DE69318993T2 - Meeresseismisches Verfahren und System - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft seismische Erkundung auf See und Erzeugung akustischer Wellen.
• Beim Konzept maritimer, seismischer Aufzeichnung werden Schallwellen dazu verwendet, den Untergrund der See abzutasten. Durch eine Quelle erzeugter Schall breitet sich durch das Wasser aus, wird durch die Untergrundschichten reflektiert und wird vom seismischen Aufzeichnungssystem empfangen. Die Tonquellensignale müssen bekannt sein, um die Struktur des Untergrunds aus den im Aufzeichnungssystem empfangenen Schaltsignalen zu interpretieren.
Beschreibung der einschlägigen Technik
• Seismische Quellen mit steuerbarem Ausgangssignal werden allgemein in der Technik verwendet, z. B. Luftkanonen, Wasserkanonen oder im Meer eingesetzte Schwinger. Jeder andere Schall als derjenige, der von den seismischen Schallquellen herrührt, ist unerwünscht, da er die Qualität der seismischen Aufzeichnungen beeinflussen kann. Wichtige unerwünschte Schall(Geräusch)quellen sind die Maschinenanlage und die Schraube des Seismikschiffes selbst. Daher erfolgten viele Anstrengungen zum Verringern der von diesen Quellen erzeugten Geräusche.
• Im Prinzip werden zwei Verfahren zur maritimen seismischen Erkundung genutzt. Schallimpulse werden entweder mit konstanten oder gesteuerten Intervallen erzeugt, wobei die Echosignale vom Untergrund während der Intervalle erfasst und empfangen werden, oder es wird ein durchgestimmtes Schallsignal eines reinen Tons über eine wiederholte Periode emittiert, woraufhin eine Signalkorrelation zwischen dem empfangenen Signal und dem akustischen Nahfeldsignal ausgeführt wird.
• Das erstgenannte Verfahren wird in Verbindung mit Luftkanonen und Wasserkanonen verwendet, und das zweite Verfahren in Verbindung mit im Meer angebrachten Schwingern.
• Die durch übliche seismische Schallquellen erzeugten Schallsignale werden optimiert, um in einem breiten Frequenzbereich, typischerweise 0-200 Hz, hohe Schalldruckpegel zu erzeugen.
• Andere Verfahren zum Erzeugen seismischer Signale sind aus dem US-Patent Nr. 3,684,050 und dem US-Patent Nr. 3,536,157 bekannt. Diese US-Patente betreffen Generatoren für akustische Signale, die hinter oder neben einem Schiff durch das Wasser geschleppt werden. Als Ergebnis des durch die Signalgeneratoren strömenden Wassers werden akustische Signale erzeugt und emittiert, die als seismische Wellen genutzt werden können.
• Das bekannte Dokument US-A-4 006 795 erwähnt ein Schiff, wie einen Öltanker, der durch Dampfturbinen angetrieben wird. Die Dampfversorgung kann dazu verwendet werden, einen beliebigen Typ von Dampfschallquelle zu betreiben. Eine Anzahl von Messvorrichtungen ist in beabstandeter Weise in sogenannten Ballasttanks über das ganze Schiff vorhanden. Es wird versucht, die Geräusche von den Schrauben dadurch zu dämpfen, dass die Ballasttanks mit Kautschukmaterial isoliert werden und elektronische Filter verwendet werden.
• Gemäß dem bekannten Dokument US-A-3 413 596 wird ein Quellenboot mit einem Schallgenerator verwendet.
• Das bekannte Dokument Derwent abstract AN 84-080501 zu SU-A- 1 002 090 behandelt ein seismisches Erkundungsverfahren, durch das zufällige mikroseismische Schwingungen, wie sie durch entfernte Erdbeben, Windeffekte, Seebrecher, Transportfunktionen und industrielle Anwendungen hervorgerufen werden, durch eine Anzahl bodengestützter Empfänger aufgezeichnet werden.
• Gemäß EP-A-0 273 722 wird die Bohrspitze einer Ölbohranlage als seismische Quelle verwendet.
• Die Erfindung ist in den Ansprüche 1 und 2 dargelegt. Der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht auf EP-A-0 223 667. Anstatt die durch die Schraube oder eine andere Ausrüstung eines Schiffs erzeugten Geräusche zu verringern, erläutert die Erfindung nachfolgend, wie das Schiff selbst als Schallquelle verwendet wird und wie, durch Korrelation des Schallsignals mit dem an der seismischen Strömungseinrichtung empfangenen Signal, die erforderlichen seismischen Daten vom Untergrund erhalten werden.
