NL8401171A - Werkwijze voor het bepalen van de stand van een onder water te gebruiken seismische ontvangstkabel. - Google Patents

Description

f - « -1- 23883/CV/ tl .·*

Korte Aanduiding: Werkwijze voor het bepalen van de stand van een onder water te gebruiken seismische ontvangstkabel.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bepalen van 5 de stand van een onder water te gebruiken seismische ontvangstkabel.

In seismische onderzoekingen van het zeebed (zie fig.1) worden energieimpulsen vrijgegeven in het water door middel van luchtkanonnen of andere werkwijzen ("schoten"). De signalen 2 worden door het zeebed 8 en daaronderliggende aardlagen 9 gereflecteerd en worden waargenomen door TO groepen hydrophonen 3 op de ontvangstkabel. De lengte van de ontvangstkabel is gebruikelijk 2400- 3000 meter,gebruikelijk verdeeld in hydro-foongroepen van 25 meter lang.

t

Bij gebruikelijke seismische onderzoekingen (bekend als twee dimen-sionele onderzoekingen of eenvoudig 2-D),wordt het aangenomen,dat de 15 seismische ontvangstkabel zich langs een rechte lijn achter het trek-vaartuig 10 (het seismische vaartuig ) uitstrekt en dat het dezelfde koers 5 volgt als waarlangs het vaartuig vaart. Verder wordt aangenomen, dat de gereflecteerde signalen 2 afkomstig zijn van punten 6,welke op een verticaal vlak door de kabel 4 liggen.

20 Deze veronderstellingen zijn ten gevolge van twee redenen onjuist.

Op de eerste plaats behoeft de kabel zich niet noodzakelijkerwijs langs een rechte lijn achter het vaartuig uit te strekken,dit ten gevolge van oceaanstromen of doordat het vaartuig niet langs een rechte lijn vaart ten gevolge van stuureffecten. Op de tweede plaats kan de geologie van het 25 gebied ,dat wordt onderzocht ,veroorzaken,dat reflecties ook afkomstig zijn van punten 7,die buiten een verticale lijn door de kabel liggen.

Voor gedetailleerde seismische onderzoekingen van gebieden met een gecompliceerde geologie moeten de feitelijke reflectiepunten voor de waargenomen gegevens worden bepaald. Dit wordt gedaan door middel van de 30 bijzonder gecompliceerde onderzoekingstechniek,welke bekend staat als drie dimensioneel onderzoeken (3-D). Deze techniek,welke het verwerken van een grote hoeveelheid gegevens vereist,is heden ten dage mogelijk met behulp van moderne computers.

In een 3 -D onderzoek worden de koerslijnen zeer dicht uitgezet, 35 gebruikelijk op 50 - 75 meter,en de ligging van iedere afzonderlijke hydrofoongroep op de ontvangstkabel wordt,indien de gereflecteerde signalen 8401171 -2- 23883/CV/tl t * 1 τ worden ontvangen,in de berekeningen in rekening genomen. Dit betekend dat de stand var. iedere individuele hydrofoongroep bekend moet zijn voor ieder schot.

In de hier volgende beschrijving van werkwijzen voor het bepalen 5 van de stand van de ontvangstkabel is het aangenomen,dat de stand van de navigatieantenne 13 van het seismische vaartuig bekend is (fig.2) en dat het vaartuig is uitgerust met een girokompas 14 zo dat de stand van andere punten 15 op het vaartuig kan worden bepaald uit de stand van de navigatieantenne 13.

10 Verder wordt aangenomen dat met de stand bedoeld wordt de coördi naten van een punt met betrekking tot een geografisch coördinaten systeem voor lengte en breedte,of rechthoekige coördinaten (x,y) op een kaartprojectie. Voor werkzaamheden op het Noorse Continentale plat zullen Europeesche gegevens 1950 en de UTM projectie worden gebruikt. 15 Het systeem dat momenteel nagenoeg uitsluitend wordt gebruikt voor het bepalen van de stand van seismische ontvangstkabels maakt gebruik van kleine zeer nauwkeurige magnetische kompassen (fig.3). Een aantal van dergelijke magnetische kompassen 11 ,gebruikelijk 6 tot 12,zijn aangebracht in de akoestische ontvangstkabel 4. Deze kompassen 11 hebben inge-20 bouwde digitale hoekleesmogelijkheid en zijn door de ontvangstkabel verbonden met afleesuitrusting aan boord van het seismische vaartuig.

