NO324707B1 - Fiberoptisk seismisk sensorstasjon, saerlig for plassering pa havbunnen - Google Patents

Abstract

En seismisk sensorstasjon inkluderer et hus som inneholder en fiberoptisk hydrofon og et fiberoptisk akselerometer som begge kan være laget av en enkel lengde av optisk fiber plassert på innsiden av huset. Det fiberoptiske akselerometeret er plassert i et væske/oljefylt rom i huset for å dempe mekaniske resonanser i akselerometeret på grunn av mekaniske forstyrrelser og trykkfluktuasjoner.

Description

Denne søknaden er relatert til en seismisk sensorstasjon slik som angitt i ingressen av det selvstendige kravet.

Oppfinnelsens bakgrunn

Utførelsesformer av oppfinnelsen er relatert til seismisk kartlegging av havbunn ved å bruke seismiske sensorer lagt ut på havbunnen. Mer spesifikt er utførelsesformer av oppfinnelsen relatert til et seismisk stasjonshus i et seismisk kartleggingssystem for havbunn som bruker en utlagt seismisk havbunnskabel med seismiske stasjoner langs dens lengde.

Bakgrunn og kjent teknikk

Seismisk kartlegging ved å bruke fiberoptisk teknologi har nylig mottatt oppmerksomhet. Optisk baserte sensorer for å utføre kartleggingen kan inkludere en hydrofon og geofoner. Disse sensorene kan bli fabrikkert, for eksempel, ved å bruke Michelson-interferometre.

Et generelt problem med å arrangere hydrofoner sammen med en tre-akse-geofon eller akselerometer i en seismisk målestasjon med fire komponenter er kryssensitiviteten mellom hydrofonen og geofonene/akselerometrene. Mens det generelt er ønskelig å optimere eksponeringen av hydrofonene for trykk variasjoner er det generelt uønskelig å la trykkvariasjoner påvirke geofonene. Påvirkningen fra trykksignalet på geofonene/akselerometrene danner en uønsket kryssensitivitet.

Andre potensielle problemer eksisterer med arrangementer i de seismiske målestasjonene med fire komponenter, slik som vist i artikkelen fra QinetiQ: "The Optical Oilfield - Fibre Optic Seismic for Permanent Seabed Reservoir Monitoring" in Business Briefing: Exploration & Production: The oil & Gas Review 2003 - Volume 2, og i US patent nr. 7013729. Et problem med å montere geofoner/akselerometre på innsiden av et luftfylt trykkforseglet hus involverer mekaniske resonanser i geofonene/akselerometrene. Å integrere flere fiberoptiske sensorer langs en fibersløyfe i undervannsmiljøer danner andre begrensninger relatert til å koble arrangementer, som krever høytrykkspenetratorer for å lede en fiber mellom omgivelser med lavt trykk og omgivelser med høyt trykk, og omvendt.

Derfor eksisterer det et behov for en forbedret seismisk sensorstasjon for å plassere en hydrofon og en eller flere geofoner.

Sammendra<g> av oppfinnelsen

Utførelsesformer av oppfinnelsen er relatert til en seismisk sensorstasjon inkludert en fiberoptisk hydrofon og et fiberoptisk akselerometer plassert på innsiden av et hus og sammenkoblet med optisk fiber. Det fiberoptiske akselerometret er plassert i et væskefylt rom i huset for demping av mekaniske resonanser i akselerometret på grunn av mekaniske forstyrrelser og trykkfluktuasjoner.

For noen utførelsesformer inkluderer fiberen i huset et array av fiberbaserte Bragg-gitter som danner et array av interferometre, hvorved et interferometer er tilveiebrakt for hver av sensorene og en referanse. Det væskefylte rommet som inneholder akselerometrene er trykkisolert i noen utførelsesformer. En luftblære plassert i det væskefylte rommet kan stabilisere det interne trykket på innsiden av huset ved å kompensere for den termiske ekspansjonen i huset og/eller væsken.

I noen utførelsesformer overfører en trykkoverføringsanordning trykkvariasjoner mellom det omgivende miljøet og en innside av hydrofonrommet i huset. Hydrofonrommet inneholder en optisk fiberspole av hydrofonen. Trykkoverføringsanordningen kan inkludere en fleksibel membran eller en væskefylt blære. I noen utførelsesformer inkluderer trykkoverføringsanordningen en forlenget rørstruktur som tilveiebringer en åpning mellom det væskefylte rommet og hydrofonrommet for å overlevere DC og lavfrekvente trykkfluktuasjoner inn i det væskefylte rommet, mens samtidig blokkere høyfrekvente trykksignaler fra å gå inn i det væskefylte rommet.

Det væskefylte rommet som inneholder akselerometre kan bli trykkbalansert mot et omgivende miljø. I henhold til noen utførelsesformer inkluderer det trykkbalanserte huset en trykkoverføirngsanordning som overfører trykkvariasjoner mellom det omgivende miljøet og en innside av det væskefylte rommet. Trykkoverføringsanordningen kan inkludere en fleksibel membran eller en væskefylt blære. I noen utførelsesformer inkluderer trykkoverføringsanordningen en forlenget rørstruktur som tilveiebringer en åpning mellom et innsidevolum i huset og det eksterne miljøet som overleverer DC og lavfrekvente trykkfluktuasjoner, men blokkerer høyfrekvente trykksignaler fra å gå inn i huset. Rørstrukturens diameter kan være betydelig mindre enn lengden av rørstrukturen.

