NO842463L - Undervanns-seismikkilde - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en seismikk-energikilde som benyttes for å tilveiebringe pulser eller sjokkbølger i et flytende medium så som vann. Mer særskilt vedrører oppfinnelsen en gassdrevet innretning hvis signatur og frekvensspektrum kan modifiseres relativt ;lett. Kilden har et lukket trykkluft-kammer hvis størrelse kan varieres uten at det er nødvendig å .trekke kilden opp av vannet.

Ved undersøkelser av havbunnsområder og andre områder under

en vannmasse, er det ønskelig å ha en energikilde for utsend-ing av lydpulser eller sjokkbølger i vannet. Fordi vannet er

en god lydleder vil det vanligvis ikke være nødvendig å tilveiebringe pulsene nær bunnen, og de kan derfor tilveiebringes nær vannflaten, en metodikk som også tilstrebes. Disse pulsene går ned gjennom vannet, tvers gjennom vann- bunngrensesjiktet, ned i de underjordiske geologiske formasjoner og blir i en viss grad reflektert tilbake til hydrofoner som er anordnet nær vannflaten. Analyser av de signaler som fremkommer i hydrofonene kan gi informasjon med hensyn til strukturen av de underjordiske geologiske formasjoner og eventuelle petroleum-forekomster i disse formasjoner.

Uttrykket "vann" som benyttet her skal innbefatte både sumpvarm, mer slamaktige masser, morass og alle andre væsker som inneholder tilstrekkelig vann til å muliggjøre en utøvelse av oppfinnelsen.

Det er mange måter å tilveiebringe en lydpuls i en væske. Eksempelvis kan det benyttes eksplosiver for introdusering av kraftige pulser i vannet, med tilhørende vesentlig penetrering av de underjordiske formasjoner. Bruk av. eksplosiver er be-heftet med visse ulemper: eksplosivene er farlige i hånd-tering, lagring og bruk. Når .eksplosiver benyttes i åpent

vann vil de drepe marint liv. I trangere farvann, eksempelvis

i havner, kan man ikke benytte eksplosiver i. det hele tatt. Eksplosiver er meget dyrere i bruk, pr. "skudd", enn gass-kanoner. Det er vanskelig å modifisere lydsignaturen til den

eksplosive kilde for oppnåelse av en akseptabel spektrumfor-deling.

En arnen metode for tilveiebringelse av en lydpuls er å utlade en rekke kapasiteter ved hjelp av en neddykket elektrode, for derved å tilveiebringe en raskt sammenfallende gassboble. Effektiviteten til denne metoden er imidlertid relativt liten, fordi bare noen få prosent av den energi som kapasiteten lades opp med, gjenfinnes i den sjokkbølge som tilveiebringes med utladningen.

Innretninger hvor det benyttes eksplosive gassblandinger, eksempelvis propan og oksygen, for frembringelse av lydpulser, har funnet et marked. Det er to hovedtyper av slike gass-kanoner, nemlig de som arbeider etter det prinsipp at en gass-blanding bringes til eksplosjon bak en fleksibel membran som i sin tur har kontakt med vannet, og de som arbeider ut fra dét prinsipp at en boble fra gasseksplosjonen tillates å gå direkte inn i vannet. Eksempler på disse to innretningstyper kan man finne i henholdsvis US-PS 3.658.149 og 4.193.472.

Luftkanoner, som benytter gasser/ under'-..høyt trykk isteden •for en eksplosiv blanding, har også funnet stor respons i markedet. Typiske utførelser av åpne trykkgasskanoner finnes i US-PS 3.653.460 og US-PS 4.141.431. Disse kanoner benytter to trykk-kamre, det vil si et kontrollkammer og et gasskammer som er avtettet innbyrdes ved hjelp av en sleideventil eller "skyttel". Kanonen avfyres ved at man foretar en plutselig frigjøring av luft fra kontrollkammeret... Gassen i gasskammeret vil presse ventillegemet inn i kontrollkammeret og derved frigjøre ut-løpsporter. Disse portene muliggjør at den i gasskammeret lagrede gass kan gå på eksplosiv måte ut i vannet. Kontrollkammeret trykksettes så igjen, hvorved ventillegemet skyves tilbake til den stilling i hvilken det avtetter gasskammeret. Kanonen er nå klar for ny "avfyring".

Patentpublikasjoner som viser ulike kanonutførelser av denne type er US-PS 3.653.460, 4.034.827, 4.219.097, 4.219.098, 4.225.009, 4.230.201, 4.246.979 og 4.271924.

