DE3414900A1

DE3414900A1 - Verfahren zur bestimmung der position eines seeseismischen empfaengerkabels

Info

Publication number: DE3414900A1
Application number: DE19843414900
Authority: DE
Inventors: Egil Sandnes Tveit
Original assignee: Den Norske Stats Oljeselskap AS
Current assignee: Equinor ASA
Priority date: 1983-04-29
Filing date: 1984-04-19
Publication date: 1984-10-31
Also published as: FR2545226B1; IE55212B1; GB2138942A; DK163691B; GB2138942B; DK215584A; IS2909A7; NO161090B; US4870626A; NO161090C; NO831513L; DK163691C; BE899538A; IE841042L; MX156212A; GB8409016D0; DK215584D0; NL8401171A; FR2545226A1; CA1208428A

Description

stat ς
StatS

Oljeselskap a.S.
P.O. BOX 300 Porus

N-4001 Stavanger
Norwegen

Dr.-Ing. von Kreisler 11973
Dr.-Ing. K. W. Eishold 11981

Dipl.-Chem. Alek von Kreisler
DipL-Chem. Carola Keller
Dipl.-Ing. G. Selling
-Dr. H.-K.Werner

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

18. April 1984

Sg-DB/rk

Verfahren zur Bestimmung der Position eines seeseismischen Empfängerkabels

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines seeseismischen Empfängerkabels.

Bei seismischen Vermessungen des Meeresgrundes (siehe Fig. 1) werden Energieimpulse 1 mit Hilfe von Luftgewehren oder anderen Methoden ("Schüsse") in das Wasser abgegeben. Die Signale 2 werden vom Meeresboden 8 und vom Untergrund 9 reflektiert und von Hydrophongruppen 3 auf dem Empfängerkabel 4 aufgenommen. Die typische Länge des Empfängerkabels beträgt 2.400 m bis 3.000 m, die in etwa 25 m lange Hydrophongruppen unterteilt sind.

Bei üblichen seismischen Vermessungen (die als zv/eidimensionale Vermessungen oder einfach 2-D bekannt sind) wird angenommen, daß das seismische Empfänger-

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kabel sich auf einer geraden Linie hinter dem Schleppschiff 10 (seismisches Schiff) erstreckt, und daß es dem gleichen Kurs 5 folgt, auf dem das Schiff fährt. Ferner wird angenommen, daß die reflektierten Signale 2 von Punkten 6 ausgehen, die auf einer senkrechten Ebene durch das Kabel 4 liegen.

Diese Annahmen sind aus zwei Gründen nicht korrekt. Zum einen erstreckt sich das Kabel aufgrund von Meeresströmungen, oder weil das Schiff nicht auf einer geraden Linie fährt (Steuereffekte), nicht notwendigerweise auf einer geraden Linie hinter dem Schiff. Zum anderen kann die Geologie des untersuchten Bereiches das Entstehen von Reflektionen auch von Punkten 7 verursachen, die außerhalb einer vertikalen Ebene durch das Kabel liegen.

Für detaillierte seismische Vermessungen von Regionen mit komplizierter Geologie müssen die tatsächlichen Reflektionspunkte der aufgezeichneten Daten bestimmt werden. Dies geschieht mit Hilfe der extrem komplizierten Vermessungstechnik, die als dreidimensionale Vermessung (3-D) bekannt ist. Diese Technik, die die Verarbeitung einer enormen Datenmenge erfordert, ist mit Hilfe moderner Computer heute möglich.

Bei einer 3-D-Vermessung werden die Kurslinien sehr dicht aufgetragen, typisch 50 m bis 75 m, und bei den Berechnungen wird die Lage jeder separaten Hydrophongruppe auf dem Empfängerkabel bei Aufnahme der reflektierten Signale berücksichtigt. Dies bedeutet, daß die Position jeder einzelnen Hydrophongruppe für jeden Schuß bekannt sein muß.

In der folgenden Beschreibung von Verfahren zur Bestimmung der Position des Empfängerkabels wird angenommen, daß die Position der Navigationsantenne 13 des seismischen Schiffes bekannt ist (Fig. 2), und daß das Schiff mit einem Kreiselkompaß 14 ausgerüstet ist, so daß die Position anderer Punkte 15 auf dem"Schiff aus der Position der Navigationsantenne 13 feststellbar ist.

