专利名称：方向和深度可操纵的震波源阵列的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及震波勘探领域。更具体地，本发明涉及由漂浮设备导航悬浮于水 中的海洋震波源阵列以避免航行危险的设备。
背景技术：
在海洋震波勘探中，震波能量源用于在诸如湖泊或海洋的水体中产生声脉冲或波 的形式的震波能量。震波能量在水中向下传播，通过水底，并通过水底以下的地球岩层。通 过水底以下的地球岩层的能量的一部分从地球岩层的声阻抗边界向上反射。通过布置在水 面附近的一个或多个等浮电缆牵引的传感器诸如水中听音器，或者通过沿水底电缆布置的 传感器，检测向上传播的震波能量。传感器将检测到的能量转换为电信号或光信号。然后， 调整或解释电信号或光信号以提供有关各种地下地球岩层的组成和结构的信息。这种信息 特别用于确定这种地球岩层可能包含矿床诸如碳氢化合物的可能性。现有技术中已知的最频繁使用的海洋震波能量源是“气枪阵列”。典型的气枪阵列 是震波勘探船或源船之后牵引的具有不同大小的多个单独的气枪。气枪最终由于浮标、漂 浮物或类似的漂浮设备而悬浮。漂浮设备通常联接到框架或类似基本刚性的结构，从而使 框架悬浮于水中。可以通过经选择长度的电缆或链使形成阵列的各个气枪从框架悬浮，从 而在水中以经选择的深度操作各个气枪。在本领域已知的气枪阵列中，漂浮设备在水面的 平面中是可操纵的，但是由于漂浮设备的浮力，漂浮设备保持接近于水面。

发明内容
根据本发明的一方面的可操纵震波能量源包括至少一个漂浮设备。漂浮设备包括 用于改变其浮力的设备。框架联接到所述至少一个漂浮设备。至少一个震波能量源从所述 框架悬浮。至少一个操纵设备联接到漂浮设备。所述至少一个操纵设备包括至少一个控制 面和操作地联接到所述控制面的控制面致动器。所述致动器被配置为使控制面旋转以至少 在垂直方向产生液力升程。根据本发明的另一方面的在水体中操作震波能量源的方法包括使至少一个震波 能量源从漂浮设备悬浮。漂浮设备在水中由牵引船牵引。在水面附近存在航行危险的情况 下，减少漂浮设备的浮力以使其没入水中。根据下面的描述和所附权利要求，本发明的其它方面和优点将是明显的。


图1示出示例震波获取系统。图2更加详细地示出图1的震波源阵列。图3示出示例压舱控制设备。图4示出用于操作图2的源阵列上的控制面的致动器的一个示例。图5示出控制面的替代致动器。图6示出不使用参考浮标的另一示例震波源。
具体实施例方式图1示意性示出根据本发明的可以与震波源一起使用的示例海洋震波数据获取 系统。所述获取系统包括震波船10，其沿水体11诸如湖泊或海洋的表面移动。震波船10 上包括设备，总地以12示出，且为了方便被描述为“记录系统”，其可以包括法图1中没有 单独示出)数据记录器、导航设备诸如全球定位系统(“GPS”)接收机和震波能量源控制设 备。记录系统12还可以包括用于在一个或多个震波源阵列上操作浮力控制和液力(水力) 升程设备的装置，下面将更加详细地解释。震波获取系统可以包括通过图1所示的震波船10或通过不同的船(未示出)牵引的 多个震波传感器等浮电缆14。等浮电缆14通常是在牵引船后面某个距离延伸的电缆，并且 每个这种等浮电缆14包括在间隔开位置处布置在其上的震波传感器22。震波传感器22通 常是压力或压力时间梯度响应传感器，诸如水中听音器，但是还可以是粒子运动响应传感器， 诸如加速度计或地音仪，或者是水中听音器和地音仪的组合。在本发明的范围内传感器的类 型不受限制。通过各种牵引设备包括布置在由绳索16引导的扫雷器端处的被称为“扫雷器” 的横向力产生设备18来维持等浮电缆在水中的几何结构。等浮电缆14在其前端处被联接到 各个终端21，各个终端21将等浮电缆14联接到电缆20引导的相应端。可以从船10展开绳 索16引导和电缆20引导的扫雷器，并且通过绞盘(未示出)或本领域公知的类似卷轴设备收 回到船10上。可以通过扩展电缆19限制扫雷器18的横向分离，最终维持等浮电缆14的整 个阵列的几何结构。