EA025325B1

EA025325B1 - Способ управления группой морских сейсмических вибраторов для усиления низкочастотного выходного сигнала

Info

Publication number: EA025325B1
Application number: EA201000411A
Authority: EA
Inventors: Гийом Камбуа
Original assignee: Пгс Геофизикал Ас
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2016-12-30
Also published as: US20100254215A1; US8102731B2; AU2016203781B2; CA2698020C; EA035467B1; EA201690954A1; AU2010200988B2; CA2698020A1; AU2010200988A1; AU2016203781A1; EA201000411A1

Abstract

В изобретении способ управления морскими сейсмическими вибраторами включает буксирование, по меньшей мере, первого и второго морских сейсмических вибраторов в водоеме под корпусом судна. По меньшей мере, третий морской сейсмический вибратор буксируют в воде на выбранной глубине, отличной от глубины под корпусом судна. При работе, по меньшей мере, первого, второго и третьего вибраторов выполняют изменение частоты свип-сигнала в соответствующих диапазонах частот. Первый и второй частотный диапазоны имеют самую низкую частоту и самую высокую частоту, соответственно отличающиеся на величину выбранного диапазона частот субгармоник. Третий частотный диапазон имеет самую низкую частоту, по меньшей мере, равную самой высокой частоте первого или второго частотного диапазона, и изменяется в интересующем диапазоне сейсмических частот.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к области морских сейсмических вибраторов. Конкретнее, изобретение относится к способу управления группами таких морских вибраторов для усиления низкочастотного содержания выходного сигнала группы.

Предшествующий уровень техники

Источники сейсмических колебаний вибрационного типа, известные специалистам, возбуждают сейсмические волны в геологической среде с помощью перемещения излучающей поверхности особым образом, например патент США № 3863202, выданный Ьапйгит. В одном типе осуществления настоящего изобретения излучающая поверхность соединяется с системой управления, включающей гидравлический домкрат и регулирующий клапан, который выборочно подает гидравлическое давление с каждой стороны гидравлического домкрата. Как правило, регулирующий клапан обладает электрическим приводом. Электрические сигналы, подаваемые на регулирующий клапан, в общем случае соответствуют форме волны вибрационного сигнала, который формируется за счет движения излучающей поверхности. Для того чтобы движение излучающей поверхности эффективно взаимодействовало с землей, необходимо обеспечить наличие большой инертной массы, соединенной с гидравлическим домкратом напротив излучающей поверхности. В другом варианте осуществления диафрагма, помещенная в водоеме, перемещается таким же образом с помощью электрических или электромеханических средств.

Типовой морской вибратор проиллюстрирован и описан в патенте США № 3349367, выданном А18018ку. В состав таких вибраторов входит акустический излучатель, управляемый гидравлическим домкратом. Гидравлические давления получают от поверхностного источника и подают с помощью шлангов высокого давления на гидравлический домкрат, регулируемый сервоклапаном, вызывая движение акустического излучателя в заданном диапазоне частот. Вибратор программируется управляющими сигналами для генерирования энергии в сейсмической полосе частот от 10 до 190 Гц. В ходе выполнения операций происходит качание выходного сигнала вибратора (изменение частоты свип-сигнала) через указанный выше диапазон частот с разверткой вверх или вниз. Инертная масса для вибратора обеспечивается корпусной конструкцией, вмещающей гидравлический домкрат и акустический излучатель. В соответствии с этим, корпус, такой как показан на фиг. 5 в патенте '367, выданный А18018ку. будет создавать вибрации на той же частоте, что и акустический излучатель, и эти вибрации будут передаваться на любую конструкцию, смонтированную на корпусе, например на конструкцию, используемую для соединения морского вибратора с опорными и буксировочными устройствами, а также с любым оборудованием, смонтированным вблизи от вибратора. Еще один морской вибратор описан в патенте США № 4635747, выданном Вий, §г. и др.

Конкретное ограничение на вибрационные сейсмические источники, известные специалистам, связано с генерацией низкочастотных сейсмических волн, как правило, с частотой меньшей 8 Гц. Для таких низких частот инертная масса или диафрагма должны быть относительно большими, при этом количество движения, которое необходимо передать излучающей поверхности, также относительно велико. Управлять таким движением, чтобы оно точно соответствовало электрическому управляющему сигналу, также оказалось сложно.

Соответственно сохраняется потребность в системах морских сейсмических вибраторов, обеспечивающих достаточную энергию волн в низкочастотном диапазоне для сейсморазведки.

