海洋地震振動器和使用方法
【專利摘要】實施例涉及用于地震勘測的海洋地震振動器和相關聯的使用方法。實施例提供一種海洋地震振動器，包括：殼體，其具有被選擇為提供在約1Hz與約300Hz的操作頻率范圍內的第一共振頻率的彈簧常數；驅動器，其安置于殼體內并且具有第一端和第二端；以及彈簧元件，其在驅動器的第一端與第二端之間聯接到殼體，其中彈簧元件具有第二振蕩模式，該第二振蕩模式提供在操作頻率范圍內的第二共振頻率。
【專利說明】海洋地震振動器和使用方法
[0001]相關申請的交叉引用
本申請要求保護2013年2月8日提交的、名稱為“Marine Seismic Vibrator Arrayand Method of Use”(海洋地震振動器和使用方法)的美國臨時申請N0.61/762，424的權益，該申請的整個公開以引用方式合并到本文中。
【背景技術】
[0002]本發明大體而言涉及海洋地震勘測。更特定而言，在一個或多個實施例中，本發明涉及用于地震勘測的海洋地震振動器和相關聯的使用方法。
[0003]海洋勘測技術包括海洋地震勘測，其中，可從地表下方收集地球物理數據。地震勘測應用于礦物和能源勘探和生產以幫助識別含烴地層的位置。地震勘測通常可包括在水體水面下方或附近拖曳地震源。一個或多個“拖纜(streamer)”也可由相同或不同船只在水中拖曳。拖纜通常為纜線，其上包括沿著每根纜線的長度在間隔開的位置安置的多個傳感器。一些地震勘測將傳感器定位于海底纜線或節點上，作為在拖纜上的補充或替代。傳感器可被配置成生成與傳感器所測量的參數有關的信號。在選定時間，可促動地震源以生成例如地震能量，該地震能量在水中向下行進到地下巖石。與通常在巖石地層之間的邊界處的界面相互作用的地震能量可朝向地面返回并且由拖纜上的傳感器檢測到。所檢測的能量可用于推斷地下巖石的某些性質，例如結構、礦物組成和流體含量，從而提供對于發現烴類有用的信息。
[0004]目前用于海洋地震勘測中的大部分地震源為脈沖型，其中，曾經做出努力來在盡可能短的時間跨度內生成盡可能多的能量。這些脈沖型源中最常用的是氣槍，其通常利用壓縮空氣來生成聲波。脈沖型源的其它示例包括爆炸性和落重型脈沖源。可用于地震勘測的另一類型的地震源包括振動器源，其包括液壓動力源、機電振動器、電氣海洋地震振動器和采用壓電或磁致伸縮材料的源。振動器源通常生成在被稱作“掃頻(sweep)”或“線性調頻脈沖(chirp) ”的模式的頻率范圍內的振動。
[0005]熟知聲波在水中行進并且經過地下地質結構，更高頻率的聲波可比更低頻率的聲波更快速地被衰減，并且因此，較低頻率的聲波能在水中和地質結構中傳輸比較高頻率的聲波更遠的距離。因此，需要一種在1-1OOHz的頻帶中操作的強效低頻海洋聲源。然而，已經使用的脈沖型和振動器源均在20Hz以下可生成極少能量或者不生成能量。此外，低頻源通常可具有較差的效率，特別是在不能獲得良好的阻抗匹配的情況下。
[0006]因此，需要用于海洋勘測的改進的地震源。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]這些圖示出了本發明的其中一些實施例的某些方面，并且不應當用于限制或限定本發明。
[0008]圖1示出了使用海洋地震振動器的海洋地震勘測系統的示例實施例。
[0009]圖2示出了海洋地震振動器的示例實施例。[0010]圖3a和圖3b以截面圖示出了海洋地震振動器的示例實施例。
[0011]圖4示出了海洋地震振動器的示例實施例的另一視圖。
[0012]圖5示出了海洋地震振動器的示例實施例的另一視圖。
[0013]圖6為示出海洋地震振動器的示例實施例的彈簧元件的第一振蕩模式的頻率模型。
[0014]圖7為示出海洋地震振動器的示例實施例的彈簧元件的第二振蕩模式的頻率模型。
[0015]圖8為具有兩個共振的一對海洋地震振動器的示例實施方式的模擬振幅譜。
[0016]圖9為低頻海洋地震振動器的示例實施例的測量振幅譜。
[0017]圖10為高頻海洋地震振動器的示例實施例的測量振幅譜。
[0018]圖11示出了在水體中拖曳海洋地震振動器的示例實施方式。
[0019]圖12示出了在水體中拖曳時海洋地震振動器陣列的示例實施方式。
