NO319219B1 - System for marinseismiske undersokelser omfattende en fleksibel rorformet seismisk kabel og en integrert elektrisk kabel - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen gjelder generelt for seismisk prospektering av geologiske formasjoner under et vannlegeme (innsjø, hav) og mer spesifikt for marinseismiske kildesystem som har en fleksibel rørformet seismisk kabel med en integrert elektrisk kommunikasjonskabel.

I fagfeltet for marinseismisk prospektering genereres et akustisk signal i vannlegemet ved hjelp av for eksempel en luftkanon. Vanligvis blir flere luftkanoner arrangert i et romlig- forhold til hverandre. Slike arrangement blir generelt kalt et subarray eller underarray. En eller flere luftkanon-underarray taues bak et fartøy for å utføre seismisk prospektering.

I den typiske prospekteringsoperasjon kobles en ende av en umbilikal ("navlestreng"; marinseismisk kabel) med en luftkanon-underarray (en seismisk kabel per luftkanon) og den andre enden av umbilikalen til utstyr på fartøyet. Kabelen forsyner trykkluft og elektrisk energi til luftkanoner og gir også elektrisk forbindelse mellom luftkanonene og utstyr på-fartøyet.

En typisk tidligere kjent kabel har en luftslange i midten av umbilikalen, for å bringe trykkluft til luftkanonene. Mange isolerte elektriske ledere er plassert omkring luftslangen for å bære elektrisk energi til luftkanonene og for å gi kommunikasjon mellom luftkanonene og utstyret på båten. Et ytre skall med armeringsdeler og en ytre beskyttende kappe ligger omkring de elektriske lederne. Hver umbilikal er flere hundre fot i lengde og lagres om bord ved å kveile umbilikalen på en kabeltrommel som påfører en viss mengde av stress på de elektriske lederne.

I de kjente umbilikalene blir de elektriske lederne en integrert del som ikke kan fjernes fra umbilikalen, helt fra fremstillingsprosessen. Derfor kan ikke skadede elektriske ledere fjernes eller erstattes med nye elektriske ledere når umbilikalen først har blitt framstilt. For å gjøre dette problemet minst mulig er det vanlig i den kjente teknikk å inkludere reserveledere i umbilikalen. Reservelederne tillater fortsatt bruk av umbilikalen selv etter at noen av noen av de elektriske lederne blir skadet og ikke-operative. Reservelederne er imidlertid utsatt for de samme slitasje-forhold som de gjenværende elektriske lederne.

Et annet problem med de kjente umbilikalene er diameteren, som påvirker den endelige vekt og fremstillings-kostnadene og også operasjonskostnadene ved lagring og tauing av umbilikalen under seismiske prospekteringsoperasjoner. Som ovenfor beskrevet er umbilikalen flere hundre fot lang og selv en liten økning i diameteren gir en stor økning i total-vekten. Større diameter på umbilikalen gir også større slepemotstand når den taues bak fartøyet under prospekte-ringsoperas joner . Denne slepémotstanden krever at fartøyet forbruker mer drivstoff, og øker således operasjonsutgiftene og danner også økt belastning på umbilikalen, noe som kan gi kortere levetid for utstyret.

Nye umbilikaler har blitt utformet for å løse dette lenge opplevde, dog uløste behovet for en mer pålitelig marinseismisk kildekabel med mindre diameter. En slik umbilikal er beskrevet i US-patent 5,506,818 (Johnston). Denne oppfinnelsen er en slange (umbilikal) som inneholder en elektrisk kabel plassert inne i en luftslange som er forsterket med momentbalanserte lag av armerte komponenter og en beskyttende kappe og forbundet til en avslutningsdel i den ene enden for forbindelse med en elektrisk kraftforsyning, en trykkluftforsyning og et kontrollsystem og forbundet i den andre enden med en avslutningsdel for forbindelse med en luftkanon-underarray som omfatter flere luftkanoner.

Den foretrukne utførelsen av Jonston-slangen utnytter lag av Kevlar som styrkeelementer. For å tilpasse forlengelsesraten i armeringen benyttet i den kjente teknikk, en armering som behøves for å forhindre slangebunten fra å strekke seg ut over en viss terskelverdi, var flere Kevlar-lag nødvendig. Med den elektriske kabel inne i slangebunten i Johnston-oppfinnelsen, er det påliggende nødvendig ikke å ha større forlengelse i styrkedelene (Kevlar) enn den som utøves på de elektriske lederne. Ellers ville de elektriske lederne tillates å strekke seg ut over sine grenser og de ville svikte.

