NO333980B1 - Fremgangsmåte og en kontrollsystem for posisjonering av marine seismiske streamere - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt systemer for kontroll av seismisk datainnsamlingsutstyr og særlig et system for kontroll av marine seismiske streamer-posisjonerings anordninger.

En marin seismisk streamer er en langstrakt kabellignende struktur, typisk opp til flere tusen meter lang, som omfatter nettverk av seismiske sensorer, kjent som hydrofoner, og tilknyttet elektronisk utstyr langs sin lengde, og som blir brukt i marine seismiske undersøkelser. For å utføre en 3D marin seismisk undersøkelse, blir flere slike streamere tauet ved omkring 5 knop bak et seismisk undersøkelsesfartøy, som også tauer én eller flere seismiske kilder, typisk luftkanoner. Akustiske signaler produsert av de seismiske kildene, blir ledet ned gjennom vannet inn i jorden under, hvor de blir reflektert fra de ulike lag. De reflekterte signalene blir mottatt av hydrofonene, og så digitalisert og prosessert til å bygge opp en representasjon av geologien under overflaten.

De horisontale posisjonene til streamerne blir typisk kontrollert av en deflektor, som er lokalisert i frontenden eller "hodet" til streameren, og en halebøye som er lokalisert i den bakre enden eller "halen" til streameren. Disse anordningene forårsaker strekk-krefter på streameren som tvinger bevegelsen til streameren og får den til å anta en tilnærmet lineær form. Krysstrømmer og transiente krefter får streameren til å bøye og bølge, og derved introdusere avvik til denne ønskede lineære formen.

Streamerne blir typisk tauet på en konstant dybde på tilnærmet 10 meter, for å forenkle fjerningen av uønskede "spøkelses" refleksjoner fra overflaten av vannet. For å holde streamerne på denne konstante dybden, blir kontrollanordninger kjent som "birds" typisk festet på flere punkter langs hver streamer mellom deflektoren og halebøyen, med avstand mellom "birdene" generelt varierende mellom 200 og 400 meter. "Birdene" har hydrodynamisk avbøyende flater, referert til som vinger, som tillater posisjonen til streameren å bli kontrollert når den blir tauet gjennom vannet. Når en "bird" bare blir brukt til dybdekontrollformål, er det mulig for "birden" å regelmessig føle dybden sin ved å bruke en integrert trykksensor, og for en lokal regulator i "birden" å justere vingevinkelen for å holde streameren nær den ønskede dybden ved bare å bruke en ønsket dybdeverdi mottatt fra et sentralt kontrollsystem.

Mens majoriteten av "birds" brukt så langt bare har kontrollert dybden til streameren, kan ytterligere fordeler bli oppnådd ved å bruke riktig kontrollerte, horisontalt styrbare "birds", særlig ved å bruke typene av horisontalt og vertikalt styrbare "birds" beskrevet i vår publiserte PCT internasjonale søknad nr. WO 98/28636. Fordelene som kan bli oppnådd ved å bruke riktig kontrollerte, horisontalt styrbare "birds", kan omfatte å redusere horisontal ut-av-posisjonen forhold som krever ny innhenting av seismiske data i det bestemte området (f.eks. tilleggs-skyting), reduksjon av sjansene for å floke nærliggende streamere, og reduksjon av tiden som kreves for å snu det seismiske innhentingsfartøyet ved avslutning av én passering og starten på en annen passering ved en 3D seismisk undersøkelse.

US 4890568 viser en fjernstyrbar halebøye for bruk ved innsamling av seismiske data ved hjelp av seismiske streamere.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer fremgangsmåter og apparater for å kontrollere posisjonen til marine seismiske streamere i et nettverk av slike streamere som blir tauet av et seismisk undersøkelsesfartøy, hvor streamerne har respektive streamerposisjoneringsanordninger langs dem og hvor hver streamerposisjoneringsanordning har en vinge og en vingemotor for å endre orienteringen til vingen for å styre streamerposisjoneringsanordningen lateralt, hvor nevnte metoder og apparater omfatter (a) å oppnå en estimert hastighet til streamerposisjoneringsanordningen, (b) for minst noen av streamerposisjoneringsanordningene å beregne ønskede endringer i orienteringen til deres vinger ved å bruke nevnte estimerte hastighet, og (c) å aktivere vingemotorene til å produsere den ønskede endringen i orienteringen til vingen.

Oppfinnelsen og dens fordeler vil bli forstått bedre med referanse til den detaljerte beskrivelsen under og de medfølgende figurer.

Et annet system for å kontrollere en horisontal styrbar "bird" er vist i vår publiserte PCT internasjonale søknad nr. WO 98/28636. Ved å bruke denne type kontrollsystem, blir de ønskede horisontale posisjonene og de aktuelle horisontale posisjonene mottatt fra et fjernkontrollsystem, og blir så brukt av et lokalt kontrollsystem i "birdene" for å justere vingevinklene. De aktuelle horisontale posisjonene til "birdene" kan bli bestemt hvert femte til tiende sekund, og det kan bli en 5 sekunders forsinkelse mellom målingene og bestemmelsen av de aktuelle streamerposisjonene. Mens denne type system tillater mer automatisk justering av "birdens" vingevinkler, forhindrer forsinkelsesperioden og den relativt lange periodetiden mellom posisjonsmålinger denne type kontrollsystem fra raskt og effektivt å kontrollere den horisontale posisjonen til "birden". Det er derfor ønskelig med et mer deterministisk system for å kontrollere denne type streamer-posisj onerings anordning.

Det er derfor en hensikt med oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedret metode og apparat for å kontrollere en streamer-posisjoneringsanordning.

En fordel med oppfinnelsen, er at posisjonen til streameren kan bli bedre kontrollert, og derved reduseres behovet for tilleggsskyting, sjansene for streamerfloking og tiden som trengs for å snu det seismiske undersøkelsesfartøyet.