在一些示例中，可以省略扩展电缆19的最中间部分。震波船10也可以牵引一个或多个震波源阵列M或者另一船(未示出)可以牵引一 个或多个震波源阵列对。为了清楚地示出，图1仅示出一个这种阵列。震波源阵列对通 常包括多个震波能量源，在当前示例中，震波能量源可以是具有各种腔尺寸的气枪，如上所 述。在对阵列M中的所有单独的气枪进行适当时控的致动之后(通常通过来自记录单元12 的控制信号)，特定谱内容的震波能量脉冲传递到水11中。这种致动导致的震波信号由震 波传感器22检测，并且检测到的信号被传递到记录系统12。记录和处理通过各种震波传感 器22检测到的信号的方式是本领域已知的并且在此将不进行进一步描述。可以使用脐带电缆113由船10牵引震波源阵列对。源阵列M可以在接近其一 个或每个纵端具有操纵设备26。脐带电缆113可以包括(没有单独示出)强力部件，以将船 10的牵引力传递到源阵列24、一个或多个压缩空气或气体管线以及用于在源阵列M和记 录系统12的各个组件之间进行通信的电导体和/或光导体。如下所述，操纵设备沈可以 在横向和深度上为源阵列M提供操纵能力。在一个示例中，操纵设备沈可以使用单个翼 或翼片(foil)来执行垂直方向和水平方向的操纵。源阵列M还可以包括一个或多个漂浮设备(见图2和图3)，其能够向源阵列M提供可控浮力。图2示意性地示出源阵列M的示例。可以通过勘探船(图1中的10)从脐带电缆 113的尾端牵引源阵列24，如上所述。当前示例中的源阵列M包括主龙骨或主梁112，其通 常联接到脐带电缆113。通过使用深度控制绳索114，梁112在距其经选择的距离处使子框 架115悬浮。可以通过链118或类似悬浮设备使一个或多个震波能量源119 (例如，气枪) 由子框架115而悬浮。可以通过在距离震波能量源119的已知垂直距离处安装深度(例如， 压力)传感器117执行源深度确定。在本发明的范围内任何具体实现的震波能量源数量不 受限制，本发明也不限于气枪。作为非限制性示例，本发明还可以与海洋振动器和水枪一起 使用。主梁112可以连接到一个或多个漂浮设备107，每个漂浮设备107包括在密封壳体 (总地以107a所示)内封装的一定量的漂浮填空料，例如，泡沫苯乙烯或泡沫聚氨酯。每个 壳体的内部可以限定一个或多个液密腔108，以便使用水来压舱。因此，每个漂浮设备107 具有可控浮力。当前示例显示了三个这种漂浮设备107。其它示例，下面将参照图6解释其 中的一个示例，可以仅包括一个这种漂浮设备。根据本发明的各个方面，这种漂浮设备的数 量是由源阵列设计者裁量的，且不意在限制本发明的范围。如当前示例所示，使用多于一个 漂浮设备的可能优点在于提供对源阵列M的水平更好的控制。可以通过浮力调节设备109控制压舱。浮力调节设备109 (下面参照图3解释)可 以根据从深度(例如，压力)传感器110a、测力传感器106和水平或倾斜传感器IlOb做出的 测量自动运行。控制面111可以用于校正临时深度和/或水平波动。将参照图4解释操作 控制面111的示例性机制。壳体、填空料、壳体材料和内部腔108的尺寸可以选择成使得 当所有水从(多个)腔108排出时，漂浮设备107提供足够的浮力将漂浮设备107提升到水 面，并且当(多个)腔108使用水完全压舱时，可以提供中度或轻微负浮力。在一些示例中，带有用于稳定在水中移动的尾翼104的表面参考浮标101可以通 过线、电缆或绳索105从漂浮单元107中最前端的一个的前面悬浮。绳索105可以连接到 测力传感器106的一端。由测力传感器106作出的测量提供了源阵列M的前部在参考浮 标101上施加了多重的负荷的指示。这种重量指示可以用于调节漂浮压舱物以校正源阵列 24的漂浮从而使其水平。来自测力传感器106的测量还可以指示参考浮标101是否脱出。绳索105的另一端可以被连接到布置在参考浮标101中的绞盘单元102，用于源阵 列的深度控制。可以通过控制和通信单元103控制绞盘单元102。使用例如无线电链路通 信单元103可以与记录系统(图1中的12)进行信号通信。