NO177247B - Fremgangsmåte for bestemmelse av de relative posisjoner av en flerhet av akustiske elementer - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for bestemmelse av de relative posisjoner av en flerhet av akustiske elementer som er plassert på to eller flere streamere som danner en streamer (hydrofon) gruppe, idet noen av de nevnte akustiske elementer utgjør en akustisk sender og noen utgjør en akustisk mottaker, hvilken fremgangsmåte omfatter sekvensielt ved forhåndsbestemte tidsintervaller å sende signaler med i det minste et forhåndsbestemt antall av de akustiske sendere og å observere responsene fra i det minste et forhåndsbestemt antall av de akustiske mottakere som reaksjon derpå, samtidig som alle de akustiske elementer blir betjent i det minste én gang, enten i sendermodus eller mottakermodus, og samtidig som de observerte responser blir underkastet signalbehandling.

Oppfinnelsen finner spesiell anvendelse i forbindelse med marinseismisk undersøkelse og vil i det følgende bli beskrevet under henvisning til denne anvendelse, selv om det skal forstås at teknikken kan benyttes for andre anvendelser og er ikke begrenset til bruken innen området hørende til marinseismologi.

Ifølge oppfinnelsen benyttes det multi-bane akustisk av-standsbedømmelse, som i forbindelse med anvendelsen relatert til marinseismisk undersøkelse, utføres mellom en flerhet av slepte seismiske detektorgrupper som skal bestemme de relative posisjoner for en flerhet av fikserte punkter i, og fra disse data bestemme formen for en flerhet av slepte seismiske detektorgrupper.

Fundamentalt benytter teknikken ved marinseismisk reflek-sjon et sjøgående fartøy som er forsynt med en seismisk energikilde som sender ut et styrt bølgefelt i jordskorpen, samt en gruppe av hydrofoner (en streamer) som mottar reflekterte seismiske bølger som returneres fra de geologiske grenser i bakken. I praksis blir den seismiske kilde aktivisert med regulære intervaller etter hvert som far-tøyet navigerer seg langs linjer på sjøflaten, som er selektert slik at de dekker geologiske trekk i undergrunnen. Seismisk databehandling vil fremskaffe en reflek-sjonsprofil, som kan tolkes med hensyn til tverrsnitts-geologi ("cross sectional geologi") under den seismiske linje. Ved 2-D (todimensjonal) teknikk har de seismiske linjer stor innbyrdes avstand (flere kilometer) over et utforskningsområde, slik at lovende hydrokarbon-mål kan identifiseres ved korrelerende geologiske trekk. Ved så-kalt 3-D teknikk vil på den annen side målet ha mer å gjøre med billeddannelse av undergrunnen for å fremskaffe detaljer som ikke kan oppnås ved 2-D teknikk. Dette innebærer en betydelig økning i arealdensiteten av undergrunns-prøvetagning. For å kunne imøtekomme dette krav til prøve-tagning må det seismiske fartøy styre det seismiske kilde-streamer-system langs tettvevde parallelle linjer som er anordnet på avstand svarende til titalls av meter og spredt over avsøkningsområdet, som på sin side svarer til flere tusen kilometer av undersøkelsesprogram. Man har nå innsett den praksis å anvende mer enn en seismisk streamer som et mål for å redusere kostnadene ved 3-D undersøkelser ved reduksjon av antallet av programlinjer som skal gjennom-kjøres.

De oseane betingelser er slik at de seismiske streamere sjeldent følger direkte bak fartøyet. En svak tverrstrøm vil bevirke at streameren eller streamerne vil "skjene ut" og drive vekk fra undersøkelseslinjen, hvilket resulterer i en dekning av undergrunnen som er forskjøvet sideveis fra den opprinnelige undersøkelseslinje. Det er søkerens erfaring at nåværende posisjoneringsteknikker er utilfreds-stillende, og at man observerer feil ved stakkefasen og vandringsfasen ("migration phase") (billeddannelsen) vedrørende seismisk behandling, spesielt for krysslinjer, på grunn av de unøyaktige koordinater som blir bestemt for streameren eller streamerne. Den absolutte (geodetiske) posisjon av fartøyet er kjent innenfor en aksepterbar nøyaktighet. Hva søkeren har stilt seg som oppgave går ut på den relative posisjon av streameren eller streamerne. En maksimal usikkerhet på fem meter ved undergrunns-posisjonene, som svarer til 10 meter ved overflaten, vil muliggjøre stor forbedring ved 3-D seismisk databehandling og vil direkte påvirke sjansene for oppdagelse av olje.

For å bestemme streamerformen og stedsangivelsen av denne, har det hittil vært benyttet fjern-plasserte kompasser for å utlede formen på en seismisk streamer, idet man tilpasser en glatt kurve gjennom de individuelt observerte streamer-posisjoner i forhold til magnetisk nord. Kjennskapen til streamerformen blir benyttet for å utlede koordinatposi-sjonene for seismiske detektorer inne i streamer eller streamere.

