NO333409B1 - Anordning og fremgangsmate for akustisk posisjonering av en seismisk havbunnskabel - Google Patents

Abstract

En seismisk havbunnposisjonerings- innretning omfatter en rekke seismiske stasjoner (14) som er atskilt med et forutbestemt mellomrom langs en kabel. Hver stasjon (14) omfatter en hydrofon (20), en bevegelsesfølende anordning, så som en geofon (22), og en akustisk posisjoneringskrets (24). En forforsterker er koplet til en seismisk kanal. Hydrofonen (20) er også koplet til den seismiske kanal. En akustisk kanal er også koplet til forforsterkeren og er koplet til hydrofonen.

Description

Bakgrunn

Den foreliggende beskrivelse angår generelt seismiske havbunnskabler, og mer spesielt lokalisering av posisjonen av hver hydrofon på havbunnen.

Ett av problemene ved seismisk, undersjøisk undersøkelse er å lokalisere mottakerne (hydrofoner og/eller geofoner) på havbunnen i forhold til en lydkilde. Lydkilden lokaliseres i forhold til et elektronisk navigasjonssystem. Det mest vanlig benyttede navigasjonssystem er det differensielle GPS-system (Global Positioning System) som benytter satellitter.

Eksisterende systemer benytter nå et ytterligere akustisk posisjoneringssystem for å lokalisere en slepet kabel og mottakere (hydrofoner). Disse systemer har vanligvis ikke noen akustisk føler ved hver seismisk hydrofonføler. Den benyttede frekvens ligger i området fra 30 kHz til over 100 kHz. Et beslektet problem ved bunnkabelundersøkelse er at dersom føleren synker ned i slammet på havbunnen, vil den akustiske høyfrekvenskilde muligens ikke trenge ned i slammet og vil muligens ikke virke.

US5166905A omhandler en seismisk posisjoneringsinnretning med mottaker-stasjon, hydrofon, posisjoneringskrets samt seismisk og akustisk

I US patent 5 668 775 er det beskrevet et slikt system som omfatter seismisk utstyr som er innrettet til å sende og motta signaler. Utstyret er inkludert i hydrofonkabler (streamers) som del av et marint seismisk slep. Videre benytter utstyret flere akustiske sendere og arbeider med akustiske mottakere som er atskilt en kjent avstand. Videre defineres beliggenheten av minst ett punkt i et romlig nettverk ved å relatere nettverket til minst én konvensjonelt bestemt, geografisk posisjon.

Det som kreves, er derfor en fremgangsmåte og en innretning for bestemmelse av posisjonen av seismisk utstyr som er plassert på havbunnen i stedet for å slepes bak en båt, slik at kablene er i en fast posisjon på havbunnen og en registrerende båt opprettholdes i posisjon ved hjelp av forankring eller ved hjelp av retningstrustere.

Sammenfatning

Én utførelse tilveiebringer følgelig en fremgangsmåte og en innretning for en bunnkabel omfattende flere innbyrdes atskilte hydrofoner og en akustisk kilde i et bevegelig overflatefartøy som er i stand til å sende et akustisk signal til de nære hydrofoner. For dette formål omfatter en seismisk havbunn-posisjoneringsinnretning et antall seismiske stasjoner som er atskilt med mellomrom langs en kabel. Hver stasjon omfatter en hydrofon, en bevegelsesdetektoranordning og en akustisk posi-sjoneringskrets. En seismisk kanal er koplet til hydrofonen, og en akustisk kanal er koplet til hydrofonen.

En hovedfordel med denne utførelse er at systemet benytter én posisjoneringslyd fra en eneste kilde til nøyaktig å lokalisere flere mottakere i en stasjonær posisjon på havbunnen.

Kort beskrivelse av tegningen

Fig. 1 er et skjematisk riss som illustrerer en utførelse av et seismisk havbunnska Delsystem,

fig. 2 er et skjematisk riss som illustrerer en utførelse av en integrert følermodul, og

fig. 3 er et skjematisk riss som illustrerer en utførelse av en vanlig hydrofon og forforsterker som er koplet til en seismisk kanal og en akustisk posisjoneringskanal.

