NO176076B - Anordning ved seismisk luftkanon - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en anordning ved seismisk luftkanon for dempning av uønskede oscillasjoner i det avgitte signal, hvor luftkanonen har en eller flere utgangsporter for luftutblåsning rettet stort sett radielt ut fra en sentral akse for luftkanonen, og hvor det er anordnet en perforert skjerm av platemateriale omkring luftkanonen for den nevnte dempning.

Oppfinnelsen omfatter således en hydrodynamisk skjerm som plasseres utenpå en seismisk luftkanon. Formålet med skjermen er å delvis ødelegge og avskjerme den luftboble som dannes når en seismisk luftkanon avfyres.

I marin seismisk datainnsamling er luftkanon den mest brukte akustiske kilden. Lyden genereres i slike luftkanoner ved at høytrykksluft (100-200 atmosfærer) slippes ut gjennom portåpninger i luftkanonen. En av ulempene med luftkanonen som seismisk kilde er at signalet den genererer er av oscillerende natur, dvs. at signalet ikke er en ren transient trykkpuls. På grunn av den oscillerende luftboblen som dannes i vannet vil det bli avgitt flere trykkpulser etter hverandre i tillegg til primærpulsen eller -amplituden. Dette fører til at lydsignalet som sendes ned i vannet og undergrunnen blir langt (i tid), og dette vanskeliggjør tolkningen av de seismiske dataene som innsamles.

For å unngå bobleoscillasjonene nevnt ovenfor er det idag benyttet fire vanlige metoder:

1. Bruke mange kanoner med forskjellig volum

2. Gruppevis arrangement ("dusters") av kanoner; dvs. plassering av kanonene svært nær hverandre.

3. GI-kanon, som er en sammenbygging av to kanoner.

4. "Waveshapekit", som forklares nedenfor.

De to første metodene ovenfor innebærer utnyttelse av interaksjonseffekter og det faktum at forskjellige kanon-volumer gir forskjellig signal for å komponere et resultant-signal som er mer optimalt, dvs. at boblepulsene vil delvis utslokke hverandre. GI-kanonen består egentlig av to kanoner i en og samme enhet, der den ene kanonen brukes til å generere signalet, mens den andre brukes til å dempe boblen. Ulempen med denne kanonen (som er den kanonen som gir det mest optimale signalet) er at den er dyrere enn konvensjonelle kanoner, samt at den krever 2-3 ganger så mye høy-trykksluft som konvensjonelle kanoner. Det nevnte "Waveshapekit" består av en plate med hull i som plasseres inni selve trykk-kammeret i kanonen. Dette fører til at signalet forbedres, men ulempen med dette "Waveshapekit" er imidlertid at primærsignalet også blir svekket.

En annen metode som ikke er kommersielt i bruk, er beskrevet i US-patent 3.525.416, som omhandler en luftoperert seismisk kilde inne i en helt lukket, perforert skjerm. Denne kjente kilde med skjerm er imidlertid så stor og lite praktisk for kommersiell seismikk at den ikke er i bruk.

Det er et formål med denne oppfinnelse å tilveiebringe en ny og forbedret anordning ved seismiske luftkanoner for dempning av de uønskede bobleoscillasjoner. På bakgrunn av den nettopp omtalte kjente teknikk, blir dette ved en anordning som innledningsvis angitt, ifølge oppfinnelsen oppnådd ved at det volum som stort sett avgrenses innenfor skjermen er betydelig mindre enn den maksimale boblestørrelse som luftkanonen normalt frembringer, at skjermen har en åpen side eller ende på et parti av skjermen som er innrettet til i det minste delvis å vende nedad i normal operativ stilling av luftkanonen, og at i det minste kantpartier av skjermen langs den åpne side eller ende er beliggende i det vesentlige rett ut for utgangsporten eller -portene.

Ytterligere særegne trekk ved anordningen ifølge oppfinnelsen fremgår av patentkravene.

Oppfinnelsen samt forskjellige fordeler ved denne skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor: fig. 1 viser et skjematisk og aksielt snitt gjennom en kjent type luftkanon, f.eks. med fire utgangsporter,

fig. 2 viser i to diagrammer (2A resp. 2B) karakteristiske trykksignaturer fra en luftkanon henholdsvis uten

og med en skjermanordning ifølge oppfinnelsen, fig.3 viser i perspektiv fra siden en mulig utførelse av en skjerm som kan inngå i en anordning ifølge oppfinnelsen,

fig. 4 viser den sylindriske skjerm på fig. 3, sett oven-fra,

fig. 5 viser i aksielt snitt luftkanonen på fig. 1 forsynt

med en skjerm ifølge fig. 3 og 4,

fig. 6 viser i perspektiv en konisk utførelse av en skjerm

for bruk i anordningen ifølge oppfinnelsen,

fig. 7 viser skjermen på fig. 6 montert på en luftkanon

som på fig. 1,

fig. 8 viser samme luftkanon som på fig. 1, beregnet for bruk i liggende stilling under operasjon, forsynt

med en skjerm som har en sylindrisk hovedform, og fig. 9 viser en luftkanon i tilsvarende stilling som på

fig. 8, men forsynt med en konisk skjerm.