[0020]圖13示出了海洋地震振動器陣列的轉向控制的示例實施方式。
[0021]圖14示出了聯接到勘測船只的海洋地震振動器的示例實施方式。
【具體實施方式】
[0022]本發明的實施例針對于海洋地震振動器。與先前開發的海洋地震振動器相比，本文所公開的海洋地震振動器可具有改進的聲輸出和改進的可靠性。有利地，所公開的海洋地震振動器可提供在地震頻帶(例如IHz至300Hz之間)的下端中的共振頻率。低頻聲能可以利用低共振頻率更高效地生成，因為取消了阻抗的虛部(無功部，reactive)。實施例可包括海洋地震振動器，其具有比之前所用更硬的殼體以便能夠維持低共振頻率。實施例還可包括使用具有第二共振模式的彈簧元件，第二共振模式提供在地震頻帶內的第二共振頻率。
[0023]圖1示出了根據本發明的一個實施例的海洋地震勘測系統2。在圖示實施例中，系統2可包括勘測船只4，其沿著水體6 (諸如湖或海洋)的水面移動。勘測船只4上可包括大體上以8示出且在本文中總體上被稱作“記錄系統”的設備。記錄系統8可包括用于檢測和對每個地震傳感器(在下文中進一步解釋)生成的信號進行時間索引記錄且用于在選定時間促動海洋地震振動器10的裝置(均未單獨地示出)。記錄系統8還可包括用于確定勘測船只4和各種地震傳感器的測地位置的裝置(均未單獨地示出)。
[0024]如圖所示，勘測船只4可拖曳傳感器拖纜12。傳感器拖纜12可以由該勘測船只4或不同船只在水體6中以選定模式拖曳。如圖所示，傳感器拖纜12可在勘測船只4后方沿側向間隔開。“側向”或“沿側向”在本文中意指橫向于勘測船只4的運動方向。傳感器拖纜12可各自例如通過將多個拖纜區段端對端聯接而形成，如在美國專利N0.7，142，481中所解釋的那樣，該公開以引用方式合并到本文中。傳感器拖纜12可由拖曳設備16維持在選定模式，諸如提供側向力以使傳感器拖纜12相對于勘測船只4擴展到選定側向位置的掃雷器或門。傳感器拖纜12可具有例如在從約2000米至約12000米或更長的范圍內的長度。圖1中的傳感器拖纜12的配置被提供用來說明本發明的實施例，而并不意圖限制本發明。應當指出，雖然本示例示出了四根傳感器拖纜12，但本發明可適用于由勘測船只4或任何其它船只拖曳的任何數量的拖纜12。例如，在一些實施例中，可由勘測船只4拖曳多于或少于四根傳感器拖纜12，并且拖纜12可沿側向、豎直地或者既沿側向也豎直地間隔開。
[0025]傳感器拖纜12上可包括在間隔開的位置處的地震傳感器14。地震傳感器14可為本領域中已知的任何類型的地震傳感器，包括例如水聽器、地震檢波器、粒子速度傳感器、粒子移位傳感器、粒子加速度傳感器或壓力梯度傳感器。舉例而言，響應于在從海洋地震振動器10發射的地震能量已與水底下方的巖石地層(未圖示)相互作用之后檢測到該能量，地震傳感器14可生成響應信號，諸如電或光信號。由地震傳感器14生成的信號可傳送到記錄系統8。
[0026]如圖1所示，勘測船只4或不同的船只還可拖曳海洋地震振動器10。在一些實施例中，可使用多個海洋地震振動器10，其可例如由勘測船只4或不同的勘測船只拖曳。盡管僅僅示出了單個海洋地震振動器10，但應了解，可根據特定應用的需要而使用多于一個海洋地震振動器10。源纜線18可將海洋地震振動器10聯接到勘測船只。源纜線18可承受拖曳力，并且還可包括電導體(并未單獨地示出)，電導體用于從勘測船只4上的記錄系統8向地震源10轉移電流。源纜線18還可包括信號纜線或光纖，用于向海洋地震振動器10和/或從海洋地震振動器10向記錄系統8傳輸信號。源纜線18還可包括強度構件(并未單獨示出)，用于將拖曳力從勘測船只4傳輸到海洋地震振動器10。源纜線18還可包含例如導管，以用于將空氣傳輸到海洋地震振動器10以用于壓力補償。源纜線18可具有例如在約200米至約2000米或更長的范圍內的長度。在一些實施例中，源纜線18可為約900米長且具有約65毫米的外徑。在一些實施例中，源纜線18可相對地平行于水體6的水面，而在其它實施例中，源纜線18可利用例如深度控制機構，以將多于一個海洋地震振動器10定位于多個不同深度。
