NO149943B - Fremgangsmaate til og detektor for seismisk undersoekelse - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for å bestemme horisontal- og vertikalkomponenter av seismiske signaler fra vibrasjoner i jordoverflaten, ved anbringelse av et antall seismiske detektorer hovedsakelig fyllt med flytende masse, hver i vilkårlig orientering på jordoverflaten, samt en detektor for utførelse av fremgangsmåten.

Ved seismisk undersøkelse med refleksjon blir de reflekterte seismiske signaler detektert ved hjelp av seismiske detektorer, enten geofoner eller hydrofoner. Geofoner anvendes på land og hydrofoner til sjøs. I bruk blir en geofon koplet til jordoverflaten og reagerer på bevegelser i denne. En hydrofon senkes ned i vann og reagerer på trykk-endringer som frembringes av bevegelser i jordoverflaten. Begge typer kan anvendes på bunnen av grunt vann. For enkelt-hets skyld brukes betegnelsen geofon her, men det er under-forstått at det omfatter seismiske detektorer anvendt på

eller i vann. De fleste geofoner anvender i dag en elektro-magnetisk krets som omfatter en spole og en magnet som er bevegelig i forhold til hverandre. En vanlig geofon reagerer vanligvis bare på bevegelser i jordoverflaten som har en kraftkomponent langs geofonens akse og frembringer et elektrisk utgangssignal med en polaritet avhengig av retningen av denne kraft.

Under normale seismiske undersøkelser blir geofoner anbragt manuelt opprettstående på jordoverflaten med sine akser hovedsaklig i vertikal retning. Når en geofon til-feldigvis eller på annen måte anbringes på jordoverflaten slik at dens akse heller vesentlig fra vertikal retning, eller i ekstremt tilfelle ligger på siden og danner en vinkel på 90° med vertikalretningen, blir den ubrukelig for praktiske formål. Også hvis geofonen ved et tilfelle snues opp ned, dvs. danner 180° med vertikalretningen, vil den gi et signal med en polaritet som er motsatt polariteten for det signal som frembringes når geofonen står riktig. I et hvert tilfelle vil det frembringes et uriktig utgangssignal eller et signal med motsatt polaritet som vil påvirke måleresultatene uheldig.

Por å unngå disse problemer når opprettstående stilling er upraktisk, monteres geofoner på orienteringshjelpe-midler som kontinuerlig opprettholder geofonens opprettstående stilling. Et meget alminnelig orienteringsmiddel er en kardanopphengning. I den senere tid er det gjort forsøkt på

å montere geofoner på et flatt, fleksibelt transportbånd som taues av et kjøretøy. Båndet forutsettes å holde geofonene hovedsaklig opprettstående. Sleping av slike bånd har i mange tilfeller ikke gitt det ventede resultat og derfor fortsetter personellet ved seismiske undersøkelser å an-bringe geofonene manuelt i opprettstående stilling, hvilket er tidskrevende og kostbart.

Da letingen etter hydrokarboner er økende i forholdsvis utilgjengelig terreng, har nødvendigheten for å an-

bringe geofonene opprettstående på jordoverflaten og å anvende selvorienterende hjelpemidler slik som kardanopphengninger, blitt et meget vanskelig arbeide for personellet. Dette har vært en utfordring for seismisk industri i mange år, men har ikke ført til tilveiebringelse av geofoner som kan slepes og ikke behøver å være opprettstående på jordoverflaten.

Akselerometere som anvender væsker er beskrevet i U.S.-patentskrift nr. 3-270.565, 3-555.5^3 og i U.S.S.R. Inventor's Certificate nr. 171.676 av 26.juli I965. Slike væskefylte innretninger reagerer imidlertid slik at de har samme polaritet for alle påvirkninger uansett retning eller er ikke i stand til å .tilfredsstille de krav som er ønsket ved seismiske undersøkelser.