Disse seismikkrkilder anordnes vanligvis på rekke og rad og slepes etter et fartøy. Bak fartøyet slepes også en kabel,

som kan ha en lengde på flere kilometer og som inneholder et stort antall hydrofoner. Selv om man i enkelte tilfeller kan benytte en enkelt seismikk-kilde, så vil det vanligvis benyttes mellom fire bg tolv: kilder. Kildene vil i det. utsatte mønster vanligvis ha ulike gasskammerdimensjoner, for derved å gi bedre signaler til hydrofonene. Kildekammérnes dimensjoner kan bestemmes ut i fra penetreringsdybden, materialet i havbunnen, eller ut i fra de detaljinformasjoner som ønskes.

I US-PS 3.653.460 og 4.219.098 diskuteres endringsmuligheter for .henholdsvis den effektive og den absolutte dimensjon av trykkgasskammerene for endring av de kjennetegnende verdier for de utsendte seismikk-pulser.

I US-PS 3.653.460 foreslås det å benytte et antall hylser inne

i kammeret, langs kammerveggen, for understøttelse av en sperreskive, slik at det derved dannes en bevegbar ende i kammeret. Det foreslås også bruk av en sperreskive med gjenger, på kanten, hvilke gjenger har inngrep med lignende gjenger i kammerets innervegg. Ved å dreie på skiven vil man kunne forstille den.

i kammeret for derved øke eller redusere det:effektive kammervolum. I begge tilfeller må man trekke gasskanonen opp av vannet for å endre kammervolumet.

I US-PS 4.219.098 foreslås det å benytte en klemme som mulig-gjør en lett utbytting av kammeret med et annet kammer med en annen størrelse. Dette arrangement synes.å være det mest vanlige i dag. Også ved en slik utførelse må gasskanonen trekkes opp av vannet når man ønsker å endre kammerstørrelsen.

Ifølge oppfinnelsen forskynes gasskanonen med et kammer hvis størrelse kan fjernstyres under utnyttelse av hydrauliske, elektriske eller elektrohydrauliske aktivatorer. Fortrinnsvis kan den nye innstillbare kammerutførelse erstatte kammeret i en innretning av den type som er vist og beskrevet i de to sistnevnte US-patentskrifter.

Den nye kammerutførelse har fordelaktig en hydraulisk servoventil som kan dreies ved hjelp.av en elektrisk trinnmotor,

idet det benyttes en mekanisk tilbakekobling fra en gjengeaksel for å styre bevegelsen til stempelet som utgjør den bevegbare kammerene. Servoventilen styrer mengden av høyttrykks-hydrau-likkf luiduirr som innføres på den ene siden av et slavestempel såvel som væske som trekkes ut fra den andre siden av slavestempelet. Slavestempelet sitter fortrinnsvis på samme aksel som kammerets bevegbare ende. Den elektriske trinnmotor kan styres i fra fartøyet. Som følge herav kan man endre volumet i luftkanonens kammer uten at det er nødvendig å trekke kilden opp fra vannet.

Oppfinnelsen muliggjør at man kan endre kildemønster- båndbredden ut at det er nødvendig å trekke kilden opp av vannet og ombord i fartøyet. Bruk av den nye kanon gjør det også mulig å nøye seg med et mer sparsomt utvalg av reserve/byttedeler for luftkanonene ..

På tegningene viser figur 1 et skjematisk riss av et fartøy,

som sleper kanoner og en hydrofon-kabel, figur 2 en idealisert gruppe av tid-amplitudeopptegninger som fremstiller signalene fra en kanonutlegging, figur 3A viser et snitt gjennom en fore-trukket utførelse av en luftkanon, med ventilen i avfyrings-stilling og med sylinderslaghodet i sin minimum-forskyvnings-stilling, figur 3B viser luftkanonen i figur 3A med ventilen i avfyrt stilling og med sylinderslaghodet i maksimal-forskyv-ningsstilling, mens figur 3C viser et detalj snitt av den servoventil,. som benyttes i figurene 3A og i 3B.

Figur 1 viser et typisk offshore-arrangement hvor det benyttes luftkanoner.

Et séismikk-fartøy 10 trekker fire luftkanoner 12 og en hydrofon-kabel 14. Kablen 14 kan være satt sammen av flere hule seksjoner som inneholder en olje for derved å gi kablen en tilnærmet nøyrtral oppdrift. Hver kabelseksjon vil vanligvis inneholde flere hydrofoner. Luftkanonene 12 er ikke selv-flytende, og de' holdes derfor oppe ved hjelp av bøyer 16.

