Сейсмическая коса с повышенной помехоустойчивостью в низком диапазоне частот (варианты) Российский патент 2023 года по МПК G01V1/38 G01V1/20 G01V1/18 

Изобретение относится в целом к морской сейсмической разведке и исследованиям структуры морского дна и, в частности, к применению способа формирования приемных групп гидрофонов в приборных секциях сейсмических кос.

При проведении работ по разведке нефтяных и газовых месторождений под дном моря применяются буксируемые в приповерхностном слое на глубинах 5÷15 метров сейсмические косы с большим числом приемных каналов. Возбуждение сейсмических (упругих волн) обеспечивают пневмоисточники. Основная энергия сигнала возбуждения лежит в диапазоне от 2÷3 до 200÷250 Гц. Точкой приема отраженных сейсмических волн являются группы гидрофонов с базой группирования 12,5 метров (меньшие базы группирования рассматривать нецелесообразно). Обычно в группе расположено четное от 8 до 16 число параллельно соединенных гидрофонов.

Так, например, приборные секции косы Nessie-4 фирмы GECO-PRAKLA (Норвегия, США) имеют в группе 12 приемников; соответствующие секции сейсмокосы MSX фирмы Input/Output, Inc. (США) имеют в группе 14 приемников; приборные секции сейсмокосы Sentinel (Франция) в варианте с жидким заполнителем имеют 16 приемников в группе, а в твердотельном варианте 8 приемников в группе.

По сути, каждая группа гидрофонов это синфазная линейная дискретная антенная решетка, волновые размеры которой соотносятся с длинами волн принимаемых сигналов.

Важнейшим фактором в работе морских буксируемых сейсмокос является обеспечение приемлемого для качества сейсмического материала отношения сигнал-шум.

В реальных условиях эксплуатации сейсмические косы находятся под воздействием весьма сложного поля помех.

Наибольший вклад в суммарную помеху в приемных группах сейсмокос в низких диапазонах частот вносят шумы судна-носителя, вибрационные и гидродинамические шумы, а также псевдозвуковые шумы, вызываемые перемещением жидкого или гелеобразного заполнителя внутри сейсмокосы при ее буксировке на малых скоростях.

Особую роль в отрицательном влиянии на качество сейсмического материала имеют волны-спутники. Несущая информацию, отраженная от глубинных придонных слоев волна, кроме прямого приема гидрофонной группой, претерпевает отражение от границы раздела вода - воздух и также принимается гидрофонной группой.

Некоторые методы борьбы с влиянием волн-спутников на качество сейсмического материала изложены в патенте РФ №2546997 С2 от 10.04.2015 г. «Сейсмическая система с режекцией волны спутника и движения». Авторы: Ламберт Д.Д., Оливер А.У., Рикетт Р.И. Правообладатель ИОН Геофизикал Корпорейшен (США).

Каждый сигнал объемной волны, отраженный от целевых глубинных горизонтов, представляет собой интерференцию импульса, излучаемого источником, и волн - спутников.

Это приводит к искажению динамики сигнала и обеднению низкочастотной части амплитудного спектра и, как следствие, снижению разрешенности сейсмической трассы.

При этом волны-спутники будут приниматься не только основным лепестком характеристики направленности приемной группы, но и добавочными максимумами, которые при базе группирования 12,5 метров будут иметь место для частот выше 150 Гц.

Достаточно велико влияние добавочных максимумов характеристики направленности и в части вклада других видов помех в суммарную помеху в приемных группах.

Известно, что группирование приемников позволяет за счет статистического эффекта суммирования увеличить степень подавления случайного шума в √n раз, где n - количество приемников в группе при условии, если расстояние между ними превышает радиус корреляции случайного шума.

Способы снижения гидродинамических помех описаны в статье «Анализ собственных помех на гидроакустических гибких буксируемых антеннах», авторы В.М. Гаврилин, В.И. Позерн, 1977 г.

Однако, для уменьшения уровня регистрируемых когерентных помех, распространяющихся с различными кажущимися скоростями вдоль сейсмокосы, наиболее эффективным является метод управления направленными свойствами приемных групп.