Johnstons oppfinnelse frembringer en marin kildekabel med mindre diameter, og løser således ett av de ovennevnte problemene. Uheldigvis medførte styrkedelene (krysslagt eller flettet Kevlar) nye problemer. I seismiske operasjoner som utføres over lengre tid, blir deler av slangebunten flosset opp av merkelinene (eng: tag lines; sekundære taueliner som brukes for å forbinde slangebunten til deflektorene, som pullavaner eller paravaner, som trekker slangebunten til en ønsket offset fra fartøyets kurslinje). Kévlar-styrkedelene flosses gjennom på den ene siden av slangen, og fjerner således de strekkavlastende egenskapene ved Kevlaren, og tillater dermed den beskyttende kappen å strekke seg. Når den ytre kappen strekkes, strekkes den ut over strekkgrensene for de elektriske ledningene og forårsaker at de svikter.

Ettersom den seismiske kildekabelen forlater skipet vil den berøre skipet et eller annet sted. Med armeringskabler (snodd omkring armeringsvaier) behøver ikke mannskapet å ofre den mye oppmerksomhet. Men med Johnstons oppfinnelse må man redusere mest mulig den ødeleggende skraping som forårsakes av gnag mot fartøyet. Dette krever spesialopplæring og spesielle handlemåter av mannskapet. Mannskapet ønsker imidlertid å kjøre slangebunten ut og bekymrer seg ikke over hvor den stopper eller om den gnager mot skipssiden eller gnager mot en puller når den glir ut over skipssiden. Å legge bånd på dekksmannskapet er vanskelig og det er ønskelig å ha seismiske kabler som ikke krever spesialhåndtering.

Ettersom seismisk prospektering fortsetter å utvikle seg, kreves lengre seismiske kabler og de gis en stadig økende avstand fra fartøyets senterlinje. Behovet for av denne grunn å minimalisere friksjonen på grunn av de marine seismiske kildekablene (som øker med lengden av kabelen) blir viktigere. Et primært mål for å oppnå dette målet er reduksjonen i diameter av kabelen uten å måtte ofre den beskyttende armerte kappen mot huking, knusning og gnag.

Et annet mål er å redusere fremdriftsmotstanden i den seismiske kildekabelen når den trekkes gjennom vannet. Fremdriftsmotstanden økes ved turbulens i vannet omkring kabelen. Ved å redusere fremdriftsmotstanden kan fartøyet operere mer effektivt.

Gjenbruksmuligheten for den elektriske kabelen i Johnston-slangebunten er en økonomisk fordel som må ivaretas. Når luftslangedelen i slangebunten er ødelagt, for eksempel ved slitasje på grunn av gnag mot merkelinene, er det en fordel å kunne fjerne de intakte elektriske kablene fra innsiden av den ødelagte slangen og benytte disse i en ny luftslange.

Et annet mål er å muliggjøre vedlikehold på de seismiske kildekablene om bord på fartøyet. Hvis det forekommer et problem med kontaktene, er det en enkel operasjon å erstatte kontakten med en ny. Jonhnston-oppfinnelsen omfatter imidlertid komplekse kontakter og vedlikehold på eller erstatning av kontaktene krever spesielt utdannede teknikere.

I den- kjente teknikk utgjøres de strekkopptagende egenskapene av et strukturelt element (slik som Kevlar-krysslaget i Johnston-patentet) og trykkluftoverføringsmidlene utgjøres av et annet strukturelt element (som luftslangen i Johnston-patentet) . Det ville være en fordel å ha ett enkelt strukturelt element som kan fremvise begge disse trekkene.

Denne oppfinnelsen fremviser et marint seismisk kildesystem som utnytter en ny rørformet kabelanordning som frem-skaffer trykkluft og elektrisk energi til seismiske kilde-apparater som for eksempel luftkanon-arrayer. Kabelsammen-setningen er konfigurert med fleksible rør for å lede høy-trykksluft gjennom seg og en elektrisk kabel som inneholder elektriske ledere løst plassert inne i røret. En annen foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse omfatter å inneslutte kabelanordningen i en tøy-kappe med tråder av kappen ved den aktre enden som danner et slør for å dissipere eller spre noe av turbulensen forårsaket av tauingen av kabelanordningen gjennom vannet, noe som forårsaker fremdriftsmotstanden. Eksempler på viktigere trekk ved oppfinnelsen har således blitt oppsummert slik at den følgende detaljerte beskrivelsen bedre kan forstås og slik -at bidragene til teknikken kan forstås. Det finnes selvfølgelig ytterligere trekk ved oppfinnelsen som vil bli beskrevet nedenfor og som vil utgjøre grunnlaget for patentkravene som er vedheftet.