Akselerometret og hydrofonen kan begge være plassert i det væskefylte rommet i huset, og på denne måten kreve et minimum av to fiberskjøter på innsiden av det væskefylte rommet. Hydrofonen kan også være plassert i et hydrofonrom i huset separat fra det væskefylte rommet.

I noen utførelsesformer er en intern blære plassert i kontakt med en internt trykksatt hydrofon slik at blæren tilveiebringer en kombinert funksjon med intern trykkompensajon og luftstøtte (air-backing) av hydrofonen.

I henhold til noen utførelsesformer er en høytrykksakumulator plassert på innsiden av huset for å tilpasse endringer i temperatur eller trykk på innsiden av huset.

Kort beskrivelse av figurene

Slik at måten i hvilken de ovenfor nevnte kjennetegnene av den foreliggende oppfinnelsen kan bli forstått i detalj kan en mer detaljert beskrivelse av oppfinnelsen, kort oppsummert over, fås ved referanse til utførelsesformer, noen av hvilke er illustrert i det vedlagte figurene. Det må imidlertid bemerkes at de vedlagte figurene bare illustrerer typiske utførelsesformer av denne oppfinnelsen og skal derfor ikke vurderes å være begrensende av deres omfang, for oppfinnelsen kan romme andre like effektive utførelsesformer. FIG. 1 viser en seismisk stasjon i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen som har akselerometre i et trykkisolert første rom i et hus, og en eksternt trykksatt luftstøttet hydrofon plassert i et andre rom eksponert for et trykk i et eksternt miljø. FIG. 2 viser en seismisk stasjon i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen, i hvilken akselerometre er plassert i et trykkbalansert første rom i et hus, og en ekstern trykksatt luftstøttet hydrofon er plassert i et andre rom eksponert for et trykk i et eksternt miljø. FIG. 3 viser en seismisk stasjon i henhold til en utførelsesform at oppfinnelsen, i hvilken akselerometre er plassert i et trykkisolert første rom i et hus og en internt trykksatt luftstøttet hydrofon er plassert i et andre rom. FIG. 4 viser en seismisk stasjon i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen, i hvilken akselerometre er plassert i et trykkisolert rom i et hus, og en internt trykksatt hydrofon med luftstøtte tilveiebrakt ved en luftfylt blære er plassert i det samme rommet. FIG. 5 viser en seismisk stasjon i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen, i hvilken akselerometre er plassert i et trykk-DC-balansert første rom i et stasjonshus og en internt trykksatt luftstøttet hydrofon er plassert i et andre rom i huset. FIG. 6 viser en seismisk stasjon i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen, i hvilken akselerometre er plassert i et trykk-DC-balansert første oljefylt rom i et seismisk stasjonshus og en intern oljestøttet (oil-backed) hydrofon er plassert i det samme rommet. FIG. 7 er et tverrsnitt av en internt trykksatt hydrofon i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen der en optisk fiberspole er viklet på en luftstøttet sylindrisk struktur til bruk i en seismisk sensorstasjon. FIG. 8 er et tverrsnitt av en eksternt trykksatt hydrofon i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen der den optiske fiberen er viklet på en vegg i hydrofonen til bruk i en seismisk sensorstasjon. FIG. 9 illustrerer optisk interrogasjon av en sammenstilling av tre akselerometre og en hydrofon på en enkel optisk fiber som kjører gjennom en seismisk stasjon, hvori interrogasjonen inkluderer et optisk dobbelt pulssignal ført inn i stasjonen og et typisk reflektert pulstog fra sammenstillingen av sensorer, typisk realisert i formen av fiberbaserte Bragg-gitter. FIG. 10 illustrerer et array av seismiske sensorstasjoner som anvender hus, i henhold til utførelsesformer av oppfinnelsen, og koblet til en koblingsnode med enkle fiberrør som kobler hvert par av nærliggende seismiske stasjoner langs arrayet.

Detaljert beskrivelse av den foretrukne utførelsesformen.

I alle utførelsesformer illustrert i FIG. 1 - 6 er det et hus 1, tre fiberoptiske akselerometre, benevnt x, y og z, for å måle akselerasjon i tre ulike retninger, og en fiberoptisk hydrofon, benevnt H, for å måle dynamiske trykkvariasjoner. Hydrofonen H og akselerometrene x, y, z er alle plassert langs en enkel lengde av optisk fiber. På hver side av hydrofonen H eller akselerometrene x, y, z er det plassert et fiberoptisk gitter som reflekterer, minst delvis, innkommende lys med en bølgelengde som passer optiske gitterets refleksjonsbånd.

