DE3149162A1

DE3149162A1 - Einrichtung und verfahren zum orten eines unter der wasseroberflaeche geschleppten streamers

Info

Publication number: DE3149162A1
Application number: DE19813149162
Authority: DE
Inventors: F. Alex Brea Calif. Roberts
Original assignee: Chevron Research and Technology Co; Chevron Research Co
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 1980-12-10
Filing date: 1981-12-08
Publication date: 1982-08-12
Also published as: BR8107971A; NZ199066A; GB2089043B; NO156627C; DK161266C; NL8105493A; NO814197L; DK545781A; JPS57141571A; AU7841581A; FR2495783B1; NO156627B; YU42748B; DE3149162C2; JPH02105176U; GB2089043A; ES8301032A1; DK161266B; IT1139931B; AU545131B2

Description

^Hamburg, 1. Dezember 1981 250581

Priorität; 10. Dezember 1980 U*S*A* Pat.Anm.Nr. 215

Anmelder:

Chev/ron Research Company

525 Market Street

San Francisco, CaI.94105

U.S.A.

Einrichtung und Verfahren zum Orten eines unter der Wasseroberfläche geschleppten Streamers

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der marinen-seismischen Aufschlußarbeiten. Insbesondere betrifft die Erfindung Mittel zur genauen Bestimmung der Lage eines geschleppten seismischen Streamers.

Bei marinen-seismischen -Aufschluß arbeit θ η uiird von einem Schiff ein seismischer^Streamer geschleppt, der eine Mehrzahl von druckempfindlichen Detektoren enthält, die allgemein als Hydrophone bezeichnet uerden. Eine Quelle seismischer Energie, z. B. ein Luftpulser oder eine Sprengstoffladung, wird benutzt, um durch das Uasser hin-

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durch und in den darunter befindlichen Meeresboden Druckwellen auszusenden. Ein Teil der Energie wird durch die unter dem Meeresboden befindlichen geologischen Diskontinuitäten reflektiert und nachfolgend durch die Hydrophone als Druckschuankungen in dem umgebenden Wasser wahrgenommen. Die mechanische Energie dieser Druckschuankungen wird in ein elektrisches Signal durch die Hydrophone übersetzt und durch den Streamer in eine Aufzeichnungseinrichtung an Bord des Schiffes übertragene Oie gesammelten Daten können dann durch Fachleute interpretiert werden, die daraus Informationen über die geologischen Formationen unter dem Meer ableiten.

Für die Zuordnung und Auswertung der Signale ist es erforderlich, den Ort der einzelnen Hydrophone zu der Zeit, zu der die Druckwellen wahrgenommen worden sind, zu kennen. Da das Schiff sich fortlaufend bewegt und der Streamer sich über tausende von Fuß (1 Fuß = 0,3 m) hinter dem Schiff erstreckt, ist eine genaue Ortsangabe für die Streamer-Hydrophone schwierig.

Die verschiedensten Systems sind entwickelt worden, um genaue Information über den jeueiligen Ort des Schiffes zu liefern. In einer üblichen Anwendung erzeugen mehrere Unterwasser-Transponder besondere, bestimmte Ausgangsfrequenz-Signale in Beantwortung eines Abfragesignales vom Schiff. Die Übermittlungszeit für das Abfragesignal und das Antwortsignal des Transponders uiard gemessen und die Strecke oder der Entfernungsbereich für jeden Transponder berechnet. Die Position des Schiffes mit Bezug auf die Transponder kann dann durch Triangulation bestimmt werden, falls die Orte der Transponder bekannt sind.

Das Schlappen eines Streamers unmittelbar in Kiellinie

des Schiffes ist jedoch selten. Der Streamer ist zwar an das Heck des Schiffes angeschlossen, die Nasse des Streamers ist aber im Uasser eingetaucht unter der Oberfläche aufgrund der Uirkung won Tiefensteuerungen, die entlang des Streamers angeordnet sind. Aufgrund dessen kann die Geschuindigkeit einer Queruersetzungs-Strömung in der Tiefe des Streamers sich uon der auf das Schiff wirkenden Queruersetzung unterscheiden, so daß der Streamer im Üinkel zum Kurs des Schiffes geschleppt wird. Auch noch ueitere, hier nicht aufzuführende Faktoren können dazu beitragen, daß der Ueg des Streamers eine Abweichung gegenüber dem des Schiffes zeigt.

Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung des Streamerortes beruht darauf, daß am Ende des Streamers als Schuanzboje ein Radarreflektor angeordnet uird. Ein an Bord befindliches Radarsystem kann dann unter günstigen Meeresbedingungen benutzt werden", das Ende des Streamers aufzusuchen und den Ort der einzelnen Hydrophone zu interpolieren. Derartige Einrichtungen sind allgemein jedoch unzuverlässig und liefern keine einwandfreien Daten.

Ein zweites bekanntes Verfahren arbeitet mit einer sehr empfindlichen und teuren Einrichtung zur Messung des Seiten- und des Anstellwinkels des am Schiff liegenden Stream8rendes. Diese Daten werden mit entlang dem Streamer aufgenommenen Magnetkompaß-Ablesungen und der bekannten Tiefe des Streamers kombiniert und gestatten dadurch, die Hydröphonorte empirisch zu berechnen.

Die Erfindung bezweckt daher die Schaffung einer Einrichtung und eines Verfahrens, mit denen die Lage eines unter Uasser befindlichen Streamers ermittelt werden kann und die die Nachteile der bekannten Verfahren und Einrichtungen v/ermeiden. Zur Lösung dieser Aufgabe wird

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eine Einrichtung gamäß Anspruch 1 geschaffen; ein Verfahren zur Ortung ist in Anspruch 7 bestimmt.

Im einzelnen betrifft die Erfindung eine Einrichtung, die zur Ortung eines unter der Wasseroberfläche befindlichen, hinter einem Fleßschiff geschleppten Streamers benutzt werden kann. Diese Einrichtung umfaßt: Mittel zur Auslösung eines akustischen Befehlsignals vom Schiff, uenigstens drei räumlich verteilt an bekannten Orten auf dem Meeresboden angeordnete Transponder, mit verechiedanen, akustischen Uegen zum Schiff und zum Streamer, wobei jeder der Transponder auf das Befehlsignal vom Schiff durch Abgabe akustischer Pulse antuorten kann, die unterscheidbar verschiedene Frequenzen haben, eine vom Streamer getragene Mehrzahl von mit Abstand zueinander liegende Empfänger, die die verschiedenen, von den Transpondern emittierten, akustischen Pulse empfangen und einzeln die verschiedenen Signale entlang dem Streamer nach dem Schiff aufgrund der akustischen Pulse übertragen können, einen Schiffsempfänger, der die verschiedenen akustischen, von den Transpondern abgegebenen Pulse empfangen und unterscheiden kann, und Mittel zum Messen des Zeitintervalls von der Auslösung des Befehlssignals bis zum Empfang der von den auseinanderliegenden, im Streamer angeordneten Empfänger übertragenen Signale und des Zeitintervalls von der Auslösung des Befehlssignals bie zum Empfang der Pulse von den Transpondern durch den Schiffsempfänger.

Vorzugsweise uerden die Transponder in einer von einer Aufreihung abweichenden Beziehung aufgestellt, und jedem Streamerempfänger ist ein gesonderter, im Streamer untergebrachter Kanal zur Übertragung der Signale nach dem Schiff zugeordnet. Die Empfänger können entweder

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aktiv oder passiv sain, sind aber vorzugsweise passiv, um Gewicht und Kosten auf ein Minimum zu bringen. Die Einrichtung kann weiter Mittel zur Messung der Schiffsgeschwindigkeit mit Bezug auf dia Transponder-Anordnung aufweisen, die auf dam Meeresboden angeordnet ist. Diese Mittal zur Messung der Schiffsgeschwindigkeit können eine Einrichtung zur Messung der Doppler-Uerschiebung in der Frequenz der Pulse aufweisen, die durch die Transponder erzeugt werden.