• Gemäß der Erfindung werden charakteristische Geräusche des Schiffs genutzt, z. B. in Form von Kavitationsgeräuschen von den Schrauben des Schiffs, die breitbandige Kavitationsgeräusche emittieren.
• Gemäß der Erfindung ist es auch möglich, seismische Erkundung in Gewässern auszuführen, in denen normale seismische Überwachung unter Verwendung geschleppter Kanonenanordnungen oder Schwinger andernfalls unmöglich wäre, z. B. in mit Eis bedeckten Gewässern. Durch die Erfindung kann seismische Erkundung auch mittels eines U-Boots ausgeführt werden. Ein anderes Beispiel sind besonders empfindliche Naturgebiete, in denen herkömmliche seismische Überwachung aufgrund der Wirkung starker Schallimpulse auf das Tierleben nicht erlaubt ist.
• Ferner wurde seismische Erkundung in Gebieten niedriger Temperatur dank der Erfindung viel einfacher, da herkömmliche Betriebsprobleme in derartigen Gebieten in Zusammenhang mit der Verwendung von Luftkanonen und Wasserkanonen vermieden sind.
• Die gesamten oder die meisten der normalerweise beträchtlichen Kosten in Zusammenhang mit einer Verringerung der von einem Schiff, das in Zusammenhang mit seismischer Überwachung verwendet wird, emittierten Geräusche sind vermieden.
• Es ist auch möglich, eine solche Schraube zu verwenden, die nicht zum Antrieb genutzt wird, z. B. eine Bugschraube. Durch Einstellen des Steigungswinkels der Bugschraube in neutrale Stellung kann die Schraube dergestalt gedreht werden, dass geeignet breitbandige Kavitationsgeräusche emittiert werden, und gleichzeitig kann das Schiff in normaler Weise betrieben werden, da dies keine wesentlichen Einfluss auf den Betrieb oder die Steuerung des Schiffs hat.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen vollständig zu verstehen sein.
• Fig. 1 zeigt ein Beispiel für bekannte maritime, seismische Erkundung;
• Fig. 2 zeigt ein maritimes, seismisches Erkundungssystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Fig. 3 zeigt ein seismisches Erkundungssystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Kavitationsgeräuschspektrums von einer sich drehenden Schraube;
• Fig. 5 zeigt die Instrumenteneinstellung für Testzwecke;
• Fig. 6 zeigt die Positionierung von Messstellen im Schiffsrumpf;
• Fig. 7 zeigt ein an einem ersten Messort aufgezeichnetes Schraubengeräuschsignal;
• Fig. 8 zeigt ein an einem zweiten Messort aufgezeichnetes Schraubengeräuschsignal;
• Fig. 9 zeigt ein an einem dritten Messort aufgezeichnetes Schraubengeräuschsignal;
• Fig. 10 zeigt ein an einem vierten Messort aufgezeichnetes Schraubengeräuschsignal.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
• Fig. 1 veranschaulicht ein seismisches Meeresschiff 1, das mittels eines Kabels 9 eine allgemein bekannte Strömungseinrichtung (Hydrophonanordnung) 8 für seismische Erkundung auf See schleppt. Das Schiff 1 transportiert auch eine allgemein bekannte Seekanonenanordnung oder einen Schwinger 2, der über eine Befestigung oder ein Kabel 3 zum Erzeugen von Schallwellen angeschlossen ist, sowie einen Wandler 4 zum Aufzeichnen des Nahfeldsignals 6 von der Seekanonenanordnung oder dem Schwinger 2. Die Schallquelle 2 wird einige wenige Meter unter der Wasseroberfläche positioniert. Das Ende der Strömungseinrichtung 8 ist mit einer allgemein bekannten Heckboje 12 verbunden.
• Der Schallquelle 2 wird vom Schiff 1 Energie zugeführt, und sie wird von ihm gesteuert und erzeugt ein seismisches Schallsignal zum Boden 14 und zu Untergrundschichten 15 hin. Das reflektierte Signal 7 wird durch die Hydrophone in der Strömungseinrichtung 8 aufgenommen und auf allgemein bekannte Weise in einem seismischen Aufzeichnungssystem an Bord des Schiffs 1 aufgezeichnet. Bei einer anschließenden Signalverarbeitung, bei der das vom Wandler 4 aufgenommene Signal und das Signal von den Hydrophonen 8 korreliert werden, ist es möglich, eine Überwachung des Untergrunds für eine spätere Auswertung der Struktur der Unterschichten des Untergrunds auszuführen, z. B. hinsichtlich Möglichkeiten der Entnahme von Öl, Gas, Kohle usw.
