NO322859B1 - Fremgangsmate og anordning for a redusere pavirkningen av overflateforhold ved grov sjo pa marine seismiske kilder - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt seismiske undersøkelse, og mer spesielt å kontrollere en marinseismisk signalkilde som brukes for å undersøke jordens lag lokalisert under vann.

US 5319609 angir et akustisk emisjonssystem for seismisk undersøkelse i sjøen, med det formål å emittere en akustisk bølge i en gitt retning. Det akustiske emisjonssystemet omfatter et flertall neddykkede kilder som er mekanisk koblet til minst en flåte og en kontrollkrets for å kontrollere kildene. Kontrollkretsen omfatter et flertall forsinkelsesmidler egnet til å påføre respektive faseforsinkelser for hver av kildene, idet forsinkelsene defineres av en nominell faselov knyttet til den gitte emisjonsretningen.

En kjent teknikk for å distribuere pulser av seismisk energi til jordens lag i marine seismiske undersøkelser, er å bruke en gruppe ("array") av kammeranordnede luftkanoner ("chambered airguns") festet til akterenden av en båt. Slike grupper består typisk av et antall subgrupper som har individuelle luftkanoner og klynger av luftkanoner fastmontert i rammer. Båten tauer disse gruppene til forhåndsbestemte posisjoner og avfyrer så de kammeranordnede luftkanonen samtidig. Denne teknikken er beskrevet mer fullstendig i US-patent nr. 4,956,822, som herved er inkludert ved referanse.

Hver av de kammeranordnede luftkanonene i gruppen kan opereres for generere en rekke pulser med seismisk energi som beveger seg gjennom vannet og inn i jordens lag. Hver luftkanon produserer en "signatur" som skaffer tilveie et kvantitativt mål på luftkanonens avgitte effekt og ytelse. Når en luftkanon avfyres, genereres en første puls som har en første, positiv topp som kalles "direkte" eller "primær" ankomst. Amplituden til denne toppen kalles toppamplituden, hvilket korresponderer til økningen i trykk som forekommer i vannet når den komprimerte luften først eksploderer ut av luftkanonen. Den primære ankomst følges av en stor negativ topp som korresponderer til en refleksjon fra vannets overflate og som kalles et falskt ekko ("ghost").

Den første ankomsten og spøkelset følges av en sekvens av boblepulser eller oscillasjoner som tilsvarer trykkvariasjoner som forekommer i vannet på grunn av utvidelse/kompresjonssykler av luftboblene.

Ett av de karakteristiske trekk ved luftkanonens signatur er det primære puls-til-boble -forholdet. Dette er et forhold mellom den primære topp-til-toppamplituden delt på topp-til-topp-styrken til boblepulsene. Dette puls-til-boble-forholdet varierer fra luftkanon til luftkanon, og brukes for å karakterisere de forskjellige typer luftkanoner. Dette forholdet varierer som en funksjon av kammervolum, luftkanondybde og avfyringstrykk. Et annet karakteristisk trekk for en luftkanonsignatur er bobleperioden. Dette er tidsforsinkelsen mellom den primære toppamplitude og den første bobletopp-amplitude. Bobleperioden for en luftkanon avhenger av kammervolum, luftkanondybde og avfyringstrykk.

Som tidligere nevnt omfatter en luftkanongruppe typisk et flertall luftkanoner, enten individuelle, som klynge, eller en kombinasjon av dette. Det primære formålet med et slikt arrangement, er å øke den totale avgitte energi, og tillater også designeren av gruppen å forme fjernfeltsignaturen og direktivitetsmønsteret, eller "å trimme" (eng.: tune) gruppen, slik at de primære toppene adderes eller interfererer med hverandre positivt, mens bobleoscillasjonene kansellerer hverandre eller interfererer destruktivt med hverandre.