Hensikten med oppfinnelsen er derfor å tilveiebringe en geofon som kan anbringes uten hensyn til noen spesiell orientering, som er forholdsvis lett i vekt, billig å frem-stille, istand til å tåle vanlig behandling ved seismiske undersøkelser, og ikke trenger noen selvorienterende hjelpemidler som er kostbare og ofte svikter under normal anvendelse.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved å måle trykk som av massen utøves på hver av et par med overfor hverandre anordnede trykkomformere i hver detektor, og bestemme komponentene av seismiske signaler hver for seg ved for hver detektor å kombinere utgangssignalene fra hver omformer i paret. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av kravene 2-10.

Oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under henvisning til tegningene. Fig. 1 viser i vertikalsnitt et utførelseseksempel på en geofon ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser skjematisk hvorledes geofonen virker i forskjellige stillinger mellom liggende og rett opprettstående på jordoverflaten. Fig. 3 viser på samme måte geofonen i forskjellige orienteringer fra liggende til nedover pekende. Fig. 4 viser skjematisk installasjonen av en geofon ifølge oppfinnelsen i en tauekabel. Fig. 5 viser en foretrukket fremgangsmåte for seismisk undersøkelse ifølge oppfinnelsen. Fig. 6 viser på samme måte som fig. 1 en forenklet utførelse av geofonen ifølge oppfinnelsen. Fig. 7 viser på samme måte som fig. 2 geofonen på fig. 6 i forskjellige orienteringer. Fig. 8 viser skjematisk i perspektiv tilslutning av geofonen. Fig. 9 viser skjematisk flere geofoner som vist på fig. 8 forbundet langs en seismisk kabel. Fig. 10 viser i perspektiv en geofon med rektangulært tverrsnitt. Fig. 11 viser på samme måte en geofon med elliptisk tverrsnitt.

Ved utførelseseksemplet på fig. 1 har geofonen 10

et hus 12 av metall med sylindrisk tverrsnitt. Huset 12 kan også ha rektangulært tverrsnitt som vist på fig. 10 eller elliptisk tverrsnitt som vist på fig. 11 eller variasjoner av dette avhengig av ønsket følsomhet.

Huset 12 har en bunn 14 og en topp 16 som hermetisk lukker sylinderen slik at det dannes et hulrom 18, Avstands-ringer 20 hviler på bunn og topp og bærer hver sin sirkel-formede ledende skive 22 til hvilken er festet et krystall 24 med en sølvelektrode 26. Huset 12 er fdret med et plast-rør 30 som strekker seg mellom bunn og topp. Skivene 22 hviler på skuldre 33 inne i røret 30 med mellomlag av en o-ring 32. Skivene 22 er fleksible og deres fleksibilitet av føles av krystallene 24. Hver skive med sitt krystall danner således en vanlig kraft- eller trykkomformer og er betegnet 27.

Omformerne 27 er montert slik at de vanligvis frembringer signaler med samme polaritet når en kraft eller et trykk bevirker at de bøyes bort fra væsken 36. Ytterligere par av ovenfor hverandre beliggende fleksible omformere kan anbringes for å øke nøyaktigheten og amplituden av de resul-terende utgangssignaler.

Huset 12 kan også være av annet materiale enn

metall som f.eks. plast og derved kan plastrøret 30 sløyfes. Skivene 22 behøver ikke å være av ledende materiale hvis den da ikke anvendes som elektrisk tilledning til krystall 24.

Utgangssignalene fra omformerne 27 ledes ut ved hjelp av et par ledere 51 og 52 gjennom en sliss 53 i ringen 20 og et langsgående spor 54 på yttersiden av røret 30 og ender i tilslutningsklemmer 56, 58 som er ført gjennom toppen

16. Eventuelt kan de fire ledere tilføres hver sin til-slutningsklemme. I dette tilfellet kan utgangssignalene fra hver omformer registreres for seg eller anvendes på

annen måte. Summering eller subtraksjon av utgangssignalene kan foretas under registreringen eller etterpå. Som et ytterligere alternativ kan utgangssignalene fra de fire ledere subtraheres fra hverandre i serie eller parallelt til utgangsklemmene 56 og 58.

