ПОЛУЧЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ ДАННЫХ В РАЙОНАХ, ПОКРЫТЫХ ЛЬДОМ
RECEIVING SEISMIC DATA IN ICE-COVERED AREAS

Изобретение относится к сейсмической косе, предназначенной для буксировки под водой в свободной ото льда или в полностью или частично покрытой льдом воде, к применению косы и к способу защиты сейсмической косы от повреждения при значительном снижении скорости или прекращении буксировки, когда буксировка осуществляется под водой в свободной ото льда или в полностью или частично покрытой льдом воде.
Известна буксировка кос с гидрофонами, акселерометрами и датчиками других видов в море для получения геологической информации о грунте морского дна. Акустическая энергия излучается источником, обычно воздушной пушкой, отражается различными геологическими структурами в земной коре и перехватывается косами.
Косы и акустический источник обычно буксируют буксирующим судном. Косы обычно балластируют балластными грузами до приблизительно нейтральной плавучести, обычно до небольшой отрицательной плавучести. Перехватываемые сигналы с кос передают на буксирующее судно для хранения и, возможно, для обработки.
Глубина погружения кос обычно регулируется устройствами регулирования глубины погружения, так называемыми гондолами, которые расположены вдоль кос. Гондола имеет крылья, которые при перемещении в воде создают направленную вверх или направленную вниз силу, и поэтому гондолы могут располагать косу на заданной глубине. Сила, создаваемая гондолой, зависит от конкретной скорости относительно воды, и поэтому сила исчезает при значительном снижении скорости или прекращении буксировки. В таком случае коса с положительной плавучестью будет подниматься и выходить на поверхность, тогда как коса с отрицательной плавучестью будет погружаться.
Косы разрушаются под действием гидростатического давления, если они погружаются ниже определенной глубины, обычно 200-500 м, и поэтому косы большей частью снабжают надувными «спасательными буями», так называемыми «устройствами подъема кос», которые выпускаются, если коса погружается глубже, чем на заданную глубину, обычно 30-50 м. Если спасательные буи выпускаются, косы необходимо полностью или частично поднимать для замены выпущенных спасательных буев. В случае работ в свободной ото льда воде это не считается существенной проблемой, поскольку управление глубиной погружения кос относительно редко утрачивается.
При выполнении работы в покрытой льдом воде обычно имеется ледокол, который открывает канал во льду перед буксирующим судном, или ледокол используется в качестве буксирующего судна. Ледокол может останавливаться вследствие ледовых условий или других обстоятельств. Если косы балластированы отрицательно, и они не снабжены спасательными буями, они могут погружаться и разрушаться давлением. Если косы балластированы положительно, они могут подниматься на поверхность, где они могут, по всей вероятности, повреждаться льдом.
Поэтому вероятность как остановки при буксировке, так и опасность повреждения кос при прекращении буксировки больше, когда буксировка кос осуществляется в покрытой льдом воде, а не в свободной ото льда воде.
В патентном документе US8593905 описан сбор сейсмических данных в покрытой льдом воде судном, снабженным кормовой конструкцией для выпуска в воду и поддержания под водой сейсмических кос. Кроме того, описан сейсмический источник, который буксируется под водой и который соединен с подводными плавучими телами. Также описана сейсмическая коса, которая буксируется под водой и которая на конце соединена с плавучим телом, способным держаться на поверхности или перемещаться между поверхностью и местом под водой.
Задача изобретения заключается в уменьшении или исключении указанных выше проблем, связанных с повреждением кос при буксировке под водой в полностью или частично покрытой льдом воде. Дальнейшая задача изобретения заключается в обеспечении возможности использования его при буксировке кос под водой в свободной ото льда воде. Еще одна задача заключается в исключении необходимости в спасательных буях при буксировке кос. Дальнейшие задачи и преимущества изобретения станут понятными из описания. Задачи решаются признаками, определенными в описании и формуле изобретения.
Изобретение относится к одной сейсмической косе и буксировке косы под водой. То, как коса буксируется и сколько имеется других кос, которые буксируются вместе с ней, находится за пределами изобретения. Сбор сейсмических сигналов также находится за пределами изобретения.
