ES2961232T3

ES2961232T3 - Control operativo en una fuente sísmica

Info

Publication number: ES2961232T3
Application number: ES15704629T
Authority: ES
Inventors: Joseph Anthony Dellinger; Mark Francis Lucien Harper
Original assignee: BP Corp North America Inc
Current assignee: BP Corp North America Inc
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2024-03-11
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: AU2015209432B2; EA201592069A1; MX2015016487A; EP3097437B1; DK3097437T3; BR112015030006A2; AU2015209432A1; US10139512B2; BR112015030006B1; MX361623B; US20150204992A1; EP3097437A1; CA2914067A1; CA2914067C; WO2015112622A1; EA038297B1

Abstract

Un método para controlar la trayectoria en una fuente sísmica marina resonante comprende: controlar la frecuencia de la fuente y controlar la trayectoria del movimiento. Controlar la frecuencia de la fuente incluye: estimar la frecuencia de la fuente a partir de su estado interno y el estado de su entorno; derivar un error de frecuencia como la diferencia entre la frecuencia estimada y la frecuencia de la trayectoria deseada; y llevar el error de frecuencia a cero. Controlar la trayectoria de movimiento incluye: detectar una trayectoria de movimiento de la fuente; derivar un error de trayectoria de movimiento como la diferencia entre la trayectoria de movimiento deseada y la trayectoria de movimiento detectada; y llevar el error de trayectoria de movimiento a cero. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Control operativo en una fuente sísmica

[0001] Por la presente se reivindica la prioridad de la solicitud de EE.UU. n.° de serie 61/929.656, titulada "Operational Control in a Seismic Source", y presentada el 21 de enero de 2014, a nombre de los inventores Mark Francis Lucien Harper y Joseph Anthony Dellinger.

Campo de la invención

[0002] La presente invención se refiere a fuentes sísmicas marinas y, en particular, a una estrategia de control para una fuente sísmica resonante de frecuencia controlada que emplea un oscilador mecánico.

Antecedentes de la invención

[0003] La prospección sísmica consiste en estudiar las formaciones subterráneas a partir de la reflexión de las ondas acústicas en dichas formaciones. Esto incluye la introducción de ondas acústicas en un entorno natural para que penetren en la tierra y se desplacen por las formaciones geológicas subterráneas de interés. Durante su recorrido por las formaciones, algunas de sus características reflejan las ondas hacia la superficie, donde quedan registradas. A continuación, se estudian los reflejos registrados para obtener información sobre esas formaciones.

[0004] Un tipo de prospección sísmica es la prospección sísmica "marina". El término "marítimo" solo indica que la prospección se realiza en o sobre el agua. No implica necesariamente que la prospección se realice en un entorno de agua salada. Aunque una prospección sísmica marina puede realizarse en un entorno de agua salada, como el océano, también puede realizarse en aguas salobres, como las que se encuentran en bahías, estuarios y pantanos de marea. Incluso pueden realizarse en aguas totalmente dulces como las que se encuentran en lagos, pantanos y ciénagas.

[0005] Hay muchos tipos de fuentes sísmicas cuyos diseños suelen estar, hasta cierto punto, adaptados al entorno en el que se pretende utilizarlas. Las prospecciones sísmicas marinas se realizan con frecuencia utilizando lo que se denomina una fuente de "barrido". El término "barrido" procede del funcionamiento de dichas fuentes, en el cual "barren" una banda de frecuencias durante la transmisión de la señal sísmica.

[0006] Un avance reciente en la prospección sísmica marina es la adquisición de datos "zumbantes", es decir, datos de una señal generada a partir de una fuente "zumbante". "Zumbar" es utilizar una fuente de frecuencia controlada no impulsiva que genera prácticamente toda su energía en una sola frecuencia. Debido a limitaciones prácticas de estabilidad, la fuente puede realizar una deriva controlada o no controlada dentro de un estrecho rango de frecuencias, que normalmente se mantiene dentro de más o menos una décima de octava alrededor de la frecuencia nominal. Esto a veces se denomina "monocromático" o "casi monocromático", por ejemplo en la solicitud de EE.UU. n.° de serie 13/327.524.

[0007] La adquisición de zumbidos puede producirse de varias formas diferentes. Por ejemplo, el zumbido escalonado es una adquisición secuencial de zumbidos en la que una única fuente recorre un conjunto de dos o más frecuencias discretas, de una en una. El tiempo empleado en pasar de una frecuencia a otra debe ser muy pequeño en comparación con el tiempo empleado en cada frecuencia. Otro ejemplo, el zumbido de acordes, es la adquisición en la que una o más fuentes zumban simultáneamente a frecuencias distintas y discretas. Encontrará más información en la solicitud de EE.UU. n.° de serie 13/327.524.

[0008] Otro avance relativamente reciente en la adquisición sísmica es la adquisición de "baja frecuencia". La prospección sísmica ha utilizado históricamente frecuencias en el rango de 10-250 Hz para las señales sísmicas debido a su idoneidad en vista de los desafíos técnicos inherentes a la prospección sísmica. El término "bajas frecuencias" se entiende, dentro de este contexto histórico, como frecuencias por debajo de las cuales obtener una relación señal/ruido suficiente con fuentes convencionales se vuelve rápidamente más difícil a medida que disminuye la frecuencia (es decir, por debajo de unos 6-8 Hz).

[0009] Un ejemplo de una fuente de baja frecuencia que puede barrer, o zumbar, o tanto barrer como zumbar, a baja frecuencia se desvela y reivindica en la Solicitud de Patente de EE.UU. n.° de serie 12/995.763, presentada el 17 de junio de 2009. Esta fuente concreta consiste en un resonador mecánico sintonizable que, junto con su sistema de control, constituye un oscilador autoexcitado. El sistema de control detecta la velocidad del pistón radiante y aplica una fuerza de accionamiento en la misma dirección que la velocidad detectada, haciendo que el sistema oscile a su frecuencia natural o cerca de ella. Esa frecuencia se controla variando la rigidez de un resorte de gas, de modo que el sistema puede oscilar a una sola frecuencia elegida (es decir, "zumbido") o en una banda continua de frecuencias a un ritmo determinado (es decir, "barrido"). Encontrará más información en la solicitud de EE.UU. n.° de serie 12/995.763.

[0010] Sin embargo, un problema de las fuentes de baja frecuencia es que la frecuencia introduce problemas que las frecuencias sísmicas típicas convencionales no plantean. Una forma de resolver estos problemas es mediante un control exacto y preciso del funcionamiento de la fuente. Por ejemplo, un tipo de control se conoce como control de estabilidad de frecuencia, en el que se controla el funcionamiento de la fuente para ayudar a estabilizar la frecuencia a la que emite las señales sísmicas.

[0011] La solicitud de patente estadounidense n.° 12/980.527 (US2011162906) desvela una fuente sísmica marina de pistón oscilante con un sistema de control que permite ajustar la frecuencia. La fuente comprende un solenoide que incluye un sensor de posición y permite así al sistema de control medir y detectar la posición axial de un pistón de compresión. La solicitud desvela que se puede conseguir la aplicación de una fuerza dependiente de la velocidad utilizando un sistema de retroalimentación simple desde el sensor de posición para ajustar la posición del pistón.

[0012] Las fuentes sísmicas, como las presentadas en las solicitudes mencionadas, son adecuadas para el fin previsto. Sin embargo, la técnica es siempre susceptible de mejoras o enfoques, procedimientos y configuraciones alternativos. Por lo tanto, la fuente sísmica descrita en el presente documento será bien acogida por la técnica.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

[0013] Los dibujos adjuntos, que se incorporan y constituyen una parte de esta memoria descriptiva, ilustran realizaciones de la descripción y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención. En las Figuras:

La Figura 1 muestra una fuente sísmica marina resonante con la que se puede emplear la técnica de control descrita.

La Figura 2 ilustra un sistema de control particular, mediante el cual la fuente sísmica marina de la Figura 1 se puede controlar de acuerdo con la técnica de control de trayectoria actualmente desvelada.

La Figura 3 representa conceptualmente una prospección sísmica marina ejemplar en el que se utiliza la fuente sísmica marina de las Figuras 1 y 2.

La Figura 4 ilustra cómo la fuente de la Figura 1 es controlada por el sistema de control de la Figura 2 para estabilizar la frecuencia de la fuente durante la adquisición.

La Figura 5 ilustra un ejemplo de lógica de funcionamiento para una parte de la estabilización de frecuencia. Las Figuras 6A y 6B ilustran el procedimiento de control de trayectoria de la presente divulgación.

La Figura 7 ilustra un circuito equivalente de un resonador mecánico de un solo grado de libertad representativo de una fuente sísmica marina resonante de baja frecuencia.

La Figura 8 es un gráfico de la fuerza necesaria para controlar la trayectoria de una fuente resonante.