For utvetydig å kunne forsikre seg om den sanne orientering av den seismiske kabel for hver kompasslokasjon, må kompass-enhetene være fri fra lokal magnetfeltforstyrrelse, eller være justert for slike forstyrrelser. Graden av avvik fra det ideelle blir vanligvis betegnet som avvik eller deviasjon. Der må utføres korreksjoner for hvert kompass individuelt, og for alle mulige kurser. Kompassavvik er et velkjent fenomen for sjøfolk, som må referere til et kompass-korreksjonskort som blir fremskaffet under instal-lasjonen av kompasset og periodevis oppdatert, for juste-ring i forhold til lokale virkninger, slik at man kan styre etter en korrigert kurs for alle retninger i forhold til magnetisk nord. Når det benyttes mange kompasser, slik tilfellet er med streamere, så er det bare nødvendig at et av kompassene avviker fra det tillagte avvik for på negativ måte å påvirke den avledede streamerform. Forholdsvis små uoverensstemmelser, f.eks. 0,5°, kan fremskaffe markerte feil (titalls av meter med en typisk inter-kompassavstands-relasjon på 300 meter) i forbindelse med avledede koordinatposisjoner. En annen korreksjon, selv om denne vedrører alle kompassene likt, går ut på den "magnetiske variasjon" eller "deklinasjon" som det av og til kalles. I og med at de magnetiske eller geografiske poler ikke stemmer overens, vil den magnetiske pol befinne seg i nordøst-Canada, idet forskjellen mellom de to poler må tas hensyn til for hvert observasjonspunkt på jordkloden, slik at observasjoner vedrører sann nord blir benyttet for avledningen av koordinatposisjoner. En feilaktig verdi av magnetisk variasjon vil innføre en romrotasjon for alle streamerformer, hvilket resulterer i en koordinatforskyvning som kan dreie seg om et hundretalls av meter avhengig av feilstørrelsen.

På fremstillingsstidspunktet blir kompassene underkastet kalibrering i forhold til en etablert geodetisk referanse. Det innebærer rotasjon av kompasset gjennom mange vinkel-skritt, f.eks. 15°, etter tur, samt sammenligning av den kompassregistrerte retning i forhold til det som observeres av et overvåkningsinstrument som peker mot avstandsorien-terte geografiske merker.

Denne fabrikk-kalibreringsmetode innebærer lang tid med nitid måling. Selv om det er nødvendig for fremstillings-kvaliteten å kontrollere de etablerte spesifikasjoner, kan en kalibrering bare vedrøre kompassoppførsel under labo-ratoriebetingelser og ha lite å gjøre med de virkelige betingelser som erfares av kompasset når det er i bruk i sjøen.

Der er gjort forskjellige forsøk i forbindelse med felt-kalibrering. En kalibreringsteknikk innebærer en flerhet av kompasser som er plassert innenfor et titall av meter på en spesiell lengde av en seismisk streamer (kalibreringssek-sjon). En flerhet av krysninger blir utført av det seismiske fartøy langs testkurser, idet hvert av streamerkom-passene skal forventes å registrere kursen for hver krysning. En systematisk vinkelfeil vil imidlertid kunne oppstå når kalibreringsseksjonen ikke nøyaktig forblir orientert langs testkursen. En systematisk feil av denne natur kan lett fjernes ved samtidig å anvende gjennomsnittet av alle avlesninger i forhold til hver av observa-sjonene. Eventuelle gjenværende virkninger kan tillegges kompassavvik. I praksis må det foreligge en neglisjerbar kurveform relatert til kalibreringsseksjonen, for ellers vil gjennomsnittet omtalt ovenfor ikke kunne anvendes likt i forhold til alle kompasser. Meningsløsheten ved kalibrer-ingsteknikken bli åpenbar når kompassene, idet deres omgivelse er blitt kontrollert så omstendelig på eller i kalibreringsseksjonen, blir forflyttet til deres funksjons-posisjoner langs den arbeidende seismiske streamer. Ved forflytning av kompassene vil deres lokale omgivelse og således deres oppførsel ha endret seg. Erfaring har vist at når kompassene befinner seg på sine normale steder på den arbeidende seismiske streamer, under betingelser som utgjør neglisjerbar streamerkurvform, vil avvik på opptil 1° ikke være uvanlig for kompasser som tidligere er kalibrert på sikker måte.

Hva man trenger, er et organ til å kalibrere streamerkompasser på stedet eller kunne supplere vinkelmålingene med en uavhengig teknikk, eller kanskje erstatte hele funk-sjonen av streamerkompasser. Med innføringen av multi-streamer seismisk profilering har søkeren utviklet en enestående foranledning til å utnytte systemets geometri for oppnåelse av en uavhengig forholdsregel med hensyn til å bestemme formene på individuelle streamere, som således kan imøtekomme disse behov.

Fra US 4.187.492 (Delignieres) er det kjent en fremgangsmåte til å bestemme, ved forskjellige punkter, avstandsfor-holdene mellom seismiske streamere som taues bak et over-flatefartøy. Imidlertid gir denne publikasjon ikke anvisning på en multi-bane-teknikk, det vil si en teknikk hvor en sender sender ut til en flerhet av mottagere, og hvor en mottager mottar fra en flerhet av sendere. US 4.187.492 foreslår i motsetning til dette, se spalte 1, linje 30, at hver mottagerinnretning er innrettet til selektivt å avføle signaler som blir utsendt fra én eneste senderinnretning.

Denne kjente teknikk angir avstanden mellom forhåndsbestemte par av punkter på tilstøtende streamere, men genererer ikke data som gir formen på streamerne. I motsetning til dette vil den foreliggende teknikk gjøre det mulig at posisjonen for alle punktene (det vil si hos sender og/eller mottagerenheter) kan bestemmes i forhold til hverandre. Videre vil man, dersom den absolutte geodetiske posisjon av et punkt på slepefartøyet er kjent, kunne bestemme de absolutte geodetiske posisjoner for sendere/mottagere.

Publikasjonen US 4.376.301 (Roberts) vedrører en fremgangsmåte for å bestemme posisjonen for en eneste streamer i forhold til et fartøy. Fremgangsmåten innbefatter bruken av en akustisk utsending fra fartøyet for å bestemme avstanden mellom en sender montert på fartøyet og en hvilken som helst av en flerhet av mottagere montert på streameren. Det foreligger ikke noen beskrivelse av teknikken ifølge den foreliggende oppfinnelse, hvorved det foreligger en flerhet av sendere og en flerhet av mottagere som begge er montert på en streamergruppe, og hvor hver mottager mottar fra mer enn én sender. Fordi det ifølge US 4.376.301 ikke blir benyttet fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse, er det nødvendig for streameren å romme en flerhet av dybdesensorer og magnetiske kompass som kan utspørres for informasjon hva angår dybde og orientering av streameren.

