CN108139496A - 封装和部署海洋振动器的方法 - Google Patents

Abstract

提供了封装和部署用于和海洋地震勘测相关的海洋振动器的方法。海洋振动器提供了用于控制海洋振动器的浸没深度的相应技术的多种浮力配置。一种示例性的海洋振动器包括正浮力水动力拖曳主体，所述正浮力水动力拖曳主体包括：低频电声发射器；电力电子系统；控制监测电子系统；以及压力补偿系统，其中所述水动力拖曳主体包括一个或更多个主动控制表面以调整所述水动力拖曳主体的浸没深度及其滚转姿态。另外的实施例采用具有正浮力或负浮力的自由浸水的承重框架。

Description

封装和部署海洋振动器的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年9月8日提交的序列号为62/215,463、名称为“封装和部署海洋振动器的方法”的美国临时专利申请的优先权，其通过引用合并于此。本申请涉及2015年2月11日提交的序列号为14/421,006的美国专利申请以及2015年4月30日提交的序列号为14/700,879的美国专利申请，其各自的名称均为“用于海洋地震勘测的相干声源”，并且各自通过引用合并于此。

技术领域

本发明总体而言涉及一种封装和部署用于和海洋地震勘测相关联的低频水下声音发射器的方法。

背景技术

声波是用于搜索储备在地球岩层下的石油和天然气的主要工具。声波的方便之处在于它们可以长距离地传播并穿透复杂的层状介质，以获得关于储备的存在、组成和物理范围的重要信息。对陆地和海洋两者进行的勘测就是这种情况。虽然在海洋中已经使用多种方法来产生声波，但过去三十年来的主要技术是使用空气枪，因为空气枪可以排出高压空气的短爆发而构成声能的脉冲(即，非相干)源。声波穿透地层并差异性地反射回到表面，在表面由接收器阵列(即，水听器)记录。

一般来说，海洋地震勘测是在大约1至10米的深度下，通过在勘测船后300至500米处拖曳多个子阵列的形式的12至48个空气枪来进行的。一系列水面浮体用于在规定深度处悬挂空气枪(即，每个子阵列配备一个浮体)。使用包含强度构件、电源电缆、双工数据传输介质(即，铜或光纤链路)和高压空气软管的脐带缆来拖曳勘测船的水面浮体。所述脐带缆的第二目的是将高压空气引导至空气枪阵列，以及传送电力来控制阵列的各个方面，并且提供命令所述阵列并从各种工程传感器中获得监测数据以确保明显的满意操作的手段。典型的拖曳速度范围为1.5至2.5m/s，其可促成大约10km²/天的勘测速率。有关海洋地震勘测的更多信息，请参阅“Marine Geophysical Operations:An Overview(海洋地球物理业务：概述)”，国际地球物理承包商协会(2009年6月)，或“An Overview of Marine SeismicOperations(海洋地震操作概述)”，国际石油和天然气生产商协会，报告编号448(2011年4月)，各自通过引用并入本文。

近年来，石油和天然气工业已经考虑了空气枪的替代品，特别是使用能够提供声能的相干(即，非脉冲)源的海洋振动器。典型地，使用海洋振动器代替气枪的应用和/或动机源于在某些深水作业环境中需要更好的地震特征，在环境敏感区域执行海洋地震勘测以及具有对浅水(即，过渡区)应用的改善源，在那里气枪阵列次优执行。此外，基于海洋振动器的地震勘测的有吸引力的属性包括：(1)具有命令致动的深度控制以减轻在低频率和重影下的信噪比相关问题，以及(2)考虑到地球的石油和天然气储备的40％都位于北极，在那里有危险的浮冰，因此几乎没有水面显示(即，没有浮体)。

发明内容

本发明的说明性实施例提供了封装和部署海洋振动器的方法。在一个示例性实施例中，海洋振动器包括正浮力水动力拖曳主体，其包括：低频电声发射器；电力电子系统；控制监测电子系统；以及压力补偿系统，其中，水动力拖曳主体包括一个或更多个主动控制表面以调整所述水动力拖曳主体的浸没深度和滚转姿态。

在至少一个示例性实施例中，海洋振动器包括包含内部部件的自由浸水的承重框架，该内部部件包括：低频电声发射器；电力电子系统；控制监测电子系统；以及压力补偿系统，其中所述框架和所述内部部件使用位于框架内的浮力泡沫而呈现正浮力，使得框架和内部部件的浮力中心在垂直高度上比所述框架和所述内部部件的重心更高。