Hulrommet 30 danner et kammer 34 som er hovedsaklig men ikke fullstendig utfylt med en væske 36 som tjener som en virksom masse for geofonen 10. Det er derfor ønskelig at væsken 36 har stor tetthet og derfor er kvikksølv godt egnet. Ved denne utførelsesform utfyller væsken 36 ca. 90% av kammeret 34 idet 10% står til rådighet for utvidelse av væsken som følge av temperaturendringer innenfor arbeids-temperaturområdet for geofonen.

Med uttrykket hovedsaklig men ikke fullstendig skal forstås alle fyllingsgrader ut over 50% hvor den øvre omformer er i det minste delvis koplet fra væsken ved opprettstående geofon. Med uttrykket flytende masse skal her forstås annet fluidum enn væske f.eks. metallpulver som også er egnet som virksom masse i geofonen.

Virkningen av massen 36 på trykkomformerne 27 skal beskrives under henvisning til fig. 2 og 3 som bare viser geofonen skjematisk. Med opptrukne linjer er vist de fleksible skiver 22 når omformeren er i hviletilstand og med strekede linjer i bøyet tilstand under påvirkning av den flytende masse som følge av jordbevegelse.

På fig. 2A er geofonen 10 rett' opprettstående og utsettes for en bevegelse rett oppover i retning av pilen 42 som av massen 36 'slik at omformeren 27 vil bøyes mot bunnen 14 og omformeren 27' vil bøyes hverken oppover eller nedover fordi den ikke er koplet med massen 36. På fig. 2B heller geofon-en 45° i forhold til vertikalretningen og omformeren 27 vil bøyes utover mot bunnen 14 mens omformeren 27' vil bøyes utover mot toppen 16. Det samme vil skje på fig, 2C hvor geofonens akse danner 90° med vertikalretningen og ligger på siden. Fig. 2D viser en helning på 136° og fig.

2E viser at geofonen er snudd på hodet og danner l80° med vertikalretningen og omformeren 27' bøyes nedover mot toppen 16 og omformeren 27 bøyes ikke fordi den er koplet bort fra massen 36.

I alle posisjoner fra 0 til l80° i forhold til

den opprettstående stilling på fig, 2A, vil enten den ene eller begge omformerne 27 utsettes for en bøyning utover og vil derfor frembringe elektriske signaler 43 av samme polaritet .

Når fyllingsgraden i kammeret 34 øker, vil en annen virkning gjøre seg gjeldende. Ved tilstrekkelig stor fyllingsgrad vil den øvre omformer i vertikal stilling ikke lenger være fullstendig avkoplet selv om massen 36 ikke be-rører omformeren. På fig. 2A kan derfor omformeren 27' og på fig. 2E omformeren 27 ha en tendens til å bevege seg innover som følge av bevegelse oppover av jordoverflaten som vist med pilen 42. I slike situasjoner vil den øvre omformer frembringe et utgangssignal med motsatt polaritet i forhold til den andre omformer. Amplituden av dette signal med motsatt polaritet vil aldri være større en amplituden av signalet fra den nedre omformer. Utgangssignalet 43 fra geofonen som er summen av utgangssignalene fra omformerne 27 og 27' vil derfor alltid ha samme polaritet for alle vertikale komponenter i samme retning uansett orienteringen av geofonen i forhold til den vertikale retning.

Fyllingsgraden i kammeret 34 har en annen virkning på amplituden av utgangssignalet 43 i posisjonen på fig. 2A

eller 2E enn den har på amplituden av utgangssignalet 4l i posisjonene på fig. 2B,C eller D. Variasjonen i amplituden for samme akselerasjoner i forskjellige orienteringer av geofonen kan derfor styres ved å endre fyllingsgraden. Amplituden av utgangssignalet fra en omformer som følge av en bestemt påvirkningsamplitude er i første rekke avhengig av væske-høyden over omformerne i vedkommende orientering.

En delvis avkopling av en omformer i bestemte orienteringer kan anvendes for å gi en geofon en viss følsomhet, dvs. forholdet mellom amplituden av utgangssignalet og amplituden av den detekterte komponent uavhengig av orienteringen av geofonen i forhold til vertikalretningen.

