NO332562B1

NO332562B1 - Marinseismisk og elektromagnetisk streamerkabel

Info

Publication number: NO332562B1
Application number: NO20083018A
Authority: NO
Inventors: Svein Erling Johnstad
Original assignee: Multifield Geophysics As
Priority date: 2008-07-04
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2012-10-29
Also published as: US20110158043A1; EP2307913A2; NO20083018L; WO2010002263A3; WO2010002263A2; US9176254B2

Abstract

Oppfinnelsen er en maringeofysisk sensorkabel (1) med en eller flere sensorkabelseksjoner (2), - hvor hver av sensorkabelseksjonene (2) er utstyrt med seismiske og elektromagnetiske sensorer (10, 20) anordnet langs kabelen (1), - hvor de seismiske sensorene (10) omfatter en hydrofon (14) og en eller flere seismiske komponentmottakere (12) for seismiske vektormålinger når sensorkabelen befinner seg på sjøbunnen, - at de elektromagnetiske sensorene (20) omfatter både E-felt-sensorer (22) og H-felt-sensorer (24), - hvor E-felt-sensorene (22) omfatter par av første og andre elektroder (22a, 22b) anbrakt i forskjellige posisjoner langs kabelen (1) og forbundet med en spenningsforsterker (23), - hvor H-felt-sensorene (24) omfatter tre gjensidig ortogonalt anordnede H-f eltkomponent-sensorer (24x, 24y, 24z).

Description

Marinseismisk oa elektromagnetisk streamerkabel.

Innledning.

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder maringeofysisk prospektering. Nærmere bestemt gjelder oppfinnelsen en maringeofysisk streamer i form av en nedsenkbar kabel med elektromagnetiske sensorer anordnet langs kabelen. Kabelen er fortrinnsvis laget av sensor-kabelseksjoner med hovedsakelig identisk konstruksjon, sensor-kabelseksjonene kan være forbundet fra en første sensor- kabelseksjons aktre ende til en forende av en påfølgende sensor- kabelseksjon eller en rekke av påfølgende sensor-kabelseksjoner for å danne en lang sensorkabel for innsamling av seismiske og elektromagnetiske data i sjøen eller på sjøbunnen.

Bakgrunnsteknikk

En kombinert seismisk og elektromagnetisk marin streamer er vist i GB 2421800 Johnstad. UK-patentet beskriver et system med en seismisk kilde i sjøen som frembringer seismiske signaler som forplanter seg for å bli fanget opp av akustiske sensorer som er anordnet langs streamerkabelen, og en elektromagnetisk kilde som på tilsvarende måte sender ut elektromagnetiske bølger som skal fanges opp ved elektromagnetiske sensorer anordnet langs den samme streamerkabelen.

På grunn av tauing av kabelen gjennom sjøen vil vannets turbulens som oppstår når streamerkabelen løper gjennom vannet gi opphav til akustisk støy. På lignende måte vil det faktum at elektrisk forbundne elektroder som taues gjennom det geomagnetiske feltet i sjøen indusere en elektrisk spenning som kan betraktes som støy med hensyn til CSEM-datainnsamling. Videre vil det faktum at elektrodene beveger seg gjennom ione-inneholdende vann også indusere elektrisk støy i de målte data.

Det utbredende elektromagnetiske feltet vil være en bølge med to komponenter, én elektrisk feltkomponent E og én magnetisk feltkomponent H som står ortogonalt på dette elektriske feltet. Størrelsene av komponentene avhenger av den elektromagnetiske impedans Z i mediet hvor bølgen forplanter seg. I marin CSEM- geofysisk prospektering er en EM-kilde vanligvis anbrakt i sjøen og EM-feltet vil forplante seg nedover gjennom sjøbunnen og gjennom bergartslagene og vil bli reflektert eller refraktert tilbake til overflaten og kan detekteres av EM-sensorer i sjøen. Retningen av utbredelsen langs en Poynting-vektor P = E x H kan bestemmes på grunnlag av de gjensidige vinklene mellom komponentene. Således kan forplantningsretningen for den elektromagnetiske bølgen bli benyttet for bølgefelt-separasjonsformål for å skille mellom en oppover kommende bølge fra undergrunnen, som er relevant for geofysiske målinger, fra et nedover løpende felt som kan skyldes en uønsket luftbølge eller en refleksjon fra sjøoverflaten. De relative størrelsene mellom E- og H-feltene som målt i sjøen kan også brukes for å beregne den elektromagnetiske impedans av sjøbunnen og de geologiske lagene i sjøbunnen.