Согласно первому аспекту изобретение относится к сейсмической косе для буксировки под водой с буксировочной скоростью в свободной ото льда или в полностью или частично покрытой льдом воде. Коса снабжена гондолами, разнесенными вдоль косы, при этом коса, включающая в себя гондолы, имеет отрицательную плавучесть, а гондолы имеют крылья, параметры которых можно устанавливать, чтобы гондолы во время перемещения в воде прикладывали к косе направленную вверх или направленную вниз силу.
Согласно изобретению коса снабжена плавучими телами, разнесенными вдоль косы, плавучие тела соединены с косой распорными элементами, и коса, включающая в себя гондолы, плавучие тела со связанными с ними распорными элементами и любое другое оборудование, в общей сложности имеет положительную плавучесть.
При применении косы параметры гондол устанавливают на поддержание косы на выбранной глубине при буксировочной скорости; гондолы прикладывают направленную вниз силу к косе, которая компенсирует положительную плавучесть. При значительном снижении скорости или прекращении буксировки сила, действующая вниз на косу от гондол, исчезает в результате отсутствия перемещения в воде и коса, включающая в себя гондолы, плавучие тела со связанными с ними распорными элементами и любое другое оборудование, вследствие ее положительной плавучести поднимается до достижения плавучими телами свободной ото льда водной поверхности или нижней стороны полностью или частично ледяной поверхности воды.
Согласно второму аспекту изобретение относится к способу защиты сейсмической косы от повреждения при значительном снижении скорости или прекращении буксировки, когда буксировку осуществляют под водой в свободной ото льда или в полностью или частично покрытой льдом воде. Коса снабжена гондолами, разнесенными вдоль косы, при этом коса, включающая в себя гондолы, имеет отрицательную плавучесть, и гондолы имеют крылья, параметры которых могут быть установлены, чтобы гондолы во время перемещения в воде прикладывали к косе направленную вверх или направленную вниз силу. Способ изобретения содержит следующие этапы:
- снабжение косы плавучими телами, разнесенными вдоль косы, соединение плавучих тел с косой распорными элементами, чтобы коса, включающая в себя гондолы, плавучие тела со связанными с ними распорными элементами и любое другое оборудование, в общей сложности показывала положительную плавучесть, и
- установку параметров гондол на поддержание косы на выбранной глубине при буксировочной скорости, при этом гондолы прикладывают направленную вниз силу к косе, которая компенсирует положительную плавучесть.
При значительном снижении скорости или прекращении буксировки сила, действующая вниз на косу от гондол, исчезает в результате отсутствия перемещения в воде и коса, включающая в себя гондолы, плавучие тела со связанными с ними распорными элементами и любое другое оборудование, вследствие ее положительной плавучести поднимается до достижения плавучими телами свободной ото льда водной поверхности или нижней стороны полностью или частично ледяной поверхности воды.
В изобретении предполагается, что косы балластированы до большей отрицательной плавучести по сравнению с обычно используемой в свободной ото льда воды. Балластировка может быть выполнена при использовании изготавливаемых по заказу балластных грузов, которые устанавливают вдоль косы.
«Спасательные буи», так называемые «устройства подъема кос», ранее описанные, не используют. Вместо них используют плавучие тела, прикрепляемые к косе распорными элементами. Плавучие тела имеют плавучесть, которая обеспечивает положительную плавучесть косе, включающей в себя все присоединенное оборудование. Эту плавучесть можно рассчитать на основе известной массы и водоизмещения компонентов, а также плотности воды, в которой коса буксируется.
При нормальной работе косы буксируются через воду с определенной скоростью. В таком случае параметры гондол можно установить так, чтобы осуществлялось противодействие положительной плавучести, создаваемой плавучими телами, и чтобы косы поддерживались на заданной глубине.
Вслед за плавучими телами коса поднимается к свободной ото льда поверхности или нижней стороне ледяной поверхности, чтобы находиться подвешенной на глубине, предварительно установленной при выборе длины распорных элементов, которые соединяют плавучие тела с косой. Для уверенности в том, что плавучие тела и коса на самом деле будут подниматься к поверхности, плавучие тела, распорные элементы, коса, гондолы и любое другое оборудование, которое установлено на косе, совместно должны иметь положительную плавучесть определенной величины. Кроме того, для уверенности в том, что коса находится подвешенной ниже плавучих тел, коса с гондолами и любым другим оборудованием должна иметь отрицательную плавучесть, тогда как плавучие тела должны иметь положительную плавучесть. Предпочтительно, чтобы распорные элементы имели приблизительно нейтральную плавучесть, но могут иметь положительную или отрицательную плавучесть при условии, что положительная или отрицательная плавучесть распорных элементов является столь малой, что она не влияет на нахождение косы подвешенной ниже плавучих тел.
