NO318300B1 - Folsomhets-testeanordning for en hydrofongruppe - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår generelt området hydrofoner som brukes i seismiske undersøkelser over vann, og mer spesielt, en fremgangsmåte og et apparat for å teste følsomheten av en gruppe hydrofoner.

Den foreliggende oppfinnelse er anvendelig for testing av følsomheten for en seksjon av hydrofoner som er elektrisk sammenkoplet for å danne en del av en slepekabel. Under drift tauer et skip en eller flere slepekabler etter seg. Slepekabelen omfatter et antall hydrofonelementer som er gruppert sammen i seksjoner. For å holde slepekabelen i en kjent horisontal konfigurasjon, er slepekabelen fulgt av en hale-bøye på en måte som er kjent i teknikken.

Under seismiske operasjoner mottar de forskjellige hydrofonelementer i grupper, seismiske retursignaler, og det er derfor fordelaktig å kunne forutsi føl-somheten for gruppene av hydrofoner i slepekabelen. Testingen av denne para-meter for hydrofongruppen er i fokus for den foreliggende oppfinnelse.

En seismisk slepekabel består av mange individuelle hydrofonelementer. Hydrofonelementene er generelt elektrisk og mekanisk sammenkoplet til å danne en hydrofongruppe, og et antall grupper av hydrofoner er kombinert til å danne en seksjon av en hydrofonkabel, typisk 75 meter lang. Et antall seksjoner kan da kombineres for å danne slepekabelen, som kan være flere tusen meter lang. I teknikkens nåværende stand kan flere slepekabler taues bak et fartøy for å maksi-malisere mengden av seismisk dekning for hver passering under undersøkelsen.

Så snart et antall hydrofonelementer er elektrisk og mekanisk sammenkoplet for å danne en seksjon, må seksjonen innkapsles i et fleksibelt polymerrør, kjent som en slepekabelkappe, og slepekabelkappen fylles med et fluidum, så som olje eller parafin. Prosessen med å inneslutte seksjonen av hydrofonelementer blir vanligvis utført ved bruk av en hydraulisk tank kalt en spruter. Dette sprute-systemet er beskrevet i detalj i US-patent nr 3,987,537 til Warren, og er tatt med her som referanse.

Individuelle hydrofonelementer blir ofte testet av produsenten for forskjellige parametere, deriblant følsomheten av hydrofonen til et trykksignal. Uheldigvis, på grunn av fremstillingstoleranser, kan følsomhetene av tilsynelatende identiske hydrofoner variere betydelig. Som tidligere nevnt, blir hydrofoner i praksis brukt i grupper, og hydrofonene i gruppen kan således variere i følsomhet.

Dessuten vil karakteristikkene ved hydrofonelementer og hydrofonsystemer endre seg over tid og med bruk. Selv om følsomheten og andre parametere for

hydrofonene og systemene var kjent når de først ble utplassert, vil disse paramet-rene alltid endre seg etter en bruksperiode, slik at når hydrofonen tas ut av tjenesten for reparasjon og vedlikehold, må prosedyren for følsomhetstesting gjentas før systemet returneres til tjenesten. Der er således et behov for et system og en

fremgangsmåte for testing av en hydrofonslepekabel under reparasjon og vedlike-holdsprosedyrer, uten behov for total demontering av systemet til individuelle hydrofonelementer for testing.

Før en fullført slepekabelseksjon sendes til en kunde, vil det også være ønskelig å måle følsomheten for de individuelle hydrofongrupper som en del av den endelige testprosedyre. Dette er ikke en lett oppgave, og flere fremgangsmå-ter har vært vurdert. Den foreliggende oppfinnelse omfatter bruk av en trykktank.

US 5 210 718 vedrører en fremgangsmåte for kalibrering av hydrofongrupper ved å benytte en Helmholz-resonator, der den seismiske streamer eller seksjoner av den plasseres i resonatoren.

En teknikk for å uttrykke følsomheten for en gruppe hydrofoner er å aksep-tere de følsomheter som er gitt av produsenten og ganske enkelt å interpolere den for gruppen som en helhet. Denne teknikken gir en grov tilnærming, og med forholdsvis langsom dataprosessingstakt og forholdsvis grov oppløsning (dvs. biter pr prøve), har den vist seg tilfredsstillende. Den feilen som ble innført ved denne int-erpoleringsteknikk, var forholdsvis ubetydelig sammenlignet med feil som innføres i andre deler av det totale seismiske system. Siden imidlertid digital signalproses-sering har øket i hastighet og oppløsning, er det blitt mer kritisk å vite følsomheten for gruppen av hydrofoner som utgjør slepekabelen.