En annen fordel med oppfinnelsen er at støy i marine seismiske data forbundet med overkorreksjon av streamer-posisjon og streamer-posisjoneringsfeil signifikant blir redusert.

Den foreliggende oppfinnelsen omfatter en metode for å kontrollere en streamer-posisjoneringsanordning konfigurert for å være knyttet til en marin seismisk streamer og tauet av et seismisk undersøkelsesfartøy og som har en vinge og en vingemotor for å endre orienteringen til vingen. Metoden omfatter trinn for: å oppnå en estimert hastighet til streamerposisjoneringsanordningen, å beregne en ønsket endring i orienteringen til vingen ved å bruke den estimerte hastigheten til streamer-posisjoneringsanordningen, og aktivere vingemotoren til å produsere den ønskede endringen i orienteringen til vingen.

Oppfinnelsen omfatter også et apparat for å kontrollere en streamer-posisjoneringsanordning. Apparatet omfatter midler for å oppnå en estimert hastighet til streamerposisjoneringsanordningen, midler for å beregne en ønsket endring i orienteringen til vingen ved å bruke den estimerte hastigheten til streamerposisjoneringsanordningen og midler for å aktivere vingemotoren til å utføre den ønskede endringen i orienteringen. Oppfinnelsen og fordelene dens vil bli forstått bedre med referanse til den detaljerte beskrivelsen under og de medfølgende figurer.

Fig. 1 er et skjematisk diagram av et seismisk undersøkelsesfartøy og tilknyttet seismisk datainnsamlingsutstyr;

fig. 2 er et skjematisk horisontalt tverrsnitt gjennom en marin seismisk streamer og en tilknyttet streamer-posisjoneringsanordning;

fig. 3 er et skjematisk vertikalt tverrsnitt gjennom

streamerposisjoneringsanordningen fra fig. 2; og

fig. 4 er et skjematisk diagram av oppbygningen til det lokale kontrollsystemet til streamer-posisjoneringsanordningen fra fig. 2.

I fig. 1 er det vist et seismisk undersøkelsesfartøy 10 som tauer åtte marine seismiske streamere 12 som kan, f.eks., hver være 3000 meter i lengde. De ytterste streamerne 12 i nettverket kan være 700 meter fra hverandre, noe som resulterer i en horisontal avstand mellom streamerne på 100 meter i den viste vanlige horisontal - avstandkonfigurasjonen. En seismisk kilde 14, typisk en luftkanon eller et nettverk av luftkanoner, er også vist tauet av det seismiske undersøkelsesfartøyet 10.1 frontenden til hver streamer 12 er det vist en deflektor 16, og i enden til hver streamer er det vist en halebøye 20. Deflektoren 16 blir brukt til å horisontalt posisjonere enden til streameren nærmest det seismiske undersøkelsesfartøyet 10, og halebøyen 20 danner drag på enden til streameren lengst fra det seismiske undersøkelsesfartøy 10. Strekket som blir dannet på den seismiske streameren av deflektoren 16 og halebøyen 20 resulterer i den tilnærmet lineære formen på den seismiske streameren 12 som vist i fig. 1.

Lokalisert mellom deflektoren 16 og halebøyen 20 er flere streamerposisjoneringsanordninger kjent som "birds" 18. Fortrinnsvis er "birdene" 18 både vertikalt og horisontalt styrbare. Disse "birdene" 18 kan f.eks. være plassert med fast avstand langs streameren, slik som hver 200-400 meter. De vertikalt og horisontalt styrbare "birdene" 18 kan bli brukt til å begrense formen til den seismiske streameren 12 mellom deflektoren 16 og halebøyen 20 i både vertikal-(dybde) og horisontalretningen.

I den foretrukne utførelsen av oppfinnelsen, er kontrollsystemet for "birdene" 18 fordelt mellom et globalt kontrollsystem 22 lokalisert på eller nær det seismiske undersøkelsesfartøy 10, og et lokalt kontrollsystem lokalisert i eller nær "birdene" 18. Det globale kontrollsystemet 22 er typisk forbundet til det seismiske undersøkelsesfartøyets navigasjonssystem, og tilveiebringer estimater av systemvide parametere, slik som fartøyets taueretning og -hastighet, og strømretningen og -hastigheten fra fartøyets navigasjonssystem.

Det viktigste kravet til kontrollsystemet er å forhindre at streamerne 12 floker seg. Dette kravet blir viktigere og viktigere ettersom kompleksiteten og totalverdien til det tauede utstyret øker. Trenden i industrien er å plassere flere streamere 12 på hvert seismiske undersøkelsesfartøy 10 og å minke den horisontale avstanden mellom dem. For å få bedre kontroll av streamerne 12, blir det nødvendig med horisontal styring. Hvis "birdene" 18 ikke er skikkelig kontrollert, kan horisontal styring øke, heller enn å minke sannsynligheten for å floke nærliggende streamere. Lokale strømfluktuasjoner kan dramatisk innvirke på størrelsen til sidekontrollen som behøves for å posisjonere streamerne riktig. For å kompensere for disse lokale strømfluktuasjonene, bruker oppfinnelsens kontrollsystem en distribuert prosesskontrollarkitektur og forløpsforutseende modellbasert kontrollogikk for å kontrollere streamer-posisjoneringsanordningen riktig.