I US 4.660.185 (French) er det omtalt en fremgangsmåte for bestemmelse av lokasjonen hos en streamer. På samme måte som ved US 4.376.301, omtalt ovenfor, vil denne fremgangsmåte bare kunne anvendes i relasjon til en eneste streamer. Denne kjente fremgangsmåte omfatter også målinger av magnetiske kurser for punkter på streameren, og det er i henhold til denne teknikk bare tilveiebragt én referanse-kilde. Systemet ifølge US 4.660.185 vil således ikke utgjøre et multi-bane-system, og det kjente system vil således ikke gi fordelene hva angår streamerform-bestemmelse uten behov for magnetiske kompasser, slik forholdet er ifølge den foreliggende oppfinnelse.

EP 0.267.840 (Brac) tilkjennegir en fremgangsmåte for bestemmelse av posisjonene hos en flerhet av seismiske kilder og/eller posisjonen hos punkter på en eneste streamer. Med andre ord vil hver transponder som har tilknytning til en seismisk kilde, bare reagere på en spesiell frekvens, hvilken frekvens har tilknytning til en spesiell sender. Følgelig vil dette system ikke representere et multi-bane-system, fordi det forekommer selektiv sending og mottaggning mellom par av innretninger. Foruten det forhold at EP 0.267.840 vedrører bare en eneste streamer, så gir denne publikasjon ikke anvisning på fordelene, ifølge den foreliggende oppfinnelse, som går ut på at hver sender overfører til en flerhet av mottagere, og at hver mottager mottar fra en flerhet av sendere.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse, er det fremskaffet en fremgangsmåte av den innledningsvis angitte art som er karakterisert ved at hver akustisk mottaker er innrettet til å avføle utsendinger fra mer enn én akustisk sender, og at nevnte signalbehandling utføres for å avlede mellomrommet mellom hver akustisk mottaker og hver akustisk sender som reaksjon på nevnte utsendinger, og således for å avlede de relative posisjoner for nevnte akustiske elementer.

Ved en hvilken som helst anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, er det nødvendig å oppnå en redundans-grad i de svarsignaler som man observerer, og søkeren har funnet at det generelt er best å ha minst trefoldig redundans, dvs. at minst 3n mottagere bør benyttes hvor det foreligger n sendere.

Hver akustisk sender vil fortrinnsvis sende ut en serie med toneutbrudd som dekker et bredt frekvensområde, idet dette gjør det mulig å separere, i frekvensdoménet, de direkte sender-mottager-baner fra de reflekterte baner (de sterk-este refleksjoner skriver seg fra sjøoverflaten). Hvert slikt toneutbrudd kan ha en varighet på ca. 0,001 sek. Typisk vil fire toneutbrudd som i tid er separert med noen få milli-sekunder være tilfredsstillende. Hver sender vil normalt ha en forskjellig akustisk signatur for å fremskaffe et differensieringsorgan mellom de forskjellige akustiske kilder.

Som et alternativ kan de samme frekvenser benyttes, med diskriminering mellom kilder oppnådd ved overføring med forskjellige tidsluker.

Fortrinnsvis kan hver av de akustiske elementer drives både som en sender og som en mottager. På denne måte kan det benyttes et tidsprogram hvor hvert element har en karakter-istisk <1>sender-tidsluke' og en eller flere 'lytte'-modi.

Ifølge et annet aspekt fremskaffer oppfinnelsen en fremgangsmåte for å bestemme formen av to eller flere streamere som befinner seg bak et seismisk letefartøy, idet hver av streamerne bærer en flerhet av akustiske elementer som er i stand til å operere i sendermodus og/eller mottagermodus, hvilken fremgangsmåte omfatter sekvensielt ved forhåndsbestemte tidsintervaller å sende signaler med minst et forhåndsbestemt antall av de akustiske elementer i sendermodus og å observere reaksjonene fra minst et forhåndsbestemt antall av de akustiske elementer som opererer i mottakermodus som reaksjon derpå, slik at alle de akustiske elementer blir betjent minst en gang, enten i sendermodus eller mottakermodus eller i begge modi, og å underkaste de observerte reaksjoner for signalbehandling for å avlede avstandsforholdet mellom hvert mottakerelement og hvert senderelement, og således bestemme formen av de to eller flere streamere.

For en bedre forståelse av oppfinnelsen og for å anskuelig-gjøre hvordan oppfinnelsen kan bringes til utførelse, skal det nå vises til eksempler i forbindelse med de vedføyde tegningsfigurer.

Kort omtale av teqninqsfigurene

Figur 1 er en skjematisk representasjon av et seismisk letefartøy som sleper et par hydrofonstreamere. Figur 2a er en skjematisk representasjon av to streamere med fire seksjoner og anskueliggjør de relative posisjoner av sendere S1, S2, S3 og S4, og mottagere R1, R2, R3...., R10, samtidig som linjene mellom streamerne representerer de akustiske avstandsmålinger som skal utføres i henhold til oppfinnelsen. Figurene 2b og 2c viser en seksjon av streameren mellom den _j.<te> og i + 1te sender, og anskueliggjør de ekstra avstandsmålinger som kan utføres dersom streameren blir forlenget og den i + 1te sender og tre ytterligere mottagere blir tilføyet, idet avstandsmålingene er nummerert 1, 2, 3, ,7 og de ekstra installasjonsmålinger nummerert 1, 2, 3, 4 på figur 2c. Figur 3 er en overlagring av streamerformene slik disse er avledet fra 100 sett av målinger. Feilen ved hver måling er antatt å ha null i gjennomsnitt og et standard avvik på 0,1 meter. Der er ikke gjort noen korreksjon for den systema-tiske feil som er bevirket ved overestimering av de instal-las jonsmålinger som opptrer på grunn av streamernes bue-

form.