En annen teknikk for å teste følsomheten for en gruppe hydrofoner omfatter et tilleggstrinn i prosessen for å fremstille hydrofon-slepekabler. Dette omfatter at man tar en hydrofonseksjon til en spesialkonstruert neddykningstank, senker seksjonen ned i tanken, og utsetter seksjonen for en trykkpuls elier en rekke trykkpul-ser. Denne prosedyren medfører et tilleggstrekk i en allerede arbeidskrevende fremstillings- og monteringsprosess, hvilket nødvendigvis skjærer ned profittmargi-nen eller gjør det endelige produkt mindre kostnads-konkurransedyktig.

For spesielt følsomme anvendelser, har noen operatører utført følsomhets-testing til sjøs. I noen tilfeller kan dette innebære anvendelse av seismiske signaler etter at slepekabelen er utplassert mens skipet er underveis. Dette er en meget tidkrevende og kostbar bruk av en meget kostbar plattform. En annen ofte brukt testprosedyre omfatter tilbaketrekning av slepekabelen til skipet, plassering av slepekabelen i en kurv, senkning av kurven med slepekabelen over skipssiden, og å utsette slepekabelen for et seismisk signal for testing. Dette er enda mer tidkrevende, siden hele perioden som fartøyet er stille i vannet for å teste slepekabelen er tapt produksjonstid. Hver av disse prosedyrene skaper også unødige mulig-heter for farer for personalet.

Det er således et behov for en fremgangsmåte og et apparat for å teste føl-somheten for en gruppe hydrofoner etter at slike hydrofoner er montert til en en-het, så som ved den første sammenstillingen eller etter eventuell reparasjon og vedlikehold av en brukt hydrofon-slepekabel. En slik fremgangsmåte og apparat bør ikke ha en vesentlig virkning på de trinn som allerede er på plass for fremstil-ling av hydrofon-slepekabler, men bør gi en mer nøyaktig indikasjon av følsomhe-ten for en gruppe hydrofoner.

Den foreliggende oppfinnelse løser disse og andre ulemper med tidligere teknikk ved å utsette en hydrofon-slepekabel for en følsomhetstest som en del av fremstillings- og monteringsprosessen. Den foreliggende oppfinnelse kan også brukes for testing og verifisering av følsomheten for et hydrofonsystem under vedlikehold og reparasjon.

I sin enkleste form omfatter den foreliggende oppfinnelse et kjent kabelskjerm-injeksjonssystem som er modifisert til å omfatte en kalibrert hydrofon. In-jeksjonssystemet omfatter en tank i hvilken en snelle er montert for å motta en lengde hydrofonkabel og hydrofonelementer. Et trykksignal blir skapt for å indu-sere en respons i den kalibrerte referanse-hydrofon og hydrofonstrengen under test. De respektive responser blir sammenlignet, og følsomheten for strengen under press blir bestemt.

For å måle følsomheten for testhydrofongruppen, er det nødvendig å kjenne intensiteten for innkommende trykkbølge. Denne kan måles ved referanse-hydrofonen, forutsatt at bølgen har den samme intensitet ved stedet for hydrofongruppen og stedet for referansehydrofonen. Hvis atskillelsen av stedene er mindre enn 0,05 X, hvor A, er bølgens bølgelengde, er virkningen på grunn av bølge-interferens, refleksjon og refraksjon ubetydelig, og bølgen har i hovedsak en jevn intensitet over alt i tanken.

For en hastighet av lyden vann på 1500 meter pr sekund og frekvenser i området fra 10 Hz til 100 Hz, er bølgelengden 150 meter til 15 meter. For en 2 meter tank, gir dette kriterium en maksimum testfrekvens på 37,5 Hz.

Hvis lydkilden (dvs. trykkbølgen) har en variabel frekvens og intensitet, er det mulig å måle avhengigheten av følsomhet på disse variable størrelser. Kon-troll av det statiske trykk i tanken tillater måling av følsomhetens avhengighet av dybde.

Den viktigste kilden til feil i målingene i den foreliggende oppfinnelse er generering av vibrasjon i testtanken. Tanken må være helt full av væske for å hindre generering av overflatebølger på væsken. Selve tanken må være tungt dem-pet for å hindre resonante vibrasjoner. Den beste måte å gjøre dette på er å legge tanken i jorden og omgi den med en betongkappe.