Luftkanonen 10 på fig. 1 er av den type som omfatter et øvre kammer 10B og et avfyringskammer 10C med tilførsel av høytrykksluft ved 10A. Et stempel 8 er anordnet sentralt og aksielt mellom de to kamre 10B og 10C, og er ved avfyring innrettet til å forskyves til den posisjon som er vist med stiplede linjer, dvs. ved frigjøring av høytrykksluften slik at denne kan strømme ut gjennom en eller flere porter 9 som er rettet stort sett radielt utad fra luftkanonens lengdeakse. Utløsning ved avfyring skjer ved hjelp av en magnet-ventil på toppen av luftkanonen 10.

Fig. 2A viser nærfeltsignaturen for en slik luftkanon med en viss størrelse på avfyringskammeret (1,6 ins.<3>) og med et tilført lufttrykk på 100 bar. Denne nærfeltsignatur, som er den karakteristiske trykksignatur fra denne og lignende typer luftkanoner, har en primær-amplitude 1 og påfølgende boblepulser eller -amplituder 2 som gir de foran omtalte uheldige virkninger under seismiske målinger.

Ved å anordne en skjerm som vist på fig. 3 og 4 på den foran omtalte og viste luftkanon 10 (se fig. 5) blir det oppnådd en vesentlig forbedring i forhold til trykksignaturen på fig. 2A, slik det skal forklares nedenfor.

Ved å plassere en slik hydrodynamisk skjerm 20 i rust-fritt stål eller aluminium perforert med hull 4, 5, 6, på utsiden av luftkanonen 10, oppnår vi å skjerme av boblen og delvis stykke den opp. Dette fører til at de sekundære bobleoscillasjonene 2' svekkes betraktelig, som det kan observeres i figur 2B. Den hydrodynamiske skjerm eller bobledemper ifølge oppfinnelsen som er vist på tegningens fig. 3-5 har i prinsippet en sylinder-form. Mange andre hovedformer kan imidlertid anvendes, fortrinnsvis med rota-sjons-symmetri om en akse svarende til luftkanonens lengdeakse. Det er ikke på fig. 5 angitt hvordan festeanordningen for skjermen (bobledemperen) på kanonen skal utformes, da mulighetene her er mange i betraktning av de forskjellige kanontyper som oppfinnelsen kan benyttes på.

Virkemåten av en luftkanon med skjermanordning som her beskrevet, kan forklares som følger: Ved avfyring av en seismisk luftkanon (f.eks. kanonen 10) vil luften raskt ventileres ut gjennom portåpningene 9 og kanonen starter umiddelbart å generere en akustisk trykkpuls i vannet. Maksimal primæramplitude 1 fås nesten instantant når portene åpnes (2-8 millisekund, avhengig av volumet på avfyringskammeret 10C). Den frigjorte luften utøver en skyvekraft på det omkringliggende vann og akselererer vannet radielt utover. Luften vil da ekspandere, og siden vannet som blir satt i bevegelse får en viss bevegelsesenergi, vil boblen vokse inntil gasstrykket har sunket til under det hydrostatiske trykk. Ved første maksimale boblestørrelse vil det observeres en første minimumsverdi på trykksignaturen som vist ved 3, resp. 3' på fig. 2A og 2B. På grunn av det hydrostatiske trykket vil boblen begynne å trekke seg sammen og ved neste minimumsradius vil det observeres et første maksimum av bobleamlitude 2. Disse oscillasjonene vil fort-sette med gradvis mindre bobleamplituder inntil luftboblen har steget til overflaten, går til likevekt, eller ødelegges.

Det er derfor et primært formål med anordningen ifølge oppfinnelsen å avskjerme og ødelegge boblen samt å delvis hindre at den trekker seg sammen igjen. Dette gjøres ved at det lages hull (perforeringer) 4, 5, 6 i skjermen 20. Noen av disse (5) plasseres rett utenfor portåpningene 9 og noen (4) plasseres andre steder på skjermen, slik at luften stykkes opp og vannet som skal retardere boblebevegelsen får en viss tidsforsinkelse. Det er også viktig at det plasseres hull 6 på toppen av skjermen 20, nemlig omkring en større sentral åpning 7 som tjener til å feste skjermen på luftkanonen .