De vorm van de kabel wordt benaderd door een mathematische kromme , welke een vast punt heeft bij het trekpunt 22 op het vaartuig, waarbij de , grensvoorwaarden zijn ,dat de raaklijnrichting 21 van de kromme 25 bij de punten overeenkomend met de kompasliggingen gelijk is aan de azimut 12 (de hoek ten opzichte van het geografische noorden) bij deze punten. Nadat de mathematische kromme is berekend kan men de stand berekenen van iedere afzonderlijke groep hydrofonen 3 op de ontvangstkabel.Dit wordt normaal gedaan voor Mer schot.

30 De metingen uitgevoerd met de magnetische kompassen worden gerefereerd aan de magnetische Noordpool 17. Om bij het azimut 12 te komen moet men corrigeren voor het verschil tussen magnetisch noorden en geografisch noorden,de deviatie 18. De deviatie is op zeekaarten gespecificeerd , maar om de gewenste nauwkeurigheid te verkrijgen moet men de deviatie 35 bepalen in het gebied,waar het feitelijke onderzoek plaatsvindt.Bovendien kunnen de kompassen systematische fouten 19 hebben,welke ook moet worden 8401171 * r • - ft -3- 23883/CV/tl berekend en in rekening moet worden genomen bij het berekenen van het azimut. Practische proeven hebben aangetoond ,dat de correcties, die moeten worden uitgevoerd voor deviatie en systematische fouten zullen variëren met de richting van de koers, hetgeen vereist,dat een kalibre-5 ring van het systeem bijzonder zorgvuldig moet worden uitgevoerd.

Om het systeem te kalibreren vaart het vaartuig in verschillende richtingen waarbij de kompasaflezingen worden genomen. Aangenomen wordt, dat dit a priori wordt gedaan indien er geen aanmerkelijke oceaanstromen zijn of indien de stromen even sterk maar tegengesteld gericht zijn ,enz.

10 Bij statistische analyse van de gegevens kan men daardoor de correcties verkrijgen. Aaangezien de omstandigheden bij het uitvoeren van het kalibreren niet precies zullen zijn als wordt aangenomen ,bijvoorbeeld ten gevolge van door de wind opgewekte stromen en dergelijke zullen de correcties niet geheel nauwkeurig zijn. Deze fout zal systematisch worden 15 voorgeplant indien de correctiefactoren op de aflezingen worden aangebracht. De nauwkeurigheid van het azimut zal zijn in de orde van grootte van - 1 graad.

In verband met de magnetische kompasmethode moet worden opgemerkt, dat de stand van punten op de kabel niet rechtstreeks wordt gemeten.

20 De standen worden indirect berekend via de mathematische kromme,welke wordt bepaald door de raaklijn grensomstandigheden. Het is dan ook moeilijk om de met deze werkwijze te verkrijgen nauwkeurigheid te kwantificeren,maar een nauwkeurigheid binnen ongeveer 25- 50 meter met de achterste delen van de kabel wordt verondersteld door maatschappijen, 25 welke de werkwijze hebben gebruikt.

Het gebruik van magnetische kompassen voor het bepalen van de stand van de ontvangstkabel veronderstelt dat het magnetische veld in het te onderzoeken gebied stabiel is wat betreft de richting. Bij hoge breedtegraden, zoals bijvoorbeeld in Noord Noorwegen, zal het magnetisch veld 30 zowel in sterkte en richting variëren ten gevolge van magnetische stormen.

De richtingswijzigingen kunnen tot meerdere graden bedragen in een korte tijdsperiode,hetgeen het gebruik van magnetische kompassen voor het bepalen van de stand van de kabel in deze gebieden ongeschikt maakt.

