EA022090B1 - Морское электромагнитное устройство для сбора данных со складным узлом штанг для датчиков - Google Patents

Abstract

Морское электромагнитное устройство для сбора данных содержит датчиковый блок, содержащий по меньшей мере один связанный с ним датчик. Узел штанг для датчиков соединен с датчиковым блоком. Узел штанг для датчиков содержит по меньшей мере одну штангу для датчика, вдоль которой расположен по меньшей мере один датчик. Исполнительный механизм соединен с узлом штанг для датчиков для его перемещения между сложенным положением и разложенным положением.

Description

Настоящее изобретение в целом относится к области морской электромагнитной геофизической съемки. Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройству для сбора, записи и передачи электромагнитных сигналов, сформированных для съемки подповерхностных слоев Земли.

Уровень техники

В электромагнитных геофизических способах съемки используются естественный источник или управляемый источник. При использовании естественного источника в электромагнитной съемке измеряют ответный сигнал подповерхностных слоев Земли на естественные изменения магнитного поля Земли. При использовании управляемого источника в электромагнитной съемке измеряют ответный сигнал подповерхностных слоев Земли на внешнее приложенное электромагнитное поле. Примером электромагнитной съемки с использованием естественного источника является магнитотеллурический способ съемки. При магнитотеллурических измерениях естественными изменениями магнитного поля Земли наводятся электрические токи под поверхностью Земли. Ортогональные составляющие электрического и магнитного полей естественного электромагнитного поля измеряют и используют для определения конкретных отношений электрической составляющей к магнитной составляющей поля, причём указанные отношения называются тензорными импедансами. Тензор может быть использован для получения представления о пространственном распределении проводимости в подповерхностных слоях Земли. Морская электромагнитная геофизическая съемка обычно включает развертывание многокомпонентных устройств для сбора данных на морском дне. Каждое многокомпонентное устройство для сбора данных может содержать по меньшей мере один датчик для приема электромагнитных сигналов, сформированных во время съемки подповерхностных слоев ниже морского дна, и электронные средства для записи электромагнитных сигналов, принятых датчиком (датчиками).

Известный способ электромагнитной съемки с управляемым источником включает передачу переменного электрического тока в формации, расположенные ниже морского дна. При электромагнитной съемке с источником регулируемой частоты (Г-СЗЕМ - Ггсциспсу соЩго11еб коигсе ексйотадпейс китуеушд) используют переменный ток по меньшей мере одной выбранной частоты. Способы съемки Г-С8ЕМ описаны, например, в публикации: δίηΐια. М.С., Ра1е1. Ρ.Ό., ипкуойЬ, М.Т. О\уеп. Т.К..Е. и МасСогтаск, М.О.К., 1990, Электромагнитная система зондирования с активным источником для морского использования, Морское Геофизическое Исследование, 12, стр. 29-68. Физика и толкование электромагнитной подповерхностной съемки также описаны в других публикациях: Ебуагбк, Κ.Ν., Ьау, Ь.К., \Уо1Гдгапт Ρ.Α., ШЬек, И.С., Вопе, М.К, Тпдд, Ό.Ρ. и ОеБаипег ТМ., 1985, Первые результаты эксперимента МО8Е8 (МадпеЮте1пс ОГГ-ЗНоге Е1ес1пса1 ЗоипФпд (Магнитометрическое шельфовое электрическое зондирование)): Определение проводимости и толщины морских осадков в бухте Бьют, Британская Колумбия, посредством магнитометрического шельфового электрического зондирования, Геофизика, 50, № 1, стр. 153-160; Ебуагбк, Κ.Ν., 1997, Об оценке запасов газового гидрата в морских залежах с использованием дипольдипольного метода для придонных переходных электрических процессов, Геофизика, 62, № 1, стр. 6374; СЬауе, Α.Ό., Сопк1аЫе, З.С. и Ебуагбк, Κ.Ν., 1991, Способы электроразведки морского дна, Исследования в геофизике, № 3, Электромагнитные методы в прикладной геофизике, т. 2, Приложение, часть В, стр. 931-966 и СНеектап, δ.Τ, Ебуагбк, Κ.Ν. и СЬауе, Α.Ό., 1987, О теории составления карт проводимости морского дна с использованием электромагнитных систем на основе переходных процессов, Геофизика, 52, № 2, стр. 204-217.

Известная морская электромагнитная съемка с источником регулируемой частоты может быть описана следующим образом. Записывающее судно содержит кабели, которые соединены с электродами, расположенными возле морского дна. Источник электрической энергии, расположенный на судне, заряжает электроды таким образом, что через морское дно и в формациях Земли ниже морского дна протекает выбранная величина переменного тока выбранной частоты или выбранных частот. На дне моря на выбранном расстоянии (смещении) от излучающих электродов источника расположены приемные электроды, которые соединены со схемой для измерения напряжения, которая может быть расположена на указанном судне или другом судне. Затем напряжения, сообщенные приемным электродам, анализируют для получения представления о структуре формаций Земли в подповерхностных слоях и их электрических свойств.

Другим известным способом электромагнитной съемки подповерхностных формаций Земли является электромагнитная съемка с источником с управляемыми переходными процессами (ΐ^аηк^еиΐ соп1го11еб коигсе е1есΐ^отадиеΐ^с кшуеушд - 1-С8ЕМ). При электромагнитной съемке с источником с управляемыми переходными процессами электрический ток пропускают в Землю на её поверхности (или морском дне) как и при электромагнитной съемке с источником регулируемой частоты. Электрический ток может быть постоянным током. В выбранное время электрический ток отключают, включают или меняют его полярность, и, обычно за заданные интервалы времени, измеряют индуцированные напряжения и/или магнитные поля на поверхности Земли или водной поверхности. Могут быть использованы другие варианты переключения, которые будут подробно описаны ниже. Затем на основе времени распространения индуцированных напряжений и/или магнитных полей делают выводы о структуре того, что находится под поверхностью. Способы электромагнитной съемки с источником с управляемыми переходны- 1 022090 ми процессами описаны, например, в публикации §1гаск, К.-М., 1992, Разведка с глубоким проникновением переходных электромагнитных полей, ΕΗονίοΓ. 373 стр. (переиздание 1999).