I den foretrukne utførelsen til oppfinnelsen, monitorerer det globale kontrollsystemet 22 den aktuelle posisjonen til hver av "birdene" 18, og er programmert med de ønskede posisjonene til, eller ønskede minimumsavstander mellom, de seismiske streamerne 12. De horisontale posisjonene til "birdene" 18 kan bli utledet f.eks. ved å bruke typene av akustisk posisjoneringssystem som er beskrevet i vårt US patent nr. 4 992 990 eller i vår PCT internasjonale patentsøknad nr. WO 98/21163. Alternativt eller i tillegg, kan satellittbasert globalt posisjoneringssystemutstyr bli brukt til å bestemme posisjonene til utstyret. De vertikale posisjonene til "birdene" 18 blir typisk monitorert ved å bruke trykksensorer knyttet til "birdene" som diskutert under.

Det globale kontrollsystemet 22 omfatter fortrinnsvis en dynamisk modell av hver av de seismiske streamerne 12, og benytter de ønskede og aktuelle posisjonene til "birdene" 18 til regelmessig å beregne oppdaterte ønskede vertikale og horisontale krefter som "birdene" bør overføre til de seismiske streamerne 12 for å flytte dem fra deres aktuelle posisjoner til de ønskede posisjonene. Fordi bevegelsene av de seismiske streamerne 12 forårsaker akustisk støy (både fra sjøvann som strømmer forbi "birdene"s vingestrukturer og tverrstrømmer som strømmer på tvers av streamerhuden), er det viktig at streamerbevegelsene kan bli begrenset og holdt til en minimum korreksjon nødvendig for å posisjonere streamerne riktig. Ethvert streamer-posisjoneringsanordningskontrollsystem som konsekvent overeksponerer nødvendig type korreksjon og får "birden" til å oversvinge sin ønskede posisjon, introduserer uønsket støy til de seismiske data som blir innhentet av streameren. I kjente systemer blir denne typen overkorrigert støy ofte balansert mot "støyen" eller "smearing" som oppstår når de seismiske sensorene i streamerne 12 blir beveget fra deres ønskede posisjoner.

Det globale kontrollsystemet 22 beregner fortrinnsvis de ønskede vertikale og horisontale kreftene basert på oppførselen til hver streamer, og tar også med i beregningen oppførselen til hele streamernettverket. På grunn av den relativt lave samplingshastigheten og tidsforsinkelsen knyttet til det horisontale posisjonsbestemmelsessystemet, kjører det globale kontrollsystemet 22 posisjonsforutseende programvare for å estimere de aktuelle lokaliseringene til hver av "birdene" 18. Det globale kontrollsystemet 22, sjekker også dataene mottatt fra fartøyets navigasjonssystem, og data blir fylt inn hvis de mangler. Grensesnittet mellom det globale kontrollsystem 22 og det lokale kontrollsystemet vil typisk operere med en samplingsfrekvens på minst 0,1 Hz. Det globale kontrollsystemet 22 vil typisk trenge de følgende parametre fra fartøyets navigasjonssystem: fartøy hastighet (m/s), fartøyretning (grader), strømhastighet (m/s), strømretning (grader), og lokaliseringen til hver av "birdene" i horisontalplanet i et fartøyfiksert koordinatsystem. Strømhastighet og -retning kan også bli estimert basert på gjennomsnittskreftene som virker på streamerne 12 av "birdene" 18. Det globale kontrollsystemet 22 vil fortrinnsvis sende de følgende verdier til den lokale "bird"-kontrolleren: ønsket vertikal kraft, ønsket horisontal kraft, tauehastighet og tverrstrømshastighet.

Tauehastigheten og tverrstrømshastigheten er fortrinnsvis "vannrefererte" verdier som ble beregnet fra fartøyets hastighets- og retningsverdier og strømhastigheten og -retningsverdiene, såvel som enhver relativ bevegelse mellom det seismiske undersøkelsesfartøyet 10 og "birden" 18 (slik som når fartøyet snur), for å danne relativ-hastigheter til "birden" 18 med hensyn til vannet i både "i-linje" og "kryss-linje" retningene. Alternativt kan det globale kontrollsystemet 22 forsyne det lokale kontrollsystemet med horisontalhastigheten og vanninnstrømningsvinkelen. Kraften og hastighetsverdiene blir levert av det globale kontrollsystemet 22 som separate verdier for hver fugl 18 på hver streamer 12 kontinuerlig ved operasjon av kontrollsystemet.

De vannrefererte tauehastighetene og tverrstrømshastighetene kan alternativt bli bestemt ved å bruke strømningsmålere eller andre typer vannhastighetssensorer knyttet direkte til "birdene" 18. Selv om disse typer av sensorer typisk er ganske dyre, er en fordel med denne type hastighetsbestemmelse at det naturlig er kompensert for hastigheten og retningen til marine strømmer som virker på de nevnte streamer-posisjoneringsanordningene og for relative bevegelser mellom fartøyet 10 og "birden" 18 i de følte i-linje og kryss-linje hastighetene.

Fig. 2 viser en type "bird" 18 som kan kontrollere posisjonen til seismiske streamere 12 i både vertikal- og horisontalretningene. En "bird" 18 av denne typen er også vist i vår PCT internasjonale søknad nr. WO 98/28636. Mens et antall alternative utforminger av de vertikale og horisontale styrbare "birdene" 18 er mulige, inkludert de som bruker en fullt bevegelig vinge med balanseror, tre fullt bevegelige vinger, og fire fullt bevegelige vinger, er det uavhengige to-vings-prinsippet begrepsmessig det enkleste og mest robuste designet.

I fig. 2 er det vist en del av den seismiske streameren 12 med en tilknyttet fugl 18. En kommunikasjonslinje 24, som kan bestå av en bunt med fiberoptiske datatransmisjonskabler og effekttransmisjonskabler, strekker seg langs lengden til den seismiske streameren 12, og er forbundet til de seismiske sensorene, hydrofoner 26, som er distribuert langs lengden til streameren, og til "birden" 18. "Birden" 18 har fortrinnsvis et par med uavhengige beveglige vinger 28 som er forbundet til roterbare aksler 32 som blir rotert av vingemotorer 34 og som tillater orienteringen til vingene 28 å bli endret med hensyn til fuglekroppen 30. Når akslene 32 til "birden" ikke er horisontale, forårsaker denne rotasjonen en endring i den horisontale orienteringen til vingene 28 og derved endres de horisontale kreftene som virker på streameren 12 fra "birden".