La Figura 9 muestra gráficos de fuerza frente a desplazamiento para un oscilador armónico simple antes y después de la estabilización de frecuencia.

La Figura 10 muestra el funcionamiento del procedimiento de control de trayectoria y del procedimiento de estabilización de frecuencia para el oscilador armónico simple de la Figura 9.

DESCRIPCIÓN DE LAS REALIZACIONES

[0014] A continuación, se hará referencia en detalle a la presente realización o realizaciones (realizaciones ilustrativas) de la invención, uno de cuyos ejemplos se ilustran en los dibujos adjuntos. Siempre que sea posible, la misma referencia numérica se usará a través de los dibujos para hacer referencia a las mismas piezas o a piezas similares.

[0015] La técnica de control de trayectoria desvelada actualmente es una estrategia de control para una fuente sísmica marina resonante de frecuencia controlada que emplea un resonador mecánico. Dado que la fuente sísmica marina es "resonante", tenderá a oscilar de forma natural a su frecuencia de resonancia. La fuente sísmica marina incluye un solenoide de excitación que inyecta energía en esta oscilación para ayudar a superar, por ejemplo, las pérdidas por fricción y radiación. También incluye un solenoide, o solenoides, que controlan la frecuencia de su resonancia, en lo sucesivo denominada técnica de control de frecuencia. Sin embargo, la amplitud y la frecuencia de la salida acústica de la fuente sísmica marina pueden variar de forma no intencionada debido tanto a cambios en el entorno, como la presión hidrostática, como a cambios en el estado interno de la fuente, como su temperatura interna. Esta variación involuntaria puede ser perjudicial para determinados tipos de prospecciones sísmicas.

[0016] En consecuencia, la técnica de control de trayectoria desvelada actualmente aplica el control de trayectoria para mantener la amplitud y la frecuencia de la salida acústica de la fuente sísmica marina muy cerca de sus valores objetivo. En este contexto, el "control de trayectoria" controla el movimiento de un oscilador mecánico para que siga una trayectoria deseada a lo largo del tiempo. "Trayectoria" significa en este caso el movimiento preciso de la pieza o piezas móviles del oscilador. Por "movimiento" se entiende la posición, o la velocidad, o la aceleración de las piezas según lo que sea más conveniente detectar y controlar en una serie de condiciones.

[0017] Estas condiciones pueden variar en función de la aplicación y, por tanto, serán específicas de cada una de ellas. Por ejemplo, el movimiento controlado debe ser susceptible de detección y control a pesar de influencias ambientales imprevistas, variables en el tiempo y perturbadoras que puedan afectar tanto a la amplitud como a la frecuencia del oscilador. O bien, el movimiento debe ser susceptible de detección y control cuando la amplitud y la frecuencia que caracterizan la trayectoria deseada puedan variar con el tiempo; o cuando las técnicas disponibles para controlar el oscilador consisten en un mecanismo para variar su frecuencia y una fuerza excitadora independiente aplicada directamente a las piezas móviles para excitar su movimiento; o cuando la fuerza excitadora es pequeña en comparación con las fuerzas alternas que suelen intervenir en el oscilador, el excitador puede influir, pero no determinar totalmente, el movimiento del oscilador. Otras condiciones pueden resultar evidentes para los expertos en la materia que se beneficien de la presente divulgación.

[0018] El procedimiento de control de trayectoria comprende dos bucles de retroalimentación. El primer bucle de retroalimentación estima la frecuencia natural del oscilador, obtiene un error de frecuencia como la diferencia entre la frecuencia estimada y la frecuencia de la trayectoria deseada, y utiliza el mecanismo de control de frecuencia para intentar llevar la señal de error a cero de la manera bien conocida por los versados en materia de ingeniería de control.

[0019] El segundo bucle de retroalimentación detecta la trayectoria de movimiento del oscilador, deriva una señal de error de la diferencia entre las trayectorias deseada y detectada, y aplica una fuerza de control a través del excitador que intenta llevar la señal de error a cero de la manera bien conocida por los versados en materia de ingeniería de control.

[0020] Volviendo a la oscilación de la fuente sísmica marina, puede ser no lineal o lineal. Si la oscilación es no lineal y la trayectoria deseada es la de un oscilador lineal, la técnica de control puede tener el efecto de linealizar el comportamiento de la oscilación. En las realizaciones ilustradas se trata también de un resonador de alto coeficiente Q, que es un resonador en el que se requiere una cantidad mínima de energía introducida para mantener la oscilación (por ejemplo, la impedancia resistiva en el resonador, debida a la fricción, la viscosidad, etc., es mucho menor que la impedancia de la rigidez del resorte a la frecuencia de resonancia).

[0021] En el documento U.S. 12/995.763 se desvela y reivindica una fuente sísmica marina adecuada con la que puede utilizarse la técnica de control descrita. Para ilustrar mejor y promover la comprensión de la técnica de control de trayectoria desvelada, la presente divulgación analizará ahora su aplicación a esta fuente sísmica marina en particular. En el documento U.S. 12/995.763 se puede encontrar una descripción completa de su construcción y funcionamiento, y en el presente documento se reproducen algunas partes modificadas para reflejar la implementación de la presente técnica de control de trayectoria, así como un control de estabilización de frecuencia.

[0022] Volviendo ahora a la Figura 1, la fuente sísmica marina 100 es una fuente resonante, de baja frecuencia y alto coeficiente Q. Esta fuente concreta puede utilizarse tanto en adquisición por barrido como por zumbido. Incluye un pistón radiante 105 del orden de unos pocos metros de diámetro respaldado por un resorte de gas variable 165 que contiene espacios de resorte de gas 110a, 110b cada uno con una masa fija de gas. La frecuencia de resonancia de la fuente está controlada por la relación entre la masa del conjunto móvil 105, 125, 130, 120b (incluida la masa del fluido 115, típicamente agua de mar, arrastrada en el movimiento del pistón 105) y la rigidez combinada del resorte de gas variable 165 y el gas contenido dentro de la carcasa 170. La presión del gas en el resorte se mantiene a niveles para los que la frecuencia natural del pistón 105 cargado por el fluido 115 se encuentra en la banda sísmica y puede ser tan baja como 0,5 Hz.

[0023] El pistón 105 recibe un desplazamiento inicial y comienza a oscilar. Sus oscilaciones son sostenidas por un solenoide 240 (mostrado en la Figura 2), compuesto por una bobina de motor lineal eléctrico 120a, una varilla magnética 120b y un sensor de posición 255 (también mostrado en la Figura 2). La señal de accionamiento del solenoide 240 se obtiene de la velocidad del pistón 125 a través de un sensor de velocidad o de desplazamiento de acuerdo con la presente técnica de control. La fuente sísmica marina 100 barre su frecuencia comprimiendo gradualmente el gas en los espacios del resorte de gas 110a, 110b de modo que el resorte de gas variable 165 se vuelve más rígido. La rigidez aumenta tanto por el aumento de la presión como por la reducción de la longitud de los espacios del resorte de gas 110a, 110b. Este doble efecto permite producir grandes cambios de rigidez y, por tanto, que la fuente sísmica marina 100 funcione en un mínimo de tres octavas de frecuencia.

[0024] Más concretamente, la fuente sísmica marina 100 de la Figura 1 está sumergida en el agua 115. Un pistón radiante 105, del orden de unos pocos metros de diámetro, está fijado a un árbol 125 que es libre de moverse verticalmente. Detrás del pistón radiante 105, un pistón secundario 130 también está fijado al árbol 125 y divide el gas dentro del cilindro del resorte de gas 133 en dos volúmenes 110a, 110b. El extremo superior del espacio 110a está cerrado por un pistón terciario 132 unido a un yugo 140.

[0025] El yugo 140 está a su vez unido a un solenoide lineal 145, que presenta una impedancia mecánica muy elevada en comparación con la impedancia mecánica del resorte de gas 110a, 110b. El solenoide 145 incorpora un sensor de posición (no mostrado) que permite a un sistema de control medir la posición del solenoide 145 en cualquier momento y enrigidecer su movimiento utilizando retroalimentación activa de una manera bien conocida por los versados en materia de sistemas de control industrial. La posición del pistón terciario 132 será controlada por el solenoide 145 y, debido a la rigidez activa, no se verá afectada por los cambios de presión en el volumen del resorte de gas 110a resultantes de las oscilaciones del pistón radiante 105.

[0026] El solenoide 145 es accionado por un motor eléctrico 150 a través de una banda de transmisión 155. Dentro del yugo 140 y apoyada en él se encuentra una bobina de motor lineal eléctrico 120a. Una varilla magnética 120b es guiada a través de la bobina 120a por cojinetes lisos (no mostrados) y está unida al extremo superior del árbol 125. Se puede utilizar un motor lineal eléctrico porque tiene baja impedancia mecánica y, por lo tanto, no limita ni impide el movimiento del conjunto móvil 105, 125, 130, 120b. El motor lineal incorpora un sensor de posición (no mostrado) que permite a un sistema de control medir la posición relativa de la varilla 120b y la bobina 120a del solenoide, en cualquier momento, de una manera bien conocida por los versados en materia de sistemas de control industrial.