Сущность изобретения

Способ управления морскими сейсмическими вибраторами в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения включает буксирование, по меньшей мере, первого и второго морских сейсмических вибраторов в водоеме под корпусом судна. По меньшей мере, третий морской сейсмический вибратор буксируют в воде на выбранной глубине, отличной от глубины под корпусом судна. При работе, по меньшей мере, первого, второго и третьего вибраторов выполняют изменение частоты свип-сигнала в соответствующих частотных диапазонах. Первый и второй частотные диапазоны имеют самые низкие частоты и самые высокие частоты, соответственно отличающиеся на выбранный диапазон частот субгармоник. Третий частотный диапазон имеет самую низкую частоту, по меньшей мере, равную самой высокой частоте первого или второго частотного диапазона, и изменяется в интересующем диапазоне сейсмических частот.

Способ сейсморазведки в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения включает буксирование, по меньшей мере, первого и второго морских сейсмических вибраторов в водоеме под корпусом судна. По меньшей мере, третий морской сейсмический вибратор буксируют в воде на выбранной глубине, отличной от глубины под корпусом судна. По меньшей мере одна сейсмоприемная коса буксируется в воде. При работе, по меньшей мере, каждого из первого, второго и третьего вибраторов выполняют изменение частоты свип-сигнала в соответствующих частотных диапазонах. Первый и второй частотные диапазоны имеют самые низкие частоты и самые высокие частоты, соответственно отличающиеся на величину выбранного диапазона частот субгармоник. Третий частотный диапазон имеет самую низкую частоту, по меньшей мере, равную самой высокой частоте первого или второго частотного диапазона, и изменяется в интересующем диапазоне сейсмических частот. Регистрируют сигналы, формируемые датчиками по меньшей мере в одной сейсмоприемной косе в ответ на управление вибраторами.

- 1 025325

Прочие особенности и преимущества настоящего изобретения будут ясны из нижеследующего описания и прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

На чертеже показан пример расположения сейсмических вибраторов согласно настоящему изобретению и сопутствующая система сбора сейсмических данных.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Акустический источник, излучающий волны на частоте ίί, излучает также гармонические частоты 2ί1, 3ί1... в связи с нелинейным поведением компонентов акустического источника. Два акустических источника, пространственно близких друг к другу и излучающих волны на частотах ί и ί₂ соответственно, будут в результате формировать также частоты ί1+£₂ и |ί1-ί₂|. Для настоящего изобретения представляет интерес именно последняя частота, именуемая разностной. Если предположить, например, что два упомянутых выше источника генерируют волны с частотой 10 и 12 Гц, комбинация двух этих источников приведет к образованию разностной волны с частотой 2 Гц, распространяющейся в среде, с которой взаимодействуют источники. Такое расположение называется параметрической группой.

В теории параметрических групп формулируются два существенных положения. Согласно первому из них амплитуда на разностной частоте |ί1-ί₂| затухает со скоростью 12 дБ/октава по сравнению с амплитудой основных частот. Согласно второму, рабочая зона (зона Френеля) разностной частоты, по существу, та же, что у основных частот. В описанном выше примере амплитуда на разностной частоте 2 Гц была бы приблизительно на 30 дБ ниже, чем амплитуда волн, излучаемых с частотой 10 и 12 Гц в любой точке пространства. Однако зона Френеля составляла бы порядка 125-150 м вместо 750 м, ожидаемых при распространении волны с частотой 2 Гц в воде.

Морские вибраторы, излучающие волны в диапазоне от 10 до 12 Гц, как в данном примере, должны идеально буксироваться в воде на глубине 30 м, используя увеличение амплитуды отраженной от поверхности волны-спутника (волна, отраженная от поверхности воды на границе вода-воздух, после ее излучения источником). Однако на такой глубине волна на разностной частоте 2 Гц будет сильно ослаблена волной-спутником, что приведет к ее затуханию еще на 12 сверх 30 дБ, указанных выше со ссылкой на теорию параметрических групп.

Чтобы преодолеть указанную выше трудность, можно расположить вибраторы под корпусом судна, используемого для буксирования вибраторов в водоеме. Причина состоит в том, что для типового судна со стальным корпусом граница сталь-вода обладает положительным коэффициентом отражения, тогда как граница вода-воздух имеет отрицательный коэффициент отражения. Следовательно, волна-спутник, являющаяся результатом отражения акустической волны от стального корпуса, усиливает низкочастотную акустическую волну, а не ослабляет ее. У обычных вибраторов при очень низких частотах такой метод позиционирования вибраторов под корпусом судна не был успешным, поскольку зона Френеля низкочастотной волны, как правило, больше, чем судно. Вследствие этого излучаемая волна формирует волну-спутник, имеющую большую площадь ниже границы вода-воздух по сравнению с площадью границы сталь-вода. Таким образом, волна-спутник будет в большей степени обусловлена границей водавоздух, чем границей сталь-вода, тем самым, ослабляя низкие частоты, а не усиливая их.