Motorene 34 kan bestå av en hvilken som helst anordning som kan endre orienteringen til vingene 28, og de er fortrinnsvis enten elektriske motorer eller hydrauliske aktuatorer. Det lokale kontrollsystemet 36 kontrollerer bevegelsen til vingene 28 ved å beregne en ønsket endring i vinkelen til vingene, og så selektivt drive motorene 34 til å utføre denne endringen. Mens den skisserte foretrukne utførelsen benytter seg av en separat motor 34 for hver vinge 28, kunne det også vært mulig å uavhengig bevege vingene 28 ved å bruke en enkel motor 34 og en selektiv aktuerbar transmisjonsmekanisme.

Når "birden" 18 bruker to vinger 28 til å produsere de horisontale og vertikale kreftene på streameren 12, er de nødvendige utgangsverdiene til det lokale kontrollsystemet 36 relativt enkle, retningene og størrelsene på vingebevegelsene nødvendig for hver av vingene 28, eller ekvivalent størrelsen og retningen motorene 34 må drives for å produsere denne vingebevegelsen. Mens de nødvendige utgangsverdiene til det lokale kontrollsystemet 36 for et slikt to fullbevegelses svingedesign er ganske enkel, er strukturen og operasjonen til hele systemet nødvendig for å koordinere kontrollen til anordningen relativt komplisert.

Fig. 3 viser et skjematisk vertikalt tverrsnitt gjennom streamer-posisjoneringsanordningen vist i fig. 2 som vil tillate operasjon av kontrollsystemet til oppfinnelsen å bli beskrevet i mer detalj. Komponentene til "birden" 18 vist i fig. 3 omfatter vingene 28 og kroppen 30. Også vist i fig. 3 er en horisontal koordinatakse 38 og en vertikal koordinatakse 40. Ved operasjon av streamer-posisjoneringskontrollsystemet, sender fortrinnsvis det globale kontrollsystemet 22, ved regelmessige intervaller (slik som hvert femte sekund), en ønsket horisontal kraft 42 og en ønsket vertikal kraft 44 til det lokale kontrollsystemet 36.

Den ønskede horisontale kraften 42 og den ønskede vertikale kraften 44 blir kombinert i det lokale kontrollsystemet 36 til å beregne størrelsen og retningen til den ønskede totale kraften 46 som det globale kontrollsystemet 22 har instruert det lokale kontrollsystemet til å bruke på streameren 12. Det globale kontrollsystemet 22 kunne alternativt levere størrelsen og retningen til den ønskede totale kraften 46 til det lokale kontrollsystemet 36, i stedet for den ønskede horisontale kraften 42 og den ønskede vertikale kraften 44.

Mens den ønskede horisontale kraften 42 og den ønskede vertikale kraften 44 fortrinnsvis blir beregnet av det globale kontrollsystemet 22, er det også mulig for det lokale kontrollsystemet 36 i kontrollsystemet til oppfinnelsen å beregne én eller begge av disse kreftene ved å bruke et lokalisert deplasement/kraft konverteringsprogram. Denne typen lokalisert konverteringsprogram kan f.eks. bruke en slå-opp tabell eller konverteringsrutine som assosierer bestemte størrelser og retninger til vertikale eller horisontale forskyvninger med bestemte størrelser og retninger til endringer i nødvendige vertikale eller horisontale krefter. Ved å bruke denne type utførelse, kan det globale kontrollsystemet 22 levere lokaliseringsinformasjon til det lokale kontrollsystemet 36 i stedet for kraftinformasjon. I stedet for den ønskede vertikale kraften 44, kan det globale kontrollsystemet 22 levere en ønsket vertikal dybde, og det lokale kontrollsystemet 36 kan beregne størrelsen og retningen til avviket mellom den ønskede dybden og den aktuelle dybden. Lignende kan det globale kontrollsystemet 22 levere størrelsen og retningen på forskyvningen mellom den aktuelle horisontale posisjonen og den ønskede horisontale posisjonen til "birden" 18 istedenfor å levere en ønsket horisontal kraft 42. En fordel med denne alternative typen system, er at den ønskede vertikale kraften kan bli hurtig oppdatert ettersom det lokale kontrollsystemet mottar oppdatert dybde informasjon fra den integrerte trykksensoren. Andre fordeler med denne typen alternativt system, omfatter å redusere kommunikasjonstrafikk på kommunikasjonslinjen 24 og å forenkle programmeringen nødvendig for å konvertere de målte vertikale og/eller horisontale forskyvningene til tilsvarende krefter som skal brukes på "birdene" 18.

Når det lokale kontrollsystemet 36 har en ny ønsket horisontal kraft 42 og ønsket vertikal kraft 44 som skal bli benyttet, vil vingene 28 typisk ikke være i riktig orientering til å gi retningen til den ønskede totale kraften 46 som er nødvendig. Som man kan se i fig. 3, introduserer vingene 28 en kraft på streameren 12 langs en akse normalt på rotasjonsaksen til vingene 28 og normalt på streameren. Denne kraftaksen 48 er typisk ikke riktig opplinjert med den ønskede totale kraften 46 når nye ønskede horisontale og vertikale kraftverdier blir mottatt fra det globale kontrollsystemet 22 eller bestemt av det lokale kontrollsystemet 36, og noe rotasjon av "birdene" 18 blir nødvendig før "birden" kan produsere denne ønskede totale kraften 46. Som det kan ses, er kraftaksen 48 direkte relatert til "birden"s rullevinkel, benevnt i fig. 3 som cp.