[0027] La Figura 2 ilustra un sistema de control particular 200 mediante el cual la fuente sísmica marina de la Figura 1 se puede controlar de acuerdo con la técnica de control de trayectoria actualmente desvelada. Un controlador maestro 205 se comunica con dos servocontroladores de un solo eje 211, 210 a través de enlaces de comunicaciones en serie 215, 220. También se comunica con el almacenamiento 222 a través de un enlace de comunicaciones 208 como se describe a continuación.

[0028] El servocontrolador 211 controla el solenoide de alta impedancia 225 compuesto por el solenoide 145, el motor 150 y la banda de transmisión 155, a través de las líneas de transmisión del motor 230. La extensión del solenoide 145 se retroalimenta desde un sensor interno 245 (por ejemplo, un codificador de árbol en su motor 150) al servocontrolador 211 a través del cable de retroalimentación 252. Asimismo, el servocontrolador 210 controla el solenoide de baja impedancia 240, compuesto parcialmente por la bobina 120a y la varilla 120b, a través de las líneas de transmisión del motor 250. La posición del pistón radiante 105 se transmite al servocontrolador 210 desde un sensor de posición 255 acoplado al pistón radiante 105, que puede ser, por ejemplo, un transformador diferencial variable lineal.

[0029] El controlador maestro 205 se utiliza para descargar los programas de control 260, 265 a los servocontroladores 211, 210. El programa 260 descargado en el servocontrolador 211, cuando se inicia, puede hacer que el solenoide de alta impedancia 225 ejecute una extensión deseada que puede consistir, por ejemplo, en una breve fase inicial de alta aceleración, una fase de extensión a velocidad constante, una breve fase posterior de deceleración en la que el solenoide 225 se pone en reposo, un retardo que puede ser, por ejemplo, de diez segundos de duración, y una fase de retorno al inicio en la que la extensión del solenoide vuelve a su valor inicial y el programa termina su ejecución. El intervalo de tiempo total entre la iniciación y el retorno al valor inicial de extensión puede ser fijo y puede denominarse T.

[0030] El programa 265 descargado en el servocontrolador 210, cuando se inicia, puede hacer que el solenoide de baja impedancia 240 suministre una fuerza impulsiva inicial al vástago del pistón 125 y, a continuación, puede monitorizar el movimiento del pistón radiante 105 a través del sensor 255 y hacer que el solenoide 240 aplique un nivel fijo de fuerza en la dirección del movimiento, efectuando así el control "bang-bang" de una manera bien conocida por los versados en materia de diseño de sistemas de control. La fuerza puede entonces reducirse a cero y el programa 265 puede terminar después de un intervalo de tiempo después de la iniciación también igual a T.

[0031] En funcionamiento normal, el controlador maestro 205 puede hacer que los programas 260, 265 descargados en los controladores 211, 210 comiencen a ejecutarse simultáneamente. El efecto combinado será entonces hacer que el sistema ejecute un barrido de frecuencia como se ha descrito anteriormente.

[0032] El controlador maestro 205 también implementa la técnica de control descrita en el presente documento de acuerdo con la aplicación 270 que reside en el almacenamiento 222. Además de enviar señales de control al solenoide de alta impedancia 225 y al solenoide de baja impedancia 240, también recibe retroalimentación de ellos a través de los enlaces 215, 220. El controlador maestro 205 actúa sobre esta retroalimentación y de acuerdo con el programa de la aplicación 270 controla la trayectoria del pistón como se describe más adelante.

[0033] El sistema de control 200 está situado sobre o dentro de la fuente sísmica 100 de la Figura 1 en la realización ilustrada. Sin embargo, esto no es necesario para la práctica de la técnica de control desvelada en el presente documento. Los expertos en la materia, con el beneficio de esta divulgación, apreciarán que algunas partes del sistema de control 200 podrían estar ubicadas en otro lugar. Por ejemplo, en realizaciones alternativas, podría estar situado en el buque remolcador y las señales podrían ser transmitidas de ida y vuelta a través de un umbilical.

[0034] Los expertos en la materia, con el beneficio de esta divulgación, también apreciarán que el aspecto de la técnica de control de trayectoria actualmente desvelada descrita anteriormente es implementada por ordenador. La Figura 2 representa conceptualmente partes seleccionadas de la arquitectura de hardware y software del sistema de control 200 que son pertinentes para la implementación de la técnica de control desvelada en el presente documento. La técnica de control de trayectoria desvelada admite una amplia latitud en la implementación de estas partes y el sistema de control 200 puede incluir software y hardware no desvelados en el presente documento.

[0035] Por ejemplo, el controlador maestro 205 puede ser cualquier procesador electrónico o conjunto de procesadores electrónicos adecuados conocidos en la técnica. Los expertos en la materia apreciarán que algunos tipos de procesadores electrónicos serán preferidos en varias realizaciones dependiendo de detalles específicos de implementación conocidos. Factores como la potencia de procesamiento, la velocidad, el coste y el consumo de energía suelen encontrarse en el proceso de diseño y serán muy específicos de cada aplicación. Debido a su ubicuidad en la técnica, los expertos en la materia que tengan el beneficio de esta divulgación conciliarán fácilmente dichos factores.

[0036] Los expertos en la materia, con el beneficio de esta divulgación, por lo tanto, apreciarán que el controlador maestro 205 puede ser teóricamente un microcontrolador electrónico, un controlador electrónico, un microprocesador electrónico, un conjunto de procesadores electrónicos, o un circuito integrado de aplicación específica ("ASIC") o una matriz de puertas programables de campo ("FPGA"). Algunas realizaciones pueden incluso utilizar alguna combinación de estos tipos de procesadores.

[0037] El almacenamiento 222 puede incluir un disco duro y/o memoria de acceso aleatorio ("RAM") y/o almacenamiento extraíble. El almacenamiento 222 está codificado con una serie de componentes de software, incluidos los programas 260, 265 y la aplicación 270. También puede codificarse con otro software no mostrado. Por ejemplo, puede incluir software de prueba para que la fuente sísmica marina 100 pueda ser interrogada y sus ajustes probados antes o durante el despliegue. Otros tipos de software, como un sistema operativo, que no se muestran, también pueden residir en el almacenamiento 222.

[0038] Además, no hay ningún requisito de que la funcionalidad del sistema de control 200 descrito anteriormente se implemente como se ha desvelado. Por ejemplo, la aplicación 265 puede implementarse en algún otro tipo de componente de software, como un daemon o utilidad. La funcionalidad de la aplicación 270 no tiene por qué estar agregada en un único componente y puede estar distribuida en dos o más componentes.

[0039] Nótese que algunas porciones de las descripciones detalladas en este documento se presentan en términos de un proceso implementado por software que involucra representaciones simbólicas de operaciones sobre bits de datos dentro de una memoria en un sistema de computación o un dispositivo de computación. Estas descripciones y representaciones son los medios utilizados por los expertos en la materia para transmitir de la manera más eficaz la esencia de su trabajo a otros expertos en la materia. El proceso y la operación requieren manipulaciones físicas de cantidades físicas que transformarán físicamente la máquina o el sistema concreto en el que se realizan las manipulaciones o en el que se almacenan los resultados. Por lo general, aunque no necesariamente, estas cantidades adoptan la forma de señales eléctricas, magnéticas u ópticas capaces de ser almacenadas, transferidas, combinadas, comparadas y manipuladas de otro modo. En ocasiones ha resultado conveniente, principalmente por razones de uso común, referirse a estas señales como bits, valores, elementos, símbolos, caracteres, términos, números o similares.

[0040] No obstante, hay que tener en cuenta que todos estos términos y otros similares deben asociarse a las magnitudes físicas apropiadas y no son más que etiquetas cómodas aplicadas a dichas magnitudes. A menos que se indique específicamente o de otro modo que pueda resultar evidente, a lo largo de la presente divulgación, estas descripciones se refieren a la acción y los procesos de un dispositivo electrónico, que manipula y transforma datos representados como cantidades físicas (electrónicas, magnéticas u ópticas) dentro del almacenamiento de algún dispositivo electrónico en otros datos representados de manera similar como cantidades físicas dentro del almacenamiento, o en dispositivos de transmisión o visualización. Ejemplos de los términos que designan dicha descripción son, sin limitación, los términos "procesamiento", "computación", "cálculo", "determinación", "visualización" y similares.