Nærmere beskrivelse av den foretrukne utførelse

På fig. 1 sendes et akustisk signal 10a ut fra en bevegelig skyte båt 10 på en overflate 11 av et hav 12 ved hjelp av en akustisk kilde 13. En luftkanonoppstilling 21 slepes bak båten 10 og frembringer et seismisk signal for en seismisk kartlegging som kan utføres samtidig på velkjent måte. Signaler fra den akustiske kilde 13 mottas av følere 14 som er festet til seksjoner av en kabel 15 med atskilte mellomrom langs kabelen. Kabelen 15 er i en stasjonær posisjon på en bunn 16 av havet 12. De akustiske signaler 10a passerer direkte gjennom vannet til følerne 14, gjennom litt slam på havbunnen 16 til følerne 14, og også via en kort, brutt bane til følerne 14. Hver kabelseksjon er festet til en tilstøtende kabelseksjon ved hjelp av en elektronisk modul 17. Følerne 14 behandler det akustiske signal som mottas, og frembringer et seismisk geofonsignal og et seismisk hydrofonsignal. Det akustiske signal som behandles av følerne 14, angir det tidspunkt da det akustiske signal ble mottatt. De to seismiske signaler og de akustiske signaldata sendes fra føleren 14 til en tilstøtende modul. Modulen 17 filtrerer og formaterer signalene og sender disse til en tilstøtende modul 17. Modulen nærmest en registreringsbåt 18, i en stasjonær posisjon på overflaten 11, sender signalene til registreringsbåten 18 som samler og registrerer dataene for senere behandling. Hver føler 14, fig. 2, omfatter en integrert følermodul 19 som inneholder en hydrofon 20, som er utsatt for omgivende undervannstrykk, en passende bevegelsesføler som kan være en vertikal, slingrebøylemontert geofon 22, og en akustisk posisjoneringskrets 24, av hvilke hver er forseglet fra omgivende undervannstrykk.

Den akustiske posisjoneringskrets 24 er fordelt på PC-kort i modulen 19. Kretsen er skjematisk vist på fig. 3 hvor en vanlig hydrofon 20 er benyttet i forbindelse med en seismisk kanal 28 og en akustisk posisjoneringskanal 30.1 tillegg er en vanlig forforsterker 32 benyttet i forbindelse med den seismiske kanal 28 og den akustiske posisjoneringskanal 30. Den seismiske kanal 28 omfatter en svingbegrenser 28a, et valgfritt lavkuttfilter (low-cut filter) 28b, en analog/digital-omformer 28c og et desimeringsfilter 28d. Den akustiske posisjoneringskanal 30 omfatter et høypassfilter 30a, en akustisk forsterker 30b og en signaldetektor 30c. Svingbegrenseren 28a hindrer høyfrekvensfolding i en analog/digital-omformer. Lavkuttfilteret 28b er valgfritt og tjener til å bli kvitt lave frekvenser dersom dette ønskes. Analog/digital-omformeren 28c fungerer på den velkjente måte. Desimeringsfilteret 28d tjener til å frembringe et binært digitalord som representerer amplituden av det seismiske signal ved et spesielt tidspunkt. Høypassfilteret 30a tjener til å dempe et lavfrekvenssignal fra den akustiske kanal. Den akustiske forsterker 30b tjener til å bringe signaler til et nivå som er passende for deteksjon. Signaldetektoren 30c detekterer signaler som mottas fra den akustiske forsterker 30b.