Однако в случае параметрической группы зона Френеля волны на разностной частоте, по существу, такая же, как у волны основной частоты. Это означает, что описанная выше разностная частота 2 Гц имеет зону Френеля размером приблизительно 125-150 м, которая намного ближе к фактическому размеру судна.

Объяснив базовые принципы параметрических групп, пример группы сейсмических вибраторов и морской системы сбора сейсмических данных можно объяснить со ссылкой на чертеже. Морское сейсморазведочное судно 10 движется по поверхности 20А водоема 20, например озера или океана. Судно 18 может везти оборудование (обозначенное в целом позицией 12 и для удобства называемое записывающей системой), которое может включать компоненты (не показанные отдельно), такие как навигационные приборы для определения геодезического положения судна 10, устройства для активирования сейсмических вибраторов (объясняемых ниже) в воде 20 в выбранные моменты времени и в выбранных режимах, и устройства для записи сигналов, формируемых датчиками (объясняемыми ниже) в одном или нескольких кабелях датчиков 18, именуемых сейсмоприемными косами, которые буксирует судно 10 или другое судно (не показано).

В данном примере высокочастотные морские сейсмические вибраторы (например, возбуждающие акустические волны в диапазоне, как правило, от 25 Гц до выбранной частоты в диапазоне сейсмических частот, представляющих интерес, в основном, от 100 до 200 Гц), показанные позициями 14Ά-14Ό, могут буксироваться первым кабелем возбуждения 14 за судном 10 на выбранной глубине, например 15 м или меньше, чтобы получить преимущество за счет волны-спутника, возникающей на границе вода-воздух (поверхность 20А). Низкочастотные морские сейсмические вибраторы 16А, 16В могут буксироваться вторым кабелем возбуждения таким образом, чтобы использовать волну-спутник, возникающую на границе сталь-вода. Низкочастотный(-е) вибратор(ы) 16А могут включать один вибратор или ряд таких вибраторов, работающих, как правило, в диапазоне 12-25 Гц. Низкочастотные вибраторы могут включать один или несколько вибраторов, показанных позицией 16В, одновременно работающих, как правило, в

- 2 025325 диапазоне 10-15 Гц. Как правило, каждый из вибраторов будет применяться для формирования свипсигнала от одного края частотного диапазона до другого, именуемого ЛЧМ-сигналом, при каждой активации каждого вибратора. В приведенном выше примере низкочастотные вибраторы 16А, 16В могут формировать свип-сигнал в описанных частотных диапазонах 12-25 и 10-15 Гц соответственно. Если свип-сигналы соответствующих вибраторов синхронизированы надлежащим образом, для каждого из этих свип-сигналов будет генерироваться разностный свип-сигнал в диапазоне 2-10 Гц. Размер зоны Френеля такого разностного свип-сигнала может изменяться от 60 до 150 м. В одном примере частоты свип-сигнала низкочастотных вибраторов могут быть выбраны таким образом, чтобы зона Френеля разностной сейсмической волны имела площадь, наиболее близкую к площади корпуса судна 10. Вибраторы 16А, 16В под корпусом судна показаны буксируемыми кабелем, но они могут быть также надлежащим образом прикреплены в неподвижном положении к корпусу судна 10. Находящиеся ниже корпуса вибраторы предпочтительно расположены на глубине, близкой к корпусу, или прикреплены к корпусу судна 10.

Одновременно с работой подкорпусных вибраторов 16А, 16В, описанных выше, вибраторы 14А14Ό, расположенные позади судна, могут использоваться для изменения частоты свип-сигнала в соответствующих частотных диапазонах для каждой активации вибраторов.

Неограничивающие примеры морских сейсмических вибраторов проиллюстрированы и описаны в патенте США № 3349367, выданном ΧίκοΙκΚν. и патенте США № 4635747, выданном Вий, §г. и др. Исполнение морского вибратора не ограничивает объем настоящего изобретения.

Сейсмические волны, излучаемые вибраторами, управляемыми так, как описано выше, распространяются во внешнем направлении от каждого вибратора и проходят через подошву водного слоя 22 в геологические формации, расположенные ниже подошвы. Сейсмические волны отражаются от границ акустических импедансов (не показаны) ниже подошвы водного слоя 22 и распространяются в верхнем направлении до регистрации сейсмическими датчиками 18Α-18Ό на сейсмоприемной косе 18. Записывающая система 12 позволяет выполнять записи сигналов, генерируемых датчиками 18Α-18Ό, как правило, индексированные по времени относительно активации вибраторов. Датчики 18Α-18Ό могут представлять собой любое известное устройство, используемое в сейсмоприемной косе для регистрации сейсмических волн, включая датчики, реагирующий на давление или временной градиент давления, датчики, реагирующие на движение частиц, или их комбинацию. Тип датчика не ограничивает объем настоящего изобретения. Неограничивающий пример сейсмоприемной косы, которая может использоваться с настоящим изобретением, описан в патенте США № 7239557, выданном ТеидЬаши и переуступленном афилированному лицу владельца настоящего изобретения.