Det er således relevant å bruke en EM-sensorkabel som kan måle både det langsgående E-feltet og et tversgående H-felt i forhold til kabelen. Samtidig er det nyttig å ha integrerte akustiske sensorer i kabelen for å samle inn både EM-og seismiske målinger samtidig. Dette sparer tid og penger og gir en forbedret korrelasjon ifølge GB 2421800.

Kort figurforklaring

Oppfinnelsen er illustrert i de vedlagte tegningene.

Fig 1 illustrerer i et vertikalt snitt og riss av sjøen og sjøbunnen en sensorkabel ifølge oppfinnelsen som taues over og langs sjøbunnen, hvor kabelen har EM- sensorer. Det tauende fartøyet tauer også en seismisk signalkilde og en styrt / regulert elektromagnetisk kilde i sjøen. Spesielt EM-kildens dypgående kan styres ved hjelp av en såkalt depressor-fisk. EM-signalbaner, både av reflekterende og refrakterende type ned til et høy-resistivt geologisk lag, er illustrert. Fig. 2a viser et skip med en sensorkabel ifølge oppfinnelsen som utfører en såkalt walk-away-operasjon, hvor den spoler ut en såkalt lead-in-kabel fra skipet til kabelen som befinner seg på sjøbunnen mens skipet seiler mot økende offset-avstander med signalkildene. EM-signalkilden kan operere i enten frekvensmodus eller i tidsdomenet.

Fig. 2b illustrerer at skipet har seilt et stykke i walk-away-operasjonen.

Fig. 2c illustrerer at skipet haler inn lead-in-kabelen og sensorkabelen. I en slik

innhalingsoperasjon kan sensorkabelen gjeme løftes fra sjøbunnen.

Fig. 3 viser en sensorkabel med EM-, hydrofon-og gefonsensorer, hvor kabelen ligger på sjøbunnen og sender data til en mellomliggende enhet mens skipet genererer geofysiske signaler. Den mellomliggende enheten kan samle inn data for etterfølgende dataanalyse, eller videreføre målingene via radiooverføring til skipet eller en annen overflateenhet for datainnsamling. Fig. 4 illustrerer en sensorkabelseksjon ifølge oppfinnelsen hvor sensorkabelseksjonen er utstyrt med EM-, hydrofon-og geofon-sensorer som beskrevet nedenfor. En konnektor til en lead-in-kabel (eller en foregående sensorkabelseksjon) kan anordnes i en fremre ende av sensorkabel-seksjonen, og en konnektor til en påhengende sensorkabelseksjon kan anordnes i en akterende. Sensorkabelseksjonen kan innrettes som en kabel med sensornoder, en streamerkabel utstyrt med en ytterhud, og om ønsket med sensornoder, eller et tauet rør utstyrt med sensorer.

Oppfinnelsen kort sammenfattet

Oppfinnelsen er en maringeofysisk streamerkabel med seismiske og elektromagnetiske sensorer anordnet langs kabelen,

- hvor de seismiske sensorene omfatter både seismiske komponentsensorer og en hydrofon, - hvor de seismiske komponentene omfatter tre gjensidig ortogonalt innrettede sensorer for å muliggjøre målinger med streamerkabelen anbrakt på sjøbunnen, - hvor de elektromagnetiske sensorene omfatter både elektriske feltsensorer og magnetiske feltsensorer, - hvor de elektriske feltsensorene omfatter par av første og en andre elektrode anbrakt med forskjellige posisjoner langs kabelen og koblet til en spenningsforsterker, - hvor de magnetiske feltsensorene omfatter tre gjensidig ortogonalt innrettede magnetfeltkomponent-sensorer.

Beskrivelse av utførelser av oppfinnelsen

Oppfinnelsen er en maringeofysisk sensorkabel (1) omfattende en eller flere kabelseksjoner (2). Hver av de nevnte sensorkabelseksjonene (2) er utstyrt med seismiske og elektromagnetiske sensorer (10, 20) anordnet langs kabelen (1), se Fig. 1. De seismiske sensorene omfatter en hydrofon (14) og en eller flere seismiske komponentmottakere (12), se Fig. 4, hvor de seismiske mottagerne (12) er for bruk ved seismiske vektormålinger mens sensorkabelen (1) befinner seg på sjøbunnen slik som det er illustrert i Fig. 2a og Fig. 2b. De elektromagnetiske sensorene (20) omfatter både E-feltsensorer (22) og H-feltsensorer (24). E-feltsensorene (22) omfatter par av første og andre elektroder (22a, 22b) anordnet med forskjellige posisjoner langs kabelen (1) og forbundet med spenningsforsterker (23), se Fig. 4. H-feltsensorene (24) omfatter tre gjensidig ortogonalt innrettede H-feltsensorer (24x, 24y, 24z).