В патенте США № 6842006, Β1 (СопО и др.) описана подводная электромагнитная измерительная система для выполнения магнитотеллурических измерений в подповерхностных слоях Земли. Система содержит центральную конструкцию, к которой может быть прикреплен электрод. К центральной конструкции шарнирно прикреплены штанги посредством шарниров. Шарниры могут содержать одноштифтовое соединение. Шарниры также могут содержать широкозахватное крепление, которое обеспечивает возможность вертикального шарнирного перемещения и распределения кручения по широкой области. С каждой штангой соединен электрод и по меньшей мере два магнитометра. Магнитометры образуют систему для измерения ортогональных составляющих магнитного поля. Штанги выполнены с возможностью такого поворота вокруг этих шарниров, что электроды и магнитометры остаются на морском дне при размещении электромагнитной системы в выбранное положение.

Сущность изобретения

Согласно первому аспекту настоящего изобретения морское электромагнитное устройство для сбора данных содержит: датчиковый блок, содержащий по меньшей мере один связанный с ним датчик; узел штанг для датчиков, соединенный с датчиковым блоком, содержащий по меньшей мере одну штангу для датчика, вдоль которой расположен по меньшей мере один датчик; и исполнительный механизм, соединенный с узлом штанг для датчиков, для перемещения узла штанг для датчиков между сложенным разложенным и развернутым положением.

Согласно некоторым вариантам реализации первого аспекта настоящего изобретения по меньшей мере одна штанга для датчика расположена, по существу, параллельно датчиковому блоку, при нахождении узла штанг для датчиков в сложенном положении.

Согласно некоторым вариантам реализации первого аспекта настоящего изобретения исполнительный механизм выполнен с возможностью приведения в действие давлением.

Согласно некоторым вариантам реализации первого аспекта настоящего изобретения исполнительный механизм содержит поршень, расположенный в цилиндре с возможностью перемещения.

Согласно некоторым вариантам реализации первого аспекта настоящего изобретения исполнительный механизм дополнительно содержит механизм для преобразования поступательного движения во вращательное, соединяющий указанную по меньшей мере одну штангу для датчика с поршнем и выполненный с возможностью поворота указанной по меньшей мере одной штанги для датчика относительно датчикового блока в ответ на перепад давления на поршне.

Согласно некоторым вариантам реализации первого аспекта настоящего изобретения датчиковый блок содержит датчики, каждый из которых содержит электрод, датчик магнитного поля, сейсмический датчик, гравитационный датчик, акселерометр и/или сейсмоприемник.

Согласно некоторым вариантам реализации первого аспекта настоящего изобретения указанный по меньшей мере один датчик, связанный с датчиковым блоком, содержит электрод или датчик магнитного поля, а указанный по меньшей мере один датчик, расположенный вдоль указанной по меньшей мере одной штанги для датчика, содержит электрод или датчик магнитного поля.

Согласно некоторым вариантам реализации первого аспекта настоящего изобретения датчиковый блок дополнительно содержит электрическую схему для преобразования в цифровую форму и передачи сигналов, обнаруженных указанным по меньшей мере одним датчиком, расположенным в датчиковом блоке, и указанным по меньшей мере одним датчиком, расположенным вдоль указанной по меньшей мере одной штанги для датчика.

Согласно некоторым вариантам реализации первого аспекта настоящего изобретения узел штанг для датчиков содержит штанги и по меньшей мере один датчик, расположенный вдоль каждой из штанг.

Согласно некоторым вариантам реализации первого аспекта настоящего изобретения штанги, по существу, параллельны боковой стороне датчикового блока при нахождении узла штанг для датчиков в сложенном положении.

Согласно некоторым вариантам реализации первого аспекта настоящего изобретения штанги формируют тетраэдр при нахождении узла штанг для датчиков в развёрнутом положении.

Согласно некоторым вариантам реализации первого аспекта настоящего изобретения устройство дополнительно содержит кабель, датчиковые блоки, расположенные на расстоянии друг от друга вдоль кабеля, и узлы штанг датчика, соединенные с датчиковыми блоками.

Согласно некоторым вариантам реализации первого аспекта настоящего изобретения указанный по меньшей мере один датчик, связанный с каждым из датчиковых блоков, содержит пару электродов для измерения электрического поля в направлении вдоль кабеля.

Согласно некоторым вариантам реализации первого аспекта настоящего изобретения каждый из датчиковых блоков дополнительно содержит расположенные на расстоянии друг от друга датчики магнитного поля.

Согласно некоторым вариантам реализации первого аспекта настоящего изобретения указанный по меньшей мере один датчик, связанный с каждым из датчиковых блоков, содержит электрод или датчик магнитного поля, а указанный по меньшей мере один датчик, расположенный вдоль каждой из штанг,

- 2 022090 содержит электрод или датчик магнитного поля.

Согласно некоторым вариантам реализации первого аспекта настоящего изобретения каждый из датчиковых блоков содержит датчики, каждый из которых содержит электрод, датчик магнитного поля, сейсмический датчик, гравитационный датчик, акселерометр и/или сейсмоприемник.

Другие аспекты и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из следующего описания и приложенной формулы.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана морская электромагнитная система для сбора данных, которая может содержать блоки для сбора данных согласно различным аспектам настоящего изобретения.

На фиг. 2 показан один вариант реализации блока для сбора данных, который может быть использован с системой, показанной на фиг. 1.

На фиг. 3 показан другой вариант реализации блока для сбора данных.

На фиг. 4А-4С показаны различные варианты размещения кабеля с датчиками.

На фиг. 5 показано наведение магнитных полей в подповерхностных слоях Земли.

На фиг. 6 показана схема блока для удаленного сбора данных, содержащего штангу для датчика в сложенном положении, соединенную с датчиковым блоком.

На фиг. 7 показана схема блока для удаленного сбора данных, содержащего штангу для датчика в развернутом положении, соединенную с датчиковым блоком.

На фиг. 8 показана схема блока для удаленного сбора данных, содержащего узел штанг для датчиков со штангами для датчиков в сложенном положении.

На фиг. 9 показана схема узла штанг для датчиков со штангами для датчиков в развернутом положении.

