EA008406B1

EA008406B1 - Система и способ буксировки подводной вертикальной антенны

Info

Publication number: EA008406B1
Application number: EA200601495A
Authority: EA
Inventors: Брайан Дж. Филдинг; Синю Лу
Original assignee: Эксонмобил Апстрим Рисерч Компани
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2007-04-27
Also published as: MXPA06009118A; BRPI0418528A; WO2005081719A2; MA28362A1; US7541996B2; US20070135974A1; AU2004316298A1; MY141270A; EP1723442A2; EA200601495A1; AU2004316298B2; CN1954234A; NO20063959L; EP1723442A4; CA2555942C; WO2005081719A3; CN1954234B; CA2555942A1

Abstract

Система и способ удержания вертикального расположения электродов дипольной антенны во время ее буксировки, погруженной в воду.

Description

Настоящее изобретение относится в общем к области геофизических исследований и, более точно, к электромагнитным исследованиям с помощью управляемого источника (ЭИУП) в открытом море. Более точно настоящим изобретением является система и способ буксировки электрической дипольной передающей антенны при удерживании антенны в вертикальной ориентации.

Предшествующий уровень техники изобретения

Элекромагнитные зондирования, включающие ЭИУП-эксперименты, производятся путем передачи электромагнитного сигнала, обычно низкочастотной периодической волновой формы, в геологическую среду и измерения электромагнитного отклика.

Патент США № 6603313 и Патентная публикация США № 2003/0050759 (международная публикация № \νθ 03/025803) раскрывают способы использования ЭИУП-измерения для проведения разведки нефти и газа, и для определения размеров известных разведуемых участков. До сих пор морские ЭИУПисследования использовали горизонтальные электрические диполи (ГЭД) в качестве источника электромагнитных полей. Предварительная патентная заявка США № 60/500787 раскрывает определенные преимущества использования передающей вертикальной электрической дипольной антенны (ВЭД). Электрический дипольный источник может быть изготовлен следующим образом. Два изолированных электрических провода вытягиваются из выходных зажимов генератора мощности, обладающего способностью подачи электрической мощности требуемой частоты и волновой формы. Другой конец каждого изолированного электрического провода подключен к электроду, либо изоляция может быть снята с конца, и оголенный электрический провод становится электродом. Электрическая цепь замыкается при применении в море водой, морским дном и возможно воздухом над водой. (Одним из преимуществ ВЭД является то, что он компенсирует влияние атмосферных волн в приемнике, даже на мелководье, что улучшает сигнал от цели). Два электрода удерживаются на постоянном расстоянии друг от друга, и ось диполя поддерживается в горизонтальном положении в случае ГЭД, или в вертикальном положении в случае ВЭД. Морские ЭИУП-эксперименты требуют, для эффективности, чтобы антенна-источник буксировалась судном. Современные подводные ЭИУП-исследования используют горизонтально ориентированную антенну для передачи электромагнитных волн. Как проиллюстрировано на фиг. 1, один конец антенны 11 присоединен к основной буксируемой части 12, которая опущена на требуемую глубину воды с помощью подводного буксировочного троса 13. Основная буксируемая часть 12 является не только якорной точкой для буксирного каната. Она предоставляет место для размещения подводных электрических компонентов, необходимых для генерирования исходной электромагнитной волны, и также может содержать системы связи, системы позиционирования, приборы измерения скорости звука, альтиметры и подобные. Лебедка (не показана), присоединенная к надводному судну 14, контролирует буксирный канат. В настоящее время известно, как сконструировать антенну так, чтобы она следовала горизонтально позади подводной основной буксируемой части. Глубина передней части ГЭД управляется глубиной и положением подводной основной буксируемой части, и антенна поддерживается на постоянной глубине (относительно основной буксируемой части) по всей ее длине путем конструирования антенны так, чтобы она обладала нейтральной плавучестью. Наблюдение в реальном времени направляет точные координаты местоположения и глубины обратно на корабль для обеспечения точной глубины антенны.

