DE3149163A1

DE3149163A1 - Einrichtung und verfahren zum orten eines seismischen streamers

Info

Publication number: DE3149163A1
Application number: DE19813149163
Authority: DE
Inventors: F. Alex 92621 Brea Calif. Roberts
Original assignee: Chevron Research and Technology Co; Chevron Research Co
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 1980-12-10
Filing date: 1981-12-08
Publication date: 1982-08-05
Also published as: DK158413B; GB2089042B; JPH0235954B2; NO155362C; YU45154B; YU192283A; YU289281A; NL8105494A; ES507852A0; IT1139932B; DE3149163C2; NO155362B; AU546727B2; DK545481A; AU7841681A; NO814198L; BR8107972A; DK158413C; ES8301368A1; US4376301A

Description

Hamburg, 1. Dezember 198.1 250681

Priorität; 10. Dezember 1980 U.S.A. Pat.Anm.Nr. 215

Anmelder:

Chevron Research Company

525 Market Street

San Francisco, CaI. 94105

U.S.A.

Einrichtung und Verfahren zum Orten eines seismischen Streamers

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der marinen-seismischen Aufschlußarbeiten. Insbesondere betrifft die Erfindung Mittel und Verfahren zur genauen Bestimmung der Lage eines geschleppten marine-seismischen Streamers.

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Bsi marinen-seismischen Aufschlußarbeiten schleppt ein Fleßschiff einen seismischen Streamer, der eine Mehrzahl von druckempfindlichen Detektoren aufueist, die allgemein als Hydrophone bezeichnet uerden. Eine Quelle seismischer Energie, uie ein Luftpulser oder eine Sprengstoffladung, uird benutzt, um Druckwellen durch das Wasser hindurch in den Bereich unter dem Meeresboden auszusenden.· Ein Teil der Energie uird durch unter dem Meeresboden liegende gealogische Diskontinuitäten reflektiert und nachfolgend durch die Hydrophone als Druckschuankungen in dem umgebenden Wasser wahrgenommen. Die mechanische Energie dieser Druckschuankungen uird durch die Hydrophone in ein elektrisches Signal umgesetzt und durch den Streamer hindurch nach der Aufzeichnungsapparatur an Bord des Schiffes übertragen. Die aufgenommenen Daten können dann durch die Fachleute interpretiert uerden, die daraus Informationen über die untsrmee.rischen, geologischen Formationen ableiten.

Für eine sinnvolle Interpretation der Signale ist es erforderlich, den genauen Ort der einzelnen Hydrophone zu der Zeit zu kennen, in der die Druckwellen aufgenommen uorden sind. Da das Schiff sich fortlaufend beuegt und der Streamer über tausende von Fuß (1 Fuß = 0,3 m) sich hinter dem Schiff erstreckt, ist eine genaue Ortsbestimmung der Hydrophone schwierig.

Für die Ortsbestimmung eines Schiffes sind bereits die verschiedensten Systeme entuickelt uorden, die dazu genaue Informationen liefern; ein Streamer läuft aber selten in Kiellinie des Schiffes. Der Streamer ist zuar an das Heck des Schiffes angeschlossen, die Masse des Streamers liegt jedoch unter der Wasseroberfläche untergetaucht aufgrund der Wirkung von Tiefensteuerungen, die entlang

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dem Streamer angeordnet sind. Aufgrund dessen kann die Ga ^huindigkait dar Querversetzungsströmung in der Tiefe des Streamers von der Querversetzung, die das Schiff beeinflußt abweichen, so daß der Streamer mit einem Winkel zum Kurs des Schiffes läuft. Weitere Faktoren, die hier nicht aufgeführt zu werden brauchen, können ebenfalls eine Abweichung des Streamarueges von dem des Schiffes hervorrufen.

Ein bekanntes Verfahren zur Ortsbestimmung eines Streamers arbeitet mit der zusätzlichen Anordnung eines Radarreflektors als Schwanzboje am Ende des Streamers. An Bord befindliche Radarsysteme können dann unter günstigen Seebadingungen benutzt uerden, um das Ende des Streamers zu finden und den Ort der einzelnen Hydrophone zu interpolieren. Derartige Systeme sind jedoch im allgemeinen nicht zuverlässig und die erforderlichen Daten können mit Ungenauigkeiten behaftet sein.

Ein zweites bekanntes Verfahren arbeitet mit einer sehr empfindlichen und teuren Einrichtung zur Messung des Seiten- und des Neigungswinkels des am Schiff anschließenden Streamerendes. Diese Daten in Verbindung mit Magnetkompaß-Anzeigen, die entlang dem Streamer aufgenommen worden sind, und der bekannten Tiefe des Streamers erlauben eine empirische Berechnung der Hydrophonorte.

