EA 32576B1 20190628

	Патентная документация ЕАПВ
Запрос:	ea000032576b*\id
Результат:	ID\|Номер и дата охранного документа

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[RU]

1. Компактный морской сейсмический источник для сейсморазведки, генерирующий зуммерный сигнал, причем указанный источник содержит корпус, ограничивающий заполненную газом непроницаемую для текучей среды камеру и состоящий из двух частей приблизительно одинаковой массы - первой части корпуса и второй части корпуса; привод низкочастотного возвратно-поступательного движения, расположенный в непроницаемой для текучей среды камере и во время работы источника усиливающий собственные возвратно-поступательные колебания первой и второй частей корпуса относительно друг друга с низкой частотой для излучения во всех направлениях низкочастотного зуммерного сейсмического сигнала; регулирующее устройство, выполненное с возможностью управления частотой источника путем регулирования глубины буксирования источника, при котором изменение глубины буксирования изменяет гидростатическое давление, которому подвергается сейсмический источник, причём изменение гидростатического давления влияет на относительное расположение первой и второй частей корпуса.

2. Компактный сейсмический источник по п.1, в котором первая и вторая части соединены при помощи герметичного подвижного уплотнения, допускающего движение двух частей относительно друг друга.

3. Компактный сейсмический источник по п.1, в котором каждая из первой и второй частей корпуса характеризуется наличием полусферического куполообразного окончания.

4. Компактный сейсмический источник по п.1, в котором привод возвратно-поступательного движения включает в себя приводной механизм возбуждения, расположенный в первой части корпуса; и тягу осевой передачи усилий, механически связанную с приводным механизмом возбуждения на одном ее конце и прикрепленную ко второй части корпуса на другом ее конце.

5. Компактный сейсмический источник по п.4, дополнительно включающий в себя по меньшей мере один подшипник для тяги осевой передачи усилий, расположенный в первой части корпуса; и направляющую для тяги осевой передачи усилий, расположенную во второй части корпуса.

6. Компактный сейсмический источник по п.1, дополнительно включающий в себя емкость с газом, функционально связанную с камерой; и регулирующее устройство, подключенное с помощью электрического соединения к емкости с газом и приводному механизму возбуждения для управления их работой, включая управление резонансной частотой компактного сейсмического источника.

7. Компактный сейсмический источник по п.1, дополнительно включающий в себя множество непроницаемых для текучей среды камер по меньшей мере в одной из первой части корпуса или второй части корпуса, причем множество непроницаемых для текучей среды камер сообщаются друг с другом при помощи управляемого клапана.

8. Компактный сейсмический источник по п.7, в котором объемы непроницаемых для текучей среды камер расположены с распределением по степени числа два.

9. Компактный сейсмический источник по п.1, дополнительно включающий в себя массы, которые выполнены с возможностью осуществлять свободные колебания на пружинах в продольном направлении.

Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

Евразийское 032576 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2019.06.28
(21) Номер заявки 201592079
(22) Дата подачи заявки
2015.02.19
(51) Int. Cl.
G01V 1/135 (2006.01) G01V1/145 (2006.01) G01V1/38 (2006.01)
(54) КОМПАКТНЫЙ СЕЙСМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ДЛЯ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ЗУММЕРНОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ
(31) 61/942,001
(32) 2014.02.19
(33) US
(43) 2016.09.30
(86) PCT/US2015/016617
(87) WO 2015/127079 2015.08.27
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
БИПИ КОРПОРЕЙШН НОРД АМЕРИКА ИНК. (US)
(72) Изобретатель:
Деллинджер Джозеф Энтони, Харпер Марк Френсис Люсьен, Оупеншо Грэм Энтони (US)
(74) Представитель:
Гизатуллина Е.М. (RU)
(56) US-B1-6230840 US-A-5233570 US-A1-2013051180 US-A-3919684 US-A-4204278 US-A1-2011317515
(57) Компактный сейсмический источник для сейсморазведки, генерирующий зуммерный сигнал, состоит из корпуса и привода низкочастотного возвратно-поступательного движения. Корпус ограничивает непроницаемую для текучей среды камеру и состоит из двух частей приблизительно одинаковой массы - первой части корпуса и второй части корпуса. Привод расположен в непроницаемой для текучей среды камере, при этом он во время работы усиливает собственные возвратно-поступательные колебания первой и второй частей корпуса относительно друг друга с низкой сейсмической частотой. Согласно одному аспекту в результате этого происходит всенаправленное излучение низкочастотного зуммерного сейсмического сигнала. Согласно другому аспекту компактный сейсмический источник значительно меньше, чем длина волны низкой сейсмической частоты. Такой компактный источник может быть задействован для всенаправленного излучения низкочастотного зуммерного сейсмического сигнала в ходе сейсморазведки.
Ссылка на родственные заявки
Согласно заявке на данное изобретение на основании раздела 35 Закона США § 119(e) испрашивается приоритет в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента № 61/942001, поданной 19 февраля 2014 г., содержание которой ссылкой включено в настоящий документ.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к морским сейсмическим источникам и, в частности, компактным сейсмическим источникам для низкочастотной, одночастотной, сейсморазведки.
Предшествующий уровень техники изобретения
Низкочастотная сейсморазведка на одной частоте - это сравнительно новое направление сейсморазведки. Иногда ее называют "зуммерной сейсморазведкой". Точнее говоря, в ходе "зуммерной сейсморазведки" используют неимпульсный источник с регулируемой частотой колебаний, генерирующий практически все колебания на одной частоте. По соображениям, связанным с практическими ограничениями стабильности, источник может иметь контролируемое или неконтролируемое отклонение в узком диапазоне частот, обычно ограниченном отклонением плюс-минус одной десятой октавы номинальной частоты. Иногда такие источники относят к одночастотным или близким к одночастотным, например в заявке на выдачу патента США № 13/327524.