Generelt er luftkanongrupper utformet og brukt under den antagelse at hvert element av gruppen vil forbli ved en fast vertikal posisjon relativ til en fast referanse under en marinseismisk operasjon, noe som normalt er en gyldig antagelse ved rolige sjøforhold. Imidlertid, når gruppen utsettes for røffe sjøforhold (høy sjø), kan de store bølgene ha en tydelig effekt på den vertikale posisjonen til hvert element i gruppen. I en slik situasjon er de primære pulsene fra hvert element i gruppen ikke lenger synkronisert, og boblepulsene er ikke effektivt undertrykket. Dette fører selvfølgelig til at hovedformålet ved å konstruere en gruppe ut av et flertall individuelle elementer ikke oppnås. Under røffe sjøforhold kan gruppen bli så "av-trimmet" at den marinseismiske operasjonen må avsluttes, noe som fører til dødtid og økte kostnader.

Ifølge et trekk ved foreliggende oppfinnelse er det fremskaffet en anordning for generering av seismiske pulser som omfatter: et flertall av seismiske pulsgenererende innretninger som har et forhåndsbestemt ønsket innbyrdes romlig forhold;

et flertall av sensorer plassert nær nevnte seismiske pulsgenererende innretninger for å bestemme disses hellingsvinkler;

en prosessor for å avgjøre formen til den veien nevnte seismiske

pulsgenerende innretninger beveger seg fra nevnte bestemte hellingsvinkler; og

et kontrollsystem for å kontrollere tidspunktet nevnte seismiske pulsgenerende innretninger aktiviseres og derved generere en seismisk puls, idet nevnte kontrollsystem kan opereres for å justere tidspunktet ved hvilket nevnte seismiske pulsgenerende innretninger aktiviseres som en funksjon av den bestemte formen på nevnte vei slik at det tenderer mot en kompensering for endringer i nevnte ønskede romlige forhold.

Ifølge en annen side av oppfinnelsen er det skaffet tilveie en fremgangsmåte for å generere seismiske pulser, hvor fremgangsmåten omfatter trinnene: å skaffe tilveie et flertall av seismiske pulsgenererende innretninger som har et forhåndsbestemt ønsket innbyrdes romlig forhold;

å bestemme hellingsvinklene til de seismiske pulsgenererende innretningene;

å bestemme formen til den veien nevnte seismiske pulsgenerende innretninger beveger seg fra de bestemte hellingsvinkler; og

å kontrollere tidspunktene ved hvilke de seismiske pulsgenerende innretningene aktiveres som en funksjon av den bestemte formen på nevnte vei slik at det tenderer mot å kompensere for endringer i nevnte ønskede romlige forhold.

I en foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse, omfatter den posisjonsbestemmende enhet et flertall av inklinometre plassert langs et oppheng (harness) til hvilket de seismiske pulsgenererende innretninger er festet. Utgangssignalet fra hvert inklinometer gir en hellings vinkel. Denne hellingsvinkelen brukes i forbindelse med de kjente avstander mellom naboliggende inklinometre for å avgjøre den øyeblikkelige formen på veien opphenget beveger seg langs. Så snart formen på veien er bestemt, kan også den vertikale forskyvning av hver av de seismiske pulsgenererende innretninger med hensyn på en fast referanse, også bestemmes. Med denne informasjonen justerer kontrollsystemet øyeblikket i tid som hvert element i gruppen avfyres, og holder derved gruppen i en "trimmet" -tilstand til tross for røffe sjøforhold.

Oppfinnelsen er karakterisert ved trekkene i patentkravene.

For en mer komplett forståelse av den foreliggende oppfinnelse og fordelene ved denne, henvises det nå til den etterfølgende beskrivelse sett i sammenheng med de vedføyde tegninger hvor: FIGUR 1 illustrerer et diagram over en tauet luftkanon-subgruppe hvor det brukes kontrollmekanismer av kjent teknikk på høy sjø; FIGUR 2 illustrerer signaturen til en typisk luftkanon; FIGUR 3 illustrerer et diagram over fremgangsmåten for å beregne inklinasjonsvinkelen til de individuelle elementer i en gitt subgruppe; FIGUR 4 illustrerer et blokkdiagram over kontrollsystemet som brukes i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse; FIGUR 5 illustrerer et diagram over den tauede luftkanongruppe med kontrollsystemet ifølge foreliggende oppfinnelse; FIGUR 6 illustrerer et diagram som viser en løsning for flere tauede grupper; FIGUR 7 illustrerer et diagram hvor det benyttes en GPS-mottaker; og FIGUR 8 illustrerer et diagram for bruk av minste kvadratets metode (LMS).