De fire luftkanonene 12 kan ha ulike kammervolumer og avfyres samtidig. Trekkbølgene gjennom portene 18 i hver av luftkanonene vil gå ned gjennom vannet og ned i havbunnen 20. De vil reflekteres fra grensesnitt mellom to geologiske lag som har ulike tettheter, og vil gå tilbake og oppfanges av hydrofonene i kablen 14, med tilhørende opptegning ombord i far-tøyet 10.

Signalene som går fra hver av. kanonene er avbildet i figur 2. Kanonene avfyres samtidig ved t0. I dette tilfellet har kanon nr. 1. det største kammervolum, kanon nr. 2 har et mindre volum, kanon nr.' 3 har et mindre volum enn hr:.. 2, og kanon nr. 4 er den kanon som har det minste volum.

Hver/kanon.sender ut to distinkte signaler. Det første oppstår når trykkluften går ut i vannet. Denne puls er vist som et nedadrettet utslag 22. Pulsenergien som avgis i vannet er proporsjonal med det skraverte.området vist ved det første utslag 22. Kanonen, tilveiebringer en sekundær puls 24 som oppstår når boblen klapper sammen. Kildefrekvensen er lik den inverse verdi av tiden mellom den første puls 22 og boble-pulsen 24. Når disse signaler summeres vil forskjellen mellom de fire pulsene 22 og sekundær ,.pulsene 24 være betydelig. I realiteten vil det være vanskelig å skille ut sekundær pulsene 24 fra annen bakgrunnsstøy. Kanonene er dimensjonert ulikt ikke bare for å tillate en sekvensmottagelse av sekundær pulsene, men også for å muliggjøre en god oppløsing av små underjordiske karakteristika ved hjelp av kanonen 4, og dyppenetre-ring ved hjelp av den kraftigere lavfrekvens-kanon 1.

Figur 3A viser den nye kanon, som. kan benyttes som en av kanonene 1 til 4 i figurene 1 og 2. Luftkanonen består av to hoveddeler. Den første del, som befinner seg til venstre for klemmen 26 i figur 3A, er kontroll- og portdelen 28. Den andre delen,-'-til høyre for klemmen 26, er kammerdelen 30.

Kontrolldelen 28 kan ha konvensjonell oppbygging og kan ligne en av de komponenter. som er diskutert foran:, i forbindelse med teknikkens stand. Høytrykksluft, med et trykk på fra 14 til 250 kg pr. cm 2, mates inn i luftkanonen gjennom en høytrykks-ledning 32 og inn i kontrollkammeret 34 og derfra gjennom en aksial passasje 36 i ventilen 38 inn i det varierbare kammer .40.

Ventilen 38 har. et første stempel 42 som ligger an mot en tetning 44, eksempelvis en O-ring, hvilken tetning kan holde trykkgassen i kontrollkammeret 34. Ventilen 38 har ved sin andre ende et andre stempel 46 som samvirker med en tetning 48 for å holde trykket til gassen i kammeret 40. Gasstrykket i kontrollkammeret 34 virker mot stempelet 42 og tjener derved også til å holde stempelet 46 mot tetning 48.

Når luftkanonen tilføres et elektrisk signal til solenoidventilen 50 vil solenoidventilen 50 raskt åpne seg å tillate at trykkgassen i kammeret 34 går gjennom en passasje 52 og videre gjennom en'passasje 54 som går til den flaten av stempelet 42 som vender-', f ra kontrollkammeret 34. Kraften til gassen i kontrollkammeret 34 vil derfor forskyves og trykkgassen i kammeret 40 vil presse-ventilen 38 inn i kontrollkammeret 34. Derved oppnås portene 18, slik at trykkgassen i kammeret 40 kan gå ut i det omgivende vann. Ventilen 38 er i figur 3B vist i den avfyrte stilling. Porten 18 er åpen slik at det er fri forbindelse mellom kammeret 40 og det omgivende vann.

For bringe ventilen 38 tilbaken til den figur 3A viste stilling lukkes solenoidventilen 50. Derved stenges forbindelsen mellom passasjene 52 og 54. Høytrykksluft i ledningen 32 vil nå virke på det første stempel 42 og bringe ventilen 38 tilbake til den i figur 3A viste stilling. Så snart kontrollkammeret 34

og kammeret 40 er trykksatt vil kanonen igjen være klar for avfyring.

Kontroll-portdelen 28 kan være fremstilt som i en enkel støpe-del 56 og kan holdes til huset 58 ved hjelp av klemmen. 26.