Подробное описание изобретения

Ниже настоящее изобретение будет описано подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи. В этом подробном описании могут быть изложены различные конкретные подробности для полного понимания настоящего изобретения. Однако для специалистов очевидно, что настоящее изобретение может быть осуществлено без некоторых или всех указанных конкретных подробностей. В других случаях известные особенности и/или этапы известных способов могут быть не описаны подробно для облегчения понимания настоящего изобретения. Кроме того, общие или подобные элементы обозначены подобными или одинаковыми позиционными номерами.

На фиг. 1 показана морская электромагнитная исследовательская система, содержащая исследовательское судно 10, которое перемещается вдоль поверхности акватории 11, например озера или океана. Исследовательское судно 10 содержит оборудование 12, расположенное на нем и для удобства названное как записывающая система. Записывающая система 12 может содержать навигационные приборы, оборудование для управления и приведения в действие источников, а также устройства для регистрации и обработки измерений, выполненных различными датчиками в системе сбора данных (не показаны отдельно для ясности чертежа).

Судно 10 может буксировать источник 14 сейсмических сигналов, например пневматическую пушку или систему таких пневматических пушек, вертикальную электрическую дипольную антенну 19 источника, содержащую расположенные на расстоянии друг от друга в вертикальном направлении электроды 16С, 16Ό, и горизонтальную электрическую дипольную токовую антенну 17 источника, которая может содержать расположенные на расстоянии друг от друга в горизонтальном направлении электроды 16А, 16В.

Вертикальные электроды 16С, 16Ό обычно возбуждаются током, протекающим в одной из линий, проходящих от электрода 16С или 16Ό к исследовательскому судну 10. Другая линия может быть электрически неактивной и использоваться только для удержания предпочтительной формы вертикальной дипольной антенны.

Электроды, расположенные на антеннах 17, 19 источника, для удобства изложения могут быть названы электродами источника. Записывающая система 12 может содержать управляемые средства силового питания (отдельно не показан) для возбуждения электродов источника с целью наведения электромагнитных полей в подповерхностном слое под морским дном 13.

В настоящем примере электроды 16А, 16В и 16С, 16Ό источника, размещенные соответственно на каждой из антенн 17 и 19, могут быть расположены на расстоянии примерно 50 м друг от друга и могут возбуждаться источником питания (не показан), так что ток примерно в 1000 А будет протекать в указанных электродах. Это обусловливает образование момента источника, эквивалентного моменту, образуемому в типичной практике электромагнитного исследования, известной в уровне техники, согласно которой используется передающий диполь длиной 100 м и ток силой 500 А. В любом случае момент источника может составлять примерно 5х10⁴ амперометров. Момент источника, используемый в любом конкретном варианте реализации, не предназначен для ограничения объема настоящего изобретения.

Записывающая система 12 может содержать оборудование (контроллер источника), которое может приводить в действие сейсмический источник 14 в заданное время и может содержать устройства, которые записывают данные или принимают для обработки данные от сейсмических датчиков, которые мо- 3 022090 гут быть расположены в кабеле 24 с электромагнитными датчиками или в другом месте в системе.

Кабель 24 с электромагнитными датчиками расположен на дне 13 или вблизи него для выполнения измерений, соответствующих формациям Земли ниже дна 13. Кабель 24 с электромагнитными датчиками может быть использован для электромагнитной съемки с естественным источником или управляемым источником. Кабель 24 с электромагнитными датчиками может содержать расположенные в нем и продольно на расстоянии друг от друга блоки 25 для удаленного сбора данных. Каждый блок 25 для удаленного сбора данных может содержать датчиковый блок 22. Каждый датчиковый блок 22 может иметь вставленную в нее с верхней стороны и проходящую, по существу, вертикально штангу 22А для датчика. Предпочтительно вертикально проходящая штанга 22А содержит расположенное в ней или на ней плавучее устройство или конструкцию некоторого типа (не показана) для удержания штанги 22А, по существу, в вертикальной ориентации относительно гравитации. Каждый датчиковый блок 22 может содержать проходящий из его нижней стороны шип 22С, как описано, например, в публикации К. Шолла (8с1ю11, С.) и Н. Эдвардса (Ей^агйк, Ν.), 2007, Морские скважины для диполь-дипольного электромагнитного способа исследования морского дна и разрешение резистивных объектов, Геофизика, 72, \УЛ39. для проникновения через отложения на морском дне 13 на заданную глубину. В настоящем примере проходящие в боковом направлении штанги 22В могут быть расположены с одной стороны или обеих сторон каждого датчикового блока 22. Измерительные электроды 23, например гальванические электроды, могут быть расположены рядом с продольными концами каждого датчикового блока 22. Измерительные электроды 23 могут использоваться для измерения напряжения, возбуждаемого некоторыми составляющими электрического поля, которое является ответным на индуцированные электромагнитные поля в подповерхностных донных слоях.

Сигналы, собранные различными чувствительными устройствами, связанными с каждым датчиковым блоком 22 и кабелем 24, могут быть переданы в записывающий узел 26 и сохранены в нем. Такая передача может быть осуществлена посредством содержащегося в кабеле 24 по меньшей мере одного электрического и/или оптического проводника (не показаны), переносящего электроэнергию и/или сигналы данных. Записывающий узел 26 может быть расположен на морском дне 13, как показано на чертеже, или расположен в буе (не показан), в зависимости от решения конструктора системы. Записывающий узел 26 может содержать запоминающие устройства для сохранения данных любого вида, например в форме накопителя на жестких дисках или твердотельного накопителя объемом в несколько терабайт. В случае расположения на морском дне 13, как показано на фиг. 1, записывающий узел 26 может быть поднят с морского дна 13 судном 10 для опроса запоминающего устройства (не показано), или к запоминающему устройству (не показано) может быть обеспечен доступ для опроса посредством соединения кабеля для передачи данных (не показан) к подходящему соединителю или порту (не показаны), выполненному в записывающем узле 26. Сохранение данных в узле 26 и их передача из указанного узла могут быть осуществлены известными способами, которые не ограничивают объем настоящего изобретения.