Akselerometrene x, y, z og hydrofonen H er basissensorbyggeblokker av den seismiske sensorstasjonen. Som et felles kjennetegn for alle utførelsesformer er minst en av akselerometrene x, y, z nedsenket i et volum av væske inneholdt i et første rom 10 i huset 1 som tjener til å dempe mekaniske resonanser i akselerometrene x, y, z og i et referanseinterferometer 4. Alle akselerometre i huset 1 er fortrinnsvis plassert i et væske (olje) -fylt rom, som indikert i de vedlagte figurene.

I noen utførelsesformer er akselerometrene x, y og/eller z plassert i det første rommet 10 i huset 1, mens hydrofonen H er plassert i et andre rom 20 i huset 1. FIG. 1,2, 3 og 5 viser eksempler på konfigurasjoner av et slikt arrangement.

I noen utførelsesformer er huset 1 trykkisolert, som indikert i FIG. 1, 3, og 4. Å bruke et trykkisolert hus har fordelen med å beskytte akselerometrene x, y, z og referanseinterferometret 4 mot eksterne trykkvariasjoner, og på denne måten minimere trykkindusert krysstale. Et trykkisolert hus og bruk av høytrykksfiberpenetratorer har imidlertid potensial til lekkasjeproblemer og redusert pålitelighet av huset.

I henhold til noen utførelsesformer er et trykk-DC-balansert sensorhus anvendt, hvorved akselerometrene x, y, z og referanseinterferometret 4 er isolert fra AC-trykkvariasjoner, for eksempel som vist i FIG. 6. Som et eksempel, et tynt rør 91 plassert som indikert i

FIG. 2 har en indre diameter på omtrent 0,5 mm og en lengde på omtrent 10,0 mm eller mer som effektivt blokkerer trykkvariasjoner for frekvenser over omtrent 5,0 Hz. Fordelaktig, et trykkbalansert hus eliminerer behovet for DC-trykkforseglinger av huset. Det tynne røret 91 virker som et AC-filter som forhindrer trykksignaler over en frekvens gitt av dimensjonene på røret fra å påvirke akselerometrene på innsiden av huset, mens fortsatt oppnå DC-trykkbalansering av innsiden av huset.

I noen utførelsesformer er akselerometrene x, y og/eller z plassert i det samme første rommet 10 som den fiberoptiske hydrofonen H. Eksempler på konfigurasjoner av dette arrangementet er vist i FIG. 4 (trykkisolert) og FIG. 6 (DC-trykkbalansert). Denne konfigurasjonen har fordelen at all fiberoptikk kan være plassert i de samme trykkomgivelsene, for eksempel ved å bruke en FBG-sensorarray langs en kontinuerlig fiber uten behov for interne fiberskjøter, hvorved høytrykkspenetratorer er unngått på innsiden av det seismiske stasjonshuset. Mens hele huset er trykkisolert, som for eksempel i FIG. 4, kan et trykk på omtrent 1,0 bar bli anvendt i beskyttende rør 3 mellom stasjonene og i koblingsnode (for eksempel en tørr-node), og også fra koblingsnoden opp på overflaten. I DC-trykkbalanserte hus, som i FIG. 2, 5 og 6, er en høytrykkspenetrator brukt på koblingsnoden, hvis interne trykk alltid er holdt ved omtrent 1,0 bar. Når trykket øker ved utlegging av stasjonene flyter olje inn i de beskyttende rørene 3 som er fettfylt som krever gjenfylling av olje inn i huset 1 fra en oljefylt blære 82 eller 85.

I alle utførelsesformer er et optisk signal ført til huset 1 i en optisk fiber plassert på innsiden av beskyttende rør 3 på utsiden av huset 1. En inputfiber 31 og en outputfiber 33 kan løpe i separate beskyttende rør, og på denne måten kreve to rørtermineringer på det seismiske sensorstasjonshuset. Når plassert i et seismisk kabelarray har hver seismisk stasjonshus separate inngangs- og utgangsrør, unntatt for den siste stasjonen i et array, som illustrert i FIG. 10. Ved å bruke FBG-baserte sensorer kan sensoren bli interrogert i refleksjonsmodus, dvs. å bruke den samme fiberen for input og output av optiske signaler fra en koblingsnode 301 og gjennom arrayet av seismiske stasjoner 11, 12,... 1 n. De beskyttende rørene 3 er derfor signalfiberrør brukt til å beskytte fiberen mellom de seismiske stasjonene. Derfor er trykket på innsiden av de beskyttende rørene 3 og trykket på innsiden av rommet 10 i de seismiske stasjonene det samme langs hele arrayet fra koblingsnode 301 til den siste seismiske stasjonen 1„.

I alle illustrerte utførelsesformer tilveiebringer den optiske fiberen på innsiden av det seismiske sensorhuset 1 også referanseinterferometret 4 som er fortrinnsvis plassert i det første rommet 10 sammen med akselerometrene x, y og z. Videre kan alle de fiberbaserte Bragg-gitterelementene være lokalisert i det samme første rommet 10 i sensorhuset 1 som akselerometrene x, y og z er plassert i, uavhengig av hvorvidt hydrofonen H er plassert i det første rommet 10 eller et annet andre rom 20 i huset 1.