Im üblichen Betrieb fährt das Schiff mit e^iner Geschwindigkeit von etwa 3 m/s, wobei etwa alle 10 s eine seismische Erregung erzeugt wird. Die untere Grenze für das Zeitintervall zwischen den seismischen Erregungen wird durch die Zeit bestimmt, die für die Zerstreuung aller reflektierter seismischen Wellen erforderlich ist. Insbesondere werden bei Benutzung eines Luftpulsers in Intervallen von weniger als 4 s die Schallwellen nicht ausreichend zerstreut, so daß die aufgenommenen Daten wegen

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des reflektierten Geräusches nur schwer oder gar nicht ausgewertet uerden können. Daher führt die Verwendung eines Luftpulsers in Verbindung mit den Hydrophonen zur Entfernungsbestimmung zu Schwierigkeiten und gestattet keine genaue Ortung der Hydrophone.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Einrichtung und eines Verfahrens, um mit akustischen Mitteln den Ort eines υοη einem Meßschiff geschleppten marinen Streamers zu bestimmen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Einrichtung gemäß Anspruch 1 geschaffen. Ein Verfahren nach der Erfindung ist durch den Anspruch 7 bestimmt.

Im einzelnen betrifft die Erfindung eine Einrichtung, mit der der Ort eines hinter einem Meßschiff geschleppten marinen Streamers bestimmt uerden kann und zu der eine akustische Quelle gehört, die außenbords vom Heck des Schiffes unter der Wasserfläche angeordnet ist und hochfrequente Schallpulse kurzer Dauer aufgrund eines äußeren Befehls aussenden kann. Eine Mehrzahl υοη Hydrophonen ist im Streamer untergebracht und kann Pulse υοη der akustischen Quelle aufnehmen und in Abhängigkeit αβυοη Signale durch gesonderte Kanäle im Streamer übertragen. Um eine redundante Meßkapazität zu schaffen, uerden durch eine υο^βυ^η^θ Anzahl υοη Hydrophonsignalen jeweils zusätzliche Pulse der akustischen Quelle ausgelöst. Eine Messung der Zeit, die υοη einem ersten, mit äußerer Auslösung erzeugten Puls bis zum Empfang des letzten, durch ein Hydrophon erzeugten, υο^ββΐϊΓππιΐΒη Signal υβΓβ^Ιοηβη ist, gestattet eine genaue Bestimmung der Entfernung.

Vorzugsweise uerden zwei akustische Quellen getrennt und außenbords vom Heck des Schiffes angeordnet, so daß sie hochfrequente Schallpulse emittieren können. Die zwei Quellen können in uerschiedenen Zeitabschnitten zur Er-

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-Bevon auf den Ort der Hydrophone bezüglicher Daten benutzt werden, oder sie können mit verschieden frequenten Pulsen arbeiten, die von den Hydrophonen unterschieden uerden, so daß aufgrund dessen verschiedene Signale zum Schiff zurückgegeben uerden.

Vorzugsweise uerden auch die Rücksignale von den Hydrophonen benutzt, um die Amplitude der akustischen Quellenpulse einzustellen, so daß die für die Übertragung benötigte Energie und damit auch der Nachhall auf ein Minimum gebracht uerden.

Die Frequenz der Schallpulse sind vorzugsweise im Bereich zwischen 3,5 und 250 kHz, und die Pulse sollen gewöhnlich eine Dauer haben, die im Bereich der für eine einzelne bis etwa für 20 Schwingungen benötigten Zeit liegt.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden alle Hydrophon-Kanäle gleichzeitig aufgenommen, und die akustische Quelle wird für die Erzeugung zusätzlicher Pulse jeweils nur dann ausgelöst, nachdem das Signal empfangen worden ist, das nach Anregung durch den vorhergehenden Puls von dem letzten oder weitest abgelegenen Hydrophon des Streamers stammt.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in denen die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen von einem Schiff geschleppten marinen Streamer und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer für die Erfindung benutzten Einrichtung.