GPS接收机120可以布置在参考 浮标101上用于大地位置确定。其它示例可以省略表面参考浮标101。例如，如果期望增 加源阵列的深度，则可以将信号从记录系统(图1中的12)发送到通信单元103。通信单元 103将操作绞盘102来延伸绳索105。可以通过梁112和相应导向块121来定两个或更多个操作电缆116的路线。操作 电缆116从漂浮单元107延伸到脐带电缆113上的定位点122。定位点122可以位于漂浮 单元107前面的所选择的距离。操作电缆116可以用于展开和回收源阵列M。图3示意性地示出浮力控制设备109之一的示例。诸如微处理器的控制器109a 可以接受来自倾斜传感器IlOb和深度(压力)传感器IlOa之一的测量值作为输入。控制器 109a还可以与记录系统(图1中的12)进行信号通信。
在一些示例中，浮力控制设备109的最前方的一个可以接受来自测力传感器106 的信号作为输入。在当前示例中，可以通过参考浮标(图2中的101)支撑源阵列(图2中 的24)在水中的一些重量。将通过测力传感器106测量参考浮标(图2中的101)施加的浮 力。如果测得的力在预定范围之外，则可以通过浮力控制设备109调节压舱。如果期望的 深度没有达到期望的参考浮标负荷，则绞盘(图2中的102)必须改变所展开的绳索(图2中 的105)的长度。例如，通过脐带电缆(图1中的113)将测力传感器106测量值传递到记录 系统(图1中的12)来执行这种改变，记录系统(图1中的12)将信号发送到参考浮标(图2 中的101)，从而使得绞盘(图2中的102)将绳索(图2的105)延伸。控制器109a的输出可以被联接到螺线管操作的三通气动控制阀109b。当来自一 个或多个传感器(例如，深度传感器110a、倾斜传感器IlOb和测力传感器106)的信号指示 应该增加浮力，则控制器109a操作阀109b将压缩空气或气体源(未示出)连接到腔108。来 自压缩气体源(未示出)的加压气体可以排出腔108中的水，从而增加特定漂浮设备(图2中 的107)的浮力。当已经实现了恰当浮力时，控制器109a可以操作阀109b关闭腔108，从而 维持腔108中的水的水平。在需要减少浮力的情况下，控制器109a可以操作阀109b以放 开腔108，从而水可以进入腔108的底部。控制器109a可以被编程以操作阀109b以将漂 浮设备(图2中的107)维持在水中的所选深度。例如，可以通过将来自记录系统(图1中的 12)的控制信号传递到控制器109a，例如，通过脐带电缆(图2中的113)中的信号线(没有 单独示出)，来改变所选择的深度。可以在控制器109a中将这种信号转换成选择性操作气 动阀109b的信号。在一个示例中，阀109b被配置为使得在源阵列(图1中的24)中的电组件或其它 组件故障的情况下，阀109b的默认或故障模式位置为将腔108连接到压缩气体或压缩空气 源。通过这种配置，(多个)腔108将自动排出水，源阵列(图1中的将返回到水面，用于 从组件故障事件中修复。图4示意性示出操作控制面111的示例机制。当前示例使用通过适当连杆138联 接到控制面111的液压致动器136。可以通过与控制器109a进行信号通信的螺线管操作 的阀134来操作致动器。可以通过连接到液压蓄能器130的泵132来提供移动致动器的 液压动力。控制器109a可以被编程以操作阀134，从而操作控制面111，以使相关联漂浮设 备(图2中的107)维持在所选择的深度，或者在源阵列(图1中的24)变得不水平(一端的 深度大于另一端的深度)的情况下使相关联漂浮设备(图2中的107)水平。控制阀134可 以包含锁定液压致动器136的运动的液压制动阀(没有单独示出)，使控制面111抵抗被通 过水使源阵列移动的力所移动。例如，可以使用三通阀(诸如上述螺线管操作的阀134)实 现这种制动阀。在典型的三通阀中，中心位置关闭所有阀端口，从而停止液压流体流入和流 出致动器136的运动。图5示意性示出操作控制面111的另一示例机制。控制器109a可以与操作电动 马达140的马达驱动器142进行信号通信。