СВИПИРОВАНИЕ ДЛЯ МОРСКИХ ВИБРАТОРОВ Российский патент 2015 года по МПК G01V1/38 G01V1/02 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к области сейсмической разведки для обнаружения месторождений нефти и газа и, в частности, к морской сейсмической разведке с помощью морских вибраторов, но не ограничивается этим.

[0002] Сейсмическая разведка включает разведку подземных геологических формаций для обнаружения залежей углеводородов. Разведка может включать размещение сейсмического источника (источников) и сейсмических датчиков в заданных местах. Эти источники генерируют сейсмические волны, которые распространяются в геологические формации, создавая по пути вибрации и изменения давления. Изменения упругих свойств геологической формации рассеивают эти сейсмические волны, изменяя направление их распространения и другие свойства. Часть энергии, излучаемой источниками, достигает сейсмических датчиков. Некоторые сейсмические датчики чувствительны к изменениям давления (гидрофоны), а другие чувствительны к движению частиц (геофоны); при этом для разведки в промышленных масштабах можно применять датчики одного типа или датчики обоих типов. Реагируя на обнаруженные сейсмические события, эти датчики генерируют электрические сигналы для создания сейсмической информации. Последующий анализ этой сейсмической информации может показать наличие или отсутствие возможных мест расположения залежей углеводородов.

[0003] Некоторые виды разведки известны как "морская" разведка, поскольку их осуществляют в морской среде. Однако "морскую" разведку можно осуществлять не только в средах с соленой водой, но и в пресной или в подсоленной воде. В одном типе морской разведки, называемом "разведкой на буксируемой сейсмической установке", исследовательское судно буксирует систему из сейсмических кос, содержащих сейсмические датчики, и источников. В одном типе морской разведки, называемом "определение морского вертикального сейсмического профиля (морского ВСП)", комплект датчиков размещается в скважине, а сейсмический источник либо перемещается (например, буксируется судном), либо располагается неподвижно (например, подвешен к такой конструкции как буровой агрегат). В одном типе морской разведки, где применяются как гидрофоны, так и геофоны, называемом "донная коса (ДК)", датчики укладывают на дно моря. В морской разведке другого типа датчики размещаются другими способами, а сейсмический источник устанавливают в воде определенным способом, где датчики или источники могут быть подвижными или неподвижными. Другие типы разведки называются "наземными" типами разведки, поскольку они осуществляются в наземной среде. При наземной разведке в качестве источников могут применяться динамит или сейсмические вибраторы. На земле укладывают систему кабелей, содержащих сейсмические датчики, для приема сейсмических сигналов. Эти сейсмические сигналы можно преобразовывать, приводить в цифровой вид, записывать или передавать от датчиков к носителям информации и/или средствам обработки, расположенным поблизости, например к передвижной геофизической лаборатории. При наземной разведке можно также применять беспроводные приемники, позволяющие избежать ограничений, характерных для применения кабелей. Сейсмическую разведку можно также осуществлять в зонах между сушей и морем, называемых "переходными зонами".

[0004] Теоретически при проведении морской сейсмической разведки источниками могут быть импульсные источники (например, пневмопушки) или источники непрерывного действия (например, морские сейсмические вибраторы). Однако на практике морские сейсмические вибраторы обычно не применяют. Существует потребность сделать морские сейсмические вибраторы еще одним применимым на практике типом источника для морской сейсмической разведки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] Данное описание сущности изобретения предназначено для представления выбора концепций, описанных более детально ниже в подробном описании изобретения. Это описание сущности изобретения не имеет целью определить ключевые или наиболее важные особенности предмета обсуждения и не служит для ограничения объема заявленного предмета обсуждения.

[0006] Данное раскрытие касается способов и аппаратуры для морской сейсмической разведки, где в качестве источника применяется морской сейсмический вибратор. Способы, представленные в вариантах воплощения настоящего изобретения, включают применение функции свипирования для морского сейсмического вибратора, базирующейся на требовании к качеству, а не на требовании соответствия выходной энергии морского сейсмического вибратора выходной энергии пневмопушки или на требовании обеспечить равномерный спектр. Основой требования к качеству может быть качество конечного изображения (отношение сигнала к шуму или подобный параметр) и/или параметр/качество воздействия на окружающую среду (например, уровень шума, воздействие на морскую фауну и/или подобные факторы).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Варианты воплощения настоящего изобретения описаны со ссылками на поданные ниже фигуры. На всех фигурах для обозначения одинаковых особенностей и компонентов используются одинаковые номера позиций. Способы и аппаратуру по настоящему изобретению можно лучше понять, рассматривая поданное ниже подробное описание некоторых вариантов воплощения изобретения в совокупности с прилагающимися чертежами.

[0008] На фиг.1 представлена сейсморегистрирующая система в морской среде.

[0009] На фиг.2 представлена энергия Em(f) одночастотного выходного сигнала морского вибратора.

[0010] На фиг.3 представлен пример отношений сигнала к шуму (ОСШ) на двумерном сейсмическом изображении при различных глубинах на изображении.

[0011] На фиг.4 представлены несколько функций свипирования.

[0012] На фиг.5 представлены несколько функций свипирования и их ОСШ.

[0013] На фиг.6 представлено схематичное изображение компьютерной системы, которая может применяться для воплощения некоторых из описанных здесь способов.

[0014] На фиг.7 представлена блок-схема способа в соответствии с одним из вариантов воплощения изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0015] Далее будут подробно описаны варианты воплощения изобретения, примеры которых представлены на прилагающихся чертежах и фигурах. В этом подробном описании многочисленные конкретные детали показаны для того, чтобы предоставить полное понимание сущности изобретения. Однако специалисту обычного уровня квалификации в данной области будет понятно, что данное изобретение может быть воплощено на практике и без этих конкретных деталей. В других случаях общеизвестные способы, процедуры и системы не описаны подробно, чтобы не усложнять рассмотрение некоторых аспектов изобретения.