Figur 4 er et histogram av de fordelingsmessige avvik fra de teoretisk beregnede posisjoner av senderne for de streamerformer som er vist på figur 3. Figur 5 er en skjematisk representasjon av streamerne for å anskueliggjøre et potensielt problem som kan løses. Figur 6 er et histogram som anskueliggjør en systematisk feil som opptrer dersom avstanden mellom hvilke som helst to tilliggende innretninger blir for stor (f.eks. ved feil ved innretningen) for å tillate adekvat approksimasjon av bueseparasjonen ved kordeseparasjonen, beregnet fra de avledede streamerformer vist på figur 3 og med en innretningsseparasjon på 500 m og en utskjeningsvinkel på 11°. Figur 7 er et histogram over fordelingen av kompassdata beregnet fra de avledede streamerformer vist på figur 3, med en innretningsseparasjon på 500 m og en utskjeningsvinkel på 11°, idet denne plottingen omfatter en klassestørrelse på 0,2° og den gjennomsnittlige verdi er avledet nøyaktig fra den teoretiske form av streamermodellen.

Omtale av utførelsesformer

Idet det henvises til en dual streamerutførelsesform vist på figur 1 , så skal man tenke seg ultralyd-sonarsendere betegnet 1 posisjonert ved 300 m intervaller langs én streamer og mottagere bétegnet 2 plassert ved 100 m intervaller langs den annen streamer. Valgene vedrørende plasseringsintervaller for sendere og mottagere, antallet av streamere og alt annet som er relatert til en spesiell geometri, er tildannet av heuristiske grunner som vil bli klarere under diskusjonen av den matematiske modellering.

På kommando vil hver sender utsende et unikt toneutbrudd eller en serie av toneutbrudd i en kodet sekvens, eller en kontinuerlig varierende tone som i et "kvitre"-signal som skal bli mottatt av maksimalt syv mottagere ved denne ut-førelsesform, idet mottagelsesperioden som benyttes er slik at signalene som mottas etter en viss tid, ikke blir regi-strert, dvs. mottagerene er "tid-porttilpasset". Ved en foretrukken utførelsesform vil sonartelemetri bli utført ved lokalkretser som er plassert inne i eksternt monterte belger som vil kommunisere med det skipsbaserte system gjennom industrielle standard induktive koblingsstykker. Ved denne foretrukne utførelsesform vil systemet fysisk ligne vanlige streamer-kompassbelger og vil gjøre nytte av det induktive koblingssystem som allerede befinner seg i streameren eller streamerne. Likevel kunne det tas forholdsregler med hensyn til å forordne detektorer inne i de seismiske streamere, dersom f.eks. egenstøyen som ble generert av ytterligere belger på streamerne, ble øde-leggende for den riktige opptegning av seismiske bølger under forløpet av en undersøkelse. Sonarsenderne kunne likeledes være plassert inne i de seismiske streamere, men dette kunne vise seg å være vanskelig å utføre i praksis på grunn av plassbegrensninger og mangel på ledig datatele-metrikapasitet og fjerneffektadgang inne i de fleste digitale seismiske streamere. Likevel kan fremtidige streamerkonstruksjoner råde bot på disse begrensninger og lett kunne akseptere innmonterte sonarsendere og mottagere.

Hydroakustiske transdusere som er avstemt innenfor 50-150 kilohertz-båndet vil fortrinnsvis utgjøre de aktive akustiske elementer for enveis sending og mottagning fra de fjernplasserte batteridrevne belger. På kommando fra det seismiske fartøy, og ved hjelp av det induktive koblingssystem, vil hver av de akustiske belger kunne adresseres individuelt og bli tillagt en triggerkommando som er synkronisert innenfor den ønskede ekvivalente områdenøy-aktighet. Hver senderbelg ville bli tillagt sin egen personlighet ("personality"), dvs. ha sin egen unike adresse, men dessuten ville den sende ut et unikt toneutbrudd eller flere toneutbrudd. Deteksjonskretser som er plassert inne i de akustiske belger, ville henføre hvert mottagende signal i forhold til dettes opprinnelige senderinnretning og måle den tid som er forløpt fra den siste synkronisering. De mottagninger som ville falle innenfor mottagerens tid-porttilpasning, ville enten omformes til avstander ved multiplikasjon med lydhastigheten i vann eller forbli som målinger vedrørende medgått tid. I ethvert tilfelle vil den informasjon som relaterer seg til avstander mellom hver sender og de tilhørende mottager-belger, bli overført til et behandlingssystem om bord på det seismiske fartøy. Ved den prosess som nettopp er beskrevet, vil de akustiske belger som er fordelt langs sideordnede streamere utføre avstandsmålinger til deres motparter på den annen streamer (figur 2a), idet antallet av mottagere som er tillagt hver sender, blir diktert utifrå funksjonalitetsbegreper ("terms of functionality") av den tillagte mottager-tid-porttilpasning. Når hvert område har gått ut fra en felles sender og suksessive sender-mottager-par overlapper (figur 2b), kan det beregnes en entydig koordinatstedsangivelse for hver deltagende sonarenhet.