Det lokale kontrollsystemet 36 optimaliserer kontrollprosessen ved å projisere den ønskede totale kraften 46 på kraftaksen 48 (dvs. å multiplisere størrelsen til den ønskede totale kraften med cosinus til avviksvinkelen 50), for å gi en midlertidig ønsket kraft 52, og så justere vingens felles vinkel a (vinkelen til vingene med hensyn til fuglekroppen 30, eller gjennomsnittsvinkelen hvis det er en skrå vinkel forskjellig fra null) for å gi denne størrelsen på kraften langs kraftaksen. Den beregnede ønskede felles vingevinkelen blir sammenlignet med den nåværende felles vingevinkel for å beregne en ønsket endring i den felles vingevinkelen, og vingemotorene 34 blir aktivert for å produsere den ønskede endringen i orienteringen til vingene.

En skrå vinkel er så introdusert til vingene 28 til å lage en rotasjonsbevegelse i fuglekroppen 30 (dvs. for å rotere kraftaksen 48 til å bli på linje med den ønskede totale kraften 46). Skråvinkelen er forskjellen mellom vinklene til vingene 28 med hensyn til fuglekroppen 30. Ettersom fuglekroppen 30 roterer og kraftaksen 48 kommer mer på linje med den ønskede totale kraften 46, blir "birden"s rullevinkel og "birden"s rullevinkelhastighet overvåket, skråvinkelen blir trinnvis redusert, og den felles vinkelen blir trinnvis økt inntil den midlertidige ønskede kraften 52 er i samme retning og av samme størrelse som den ønskede totale kraften. Det lokale kontrollsystemet 36 regulerer forsiktig skråvinkelen for å forsikre at streameren er stabil i rullegrad av frihet. Den kalkulerte felles vingevinkelen og skråvinkelen er også regulert av det lokale kontrollsystemet 36 for å forhindre vingene 28 fra å steile og for å forsikre at skråvinkelen blir prioritert.

Ved å bruke den typen "bird" beskrevet i vår publiserte PCT internasjonale søknad

nr. WO 98/28636, hvor "birden" 18 er fast tilknyttet og ikke kan rotere med hensyn på streameren 12, er det viktig for kontrollsystemet å ta hensyn til streamertvinning. Hvis dette ikke er tatt hensyn til, kan "birden" 18 bruke all tilgjengelig skråvinkel til å parere vridningen i streameren 12. "Birden" 18 vil da ikke kunne nå den ønskede rullevinkelen og den genererte kraften vil minke. Kontrollsystemet til oppfinnelsen innehar to funksjoner for å adressere denne situasjonen; anti-tvinne funksjonen og tvinne-opp funksjonen.

I anti-tvinnefunksjonen, er streamertvinningen estimert ved vektfunksjonsfiltrering av skråvinkelmålinger istedenfor å enkelt ta et gjennomsnitt av skråvinkelmålingene for å forbedre båndbredden til estimeringen. Anti-tvinnefunksjonen trer i kraft når den estimerte tvinningen har nådd en kritisk verdi og den setter tilside den normalt korteste veikontrollen til den beregnede rullevinkelen. Anti-tvinnefunksjonen tvinger "birden" 18 til å rotere i motsatt retning til rotasjonen ved å legge +/- 180° til den ønskede rullevinkelen. Med én gang tvinningen har blitt redusert til en akseptabel verdi, slås anti-tvinnefunksjonen av, og den normalt korteste veiberegningen blir fortsatt.

Tvinne-opp funksjonen blir implementert av det globale kontrollsystemet 22 som overvåker skråvinkelen til alle "birdene" 18 i hver streamer 12. Ved regelmessige intervaller eller når skråvinkelen har nådd en kritisk verdi, instruerer det globale kontrollsystemet 22 hvert lokalt kontrollsystem 36 å rotere hver "bird" 18 i den motsatte retningen til tvinningen. Antall omdreininger gjort av hver "bird" 18 blir overvåket, og tvinne-opp funksjonen blir slått av med én gang tvinningen har nådd et aksepterbart nivå.

Fig. 4 er et skjematisk diagram av arkitekturen til det lokale kontrollsystemet 36 for "birden" 18. Det lokale kontrollsystemet 36 består av en sentral prosessorenhet 54 som har EEPROM 56 og RAM 58 hukommelse, et inngangs/utgangs undersystem 60 som er koblet til et par motordrivere 62 og en analog til digital konverteringsenhet 66. Motordriverne 62 er knyttet til og aktiverer vingemotorene

34 til å produsere den ønskede endringen i orienteringen til vingene 28 med hensyn til fuglekroppen 30. Vingemotoren 34/vingeenhetene 28 er også forbundet til vingeposisjonsindikatorer 64 som føler den relative posisjonen til vingene, og skaffer målinger til analog til digital konverteringsenheten 66 som konverterer de analoge vingeposisjonsindikator 64 målingene til digitalt format, og overfører disse digitale verdiene til den sentrale prosessorenheten 54. Ulike typer vingeposisjonsindikatorer 64 kan bli brukt, omfattende resistive vinkel- eller forskyvningssensorer, induktive sensorer, kapasitive sensorer, hallsensorer, eller magnetorestrektive sensorer.

Et horisontalt akselerometer 68 og et vertikalt akselerometer 70, plassert rettvinklet med hensyn til hverandre, er også forbundet til analog til digital konverteringsenheten 66, og disse akselerometrene overfører målinger som tillater den sentrale prosessorenheten 54 å bestemme rullevinkelen og rullehastigheten til "birden" 18. En vinkelhastighetsvibrerende rategyro (rategyro) kan også bli brukt til å måle rullehastigheten til "birden" 18. En temperatursensor 72 er forbundet til analog til digital konverteringsenheten 66 for å gi temperaturmålinger som tillater kalibrering av det horisontale akselerometeret 68 og det vertikale akselerometeret 70.