[0041] Además, la ejecución de la funcionalidad del software transforma el aparato informático en el que se ejecuta. Por ejemplo, la adquisición de datos alterará físicamente el contenido del almacenamiento, al igual que el tratamiento posterior de esos datos. La alteración física es una "transformación física" en el sentido de que cambia el estado físico del almacenamiento del aparato informático.

[0042] Obsérvese también que los aspectos de la invención implementados mediante software suelen estar codificados en algún tipo de medio de almacenamiento de programas o, alternativamente, implementados sobre algún tipo de medio de transmisión. El medio de almacenamiento del programas puede ser magnético (por ejemplo, un disquete o un disco duro) u óptico (por ejemplo, una memoria de solo lectura de disco compacto, o "CD ROM"), y puede ser de solo lectura o de acceso aleatorio. Del mismo modo, el medio de transmisión puede ser pares de hilos trenzados, cable coaxial, fibra óptica, o algún otro medio de transmisión adecuado conocido en la técnica. La invención no está limitada por estos aspectos de cualquier implementación dada.

[0043] La técnica de control de trayectoria descrita anteriormente se pone en práctica durante la adquisición en una prospección sísmica marina para controlar la amplitud y la frecuencia de las señales sísmicas emitidas por la fuente sísmica marina. El diseño de la prospección puede realizarse de acuerdo con la práctica convencional y normalmente incluirá uno o más buques remolcadores que remolcan una o más fuentes. Para los fines presentes, una realización ilustrativa de una fuente con la que se puede realizar la prospección es la fuente sísmica marina de la Figura 1-Figura 2. La prospección también puede incluir uno o más cables de fondo oceánico como los que se conocen en la técnica.

[0044] Consideremos, por ejemplo, la prospección sísmica marina 300 de la Figura 3. La prospección 300 incluye un buque 305 desde el que se despliega y remolca la fuente sísmica marina 100. La fuente sísmica marina 100 se remolca a través del agua 115 según lo previsto en el diseño de la prospección a una profundidad que depende en parte de su frecuencia. Una pluralidad de receptores 310 (solo uno indicado) se despliegan desde buques de prospección (no mostrados). Algunas prospecciones marinas remolcan conjuntos de receptores 310 montados en serpentinas agrupadas en conjuntos de serpentinas de una manera no mostrada. Sin embargo, la realización ilustrada despliega los receptores en el lecho marino 316 como parte de cables de fondo oceánico 320 (solo se indica uno).

[0045] Una vez calentada la fuente sísmica marina 100 desplegada, el buque remolcador 305 la remolca siguiendo las líneas de vela requeridas por el diseño. Mientras la fuente sísmica marina 100 es remolcada, emite señales acústicas sísmicas representadas por el rayo 325. En la realización ilustrada, puede tratarse de señales sísmicas de barrido o de zumbido, según lo exija el diseño de la prospección. Las señales acústicas se propagan por el agua 115 hasta que encuentran el fondo marino 316. Una parte de la señal se refleja desde el lecho marino 316 hasta la superficie del mar, tal y como representa el rayo 330, y otra parte continúa propagándose por el subsuelo 315, tal y como indica el rayo 335. Periódicamente, la señal acústica encontrará reflectores, como el reflector 340, y una parte se reflejará de vuelta a los receptores 310 como indica el rayo 345 y una parte continuará hasta que la energía de la señal se disipe más allá de lo que los receptores 310 pueden detectar. Una parte de la señal acústica también puede volver al fondo o a la superficie del mar por otros mecanismos distintos de la reflexión, como por refracción o por giro (la denominada "onda de inmersión").

[0046] La técnica de control de trayectoria actualmente desvelada opera durante la generación y emanación de las señales acústicas sísmicas. A continuación se describen con más detalle los bucles de estabilización de frecuencia y de control de trayectoria.

[0047] Pasando ahora a la Figura 4, un diagrama de flujo 400 ilustra cómo la fuente de la Figura 1 es controlada por el sistema de control de la Figura 2 para estabilizar la frecuencia de la fuente durante la adquisición. En el diagrama de flujo 400, los parámetros de diseño de barrido nominal se utilizan tanto para inicializar la fuente 420 como parámetros de usuario ajustables en la estabilización de frecuencia (en 440). Estos parámetros se determinan durante el diseño de la prospección antes mencionada y se puede llegar a ellos de manera convencional. La estabilización de frecuencia (en 440) se puede implementar, por ejemplo, mediante la aplicación 270 residente en el disco duro local o remoto o dentro de algún otro tipo de dispositivo de almacenamiento (por ejemplo, el almacenamiento 222 mostrado en la Figura 2) y ejecutada por el controlador maestro 205. El controlador maestro 205 monitoriza (en 450) la fuente sísmica operativa 100, calcula la perturbación necesaria (en 500) y actualiza la configuración interna de la fuente sísmica marina 100 (en 430) según se desee para ajustar de nuevo la frecuencia emitida a la frecuencia nominal.

[0048] Remitiéndonos de nuevo a la Figura 1, en funcionamiento, el pistón radiante 105 se mueve con desplazamiento x contra la presión Pext del agua de mar exterior 115. El dispositivo se muestra en equilibrio, x = 0, de modo que la presión dentro del dispositivo es también Pext. El pistón radiante 105 está unido a un árbol 125 que pasa a través de un resorte de gas variable 165 que comprende dos volúmenes de gas 110a, 11 0b, confinados por un pistón de compresión, 132. El resorte de gas variable 165 son los dos volúmenes de resorte de gas 110a, 110b definidos por los pistones 132, 130, y la tapa 129 y sus respectivos sellos. Fijado al árbol 125 hay un pistón 130 que se mueve libremente en la dirección del árbol 125, junto con el árbol, dentro del resorte de gas 165. Los sellos (no mostrados) alrededor del perímetro del pistón 130 evitan el movimiento del gas alrededor del pistón 130, creando dos compartimentos sellados a cada lado, 110a, 110b. Un pistón de compresión 132 móvil a lo largo del eje del árbol 125, igualmente sellado en todo su perímetro, permite variar la longitud del resorte de gas 110a, 110b y, por tanto, su rigidez. La longitud de los espacios de gas 110a, 110b, siendo igual a la distancia total entre las caras más cercanas del pistón de compresión 132 y la tapa 129 menos el espesor del pistón secundario 130, se indica como V . La presión dentro de los compartimentos 110a, 110b del pistón de compresión en equilibrio es Ps.

[0049] Como se ha comentado anteriormente, la fuente sísmica marina 100 tiende a oscilar a una frecuencia natural determinada por parámetros como la posición del pistón de compresión 132, las presiones de gas dentro de los espacios 110a, 110b y el interior de la carcasa 170 en el interior del dispositivo, la presión exterior del agua Pext (y por tanto la profundidad de funcionamiento del dispositivo) y, en menor medida, las fricciones del sello y la fuerza y el momento de activación del solenoide lineal 240 (mostrado en la Figura 2) que suministra energía a las oscilaciones del pistón radiante. El pistón de compresión 132 controla la frecuencia de resonancia de la fuente modificando simultáneamente la presión de equilibrio Ps en el interior del resorte de gas y su longitud.

[0050] Para realizar un barrido de frecuencia dado, el pistón de compresión 132 se mueve para cambiar el periodo de oscilación según sea necesario, pero por lo demás al dispositivo se le permite (en su mayor parte) oscilar a su frecuencia natural con una amplitud que puede ser controlada mediante el uso del solenoide 120a, 120b, como ya se ha descrito. Normalmente, la trayectoria requerida del pistón 132 se calculará antes de que comience el barrido. La ley de control por defecto del pistón de compresión, la ya mencionada rigidez activa, actúa para mantener el pistón 132 en su trayectoria precalculada a pesar de las fuerzas perturbadoras introducidas por el funcionamiento del dispositivo. Otra ley de control gobierna por separado el solenoide de excitación 120a, 120b para que suministre energía a o extraiga energía de las oscilaciones según sea necesario.

[0051] Así, por ejemplo, siguiendo la ley de control por defecto, el pistón de compresión 132 podría posicionarse de forma que teóricamente generase una oscilación a 2,0 Hz, pero en su lugar se produce una oscilación a 2,05 Hz porque la teoría que subyace a la ley de control es solo una aproximación, o las condiciones, incluidas las presiones de gas antes mencionadas, no coinciden exactamente con las suposiciones del cálculo de la ley de control. El bucle de estabilización de frecuencia (430, 450) está diseñado para minimizar este tipo de error.

[0052] Más concretamente, utiliza la retroalimentación activa del pistón de compresión 132 para mantener el dispositivo mucho más cerca de la frecuencia, en promedio, de modo que la frecuencia natural del dispositivo se aproxime más a la frecuencia deseada. El bucle de retroalimentación se utiliza para ajustar un parámetro controlable con el fin de minimizar la discrepancia entre la frecuencia deseada y la frecuencia natural. En la realización ilustrada, esto se realiza ajustando la posición del pistón de compresión 132.