For detaljert forståelse av denne oppfinnelsen henvises det til den følgende detaljerte beskrivelse som sammen med de medfølgende tegningene hvor like elementer har blitt like henvisningstall, hvor: Figur 1 er skjematisk sideriss. av et marinseismisk kildesystem av denne oppfinnelsen i bruk med et seismisk fartøy. Figur 2 er et snitt av den seismiske kabelanordningen i

denne oppfinnelsen.

Figur 3 illustrerer et sideriss av en undervannsdel av

oppfinnelsen.■

Figur 4 er en annen foretrukket utførelse som illustrerer

kabelanordningen i en dekkende kappe.

Figur 5 er et delvis tverrsnitt av en kontaktstykke (terminering) i denne oppfinnelsen. Figur 1 illustrerer den foretrukne utførelsen i et marinseismisk system 10 av denne oppfinnelsen i operasjon med et fartøy 12 som inneholder et kontrollsystem 14, en trykkluftforsyning 16 og en elektrisk kraftforsyning 18. Det marinseismiske kildesystemet 10 inneholder en tilførsels-kontaktstykke 20, en kabelanordning 22, en kabeltrommel 24, en fordelingsterminering eller -kontaktstykke 26 med en manifold 28, en kildesynkronisator 30 og en luftkanon-underarray 32 omfattende flere luftkanon-stasjoner 34.

Kontrollsystemet 14, helst et regnemaskinbasert system, er plassert på fartøyet selv om alternative konfigurasjoner slik som fjernsystemer kan benyttes. Kompressorer er den vanlige kilde for trykkluft.

Figur 2 er et tverrsnitt av kabelanordningen 22. En elektrisk kabel 40 med et antall par elektriske ledere 42 viklet i et isolasjonslag 44 er plassert inne i røret 46.

De mange par med isolerte elektriske ledere 42 anvendes •til å overføre elektrisk energi fra den elektriske kraftforsyningen 18 plassert på fartøyet 12 til manifolden 28, kildesynkronisator en 30 og luftkanon-stasjoner 34 og for å overføre datasignaler til og fra kontrollsystemet 14. Parene med elektriske ledere 42 er innelukket i isolasjonslaget 44 som er laget av et materiale, som for eksempel en høytetthets-polyuretan for å stabilisere de elektriske karakteristika,

som kapasitans og impedans for det elektriske.systemet.

Isolasjonslaget 44 er konstruert for å tåle høyt trykk og for å ha stabile elektriske karakteristika. Isolasjons- . materialet er utvalgt for dets evne til å motstå store trykk-forandringer og for dets evne til å motstå eroderende krefter fra den hurtige luftstrømmen over den elektriske kabelen 40.

Luftrommet 48 mellom utsiden av den elektriske kabelen 40 og innsiden av røret 46 er laget stort nok til å bære det

volumet av trykkluft som behøves for å operere luftkanonene (ikke vist) i luftkanon-stasjonene 34.

I den foretrukne utførelse er røret 46 et fleksibelt metallisk materiale som for eksempel rustfritt stål, titan, forskjellige legeringer eller karbonstål. Et av de hoved-karakteristika for materialet er tåleevnen overfor material-tretthet eller antall sykler av utvidelser og sammen-trekninger som det tåler. Materialene nevnt ovenfor er ment som eksempler.

Det finnes allerede apparat i industrien for å frem-stille denne typen rør 46 for kabelbunten for kabelanordningen 22. Kostnadene ved fremstillingen av røret 4 6 er omtrent atten USD ($) per meter i sammenligning med prisen på de kjente vaier —armerte slangebuntene (ikke vist) ca. 75 $/m.

Ved å benytte røret 46 i stedet for en vaierarmert slangebunt som i den kjente teknikk, kan ytterdiameteren av kabelanordningen 22 reduseres i størrelse fra omtrent fem cm til omtrent tre cm. Dette utgjør en reduksjon på mer enn 35%.

Den elektriske kabelen 40 koster omkring en tredel av kostnadene ved den totale kabelanordningen 22. Ved å installere den elektriske kabelen 40 inne i kabelanordningen 22, kan den elektriske kabelen gjenbrukes når de ytre deler (røret 46) er ødelagt og må erstattes. Dette utgjør signifikante kostnadsbesparelser.

En annen foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse er vist i figur 4. Kabelanordningen 22 beskrevet ovenfor er innesluttet i et dekkende lag 54 laget av fibre eller tråder, for eksempel Kevlar.