Косы содержат очень чувствительные гидрофоны и/или акселерометры. Любое оборудование, которое присоединено к косам, может создавать возмущения в виде вибраций и акустического шума. Поэтому предпочтительно проектировать плавучие тела с оптимизированной гидродинамической формой, которая обеспечивает минимальное лобовое сопротивление и минимальный акустический шум. По той же причине распорные элементы можно снабжать внешними обтекаемыми профилями, «крыловидным обтекателем», для снижения лобового сопротивления и вибраций, которые могут создавать шум. Крыловидный обтекатель является известным оборудованием и может быть предоставлен поставщиком тросов, предназначенных для использования в море.
Теперь изобретение будет описано более подробно с обращением к сопровождающим чертежам, на которых:
фиг.1 - перспективный вид косы согласно изобретению;
фиг.2 - вид сбоку косы, буксируемой ниже свободной ото льда водной поверхности;
фиг.3 - вид сбоку косы с плавучим телом, плавающим на свободной ото льда водной поверхности;
фиг.4 - вид сбоку косы, буксируемой ниже покрытой льдом водной поверхности;
фиг.5 - вид сбоку косы с плавучим телом на нижней стороне ледяной поверхности воды;
фиг.6 - вид плавучего тела с хвостовыми стабилизаторами;
фиг.7 - вид плавучего тела с хвостом; и
фиг.8 - разрез по линии VIII-VIII троса на фиг.6, соединяющего косу и плавучее тело, снабженного крыловидным обтекателем.
На фиг.1 показан перспективный вид сейсмической косы 1, которая может быть длиной 3-12 км, предназначенной для буксировки под водой. Коса 1 расположена в воде 10, ниже водной поверхности 11. Коса 1 буксируется не показанным средством в направлении 13 буксировки при скорости буксировки, которая может составлять 3-5 узлов (5,556-9,26 км/ч). Гондола 2 имеет управляемые крылья 8 с соответствующими приводами, параметры которых могут быть установлены на выполнение относительного перемещения между водой и гондолой для создания положительной подъемной силы вверх в направлении 14 или отрицательной подъемной силы вниз в направлении 15. В результате действия положительной или отрицательной подъемной силы к косе прикладывается направленная вверх или направленная вниз сила, соответственно. Несколько гондол 2 разнесены вдоль косы 1. Электрическая энергия и сигналы для работы и регулирования приводов гондол передаются по косе 1. С помощью датчиков глубины и соответствующей управляющей автоматики параметры крыльев 8 гондол могут быть установлены на поддержание гондол 2 и поэтому косы 1 на выбранной глубине, обычно 5-30 м ниже водной поверхности 11. Гондолы и все, что относится к ним, представлено в предшествующем уровне техники. Примером гондолы является ʺeBirdʺ от Kongsberg Seatex, Конгсберг, Норвегия.
Косы вместе массой гондол имеют отрицательную плавучесть. Отрицательная плавучесть достигается благодаря балластировке косы балластными грузами 3, разнесенными вдоль косы.
Коса 1 снабжена плавучими телами 4, которые имеют положительную плавучесть и расположены вдоль косы обычно на расстояниях 100-300 м друг от друга. Плавучие тела 4 соединены с косой 1 распорными элементами 5, которые прикреплены к косе в крепежных приспособлениях 6. Коса 1, включающая в себя гондолы 2, балластные грузы 3, плавучие тела 4 со связанными с ними распорными элементами 5 и любое другое не показанное оборудование, в общей сложности имеет положительную плавучесть.
Плавучие тела 4 имеют положительную плавучесть и стремятся вверх в направлении 14. Поскольку коса 1 вместе с массой гондол 3 и балластными грузами 3 имеет отрицательную плавучесть, коса стремится вниз в направлении 15. Поэтому коса 1 находится в подвешенном состоянии ниже плавучих тел 4 на расстоянии, соответствующем длине распорных элементов 5. Распорные элементы 5 имеют либо приблизительно нейтральную плавучесть, либо столь слабую положительную или отрицательную плавучесть, что они по существу не влияют на то, что коса 1 находится в подвешенном состоянии ниже плавучих тел 4.