Выходной сигнал линейной эквидистантной антенной решетки, состоящей из N элементов, в режиме приема равен взвешенной сумме сигналов всех антенных элементов. При прямоугольной весовой функции уровень добавочных максимумов - 13 дБ.

При задании весовой функции, спадающей от фазового центра к краям антенной решетки, появляется возможность существенного снижения уровня добавочных максимумов.

Некоторые виды амплитудных распределений описаны в статье «Амплитудные распределения линейных антенных систем с непрерывным раскрывом», авторы Е.А. Рогожина, О.А. Шипоша, К.А. Лайко, А.С. Разумихин, Ю.О. Филимонова, Вестник Воронежского государственного технического университета (ВГТУ), т. 17, №1, 2021 г.

Существует множество весовых окон: Блэкмана, Кайзера, Хэннинга, Хэмминга и др., используя которые при условии доступа к каждому элементу антенной решетки, можно управлять как шириной основного максимума характеристики направленности, так и уровнем добавочных максимумов.

Для синфазной дискретной линейной антенной решетки с параллельным соединением всех приемных элементов этот метод неприменим.

Известны и широко используются сейсмокосы, в которых применено неэквидистантное размещение гидрофонов в приемных группах приборных секций.

Симметричное относительно фазового центра группы неэквидистантное размещение приемников реализовано в сейсмокосе Nessie-4 (группа из 12 приемников), в сейсмокосе MSX (группа из 14 приемников), в твердотельной сейсмокосе Sentinel (группа из 8 приемников).

Использование неэквидистантного (неравномерного) расположения элементов позволяет в более широком диапазоне частот формировать характеристику направленности, не имеющую дополнительного максимума, равного основному. Кроме того, при условии, что среднее расстояние между элементами будет меньше критического, неэквидистантное расположение элементов, симметричное относительно фазового центра антенной решетки с увеличением шага размещения к краям, эквивалентно введению некоторого амплитудного распределения.

Некоторые вопросы построения линейных неэквидистантных антенных решеток описаны в статьях:

«Оптимизация направленных свойств линейных неэквидистантных антенных решеток», авторы: Останков А.В., Кирпичева И.Α., ВГТУ т. 9, №4, 2013 г. «Минимаксный уровень бокового излучения равноамплитудной неэквидистантной антенной решетки», авторы Останков А.В., Антипов С.А., Сахаров Ю.С., ВГТУ т. 9, 6-3, 2013 г.

Недостатком данного метода являются достаточно узкие возможности варьирования шагом размещения элементов в антенной решетке, а также наложение на задаваемую функцию амплитудного распределения случайной весовой функции, определяемой разбросом параметров, объединенных в группу элементов, причем разброс параметров от группы к группе также носит случайный характер.

Известна конструкция сейсмокосы, в приемных группах которой при неэквидистантном размещении приемников применен метод случайных смещений.

Такая конструкция, например, описана в патенте РФ №2456640 С2 от 20.07.2012 г. «Сейсмическая коса с нерегулярно распределенными гидрофонами». Автор Рукетт Р.И. Правообладатель ИОН Геофизикл Корпорейшен (США).

В отличии от эквидистантного (равномерного) или неэквидистантного симметричного (регулярного) размещения приемников в группе в этой сейсмокосе применено размещение приемников в группе в заранее заданных нерегулярных позициях, определенных псевдослучайной

последовательностью чисел.

Нерегулярный шаг размещения приемных элементов в группе обеспечивает большую вариативность по помехоустойчивости приемников группы к помехам с различными статистическими характеристиками.

Недостатком данной конструкции сейсмокосы является отклонение от нормали направления основного максимума характеристики направленности приемной группы из-за несимметричного относительно ее фазового центра расположения элементов, а также флуктуации направленности основного максимума по ансамблю приемных каналов (групп) сейсмокосы из-за разброса параметров объединенных в группу приемных каналов.

Задачей изобретения является повышение идентичности чувствительности приемных групп приборных секций сейсмокос и повышение их помехоустойчивости при морской сейсморазведке в низкочастотном диапазоне за счет введении амплитудного распределения путем ранжирования чувствительности гидрофонов с учетом места их расположения в группе при одновременном снижении требований к технологическому разбросу чувствительности приемных элементов при их изготовлении.

