专利名称：用于调整地球物理传感器拖缆前端拖引深度的系统的制作方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及使用拖引拖缆(towed streamer)的海洋地球物理勘测领域。更具体来说，本发明涉及用于控制地球物理传感器拖缆的前向端(forward end)的拖引深度的装置。
背景技术：
海洋地球物理勘测包括地震勘测系统。地震勘测系统用于从例如湖或海洋等水域底部下面的地球地层(Earth formation)获取地震数据。海洋地震勘测系统通常包括具有船载导航(onboard navigation)的地震船、地震能源控制和数据记录设备。地震船通常配置成在水中拖引一个或多个拖缆。在所选时间，地震能源控制设备使一个或多个地震能源起动(actuate)(它们可由地震船或者由另一种船只在水中拖引)。一个或多个拖缆上的各种传感器所产生的信号最终被引导(conduct)到记录设备，其中相对时间对各传感器(或这类传感器组)所产生的信号进行记录。稍后解释记录信号，以便推断水域底部下面的地球地层的结构和组成。一个或多个拖缆在最一般意义上是长电缆，它们具有沿电缆长度设置在间隔开的位置的地震传感器。典型的拖缆可在地震船后面延伸数公里。由于典型拖缆的大长度，拖缆因其与水和水中的涌流的交互作用以及其它因素而可能不会在地震船后面、在沿其长度的每一点完全按直线行进。最近已经设计海洋地震获取系统，它们包括由地震船平行拖引的多个这类拖缆。 由船只使用拖引装置以及使拖缆在水中被拖引时相互保持在所选横向距离的关联设备来拖引拖缆。这类多拖缆系统在称作三维和四维地震勘测中使用。四维地震勘测是在所选时间重复进行的对地球地表下(Earth’ s subsurface)的相同区域的三维勘测。这类系统中的各个拖缆受到影响单个拖缆的相同力影响。从三维地震勘测所产生的地球地表下的图像质量受到控制拖缆上的各个传感器的位置的良好程度影响。根据地震信号所生成的图像的质量还取决于在整个地震勘测中保持地震接收器的相对位置的程度。用于横向定位拖缆和/或在水面之下的所选深度定位拖缆的各种装置是本领域已知的。例如，授予Owsley等人的美国专利No. 5443027描述一种用于使拖引水下声学电缆产生位移的侧力装置，它提供水平和垂直方向的位移。该装置具有空心阀芯(hollow spool)和旋转安装的带翼机身(winged fuselage)。空心阀芯安装在电缆上，电缆元件穿过其中。制作带翼机身，其中具有相对正浮力的上半部和相对负浮力的下半部。带翼机身安装在空心阀芯周围，其中具有允许带翼机身旋转的空隙。上与下机身之间的浮力差使装置保持在正确操作位置。机身上的翼成角度，以便当带翼机身在水中拖引时沿预期方向上升。但是，Owsley等人的专利中公开的装置没有提供拖缆的方向或深度的主动控制(active control)。授予Ambs等人的美国专利No. 6011752描述一种地震拖缆位置控制模块，其中具有带第一端和第二端的主体以及从第一端到第二端通过其中、用于容纳地震拖缆的膛(bore)。该模块具有至少一个控制表面以及最初设置至少一个控制表面在其中的至少一个凹槽。至少一个控制表面可移动地连接到主体，供从至少一个凹槽和进入至少一个凹槽的移动以及供从主体伸出时的姿态(attitude)调整的移动。一般来说，Ambs等人的专利中描述的装置甚至在闭合时也比它附于其上的拖缆的直径略大，并且这种直径在部署和从水中回收拖缆时会成问题。授予Bertheas等人的美国专利No. 6144342描述一种用于使用可附于拖缆外部的 “吊舱(bird) ”来控制拖引地震拖缆的导航的方法。吊舱配备了可变倾角翼，并且旋转固定到拖缆上。通过差分动作，翼允许吊舱围绕拖缆的纵轴转动，使得获得围绕拖缆的纵轴沿任何给定方向所定向的水动力。电力和控制信号在拖缆与吊舱之间由旋转变压器传送。吊舱通过由盖板闭合的膛固定到拖缆。吊舱可在拖缆升高时自动分离，使得拖缆可自由卷绕到卷筒(drum)上。所公开的方法据称允许对拖缆的变形、浸入和航向(heading)进行完全控制。也重要的是，控制拖缆在水中的深度，使得来自水-空气界面的地震信号反射的影响可以被控制。需要控制拖缆阵列的拖缆的前向端在水中的深度的装置。虽然本发明的需要的说明一般按照地震勘测来进行说明，但重要的是要认识到， 本发明可适用于包括由船只拖引的多个横向间隔开的传感器拖缆的任何勘测系统。这种其它类型的拖缆可非限制性地包括电极、磁力计和温度传感器。相应地，本发明的范围并不局限于地震拖缆。