Зуммерная сейсморазведка может быть выполнена несколькими различными способами. Так, ступенчатая зуммерная сейсморазведка представляет собой многостадийную зуммерную разведку, при которой один источник генерирует колебания на одной или двух и более дискретных частотах, на одной за раз. Время перехода от одной частоты к другой должно быть очень малым по сравнению со временем работы на каждой из частот. Аккордная зуммерная сейсморазведка представляет собой работы, при которых один или несколько источников одновременно генерируют разные дискретные частоты. Более подробная информация содержится в заявке на выдачу патента США № 13/327524.
Сейсмические источники, подобные тем, которые представлены в упомянутой выше патентной заявке, подходят для предполагаемой области применения. Однако в данной области техники всегда существует потребность в улучшениях или альтернативных средствах, способах и конфигурациях. Поэтому в данной области техники внимательно отнесутся к описанному в настоящем документе сейсмическому источнику.
Краткое описание фигур
Прилагаемые фигуры, которые включены в настоящий документ и составляют его часть, иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием служат для пояснения принципов настоящего изобретения. При этом на фигурах изображено следующее:
на фиг. 1 представлен один конкретный вариант осуществления низкочастотного одночастотного сейсмического источника;
на фиг. 2 - сейсморазведка с использованием сейсмического источника, изображенного на фиг. 1, согласно одному конкретному варианту осуществления;
на фиг. 3A и 3B - графики отдельных аспектов характеристик сейсмического источника, изображенного на фиг. 1;
на фиг. 4A-4C - графики отдельных аспектов соотношений элементов конструкции сейсмического источника, изображенного на фиг. 1;
на фиг. 5A-5C - один конкретный вариант осуществления низкочастотного одночастотного сейсмического источника;
на фиг. 6A-6C - один конкретный вариант осуществления, включающий в себя систему клапанов для ступенчатого управления внутренним сжимаемым объемом газа в сейсмическом источнике, изображенном на фиг. 1;
на фиг. 7 - другой конкретный вариант осуществления низкочастотного одночастотного сейсмического источника, который является альтернативой источнику, изображенному на фиг. 1 и 5A-5C.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Далее приведено подробное описание варианта(ов) осуществления (иллюстративных вариантов осуществления) настоящего изобретения, пример(ы) которого(ых) проиллюстрирован(ы) на прилагаемых фигурах. Везде, где это возможно, одинаковые позиции будут использованы на фигурах для ссылки на одни и те же или подобные части.
Рассмотрим фиг. 1, на которой представлен один конкретный вариант осуществления низкочастотного зуммерного компактного сейсмического источника 100. Компактный источник - это термин, используемый специалистами в акустике и в настоящем контексте для обозначения источника с размерами, существенно меньшими, чем наименьшая длина волны излучаемого им сигнала, и вследствие этого излучающего сигнал во всех направлениях в однородной изотропной текучей среде, такой как вода, в которой проводятся морские сейсморазведки.
В настоящем контексте термин "зуммерный" не означает, что сейсмический источник способен выдавать сейсмические сигналы только одной частоты, хотя в некоторых вариантах осуществления это может быть так. На самом деле он относится к режиму работы, при котором сейсмический источник в определенное время его работы в течение ограниченного периода генерирует колебания только одной час
тоты. Другими словами, в некоторый момент своей работы неимпульсный сейсмический источник с регулируемой частотой колебаний в течение ограниченного времени генерирует практически все колебания одной частоты. Согласно одному варианту осуществления "практически все колебания" означает нахождение 95% его колебаний в пределах ±0,1 октавы. Как правило, продолжительность будет достаточно большой, чтобы обратная ей величина превосходила разрешающую способность по частоте, требуемую для решаемой задачи, и значительно большей, чем один цикл генерируемого сигнала.
Так, приведенное выше обсуждение зуммерной сейсморазведки предполагает работы, при которых один источник генерирует колебания на двух или более дискретных частотах, на одной за раз. Такой источник в контексте настоящего описания рассматривается как зуммерный источник, поскольку во время работы он испускает сигнал только одной частоты в течение периода времени, значительно более продолжительного, чем период (прохождения) сейсмического сигнала. Это справедливо несмотря даже на то, что он делает это больше одного раза, и в разные моменты времени работает на разных частотах.
Также следует отметить, что "низкая частота" - это частота, которую принято считать "низкой" при сейсморазведке. В данном случае "низкая частота" ниже приблизительно 6-8 Гц и, как правило, ниже приблизительно 4 Гц. Уточнение "приблизительно" - это признание факта, что калибровка сейсмических источников, используемых при сейсморазведке, может нарушаться, или источники могут быть плохо откалиброваны, тогда они одновременно могут генерировать колебания на дополнительных частотах (например, соответствующих гармоникам или частотам помех от компрессора), или что их сигнал может "дрейфовать" или иными способами отклоняться от требуемого. Таким образом, уточнение "приблизительно" означает, что реальная частота находится в пределах погрешности, приемлемой для специалистов в этой области техники в отношении требуемой частоты сейсморазведки.
Рассмотрим снова фиг. 1, более конкретно, сейсмический источник 100 является компактным сейсмическим источником. Во время работы сейсмический источник 100 в каждый момент времени генерирует сигнал преимущественно одной частоты. Другими словами, в соответствии с представленным выше описанием "зуммерного" источника, сейсмический источник 100 является зуммерным источником. Сейсмический источник 100 состоит из корпуса 105 и привода 110 низкочастотного возвратно-поступательного движения, расположенного в корпусе 105, при этом расположение указанного привода внутри источника будет более подробно описано ниже.
Корпус 105 состоит из двух частей - 115 и 120. Они выполнены из обычных материалов, широко известных специалистам в данной области техники. В собранном состоянии первая и вторая части 115 и 120 корпуса обладают примерно одинаковой массой. То, что составляет "примерно одинаковую" массу может отличаться для разных конструкций, поскольку равная масса дает наименьшую возможную резонансную частоту для данного общего размера и массы сейсмического источника 100 в целом. Таким образом, варианты осуществления, в которых сейсмический источник 100 излучает низкие частоты, будут иметь тенденцию к использованию более близких масс, тогда как варианты осуществления, в которых имеет место излучение не таких низких частот, могут допускать большее неравенство масс. Согласно показанным вариантам осуществления указанные две массы отличаются друг от друга в пределах ±10%.