[0016] Следует также понимать, что хотя для описания различных элементов используются такие термины, как "первый", "второй" и т.п., однако эти термины не являются ограничивающими применительно к этим элементам. Они применяются только для того, чтобы отличать один элемент от другого. Например, первый объект или этап можно назвать вторым объектом или этапом, аналогично второй объект или этап можно назвать первым объектом или этапом. Как первый объект или этап, так и второй объект или этап оба являются, соответственно, объектами или этапами, но их нельзя рассматривать как один и тот же объект или этап.

[0017] Терминология, применяемая в данном описании изобретения, предназначена только для описания конкретных вариантов воплощения изобретения и не ограничивает сущность изобретения. Применительно к описанию настоящего изобретения и прилагающейся формуле изобретения, существительные, указанные в единственном числе, подразумевают также и множественное число, если в контексте однозначно не указано иное. Следует также понимать, что применяемый здесь термин "и/или" предусматривает и охватывает любые и все возможные комбинации одного или более соответствующих перечисленных компонентов. Следует также понимать, что применяемые здесь термины "включает", "включающий", "содержит" и/или "содержащий", применительно к данному описанию, означают присутствие указанных особенностей, единиц, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличия или прибавления одной или более других особенностей, единиц, этапов, операций, элементов, компонентов и/или их групп.

[0018] Применительно к данному описанию термин "если", в зависимости от контекста, может означать "когда", или "после того как", или "в качестве реакции на определение", или "в качестве реакции на обнаружение". Аналогично фраза "если определено, что" или "если [заданное состояние или событие] обнаружено", в зависимости от контекста, может означать "после определения" или "в качестве реакции на определение", "после обнаружения [заданного состояния или события]" или "в качестве реакции на обнаружение [заданного состояния или события]".

[0019] Кроме того, следует отметить, что варианты воплощения изобретения можно описать как процесс, показанный в виде блок-схемы, функциональной диаграммы, диаграммы информационных потоков, структурной схемы или функциональной схемы. На блок-схеме операции могут быть показаны в виде последовательного процесса, однако многие операции могут выполняться параллельно или одновременно. Кроме того, может быть изменен порядок выполнения операций. Процесс прекращается с завершением выполнения его операций, однако могут быть и дополнительные этапы, не показанные на фигуре. Процесс может соответствовать способу, функции, процедуре, подпрограмме и т.п. Если процесс соответствует функции, то его прекращение соответствует возврату функции к вызывающей функции или к основной функции.

[0020] Кроме того, применительно к данному описанию термин "запоминающая среда" может представлять собой одно или более устройств для хранения данных, включая постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ), магнитное ЗУПВ, оперативную память, носители информации на магнитных дисках, оптические запоминающие устройства, устройства флэш-памяти и/или другие машиночитаемые носители информации. Термин "машиночитаемый носитель" включает, среди прочего, портативные или стационарные устройства хранения информации, оптические устройства хранения информации, беспроводные каналы и различные другие среды, способные записывать, хранить и содержать инструкцию (инструкции) и/или данные.

[0021] На фиг.1 показана сейсморегистрирующая система 10 морского базирования. В системе 10 исследовательское судно 20 буксирует одну или более сейсмических кос 30 (на фиг.1 показана одна сейсмическая коса 30), располагающихся за судном 20. Следует отметить, что сейсмические косы 30 можно располагать таким образом, чтобы множество сейсмических кос 30 во время буксировки располагались в одной плоскости на одной глубине. В качестве другого неограничивающего примера предусматривается буксировка сейсмических кос на множестве разных глубин, например выше/ниже основной линии.

[0022] Длина сейсмических кос 30 может составлять несколько тысяч метров, они могут содержать различные опорные тросы (не показано), а также соединительные провода и/или цепи (не показано), с помощью которых может поддерживаться связь вдоль сейсмических кос 30. Обычно каждая сейсмическая коса 30 содержит основной трос, в который вмонтированы сейсмические датчики 58, которые записывают сейсмические сигналы. Сейсмические косы 30 содержат сейсмические датчики 58, которые могут быть гидрофонами, принимающими информацию о давлении, геофонами, принимающими информацию о движении, или многокомпонентными датчиками. Например, датчики 58 могут быть многокомпонентными датчиками, при этом каждый такой датчик способен детектировать волновое поле давления и по меньшей мере одну компоненту движения частицы, связанную с акустическими сигналами вблизи датчика. Примеры компонент движения частиц включают одну или более компонент смещения частицы, одну или более компонент (продольную (x), поперечную (y) и вертикальную (z) компоненты (см., например, оси 59)) скорости частицы, а также одну или более компонент ускорения частицы.

[0023] Многокомпонентный сейсмический датчик может включать один или более гидрофонов, геофонов, датчиков смещения частиц, датчиков скорости частиц, акселерометров, датчиков перепада давления, и/или подобное, и/или их комбинации.

[0024] Морская сейсморегистрирующая система 10 содержит один или более сейсмических источников 40 (на фиг.1 показаны два сейсмических источника 40), например пневмопушек или других источников. Эти сейсмические источники 40 могут быть связаны с исследовательским судном 20 или буксироваться этим судном. Сейсмические источники 40 могут работать независимо от исследовательского судна 20, то есть эти источники 40 можно прикреплять, в качестве нескольких примеров, к другим суднам или буям и т.п.

[0025] По мере того как исследовательское судно 20 буксирует сейсмические косы 30 за собой, сейсмические источники 40 генерируют акустические сигналы 42 (акустический сигнал 42, показанный на фиг.1), которые часто называют "выстрелами", и направляют их вниз через водяной столб 44 в слои 62 и 68 под нижней поверхностью воды 24. Затем эти акустические сигналы 42 отражаются от различных подземных геологических формаций, например от показанной на фиг.1 формации 65.

[0026] Падающие акустические сигналы 42, генерируемые источниками 40, приводят к образованию соответствующих отраженных акустических сигналов или волн давления 60, которые детектируются сейсмическими датчиками 58. Следует отметить, что волны давления, принимаемые и детектируемые сейсмическими датчиками 58, включают в себя "поднимающиеся" волны давления, движущиеся к датчикам 58, не отражаясь от границы раздела воздух-вода 31, а также "опускающиеся" волны давления, образованные отражениями волн давления 60 от границы раздела воздух-вода 31.