I FIGUR 1 er det illustrert et diagram over et seismisk pulsgenerende system ifølge kjent teknikk, generelt henvist til som 12, som taues bak et seismisk fartøy 10. Gruppen 12 inkluderer et flertall av individuelle innretninger 14 som typisk er individuelle luftkanoner eller klynger av luftkanoner plassert langs lengden av et oppheng 16. Opphenget 16 er forbundet med et navlestrengsystem ("umbilical system") 18 som er koblet til fartøyet 10. System 18 inkluderer forskjellige elektriske ledere for å kontrollere operasjonen av gruppen, og inkluderer også rør for å levere trykkluft. Et slikt system er videre beskrevet i US-patent nr. 4,956,822 som allerede er nevnt.

Opphenget 16 er typisk anordnet en viss avstand under havoverflaten 19. Denne avstanden opprettholdes ved å henge opphenget 16 i en flottør 20 som i hovedsak tenderer mot å følge kurvene ved havets overflate 19. Ved rolig sjø er naturligvis overflaten 19 relativt flat. Ved grove sjøforhold kan det imidlertid være en betydelig grad av bølgeaktivitet med topper og daler som forårsaker at flottøren 20 og det tilknyttede opphenget 16 heves og senkes tilsvarende.

FIGUR 1 viser også trykk over tid signaturen til hver av luftkanonene 14 etter at de har blitt avfyrt. Det kan ses at ankomsttiden til de primære topper av signaturen i fjernfeltet påvirkes av fasongen til havoverflaten 19, noe som kan resultere i mis-synkronisering eller "av-trimming". Eksisterende systemer har store problemer med å korrigere for disse forskjeller i ankomsttid fordi enhver korreksjons faktor er statisk av natur og har ikke den dertil assosierte dynamikk som tillater operasjon i høy sjø. Derfor innfører eksisterende systemer store feil knyttet til forskjeller i vertikal forskyvning mellom individuelle luftkanoner og subgrupper.

Det henvises nå til FIGUR 2, hvor det er illustrert et diagram over et eksempel på nærfeltsignaturen til en enkelt luftkanon i tidsdomene, i dette tilfelle en 195 kubikktommer (ca. 3200 cm<3>) Bolt luftkanon avfyrt 6 meter under havoverflaten. Primærtoppen er indikert som 32 hvor den neste toppen er en overflødig bobletopp 34. Tiden mellom toppene 32 og 34 er bobleperioden. De etterfølgende bobletopper omfatter et "ringesignal" forårsaket av den oscillerende luftboblen som frigjøres når luftkanonen 14 avfyres. Det primære formål med å avfyre flere luftkanoner på samme tid er å addere og øke den primære bobletoppen 32 sin del av det totale signal ved konstruktiv interferens, og å undertrykke de følgende bobleringinger ved destruktiv interferens.

Det henvises nå til FIGUR 3 hvor det er illustrert et detaljert bilde av hovedkonseptet for foreliggende oppfinnelse. I FIGUR 3 er opphenget 16 vist hvor det følger en buet vei forårsaket av en røff havoverflate 19. Opphenget 16 er utrustet med et flertall av inklinometre 40 slik som de som er tilgjengelig fra Lucas Schaevitz, type Accustar. Utgangssignalet fra hvert av inklinometrene 40 er direkte relatert til vinkelen inklinometre 40 heller med hensyn til horisontalplanet. Fra denne "hellingsvinkel", kan hellingen til opphenget 16 avgjøres og fra dette kan formen på veien opphenget 16 beveger seg langs bestemmes slik som i det følgende eksempel.