[0053] El parámetro controlable en esta realización es una perturbación P que puede aplicarse a la posición predeterminada precalculada del pistón de compresión (DSPP). La frecuencia natural (f) de la fuente depende de la longitud del resorte de gas (/) y lo indicaremos escribiendo f(í). Obsérvese que la frecuencia natural también depende de muchos otros factores, incluida la presión del gas en los espacios 110a, 110b de la Figura 1 y la presión Pext del fluido externo, pero estas dependencias se omiten en aras de la brevedad. Supongamos ahora que se produce una discrepancia Af = fi(l) - fe(l) entre la frecuencia natural prevista, que indicaremos como f(í), y la frecuencia estimada fe(í). Esto podría ocurrir, por ejemplo, como resultado de un cambio de temperatura del gas en los espacios 110a, 110b. Deseamos corregir fe(í) para acercarla a f(í) cambiando la longitud del resorte de gas / = DSPP P. Esto puede lograrse mediante el siguiente esquema iterativo simple. A partir del conocimiento de la dinámica del sistema = dfe(. 0 /

calculamos la tasa de cambio: e para corregir la discrepancia

ahora se corrige la perturbación P a la posición predeterminada del pistón de compresión DSPP en una cantidad A/ a un nuevo valor P' como sigue:

[0054] En este caso a es un valor del factor de estabilización entre 0 y 1, fijado por el usuario según principios bien conocidos por los versados en materia de diseño de sistemas de control.

[0055] La cantidad e puede calcularse del siguiente modo para un dispositivo como el de la Figura 1. En este ejemplo se supondrá que el gas dentro del resorte se comporta adiabáticamente en la escala de tiempo de un periodo de la resonancia, es decir, que un cuarto de periodo de las oscilaciones del pistón del resorte de gas es demasiado corto para que se produzca una transferencia significativa de energía térmica entre la estructura metálica y el gas. A continuación, puede determinarse la rigidez del resorte de gas en pequeños desplazamientos, así como el cambio de longitud necesario para contrarrestar un cambio en la frecuencia natural estimada.

[0056] En este ejemplo, para desplazar el pistón del resorte de gas una distancia x desde la posición de equilibrio x = 0, el pistón del resorte de gas tendría que aplicar una fuerza dada por la ecuación:

donde,

x es el desplazamiento del pistón del resorte de gas desde la posición central,

ps es la presión del gas dentro del resorte de gas variable cuando el pistón está en reposo,

As es la zona del pistón del resorte de gas,

l es la longitud total del espacio gaseoso del resorte de gas (es decir, la suma de las longitudes a ambos lados de su pistón), y,

Y es el índice adiabático (relación de los principales calores específicos) del gas. Diferenciando con respecto a x y evaluando el resultado en x = 0 se obtiene la expresión de la rigidez del resorte para pequeños desplazamientos:

d£_

k_ 4ypsA s

dx*=0l

Al determinar el cambio de rigidez con la longitud (es decir, la posición del pistón de compresión), en esta realización debe tenerse en cuenta el cambio en la presión del gas que esto produce. Al hacer esto, será útil hacer una suposición adicional, que en las escalas de tiempo en las que cambia la longitud del resorte de gas, el gas es

capaz de equilibrarse termodinámicamente con el metal y, por tanto, la derivada parcial ' 1 se comporta de acuerdo con la Ley de Boyle:

dk _ dk_ dk_dps _ -AypsAs4yAsps _ k

di ~ di dps di ~ l2 l l ~ ¿ l

[0057] Para utilizar la expresión anterior a fin de modelar un sistema de control, según esta realización también se necesita un modelo de cómo afecta la rigidez del resorte de gas a la frecuencia natural. Este modelo podría obtenerse de la siguiente manera: La frecuencia natural del sistema en su conjunto depende de la masa móvil (el pistón radiante y todo lo unido a él, incluidos el árbol y el pistón del resorte de gas), la masa estacionaria (la carcasa y todo lo unido a ella) y la rigidez del resorte de gas. También depende de la rigidez del gas en la carcasa, que contiene un tercer compartimento sellado lleno de gas. Podemos modelar este sistema como un simple oscilador armónico formado por dos resortes paralelos entre dos masas.

[0058] La fórmula conocida para la frecuencia angular de resonancia de un sistema oscilante que contiene dos resortes paralelos entre dos masas es

En este caso,

ÚFy

kv es la rigidez dx del gas dentro de la carcasa, donde Fv es la fuerza ejercida sobre el pistón 105 por el gas dentro de la carcasa 170;

m1 es la masa total del pistón 105, el árbol 125 al que está unido, y cualquier otra cosa unida al árbol como el pistón 130, y la masa añadida de agua que se mueve con el pistón 105;

m2 es la masa del resto de la fuente, incluida la carcasa 170 y todo lo que está rígidamente unido a ella.

El efecto de cambiar las longitudes de los resortes de gas se puede calcular de la siguiente manera:

En términos de frecuencia (f) y no de frecuencia angular w

La cantidad/ ; ( oen las ecuaciones anteriores puede considerarse idéntica a esta.

[0059] Para incluir kv en el modelo, será conveniente suponer de nuevo en este ejemplo que el gas se comporta adiabáticamente en la escala temporal de un cuarto de periodo, de modo que pueda utilizarse una expresión análoga a la de la rigidez del resorte de gas:

donde L es una "longitud equivalente" del espacio gaseoso de la carcasa, igual a su volumen V dividido por el área del pistón A. El factor 4 ha desaparecido porque solo hay un único espacio de gas.

[0060] La Figura 5 contiene una ilustración de cómo podrían utilizarse las ecuaciones anteriores en una realización particular. En esta realización, los parámetros del resonador descritos anteriormente se determinarán (en 505) junto con el patrón de barrido y Af. Algunos de estos parámetros pueden ser característicos del tipo de resonador utilizado y otros pueden tener que determinarse por separado para cada resonador. Además, en algunos casos podrían determinarse parámetros calculables a partir de los identificados anteriormente, (es decir, debería determinarse un conjunto de parámetros para el resonador a partir de los cuales puedan calcularse los identificados anteriormente).

[0061] En esta realización particular, se calculan (en 515, 520) algunos de los parámetros, incluyendo k, kv, y df/dl, identificados en el presente documento. Es posible que algunas de estas cantidades solo deban calcularse una vez por prospección. Otras pueden tener que volver a determinarse en cada intento. Por ejemplo, si la temperatura del dispositivo cambia con el tiempo, o puede ser necesario recalcularla continuamente durante cada barrido a medida que se mueven los pistones de compresión, entonces las diversas presiones internas y los valores de rigidez cambiarán por ello. Así, aunque las Figuras 4 y 5 parezcan indicar que el cálculo de estos parámetros (en 515, 520) está fuera del bucle de retroalimentación (en 430, 450), debe entenderse que, en algunos casos, varias de estas cantidades podrían recalcularse repetidamente según lo requiera la situación. Se calcula una corrección estimada (en 530) y se aplica (en 540).

[0062] En este ejemplo, se utilizará la ley de control por defecto (no alterada) (en 420) para determinar la posición inicial del pistón de compresión. Este posicionamiento puede ajustarse en función del tipo de prospección seleccionada (por ejemplo, frecuencia única, barrido de banda estrecha, etc.) y de las frecuencias concretas de que se trate.

[0063] Se realiza un barrido, según el patrón de barrido diseñado (en 430). Durante ese barrido, en una realización, se medirá el rendimiento real del resonador y se comparará con el barrido deseado. Según la técnica actual, esto se hará estimando su frecuencia natural. En el caso de que se requiera un zumbido, la estimación de la frecuencia natural proporcionará una medida de la precisión del barrido y de la desviación con respecto al mismo. Si el resonador realiza un barrido sobre un rango de frecuencias, todavía será posible determinar una desviación de las frecuencias de barrido deseadas ya que, en un barrido sobre un rango, se conocerá una frecuencia esperada en cada punto temporal y se podrá comparar con la frecuencia natural estimada para ese intervalo de tiempo. Existen muchas técnicas alternativas de estimación del estado del sistema para establecer la desviación de frecuencia del pistón a gas respecto a la frecuencia deseada. Aquellos con conocimientos ordinarios en la materia serán fácilmente capaces de idear lo mismo.

[0064] Cualquier procedimiento de este tipo debe tener en cuenta el efecto del bucle de control de trayectoria 650 sobre la frecuencia real del dispositivo. La desviación de frecuencia que debe estimarse es la diferencia entre la frecuencia de resonancia del dispositivo en ausencia de control de trayectoria (su "frecuencia natural") y la frecuencia deseada. Si el procedimiento de estimación de la frecuencia natural se basa en la frecuencia observada del dispositivo, debe estimar y tener en cuenta el efecto del bucle de control de trayectoria 650. Alternativamente puede estimar la frecuencia natural a partir de la disposición del pistón de compresión 132, el pistón de resorte de gas 130, y las presiones de gas en los espacios 110a, 110b y dentro de la carcasa 170.