I utførelseseksemplet er forholdet mellom diameter

og høyde av den innesluttede søyle av masse 36 valgt slik at amplituden av signalet 43 forblir hovedsaklig konstant for alle posisjonene på fig. 2A-2E, dvs. fra opprettstående stilling til opp ned stilling.

Geofonen 10 kan derfor anvendes for geofysiske undersøkelser for å detektere seismiske refleksjoner uten omhyggelig plassering av geofonen. Det vil si at en rekke slike geofoner kan anbringes med vilkårlig orientering og likevel frembringe utgangssignaler med riktig amplitude og polaritet som representerer vertikale komponenter av akselerasjoner i jordoverflaten.

I virkeligheten kan geofonen 10 bringes til å reagere bare på vertikale komponenter, dvs. at horisontale komponenter bringer omformerne 27 og 27' til å reagere på en måte hvor deres virkninger på horisontale komponenter elimineres ved summering av utgangssignalene fra omformerne

for dannelse av signalene 43.

Por å lette henvisning til tegningen skal virkningen av de horisontale komponenter i det følgende anses som akselerasjoner fra venstre til høyre. Virkningen av horisontale komponenter i enhver retning kan forstås ut fra dette.

I posisjonen på fig. 2A har horisontale komponenter ingen innvirkning på noen av omformerne fordi akselerasjonen er parallell med overflaten av omformerne. I posisjonen på fig. 2B vil omformeren 27' bøyes innover og omformeren 27 utover. Det samme gjelder posisjonene på fig. 2C og 2D, I posijonen på fig. 2E vil det ikke være noen virkning som nevnt ovenfor. I posisjonen på fig. 2C vil graden av bøyning og dermed amplituden av utgangssignalene fra omformerne 27 og 27'

være den samme. I posisjonen på fig. 2B og D kan forholdet mellom diameter og høyde av den innesluttede søyle av massen velges og fyllingsgraden i kammeret 34 justeres slik at amplituden av utgangssignalene fra omformerne 27 og 27' er tilnærmet like. Da disse signaler har motsatt polaritet,

vil de utligne hverandre når utgangssignalene fra omformerne 27 og 27' summeres for å danne signalet 43.

På denne måte er det klart at geofonen 10 kan gjøres følsom bare for vertikale og ikke for horisontale komponenter, dvs. den effektive følsomme akse for geofonen 10 forblir automatisk orientert til vertikale komponenter uten hensyn til orienteringen av geofonen.

Som nevnt ovenfor er amplitudene av utgangssignalene

i posisjonen på fig. 2C som følge av horisontale komponenter den samme men har motsatt polaritet. Ved subtraksjon av disse signaler vil de ikke utligne hverandre, men forsterke hverandre. Signalet 43 som dannes på denne måte vil derfor være proporsjonal med virkningen av de horisontale komponenter. Videre vil utgangssignalene som følge av vertikale komponenter frembragt av omformerne 27 og 27' i posisjonen på fig. 2C

ha samme amplitude og samme polaritet. Subtraksjon vil derfor resultere i utligning. Når utgangssignalene fra omformerne 27 og 27' i posisjonen på fig. 2C subtraheres, vil utgangssignalet 43 representere virkningen av de horisontale komponenter men ikke de vertikale komponenter. Når geofonen 10 endres med hensyn til orientering fra posisjonen på fig. 2C til posisjonene 2B eller 2D vil amplituden av signalet 43 ved subtraksjon minskes som en funksjon av kosinus til orienteringsvinkelen i forhold til horisontalretningen, I posisjonen på fig. 2A eller 2E vil utgangssignalet 43 over-hodet ikke representere horisontale komponenter.

Det er derfor særlig hensiktsmessig å anvende flere geofoner 10 i.hovedsaklig horisontal posisjon for å detektere reflekterte seismiske signaler. Utgangssignalene fra de enkelte omformere 27 og 27' i hvert par kan overføres hver for seg for summering og subtraksjon for direkte'anvendelse eller registreres og senere summeres eller subtraheres slik at både vertikale og horisontale komponenter kan bestemmes for samme sted på jordoverflaten ved hjelp av en av geofonene uten å flytte denne.