Эти способы не будут работать для ВЭД, поскольку естественная динамика жидкости послужит причиной ориентированию буксируемого объекта в положение с минимальным гидравлическим сопротивлением. Оно будет горизонтальным в случае дипольной антенны. Генерируемые электромагнитные поля будут функцией геометрии передатчика, то есть дипольной антенны и электрических структур земли. Посредством изменения положения электродов 15 на вертикальное вместо горизонтального, электромагнитные поля изменяются вместе с ним. Хотя не известно, чтобы ВЭД подвергались буксировке данным способом, очевидно, что должен быть найден практический способ удержания диполя в вертикальной ориентации во время его буксировки в воде. Настоящее изобретение решает эту проблему.

Сущность изобретения

В одном из вариантов осуществления, изобретением является система для удержания гибкой дипольной антенны, по существу, в вертикальной ориентации и, по существу, на постоянной глубине во время буксировки погруженной в воду антенны, содержащая источник вертикального натяжения антенны, буксирный канат, присоединенный к буксирующему судну на одном конце и имеющий длину, определяемую постоянной глубиной, основную часть с отрицательной плавучестью, присоединенную к другому концу буксирного каната и к антенне, и источник уравновешивающей силы для создания, по существу, нулевой конечной вертикальной силы.

В другом варианте осуществления, изобретение является способом для удержания гибкой дипольной антенны, по существу, в вертикальной ориентации и в значительной степени на постоянной глубине во время буксировки погруженной в воду антенны, содержащим следующие стадии: обеспечение вертикального натяжения антенны; присоединение одного конца буксировочного каната к буксирующему судну и другого конца к основной буксируемой части с отрицательной плавучестью, при этом буксирный канат имеет длину, определяемую постоянной глубиной; присоединение антенны к основной буксируемой части; уравновешивание вертикальных сил на погруженной антенне, по-существу, до нулевой

- 1 008406 конечной силы.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение и его преимущества будут лучше понятны из следующего детального описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:

фиг. 1 иллюстрирует горизонтальный электрический дипольный источник, буксируемый в воде судном;

фиг. 2 иллюстрирует вертикальную дипольную антенну с двумя оттягивающими канатами;

фиг. 3 иллюстрирует сопротивление жидкости, оказывающее давление на буксируемую вертикальную антенну с двумя оттягивающими канатами;

фиг. 4 иллюстрирует эффект различных степеней вертикального натяжения, приложенного к вертикальной антенне на фиг. 2;

фиг. 5 иллюстрирует вертикальную антенну с тремя оттягивающими канатами;

фиг. 6 иллюстрирует вертикальное натяжение, обеспечиваемое антенной переменной плотности; фиг. 7 иллюстрирует применение горизонтальных оттягивающих канатов;

фиг. 8 иллюстрирует конфигурацию подвешенной антенны и фиг. 9 иллюстрирует подвешенную антенну с подруливающим устройством.

Настоящее изобретение описано ниже применительно к предпочтительным вариантам его осуществления. Однако в меру того что последующее подробное описание является характерным для определенного варианта осуществления или определенного применения изобретения, оно имеет в виду только иллюстративный характер, и не должно быть истолковано как ограничивающее рамки изобретения. Напротив, подразумевается с его помощью охватить все альтернативные варианты, модификации и эквиваленты, которые попадают в пределы сущности и объема прилагаемой формулы изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Настоящим изобретением является способ и система удержания электрической дипольной антенны в вертикальной ориентации во время ее буксировки в горизонтальном направлении под водой.

Два оттягивающих каната

В одном варианте осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированном на фиг. 2, дипольная антенна присоединена посредством двух оттягивающих канатов. Верхний оттягивающий канат 22 присоединяет верхний конец антенны к основной буксируемой части 12, и нижний оттягивающий канат 23 присоединяет нижний конец антенны к основной буксируемой части. Электроды не показаны на этом чертеже, но они находятся на каждом конце антенны 11. Антенна должна быть изготовлена из материала с некоторой конструктивной целостностью для поддержания (предпочтительно неизменного) интервала между электродами. Вертикальное натяжение 44 приложено к антенне для поддерживания ее ориентации в вертикальном положении. Как показано на фиг. 3, естественная динамика жидкости пытается сжать антенну, таким образом требующую сил натяжения для противодействия силам 31 жидкости. Сжатие может быть предотвращено путем помещения электродов на концах жесткого стержня, но это непрактично, потому что требуемая длина диполя обычно порядка 50-200 м и более. В любом варианте осуществления изобретения, использующего два оттягивающих каната или нет, вертикальное натяжение на антенне достигается благодаря любому из следующих источников силы или любого их сочетания, обычно расположенных на верхнем и/или нижнем конце антенны:

крылья (неподвижные или регулируемые);

плавучие приспособления (например, плавучие хомуты, плавучие банки или стеклянные плавучие шары);

добавочный груз;

устройство подруливания;

воздушные змеи/парашютные приспособления.