I den andre hoveddelen av seismikk-kilden, altså kammerdelen 30, kan volumet til kammeret 40 endres ved hjelp av et stempel 60. Stempelet 60 er i figur 3'A vist i en stilling som gir en minimum-forskyvning i kammeret 40. I figur 3B er stempelet 60 vist i en stilling som gir maksimal-forskyvning i kammeret 40. Stempelet 60 har i den enden som vender fra kammeret 40 et dobbeltvirkende hydraulisk stempel 62. I stempelet 60 er et lite hull 61 som gjør det mulig for fluidum bak stempelhodet å passere under bevegelsen av. stempelet.. Stempelet 62 er omgitt av to hydrauliske volum 64 og 66. En hydraulisk styreenhet 67 muliggjør en endring av volumet av høytrykk^hydraulikkfluidum mellom volumene 64 og 66, for derved å kunne bevege stempelet 60 frem og tilbake med tilsvarende innstilling av volumet i kammeret 40. Stempelet 66 er her for-skynt med.en tilbakemeldingsinnretning som består av en kule-skrue 68 som er festet, til stempelet 60, og en skrue 70 som roterer i kuleskruen 68 når stempelet 60 beveges frem og tilbake. En stang 72 hindrer at stempelet 60 roterer, i huset .58. Den hydrauliske styreenhet 67 kan hensiktsmessig være av den type som finnes beskrevet i.US-PS 3.695.295. Denne hydrauliske styreenhet 67 benytter en trinnmotor 74., Trinnmotoren 74, som beveger seg i små dreietrinn, eksempelvis en grad, gir en bevegelse til akselen 76. Akselen 76, -som er vist mer i detalj i figur 3C, er forbundet med en begerformet del 78. Begeret 78 inneholder en tapp 80 som har glidbart inngrep i

et spor 82 i en ventilsleide 84. Akselen 76 kan være opplagret i lageret 84. Sporet 82 er skåret på en slik måte at når tappen 80 glir i sporet vil ventilsleiden bevege seg lineært. På denne måten vil rotasjonsbevegelsen til trinnmotoren 74

omdannes til. en aksialbevegelse for ventilspolen 84. Hydraulisk høytrykksfluidum gjennom ledningen 86 går inn.passasjen 88 eller 90, alt avhengig av ventilsleidens aksialbevegelse. Beveges ventilsleiden 84 mot høyre i figur 3C så vil høytrykks-fluidet gå gjennom ledningen 86, forbi ventilsleiden og inn i passasjen 90 og inn i volumet.64. Tilsvarende vil hydraulisk fluidum i:\volumet 66 gå ut. gjennom passasjen 88, forbi ventilsleiden 84 og inn i returledningen 92. Bevegelsen av stempelet 60 vil. bevirke, av skruen 70 dreier seg i. kuleskruen 78, med tilhørende dreiebevegelse av.flensen 94 på enden av skruen. Flensen 94 har et gjennomgående hull 96. Hullet 96 samvirker med den tapp 98 som er montert på en rotor 100. Rotoren 100 er festet til ventilsleiden 84.. Når skruen 70 dréier seg og derved også flensen 94 og rotoren 100 dreier seg, vri ventilsleiden 84 dreies og beveges aksialt i boringen 102. Som følge av forholdet mellom tappen 80 go sporet 82 vil ventilsleiden således få en tendens til å gå tilbake til sin utgangs- eller balanserte stilling.

Andre metoder og innretninger som egner seg for bevegelse av et stempel så som stempelet 60, frem og tilbake i en sylinder, er velkjent fra før. Den hydrauliske styreinnretning 67 er ikke nødvendig. Det er kjent andre midler som fagmannen kan gripe til.

Claims (13)

1. Undervanns-seismikkilde innbefattende et hus mere ét gasslagerkammer, en ventil for holding av komprimert gass i gasslagerkammeret, og minst en utløpsport for utslipping av komprimert, gass fra gasslagerkammeret,karakterisertved et stempel 60 som er glidbart og fikserbart anordnet i gasslagerkammeret 40 og er forbundet med en hydraulisk aktiva-tor 62 hvormed volumet i gasslagerkammeret 40 kan varieres.

2. Undervanns-seismikkilde,karakterisert vedat den. innbefatter et hus med minst en utløpsport 18, et gasslagerkammer 40 med fjernstyrt varierbart. volum for lagring av komprimert luft, og med en ventil 36 som innbefatteret første stempel 46 beregnet for å stenge gasslagerkammeret 40, og midler for bevegelse av ventilen for derved å åpne gasslagerkammeret å.frigjøre komprimert luft fra gasslagerkammeret gjennom den nevnte i det minste ene utløpsport 18, for derved å tilveiebringe en seismikk-puls.

