海洋地震振动器和使用方法
【专利摘要】实施例涉及用于地震勘测的海洋地震振动器和相关联的使用方法。实施例提供一种海洋地震振动器，包括：壳体，其具有被选择为提供在约1Hz与约300Hz的操作频率范围内的第一共振频率的弹簧常数；驱动器，其安置于壳体内并且具有第一端和第二端；以及弹簧元件，其在驱动器的第一端与第二端之间联接到壳体，其中弹簧元件具有第二振荡模式，该第二振荡模式提供在操作频率范围内的第二共振频率。
【专利说明】海洋地震振动器和使用方法
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求保护2013年2月8日提交的、名称为“Marine Seismic Vibrator Arrayand Method of Use”(海洋地震振动器和使用方法)的美国临时申请N0.61/762，424的权益，该申请的整个公开以引用方式合并到本文中。
【背景技术】
[0002]本发明大体而言涉及海洋地震勘测。更特定而言，在一个或多个实施例中，本发明涉及用于地震勘测的海洋地震振动器和相关联的使用方法。
[0003]海洋勘测技术包括海洋地震勘测，其中，可从地表下方收集地球物理数据。地震勘测应用于矿物和能源勘探和生产以帮助识别含烃地层的位置。地震勘测通�？砂ㄔ谒逅嫦路交蚋浇弦返卣鹪�。一个或多个“拖缆(streamer)”也可由相同或不同船只在水中拖曳。拖缆通常为缆线，其上包括沿着每根缆线的长度在间隔开的位置安置的多个传感器。一些地震勘测将传感器定位于海底缆线或节点上，作为在拖缆上的补充或替代。传感器可被配置成生成与传感器所测量的参数有关的信号。在选定时间，可促动地震源以生成例如地震能量，该地震能量在水中向下行进到地下岩石。与通常在岩石地层之间的边界处的界面相互作用的地震能量可朝向地面返回并且由拖缆上的传感器检测到。所检测的能量可用于推断地下岩石的某些性质，例如结构、矿物组成和流体含量，从而提供对于发现烃类有用的信息。
[0004]目前用于海洋地震勘测中的大部分地震源为脉冲型，其中，曾经做出努力来在尽可能短的时间跨度内生成尽可能多的能量。这些脉冲型源中最常用的是气枪，其通常利用压缩空气来生成声波。脉冲型源的其它示例包括爆炸性和落重型脉冲源。可用于地震勘测的另一类型的地震源包括振动器源，其包括液压动力源、机电振动器、电气海洋地震振动器和采用压电或磁致伸缩材料的源。振动器源通常生成在被称作“扫频(sweep)”或“线性调频脉冲(chirp) ”的模式的频率范围内的振动。
[0005]熟知声波在水中行进并且经过地下地质结构，更高频率的声波可比更低频率的声波更快速地被衰减，并且因此，较低频率的声波能在水中和地质结构中传输比较高频率的声波更远的距离。因此，需要一种在1-1OOHz的频带中操作的强效低频海洋声源。然而，已经使用的脉冲型和振动器源均在20Hz以下可生成极少能量或者不生成能量。此外，低频源通�？删哂薪喜畹男剩乇鹗窃诓荒芑竦昧己玫淖杩蛊ヅ涞那榭鱿�。
[0006]因此，需要用于海洋勘测的改进的地震源。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]这些图示出了本发明的其中一些实施例的某些方面，并且不应当用于限制或限定本发明。
[0008]图1示出了使用海洋地震振动器的海洋地震勘测系统的示例实施例。
[0009]图2示出了海洋地震振动器的示例实施例。[0010]图3a和图3b以截面图示出了海洋地震振动器的示例实施例。
[0011]图4示出了海洋地震振动器的示例实施例的另一视图。
[0012]图5示出了海洋地震振动器的示例实施例的另一视图。
[0013]图6为示出海洋地震振动器的示例实施例的弹簧元件的第一振荡模式的频率模型。
[0014]图7为示出海洋地震振动器的示例实施例的弹簧元件的第二振荡模式的频率模型。
[0015]图8为具有两个共振的一对海洋地震振动器的示例实施方式的模拟振幅谱。
[0016]图9为低频海洋地震振动器的示例实施例的测量振幅谱。
[0017]图10为高频海洋地震振动器的示例实施例的测量振幅谱。
[0018]图11示出了在水体中拖曳海洋地震振动器的示例实施方式。