[0027]與在很有限的時間量內傳輸能量的脈沖型源相比，海洋地震振動器10由于能量隨時間的分布而具有減小的環境影響。特別地，海洋地震振動器10可在地震勘測期間具有所傳輸地震信號的減小的峰值振幅，數據品質極小降低或不降低。例如，通過以例如五秒掃頻使用海洋地震振動器10，而不是諸如氣槍的脈沖型源，峰值振幅可減小多達30dB或更多。如果使用偽噪音源序列而不僅隨著時間推移傳播能量而且還隨著時間推移傳播頻率，則峰值振幅可減小另一 20dB或甚至更多。在一些實施例中，峰值振幅可在約IOdB至約40dB的范圍內。
[0028]在一些實施例中，海洋地震振動器10可包括彎張殼體型源(flextensionalshell-type source)。在彎張殼體型源的設計中可采用多個參數,其中的幾個可涉及殼體本身和驅動器類型。在一些實施例中，海洋地震振動器10可顯示在地震頻帶中的至少兩個共振頻率，通常在約IHz和約300Hz之間的范圍。在一些實施例中，地震頻帶可在約5Hz與約IOOHz之間。
[0029]可能由海洋地震振動器10經歷的總阻抗可如下表達:
Zr=Rr+JXr(式 I)
其中乙為總阻抗，Rr為輻射阻抗，且尤為無功阻抗。
[0030]在海洋地震振動器10的能量轉移的分析中，該系統可近似為帶擋板的活塞。在將要經歷的總阻抗的表達中，帶擋板的活塞的輻射阻抗兄可為:
Rr= πa2p0cR1 (x)(式 2)并且無功阻抗可為:
【權利要求】
1.一種海洋地震振動器，包括: 殼體，其具有被選擇為提供在約IHz與約300Hz的操作頻率范圍內的第一共振頻率的彈簧常數； 驅動器，其安置于所述殼體內，并且具有第一端和第二端；以及彈簧元件，其在所述驅動器的第一端與第二端之間聯接到所述殼體，其中所述彈簧元件具有第二振蕩模式，所述第二振蕩模式提供在所述操作頻率范圍內的第二共振頻率。
2.根據權利要求1所述的海洋地震振動器，其特征在于，所述殼體包括端梁和鉸接地聯接到所述端梁的殼體側部。
3.根據權利要求1所述的海洋地震振動器，其特征在于，所述殼體包括端梁和聯接到所述端梁的殼體側部，并且其中所述殼體側部中的至少一個包括突伸肋。
4.根據權利要求3所述的海洋地震振動器，其特征在于，所述突伸肋中的一個或多個安置于所述殼體側部中的至少一個的中線的任一側上。
5.根據權利要求1所述的海洋地震振動器，其特征在于，所述殼體包括端梁和聯接到所述端梁的殼體側部，并且其中所述殼體側部各自包括加強部以迫使所述殼體側部停留在第一振蕩模式中。
6.根據權利要求1所述的海洋地震振動器，其特征在于，所述殼體包括端梁，并且所述彈簧元件鉸接地聯接到所述端梁。
7.根據權利要求1所述的海洋地震振動器，其特征在于，所述海洋地震振動器的第一共振頻率在所述操作頻率范圍的下端的兩倍頻程內，并且其中所述海洋地震振動器的第二共振頻率在所述第一共振頻率的四倍頻程內。
8.根據權利要求1所述的海洋地震振動器，其特征在于，所述操作頻率范圍為從約5Hz至約IOOHz。
9.一種海洋地震振動器的陣列，包括: 一個或多個低頻海洋地震振動器，其中所述一個或多個低頻海洋地震振動器各自包括: 第一殼體，其具有被選擇為提供在約5Hz與約25Hz的第一操作頻率范圍內的第一共振頻率的彈簧常數； 第一驅動器，其安置于所述殼體內并且具有第一端和第二端；以及第一彈簧元件，其在所述驅動器的第一端與第二端之間聯接到所述殼體；其中所述彈簧元件具有第二振蕩模式，所述第二振蕩模式提供在所述第一操作頻率范圍內的第二共振頻率；以及 一個或多個高頻海洋地震振動器，其中所述一個或多個高頻海洋地震振動器各自包括: 第二殼體，其具有被選擇為提供在約25Hz至約IOOHz的第二操作頻率范圍內的第一共振頻率的彈簧常數； 第二驅動器，其安置于所述殼體內并且具有第一端和第二端；以及第二彈簧元件，其在所述驅動器的第一端與第二端之間聯接到所述殼體；其中所述彈簧元件具有第二振蕩模式，所述第二振蕩模式提供在所述第二操作頻率范圍內的第二共振頻率。
10.根據權利要求9所述的陣列，其特征在于，所述第一殼體包括端梁和聯接到所述端梁的殼體側部，其中所述第一殼體的殼體側部中的至少一個包括突伸肋，其中所述第二殼體包括端梁和聯接到所述端梁的殼體側部，其中所述第二殼體的殼體側部中的至少一個包括突伸肋。