На фиг. 2 показан разрез одного примера датчикового блока 22, содержащегося в блоке 25 для удаленного сбора данных, показанном на фиг. 1. Датчиковый блок 22 может содержать герметичный, стойкий к давлению корпус 28, соединенный с кабелем 24 в заданном местоположении вдоль кабеля 24. Корпус 28 может быть прикреплен к кабелю 24 сращиванием внутри кабеля, формованием под давлением корпуса 28 вместе с кабелем или с использованием водонепроницаемых, стойких к давлению электрических и механических соединителей, установленных на каждом кабеле 24 и корпусе 28, например соединителей, описанных в патенте США № 7113448, принадлежащем Скотту (8со11). Внутренняя часть корпуса 28 может задавать герметизированный отсек, который может содержать некоторые или все компоненты, описанные ниже. Распознающие элементы в датчиковом блоке 22 могут содержать трехосевой магнитометр М, который содержит датчики Мх, Му для горизонтальных составляющих магнитного поля и датчик Μζ для вертикальной составляющей магнитного поля. В корпусе 28 также может быть расположен трехкомпонентный сейсмический датчик О частичного движения. Сейсмический датчик О частичного движения может содержать три взаимно ортогональных датчика Ох, Оу, Οζ движения, таких как сейсмоприемники или акселерометры. Сейсмический датчик О обнаруживает частичные составляющие движения сейсмического волнового поля, вызванного сейсмическим источником 14, показанным на фиг. 1. Датчиковый блок 22 также может содержать гидрофон 30, сообщающийся давлением с водой 11, показанной на фиг. 1, для обнаружения составляющих давления сейсмического волнового поля, вызванного сейсмическим источником 14, показанным на фиг. 1. Датчиковый блок 22 также может содержать гравитационный датчик ОК, расположенный в корпусе 28. Датчиковый блок 22 может содержать измерительные схемы 39, 40 для измерения напряжения, приложенного между парой измерительных электродов 23, показанных на фиг. 1, расположенных на противоположных сторонах датчикового блока 22 вдоль кабеля 24. В настоящем примере пары электродов также могут содержать электрод, расположенный вдоль или в конце каждой из вертикальных штанг 22А для датчика (электрод 23В) и шип 22С (электрод 23А). Вертикальная штанга 22А для датчика может быть соединена с корпусом 28.

Сигналы, сгенерированные каждым из распознающих устройств, описанных выше, поступают в мультиплексор 32. Выход мультиплексора 32 может быть направлен через предусилитель 34. Предусилитель может быть соединен с входом аналого-цифрового преобразователя (АЭС) 36, который преобра- 4 022090 зовывает аналоговые напряжения от предусилителя 34 в цифровую форму для хранения и обработки центральным процессором 38, который может быть контроллером на основе любого микропроцессора и связанным с ним устройством для буферизации и/или хранения данных, известным из уровня техники. Данные, представленные в цифровой форме, могут быть отформатированы для передачи сигналов телеметрии вдоль кабеля 24 к записывающему узлу 26, показанному на фиг. 1, для последующего восстановления и обработки, например, посредством записывающей системы 12 или в ней, как показано на фиг. 1. Датчиковый блок 22 также может содержать по меньшей мере один высокочастотный магнитометр МН, связанный сигналами с мультиплексором 32, и компоненты, соединенные с его выходом.

На фиг. 3 показан вид сверху варианта реализации датчикового блока 22, показанного на фиг. 2. Горизонтальные штанги 42 для датчиков (подобные штангам 22В, показанным на фиг. 1) могут быть соединены с корпусом 28 с использованием герметизированных электрических соединителей 42А, подходящих к соответствующим соединителям 41, расположенным в корпусе 28. Согласно другому варианту реализации штанги 42 для датчиков могут быть жестко соединены с датчиковым блоком 22, а также могут быть выполнены с возможностью складывания. Соединители 42А, 41 содержат по меньшей мере один изолированный электрический контакт для передачи электропитания и/или обмена сигналами с различными распознающими элементами, расположенными в горизонтальных штангах 42 для датчиков. Распознающие элементы могут содержать расположенные на расстоянии друг от друга одноосевые или многоосевые датчики 44 магнитного поля, а также гальванический электрод 46. Вертикальная штанга 22А для датчика также может быть выполнена с возможностью размещения на ней электрода и датчиков магнитного поля. Подобным образом шип 22С, показанный на фиг. 2, также может быть оборудован такими записывающими устройствами. Различные штанги для датчиков и шип могут быть выполнены с возможностью быстрой установки и закрепления в корпусе перед выпуском кабеля 24 в воду 11 с исследовательского судна 10, как показано на фиг. 1.

Выполненный, как описано выше и показано на фиг. 2 и 3, датчиковый блок 22 содержит чувствительные устройства для измерения электрического поля в трех измерениях и чувствительные устройства для измерения магнитного поля в трех измерениях. Производная магнитного поля по времени может быть извлечена из измеренного магнитного поля математическими способами. С использованием производной по времени магнитного поля, перпендикулярного области, охваченной кабелем, и измерений электрического поля вдоль кабеля могут быть определены составляющие электрического поля в любом направлении путем соединения двух датчиковых блоков 22, в частности в направлении, перпендикулярном кабелю 24. Согласно закону индукции общее изменение магнитного потока, проходящего через некоторую поверхность, равно интегралу электрического поля вдоль границы этой поверхности, как показано в уравнении (1) ниже

Из уравнения (1) можно определить поверхностный интеграл изменения магнитного потока, проходящего через эту поверхность. И наоборот, если известен поверхностный интеграл изменения магнитного потока через некоторую поверхность, можно определить электрическое поле вдоль любой отсутствующей части контура, ограничивающего указанную поверхность, при условии, что отсутствующая часть замкнутого контура является единственной, и известно электрическое поле вдоль другой части.

В дополнение, может быть измерен градиент магнитного поля вдоль направления кабеля 24 (третье направление) путем измерения разности между значениями магнитного поля, измеренными в расположенных рядом датчиковых блоках 22, или между последовательными датчиковыми блоками 22, расположенными на большем расстоянии друг от друга вдоль кабеля 24. Из измеренных пространственных составляющих градиента магнитного поля можно определить составляющие электрического поля в направлении, перпендикулярном измеренному градиенту магнитного поля. Согласно закону Ампера пространственный градиент магнитного поля эквивалентен производной по времени от поля электрической индукции (электрического смещения) плюс плотность свободного тока, как показано в уравнении (2) ниже.

