NO168611B - Seismisk kabelanordning - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for og en fremgangsmåte ved utførelse av marine undersøkelser av det slaget som er angitt i innledningene til hovedkravene. Generelt vedrører oppfinnelsen seismisk undersøkelse av berggrunnen til havs hvor man måler trykk- og skjærbølger fra berggrunnen som respons på utløsning av trykk- og/eller skjærbølgeenergi.

Bakgrunn

Marine seismiske undersøkelser utføres vanligvis ved at en seismisk kabel utstyrt med en rekke hydrofoner, taues på en bestemt dybde. Trykkbølger utløses nær kabelen på flere måter. Vanligvis skjer dette ved hjelp av luftkanoner. Trykkbølgeenergien beveger seg nedover gjennom berggrunnen, men deler av trykkbølgene reflekteres fra områder hvor det er akustiske impedans-karakteristikker i berggrunnen. Hydro-fonene registrerer de reflekterte trykkbølgene i vannet og omdanner denne informasjonen til elektriske signaler som mottas og bearbeides på det seismiske skipet som tauer kabelen. Ved denne metode er det bare reflektert og/eller konvertert skjær til trykkbølgeenergi som registreres. Men det er kjent at det nede i grunnen vil bli reflektert både trykkbølger og skjærbølger. Skjærbølgene forplanter seg ikke i vann og kan derfor ikke oppfanges av en hydrofonkabel. Dessuten er det ikke mulig med dagens konvensjonelle hydro-fonteknologi å oppfange retningene på de målte signaler og dette vanskeliggjør sterkt muligheter for tre-dimensjonale datainnsamling.

Formål

Oppfinnelsens formål er å tilveiebringe en ny og bedre anordning og fremgangsmåte for å registrere tre-dimensjonale trykk- og skjærbølger som forplanter seg i grunnen.

Oppfinnelsens prinsipp

Det nye og særegne ved oppfinnelsen er angitt i den karak-teriserende delen av de to hovedkravene. Ytterligere fordel-aktige trekk er angitt i de uselvstendige krav.

Oppfinnelsen vil i det etterfølgende bli nærmere beskrevet under henvisning til de medfølgende tegninger hvor: Fig. 1 illustrerer stolper inneholdende seismisk utstyr og tilknyttet en hovedkabel. Fig. 2 viser i større målestokk et skjematisk riss av en stolpe. Fig. 3 illustrerer en undervannsfarkost etter utlegging av kabelstolper på havbunnene,, under utførelse av seismisk undersøkelse. Fig. 4 illustrerer en overflatestyrt utførelse av en seismisk undersøkelse.

På fig. 1 er det illustrert stolper 1 som er satt ned i havbunnen 2. Stolpene er via grenkabler 3 tilkoblet en hovedkabel 4 som løper til et seismisk skip, f.eks. en undervannsbåt eller et overflatefartøy. Både grenkablene 3 og hovedkabelen 4 vil i en praktisk utførelse inneholde en datakabel og en eller flere trekk-kabler. Selve nedsettingen av stolpene i havbunnen vil bli nærmere forklart senere.

På fig. 2 er det i større målestokk vist en skjematisk utførelse av en stolpe som omfatter et sylindrisk parti 6, en nedre konisk formet eller spiss ende 7 og et øvre parti 8. Det øvre parti 8 er tilpasset utstyr for å sette stolpen ned i havbunnen. I den viste utførelse er det øvre parti utformet med et flensparti 9, men også andre utførelses-former vil kunne anvendes. Denne utformingen er fordelaktig ved at flensen 9 kan benyttes som anslagsorgan ved nedtrykking av stolpen i bunnen. Som man vil se av fig. 2 omfatter det øvre partiet 8 også et sentralt plassert uttak 10 for grenkabelen 3. Det øvre partiet 8 er tilkoblet en flens 11 på stolpens sylindriske parti 6 ved hjelp av en skrufor-bindelse 12. Grenkabelens gjennomgang vil være vanntett anordnet.