Каждая из частей 115, 120 характеризуется наличием на конце сейсмического источника 100, дальнем от его середины, куполообразного окончания 125, 130. Согласно показанным вариантам осуществления куполообразные окончания 125, 130 характеризуются формой полусферы. Окончания 125, 130 характеризуются наличием куполообразной (т.е. гладкой выпуклой) формы для снижения гидродинамического сопротивления во время возвратно-поступательного движения. В целом, если считать купол половиной эллипсоида вращения, у которого большая ось является осью вращения и эта ось располагается вдоль оси источника, то чем больше отношение большей оси к меньшей (т.е. чем сильнее эллипсоид вытянут), тем меньше сопротивление.
При этом полусферическая форма куполообразных окончаний благоприятна и из других соображений. Так, полусферическая форма проста в изготовлении и дает существенное снижение гидродинамического сопротивления, не вызывая проблем с поперечной нагрузкой, если устройство расположено под углом к направлению буксирования. Дополнительная информация о форме куполообразных окончаний 125, 130 может быть найдена в заявке на выдачу патента США № 12/980527. Заметим, что согласно другим вариантам осуществления могут быть использованы разные куполообразные формы окончаний 125,
130.
Корпус 105 ограничивает непроницаемую для текучей среды камеру 145. Первая и вторая части 115, 120 соединены герметичным подвижным уплотнением 150, допускающим движение двух частей 115, 120 относительно друг друга. Герметичное подвижное уплотнение 150 согласно варианту осуществления, изображенному на фиг. 1, задано уплотнительным элементом 152, скользящим между гладкими уплотнительными поверхностями 135, 140 этих двух частей 115, 120. Заметим, что внешний диаметр первой части 115 ступенчато уменьшается у уплотнения 150 с тем, чтобы наружная форма сейсмического источника 100 оставалась гладкой. Хотя это благоприятно для работы сейсмического источника 100, для практического использования изобретения это не обязательно.
Герметичное подвижное уплотнение 150 может использовать любой подходящий метод герметизации, известный в данной области техники, при условии, что допускается подвижное зацепление частей
115, 120. Согласно показанному варианту осуществления уплотнительный элемент 152 представляет собой подпружиненное полиэтиленовое манжетное уплотнение, подобное известным в данной области техники. Согласно другим вариантам осуществления уплотнительный элемент представляет собой эла-стомерное кольцо со смазкой. Для обеспечения гладкой твердой поверхности уплотнения уплотнитель-ные поверхности 135, 140 обычно покрыты каким-либо хромистым сплавом или другим аналогичным материалом.
Привод 110 низкочастотного возвратно-поступательного движения размещен внутри камеры 145. Его размещение должно обеспечивать такое распределение масс частей 115, 120, чтобы массы двух сторон от середины сейсмического источника 100 были приблизительно одинаковыми. Согласно показанному варианту осуществления приводной механизм 155 возбуждения расположен во второй части 120 корпуса. Приводной механизм 155 возбуждения механически связан с одним концом 165 центрированной тяги 160 осевой передачи усилий. Тяга осевой передачи усилий прикреплена вторым своим концом 170 к первой части 115 корпуса.
Согласно показанному варианту осуществления тяга 160 осевой передачи усилий поддерживается двумя подшипниками 175, смонтированными на опорах 180, во второй половине 120 и опорой 185 в первой половине 115. Заметим, что тяга 160 осевой передачи усилий неподвижна относительно первой половины 115, поэтому опоре 185 подшипник не требуется. Согласно некоторым вариантам осуществления могут быть использованы и другие типы поддержки тяги.
Сейсмический источник 100 оснащен источником 133 сжатого газа, который функционально соединен с камерой 145. Согласно некоторым вариантам осуществления этот источник газа может представлять собой емкость со сжатым газом, размещенную внутри камеры 145, как показано на фиг. 1. Согласно другим вариантам осуществления емкость со сжатым газом может быть размещена снаружи сейсмического источника 100, например на борту буксирующего судна (не показано), и сжатый газ будет поступать к сейсмическому источнику 100, например по гибкому подводному шлангокабелю (не показан). Касательно гибкого подводного шлангокабеля следует отметить, что при креплении его к частям 115, 120 он не должен препятствовать их возвратно-поступательному движению. Этого обычно не будет происходить, если буксирный трос в точке прикрепления будет близок к вертикали или если буксирный трос будет эластичным.
Сжатый газ используют для регулирования внутреннего давления газа в сейсмическом источнике 100 с тем, чтобы компенсировать утечки газа, изменения температуры и другие условия бассейна. Эти виды регулировки могут быть желательны для сохранения требуемой резонансной частоты устройства при поддержании требуемого диапазона глубин буксирования. Согласно некоторым вариантам осуществления корпус 105 может содержать клапанный механизм (не показан) для выпуска газа во внешнюю среду с тем, чтобы снижать давление газа внутри сейсмического источника 100. Альтернативно, согласно некоторым вариантам осуществления внутреннее давление в камере 145 может быть снижено при помощи насоса (не показан), который может закачивать газ обратно в емкость 133 с газом.
Во избежание непредусмотренного взрыва при увеличении давления выбранный газ должен быть бескислородным. Как известно специалистам в данной области техники, в этом отношении азот предпочтительнее воздуха. Для снижения резонансной частоты могут также быть использованы другие инертные газы с меньшим адиабатическим отношением, чем у азота. Например, гексафторид серы может быть использован благодаря его низкому адиабатическому индексу, который позволяет достичь меньших частот.
Более конкретно, внутренние пространства сейсмического источника 100, заполненные газом, обычно находятся под давлением, соответствующим внешнему гидростатическому давлению. С этой целью указанные внутренние пространства заполняют инертным газом. Инертность газа позволяет избежать опасности воспламенения, которая увеличивается при повышении давления, если эти пространства были бы заполнены воздухом. Азот - подходящая замена воздуху.
Компактный сейсмический источник 100 испускает сейсмический сигнал с очень низкой частотой, и его резонансная частота находится в обратной зависимости от адиабатической сжимаемости газа, находящегося внутри указанного источника. Это означает, что чем более упругим оказывается газ в ответ на быстрые изменения объема, тем ниже будет резонансная частота. В связи с этим может быть предпочтительным заполнение сейсмического источника 100 газом, выбранным на основании его высокой адиабатической сжимаемости.