De syntetiske høy-styrke, lav-tetthets aramid-fibrene Kevlar (fremstilt av DuPont) eller et annet materiale med lignende karakteristika kan benyttes for å danne det dekkende laget 54. Uflettete Kevlar-tråder som henger fra den aktre enden av kabelen 22 benyttes som en "fairing" som skal redusere drag forårsaket av kabelanordning 22 når den trekkes gjennom vannet.

Kabelanordningen 22 beskrevet ovenfor viser seg å være tilstrekkelig fleksibel og forårsaker verken overdrevent stress når kabelanordningen 22 rulles inn på kabeltrommelen 24, eller eksessiv slitasje forårsaket av strekkbelastninger på grunn av bevegelsen gjennom vannet.

Ved å plassere den elektriske kabelen 40 løst inne i røret 46 med de eneste forbindelser mot de to kontaktstykkene 20 og 26, blir det minimal belastning på de elektriske lederne 42 under lagring på kabeltrommelen 24 og under taue-operasjoner. Hvis enten den elektriske kabelen 40 eller røret 46 blir ødelagt, kan en av dem erstattes uten at man må erstatte begge.

Som vist i figur 1, er tilførselstilkoblingen 20 som forbinder mottakerenden av kabelanordningen 22 til kontrollsystemet 14, kompressoren 16 og den elektriske kraftforsyningen 18. Fordelingskontaktstykket 26 (figur 3) forbinder den andre enden, fordelingsenden på kabelen 22 til manifolden 28. Komponentene i tilførsels- og fordelings-kontaktstykke 20 og 26, respektive, er i en foretrukket utførelse laget av ikke-korrosive materialer som for eksempel rustfritt stål.

Figur 5 er et delvis tverrsnitt av en foretrukket utførelse av kontaktstykkene 20 og 26 som skal avslutte endene av kabelanordningen 22. Selv om beskrivelsen av elementene i figur 5 vil beskrives for tilførselskontakt-stykket 20.

Hensikten med tilkoblingskontaktstykkene 20 og 2 6 er å

. integrere, og separere, respektive, den elektriske kabelen 40 inn i og ut fra rørledningen 46 som fører trykkluft og som samtidig opprettholder pakningsintegriteten for det marine seismiske systemet 10. Tilførselskontaktstykket 20 inneholder en komponentblokk 60 og en integrert blokk 62. Den elektriske kabelen 40 er trædd inn på en elektrisk kabelgjennomføring 64 som strekker seg gjennom en elektrisk inngang 66a i

komponentblokken 60. En klamp 68 gir det nødvendige trykk for å forsegle den elektriske kabelgjennomføringen 64 omkring den elektriske kabelen 40. Gjennomføringen 64 strekker seg inn til et luftkammer 70 inne i komponentblokken 60. Den elektriske kabelen 40 fortsetter forbi en termineringsende 72 for den elektriske kabelgjennomføringen 64 og inn i en første ende 74 for rørledningen 46 hvor den utgjør en del av kabelanordningen 22.

Trykkluft ledes inn i luftkammeret 70 gjennom en trykk-satt luftinngang 76a hvor den strømmer inn i den åpne passa-sjen i rørledningen 4 6 for overføring til luftkanon-stasjonene 34 (figurene 1 og 3). For å danne de nødvendige trykkforseglingene er splittkragepakninger 78 og forspente fjærkragepakninger 80 plassert i den integrerte blokken 62, og pakninger som for eksempel en O-ring 82 og en rør-forsegling 84, som brukes i åpningene 86 og 88 i komponentblokken 60. Komponent- og integrert blokk 60 og 62 er forbundet med industristandard tilkoblingskontakter så som kontaktpinner 90 vist i figur 5. De elektriske lederne 42 i den elektriske kabelen 40 er forbundet ved tilførselsenden . til den elektriske kraftforsyningen 18 og kontrollsystemet 14. Kompressorene 16 er forbundet med kabelanordningen 22 gjennom en luftslange 17 inn i den trykkluftporten 76a {vist i figur 5) på tilførselskontaktstykket 20 i kabelanordningen 22.

Som'vist i figur 3 er fordelingskontaktstykket 26 forbundet i den andre enden med kabelanordningen 22 på en lignende måte som for tilførselskontaktstykket 20. Den elektriske kabelen 40 går ut fra fordelingskontaktstykket 26 gjennom en elektrisk utgangsport 66b (vist i figur 5) og strekker seg gjennom manifolden 28 hvor den forbindes til kildesynkronisatoren 30. Trykkluften kommer ut av kabelanordningen 22 gjennom trykkluftutløpet 7 6b (vist i figur 5) inn i manifolden 28.