På fig. 3 er jordbevegelsene representert ved

pilene 42' og har en retning nedover og bevirker innover rettede bøyninger når det statiske trykk av massen og fjær-virkningen av de fleksible skiver 22 og 22' avlastes.

Alle posisjoner av geofonen 10 på fig. 3 er vist

fra opprettstående stilling på fig. 2A til opp ned stilling på fig. 3E hvor omformerne 27 og 27' vil bøyes innover dvs. bort fra bunn og topp. Omformerne vil derfor frembringe elektriske signaler 43' med en polaritet som er motsatt polariteten av signalene 43 fra omformerne på fig. 2.

Utformingen av geofonen lo gjør det forholdsvis

lett å opprettholde et ønsket forhold mellom massen av væsken 36 og massen av de øvrige komponenter i geofonen inkludert huset 12, større enn 1. Et slikt forhold er fordelaktig for seismiske undersøkelser som beskrevet i U.S.-patentskrift nr, 3.067-404. Ved tidligere kjente anordninger slik som ved kardanopphengninger for orientering av geofonen gjør den store masse for slike anordninger det praktisk talt umulig å oppnå det ønskede forhold. Fig. 6 viser en mindre fordelaktig utførelse av en geofon 10' med bare en omformer 27 i bunnen og en stiv vegg 80 som erstatter omformeren 27'. Ellers er geofonene 10 og 10' identiske. Fig. 7 viser de forskjellige orienteringer av geofonen 10' i likhet med fig. 2 for geofonen 10. Det skal bemerkes at når geofonen 10' befinner seg i opprettstående stilling som vist på fig. 7A er utgangssignalet S, identisk med hensyn til amplitude og polaritet med utgangssignalet 43 for den oppover rettede jordbevegelse 42a. Når gefonen 10' får økende helning inntil opp ned stillingen på fig. 7E, vil amplituden av utgangssignalet avta som vist med den avtagende amplitude av signalene S^, S^. Utgangssignalet S,- er hovedsaklig null når geofonen 10' står opp ned. Det skal imidlertid bemerkes at polariteten av signalene S^-Sj^ er den samme som polariteten for signalet 43 på fig. 2.

Disse sammenligninger med utgangssignalet 43 fra geofonen 10 ignorerer virkningene av utgangssignalet med motsatt polaritet fra den øvre omformer som nevnt ovenfor.

Geofonen 10 eller 10' kan anbringes i en egnet

kappe 60 (fig. 4) som er beskyttet av en elastisk hylse hvis ender er festet ved hjelp av tape 65 til den ytre hylse på en slepekabel 62. To ledere 66 og 67 forbinder utgangsklemmene fra geofonen med at par ledere i kabelen 62.

Hvis følsomheten for både vertikale og horisontale komponenter er ønskelig, kan det anvendes et ikke vist, ekstra par ledere for å forbinde geofonen med et ytterligere par ledere i kabelen 62.

Kabelen 62 kan ha et antall i innbyrdes avstand an-bragte geofoner. Ifølge oppfinnelsen kan hver geofon ligge på siden som vist på fig. 4 og gi full virkning som vist på fig. 2C, 3C og 7C for oppover og nedover rettede jordbe-vegelser representert ved pilene 42 og 42'.

Ved en utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan kabelen 62 sammen med geofonene slepes etter et trekk-kjøretøy 72 som er utstyrt med registreringsutstyr 73 for å motta og registrere signalet fra kabeelen 62. Kabelen 62 vikles av og på en spole 70 og den seismiske energi som er nødvendig for undersøkelsene kan tilføres jorden ved hjelp av en seismisk energikilde 74.

Ved en annen utførelsesform for fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan hver geofon 10 ha en kappe 90 som vist på fig. 8 og utgangsklemmene forbindes med korte kabler 91" som rager ut fra en hovedkabel 93. Det seismiske personell anbringer kabelen 93 på jordoverflaten 40 med kappene 90 i et hvert ønsket mønster, men kappene 90 behøver ikke orienteres i noen spesiell retning i forhold til vertikalretningen. Hvis kappen 90 inneholder geofonen 10', må kappen ikke 'anbringes på jordoverflaten 40 i en opp ned stilling for å hindre at massen 36 koples fra flaten 22 i den eneste omformer 27 som vist på fig. 7E.