Плотность тока линейно зависит от электрического поля и проводимости среды, а поле электрической индукции линейно зависит от электрического поля и диэлектрической проницаемости ε. Таким образом, уравнение (2) может быть записано в следующем виде:

- - дЁ \κΗ = σΕ + ε—

8ί ⁽³⁾·

Диэлектрическая проницаемость морской воды на 11 порядков меньше ее проводимости, поэтому вторым слагаемым можно пренебречь. Таким образом, путем измерения градиента магнитного поля вдоль выбранного направления с использованием кабельной системы, описанной в настоящей заявке, можно определить поперечную составляющую электрического поля.

- 5 022090

На фиг. 4А и 4В показаны примеры размещения кабельной системы для измерения ответной реакции электрического поля и ответной реакции магнитного поля в трех направлениях вдоль нелинейного контура. На основании измерений, сделанных с использованием кабельной системы, может быть определена ответная реакция электрического поля в направлении, перпендикулярном направлению ответной реакции электрического поля, с использованием результатов измерений реакции электрического поля и реакции магнитного поля. Кабель 24 может содержать хвостовой буй 48, расположенный в удаленном конце от записывающего узла 26. Кабель 24 может быть размещен на морском дне или на поверхности земли в форме закрытого контура, как показано на фиг. 4А, или открытого контура, как показано на фиг. 4В. Горизонтальные штанги 42 для датчиков для определения поперечных составляющих электрического поля могут отсутствовать в системе, показанной на фиг. 4А и 4В. Если электроды 23 расположены в закрытом или открытом контуре, поперечные составляющие электрического поля между противоположными друг другу в боковом направлении электродами (положения вдоль контура) могут быть выведены из: (ί) измерений электрического поля, выполненных между расположенными на расстоянии друг от друга в продольном направлении электродами 23 в таких противоположных положениях и вдоль контура, который соединяет противоположные положения; и (ίί) производной по времени от измерений магнитного поля в этих положениях. Как указано выше, производная по времени от измерений магнитного поля может быть получена математическими способами из измерений ответной реакции магнитного поля, выполненных в трех направлениях вдоль кабеля 24.

Если составляющие электрического поля, которые являются поперечными к направлению кабеля 24, определены путем измерения градиента магнитного поля с использованием поперечно установленных штанг для датчика или путем дополнительных измерений электрического поля (например, в положении С и В), то может быть проведена съемка без укладки кабеля в форме петли, как показано на фиг. 4А (замкнутая петля) и на фиг. 4В (открытая петля). Следует отметить, что показанная на фиг. 4А и 4В петля обеспечивает наличие противоположных друг другу в боковом направлении участков кабеля. На фиг. 4С показан непетлевой контур кабеля, содержащий два противоположных друг другу в боковом направлении кабеля 24А, 24В, противоположные друг другу дальние концы которых не соединены (т.е. не связаны в противоположных положениях Α, Ό и противоположных положениях С, В). Каждый из кабелей 24А, 24В может быть соединен с записывающим узлом 26 и буем 48, как описано выше в отношении кабеля 24 с датчиками, показанного на фиг. 4А и 4В. В целом, непетлевой контур кабеля может содержать по меньшей мере два противоположных друг другу в боковом направлении кабеля, расположенных, как показано на фиг. 4С. Измерение ответной реакции электрического поля вдоль каждого из кабелей 24А, 24В и дополнительное измерение электрического поля, например, в электродах, расположенных в концах кабелей 24А, 24В (например, в положениях С, В), может использоваться для определения электрического поля между любыми двумя противоположными положениями вдоль кабелей 24А, 24В.

Система, показанная на фиг. 1, содержит горизонтальные и/или вертикальные электрические дипольные антенны для наведения электрического поля в подповерхностных слоях почвы, в которых измеряются электрическая и магнитная реакции почвы. Следует понимать, что настоящее изобретение одинаково пригодно для использования в случае наведения магнитных полей. Как показано на фиг. 5, исследовательское судно 10 может буксировать петлевые антенны 21А, 21В, расположенные в конце кабеля 21. Записывающая система 12 может пропускать электрический ток через горизонтальную петлевую антенну 21А для наведения вертикального магнитного поля т_А в подповерхностных слоях и через вертикальную петлевую антенну 21В для наведения горизонтального магнитного поля т_в в подповерхностных слоях. Измерения, выполняемые различными чувствительными устройствами, содержащимися в системе (см. фиг. 2-4С), могут быть выполнены в ответ на такое магнитное поле. В дополнение к электрическим полям или вместо них могут быть наведены магнитные поля, подходящие для любого конкретного магнитного изыскания.

Для специалистов очевидно, что в линии также может быть расположен кабель 24 с датчиками, показанный на фиг. 1, в частности в случае использования горизонтальных штанг 42 для датчиков и/или в случае использования расположенных на расстоянии друг от друга датчиков магнитного поля для определения поперечных составляющих электрического поля из градиента магнитного поля.

Кабель 24 с датчиками также может использоваться с магнитотеллурическими способами измерения и не ограничивается способом электромагнитного измерения с источником регулируемой частоты. В одном примере способа согласно настоящему изобретению электромагнитные измерения с источником с управляемыми переходными процессами (1-С8ЕМ), включая электрическое поле и/или магнитное поле, выполняют по меньшей мере вдоль одного из выбранных направлений с использованием кабеля, как показано на фиг. 4А. Предпочтительно такие измерения электрического и магнитного полей выполняются вдоль трех ортогональных направлений. Для таких измерений предпочтительно питающая антенна (показанная на фиг. 1) находится, по существу, в фиксированном положении. Измерения электрического и магнитного полей суммируются или пакетируются. Результатом пакетирования является высокое качество ответного сигнала электромагнитных измерений с источником с управляемыми переходными процессами. Затем пакетированный ответный сигнал электромагнитных измерений с источником с управляемыми переходными процессами может быть вычтен из сигналов, записанных в течение существенно- 6 022090 го промежутка времени. Результатом будет магнитотеллурический ответный сигнал, измеренный всеми различными распознающими элементами, расположенными на кабеле. Магнитотеллурический ответный сигнал может быть обработан известными способами, например такими, как описано в патенте США № 6950747, выданном Байерли (Вуег1у).