发明内容
根据本发明的一个方面的用于拖引海洋地球物理传感器拖缆的系统包括从拖船延伸的牵引绳(a lead in line)。拖缆前端末端(streamer frontend termination)耦合到牵引绳的一端以及传感器拖缆的前向端。浮动装置通过绳耦合在前端末端附近。绞盘设置在浮动装置上，以便延伸和收回该绳。深度传感器设置在前端末端附近。控制器与绞盘和深度传感器进行信号通信，使得拖缆的前向端保持在水域中的所选深度。在一些示例中，潜降器耦合在前端末端附近。潜降器在水域中的前端末端附近施加向下力。根据本发明的另一个方面的一种用于在水域中拖引海洋传感器拖缆的方法包括将牵引绳从水域中移动的拖船延伸到前端末端。前端末端耦合到设置在水中的传感器拖缆的前向端。拖缆从接近水面的浮动装置悬浮在其前端附近。改变在浮动装置与悬浮点之间延伸的绳的长度，使得拖缆的前端保持在水中的所选深度。在一些示例中，向下力施加在前端末端附近。通过以下描述和所附权利要求书，本发明的其它方面和优点将会显而易见。
图1是使用根据本发明的拖缆前端深度控制装置的传感器拖缆系统的斜视图。图2更详细地示出图1的组合浮动装置和绞盘单元其中之一。
具体实施方式
由勘测船拖引的地球物理传感器拖缆阵列如图1的斜视图所示。船只7沿水域 11表面移动。船只7上包括勘测获取设备，一般示为14并且为了方便起见称作“记录系统” 14。记录系统14包括(未单独示出)用于确定船只7的大地位置的装置、用于记录由多个地球物理传感器20的每个所生成的信号的装置、用于在使用地球物理能源(图1中未示出)时起动这种源的装置以及在一些实例中用于控制各部署在相应浮动装置3中的一个或多个拖缆前端绞盘10的部署的装置。船只7可拖引一个或多个传感器拖缆1。拖缆1各可耦合到牵引电缆(a lead in cable) 5，所述牵引电缆5通过前端末端15将船只7的运动传递到各拖缆1的前向端。如果如图1所示使用多个拖缆1，则通常将在勘测船7之后的横向间隔开的位置拖引拖缆1。 横向分离可通过将偏转器或“扫雷器” 2部署在两个扫雷绳4(paravane rope)(又称作“超宽”绳)的每个的端部来获得。扫雷器2生成从船只7的运动方向横向朝外的力，并且将这种侧力施加到与其连接的展延电缆(Spreadercable)8以及拖缆前端末端15之间。如作为一种可能配置的图1所示，在两个最中心拖缆前端连接15之间不存在展延电缆8。拖缆1各具有沿拖缆1的长度部署的多个地球物理传感器20。在本例中，地球物理传感器可以是实质并置地震质点运动传感器和压力时间梯度传感器(未单独示出)。海洋拖缆中的这类感测装置及其构造的一个示例如授予Tenghamn等人并且随本发明共同拥有的美国专利No. 7239577中所示。应当清楚地理解，本发明对于可在水域中拖引并且可被要求在勘测操作期间保持在水域中的所选深度的任何其它类型的地球物理传感器同样可适用。相应地，地球物理传感器的类型并不是对本发明的范围的限制。在拖缆1包括上述并置压力和运动响应传感器的本例中，可能要求在比由于作用于拖缆的力(例如拖缆浮力、来自扫雷器的横向拉力、拖引、水阻力、前端末端和牵引电缆的重量等等)的组合而将发生的更大的水中的所选深度操作拖缆1。因此，在本例中，潜降器9可耦合到各前端末端15附近的各横向最外侧拖缆1。其它示例可包括耦合在各拖缆1 上的各前端末端15附近的潜降器。潜降器9可以是提供负浮性(向下)力的简单重物，或者可以是由于水11中运动而在向下方向生成水动升力的装置。如果潜降器9是例如铅或其它致密材料重物等重物，则其外部形状可以不重要，但是可优选的是为该重物提供选择成减小水11中运动的摩擦力的形状。水力潜降器(hydrodynamic depressor)可包括如图 1所示自潜降器9的主体的突出部分的组合，以便引起向下水动升力。在一些示例中可控制水动升力的方向和量。例如在授予I^ramik并且随本发明共同拥有的美国专利No. 7457193 中描述可提供可控水动升力的装置。在本文的背景部分所引的参考文献中描述了其它示例。