Die Vorzüge und Merkmale der Erfindung argeben sich auch aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in denen die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Transponder-Anordnung in Beziehung,zu einem an dar Oberfläche fahrenden Meßschiff, das einen marinen Streamer schleppt und _;.- .

Fig. 2 schematisch die Uirkung der Schiffsbewegüng auf die akustischen biege zwischen dem Schiff .und einem Transponder. . V .

Die Erfindung erfordert die Anordnung mehrerer akustischer Transponder auf oder in der Nähe das Meeresbodens. Vorzugsweise werden die Transponder auf den Meeresboden in einer nicht linearen Anordnung gesetzt, dia wenigstens drei Transponder ja Anordnung umfaßt. Dia Transponder einar gegebenen Dreiergruppe sind vorzugsweise mit. ge- -..,"-nügandem Abstand voneinander angeordnet, damit in einer gegebenen Uassertiefe ausreichende Abstände gegenüber dem Schiff und dem Streamar-E mpfanger bestehen· Da die Erfindung mit der Ortung von Schiff und Streamer gegenüber einer gegebenen Aufstallung und nicht mit der Festlegung der tatsächlichen geographischen Lage befaßt ist, kann die letztere Beziehung aus der Kenntnis der Lage der Transponder abgeleitet werden· Hierfür sind verschiedene

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Verfahren bekannt, mit denen die Lage der Transponder bestimmt und abgestimmt werden kann, so daß eine nähere Erläuterung sich hier erübrigt.

In Fig. 1 ist eine Einzelaufstellung von drei akustischen Transpondern 10, 12 und 14 dargestellt, die auf dem Meeresboden 16 angeordnet sind. Ein Meßschiff 18 an der Meeresoberfläche schleppt einen Streamer 20.

Transponder dar hier benötigten Art sind im Handel erhältlich und weisen gewöhnlich eine Bodenplatte 22 auf, die auf dem Meeresboden ruht, sowie ein Kabel 24, das an der Bodenplatte 22 und am Körper 26 des Transponders befestigt ist. Ein Schwimmer 28 ist mit dem Körper 26 des Transponders mittels eines Kabels 30 befestigt und hält den Transponderkörper 26 in einer durch die Länge des Kabels 24 bestimmten Höhe über dem Meeresboden. Der Schwimmer 28 bildet auch ein Mittel zum Wiederfinden, falls das Kabel 24 durchtrennt ist.

Das Schiff 18 ist mit einer akustischen Sende- und Empfangseinrichtung 32 ausgerüstet, die durch das Wasser nach den Transpondern akustische Befehls- oder Abfragesignale aussendet und umgekehrt von den Transpondern Antwortsignale empfängt. Vorzugsweise antworten alle Transponder in der Anordnung auf ein einzelnes, von der Schiffseinrichtung 32 ausgesandtes Frequenzssignal. Es können auch codierte Signale erzeugt werden, um die Transponder, falls erwünscht, vom Schiff aus einzeln zu betätigen.

Der marine Streamer 20 wird unter der Wasserfläche mittels mehrerer, üblicher und hier nicht gezeigter Tiefen-Steuerungen gehalten und enthält gewöhnlich nicht gezeigte Hydrophone und nicht gezeigte Tiefensensoren, die vom

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Schiff entsprechend abgefragt werden können.

Zusätzlich enthält der Streamer auch mehrere akustische Empfänger 34, die über seine Längserstreckung verteilt liegen. Die Empfänger 34 können die von den Transpondern erzeugten Signale wahrnehmen und identifizierbare Antwortsignale entlang dam Streamer nach dem Schiff übertragen. Gewöhnlich hat der Streamer Einzelkanäle, die von jedem Empfänger nach dem Schiff zur Übertragung der Information führen. Obwohl die Empfänger aktiv oder an eine Energiequelle angeschlossen sein können, werden vorzugsweise passive Empfänger verwendet.