После определения магнитотеллурического ответного сигнала, как описано выше, и обработки по меньшей мере одним из известных способов становится возможным выполнение комплексного инвертирования ответного сигнала электромагнитных измерений с источником с управляемыми переходными процессами и магнитотеллурического ответного сигнала. Если измерен электромагнитный ответный сигнал в частотной области, такой ответный сигнал также может быть совместно инвертирован. Комплексное инвертирование описано, например, в патенте США № 5870690, выданном Френкелю (Ргеике1) и др. Конкретное преимущество, которое может быть обеспечено выполнением электромагнитного измерения с управляемым источником и магнитотеллурического измерения одним и тем же набором чувствительных устройств и обработкой посредством одной и той же электронной схемы для комплексного инвертирования, состоит в существенном снижении степени масштабирования или другого согласования ответного сигнала, которое может потребоваться при измерении ответного сигнала электромагнитного измерения с управляемым источником и ответного сигнала магнитотеллурического измерения с использованием отдельных систем.

С использованием кабеля с датчиками, показанного на чертеже, также может быть выполнено преобразование электрического поля для коррекции измерений магнитотеллурического ответного сигнала с учетом статических поправок. См., например, МегпЬегд. В.К., УакЬЬигие, ЕС. и Ре11егт, Ь, 1988, Коррекция с учетом статической поправки в магнитотеллурическом способе разведки с использованием зондирования методом неустановившегося поля, Геофизика, т. 53, выпуск 11, стр. 1459-1468. Раскрытый в вышеуказанной публикации способ не использует кабель, описанный в настоящей заявке, и потому пригоден только для наземной съемки. Однако использование кабеля и способа согласно настоящему изобретению обеспечивает возможность коррекции магнитотеллурического ответного сигнала с учетом статических поправок при измерении ответного сигнала электромагнитных измерений с источником с управляемыми переходными процессами одними и теми же распознающими элементами, установленными в кабеле с датчиками, расположенном на морском дне. См. также Тоггек-Уегбт, С, 1991, Непрерывное профилирование магнитотеллурических полей, диссертация на соискание научной степени, Калифорнийский университет, и Тоггек-Уегбт, С. и Вокйек Ю Р.Х. 1992, Принципы фильтрации пространственного поверхностного электрического поля в магнитотеллурических способах съемки: профилирование массивов электромагнитных датчиков (Программа мониторинга и оценки окружающей среды (ЕМАР)), Геофизика, т. 57, выпуск 4, стр. 603-622. Как описано по меньшей мере в одной из вышеуказанных публикаций, магнитотеллурический ответный сигнал может быть подвержен вертикальному сдвигу в области регистрации. Такой сдвиг вызван относительно проводящими или резистивными участками формации вблизи морского дна. Однако на ответный сигнал электромагнитной съемки с источником с управляемыми переходными процессами такие участки, по существу, не влияют, и потому он может быть использован для калибрования магнитотеллурического ответного сигнала с целью компенсации влияния таких участков.

На фиг. 6 показан блок 25' для удаленного сбора данных. Основное различие между блоком 25' для удаленного сбора данных и блоком 25 для удаленного сбора данных, показанным на фиг. 1, состоит в том, что узел 49 штанги для датчиков, содержащий штангу 22А для датчика и электрод 23В, расположенный вдоль штанги 22А для датчиков, соединен с датчиковым блоком 22 посредством исполнительного механизма 50. Термин штанга для датчиков используется для обозначения штанги, которая содержит по меньшей мере один датчик. Исполнительный механизм 50 выполнен с возможностью выборочного складывания и раскладывания штанги 22А. В сложенном положении штанга 22А расположена параллельно одной стороне корпуса 28 датчикового блока 22. В этом сложенном положении штанги 22А кабель 24 с датчиками может быть размещен в лебедке для хранения. В развернутом положении штанга 22А расположена в необходимой ориентации для выполнения измерения с использованием электрода 23В или другого электрода, расположенного на штанге 22А. Согласно одному варианту реализации, как показано на фиг. 7, штанга 22А, по существу, может быть ориентирована перпендикулярно корпусу 28 датчикового блока 22 для обеспечения возможности использования электрода 23В в выполнении измерения перпендикулярно профилю. Работа исполнительного механизма 50 более подробно будет описана ниже. Электрод 23В, расположенный вдоль штанги 22А, вместе с электродом 23А, расположенным на шипе 22С, могут быть использованы для выполнения измерений в направлении, перпендикулярном блоку 25' для удаленного сбора данных (или кабелю 24), т.е. поперечных измерений, при которых штанга 22А служит для задания необходимого расстояния между электродами 23А, 23В. Шип 22С обычно является настолько коротким, что не мешает размещению кабеля 24 в лебедке. Согласно другому варианту реализации шип 22С может быть заменен складной штангой с датчиками, подобной штанге 22А. Штанга для датчика, подобная штанге 22А, может быть установлена на любой из сторон (включая верхнюю и нижнюю стороны) датчикового блока 22 (или корпуса 28 датчикового блока 22) с целью выполнения измерений.

- 7 022090

Датчиковый блок 22 подробно описан выше, в частности, со ссылкой на фиг. 2. В дополнение к вышеописанному, электрод 23Ό может быть расположен внутри датчикового блока 22 и соединен с электродом 23В для выполнения поперечных измерений. Согласно другим вариантам реализации вдоль штанги 22А могут быть расположены датчики различных типов или группа одинаковых датчиков. Согласно некоторым вариантам реализации датчики могут быть электродами или датчиками магнитного поля. Например, на фиг. 6 и 7 показан датчик 44А магнитного поля, расположенный вдоль штанги 22А, в дополнение к электроду 23В, причём датчик 44А магнитного поля может быть использован для выполнения измерений поперечного магнитного поля. В случае установки нескольких датчиков вдоль штанги 22А они обычно расположены на достаточном расстоянии друг от друга для обеспечения возможности выполнения поперечного измерения с одновременной минимизацией соотношения сигнал-шум. Все датчики, установленные на штанге 22А, могут быть соединены с кабелем или проводом, проходящим в штанге 22А. Кабель, проходящий в штанге 22А, может быть соединен с датчиковым блоком 22 посредством соединителя (не показан).