[0027] Сейсмические датчики 58 генерируют сигналы (например, цифровые сигналы), именуемые "следами", соответствующие измеренным значениям волнового поля давления и движения частиц. Следует отметить, что, хотя физическое волновое поле непрерывно в пространстве и во времени, следы записываются в дискретных точках пространства, что может привести к пространственному искажению. Эти следы записываются и могут по меньшей мере частично обрабатываться устройством обработки сигналов в блоке 23, установленном на исследовательском судне 20, в соответствии с некоторыми вариантами воплощения изобретения. Например, конкретный сейсмический датчик 58 может дать след, соответствующий значению волнового поля давления, полученному его гидрофоном; датчик 58 может также дать (в зависимости от конфигурации этого датчика) один или более следов, соответствующих одной или нескольким компонентам движения частицы.

[0028] Одна из целей сейсмической разведки состоит в том, чтобы построить изображение разведываемой области для того, чтобы идентифицировать подземные геологические формации, например геологическую формацию 65. Последующий анализ этого изображения может показать места возможных залежей углеводородов в подземных геологических формациях. В зависимости от конкретной схемы разведки части анализа изображения могут осуществляться на сейсмическом исследовательском судне 20, например, с помощью устройства обработки сигналов в блоке 23. В других схемах разведки обработку изображения может осуществлять система обработки сейсмических данных (например, система 600 обработки сейсмических данных, показанная на фиг.6 и описанная ниже), которая может быть расположена, например, в офисе на суше или на судне 20.

[0029] Конкретный сейсмический источник 40 может быть сформирован в виде системы элементов сейсмического источника (например, пневмопушек или морских сейсмических вибраторов), которые могут располагаться вереницами (например, вереницами пушек) в этой системе. Конкретный сейсмический источник 40 также может быть образован из одной пневмопушки или системы из заданного количества пневмопушек, а может быть сформирован из множества таких систем и т.д. Независимо от конкретного состава сейсмических источников эти источники в процессе разведки могут выстреливать в конкретной временной последовательности.

[0030] Теоретически для сейсмической разведки можно применять импульсные источники или источники непрерывного действия. На практике при проведении наземной сейсмической разведки действительно применяют и импульсные источники, и источники непрерывного действия. Однако при проведении морской сейсмической разведки в промышленных масштабах источники непрерывного действия (например, морские сейсмические вибраторы) почти никогда не применяются. Многие характеристики морских сейсмических вибраторов препятствуют их практическому применению в качестве сейсмических источников. Одной из таких характеристик является слабая акустическая мощность морских сейсмических вибраторов по сравнению с пневмопушками, в особенности на низких частотах. Результатом слабой мощности на низких частотах при проведении сейсмической разведки может быть ухудшение сейсмических изображений до недопустимого уровня. Однако эта же характеристика морских сейсмических вибраторов - их слабая мощность - означает, что в процессе разведки морские сейсмические вибраторы оказывают незначительное воздействие на окружающую среду, а это является преимуществом с точки зрения охраны окружающей среды, в особенности для защиты морской фауны, что является одной из проблем при проведении сейсмической разведки. В отличие от импульсных источников (например, пневмопушек), которые могут испускать импульс, охватывающий сразу весь спектр, вибратор может осуществлять вибрацию последовательно на каждой отдельной частоте спектра, в результате чего энергия такого источника охватывает весь спектр. Количество времени, требующееся вибратору для того, чтобы осуществить свипирование по всему спектру, ограничено производственными или эксплуатационными требованиями. Эти ограничения также могут касаться полного значения энергии, генерируемой морскими сейсмическими вибраторами, по всему спектру частот.

[0031] Другим аспектом, ограничивающим возможность применения морских сейсмических вибраторов для морской сейсмической разведки, является сложность процесса воспроизведения морским сейсмическим вибратором энергетического выходного спектра, соответствующего спектру традиционной системы пневмопушек. До настоящего времени применение морских сейсмических вибраторов не было желательным, практичным и/или осуществимым вследствие необходимости сложной организации, например в виде системы и способа, раскрытых в патенте Соединенных Штатов 6942059, озаглавленном "Морская вибросейсмическая система с комбинированной полосой пропускания", принадлежащем подателю данной заявки, предназначенной создать такую конфигурацию морского сейсмического вибратора, которая позволила бы обеспечить параметры его выходного сигнала/свипирования, эквивалентные таким параметрам пневмопушки или системы пневмопушек.

[0032] На фиг.2 показан, с целью иллюстрации, пример энергетического спектра Em(f) одночастотного выходного сигнала морского сейсмического вибратора. Выходная мощность является практически постоянной на частотах, превышающих определенную частоту завала. В этом примере такой частотой является приблизительно 10 Гц. На частотах ниже этой частоты завала выходная мощность падает и в конце концов становится недостаточной для сейсмической разведки. Этот завал может быть обусловлен ограниченным рабочим диапазоном вибратора и может быть пропорционален квадрату частоты. Для сейсмической разведки все же может понадобиться часть диапазона (например, несколько Гц) ниже этой частоты завала (например, 10 Гц). Горизонтальный участок кривой в области выше частоты завала может быть обусловлен ограничениями в механизме, управляющем работой вибратора. Показанный здесь энергетический спектр выходного сигнала морского сейсмического вибратора сильно отличается от энергетического спектра обычной пушки, один из которых показан на фиг.5 кривой 535 и будет рассмотрен позже. С помощью морского сейсмического вибратора трудно получить такой же энергетический спектр, как у пневмопушки.