FIG. 1 illustrerer en utførelsesform der en input optisk fiber 31 går inn i et første rom 10 i det seismiske sensorstasjonshuset 1 fra et beskyttende rør 3 ved en forseglet kobling mellom det beskyttende røret og huset. I dette tilfellet er det første rommet trykkisolert ved omtrent 1,0 bar og fylt med en væske, som fortrinnsvis er olje. En seksjon som danner en intern optisk fiber 32 på innsiden av huset er lagt ut på en slik måte at det førte lyset først passerer et fiberbasert Bragg-gitter 41, deretter passerer det gjennom et fiber-referanseinterferometer 4, og deretter gjennom et andre fiberbasert Bragg-gitter 42. Deretter passerer det førte lyset gjennom et første akselerometer x, etter hvilket lyset passerer gjennom et tredje fiberbasert Bragg-gitter 43. Deretter er lyset ført gjennom et andre akselerometer y, etter hvilket det passerer gjennom et fjerde fiberbasert Bragg-gitter 44. Deretter er lyset ført inn i den samme optiske fiberen gjennom et tredje akselerometer z, etter hvilket det passerer gjennom et femte fiberbasert Bragg-gitter 45. Den optiske fiberen fører deretter lyset inn i et andre rom 20 i huset 1 via en første høytrykkspenetrator 51. Det andre rommet 20 er eksponert for trykket til det eksterne miljøet via en trykkoverførende del 5, slik som for eksempel en fleksibel membran som danner en del av en vegg 6 av det andre rommet 20 mellom en innside av rommet og et eksternt miljø. I det andre rommet 20 er den optiske fiberen plassert til å danne en hydrofon H, fortrinnsvis som en fiberspole viklet rundt en struktur 61 som kan definere en sylinderaktig form. Etter hydrofonen passerer den interne optiske fiberen 32 gjennom en andre høytrykkspenetrator 52 tilbake inn i det første rommet 10, der lys deretter passerer gjennom et sjette fiberbasert Bragg-gitter 46 i den optiske fiberen. De første og andre penetratorene 51, 52 er illustrert som separate deler, men i noen utførelsesformer av oppfinnelsen kan disse to elementene imidlertid være kombinert i en enkel penetrator for å holde optiske fibere som krysser inn til og ut av det andre rommet 20. Følgelig går den optiske fiberen ut av det seismiske sensorhuset 1 for å danne en output optisk fiber 33 som går inn i et beskyttende rør ved en forseglet kobling, fortrinnsvis det samme beskyttende røret som input optisk fiber 31 går gjennom.

Hydrofonen H er fortrinnsvis dannet ved å vikle den interne optiske fiberen 32 på strukturen 61 som kan være en luftstøttet sylinder, dvs. en sylinder som definerer et internt volum 62 som kan være luft- eller gassfylt ved omtrent 1,0 bar, hvorved sylinderendringene former dermed endring av lengden av den optiske fiberen når den er utsatt for variasjoner i eksternt trykk. Det andre rommet 20 er også oljefylt.

En intern luftblære 81 er fortrinnsvis plassert på innsiden av det første rommet 10 for å tilpasse små variasjoner i volumet av olje på innsiden av det første rommet på grunn av for eksempel temperaturvariasjoner. Derfor medvirker luftblæren til å redusere trykkeffekter forårsaket av termisk ekspansjon eller sammentrekning av oljen på innsiden av det første rommet 10 eller huset 1 i seg selv. FIG. 2 illustrerer en andre utførelsesform av det seismiske sensorhuset 1 i henhold til oppfinnelsen, i hvilken den optiske fiberen 31, 32,33 er plassert på sammen måte som i FIG. 1. Imidlertid, trykksystemet i huset 1 er forskjellig. I FIG. 2 er det vist et tynt rør 91 mellom det første rommet 10 og det andre rommet 20 i huset 1. Effekten av dette tynne røret 91 er å effektivt balansere, ved langsomme trykkvairasjoner, det interne trykket i det første rommet 10 til trykket i det andre rommet 20, og det eksterne trykket via en oljefylt blære 82 og det tynne røret 91. Tynnheten av røret 91 danner effektivt en forsinkelse i funksjonen for trykkbalansering, hvorved langsomme trykkvariasjoner er balansert ut siden røret har tid til å la tilstrekkelig væske passere for å utjevne trykket i de første og andre rommene, mens hurtige trykkfluktuasjoner ikke kan bli utjevnet på grunn av forsinkelsen forårsaket av tynnheten til røret. Tynnheten til røret 91 kan bli valgt til å ha en dimensjon som effektivt stopper trykkfluktuasjoner over en gitt frekvens for å passere inn i det første rommet, selvfølgelig utsatt for begrensningene til den faktiske fysiske geometrien og dimensjonene til sensorstasjonshuset.