11.根據權利要求9所述的陣列，其特征在于，所述第一殼體包括端梁和聯接到所述端梁的殼體側部，其中所述第一殼體的殼體側部中的至少一個包括加強部以迫使相對應的殼體側部停留在第一振蕩模式中，其中所述第二殼體包括端梁和聯接到所述端梁的殼體側部，并且其中所述第二殼體的殼體側部中的至少一個包括加強部以迫使相對應的殼體側部停留在第一振蕩模式中。
12.根據權利要求9所述的陣列，其特征在于，所述一個或多個低頻海洋地震振動器的第一共振頻率在所述操作頻率范圍的下端的兩倍頻程內，并且其中所述一個或多個低頻海洋地震振動器的第二共振頻率在所述第一共振頻率的四倍頻程內。
13.根據權利要求9所述的陣列，其特征在于，還包括一個或多個額外的海洋地震振動器，其具有從約IOOHz到約200Hz的操作頻率。
14.根據權利要求 9所述的陣列，其特征在于，所述陣列包括四個所述低頻海洋地震振動器和八個所述高頻海洋振動器。
15.根據權利要求9所述的陣列，其特征在于，還包括位于勘測船只上的空氣供應，以用于供應空氣以在所述低頻海洋振動器和高頻海洋振動器中進行壓力補償。
16.一種用于地下地震勘探的方法，包括: 在水體中拖曳海洋地震振動器，所述海洋地震振動器包括:殼體；驅動器，其安置于所述殼體內并且具有第一端和第二端；以及彈簧元件，其在所述驅動器的第一端與第二端之間聯接到所述殼體； 在所述水體中操作所述海洋地震振動器，其中所述殼體提供所述海洋地震振動器的第一共振頻率，并且其中所述彈簧元件具有第二振蕩模式，所述第二振蕩模式提供所述海洋地震振動器的第二共振頻率；以及 檢測源自所述海洋地震振動器的地震信號。
17.根據權利要求16所述的方法,其特征在于,在所述殼體的殼體側部上的一個或多個加強部迫使所述殼體側部停留在第一振蕩模式中。
18.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，所述一個或多個加強部包括肋。
19.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，所述海洋地震振動器的第一共振頻率在所述操作頻率范圍的下端的兩倍頻程內，并且其中，所述海洋地震振動器的第二共振頻率在所述第一共振頻率的四倍頻程內。
20.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，所述海洋地震振動器在從約5Hz至約IOOHz的操作頻率范圍內操作。
21.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，拖曳所述海洋地震振動器的步驟包括:在所述水體中拖曳海洋地震振動器的陣列，所述陣列包括具有約5Hz至25Hz的第一操作頻率范圍的低頻海洋地震振動器以及具有約25Hz至約IOOHz的第二操作頻率范圍的高頻海洋地震振動器,所述海洋地震振動器為所述低頻海洋地震振動器之一或者所述高頻海洋地震振動器之一。
22.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，所述低頻海洋地震振動器在約I米至約75米的深度處被拖曳，并且其中，所述高頻海洋地震振動器在約I米至約25米的深度處被拖曳。
23.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，所述陣列包括小于所述低頻和高頻海洋振動器的海洋地震振動器，其能夠將所述陣列的操作頻率擴展到從約5Hz至約200Hz的范圍。
24.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，還包括從船只向所述海洋地震振動器供應空氣以 補償外部水壓。
【文檔編號】G01V1/38GK103984008SQ201410044938
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年2月7日 優先權日:2013年2月8日
【發明者】S.R.L.滕漢恩 申請人:Pgs 地球物理公司
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