[0019]图12示出了在水体中拖曳时海洋地震振动器阵列的示例实施方式。
[0020]图13示出了海洋地震振动器阵列的转向控制的示例实施方式。
[0021]图14示出了联接到勘测船只的海洋地震振动器的示例实施方式。
【具体实施方式】
[0022]本发明的实施例针对于海洋地震振动器。与先前开发的海洋地震振动器相比，本文所公开的海洋地震振动器可具有改进的声输出和改进的可靠性。有利地，所公开的海洋地震振动器可提供在地震频带(例如IHz至300Hz之间)的下端中的共振频率。低频声能可以利用低共振频率更高效地生成，因为取消了阻抗的虚部(无功部，reactive)。实施例可包括海洋地震振动器，其具有比之前所用更硬的壳体以便能够维持低共振频率。实施例还可包括使用具有第二共振模式的弹簧元件，第二共振模式提供在地震频带内的第二共振频率。
[0023]图1示出了根据本发明的一个实施例的海洋地震勘测系统2。在图示实施例中，系统2可包括勘测船只4，其沿着水体6 (诸如湖或海洋)的水面移动。勘测船只4上可包括大体上以8示出且在本文中总体上被称作“记录系统”的设备。记录系统8可包括用于检测和对每个地震传感器(在下文中进一步解释)生成的信号进行时间索引记录且用于在选定时间促动海洋地震振动器10的装置(均未单独地示出)。记录系统8还可包括用于确定勘测船只4和各种地震传感器的测地位置的装置(均未单独地示出)。
[0024]如图所示，勘测船只4可拖曳传感器拖缆12。传感器拖缆12可以由该勘测船只4或不同船只在水体6中以选定模式拖曳。如图所示，传感器拖缆12可在勘测船只4后方沿侧向间隔开。“侧向”或“沿侧向”在本文中意指横向于勘测船只4的运动方向。传感器拖缆12可各自例如通过将多个拖缆区段端对端联接而形成，如在美国专利N0.7，142，481中所解释的那样，该公开以引用方式合并到本文中。传感器拖缆12可由拖曳设备16维持在选定模式，诸如提供侧向力以使传感器拖缆12相对于勘测船只4扩展到选定侧向位置的扫雷器或门。传感器拖缆12可具有例如在从约2000米至约12000米或更长的范围内的长度。图1中的传感器拖缆12的配置被提供用来说明本发明的实施例，而并不意图限制本发明。应当指出，虽然本示例示出了四根传感器拖缆12，但本发明可适用于由勘测船只4或任何其它船只拖曳的任何数量的拖缆12。例如，在一些实施例中，可由勘测船只4拖曳多于或少于四根传感器拖缆12，并且拖缆12可沿侧向、竖直地或者既沿侧向也竖直地间隔开。
[0025]传感器拖缆12上可包括在间隔开的位置处的地震传感器14。地震传感器14可为本领域中已知的任何类型的地震传感器，包括例如水听器、地震检波器、粒子速度传感器、粒子移位传感器、粒子加速度传感器或压力梯度传感器。举例而言，响应于在从海洋地震振动器10发射的地震能量已与水底下方的岩石地层(未图示)相互作用之后检测到该能量，地震传感器14可生成响应信号，诸如电或光信号。由地震传感器14生成的信号可传送到记录系统8。
[0026]如图1所示，勘测船只4或不同的船只还可拖曳海洋地震振动器10。在一些实施例中，可使用多个海洋地震振动器10，其可例如由勘测船只4或不同的勘测船只拖曳。尽管仅仅示出了单个海洋地震振动器10，但应了解，可根据特定应用的需要而使用多于一个海洋地震振动器10。源缆线18可将海洋地震振动器10联接到勘测船只。源缆线18可承受拖曳力，并且还可包括电导体(并未单独地示出)，电导体用于从勘测船只4上的记录系统8向地震源10转移电流。源缆线18还可包括信号缆线或光纤，用于向海洋地震振动器10和/或从海洋地震振动器10向记录系统8传输信号。源缆线18还可包括强度构件(并未单独示出)，用于将拖曳力从勘测船只4传输到海洋地震振动器10。源缆线18还可包含例如导管，以用于将空气传输到海洋地震振动器10以用于压力补偿。源缆线18可具有例如在约200米至约2000米或更长的范围内的长度。在一些实施例中，源缆线18可为约900米长且具有约65毫米的外径。在一些实施例中，源缆线18可相对地平行于水体6的水面，而在其它实施例中，源缆线18可利用例如深度控制机构，以将多于一个海洋地震振动器10定位于多个不同深度。