Å ha begge rommene trykkbalansert eller utjevnet med det eksterne rommet tilveiebringer fordelen at strukturen til huset kan bli forenklet siden huset ikke må være utformet til å motstå store trykkdifferenser, som i tilfellet med lavt trykk, forseglede hus plassert i undervannsmiljøer med høyt trykk. Interne høytrykkspenetratorer er også ikke påkrevd i dette tilfellet siden trykkdifferansen mellom det første rommet 10 og det andre rommet 20 vanligvis er liten, på grunn av trykkutjevning forårsaket av det tynne røret 91 og den oljefylte blæren 82. Den oljefylte blæren 82 har en fleksibel vegg 83 eksponert for det omgivende miljøet og er plassert til å dekke en åpning 84 i veggen i huset 1 i den seismiske sensorstasjonen. På denne måten kan væsken/oljen i blæren 82 gå inn i eller ut av huset for å tilpasse variasjoner i eksternt trykk og temperatur. Forutsatt at væske/oljeblæren er gjort tilstrekkelig stor kan blæren 82 kompensere for en endring i volumet av oljen i de beskyttede rørene 3 (initielt på 1,0 bar) som går mellom sammenstillinger av sammenkoblede seismiske stasjonshus langs en seismisk kabel.

Utførelsesformene av huset 1 i henhold til oppfinnelsen vist i FIG. 1 og 2 er forsynt med en eksternt trykksatt luftstøttet hydrofon, mens utførelsesformene vist i FIG. 3 og 4 er forsynt med en internt trykksatt luft/væskestøttet hydrofon. For å unngå forveksling kan betegnelsene internt trykksatt og eksternt trykksatt bli definert som følger.

I en eksternt trykksatt hydrofon virker trykket i det omgivende miljøet på den eksterne overflaten av strukturen 61 som hydrofonspolen er viklet på, hvorved i omgivelser med høyt trykk er strukturen 61 komprimert og forårsaker en minsking i spenning av hydrofonspolen som har blitt viklet på den sylindriske strukturen. For utlegging ved visse dybder må hydrofonfiberspolen derfor vanligvis være forhåndsspent til en grad før utlegging, for å ikke bli en helt løs eller slakk fiberbunt når den sylindriske strukturen komprimeres ved det økte trykket når den blir lagt ut i havet.

I en internt trykksatt hydrofon er det interne volumet i strukturen 61 åpen mot det omgivende miljøet slik at et høyt trykk i omgivelsene danner en utvidelse av den sylindriske strukturen og en korresponderende økning av spenningen i hydrofonspolen pakket på den ytre overflaten av den sylindriske strukturen.

Betegnelsen "eksternt trykk" på de vedlagte figurene referer ikke til den faktiske interne eller eksterne trykksettingen av hydrofonen, men denne betegnelsen referer heller til trykket eller trykksignalet til det omgivende miljøet som virker på hydrofonen, dvs. den indikerer hvor et trykksignal som detekteres går inn i den seismiske sensorstasjonshuset og virker på hydrofonen. FIG. 3 viser en tredje utførelsesform av det seismiske sensorhuset 1 i henhold til oppfinnelsen, i hvilken den optiske fiberen 31, 32, 33 er plassert på samme måte som i FIG. 1, men trykksystemet i hydrofonen er forskjellig fra det i FIG. 1. I FIG. 3 er det interne volumet 62 definert av strukturen 61 åpen mot det eksterne miljøet. Fordelaktig, det andre rommet 20 i huset som huser den optiske fiberspolen i hydrofonen H er da en del av den trykkforseglede delen av huset 1, hvorved indre høyttrykkspenetratorer er unngått. Videre er monteringen av den optiske fiberspolen av hydrofonen H forenklet slik at fiberen kan være forholdsvis løst plassert før utlegging, mens det økende eksterne trykket under utlegging forårsaker en stramming av fiberspolen når den utsettes for trykkene ved store havdyp. Det andre rommet 20 som huser hydrofonspolen kan være luftfylt og effektivt danne en luftstøttet hydrofonstruktur. I et alternativ kan det andre rommet 20 i dette tilfellet være oljefylt. Valget mellom luft eller olje avgjøres av responsen som kreves av hydrofonen, siden luft og olje gir ulike frekvensresponser. Den interne trykksettingen av hydrofonfiberspolen illustrert i denne utførelsesformen kan være spesielt fordelaktig i et seismisk sensorhus 1 i henhold til denne oppfinnelsen, siden dette kobler inn akselerometrene x, y, z, de fiberbasert Bragg-gitterene 41 - 46 og hydrofonene til å være plassert i det første rommet 10 i huset 1, som illustrert i FIG. 4. FIG. 4 illustrerer videre hvordan luftstøtting av hydrofonen kan fortsatt bli oppnådd ved å plassere den interne luftblæren 81 over den optiske fiberspolen. I tillegg til luftstøtting utfører den interne luftblæren 81 funksjonen å kompensere for interne trykkvariasjoner forårsaket av for eksempel termisk ekspansjon eller sammentrekning av væsken/oljen på innsiden av huset eller huset i seg selv. En ytterligere fordel av utformingen i FIG. 4 er at dette kan bli realisert uten å bruke penetratorer og med et kontinuerlig fiber/FBG-array uten noen interne skjøter. FIG. 5 illustrerer enda en ytterligere utførelsesform av det seismiske sensorhuset 1 i henhold til oppfinnelsen, i hvilken den optiske fiberen 31, 32, 33 er plassert hovedsakelig på samme måte som i FIG. 1 for å opprettholde akselerometrene i et oljefylt første rom 10 i det seismiske sensorhuset 1, imidlertid med et annet trykksystem. FIG. 5 illustrerer hvordan en trykkbalansert seismisk sensorstasjon kan bli oppnådd med en internt trykksatt hydrofon som vist i FIG. 3 og 4. På en måte som er lik den i arrangementet i FIG. 2, kan en oljefylt blære 85 som har en fleksibel vegg eksponert for det omgivende miljøet bli plassert til å dekke en åpning 86 i veggen i det første rommet 10 i huset 1 i den seismiske sensorstasjonen. På denne måten kan væsken/oljen i blæren 85 gå inn i eller ut av det første rommet for å tilpasse variasjoner i eksternt trykk. Forutsatt at åpningen er uformet på formen som en rørstruktur med lite tverrsnitt er det interne oljefylte volumet i det første rommet 10 faktisk DC-trykkompensert, dvs. et langsomt varierende trykk er overført inn i det første rommet 10.