Исполнительным механизмом 50 можно управлять для перемещения штанги 22А из развернутого положения (как показано на фиг. 7) в сложенное положение (как показано на фиг. 6). Согласно одному варианту реализации исполнительный механизм 50 выполнен с возможностью реагирования на давление, приложенное к внешней стороне датчикового блока 22. Исполнительный механизм 50 может быть выполнен с возможностью перемещения штанги 22А в сложенное положение (как показано на фиг. 6) при первом давлении и перемещения штанги 22А в развернутое положение (как показано на фиг. 7) при втором давлении. Первое давление может соответствовать давлению на водной поверхности (выше водной поверхности 11, как показано на фиг. 1) и в пределах заданного расстояния от водной поверхности 11, как показано на фиг. 1, а второе условие давления может соответствовать давлению в воде 11, как показано на фиг. 1, и в пределах заданного расстояния от морского дна 13, как показано на фиг. 1. Согласно одному варианту реализации реагирующий на давление исполнительный механизм 50 содержит снабженную систему 52 с приводом на основе текучей среды, которая может содержать цилиндр 54 и поршень 56, расположенный в цилиндре 54 с возможностью перемещения. Цилиндр 54 может содержать сжимаемую текучую среду 57, например газ. При первом давлении давление сжимаемой текучей среды 57 больше давления с внешней стороны датчикового блока 22. При втором давлении давление сжимаемой текучей среды 57 меньше давления с внешней стороны датчикового блока 22.

Перепад давления между сторонами поршня 56 вызывает линейное перемещение поршня 56 в цилиндре 54. Поршень 56 может быть соединен с механизмом 58 для преобразования поступательного движения во вращательное, который преобразует поступательное перемещение поршня 56 во вращательное движение. Механизм 58 соединен со штангой 22А, так что вращательное перемещение механизма 58 преобразуется во вращение штанги 22А относительно корпуса 28 датчикового блока 22. Может быть использован любой подходящий механизм 58 для преобразования поступательного движения во вращательное. Механизм 58 может быть, например, соединительной тягой. Согласно одному варианту реализации один конец штанги 22А прикреплен к оси 62, а соединительная тяга 58 одним концом прикреплена к оси 62, а другим концом - к поршню 56. На поверхности (при первом давлении) сжимаемая текучая среда 57 полностью расширена, и штанга 22А расположена параллельно корпусу 28 датчикового блока 22 (в сложенном положении). Во время погружения датчикового блока 22 в воду давление воды линейно перемещает поршень 56 (при втором давлении) и тем самым сжимает текучую среду 57. Линейное перемещение поршня 56 преобразуется во вращательное перемещение, которое приводит к разворачиванию штанги 22А, как показано на фиг. 7. Во время подъема датчикового блока 22 штанга 22А складывается обратно в параллельное положение, как только давление сжимаемой текучей среды 57 станет больше давления воды (при первом давлении), как показано на фиг. 6.

Исполнительный механизм 50 для разворачивания и складывания штанги 22А для датчиков не ограничивается приведением в действие давлением. Другие механизмы для разворачивания и складывания штанги для датчиков также могут быть эффективно управляться с использованием электронных средств, расположенных в датчиковом блоке 22. Например, на основе управляющего сигнала штанга 22А может быть развернута посредством электрического двигателя (не показан), который вращает винт, или рабочего насоса (не показан), который открывает штангу 22А с использованием гидравлического привода. В случае использования электрического двигателя линейное перемещение от вращаемого винта может быть преобразовано во вращательное перемещение штанги 22А посредством подходящего механизма для преобразования поступательного движения во вращательное, или вращательное перемещение вращаемого винта может быть преобразовано во вращательное перемещение (угловое перемещение) штанги 22А посредством подходящего механизма для преобразования вращательного движения в угловое перемещение. Управляющий сигнал может быть выработан электронными средствами, расположенными в датчиковом блоке 22, при достижении некоторого давления, или штангой 22А и связанным с ним исполнительным механизмом могут управлять сигналы, переданные центральным компьютером в буе.

Как показано на фиг. 6 и 7, узел 49 штанги для датчиков содержит одиночную штангу 22А для датчика. Согласно другим вариантам реализации узел штанг для датчиков, содержащий несколько штанг для датчиков, может быть соединен с датчиковым блоком 22. В примере, показанном на фиг. 8, блок 25

- 8 022090 для удаленного сбора данных содержит узел 64 штанг для датчиков, соединенный с датчиковым блоком 22 посредством исполнительного механизма 74. Узел 64 штанг для датчиков может быть соединен с любой из сторон (включая верхнюю и нижнюю стороны) датчикового блока 22. Узел 64 штанг для датчиков содержит штанги 66, 68, 70, 72, содержащие по меньшей мере один датчик 66А, 68А, 70А, 72А, расположенный вдоль штанги 66, 68, 70, 72 соответственно. Датчики 66А, 68А, 70А, 72А, расположенные вдоль штанг 66, 68, 70, 72, могут быть, например, электродами, датчиками магнитного поля или другими датчиками, пригодными для использования в выполнении электромагнитных полевых измерений. Все датчики, расположенные на штангах 66, 68, 70, 72, могут быть соединены с кабелем, проходящим в каждой из штанг 66, 68, 70, 72, как описано выше в отношении штанги 22А, показанной на фиг. 6 и 7. В развернутом положении узел 64 штанг для датчиков имеет вилкообразную конструкцию, в которой штанги 66, 68, 70, 72 расположены, по существу, параллельно друг другу, причём штанга 68 для датчика может быть, по существу, выровнена относительно штанги 72.

Исполнительным механизмом 74 можно управлять для раскладывания узла 64 штанг для датчиков, как показано на фиг. 9, так что штанги 66, 68, 70, 72 формируют тетраэдр 73, а датчики 66А, 68А, 70А, 72А размещены на ребрах тетраэдра 73 для выполнения измерений. Для выполнения измерений может быть использована любая комбинация датчиков 66А, 68А, 70А, 72А, как указано, например, штриховыми стрелками 75. Любой из датчиков 66А, 68А, 70А, 72А также может быть спарен с другими датчиками, расположенными в датчиковом блоке 22, показанном на фиг. 8, или прикрепленными к нему иным способом, для выполнения измерений. Для простоты описания датчиковый блок 22 не показан на фиг. 9, но сложенный узел 64 штанг для датчиков, показанный на фиг. 8, может быть заменен развернутым узлом 64 штанг для датчиков для визуализации соотношения между узлом 64 штанг для датчиков и датчиковым блоком 22, когда узел 64 штанг для датчиков находится в развернутом положении.