En trykksensor 74 er også forbundet til analog til digital konverteringsenheten 66 for å gi målinger av vanntrykket ved "birden" 18 til den sentrale prosesseringsenheten 54. For å beregne en passende dybdeverdi, må de målte trykkverdiene bli filtrert for å begrense forstyrrelser fra bølgene. Dette er gjort i oppfinnelsens kontrollsystem med et vektfunksjonsfilter som unngår store faseforskyvninger forårsaket av middelverdifilteret. I stedet for å bruke en instantan dybdeverdi eller enkelt å beregne en gjennomsnitts dybdeverdi over en gitt tidsperiode (og derved inkorporere en stor faseforskyvning i dybde verdien), bruker oppfinnelsens kontrollsystem et differensielt vektet trykkfiltreringsskjema. Først blir trykkverdiene transformert til dybdeverdier ved å dele trykksensormålingene med sjøvannstettheten og gravitasjonsakselerasjon. Disse dybdeverdiene blir så filtrert ved å bruke et vektfunksjonsfilter. Typisk økende vektfunksjonsverdier er i området fra 0,96 til 0,90 (prøvevekter på 1,0, 0,9, 0,81, 0,729, etc.) og filteret vil typisk prosessere dybdeverdier mottatt over en periode på minst 100 sekunder.

Den sentrale prosessorenheten 54 er også forbundet til en RS485 kommunikasjonsenhet 76 som tillater utveksling av informasjon mellom det lokale kontrollsystemet 36 og det globale kontrollsystemet 22 over kommunikasjonslinjen 24 som løper gjennom streameren 12. RS485 bussen kan f.eks. bruke nevronbrikker som kommuniserer ved å bruke en Local Operating Network protokoll for å kontrollere dataoverføringen.

Fortrinnsvis omfatter den sentrale prosessorenheten 54 og tilknyttede komponenter en MicroChip 17C756 prosessor. Denne type mikroprosessor har svært lave effektbehov, en dual UART on-chip, 12-kanals, 10 bit ADC on-chip, 908x8 RAM, 16kxl6 ROM, og 50 digitale I/O-kanaler. Programvaren som kjører på den sentrale prosessorenheten 54 vil typisk bestå av to enheter, den lokale kontrollenheten og maskinvarekontrollenheten. Det er typisk ikke mulig å forhåndslaste begge disse programenhetene inn i EEPROM 56 og det er mulig å oppdatere disse programenhetene uten å måtte åpne "birden" 18. On-chip hukommelsen må derfor innledningsvis bare inneholde en boot-rutine som muliggjør nedlastingen av programvareenheter til den eksterne hukommelsen via RS485 kommunikasjons enheten 76. Den eksterne programhukommelsen (EEPROM 56) vil typisk bli en ikke-flyktig hukommelse slik at disse programenhetene ikke må bli gjeninnlastet etter hvert strømbrudd.

Den sentrale prosessorenheten 54 må kunne kjøre den lokale kontrollsystemprogramvaren raskt nok til å sikre samplingsfrekvensen som trengs for effektiv lokal "bird"kontroll. Dette kan f.eks. bety en samplingshastighet på 10 Hz, som kan være 10-100 ganger raskere enn samplingshastigheten til kommunikasjonene mellom det globale kontrollsystemet 22 og det lokale kontrollsystemet 36. Som diskutert over, vil den sentrale prosessorenheten 54 også motta data fra sensorer knyttet til "birden" 18. De følte verdiene omfatter "birden"s rullevinkel, "birden"s rullevinkelhastighet (rullerate), vingevinkelen og det statiske trykket til vannet. Disse verdiene blir typisk levert til den sentrale prosesseringsenheten 54 med en samplingsrate på minst 10 Hz. De følgende verdier kan bli levert fra det lokale kontrollsystemet 36 til det globale kontrollsystemet 22 ved å bruke RS485 kommunikasjonsenheten 76: den målte rullevinkelen, den målte rulleraten, de målte vingevinklene, det målte vanntrykket, den beregnede dybden og de beregnede vingekreftene.

Systemet har blitt designet med et redundant kommunikasjonssystem for å øke generell pålitelighet. "Birden" 18 vil typisk ha en backup kommunikasjonskanal, slik som ved å legge over et backup kontrollsignal på toppen av kraftlinjestrømmen. Denne backup kommunikasjonskanalen er særlig viktig fordi det i tilfellet av tap av kommunikasjon til "birden" 18 ikke vil være noen annen metode for å instruere "birden" 18 til å bringe streameren 12 til overflaten slik at det defekte kommunikasjonsdyret kan bli reparert eller erstattet.

I kontrast til tidligere streamer-posisjoneringsanordningskontrollsystemer, kan det foreliggende kontrollsystemet konvertere den ønskede horisontale kraften 42 og den ønskede vertikale kraften 44 til en ønsket rullevinkel 9 og en ønsket felles vingevinkel a ved deterministiske beregninger, heller enn å bruke en «inkrementell endring/målt respons/videre inkrementell endring basert på målt respons» type tilbakekoblingskontrollkrets. Den ønskede rullevinkelen 9 kan bli beregnet som diskutert i teksten som beskriver fig. 3 over. Størrelsen på kraften F overført av vingene 28 langs kraftaksen 48 kan f.eks. bli deterministisk beregnet ved å bruke følgende formel:

hvor:

p = vanntetthet

A = vingeareal

CL=vingeløftkoeffisient

a=felles vingevinkel

vt0w=tauehastighet

vCurrent<=>tverrstrømshastighet

En lignende deterministisk beregning kan bli gjort ved å bruke en beregnet koeffisient som inneholder tauehastigheten til "birden" 18. En forsterkningsfaktor GF, f.eks., kunne bli beregnet som følger:

som kunne bli enkelt multiplisert med cos(a)<2>for å estimere kraften som ville bli benyttet for en gitt felles vinkel.

