KR101016014B1 - 라플라스 영역 파형 역산에 적합한 탄성파 자료를 획득하는다중채널 해상탄성파탐사장치 - Google Patents

Abstract

다중채널 해상탄성파탐사장치가 개시된다. 본 발명에 따른 일정한 속도로 이동하는 조사선에 탑재되어 해저를 탐사하기 위한 해상탄성파탐사장치는, 공기를 압축하는 공기 압축기; 압축된 공기를 방출하여 탄성파를 발생시키는 공기 방출기; 해저 지층의 경계면에서 반사되는 탄성파를 수신하는 다수의 하이드로폰들이 구비된 채널들이 소정 간격으로 배열된 스트리머; 및 상기 스트리머를 통해 전송되는 탄성파 신호를 20초 내지 50초의 시간 동안 메모리에 기록하는 신호 기록부;를 포함한다. 이에 의해 탄성파 자료에 대한 라플라스 영역 파형 역산의 결과에 대한 신뢰성을 보장할 수 있다.

Description

라플라스 영역 파형 역산에 적합한 탄성파 자료를 획득하는 다중채널 해상탄성파탐사장치{Multi channel seismic survey apparatus for acquiring seismic data suitable for the waveform inversion in the laplace domain}

본 발명은 탄성파탐사장치에 관한 것으로, 특히 다중채널 해상탄성파탐사장치에 관한 것이다.

다중채널 해상탄성파탐사는 석유, 천연가스 탐사 등의 대규모 지질구조를 탐사하는 기술로서, 이로부터 발전하여 해저면 하부 수십 미터를 대상으로 하는 토목적인 조사나 수천 미터까지의 지질구조 조사에 유용한 조사 방법으로서 이용되고 있다. 원리적으로는 반사파를 연속적으로 발생시키며 여러 개의 수진기(스트리머)로 관측하는 것으로, 육상에서 수행하는 천부 반사법 탄성파탐사와 동일하며, 다중채널 음파탐사라고도 한다. 그러나 발파 및 수신이 해수 중에서 이루어지기 때문에, 일정한 파형의 음파 발생이 용이하고, 반사파 수신시 표면파 등의 잡음이 관측되지 않으며, 천부 반사법 탄성파탐사에 비하여 S/N비가 높은 반사단면 기록을 얻을 수 있다. 또한 조사선의 선미로부터 음원 및 다수의 수진기를 케이블에 연결한 스트리머 케이블을 끌면서 실시하므로 육상에 비해 작업 효율이 좋다.

단일채널 탄성파탐사는 하나의 수진기로 반사파를 수신하지만 다중채널 탄성파탐사는 여러 개의 수진기를 이용하므로 공통중간점(common mid-point: CMP) 중합이 가능해지고 심부의 미약한 신호를 강하게 할 수 있다. 또한 해저의 다중반사나 측정기의 무지향성에 기인한 회절파와 같은 불필요한 신호를 약하게 하거나 원래로 되돌리는 것이 가능하다.

구조물의 기초조사나 비교적 얕은 곳의 정밀 지질구조조사에서 수신 채널의 수는 24∼48 정도가 일반적이고 음원은 워터건, 소형의 에어건 등을 이용하고 있다.

본 발명은 시간 영역 파형 역산보다 신뢰성이 높은 라플라스 영역 파형 역산을 이용하여 탄성파 자료를 처리할 것을 고려하여, 라플라스 영역 파형 역산을 적용함에 적합하도록 탄성파 자료를 획득하는 다중채널 해상탄성파탐사장치를 제공함을 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일정한 속도로 이동하는 조사선에 탑재되어 해저를 탐사하기 위한 해상탄성파탐사장치는, 공기를 압축하는 공기 압축기; 압축된 공기를 방출하여 탄성파를 발생시키는 공기 방출기; 해저 지층의 경계면에서 반사되는 탄성파를 수신하는 다수의 하이드로폰들이 구비된 채널들이 소정 간격으로 배열된 스트리머; 및 상기 스트리머를 통해 전송되는 탄성파 신호를 20초 내지 50초의 시간 동안 메모리에 기록하는 신호 기록부;를 포함한다.

상기 공기 압축기는 공기를 3000psi 내지 8000psi로 압축한다.

상기 공기 방출기의 압축 공기 방출 간격은 상기 신호 기록부의 신호 기록 시간 이상이다.

상기 공기 방출기는 일정한 속도로 이동하는 조사선이 50미터 내지 200미터 이동시마다 압축된 공기를 방출한다.