На фиг.2 показана коса 1, буксируемая ниже свободной ото льда водной поверхности 11. Параметры гондол 2 установлены на поддержание косы на выбранной глубине при буксировочной скорости. Поскольку коса 1, включающая в себя гондолы 2, балластные грузы 3, плавучие тела 4 со связанными с ними распорными элементами 5 и любое другое не показанное оборудование, в общей сложности имеет положительную плавучесть, гондолы оказывают противодействие этой положительной плавучести с помощью силы, действующей вниз в направлении 15. Однако сила, действующая вниз от гондол, зависит от относительного движения воды и гондол, и кроме того, это относительное движение должно иметь определенную величину.
При значительном снижении скорости или прекращении буксировки сила, действующая вниз на косу от гондол, исчезает в результате отсутствия относительного движения воды и гондол. В связи с этим коса 1, включающая в себя гондолы 2, балластные грузы 3, плавучие тела 4 со связанными с ними распорными элементами 5 и любое другое оборудование, поднимается вверх в направлении 14 вследствие ее положительной плавучести.
На фиг.3 показана коса из фиг.2, которая поднялась в такой степени, что плавучие тела 4 достигли свободной ото льда водной поверхности 11 и плывут на водной поверхности. Поскольку коса 1 вместе с массой гондол 2 и балластными грузами 3 имеет отрицательную плавучесть, коса продолжает стремиться вниз в направлении 15, и, следовательно, коса 1 все еще остается подвешенной ниже плавучих тел 4 на расстоянии, соответствующем длине распорных элементов 5.
На фиг.4 показана коса 1, буксируемая ниже покрытой льдом водной поверхности 12. Коса и связанные с ней компоненты являются такими же, как на фиг.2. Как пояснялось при обращении к фиг.2, при значительном снижении скорости или прекращении буксировки коса 1, включающая в себя гондолы 2, балластные грузы 3, плавучие тела 4 со связанными с ними распорными элементами 5 и любое другое оборудование, поднимается вверх в направлении 14.
На фиг.5 показана коса из фиг.4, которая поднялась в такой степени, что плавучие тела 4 достигли нижней стороны ледяной поверхности 12 воды и находятся подо льдом. Как пояснялось с обращением к фиг.3, коса 1 все еще остается подвешенной ниже плавучих тел 4 на расстоянии, соответствующем длине распорных элементов 5.
На фиг.4 и 5 ледяная поверхность воды является прерывной. При буксировке сейсмических кос водная поверхность может быть свободной ото льда, частично покрытой льдом или полностью покрытой целым или битым льдом. Когда косу буксируют в соответствии с изобретением, то при значительном снижении скорости или прекращении буксировки независимо от ледовых условий коса будет подниматься на глубину, где она будет располагаться ниже водной поверхности на расстоянии, соответствующем длине распорных элементов 5.
Расчетную полную плавучесть плавучих тел получают, изменяя водоизмещение или объемную массу плавучих тел и/или расстояние между плавучими телами вдоль косы. Плавучесть каждого плавучего тела обычно составляет 100 Н.
Каждая гондола при буксировочной скорости обычно может прикладывать направленную вниз силу 50 Н, тогда как максимальная сила может быть в пределах 200-500 Н. Путем регулирования количества балластных грузов, плавучих тел и гондол или расстояний между ними и следовательно, положительной или отрицательной плавучести, которую они прикладывают к косе, получают, во-первых, то, что коса со всем присоединенным оборудованием будет иметь достаточную положительную плавучесть для подъема к поверхности при значительном снижении скорости или прекращении буксировки, и, во-вторых, то, что коса будет иметь достаточную отрицательную плавучесть, чтобы не подниматься к самой поверхности, а оставаться подвешенной ниже плавучих тел, когда они поднимаются к поверхности.
Длину распорных элементов выбирают так, чтобы коса находилась подвешенной на заранее определенной заданной глубине ниже плавучих тел после всплытия плавучих тел к поверхности воды или расположения подо льдом. Распорные элементы обычно могут иметь длину 2-6 м.
Коса содержит очень чувствительные датчики, такие как гидрофоны, акселерометры и электромагнитные датчики. Все оборудование, которое присоединяют к косе, может создавать возмущения в виде вибраций и акустического шума, и поэтому плавучие тела имеют оптимизированную гидродинамическую форму, которая обеспечивает небольшое лобовое сопротивление и низкий акустический шум.