马达140可以转动蜗轮141。蜗轮141可以与 齿扇区144接触。扇区144可以响应于被蜗轮141移动而旋转控制面111。图5所示的机 制的优点是当马达140和蜗轮141没有旋转时，它们用于锁定扇区144的位置，因此使控 制面抵抗被通过水使源阵列移动的力所移动。通过如上所述改变漂浮设备(图2中的107)的浮力以及通过操作控制面(图2中的111)，可以在水中的任何选择的深度操作上述示例源阵列。可以通过绞盘单元(图2中的 102)调整绳索或线(图2中的105)的长度，以维持如由测力传感器(图2中的106)测得的 在线(图2中的105)上的经选择的张力，而不考虑源阵列(图1中的的操作深度。另一示例源阵列(图1中的可以省略参考浮标(图2中的101)。此示例可以在 水面(图1中的11)上可能遇到冰或其它航行危险的区域中使用。在遇到任何这种航行危 险的情况下，可以如上所述通过用以水压舱来给漂浮设备(图2中的107)提供负浮力，并且 可以操作一个或多个操纵设备26没入水中并使源阵列在水中移动到更深。在图6中示出可以省略使用参考浮标并使用一个或多个操纵设备(图1中的26) 的示例源阵列。在操纵设备的当前示例中，可能仅一个漂浮设备107联接到梁112，该漂浮 设备107具有与梁112的上部分的纵向尺寸基本相同的纵向尺寸。梁112可以具有操纵翼 片或面150，其可以联接到机构151(包括致动器151a和相应连杆153)，以使面150沿与水 中的梁112和漂浮设备107的运动方向垂直的轴线(即，其纵向尺寸)旋转。面150的这种 旋转可以随着源阵列(图1中的24)通过水移动引起横向液力升程。横向液力升程可以用 于参照牵引船(例如，图1中的船10)将源阵列定位在选择的位置。操纵设备沈还可以包 括包含致动器1 和铰链152的机构，铰链152联接到偏转机构151的基部，以使面150能 够绕与漂浮设备107和梁112的运动方向平行的轴线旋转。这种偏转提供了沿垂直方向的 液力升程。当前示例中的致动器151a和IM可以是线性致动器，例如，液压缸/连杆组合 或电动线性致动器。可以从LINAK A/S Smedevsnget 8，6430 Nordborg, Denmark获得后 一种类型致动器的示例。当有必要使源阵列没入水中以避免水面上的危险(诸如冰)时，可以使用水压舱漂 浮设备107，并且可以通过操作致动器154以产生向下液力来操作面150。在通过从漂浮设 备107中的腔(图3的108)消除水压舱通过危险之后，可以使源阵列返回到水面，并且通过 移动致动器巧4来操作面150，以使面150不产生向上或向下的升程，或者产生向上升程直 到源阵列漂浮设备107处于水面。还可以执行源阵列的上述没入水中，使得在与通过浮力 使漂浮设备107布置在水面附近时所获得的深度不同的所选择的水深度处操作震波源(图 2中的119)。对于特定震波勘探目的，根据本发明的各个方面的海洋震波源的各种示例能够在 选择的深度操作，并且可以导航以避免水面上的危险。在一些情况下，可能期望使整个源阵 列没入水中，包括漂浮物，以在更深的水深操作震波能量源。在一些情况下，还可能期望能 够使漂浮设备没入水中以避免诸如冰的航行危险。使用本发明以前的本领域已知的源阵列 结构，在操作震波源阵列期间通常不能改变漂浮设备深度。根据本发明的震波源阵列可以 被完全没入水中，以在更深的水深操作震波源且避免诸如冰的水面航行危险。尽管已经参照有限数量的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解， 在不脱离在此公开的本发明的范围的情况下，可以设计具有本公开的益处的其它实施例。 因此，本发明的范围应该仅由所附权利要求来限定。
权利要求
1.一种可操纵震波能量源，其包括至少一个漂浮设备，所述至少一个漂浮设备包括用于改变其浮力的设备；联接到所述至少一个漂浮设备的框架；从所述框架悬浮的至少一个震波能量源；以及联接到所述漂浮设备或者所述框架的至少一个操纵设备，所述至少一个操纵设备包括 至少一个控制面和联接到所述控制面的第一致动器，所述第一致动器被配置为使所述控制 面旋转以至少在垂直方向产生液力升程。