在一个或更多个实施例中，海洋振动器包括自由浸水的承重框架，所述框架包括：低频电声发射器；电力电子系统；控制监测电子系统；以及压力补偿系统，其中海洋振动器是负浮力的，并且其中海洋振动器的浸没深度使用一个或多个绞车控制，所述一个或多个绞车定位于悬挂在海洋振动器上的水面浮体中。在至少一个实施例中，海洋振动器的拖曳点来自水面浮体的前端，而在另一个示例性实施例中，所述拖曳点来自框架的前端。

如上所述，本发明描述的说明性实施例通过采用为了控制海洋振动器的浸没深度的相应技术的各种浮力配置，提供了相对于常规海洋振动器的显著改进。本发明的上述和其它特征和优点将通过附图和以下的详细描述变得更加清楚。

附图说明

图1A至图1C示出了针对海洋振动器的三种不同示例性封装实施例的正面图；和

图2A至图2D示出了针对海洋振动器的子阵列的四种不同示例性部署实施例的正面图。

具体实施方式

本发明的各方面提供了封装和部署用于海洋地震勘测相关的海洋振动器的方法。通过多种不同的示例性实施例描述了所述海洋振动器是如何被封装和部署的。在第一示例性实施例中，如下面结合图1A和图2A进一步讨论的，海洋振动器的相关部件(例如，低频电声发射器、电力电子装置、控制监测电子装置和压力补偿装置)被封装在包含主动控制表面的正浮力水动力拖曳主体中以调整浸没深度并保持适当的滚转姿态。这种设计的多个海洋振动器可选地被布置成由勘测船通过脐带缆拖曳的线阵列。这种类型的多个线阵列可以被配置为平面阵列或立体阵列。

在第二示例性实施例中，如下面结合图1B和图2B进一步讨论的，前述的海洋振动器部件被封装在使用浮力泡沫或一些等同装置的自由浸水的承重框架(或桁架)中以使其具有正浮力。浮力泡沫在框架内的位置被设计为，凭借浮力中心在垂直高度上高于重心来促进被动辊的控制/稳定性。这种设计的多个海洋振动器可选地被布置成由勘测船通过脐带缆拖曳的线阵列。阵列的浸没深度和直线度通过使用由水面浮体、脐带缆、抑制器和浮锚所产生的在垂直和水平方向上的静态力来控制。这种类型的多个线阵列能够可选地被配置为平面阵列或立体阵列。

在第三示例性实施例中，如下面结合图1C和图2C进一步讨论的，前述的部件在不使用浮力泡沫的情况下被封装在自由浸水的承重框架(或桁架)内，因此使海洋振动器具有负浮力。这种设计的多个海洋振动器可选地被布置成线阵列，该线阵列悬挂在水面浮体上，该浮体依次通过脐带缆被勘测船拖曳。阵列的浸没深度通过一系列位于水面浮体中的绞车来控制。这种类型的多个线阵列能够被配置为平面阵列或立体阵列。

在第四示例性实施例中，如下面结合图1C和图2D进一步讨论的，前述的部件在不使用浮力泡沫的情况下被封装在自由浸水的承重框架(或桁架)内，因此使海洋振动器具有负浮力。这种设计的多个海洋振动器可选地被布置成悬挂于水面浮体上的线阵列。线阵列中最前面的元件作为与用于从勘测船拖曳所述阵列的脐带缆的连接点。所述阵列的浸没深度通过一系列位于水面浮体中的绞车来控制。这种类型的多个线阵列能够可选地被配置为平面阵列或立体阵列。

图1A呈现了用于所公开的海洋振动器的第一示例性封装实施例100a的正面图。从外部的角度观察海洋振动器100a，可以看到，海洋振动器100a包括安置电声水下声音发射器120a的水动力拖曳主体110a。该发射器采用柔性悬挂式活塞122a，所述活塞122a使用存在于拖曳主体110a内部的换能器以低频使水振动。有关柔性悬挂式活塞的更详细的讨论，请参阅，例如C.H.Sherman和J.L.Butler，Transducers and Arrays for UnderwaterSound(水下声音换能器和阵列)，第51和54页(Springer，1997)。