Эта задача может быть решена с помощью вариантов построения сейсмической косы, содержащей приборные секции с приемными группами, основанных на общем изобретательском замысле, который заключается в повышении пространственной или статистической избирательности групп гидрофонов к помехам, с использованием технологического разброса параметров гидрофонов, прежде всего чувствительности, для формирования весовых функций при синфазном суммировании элементов приемной группы.

В соответствии с первыми тремя вариантами предложена сейсмическая коса, содержащая приборные секции с приемными группами, в которых гидрофоны размещены эквидистантно и включены параллельно. Приемные группы состоят, например, из восьми гидрофонов. Варианты различаются способом формирования групп гидрофонов, имеющих разную чувствительность в пределах технологического разброса чувствительности гидрофонов, составляющего ±10-15% от нормированного значения. Установленный порядок распределения гидрофонов с различной чувствительностью применен для всех приемных групп приборных секций сейсмической косы

По первому варианту в половине приемной группы каждый из четырех гидрофонов имеет чувствительность, отличающуюся от соседних. Ближний к фазовому центру приемной группы гидрофон имеет максимальную чувствительность, к краям группы чувствительность устанавливаемых гидрофонов спадает с шагом 5÷7% от максимального значения. Вторая половина приемной группы симметрична относительно первой.

По второму варианту в половине приемной группы каждый из четырех гидрофонов имеет различную чувствительность, шаг уменьшения чувствительности 5÷7% от максимального значения. Позиции гидрофонов с различной чувствительностью при их эквидистантной установке в приемной группе определены псевдослучайной последовательностью чисел. Вторая половина приемной группы симметрична (по распределению чувствительности) относительно первой.

По третьему варианту при формировании группы используются гидрофоны с различной чувствительностью (не менее четырех номиналов) с шагом изменения чувствительности 5÷7% от максимального значения. Позиции гидрофонов с различной чувствительностью для всей приемной группы определены псевдослучайной последовательностью чисел.

По четвертому и пятому варианту предложена сейсмическая коса, содержащая приборные секции с приемными группами, в которых гидрофоны размещены неэквидистантно и включены параллельно. Приемная группа состоит из восьми гидрофонов. Ближний к фазовому центру приемной группы гидрофон имеет максимальную чувствительность, к краям группы чувствительность устанавливаемых гидрофонов спадает с шагом 5÷7% от максимального значения. Порядок распределения гидрофонов с различной чувствительностью, как и для первых трех, вариантов применен для всех приемных групп приборных секций сейсмической косы.

По четвертому варианту гидрофоны в группах размещены, неэквидистантно и регулярно. В половине приемной группы каждый из четырех гидрофонов имеет чувствительность, отличающуюся от соседних на 5÷7%. Вторая половина приемной группы симметрична относительно первой.

По пятому варианту гидрофоны в группах размещены неэквидистантно и нерегулярно. Гидрофоны размещены в заранее заданных нерегулярных позициях, определенных псевдослучайной последовательностью чисел.

Технический результат для первого варианта заключается в обеспечении формирования весовых функций типа треугольного или косинусного распределения на пьедестале, что позволяет на 5÷6 дБ уменьшить уровень добавочных максимумов, ослабив тем самым влияние принимаемых ими волн, отраженных от границы раздела вода - воздух, а также снизив вклад в суммарную помеху шумов судна - носителя.

Для второго и третьего вариантов при равномерной установке приемников в группе их ранжирование по чувствительности в заданном псевдослучайной последовательностью чисел порядке (порядок постоянен для всех групп приборных секций) обеспечивает дополнительный к группированию статистический эффект уменьшения влияния случайных помех.

Ранжирование чувствительности приемных элементов при неэквидистантном и регулярном расположении приемников в группе (четвертый вариант) позволяет дополнительно к неэквидистантности управлять характеристиками весовых функций, при этом будет исключено нежелательное влияние случайного неконтролируемого распределения приемных элементов с различной чувствительностью по апертуре приемной группы.

Ранжирование чувствительности приемных элементов при неэквидистантном и нерегулярном расположении приемников в группе в заранее заданных позициях, определенных псевдослучайной последовательностью чисел, позволяет исключить один из факторов флуктуации отклонения направления основного максимума характеристики направленности в приборных группах приемных секций сейсмокосы.