使用潜降器9的目的在于，用于获得必要的拖缆横向展延的偏转器2通常在水面或者在水面附近拖引，并且趋向于在预期拖缆拖引深度比偏转器2上的展延电缆8的拖引点深时向上拖曳拖缆展延电缆8。这种布置是典型的。因此，将潜降器9应用在至少横向最外侧拖缆1的前端末端15附近将使相应拖缆1的前端在水11中向下移动。在其它示例中，地球物理传感器可具有一种类型，它不会要求在比由于作用于部署在水11中的获取系统的各种组件的上述力而将发生的更大的深度拖引拖缆1。在这类情况下，潜降器9可省略，并且各拖缆1的前端附近的深度可使用下面所述的装置来保持。拖缆1可包括(图1中为了清晰起见而未示出)多个纵向间隔开的侧力和深度控制装置，以便将各拖缆的深度和横向位置保持在所选位置。例如在授予Bertheas等人的美国专利No. 6144342中描述这类装置。在本发明中，各拖缆1可在前端末端15附近耦合到相应浮动装置3，该浮动装置沿水面在相应前端末端15附近移动。耦合可使用绳或索6来执行，绳或索6在一端在前端末端15附近耦合到拖缆1，而在另一端耦合到浮动装置3上(on board the floatation device)的绞盘10。绞盘10的操作可由记录系统14使用无线电链路12或相似射频通信装置来控制。其它示例可在浮动装置3提供自动绞盘操作，将参照图2进行说明。各前端末端15可包括与其关联的深度传感器15A(参见图2)，例如压力传感器，它又与下面所述的浮动单元中的记录单元14或装置进行信号通信。当希望将拖缆前端末端15保持在水11 中的所选深度时，记录系统14可编程为响应来自相应压力(深度)传感器15A(图2)的信号而操作各浮动装置3中的绞盘10 (或者对浮动装置3中的绞盘控制器进行编程，如参照图2所述)。在其它示例中，测量绞盘10的旋转的传感器(未示出)可用作拖缆1的前端的深度指示器。本文所使用的术语“深度传感器”意在包括前述两种示例传感器以及生成与在水11中的拖缆1的前端附近的深度或者由各绞盘10所部署的绳6的长度对应的信号的任何其它感测元件。图2中更详细地示出包含绞盘10的浮动装置3之一。浮动装置3可包括封闭室30，其中填充有不可压缩低密度液体或泡沫或者其它浮性材料，以便耐受流体静力破碎 (hydrostatic crushing)以及向拖缆1的前端提供浮力。在室30外部或之内或者在其中的所选子室中可设置拖缆前端末端15的深度控制系统的下列组件。收发器12与记录系统 (图12中的14)进行无线电或其它信号通信。可把来自收发器12的信号传递给中央处理器22、如微控制器。中央处理器22可生成驱动电动机M的信号。电动机M可在其输出轴上包括适当组件，以便使绞盘10转动以延伸和收回将拖缆前端末端15耦合到浮动装置10 的绳6。绞盘10可包括滑动环沈，以便使来自压力(深度)传感器15A的电和/或光信号能够传递到中央处理器22以及最终(由收发器1 传递到记录单元(图1中的14)。在其它示例中，来自深度传感器15A的信号可通过牵引绳6(the lead in line)传递给记录系统(图1中的14)。操作前述组件的电力可存储在电池观中或者由其提供。要补充电池电力和/或对电池观充电，浮动装置3可包括发电机32，它由推进器或涡轮34响应浮动装置 3在操作期间在水中的运动来转动。潜降器9在图2示出，以便示出它相对浮动装置3的相对定位。图2中的示例潜降器可以是当潜降器9在水11中移动时生成可控向下水动升力的上述装置之一。如以上参照图1所述，可把来自深度传感器15A的信号传递给记录系统(图1中的14)，它将信号重传给控制器22，以便操作绞盘10以保持水中的所选深度。备选地，深度可编程到控制器 22中，并且深度可自动保持。所保持深度的变化可根据需要从记录系统14传递给控制器 22。根据本发明的系统可提供比使用现有技术阵列几何形状控制装置可能实现的更准确的传感器阵列几何形状。本发明的系统还具有根据需要在操作期间改变地球物理勘测拖缆的前端深度以满足变化勘测条件的能力。根据本发明的各个方面的拖缆系统可通过将拖缆的前向端保持在水中的所选深度，来实现更准确的地球物理勘测。虽然针对有限数量的实施例描述了本发明，但受益于本公开的本领域的技术人员会理解，可设计其它实施例，而没有背离本文所公开的本发明的范围。因此，本发明的范围应当仅受所附权利要求书限制。
权利要求