Плавучие устройства и воздушные змеи или парашюты, очевидно, могут обеспечивать только направленную вверх составляющую компоненту натяжения, а добавочный вес - только направленную вниз составляющую компоненту. Устройства подруливания и крылья, приспособленные к движению погруженными в воду, могут быть отрегулированы или управляемы для обеспечения как направленной вверх составляющей компоненты силы наверху антенны, так и направленной вниз составляющей компоненты силы на нижнем конце антенны. В большинстве вариантов осуществления, устройства подруливания могут быть ориентированы первоначально в вертикальном направлении, но в некоторых вариантах осуществления могут также иметь горизонтальную составляющую компоненту силы.

Форма антенны будет изменяться как функция величины приложенного натяжения. Фиг. 4 показывает изменение профиля антенны с увеличением натяжения 44 (натяжение увеличивается от профиля 41 через профиль 42 до профиля 43) на конфигурации на фиг. 2. Без источника вертикального натяжения антенна не будет буксироваться в вертикальной ориентации. Настоящее изобретение нуждается в источнике вертикального натяжения, таком как один из вышеописанных устройств, или эквивалентов. Все такие эквиваленты будут считаться являющимися частью настоящего изобретения. Первичной функцией вертикального натяжения является удержание электродов, по существу, в вертикальном направлении, по существу, с неизменным интервалом между электродами. Длина буксирного каната будет ограничивать

- 2 008406 глубину, на которой движется антенна в воде. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения, подводная основная буксируемая часть обладает отрицательной плавучестью и будет опускаться вниз на глубину, определяемую длиной буксирного каната и скоростью корабля. В таких вариантах осуществления, предпочтительная антенна будет обладать общей плавучестью, включающей вертикальные силы натяжения, по существу, нулевой («нейтральная плавучесть»), т.е. вертикальные силы на антенне будут уравновешены до нулевой общей силы. В такой предпочтительной конфигурации, оттягивающие канаты добавляют только горизонтальную силу и антенна буксируется в прямом направлении за основной буксируемой частью, с вертикальным натяжением, обеспечивающим требуемую вертикальную ориентацию.

Во многих вариантах осуществления изобретения, силы, которые добавляют вертикальное натяжение, регулируются для уравновешивания вертикальных сил на антенне.

Дополнительные оттягивающие канаты

В некоторых вариантах осуществления изобретения один или несколько дополнительных оттягивающих канатов добавляются к системе для уравновешивания силы сопротивления, влияющей со стороны воды на антенну, и следовательно для достижения более вертикальной ориентации. Фиг. 5 иллюстрирует конфигурацию с третьим оттягивающим канатом. Однако дополнительные оттягивающие канаты могут быть добавлены для стабилизации антенны до требуемого уровня. Каждый дополнительный оттягивающий канат будет помогать уменьшить естественный изгиб антенны. Для этого варианта возможна установка лебедки (не показана) на подводную основную буксируемую часть 12 для втягивания или разматывания оттягивающего(их) каната(ов) до тех пор, пока наиболее соответствующая вертикальная форма антенны не будет достигнута. Даже в этой конфигурации по-прежнему требуется вертикальное натяжение 44 для поддержания антенны в вертикальном состоянии.

Антенна переменной плотности

В одном варианте осуществления настоящего изобретения необходимое вертикальное натяжение обеспечивается путем проектирования антенны переменной плотности. Верхние секции 61 антенны выполнены положительно плавучими, центральные секции 62 являются нейтрально плавучими, и нижние секции 63 являются отрицательно плавучими, как проиллюстрировано на фиг. 6. Конструкция антенны совершенствуется, в целях настоящего изобретения, поскольку центр масс опускается, а центр плавучести поднимается выше. Момент плеча вследствие вращающей пары сил, который ориентирует антенну в вертикальном направлении, пропорционален расстоянию между центром масс и центром плавучести. Антенна переменной плотности может способствовать разделению центров масс и плавучести. Другие методы получения вертикального натяжения также улучшаются при разделении точки приложения вращающей пары сил. Например, пара лопастей может предпочтительно быть установлена на верхнем и нижнем концах антенны, таким образом используя полную длину антенны как плечо момента.

