NO328212B1 - Marin seismisk kilde - Google Patents

Description

En seismisk signalgenerator av akustisk type og for bruk i marine omgivelser installeres i en liten overflate-enhet med omtrent null-dypgående, en enhet av det slag som vanligvis taues etter et service-skip i sjø eller vann. Under drift vil hele enheten opptre som en akustisk bølgefeltgenerator.

Det er tidligere velkjent for geofysikere at en lydkilde som befinner seg nær eller på jordoverflaten periodisk kan bringes til å injisere et akustisk bølgefelt ned i jorden ved hvert av flere jevnt fordelte overflatestasjoner. Bølge-feltene stråles ut i alle retninger for å overstråle grunnformasjonene under overflaten med lydbølger, slik at når de utstrålte akustiske signaler reflekteres tilbake til overflaten, mottas de av seismiske sensorer (mottagere). Disse seismiske sensorer er plassert i dertil konstruerte stasjoner ved eller nær jordoverflaten. De seismiske sensorer omformer de mekaniske bevegelsene i jordsmonnet (eller variasjoner i vanntrykket i vandige omgivelser) som skyldes de reflekterte bølgefelt, til elektriske signaler. De resulterende elektriske signaler overføres via et signalover-føringssamband av en hvilken som helst ønsket type, til instrumenter, vanligvis av digital type, og her blir de seismiske datasignaler oppbevart og lagret for senere prosessering. Den medgåtte forplantningstid mellom utsendelse av et bølgefelt fra en kilde og mottagelsen av den resulterende sekvens av reflekterte bølgefelt ved en mottager, utgjør et mål på dybden til grunnformasjonene fra hvilke de respektive bølgefelt ble reflektert.

De seismiske undersøkelsesstasjoner for en tredimensjonal undersøkelse blir fortrinnsvis fordelt over et regulært gitter som strekker seg over et område av interesse og hvor avstanden mellom stasjonene kan være av størrelsesorden 25 meter. De prosesserte seismiske data som er forbundet med plasseringen av én enkelt mottager, blir vanligvis presentert som en opptegning langs en éndimensjonal tids-skala og oppviser refleksjonsamplitudene fra lag i formasjonen som en funksjon av bølgefeltets forplantningstid i begge retninger (frem og tilbake). Flere seismiske spor fra flere mottagere som er fordelt i rekkefolge langs en undersøkelseslinje, kan bli formattert side ved side slik at de danner en modell av et tverrsnitt av jorden (todimensjonal tomografi). Seismiske snitt fra flere undersøkelsestraséer som skjærer hverandre og er fordelt over et areal som er av interesse, kan fremvise tredimensjonal tomografi.

Til sjøs og ved dypt vann blir sensorene montert inn i én eller flere seismiske kabler (streamere) som taues gjennom vannet av et kabelskip. Ved relativt grunt vann legges sensorene og deres forbindelseskabler på sjøbunnen fra en service-båt. Alternativt kan sensorene, ved grunne områder og overgangssoner (brenning-område), være tilknyttet instrumen-terte bøyer. Alle disse teknikker er velkjente innenfor dette området og vil derfor ikke bli diskutert nærmere.

Ved marin bruk vil et service-skip (som utløser skuddene) taue en akustisk kilde i form av en rekke luftkanoner, en signalgenerator med frekvens-sveip (chirp-generator) eller lignende anordninger bli tauet gjennom vannet over området som skal undersøkes. Etter hvert som utstyret oppsøker hver overvåkningsstasjon, blir kilden satt i gang med å generere et ønsket bølgefelt. En slik anordning er vist i US-patent 3.384.868 (G. Brown m.fl.). Her er det vist et apparat for generering av energibølger av seismisk karakter i et marint medium og hvor apparatet omfatter en stiv ramme med opp-hengningsfester og hvor ramme-elementene på bevegelig måte fastholder en stempelplate mellom en øvre og en nedre forseglet belg som alternativt blir trykksatt av en resiproserende oljestrøm slik at stempelplaten vibrerer i forhold til ramme-elementene, og apparatet omfatter dessuten bruk av ytterligere belger som er forseglet mellom stempelplaten og et ramme-element for å gi varierende lufttrykk og dermed opprettholde en statisk trykkbalanse.