Stolpens spisse ende 7 er isolert fra resten av stolpen 1 av et vibrasjonsisolerende mellomstykke 14. I en foretrukket utførelse er mellomstykket 14 fremstilt av en elastomer.

Selve spissen er på fig. 2 vist med en ren konisk form som gjør at stolpen lett trenger ned i havbunnen. Andre ut-førelsesformer er også anvendelige, f.eks. en todelt spiss med en nedre kjegleform som ender i en skulder og som der-etter går over i et nytt kjegleparti som antydet på fig. 1. Innenfor oppfinnelsens rammer kan det også tenkes andre utførelser av spissen.

Stolpens sylindriske parti 6 utgjør hovedvolumet av stolpen og inneholder en vesentlig del av alt utstyr. Selve stolpen bør være fremstilt av et metall, gjerne en aluminiums-legering .

Stolpens spisse ende inneholder i en foretrukket utførelse tre geofoner 15-17 arrangert tredimensjonalt i en x, y og z-retning. Geofonene 15-17 som sådan er av i og for seg kjent type som er kommersielt tilgjengelige, og vil derfor ikke b^li nærmere beskrevet. Det er viktig at geofonene 15-17 gis en^god kontakt med geostolpens spisse ende 7 noe som kan ordnes ved at geofonene 15-17 er støpt fast i den spisse ende ved hjelp av et polymermateriale.

I den spisse enden 7 er det i den viste utførelse plassert en elektrisk vinkelmåler 18 som basert på tyngdekraften gir stolpens vinkel med vertikalaksen. Den spisse enden omfatter videre et kompass 19 hvor man kan lese av stolpens rotasjon i planet. Ved hjelp av disse instrumentene kan man bestemme stolpens nøyaktige orientering, noe som er nødvendig for å kunne bestemme retningen til reflekterte trykk- og sjær-bølger som skal registreres. Kompasset 19 og vinkelmåleren 18 kan også være plassert i det sylindriske parti 6.

Stolpens sylindriske parti 6 inneholder de øvrige utstyrs-komponenter. Plasseringen av de forskjellige komponenter bestemmes av flere faktorer. En viktig faktor er at stolpens tyngdepunkt skal komme nærmest mulig den spisse ende 7. Det er også ønskelig at komponenter som står i direkte kontakt med hverandre er lokalisert inntil hverandre.

I den viste utførelse er det nederst i det sylindriske partiet plassert et batteri 20 som kan forsyne de øvrige

komponenter med strøm. Fortrinnsvis velges Lithium-batterier som er oppladbare. Man kunne selvsagt tenkes å kunne tilføre strøm til de ulike komponenter via hovedkabelen, men når det er mange stolper langs en kabel, vil det kunne opppstå

uakseptable spenningsforskjeller i de forskjellige stolper.

Ovenfor batteriet er det i en neste enhet plassert en prosessor 21 som i det minste behandler signaler fra geofonene 7-9 og fra den elektroniske vinkelmåler 19/kompasset 18. Prosessoren 21 utgjør ikke en nødvendig del av stolpens utstyr, idet alle signaler kunne sendes uprossesert til det seismiske skipet og blir prossesert i en sentral enhet. Men p.g.a. de enorme datamengder som man vil få ved anvendelse av mange stolper, er det. foretrukket å foreta en forprosses-ering i hver stolpe for å redusere mengden informasjon som sendes ut fra hver stolpe. Stolpen omfatter videre en kraftforsyningsenhet 22 for fordeling av kraft til de ulike enheter.