• Während derartiger Überwachungen sind die Schiffsgeräusche, z. B. von den Schrauben des Schiffs in hoher Weise unerwünscht und müssen demgemäß so stark wie möglich verringert werden, um gute Messergebnisse zu erzielen. Die Geräusche müssen z. B. dadurch verringert werden, dass eine Schraube verwendet wird, die minimale Kavitationsgeräusche erzeugt.
• Das oben beschriebene bekannte Verfahren kann nur in geeigneten Tiefen angewandt werden, und es kann in offensichtlicher Weise nicht in mit Eis bedeckten oder gefüllten Gewässern angewandt werden.
• Fig. 2 zeigt ein entsprechendes Erkundungssystem, das jedoch dahingehend von der Erfindung Gebrauch macht, dass bei die sem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Antriebsschraube 11 des Schiffs 1 unmittelbar als Generator seismischer Wellen erzeugt wird. Beim dargestellten Beispiel ist die Schraube auf herkömmliche Weise angebracht. Zum Erfassen des Nahfelds wird ein Wandler 13, z. B. eine Hydrophonanordnung, eine Beschleunigungs-Messeinrichtung oder dergleichen, verwendet, der das Nahfeld-Geräuschsignal der Schraube 11 aufnimmt.
• Fig. 3 zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Geräuschgenerator eine Bugschraube 20 des Schiffs 1 ist. Die Schraubenschaufeln der Bugschraube 20 sind in eine Neutralstellung eingestellt, d. h. mit einem Steigungswinkel von 0º und sie werden mit einer Drehzahl gedreht, bei der breitbandige Geräusche emittiert werden. Das in den Fig. 2 und 3 dargestellte Schiff ist ein übliches Oberflächenschiff, jedoch kann das Schiff in offensichtlicher Weise von beliebigem Schiffstyp sein, z. B. ein U-Boot, um es zu ermöglichen, dass die Erkundung in mit Eis bedeckten oder gefüllten Gewässern ausgeführt werden kann.
• Was Kavitationsgeräusche der Schiffsschraube betrifft, ist es bekannt, dass der Mechanismus im Wesentlichen aus der Erzeugung, dem Wachstum und dem Kollabieren von Luftblasen besteht, wie sie durch die Abnahme des örtlichen statischen Drucks hervorgerufen werden. Wenn das Fluid in einen Bereich niedrigen Drucks, d. h. eines Drucks unter dem Dampfdruck von Wasser, eintritt, entsteht eine Blase, die zu maximaler Größe anwächst und kollabiert, wenn sie den Niederdruckbereich verlässt. Dieser Prozess benötigt nur sehr kurze Zeit, weswegen im Fluid ein Druckfeld erzeugt wird, das zur Erzeugung abgestrahlten Schalls führt.
• Im Allgemeinen treten an einer Schraubenschaufel drei Typen von Kavitation auf:
• 1) Spitzenwirbel-Kavitation entsteht an der Schraubenspitze aufgrund des Niederdruckbereichs, wie er durch die schnelle Querströmung von der Hochdruck- zur Niederdruckseite der Schaufel erzeugt wird.
• 2) Lagenkavitation entsteht, wenn das Fluid in einen Niederdruckbereich eintritt, der durch die Druckverteilung an der Schaufel bestimmt ist. Lagenkavitation trennt sich von der Schaufeloberfläche unter Ausbildung einer Lage ab.
• 3) Blasenkavitation entsteht wie die Lagenkavitation, aufgrund eines Niederdruckbereichs, der durch die Druckverteilung bestimmt ist. Die Blase steht jedoch in direktem Kontakt mit der Schaufeloberfläche, und im Ergebnis führt Blasenkavitation zu schwerwiegender Erosion der Schaufeln.
• Ein Beispiel eines typischen Spektrums der Kavitationsgeräusche am Schiffsrumpf über der Schraube bei einem Betriebszustand mit Kavitation ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Das sich ergebende Frequenzspektrum der Kavitationsgeräusche besteht dabei aus einem breitbandigen Beitrag 30, der mit einer Spitzenfrequenz fp und allmählich abnehmenden Geräuschpegeln unterhalb der Spitzenfrequenz geformt ist. Ferner sind diskrete Frequenzkomponenten 31 bei Harmonischen der Schaufeldurchlauffrequenz im Niederfrequenzbereich erkennbar.