1.一种用于拖引海洋地球物理传感器拖缆的系统，包括 从拖船延伸的牵引绳；拖缆前端末端，耦合到牵引绳的一端以及所述传感器拖缆的前向端； 浮动装置，通过绳耦合在所述拖缆的所述前向端附近； 绞盘，设置在所述浮动装置上，以便延伸和收回所述绳； 深度传感器，设置在所述拖缆的所述前向端附近；以及控制器，与所述绞盘和所述深度传感器进行信号通信，使得所述拖缆的所述前向端保持在水域中的所选深度。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述深度传感器包括压力传感器。
3.如权利要求1所述的系统，还包括与所述浮动装置关联的电池，耦合到所述绞盘和所述控制器，以便向其提供电力，以及耦合到所述电池的发电机，所述发电机包括用于将所述浮动装置在水域中的运动转换成所述发电机的转动的部件。
4.如权利要求1所述的系统，还包括射频收发器，设置在所述浮动装置和所述拖船上，由此传递与水中的所选深度相关的信号。
5.如权利要求1所述的系统，还包括在所述拖缆的所述前向端附近耦合到所述拖缆的潜降器，所述潜降器将向下力施加到水域中的所述拖缆的所述前向端。
6.如权利要求1所述的系统，还包括 从所述拖船延伸的多根牵引绳； 耦合到各牵引绳的拖缆前端末端；在其前向端耦合到各前端末端的传感器拖缆； 通过绳耦合在各拖缆的所述前向端附近的浮动装置； 绞盘，设置在各浮动装置上，以便延伸和收回所述绳； 深度传感器，设置在各拖缆的所述前向端附近； 扫雷器，耦合到从所述拖船各侧延伸的拖引索的一端；展延电缆，将所述扫雷器的每个连接到所述前端末端的横向最外侧的一个前端末端； 展延电缆，连接所选的内前端末端；以及控制器，与各绞盘和各深度传感器进行信号通信，使得各拖缆的所述前向端保持在水中的所选深度。
7.如权利要求1所述的系统，还包括耦合在所述拖缆的横向最外侧一个拖缆的前向端附近的潜降器。
8.一种用于在水域中拖引传感器拖缆的方法，包括下列步骤将牵引绳从在水域中移动的拖船延伸到前端末端，所述前端末端耦合到设置在水中的传感器拖缆的前向端；使所述拖缆从接近水面的浮动装置自所述前向端附近的点悬浮；以及调整悬浮点与所述浮动装置之间延伸的绳的长度，使得所述悬浮点保持在水中的所选深度。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述拖缆的所述前向端的水中深度通过测量水中的压力来确定。
10.如权利要求8所述的方法，还包括在所述悬浮点附近将向下力施加到所述拖缆。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述向下力由耦合在所述拖缆的所述前向端附近的重物来施加。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述向下力通过生成产生于所述拖缆在水中的移动的向下水动升力来施加。
13.如权利要求8所述的方法，还包括下列步骤将多根牵引绳从所述拖船延伸到横向间隔开的相应前端末端，所述前端末端各耦合到设置在水中的相应传感器拖缆的前向端；使所述拖缆的每个从接近水面的浮动装置自所述前向端附近的点悬浮；以及调整各悬浮点与各浮动装置之间延伸的绳的长度，使得各悬浮点保持在水中的所选深度。
14.如权利要求13所述的方法，还包括在所述拖缆的横向最外侧的拖缆的所述悬浮点附近施加向下力。
15.如权利要求14所述的方法，其中，施加向下力包括将重物附于所述横向最外侧的拖缆的所述悬浮点附近。
16.如权利要求14所述的方法，其中，施加向下力包括在所述横向最外侧的拖缆的所述悬浮点附近生成向下水动升力。
全文摘要
一种用于拖引海洋地球物理传感器拖缆的系统包括从拖船延伸的牵引绳。拖缆前端末端耦合到牵引绳的一端以及传感器拖缆的前向端。浮动装置通过绳耦合到前端末端附近。绞盘设置在浮动装置上，以便延伸和收回该绳。深度传感器设置在前端末端附近。控制器与绞盘和深度传感器进行信号通信，使得拖缆的前向端保持在水域中的所选深度。
文档编号G01V1/38GK102183789SQ20101062514
公开日2011年9月14日 申请日期2010年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者K·J·罗斯伯格, K·卡尔森, M·奥斯塔, M·罗奈斯, S·埃兰德 申请人:Pgs地球物理公司