Vanligvis opererer akustiske kanalfrekvenser i området fra ca. 40 kHz til mer enn 100 kHz. I den foreliggende utførelse opererer den akustiske kanalfrekvens under 40 kHz for å gi en viss inntrenging i slammet på havbunnen 16. Denne inntrenging tillater det akustiske signal å trenge inn til føleren som slippes ned fra havoverflaten 11 til havbunnen 16 og kan trenge inn i sedimenter, så som slam, på havbunnen 16. Benyttelse av frekvenser som er altfor lave, vil tillate det akustiske signal å bevege seg altfor langt inn i havbunnsedimentene, og kan på grunn av refraksjon eller brytning ankomme før den direkte bane. En annen grunn til å utelukke den lave frekvens, er den støy som frembringes av eventuelle båter som befinner seg i nærheten. Det er klart at den optimale frekvens er et kompromiss mellom brytningsproblemet og båtstøyproblemet. Dersom den optimale frekvens er for høy, vil den ikke nå frem til en nedgravd føler. Uheldigvis vil den optimale frekvens muligens variere med bunnforholdene fra sted til sted.

Det er derfor ønskelig å benytte ett bånd av frekvenser hele tiden, på grunn av at seismiske bunnkabelmannskaper kontinuerlig beveger seg fra ett sted til et annet. Anvendelsen av en eneste frekvens forenkler maskinvaren, men flere frekvenser kan benyttes for å forbedre operasjonen.

For å avvise båtstøy, veksler et signal mellom to frekvenser, og det benyttes et pulsmønster som forbedrer støy- og flerbaneavvisning. De frekvenser som velges, ligger innenfor mulighetene til vanlig benyttede sendere og transdusere, og under resonansfrekvensen for hydrofonen 20.

De akustiske frekvenser som benyttes, er 13 kHz og 17 kHz, og er et kompromiss med henblikk på dette system. Denne teknikk vil også ha anvendelse ved akustisk hydrofonkabelposi-sjonering. Anvendelsen av et pulsmønster unngår velkjente hakk- og flerbaneproblemer ved overføring og bistår ved avvisning av støy. Forskjellige pulsmønstre benyttes for å minimere forstyrrelse fra andre mannskaper som arbeider i nærheten, f.eks. innenfor 10 kilometer eller mindre. Dette er forskjellig fra for tiden kjente metoder som sender pulser med forskjellige frekven-ser og som benytter en frekvensdetektor for hver puls. I den foreliggende utførelse benyttes to frekvenser, og overganger dannes mellom frekvenser med en rask takt (63 mulige frekvens-endringer på 16 millisekunder), for å tilveiebringe et enes-tående mønster som har et bredt spektrum, slik at en null som er til stede i spekteret, ikke er noe problem. Den lange varighet av pulsmønsteret inneholder mer energi og kortere, kraftigere pulser. Det mottatte signal korreleres mot en kjent kode for å trekke ut løpetiden fra kilden til mottakeren. Det forventes at en tidsnøyaktighet på mindre enn 100 mikrosekunder vil bli oppnådd ved benyttelse av differensiell GPS-tid på både den akustiske sender 13 og den sentrale elektronikk 26 som styrer de akustiske følere 14. Denne utførelse benytter en lang rekke av skiftende frekvenser og benytter en korrelasjon for å bryte sammen pulsen for å bestemme ankomsttiden.

Denne utførelse beskriver en bunnkabel 15 som er anordnet for å lokalisere posisjonen av hver hydrofon 20 på havbunnen 16. En felles hydrofon og en felles forforsterker benyttes hver for både de seismiske og akustiske signaler. De to signaler, seismiske og akustiske, som har vesentlig forskjellige frekvenser, separeres etter inngangstrinnet og kondisjoneres og behandles separat.

Den akustiske kilde 13 posisjoneres på havoverflaten 11 ved benyttelse av GPS, og systemet måler tiden fra den akustiske kilde 13 til følerne 14. Kildeposisjonen endres stadig, slik at hver følers 14 avstand måles mange ganger fra forskjellige retninger og avstander. Dette tillater lokalisering av følerne 14 i både x- og y-koordinater og en z-koordinat for dybden av vannet.

Kildebåten 10 sleper den seismiske kilde 21 bak seg, idet denne omfatter en luftkanonoppstilling som også omfatter en GPS-mottaker 23. Kildebåten 10 har også en GPS-mottaker 25 hvis posisjon er kjent i forhold til den akustiske kilde 13. Den akustiske kilde 13 kan slepes, installeres gjennom båtskroget, som vist, eller befinne seg på en stang som plasseres over siden av båten 10. Dybden av følerne 14 er kjent, bortsett fra den variasjon som skyldes den rullende bevegelse av kildebåten 10.