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Fig. 1 zeigt sch8matisch in Draufsicht ein Meßschiff 10, das einen marinen-seismischen Streamer 14 schleppt. Der Kurs des Schiffes ist durch die gestrichelte Linie 12 angegeben und der Streamer 14 läuft im Bogen nach der einen Seite. Mehrere Tiefensteuerungan 16 üblicher Bauart halten die Masse des Streamers auf einer Tiefe von angenähert 5 bis 10 m unter der Meeresoberfläche. Eine Schuanzboje 18 ist am nachlaufenden Ende das Streamers . 14 befestigt und hält das Ende des Streamers an der Oberfläche. Eine Mehrzahl von Hydrophonen 20 sind über die Länge des Streamers verteilt zwecks Aufnahme von Druckschuankungen und der Übertragung von dem Empfang dieser Schwankungen anzeigenden Signale entlang dem Streamer nach der Aufzeichnungsapparatur an Bord des Schiffes. Zusätzlich enthält der Streamer 24 mehrere Tiefensensoren 22 und Magnetkompasse 24, die zur Gewinnung von Information über die Tiefe und Ausrichtung des Streamers an den Orten dieser Instrumente abgefragt werden können.

Ein Luftpulser 26 ist außenbords am Hack das Schiffes 10 angeordnet. Bei einem üblichen Luftpulsar wird auf einen Druck im Bereich von 34 bis 550 at komprimierte Luft plötzlich aus einer Tauchkammer in einer Zeitspanne von wenigen Millisekunden freigesetzt, um einen akustischen Impuls zu erzeugen.

Ein Paar hochfrequenter akustischer Quellen 28 und 30 ist außenbords vom Schiffsheck angeordnet. Dia Quellen liegen in einer Strecke von etwa 20 bis 40 m auseinander. Die Quellen 28 und 30 erzeugen hochfrequente Pulse kurzer Dauer, die durch die Hydrophone 20 aufgenommen warden. Nach Empfang der Pulse emittieren die Hydrophone ein Signal, das entlang dem Streamer auf das Schiff übertragen wird,. Die Übertraganden Hydrophonsignala werden

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benutzt, um zusätzliche Pulse der Quellen 28 und 30 in aine~ gesteuerten Schuingungsschleife auszulösen. Eine Messung der für eine gegebene Zahl von Schwingungen benötigten Zeit ermöglicht redundante, genaue Berechnungen der Strecken bis zu den Hydrophonen, uiobei die Geschwindigkeit der Pulse in Wasser gegeben ist. Aufgrund der berechneten Entfernungen können die Orte der Hydrophone genau in Verbindung mit den Tiefendaten bestimmt werden,-die durch Abfragung der Sensoren 22 erzielt worden sind.

Fig. 2 veranschaulicht in Blockform eine Funktionsschaltung, die benutzt werden kann, um den vorstehend erläuterten Zweck der Entfernungsfindung zu erfüllen. Gemäß Fig. 2 wird eine akustische Quelle 100 zur Auslösung eines Pulses hoher Frequenz und kurzer Dauer über einen äußeren Starter 110 und einen Trigger 120 getriggert. Der Puls liegt vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 100 kHz; besonders bevorzugt ist der Bereich von 3 bis 10 kHz. Die Pulslänge geht vorzugsweise von einer Einzelschwingung bis 20 Schwingungen. Es können auch längere Pulse benutzt werden, die jedoch keinen zusätzlichen Worteil bringen. Die akustische Quelle kann piezoelektrischer ferroelektrischer oder elektromagnetischer Art sein. Vorzugsweise weist die Quelle eine piezoelektrische oder ferroelektrisch^ Einrichtung mit einem akustischen Schmalbündelstrahler auf, der in der allgemeinen Richtung des Streamers ausgerichtet ist. Derartige Einheiten sind im Handel erhältlich und haben eine Frequenz im Bereich von 2 bis 8 kHz und können Einheitsschwingungspulse erzeugen.

Uie erwähnt, sind die akustischen Quellen vorzugsweise außenbords am Heck des Meßschiffes angeordnet und liegen etwa 20 bis 40 m zum Zweck der Triangulation auseinander.

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Der Puls der akustischen Quelle 1QO läuft durch das Uasser mit einer Geschwindigkeit von etwa 1500 m/s und trifft auf das Streamer-Hydrophon 130. Die Hydrophone uie das Hydrophon 130 liegen entlang dem Streamer in Abständen von 100 bis 500 m und vorzugsweise in Abständen von 400 m verteilt. Bei Wahrnehmung des Pulses antwortet das Hydrophon und überträgt durch den Streamer ein Signal nach dem Schiff. Diese Signale werden gewöhnlich entlang gesonderten elektrischen Leitern übertragen, die zu jedem Hydrophon hinführen. Die von dem Hydrophon übertragenen Signale gehen durch ein Gatter 140, das alle Signale sperrt, mit Ausnahme derjenigen, die während der vorgewählten Zeitintervalle erwartet werden. Da die angenäherten Entfernungen zwischen den akustischen Quellen und den einzelnen Hydrophonen aus den Abständen der Hydrophone entlang dem Streamer bekannt sind, kann auch das angenäherte Zeit-"Fenster" für den Empfang der Signale von den einzelnen Hydrophonen bestimmt werden. Das Gatter 140 dient daher zur Abblockung von Scheinsignalen, die durch Reflexionen an der Wasseroberfläche und dem Ozeanboden erzeugt worden sind.