[0065] Finalmente, dada alguna medida de la desviación de frecuencia, se puede determinar un ajuste (en 450) utilizando las ecuaciones expuestas anteriormente (en 515-530) y continuar el barrido.

[0066] A modo de ejemplo, considere algunas condiciones que podrían ser típicas de un dispositivo; como, por ejemplo, la fuente sísmica marina 100 de la Figura 1, configurada para realizar un zumbido de 4 Hz a una profundidad operativa de 30 metros. En este caso concreto, el diámetro del pistón radiante será de 1,38 metros, el área del pistón de compresión de 0,25 m2, y el volumen interior del dispositivo de 8 metros cúbicos. Utilizando las ecuaciones anteriores, la rigidez puede calcularse del siguiente modo:

l = 0,66 m (el valor adecuado para una resonancia de 4 Hz);

p = 400.000 Pa (presión ambiente a -30 m de profundidad);

As = 0,25 m2;

A = ^(1,38mV2)2 = 1,50 m2;

V = 8 m3, y,

Y = 1,4 (el índice adiabático de un gas diatómico como el nitrógeno).

Lo anterior implica que:

k = 8,48 x 105 Nm-1

kv= 1,58 x 105 Nm-1

o bien

Obsérvese que la ecuación anterior puede considerarse, en cierto sentido, como la traducción de un error de frecuencia en un error de posición, error de posición que puede ajustarse de acuerdo con las enseñanzas expuestas en el presente documento.

[0067] A efectos de este ejemplo, esto implica que para corregir una desviación del 5 % en la frecuencia (nada atípico en este tipo de pruebas), el pistón de compresión 132 tendría que moverse unos (0,05)(4 Hz)/(5,11 Hz/m) = 0,0392 metros, o unos 40 mm. Esta perturbación no debería ser demasiado exigente para muchos sistemas de interés.

[0068] El bucle de retroalimentación de estabilización de frecuencia que se acaba de comentar controla la resonancia natural del sistema para mantenerla cerca de la frecuencia deseada. La presente técnica de control de trayectoria incluye un bucle de control de retroalimentación adicional que controla el detalle de la trayectoria, mientras que el bucle de control de retroalimentación de frecuencia, descrito anteriormente, mantiene la frecuencia natural de la sísmica marina en la frecuencia correcta, o casi correcta. La implementación de este segundo bucle de control se describirá ahora con respecto a la fuente sísmica marina 100 de la Figura 1.

[0069] En este caso, la trayectoria del control de trayectoria se refiere al desplazamiento relativo del pistón radiante 105 y la carcasa 170 ("trayectoria relativa"). El mecanismo de control de la frecuencia consiste en modificar las posiciones del pistón de compresión 132 en el extremo del resorte de gas 165; y la fuerza de excitación se aplica a través del solenoide de excitación 240. La fuente sísmica marina 100 normalmente se utilizará de forma cíclica, repitiendo exactamente su trayectoria deseada con un periodo de tiempo fijo o casi fijo entre repeticiones. En este caso, el primer bucle de control descrito anteriormente puede detectar el error de frecuencia durante un ciclo y aplicar la corrección mediante el mecanismo de control de frecuencia en el ciclo siguiente. Sin embargo, el segundo bucle de control funcionará en tiempo real (es decir, inmediatamente).

[0070] El mecanismo de control en este caso es el sistema de control 200 que se muestra en la Figura 2. Obsérvese que este es, a modo de ejemplo e ilustración, uno de los medios por los que puede controlarse el funcionamiento de la fuente sísmica marina 100. Como se ha comentado anteriormente, el procedimiento de control de trayectoria se implementa en esta realización en la aplicación 270 y comprende dos conjuntos de dos bucles de retroalimentación.

[0071] Refiriéndose ahora a la Figura 6A, el primer bucle 600 estima (en 610) la frecuencia natural de la fuente. A continuación, obtiene (en 620) un error de frecuencia como la diferencia entre la frecuencia estimada y la frecuencia de la trayectoria deseada. A continuación, utiliza (en 630) el mecanismo de control de frecuencia para tratar de llevar la señal de error a cero de la manera bien conocida por los versados en materia de ingeniería de control.

[0072] Volviendo a la Figura 6B, el segundo bucle de retroalimentación 650 detecta (en 660) la trayectoria de movimiento del oscilador. A continuación, obtiene (en 670) una señal de error a partir de la diferencia entre las trayectorias deseada y detectada. A continuación, se aplica una fuerza de control (en 680) a través del excitador que intenta llevar la señal de error a cero de la manera bien conocida por los versados en materia de ingeniería de control. Una forma de llevar la señal de error a cero es medir el error de movimiento entre los movimientos deseado y detectado del oscilador. A continuación, se aplica una fuerza de control linealmente proporcional al error. Como alternativa, se puede utilizar el control "bang-bang": aplicar una fuerza de magnitud constante en la dirección opuesta al error. Un experto en la materia puede considerar otras formas de control.

[0073] El primer bucle 600 sigue de cerca el procedimiento desvelado en la solicitud de Estados Unidos n.° 61/894.729, presentada el 23 de octubre de 2013, y en la solicitud de Estados Unidos n.° 14/515.223, presentada el 15 de octubre de 2014, titulada "System and Method for Resonator Frequency Control by Active Squeeze Position Feedback". Sin embargo, una diferencia es que el segundo bucle 650 actuará para mantener la oscilación en la frecuencia deseada, independientemente de la frecuencia natural de la fuente. Por lo tanto, si el segundo bucle está en funcionamiento, la frecuencia natural no puede estimarse midiendo directamente el periodo de las oscilaciones, que suele ser el medio más sencillo para la estimación.

[0074] Un procedimiento de estimación consistiría en desconectar brevemente el segundo bucle, medir directamente la frecuencia natural de la fuente, utilizar esta estimación en el recuadro 610 y, a continuación, volver a conectar el segundo bucle. Alternativamente, la frecuencia natural de la fuente puede estimarse a partir de mediciones de su estado interno y del estado del entorno. Por ejemplo, la frecuencia natural de la fuente puede tabularse para una variedad de presiones, temperaturas, profundidades operativas, etc., y basándose en mediciones en tiempo real, el valor tabulado apropiado se utiliza como estimación en el recuadro 610. En una realización, el error de frecuencia puede estimarse indirectamente, a partir del historial de errores de trayectoria (recuadro 675).

[0075] Para comprender mejor cómo pueden implementarse los dos bucles de control de retroalimentación 600, 650 con respecto a la fuente sísmica marina 100 de la Figura 1-Figura 2, se proporcionará ahora un ejemplo numérico analítico. Este ejemplo demostrará en particular que las fuerzas necesarias para corregir la trayectoria (en el recuadro 680) dependen en gran medida de la frecuencia de oscilación natural de la fuente (que se estima en el recuadro 610).

[0076] Considere la fuente como un simple oscilador de un grado de libertad, como se ilustra en el circuito equivalente de la Figura 7. La masa del pistón m-\ está representada por 720, la masa de la fuente restante m2 por 710. La constante variable del resorte es k N/m (730), la resistencia viscosa es r N/(m/s) (750), y las dos masas son excitadas a movimiento relativo a frecuencia angular w rad/s con velocidad punta v m/s por una fuerza de amplitud F, medida en Newton.

[0077] En este contexto, F es la fuerza de excitación aplicada a la fuente; w es la frecuencia angular a la que se desea que oscile el pistón fuente; la velocidad punta con la que se desea que oscile se denota por v.

[0078] Como es sabido por un experto en materia de dinámica, es válida la siguiente relación entre la fuerza F, la frecuencia w y las propiedades del oscilador, expresadas en el dominio de la frecuencia en notación compleja:

F=v(r+i(om

[0079] En este caso m es la media armónica de las masas m-\ y m2.

[0080] Esto se puede reescribir en términos de la frecuencia natural W0 del oscilador:

[0081] De la inspección de esta ecuación es evidente que cuando se fuerza a la frecuencia natural, una fuerza de excitación f = v r producirá una velocidad v, y que a cualquier otra frecuencia la fuerza requerida para producir la, o r<2>- cúá<2>misma velocidad v será mayor. La fuerza aumenta a medida que aumenta la diferencia de frecuencia . Así, si se desea producir una determinada velocidad v y la fuerza disponible está limitada a Fmáx, entonces la frecuencia natural W0 debe mantenerse próxima a la frecuencia deseada w. También es evidente a partir de esta ecuación que la máxima diferencia entre la frecuencia deseada y la frecuencia natural en la que la fuerza de excitación disponible todavía será suficiente para producir la velocidad deseada v depende de Fmáx y disminuye con el aumento de m y r.