Den foran omtalte virkemåte og de fordeler som oppfinnelsen innebærer, har bl.a. sammenheng med at det volum som avgrenses innenfor skjermen 20 er betydelig mindre enn den maksimale boblestørrelse som luftkanonen 10 normalt frembringer under vanlige operasjons- eller driftsbetingelser. Størrelsen av skjermen 20 og arrangementet av hull 4, 5, 6 i denne vil således i vesentlig grad være bestemt av kanon-dimensjonen eller -kapasiteten, dvs. mengden av frigjort luft fra denne ved avfyring. Konstruksjonen ifølge det innledningsvis omtalte US-patent 3.525.416 vil eksempelvis normalt frembringe en boble med diameter 1 meter, og ifølge denne kjente løsning skal den lukkede skjerm der være større enn denne boble. Til sammenligning vil en luftkanon med tilsvarende kapasitet ha en skjermanordning ifølge oppfinnelsen av dimensjoner 20-30 cm, eventuelt opptil 50 cm diameter eller tverrmål, dvs. betydelig mindre enn den normalt frembragte maksimale boblestørrelse. I mange tilfeller foretrekkes det ifølge oppfinnelsen at det volum som stort sett avgrenses innenfor skjermen er mindre enn halvparten av den normalt maksimale boblestørrelse fra vedkommende luftkanon.

Et annet vesentlig trekk ved anordningen ifølge oppfinnelsen er at skjermen 20 har en åpen side eller ende innrettet til stort sett å vende nedad i luftkanonens normale operasjonsstilling. I utførelsen på fig. 5 er luftkanonen 10 innrettet til å innta en vertikal stilling under operasjon, og det fremgår at skjermen 20 har en nedadrettet åpen ende som defineres ved den sirkulære platekant 2OA. På dette parti av skjermen 20 foreligger det dermed en åpning som har en ganske betydelig størrelse i forhold til det totale overflateareal som skjermen 20 har. Denne store åpning ved 20A er dessuten plassert i forholdsvis nær tilknytning til porten eller portene 9 for luftutblåsning fra kanonen 10. Dette arrangement er optimalt for mest mulig å unngå dempning av trykksignaturens primæramplitude, som vist ved 1 resp. 1' på fig. 2A og 2B. Det forhold at den åpne side eller ende av skjermen i prinsippet skal vende nedad i kanonens operasjonsstilling, har sammenheng med det faktum at luftboblen har en sterk tilbøyelighet til å stige oppad i vannet. Skjermanordningen ifølge oppfinnelsen er således i vesentlig grad innrettet til å "oppfange" boblen ved stort sett å omgi denne på oversiden og sideveis.

Mer spesielt fremgår det av fig. 5 at den nevnte kant 2OA på skjermen 20 omkring dennes åpne ende, forløper tilnærmet i flukt med den nedre eller ytre kant 9A i utgangsporten eller portene 9. Dette relative geometriske forhold mellom utgangsport 9 og skjermens begrensningskant omkring åpningen, kan gjenfinnes i det minste delvis også i de øvrige utførelser ifølge oppfinnelsen, som skal omtales nedenfor under henvisning til fig. 7, 8 og 9. Det er således fore-trukket ifølge oppfinnelsen at skjermanordningens utformning og dimensjoner er avpasset slik at kantpartier av skjermen langs åpningen ligger i det vesentlige rett ut for utgangsporten eller -portene, dvs. at disse partier akkurat dekker portåpningene og dermed vil luftstrålene fra disse treffe disse partier av skjermveggen like etter avfyring. Like viktig er det imidlertid som nevnt ovenfor at skjermens åpne side eller ende befinner seg i umiddelbar nærhet av luftkanonens porter.

