den maßstäblich veränderten Frequenzen erhalten bleiben.

Es kann nachgewiesen werden, daß, wenn die Abmessungen einer zweidimensionalen Anordnung um einen Maßstabsfaktor e»6 verändert werden und wenn die Frequenz der Strahlung um den Faktor 1/ oC verändert wird, dann das Strahlungsfeld der maßstäblich veränderten Anordnung dieselbe azimutale Abhängigkeit besitzt und die o(J
änderten Frequenz.

besitzt und die o(, -fache Amplitude bei der maßstäblich ver-

Beispielsweise könnte eine zweidimensionale Anordnung von Luftsprengladungen in dieser Art vorgenommen werden. Dabei würde die eine Anordnung in einer Tiefe d arbeiten, mit einem Druck ρ und wäre aus einer Anzahl von Sprengladungen des Volumens Yy,, Vp, V₇ usw. aufgebaut, die untereinander durch Abstände r^, r_?, r₇ usw. getrennt wären. Die maßstäblich veränderte zweite Anordnung würde in der gleichen Tiefe d arbeiten, mit dem gleichen Druck p, würde aber aus Sprengladungen mit dem Volumen oC V^,, oL^JYp, ^ArY₇ usw. bestehen, untereinander getrennt durch die entsprechenden Abstände ^r_x,, Q^i¹O, c*Cr₇ usw., wie dies in Figur 3 dargestellt ist.

Um die Auswertung vorzunehmen, wie dies in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung P beschrieben ist,

muß die maßstänbliche Beziehung zwischen den beiden Anordnungen der Schallquellen wie folgt getroffen werden:

1. Die Elemente der Anordnung sind so dimensioniert, daß die Strahlungsenergie von jedem Element um einen Faktor oC gegenüber dem entsprechenden anderen Element verschoben ist

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(dies entspricht einem entsprechenden Frequenzverschiebungsfaktor von Vo£ ).

2. Die Geometrie der Anordnung muß dementsprechend maßstäblich um einen ITaktoro^ geändert werden.

3. Kein anderer Parameter sollte geändert werden.

Es soll noch bemerkt werden, daß die Wechselwirkungseffekte zwischen verschiedenen Punktstrahlungsquellen eine: Anordnung sich in demselben Naß proportional verschieben, wie das Spektrum der einzelnen Strahlungsquellen. Deshalb kann die Maßatabsbeziehung benutzt werden, um die Wellenzüge der maßstäblich zueinander dimensionierten Anordnungen in Beziehung zu setzen, selbst wenn Wechselwirkungseffekte zwischen den Elementen einer Strahlungsanordnung bedeutsam sind.

Deshalb kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden, um die Wellenform einer Anordnung in ausreichender Entfernung herauszufinden, und zwar auch in Situationen, wo es unmöglich wäre, diese zu messen.

Zur Bildung einer Anordnung gemäß dieser Erfindung kann jede geeignete Schallquelle wie z. B. eine Luftsprengladung, Wassersprengladungen oder sonstiges verwendet werden, wie dies auch in der Patentanmeldung P beschrieben ist.

Dementsprechend kann auch die Vorrichtung zur Aufzeichnung der seismischen Signale einen geeigneten Detektor beinhalten, wie z.B. einen oder mehrere Geophone oder Hydrophone. Die Berechnung der Impulsantwort der Erde g(t) aus dem oben angebenen Gleichungssystem kann auf dieselbe Art und Weise ausgeführt werden, wie dies ausführlich in der Patentanmeldung P beschrieben ist.

Praktisch verwertbare Werte von 06 liegen im Bereich 1,1 bis 5, wobei der Bereich 1,5 bis 3 am meisten geeignet ist. Eine

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obere Grenze für ς/-ist dadurch gegeben, daß die Frequenzen der seismischen Signale der ersten und der zweiten Strahlungsquellen teilweise im Frequenzspektrum überlappen müssen.