En fordel med denne utformingen er at hoveddelen av huset ikke behøver å motstå veldig høye trykk opplevd ved store havdyp. Imidlertid, det andre rommet 20 som allokerer hydrofonen H krever en konstruksjon med høy styrke derom luftstøtting er ønskelig, i hvilket tilfelle høytrykkspenetratorer er også nødvendig for å føre den optiske fiberen inn i og ut av det andre rommet 20.

I noen utførelsesformer er en stålvegg som har en tykkelse på 10,0mm eller mer ønskelig både for forseglede versjoner og trykkbalanserte versjoner av den seismiske sensorstasjonen for å tilveiebringe tilstrekkelig stivhet for å beskytte akselerometrene fra eksterne trykkvariasjoner og bøyeeffekter på huset når det er utsatt for endringer i trykk eller eksterne mekaniske påvirkninger.

I noen utførelsesformer tilveiebringer en høytrykksakkumulator 87 (vist i Figur 2, 5, og 6) plassert på innsiden av det første rommet 10 i huset et komprimerbart volum for å muliggjøre egnet funksjon av AC-trykkfilteret og for å akkumulere trykkfluktuasjoner i det første rommet 10 i huset forårsaket for eksempel av komprimeringen av veggene i huset. AC-trykkfilteret kan også til en viss grad jobbe uten bruk av en høytrykksakkumulator ved å utnytte kompressibiliteten til oljen (en høy kompressibilitet er ønskelig), forutsatt at det er et tilstrekkelig oljevolum og et tilstrekkelig stivt hus og husvegger.

I noen situasjoner tilveiebringer oljestøtting av en intern hydrofon en tilstrekkelig respons. I dette tilfellet kan utformingen i FIG. 5 bli forenklet ved å fjerne veggen som separerer det første rommet 10 og det andre rommet 20, og effektivt danne et enkelt rom som huser alle sensorene og fiberbasert Bragg-gitter i den seismiske stasjonen, som illustrert i FIG. 6.

Mens utførelsesformer av det seismiske sensorstasjonshuset i henhold til oppfinnelsen vist i FIG. 1 - 3 og 5 krever fire fiberskjøter 55 på innside av det væskefylte rommet 10 i huset 1, to for å koble input/output-fibrene og to for å koble de optiske fibrene til hydrofonen H, kan utførelsesformene illustrert i FIG. 4 og 6 bli realisert med så lite som to fiberskjøter 55, en første fiberskjøt for å koble til input optisk fiber 31 fra den optiske signalforsyningen til den interne optiske fiberen 32 på innsiden av huset 1, og en andre fiberskjøt for å koble den interne optiske fiberen 32 på innsiden av huset 1 til output optisk fiber 33 som går til en neste seismisk stasjon langs et array av seismiske stasjoner.

FIG. 7 illustrerer i mer detalj et tverrsnittsbilde av et eksempel av den interne trykksatte hydrofonen H i FIG. 3 og 5, der hydrofonoptiskfiberspolen er viklet på en struktur 61 som kan være en luftstøttet sylindrisk struktur, dvs. en sylindrisk struktur som definerer et internt volum 62. Et luftstøttet volum 101 er i dette tilfellet et gass- eller luftfylt volum forseglet ved et trykk på omtrent 1,0 bar, mens det interne volumet 62 er åpent mot det eksterne miljøet som har et trykk P, som indikert av pilen i FIG. 7. Den optiske fiberspolen i hydrofonen er plassert på, fortrinnsvis på en viklet måte, en krummet ekstern overflatedel av strukturen 61 med en jevn tykkelse og mellom to ringformede spalter 102 i veggen i strukturen 61. Spaltene 102 reduserer tykkelsen av strukturen 61 og forårsaker en lokalisert svekkelse av strukturen. På denne måten blir resultatet en hovedsakelig homogen radial kompresjon eller ekspansjon av den delen av strukturen 61 som bærer hydrofonfiberen når det seismiske stasjonshuset er utsatt for et endret trykk. Endeeffekter som i andre hydrofonkonstruksjoner kan potensielt forårsake en ikke-homogen kompresjon eller ekspansjon av den sylindriske strukturen langs hydrofonspolen er vesentlig redusert ved å tilveiebringe slike spalter. Trykkforseglinger 104 er plassert i separate forseglingsspalter som dermed forsegler det luftstøttede volumet 101 i strukturen 61. I dette tilfellet korresponderer det luftstøttende volumet 101 til det andre rommet 20 i huset 1. Den optiske fiberen i hydrofonspolen passerer til og fra det første rommet 10 i det seismiske sensorstasjonshuset via en fiberpenetrator 105.