3. Undervanns-kilde ifølge krav 2,karakterisertved at huset også.innbefatter et kontrollkammer 34 og at ventilen 36 også innbefatter et kontrollstempel 42 for lukking av kontrollkammeret når det nevnte første stempel 46 lukker gasslagerkammeret 40.

4. Undervanns-kilde ifølge krav 3, k a r al.k terisert ved en første lufttilførsel for gasslagerkammeret.

5. Undervanns-kilde ifølge krav 3,karakterisertved en andre lufttilførsel som styres av en aktivatoranordning for tilføring av luft til kontrollstempelet for derved å bevége ventilen og virke som middel for bevegelse av ventilen.

6. Undervanns-kilde ifølge krav 5,karakterisertved at aktivéringsanordningen innbefatter et solenoid 50.

7. Undervanns-seismikkilde,karakterisertved at den innbefatter et hus med minst en utløpsport, et i hovedsak sylindrisk gasslagerkammer med et fikserbart og glidbart stempel deri, slik at volumet i kammeret kan varieres ved glidebevegelse av stempelet, et kontrollkammer, og med en ventil som har et første stempel for lukking av kontrollkammeret og et andre stempel for lukking av gasslagerkammeret, idet de:.nevnte første og andre stempler er i hovedsaken para-llelle med hverandre og plassert i.motsatte ender av en ventilaksel med en gjennomgående passasje, samt. ved en første luft-tilførselsanordning for tilveiebringelse av komprimert luft i gasslagerkammeret gjennom kontrollkammeret. og ventilåkselpass-asjen, og en andre lufttilføringsanordning som styres av en aktivatoranordning for tilføring av luft til det nevnte første stempel for derved, å bevirke at ventilen beveger seg og åpner gasslagerkammeret, med frigjøring av komprimert luft gjennom den nevnte i det minste ene utløpsport, hvorved det tilveiebringes en seismikk-puls.

8. Undervanns-kilde ifølge krav 7,karakterisertved at aktiveringsanordningen innbefatter et solenoid.

9. Undervanns-seismikkilde,karakterisert vedat den innbefatter et hus med minst en utløpsport, et i hovedsaken sylindrisk gasslagerkammer med et fiskerbart glidbart stempel deri slik at lagervolumet kan endres, hvilket stempel er ved hjelp av en stempelstang festet til et dobbelvirkende hydraulisk stempel som er: plassert mellom to hydrauliske volumer i forbindelse med en hydraulisk styreanordning, hvilken hydraulisk, styreanordning kan variere:.mengden av et hydraulisk fluidum i de to hydrauliske volumer, bevege det hydrauliske stempel og derved bevege stempelstangen og det glidbare stempel for endring av gasskammervolumet, et kontrollkammer, og en ventil som innbefatter et første stempel for lukking av kontrollkammeret og et andre stempel for lukking av gasslagerkammeret,. idet de nevnte første og andre stempler:.er anordnet i hovedsaken parallelt med hverandre i motsatte ender av en ventilaksel som har en gjennomgående passasje, en.første lufttilførselsanordning for tilveiebringelse av komprimert luft i gasslagerkammeret gjennom kontrollkammeret og den nevnte ventilakselpassasje, og en andre lufttilførselsanordning som styres av aktiveringsanordningen for'tilføring av luft til det nevnte første stempel for derved å bevirke at ventilen beveger seg og åpner gasslagerkammeret med frigjøring av komprimert luft gjennom den nevnte i det-minste ene utløpsport, hvorved det^tilveiebringes en seismikk-puls.

10. Undervanns-kilde ifølge krav 9,karakterisertved at den hydrauliske styreanordning er en hydraulisk servoventil.

11. Undervanns-kilde ifølge krav 10,karakterisertved at den hydrauliske styreanordning har mekanisk tilbakekobling til det dobbeltvirkende hydrauliske stempel.

12. Undervanns-kilde ifølge krav 11, k a r a ,k ,.t e r i sert ved at den mekaniske tilbakekobling innbefatter en kule-skrue som er festet til det dobbeltvirkende hydrauliske stempel, og en skrue inne i kuleskruen, hvilken skrue styrer tilbake-meldingen til servoventilen.

13. Undervanns-kilde ifølge krav 11,karakterisertved at servoventilen styres direkte av en trinnmotor.