[0033] На фиг.3 показаны некоторые значения ОСШ в сейсмическом изображении, где данные были получены с помощью системы пневматических пушек. Здесь иллюстрируются соотношения между качеством сейсмического изображения и различными параметрами процесса получения сейсмических данных. Эти данные были взяты из традиционного двумерного сейсмического профиля, полученного в Мексиканском заливе с помощью системы пневмопушек. Этот же самый профиль был получен также без выстрелов пневмопушек (пассивный участок, с использованием только шума), в результате чего с помощью того же процесса обработки можно было создать изображение фонового шума. Данные изображения разделили по односекундным окнам в зависимости от целевой глубины в терминах TWT (TWT = двойное время пробега, то есть время прохождения сигнала от источника до цели и от цели до приемника). Данные односекундных окон изображения преобразованы в частотный диапазон, а затем поделены на спектры шумов, чтобы получить значения ОСШ, как показано на фиг.3. Каждая кривая (302-307) демонстрирует значения ОСШ для изображения в односекундном окне, например кривая 302 - для окна с TWT в 2-3 секунды, кривая 303 - для окна с TWT в 3-4 секунды, кривая 304 - для окна с TWT в 4-5 секунд, кривая 305 - для окна с TWT в 5-6 секунд, кривая 306 - для окна с TWT в 6-7 секунд, а кривая 307 - для окна с TWT в 7-8 секунд. Изображением хорошего качества часто может считаться изображение с минимальным значением ОСШ приблизительно в 20 децибел (дБ). Значение ОСШ ниже 20 дБ в некоторых частях спектра может ухудшить сейсмическое изображение порой до неприемлемого уровня, в то же время значение ОСШ, значительно превышающее 20 дБ в других частях, может не дать никакого преимущества для результирующего сейсмического изображения в целом. Например, для TWT в 4-5 секунд (304) на частоте 40 герц (Гц) превышение выходного сигнала над шумом составляет 32 дБ, что на 12 дБ больше, чем требуется для получения качественного изображения с требованием 20 дБ. Для мелких целей (например, с TWT менее 4 секунд) значение ОСШ в 20 дБ обеспечивается в довольно большом диапазоне (в данном примере - от приблизительно 12 Гц и выше). Для целей с TWT в 4-5 секунд (304), например, значение ОСШ в 20 дБ обеспечивается в диапазоне приблизительно между 15 Гц и 70 Гц. Если цели расположены на большей глубине (305, 306 или 307), значение ОСШ будет недостаточным для достижения уровня качества в 20 дБ. Если для мелких целей значения ОСШ сильно превышают требуемое для качественного изображения, то для более глубоких целей (с TWT свыше 6 секунд) значение ОСШ может оказаться недостаточным.

[0034] Из информации на фиг.3, где источником является пневмопушка, можно увидеть, что плотность энергии распределяется неравномерно. На высокочастотном краю спектра пневмопушка дает больше энергии, чем необходимо для получения изображения с достаточным качеством, т.е. с требуемым значением ОСШ. Энергетический спектр пневмопушки не является оптимальным для получения сейсмических изображений. Следовательно, для получения сейсмического изображения с заданным качеством изображения не требуется сравнивать спектр плотности энергии вибратора со спектром плотности энергии пневматических пушек. Другими словами, в случае применения морских вибраторов их спектры не обязательно должны соответствовать спектрам пневмопушек. В вариантах воплощения настоящего изобретения морские сейсмические вибраторы можно использовать для получения определенной спектральной энергетической плотности, исходя из результирующего качества сейсмического изображения, а не из спектральных характеристик пневмопушки. В вариантах воплощения настоящего изобретения такое основанное на качестве изображения распределение энергии по спектру или функции свипирования могут быть более полезными и эффективными.

[0035] Согласно настоящему изобретению работа морского сейсмического вибратора (вибраторов) может осуществляться/контролироваться таким образом, чтобы осуществлять сейсмическое свипирование/функцию свипирования с конфигурацией, позволяющей получать требуемое качество и/или базируясь на нем, а не на требовании соответствия выходной энергии типичной системы пневмопушек или создания стандартного равномерного спектра. В соответствии со способами и аппаратурой, описанными ниже, путем создания конфигурации морских сейсмических вибраторов, исходя из требования к качеству изображений или другого требования к качеству, можно сделать морской вибратор способным обеспечивать достаточное количество энергии для сейсмической разведки. В рассмотренных ниже аспектах этих способов функция свипирования для морского сейсмического вибратора может быть разработана, исходя из требования к качеству изображения и/или требований, касающихся воздействия на окружающую среду. Таким путем можно создать конфигурацию морского сейсмического вибратора, позволяющую осуществлять сейсмическое свипирование с более благоприятным воздействием на окружающую среду, чем источник в виде пневмопушки. Кроме того, в некоторых вариантах воплощения изобретения параметры свипирования в процессе сейсмической разведки можно изменять по мере изменения условий шума и/или воздействия на окружающую среду.

[0036] Для упрощения дальнейшего рассмотрения качество изображения, определяемое значением ОСШ, будет задано условным уровнем, например, 18 дБ. В зависимости от требований или дальнейшего применения результирующего изображения этот уровень ОСШ, определяющий качество изображения, можно установить более высоким (например, 20 дБ, как использовалось ранее) или более низким. Можно определить функции свипирования, которые дадут такое значение ОСШ в пределах как можно более широкого диапазона частот. Значение ОСШ можно по выбору сделать функцией частоты.

[0037] На фиг.4 показаны три функции свипирования для морских вибраторов, а на фиг.5 показаны их соответствующие энергетические кривые в терминах ОСШ. На фиг.4 по горизонтальной оси отсчитывается время (в секундах) в линейном масштабе, а по вертикальной оси - частота (Гц) в логарифмическом масштабе. Синяя кривая 410 иллюстрирует линейное свипирование (то есть означающее, что частота является линейной функцией времени), являющееся традиционной схемой свипирования для вибраторов; красная кривая 420 - это свипирование, соответствующее спектральной характеристике пневмопушки, а оранжевая кривая 430 - это свипирование, основанное на требовании, чтобы значение ОСШ на изображении составляло 18 дБ. Свипирование согласно оранжевой кривой 430 соответствует заданному требованию относительно ОСШ на требуемой/определенной глубине цели и/или минимизирует излучение избыточной акустической энергии. Путем свипирования согласно оранжевой кривой 430 вибраторы могут дать лучшее качество изображения среди трех кривых свипирования 410, 420 и 430. Кроме того, синергетически, свипирование в режиме, представленном оранжевой кривой 430, в меньшей степени воздействует на окружающую среду, чем два других.