본 발명은 라플라스 영역 파형 역산에 적합하도록 탄성파 자료를 수집하고 수집된 탄성파 자료를 라플라스 영역에 대해 파형 역산을 수행하므로, 시간 영역 파형 역산에 비해 신뢰성이 현저히 증진된 탐사 결과를 얻을 수 있다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 다중채널 해상탄성파탐사장치의 블록도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 다중채널 해상탄성파탐사장치는 공기 압축기(100), 공기 방출기(200), 스트리머(300)를 포함한다. 공기 압축기(100)는 공기를 고압으로 압축한다. 일반적으로 해상탄성파탐사장치에서 이용되는 공기 압축기는 2000 ~ 4000psi로 공기를 압축하나, 본 발명에 따른 공기 압축기(100)는 3000 ~ 8000psi로 공기를 압축하는 데 특징이 있다.

공기 방출기(200)는 해상에서 지하구조를 탐사하기 위한 장비로 이용되는 에어건(air gun)(210) 및 에어건(210)의 발파 간격을 제어하는 발파 제어기(220)를 포함한다. 에어건(210)은 압축 공기를 사용하는 비폭약 음원으로써, 공기 압축기(100)에 의해 압축된 고압 공기를 강철제 공기실에 압입하여 밀봉한 후 피스톤의 작동에 따라 압축 공기를 수중에 방출한다. 이에 따라 공기 기포의 급속 팽창으로 인하여 음파 펄스가 발생한다.

발파 제어기(220)는 에어건의 발파 간격을 제어한다. 즉, 발파 제어기(220) 는 조사선의 일정한 이동 속도에 맞춰 조사선이 일정한 거리를 이동한 시점에 에어건(210)으로 트리거 신호를 보낸다. 일반적으로 발파 제어기(220)는 에어건의 발파 간격이 25 ~ 50m 간격이 되도록 제어한다. 그러나 본 발명에 따른 발파 제어기(220)는 에어건의 발파 간격이 50 ~ 200m 간격이 되도록 제어한다.

스트리머(300)는 염화 비닐 또는 폴리우레탄으로 만들어진 직영 4~8cm의 튜브 내에 부유성의 기름, 젤 또는 고체가 채워져 있는 하이드로폰 케이블을 말한다. 한 개의 케이블 길이는 75 ~ 150m로 필요한 길이만큼 연결하여 사용할 수 있다. 통상 스트리머의 총 길이는 3 ~ 6km이며, 스트리머에 소정 간격으로 배열된 채널의 수는 120 ~ 480개 정도이며, 각 채널은 10 ~ 20개 정도의 압전형 수진기(하이드로폰)로 구성되어 있다. 하이드로폰(hydrophone)은 압력에 민감하게 반응하는 압전성 결정 또는 세라믹 물질로 구성된 압전 변환기가 탄성파에 의하여 생기는 하이드로폰 주변의 압력 변화를 전기적 신호로 변환하는 역할을 한다.

그리고 언급한 바와 같이 일반적으로 스트리머는 3 ~ 6km의 길이를 가지나, 본 발명의 스트리머(300)는 기존보다 긴 10 ~ 50km의 길이를 가짐을 특징으로 한다. 또한 일반적으로 스트리머에 배열된 채널들의 간격은 10 ~50m이나, 본 발명에서 스트리머(300)에 배열된 채널(310)들의 간격은 50 ~ 200m임을 특징으로 한다. 여기서 채널 간격과 전술한 에어건의 발파 간격은 동일함이 바람직하다. 이유는, 잘 알려진 바와 같이 S/N비를 향상시키기 위함이다.

한편, 신호 기록부(400)는 스트리머(300)를 통해 송신되는 시간 영역의 탄성파 신호를 메모리(500)에 기록한다. 일반적으로 기존의 탄성파 반사법 탐사에서는 탐사 심도에 따라 발파 후 20초 이내의 시간 동안 하이드로폰의 신호를 기록한다. 그러나 라플라스 영역 역산을 위해, 신호 기록부(400)는 20초 내지 50초의 시간 동안 하이드로폰의 신호를 기록한다.

라플라스 변환부(600)는 신호 기록부(400)에 의해 메모리(500)에 기록된 시간 영역의 탄성파 탐사 자료를 라플라스 영역으로 변환한다. 그리고 파형 역산부(700)는 라플라스 변환부(600)에 의해 변환된 라플라스 영역의 탄성파 탐사 자료에 대해 파형 역산을 수행한다. 여기서 파형 역산(waveform inversion)이란 현장에서 실제 측정된 자료를 토대로 지하 구조에 관한 정보(예컨대, 측정 대상 지역에 대한 속도 모델 또는 밀도 모델)를 유추하는 과정을 말한다. 이러한 파형 역산은 해석자가 임의의 해저구조 모델을 설정한 후 설정된 모델에 대한 이론값을 구하는 모델링(modeling) 과정을 수반할 수 있다.