I en utførelse av oppfinnelsen omfatter sensorkabelen ifølge krav 1 seismiske komponentmottakere (12) med tre gjensidig ortogonalt innrettede seismiske komponentsensorer (12x, 12y, 12z). Et slikt arrangement av seismiske sensorer vil tillate måling av seismiske bølger av enhver retning. De seismiske komponentmottakerne (12) sine komponentmottakere (12x, 12y, 12z) kan være akselerometre eller såkalte geofoner.

Sensorkabelen ifølge oppfinnelsen kan ha H-feltsensorer (24) som omfatter i det minste én H-feltkomponentsensor for å avføle feltet på tvers assosiert med det såkalte in-line E-feltet, fortrinnsvis to eller tre ortogonalt innrettede H-feltkomponenter av (24x, 24y, 24z). De H-feltkomponent-sensorene som er mest nyttig for dette formålet er såkalte fluxgate-magnetometre (24x, 24y, 24z). Fortrinnsvis omfatter sensorkabelen (1) ifølge oppfinnelsen med H-feltsensorene (24) videre et totalfeltmagnetometer (25).

I en utførelse av oppfinnelsen er en av kabelseksjonene (2) i sjøen utstyrt med en lead-in-kabel (3) som strekker seg til et skip (5), vennligst se Fig. 1 og Fig. 2. Lead-in-kabelen (3) kan være utstyrt med en såkalt depressor-fisk (31) innrettet for å neddykke i det minste en forre ende av sensorkabelen (1) til en ønsket dybde mens sensorkabelen (1) taues i sjøen.

I en utførelse av oppfinnelsen er lead-in-kabelen anbrakt på en tommel (35) på skipet og

innrettet til å vindes ut fra skipet (5) under såkalte walk-away-operasjoner med kabelen (1) anbrakt statisk med hensyn til sjøbunnen under elektromagnetisk datainnsamling, slik som illustrert i Fig. 2b og Fig. 2c. Under datainnsamlingen tillates sensorkabelseksjonene å legge seg ned mot sjøbunnen mens lead-in-kabelen vindes ut med en hastighet nær

skipets hastighet, mens elektromagnetiske signaler måles av sensorkabelseksjonene når den ligger på sjøbunnen. Dette vil redusere støyen i sin helhet ved sensorene, og det vil spesielt redusere elektromagnetisk tauestøy vesentlig. Det vil også på en fordelaktig måte redusere seismisk støy i sensorene. Etter å ha sendt ut seismiske og EM- signaler for et ønsket offset-område kan skipet hale inn hele eller deler av lead-in-kabelen og trekke sensorkabel-seksjonene til en ny ønsket posisjon, og starte en ny EM- og seismisk datainnsamling på en walk-away-strekning.

Skipet (5) som tauer sensorkabelen (1) kan ifølge en utførelse av oppfinnelsen også være det skipet (5) som tauer den elektromagnetiske signalkilden (26). Dette vil i de fleste tilfeller være den mest økonomiske prosessen. Videre kan skipet som opererer sensorkabelen (1) være innrettet for å taue den seismiske signalkilden (16). Altenativt kan separate seismikk- og / eller EM- signalkildeskip brukes for å operere kildene.

I en utførelse er H-feltkomponent sensorene såkalte flux-gate magnetometre som måler den magnetiske feltkomponenten langs aksen av flux-gaten. Slike fluxgate-magnetometre kan således gi en god måling av feltkomponenten og dens retning, men målingen kan inneholde støy med hensyn til amplitude. På den annen side kan totalfelts-magnetometre, dvs. magnetometre som ikke måler retningen men bare størrelsen av feltet, gi en bedre oppløsning i det minste bedre enn om lag 2 nT, med en avlesningsrate på flere målinger i sekundet og skulle således være i stand til å følge CSEM-signalfrekvensen som kan være mellom 10 Hz og ned til 0,01 Hz eller lavere frekvens. Det geomagnetiske feltet kan variere mellom 25000 nT og 70000 nT. En slik type av totalfelt-magnetometer er et såkalt protonmagnetometer. Et totalfeltmagnetometer kan brukes i sensorkabelen til å kalibrere de ortogonalt anordnede fluxgate-magnetometrene i sensorkabelen ved å sammenligne vektorsummen av de tre ortogonale amplitudene av fluxgate-magnetometrene med totalfeltet, og korrigere deres amplituder. Videre kan, på grunn av det faktum at retningen av det geomagnetiske feltet generelt er kjent, ortogonalt anordnede magnetfeltkomponent-sensorene brukes til å orientere målingene for nærliggende sensorer i sensorkabelen som har den samme relative orienteringen.