Et av de fordelaktige elementene til oppfinnelsens kontrollsystem, er at den ønskede endringen i orienteringen til vingene 28 blir beregnet ved å bruke et estimat og hastigheten til "birden" 18, heller enn bare å stole på en tilbakekoblingsloop-type kontrollsystem, som opererer på samme måte uansett fartøyhastighet. Fordi kraften produsert av vingen 28 er proporsjonal til kvadratet av hastigheten til anordningen, kan en mye mer presis beregning av den ønskede endringen i vingeorienteringen bli gjort ved å bruke et estimat av anordningens hastighet.

Kontrollsystemet til oppfinnelsen er basert på delt ansvar mellom det globale kontrollsystemet 22 på det seismiske undersøkelsesfartøyet 10 og det lokale kontrollsystemet 36 på "birden" 18. Det globale kontrollsystemet 22 har som ansvarsområde å overvåke posisjonene til streamerne 12 og å gi ønsket kraft eller ønsket posisjonsinformasjon til det lokale kontrollsystemet 36. Det lokale kontrollsystemet 36 i hver "bird" 18 er ansvarlig for å justere vingeskråvinkelen for å rotere "birden" til den rette posisjonen og for å justere vingens felles vinkel for å produsere den nødvendige størrelsen på total ønsket kraft.

Oppfinnelsens kontrollsystem vil først og fremst operere i to forskjellige kontrollmoder: en fjærvinkelkontrollmode og en snukontrollmode. I fjærvinkelkontrollmoden prøver det globale kontrollsystem 22 å holde hver streamer på en rett linje forskjøvet i forhold til tauretningen ved en viss fjærvinkel. Fjærvinkelen kunne bli gitt enten manuelt ved bruk av et strømmeter eller ved bruk av en estimert verdi basert på gjennomsnittelige horisontale "bird"-kreftene. Bare når tverrstrømshastigheten er veldig liten, vil fjærvinkelen bli satt lik null og den ønskede streamerposisjonen vil være i presis opplinjering med taueretningen.

Svingkontrollmoden blir brukt når én gjennomgang er slutt og en annen begynner, ved en 3D seismisk undersøkelse, noen ganger henvist til som «linjeendring». Svingkontrollmoden består av to faser. I den første delen av svingen prøver hver fugl 18 å «kaste ut» streameren 12 ved å generere en kraft i motsatt retning av svingen. I den siste del av svingen blir "birdene" 18 ledet til å gå til posisjonen definert av fjærvinkelkontrollmoden. Ved å gjøre dette kan det oppnås en tettere sving og svingetiden til fartøyet og utstyret kan bli vesentlig redusert. Typisk vil nærliggende streamere bli dybdeseparert gjennom svingmoden for å unngå mulig sammenfiltring gjennom svingen, og vil bli returnert til en felles dybde så snart som mulig etter endt sving. Fartøyets navigasjonssystem vil typisk gi det globale kontrollsystemet 22 beskjed når det skal starte å kaste streamerne 12 ut og når det skal starte å rette opp streamerne.

Ved ekstreme værforhold, kan oppfinnelsens kontrollsystem også operere i en streamer-separasjonskontrollmode som prøver å minimalisere risikoen for sammenfiltring av streamere. I denne kontrollmoden prøver det globale kontrollsystemet 22 å maksimalisere avstand mellom nærliggende streamere. Streamerne 12 vil typisk bli separert i dybde og de ytterste streamerne vil bli posisjonert så langt som mulig fra hverandre. De indre streamerne vil så ha jevn avstand mellom disse ytterste streamere, dvs. hver "bird" 18 vil motta ønskede horisontale krefter 42 eller ønsket horisontal posisjonsinformasjon som vil lede "birdene" 18 til midtpunktposisjonen mellom sine nærliggende streamere.

Mens utførelsen av oppfinnelsens kontrollsystem beskrevet over er vist i forbindelse med en "bird"-type-streamerposisjoneringsanordning, vil det bli forstått at kontrollsystemmetoden og apparatet også kan bli brukt i forbindelse med streamerposisjoneringsanordninger som erkarakterisertsom «deflektorer» eller styrbare «halebøyer» fordi de er forbundet til enten frontenden eller den bakre enden til streameren 12.

Den foreliggende oppfinnelse omfatter ethvert nytt trekk eller nye kombinasjoner av trekk, enten eksplisitt eller implisitt.

Claims (34)

1. Fremgangsmåte omfattende: a) å taue et nettverk med streamere hvor hver har et flertall streamerposisjoneringsanordninger langs seg som bidrar til å styre streamerne, b) å styre streamerposisjoneringsanordningene med et kontrollsystem konfigurert til å operere i en eller flere kontrollmoder valgt blant en fjærvinkeknode, en svingkontrollmode, og en streamerseparasjonsmode.

2. Fremgangsmåte som i krav 2, karakterisert vedat kontrollmoden er fjærvinkelmoden, og styringen omfatter at kontrollsystemet prøver å holde hver av de nevnte streamere i en rett linje forskjøvet i forhold til taueretningen ved en viss fjærvinkel.

3. Fremgangsmåte som i krav 2, karakterisert vedat fjærvinkelen mates inn manuelt.

4. Fremgangsmåte som i krav 2, karakterisert vedå mate inn fjærvinkelen ved bruk av en estimert verdi basert på en gjennomsnitt av horisontale krefter på streamerposisjoneringsanordningene.

5. Fremgangsmåte som i krav 2, karakterisert vedat den omfatter å sette fjærvinkelen lik null når tverrstrømhastigheten er veldig liten og ønskede streamerposisjoner er opplinjert med taueretningen.

