Позиционирование в морской сейсморазведке
Современные морские сейсморегистрирующие комплексы снабжены, как минимум, первичной и вторичной позиционной системой DGPS для судна и полной системой позиционирования пневмоисточников и косы, допускающей дальнейшие работы с достаточным уровнем выявления и устранения возможных грубых ошибок. Вторичная система включает в свои функции элементы различных корректировок, и, на сколько это возможно, независима от первичной системы.
Акустические методы позиционирования используются в комбинации с относительной системой GPS (RGPS) и гирокомпасом для определения центра группы источников и хвоста косы. Все индивидуальные акустические системы связи (начало, середина и хвостовой конец) должны быть скомпонованы, по крайней мере, по два акустических элемента на каждой косе. Высокоточный двухчастотный эхолот, с излучателем в корпусе судна, используется для промера глубин.
Каждая отдельная линия пневмоисточников оборудуется навигационным датчиком, чтобы контролировать расстояния между ними. Избыточные измерения должны быть включены в интегральную систему, чтобы выход из строя части оборудования не ухудшал точность привязки. Избыточных наблюдений должно быть, по крайней мере, на 30% больше для любой части сети (начало, середина, конец). Сейсмические наблюдения высокой плотности 3D, активно развиваемые последние годы, предъявляют повышенные требования к точности определения координат каждого приемного канала. В настоящее время разработаны и выпускаются сейсмические косы с системой акустического позиционирования каждого приемного канала с точностью плановой привязки в доли метра.
Глава 4
ИСТОЧНИКИ УПРУГИХ ВОЛН НА АКВАТОРИЯХ
Основным типом источников сейсмических колебаний при морских работах являются пневматические излучатели, которые еще называют пневмопушками (airgun – рис. 11).
Рис. 11. Общий вид пневматического излучателя.
Конструктивно пневматический излучатель представляет собой металлический цилиндр с основной (C) и вспомогательной (A) камерами, подвижным поршнем (B) и пневмоклапаном (S) (рис. 12). В корпусе излучателя имеются отверстия в боковых стенках цилиндра для выхлопа сжатого воздуха в воду (P). В основную камеру (C) сжатый воздух от компрессора попадает, последовательно проходя вспомогательную камеру (А) и отверстие в штоке поршня. После достижения рабочего давления (~130-160 бар) источник готов к работе. По команде сейсмостанции срабатывает пневмоклапан (S), в результате чего поршень (B) начинает двигаться вверх и открывает выхлоп воздуха, имеющегося в основной камере, в воду. В результате энергия сжатого воздуха преобразуется в энергию упругих колебаний водной среды. Вспомогательная камера (А) служит для демпфирования движений поршня и его возврата в исходное состояние после выстрела. Продолжающееся поступление сжатого воздуха от компрессора вызывает повторное заполнение источника. Время повторной готовности составляет 5-10 секунд (в зависимости от производительности компрессоров высокого давления).
Рис. 12. Конструкция пневматического излучателя: А – вспомогательная камера, В – поршень, С – основная камера, Р – выхлопные отверстия, S – пневмоклапан.
Для каждого выстрела давление в каждой линии должно измеряться, по крайней мере, одним отдельным датчиком, расположенным в конце линии, считая от судна. Все замеры давления должны записываться в файлы P2. Среднее рабочее давление в каждой линии не должно отличаться от номинального 2000 psi больше, чем на 10%. Среднее рабочее давление в каждой полной расстановке источников, либо вычисленное из индивидуальных показаний, либо измеренное, не должно отличаться от номинального больше, чем на 7,5 %.
Глубина погружения пневмопушек
Выхлоп воздуха высокого давления образует газовый пузырь, который расширяется за счет разности давлений внутри пузыря и соответствующего данной глубине гидростатического давления. Одновременно происходит подъем пузыря к поверхности и на определенной глубине давление в расширяющемся пузыре становится равным гидростатическому, а затем, вследствие инерционности процесса, и меньше его. Такой пузырь начинает схлопываться, затем расширяться вновь и процесс может повторяться неоднократно до выхода пузыря на поверхность. Это явление пульсации газовой полости. Существует эмпирическая формула Релея-Уиллиса, позволяющая рассчитать период подобных пульсаций:
Т=0,017 Е 1/3 (h+10)-5/6
Здесь Е – начальная энергия в джоулях, h – глубина в метрах. При небольших глубинах погружения источника время движения пузыря к поверхности становится меньше периода пульсаций, но в этом случае может существенно снизиться КПД источника.