• Es erfolgte ein praktischer Versuch in vollem Umfang, um zu messen, ob eine normale Schiffsantriebsschraube ein akustisches Spektrum emittiert, das für seismische Erkundung geeignet ist.
• Für den Versuch wurde ein in Betrieb befindliches seismisches Schiff verwendet. Das Schiff verfügt über vier 4-Takt- Dieselgeneratoren, die die elektrische Energie für vier Antriebsmotoren liefern. Die Antriebsmotoren sind über ein Un tersetzungsgetriebe mit der Schraubenwelle verbunden. Das Antriebssystem besteht aus einer Schraube mit vier Schaufeln mit einstellbarer Steigung.
• Fig. 5 veranschaulicht den Instrumentenaufbau. Die Druckschwankungen wurden mittels Miniaturhydrophonen 35, 36, 37 vom Typ 8103 von Bruel & Kjaer gemessen, und das Schwingungssignal mittels einer Beschleunigungsmesseinrichtung 38 des Typs 4371 von Bruel & Kjaer. Das Signal wurde von den Wandlern über Ladungsverstärker 39 vom Typ 3635 von Bruel & Kjaer zum Aufzeichnungssystem geleitet. Das Signal wurde teilweise im seismischen Aufzeichnungssystem 40 des Schiffs, zur Korrelation mit dem am seismischen Kabel 8 aufgezeichneten Signal, und teilweise durch einen FM-Bandrecorder 33 vom Typ 7006 von Bruel & Kjaer zur Spektralanalyse des Geräuschsignals aufgezeichnet. Die Instrumentenkette wurde vor den Messungen unter Verwendung einer Kalibriereinrichtung für das Hydrophon bzw. einer solchen für die Beschleunigungs- Messeinrichtung kalibriert. Das Kalibriersignal wurde zum Kalibrieren der Analyseinstrumente aufgezeichnet. Auch wurde zur Überwachung des Geräuschsignals während den Messungen ein Echtzeitanalysator 32 vom Typ 3243 von Bruel & Kjaer angeschlossen. Der Instrumentenaufbau ist in Fig. 5 dargestellt. Die Analyse der aufgezeichneten Signale wurde mit einem schmalbandigen FFT-Analysator vom Typ 2033 von Bruel & Kjaer ausgeführt, der mit einem Computer und einem Plotter verbunden war.
• Die Messungen der Schraubengeräusche wurden mit Hydrophonen ausgeführt, die an der Rumpfbeplankung 34 (Fig. 5) über der Schiffsschraube in der Schraubenebene 45 (Fig. 6) angebracht waren. Die Hydrophone wurden in Schrauben mit einem eingebohrten Loch positioniert und in im Rumpf eingeschnittene Gewinde so eingeschraubt, dass die Hydrophone ungefähr 15 mm über die Rumpfbeplankung überstanden. Es wird erwartet, dass bei einer sich in Uhrzeigerrichtung drehenden Schraube 46 der von der Schraube erzeugte maximale Schalldruck geringfügig außerhalb der Mittellinie zur Steuerbordseite hin und geringfügig nach vorne in Bezug auf die Schraubenebene 45 auftritt. Demgemäß wurden auf der Steuerbordseite Messorte nur an zwei Orten 35, 36 ungefähr in der Schraubenebene 45 sowie an einem Ort 37 vor der Schraubenebene positioniert. Die Positionierung der Messorte ist schematisch in Fig. 6 dargestellt. Zusätzlich wurde eine Beschleunigungs-Messeinrichtung 38 durch einen Magnet an der Rumpfbeplankung an einem ebenfalls in Fig. 6 dargestellten Ort angebracht. Der Zweck der Beschleunigungs-Messeinrichtung bestand darin, das Schwingungssignal zu messen, das durch die Druckschwankung im Wasser in der Rumpfbeplankung erzeugt wird. Der Pfeil 43 kennzeichnet die Fahrtrichtung, und der Abstand 44 beträgt ungefähr 1 m.
• Die Fig. 7-10 veranschaulichen das schmale Frequenzspektrum der gemessenen Schraubengeräusche, wobei Fig. 7 das Messergebnis vom Hydrophon 35, Fig. 8 das Messergebnis vom Hydrophon 36, Fig. 9 das Messergebnis vom Hydrophon 37 und
• Fig. 10 das Messergebnis von der Beschleunigungs-Messeinrichtung 38 zeigt.
• Die seismischen Signale von den Hydrophonen 8 wie auch die Nahfeldsignale von den Hydrophonen 35, 36, 37 und das Nahfeldsignal von der Beschleunigungs-Messeinrichtung 38 wurden im seismischen Aufzeichnungssystem 40 für anschließende Datenverarbeitung, einschließlich elektronischer Signalkorrelation der Echosignale vom Untergrund mit den erfassten Nahfeldwellen, aufgezeichnet. Das Ergebnis bestand darin, dass es sich als möglich erwies, nützliche Reflexionen zu erkennen.