[0038] На фиг.5 показаны эквивалентные уровни энергии источника в дБ для режимов свипирования, показанных на фиг.4, а также уровень энергии фонового шума. Горизонтальная ось - это частота в Гц в логарифмическом масштабе, а вертикальная ось - это уровень энергии источника в дБ. Черной пунктирной кривой 502 показан энергетический спектр фонового шума, эквивалентный измеренному в примерах, показанных на фиг.3. Обработка данных от источника шума этого же уровня дает такое же изображение шума, как на фиг.3. Для достижения постоянного качества изображения с 18 дБ энергетическая кривая источника может быть оранжевой пунктирной кривой 532, превышающей кривую фонового шума 502 на 18 дБ. Сплошной синей кривой 510 показано линейное свипирование; сплошной красной кривой 520 - свипирование, стремящееся соответствовать энергетическому спектру пневмопушки, который представлен пунктирной красной кривой 535, выходящей за оба края сплошной красной кривой 520. Вследствие того что время свипирования в этом примере ограничено 5 секундами, морской сейсмический вибратор может не охватить весь спектр 535 пневмопушки. В некоторых операциях для получения информации от более глубоких целей свипирование может длиться 10, 15 секунд или дольше. В этих случаях полоса частот также может быть расширена в сторону низких частот, или в сторону высоких частот, или в обе стороны. Сплошная оранжевая кривая 530 представляет собой свипирование, осуществляемое согласно кривой для ОСШ 18 дБ. На фиг.5 показана спектральная энергетическая плотность для целей с TWT в 4-5секунд.

[0039] При известном уровне фонового шума, показанном черной пунктирной кривой 502, свипирование, обеспечивающее постоянное значение ОСШ, представляет собой просто оранжевую пунктирную кривую 532, полученную путем прибавления требуемого ОСШ, т.е. 18 дБ, к фоновому шуму. Фоновый шум 502, как показано в этом примере, содержит большой барьер на частоте, превышающей приблизительно 80 Гц, являющийся результатом глубины, на которой находился источник, применявшийся в испытании для получения информации согласно фиг.3, а также демонстрирует стабильный подъем при снижении частоты ниже приблизительно 20 Гц. Уровень шума 502 источника - это такой уровень, который в случае его излучения источником и последующей переработки в изображение, аналогичной переработке сигнала, дал бы изображение уровня шума, соответствующее уровню, наблюдаемому на изображении испытания, в результате которого получены кривые на фиг.3. Кривая 502 является изображением шума, показанным как уровень эквивалентного источника.

[0040] При линейном свипировании 510 (синяя линия) энергия распределяется по более широкому диапазону приблизительно от 5 Гц до 83 Гц. Однако диапазон частот, в котором значение ОСШ сохраняется на уровне 18 дБ, составляет приблизительно 19-80 Гц. На низкочастотном краю значение энергии источника удерживается стабильным приблизительно до 10 Гц, а затем снижается, в то время как энергия шума стабильно увеличивается; значение ОСШ на низких частотах быстро снижается. В одном из вариантов воплощения настоящего изобретения в случае применения этого типа свипирования для сейсмической разведки рабочий диапазон частот составляет приблизительно 19-80 Гц. Кривая свипирования 517 внизу фиг.5 иллюстрирует, что свипирование охватывает весь диапазон частот от 5 Гц до 83 Гц с равными затратами времени на всех участках.

[0041] В режиме свипирования 520, имитирующем спектр пневмопушки (красная линия), энергия источника не падает по мере снижения частоты на низкочастотном краю. Для того чтобы охватить весь спектр, не выходя за пределы 5-секундной длительности свипирования, диапазон охватываемых частот должен быть меньше, чем при линейном свипировании 510. В этом случае диапазон свипирования составляет приблизительно от 12 Гц до 70 Гц (см. нижнюю красную линию 527). В процессе практически всего процесса свипирования ОСШ превышает заданное значение 18 дБ. Диапазон используемых частот в низкочастотной области расширяется до значения 12 Гц в отличие от 19 Гц при линейном свипировании 517. В случае применения реальной пневмопушки спектр расширился бы до соответствия пунктирной линии 535, заканчивающейся приблизительно на частоте 5 Гц. Спектральный диапазон увеличится, но используемый спектральный диапазон (т.е. участок диапазона с соблюдением требования, чтобы ОСШ превышало 18 дБ) в этом примере останется практически тем же самым.

[0042] В случае свипирования 530, обеспечивающего постоянное значение ОСШ (оранжевая линия 530), полоса покрываемых частот будет самой широкой - приблизительно от 9,5 Гц до 70 Гц. В этом случае львиная доля длительности свипирования будет посвящена прохождению низкочастотного края, где потребность в энергии наибольшая, а мощность вибратора наиболее ограничена. Например, вибратору требуется одна секунда только для того, чтобы пройти полосу самых низких частот приблизительно от 9,5 Гц до 10 Гц, и 4 секунды для прохождения всех частот ниже 16 Гц, в то же время полоса более высоких частот 16-70 Гц проходится за одну секунду. В этом режиме свипирования 530 используемый диапазон частот составляет приблизительно от 9,5 Гц до 70 Гц. Низкочастотный край расширяется до значения ниже 10 Гц в отличие от свипирования в режиме пневмопушки 520, где он составляет 12 Гц, и линейного свипирования 510, где он составляет 19 Гц.

[0043] Свипирование 530 является в высокой степени нелинейным. В этом примере вибратор затрачивает 4,2 секунды (приблизительно 85% от всей 5-секундной длительности свипирования) на прохождение низкочастотной полосы 9,5-18 Гц (8,5 Гц или приблизительно 15% от всей полосы шириной 61,5 Гц); а на прохождение оставшейся полосы более высоких частот 18-70 Гц (52 Гц или приблизительно 85% от всей полосы шириной 61,5 Гц) затрачивает 0,8 секунд (приблизительно 15% длительности свипирования).