Исполнительный механизм 74 может быть исполнительным механизмом, приводимым в действие давлением. Как показано на фиг. 9, приводимый в действие давлением исполнительный механизм 74 может содержать цилиндр 76 и поршень 78, которые могут быть подобными цилиндру 54 и поршню 56 исполнительного механизма 50, показанного на фиг. 6 и 7. Оси 67 могут быть прикреплены к одному из концов штанг 66, 68 и 70 для датчиков. Исполнительный механизм 74 может содержать механизмы для преобразования поступательного движения во вращательное для преобразования поступательного перемещения поршня 78 в угловое перемещение штанг 66, 68 и 70. Согласно одному варианту реализации соединительные тяги 69 используют в качестве механизмов для преобразования поступательного движения во вращательное. Соединительные тяги 69 соединены с осями 67 и поршнем 78. Один из концов штанги 72, т.е. конец, лишенный электрода 72А, также соединен с поршнем 78. Соединение для преобразования поступательного движения во вращательное не является необходимым между штангой 72 и поршнем 78. Перепад давлений на поршне 78 вызывает возвратно-поступательное перемещение поршня 78 внутри цилиндра 76. Линейное перемещение поршня 78 преобразуется во вращательное перемещение (или угловое перемещение) штанг 66, 68, 70 и прямолинейное движение (перемещение) штанги 72. Исполнительный механизм 74 может действовать с использованием схемы на основе разных давлений, которая подобна описанной выше в отношении приведения в действие штанги 22А, показанной на фиг. 6 и

7. При первом давлении, как описано выше, исполнительный механизм 74 складывает узел 64 штанг для датчиков, как показано на фиг. 8. При втором давлении, как описано выше, исполнительный механизм 74 разворачивает узел 64 штанг для датчиков, как показано на фиг. 9. Когда узел 64 штанг для датчиков находится в сложенном положении, штанги 66, 68, 70, 72, по существу, расположены параллельно стороне датчикового блока 22, в результате чего обеспечено преимущество, состоящее в удобстве хранения и предотвращении повреждения узла 64 штанг для датчиков во время соединения с датчиковым блоком 22.

Исполнительный механизм 74 для разворачивания и складывания штанг узла 64 не ограничивается приведением в действие с использованием разных давлений. Как описано выше в отношении штанги 22А, показанной на фиг. 6 и 7, могут быть использованы другие механизмы, реагирующие на управляющие сигналы, посланные электронными средствами, расположенными в датчиковом блоке 22, или центральным компьютером, расположенным в буе (не показан). Примеры таких механизмов включают, без ограничения, электрический двигатель или гидронасос.

Несмотря на то, что настоящее изобретение описано на примере относительно ограниченного числа вариантов реализации, специалисту в данной области техники, ознакомленному с настоящим документом, понятно, что могут быть спроектированы другие варианты реализации, которые не выходят за пределы объема настоящего изобретения, описанного выше. Соответственно, объем настоящего изобретения должен быть ограничен только приложенной формулой изобретения.

Claims (11)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Морское электромагнитное устройство для сбора данных, содержащее датчиковый блок, с которым связан по меньшей мере один датчик;

   узел штанг для датчиков, соединенный с датчиковым блоком и содержащий по меньшей мере одну штангу для датчика, на которой расположен по меньшей мере один датчик; и

   - 9 022090 исполнительный механизм для перемещения штанги с датчиком между сложенным и развернутым положением, причём исполнительный механизм выполнен с возможностью приведения его в действие посредством давления.
2. 2. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере одна штанга для датчика расположена, по существу, параллельно датчиковому блоку при нахождении узла штанг для датчиков в сложенном положении.
3. 3. Устройство по п.1, в котором исполнительный механизм содержит поршень, расположенный в цилиндре с возможностью перемещения.
4. 4. Устройство по п.3, в котором исполнительный механизм дополнительно содержит механизм для преобразования поступательного движения во вращательное, соединяющий указанную по меньшей мере одну штангу для датчика с поршнем и выполненную с возможностью поворота указанной по меньшей мере одной штанги для датчика относительно датчикового блока в ответ на перепад давления на поршне.
5. 5. Устройство по п.2, в котором датчиковый блок содержит датчики, каждый из которых содержит электрод, датчик магнитного поля, сейсмический датчик, гравитационный датчик, акселерометр и/или сейсмоприемник.
6. 6. Устройство по п.2, в котором указанный по меньшей мере один датчик, связанный с датчиковым блоком, содержит электрод или датчик магнитного поля, а указанный по меньшей мере один датчик, расположенный на указанной по меньшей мере одной штанге для датчика, содержит электрод или датчик магнитного поля.
7. 7. Устройство по п.1, в котором узел штанг для датчиков содержит штанги, на каждой из которых расположен по меньшей мере один датчик и которые формируют тетраэдр при нахождении узла штанг для датчиков в развёрнутом положении.
8. 8. Устройство по п.2, дополнительно содержащее кабель, датчиковые блоки, расположенные на расстоянии друг от друга вдоль кабеля, и узлы штанг для датчиков, соединенные с датчиковыми блоками.
9. 9. Устройство по п.8, в котором указанный по меньшей мере один датчик, связанный с каждым из датчиковых блоков, содержит пару электродов для измерения электрического поля в направлении вдоль кабеля.
10. 10. Устройство по п.8, в котором указанный по меньшей мере один датчик, связанный с каждым из датчиковых блоков, содержит электрод или датчик магнитного поля, а указанный по меньшей мере один датчик, расположенный на каждой из штанг, содержит электрод или датчик магнитного поля.
11. 11. Устройство по п.8, в котором каждый из датчиковых блоков содержит датчики, каждый из которых содержит электрод, датчик магнитного поля, сейсмический датчик, гравитационный датчик, акселерометр и/или сейсмоприемник.