Da der Zweck der Erfindung die redundante Bestimmung des Ortes jedes Hydrophons entlang dem Streamer durch ein im Ring herumlaufendes Rückkopplungssystem ist, muß die akustische Quelle einen Puls nach Empfang eines eintreffenden Hydrophonsignales auslösen. Um die Erzeugung von verwirrenden Hydrophonsignalen zu verhindern, werden die Hydrophone vorzugsweise in Reihenfolge über Einzelkanäle abgehört.

Die Signale, die durch das Gatter 140 laufen, werden in der Einheit 150 verstärkt und geformt. Die geformten Signale werden parallel durch ein Zeitüberwachtes Zähl-

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werk 160 und eine Verstärkungsregelung 170 gegeben. Die Varstärkungsregelungs-Einheit stellt selbsttätig die Übertragungsenergie der akustischen Quelle 100 in Abhängigkeit von der Stärke der Signale vom Verstärker 150 ein, um den Energieverbrauch auf ein Minimum zu bringen. Das zsitüberwachte Zählwerk 160 zählt die Anzahl der Rückkopplungssignale, die von dem gewählten Hydrophon aus- ■ gehen und nimmt die Dauer der Zeitspanne auf, die für aine voreingestellte Anzahl von Uiederholungssignalen benötigt wird.

Da die einzig wichtige Zeitspanne die Zeit ist, die für den Durchgang des akustischen Pulses durch das Wasser erforderlich ist, kann diese Zeit mit Uiaderholungen gemessen und der Durchschnittswert bestimmt werden, um die Entfernung genau zu bestimmen.

Für das selbsttätige, erneute Triggern eines akustischen Pulses durch den Trigger 120 aufgrund der durch das Zählwerk 160 gehenden Signale ist eina entsprechende Schaltung vorgesehen. Nachdem aine vorbastimmte Anzahl von Signalen, vorzugsweise sechs, empfangen worden ist, wird das Zählwerk auf Null zurückgestellt, um den Beginn zusätzlicher Entfernungsbestimmungs-Vorgänge für nachfolgende Hydrophone durch die äußere Startvorrichtung 110 abzuwarten.

Obwohl Fig. 2 nur aine einzelne akustische Quelle darstellt, wird vorzugsweise ein Paar Quellen benutzt, so daß unabhängige Entfernungsbestimmungen durch Triangulation errechnet und die Hydrophonorta mit entweder der Kenntnis der Tiefe oder den entsprechenden Kompaß-Richtungen genau bestimmt werden können.

Falls zwei akustische Quellen verwendet werden, sollten

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sie abwechselnd benutzt werden, um störende Quersignale zu verhindern, oder sie sollten mit verschiedenen Ausgangsfrequenzen arbeiten, so daß unterscheidbare Signale von den Hydrophonen erzeugt uerden können.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform uerden alle von den Hydrophonen kommenden Kanäle gleichzeitig überwacht und die Empfangszeit der Hydrophonsignale wird einzeln aufgenommen. Die akustische Quelle wird jedoch zur Erzeugung eines nachfolgenden Pulses nur nach Empfang des Hydrophonsignals getriggert, das von dem letzten oder weitest abgelegenen Hydrophon im Streamer abgegeben worden ist.

Ansprüche

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Leerseite

Claims

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Ans ρ r ü c h e

.J Einrichtung zur Verwendung bei der Bestimmung des Ortes eines hinter einem Schiff geschleppten marinen Streamers, der in gleichmäßigen Abständen Hydrophone enthält, gekennzeichnet durch

eine akustische Quelle (28; 100), die außenbords am Heck des Schiffes (10) unter der Uasseroberflache angeordnet ist, zur Erzeugung hochfrequenter Schallpulse kurzer Dauer,

externe Mittel (110) zur Veranlassung der Quelle zur Erzeugung eines Pulses,

in den Streamer (14) angeordnete Hydrophone (20) zum Empfang der Pulse und zu einer dadurch ausgelösten Übertragung eines Signals durch gesonderte Kanäle im Streamer,