En noe beslektet anordning er vist i US-patent nr. 3.329.93 0 (Jimmi R. Cole m.fl). Denne kilden er en neddykket hydraulisk vibrator med fasong som en omvendt klokke avstengt i bunnen av en fleksibel plate. En hydraulisk servoventil som er montert i et sylindrisk hus festet til klokken, sørger for å virbrere et stempel som er koblet til den fleksible bunn-plate. Denne enhet er konstruert slik at den kan taues gjennom vannet og meddele vibrasjonssignaler til denne ved utvalgte undersøkelsesstasjoner.

Strekket som frembringes av de etterslepende kilder vil nødvendigvis redusere hastigheten til skipet som tauer, og redusere antall stasjoner som kan undersøkes pr. tidsenhet, og blir av denne grunn kostbar. Det ville være nyttig å inkorporere den akustiske kilde i strukturen til selve skipet og da på en strømlinjet måte.

Et slikt system ble vist i US-patent 3.401.660 (Booth B. Strange m.fl.) som viser et seismisk skip av denne type. Her rager brønner av størrelsesorden åtte fot i diameter ned fra dekket gjennom skipsbunnen, og åpner seg under vannet. Ved hjelp av en kran senkes en egnet lydkilde ned i brønnen slik at den flukter med skroget men er neddykket i vann. Kilder av sveipende-frekvenstype eller pulstype ble benyttet.

Ulempen med dette spesielle arrangementet var behovet for helt innkapslede, forseglede lydkilder og brønnene som var åpne mot havet trengte gjennom skipets skrog. Utstyret var uhåndterlig, hadde en tendens til å rage ned under skroget og var dessuten vanskelig å betjene under aktive operasjoner på grunn av at de var totalt neddykket. Dessuten ble skipet alvorlig rystet hver gang kilden ble aktivisert, noe som

truet selve skipets strukturelle integritet.

Det er kjent en rekke marine kilder som fungerer ved at et par motsatt rettede stempler montert i en omgivende hylse i utgangsstilling er i intim kontakt med hverandre. Stemplene blir deretter, ved hydraulisk eller elektro-hydraulisk påvirkning, brått presset fra hverandre mot et vannvolum for dermed å skape et bølgefelt i vannet. Dette bølgefeltet kan være periodisk, pulsformet eller implosivt. Typiske kilder av denne type er omtalt i US-patent nr. 4.153.135 (John Bouyoucos). Flere lignende typer av marine kilder er vist i et annet patent av samme søker, US-patent nr. 4.207.962.

US-patentet 3.373.841, som ble utstedt 19. mars 1968, omhandler en seismisk akustisk kilde for bruk i vann med en marin overflate-enhet som innbefatter et skrog som har en fuktet overflate, en akustisk signalgenerator, som inkluderer en reaksjonsmasse ettergivende koblet til skroget og utløseranordning i tilsvarende konfigurasjon og funksjon som i foreliggende oppfinnelse.

Akustiske kilder som taues gjennom vann under overflaten utøver et hydrodynamisk strekk som senker fremdriften og øker driftsomkostningene. Neddykkede mekaniske akustiske kilder krever også en vanntett innkapsling av komponentene både mekanisk og elektrisk, noe som øker produksjons- og vedlikeholdskostnadene. Dessuten vil de fleste vibrerende akustiske kilder av neddykket type kreve at trykket inne i anordningen utjevnes mot det omgivende vanntrykk for at utstyret skal arbeide på egnet måte.

Den foreliggende oppfinnelsen omhandler en seismisk akustisk kilde i henhold til krav 1.

De nye trekk som antas å være karakteristiske for oppfinnelsen, både når det gjelder organisering og fremgangsmåte for drift sammen med formålene og fordelene med dette, vil fremgå klarere av følgende detaljerte beskrivelse og tegninger hvor oppfinnelsen blir illustrert ved hjelp av utførelseseksempler som har til hensikt å forklare prinsippet ved oppfinnelsen, men ikke tar sikte på å angi begrensninger for oppfinnelsen: Fig. 1 viser et skip som tauer en marin overflate-enhet ,

fig. 2 viser et sideriss hvor en sidevegg er fjernet fra den akustiske signalgenerator som er fjærende koblet til skroget til den marine

overflate-enhet,

fig. 3A og 3B viser den marine overflate-enhet under tauing

av ulike typer luftfartøyer, og

fig. 4 viser et planriss over innmaten i en marin overflate-enhet tatt langs linjene 4-4 i fig. 2.