存在于拖曳主体110a中的其它特征包括但不限于：调节和放大用于驱动换能器的电子模拟波形的电力电子装置，提供局部控制权限和实时监测所有部件和子系统的控制监测电子装置，容纳诸如干燥空气或干燥氮气的高压气体的一个或更多个储存罐(以及相关的管道和阀门网络)，通过浸没在水中而对活塞122进行补偿，以及在部署和取回操作期间当来自部署海洋振动器110a的勘测船的电源可能不可用时向控制监侧系统提供电力的临时来源的一个或更多个电池。

水动力控制表面130a用于控制被设计成正浮力的拖曳主体110a的浸没深度。控制表面130a还提供了保持拖曳主体110a的适当滚转姿态的手段，使得来自驱动活塞122a的换能器的力矢量总是与地球的重力矢量垂直。通过这种方式，柔性悬挂式活塞122a在重力作用下不会向内或向外静态地偏转。

图1B呈现了用于所公开的海洋振动器的第二示例性封装实施例100b的正面图。从外部的角度观察海洋振动器100b，可以看到，海洋振动器100b包括位于用作拖曳主体的自由浸水的承重框架(或桁架)110b的内部的许多部件。框架110b内显示的部件包括具有柔性悬挂式活塞122b的电声水下声音发射器120b，电力电子模块130b，控制监测电子模块140b，包括压缩气体储存罐150b的压力补偿装置和电池160b。所有这些部件具有与本文所描述的用于海洋振动器100a的那些部件基本相同的功能和性能。唯一显著的区别是它们是如何被封装的。

海洋振动器100b被设计成具有正浮力并且使用浮力模块170b来抵消其它部件的重量。浮力模块170b典型地包括闭孔泡沫、合成泡沫，或充气附件。浮力模块170b定位在框架110b内，使得浮力中心在重心之上，以便向拖曳主体施加被动的扶正力矩从而保持适当的滚转姿态。如果需要额外的滚转控制，可以增加垂直尾翼。单独地或一起地使用这些特征避免了对用于海洋振动器100a而描述的主动控制表面的需要。海洋振动器100b的深度控制将稍后在本节进行描述。此外，因为所有部件都包含在可以装配有冲击隔离支架和减震器的承重框架内，所以预期实施例100b比实施例100a对部署/取回操作的严格性更稳健。

图1C呈现示出用于所公开的海洋振动器的第三示例性封装实施例100c的正面图。从外部的角度观察海洋振动器100c，可以看到，除了海洋振动器100c没有采用浮力模块之外，海洋振动器100c与海洋振动器100b是相同的。如此，海洋振动器100c是负浮力的。为了完整起见，海洋振动器100c包括自由浸水的承重框架110c、具有柔性悬挂式活塞122c的电声水下声音发射器120c、电力电子模块130c、控制监测电子模块140c、压缩气体储存罐150c和电池160c。所有这些部件具有与本文所描述的用于海洋振动器100b的那些部件基本相同的功能和性能。海洋振动器100c的深度和滚转控制将稍后在本节进行描述。

图2A呈现了用于图1A中描述的海洋振动器100a的第一示例性部署实施例200a的正面图。如图2A所示，例如，第一实施例考虑包含三个海洋振动器的线阵列(即，子阵列)。在实践中，阵列中元件的数量和部署多少阵列由地震勘测要求所控制。尽管图2A中呈现的三元件阵列概念是假设的，但充分说明了与本发明相关的部署实施例。

图2A的部署实施例200a示出了由水面230a下面的脐带缆220a拖曳并相互连接的海洋振动器210a。脐带缆220a是柔性的承重结构，其连接到远至1公里外的勘测船(未示出)，并且具有按照海洋振动器220a的操作传输电力、传输和接收数据以及传输压缩气体的功能。压缩气体用于在初始部署后补充由上述储存罐供应的气体。回顾前述储存罐中的气体用于补偿产生于和水下浸没相关的水静力载荷的活塞。考虑到直接从位于1公里以外的勘测船提供气体的延迟问题，压缩气体的本地的来源是优选的。

如先前所讨论的，海洋振动器200a采用自含式系统水动力控制表面130a(如图1A中所示)来改变/保持深度和适当的滚转姿态。这导致水面显示很少，并且对在有浮冰风险的北极水域进行海洋地震勘测是具有吸引力的。

