海洋地震勘探的相干声源制造技术

为海洋地震勘探提供了相干的声源。示例性水下声音发射器包括由电磁力发生器致动的多个活塞，电磁力发生器具有包括定子、电枢、电线圈和永磁体的部件。活塞和部件被布置为围绕发射器的几何中心产生机械和磁对称，以减少当活塞被致动时发生的反应负载。定子和电枢具有使用锥形几何形状的磁极。当发射器被配置为拖曳体时，发射器可选地包括控制系统，以提高力发生器的保真度，为活塞提供压力补偿，精细调节活塞的静态位置，和/或改变深度和滚动。多个这样的发射器可以配置为阵列。脐部可以将发射器连接到船舶，将电力和压缩气体传输到每个阵列元件和/或在发射器和船舶之间提供数据传输介质。

Coherent sound source for marine seismic exploration

It provides a coherent sound source for marine seismic exploration. An underwater sound transmitter comprises a plurality of pistons actuated by electromagnetic force generator, electromagnetic force generator with stator, armature, coil and permanent magnet components. The piston and parts are arranged to produce mechanical and magnetic symmetry around the geometric center of the launcher to reduce the reaction load that occurs when the piston is caused. The stator and armature have magnetic poles that use conical geometry. When the launcher is configured as a towing body, the transmitter selectively includes the control system to improve the fidelity of the force generator, provide pressure compensation for the piston, fine regulate the static position of the piston, and / or change the depth and roll. Multiple such emitters can be configured as arrays. The umbilical part can connect the transmitter to the ship, transmit power and compressed gas to each array element and / or provide data transmission medium between the transmitter and the ship.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】海洋地震勘探的相干声源相关申请的交叉引用本申请是于2015年2月11日提交、标题为“用于海洋地震勘探的相干声源(CoherentSoundSourceforMarineSeismicSurveys)”的第14/421,006号美国专利申请的部分继续申请，它要求于2013年8月8日提交、序号为PCT/US13/54082的专利合作条约(PCT)申请和于2012年8月13日提交、序号为61/682,461的美国临时专利申请的优先权，每项申请均通过引用并入本文中。
总体而言，本专利技术涉及活塞式水下声音发射器(underwatersoundprojectors)，其利用了电磁驱动器并且适用于海洋地震勘探。
技术介绍