Walk-away

Streamerkabelen (1) ifølge oppfinnelsen er utstyrt med en såkalt lead-in-kabel som strekker seg fra den forre delen av streamerkabelen (1) til et skip. i en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er lead-in-kabelen (3) anbrakt på en trommel (33) på skipet (1) og innrettet til å mates ut fra trommelen med generelt samme hastighet som skipets hastighet, og sensorkabelseksjonene (2) tillates å sette seg og stoppe på sjøbunnen mens de måler, mens skipet tauer den kontrollerte EM-kilden (26) til økende offset-avstander. Skipet kan samtidig taue den akustiske kilden (16) mens det skytes ved forhåndsbestemte offset-avstander. Uavhengig av hvilken kilde som benyttes kalles dette en såkalt walk-away-operasjon.

Kabelens oppdriftsevne

På grunn av EM-signaltap i sjøbunnen, både for det nedgående signalet fra kilden og det oppoverkommende signalet til sensorene, er det viktig å holde EM-kilden, EM-sensorene, eller begge, nær sjøbunnen. Sensorkabelseksjonene (2) kan være av en fleksibel slange eller et rør omfattende alle energi- og signalkabler, ledninger for å forbinde elektroder til forsterkerne, og forsterkerne selv. Man antar at et rør kan gi redusert tauestøy sammenlignet med en slange. Den fleksible slangen eller røret kan fylles med en gel for å gi en ønsket oppdrift, enten positiv, nøytral eller negative. I en foretrukket utførelse for bruk med en walk-away-operasjon kan oppdriftsevnen av sensorkabelseksjonene økes noe. Å øke vekten av oppdriftskabelseksjonene kan gjøres ved å øke tettheten av gelen og / eller å feste ikke-magnetiske lodd til sensorkabelseksjonene. I en utførelse for bruk med seismiske komponentsensorer (12) hvor mekanisk kontakt mellom huset og sjøbunnen er viktig, spesielt for akselerasjonsmålingene som foretas på tvers av linjen, kan sensorhuset utstyres med en påfestbar klamp av halv-skall-formede lodd som i en foretrukket utførelse er frigjørbare. For bruk som en tauet sensorkabelseksjon (2) under datainnsamlingen kan oppdriftsevnen bli justert til nøytral enten ved å bytte ut gelen til en med mindre tetthet eller å fjerne loddene slik at sensorkabelseksjonene (2) kan taues i en ønsket høyde over sjøbunnen, ledet av såkalte depressor-fisk (31) på lead-in-kabelen (3).

E-felt-sensorer

En sensorkabelseksjon (2) kan omfatte ett veldig langt E-felt-elektrodepar av to elektroder (22a, 22b) forbundet med ledninger til en forsterker (23), hvor elektrodene (22a, 22b) har en avstand på mellom 100m og 500 m senter-til-senter. Et slikt par av elektroder (22a, 22b) kan dekke hele den tilgjengelige delen av en sensorkabelseksjon (2). I en foretrukket utførelse er elektrode- til elektrode-avstanden 200 m til 300 m, fortrinnsvis 250 m til 275 m. Videre kan sensorkabelseksjonene (2) omfatte flere E-felt-elektrodepar (22a, 22b) av intermediær lengde med elektrodeavstand mellom 16 og 80 m, fortrinnsvis mellom 20 m og 50 m, og mest foretrukket mellom 24 m og 32 m. Avhengig av lengden av sensorkabelseksjonen (2) kan antallet av slike elektrodepar (22) av intermediær lengde være tre til seks.