[0044] Свипирование 530 сильно отличается от режима работы морского сейсмического вибратора, когда он используется для осуществления традиционного линейного свипирования 510 или свипирования 520, предназначенного соответствовать работе системы пневматических пушек (красная линия). При осуществлении последних двух вариантов свипирования 510 и 520 с помощью морского сейсмического вибратора излучается слишком много энергии на средних и высоких частотах, например на частотах свыше 17 Гц. На низких частотах, например ниже приблизительно 17 Гц, в процессе свипирования 510 и 520 излучается слишком мало энергии. Эти режимы свипирования не обеспечивают необходимого/требуемого значения ОСШ по диапазону используемых частот.

[0045] В примерах, представленных на фиг.4 и 5, длительность свипирования ограничена 5 секундами. Увеличение длительности свипирования позволит увеличить количество доступной энергии и расширить охватываемый диапазон частот.

[0046] В одном из вариантов воплощения настоящего изобретения способ 700 можно коротко изобразить в виде блок-схемы, показанной на фиг.7. Способ 700, в котором применяется морской сейсмический вибратор, может осуществляться следующим образом:

• получение требования к качеству, например значения ОСШ, превышающего фоновый шум на изображении, по полосе частот, используемых для получения изображения (710);

• установка функции свипирования, исходя из требований к качеству изображения, например соответствия энергетической кривой, превышающей фоновый шум на 18 дБ (720);

• управление работой вибратора в соответствии с функцией свипирования (730) и сбор данных.

[0047] Требование к качеству может представлять собой требование к качеству окончательного изображения, например, в виде заданного значения ОСШ. Требование к качеству может быть задано в виде набора функций частот, необязательно связанных с ОСШ. Требование к качеству может быть требованием, касающимся воздействия на окружающую среду, например предельным значением энергии, излучаемой в определенном частотном диапазоне, с целью защиты морских млекопитающих или предельным значением избыточной излучаемой энергии. При использовании значения ОСШ значение фонового шума изображения можно получить путем прямого измерения уровня шума и аппроксимации к способу обработки, как в описанном выше примере, или из опыта предыдущих исследований в аналогичной области проведения разведки, с аналогичными погодными условиями и оборудованием для проведения разведки. Прямое измерение можно осуществлять до проведения разведки, как в описанном выше примере. Прямое измерение шума можно также осуществлять в ходе разведки в режиме реального времени, т.е. дать возможность датчикам записывать сигналы в то время, когда источники не активированы. Режим свипирования можно определять, исходя из уровня шума, измеренного в режиме реального времени.

[0048] Уровень фонового шума можно также оценить на основе общей информации, касающейся схемы разведки, с помощью опытов, моделирования и/или другим подобным образом. Требование к качеству может представлять собой компромисс между разными требованиями, например, фактор для расчета свипирования может включать геофизические цели: (1) требуемое для изображения значение ОСШ; (2) нижнее и верхнее предельные значения полосы частот для получения изображения; (3) экологические цели, включая, среди прочего, минимизацию воздействия на окружающую среду, например, путем минимизации излучения избыточной акустической энергии.

[0049] В одном варианте воплощения изобретения разработка режима свипирования для морского сейсмического вибратора/системы морских сейсмических вибраторов может осуществляться до проведения разведки, для чего используются оценочные значения шумового спектра, сейсмического отклика грунта, ОСШ, последовательность обработки и/или требования, касающиеся воздействия на окружающую среду. В других вариантах воплощения изобретения схему свипирования для морского сейсмического вибратора/системы морских сейсмических вибраторов можно вычислить/определить/обработать в процессе проведения разведки, пользуясь записями шумов, ОСШ, характеристиками свипирования и/или подобной измеренной информацией, например, вначале и/или в конце каждого сейсмического свипирования. Таким же способом можно осуществлять ревизию режима свипирования в ходе сейсмической разведки, исходя из конкретных условий шума, наблюдающихся во время разведки. Режим свипирования также можно модифицировать с целью учета варьирующихся местных требований, касающихся воздействия на окружающую среду, например, действительных мест обитания морских млекопитающих в данной области во время проведения сейсмической разведки.

[0050] В ходе операции может быть задействовано более одного сейсмического вибратора, например множество источников 40, показанных на фиг.1. Эти вибраторы можно расположить на разной глубине (например, с эшелонированием по глубине), или вдоль линии желаемого формирования волнового поля, или поперек этой линии.

[0051] Для простоты иллюстрации на фиг.1 показана только буксируемая установка для морской сейсмической разведки, являющаяся лишь одной из многих возможных установок для морской сейсмической разведки. В буксируемой установке для морской сейсмической разведки одно или более судов буксируют и датчики, и источники, перемещающиеся в процессе разведки вместе с буксирующими судами. Как уже упоминалось, возможны многие другие типы установок для морской сейсмической разведки. В некоторых из этих установок датчики в процессе разведки могут быть неподвижными или перемещаться. Источники (например, морской сейсмический вибратор) в процессе разведки также могут оставаться неподвижными или перемещаться.

[0052] Часть описанных выше способов легче понять с помощью математических формул. Схему свипирования для морского сейсмического вибратора можно разработать, исходя из требуемого качества результирующего сейсмического изображения. Энергетический спектр системы морских сейсмических вибраторов в нисходящем направлении, исключая воздействие отражения от поверхности моря, можно приблизительно представить как:

S(f)=N²*Em(f)*(dt/df),

где Em(f) - это энергия, излучаемая одним вибратором, если он постоянно работает на одной частоте f. Em(f) - это характеристика вибратора, которая может варьироваться от вибратора к вибратору. Один из примеров показан на фиг.2. N - это число вибраторов.

[0053] Если энергетический спектр S(f) определен, то можно определить и dt/df, а отсюда и f(t), то есть функцию свипирования. Для линейного свипирования df/dt является константой. Если вибратор применяется для имитации работы пневмопушки, то S(f) является энергетическим спектром пневмопушки, показанным кривой 535 на фиг.5. Функция свипирования, обеспечивающая генерацию этого энергетического спектра, также показана на фиг.4 и 5.