예컨대, 파형 역산을 이용하여 해저 구조를 영상화하는 경우, 모델링을 거쳐 계산된 이론값들과 실제 현장 탐사를 통해 얻어진 측정값들을 비교하여 새로운 해저 구조 모델을 만들고, 새로운 해저 구조 모델에 대한 이론값들을 다시 측정값들과 반복적으로 비교하여 그 오차를 최소화함으로써 실제 해저 구조와 유사한 해저 구조 모델을 얻는 것이 가능하다.

한편, 언급한 바와 같이 기존의 탄성파 탐사에서는 탐사 심도에 따라 탄성파(음원) 발파 후 20초 이내의 시간 동안 하이드로폰의 신호를 기록한다. 그러나 라플라스 영역 파형 역산을 수행하기 위해서는 같은 심도라도 20초에서 50초의 시 간 동안 신호를 기록해야 한다. 또한 음원의 발파 시간 간격도 신호 기록 시간 이상으로 길어져야 한다. 따라서 기존의 탐사에서와 같이 25 ~ 50m 간격으로 음원을 발파할 경우, 탐사선의 속력은 느려져야 할 것이다. 또한 길어진 시간 동안 신호를 기록하기 위해, 에어건의 음파 펄스를 기존의 탐사보다 강하게 만들어야 한다.

그리고 기존의 탄성파 반사법 탐사에서 음원 발파 간격과 채널 간격은 10 ~ 50m를 많이 사용한다. 그러나 라플라스 영역 파형 역산만을 위해 탐사를 할 경우에는 기존의 간격을 유지할 수도 있지만, 50 ~ 200m의 간격을 사용해도 최종 결과에는 큰 차이가 없다. 따라서 음원 발파 간격과 채널 간격을 50 ~ 200m로 변경하면, 비용이 절감되는 효과를 얻게 된다.

이상에서와 같이 본 발명은 라플라스 영역 파형 역산을 위해 신호 기록 시간을 증가시키고, 에어건에서 나오는 음파 펄스를 강화한다. 또한 음원 간격과 채널 간격을 넓히며, 스트리머의 길이를 증가시킨다. 이하에서는 그 이유에 대해 설명한다.

첫째로, 신호 기록 시간이다.

시간 영역에서 기록된 자료를

라 하고 라플라스 변환 후의 자료를

라 할 때, 라플라스 변환식은 다음 수학식과 같다.

위 수학식에서 적분 구간은 0부터 무한대까지인데, 시간 영역 자료는 기록 시간의 한계를 가지므로 라플라스 변환 때 오차가 발생하게 된다. 최대 기록 시간 이후 신호의 크기가 무시해도 좋을 정도로 작을 경우에 이러한 오차 또한 매우 작아진다. 따라서 오차를 감소시키기 위해 신호의 기록 시간을 증가시켜야 한다. 그리고 길어진 시간 동안 신호를 기록하기 위해 에어건의 음파 펄스를 기존보다 강화시킨다. 신호의 기록 시간을 증가시켜야 하는 이유에 대해 도면을 참조하여 살펴본다.

도 2는 BP 속도모델 예시도이고, 도 3은 BP 속도 모델로부터 획득된 공통 송신원 모음 자료 예시도이며, 도 4는 기록 시간에 따른 라플라스 변환 결과도이다.

BP 모델이란 지하(혹은 해저) 구조 탐색 기술을 검증할 때 사용되는 가상의 지하 구조 모델을 말한다. 도 2의 속도 모델을 이용하여 시간 영역 모델링을 하면 도 3의 공통 송신원 모음을 얻을 수 있다. 그리고 모델링을 15초간 수행했을 경우와 30초간 수행했을 경우, 공통 송신원 모음의 라플라스 변환 결과가 도 4에 나타나 있다. 이 때 사용한 감쇠 상수는 1.0이다. 도 4로부터 신호 기록 시간이 짧을 경우 라플라스 변환에 큰 오차가 발생함을 알 수 있다.

도 5부터 도 10까지는 기록 시간에 따른 라플라스 영역 파형 역산 결과도로써, 도 5는 기록 시간이 5초, 도 6은 기록 시간이 10초, 도 7은 기록 시간이 15초, 도 8은 기록 시간이 20초, 도 9는 기록 시간이 25초, 도 10은 기록 시간이 30초일 경우의 파형 역산 결과도이다. 이 결과들로부터 기록 시간이 20초 이상은 되어야 제대로 된 파형 역산 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 기록 시간을 길 게 할수록 라플라스 변환시의 오차가 작아지게 되므로, 파형 역산 결과의 신뢰성을 높일 수 있는 것이다.