В наземной сейсморазведке применение источников, помещенных ниже земной поверхности (взрывы в скважинах), иногда приводит к возникновению волн-спутников, т.е. волн, бегущих от источника возбуждения вверх и отраженных вниз от подошвы ЗМС или дневной поверхности. При морских работах с этой проблемой приходится считаться всегда, и она еще более серьезна. Волны-спутники возникают не только от источников, но и формируются в точках приема (у гидрофонов), также находящихся ниже поверхности воды. Интенсивность волн-спутников особенно возрастает при гладкой водной поверхности (в штиль). Вследствие большого различия в акустической жесткости воды и воздуха, коэффициент отражения для волны, бегущей вверх, составляет 0,9994, т.е. практически равен 1,0. Волнение на поверхности создает некоторое рассеяние, но проблема остается серьезной, особенно в области низких частот, где длины волн велики. Для некоторых частот время пробега от источника или гидрофона до поверхности воды составляет половину периода. Поскольку коэффициент отражения отрицателен, волна-спутник оказывается примерно в противофазе с восходящей отраженной волной и обе волны почти гасятся. Это создает близкий к нулю провал в спектре отраженных волн. При всех целочисленных частотах, кратных такой частоте, также образуются провалы в спектрах отраженных волн, поскольку полное добавленное время образует целое число периодов, а добавленная длина пути пробега спутников образует целое число длин волн.. При очень больших удалениях траектории лучей в воде для глубинных отражений становятся наклонными и центральная частота провалов спектра несколько уменьшается. Волнение на поверхности моря несколько меняет эффективную глубину, что приводит к тенденции расширения и некоторого заполнения спектральных минимумов. Эффективная ширина полосы частот при морской сейсморазведке обычно ограничена частотами, промежуточными между провалом на нулевой частоте и первым провалом на частоте, больше нуля. Провал спектра на нулевой частоте обусловлен отрицательным коэффициентом отражения на границе вода – воздух. Этот эффект иллюстрируется рис. 13.
Рис. 13. Фильтрующий эффект волн-спутников. Шифр кривых – глубина погружения источника и косы.
В данном примере приняты скорость в воде 1524 м/с и коэффициент отражения волны-спутника -1. | Глубина погружения воздушных пушек и гидрофонов одинакова. Из рисунка 13 видно, что для получения возможно более высокочастотных отражений нужна небольшая глубина погружения источников и приемников. Однако при малой глубине подавляются низкие частоты в отражениях, которые могут представлять интерес. Можно погружать пушки на разную глубину либо наклонять косу так, чтобы ее концы оказывались на разной глубине для выравнивания спектра, особенно в области глубоких провалов, но обычно этого не делают. Погружение пушек на разную глубину не представляет особых трудностей и дает дополнительное преимущество, если ближайшие к кораблю группы пушек оказываются глубже, чем дальние. Этим создается благоприятная для приема направленность излучения.
Получение широкополосных импульсов малой длительности с минимальными амплитудами вторичных максимумов на практике обеспечивается группой пушек различного объема, буксируемых на оптимальной глубине. Один из возможных вариантов такой группы представлен на рис. 14.
Рис. 14. Рабочий вариант группы пневмопушек (вид сбоку)
Оптимально подобранная группа пневмопушек и глубина ее погружения позволяют излучать достаточно короткие широкополосные импульсы, при возбуждении которых повторные сейсмические эффекты ослабляются весьма значительно (рис.15).
На каждой линии источников, над каждым кластером расстановки и каждой отдельной пушкой установлены гидрофоны ближней зоны для точного получения сигнатуры ближней зоны источников. Перед началом каждого профиля, не менее одного гидрофона на два источника и на каждый рабочий кластер должно находиться в рабочем состоянии.
Однако, после того, как профиль уже начат, он может быть завершен, если имеется не менее двух рабочих гидрофонов на линию. Сигнатура ближней зоны должна записываться от пикета к пикету на вспомогательные каналы.
При подготовке проекта работ, рассчитываются диаграммы направленности группы пневмопушек в продольной и поперечной плоскостях по отношению к направлению движения судна. Типичная диаграмма направленности такой группы представлена на рис. 16.
Рис. 15. Графики сигнатуры и спектра сигнала группы пневмопушек.
Рис. 16. Диаграмма направленности группы пневмопушек, представленных на рис. 14.
Потеря выстрела
Потеря выстрела определяется при любом условии, приводящим к непригодной для использования записи, либо к отсутствию записи вообще. Дополнительно, отказом считается возникновение любого из следующих условий:
Потеря сейсмических данных по любым причинам.
Потеря отметки момента.
Потеря записи данных позиционирования.
Невосстановимая ошибка в записи сейсмической информации.
Самоподрыв любой пушки в группе;
Неисправность или потеря системы контроля источников;
Для каждого профиля или участка профиля максимально допустимое количество потерянных выстрелов, считая все линии источников, должно быть:
50 % на любом 750-метровом участке;
30 % на любом 1500-метровом участке;
5 % на весь профиль, или сегмент профиля.
Если любое максимально допустимое количество превышено, все данные такого профиля, или сегмента профиля считаются за пределами требований и такой профиль или сегмент профиля должен быть перестрелян.
|