En fordel med dette prinsippet om intern trykksetting er at hydrofonsensoren kan bli produsert fra et relativt tynnvegget rør eller ledning, med en tykkelse på hydrofonveggen på omtrent 8,0mm eller mindre, fortrinnsvis i området 2,0 til 8,0 mm dersom produsert av et plastikk, for eksempel polykarbonat, og fortrinnsvis i området mindre enn 1,0mm dersom laget av et metall, for eksempel titanium, for å oppnå høy deformasjon/sensitivitet til trykkendringer, mens det fortsatt er i stand til å motstå relativt høye hydrostatiske trykk ved store dyp. I motsetning til eksternt trykksatte hydrofoner er den internt trykksatte hydrofonsensorstrukturen ikke like følsom for krumming som kan skade sensorkonstruksjonen. En konstruksjon trykksatt fra innsiden er typisk en mye mer stabil konstruksjon selv for tynnere vegger, og selv om der sensoren er produsert med et internt hulrom av en størrelse, for eksempel med en typisk indre diameter på 10,0 til 50,0mm og en lengde på 30,0 til 50,0mm. FIG. 8 illustrerer i mer detalj et tverrsnittsbilde av en eksternt trykksatt hydrofon, der en fiberspole 201 er viklet på en ekstern vegg 203 til en hydrofonsylinder 208 laget av, for eksempel polykarbonat. På innsiden av sylinderen 208 er det plassert en hydrofonkjerne 202 laget av for eksempel rustfritt stål av typen AISI304. Mellom hydrofonsylinderen 208 og hydrofonkjernen 202 er det definert et forseglet luftvolum 207 som korresponderer til det interne volumet 62 i FIG. 1 og 2. Luftvolumet 207 er forseglet av O-ringer 204 laget av, for eksempel, nitril, og bånd 205 laget ved å bruke, for eksempel, et epoksybasert lim. På en måte som er lik for tilfellet med den interne trykksatte hydrofonen illustrert i FIG. 7 er det tilveiebrakt ringformede spalter 206 i veggen til den sylindriske strukturen 208 der veggtykkelsen er noe redusert, dermed muliggjøre en større avbøyning av veggen til sylinderen og reduserer endeeffekter når eksternt trykk virker på hydrofonstrukturen. FIG. 9 illustrerer en mulig interrogasjonsteknikk for akselerometrene x, y, z og hydrofonen H i en seismisk sensorstasjon med huset 1 i henhold til utførelsesformer av oppfinnelsen. Et optisk dobbeltpulssignal 901 med en bølgelengde korresponderende til Bragg-bølgelengden X] i de fiberbaserte Bragg-gittrene 41 - 46 er sendt inn til den interne optiske fiberen 32 på innsiden av huset. Tidsdifferansen mellom de to pulsene i den optiske dobbeltpulsen er initielt tilpasset til den optiske forplantningsforsinkelsen mellom hvert par av etterfølgende Bragg-gitter. Derfor, i det optiske signalet reflektert fra Bragg-gitrene, legges en refleksjon av den andre pulsen fra det første fiberbasert Bragg-gitterer ovenpå refleksjonen av den første pulsen fra det andre fiberbaserte Bragg-gitteret. Lengden av fiberen mellom hvert fiberbaserte Bragg-gitter er initielt satt til en lik optisk bane, for at signalene reflektert fra to etterfølgende Bragg-gitter er lagt ovenpå. Derfor, enhver endring i de optiske banelengdene mellom de fiberbaserte Bragg-gitterene, som typisk resulterer fra eksterne påvirkninger på akselerometret eller hydrofonfiberspolene forandrer det resulterende reflekterte signalet fra en seismisk stasjon som er lagt ovenpå. Flere seismiske stasjoner kan bli bølgelengdemulitpleksert ved å velge ulike Bragg-bølgelengder for de fiberbaserte Bragg-gitterene til hver seismiske sensorstasjon. FIG. 9 illustrerer at Bragg-gitrene i den viste seismiske sensorstasjonen er satt ved en første optiske bølgelengde X,], mens det optiske signalet kan innbefatte lys med andre bølgelengder \ i, X*, X4, X* tilsiktet til andre seismiske sensorstasjoner og passerer virtuelt ikke-reflektert gjennom det viste seismiske huset 1. En utlesingsteknikk beskrevet i den amerikanske patentpublikasjonen nummer 2005/0046859, herved inkorporert ved referanse i sin helhet, gir en mer detaljert beskrivelse av en mulig utlesingsteknikk for de fiberbaserte Bragg-gitrene brukt i denne oppfinnelsen.