Øverste enhet i stolpen omfatter en hydrofon 23 som er en transducer for trykk-bølger. Trykk- og skjærbølger som reflekteres fra sedimentene fanges opp av de tre-dimensjonale geofonene plassert i den nedre spisse ende 7 av stolpen, mens hydrofonen 23 bare fanger opp trykkbølger i vannlaget. Når man sammenholder målinger fra hydrofonen og fra de 3 D-geofonene 15-17, og tar i betraktning avstand mellom hydrofon 23 og geofoner 15-17, er det mulig å skille oppadgående, reflekterte trykk- og skjærbølger fra nedgående trykkbølgene som reflekteres fra havoverflaten.

Uten at det på noen måte skal anses å være begrensende for oppfinnelsen, så vil typiske dimensjoner for en stolpe kunne være en lengde på ca. 1 m og en diameter på ca. 10 cm. Stolpen skal ved anvendelse trykkes godt ned i havbunnen for at den spisse delen 7 skal gi god kobling mot grunnen. Med de dimensjoner på stolpen som er nevnt ovenfor så vil den typisk bli trykket ca. 20-40 cm ned i grunnen. Dybden er forøvrig sterkt avhengig av bunnens beskaffelse. Bløt bunn fordrer dypere nedtrykking.

I det etterfølgende vil en foretrukket fremgangsmåte ved anvendelse av flere kabeltilknyttede stolper ved seismisk undersøkelse av berggrunnen til havs, bli beskrevet under henvisning til fig. 3 og 4.

I en foretrukket utførelse vil stolpene som vist på fig. 3 forut for undersøkelsen bli satt ned i havbunnen 2 ved hjelp av f.eks. en fjernstyrt undervannsfarkost 28. Hver stolpe 1 er koblet til en hovedkabel 4 som løper til et seismisk skip, på figuren illustrert ved en undervannsfarkost 29.

Ved en praktisk anvendelse kan det nok tenkes at man bare vil benytte en kabel 4, men i de fleste situasjoner vil det være foretrukket å benytte to eller flere parallelle hoved-kabler 4.

Etter at stolpene 21 er plassert og trykket ned i havbunnen, kan den seismiske undersøkelse starte.

Det seismiske skipet vil være utstyrt med en kilde 24 for å generere bølgeenergi ned i grunnen i nærheten av stolpene 21. Bølgeenergikilden kan komme fra mange i for seg kjente typer generatorer. Luftkanon, som er den mest vanlige kilden ved marin overflate-seismikk, er aktuell, selv om den genererer "sekundære kilder" (bobleeffekter) som vil øke med økende havdyp. Eksplosive kilder er en annen velprøvet energikilde som gir svært gode resultater. Eksplosivene kan legges ut på havbunnen eller bores få meter ned i grunnen.

Ved anvendelse av en undervannsfarkost 29 vil en marin bunn-vibrator 24 være særlig hensiktsmessig. Det kan benyttes en modifisert utgave av eksisterende vibratorer som presses mot havbunnen og virker som landseismiske vibratorer under operasjonen.

Fordelen med å plassere en vibrator på havbunnen, er at det da er mulig å få en større del av energien penetrert ned i havbunnen og dessuten kontroll og fleksibilitet på de utsendte kildesignaturer.

I det etterfølgende vil en seismisk undersøkelse ifølge oppfinnelsen bli nærmere beskrevet.

En trykk- eller kombinert trykk- og skjærbølge genereres fra en kilde og forplanter seg fra havbunnen 2 og nedover i berggrunnen. I områder hvor det er skille i akustisk impedans mellom lagene i grunnen, f.eks. punktene 25 og 26, vil en del av energien bli reflektert oppover som en kom-binasjon av skjær og trykk-bølger. De er på fig. 3 antydet som bølge 25a, 26a fra punktene 25 og 26 og bølgene registreres av stolpenes geofoner og hydrofoner. Skjær-bølgene forplanter seg ikke i vann og vil stoppe ved havbunnen 2, men trykkbølgene vil forplante seg videre oppover, på fig. 3 illustrert som bølgene 25b, 26b som vil nå til vannflaten 27 hvor en del av den vil bli reflektert mot havbunnen igjen som bølgene 25c, 26c. Formålet med stolpenes hydrofoner sammen med geofonene er nettopp å kunne registrere nedadgående refleksjonsbølger fra overflaten sammen med de oppadgående refleksjonsbølgene. Ved at geofoner og hydrofoner har kjent orientering og dybdeavstand seg i mellom er det mulig å separere opp- og nedadgående bølger.