При этом все предлагаемые варианты построения сейсмокосы предполагают рациональное использование партии изготавливаемых гидрофонов с допустимым разбросом чувствительности при одновременном обеспечении высокой идентичности чувствительности приемных групп всех приборных секций сейсмической косы.

Сущность изобретения поясняется ФИГ. 1 - 5, где:

- на ФИГ. 1 показана приемная группа из восьми гидрофонов, соединенных параллельно и размещенных равномерно (эквидистантно). Здесь же приведено распределение чувствительности гидрофонов по апертуре группы, обеспечивающее заданное амплитудное распределение на постаменте.

На ФИГ. 1 и на остальных фигурах:

- γ₀ - опорная чувствительность, определяющая уровень постамента;

- γ₁, γ₂, γ₃ - чувствительности гидрофонов с учетом приращений;

- Δ₁, Δ₂, Δ₃ - приращения чувствительности, определяющие параметры задаваемой весовой функции;

- d - шаг размещения приемников в эквидистантной группе;

- D - размер приемной группы;

- L - база группирования;

- F - фазовый центр группы.

Для ФИГ. 2 и ФИГ. 3 обозначения идентичны.

- на ФИГ. 2 показана приемная группа из восьми гидрофонов, соединенных параллельно и размещенных равномерно. Здесь же приведено распределение чувствительности по апертуре группы, причем позиции гидрофонов с различной чувствительностью, размещенных в пределах половины группы, определены псевдослучайной последовательностью чисел. Вторая половина группы симметрична первой относительно фазового центра группы;

- на ФИГ. 3 показана приемная группа из восьми гидрофонов, соединенных параллельно и размещенных равномерно. Здесь же приведено распределение чувствительности по апертуре группы, причем позиции всех восьми гидрофонов с различной чувствительностью (вариантов чувствительности четыре) определены псевдослучайной последовательностью чисел;

- на ФИГ. 4 показана приемная группа из восьми гидрофонов, соединенных параллельно и размещенных неэквидистантно (регулярно) симметрично относительно фазового центра группы, обеспечивая тем самым реализацию весовой функции аналогичной определенному амплитудному распределению. Здесь же приведено распределение чувствительности гидрофонов по апертуре группы, причем чувствительность симметрично спадает к краям группы, образуя таким образом дополнительное амплитудное распределение.

В отличие от приемных групп, приведенных на ФИГ. 1-3, приемники размещены неэквидистантно с шагом, пропорциональным d₁;

- на ФИГ. 5 показана приемная группа из восьми гидрофонов, соединенных параллельно и размещенных неэквидистантно (нерегулярно), причем позиции всех гидрофонов определены псевдослучайной последовательностью чисел. Здесь же приведено распределение чувствительности гидрофонов по апертуре группы, причем чувствительность спадает в каждой половине группы от ближнего к фазовому центру группы гидрофона к краям группы.

-Α₁ - условная позиция приемника при эквидистантном (равномерном) размещении в группах;

- А₂ - фактическая позиция приемника при неэквидистантном нерегулярном размещении приемников в группе;

- а - смещение относительно позиции А₁ определяемое псевдослучайной последовательностью чисел.

При эквидистантном расположении n-приемников в группе размер приемной группы D при заданной базе группирования L будет равен

а шаг расположения приемников d будет равен

С каждой стороны приемной группы остается свободное расстояние, равное 0,5d, что обеспечивает с учетом предыдущей и последующей приемных групп приборной секции постоянную базу группирования. Пример такого группирования приведен на ФИГ. 1

При принятом числе приемников в группе n=8 и их эквидистантном расположении на базе группирования L=12,5 метров размер приемной группы D=10,938 метра, а расстояние между приемниками составит d=1,563 метра.

Приемники в приемных группах, приведенных на ФИГ. 2 ФИГ. 3, расположены по этому же принципу.

Чувствительность применяемых в сейсмокосах приемников лежит, как правило, в диапазоне от 16 до 23 В/бар.

Технологический разброс чувствительности при изготовлении, например, гидрофонов фирмы Sercel (Франция) составляет ±18,8% от номинальной чувствительности, а именно:

- гидрофон SFH (Sercel Flexible Hydrophone) при чувствительности 22,4 В/бар (-193дБ относительно 1 В/мкПа) имеет разброс ±1,5дБ;

- гидрофон SLH20 при чувствительности 20 В/бар (-194дБ относительно 1 В/мкПа) также имеет разброс чувствительности ±1,5дБ.