声波是用于搜索地球的地层以下的石油和天然气储量的主要工具。声波是方便的，因为它们可以在长距离上传播并穿透至复杂的分层介质中，以获得关于储量的存在、组成和物理范围(physicalextent)的重要信息。这是在陆地和水域进行勘探的情况。尽管已经使用了各种方法来在水中产生声波，但是过去三十年来的主要技术是使用空气枪，其排出短脉冲的高压空气。由该过程造成的气泡的产生和破裂导致高能量声波被导向至海底，其中大约98％的能量在5Hz到200Hz的频率范围内产生。波动穿透到地层中并且被不同地反射回它们被接收器(即，水听器(hydrophones))阵列记录的表面。一般来说，海洋地震勘探是通过如下执行的：在大约1至10米的深度，在勘探船舶之后将12至48个空气枪拖曳300米至500米。空气枪通常配置为平面阵列，并产生高达240dBre1μPa-m的声源级(sourcelevels)。这些都是脉冲声，其是由高压空气的突然排放引起的，这些声音重复5到20秒的有规律的间隔。记录直接声波和反射声波的接收阵列通常由多达16个海洋地震电缆(streamers)组成，每个海洋地震电缆具有数百个水听器。海洋地震电缆通常为3至12公里长，并且具有50至100米的侧向间距。与1.5至2.5m/s的拖曳速度相结合的震源接收器配置便于大约10km2/天的勘探速率。关于海洋地震勘探的更多信息，请参阅“MarineGeophysicalOperations:AnOverview”，InternationalAssociationofGeophysicalContractors(June2009)，或者“AnOverviewofMarineSeismicOperations”，InternationalAssociationofOilandGasProducers，ReportNo.448(April2011)，各自通过引用并入本文。关于海洋地震勘探中使用的空气枪的更多信息，请参见例如，W.Dragoset，“AirIntroductiontoAirGunsandAir-GunArrays”，TheLeadingEdge，19(8)，892-897(2000)，或者J.Carddwell和W.Ddososet，“ABriefOverviewofSeismicAir-gunArrays”，TheLeadingEdge，19(8)，898-902(2000)，各自通过引用并入本文。多年来，环保人士、科学家和政府越来越担心，海洋环境中增加声源级可能会对海洋生物的多样性造成不利影响。海洋哺乳动物为主要的关注点，而其次为鱼类和无脊椎动物。对涉及海洋哺乳动物的这些问题的综述可以在“AirgunArraysandMarineMammals”，InternationalAssociationofGeophysicalContractors(August2002)中找到，其通过引用并入本文。由于对于对海洋生物的潜在声音影响越来越多的关注，所以越来越关注海洋地震勘探可能受到未来规定的严重制约。考虑到这些问题，石油和天然气工业已经考虑了空气枪的替代方式，特别是使用可以提供声能的相干(即，非脉冲)源的海洋振动器来提高系统的功效。基于海洋振动器的地震勘探系统提供的许多特征与环境因素有关，因此具有重要意义。例如：(1)相干源的使用可以提供比非相干(即，脉冲)源(例如，空气枪)更长的时间间隔的激励，这被认为对海洋生物造成较低的风险，因为相同的标称能量在特定的感兴趣的频带上可以随着时间延伸，而不是集中在瞬间；(2)相对于非相干源，相干源的使用具有减少或消除高频成分(例如，大于100Hz的声音)的更大倾向，由于与相干源相关联的信号的频域表示通常集中在确定和可控的频率上，从而将声能限制在特定频带上，该特定频带可被定制为对某些海洋生物种类提供最小的风险。使用海洋振动器而不是空气枪来进行海洋地震勘探的环境影响的综合评估可以从LGL有限公司和海洋声学公司(MarineAcoustics，Inc.)编写的“EnvironmentalAssessmentofMarineVibroseis”，LGLReportTA4604-1，JIPContract2207-12(April2011)中获得，其通过引用并入本文。在海洋地震勘探中使用相干声源具有若干环境优势的同时，利用它们来改善整个勘探系统的性能也有好处。例如，使用相干声源进行海洋地震勘探允许与发射器阵列相关联的激发信号和与接收阵列相关联的信号处理算法被定制成使得创建正在评估的分层介质的最准确的图像。激发信号的一些示例包括但不限于频率调制(FM)扫描和伪随机噪声(PRN)。这些信号的特征是能够以精确的方式控制发射器(或阵列中使用的多个发射器)的性能，这不是如空气枪的简单或直接的不相干源的命题。取决于FM和PRN信号的数据采集系统可以利用诸如匹配滤波器的信号处理技术来提高信噪比，而不需要增加声源级。也可以通过与在延长的时段内产生的相干信号相关联的长积分时间来实现处理增益。提供这些处理技术细节以及其它内容的参考教科书包括：W.S.Burdic，UnderwaterAcousticSystemAnalysis，PrenticeHall，Inc.(1984)；以及A.D.Whalen，DetectionofSignalsinNoise，AcademicPress(1971)，各自通过引用并入本文。