На фиг.6 показано плавучее тело 4 с хвостовыми стабилизаторами 7 согласно варианту осуществления. Когда косу буксируют вместе с распорным элементом 5 и плавучим телом 4 в направлении 13 буксировки, плавучее тело 4 принимает положение, при котором хвостовые стабилизаторы находятся сзади. Поэтому хвостовыми стабилизаторами 7 гарантируется поддержание плавучего тела 4 на устойчивом курсе и ламинарного потока воды вокруг плавучего тела. Этим дополнительно уменьшаются небольшое лобовое сопротивление и низкий акустический шум.
На фиг.7 показано плавучее тело 4 с хвостом 9 согласно варианту осуществления. Было обнаружено, что при буксировке хвост 9 оказывает приблизительно такое же действие, как хвостовые стабилизаторы 7. Однако хвост 9 предпочтителен по той причине, что с ним плавучие тела являются более легкими, меньшими по размеру и менее дорогими при изготовлении, чем плавучие тела, имеющие хвостовые стабилизаторы. Хвост может быть изготовлен, например, из шланга, трубки или ленты из пластика.
Как рассмотрено в общей части описания, для получения низкого акустического шума распорные элементы могут быть снабжены крыловидным обтекателем.
На фиг.8 показан разрез по линии VIII-VIII распорного элемента 5 в виде троса из фиг.6, который в этом варианте осуществления снабжен крыловидным обтекателем 16. Трос 5 с крыловидным обтекателем перемещается в направлении 13 буксировки, которое в части, касающейся потока, эквивалентно направлению 20 водного потока 19 относительно троса 5. Крыловидный обтекатель 16 состоит из трубчатого участка 17, расположенного вокруг троса 5, и ребристого участка 18, который образует обтекаемую поверхность, продолжающуюся назад от трубчатого участка 17, и который имеет стороны, которые сходятся до кончика. Поэтому водный поток 19 вокруг крыловидного обтекателя 16 становится намного более ламинарным, чем поток вокруг троса 5 без крыловидного обтекателя, и как лобовое сопротивление, так и акустический шум становятся меньше, чем без крыловидного обтекателя.
В качестве варианта тросам распорные элементы могут быть образованы жесткими или полужесткими элементами. Жесткие элементы могут быть, например, стержнями из нержавеющей стали или пластика, которые на палубе буксирующего судна могут быть установлены на косу до выпуска в воду. Полужесткие элементы могут быть, например, полужесткими лентами из пластика, которые до выпуска косы в воду могут находиться намотанными на барабаны на палубе буксирующего судна. Преимущество жестких или полужестких распорных элементов заключается в том, что по сравнению с тросами они с меньшей вероятностью будут спутываться друг с другом во время хранения до выпуска косы в воду и с меньшей вероятностью будут перехлестываться с косой во время использования.
Крепежные приспособления 6 распорных элементов для косы в показанном варианте осуществления образованы муфтами, которые присоединяют к существующим крепежным приспособлениям. Эти существующие крепежные приспособления образованы так называемыми втулками гондолы, обычно используемыми для присоединения гондол, спасательных буев и, возможно, других устройств к косе.
Предпочтительно, чтобы распорные элементы для плавучих тел были присоединены к косе вблизи или около гондол, чтобы было небольшое расстояние между направленными вверх силами от плавучих тел и направленными вниз силами от гондол. Тем самым будут исключаться изгибы косы любой большой протяженности вследствие пары сил, образуемой силами от плавучих тел и силами от гондол. Кроме того, предпочтительно, чтобы по меньшей мере некоторые из распорных элементов и гондол были прикреплены одинаковыми крепежными приспособлениями, чтобы пара сил, образованная силами от плавучих тел и силами от гондол, исключалась и сопутствующий изгиб косы полностью устранялся.
В соответствии с этим желаемая отрицательная плавучесть косы вместе с гондолами достигается расчетом и выбором величины балластных грузов и/или расстояния между балластными грузами вдоль косы. Этот расчет можно сделать на основе сведений о косе. По меньшей мере часть балластных грузов может быть прикреплена такими же крепежными приспособлениями, которыми крепятся распорные элементы. Подобно тому, как пояснялось выше для крепления распорных компонентов и гондол, этим можно уменьшить изгиб косы.