Es wird außerdem angenommen, daß mit Position die Koordinaten eines Punktes mit Bezug auf ein geographisches Koordinatensystem für Länge und Breite oder rechtwinklige Koordinanten (x,y) auf einer Kartenprojektion gemeint sind. Für Operationen an dem norwegischen Kontinentalsockel werden europäische Daten 1950 und die UTM Projektion benutzt.

Das heute fast ausschließlich zur Feststellung der Position der seismischen Empfängerkabel benutzte System verwendet kleine Magnetkompasse hoher Präzision (siehe Fig. 3). Eine Vielzahl solcher Magnetkompasse 11, im allgemeinen sechs bis zwölf, sind in dem akustischen Empfängerkabel 4 angeordnet. Diesen Kompassen 11 wohnt eine digitale Winkellesefähigkeit inne und sie sind über das Empfängerkabel mit einer Auslesungseinrichtung an Bord des seismischen Schiffes verbunden. ^v

Die Form des Kabels ist durch eine mathematische Kurve angenähert, die einen Festpunkt an dem Schleppunkt 22 auf dem Schiff aufweist, wobei die Grenzbedingungen so sind, daß die Tangentenrichtung 21 der Kurve an den den Kompaß-Standorten entsprechenden Punkten dem Azimut 12 (dem Winkel relativ zum geographischen Norden) an diesen Punkten entspricht. Nach Berechnung der mathematischen Kurve kann man die Position jeder separaten

Hydrophongruppe 3 auf dem Empfängerkabel errechnen. Dies geschieht normalerweise für jeden Schuß.

Die mit den Magnetkompassen durchgeführten Messungen werden zu dem magnetischen Nordpol 17 in Beziehung gesetzt. Zur Erreichung des Azimut 12 muß man die Differenz zwischen dem magnetischen Norden und dem geographischen Norden, die Deviation 18 korrigieren. Die Deviation ist auf Seekarten vorgeschrieben, jedoch muß man zur Erzielung der gewünschten Genauigkeit die

Deviation in dem tatsächlichen vermessenen Bereich bestimmen. Außerdem können die Kompasse systematische Fehler 19 aufweisen, die auch errechnet und bei der Errechnung des Azimut berücksichtigt werden müssen. Praktische Erfahrung hat gezeigt, daß die für die

Deviation und die systematischen Fehler durchzuführenden Korrekturen sich mit der Kursrichtung ändern, weshalb die Kalibrierung des Systems extrem sorgfältig durchgeführt werden muß.

Zum Kalibrieren des Systems fährt das Schiff in verschiedene Richtungen und es werden Kompaßanzeigen aufgenommen. A priori wird angenommen, daß dies geschieht, wenn keine merklichen Meeresstörungen vorhanden sind oder wenn die Strömungen gleichmäßig stark, jedoch entgegengesetzt gerichtet sind usw.. Durch statistische
Analysen der Daten erhält man deshalb die Korrekturen. Da die Bedingungen bei der Durchführung der Kalibrierung nicht ganz wie angenommen sind, z.B. aufgrund von windinduzierten Strömungen usw.,werden die Korrekturen nicht völlig genau. Dieser Fehler pflanzt sich systematisch fort, wenn die Korrekturfaktoren auf die Ablesungen angewendet werden. Die Genauigkeit des Azimut wird in einer Größenordnung von - 1 Grad liegen.

In Verbindung mit der Magnetkompaßmethode ist zu bemerken, daß die Position der Punkte auf dem Kabel nicht direkt gemessen wird. Die Positionen werden indirekt über die mathematische Kurve errechnet, die aus den tangenten Grenzbedingungen ermittelt worden ist. Es ist deshalb schwierig, die mit dieser Methode erzielbare Genauigkeit quantitativ zu bestimmen, jedoch weisen Gesellschaften, die das Verfahren benutzt haben, auf eine Genauigkeit innerhalb etwa 25 m bis 50 m an den hintersten Teilen des Kabels hin.