For diskusjonsformål representeres veien som opphenget 16 beveger seg gjennom vannet ved en spline 42. Ligningen for kurven assosiert med spline 42 er g(x). La N være antallet inklinometre 40 montert på opphenget 16 og ^ være hellingsvinkelen til inklinometer nummer i, hvor i=0, 1, ..., N-l. La Ij hvor i=0, 1,..., N-2 angi den observerte seksjonslengde 44 mellom inklinometer i og i+1, og la xi3 hvor i=0, 1, ..., N-l, angi den horisontale in-line posisjon til inklinometerne.

Spline representert ved den prikkete linje 42 går gjennom et gitt sett av punkter. Hvis funksjonen for denne spline er g(x) så kan, ved visse antagelser, g(x) beskrives som bygget opp av et sett av tredjegrads polynomer gi(x), i=0, 1, ..., N-l på en slik måte at g(x) og dens to deriverte er kontinuerlige overalt. En slik funksjon kalles en kubisk splinefunksjon.

Tredjegradspolynomer som representerer den kubiske splinefunksjonen mellom inklinometer i og i+1 kan skrives slik:

hvor koeffisientene ai9 b;, Cj og dj er ukjente.

Den kubiske splinefunksjonen g(x), for Xo<x<xN.,, har følgende egenskaper: (1) Den deriverte av spline er lik de målte hellinger: g' (Xi)= i=0, 1, ...N-l; (2) g(x), g' (x) og g" (x) er kontinuerlige; (3) g(x)=gi(x) i hvert intervall Xj<x<Xi.i i=0, 1, ..., N-2; og (4) hvis h(x) er en hvilken som helst annen funksjon som tilfredsstiller de tre første egenskaper så er:

Det kan vises at den siste egenskapen er tilfredsstilt forutsatt at

g"(xo) <=> g"(xN..)=0.

Siden polynomet g(x) er kubisk, er g"(x) lineær i intervallet Xj<x<xi+1. Derfor, hvis funksjonen g"(x) for i=2, 3, ..., N-2 kan bestemmes, så kan g'(x) og g(x) bestemmes hvor som helst ved integrasjon av g"(x).

Ved å introdusere følgende notasjon:

kan det vises at å løse kurvaturen g" reduseres til problemet å løse systemet av lineære ligninger:

Systemet av lineære ligninger kan løses direkte ved å multiplisere den faste inverse A-matrisen med s-vektoren.

Når en teoretisk representasjon av subgruppens fasong er bestemt, så brukes den vertikale dybdeoffset ved luftkanonposisjonen for å finne de relative avfyringstider for de individuelle luftkanoner. La M være antallet luftkanoner i subgruppen og xj? j=0,l,...,M-l, være de horisontale posisjoner. Justeringen av avfyringstiden Xj for luftkanon nr. j kan da beregnes som følger:

hvor c er lydhastigheten i vann.

Det henvises nå til FIGUR 4 sett i sammenheng med FIGUR 1, der det er illustrert et diagram for kontrollsystemet for styring av operasjonen av den seismiske pulsgenerende gruppe. Kontrollsystemet omfatter et avfyringskontrollsystem 52 som kontrollerer tidspunktet der luftkanonen 14 avfyres. Prosessor 54 kan opereres for å motta utgangssignalene til hvert av inklinometerne 40 assosiert med opphenget 16 som de individuelle elementene av gruppen er hengt opp i. Disse signalene mottas via signallinjer 56 som bæres av navlestrengsystem 18. Signalene fra hvert inklinometer 40 tilføres prosessoren 54 som så bruker denne informasjonen for å beregne den relative vertikale forskyvning av luftkanonen fra en fast referanse og fremskyvningen eller forsinkelsen Tj som skal knyttes til hver luftkanon som allerede forklart. Dette sendes så videre til luftkanonene fra avfyringskontrollsystem 52 via kontrollinjene 60.