Она будет прямо пропорциональна так называемому адиабатическому индексу газа, т.е. отношению его удельной теплоемкости при постоянном давлении к удельной теплоемкости при постоянном объеме. Это отношение ниже у газов, чьи молекулы имеют больше степеней свободы колебания; эта величина составляет приблизительно 1,67 для одноатомных газов, 1,4 для двухатомных газов, таких как азот, и асимптотически снижается до единицы у более сложных молекул с большим числом степеней свободы. Так, гексафторид серы является инертным газом с адиабатическим индексом приблизительно равным 1,09, что на 28% меньше, чем у азота.
Таким образом, заполненный гексафторидом серы источник 100 будет обладать значительно меньшей резонансной частотой, чем такой же источник 100, заполненный азотом. Специалистам в данной
области техники, понимающим преимущества от использования настоящего раскрытия, очевидно, что также можно использовать смеси из двух или более газов, и регулирование пропорций газовой смеси (например, путем подачи разных газов из двух или более емкостей) обеспечивает еще один способ настройки резонансной частоты устройства на заданной глубине буксирования. При проектировании такого устройства не следует забывать о том, что скорость звука в газе в равной степени зависит от его адиабатического отношения. Внутренние пространства следует проектировать так, чтобы избежать стоячих акустических волн в сейсмическом источнике 100, поскольку они могут вносить помехи в его работу. Более конкретно, если длина внутреннего пространства 145 близка к целому числу полудлин волны на предполагаемой рабочей частоте источника, тогда заполняющий газ будет оказывать значительное (высокое по величине) сопротивление на этой частоте, и собственная частота системы сместится в сторону больших частот. Однако если длина внутреннего пространства 145 близка к нечетному числу полудлин волны на предполагаемой рабочей частоте источника, тогда заполняющий газ будет оказывать очень малое сопротивление на этой частоте, и собственная частота системы сместится в сторону меньших частот.
Некоторые варианты осуществления могут также реализовывать краткосрочные незначительные регулировки частоты путем настройки фазы обратной связи приводного механизма 155 возбуждения. Такая настройка может быть осуществлена при помощи электронного регулятора 157, размещенного в камере 145. Согласно этому конкретному варианту осуществления электронный регулятор 157 содержит соответствующие электронные компоненты и источник питания (не показаны). Согласно другому варианту осуществления электронный регулятор 157 может быть расположен снаружи сейсмического источника 100, возможно, на буксирующем судне, и связан с сейсмическим источником 100, например, через гибкий подводный шлангокабель.
На фиг. 1 электронный регулятор 157 и источник 133 сжатого газа изображены лишь схематически. Размещение, конструкция и крепление электронного регулятора 157 и источника 133 сжатого газа подчиняются упомянутым вопросам проектирования. Эти вопросы включают в себя, например, распределение массы и водонепроницаемость сейсмического источника 100 в целом. Специалистам в данной области техники, понимающим преимущества от использования настоящего раскрытия, очевидны эти вопросы и пути их решения в конкретной реализации.
Некоторые варианты осуществления могут также содержать одно или более внутренних отделений (не показаны на фиг. 1; см. позицию 620) или вспомогательные внешние газовые пространства (не показаны), которые изолированы от пространства 145 или сообщаются с ним посредством сервоклапанов или клапанов с гидравлическим управлением (не показаны на фиг. 1; см. позицию 605), что позволяет контролировать резонансную частоту путем изменения сжимаемости объема газа, который определяют путем использования указанных отделений и пространств. Этот механизм обеспечит способ быстрого перехода от одной частоты к другой и обратно, при этом сейсмический источник 100 будет оставаться приблизительно на постоянной глубине. Меньшие изменения объема могут быть использованы при необходимости для возврата к центральной резонансной частоте, что позволит реже использовать емкость со сжатым газом. Отсеки/газовые пространства могут быть организованы в иерархию степеней числа два таким образом, что путем открывания и закрывания разных сочетаний отсеков можно задавать широкий спектр резонансных частот.
Как видно из описания выше, частота морского сейсмического источника будет зависеть, среди прочих факторов, от объема содержащегося в нем газа. Частота будет находиться в обратной зависимости от квадратного корня этого объема. Такая зависимость возникает из-за изменения давления газа по мере движения двух частей 115, 120 корпуса 105 относительно друг друга. Частота источника будет зависеть от скорости, с которой давление изменяется с переменой положения корпуса. Следовательно, возможно изменять частоту путем изменения объема газа, который изменяется с перемещением корпуса.
Рассмотрим вариант осуществления 600, изображенный на фиг. 6A-6C. Изменение объема газа может быть осуществлено введением в каждую из половин 115, 120 корпуса 105 газонепроницаемых перегородок 605 с большими портами 610. Порты 610 могут быть открыты или закрыты, чтобы либо обеспечивать свободное протекание газа через перегородку 605 в открытом состоянии, либо предотвращать это протекание в закрытом состоянии. Такие перегородки 605 должны быть достаточно жесткими, чтобы не прогибаться под действием разности давления газов по обе их стороны, которая будет возникать при движении частей корпуса 115, 120. Площади и формы портов 610 должны быть такими, чтобы в открытом состоянии создавать незначительное сопротивление потоку газа.
Подходящее устройство перегородок 605 схематически проиллюстрировано на фиг. 6A. Каждая из частей корпуса 115, 120 характеризуется наличием внутреннего объема 615, разделенного перегородками 605 на две части 620. Через каждую перегородку 605 проходит тяга 160 осевой передачи усилий, которая снабжена уплотнением 625, позволяющим ей перемещаться вдоль оси с небольшим сопротивлением или без него способом, который хорошо известен специалистам в данной области техники.
Когда порты 610 открыты, резонансная частота источника 600 находится под незначительным влиянием присутствия перегородок 605. Когда порты 610 в одной перегородке 605 закрыты, а в другой открыты, внутренний объем газа, изменяющийся при движении корпуса 105, фактически уменьшается на
четверть, что увеличивает резонансную частоту в Ъраз по сравнению с частотой при всех открытых портах 610. Если порты 610 обеих перегородок 605 закрыты, то резонансная частота увеличивается в^2 раз по сравнению с частотой при всех открытых портах 610.