Если принять диапазон разброса чувствительности приемников при изготовлении в 30% (±15%), то при отборе приемников по чувствительности с шагом в ±5% от номинального значения можно сформировать семь групп приемников. Это обеспечивает возможность реализации (путем ранжирования чувствительности) задаваемого амплитудного распределения в приемных группах с четным количеством (до 14 штук) синфазно объединенных приемников.

Возможен отбор приемников по чувствительности с более мелким шагом, что в свою очередь может обеспечить реализацию более сложных весовых функций, в том числе с большим количеством приемников.

При неэквидистантном регулярном расположении приемников в приемной группе, все или большая часть расстояний между соседними приемными элементами должны быть меньше критического, то есть соответствовать выражению в общем виде

а для синфазной антенной решетки

При оптимизации равномерной приемной группы на верхнюю частоту 800 Гц (принятый в сейсмокосах период дискретизации 0,5 мсек) и числе приемных элементов n=8

Для неэквидистантной регулярной приемной группы, приведенной на ФИГ. 4 при d=0,8 м расстояние между центральными приемными элементами 2d, далее элементы размещены симметрично относительно фазового центра с шагом d, 2d, 3d.

При неэквидистантном нерегулярном расположении приемников в приемных группах необходимо обеспечить максимально возможную симметрию задаваемой весовой функции относительно фазового центра приемной группы.

Приемники в приемных группах (ФИГ. 5) могут быть расположены в заранее заданных позициях, определенных псевдослучайной последовательностью чисел, определяющих отклонение позиции каждого приемника от соответствующей позиции равномерно распределенных, в порядке, приведенном на ФИГ. 1 приемников.

Для приемных групп с неэквидистантным расположением приемников, как регулярном, так и нерегулярном, при их синфазном включении (отсутствие фазового распределения), направленные свойства приемной группы, в том числе и характеристики бокового поля, будут определяться суммой двух функций амплитудного распределения.

Первая функция - неэквидистантное расположение приемных элементов, эквивалентное введению некоторого амплитудного распределения.

Вторая функция - заданное путем ранжирования чувствительности приемных элементов амплитудное распределение.

Работа предложенных вариантов сейсмической косы с повышенной помехоустойчивостью в низком диапазоне частот осуществляется следующим образом.

За судном носителем буксируется система источников упругих колебаний и, в зависимости от используемых 2D или 3D-технологий, однолинейная или площадная (до 16-20 линий) сейсмоприемная система. Общее число приемных каналов (групп) в сейсмоприемных системах может быть от 1000 до 16-20000.

Каждый приемный канал представляет собой группу из синфазно включенных гидрофонов.

Конструкция приемной группы в значительной степени определяет помехоустойчивость сейсмоприемной системы - сейсмической косы.

Упругие волны, излученные источником упругих колебаний, отражаются от границ с различной акустической жесткостью.

В каждую точку наблюдения на профиле, то есть в каждую приемную группу приходит большое количество отраженных волн, среди которых только однократные являются полезными.

Обменные, головные, поперечные и кратные волны (в том числе волны-спутники) являются регулярными волнами-помехами, затрудняющими выделение полезных волн. Кроме того имеет место суммарная помеха в приемных группах, определяемая окружающей средой, условиями эксплуатации и особенностями конструкции сейсмоприемных устройств.

Обеспечение заявленного технического результата, а именно повышения помехоустойчивости сейсмической косы, достигается за счет повышения пространственной или статистической избирательности приемных групп в части помех путем применения в их конструкциях различных весовых функций при использовании ранжирования чувствительности гидрофонов с учетом их расположения в группе.