Воздействие волны-спутника источника на волны давления заключается в умножении амплитуд волн на некоторых частотах в выходном сигнале источника на ноль, тогда как другие амплитуды волн умножаются на 2. Частоты, на которых амплитуды волн умножают на 2, могут рассчитываться с помощью выражения (У/4й)х(2и+1), где V представляет собой акустическую скорость в воде (около 1500 м/с), а й является глубиной источника (например, вибратора) в воде. В приведенном выше выражении η является целым числом. В качестве примера для источника, работающего на глубине 15 м, умножается на 2 амплитуда волн на частотах 25, 75, 125 Гц и так далее. Если один из вибраторов (например, любой с 14А по 14Ό) формирует свип-сигнал в частотном диапазоне 25-75 Гц, оптимальной будет та глубина, при которой умножается на 2 амплитуда средней частоты диапазона свип-сигнала (качания частоты) (т.е. 50 Гц). Следовательно, в этом случае оптимальная глубина составляет 7,5 м. Рабочие глубины и частотные диапазоны свип-сигналов групп вибраторов (14Λ-14Ό) можно оптимизировать с целью максимального увеличения общего выходного сигнала.

Способы управления вибраторами согласно настоящему изобретению могут обеспечить более эффективное использование морских вибраторов за счет увеличения энергии выходного сигнала на низких частотах, чем достигается при использовании методов, известных специалистам до появления настоящего изобретения.

Хотя настоящее изобретение описано с использованием ограниченного числа вариантов осуществления, специалисты, воспользовавшись раскрытым здесь изобретением, смогут вывести из настоящего описания другие варианты осуществления, не отступающие от объема раскрытого здесь изобретения. Соответственно объем настоящего изобретения ограничивается только прилагаемой формулой изобретения.

Claims

формула изобретения

1. Способ сейсморазведки, включающий следующие шаги:

буксирование, по меньшей мере, первого и второго морских сейсмических вибраторов в водоеме под корпусом судна;

буксирование, по меньшей мере, третьего морского сейсмического вибратора в воде на выбранной глубине в положении, отличном от положения под корпусом судна;

буксирование в воде по меньшей мере одной сейсмоприемной косы;

управление, по меньшей мере, первым, вторым и третьим вибраторами путем изменения частоты свип-сигнала в соответствующих частотных диапазонах, причем соответствующие первый и второй частотные диапазоны имеют самые низкие частоты и самые высокие частоты, соответственно отличающиеся друг от друга таким образом, что зона Френеля сейсмической волны, сгенерированной на частоте, представляющей собой разность между частотой первого вибратора и частотой второго вибратора, имеет площадь, по большей мере равную площади корпуса судна, при этом нижняя граничная частота третьего частотного диапазона равна или больше либо максимальной частоте первого частотного диапазона, либо максимальной частоте второго частотного диапазона, и третий частотный диапазон изменяется в интересующем диапазоне сейсмических частот, причем указанное изменение частоты свип-сигнала осуществляют, начиная либо с самой низкой частоты в пределах соответствующего диапазона, либо с самой высокой частоты в пределах соответствующего диапазона, путем изменения частоты до тех пор, пока не будет достигнута другая частота из указанных самой низкой частоты и самой высокой частоты в пределах соответствующего диапазона;

регистрация сигналов, формируемых датчиками по меньшей мере в одной сейсмоприемной косе в ответ на управление вибраторами.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый частотный диапазон составляет от 10 до 15 Гц.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что второй частотный диапазон составляет от 12 до 25 Гц.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что третий частотный диапазон составляет от 25 до 200 Гц.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый и второй частотные диапазоны выбирают таким образом, что первая зона Френеля для сейсмической волны на разностной частоте имеет площадь, по существу, перекрываемую корпусом судна.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что глубину выбирают из условия оптимизации выходного сигнала соответствующего вибратора в средней точке соответствующего частотного диапазона.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что он содержит этап, на котором буксируют в воде каждый из первого, второго и третьего вибраторов на соответствующей глубине, причем глубина размещения каждого вибратора является глубиной, на которой имеет место увеличение амплитуды волн на средней частоте из соответствующего частотного диапазона в два раза.