En slik seperasjon vil være nødvendig fordi multipler eller refleksjoner fra havoverflaten vil komme inn ved flere tider og vil dominere målingene mer enn i konvensjonell innsamling.

Etter at det seismiske skipet fra en posisjon har generert bølgeenergien, skifter skipet posisjon (mens stolpene står på plass) og genererer ny bølgeenergi. Det seismiske skipets skiftning av posisjon for hver gang man genererer bølge-energi vil skje etter et på forhånd oppsatt mønster. For å få til dette har man en viss lengde kabel på en trommel.

På fig. 4 er det illustrert utførelse av en tilsvarende seismisk undersøkelse ved hjelp av overflatefartøyer hvor et første overflatefartøy 31 utgjør det seismiske skip som står i forbindelse med hovedkabelen 4. Et andre overflatefartøy 32 genererer trykkbølger i ulike posisjoner i forhold til hovedkabelens stolpe.

Når den seismiske undersøkelse foregår i nærheten av en off-shore installasjon hvor det foregår boring, vil også bølgeenergi fra boringen være en aktuell kilde for seismiske målinger.

Ved anvendelse av overflatefartøyer til utførelse av den seismiske undersøkelse, vil det være enklest å benytte en ROV 35 til å sette stolpene ned i havbunnen.

På fig. 4 er det vist kun en hovedkabel 4, men det er slik å forstå at også flere parallelle kabler 4 og kabler med ulik lengde kan være aktuelle.

På fig. 4 er det antydet en hydrofonkabel 33 som flyter i en bestemt avstand over og parallellt med hovedkabelen 4. Dette vil være en alternativ utførelse til å ha hydrofoner plassert i stolpens øvre parti. Dette er aktuelt bl.a. fordi denne type hydrofonkabler ér kommersielt tilgjengelig idag.

Claims (4)

1. Anordning omfattende instrumenter for innsamling og registrering av signaler ved seismisk undersøkelse av berggrunnen til havs idet anordningen er utformet som en stolpe som er innrettet for å presses ned i havbunnen og omfatter en spiss nedre ende (7), et midtre tilnærmet sylindrisk formet hovedparti (6)/ et toppstykke (8) innrettet for setting/trekking og øvrig håndtering av anordningen, idet anordningen omfatter instrumenter for måling både av skjærbølger og trykkbølger karakterisert ved at det er plassert et vibrasjonsabsorberende mellomstykke (14) mellom den spisse ende (6) og det midtre hovedparti (6), at anordningens spisse ende (7) omfatter tre geofoner anordnet i x, y og z retning, en hydrofon (23) som er plassert så høyt at den er i væskemedium i anordningens øvre ende, en elektronisk vinkelmåler som angir anordningens vinkel med vertikalaksen, et kompass som angir stolpens rotasjon i planet og en prosessor som i det minste prosesserer signalene fra geofonene (15-17), vinkelmåleren (19), kompasset (18) og hydrofonen (23).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at anordningen omfatter en kraftforsyningsenhet (22) for fordeling av kraft til de ulike enheter.

3. Anordning ifølge krav 1,karakterisert ved at det i toppstykket (8) er anordnet et vanntett uttak (10) for en grenkabel (3).

4. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at stolpens øvre parti er utformet med et flensparti (9) innrettet for nedtrykking av stolpen i bunnen og en nedre flens (11) som fungerer som anslagsorgan ved opptrekking av stolpen fra havbunnen (2).