Den beregnede avfyringstidsjusteringen som tilsvarer forskjellene i vertikal posisjon for de individuelle elementer av gruppen like før de aktiviseres sendes som avfyringsoffset som varierer fra skudd til skudd, til avfyringskontrollsystemet 52. Hvis en luftkanon er fysisk i posisjon høyere enn den faste referansen så tilføres en positiv avfyringskompansasjonsforsinkelse. Denne forsinkelsen legges til som en negativ offset til avfyringstidspunktet som er gitt av kildekontrollen på en slik måte at luftkanonen aktiviseres tidligere enn ved vanlig bruk. I motsatt fall, hvis en luftkanon er fysisk i posisjon lavere enn den faste referansen så tilføres en negativ kompansasjonsforsinkelse.

Det henvises nå til FIGUR 5 hvor det er illustrert et diagram som viser nærfeltresponsene til hver av luftkanonene 14 etter at avfyringstidsjusteringer har blitt gjort ved bruk av den foreliggende oppfinnelse. Det kan ses at de primære topper fra hver luftkanon 14 er i overensstemmelse med hverandre til tross for den røffe havoverflaten 19, slik det ville være tilfelle ved rolige sjøforhold.

Det henvises nå til FIGUR 6 hvor det er illustrert multiple subgrupper 70, 72 og 74, hvor hver har sitt eget oppheng 16, navlestrengsystem 18, flottør 20 og et flertall av luftkanoner eller klynger av luftkanoner. Under røffe sjøforhold kan hver subgruppe 70, 72, 74 ri på overflatebølgene med forskjellig fase. Dette betyr at den vertikale posisjon av hver av subgruppene 70-74 med hensyn på en fast referanse kan være forskjellig. Variasjonen i z-koordinat for hver gruppe må derfor være kjent før informasjonen om de vertikale posisjonsoffset kan benyttes for å justere luftkanonavfyringstidspunktene.

Det henvises nå til FIGUR 7 hvor det er illustrert en subgruppe 70 som har en global posisjoneringssatellitt (GPS) -mottager 90 i tilknytning til flottøren 20. Ved å anta en fast dybdeoffset mellom frontposisjonen til hver av subgruppene 70-74 og dens tilknyttede flottør 20, kan variasjonen i z-posisjon mellom subgruppene 70-74 måles ved bruk av GPS-mottagerne 90. Det henvises nå til FIGUR 8 hvor det er illustrert et diagram over subgruppe 70 hvor minste kvadratets metode (LMS) benyttes. Ved værforhold hvor en syklisk bevegelse av subgruppene forekommer, kan en sinusbølge benyttes til å representere en tilnærming av subgruppefasongen med lang periode for å finne den absolutte z-posisjon til luftkanonene 14 med en tilstrekkelig nøyaktighet. Hvis den relative subgruppefasong samples tilstrekkelig tett til at det oppnås en fasongskorrelasjon over tid, kan det dannes en sinusfunksjonsbeskrivelse relativ til et likevektsnivå som må være det samme for alle subgrupper. Hvis g(x) er den kubiske spline representasjonen av en vertikal subgruppefasong beregnet fra helningsmålingene, ved å anta sykliske bevegelser av subgruppe 70 over tid, kan g(x) aproksimeres av sinuskurven:

hvor vertikaloffset Z0, amplituden K, bølgenummeret k og fasen <f> er ukjente.

LMS-teknikken kan benyttes for å estimere de fire parametrene Z0, K, k og ^ som gir den beste funksjonstilpasning i en kvadratisk-feilforstand. Offsetparametren Z0 er da vertikal posisjonsoffset for g(x) fra den faste referansen.

Så snart den relative offset for hver av subgruppene er beregnet og formen til veien som hver av subgruppene beveger seg er bestemt fra inklinometerne 40 knyttet til opphenget 16 til hver av subgruppene 70-74, er det mulig å forskyve hver av subgruppene relativ til hverandre slik at de primære toppene fra hvert av elementene i subgruppene interferer med hverandre konstruktivt.