Например, перегородки 605 и порты 610 могут иметь следующий вид: перегородка 605 состоит из плоского диска 630 с двумя отверстиями 635 портов, как показано на фиг. 6B. Вращающаяся часть 640, показанная на фиг. 6C, установлена соосно с перегородкой 605 и соприкасается с ней. Вращающаяся часть 640 вращается так, что ее лопасти 645 закрывают отверстия 635 портов в двух угловых положениях и открывают их в двух других положениях. В закрытом положении вращающаяся часть 640 герметично закрывает отверстия 635 портов и не позволяет текучей среде проходить сквозь них. Перегородка 605 и вращающаяся часть 640 вместе образуют клапан 650, который в открытом положении допускает поток через площадь, равную примерно половине площади диска 630.
Согласно показанному варианту осуществления отверстия 635 портов характеризуются формой, которую можно назвать "усеченными клиньями". В альтернативных вариантах осуществления может быть выбрана другая форма отверстий 635 портов. Так, согласно некоторым вариантам осуществления форма отверстий портов может быть круглой или овальной, при этом могут быть использованы и другие формы. Конструкция вращающейся части 640 также может быть изменена в соответствии с изменениями формы отверстий 635 портов в этих вариантах осуществления.
Согласно альтернативным вариантам осуществления (не показаны) корпус 145 содержит внутренние отделения, которые не проходят поперек тяги 160 осевой передачи усилий, что исключает необходимость в использовании уплотнений 625. Согласно этому варианту осуществления при помощи одной или нескольких перегородок 605 управляют тем, сообщается ли газ внутреннего отделения с внутренним пространством 145. Расположенное таким образом внутреннее отделение особенно подходит для более тонкой регулировки сжимаемого объема газа (т.е. изменения объема составляют несколько процентов в отличие от 25 процентов у аксиальных перегородок, изображенных на фиг. 6A). Большие регулировки могут быть осуществлены при наличии нескольких внутренних пространств, каждое из которых ограничивается перегородкой (перегородками), при этом их используют аддитивно.
Рассмотрим снова фиг. 1, согласно показанному варианту осуществления сейсмический источник 100 оборудован гибким подводным шлангокабелем (не показан). Через этот шлангокабель к сейсмическому источнику 100 и его компонентам направляют сжатый газ и различные управляющие сигналы. Аналогичным образом по шлангокабелю на поверхность передают выходные данные с ряда датчиков, используемых для регистрации относительного положения и других параметров.
Согласно одному варианту осуществления две части 115 и 120 сейсмического источника 100 будут самопроизвольно вибрировать на резонансной частоте, определяемой, главным образом, их массой и дополнительной массой вовлеченной текучей среды, и обратной величине сжимаемости газового пространства 145. Во время работы приводной механизм 155 возбуждения толкает и тянет первую часть 115 относительно второй части 120 способом, который усиливает самопроизвольные возвратно-поступательные колебания. Другими словами, работой приводного механизма 155 возбуждения управляют так, чтобы обеспечить колебания двух частей 115, 120 с собственной резонансной частотой сейсмического источника 100. В результате сейсмический источник 100 излучает низкочастотный одночас-тотный сейсмический сигнал на собственной резонансной частоте двух частей 115, 120.
Резонансная частота двух частей 115, 120 зависит от глубины, на которой буксируется сейсмический источник 100, поскольку сжимаемость газа в пространстве 145 находится в обратной зависимости от его давления, которое будет равно гидростатическому давлению окружающей текучей среды. Поэтому резонансной частотой сейсмического источника 100 можно управлять путем регулирования глубины буксирования. Изменение глубины изменяет гидростатическое давление, которое воздействует на сейсмический источник 100. В свою очередь, это оказывает влияние на относительное расположение двух частей 115, 120.
Более конкретно, в отсутствие регулировки относительные положения частей 115, 120 будут изменяться в ответ на изменения глубины таким образом, что внутреннее давление сейсмического источника 100 остается равным внешнему гидростатическому давлению. Заметим, что если глубина изменяется значительно, соответствующее этому изменение положения в некоторых условиях может продолжаться до тех пор, пока уплотнитель 150 не достигнет своего крайнего положения. Поэтому для предотвращения разъединения или столкновения двух частей 115, 120, как правило, используют жесткие ограничители (не показаны). Соответственно, массой газа в камере 145 можно управлять для поддержания относительного положения двух частей 115, 120 таким, чтобы уплотнительный элемент 152 оставался в положении, близким к середине поверхности 140 скольжения. Это является одним из применений описанного выше источника сжатого воздуха.
Описанный здесь сейсмический источник предназначен для низкочастотного одночастотного типа сейсморазведки. Он не обеспечивает сигналов, известных в данной области техники, как "широкополосные сигналы с перестраиваемой частотой". Соответственно, его конструкция может быть значительно упрощена, при этом такое устройство может быть облегчено путем исключения элементов источников
широкополосных сигналов с перестраиваемой частотой, а его размеры могут быть уменьшены. Следует отдельно отметить исключение газовой пружины переменной жесткости и соответствующих прессовых поршней (поршня), используемых при широкополосных сейсморазведках с перестраиваемой частотой, которые раскрыты в заявке на выдачу патента США № 12/995763.
Одно из преимуществ, связанных с размерами этого компактного сейсмического источника 100, состоит в том, что он излучает сейсмические сигналы "всенаправленно"; подобный сигнал 200 показан на фиг. 2. Более конкретно, сейсмический источник 100 излучает акустический сейсмический сигнал 200 во всех направлениях, поскольку он значительно меньше, чем длина волн тех частот, которые он излучает. Однако заметим, что длины волн излучаемого сигнала (380 м и больше) настолько велики, что сейсмический источник 100 может быть в несколько раз больше своего предполагаемого размера, и при этом он будет оставаться компактным, всенаправленным акустическим источником. Согласно этому конкретному варианту осуществления низкочастотный сейсмический сигнал 200 характеризуется частотой в диапазоне 0,5-2 Гц. Как уже обсуждалось в настоящем документе, излучаемый сигнал является всенаправ-ленным, поскольку он излучается во всех направлениях (в трехмерном пространстве) по существу на одной частоте и с одной интенсивностью.