Een polair meetsysteem in overeenstemming met de uitvinding,betekent 35 dat een afstand 22 en hoek 23 worden gemeten in verhouding tot een referentierichting 24 (fig.4a). Het azimut 25 van de referentierichting 8401171 s * \ r.

-4- 23883/CV/tl .

'i* is bekend. De stand van een nieuw punt 26 kan dan worden berekend in verhouding tot het bekende punt 27 door de gemeten afstand 22 te ontleden in zijn x en y componenten door het azimut 28 te berekenen van de lijn van het bekende punt naar het nieuwe punt.

5 Om het polaire meetprincipe te gebruiken voor het bepalen van de stand van seismische ontvangstkabels worden het azimut 29 en de afstand 30 van het trekvaartuig naar punten 31 op de kabel gemeten (fig.4b).

De seismische kabel wordt gebruikelijk· op een diepte van 5- 20 meter voortgetrokken en het is daarom noodzakelijk deze metingen door het 10 water uit te voeren. Een super kort basislijn hydroakoestisch meetsysteem wordt gebruikt om dit te doen ,dat wil zeggen de hoeken worden gemeten in verhouding tot een basislijn in de orde van 10 cm,terwijl de gemeten afstanden tot aan 300.000 cm kunnen zijn.

Super korte basislijn hydroakoestische meetsystemen zijn in de 15 handel beschikbaar,bijvoorbeeld het Simrad HPR systeem,en zal dan ook in deze beschrijving niet verder worden beschreven.Opgemerkt wordt echter, dat,de hoofdbestanddelen van het systeem (fig.5) worden gevormd door een overdrager 32 (" meetkop ") ,welke 3-4 meter onder de bodem van het vaartuig kan worden ondergedompeld, verschillende electronische regelor-20 ganen 33,en een uitleeseenheid 34,welke de afstand en hoek geeft.De meetkop moet zodanig worden aangebracht,dat hoeken kunnen worden gemeten in verhouding tot de hartlijn van het vaartuig of een andere referentielijn. Het gebruik van het systeem door het ” over de zijkant van het schip te hangen” zal niet werken. Verder moet er een inrichting 35 zijn waarmede 25 de meetkop in verbinding staat en van welke het signalen ontvangt. In de hier beschreven werkwijze zal deze inrichting een antwoordzender,een baken of een responder zijn,welke is bevestigd aan de buitenzijde van de ontvangstkabel. Een antwoordzender beantwoordteen oproep van de meetkop, een baken brengt voortdurend signalen over,terwijl een responder agnalen 30 overbrengt indien het een boodschap om dit .te doen ontvangt via een kabel ( electrische impulsen).

Het hydroakoestische systeem zal met het girokompas 36 van het vaartuig worden verbonden en het systeem moet ook een verticale referentie-eenheid 37 omvatten,zodat de metingen automatisch worden gecorrigeerd 35 voor rollen en stampen. Het is doorslaggevend,dat de genoten hoeken worden betrokken op het horizontale vlak, 8401171 T to -5- 23883/CV/tl

Indien het systeem voor het bepalen van de standen van punten 42 langs de kabel in gebruik is (fig.6) meet het hydroakoestische super korte basislijnsysteem de hoek tussen een referentielijn 46,normaal de hartlijn van het vaartuig of een hieraan evenwijdig verlopende lijn,en 5 een meetlijn 43 naar het punt 42 op de ontvangstkabel. De azimut van de referentielijn is bekend van het girokompas en het azimut 40 van de meetlijn 43 kan daardoor worden bepaald.