Zur Bestimmung der Orte der Empfänger 34 und damit der Streamerlage wird die akustische Sende- und Empfangseinrichtung 32 des Schiffes ausgelöst, um ein akustisches Befehlssignal auszusenden. Aufgrund des Empfangs des Signals und nach der Verzögerung in der Übertragung durch das Wasser überträgt jeder Transponder einen akustischen Puls in einer unterscheidbaren Frequenz* Diese Pulse werden von der Einrichtung 32 und durch die akustischen Empfänger 34 aufgenommen, die im Streamer unter-!· gebracht sind. Der Übersichtlichkeit halber sind in, Fig. 1 in punktierten Linien nur die akustischen Laufuege von der Einrichtung 32 nach den Transpondern und zurück und einem einzelnen Empfänger im Streamer dargestellt. Entsprechende Wege sind jedoch für jeden der im Streamer vorhandenen Empfänger zu zeichhen. Die Pfeile I₁, I2 und I₃ stellen den Befehlspuls dar, der entläng der punktierten Linien vom Schiff nach den Transpondern läuft, die Pfeile R₁, Ro und R₃ stellen die entsprechenden Pulse von den Transpondern nach dem Schiff dar und die Pfeile R^, R'₂ und R'₃ die Pulslaufwege nach den im Streamer untergebrachten Empfängern. Da die räumliche Anordnung der Transponder auf dem Meeresboden und

die Schallgaschuindigkait durch das Wasser bekannt sind, kann die Lage der Empfänger aus der Kenntnis der Laufzeit, die jeder Puls von dem entsprechenden Transponder braucht, berechnet uerden.

An Bord des Schiffes sind entsprechende Mittel vorgesehen, um die Zeitspanne zwischen der Aussendung des Befehls-. signals und dem Empfang der Pulse von den Transpondern und den Empfängern zu messen.

In Fig. 2 ist ein einzelnes, entlang der Oberfläche fahrendes Schiff zur Zeit T_Q und einer nachfolgenden Zeit T- dargestellt. Die Sende- und Empfangseinrichtung 32 des Schiffes verursacht zur Zeit T_Q einen Puls, der in einer geraden Linie entlang dem eingezeichneten Weg nach dem Transponder läuft. Nach Empfang des Signals zur Zeit T . überträgt der Transponder einen Puls, der durch die Einrichtung im Schiff zur Zeit T₁ aufgenommen u/ird. Aus der Fig. 1 ist abzuleiten, daß die Zeit T . gegeben ist durch die Formel:

Hierin ist ν die Geschwindigkeit des Schiffes mit Bezug auf den Transponder und c die Laufgeschwindigkeit der akustischen Pulse.

Das Verhältnis ^r kann auf verschiedene Weise bestimmt uerden. Ein bevorzugtes Verfahren beruht auf der Messung der Doppler-Verschiebung in der vom Transponder empfangenen Frequenz, Natürlich müssen* um die Geschwindigkeit in dieser Weise zu bestimmen, die Transponder Pulse in sehr stabilen Frequenzen erzeugen und der Schiffs-

empfänger muß die scheinbare Änderung in der Frequenz messen können.

Das Verhältnis kann auch aus dem Ausmaß der Entfernungsänderung in der Richtung der Transponder und dem Schiff gemessen werden. Diese Entfernungsänderung kann aus der Kenntnis des Schiffsorts und der Geschwindigkeit mit Bezug auf die Transponder bestimmt werden.

Das Verhältnis ^ ist bei üblichen Schiffsgeschwindigkeiten während seismischer Arbeiten gewöhnlich geringer als 0,002, da^v etwa 3 m/s unc c etwa 1500 m/s beträgt. Falls dann der — -Ausdruck vernachlässigt wird, ergibt sich

"d = V⁺

Der Fehler ist hier weniger als 0,2 %, Ein Fehler dieser Größe ist annehmbar bei Fleerestiefen, die bei gewissen seismischen Arbeiten für Erdöl-Aufschlußarbeiten vorhanden sind.