[0082] Supongamos, a título ilustrativo, que una fuente tiene las siguientes características:

r = 3000. N/m/s;

v = 2 m/s;

m = 3000 kg; en este caso representa la masa móvil efectiva, típicamente la media armónica de las masas del pistón y la carcasa;

frecuencia deseada = 2 Hz;

Fmáx = 10.000 N;

[0083] En la Figura 8 se muestra un gráfico de la fuerza que se necesitaría para controlar la trayectoria, en función de la frecuencia natural sintonizada de la fuente. También se muestra una línea horizontal que indica Fmáx.

[0084] Es evidente que la fuerza requerida aumenta muy rápidamente con el error de frecuencia. En este ejemplo el rango de frecuencia natural del oscilador debe mantenerse dentro del rango de 1,9 Hz a 2,1 Hz para que el control de trayectoria sea efectivo controlando la trayectoria para que sea una oscilación a 2 Hz con una velocidad punta de 2 m/s. Es decir, el control de trayectoria no tolerará una desviación de frecuencia superior a 0,1 Hz, o al 5 % de la frecuencia deseada.

[0085] Será evidente para los expertos en la materia que las fuerzas requeridas dependen enormemente del error de frecuencia A f y por lo tanto el historial de las fuerzas correctoras aplicadas en 680 puede utilizarse en 675 para estimar la frecuencia natural del oscilador en 610. En una realización, las fuerzas correctoras se aplican de la siguiente manera: Sea "fxd" la fuerza de control aplicada en 680 multiplicada por el desplazamiento del conjunto móvil 105, 125, 130, 120b con respecto a su posición promediada a lo largo de un ciclo de oscilación. Entonces, para un sistema oscilador armónico simple y un error de frecuencia pequeño, con buena aproximación, "fxd" promediado durante un ciclo de oscilación será directamente proporcional al error de frecuencia 620.

[0086] Esto puede verse de la siguiente manera: La fuerza frente al desplazamiento para un sistema oscilador armónico simple sigue la ley de Hooke, F = kx, donde "F" es la fuerza aplicada por el resorte, "k" es la constante elástica del resorte, y "x" es el desplazamiento desde la longitud natural del resorte. Si la masa en movimiento obedece esta ecuación a pesar de un error en la constante del resorte k, que en lugar del valor nominal k tiene el valor kactual, entonces la fuerza de control de trayectoria aplicada Fcontrol debe estar compensando exactamente el error: F = k x = Fcontrol kactual x, y por tanto Fcontrol = (k - kactual) x. Multiplicando la fuerza de control por el desplazamiento x, tenemos fxd = Fcontrol x = (k - kactual) x2. Promediado sobre un ciclo de oscilación, x2 promedia a la mitad de su valor máximo, y por lo tanto Fcontrol x promediado sobre un ciclo de oscilación es proporcional a k - kactual.

[0087] Esto permite estimar la diferencia de los cuadrados de la frecuencia deseada oides y la frecuencia natural Mnat de la siguiente manera:

[0088] En este caso, una barra de superíndice indica la media a lo largo de un periodo de oscilación.

[0089] La frecuencia natural puede estimarse entonces directamente y el bucle de control 600 puede funcionar aplicando este cálculo en la etapa 610.

[0090] Estos cálculos solo son exactos para un oscilador lineal, mientras que el sistema de la Figura 1 constituye un oscilador no lineal con un resorte superlineal. El resultado anterior se aplicará con precisión creciente cuanto menores sean las oscilaciones, ya que en el límite de los movimientos infinitesimales el sistema se comporta linealmente. Para oscilaciones finitas, las ecuaciones anteriores solo proporcionarán resultados aproximados. Sin embargo, el gráfico de la Figura 8 indica que el control de la trayectoria tendrá éxito para errores finitos en la diferencia de frecuencia, de modo que puede tolerarse cierto grado de error en la estimación y corrección de la frecuencia natural.

[0091] Otras realizaciones que permiten utilizar la fuerza de control 680 para estimar la frecuencia natural 610 y el error de frecuencia 620 serán evidentes para los expertos en la materia. Las Figuras 9 y 10 muestran un ejemplo numérico computacional de estos bucles de control interactivos en la práctica. La Figura 9A muestra la fuerza en función del desplazamiento para un resorte lineal ideal con una constante del resorte k= 1 (910), y para un resorte parcialmente no lineal que se vuelve más rígido a mayores desplazamientos: k = (1 desplazamiento4)/10 (920). Construimos un oscilador armónico utilizando estos dos resortes, con la masa y la velocidad inicial elegidas de forma que para el resorte lineal el periodo de oscilación sea de 2 segundos y el desplazamiento máximo de 1 metro. Nuestro objetivo es utilizar el control de trayectoria para que el resorte no lineal actúe como el lineal.

[0092] La Figura 10A, de 0 segundos (a 1000) a 20 segundos (a 1020), muestra cómo difieren los osciladores lineales y no lineales en oscilación libre. La línea de puntos muestra el movimiento para el resorte lineal, y la línea continua, el movimiento para el resorte no lineal. El principal efecto del aumento de la rigidez del resorte no lineal a mayores desplazamientos es la ligera disminución del periodo de oscilación. Tras 20 segundos de oscilación libre, se ha acumulado un error de fase importante. La Figura 10B muestra el error de trayectoria, la diferencia entre estos dos casos.

[0093] A los 20 segundos (1020) comienza el bucle de control de trayectoria 2 (650). La fuerza de control aplicada (mostrada en la Figura 10E) es linealmente proporcional al error de velocidad, pero está limitada en magnitud al 5 % de la fuerza máxima del resorte lineal. El error de trayectoria (Figura 10B) se reduce a medida que la fuerza de control hace que la fase de la oscilación vuelva a alinearse con la trayectoria deseada, pero el error no llega a cero. No puede, porque la fuerza necesaria para corregir completamente la no linealidad del resorte es demasiado grande (se encuentra fuera de los límites de las líneas de puntos de la Figura 9A, que muestran la desviación máxima de la fuerza que podría corregirse para volver al caso ideal 910).

[0094] A los 50 segundos (1050) comienza el bucle de control 1 (600), el control de frecuencia. Se permite ajustar la rigidez global del resorte, pero no corregir la no linealidad del resorte: k = (klineal desplazamiento4)/10, siendo klineal el parámetro ajustable. La Figura 10C muestra "fxd", que representa la fuerza de control calculada (antes de recortarla al 5 %) multiplicada por el desplazamiento. La tasa de cambio de la parte lineal de la constante del resorte klineal es proporcional a fxd promediada en intervalos de dos segundos (pero con una tasa de cambio máxima forzada). La perturbación de la parte lineal de la constante del resorte se aplica al final de cada intervalo de cálculo del promedio (como en el recuadro 450). La Figura 10D muestra cómo la parte lineal de la constante del resorte se ajusta rápidamente para llevar el periodo natural a los 2 segundos requeridos. El resorte ajustado sigue siendo no lineal, como se muestra en la Figura 9B, con k = 0,937 desplazamiento4/10, pero después del ajuste, las fuerzas requeridas son ahora lo suficientemente pequeñas como para que la fuerza de control sea adecuada para la tarea, y el error de trayectoria (Figura 10B) se lleva casi a cero.

[0095] Este sencillo modelo computacional demuestra cómo los bucles de control combinados 600 y 650 pueden producir un movimiento sinusoidal casi perfecto a partir de un oscilador con un resorte fuertemente no lineal. Los expertos en materia de teoría del control podrán concebir muchas realizaciones alternativas a los sencillos ejemplos que aquí se dan; en particular, las leyes de control pueden ajustarse adaptativamente ("aprender"), anticipar correcciones basadas en la experiencia previa, o pueden incluir otras fuentes de información, como mediciones del entorno de la fuente (por ejemplo, basadas en la temperatura, la presión o la profundidad).

[0096] En la realización ilustrada en la Figura 1, la fuente sísmica marina 100 de la Figura 1-Figura 2 se despliega para su adquisición como en la Figura 3 o de forma similar. Durante la adquisición, el funcionamiento de la fuente sísmica marina 100 está controlado tanto por la técnica de estabilización de frecuencia ilustrada en la Figura 4-Figura 5 como por el control de trayectoria de la Figura 6. Más concretamente, la técnica de estabilización de frecuencia de la Figura 4-Figura 5 funciona dentro del bucle de control de trayectoria 1 (600) para controlar la fuente sísmica marina 100 de modo que resuene a la frecuencia correcta, o muy cerca de la frecuencia correcta. Una vez que está resonando a la frecuencia deseada, el bucle de control de trayectoria 2 (650) además de eso realiza pequeños ajustes en el movimiento oscilatorio.