I fig. 1 er det vist et skip 10 som tauer en seismisk kilde i form av en overflate-enhet 12 bortover overflaten 14 av et vann 16, ved hjelp av en tauekabel 18. Instrumenteringen 20 som er montert i en hjelpebåt 10 mottar navigasjonsinforma-sjoner gjennom antennen 22, f.eks. fra GPS-satellitter. Den seismiske, akustiske signalgenerator i overflate-enheten 12 igangsettes av et signal som overføres fra instrumentene 20 i tjenesteskipet 10 over en flerfunksjonskabel 24. I gang-settelseskommandoen kan sendes ut på basis av absolutte geografiske posisjonsanvisninger som frembringes av det GPS-baserte navigasjonssystem, ved intervaller i form av faste avstander, faste tidspunkt, eller ved manuell betjening. Ved kommandoer fra instrumentene 20 vil den akustiske signalgenerator som vil bli beskrevet nedenfor, forårsake at hele den fuktede overflate (bunnen) til skroget 30, (som også vil bli beskrevet nedenfor) til overflate-enheten 12 oscillerer langs en vertikal akse, og den danner derved et utstrålende trykkbølgerelt som generelt er vist symbolsk som 28 på figuren, ned i vannet for å stråle akustiske signaler henover bunnstrukturen på en måte som er velkjent innenfor dette fagområdet.

Det vises nå til fig. 2 og 4. Fig. 2 viser et sideriss av en akustisk kilde-enhet 12 hvor den ene sidevegg er skåret bort for å vise oppstillingen av de innvendige elementer. Fig. 4 viser et planriss av interiøret i enheten 12 langs linjen 4-4. Enheten 12 omfatter et skrogelement 30 som er tilgjengelig gjennom en hengslet luke 32 som kan forsegles i lukket stilling slik at den hindrer vanninntrengning under drift på sjøen. Bunnen 31 til skroget 30 er i svingende kontakt med vannflaten 16. En egnet vanntett gjennomføring 34, ved baugen til enheten 12, mottar den utvendige ende av flerfunksjonskabelen 24. Konstruksjonen av flerfunksjonskabelen 24 avhenger av hvilken type signalgenerator som benyttes og den akustiske kilde.

Signalgeneratoren kan drives hydraulisk, pneumatisk, elektromagnetisk, elektrostatisk, kjemisk eller rent mekanisk som f.eks. av roterende eksentriske vekter. Kildens driftform kan velges slik at den avgir trykkpulser, sveiper gjennom et frekvensområde, gir en kontinuerlig bølge eller slik at den er av imploderingstypen. Som et eksempel, dog ikke begrensende, vil det nedenfor bli beskrevet en akustisk signalgenerator som har form av en hydraulisk vibrator av en vilkårlig, tidligere kjent type.

Fjærende eller ettergivende montert i skroget 30 befinner det seg f.eks. en vibrerende akustisk kilde, her vist som 36. Den vibrerende akustiske kilde 3 6 blir understøttet inne i skroget 30 av et ettergivende under-system 52 (beskrevet nedenfor) som tillater vertikal bevegelse av kilden 36 men hindrer rotasjonsmessig og/eller horisontal bevegelse i forhold til skroget 30, og minimaliserer de horisontale påkjenninger på kildens aktiviseringsaksling 50. Ved en foretrukken utførelse omfatter kildens støtteplate 51 lineære lagre 39 av en hvilken som helst glidende type med førings-stenger 38, som i sin tur er festet ved hvilke som helst egnede midler til bunnen 31 i skroget 30. Andre nyttige hjelpemidler kan benyttes for å begrense kildens bevegelse 3 6 slik at den vibrerer utelukkende langs en vertikal akse mens den reduserer parasittvibrasjoner langs andre akser til et minimum.

Det aktive vibratorelement 48 som eksempelvis er omtalt, kan være en resiproserende hydraulisk lineær aktuator slik som beskrevet i fig. 3 til patentet med nr. <*>868 nevnt ovenfor, som har to blottlagte ender i en dobbeltsidet hydraulisk stempelstang 50 vist skjematisk i fig. 2. Den nedre ende av stempelstangen 50 er fast forbundet med skrogets bunn 31 på en hvilket som helst egnet måte. Med et slikt arrangement kan stempelstangen 50 være forsynt med en gjenget avslutning 56. Muttere 58 og 60 ved nedre ende av stempelstangen fester stempelstangen 50 på stiv måte til en brakett eller en ribbe 62 festet til bunnen 31. Ved et alternativt arrangement (ikke vist) blir stempelstangen 50 forsynt med en utboring som kan oppta en gjenget forbindelsesstang som er innrettet til å fastspenne aktuatoren 48 til skrogbunnen 31.