Die Verwendung von Magnetkompassen zur Bestimmung der Position des Empfängerkabels setzt voraus, daß das Magnetfeld in dem Vermessungsbereich hinsichtlich der Richtung stabil ist. Bei hohen Breitengraden, z.B. in Nordnorwegen, ändert sich infolge von magnetischen Stürmen sowohl die Stärke als auch die Richtung des Magnetfelds. Die Richtungsänderungen können in einer kurzen Zeitperiode mehrere Grad betragen, wodurch die Benutzung von Magnetkompassen zur Bestimmung der Kabelposition in diesen Regionen unbrauchbar wird.

Ein Polarmeßsystem gemäß der Erfindung bedeutet, daß ein Abstand 22 und ein Winkel 23 in Bezug auf eine Referenzrichtung 24 gemessen wird (Fig. 4a). Der Azimut 25 der Referenzrichtung ist bekannt. Die Position eines neuen Punktes 26 kann dann in Bezug auf den bekannten Punkt 27 durch Zerlegung des gemessenen Abstandes 22 in seine x- und y-Komponenten errechnet werden, indem der Azimut 28 der Linie von dem bekannten Punkt zu dem neuen Punkt ausgerechnet wird.

Zur Benutzung des Polarmeßprinzips zur Bestimmung der Position von seismischen Empfängerkabeln werden der

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Azimut 29 und der Abstand 30 von dem Schleppschiff zu Punkten 31 auf dem Kabel gemessen (Fig. 4b).

Das seismische Kabel v/ird auf einer typischen Tiefe von 5 m bis 20 m geschleppt, und es ist deshalb notwendig,
die Messungen durch das Wasser durchzuführen. Hierfür wird ein superkurzes hydroakustisches Basislinien-Meßsystem benutzt, d.h. die Winkel werden in Bezug auf eine Basislinie in der Größenordnung von 10 cm gemessen, während die gemessenen Abstände bis zu etwa
300000 cm betragen können.

Superkurze hydroakustische Baisislinien-Meßsysteme sind handelsüblich, z.B. das Simrad HPR-System, und sie werden in dieser Beschreibung nicht mehr erläutert. Es ist jedoch zu erwähnen, daß die Hauptkomponenten des Sy-

stems (Fig. 5) einen Wandler 32 ("Meßkopf") aufweisen, der 3 m bis 4 m unter den Boden des Schiffes untergetaucht werden kann, sowie verschiedene elektronische Steuerungen 33 und eine Ausleseeinheit 34 umfaßt, die den Abstand und den Winkel gibt. Der Meßkopf muß so

angeordnet werden, daß Winkel in Bezug auf die Schiffsmittellinie oder irgendeine andere Bezugslinie gemessen werden können. Die Benutzung des Systems durch "Überhängen desselben über die Schiffsseite" arbeitet nicht. Außerdem muß eine Vorrichtung 35 vorhanden sein, mit der der Meßkopf in Verbindung steht und von dem er Signale empfängt. Bei der hier beschriebenen Methode ist diese Vorrichtung ein Transponder, eine Funkbake oder ein Antwort sender, der an der Außenseite des Empfängerkabels angebracht ist. Ein Transponder antwortet auf einen Anruf vom Meßkopf, eine Funkbake übermittelt kontinuierlich Signale, während ein Antwortsender Sig-

-y-t-

nale übermittelt, wenn er über ein Kabel eine Information, dies zu tun, empfängt (elektrische Impulse).

Das hydroakustische System wird mit dem Kreiselkompaß 36 des Schiffes verbunden und das System muß außerdem eine senkrechte Bezugseinheit 37 aufweisen, so daß die Messungen für Schlinger- und Stampfbewegungen automatisch korrigiert werden. Es ist ausschlaggebend, daß die gemessenen Winkel zu der waagerechten Ebene in Bezug gesetzt werden.

Wenn das System zur Bestimmung der Positionen von Punkten 42 längs des Kabels benutzt wird (Fig. 6) mißt das superkurze hydroakustische Basislinien-System den Winkel zwischen einer Bezugslinie 46 - normalerweise die Mittellinie des Schiffes oder eine zu dieser parallele Linie - und einer Meßlinie 43 zu dem Punkt 42 auf dem Empfängerkabel. Der Azimut der Bezugslinie ist vom Kreiselkompaß bekannt und der Azimut 40 der Meßlinie 43 kann daher bestimmt werden.