Ved den heuristiske konfigurasjon som er vist på figur 2, befinner de seismiske streamere seg 100 m fra hverandre. Sendernes antall er her syv. For hvert slikt ett til syv mønstre, vil således den tillagte lengde av streamer som er dekket, tilføye nettopp syv akustiske målinger (figur 2b), men innlemmelsen av denne ekstra seksjon av streamer krever kjennskap til stedangivelsen av en ekstra sender og tre ekstra mottagere. Fordi hver stedangivelse er definert på en entydig måte ved hjelp av lokale koordinatposisjoner (øst og nord), vil disse fire ekstra belger innføre åtte ekstra ukjente. Mer informasjon er derfor påkrevet for å utbalansere den matematiske modell. Antallet av målinger vil da kunne økes ved økning av mønsteroverlappingen fra tilstøtende sendere. Slik det fremgår av figur 2a, dersom signalet fra S3 også blir mottatt av R2 og R3, så vil etter den første streamerseksjon, hver etterfølgende streamerseksjon bidra med ni målinger for bestemmelsen av åtte ukjente. Denne mønster-overlapping kan oppnås dersom senderne var helt allrettede. Imidlertid vil synsfeltet for innretningene som er festet til streameren, være noe skjermet og man kan ikke forvente forover-vinkler og revers-vinkler større enn 75°. Selv om denne praktiske betraktning kunne avhjelpes, ville målingene av disse vinkler være forholdsvis ufølsomme med hensyn til endringer i de distanser som separerer streamerne. En alternativ løsning ville være å posisjonere senderne tettere sammen. Dette ville nødvendiggjøre en økning av antallet av belger, noe som eventuelt ville invitere til mer egenstøy og visselig økt behandlingstid. En mer produktiv tilnærmelse for oppnåelse av ekstra målinger, går ut på bruken av avstandene langs streameren mellom senderne og mottagerne, noe som her vil bli betegnet installasjonsmålingene. Dersom det kan antas at streameren er lokalt rettlinjet mellom tilstøtende belger, kan man således tilnærme buelengden til kordelengden og oppnå fire ekstra målinger for hver stream-erseks jon som dekkes av et mønster. De fysiske innretninger som nå blir benyttet, muliggjør måling av den tid det tar den akustiske bølge å vandre mellom disse punkter, og man oppnår således en direkte målemetode av lokal hastighet av lyd i vann. Intuitivt vil det synes statistisk fordelaktig å øke antallet av frihetsgrader ved utførelse av ekstra målinger, dvs. mellom nest nærmeste og nest nærmeste naboer langs mottager-streameren. Imidlertid vil ikke dette gi den ønskede virkning, fordi disse målinger ikke er uavhengige og har en tendens til å tvinge streamerformen til en ikke-ettergivende form. Har man gitt disse forutsetninger, vil den matematiske modellering være basert på et heuristisk system med duale tre kilometer streamere med 11 sendere avstandsorientert med 300 m og 31 mottagere avstandsorientert med 100 m.

Stedsangivelsen av de to punkter som er betegnet som poster 5 på figur 1, kan også bestemmes under bruk av multi-bane eller flerveis akustisk avstandsteknikk. Imidlertid vil transdusere som er fastgjort til skroget 4 - betegnet med linjene 3 og 3' - selv med maksimum front/akter-separasjon, ikke vanligvis skaffe en adekvat basislinje. Således må det anordnes bommer i forhold til skipssidene for understøtt-else av de akustiske transpondere 6, slik dette er anskueliggjort ved stiplede linjer på figur 1 , og for å mulig-gjøre posisjonsbestemmelse av punktene 5. Det første sender-mottager-par (S1 og R1 på figur 2) blir derfor betraktet som å være styrepunkter som på en entydig måte lokaliserer streamerne innenfor det fartøy-baserte koordi-natssystem. Fordi lengden av streamerne er mye større enn deres innbyrdes avstand, ville det ideelt være ønskelig å posisjonsbestemme ett punkt ved hver ende av streamerne. En fremgangsmåte har oppnådd industriell aksept som et organ med hensyn til å fiksere de ekstreme ender av streameren. Dette innebærer at man posisjonerer endebøyene som benyttes for understøttelse av streamerendene. Ved bruk i forbindelse med et annet system som gjelder posisjonsbestemmelse av de to punkter, ville den foreliggende streamer-form-bestemmelse elegant komplettere de intervenerende utkjente. De praktiske vanskeligheter ved opprettholdelse av en nøy-aktig bestemmelse av halebøyeposisjonen gjør det imidlertid nyttig bare dersom lignende nøyaktigheter ikke er mulig ved hjelp av en kombinasjon av posisjonsbestemte slepepunkter og multi-bane akustisk avstandsbedømmelse. De følgende modelleringsresultater er derfor basert på det å kjenne nøyaktig den posisjonsbestemte basislinje (punkter S1 og R2 på figur 2) for å tillate at man kan observere området av de feil som er forventet ved halebøyen for forskjellige akustiske avstandsfeil-modeller.

Den fulle modellkonfigurasjon omfatter 70 akustiske avstandsmålinger og 40 installasjonsmålinger (den nøyaktige posisjon av hver sender og mottager langs streamerne), hvilket utgjør et samlet antall av 110 målinger som skal benyttes for bestemmelse av koordinatlokasjonene for 40 akustiske belger. Relasjonen mellom målingene og lokasjon-ene er kompleks, men to målinger er alt som er nødvendig for entydig posisjonsbestemmelse av hvert punkt. Man kunne således ved oppstart fra de kjente punkter S1 og R1 avlede S2 og deretter R2, etc. Den fundamentale vanskelighet med denne fremgangsmåte er at feil i målingen bevirker geometriske uoverensstemmelser, som produserer motstridende informasjon. Dette problem er velkjent innenfor oppmåling, og en fremgangsmåte for oppnåelse av de beste lokasjoner for det interaktive system, er kjent som "variasjonen av koordinater". Dette er en iterativ prosedyre som starter fra en vilkårlig løsning og utleder et sett med lineære ligninger i de tilsvarende ledd som skal adderes til den opprinnelige antagelse. Disse lineære ligninger blir redusert ved hjelp av minste kvadraters metode, til et sett med normale ligninger som deretter blir løst. Generelt oppnår man konvergens etter 3 eller 4 iterasjoner.