2.如权利要求1所述的源，其特征在于，用于改变浮力的所述设备包括在其底部气动 开口的腔、气动联接其上端的三通阀和用于操作所述三通阀的控制器，所述阀在第一位置 将所述腔气动联接到压缩气体源，在第二位置关闭所述腔的顶端，在第三位置放开所述腔 的顶端。
3.如权利要求2所述的源，其特征在于，其还包括联接到所述框架的多个漂浮设备， 每个漂浮设备包括用于改变其浮力的设备，以及与所述漂浮设备和所述至少一个操纵设备 中的至少一个的控制器中的至少一个进行信号通信的至少一个水平传感器。
4.如权利要求1所述的源，其特征在于，其还包括位于所述漂浮设备的每个纵向端 处的操纵设备，每个操纵设备包括至少一个控制面和致动器，所述控制面至少在垂直方向 产生液力升程。
5.如权利要求1所述的源，其特征在于，其还包括通过线联接到所述漂浮设备和所 述框架中的至少一个的参考浮标，所述参考浮标包括大地位置信号接收机、被配置为使线 延伸和缩回的绞盘以及与布置在所述漂浮设备和所述框架中的至少一个上的测力传感器 进行信号通信且与所述绞盘进行信号通信的控制器。
6.如权利要求1所述的源，其特征在于，其还包括额外致动器，其被配置为使所述至 少一个控制面旋转以在水平方向产生液力升程。
7.如权利要求1所述的源，其特征在于，所述第一致动器是线性致动器并且包括沿所 述框架的纵向尺寸定向的铰链，到所述至少一个控制面的连杆，其中，所述额外致动器联接 在所述连杆和所述框架之间，从而致动器的长度的改变使得所述至少一个控制面绕所述铰 链旋转。
8.如权利要求1所述的源，其特征在于，所述至少一个震波能量源是气枪。
9.如权利要求8所述的源，其特征在于，所述至少一个震波能量源是具有各种腔尺寸 的多个气枪。
10.一种在水体中操作震波能量源的方法，其包括使至少一个震波能量源从漂浮设备悬浮，所述漂浮设备在水中由牵引船牵引；在水面附近存在航行危险的情况下，减少所述漂浮设备的浮力以使其没入水中。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，其还包括在避免航行危险之后增加所 述漂浮设备的浮力以使所述漂浮设备返回到水面。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述增加浮力包括将水从所述漂浮设备 的内腔排出。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述减小浮力包括将所述漂浮设备的内 腔填充水。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，沿所述漂浮设备的长度在分立位置处执 行浮力减小，以使所述漂浮设备在水面下基本保持水平。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，其还包括操作控制面以改变所述漂浮 设备的水深。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述至少一个震波能量源包括气枪。
全文摘要
本发明涉及方向和深度可操纵的震波源阵列，具体地，一种可操纵的震波能量源包括至少一个漂浮设备。漂浮设备包括用于改变其浮力的设备。框架联接到所述至少一个漂浮设备。至少一个震波能量源从所述框架悬浮。至少一个操纵设备联接到漂浮设备或者框架。所述至少一个操纵设备包括至少一个控制面和联接到所述控制面的控制面致动器。所述致动器被配置为使控制面旋转以至少在垂直方向产生液力升程。
文档编号G01V1/133GK102103214SQ20101060032
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月22日 优先权日2009年12月22日
发明者K·P·埃尔维斯泰德, T·斯泰恩斯兰, V·霍夫兰 申请人:Pgs 地球物理公司