[0027]与在很有限的时间量内传输能量的脉冲型源相比，海洋地震振动器10由于能量随时间的分布而具有减小的环境影响。特别地，海洋地震振动器10可在地震勘测期间具有所传输地震信号的减小的峰值振幅，数据品质极小降低或不降低。例如，通过以例如五秒扫频使用海洋地震振动器10，而不是诸如气枪的脉冲型源，峰值振幅可减小多达30dB或更多。如果使用伪噪音源序列而不仅随着时间推移传播能量而且还随着时间推移传播频率，则峰值振幅可减小另一 20dB或甚至更多。在一些实施例中，峰值振幅可在约IOdB至约40dB的范围内。
[0028]在一些实施例中，海洋地震振动器10可包括弯张壳体型源(flextensionalshell-type source)。在弯张壳体型源的设计中可采用多个参数,其中的几个可涉及壳体本身和驱动器类型。在一些实施例中，海洋地震振动器10可显示在地震频带中的至少两个共振频率，通常在约IHz和约300Hz之间的范围。在一些实施例中，地震频带可在约5Hz与约IOOHz之间。
[0029]可能由海洋地震振动器10经历的总阻抗可如下表达:
Zr=Rr+JXr(式 I)
其中乙为总阻抗，Rr为辐射阻抗，且尤为无功阻抗。
[0030]在海洋地震振动器10的能量转移的分析中，该系统可近似为带挡板的活塞。在将要经历的总阻抗的表达中，带挡板的活塞的辐射阻抗兄可为:
Rr= πa2p0cR1 (x)(式 2)并且无功阻抗可为:
【权利要求】
1.一种海洋地震振动器，包括: 壳体，其具有被选择为提供在约IHz与约300Hz的操作频率范围内的第一共振频率的弹簧常数； 驱动器，其安置于所述壳体内，并且具有第一端和第二端；以及弹簧元件，其在所述驱动器的第一端与第二端之间联接到所述壳体，其中所述弹簧元件具有第二振荡模式，所述第二振荡模式提供在所述操作频率范围内的第二共振频率。
2.根据权利要求1所述的海洋地震振动器，其特征在于，所述壳体包括端梁和铰接地联接到所述端梁的壳体侧部。
3.根据权利要求1所述的海洋地震振动器，其特征在于，所述壳体包括端梁和联接到所述端梁的壳体侧部，并且其中所述壳体侧部中的至少一个包括突伸肋。
4.根据权利要求3所述的海洋地震振动器，其特征在于，所述突伸肋中的一个或多个安置于所述壳体侧部中的至少一个的中线的任一侧上。
5.根据权利要求1所述的海洋地震振动器，其特征在于，所述壳体包括端梁和联接到所述端梁的壳体侧部，并且其中所述壳体侧部各自包括加强部以迫使所述壳体侧部停留在第一振荡模式中。
6.根据权利要求1所述的海洋地震振动器，其特征在于，所述壳体包括端梁，并且所述弹簧元件铰接地联接到所述端梁。
7.根据权利要求1所述的海洋地震振动器，其特征在于，所述海洋地震振动器的第一共振频率在所述操作频率范围的下端的两倍频程内，并且其中所述海洋地震振动器的第二共振频率在所述第一共振频率的四倍频程内。
8.根据权利要求1所述的海洋地震振动器，其特征在于，所述操作频率范围为从约5Hz至约IOOHz。
9.一种海洋地震振动器的阵列，包括: 一个或多个低频海洋地震振动器，其中所述一个或多个低频海洋地震振动器各自包括: 第一壳体，其具有被选择为提供在约5Hz与约25Hz的第一操作频率范围内的第一共振频率的弹簧常数； 第一驱动器，其安置于所述壳体内并且具有第一端和第二端；以及第一弹簧元件，其在所述驱动器的第一端与第二端之间联接到所述壳体；其中所述弹簧元件具有第二振荡模式，所述第二振荡模式提供在所述第一操作频率范围内的第二共振频率；以及 一个或多个高频海洋地震振动器，其中所述一个或多个高频海洋地震振动器各自包括: 第二壳体，其具有被选择为提供在约25Hz至约IOOHz的第二操作频率范围内的第一共振频率的弹簧常数； 第二驱动器，其安置于所述壳体内并且具有第一端和第二端；以及第二弹簧元件，其在所述驱动器的第一端与第二端之间联接到所述壳体；其中所述弹簧元件具有第二振荡模式，所述第二振荡模式提供在所述第二操作频率范围内的第二共振频率。
10.根据权利要求9所述的阵列，其特征在于，所述第一壳体包括端梁和联接到所述端梁的壳体侧部，其中所述第一壳体的壳体侧部中的至少一个包括突伸肋，其中所述第二壳体包括端梁和联接到所述端梁的壳体侧部，其中所述第二壳体的壳体侧部中的至少一个包括突伸肋。