Lydgeneratoren trenger ikke å være en kilde med lav forvrengning, men den må ha en stabil intensitet og frekvens. Den mest sannsynlige genererings-mekanisme er en stempeldrevet pumpe, resiprokert ved en motor ved en presis elektronisk styring. Dette aspektet til den foreliggende oppfinnelse kan omfatte en anordning for å styre stempelslaget. Dette kan oppnås ved å drive stempelet med en lineær elektronisk motor. Det kan være mer kostnadseffektivt å anordne en lydkilde med variabel frekvens, men konstant intensitet. Som et eksempel, for en seks kubikkmeter tank, med en stempeldiameter på fem cm og en signalintensitet på en mB, kan stempelslaget bli omkring 1 millimeter.

Som tidligere beskrevet, er en referansehydrofon montert inne i trykktanken, og en hydrofonstreng under test blir spolet inn i tanken. Testhydrofon-seksjonen blir viklet på en snelle inne i den fluidumfylte tank, som så lukkes og settes under trykk. En kilde for trykkbølger med lav amplitude gir et test-lydsignal, som blir detektert av hydrofongruppen og referansehydrofonen. Utgangene blir digitali-sert, og disse dataene blir behandlet og analysert. Både referansehydrofonen og teststrengen blir således utsatt for det samme test-lydsignal, og de resulterende responser blir oppfanget for sammenligning.

Hvis lydsignalet inneholder harmoniske av grunnfrekvensen, kan det være betydelig energi i responser på frekvenser høyere enn 37,5 Hz. Disse signaler vil ikke ha en jevn intensitet gjennom hele tanken. Det vil være nødvendig å fjerne dem ved signal og analyse så som hurtig Fourier-transformering før signalnivået bestemmes. Frekvensdomeneanalyse blir så brukt for å bestemme følsomheten for test-hydrofonstrengen.

I oppsummering, omfatter systemet for testing av en gruppe hydrofoner, (a) en tank med en dyse tilpasset for å feste en slepekabel-kappe; (b) en kabelskjermsnelle inne i tanken for reverserbar holding av en gruppe hydrofoner; (c) en fluidum-passasjeanordning inn i tanken for å føre inn og trekke ut fluidum inn og ut av tanken; (d) en oscillerende pumpe i fluidumforbindelse med tanken for å inn-føre en tidsvarierende trykkpuls i tanken; (e) en referansehydrofon inne i tanken; (f) elektrisk koplingsanordning for å kople et hydrofonsignal for gruppen av hydrofoner og referansehydrofonen til en sentral prosesseringsenhet; og (g) midler for å sammenligne hydrofonsignalene for referansehydrofonen med hydrofonsignalene fra gruppen av hydrofoner.

Disse og andre trekk ved den foreliggende oppfinnelse vil være åpenbare for fagfolk i teknikken etter en gjennomgang av følgende detaljerte beskrivelse, under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 er en skjematisk representasjon av systemet ifølge den foreliggende

oppfinnelse.

Fig. 2 er et logisk trykkdiagram av testprosedyren for å bestemme følsom-heten for hydrofongruppen under test.

Apparat for testing av en gruppe av hydrofoner.

Det henvises nå til figur 1, som viser, delvis i snitt, et skjema for apparatet 10 ifølge den foreliggende oppfinnelse. Apparatet 10 omfatter en trykktank eller snelletank 12. Trykktanken 12 omfatter primært et endedeksel 14, et sylindrisk legeme 16 og en avsmalnende, tilnærmet konisk del 18. Endedekselet 14 er fortrinnsvis montert på det sylindriske legemet 16 ved en flens 20 for å lette monter-ing og tilgang til snellen 22. For den nå foretrukne utførelse, ved en slik trykktank anskaffet fra Qualtec Engineering in Heanor, Derbyshire, England.

Snellen 22 er montert inne i trykktanken 12 for å motta en seksjon av en hydrofonkabel 24, i industrien også kalt «skjelettet». Snellen er fortrinnsvis drevet av en hydraulisk motor 26. Motoren er forbundet med en flerpasserings hydraulisk kabel 28 med en hydraulisk kraftforsyning og styringsenhet 30.

Den hydrofoniske kabelskjerm 24 er viklet på snellen. Kabelskjermen 24 er forbundet med en slepeline 32 ved hjelp av et øye 34. I sin tur, er slepelinen 32 forbundet med enden av et pilotstempel eller en «pigg» 36. Stempelet 36 er matet inn i en slepekabel-kappe 38 som er festet på en ende av en dyse 40. Den andre enden av kabelskjermen 24 er festet på den andre enden av snellen 22, og slepekabel-kappen 38 er festet på dysen 40 med en klemme 42.

Trykktanken 12 kan også være utstyrt med en synsport 41 for å tillate visu-ell tilgang til det indre av trykktanken under forskjellige utviklinger.