I stedet for anvendelse av krystallomformere 24 og 24' vanligvis bestående av pietzokeramisk materiale, kan andre omformere anvendes.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte til å bestemme horisontal- og vertikalkomponenter av seismiske signaler fra vibrasjoner i jordoverflaten, ved anbringelse av et antall seismiske detektorer hovedsakelig fyllt med flytende masse, hver i vilkårlig orientering på jordoverflaten, karakterisert ved å måle trykk som av massen utøves på hver av et par med overfor hverandre anordnede trykkomformere i hver detektor, og bestemme komponentene av seismiske signaler hver for seg ved for hver detektor å kombinere utgangssignalene fra hver omformer i .paret.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved å bestemme bare de vertikale komponenter av de seismiske signaler ved å kombinere utgangssignalene fra hver omformer i paret ved addering.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved å bestemme bare de horisontale komponenter av de seismiske signaler ved å kombinere utgangssignalene fra hver omformer i paret ved subtrahering.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved å bestemme vertikal- og horisontalkomponentene hver for seg ved først å kombinere utgangssignalene ved addering og deretter ved subtrahering.

5. En seismisk signaldetektor (10) for utførelse av fremgangsmåten ifølge ett av kravene 1-4, idet detektoren inn-befatter et hus (12) med et sylindrisk kammer (30) som er luk-ket ved motsatte ender ved hjelp av trykkomformere (27, 27') anordnet ved hver av endene, og som hver består av en ledende fleksibel vegg (22, 22') og et polarisert piezoelektrisk krystall (24, 24') med en sølvelektrode (26, 26') og utgangs-ledninger (51, 51', 52, 52') forbundet henholdsvis ved den ledende veggen (22, 22') og med sølvelektroden (24, 24'), karakterisert ved et ønsket fluidumsvolum (36) mellom trykkomformerne i størrelsesorden av mer enn 50% av kammerets volum (30), innretninger innbefattende trykk-omf ormere (27, 27') og en krets (51, 51', 52, 52') for å etablere effektive følsomhetsakser i forhold til den vertikale tyngekraften uavhengig av de fleste av detektorens akseorien-teringer ved separat å avføle omformernes utgangssignalkompo-nenter som følge av fluidumets trykk (36) mot hver trykkomformer (27, 27') på grunn av akselerasjon av signaldetektoren.

6. Detektor ifølge krav 5, karakterisert ved at det for hver separat bestemmelse av størrelsen av vertikal- og horisontalkomponentene av akselerasjonskreftene er anordnet målekretser (51, 52, 51', 52') for kombinering av trykksignalene fra hver omformer i et par.

7. Detektor ifølge krav 6, karakterisert ved kretser for å utelukke de deler av omformerutgangssignalene som representerer horisontalkomponentene av akselera-sjonene ved addisjon av signalene fra trykkomformerne i hvert par.

8. Detektor ifølge krav 6, karakterisert ved kretser for å utelukke de deler av omformerutgangssig-naler som representerer vertikalkomponentene av akselera-sjonene ved subtraksjon av signalene fra trykkomformerne i hvert par.

9. Detektor ifølge krav 7, karakterisert ved at polariteten av addisjonssignalet representerer be-vegelsesretningen av vertikalkomponenten av akselerasjonsbe-vegelsen og størrelsen av addisjonssignalet er proporsjonale med størrelsen av de vertikale komponenter av akselerasjons-bevegelsen.

10. Detektor ifølge krav 6, hvor trykkomformerne (27, 27') som lukker motstående ender av det sylindriske kammer (30) danner fleksible vegger (22, 22') til hvilke er festet polariserte piezoelektriske krystaller (24, 24'), karakterisert ved hjelpemidler som omfatter signal-ledninger (51, 52, 51', 52') som er elektrisk forbundet med krystallene og danner kretsene for selektiv kombinering av omformerutgangssignalene ved innbyrdes forbindelse av sig-nalledninger med en ønsket polaritet.