Der Abstand 43 vom Wandler 41 zu den Meßpunkten 42 längs des Kabels (Transponder, Funkbake oder Antwortsender) kann auf der Basis der Zeit errechnet werden, die das Signal braucht, um durch das Wasser hin und her zu gelangen. Für längere Abstände, typisch 1000 m oder mehr, können die Abstandsmessungen jedoch etwas ungenau sein, weil der Strahlenweg 44 wegen der kleinen senkrechten Temperaturgradienten im Wasser, Oberflächenwellen u.dgl. (Fig. 7a) nicht auf einer geraden Linie in der senkrechten Ebene verläuft. Die Plazierung der Meßpunkte 42 längs des Kabels ist jedoch bekannt und man kann deshalb diesen Abstand und den gemessenen Winkel zur Errechnung der Position des Punktes benutzen. Auf

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einem gebogenen Kabel weicht dieser Abstand etwas von einer geraden Linie ab. Nachdem die Kabelform vorläufig bestimmt worden ist, läßt sich dies durch Ausnutzung der gegenwärtigen Form zur Errechnung der Differenz
zwischen dem Bogen und einer geraden Linie kompensieren. Die endgültige Form des Kabels kann dann errechnet werden.

Bei der Bestimmung der Position der seismischen Empfängerkabel ist die Querabweichung des Kabels von dem geplanten Kurs kritisch. Bei den gemäßigten Bogenformen, die das Kabel annehmen kann, ist die Deviation zwischen einem Bogen und einer geraden Linie nicht von kritischer Wichtigkeit.

Die Anzahl der Meßpunkte längs des Kabels muß der Genauigkeit angepaßt sein, die man für die EndbeStimmung der Position des EmpfangerkabeIs verlangt. Die Anzahl muß auch auf die praktische Erfahrung abgestellt sein, die jemand mit dem Verfahren hat. Es ist jedoch davon auszugehen, daß vier bis acht längs der Länge des Empfängerkabeis verteilte Meßpunkte 42 eine typische Anzahl sind.

Nachdem die Position der Meßpunkte 42 bestimmt worden ist, läßt sich die Form des Kabels durch eine mathematische Kurve annähern. Die Grenzbedingungen für die

mathematische Kurve sind so, daß ihr Ausgangspunkt an der Schleppstelle 45 auf dem Schiff liegt, und daß sie durch die Meßpunkte 42 verläuft, die durch die polarhydroakustische Meßmethode bestimmt worden sind. In ihrer einfachsten Form kann die Kurve aus einer Reihe

von geraden Linien von einem Meßpunkt 42 zum nächsten bestehen. Die erste Linie verläuft von dem Schleppunkt 45 des Kabels (Fig. 6) zum ersten Meßpunkt 42.

Normalerweise wählt der einzelne Benutzer eine mathematische Kurve durch die positionsbestimmten Meßpunkte 42, die der Vorstellung des Benutzers von der Kabelform entspricht. Das Verfahren gemäß der Erfindung berücksichtigt nicht, welche mathematische Kurve benutzt wird, sondern nur, wie die Position der Meßpunkte 42 längs des Kabels, die zur Errechnung der mathematischen Kurve verxtfendet werden, bestimmt werden.

Die Kalibrierung des Systems zum Ankommen am korrekten Azimut ist kritisch. Die zur Bestimmung des Azimut genutzten Komponenten sind der Kreiselkompaß 14 und das superkurze hydroakustische Basisliniensystem.

Der Kreiselkompaß 14 muß die korrekten Werte aus zwei Gründen anzeigen: Erstens, damit man die Position von Punkten auf dem Schiff relativ zu der Navigationsantenne 13 bestimmen kann (siehe Fig. 2) und zweitens, zur Bestimmung des Azimut 39 der Bezugslinie (siehe Fig.6).

Das hydroakustische Meßsystem muß kalibriert werden, um einen Winkel von 0 Grad längs der Referenzlinie 46 zu messen.