De afstand 43 van de overdrager 41 naar de meetpunten 42 langs de kabel (antwoordzender, baken of responder) kan worden berekend op de 10 basis van de tijd welke het signaal neemt om heen en weer te bewegen door het water. Voor langere afstanden echter,gebruikelijk 1000 meter of meer,kunnen de afstandsmetingen enigszins onnauwkeurig zijn,omdat de straalbaan 44 niet behoeft te bewegen langs een rechte lijn in het verticale vlak ten gevolge van kleine verticale temperatuursverschillen in 15 het water,oppervlaktegolven en dergelijke (fig.7a). De plaatsing van de meetpunten 42 langs de kabel zullen echter bekend zijn en men kan daardoor deze afstand en de gemeten hoek gebruiken voor het berekenen van de plaats van het punt. Op een gekromde kabel zal deze afstand enigszins afwijken van een rechte lijn. Dit kan worden gecompenseerd nadat de kabel 20 vorm eerst is bepaald door de tijdelijke vorm te gebruiken voor het berekenen van het verschil tussen de boog en een rechte lijn. De uiteindelijke vorm van de kabel kan dan worden berekend.

Bij het bepalen van de stand van seismische ontvangstkabels zal de dwarsdeviatie van de kabel van het geplande verloop kritisch zijn. Met de 25 gematigde boogvormen,welke de kabel kan aannemen zal de afwijking tussen een boog en een rechte lijn niet van kritische betekenis zijn.

Het aantal meetpunten langs de kabel moet worden aangepast in overeenstemming met de nauwkeurigheid welke men vereist voor de uiteindelijke bepaling van de stand van de ontvangstkabel. Het aantal moet ook worden 30 aangepast in het licht van de praktische ervaringen,die men met de werkwijze heeft opgedaan. Aangenomen wordt echter ,dat vier tot acht meetpunten 42 verdeëd langs de lengte van de ontvangstkabel een gebruikelijk aantal zal zijn.

Nadat de stand van de meetpunten 42 is bepaald kan de vorm van de 35 kabel door een maternatische kromme worden benaderd. De grensomstandig-heden voor de matematische kromme zullen zijn,dat het zijn oorsprongs-punt heeft bij het trekpunt 45 op het vaartuig en het beweegt door de 8401171 f *· -6- 23883/CV/tl meetpunten 42,die zijn bepaald door de polaire hydroakoetische meetmethode. In zijn eenvoudigste vorm kan de kromme bestaan uit een aantal rechte lijnen van een meetpunt 42 naar een volgend meetpunt. De eerste lijn zal zich uitstrekken van het trekpunt 45 (fig.6) naar het eerste 5 meetpunt 42.

Normaal zal de afzonderlijke gebruiker een mathematische kromme kiezen door de in plaats'bepaalde meetpunten 42, welke overeenkomt met het idee van de gebruiker omtrent de vorm van de kabel. De werkwijze volgens de uitvinding houdt er geen rekening mee welke mathematische 10 kromme wordt gebruikt,maar slechts hoe de stand van de meetpunten langs de kabel,die worden gebruikt voor het berekenen van de mathematische kromme ,worden bepaald.

Kalibreren van het systeem om te komen tot het juiste azimut is kritisch.De ondercMLen gebruikt voor het bepalen van het azimut zijn 15 het girokompas 14 en het hydroakoestische super korte basislijnsysteem.

Het girokompas 14 moet de juiste waarde tonen om twee redenen: op de eeerste plaats om iemand in staat te stellen de stand te bepalen van punten op het vaartuig ten opzichte van de navigatieantenne 13 (zie fig.2), en op de tweede plaats om het azimut 39 van de referentielijn te bepalen 20 (zie fig.6).

Het hydroakoetische meetsysteem moet zijn gekalibreerd om een hoek van 0 graden langs de referentielijn 46 te meten.

Een eenvoudige, nauwkeurige en doelmatige werkwijze voor het kalibreren is het plaatsen van het vaartuig langs een kade 47 in rustig 25 water,fig.7b. Het vaartuig moet zodanig geballast zijn,dat het niet heen en weer schommelt. De hartlijn van het vaartuig moet worden bepaald en in punten 48 gemarkeerd op de romp op het dek van het schip zowel aan de voorzijde als aan de achterzijde. Gebaseerd op vaste geodetische markeer-punten 49 op het land en onder gebruikmaking van landmeet technieken kan 30 men geografisch coördinaten bepalen voor de punten 48 en kan de azimut 50 van de hartlijn worden bepaald. Afwijking van het bepaalde azimut en gyro kan nu worden berekend en de gyro gecorrigeerd.waarbij naar keus in de correctie de algoritmische berekeningen voor de hydroakoestische polaire meetmethode kunnen worden opgenomen.