Горизонтальные оттягивающие канаты

В других вариантах осуществления настоящего изобретения, два оттягивающих каната размещаются, по существу, горизонтально, как проиллюстрировано на фиг. 7А, с расширенным изображением антенны и оттягивающих канатов, показанных на фиг. 7В. Верхний оттягивающий канат 22 натянут горизонтально от верха антенны 11 к буксирному тросу 13. Нижний оттягивающий канат 23 соединен, также горизонтально, от низа антенны к основной буксируемой части 12.

Тянущее усилие на горизонтальных оттягивающих канатах существенно меньше, чем на негоризонтальных оттягивающих канатах, подобных тем, что на фиг. 2. Дополнительные устройства (не показаны) могут быть добавлены в точках прикрепления оттягивающих канатов, такие как лебедки, которые могут втягивать или разматывать буксировочный трос для способствования ориентации диполя в вертикальном положении. Оттягивающие канаты могут различаться по длине, включая один из вариантов, исключающий нижний оттягивающий канат, в котором используется присоединение нижнего конца ВЭД к подводной основной буксируемой части. Фиг. 7В показывает два горизонтальных оттягивающих каната, однако, может использоваться и более двух. Хотя горизонтальные канаты увеличивают требуемую стабильность (чем короче канаты, тем стабильность больше), по-прежнему требуется источник вертикального натяжения. Антенна переменной плотности является предпочтительным источником вертикального натяжения для данной конфигурации.

Подвешенная антенна

В другом варианте осуществления настоящего изобретения, оттягивающие канаты полностью исключаются за счет присоединения одного конца антенны 11 напрямую к подводной основной буксируемой части 12 и присоединения груза 81 на другом конце, как проиллюстрировано на фиг. 8. Свободный конец будет свисать вниз и отклоняться назад от точки присоединения, как функция от общего веса прикрепленного к свободному концу, скорости буксировки, размера и веса антенны, длины антенны, и сопротивления системы. Для уменьшения отклонения назад свободного конца системы могут быть осуществлены несколько вариантов. Во-первых, антенна предпочтительно сделана из материала высокой плотности, с высокой прочностью на растяжение, чтобы выдерживать большие силы натяжения. Это позволит присоединить более тяжелый груз к свободному концу антенны без риска для целостности антенны. Для обеспечения вертикальной ориентации электодов к свободному концу антенны может быть присое

- 3 008406 динено устройство подруливания. Примером устройства подруливания является торпеда (без взрывчатки) или любое сходное самодвижущееся устройство с регулируемым направлением. Сила 92, создаваемая устройством 91 подруливания, может преодолеть сопротивление жидкости, оказывающее давление на антенну 11 для обеспечения вертикального выравнивания верхнего и нижнего электродов 15, как проиллюстрировано на фиг. 9. В вариантах осуществления на фиг. 8 и 9, буксирный канат 13 обеспечивает направленное вверх вертикальное натяжение на антенне.

Предшествующее описание раскрывает конкретные варианты осуществления настоящего изобретения для его иллюстрации. Очевидно, тем не менее, для специалиста в данной области техники, что возможно множество модификаций и разновидностей для вариантов осуществления, описанных в данном документе. Например, многие из концепций, раскрытых в данном документе, могут быть полностью или частично скомпонованы. Также, очевидно, возможно отделить балластовое назначение подводной основной буксируемой части от назначения в качестве места, где хранится и защищается от воды необходимое оборудование определения местоположения и другое. Все такие модификации и разновидности подразумеваются входящими в пределы области применения настоящего изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.