■ Figur 3 viser undervannsdelen av den marinseismiske kildesystemet 10. Manifolden 28 har en utløpsport 130 for hver luftkanon-stasjon 34.i luftkanon-underarrayen 32. En luftkanon-stasjon 34 kan bestå av en enkelt luftkanon (ikke vist) eller flere luftkanoner (ikke vist) avhengig av konfi-gurasjonen for systemet som benyttes. Trykkluft fordeles gjennom utløpsportene 130 inn i utløpsslangene 136 som er forbundet med de individuelle luftkanonene (ikke vist). Kombinasjonen av komponenter i fordelingskontaktstykket 26-utgjør en del i fordelingskontaktstykket 26 for å overføre trykkluft fra rørledningen 46 til utløpsportene 130.

Den elektriske kabelen 40 strekker seg gjennom manifolden 28 for å forsyne kildesynkronisatoren 30 gjennom luftkanon-stasjonskablene 142 og til luftkanon-stasjonenes elektriske kabler 144. Elektriske signal blir også overført mellom luftkanon-stasjonene 34 og kildesynkronisatoren 30 gjennom luftkanon-stasjonselektrokablene 144.

Kildesynkronisatoren 30 benyttes for å aktivere alle luftkanonene i luftkanon-underarrayen 34 samtidig ved å sende

elektriske signaler gjennom luftkanon-elektrokablene 144. Ved . å fordele trykkluft og elektrisk energi og signaler fra manifolden 28 og kildesynkronisatoren 30, som er plassert under vann i nærheten av luftkanon-stasjonene 34, kreves færre par av elektriske ledere 42 i kabelanordningen 22.

Claims (9)

1. Marinseismisk kildesystem (10) omfattende en elektrisk energikilde (18), en trykkluftkilde (16), et seismisk kilde-apparat (32) og en kabelanordning (22) forbundet ved en første ende til den elektriske energikilden (18) og trykk-luf tkilden (.16) og ved en andre ende til det seismiske kildeapparatet (32), karakterisert ved at kabelanordningen (22) omfatter en metallisk, hul rørledning (46) med motstandsevne overfor strekking, for å lede trykkluft fra trykkluftkilden (16) til det seismiske kildeapparatet (32), og at kabelanordningen (22) videre omfatter en' elektrisk kabel (40) inne i den hule rørledningen (4 6) for å kommunisere elektrisk energi fra den elektriske energikilden (18) til det seismiske kildeapparatet (32).

2. Marinseismisk kildesystem ifølge krav 1, karakterisert ved at det videre omfatter et kontaktstykke (20,26) i hver ende av kabelanordningen (22) for å motta og å fordele luft og elektrisk energi inn til og ut fra kabelanordningen (22) . ■

3. Marinseismisk kildesystem ifølge krav 1, karakterisert ved at rørledningen (4 6) er laget av ikke-korrosivt materiale fra gruppen som består av: titan, rustfritt stål og karbonstål.

4. Marinseismisk kildesystem ifølge krav 1, karakterisert ved at rørledningen (46) er tilstrekkelig fleksibel til å tillate kveilet lagring av rør-ledningen (46) på et fartøy (12) og for å muliggjøre utlegging av rørledningen (46) i en langstrakt orientering bak fartøyet (12).

5. Marinseismisk kildesystem ifølge krav 1, karakterisert ved at trykkluftkilden (16) omfatter en luftkompressor, og at rørledningen (46) er i stand til å lede trykkluft fra luftkompressoren til den seismiske kilden.

6. Marinseismisk kildesystem ifølge krav 1, karakterisert ved at den elektriske kabelen er innrettet til å overføre elektriske signaler mellom den seismiske kilden og fartøyet (12).

7. Marinseismisk kildesystem ifølge krav 1, karakterisert ved at den seismiske kilde omfatter minst'to luftkanoner (34), og videre omfatter en manifold (28) forbundet mellom rørledningen (46) og luftkanonene (34) for å fordele trykkluften fra rørledningen (46) til hver luftkanon (34).

8. Marinseismisk kildesystem ifølge krav 7, karakterisert ved at den elektriske kabelen omfatter minst to ledere (42), og at minst én separat leder er forbundet til hver luftkanon (34).

9. Marinseismisk kildesystem ifølge krav 1, karakterisert ved at det videre omfatter minst to kabelanordninger som hver forbinder en forskjellig seismisk kilde til et seismisk fartøy (12), hvor rørledningen i hver kabelinnretning fremviser tilstrekkelig styrke for å holde den respektive seismiske kilde i det vesentlige i samme posisjon relativt til det- seismiske fartøyet (12) ettersom de seismiske kildene taues av det seismiske fartøyet (12).