둘째로, 음원 간격 및 채널 간격이다.

음원 간격 및 채널 간격은 탐사 지역의 크기에 따라 달라질 수 있다. 그러나 일반적으로 이러한 간격이 지나치게 크지 않을 경우 라플라스 영역 역산 결과는 크게 달라지지 않는다. 따라서 간격을 50 ~ 200m로 확장하면 채널 수를 줄여 비용을 절감시킬 수 있다.

셋째로, 스트리머의 길이이다.

스트리머의 길이는 탐사 심도에 따라 달라지며, 스트리머가 길수록 라플라스 영역 파형 역산을 통해 더 좋은 영상을 얻을 수 있다. 따라서 라플라스 파형 역산을 위해서는 스트리머의 길이를 10 ~ 50km가 되도록 한다.

도 11부터 도 15까지는 스트리머 길이에 따른 라플라스 영역 파형 역산 결과도로써, 도 11은 스트리머 길이가 5km, 도 12는 스트리머 길이가 10km, 도 13은 스트리머 길이가 15km, 도 14는 스트리머 길이가 20km, 도 15는 스트리머 길이가 25km일 경우의 파형 역산 결과도이다. 이 결과들로부터 알 수 있듯이, 도 2의 모델과 같이 심도가 깊은 곳까지 탐사하고자 할 경우 스트리머의 길이는 20km 이상이 되어야 한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 다중채널 해상탄성파탐사장치의 블록도.

도 2는 BP 속도모델 예시도.

도 3은 BP 속도 모델로부터 획득된 공통 송신원 모음 자료 예시도.

도 4는 기록 시간에 따른 라플라스 변환 결과도.

도 5는 기록 시간이 5초인 경우의 라플라스 영역 파형 역산 결과도.

도 6은 기록 시간이 10초인 경우의 라플라스 영역 파형 역산 결과도.

도 7은 기록 시간이 15초인 경우의 라플라스 영역 파형 역산 결과도.

도 8은 기록 시간이 20초인 경우의 라플라스 영역 파형 역산 결과도.

도 9는 기록 시간이 25초인 경우의 라플라스 영역 파형 역산 결과도.

도 10은 기록 시간이 35초인 경우의 라플라스 영역 파형 역산 결과도.

도 11은 스트리머 길이가 5km인 경우의 라플라스 영역 파형 역산 결과도.

도 12는 스트리머 길이가 10km인 경우의 라플라스 영역 파형 역산 결과도.

도 13은 스트리머 길이가 15km인 경우의 라플라스 영역 파형 역산 결과도.

도 14는 스트리머 길이가 20km인 경우의 라플라스 영역 파형 역산 결과도.

도 15는 스트리머 길이가 25km인 경우의 라플라스 영역 파형 역산 결과도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 공기 압축기 200 : 공기 방출기

210 : 에어건 220 : 발파 제어기

300 : 스트리머 310 : 채널

320 : 하이드로폰 400 : 신호 기록부

500 : 메모리 600 : 라플라스 변환부

700 : 파형 역산부

Claims (7)

1. 조사선에 탑재되어 해저를 탐사하기 위한 해상탄성파탐사장치에 있어서,

   공기를 3000psi 내지 8000psi로 압축하는 공기 압축기;

   상기 압축된 공기를 신호 기록부의 신호 기록 시간 이상의 압축 공기 방출 간격으로 방출하여 탄성파를 발생시키는 공기 방출기;

   해저 지층의 경계면에서 반사되는 탄성파를 수신하는 다수의 하이드로폰들이 구비된 채널들이 소정 간격으로 배열된 스트리머; 및

   상기 스트리머를 통해 전송되는 탄성파 신호를 20초 내지 50초의 시간 동안 메모리에 기록하는 신호 기록부;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중채널 해상탄성파탐사장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 공기 방출기는, 일정한 속도로 이동하는 조사선이 50미터 내지 200미터 이동시마다 압축된 공기를 방출함을 특징으로 하는 다중채널 해상탄성파탐사장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 채널들은, 상기 공기 방출기에 의해 압축 공기가 방출된 지점 간의 거리 간격과 동일한 간격으로 배열됨을 특징으로 하는 다중채널 해상탄성파탐사장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 스트리머는, 10킬로미터 내지 50킬로미터 길이임을 특징으로 하는 다중채널 해상탄성파탐사장치.
7. 제1항 및 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 메모리에 기록된 시간 영역의 탄성파 데이터를 라플라스 영역의 탄성파 데이터로 변환하는 라플라스 변환부; 및

   상기 변환된 라플라스 영역의 탄성파 데이터에 대해 파형 역산을 수행하는 파형 역산부;

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중채널 해상탄성파탐사장치.

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