Работа варианта осуществления, изображенного на фиг. 1, ограничена расстоянием перемещения уплотнительной поверхности 140, ходом тяги 160 осевой передачи усилий, максимальной скоростью, которую может выдержать уплотнительный элемент 152, и объемом устройства. Нижняя граница диапазона достижимых частот будет зависеть от объема пространства 145 и массы половин 115, 120 корпуса. Предположим, что объем оставляет порядка 10 м3, а общая масса составляет порядка 30 т. Частота может изменяться с глубиной приблизительно так, как показано на фиг. 3A. Акустический выходной сигнал может значительно изменяться, как показано на фиг. 3B, отчасти потому, что указанный источник, как и любой компактный акустический источник, на малых частотах является менее эффективным излучателем, а отчасти из-за волн-спутников. Волна-спутник обусловлена поверхностью воды, которая действует как акустический отражатель, вызывая побочные эффекты в регистрируемых сейсмических данных.
На частотах ниже приблизительно 2,4 Гц (т.е. на глубинах до приблизительно 180 м) выходной сигнал ограничивается ходом тяги 160 осевой передачи усилий и, помимо этого, скоростью уплотнителя, т.е. относительной скоростью, с которой прикрепленный к корпусу уплотнитель двигается вдоль уплот-нительной поверхности поршня. Шкала на фиг. 3A, 3B соответствует децибелам относительно нулевого уровня 1 мкПа на расстоянии 1 м, а не относительно 1 мкПа/Гц, поскольку сейсмический источник излучает непрерывный сигнал. Для получения выходной мощности в дБ/Гц нужно прибавить к шкале 20 Log10(T), где T - длительность зуммирования в секундах.
Традиционная мера дБ/Гц, используемая в геофизических сейсморазведках, которая объединяет общую энергию во "взрыв", приобретает меньший смысл в этой ситуации с одной частотой, когда сигнал могут излучать в течение минут или даже часов, в отличие от 10-16 с стандартного интервала повторения возбуждений пневмопушкой. Поскольку сейсмический источник 100 будет "конкурировать" с непрерывным случайным фоновым шумом, чей спектр измеряется в энергии на единицу полосы частот (дБ относительно 1 мкПаЛ/Гц), полезнее измерять отношение акустической мощности к ширине полосы частот. Поэтому, чтобы свести к минимуму ширину полосы частот и, таким образом, максимально увеличить мощность на единицу ширины полосы частот, сейсмический источник 100 должен поддерживать стабильную частоту.
Показанные варианты осуществления достигают стабильности частоты в 2% или лучше, что определяет ширину полосы частот. Так, например, ширина полосы частот для сигнала 1 Гц составляет приблизительно 0,02 Гц и т.д. Это предполагает, что сигналы будут характеризоваться большей продолжительностью, чем обратная величина ширины полосы частот (т.е. будут дольше, чем примерно 50 с). Таким образом, для получения выходного сигнала в дБ относительно 1 мкПа//Гц нужно добавить 10 Log10(1/B) к значению дБ относительно 1 мкПа, где B - ширина полосы частот.
Например, предположим, что описанный выше вариант осуществления сейсмического источника 100 работает на глубине 23 м. Это позволит ему излучать одночастотный сигнал на частоте 1 Гц. Из фиг. 3A видно, что источник будет выдавать 185 дБ относительно 1 мкПа на расстоянии 1 м. Прибавив 17 дБ для коррекции за ширину полосы частот, получим величину 202 дБ относительно 1 мкПа//Гц. Таким образом, на расстоянии 1 м отношение сигнал-помеха составит 102 дБ, если уровень фоновых помех будет равен 100 дБ относительно 1 мкПаЛ/Гц. На расстоянии 30 км эта величина уменьшится до 13 дБ на основе предположения о простом сферическом распространении. Соответственно, при стабильной частоте сейсмический источник 100 может генерировать сигнал на фоне помех, пригодный для сейсморазведки.
Однако для определения выходного сигнала сейсмического источника 100 могут также быть использованы другие параметры конструкции. Факторы, определяющие его самую низкую частоту - это массы половин 115, 120 корпуса, площадь поперечного сечения половины 115 корпуса в области уплот-нительной поверхности 140, а также объем газа 145 в корпусе (он увеличивается при увеличении любого из параметров). Ограничения амплитуды выходного сигнала накладываются ходом тяги 160 осевой передачи усилий, скоростью уплотняющего элемента 152 и расстоянием перемещения уплотнительной по
верхности 140.
В настоящем обсуждении сейсмический источник 100 будет предназначен для достижения частоты 0,7 Гц на глубине 25 м. Диаграмма на фиг. 4A демонстрирует, как резонансная частота будет вести себя в зависимости от радиуса 141 корпуса и длины 142 корпуса. Значения шкал для радиуса находятся в диапазоне 0,8-1,6 м и для длины в диапазоне 6-12 м. Отдельные изолинии определяют геометрическое место точек с возможными сочетаниями радиуса и длины при определенной частоте. Таким образом, вариант осуществления, изображенный на фиг. 1, может достигать частоты 0,7 Гц при длине приблизительно 9 м.
Заметим, что на фиг. 4A видно насколько малое влияние оказывает радиус 141 корпуса на резонансную частоту. Этому есть две причины. Во-первых, движущаяся масса практически целиком состоит из механической массы лишь с небольшим вкладом от массы вовлеченной текучей среды. Во-вторых, механическая масса была установлена пропорциональной к объему корпуса, так что увеличенный радиус 141 корпуса (увеличивающий упругую жесткость заполненного газом объема) компенсируется за счет увеличения массы.