Claims (3)

1. Verfahren zur Erzeugung von akustischen Wellen für die maritime seismische Prospektion, mit folgenden Schritten:

a) Steuern eines Schiffes (1), das Schall erzeugt, der als seismische Schallquelle verwendet wird, durch das Gebiet, in dem der Untergrund untersucht werden soll,

b) Erfassen des Nahfeld-Signals des abgestrahlten Kavitationsschalls,

c) Erfassen reflektierter Schallwellen von dem Untergrund,

d) Datenverarbeitung unter elektronischer Signalkorrelation der reflektierten Signale von der Bodenoberfläche mit dem erfaßten Signal, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schiffsschraube (11, 20) zur Erzeugung von Breitband-Kavitationsschall verwendet wird, der als seismische Schallquelle gebraucht wird.

2. Maritimes seismisches System zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, aufweisend:

a) einen seismischen Wandler (8), der unter Wasser hinter dem Schiff (1) geschleppt wird,

b) einen das Schiff selbst beinhaltenden Generator zur Erzeugung und Aussendung seismischer Schallwellen,

c) mindestens einen am Schiff oder in dessen unmittelbarer Nähe angebrachten Wandler (13), um von dem ausgesandten Schallsignal ein Signal zu empfangen, und

d) eine Einrichtung (40) zur Signalkorrelation oder Verarbeitung der von dem geschleppten Wandler (8) empfangenen Signale unter Verwendung der Signale von dem angebrachten Wandler (13), dadurch gekennzeichnet, daß der Generator für die seismischen Schallwellen mindestens einer der Schrauben (11, 20) des Schiffs (1) ist.

3. Maritimes seismisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator für die seismischen Wellen mindestens eine Bugschraube (20) umfaßt, die sich in einem Betriebszustand befindet, in dem unter einem Steigungswinkel der Schraube von 0º eine maximale Kavitation erreicht wird.