En syntetisk modell ble fremskaffet, idet den omfattet to streamere, som hver hadde form av en sirkulær bue (figur 3). Halene hadde en utskjenende eller utspredende vinkel på tilnærmet 11°. De 110 målinger ble beregnet til nærmeste millimeter. Et datamaskinprogram som anvender teknikken med variasjon av koordinater relatert til data og benytter seg av Cholesky LU dekomposisjon med tilbake-substitusjon-teknikk for løsning av normale ligninger, fremskaffet et sett av punkter som passet til kurven alle steder bedre enn 0,1 m. Et trekk som man skal merke seg, var at den unn-latelse å korrigere punktene langs streamerne med hensyn til kurveform, fremskaffet en feil som økte med avstand nedover streameren og var av størrelsesorden 1,5-2 m ved halen. Denne oppbygning av feil i belgkoordinatene må forventes fordi den skyldes en konsekvens av nøyaktig posisjonsbestemmelse av slepepunktene (S1 og R2 på figur 2) .

Dersom man har et estimat for posisjonen for alle punkter som har en måling knyttet til seg, samt et sett av målinger mellom noen eller alle disse punkter, vil det kunne utføres en beregning av et sett av forskyvninger ("shifts") i X- og Y-koordinatene for alle punktene, hvilket vil føre til et nytt sett av posisjoner som vil tilfredsstille målingene. For multippel-punkter vil det ikke foreligge et sett av forskyvninger som tilfredsstiller målingene fullstendig, men det vil eksistere et sett forskyvninger som på en eller annen måte "best" tilfredsstiller målingene.

En tilgjengelig teknikk for å oppnå en slik approksimasjon går ut på å fremskaffe et sett av lineære ligninger som, ved hjelp av vanlig matematisk matrise-behandling, kan løses for å fremskaffe en "minste kvatraters" approksima-sjonsløsning for forskyvningene. Et krav til en slik teknikk er at det foreligger flere målinger enn ukjente (nødvendig forskyvning i X og Y), dvs. dersom det er ønsket å finne forskyvningene for N punkter, er det påkrevet med M målinger, idet M > 2N. Dersom denne betingelse er opp-fylt, vil det oppsatte sett av lineære ligninger kunne betegnes som "over-bestemt". Den foreliggende multi-bane akustiske avstandstagningsteknikk kan utøves slik at det fremskaffes et tilstrekkelig antall av distanser eller avstander, slik at det kan settes opp et over-bestemt sett av lineære ligninger.

Et slikt sett av ligninger for N punkter, og M målinger er:

Der:

X^ = forskyvning i X-koordinat nødvendig for punkt i

Y± = skift i Y-koordinat nødvendig for punkt i Ajk er en funksjon av de aktuelle X-koordinater for punkt k, det andre punkt som har tilknytning til måling j,

og måling j

Bjk er en funksjon av de aktuelle Y-koordinater for punkt k, det andre punkt som har tilknytning til måling j,

og måling j

Zj er en funksjon av måling j og posisjonene for de

punkter som har tilknytning til denne måling.

Mens det er tilfredsstillende at nøyaktige målinger gir nøyaktige resultater, vil målingene i praksis inneholde feil. Man måtte kunne forvente feil ved beregningen av de akustiske belgposisjoner, men det som er viktig er hvordan disse feilene påvirker systemets mulighet til å møte strenge posisjonskrav i forbindelse med 3-D seismisk kartlegging. Det foreligger ingen enkel relasjon mellom målefeilene og løsningsfeilene. Et estimat over presisjonen for løsningen kan man oppnå ved utledning av varians-kovarians-matrisen for det minste kvadraters estimat, forutsatt at elementene i vektmatrisen er blitt estimert nøyaktig. Disse vektelementer relaterer seg til nøyaktig-heten ved hver av de 110 målinger og utgjør 1/(^2 hvor o± representerer variansen ved den i<te> måling.

Ved de aktuelle frekvenser og på avstand fra regioner med høy turbulens, vil spredetapene hos akustiske bølger i vann være meget lave. Således kan signalstyrken ved alle mottagere som kan kobles til en hvilken som helst sender, kunne være uavhengig av gangtiden. Selv om multi-bane interferens vil øke med økende tid vil dessuten støyeffekt-en kunne være konstant og således vil signal/støy-forholdet kunne være uavhengig av avstand ved praktiske formål. Således vil nøyaktigheten ved bestemmelsen av gangtidene bare være begrenset av båndbredden av de overførte pulser og nøyaktigheten av synkroniseringen. Omformingen av disse tider til avstander krever kjennskap til den lokale lydhastighet og den for selve fartøyet. På åpent hav forekommer det liten variasjon i temperaturen og saltinnholdet (de hovedfaktorer som påvirker lydhastigheten) over den 3 kilo-meters lengde av streamer ved dennes arbeidsdybde på mellom 5 og 10 m. Derfor er det rimelig å anta en konstant verdi for lydhastigheten. Det innebærer at nøyaktigheten av avstandene mellom mottagerne, avledet fra avstandsmålingene, vil øke med avstand. Den logiske konsekvens av dette innebærer at halepartiet av streamerne vil kunne bestemmes mest nøyaktig ved anvendelse av bare to sendere og to mottagere (en ved henholdsvis hodet og halen på hver av de respektive streamere). Likevel vil dette bare kunne aksep-teres dersom streamerne ble sterkt påvirket til å være rette. I og med at dette langt fra er tilfelle i praksis, vil denne idéløsning gi opphav til en uakseptabel uvisshet ved interpolering av de mellomliggende punkter mellom streamerendene. Likevel, fordi nøyaktigheten ved bestemmelsen av posisjonene for stasjoner ikke blir forringet med deres økende antall, vil således det antall som skal benyttes i praksis, kunne utgjøre det minimum som måtte samsvare med avledningen av kabelformene, og det praktiske krav som skaffer dekning mot feil ved innretningene.

Ved den foreliggende utførelsesform vil de aktuelle posisjoner langs streamerne med hensyn til sendere og mottagere

(avstanden mellom dem er definert som installasjonsmålene)

bli kontrollert ved posisjonene av de induktive koblings-innretninger som er installert av streamer-produsenten. Det må utøves forsiktighet for å sikre at posisjonene for den induktive koblingsspole er nøyaktig kjent, og at det gis rom for strekningsgraden for streameren under spenning.