图2B示出了用于图1B中描述的海洋振动器100b的第二示例性部署实施例200b的正面图。图2B的部署实施例200b示出了由水面230b下面的脐带缆220b拖曳并相互连接的海洋振动器210b。脐带缆220b具有与之前实施例200a所述的功能基本相同的功能。海洋振动器210b的下潜深度由水面浮体240b、抑制器250b和浮锚260b的位置所产生的力的汇合所控制。也就是说，跨越水面浮体240b与抑制器250b之间的距离的脐带缆220b的重量用于浸没海洋振动器210b。因此，水面浮体240b的位置确定下潜深度，其中该位置由连接到勘测船(未示出)上的绞车的缆绳270b控制。水面浮体240b采用导向系统(例如，弹簧致动的压紧辊或等同装置)242b以促进定位过程。抑制器250b和浮锚260b提供对拖曳组件必要的向下的力和水平的力，使得海洋振动器210b在地震勘测操作期间是直线的和水平的。这里注意到，在实施例200b中，除了通过系绳280b连接到阵列中的最后一个元件的浮锚250b之外，所述脐带缆与所有部件互连。

应该说明的是，与实施例200b相关的替代脐带缆配置是可能的。例如，脐带缆220b可选地在抑制器250b处终止，并且可以使用一机械强度构件作为将海洋振动器210b与抑制器250b互连的装置。电源、双工数据和压缩气体将通过从抑制器250b基于一对一的对应关系被引导至到海洋振动器210b的较小的柔性脐带缆形成的网络来促进。以这种方式，抑制器250b也用作前向电子模块。

例如，实施例200b非常适合于需要将海洋振动器部署到标称深度为5米或更深处的深水勘测。

图2C示出了用于图1C中描述的海洋振动器100c的第三示例性部署实施例200c的正面图。图2C的部署实施例200c示出了悬挂于水面浮体220c并且使用脐带缆240c被拖曳到水面230c下方的海洋振动器210c，其中脐带缆240c连接至水面浮体220c的前端。脐带缆240c具有与之前实施例200a所述的功能基本相同的功能。海洋振动器210c的下潜深度通过使用定位于浮体水面浮体220c中的一系列绞车(未示出)调整承重缆绳242c的长度来控制。为了促进将电力、双工数据和压缩气体向海洋振动器210c的传输，脐带缆240c可被分解成更小的柔性脐带缆244c的网络。所述分解通过使用定位在浮体水面浮体220c中的装置(未示出)来完成。

实施例200c从滚转姿态角度来看本质上是稳定的，并且非常适合于例如需要海洋振动器被部署到标称深度为5m或更小的深度的浅水或深水勘测。本文公开的三个部署实施例中，实施例200c被认为是对在过渡区中执行的海洋地震勘测的最佳选择。

图2D示出了用于图1C中描述的海洋振动器100c的第四示例性部署实施例200d的正面图。图2D的部署实施例200d示出了悬挂于水面浮体220d并且使用脐带缆240d被拖曳到水面230d下方的海洋振动器210d，所述脐带缆240d连接到海洋振动器210d的最前端。脐带缆240d具有与之前实施例200a所述的功能基本相同的功能。海洋振动器210d的下潜深度通过使用位于水面浮体220d中的一系列绞车(未示出)调整承重缆绳242d的长度来控制。脐带缆240a还用作阵列中所有海洋振动器210d之间的互连拖曳电缆，并便于将电力、双工数据和压缩气体传输到海洋振动器210d。

实施例200d从滚转姿态角度来看本质上是稳定的，并且非常适用于例如需要海洋振动器被部署到标称深度为5m或更小的深度的浅水或深水勘测。此外，实施例200d为脐带缆的拖曳点连接提供了灵活性(相对于实施例200c)，使得其与地震勘测要求和勘测船的部署和恢复能力相兼容。

虽然未在图2A至图2D中示出，但根据实施例200a、200b、200c和200d的线阵列的位置可以经由声学装置(即，超短基线定位系统)和战略上位于子表面和表面部件上的全球定位系统收发器的组合来确定，视情况包括勘测船。

结论

本发明的一个或更多个实施例提供了封装和部署用于和海洋地震勘测相关的海洋振动器的方法。上述应用和相关实施例应该被认为仅仅是说明性的，并且在各种不同的海洋地震应用中，可以使用本文公开的技术来配置许多其它实施例。