从历史上看，与海洋地震勘探有关的相干声源的使用并不普遍，但是有些装置已经在开放式文献中实践和公开。如下所述不久之前已经开发了由液压致动的活塞和弯张换能器组成的海洋振动器：W.D.Weber和G.R.Johnson，“AnEnvironmentallySoundGeophysicalSource–TheTransitionZoneMarineVibrator”，ConferenceProceedings，SocietyofPetroleumEngineers，PaperSPE46805(1988)和“PGSElectricalMarineVibrator”，TechLink–APublicationofPGSGeophysical，11(5)(November2005)，各自通过引用并入本文。设计水中使用的液压致动的活塞的构思是诸如由IndustrialVehiclesInternational(Tulsa，OK)开发的土地振动器所采用的主本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生时间‑谐波波形的水下声音发射器，其包括：多个活塞，它们由电磁力发生器致动，电磁力发生器具有包括定子、电枢、电线圈和永磁体的部件，其中所述多个活塞和所述电磁力发生器的部件被布置成产生关于水下声音发射器的几何中心的机械和磁对称，以大致上消除当多个活塞被致动时发生的反应负载，其中所述定子和所述电枢具有使用锥形几何形状的磁极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.30 US 14/700,8791.一种用于产生时间-谐波波形的水下声音发射器，其包括：多个活塞，它们由电磁力发生器致动，电磁力发生器具有包括定子、电枢、电线圈和永磁体的部件，其中所述多个活塞和所述电磁力发生器的部件被布置成产生关于水下声音发射器的几何中心的机械和磁对称，以大致上消除当多个活塞被致动时发生的反应负载，其中所述定子和所述电枢具有使用锥形几何形状的磁极。2.根据权利要求1所述的水下声音发射器，其中，电磁力发生器取决于可变磁阻原理，并且利用由定位于定子内的电线圈和永磁体产生的AC和DC磁通量的叠加，以在电枢上产生与施加至电线圈的AC电流大致上成线性关系的动态力。3.根据权利要求1所述的水下声音发射器，其中，每个电枢具有到活塞的物理连接，活塞的尺寸确定为产生没有空穴的声波，其中所述物理连接包括由线性轴承支撑的轴。4.根据权利要求1所述的水下声音发射器，还包括反馈控制器和在线自适应补偿滤波器，以减少与包括多个活塞中的一个和电枢中的一个的组件相关联的基频谐振的机械品质因数，匹配多个所述组件的响应，并且确保来自所述水下声音发射器的阵列的远场辐射信号大致上等同于以相同源强度的相位操作的所有阵列元件的叠加。5.根据权利要求1所述的水下声音发射器，还包括压力补偿系统，其利用由反馈控制系统调节的高压气体来平衡由于下潜在水中而导致的多个活塞上的静态负载，其中所述高压气体从定位于所述水下声音发射器附近的多个储罐供应，其中所述储罐包括在储罐耗尽之后从位于外部的源补充高压气体的装置。6.根据权利要求1所述的水下声音发射器，还包括使用反馈控制系统来精细地调节包括多个活塞中的一个和电枢中的一个的组件的静态位置的装置，反馈控制系统将DC偏压施加到与AC驱动信号相同的电线圈。7.根据权利要求1所述的水下声音发射器，其中，所述水下声音发射器容纳在定位于大致上中性的浮力流体动力拖曳体的圆柱形壳体内，该拖曳体包括由反馈控制系统操作以调节下潜深度和滚动角度的控制表面。8.根据权利要求1所述的水下声音发射器，其中，所述多个活塞使用平面、圆锥形和凸形的几何形状之中的一个或多个。9.根据权利要求1所述的电磁力发生器，其中，所述电枢和所述定子包括由晶粒取向硅钢和钴钢的一种或多种制成的叠片，其中所述永磁体使用钕-铁-硼配方和钐-钴配方之中的一个或多个，并且其中所述电线圈使用具有圆形、正方形和矩形横截面之中的一个或多个的线。10.一种用于产生时间谐波波形的水下声音发射器的阵列，其包括：多个所述水下声音发射器，每个水下声音发射器包括：多个活塞，它们由具有包括定子、电枢、电线圈和永磁体的部件的电磁力发生器致动，其中所述多个活塞和电磁力发生器的所述部件被布置...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·A·麦康奈尔，埃文·F·伯克曼，布鲁斯·S·莫里，布鲁斯·M·亚伯拉罕，丹尼尔·A·罗伊，
申请(专利权)人：应用物理技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US