Reaksjonsmassen sett som et hele, består av en basisplate 51 som understøtter en masse 46 som kan være satt sammen av en stabel av laminerte stålplater, slik at den totale masse kan justeres for avstemmingsformål. Reaksjonsmassen 46 er under-støttet over skroget 31 av et ettergivende koblingssystem generelt vist på figuren som 52 og omfattende flere ettergivende elementer som står i parallell, slik som 54. Ved en foretrukken utførelse kan det ettergivende koblingssystem gjøre bruk av et sett på fire eller flere sammentrykkbare fjærer, og to av disse er vist i fig. 2, mens de to andre blir skjult slik at de ikke synes. De ettergivende elementene er anbragt mellom reaksjonsmassen og bunnen 31 til overflate-enheten 12. Flere eller færre fjærer kan benyttes etter behov. Fjærene 54 passer inn omkring føringsstenger 38 som gir en ettergivende kobling mellom reaksjonsmassen 46 og bunnen 31 til enheten. De lineære lagre 39 sikrer en jevn bevegelse av vibratoren i forhold til føringsstengene 38 under drift. Andre ettergivende anordninger slik som luftputer kan også benyttes sammen med eller i steden for fjærer.

Det ettergivende koblingssytem 52 tjener som en innretning for å understøtte den akustiske kilde 36 når den befinner seg i ro, samt som en anordning for å avstemme resonansen til fjær/massesysternet representert av signalgeneratoren 36 sett under ett. Bunnen 31 til skroget 30 er kraftig armert på en hvilken som helst kjent måte for å motstå sjokk-kreftene som opptrer når signalgeneratoren 36 aktiviseres. En hvilken som helst annen velkjent kommersielt tilgjengelig undersøttelse kan benyttes, slik som en modifikasjon av den akustiske isolator frembragt av Industrial Vehicles International Inc. fra Tulsa, Oklahoma, som vist i US-patent nr. 4.636.747 (J.M. Bird m.f1.).

Det grunnleggende fjær/massesystem omfatter reaksjonsmasser 46, påvirkningsenhet 48, føringsstaver 38 og det ettergivende koblingssystem 52. Ytterligere finstemmingsmuligheter kan oppnås ved å benytte ballasttanker (ikke vist) tilknyttet reaksjonsmassene 46 for å justere den totale masse til en generatoren 36 med vannballast.

Forutsettes at den akustiske signalgenerator 36 blir drevet hydraulisk, vil flerfunksjonskabelen 24 omfatte hydrauliske trykk- og retur-forbindelser samt elektriske kommandosignaler og krafttilførselskabler som entrer overflate-enheten 12 gjennom overgangen 34 fra betjeningsskipet 10 og fører derfra til de aktive deler i signalgeneratoren 36.

Etter ønske kan et elektrisk drevet hydraulikksystem selvsagt installeres direkte på overflate-enheten 12 i steden for på tjenesteskipet 10, selv om et slikt arrangement ikke direkte er vist i figurene. I det tilfellet vil elektriske signal og kraftoverføringer, men ikke hydrauliske slanger være påkrevet i flerfunksjonsforbindelsen.

Ved drift vil den seismiske signalgenerator 36 forskyve hele den fuktede overflate til skroget 30 i overflate-enheten 12 mot massekreftene av reaksjonsmassen 46 som gir en reaksjon mot påvirkningskraften, slik at overflate-enheten 12 i seg selv blir en akustisk bølgefeltradiator.

Det skal forstås at overflate-enheten 12 er særpreget av at den har et svært lite, praktisk tall null dypgående i vannet når den er i bevegelse. Derfor vil overflate-enheten 12 konstrueres slik at den planer på vannoverflaten med minimalt trekk når den er under tauing. Antas at den kombinerte masse av skroget 30 og signalgeneratoren 36 er omkring 3 tonn eller mindre, vil en kvadratisk, pram-lignende farkost på omkring 3 meter hver vei, kreve mindre enn 30 cm saltvann for å gi oppdrift når den er i ro, og langt mindre når den er i bevegelse. Andre former kan benyttes etter behov. Overflate-enheten 12 kan være forsynt med en lavprofilkjøl for å gi stabilitet under tauing, dersom dette er nødvendig.