Die Kenntnis der Zeit T. für die Auslösung der Pulse von den Transpondern und die gemessene Zeit der Pülsuahrneh*- mung durch die Empfänger im Streamer, wie sie auf das Schiff übertragen werden, ermöglicht die Berechnung der Entfernung von jedem Transponder nach jedem Empfänger. Diese Entfernungen können dann für eine Triangulation benutzt werden, die für jeden Empfänger in einem Streamer den Ort zur Meßzeit angibt, wobei entweder ein Bordcomputer benutzt oder die Rechnung später in einem Rechenzentrum aufgrund der Aufzeichnungen ausgeführt werden kann. ■ - .

A η s ρ r ü c h e

L e e r s θ i t θ

Claims

An s ρ r ü ch a

( 1.!Einrichtung zur Ortsbestimmung sines von einem Meß- ^^ schiff unter der Wasseroberfläche geschleppten marinen Streamers, gekennzeichnet durch

Mittel (32) zur Auslösung eines akustischen Befehlssignals vom Schiff (18),

wenigstens drei Transponder (10, 12, 14), die im räumlichen Abstand an bekannten Orten auf dem Meeresboden (16) angeordnet sind und unterscheidbare akustische Uege zum Schiff und Streamer (20) liefern, wobei jeder Transponder auf das Befehlssignal vom Schiff durch Abgabe akustischer Pulse unterscheidbar verschiedener Frequenzen antuorten kann,

eine Mehrzahl vom Streamer (20) mit Abstand zueinander gehaltener Empfänger (34), die die von den Transpondern ausgesandten verschiedenen Signale empfangen und einzeln jeweils ein unterscheidbares Signal entlang dem Streamer nach dem Schiff aufgrund der Pulse übertragen können,

ein Schiffsempfänger (32), der die verschiedenen Schallschwingungspulse, die von den Transpondern abgegeben werden, empfangen und unterscheiden kann, und

Mittel zum Messen des Zeitintervalls von der Auslösung des Befehlssignals bis zum Empfang der Signale, die von den entlang dem Streamer verteilten Empfängern übertragen worden sind, und des Zeitintervalls von der Auslösung des Befehlssignals bis zum Empfang der Pulse durch den Empfänger am Schiff.

2„ Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transponder^10, 12, 14) eine von einer geraden Aufreihung abweichende Lagebeziehung zueinander haben.

3. Einrichtung nach-Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger (34) passiv sind.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Streamerempfänger (34) an einen gesonderten Kanal im Streamer für die Übertragung der Signale nach dem Schiff angeschlossen sind.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Rittal zur Messung der Schiffsgeschwindigkeit gegenüber den Transpondern (10, 12, 14).

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Messung der Schiffsgeschwindigkeit Mittel enthalten, mit denen die Doppler-Verschiebung in der Frequenz der von den Transpondern erzeugten Pulse gemessen wird.

7. Verfahren zur Bestimmung des Ortes eines von einem Meßschiff geschleppten, unter Uasser befindlichen marinen Streamers, gekennzeichnet durch

Erzeugung eines akustischen Befehlssignals am Schiff,

Aufnahme des akustischen Befehlssignals durch mindestens drei mit Abstand zueinander an bekannten Orten des Meeresbodens aufgestellten Transpondern, die auf das akustische Befehlssignal durch Abgabe akustischer Pulse von unterscheidbar verschiedenen Frequenzen antuorten,

Aufnahme der akustischen Antuortpulse der Transponder mit einer Mehrzahl von mit Abstand zueinander vom Streamer "gehaltener Empfänger, die unterscheidbare Signale entlang dem Streamer nach dem Schiff aufgrund der Pulse übertragen,

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Aufnahme und Identifizierung der akustischen Transponder-Pulse auf dem Schiff und

Messung des Zeitintervalls von der Erzeugung des akustischen Befehlssignals bis zum Empfang der von den Empfängern entlang dem Streamer übertragenen Signale und des ZeitintBrvalls von der Erzeugung des Befehlssignals bis zum Empfang der Pulse am Schiff.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Messung der Doppler-Uerschiebung in der Frequenz der von den Transpondern ausgesandten Pulse.