Рассмотрим теперь уровень выходного сигнала, устанавливая длину 9 м и увеличивая ход тяги пропорционально этой длине (т.е. от ±0,2 до ±0,3 м), чтобы частота была правильной, получаем показанный на фиг. 4B график выходного сигнала в дальней зоне (т.е. с учетом влияния волн-спутников от свободной поверхности) в дБ относительно 1 мкПа//Гц на расстоянии 1 м (т.е. в единицах, позволяющих выполнять сопоставление с фоновым шумом). На фиг. 4B показано, что, работая на частоте 1 Гц, эта конструкция при 0,7 Гц может быть очень близкой по выходному сигналу к описанной выше в предыдущем примере (т.е. по отношению к фиг. 3A и 3B). Этого можно добиться без увеличения радиуса 141 корпуса, увеличив вместо этого ход тяги 160 осевой передачи усилий. В другом варианте можно не изменять начальный ход, а увеличить радиус 141 корпуса, как показано на фиг. 4C.
Некоторые реализации варианта осуществления, изображенного на фиг. 1, могут придавать чрезмерное ускорение электронным компонентам и/или не обеспечивать устойчивое положение точки буксировки и/или прикрепления шлангокабеля. Альтернативная конструкция может характеризоваться наличием неподвижной центральной части и подвижных носовой и хвостовой частей. Один из таких вариантов представлен в вариантах осуществления, изображенных на фиг. 5A и 5B. На фиг. 5B представлен вид сбоку механического соединения 515, а на фиг. 5A представлен вид сверху механического соединения 515.
Сейсмический источник 500 отличается от варианта осуществления, изображенного на фиг. 1, тем, что включает неподвижную часть 505 с точкой 510 буксировки, к которой может быть прикреплен буксировочный трос 511. Заметим, что первая и вторая части 115, 120 по-прежнему совершают возвратно-поступательные движения относительно друг друга в области герметичного подвижного уплотнения 150. Функциональное взаимодействие между неподвижной частью 505 и первой и второй частями 115, 120 осуществляется при помощи механического соединения 515, состоящего из шарнирных опор точно подобранной длины, так чтобы при возвратно-поступательных движениях частей 115, 120 обеспечивалась неподвижность части 505. В частности, оси вращательного движения шарнирных соединений 550, 552, 554 должны быть расположены в одной плоскости, параллельной направлению относительного движения частей 115, 120, и должны соприкасаться с цилиндрической поверхностью неподвижной части 505. Заметим, что показанное механическое соединение 515 является одним из средств, при помощи которых неподвижная часть 505 может быть функционально прикреплена к первой и второй частям 115, 120; при этом в других вариантах осуществления могут быть использованы другие средства.
Согласно одному варианту осуществления, изображенному на фиг. 5C, источник 500 включает в себя шлангокабель 520, который прикреплен к неподвижной части 505 при помощи распределительной коробки 525. Шлангокабель 520 спускается сверху, обычно с исследовательского суда, такого как судно 210 на фиг. 2, и включает в себя выводы для сжатого газа, управления и питания, как описано выше. Распределительная коробка 525 связана с вводом 540, смонтированным на одной из подвижных частей 115, 120, через обладающие высокой гибкостью выводы 531-533, которые служат для подачи сжатого газа, управляющих сигналов и электроэнергии. Эти выводы 531-533 не должны препятствовать возвратно-поступательному движению двух частей 115, 120 и должны быть устойчивыми к износу, вызванному взаимным движением частей 115, 120, 505. Например, они могут быть спиральными. Они входят в часть 115 или 120 через ввод 540 и присоединены к находящемуся внутри оборудованию. Также учитываются и другие соображения, такие как водонепроницаемость и распределение массы, применимые к описанным выше вариантам осуществления. Заметим, что шлангокабель 520 позволяет переносить некоторые компоненты, используемые в некоторых вариантах осуществления, из показанного источника 500, например, на исследовательское судно.
Следует отметить, что на фиг. 5A-5C не показано вспомогательное оборудование, такое как источники питания гидравлического привода и аккумуляторы, электрические трансформаторы и т.п. Это вспомогательное оборудование может быть легко установлено на раме или других монтажных приспособлениях, прикрепленных к центральной части и расположенных в ее нижней части. Устройство будет опираться на указанные приспособления, находясь на палубе или на суше.
Некоторые варианты осуществления, такие как сейсмический источник 700, изображенный на фиг. 7, могут быть спроектированы с большим количеством степеней свободы вибрации в пределах диапазона частот. Например, можно закрепить массы 705 (обозначена только одна) на пружинах 710 (обозначена только одна) в одной или обеих частях 115, 120 корпуса 105. Эти массы могут располагаться в кольце, скользящем на линейных подшипниках 715 (обозначен только один) вдоль тяги 160 осевой передачи усилий. Каждое сочетание масса-пружина использует свой собственный приводной механизм возбуждения (не показан). Заметим, что эти компоненты должны быть расположены в камере 145 достаточно равномерно, чтобы сохранялось приблизительное равенство масс первой и второй частей 115, 120.
Массы 705 должны быть расположены рядом с центром устройства 700 во избежание нарушения балансировки устройства 700. Массы 705 будут оказывать влияние на динамические характеристики резонанса на основной частоте; это влияние должно компенсироваться другими аспектами конструкции, как описано выше. Массы 705 могут также усиливать отрицательную плавучесть, поэтому их размеры должны быть минимальными. Если подвесная система (например, пружина 710 с подшипником 715) обладает достаточно низкими потерями, для получения таких же усилий массы 705 могут быть меньшими, но с большими пределами перемещения. Например, можно использовать массу 705 с весом в 1/5 от веса корпуса 105, с ходом в пять раз большим, чтобы получить то же усилие на корпус 105. Стальные пружины хорошо подходят, поскольку обладают низкими потерями и линейной зависимостью деформации от нагрузки.
После развертывания сейсмического источника 700 механизм масса-пружина невозможно регулировать. Таким образом, если изменяется частота (например, при изменении глубины или массы), они не будут реагировать на изменения и в соответствии с ними не будут работать по-другому. Это можно решить путем использования газовых пружин (не показаны), в которых равновесное давление поддерживают равным давлению в главном газовом пространстве, и, таким образом, они будут реагировать на изменения. Однако у них будут большие потери, чем у стальных пружин (трение уплотнения), и характеристика не будет линейной. Это может осложнить снижение движущейся возвратно-поступательно массы за счет увеличения хода. Это увеличит мощность дополнительных приводов, необходимых для приведения масс в движение. Если контроль давления не очень хороший, частота может дрейфовать по мере нагревания газа в пружине за счет трения. Это также будет означать, что до некоторой степени будут генерироваться нежелательные высшие гармоники.