For å konkludere, de ovenfor beskrevne utførelsesformene av et seismisk sensorhus 1 i henhold til utførelsesformene av oppfinnelsen tilveiebringer løsninger uten et separat skjøtekammer for det optiske fibrene ved hver seismiske stasjon. Videre er krysstale redusert i den seismiske stasjonen ved å bruke det beskrevne husarrangementet. Et minimum antall høytrykkspenetratorer er brukt, og i noen utførelsesformer er slike høytrykkspenetratorer helt unngått. Siden alle sensorene kan bli produsert i en enkel fiberlengde kan antallet fiberskjøter per stasjon bli redusert til to ved det optiske fiber-input/output av huset 1. Med et separat rom for hydrofonen kan to ytterligere interne skjøter være nødvendig.

Claims (20)

1. En seismisk sensorstasjon, innbefattende et hus (1), en fiberoptisk hydrofon (H) lagt ut i huset; og et fiberoptisk akselerometer (x,y,z) plassert på innsiden av huset, karakterisert ved at det fiberoptiske akselerometeret (x,y,z) er plassert i et væskefylt rom (10) i huset for å dempe mekaniske resonanser i akselerometeret på grunn av mekaniske forstyrrelser og trykkfluktuasjoner.

2. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 1, videre innbefatter et array av fiberbaserte Bragg-gitter (41,42,43,44,45) som danner et array av interferometre, hvorved et interferometer er tilveiebrakt for hver av hydrofonene (H), akselerometret (x,y,z) og en referanse.

3. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 1, hvori det væskefylte rommet (10) som inneholder akselerometret er trykkisolert.

4. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 3, videre innbefatter en luftblære (81) plassert i det væskefylte rommet (10).

5. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 1, videre innbefatter en trykkoverføringsanordning (5) for å overføre trykkvariasjoner mellom et omgivende miljø og en innside av et hydrofonrom (20) i huset, hvori hydrofonrommet inneholder en optisk fiberspole av hydrofonen (H).

6. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 5, hvori trykkoverføringsanordningen (5) innbefatter en fleksibel membran.

7. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 5, hvori trykkoverføringsanordningen (5) innbefatter en væskefylt blære (82).

8. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 6, hvori trykkoverføringsanordningen innbefatter en forlenget rørstruktur (91) som tilveiebringer en åpning mellom det væskefylte rommet (10) og hydrofonrommet (20) for å overlevere DC og lavfrekvente trykkfluktuasjoner inn i det væskefylte rommet mens samtidig blokkere høyfrekvente trykksignaler fra å gå inn i det væskefylte rommet.

9. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 1, hvori det væskefylte rommet (10) som inneholder akselerometeret (x,y,z) er trykkbalansert mot et omgivende miljø.

10. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 9, videre innbefatter en trykkoverføringsanordning (85,86) for å overføre trykkvariasjoner mellom det omgivende miljøet og en innside av det væskefylte rommet (10).

11. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 10, hvori trykkoverføringsanordningen innbefatter en fleksibel membran.

12. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 10, hvori trykkoverføringsanordningen innbefatter en væskefylt blære (86).

13. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 10, hvori trykkoverføringsanordningen innbefatter en forlenget rørstruktur (86) for å tilveiebringe en åpning mellom et innsidevolum av huset og det eksterne miljøet som overleverer DC og lavfrekvente trykkfluktuasjoner men blokkerer høyfrekvente trykksignaler fra å gå inn i huset.

14. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 13, hvori en diameter av rørstrukturen er mindre enn en lengde av rørstrukturen.

15. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 1, hvori akselerometeret og hydrofonen er begge plassert i det væskefylte rommet (10) i huset.

16. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 1, hvori hydrofonen er plassert i et hydrofonrom (20) i huset (1) separat fra det væskefylte rommet (10).

17. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 1, hvori en intern blære er plassert i kontakt med en internt trykksatt hydrofon for å tilveiebringe en kombinert funksjon av intern trykkompensasjon og luftstøtting av hydrofonen.

18. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 1, hvori en høytrykksakumulator er plassert på innsiden av huset.

19. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 1, hvori hydrofonen innbefatter en sylindrisk struktur forsynt med to separate ringformede spalter (102) på en eksternt krummet overflate (61) av den sylindriske strukturen, og hvori en hydrofonspole (H) er plassert på en del av den eksterne krummede overflaten (61) av den sylindriske strukturen (101) mellom spaltene, hvorved spaltene (102) forårsaker en lokalisert svekking av den sylindriske strukturen som gir en hovedsakelig homogen radiell kompresjon eller ekspansjon av den delen av den sylindriske strukturen som bærer hydrofonspolen (H) når den seismiske sensorstasjonen er utsatt for endringer i trykk i et omgivende miljø.

20. Den seismiske sensorstasjonen i henhold til krav 1, hvori hydrofonen innbefatter et rør som har en veggtykkelse på 8,0 millimeter eller mindre.