Seismiske sensorer

De ovenfor nevnte seismiske komponentsensorene (12) omfatter tre gjensidig ortogonalt innrettede seismiske sensorer (12x, 12y, 12z) så som akselerometre for å muliggjøre vektormålinger av seismisk akselerasjon med sensorkabelen (1) anbrakt statisk på sjøbunnen. De tre ortogonalt innrettede seismiske sensorene (12x, 12y, 12z) kan også være såkalte geofoner. Geofonene kan gi seismiske hastighetsmålinger. Hydrofonen, som avføler trykket på grunn av seismiske bølger, kan anordnes i det samme sensorhuset som geofonene for å måle akustiske trykkvariasjoner. Videre kan hver seismisk node omfatte en dybdesensor for bruk i både sjøbunnsoperasjoner hvor det er viktig å vite når kabelseksjonen har satt seg på sjøbunnen, men også for å gi tilbakemelding om den til enhver gjeldende dybden for hver del av sensorkabelseksjonene (2) under taueoperasjonene for EM- og seismisk datainnsamling, hvor dybdemålingene brukes både for korrigering av sensordybden til en ønsket dybde, og hvor dybden er for bruk i både EM-og seismisk dataanalyse.

Oppfinnelsen vil tillate simultane målinger av elektromagnetiske E-felt og H-felt i eller nær sjøbunnen, og således fremskaffe en verdifull forbedring av bølgefeltsseparasjon på grunn av det faktum at oppad og nedad forplantende EM-felt kan skilles fra hverandre. Videre vil utførelser av oppfinnelsen tillate walk-away-operasjoner som vesentlig reduserer den elektromagnetiske støyen assosiert spesielt med E-feltsensorene som ellers beveger seg i et konduktivt medium og i et magnetisk felt.

Claims

1. En maringeofysisk sensorkabel (1) omfattende en eller flere sensorkabelseksjoner (2), - hvor hver av sensorkabelseksjonene (2) er utstyrt med seismiske og elektromagnetiske sensorer (10, 20) anordnet langs kabelen (1), - hvor de seismiske sensorene (10) omfatter en hydrofon (14) og en eller flere seismiske komponentmottakere (12) for seismiske vektormålinger når sensorkabelen befinner seg på sjøbunnen, karakterisert ved- at de elektromagnetiske sensorene (20) omfatter både E-felt-sensorer (22) og H-felt-sensorer (24), - hvor E-felt-sensorene (22) omfatter par av første og andre elektroder (22a, 22b) anbrakt i forskjellige posisjoner langs kabelen (1) og forbundet med en spenningsforsterker (23), - hvor H-felt-sensorene (24) omfatter tre gjensidig ortogonalt anordnede H-feltkomponent-sensorer (24x, 24y, 24z).

2. Sensorkabelen ifølge krav 1, hvor de seismiske komponentmottakerne (12) omfatter tre gjensidig ortogonalt anordnede seismiske komponentsensorer (12x, 12y, 12z).

3. Sensorkabelen ifølge krav 2, hvor de seismiske komponentmottakerne (12) sine komponentsensorer (12x, 12y, 12z) er akselerometre.

4. Sensorkabelen ifølge krav 2, hvor de seismiske komponentmottakerne (12) sine komponentsensorer (12x, 12y, 12z)ergeofoner.

5. Sensorkabelen ifølge krav 2, hvor H-feltsensorene (24) omfatter tre gjensidig ortogonalt innrettede H-felt-komponentsensorer (24x, 24y, 24z).

6. Sensorkabelen ifølge krav 5, hvor H-feltkomponent-sensorene er fluxgate-magnetometre (24x, 24y, 24z).

7. Sensorkabelen ifølge krav 1, hvor H-felt-sensorene (24) videre omfatter et totalfeltmagnetometer (25).

8. Sensorkabelen ifølge krav 1, hvor i det minste en av kabelseksjonene (2) i sjøen er forbundet til en lead-in-kabel som strekker seg til et skip (5).

9. Sensorkabelen ifølge krav 8, hvor lead-in-kabelen (3) er utstyrt med en såkalt depressor-fisk (31) innrettet for å neddykke en fremre ende av sensorkabelen (1) til en ønsket dybde mens sensorkabelen (1) taues i sjøen.

10. Sensorkabelen (1) ifølge krav 8, hvor lead-in-kabelen (3) er anbrakt på en trommel (35) og innrettet til å vikles ut fra skipet (5) under såkalte walk-away-operasjoner med kabelen (1) innrettet statisk med hensyn til sjøbunnen under den elektromagnetiske datainnsamlingen.

11. Sensorkabelen (1) ifølge krav 8, hvor skipet (5) er innrettet for tauing av en elektromagnetisk signalkilde (26).

12. Sensorkabelen (1) ifølge krav 11, hvor skipet (5) videre er innrettet for tauing av en seismisk signalkilde (16).