Скорости линейных подшипников 715 будут высокими. Латунный подшипник скольжения сможет работать при скорости 6 м/с. Для более высоких скоростей могут потребоваться магнитные или гидродинамические подшипники.
"Передаточный импеданс" между двумя концами сейсмического источника 700 (если один конец создает давление в воде, оно воздействует на другой) может изменять гармоники выходного сигнала. Предполагается, что этот эффект будет незначительным.
Следующие заявки на выдачу патента и патенты включены в настоящий документ посредством ссылки на те части, которые перечислены, и для указанных целей, как если бы они были изложены здесь дословно.
Заявка на выдачу патента США № 13/327524 "Seismic Acquisition Using Narrowband Seismic Sources", поданная 15 декабря 2011 г., авторы Joseph A. Dellinger и др., опубликованная 21 июня 2012 г. в качестве публикации патента США 2012/0155217, и имеющая общего правообладателя с этой заявкой, в отношении идей, связанных с получением данных (сейсморазведках), которые изложены в параграфах [0024]-[0040], [0054]-[0059], [0065]-[0088].
Патент США 8387744 "Marine Seismic Source", выданный 5 марта 2013 г. BP CORPORATION NORTH AMERICA inc., авторы Mark Harper и др., и имеющий общего правообладателя с этой заявкой, в отношении идей, связанных с конструкцией куполообразных окончаний источника, раскрытого в настоящем документе, которые изложены от столбца 6, строка 64 до столбца 8, строка 11.
Там, где какой-либо патент, заявка на выдачу патента, либо документ, включенный ссылкой в настоящий документ, противоречит настоящему изобретению, настоящее изобретение превалирует.
Другие варианты осуществления изобретения будут понятны специалистам в данной области техники при рассмотрении раскрытого в настоящем документе описания и практического использования изобретения. Предполагается, что описание и примеры будут рассматриваться только в качестве иллюстрации, а истинная суть и объем изобретения приведены в формуле изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Компактный морской сейсмический источник для сейсморазведки, генерирующий зуммерный сигнал, причем указанный источник содержит
корпус, ограничивающий заполненную газом непроницаемую для текучей среды камеру и состоящий из двух частей приблизительно одинаковой массы - первой части корпуса и второй части корпуса;
привод низкочастотного возвратно-поступательного движения, расположенный в непроницаемой для текучей среды камере и во время работы источника усиливающий собственные возвратно
поступательные колебания первой и второй частей корпуса относительно друг друга с низкой частотой для излучения во всех направлениях низкочастотного зуммерного сейсмического сигнала;
регулирующее устройство, выполненное с возможностью управления частотой источника путем регулирования глубины буксирования источника, при котором изменение глубины буксирования изменяет гидростатическое давление, которому подвергается сейсмический источник, причём изменение гидростатического давления влияет на относительное расположение первой и второй частей корпуса.
2. Компактный сейсмический источник по п.1, в котором первая и вторая части соединены при помощи герметичного подвижного уплотнения, допускающего движение двух частей относительно друг друга.
3. Компактный сейсмический источник по п.1, в котором каждая из первой и второй частей корпуса характеризуется наличием полусферического куполообразного окончания.
4. Компактный сейсмический источник по п.1, в котором привод возвратно-поступательного движения включает в себя
приводной механизм возбуждения, расположенный в первой части корпуса; и
тягу осевой передачи усилий, механически связанную с приводным механизмом возбуждения на одном ее конце и прикрепленную ко второй части корпуса на другом ее конце.
5. Компактный сейсмический источник по п.4, дополнительно включающий в себя
по меньшей мере один подшипник для тяги осевой передачи усилий, расположенный в первой час-
ти корпуса; и
направляющую для тяги осевой передачи усилий, расположенную во второй части корпуса.
6. Компактный сейсмический источник по п.1, дополнительно включающий в себя
емкость с газом, функционально связанную с камерой; и
регулирующее устройство, подключенное с помощью электрического соединения к емкости с газом и приводному механизму возбуждения для управления их работой, включая управление резонансной частотой компактного сейсмического источника.
7. Компактный сейсмический источник по п.1, дополнительно включающий в себя множество непроницаемых для текучей среды камер по меньшей мере в одной из первой части корпуса или второй части корпуса, причем множество непроницаемых для текучей среды камер сообщаются друг с другом при помощи управляемого клапана.
8. Компактный сейсмический источник по п.7, в котором объемы непроницаемых для текучей среды камер расположены с распределением по степени числа два.
9. Компактный сейсмический источник по п.1, дополнительно включающий в себя массы, которые выполнены с возможностью осуществлять свободные колебания на пружинах в продольном направлении.
100
Зависимость частоты от глубины развертывания
Частота (Гц)
100 150
Фиг. 3A
Зависимость сигнала в дальней зоне от глубины оазвертывания
Выходной сигнал дБ относительно мкПа
200
195
185
180
100 150
Фиг. 3B
200
Глубина (м)
Зависимость частоты от радиуса поршня и длины корпуса Глубина 25 м
Зависимость сигнала в дальней зоне от радиуса поршня Длина корпуса = 9м; глубина = 25м; Половина хода поршня = 0,3м
Выходной сигнал дБ относительно мкПа
212 21D 203 2QS 204 202 1,0
1-2 1,4 Фиг. 4B
1.6
Радиус поршня (м)
Зависимость сигнала в дальней зоне от радиуса поршня
Длина корпуса = 9м; глубина = 25м; Половина хода поршня = 0,2м
Выходной сигнал дБ относительно мкПа
208 206 204
202 200
1.0
1.2 1.4 Фиг. 4C
1.6
Радиус поршня (м)
500
115
505
120
515
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
032576
- 1 -
(19)
032576
- 1 -
(19)
032576
- 1 -
(19)
032576
- 9 -
032576
- 10 -
032576
- 11 -
032576
- 11 -
032576
- 11 -
032576
- 12 -