6. Fremgangsmåte som i krav 1, karakterisert vedat tauingen omfatter å avslutte en gjennomgang, å svinge et tauefartøy med streamerne festet til det mens streamerne kastes ut før en annen passering påbegynnes med kontrollmoden i svingkontrollmoden under svingen og utkastingen.

7. Fremgangsmåte som i krav 6, karakterisert vedat den omfatter å svinge under en 3D seismisk undersøkelse.

8. Fremgangsmåte som i krav 6, karakterisert vedat den omfatter å svinge under en linjebytte.

9. Fremgangsmåte som i krav 6 karakterisert vedat den omfatter å beordre hver streamerposisjoneringsanordning til å generere en kraft i motsatt retning av svingen, og deretter å beordre hver streamerposisjoneringsanordning til å forflytte seg til en posisjon definert av fjærvinkelkontrollmoden.

10. Fremgangsmåte som i krav 6, karakterisert vedat den omfatter å separere nærliggende streamere i dybde under svingemoden for å unngå mulig sammenfiltring under svingingen.

11. Fremgangsmåte som i krav 10, karakterisert vedat den omfatter å returnere nærliggende streamere til en felles dybde etter endt sving.

12. Fremgangsmåte som i krav 6, karakterisert vedat den omfatter å melde fra til kontrollsystemet, via et fartøysnavigasjonssystem når det skal starte å kaste ut streamerne og når det skal starte å rette opp streamerne.

13. Fremgangsmåte som i krav 1, karakterisert vedat kontrollmoden er streamerseparasjonsmoden og kontrollsystemet prøver å minimalisere risikoen for sammenfiltring av streamerne.

14. Fremgangsmåte som i krav 13, karakterisert vedat den omfatter at kontrollsystemet prøver å maksimalisere avstanden mellom nærliggende streamere.

15. Fremgangsmåte som i krav 13, karakterisert vedat den omfatter å dybdeseparere streamerne.

16. Fremgangsmåte som i krav 15, hvor nettverket med streamerne omfatter to streamere, og omfattende å posisjonere de to streamerne så lagt som mulig fra hverandre.

17. Fremgangsmåte som i krav 15, karakterisert vedat nettverket med streamere omfatter tre eller flere streamere, en streamer lengst til babord og en streamer lengst til styrbord og minst en indre streamer og omfattende å posisjonere streamerne lengst til babord og lengst til styrbord så lang som mulig fra hverandre.

18. Apparat omfattende: a) et nettverk med streamere hvor hver har et flertall streamerposisjoneringsanordninger langs seg; b) et kontrollsystem konfigurert til å bruke en kontrollmode valgt blant en fjærvinkelmode, en svingkontrollmode, og en streamerseparasjonsmode, og to eller flere av disse moder.

19. Apparat som i krav 18, karakterisert vedat kontrollmoden er fjærvinkelmoden, og styringen omfatter at kontrollsystemet prøver å holde hver av de nevnte streamere i en rett linje forskjøvet i forhold til taueretningen ved en viss fjærvinkel.

20. Apparat som i krav 19, karakterisert vedat fjærvinkelen mates inn manuelt.

21. Apparat som i krav 19, karakterisert vedå mate inn fjærvinkelen ved bruk av en estimert verdi basert på en gjennomsnitt av horisontale krefter på streamerposisjoneringsanordningene.

22. Apparat som i krav 19, karakterisert vedat det omfatter å sette fjærvinkelen lik null når tverrstrømhastigheten er veldig liten og ønskede streamerposisjoner er opplinjert med taueretningen.

23. Apparat som i krav 18, karakterisert vedat tauingen omfatter å avslutte en gjennomgang, å svinge et tauefartøy med streamerne festet til det mens streamerne kastes ut før en annen passering påbegynnes med kontrollmoden i svingkontrollmoden under svingen og utkastingen.

24. Apparat som i krav 23, karakterisert vedat det omfatter å svinge under en 3D seismisk undersøkelse.

25. Apparat som i krav 23, karakterisert vedat det omfatter å svinge under en linjebytte.

26. Apparat som i krav 23, karakterisert vedat det omfatter å beordre hver streamerposisjoneringsanordning til å generere en kraft i motsatt retning av svingen, og deretter å beordre hver streamerposisjoneringsanordning til å forflytte seg til en posisjon definert av fjærvinkelkontrollmoden.

27. Apparat som i krav 23, karakterisert vedat det omfatter å separere nærliggende streamere i dybde under svingemoden for å unngå mulig sammenfiltring under svingingen.

28. Apparat som i krav 27, karakterisert vedat det omfatter å returnere nærliggende streamere til en felles dybde etter endt sving.

29. Apparat som i krav 23, karakterisert vedat det omfatter å melde fra til kontrollsystemet, via et fartøysnavigasjonssystem når det skal starte å kaste ut streamerne og når det skal starte å rette opp streamerne.

30. Apparat som i krav 18, karakterisert vedat kontrollmoden er streamerseparasjonsmoden og kontrollsystemet prøver å minimalisere risikoen for sammenfiltring av streamerne.

31. Apparat som i krav 30, karakterisert vedat den omfatter at kontrollsystemet prøver å maksimalisere avstanden mellom nærliggende streamere.

32. Apparat som i krav 30, karakterisert vedat den omfatter å dybdeseparere streamerne.

33. Apparat som i krav 32, hvor nettverket med streamerne omfatter to streamere, og omfattende å posisjonere de to streamerne så lagt som mulig fra hverandre.

34. Apparat som i krav 32, karakterisert vedat nettverket med streamere omfatter tre eller flere streamere, en streamer lengst til babord og en streamer lengst til styrbord og minst en indre streamer og omfattende å posisjonere streamerne lengst til babord og lengst til styrbord så lang som mulig fra hverandre.