Selv om dette er valgfritt kan overflate-enheten være selvdrevet, men den blir fortrinnsvis tauet av et betjeningsskip, særlig dersom flere overflate-enheter skal benyttes for å danne en rekke eller et felt av kilder.

I tillegg til å taues fra et vannbåret betjeningsskip, er det tenkt at overflate-enheten 12 også kan taues av et luftskip, slik som en aerostat 60, eller et helikopter 64 som antydet i fig. 3A og 3B, for dermed å oppnå et utstyr for å kunne undersøke et større territorium pr. tidsenhet. I slike tilfeller kan det selvsagt være ønskelig at den seismiske signalgenerator 36 drives på elektromagnetisk vis.

Det er mange fordeler ved å benytte overflate-enheten 12 i seg selv som en seismisk, akustisk signalkilde. Da mekanismene i den seismiske, akustiske signalgenerator ikke er neddykket, men er lett tilgjengelig fra overflaten; blir vedlikeholdet sterkt forenklet. Den relative lille størrelsen på hver enhet fører til at mange overflate-enheter kan kobles sammen i rekke. Trekk-kraften for å oppnå tauing reduseres betydelig fordi overflate-enhetene er konstruert slik at de vil plane på vannflaten når de taues i steden for å bli trukket gjennom vannmengdene under overflaten. Da bølge-feltstrålingen stort sett initieres virtuelt ved vannoverflaten, blir også falske refleksjoner eliminert.

Foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet ved hjelp av utførelseseksempler som ikke må betraktes som begrensende. Fagfolk innen dette området vil klart se modifikasjoner til eksemplene som er gitt ovenfor som likevel faller klart innenfor rammen og ånden av foreliggende oppfinnelse, som bare er begrenset av de følgende krav.

Claims (11)

1. Seismisk kilde innrettet for akustisk bruk i vann, karakterisert ved at den omfatter: en marin overflate-enhet (12) omfattende et skrog (30) som har en fuktet overflate (31), der nevnte overflate-enhet er konstruert for å plane på vannflaten med minimalt trekk når den er under tauing; en akustisk signalgenerator (36), omfattende en reaksjonsmasse (reaction mass) (46) ettergivende forbundet med skroget, samt en påvirkningsanordning (48) for påvirkning av den akustiske signalgenerator (36) slik at den gjennomløper en driftssyklus, og dermed forårsaker at hele den fuktede overflate (31) til skroget (30) sender ut et bølgefelt (28) i vannet (16) idet skroget (3 0) beveger seg i forhold til reaksjonsmassen (46) slik at havbunnen utsettes for akustiske bølger mens driftssyklusen gjennomløpes.

2. Seismisk kilde ifølge krav 1, karakterisert ved at den akustiske signalgenerator (36) er en frekvens-sveip (chirp) signalgenerator.

3. Seismisk kilde ifølge krav 1, karakterisert ved at den akustiske signalgenerator (36) er en trykkbølgegenerator.

4. Seismisk kilde ifølge krav 1, karakterisert ved at den marine overflate-enhet (12) er selvdrevet.

5. Seismisk kilde ifølge krav 1, karakterisert ved at den marine overflate-enhet (12) blir posisjonert av en aerostat (60).

6. Seismisk kilde ifølge krav 4, karakterisert ved at den marine overflate-enhet (12) er forsynt med navigasjonsanordninger (22) innrettet til å identifisere enhetens (12) geografiske posisjon.

7. Seismisk kilde ifølge krav 1, karakterisert ved at den marine overflate-enhet (12) taues av et marint service-skip (10).

8. Seismisk kilde ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter avstemmingsanordninger (46,52) for å avstemme resonans-karakteristikken til den seismiske akustiske kilde (36).

9. Seismisk kilde ifølge krav 1, karakterisert ved at den marine overflate-enhet (12) taues av et helikopter (64).

10. Seismisk kilde ifølge krav 1, karakterisert ved at den akustiske signalgenerator (12) er en implosjonsanordning.

11. Seismisk kilde ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte akustiske signalgenerator (36) er montert på innsiden av skroget (30).