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ι ^m

L e e r s e 11 e

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur LagebeStimmung unterirdischer Grenzflächen oder Grenzschichten und/oder zur Bestimmung deren akustischer Eigenschaften mittels Aussendung von akustischen Wellen und Analyse der reflektierten seismischen Signale, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Schallquelle aus einer oder mehreren Anordnungen von Punktschallquellen verwendet wird, die in dieser Anordnung so räumlich placiert sind, daß sie miteinander wechselwirken,daß als zweite Schallquellen eine oder mehrere Anordnungen von Punktschallquellen verwendet werden, die ebenfalls so angeordnet sind, daß sie miteinander wechselwirken, daß die erste Anordnung (en) dieselbe Anordnung von Punktschallquellen "beinhaltet (beinhalten) wie die zweite(n) Anordnung(en), daß die Punktschallquellen innerhalb der ersten und der zweiten Anordnungen derselben Art sind und in der selben räumlichen Zuordnung, wobei die gegenseitigen Abstände der Schallquellen in der (den) ersten Anordnung(en) um einen Faktor 06 größer gewählt sind, als die entsprechenden Anstände der Punktschallquellen innerhalb der ersten Anordnungen) und daß die Energie der elastischen Strahlung, die von jeder Punktschallquelle innerhalb der (den) zweiten Anordnung(en) ausgestrahlt wird, um einen

7.

Faktor <JLr größer ist als die von den äquivalenten Punktschallquellen innerhalb der ersten Anordnung(en) ausgestrahlte Energie.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß o<. einen Wert von 1,1 bis 5 besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß feinen Wert zwischen 1,5 und 3 bestitzt.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß jede Punktschallquelle eine Luftsprengladungβ

eine Wassersprengladung, einen Unterwasser- oder unterirdischen Explosionsgenerator, eine unterirdische Implosionsquelle oder einen Punkenentlader beinhaltet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von identischen Signalen aufsummiert wird, um das erste seismische Signal zu erzeugen.

6. Verfahren nach Anspruch 5_? dadurch gekennzeichnet, daß diese Mehrzahl von identischen seismischen Signalen dadurch erhalten wird, daß eine Serie von identischen Schallwellen durch die Verwendung von einer oder mehreren identischen Anordnungen von Schallquellen erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von identischen seismischen Signalen aufsummiert wird, um das zweite seismische Signal zu erzeugen.

8. Verfahren nach Anspruch 7? dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von identischen seismischen Signalen dadurch erhalten wird, daß eine Serie von identischen Schallwellen durch Benutzung einer oder mehrer identischer Anordnungen von Schallquellen erzeugt wird.

9- Verfahren nach den Ansprüchen 1-4-, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von identischen, nicht wechselwirkenden Anordnungen von Schallquellen verwendet wird, die gleichzeitig die erste Schallwelle erzeugen.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von identischen, nicht wechselwirkenden Anordnungen von Schallquellen verwendet wird, um gleichzeitig die zweite Schallwelle zu erzeugen.

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11. Verfahren nach Ansprüchen 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Punktschallquelle eine Luftsprengladung, eine Wassersprengladung, einei Unterwasser- oder unterirdischen Explosionsgenerator, eine unterirdische Implosionsquelle oder einen Funkenentlader beinhaltet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schallquelle eine oder mehrere identische Anordnungen von Schallquellen "beinhaltet, die so angeordnet sind, um eine Folge von identischen Schallwellen zu erzeugen und daß der Empfänger Vorrichtungen enthält, um diese Folge von identischen Schallwellen zu summieren und das erste seismische Signal daraus zu gewinnen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder.12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schallquelle eine oder mehrere identische Anordnungen von Schallquellen enthält, die so angeordnet sind, daß sie eine Folge von identischen Schallwellen hervorrufen und daß der Empfänger Vorrichtungen enthält, um diese Folge von identischen Schallwellen zu summieren und das zweite seismische Signal zu gewinnen.

14-. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schallquelle eine Mehrzahl von identischen, nicht wechselwirkenden Anordnungen von Schallquellen enthält, die so angeordnet sind, daß sie gleichzeitig die erste Schallwelle erzeugen.

IS. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 14-, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schallwellen eine Mehrzahl von identischen, nicht wechselwirkenden Anordnungen von Schallquellen beinhalten, die so angeordnet sind, daß sie gleichzeitig die zweite Schallwelle erzeugen.

16ο Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktschallquellen der An-

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Ordnungen aus Luftsprengladungen, Wassersprengladungen, Unterwasser- oder unterirdischen Explosionsgeneratoren, unterirdischen Implosionsquellen oder Funkenentladern bestehen, wobei verschiedene Punktschallquellen innerhalb einer Anordnung gleich oder verschieden aufgebaut sein können.

17· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß o£ im Bereich von 1,1 bis 5 liegt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17? dadurch gekennzeichnet, daß (/.zwischen 1,5 und 3 liegt.

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