Eine einfache genaue und wirksame Methode zur Kalibrierung ist das Anlegen des Schiffes an einer Landebrücke 47 in ruhigem Gewässer (Fig. 7b) . Das Schiff muß so beladen sein, daß es keine Schlagseite hat. Die Mittellinie des Schiffs muß bestimmt und auf dem Deck/Rumpf vorne und hinten mit 48 markiert werden. Basierend auf einer festen geodätischen Marke 49 an Land und unter Verwendung von Landvermessungstechniken kann man dann geographische Koordinanten für die Punkte 48 bestimmen und der Azimut 50 der Mittellinie läßt sich ermitteln.

Nun kann die Deviation von dein ermittelten Azimut und dem Kreisel errechnet und der Kreisel korrigiert werden, wobei in die Korrektur wahlweise die algorithmischen Berechnungen für die hydroakustische Polarmeßmethode eingeschlossen werden.

Die Winkelmessungen des hydroakustischen superkurzen Basisliniensystems kann man kalibrieren, indem ein Transponder 51 an einem anderen Boot aufgehängt wird, das wenigstens 800 m (Minimum) von dem seismischen

Schiff entfernt ist. Unter Anwendung von Landvermessungstechniken wird die Position des Transponders 51 bestimmt und der Azimut 52 für die Meßlinie von dem seismischen Schiff zu dem Transponder 51 kann ermittelt werden. Die Differenz zwischen diesem Azimut 52 und dem Azimut 50 des Schiffes müßte nun gleich den mit dem hydroakustischen System gemessenen Winkel 53 sein. Dieser Winkel 53 kann auch direkt durch theodolitische Messung von dem Schiff festgelegt werden. Gleichgültig welches Verfahren benutzt wird, müssen mehrere Messun-

gen mit dem Transponder 51 durchgeführt werden der in vielen Richtungen hinter dem seismischen Schiff angeordnet ist.

Es wurde vorstehend dargelegt, daß der Meßpunkt 42 auf dem Kabel ein Transponder, eine Funkbake oder ein Ant-

wortsender sein kann. Im Idealfall sollte der Meßpunkt 42 ein Antwortsender sein, der von dem hydroakustischen Meßsystem über elektrische Kabel durch das Empfängerkabel und eine elektromagnetische Verbindung zu dem Antwortsender gesteuert wird. Mit diesem Verfahren ist

man nur von einer Einwegsignalübertragung durch das Wasser abhängig, wodurch die Möglichkeit, daß Geräusche

die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigen, verringert wird. Außerdem macht das Antwortsenderverfahren die Abstandsmessung möglich.

Das Antwortsenderverfahren erfordert die Installation von Spezialkonnektoren über das s'eismische Empfängerkabel und aus praktischen Gründen ist deshalb die Benutzung eines Antwortsenders nicht immer möglich. Man kann dann einen Transponder oder eine Funkbake benutzen. Die Transponder müssen das Signal von Wandlern auf dem Schiff durch das Wasser empfangen. Da das Signal zu und von dem Transponder wandern muß, wird das Risiko, daß Geräusche die Meßgenauigkeit beeinträchtigen, über lange Abstände, z.B. gegen das Ende des seismischen Empfängerkabels, größer. Wie vorher erwähnt, geben Transponder die Möglichkeit der Abstandsbestimmung.

Das Funkbakenverfahren hat den gleichen Vorteil wie der Antwortsender - nämlich Einwegübertragung. Die Signalübertragung kann jedoch nicht kontrolliert werden, so daß man unter ungünstigen Umständen die Messung verlieren kann, weil die Signale von mehreren Funkbaken an dem Wandler gleichzeitig ankommen können. Das Funkbakenverfahren ermöglicht keine Abstandsbestimmung und die bei der Installation der Funkbaken längs des Kabels festgelegten Abstände müssen benutzt werden.