For å oppsummere gir den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte og et apparat for å redusere effekten av høy sjø på en marinseismisk pulsgenerende kilde. Fremgangsmåten omfatter først å bestemme fasongen til veien luftkanongruppen taues på et tidspunkt like før luftkanonene skal avfyres. Så snart veiformen er kjent, kan den vertikale posisjonen til hvert element i gruppen med hensyn på en fast referanse bestemmes. Forsinkelser eller fremskyndinger innføres i avføringssignalene som sendes til hvert element i gruppen. I en foretrukket utførelse bestemmes veiformen ved å måle en hellingsvinkel med en serie av inklinometre assosiert med opphenget som bærer luftkanonene.

Selv om den foretrukne utførelse er beskrevet i detalj, må det forstås at forskjellige endringer, utskiftninger og modifikasjoner kan gjøres. F.eks. kan hvert av inklinometrene 40 erstattes med ett eller flere akselerometre hvis utgangssignal behandles (f.eks. integreres) for å gi signaler tilsvarende de som avgis av inklinometrene. Alternativt kan inklinometrene 40 brukes sammen med akselerometre for bedre å karakterisere fasongen til veien som følges av luftkanongruppen.

Claims (8)

1. Anordning for generering av seismiske pulser omfattende et flertall av seismiske pulsgenererende innretninger som har et forhåndsbestemt ønsket innbyrdes romlig forhold og et kontrollsystem for å kontrollere tidspunktet nevnte seismiske pulsgenerende innretninger aktiviseres og derved generere en seismisk puls, karakterisert ved at den omfatter et flertall av sensorer plassert nær nevnte seismiske pulsgenererende innretninger for å bestemme disses hellingsvinkler; en prosessor for å avgjøre formen til den veien nevnte seismiske pulsgenerende innretninger beveger seg fra nevnte bestemte hellingsvinkler; idet nevnte kontrollsystem kan opereres for å justere tidspunktet ved hvilket nevnte seismiske pulsgenerende innretninger aktiviseres som en funksjon av den bestemte formen på nevnte vei slik at det tenderer mot en kompensering for endringer i nevnte ønskede romlige forhold.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte kontrollsystem kan opereres for å justere tiden for aktivisering av hver av nevnte seismiske pulsgenerende innretninger slik at de primære pulsene generert av nevnte seismiske pulsgenererende innretninger interfererer med hverandre konstruktivt.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at nevnte flertall av seismiske pulsgenererende innretninger er anordnet i en gruppe som består av én eller flere subgrupper.

4. Anordning ifølge ett av kravene 1 til 3, karakterisert ved at nevnte seismiske pulsgenererende innretninger er luftkanoner, klynger av luftkanoner, eller kombinasjoner av dette.

5. Fremgangsmåte for å generere seismiske pulser som omfatter å skaffe tilveie et flertall av seismiske pulsgenererende innretninger som har et forhåndsbestemt ønsket innbyrdes romlig forhold, karakterisert ved at den omfatter trinnene å bestemme hellingsvinklene til de seismiske pulsgenererende innretningene; å bestemme formen til den veien nevnte seismiske pulsgenerende innretninger beveger seg fra de bestemte hellingsvinkler; og å kontrollere tidspunktene ved hvilke de seismiske pulsgenerende innretningene aktiveres som en funksjon av den bestemte formen på nevnte vei slik at det tenderer mot å kompensere for endringer i nevnte ønskede romlige forhold.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at trinnet å kontrollere omfatter trinnet å justere tiden for aktivisering av hver av nevnte seismiske pulsgenerende innretninger slik at de primære pulsene generert av nevnte seismiske pulsgenererende innretninger interfererer med hverandre konstruktivt.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved at nevnte flertall av seismiske pulsgenererende innretninger er anordnet i en gruppe som består av én eller flere subgrupper.

8. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 5 til 7, karakterisert ved at nevnte seismiske pulsgenererende innretninger er luftkanoner, klynger av luftkanoner, eller kombinasjoner av dette.