[0054] В процессе работы существующее значение длительности свипирования и количество морских сейсмических вибраторов в системе вибраторов ограничивают диапазон частот, в пределах которого свипирование по полосе частот, осуществляемое морскими сейсмическими вибраторами, может удовлетворить заданным требованиям к энергетическому спектру, например, f(t_max)=f_max, тогда f(0)=f_min. Например, для осуществления желаемого свипирования, такого, какое осуществляет система пневмопушек, работу морского сейсмического вибратора можно проводить в таком режиме, чтобы получить спектр, соответствующий на определенной верхней частоте желаемому свипированию. Затем свипирование можно направить от этой верхней частоты вниз до окончания длительности свипирования. В результате этого длительность свипирования установит ограничение на нижнюю частотную границу спектра свипирования; ниже этой границы требования не будут удовлетворяться. Это иллюстрируется на фиг.5 (красная кривая 520). Если заданы максимальная частота 70 Гц и длительность свипирования 5 секунд, то минимальная частота, которой может достичь свипирование, ограничена значением приблизительно 16 Гц. Для расширения частотного диапазона (например, снижения минимального предела частоты) можно увеличить длительность свипирования, однако увеличение длительности свипирования может снизить производительность разведки.

[0055] В некоторых вариантах воплощения изобретения сейсмическая разведка может осуществляться с помощью более чем одной системы вибраторов. В таких случаях способы расчета схемы свипирования могут быть применены к каждой системе морских сейсмических вибраторов. Морские сейсмические вибраторы можно разместить в некотором диапазоне глубин, и рассмотренные здесь способы можно применить к любой глубине.

[0056] В некоторых вариантах воплощения изобретения новую систему морских вибраторов можно сформировать из существующих вибраторов. Эту систему морских вибраторов можно использовать в качестве источника для морской сейсмической разведки. Система морских вибраторов содержит по меньшей мере один морской сейсмический вибратор. Блок управления вибратором связан с системой вибраторов, при этом блок управления вибратором может управлять работой вибратора для осуществления свипирования по диапазону частот в соответствии с одной или большим количеством функций свипирования. Функция свипирования может базироваться на требованиях к качеству. Функция свипирования может быть функцией частоты. Требование к качеству может быть любым из упомянутых выше требований к качеству. Блок управления вибратором может быть специально выделенным блоком управления или частью системы управления, контролирующей проведение разведки. Систему вибраторов может буксировать судно, выделенное специально для источника, или сейсморазведочное судно, буксирующее морские сейсмические косы для проведения разведки.

[0057] Описанные выше примеры основаны на двумерных данных наблюдений. Однако в случае применения для трехмерной разведки преимущества описанных выше способов и аппаратуры могут быть более значительными, поскольку коэффициент накапливания более высокий. Описанные выше способы и аппаратура могут применяться в равной мере и в этом случае.

[0058] Квалифицированным специалистам в данной области будет понятно, что можно комбинировать один или большее количество этапов рассмотренных выше способов и/или изменять порядок некоторых операций. Более того, некоторые операции можно комбинировать с аспектами других описанных здесь вариантов воплощения изобретения и/или изменять порядок выполнения некоторых операций. Процесс измерения, его интерпретацию и действия операторов можно осуществлять циклическим образом; эта концепция применима к описанным здесь способам. Наконец, части способов можно осуществлять с помощью любых приемлемых технологий, включая автоматизированную или полуавтоматическую работу на базе компьютерной системы 600, показанной на фиг.6.

[0059] Части описанных выше способов можно осуществлять с помощью компьютерной системы 600, один из примеров которой показан на фиг.6. Системный компьютер 630 может быть связан с дисковыми запоминающими устройствами 629, 631, 633 и 635, которые могут быть внешними запоминающими устройствами на жестких дисках и измерительными датчиками (не показаны). Предусмотрено, что дисковые запоминающие устройства 629, 631, 633 и 635 могут быть традиционными носителями на жестких дисках, поэтому они могут быть задействованы с помощью локальной информационной сети или удаленного доступа. Дисковые запоминающие устройства показаны как отдельные устройства, однако для хранения каких-либо или всех управляющих программ, данных измерений и результатов по желанию может быть использовано одно дисковое запоминающее устройство.

[0060] В одном варианте воплощения изобретения предусмотрено, что данные от датчиков, полученные в режиме реального времени, можно хранить в дисковом запоминающем устройстве 631. Различные данные, полученные от различных источников не в режиме реального времени, можно хранить в дисковом запоминающем устройстве 633. Системный компьютер 630 может извлекать соответствующие данные из дисковых запоминающих устройств 631 или 633 для обработки данных согласно управляющим программам, соответствующим воплощению различных описанных здесь вариантов. Управляющие программы могут быть написаны на языке программирования компьютера, например C++, Java и т.п. Управляющие программы могут храниться в машиночитаемом носителе, например в дисковом запоминающем устройстве 635. Такой машиночитаемый носитель может включать компьютерное запоминающее устройство.

[0061] В одном варианте воплощения изобретения системный компьютер 630 может выводить выходную информацию в основном на графический дисплей 627 или через принтер 628 (не показан). Системный компьютер 630 может хранить результаты, полученные с помощью описанных выше способов, на дисковом запоминающем устройстве 629 с целью дальнейшего их использования и последующего анализа. Системный компьютер 630 может быть оснащен клавиатурой 626 и указательным устройством (например, мышью, трекболом и т.п.) 625 для осуществления работы в интерактивном режиме.