35 De hoekmetingen van het hydroakoestische super-korte basislijn systeem kunnen worden berekend door een antwoordzender ^p te hangen aan een andere 8401171 -7- 23883/CV/tl ft boot,die tenminste 800 meter.(minimaal) van het seismische vaartuig af is gelegen. Onder.gebruikmaking van landmeettechnieken wordt de stand van de antwoordzender 51 bepaald en kan de azimut 52 voor de meetlijn van het siesmische vaartuig naar de antwoordzender 51 worden vastgesteld. Het 5 verschil tussen deze azimut 52 en de azimut 50 van het vaartuig moet nu gelijk zijn aan de hoek 53 gemeten met het hydroakoestische systeem. Alternatief kan deze hoek 53 rechtstreeks worden bepaald door theodoliet metingen van het vaartuig. Onverschillig welke werkwijze wordt gebruikt moeten verschillende metingen worden uitgevoerd met de antwoordzender 51» 10 die in verschillende richtingen achter het seismische vaartuig wordt opgesteld. .

Zoals hierboven vermeld kan het meetpunt 42 op de kabel een antwoordzender, een baken of een responder zijn. Bij voorkeur is het meetpunt 42 een responder welke wordt geregeld door het hydroakoestische meetsysteem 15 via electrische kabels door de ontvangskabel en een electromagnetische verbinding met de responder. Met deze werkwijze is men slechts afhankelijk van een-weg signaal overdracht door het water,hetgeen de mogelijkheid dat storing de nauwkeurigheid van de metingén nadelig beïnvloed,vermindert. Verder maakt de responder werkwijze het mogelijk om afstand te meten.

20 De responder werkwijze vereist het aanbrengen van speciale verbin- dingsorganen via de seismische ontvangstkabel ,en uit praktische redenen zal daardoor het gebruik van een responder niet altijd mogelijk zijn. Dan kan men een antwoordzender of een baken gebruiken. Antwoordzenders moeten het signaal ontvangen door het water vanaf overdragers op het vaartuig.

25 Omdat het signaal zowel naar als terug van de antwoordzender moet bewegen neemt het gevaar,dat storing de meetnauwkeurigheid nadelig beïnvloedt,tegenover langere afstanden,zoals naar het einde van de seismische ontvangstkabel. Zoals hierboven reeds vermeld geven transponders een mogelijkheid van afstandsbepaling.

30 De bakenwerkwijze heeft hetzelfde voordeel als de responder-een- richting overdracht. De signaaloverdracht kan echter niet worden geregeld, zodat onder ongunstige omstandigeden men de meting kan verliezen omdat de signalen van verschillende bakens gelijktijdig bij de overdrager kunnen aankomen. De bakenwerkwijze geeft geen mogelijkheid tot het bepaleivan 35 afstanden en de afstanden zoals bepaald door de aanbrenging van bakens langs de kabel moet worden gebruikt.

8401171 V »

J

» -8- 23883/CV/tl

Het beste hydroakoestische super-korte basislijnsysteem,dat momenteel op de markt beschikbaar is heeft een hoekmeetnauwkeurigheid van - 0,5 graden. Aannemende dat de nauwkeurigheid van het girokompas 14 - 0,5 graden is en dat de kalibreernauwkeurigheid - 0,2 graden is en 5 dat de fouten van willekeurige aard zijn zal de hoeknauwkeurigheid van het systeem zijn : ^Ao,52 + 0,52 + 0,22'= - 0,7 graden.