Ved bruk av den ovenfor omtalte modell ble det innført til-feldige feil med null i gjennomsnitt hva angår avstandsmålinger, samtidig som man beregnet posisjonene for sendere og mottagere. Man oppnådde sett av resultater hvor de eneste feil var: a) i avstandsmålingene, b) i installasjonsmålingene, c) i både avstands- og installasjonsmålingene. Fra 100 forskjellige målesett, idet det ble benyttet en tilfeldig feilfordeling med standard avvik på 0,1 m, ble histogrammer som viser spredning om det sanne gjennomsnitt på 2 meters intervaller, plottet, og disse er vist på figur 4. Feil av typen a) og b) bidrar nesten likt til spredningen om gjennomsnittet. En økning av standardavviket for feil-fordelingen til 0,25 m fremskaffet store ujevnheter hva angår spredning rundt gjennomsnittet. Det bør imidlertid praktiseres å utføre målinger innenfor 0,1 m, etter behov.

Det er av betydning å vurdere implikasjonene ved lydhastigheten med hensyn til nøyaktigheten for å bestemme belgloka-sjonene. Fordi feilene av typen a) og b) er uavhengig tillagt streamerform-løsningen og synes å ha lik virkning, vil en feil på én bli merkbar i løsningen. Dersom lydhastig-hetskonstanten ikke er korrekt, bør denne betingelse kunne korrigeres ved substitusjon av prøvekonstanter for å bringe feiltypene inn i paritet. En uavhengig kontroll ville bli tilveiebrakt ved trigging av hver sender etter tur og regi-strering av ankomstene på alle mottagere. Dersom hastig-heten er konstant, vil den utsendte bølgeform spre seg sfærisk og slå an mot hver mottager etter en matematisk definert forsinkelse. Avstandene mellom mottagerne som blir avledet på denne måte, kan derfor sammenlignes med deres installasjonsmålinger, og forskjellen vil relatere seg til den valgte lydhastighet.

Dersom én av senderne skulle svikte, f.eks. S3 på figur 5, vil avstandsmålingene mellom streamerne ikke være mulig, og man vil bare ha tilbake installasjonsmålingene - S2 til S3 og S3 til S4. Dersom disse distanser er like, så kan S3 befinne seg ved enhver posisjon på det geometriske sted for punkter som ligger like langt fra S2 og S4. Således vil systemet være udefinert og vil være leddet rundt R7. Denne type systemfeil kan være undergitt enten en mykvare- eller maskinvareløsning. Den fysiske omgivelse for de to streamere er meget like, og de forblir lokalt meget parallelle. Således kan avstandene S3 til R7 kunne tas som gjennomsnittet av de nærmeste tilnærmelsesmålinger for de to nabosen-dere, dvs. S2 til R4 og S4 til R10 (se figur 2). Alterna-tivt må mykvaren eller programmet rapportere feilen og lokalt redefinere senderne og mottagerne på en slik måte som ville være tilfelle dersom S3 aldri eksisterte.

For den konfigurasjon som er blitt omtalt, vil feilene i posisjoneringen av senderne gi opphav til målefeil som er mye større enn den feil som bevirkes ved at man antar at avstandene mellom senderne utgjøres av buelengden. En hvilken som helst krumning av streamerne kan derfor igno-reres som en direkte feilkilde. Når forskjellen mellom buelengden og den virkelige avstand er av størrelsesorden 0,1 m (dette finner sted ved den foreliggende modell når senderne er avstands-orientert med 500 m intervaller, dvs. når der foreligger bare 7 sendere over 3 kilometer) blir det introdusert en systematisk feil på løsningen (se figur 6). Dette legger en effektiv begrensning på det minimale antall av kilder som må benyttes, i det foreliggende tilfelle 7 innretninger over 3 kilometer. De histogrammer som er vist på figur 6, anskueliggjør avviket for de avledede avstandsforhold (idet det benyttes fremgangsmåten ifølge denne oppfinnelse) i forhold til den sanne avstand på 500 m mellom innretninger for hver av innretningene etter tur, idet den nederste opptegning (uten avvik) gjelder for den innretningen som er ved hodet av streameren, og hver suksessiv avtegning oppover på figuren relaterer seg til den neste innretning nedover streameren, samtidig som det foreligger totalt seks avledede sett av målinger. Den øverste avtegning er en markør som indikerer den sanne posisjon, dvs. uten avvik.

Den teknikk som vedrører variasjon av koordinater, legger ingen begrensning på hvorvidt innretningene som benyttes, utgjøres av sendere eller mottagere, så lenge som det korrekte antall av hver omfatter et mønster. De innretninger som benyttes i praksis, vil være i stand til å utføre begge operasjonsmodi. Eventuelle arrangementer som svarer til de grunnleggende krav som er behandlet i beskrivelsen hittil, kan benyttes.

Løsningen som gjelder variasjon av koordinater, vil nettopp posisjonsbestemme de punkter som har tilknytning til sendere og mottagere, således også for den modellerte konfigurasjon, samtidig som streameren med sine sendere har sin form mindre veldefinert med bare 11 punkter sammen-lignet med streameren med mottagerne som er definert med 31 punkter. Modellering har imidlertid vist at det foreligger ingen teoretisk fordel med hensyn til valget av 7 mottagere tilkoblet hver sender i stedet for, f.eks. 5 eller 3. I praksis vil den modellerte konfigurasjon med 11 sendere og 31 mottagere fordelt langs en 3 kilometers streamer ikke bli forsøkt, idet man forventer, kanskje, a) på grunn av tilveiebringelsen av redundans like overfor mykvarefeil, eller b) dersom de formentlige streamerformer er komplekse nok, å kunne garantere avstands-prøvetagninger av størrel-sesorden 100 m. Betingelsen ifølge a) kan imidlertid ivaretas ved en mykvareløsning, og betingelse b) ville bare være gyldig dersom man kunne anta at den økte avstands-prøvetagning av én streamer kunne direkte tilskrives den eller de andre. Ettersom ekstra forholdsregler har en direkte innflytelse på graden av behandlingstid som er nødvendig for utledning av formene, og de unntak som er fremsatt som a) og b) ovenfor, ikke er avgjørende, blir den foretrukne konfigurasjon å plassere et likt antall av sendere og mottagere langs streamerne, idet det minimale antall bør være 7 over en strekning på 3 kilometer med en tilsvarende økning dersom lengre streamere blir benyttet.