Claims

1. Система для удержания гибкой дипольной антенны, по существу, в вертикальной ориентации и, по существу, на постоянной глубине во время буксировки погруженной в воду антенны, содержащая источник вертикального натяжения на антенне, буксирный канат, присоединенный к буксирующему судну на одном конце и имеющий длину, обусловленную постоянной глубиной, основную буксируемую часть с отрицательной плавучестью, присоединенную к другому концу буксирного каната и к антенне, и источник (81) уравновешивающей силы для создания, по существу, нулевой общей вертикальной силы на погруженной антенне (11).

2. Система по п.1, в которой источником вертикального натяжения является источник направленной вверх силы и источник компенсирующей направленной вниз силы, при этом упомянутые две силы имеют величины, существенно большие для натяжения антенны, по существу, в вертикальную конфигурацию и различные по величине на значение, по существу, равное уравновешивающей силе.

3. Система по п.2, в которой источником направленной вверх силы является по меньшей мере один из присоединенных к одному концу антенны следующих источников силы: воздушный змей, парашют, устройство подруливания, подводное крыло, плавучее приспособление, буксирный канат, и источником направленной вниз силы является по меньшей мере один из присоединенных к другому концу антенны следующих источников силы: груз, устройство подруливания, подводное крыло.

4. Система по п.1, дополнительно содержащая по меньшей мере два оттягивающих каната, помещенных между антенной и основной буксируемой частью, при этом каждый оттягивающий канат присоединен на одном конце к основной буксируемой части и на другом конце - к разделенным участкам на антенне.

5. Система по п.4, которая содержит два оттягивающих каната, по существу, одинаковой длины, присоединенных к разным концам антенны.

6. Система по п.5, дополнительно содержащая третий оттягивающий канат, присоединенный на одном конце к антенне, по существу, к средней точке антенны, а на другом конце - к основной буксируемой части, при этом длина третьего оттягивающего каната выбрана такой, чтобы обеспечивать вертикальность.

7. Система по п.1, дополнительно содержащая оттягивающий канат, помещенный между основной буксируемой частью и одним концом антенны и присоединенный к каждому из них, и второй оттягивающий канат, соединяющий другой конец антенны и точку на буксировочном тросе, определенную так, что оттягивающие канаты являются, по существу, горизонтальными, при этом оттягивающие канаты имеют соответствующие длины, обеспечивающие вертикальность во время буксировки антенны.

8. Система по п.1, в которой антенной является антенна переменной плотности, которая предназначена для обеспечения вертикального натяжения и уравновешивающей силы.

9. Система по п.1, в которой основная буксируемая часть обеспечивает место для оборудования, такого как аппаратура связи, определения местоположения и измерительная аппаратура.

10. Способ удержания гибкой дипольной антенны, по существу, в вертикальной ориентации и, по существу, на постоянной глубине во время буксировки погруженной в воду антенны, включающий следующие стадии:

обеспечение вертикального натяжения антенны;

присоединение одного конца буксирного каната к буксирующему судну, а другого конца - к основной буксируемой части с отрицательной плавучестью, при этом буксирный канат имеет длину, определяемую постоянной глубиной;

присоединение антенны к основной буксируемой части; и уравновешивание вертикальных сил на погруженной антенне, по существу, до нулевой конечной

- 4 008406 силы.

11. Способ по и. 10, в котором вертикальное натяжение и уравновешивающая сила обеспечивается направленной вверх силой и направленной вниз компенсирующей силой, которые являются существенно большими для вытягивания антенны, по существу, в вертикальное положение и, по существу, различными, чтобы, по существу, уравновешивать вертикальные силы на антенне.

12. Способ по и. 11, в котором направленная вверх сила обеспечивается по меньшей мере одним из присоединенных к одному концу антенны следующих источников силы: воздушный змей, парашют, устройство подруливания, подводное крыло, плавучее приспособление, буксирный канат, при этом и направленная вниз сила обеспечивается по меньшей мере одним из присоединенных к другому концу антенны следующих источников: груз, устройство подруливания, подводное крыло.

13. Система по и.10, дополнительно содержащая по меньшей мере два оттягивающих каната между основной буксируемой частью и антенной, каждый из которых присоединен на одном конце к основной буксируемой части и на другом конце - к разделенным участкам антенны.

14. Способ по и. 10, в котором вертикальное натяжение антенн и уравновешивающая сила обеспечиваются применением антенны переменной плотности.