[0097] Es decir, el bucle de control de trayectoria 1 (estabilización de frecuencia) efectúa cambios grandes, o "brutos", en la frecuencia, mientras que el bucle de control de trayectoria 2 efectúa cambios pequeños, o "finos", en la frecuencia o el movimiento. Un pequeño cambio en la frecuencia, por ejemplo, podría ser de 0,1 Hz. O bien, una pequeña modificación del movimiento puede cambiar la forma precisa del barrido, por ejemplo, para amortiguar los armónicos de alta frecuencia no deseados, o quizá para acentuar un armónico concreto. Por lo tanto, el bucle de control de trayectoria 2 realiza pequeños retoques o ajustes continuamente en el movimiento para mantenerlo más cerca de una trayectoria nominal deseada.

[0098] Obsérvese el contraste con el funcionamiento y el control de un vibrador terrestre. Un vibrador terrestre es un ejemplo de sistema poco resonante. El vibrador terrestre fuerza bruscamente la salida del dispositivo obligando al pistón motriz a desplazarse a lo largo de una trayectoria determinada. Es decir, obliga al pistón radiante a desplazarse hacia donde debe estar sin tener en cuenta cuál es su frecuencia de resonancia. Sin embargo, en la fuente sísmica marina 100, el solenoide de excitación no es lo suficientemente potente como para forzar el dispositivo a una frecuencia particular que difiera significativamente de su frecuencia de resonancia natural. En cambio, "afina" la respuesta que el aparato ya "quiere dar" (es decir, su frecuencia de resonancia natural).

[0099] Cuando en el presente documento se hace referencia a un procedimiento que comprende dos o más etapas definidas, las etapas definidas pueden llevarse a cabo en cualquier orden o simultáneamente (excepto cuando el contexto excluya esa posibilidad), y el procedimiento también puede incluir una o más etapas que se lleven a cabo antes de cualquiera de las etapas definidas, entre dos de las etapas definidas o después de todas las etapas definidas (excepto cuando el contexto excluya esa posibilidad).

[0100] Las siguientes solicitudes de patente y patentes se desvelan por la presente como referencia para las partes que se enumeran y para los fines establecidos:

[0101] Solicitud de EE.UU. n.° de serie 12/995.763, titulada "Marine Seismic Source", presentada el 17 de junio de 2009, a nombre de los inventores Martin Thompson y Mark F. L. Harper, publicada el 14 de abril de 2011, como Publicación de Patente de EE.UU. 2011/0085422, y comúnmente asignada con la presente por sus enseñanzas de la estructura y el funcionamiento de una fuente sísmica marina de barrido de baja frecuencia ilustrativa ubicada en la Figura 1 y en [0026]-[0032], en la misma.

[0102] Solicitud de EE.UU. n.° de serie 13/327.524, titulada "Seismic Acquisition Using Narrowband Seismic Sources", presentada el 15 de diciembre de 2011, a nombre de los inventores Joseph A. Dellinger y otros, publicada el 21 de junio de 2012, como publicación de patente de EE.UU. 2012/0155217, y comúnmente asignada con el presente documento por sus enseñanzas relativas a la adquisición de datos ubicadas en [0024]-[0040], [0054]-[0059], [0065]-[0088].

[0103] Solicitud de EE.UU. n.° de serie 61/894.729, presentada el 23 de octubre de 2013 y solicitud de EE.UU. n.° de serie 14/515.223 presentada el 15 de octubre de 2014, titulada "System and Method for Resonator Frequency Control by Active Squeeze Position Feedback", presentada el 23 de octubre de 2013.

[0104] Otras realizaciones de la invención serán evidentes para los expertos en la materia a partir de la consideración de la memoria descriptiva y la práctica de la invención descrita en esta invención. Se pretende que la memoria descriptiva y los ejemplos sean considerados como ejemplares solamente, estando la invención indicada por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento para controlar la trayectoria en una fuente sísmica marina resonante (100), que comprende:

controlar una frecuencia de la fuente sísmica marina resonante (100), que incluye:

estimar una frecuencia natural de la fuente sísmica marina resonante (100);

obtener un error de frecuencia como diferencia entre la frecuencia natural estimada de la fuente y una frecuencia de la trayectoria deseada de la fuente sísmica marina resonante (100); y

llevar el error de frecuencia a cero, en el que la frecuencia de la trayectoria deseada de la fuente sísmica marina resonante (100) corresponde a una frecuencia de resonancia de la fuente sísmica marina resonante (100) cuando el error de frecuencia es cero; y

controlar una trayectoria de movimiento de una parte móvil de un oscilador (105, 130, 132) de la fuente sísmica marina resonante (100) después de controlar la frecuencia de la fuente sísmica marina resonante (100) para que sea la frecuencia de la trayectoria deseada de la fuente sísmica marina resonante, en el que la trayectoria de movimiento de la parte móvil (105, 130, 132) comprende una posición, una velocidad o una aceleración de la parte móvil del oscilador, en el que el control de la trayectoria de movimiento de la parte móvil (105, 130, 132) incluye:

detectar la trayectoria de movimiento de la parte móvil del oscilador (105, 130, 132);

derivar un error de trayectoria de movimiento como diferencia entre una trayectoria de movimiento deseada de la parte móvil del

oscilador (105 130, 132) y la trayectoria de movimiento detectada; y

llevar el error de trayectoria de movimiento a cero, en el que la trayectoria de movimiento deseada de la parte móvil del oscilador (105 130, 132) corresponde a la trayectoria de movimiento detectada de la parte móvil del oscilador (105 130, 132) cuando el error de trayectoria de movimiento es cero.

2. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la estimación de la frecuencia natural de la fuente incluye la detección de un parámetro asociado con la frecuencia de la fuente, y en el que llevar el error de frecuencia a cero incluye: modificar una señal de control de frecuencia a la fuente sísmica marina resonante (100).

3. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la detección de la trayectoria de movimiento incluye la detección de un parámetro de la trayectoria de movimiento.

4. El procedimiento según la reivindicación 3, en el que llevar el error de trayectoria de movimiento a cero incluye:

modificar una señal que determina el parámetro detectado; e

iterar el control de la trayectoria.

5. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que llevar el error de trayectoria de movimiento a cero incluye:

modificar una señal que determina la trayectoria de movimiento; e

iterar el control de la trayectoria.

6. El procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además realizar el control de estabilización de frecuencia.

7. Una fuente sísmica marina resonante (100), que comprende:

un pistón (105, 130, 132) en una carcasa estanca (170);

un solenoide (145, 240) dispuesto dentro de la carcasa estanca al fluido (170) y conectado a un pistón (105, 130, 132) que forma parte de la carcasa estanca al fluido (170) y que, en funcionamiento, resuena a una frecuencia de resonancia natural; y un sistema de control (200) dispuesto dentro de la carcasa estanca al fluido (170) que, en funcionamiento, realiza:

estimar una frecuencia natural de la fuente sísmica marina resonante (100);

controlar una trayectoria de movimiento del pistón (105, 130, 132) después de controlar la frecuencia de la fuente sísmica marina resonante (100) para que sea la frecuencia de la trayectoria deseada de la fuente sísmica marina resonante, en el que la trayectoria de movimiento del pistón (105, 130, 132) comprende una posición, una velocidad o una aceleración del pistón, en el que el control de la trayectoria de movimiento del pistón (105, 130, 132) incluye: detectar la trayectoria de movimiento del pistón (105, 130, 132);

derivar un error de trayectoria de movimiento como diferencia entre una trayectoria de movimiento deseada del pistón (105,130, 132) y la trayectoria de movimiento detectada; y

8. La fuente sísmica marina resonante (100) según la reivindicación 7, en la que la estimación de la frecuencia natural de la fuente incluye la detección de un parámetro asociado a la frecuencia de la fuente.

9. La fuente sísmica marina resonante (100) según la reivindicación 8, en la que llevar el error de frecuencia a cero incluye:

modificar una señal que determina el parámetro detectado; e

iterar el control de frecuencia de la fuente.

10. La fuente sísmica marina resonante (100) según la reivindicación 8, en la que llevar el error de frecuencia a cero incluye:

modificar la señal de excitación de la fuente (100); e

iterar el control de frecuencia de la fuente.

11. La fuente sísmica marina resonante (100) según la reivindicación 7, en la que la detección de la trayectoria de movimiento incluye la detección de un parámetro de la trayectoria de movimiento.

12. La fuente sísmica marina resonante (100) según la reivindicación 11, en la que llevar el error de trayectoria de movimiento a cero incluye:

modificar una señal que determina el parámetro detectado; e

iterar el control de la trayectoria.

13. La fuente sísmica marina resonante (100) según la reivindicación 7, en la que llevar el error de trayectoria de movimiento a cero incluye:

modificar una señal que determina la trayectoria de movimiento; e

iterar el control de la trayectoria.

14. La fuente sísmica marina resonante (100) según la reivindicación 7, en la que el sistema de control (200) realiza además un control de estabilización de frecuencia.