[0062] Системный компьютер 630 может быть расположен на месте проведения разведки, например, может быть частью блока управления 23 на борту судна 20, как на фиг.1. Системный компьютер 630 может быть связан с оборудованием, осуществляющим разведку, для получения данных различных измерений. Такие данные после традиционного форматирования и другой первичной обработки могут быть записаны системным компьютером 630 на дисковое запоминающее устройство 631 или 633 в виде цифровой информации для последующего извлечения и обработки описанным выше способом. На фиг.6 дисковое запоминающее устройство, например 631, показано непосредственно связанным с системным компьютером 630, однако доступ к этому дисковому запоминающему устройству может осуществляться также через локальную информационную сеть или дистанционно. Кроме того, хотя дисковые запоминающие устройства 629, 631 показаны как отдельные устройства для хранения входных данных и результатов анализа, однако эти дисковые запоминающие устройства 629, 631 можно реализовать внутри одного дискового носителя (совместно с дисковым устройством 633 для хранения программ или отдельно от него) или любым другим традиционным способом, известным квалифицированным специалистам в области, к которой относится настоящее изобретение.

[0063] Хотя выше в качестве примеров подробно описано лишь несколько вариантов воплощения настоящего изобретения, квалифицированные специалисты в данной области без труда увидят возможность для множества модификаций этих вариантов воплощения изобретения, не приводящих к выходу за рамки объема изобретения. Соответственно, предусмотрено, что все такие модификации включены в объем настоящего изобретения, определенный прилагающейся формулой изобретения. Пункты формулы изобретения, касающиеся устройств и их функций, должны охватывать описанные здесь конструкции, как выполняющие указанные функции, и не только в виде конструкционных эквивалентов, но и в виде эквивалентных конструкций. То есть, хотя гвоздь и шуруп могут не быть конструкционными эквивалентами, поскольку гвоздь имеет цилиндрическую поверхность, предназначенную для крепления деревянных деталей друг с другом, а шуруп имеет спиралевидную поверхность, однако в части выполнения функции крепления деревянных деталей друг к другу гвоздь и шуруп могут быть эквивалентными конструкциями.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при проведении морских сейсморазведочных работ. Предложена методика морской сейсмической разведки с использованием одного или более морских сейсмических вибраторов. При этом функция свипирования для вибратора основывается на требовании к качеству, которое может быть требованием к качеству конечного изображения или требованием к воздействию на окружающую среду. Функция свипирования может быть нелинейной, а энергетический спектр может не соответствовать энергетическому спектру пневмопушки. Технический результат - повышение точности и достоверности разведочных данных. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ функционирования морского сейсмического вибратора в качестве источника для морской сейсмической разведки, содержащий:
определение требования к качеству;
формирование функции свипирования на основе требования к качеству; и
осуществление свипирования вибратором в соответствии с функцией свипирования для генерирования сигнала сейсмического источника.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что требование к качеству является требованием к качеству изображения.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что требование к качеству изображения является набором частотно-зависимых функций.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что требование к качеству изображения является набором требований к отношению сигнал-шум (ОСШ) по всей полосе частот изображения.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что измеряют значение шума, а режим свипирования рассчитывают, используя это измеренное значение шума.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что требование к качеству изображения является требованием к полосе частот изображения с низкочастотной границей и высокочастотной границей.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что требование к качеству является требованием к воздействию на окружающую среду.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что требование к воздействию на окружающую среду является требованием ограничения значения энергии, излучаемой на одной или более частот в процессе свипирования.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что функция свипирования является нелинейной функцией.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что функция свипирования представляет собой свипирование в течение 85% времени в полосе самых низких частот, составляющей 15% от всего диапазона частот, и свипирование в течение 15 процентов времени в полосе самых высоких частот, составляющей 85% всего диапазона частот.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно включает:
получение сейсмических данных, сформированных сигналом сейсмического источника; и
обработку полученных сейсмических данных для формирования изображения подземного участка Земли.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что полученные сейсмические данные обрабатывают с помощью характеристик функции свипирования.

13. Установка для морской сейсмической разведки, содержащая:
по меньшей мере один морской сейсмический вибратор; и
блок управления вибратором, управляющий работой вибратора; при этом:
блок управления вибратором содержит функцию свипирования,
осуществление которой заставляет вибратор проходить по частотам в соответствии с этой функцией свипирования; и
функция свипирования основана на требовании к качеству.

14. Установка по п. 13, отличающаяся тем, что требование к качеству является требованием к качеству сейсмического изображения.

15. Установка по п. 13, отличающаяся тем, что требование к качеству сейсмического изображения является требованием соблюдения заданного отношения сигнала к шуму (ОСШ) по полосе частот изображения.

16. Установка по п. 13, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит:
по меньшей мере один сейсмический датчик, принимающий сейсмические данные при активации морского сейсмического вибратора.

17. Установка по п. 15, в которой морской сейсмический вибратор сконфигурирован во время работы, что позволяет ему быть стабильным при активации.

18. Установка по п. 13, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит:
по меньшей мере одну морскую сейсмическую косу, имеющую морские сейсмические датчики; и
сейсмическое судно, буксирующее по меньшей мере одну сейсмическую косу, при этом сейсмическая коса принимает сейсмические данные во время работы морского сейсмического вибратора.

19. Установка по п. 18, отличающаяся тем, что требование к
качеству является требованием к качеству сейсмического изображения, предусматривающим, что соблюдение заданного отношения сигнала к шуму (ОСШ) по полосе частот, изображения, и уровень шума измеряют с помощью морских сейсмических датчиков.

20. Машиночитаемый носитель, содержащий машиночитаемые программы, выполнение которых процессором побуждает морской сейсмический вибратор излучать сейсмическую энергию в соответствии с функцией свипирования, при этом функция свипирования основана на требовании к качеству.

21. Машиночитаемый носитель по п. 20, отличающийся тем, что требование к качеству является набором функций частот свипирования.

22. Машиночитаемый носитель по п. 20, отличающийся тем, что требование к качеству является требованием соблюдения заданного отношения сигнала к шуму (ОСШ) по полосе частот изображения.

23. Машиночитаемый носитель по п. 21, отличающийся тем, что требование к качеству является требованием к полосе частот изображения с низкочастотной границей и высокочастотной границей.

24. Машиночитаемый носитель по п. 20, отличающийся тем, что требование к качеству является требованием ограничения излучения избыточной энергии.