Når det gjelder arrangmentet av perforeringer eller hull i skjermen 20, skal det henvises til fig. 3 og 4, som viser at skjermen 20 har en noe mer åpen perforering i form av hullene 5 ved kantpartiene nær kanten 2OA enn på tilstøtende områder av skjermen, hvor hullene 4 er plassert. Videre fremgår det, særlig av fig. 4, at en mer åpen perforering, dvs. et tettere arrangement av hull 6, er å finne på endedelen av skjermen 20 motsatt av åpningen ved 2OA. Det tettere arrangement av hull 5 kan forklares med den større intensitet av luftstråler eller -utblåsning som treffer dette parti av skjermen 20, mens det større antall hull 6 på topp-eller endedelen omkring festehullet 7, har sammenheng med luftboblens oppadstigende tendens. Nærmere bestemt vil vann strømme inn fra nedre del av skjermen slik at når boblen stiger vil luften bli presset opp mot den øvre del og gradvis ventileres ut gjennom hullene 6 på toppen. Hensikten med disse og det viste arrangement er å forsterke den prosess som stykker opp boblen etterhvert som den stiger. De områder innenfor eller på skjermen som luftboblen vil bevege seg til i tiden etter en avfyring, avhenger foruten av oppdriften i vannet også av strømmer i vannet, eventuelt vannstrømning som skyldes sleping av luftkanonene.

Perforeringen i sin helhet, dvs. den totale samling av hull 4, 5 og 6 på fig. 3-5, utgjør i det minste 5% av skjermens samlede overflateareal.

På grunn av luftboblens oppdrift vil kanonen få en hoppebevegelse ved avfyring. Denne effekt må også tas med i optimaliseringsberegningen for antall og plassering av hull 4, 5, 6 og størrelsen av disse samt størrelsen av skjermen og vekten av denne. Skjermen er således ifølge oppfinnelsen fortrinnsvis vektbelastet, eventuelt i form av en overdimensjonert veggtykkelse i skjermen, særlig i områder nær den åpne side eller ende. En slik plassering vil bidra til å bedre stabiliteten av luftkanonen med skjermanordning under operasjon. Videre er det som nevnt viktig at skjermen i det minste går ned til nedre del av portåpningene slik at mest mulig av boblen fanges opp.

I utførelsen på fig. 6 og 7 har skjermen 30 en i det vesentlige konisk hovedform, og er forsynt med et hull-arrangement 14, 15, 16 temmelig analogt med perforeringen i den sylindriske skjerm 20 på fig. 3-5. Også i andre hense-ender er den koniske utførelse analog med den sylindriske, og begge er innrettet til å innta en vertikal stilling under operasjon. Den nedre begrensningskant 3OA på skjermen 30 er som vist på fig. 7, beliggende på et nivå litt lavere enn den nedre eller ytre kantdel 9A i kanonens luftåpninger 9. Den koniske utførelse vil åpenbart gjøre det lettere å oppnå en stor åpning nedad fra den sammensatte anordning med kanon 10 og skjerm 30.

De utførelser som er omtalt ovenfor er begge basert på en vertikal orientering av luftkanonen 10 under operasjon. Oppfinnelsen kan også tilpasses for situasjoner hvor luftkanonen under drift inntar en mer eller mindre horisontal stilling, og to slike utførelser er vist på fig. 8 (sylindrisk skjerm) og fig. 9 (konisk skjerm).

Med en kanon som ligger eller taues i vannrett stilling må skjermen og plasseringen av hullene modifiseres slik at mesteparten av boblen til enhver tid fanges inn i bobledemperen. I dette tilfellet må skjermen forlenges og delvis lukkes ved noen av portåpningene slik at man eksempelvis får en halvsylindrisk eventuelt konisk form nedenfor portene som vist på fig. 8 resp. fig. 9. Det viktigste kravet ved slik endring av kanonens stilling med tilhørende modifisering av bobledemperens (skjermens) form, er imidlertid fortsatt at skjermen har en åpen side eller ende på tilsvarende måte som i de foregående utførelser.

Nærmere bestemt fremgår det av fig. 8 at luftkanonen 10 ved bruk i horisontal stilling er forsynt med en sylindrisk skjerm 40 som ved sin (høyre) endedel er festet til luftkanonen på lignende måte som de foregående utførelser. Denne skjerm 40 er forsåvidt bare delvis sylindrisk, dvs. langs veggdelen 41, da en utskjæring med begrensningskanter 44A og 44B danner den nødvendige åpne side eller ende. Kanten 44A ligger i et radielt plan, og danner en halvsirkel i forhold til den sentrale, horisontale lengdeakse for luftkanonen 10, mens kanten 44B ligger i et aksielt plan, nærmest vist sammenfallende med lengdeaksen. Det fremkommer således en halvsirkulær bunndel 42 som i likhet med de øvrige vegg-partier på denne skjerm 40 kan være forsynt med perforerte hull. Hull er vist ved 24, 25 og 26 på de øvrige veggdeler, og disse hull kan være anordnet med antall og fordeling basert på tilsvarende prinsipp som i de foregående utførelser.