11.根据权利要求9所述的阵列，其特征在于，所述第一壳体包括端梁和联接到所述端梁的壳体侧部，其中所述第一壳体的壳体侧部中的至少一个包括加强部以迫使相对应的壳体侧部停留在第一振荡模式中，其中所述第二壳体包括端梁和联接到所述端梁的壳体侧部，并且其中所述第二壳体的壳体侧部中的至少一个包括加强部以迫使相对应的壳体侧部停留在第一振荡模式中。
12.根据权利要求9所述的阵列，其特征在于，所述一个或多个低频海洋地震振动器的第一共振频率在所述操作频率范围的下端的两倍频程内，并且其中所述一个或多个低频海洋地震振动器的第二共振频率在所述第一共振频率的四倍频程内。
13.根据权利要求9所述的阵列，其特征在于，还包括一个或多个额外的海洋地震振动器，其具有从约IOOHz到约200Hz的操作频率。
14.根据权利要求 9所述的阵列，其特征在于，所述阵列包括四个所述低频海洋地震振动器和八个所述高频海洋振动器。
15.根据权利要求9所述的阵列，其特征在于，还包括位于勘测船只上的空气供应，以用于供应空气以在所述低频海洋振动器和高频海洋振动器中进行压力补偿。
16.一种用于地下地震勘探的方法，包括: 在水体中拖曳海洋地震振动器，所述海洋地震振动器包括:壳体；驱动器，其安置于所述壳体内并且具有第一端和第二端；以及弹簧元件，其在所述驱动器的第一端与第二端之间联接到所述壳体； 在所述水体中操作所述海洋地震振动器，其中所述壳体提供所述海洋地震振动器的第一共振频率，并且其中所述弹簧元件具有第二振荡模式，所述第二振荡模式提供所述海洋地震振动器的第二共振频率；以及 检测源自所述海洋地震振动器的地震信号。
17.根据权利要求16所述的方法,其特征在于,在所述壳体的壳体侧部上的一个或多个加强部迫使所述壳体侧部停留在第一振荡模式中。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述一个或多个加强部包括肋。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述海洋地震振动器的第一共振频率在所述操作频率范围的下端的两倍频程内，并且其中，所述海洋地震振动器的第二共振频率在所述第一共振频率的四倍频程内。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述海洋地震振动器在从约5Hz至约IOOHz的操作频率范围内操作。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，拖曳所述海洋地震振动器的步骤包括:在所述水体中拖曳海洋地震振动器的阵列，所述阵列包括具有约5Hz至25Hz的第一操作频率范围的低频海洋地震振动器以及具有约25Hz至约IOOHz的第二操作频率范围的高频海洋地震振动器,所述海洋地震振动器为所述低频海洋地震振动器之一或者所述高频海洋地震振动器之一。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述低频海洋地震振动器在约I米至约75米的深度处被拖曳，并且其中，所述高频海洋地震振动器在约I米至约25米的深度处被拖曳。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述阵列包括小于所述低频和高频海洋振动器的海洋地震振动器，其能够将所述阵列的操作频率扩展到从约5Hz至约200Hz的范围。
24.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括从船只向所述海洋地震振动器供应空气以 补偿外部水压。
【文档编号】G01V1/38GK103984008SQ201410044938
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年2月7日 优先权日:2013年2月8日
【发明者】S.R.L.滕汉恩 申请人:Pgs 地球物理公司
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