Изобретение относится к области морской геофизики и может быть использовано при разработке и изготовлении морских сейсмических кос. Предложены варианты сейсмической косы, размещение гидрофонов в приемных группах которой ранжировано по чувствительности. Гидрофоны в приемных группах размещаются с учетом регулярного спада чувствительности к краям групп либо иного заданного распределения чувствительности. Технический результат - реализуемое таким способом амплитудное распределение обеспечивает дополнительное к группированию повышение помехоустойчивости сейсмических кос, причем обеспечивается также повышение идентичности чувствительности приемных групп при одновременном снижении требований к технологическому разбросу чувствительности гидрофонов при их изготовлении. 5 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Сейсмическая коса, содержащая приборные секции с приемными группами из восьми гидрофонов каждая, в которых гидрофоны размещены эквидистантно и равномерно и включены параллельно, отличающаяся тем, что в половине приемной группы каждый из четырех гидрофонов имеет чувствительность, отличающуюся от соседних, ближний к фазовому центру приемной группы гидрофон имеет максимальную чувствительность, к краям группы чувствительность гидрофонов спадает с шагом 5÷7% от максимального значения, причем чувствительность гидрофонов определяется задаваемой весовой функцией и величиной технологического разброса чувствительности приемников при изготовлении, при этом вторая половина приемной группы симметрична относительно первой, при этом порядок распределения гидрофонов с различной чувствительностью одинаков для всех приемных групп приборных секций сейсмокосы.

2. Сейсмическая коса, содержащая приборные секции с приемными группами из восьми гидрофонов каждая, в которых гидрофоны размещены эквидистантно и включены параллельно, отличающаяся тем, что в половине приемной группы каждый из четырех гидрофонов имеет различную чувствительность, и шаг уменьшения чувствительности составляет 5÷7% от максимального значения, причем чувствительность гидрофонов определяется задаваемой весовой функцией и величиной технологического разброса чувствительности приемников при изготовлении, а позиции гидрофонов с различной чувствительностью в приемной группе определены псевдослучайной последовательностью чисел, при этом вторая половина приемной группы симметрична по распределению чувствительности относительно первой, причем порядок распределения гидрофонов с различной чувствительностью одинаков для всех приемных групп приборных секций сейсмической косы.

3. Сейсмическая коса, содержащая приборные секции с приемными группами из восьми гидрофонов каждая, в которых гидрофоны размещены эквидистантно и включены параллельно, отличающаяся тем, что группы сформированы гидрофонами с различной чувствительностью не менее четырех номиналов с шагом изменения чувствительности 5÷7% от максимального значения, причем чувствительность гидрофонов определяется задаваемой весовой функцией и величиной технологического разброса чувствительности приемников при изготовлении, а позиции гидрофонов с различной чувствительностью для всей приемной группы определены псевдослучайной последовательностью чисел, при этом порядок распределения гидрофонов с различной чувствительностью одинаков для всех приемных групп приборных секций сейсмической косы.

4. Сейсмическая коса, содержащая приборные секции с приемными группами из восьми гидрофонов, соединенных параллельно, каждая, при этом гидрофоны в группах размещены неэквидистантно, но регулярно симметрично относительно фазового центра группы, в которой в половине каждой приемной группы каждый из четырех гидрофонов имеет чувствительность, отличающуюся от соседних на 5÷7%, причем чувствительность гидрофонов определяется задаваемой весовой функцией и величиной технологического разброса чувствительности приемников при изготовлении, при этом ближний к фазовому центру гидрофон имеет максимальную чувствительность, а у края группы чувствительность гидрофона минимальна, при этом вторая половина приемной группы симметрична относительно первой, причем порядок распределения гидрофонов с различной чувствительностью одинаков для всех приемных групп приборных секций сейсмической косы.

5. Сейсмическая коса, содержащая приборные секции с приемными группами из восьми гидрофонов, соединенных параллельно, каждая, в группах гидрофоны размещены неэквидистантно нерегулярно и размещены в заранее заданных нерегулярных позициях, определенных псевдослучайной последовательностью чисел, в которой в половине каждой приемной группы каждый из четырех гидрофонов имеет чувствительность, отличающуюся от соседних на 5÷7%, причем чувствительность гидрофонов определяется задаваемой весовой функцией и величиной технологического разброса чувствительности приемников при изготовлении, при этом ближний к фазовому центру гидрофон имеет максимальную чувствительность, а у края группы чувствительность гидрофона минимальна, при этом вторая половина приемной группы симметрична относительно первой, причем порядок распределения гидрофонов с различной чувствительностью одинаков для всех приемных групп приборных секций сейсмической косы.