Den horisontale koniske utførelse på fig. 9 omfatter en skjerm 50 med en konisk veggdel 51, en topp- eller endedel som er festet til luftkanonen 10, og en bunndel 52. Denne bunndel er tydelig større enn bunndelen 42 på fig. 8. Like-ledes vil den åpne side eller ende som på fig. 9 avgrenses av kantene 55A og 55B, være større enn den tilsvarende åpning på fig. 8. Dette skyldes åpenbart den koniske form, slik som også nevnt ovenfor. På fig. 9 er det analogt med de foregående utførelser vist hull 34, 3 5 og 36.

Begrensningskantene 44A (fig. 8) og 55A (fig. 9) for-løper tilnærmet radielt i flukt med den tilsvarende ytre kant 9A på utgangsportene 9. Også i disse to siste utførelser vil skjermen (40 resp. 50) være i stand til å fange opp mesteparten av den frigjorte luftmengde like etter avfyring, samtidig som den frie åpning som delvis vender nedad, til-later at primærpulsens amplitude ikke blir nevneverdig redusert.

Blant mulige modifikasjoner i forhold til de utførelser som er illustrert og beskrevet ovenfor, nevnes eksempelvis at anvendte typer av vanlige luftkanoner kan ha en enkelt utgangsport som strekker seg i prinsippet uten avbrudd i 360° rundt kanonens akse. Skjermanordningen ifølge oppfinnelsen vil åpenbart virke uten problemer også med slike luftkanoner. Perforeringen er på tegningsfigurene vist i form av sirkulære hull, men det er klart at også andre hullformer vil kunne benyttes. I utførelsene på fig. 8 og 9 vil det i tillegg til en fast eller stiv befestigelse av skjermen ved toppen (høyre ende) av luftkanonen 10, også være hensiktsmessig å ha en festeinnretning ved den motsatte ende (bunnen) av anordningen.

Claims (10)

1. Anordning ved seismisk luftkanon (10) for dempning av uønskede oscillasjoner i det avgitte signal, hvor luftkanonen har en eller flere utgangsporter (9) for luftutblåsning rettet stort sett radielt ut fra en sentral akse for luftkanonen (10), og hvor det er anordnet en perforert skjerm (20,30,40,50) av platemateriale omkring luftkanonen for den nevnte dempning, karakterisert ved at det volum som stort sett avgrenses innenfor skjermen (20,30,40,50) er betydelig mindre enn den maksimale boble-størrelse som luftkanonen (10) normalt frembringer, at skjermen (20,30,40,50) har en åpen side eller ende (2OA,3OA,44A-B,55A-B) på et parti av skjermen som er innrettet til i det minste delvis å vende nedad i normal operativ stilling av luftkanonen (10), og at i det minste kantpartier av skjermen langs den åpne side eller ende (20A,30A,44A-B,55A-B) er beliggende i det vesentlige rett ut for utgangsporten eller -portene (9).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at det volum som avgrenses innenfor skjermen (20,30,40,50) stort sett er mindre enn halvparten av den maksimale boblestørrelse som luftkanonen (10) normalt frembringer.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at skjermen (20,40) har en i det vesentlige sylindrisk hovedform.

4. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at skjermen (30,50) har en i det vesentlige konisk hovedform med den åpne side eller ende (30A,55A-B) ved den videste del av den koniske skjerm.

5. Anordning ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at kanten (20A,30A,44A,55A) av skjermen (20,30,40,50) mot den åpne side eller ende i det minste delvis forløper tilnærmet radielt i flukt med en tilsvarende ytre kant (9A) i en eller flere utgangsporter (9) •

6. Anordning ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at de nevnte kantpartier har en mer åpen perforering (5,15,25,35) enn tilstøtende flateområder på skjermen (20,40,40,50).

7. Anordning ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at en endedel av skjermen (20,30,40,50) motsatt av den åpne side eller ende har en mer åpen perforering (6,16,26,3 6) enn tilstøtende flateområder på skjermen (20,30,40,50).

8. Anordning ifølge et av kravene 1-7, karakterisert ved at perforeringen (4,14,24,34,5,15,25,35,6,16,26,36) totalt utgjør i det minste 5% av skjermens (20,30,40,50) samlede overflateareal.

9. Anordning ifølge et av kravene 1-8, karakterisert ved at skjermen (20,30,40,50) er fortrinnsvis stivt festet til luftkanonen (10) i et sentralt parti (7,17) av en endedel av skjermen motsatt av den åpne side eller ende.

10. Anordning ifølge et av kravene 1-9, karakterisert ved at skjermen (20,30,40,50) er vektbelastet, fortrinnsvis i form av en overdimensjonert veggtykkelse i skjermen, særlig i områder nær den åpne side eller ende.