Matematisk modellering har vist at med de to punkter av et par av streamere nøyaktig kjent og avstandsrelasjonen mellom streamerne forstyrret av en tilfeldig fordelt feil på 0,1 m standard avvik, vil de ekstreme ender av kablene (verste tilfelle) være beheftet med en tilfeldig kryss-linje-feil-fordeling med et standard avvik på 7 m. Disse modellerings-resultater ble benyttet som et underlag for en kompassemuleringsstudie. Det ble tatt tangenter til de kurver som var avledet fra hvert av de 100 sett av modell-avstandsmålinger for bestemmelse av streamerkompasset analogt med multi-bane avstandsfeilresultate. Den ekvivalente feilfordeling ifølge verste tilfelle ble ikke funnet å omfatte et standard avvik på 0,3° (figur 7). Histo-grammene i henhold til figur 7 viser resultatene for hver av ti etterfølgende ytterligere fjerne innretninger på en streamer, idet den innretning som befinner seg nærmest fartøyet, er anskueliggjort i den nederste opptegning. Disse resultater overskrider søkerens forventninger med hensyn til 3-D presisjons-oppmålings-posisjoneringsstyring ved at det fremskaffes posisjonen for streamerne ved alle punkter langs deres utstrekning og da innenfor en usikkerhet på 5 m i undergrunnssonen.

Under lignende betingelser i forhold til dem som er simu-lert ved hjelp av den matematiske modell, vil multi-bane-avstandstagningen i beundringsverdig grad kunne tjene som et organ for kalibrering av streamerkompasser på stedet. Dersom slepepunktene for multippelstreamerne i praksis kan posisjoneres innenfor en ekvivalent nøyaktighet i forhold til streamerformen, kan haleendene på streamerne på lignende måte posisjoneres mer nøyaktig enn det nå er mulig under bruk av eksisterende halebøye-posisjoneringssystemer.

Multi-bane- eller flerveis-avstandstagning ved hjelp av fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan fremskaffe umiddelbar fordel ved seismiske tokter nær de magnetiske poler, hvor streamerkompasser viser seg nærmest ubrukbare. Fordi multi-bane akustisk avstandstagning mellom streamere er integrert i eksisterende seismiske datainnsamlingssystemer, er det realistisk å forvente at denne teknikk eventuelt vil erstatte streamerkompasser som et organ for bestemmelse av formene for streamere eller hydrofonkabler.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av de relative posisjoner av en flerhet av akustiske elementer (1, 2) som er plassert på to eller flere streamere som danner en streamer (hydrofon) gruppe, idet noen av de nevnte akustiske elementer (1, 2) utgjør en akustisk sender (1) og noen utgjør en akustisk mottaker (2), hvilken fremgangsmåte omfatter sekvensielt ved forhåndsbestemte tidsintervaller å sende signaler med i det minste et forhåndsbestemt antall av de akustiske sendere (1) og å observere responsene fra i det minste et forhåndsbestemt antall av de akustiske mottakere som reaksjon derpå, samtidig som alle de akustiske elementer (1, 2) blir betjent i det minste én gang, enten i sendermodus eller mottakermodus, og samtidig som de observerte responser blir underkastet signalbehandling, karakterisert ved at: i) hver akustisk mottaker (2) er innrettet til å avføle utsendinger fra mer enn én akustisk sender (1), og at ii) nevnte signalbehandling utføres for å avlede mellomrommet mellom hver akustisk mottaker (2) og hver akustisk sender (1) som reaksjon på nevnte utsendinger, og således for å avlede de relative posisjoner for nevnte akustiske elementer (1 , 2) .

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at de akustiske elementer utgjøres av akustiske transdusere i en streamer (hydrofonsett).

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at hver akustisk sender er innrettet til å utsende en serie av toneutbrudd som dekker et bredt frekvensområde.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at toneutbruddene fra hver sender er forskjellige fra dem fra de andre sendere for derved å utgjøre en akustisk signatur.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at en flerhet av akustiske sendere benytter en felles frekvens eller frekvens-bånd, men er innrettet til å avsende deres signaler i forskjellige tidsluker.

6. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at hvert akustisk element kan virke både som en sender og som en mottaker.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at signalbehandlings-trinnet blir utført i forbindelse med data som indikerer avstanden mellom minst to av de nevnte punkter og et fiksert punkt på undersøkelsesfartøyet.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, idet en flerhet av punkter svarer til posisjonene for en flerhet av akustiske elementer som muliggjør drift i sendermodus og/eller mottakermodus, og idet de akustiske elementer bæres av to eller flere streamere som slepes etter et seismisk obser-vasjons fartøy , karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter sekvensielt ved forhåndsbestemte tidsintervaller å sende signaler med minst et forhåndsbestemt antall av de akustiske elementer i sendermodus og å observere reaksjonene fra minst et forhåndsbestemt antall av de akustiske elementer som opererer i mottakermodus som reaksjon derpå, slik at alle de akustiske elementer blir betjent minst en gang, enten i sendermodus eller mottakermodus eller i begge modi, og å underkaste de observerte reaksjoner for signalbehandling for å avlede avstandsforholdet mellom hvert mottakerelement og hvert senderelement, og således bestemme formen av de to eller flere streamere.