Fluidum, så som olje kan leveres til trykktanken 12 fra ett av flere reservoa-rer 44, eller fluidum kan returneres til ett av reservoarene 44 ved en pumpe- og måleanordning 46, gjennom en strømningslinje 48 som entrer nær bunnen av tanken 12 gjennom en avstengningsventil 50. Luft kan tilføres tanken eller utluftes fra tanken, gjennom strømningslinjen 52 som er forbundet med toppen av tanken og med en utlufting 54. Strømningslinjen 52 er forbundet gjennom en måleventil 56 med en lufttilførsel 58, og utluftingen 54 via luft/olje-ventil og gassanordning 57. Ytterligere utlufting 55 kan også anordnes.

Trykktanken 12 er fortrinnsvis montert på støtteben 60. Trykktanken omfatter også en dreneringsforbindelse 62, vist i brutte linjer på figur 1 fordi den er skjult bak ett av benene. Dreneringsforbindelsen 62 kan være koplet til fluidumtilførse-len og returlinjen 48, eller disse to komponentene kan være anordnet separat.

Den foregående beskrivelse har vært fokusert på de apparater som er anordnet for å injisere hydrofonkabelen inn i kappen. Den følgende beskrivelse dek-ker nå ytterligere grunnkomponenter for å utføre den foreliggende oppfinnelse for å teste følsomheten av et antall hydrofoner i kabelen mens de blir holdt på snellen.

Systemet omfatter en standard- eller referansehydrofon 70 med presist kjente følsomhetskarakteristikker. Under trykkpulsforhold frembringer hydrofonen 70 et seismisk signal til en datamaskin 72. Datamaskinen 72 blir også tilført signal fra hydrofonkabelskjermen 24 over en signallinje 74.

Systemet omfatter videre en pumpe 80 som frembringer et tidsvarierende, periodisk trykkluftsignal til trykktanken 12. Pumpen 80 kan være utstyrt med en trykktank 82 eller annen anordning for å levere et netto positivt sugetrykk til pumpen. Utløpet fra pumpen 80 kan koples inn i tilførselen og returlinjen 48 eller har sin egen inntrenging i tanken 12.

Fremgangsmåte for å teste en gruppe hydrofoner.

Etter å ha beskrevet konstruksjonen av en hydrofongruppe-følsomhetstes-ter, tilveiebringer følgende beskrivelse en trinnvis fremgangsmåte for å teste en gruppe hydrofoner ved bruk av testeren.

Så snart en gruppe hydrofonelementer er samlet, for eksempel i en

75 meter kabel, på konvensjonell måte, blir den montert på en snelle 22 inne i tanken 12. Ved dette punkt i den konvensjonelle monteringsprosess, blir kappen 38 festet på dysen 40. Imidlertid, før dette gjøres i prosessen ifølge oppfinnelsen, blir datalinen 74 koplet til enden av kabelen for å begynne testing av følsomheten for gruppen av hydrofoner.

Med hydrofonene i kabelskjermen 24 koplet til datamaskinen 72 og enden på dysen forseglet, blir tanken 12 så fylt fra ett eller flere av reservoarene 44 ved bruk av pumpe- og måleanordningen 46. Innfanget luft eller gass i tanken blir samtidig utluftet gjennom utluftingene 54. Når tanken er full, blir pumpen 80 star-tet for å frembringe et tidsvarierende trykkpulssignal til fluidet i tanken. Dette trykkpulssignal blir mottatt av referansehydrofonen 70 og hydrofonene i kabelskjermen 24. Datamaskinen sammenligner så den forut bestemte respons fra referansehydrofonen med responsen fra hydrofonene i kabelen, og bestemmer responskarakteristikkene for testhydrofonene i kabelen.

Så snart dataene er samlet, blir datalinjen 74 frakoplet fra kabelskjermen 24, kappen 38 blir festet til dysen 40, og gruppen av hydrofoner blir satt inn i kappen på den måten som er beskrevet i Warren 537-patentet omtalt ovenfor.

Følsomhetsbestemmelse for testhydrofonene

Figur 2 viser et logisk flytdiagram for fremgangsmåten for å bestemme føl-somheten for en gruppe hydrofoner under test. Fremgangsmåten begynner ved trinn 100, og trinn 102 leser inngangsdataene fra referansehydrofonen og testsystemet, som tidligere beskrevet. Dataene som således er oppsamlet vil omfatte et spektrum av responser over et frekvensområde, med spenningstopper ved de fundamentale og harmoniske frekvenser. Trinn 104 omfatter en hurtig Fourier-transformasjon (FFT) på dataene fra referansehydrofonen for å fange disse dataene i frekvensdomenet.