Das beste heute auf dem Markt erhältliche hydroakustische superkurze Basisliniensystem hat eine Winkelmeßgenauigkeit von - 0,5 Grad. Wenn man annimmt, daß die Genauigkeit des Kreiselkompasses 14 - 0,5 Grad beträgt, daß die Kalibriergenauigkeit - 0,2 Grad ausmacht, und daß die Fehler zufälliger Natur sind, ist

die Winkelgenauigkeit des Systems:

0.5² + 0.5² + 0.2² = i 0.7 Grad

Fig. 8 zeigt, daß die Querfehler 54 auf dem Empfängerkabel proportional zu dem Abstand zu dem seismischen
Schiff 10 sind. Die nachstehende Tabelle zeigt die Wirkung eines - 0,7 Grad Fehlers bei verschiedenen Abständen:

Abstand: Querfehler:

500 Meter: 6 Meter

1000 Meter: 12 Meter

1500 Meter: 18 Meter

2000 Meter: 24 Meter

2500 Meter: 30 Meter

Wenn man annimmt, daß die Form des Empfängerkabeis sich von einem seismischen Schuß zum nächsten etwa zehn Sekunden später nicht drastisch ändert, können diese Werte möglicherweise durch Filterung und statistische Analyse der Meßergebnisse verbessert werden.

Bei der hydroakustischen Polarmeßmethode werden die Positionen der einzelnen Punkte auf dem Empfängerkabel direkt gemessen. Zur Bestimmung der Position jeder Gruppe von Hydrophonen auf dem Empfängerkabel muß man sich der Kabelform durch eine mathematische Kurve nähern,

wobei jedoch die Kurve gemäß ihrer Grenzbedingungen durch bekannte vorgegebene Positionen verlaufen muß. Dies ergibt eine zuverlässigere Bestimmung der Position

und eine beträchtlich verläßlichere Schätzung der Genauigkeit. Bei allen solchen Positionsbestimmungen operiert man innerhalb gewisser Toleranzen und es ist für eine Auswertung der Endgenauigkeit eines Gesamtsystems von großer Wichtigkeit, daß man für jede einzelne Komponente bei einer zuverlässigen Schätzung der Fehlerspanne ankommen kann.

Bei der hydroakustischen Polarmethode ist man von dem Magnetfeld und anderen äußeren Einflüssen unabhängig. Das System kann kalibriert werden während das Schiff in einem geschützten Wasserkörper anlegt, so daß die KaIibrierungsungenauigkeit auf einem Minimum gehalten wird.

Für das Verfahren wird nur auf dem Schiff und dem Empfängerkabel vorgesehene Ausrüstung benötigt. Andere akustische Meßverfahren, z.B. das Langbasislinienverfahren, könnten vielleicht ebenfalls benutzt werden, jedoch erfordert dies die Installierung eines Netzwerkes von Transpondern (Sender-Empfänger) auf dem Meeresboden, die mit Installationen auf dem Empfängerkabel und auf dem Schiff in Verbindung stehen. Ein System dieser Art ist beschwerlicher zu bedienen und es besteht eine gewisse Gefahr, daß die Transponder sich aufgrund von z.B. Trawler Aktivitäten in der Zone in verschiedene Positionen bewegen können.

Das hydroakustische Polarmeßverfahren hat eine Grenze: Bei speziellen Temperaturbedingungen im Wasser kann die Temperaturschicht steigen, wodurch sich der akustische Strahl so biegt, daß die hydroakustische Verbindung zwischen dem Schiff und den Installationen längs des Kabels unterbrochen ist. Man sollte deshalb die Temperatur in dem Arbeitsbereich messen, bevor die Messungen • beginnen, um festzustellen, ob solche ungünstige Temperaturschicht vorliegt.

Claims

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ANSPRÜCHE:

Verfahren zur Bestimmung der Position eines seeseismischen Empfängerkabels," das hinter einem seismischen Schiff durch die See gezogen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß man den Azimut und den Abstand vom Schiff zu Punkten längs des seismischen Empfängerkabels mißt und die Koordinaten dieser Punkte auf der Basis dieser Werte errechnet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines hydroakustischen Meßverfahrens, das auf einem superkurzen Basisliniensystem basiert, welches mit einem Kreiselkompaß integriert ist, um in Abhängigkeit von Signalen von Transpondern, Funkbaken, Anwortsendern und/ oder ähnlichen auf oder in dem Empfängerkabel installierten Instrumenten den Azimut und Abstände zu messen.