Mittel (140) zur Überwachung des gesonderten Kanals eines ausgewählten Hydrophons (20) und zur Blockierung der Signale, die durch den Kanal während jeder Zeitabschnitte übertragen werden, in der keine Nutzsignale erwartet werden,

auf die nicht blockierten, übertragenen Hydrophonsignale, die durch den Kanal hindurchlaufen, ansprechende Trigger-Mittel zur Veranlassung der akustischen Quelle zur Erzeugung eines Pulses und

Mittel (160) zur Zählung der Anzahl nicht blockierter Signale, die von einem ausgewählten Hydrophon übertragen werden und zum Unterbrechen der Erzeugung der Pulse, nachdem eine vorbestimmte Anzahl von Signalen für das ausgewählte Hydrophon gezählt worden ist, und zum Messen der Zeit, die von dem ersten, extern verursachten Puls bis zum Empfang des letzten Signals vom ausgewählten Hydrophon vergangen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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daß eins erste und eine zueite akustische Quelle (28, 30) getrennt voneinander außenbords am Heck des Schiffes (1O) unter der Uasserfläche angeordnet sind, und daß eine Vorrichtung die zueite Quelle zur Erzeugung eines Pulses anregt, nachdem die erste Quelle die Übertragung von Pulsen für ein bestimmtes Hydrophon beendet hat, uobei eine Triggervorrichtung, die auf die übertragenen Signale anspricht, die Pulserzeugung der' zueiten akustischen Quelle auslöst, und uobei ein Zähluerk die durch die akustischen Pulse der zueiten Quelle von einem Hydrophon übertragenen Signale entsprechend aufnimmt und die Zeit vom ersten, durch die zueite Quelle erzeugten Puls bis zum Empfang des letzten ausgeuählten Hydrophonsignals mißt.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zueite Quelle (30) akustische Signale erzeugt, die von denen der ersten Quelle unterscheidbar sind.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur gleichzeitigen Überuachung der Kanäle von allen Hydrophonen (20) und zum Messen der Zeit, die von der Auslösung des akustischen Pulses bis zum Empfang jedes Hydrophonsignales vergangen ist.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (170) zur selbsttätigen Begrenzung der Amplitude der von einer akustischen Quelle (28, 30) ausgesandten Pulse mit Bezug auf die Empfangsempfindlichkeit der Hydrophone (20).
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Schall-

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pulse einer akustischen Quelle (28, 30) zwischen 3,5 und 10 kHz liegt und der Puls eine Dauer im Bereich von einer bis zuanzig Schwingungen hat.
7. l/erfahren zur Bestimmung der Lage eines hinter einem Schiff geschleppten marinen Streamers, der eine Anzahl Hydrophone enthält, gekennzeichnet durch

externe Erzeugung eines akustischen Pulses hoher Frequenz und kurzer Dauer mittels einer akustischen Quelle, die unter der Wasserfläche außenbords vom Heck des Schiffes angeordnet ist,

Aufnahme des Pulses mit einem in dem Streamer angeordneten Hydrophon, das durch Übertragung eines Signals entlang einem im Streamer vorgesehenen, gesonderten Kanals anspricht,

Blockierung der in dem Kanal übertragenen Signale während solcher Zeitspannen, in denen kein Nutzsignal erwartet wird,

Triggern der akustischen Quelle zur Erzeugung eines Pulses nach Empfang eines unblockierten Signales,

Zählen der Anzahl unblockierter Signale, die von einem Hydrophon abgegeben werden, und Unterbrechen der Erzeugung der Pulse, nachdem eine vorbestimmte Zahl von Signalen gezählt worden ist, und

Messen der Zeit, die vom Zeitpunkt der Auslösung des ersten Pulses bis zur Zeit des Empfanges des letzten Hydrophonsignales vergangen ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß der von der akustischen Quelle erzeugte hochfrequente Puls kurzer Dauer mit einer Mehrzahl von in dem Streamer enthaltenen Hydrophonen aufgenommen wird, wobei jedes der Hydrophone durch Übertragung von einem Signal entlang gesonderter Kanäle des Streamers anspricht, und daß die akustische Quelle zur Erzeugung eines Pulses

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nach Empfang eines unblockierten Signales von dsm Hydrophon getriggert uird, das am weitesten im Streamer entfernt liegt, und die Anzahl der unblockiertsn Signale, die von diesem weitest entfernt liegenden Hydrophon emittiert uorden sind, gezählt und die Erzeugung der Pulse angehalten uird, nachdem eine vorbestimmte Zahl von Signalen gezählt uorden ist, wobei die Zeit gemessen uird, die von der Auslösung jedes Pulses bis zum Empfang jedes in Abhängigkeit davon emittierten Hydrophonsignales vergeht.