Trinn 106 bestemmer så den maksimale amplitude og dominerende frekvens (den fundamentale frekvens) fra FFT-dataene i trinn 014. Dette trinn oppnår to viktige mål: det frembringer en maksimal amplitude for referansesignalet, rela-tivt uttrykt; og eliminerer virkningen av harmoniske overtoner og støy-bidrag på den totale energi samlet fra referansehydrofonen. Fremgangsmåten som benyt-tes her, dreier seg om forholdet mellom referansen og testsystemet, og ikke om de absolutte verdier av de fundamentale signaler fra referansen eller testgruppen.

Nå som den dominerende frekvens fra referansen er kjent, bestemmer trinn 108 den maksimale (relative) amplitude for signalet fra testgruppen ved denne frekvens. Trinn 110 tar så forholdet mellom signalene fra referansehydrofonen og testgruppen, og i trinn 112 blir følsomheten for testsignalet beregnet ved å multipli-sere forholdet fra trinn 110 med den kjente følsomhet for referansehydrofonen.

Claims (4)

1. Følsomhetstestanordning for en hydrofongruppe, karakterisert ved at den omfatter: en tank (12) omfattende en dyse (40) som er innrettet for feste av en hydrofonkabel-kappe (38); en kabelskjermsnelle (22) inne i tanken (12) for reverserbar holding av en gruppe hydrofoner (24); en fluidum-passasjeanordning (62) inn i tanken (12) for å innføre fluidum i og trekke ut fluidum av tanken; en oscillerende pumpe (80) i fluidumforbindelse med tanken (12) for å inn-føre en tidsvarierende trykkpuls inn i tanken (12); en referansehydrofon (70) inne i tanken (12); elektriske koplingsorganer (74) for å kople et hydrofonsignal fra gruppen av hydrofoner (24) og referansehydrofonen (70) til en sentral prosesseringsenhet (72); og sammenligningsorgan for å sammenligne hydrofonsignalene fra referanse-hydrofonen (70) med hydrofonsignalene fra gruppen av hydrofoner (24).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at sammenligningsorganet omfatter en datamaskin som er programmert til: å lese signalene fra referansehydrofonen (70) og signalene fra gruppen av hydrofoner (24), hvert signal i form av data; å utføre en hurtig Fourier-transformering av dataene fra referansehydrofonen (70); å bestemme en maksimum amplitude og dominant frekvens av dataene fra referansehydrofonen (70); å bestemme en maksimum amplitude av dataene fra gruppen av hydrofoner (24) ved den dominante frekvens; å beregne forholdet mellom maksimumsamplituden fra referansehydrofonen (70) og maksimumsamplituden fra gruppen av hydrofoner (24); og å beregne følsomheten for gruppen av hydrofoner (24) ved bruk av forholdet.

3. Fremgangsmåte for å teste responskarakteristikkene for en gruppe hydrofoner (24), karakterisert ved de trinn: å montere en gruppe mekanisk og elektrisk koplede hydrofonelementer på en snelle (22) inne i trykktank (12), hvor trykktanken omfatter en dyse (40) for å motta gruppen av hydrofonelementer (24); å tette dysen (40) rundt gruppen av hydrofonelementer (24) mens gruppen av hydrofonelementer (24) holdes tilgjengelig utenfor trykktanken (12); å kople gruppen av hydrofonelementer (24) til en datamaskin (72); å kople en referansehydrofon (72) inne i trykktanken (12) til datamaskinen (72); å fylle trykktanken (12) med et fluidum; å utvikle et tidsvarierende trykksignal inne i trykktanken (12), som detekte-res av referansehydrofonen (70) og gruppen av hydrofonelementer (24) for å utvikle et referansesignal fra referansehydrofonen (70), og et testsignal fra gruppen av hydrofonelementer (24); og å sammenligne referansesignaiet og testsignalet for å bestemme responskarakteristikkene for gruppen av hydrofonelementer (24).

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at trinnet for sammenligning omfatter de følgende trinn: å lese signalet fra referansehydrofonen (70) og signalet fra gruppen av hydrofoner (24), hvert signal i form av data; å utføre en rask Fourier-transformasjon av dataene fra referansehydro-fonene (70); å bestemme en maksimum amplitude og en dominant frekvens for dataene fra referansehydrofonen (70); å bestemme en maksimums amplitude av dataene fra gruppen av hydrofoner (24) ved den dominante frekvens; å beregne forholdet mellom maksimumsamplituden for referansehydrofonen (70) og maksimumsamplituden fra gruppen av hydrofoner (24); og å beregne følsomheten for gruppen av hydrofoner (24) ved bruk av forholdet.