Slik det kan innses, er en hovedfordel med denne utførelse at systemet benytter én posisjoneringslyd fra en eneste kilde til nøyaktig å lokalisere flere mottakere i en stasjonær posisjon på havbunnen. Bunnkabelervervelse tilveiebringer data med høyere kvalitet på grunn av at følerne er stasjonære, slik at man unngår støy som er iboende i slepede hydrofonkabler. Hastigheten og nøyaktigheten av dataervervelse forbedres også, og det kreves en redusert mengde utstyr. Det foreligger derfor kostnadsbesparelser som er verd å legge merke til.

Selv om illustrerende utførelser er blitt vist og beskrevet, er et vidt område av modifikasjoner og endringer overveid i den foregående beskrivelse, og i noen tilfeller kan visse særtrekk ved utførelsene benyttes uten tilsvarende benyttelse av andre særtrekk. Det er derfor hensiktsmessig at de etterfølgende krav tolkes bredt og på en måte som er forenlig med rammen av de her beskrevne utførelser.

Claims (12)

1. Innretning for akustisk posisjonering av en seismisk havbunnskabel, omfattende et antall akustiske mottakerenheter og moduler (17) som er atskilt med mellomrom langs en kabel (15) på havbunnen, en første GPS-mottaker (25) på et første bevegelig havoverflatefartøy (10), en enkelt akustisk sender (13) som bæres på det første bevegelige havoverflatefartøy (10) for sending av et akustisk signal (10a), idet den første GPS-mottaker (25) opererer fra det første overflatefartøy (10), idet posisjonen av den første GPS-mottaker er kjent i forhold til den akustiske sender, KARAKTERISERT VED hver mottakerenhet omfatter en hydrofon (20), minst én geofon (22) og en akustisk posisjoneringskrets (24) omfattende: en seismisk kanal (28) som er koplet til hydrofonen (20), og en akustisk posisjoneringskanal (30) som er koplet til hydrofonen (20), idet mottakerenhetene befinner seg på en ukjent dybde i forhold til den akustiske sender (13), og et andre stasjonært overflatefartøy (18) mottar data fra mottakerenhetene og modulene (17).

2. System ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at det omfatter en forforsterker (32), idet den seismiske kanal (28) er koplet til forforsterkeren (32) og den akustiske kanal (30) er koplet til forforsterkeren (32).

3. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den seismiske kanal (28) omfatter en svingbegrenser (28a), et lavpassfilter (28b), en analog/digital-omformer (28c) og et desimeringsfilter (28d).

4. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den akustiske posisjoneringskanal (30) omfatter et høypassfilter (30a), en akustisk forsterker (30b) og en signaldetektor (30c).

5. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at det videre omfatter en seismisk kilde (21).

6. Innretning ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at den seismiske kilde (13) omfatter en andre GPS-mottaker (23).

7. Fremgangsmåte for behandling av akustiske data for lokalisering av en akustisk mottaker som er anbrakt på en havbunn, omfattende å sende akustiske signaler fra et første overflatefartøy (10) som beveger seg på en overflate av en vannmasse, KARAKTERISERT VED at å motta de akustiske signaler i en stasjonær følerenhet (14) som omfatter en seismisk kanal (28) og en akustisk posisjoneringskanal (30) som hver er koplet til en felles hydrofon (20) og en felles forforsterker (32), å behandle de akustiske signaler i en modul (17) nær hver følerenhet (14), og å sende data fra de behandlede signaler til et andre overflatefartøy (18) i en stasjonær posisjon på overflaten av vannmassen.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at de akustiske signaler overføres som et mønster av pulser.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at de akustiske signaler overføres på to frekvenser.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at de akustiske signaler overføres med frekvenser som er mindre enn ca. 40 kHz.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at de akustiske signaler tilveiebringer et frekvensskiftmoduleringssignal.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at de akustiske signaler korreleres mot en forutbestemt kode for å bestemme de akustiske signalers løpetid.