还应该理解的是，如本文所述的海洋振动器配置可以至少部分地通过储存在存储器中并由处理设备(例如计算机)的处理器执行的一个或更多个软件程序的形式来实现。本文呈现的具有这种程序代码的存储器或其它储存设备是在此更通常地称为“计算机程序产品”的示例。

所公开的海洋振动器配置可以至少部分地使用一个或更多个处理平台来实施。一个或更多个处理模块或其它部件因此可以分别在计算机、储存设备或其它处理平台元件上运行。给定的这样的元件可以被看作是更通常地称为“处理设备”的示例。

因此，应该理解，本文描述的实施例仅仅是对本发明原理的说明，并且在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员可以实现各种修改。

Claims (15)

1.一种海洋振动器，包括：

正浮力水动力拖曳主体，其包括：

低频电声发射器；

电力电子系统；

控制监测电子系统；以及

压力补偿系统，

其中，所述水动力拖曳主体包括一个或多个主动控制表面以调整所述水动力拖曳主体的浸没深度和滚转姿态。

2.根据权利要求1所述的海洋振动器，其中，多个所述海洋振动器被布置成线阵列并且被勘测船经由承重的柔性脐带缆在水面下拖曳，所述柔性脐带缆包括将电力、数据和压缩气体中的一种或多种传输到所述线阵列并从所述线阵列接收数据的功能。

3.根据权利要求2所述的海洋振动器，其中，多个所述线阵列被定位成形成被勘测船在水面下拖曳的平面阵列或立体阵列。

4.根据权利要求1所述的海洋振动器，其中，所述水动力拖曳主体进一步包括本地电源和高压气体源。

5.一种海洋振动器，包括：

自由浸水的承重框架，其包括内部部件，所述内部部件包括：

低频电声发射器；

电力电子系统；

控制监测电子系统；以及

压力补偿系统，

其中，所述框架和所述内部部件使用定位在框架内的浮力泡沫而呈现正浮力，使得所述框架和所述内部部件的浮力中心在垂直高度上比所述框架和所述内部部件的重心高。

6.根据权利要求5所述的海洋振动器，其中，多个所述海洋振动器被布置成线阵列并且被勘测船经由承重的柔性脐带缆在水面下拖曳，所述柔性脐带缆包括将电力、数据和压缩气体中的一种或多种传输到所述线阵列并从所述线阵列接收数据的功能。

7.根据权利要求6所述的海洋振动器，其中，所述线阵列的深度和直线度由水面浮体、脐带缆、抑制器和浮锚所控制。

8.根据权利要求6所述的海洋振动器，其中，多个所述线阵列被定位成形成被勘测船在水面下拖曳的平面阵列或立体阵列。

9.根据权利要求5所述的海洋振动器，其中，所述框架还包括本地电源和本地高压气体源。

10.一种海洋振动器，包括：

自由浸水的承重框架，其包括：

低频电声发射器；

电力电子系统；

控制监测电子系统；以及

压力补偿系统，

其中所述海洋振动器是负浮力的，并且其中所述海洋振动器的浸没深度使用定位在水面浮体中的一个或多个绞车来控制，所述海洋振动器悬挂在所述水面浮体上，其中所述海洋振动器的拖曳点来自于所述水面浮体的前端和所述自由浸水的承重框架的前端中的一个或多个。

11.根据权利要求10所述的海洋振动器，其中，多个所述海洋振动器被布置成线阵列并且基本上直接悬挂在定位于水面上的浮体的下方并且被勘测船经由承重的柔性脐带缆拖曳，所述柔性脐带缆包括将电力、数据和压缩气体中的一种或多种传输到所述线阵列并从所述线阵列接收数据的功能。

12.根据权利要求10所述的海洋振动器，其中，多个所述海洋振动器被布置成线阵列。

13.根据权利要求12所述的海洋振动器，其中，至少一个绞车和承重电缆组件被用于控制所述线阵列的深度；所述至少一个绞车定位于所述浮体的内部空间中。

14.根据权利要求12所述的海洋振动器，其中，多个所述线阵列被定位成形成被所述勘测船在水面下拖曳的平面阵列或立体阵列。

15.根据权利要求10所述的海洋振动器，其中，所述自由浸水的承重框架进一步包括本地电源和高压气体源。