10 Fig. 8 toont dat de dwarsfouten 54 op de ontvangstkabel evenredig zullen zijn aan de afstand tot het seismische vaartuig. De hieronder gegeven tabel toont het effect van een ί 0,7 graden fout bij verschillende afstanden: 15 Afstand Dwarsfout 500 meter: 6 meter 1000 meter : 12 meter 1500 meter : 18 meter 20 2000 meter : 24 meter 2500 meter : 30 meter

Aannemende dat de vorm van de ontvangstkabel niet bijzonder sterk varieert van een seismisch schot tot het volgende dat ongeveer 10 seconde 25 later plaatsvindt, kunnen deze waarden mogelijk worden verbeterd door filtrering en&tatistische analysen van ’de meetresultaten.

Met de hydroakoestische polaire meetmethode worden de standen van enkele punten op de ontvangstkabel rechtstreeks gemeten. Om de stand van iedere groep hydrofonen op de ontvangskabel te bepalen moet men de vorm 30 van de kabel benaderen door een mathematische kromme ,maar de grensvoor-waarden voor deze kromme zullen zijn dat deze moet gaan door bekende gegeven plaatsen. Dit zal resulteren in een betrouwbaardere bepaling van de stand en een aanzienlijk betrouwbaardere schatting van de nauwkeurigheid. In al dergelijke standbepalingen werkt men binnen bepaalde toleran-35 ties en het is van groot belgng voor een evaluatie van de uiteindelijke nauwkeurigheid van een totaal systeem,dat men kan komen tot een betrouw- 8401171 $ > # ·φ -9- 23883/CV/tl bare schatting van de foutgrenzen van ieder afzonderlijk onderdeel.

Met de hydroakoestische polaire werkwijze is men niet afhankelijk van het magnetische veld en andere uitwendige invloeden.

Het systeem kan worden gekalibreerd terwijl het vaartuig zich be-5 vindt in een beschermd watergebied,zodat de onzekerheid van het kalibreren minimaal wordt gehouden.

De werkwijze vereist slechts het gebruik van uitrusting,dat op het vaartuig en de ontvangstkabel is aangebracht. Andere akoestische meet-werkwijzen kunnen misschien ook worden gebruikt,bijvoorbeeld de lange-10 basislijn werkwijze,maar deze zal aanbrenging van een aantal antwoordzen-ders (overbrengers- ontvangers) welke in verbinding staan met installaties op de ontvangstkabel en op het vaartuig,op de zeebodem vereisen. Een systeem van dit type zal moeizamer te bedienen zijn,en er is een zeker gevaar,dat de antwoordzenders in andere standen worden gebracht,bijvoorbeeld ten gevol-15 ge van activiteiten van vissersschepen in het desbetreffende gebied.

De hydroakoestische polaire meetwerkwijze heeft een beperking:

Bij speciale temperatuuromstandigheden in het water kunnen tempera-tuurlagen ontstaan,welke veroorzaken,dat de akoestische straal op zodanige wijze wordt af gebogen,dat de hydroakoestische verbinding tussen het vaar-20 tuig en de installaties langs de kabel wordt vebroken. Men moet dan ook de temperatuur in het desbetreffende"operatiegebied meten voorafgaand aan het begin van de metingen om te bepalen of er dergelijke ongunstige temper a tuur lagen aanwezig zijn. 1 8401171

Claims (2)

1. Werkwijze voor het bepalen van de stand van een onder water gebruikte seismische ontvangstkabel van het type,dat achter een seismisch vaartuig door het water wordt getrokken, gekenmerkt door het meten van het azimut en de afstand van het vaartuig tot punten langs de seismische 5 ontvangstkabel en het berekenen van de coördinaten van deze punten op de basis van deze waarden.

2. Werkwijze volgens conclusie 1,gekenmerkt door het gebruikmaken van een hydroakoestische meetwerkwijze gebaseerd op een super-korte basislijn systeem geïntegreerd met een gyrokompas voor het meten van het azimut en 10 de afstanden in overeenkomst met signalen van antwoordzenders,bakens, responders en/of soortgelijke instrumenten,die zijn aangebracht op of in de ontvangstkabel. 15 8401171