BRPI0904358A2 - arranjo vibratório sìsmico e método para uso - Google Patents
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Abstract
ARRANJO VIBRATóRIO SìSMICO E MéTODO PARA USO. A presente invenção refere-se a um método para a geração de energia sísmica para uma pesquisa de subsuperlície incluindo a operação de um primeiro vibrador sísmico e a operação de pelo menos um segundo vibrador sísmico de forma substancialmente contemporânea com a operação do primeiro vibrador sísmico. Um sinal de acionador para cada um dentre o primeiro e pelo menos um segundo vibrador sísmico que são substancialmente não-correlacionados um com o outro.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ARRANJOVIBRATÓRIO SÍSMICO E MÉTODO PARA USO".
Referência Cruzada a Pedidos Relacionados
Não aplicável.
Declaração Referente a Pesquisa ou Desenvolvimento com Patrocínio Federal
Não aplicável.
Antecedentes da Invenção
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se geralmente a uma exploração ge-ofísica e, em particular, a uma fonte sísmica vibratória útil na exploração ge-ofísica. Mais particularmente, a invenção se refere a métodos para uso devibradores para aquisição sísmica marítima.
Técnica da Antecedente
Fontes de energia sísmica, incluindo vibradores, são usadas emexploração geofísica em terra e em áreas cobertas por água da Terra. A e-nergia acústica gerada por essas fontes viaja para baixo para a Terra, é re-fletida a partir de interfaces de reflexão na subsuperfície e é detectada porreceptores sísmicos, tipicamente hidrofones ou geofones, na ou próximos dasuperfície da Terra ou da superfície de água.
Em pesquisa sísmica marítima, uma fonte de energia sísmica, talcomo uma pistola de ar ou um arranjo dessas pistolas de ar, é rebocadapróximo da superfície de um corpo de água. Um arranjo de receptores sís-micos, tais como hidrofones, também é rebocado na água nas vizinhançasdo arranjo de receptores. Em tempos selecionados, a pistola de ar ou o ar-ranjo de pistolas é atuado para liberação de uma rajada de ar ou gás à altapressão para a água. A rajada de alta pressão gera energia sísmica parainvestigação de estruturas geológicas nas formações rochosas abaixo dofundo da água.
Em pesquisa sísmica marítima, um tipo de fonte de energia sís-mica é um vibrador. Geralmente, um vibrador sísmico inclui uma placa debase acoplada à água, uma massa reativa e dispositivos hidráulicos ou outrospara causarem vibração da massa reativa e da placa de base. As vibraçõestipicamente são conduzidas através de uma faixa de freqüências em um pa-drão conhecido como "varredura" ou "chirp" (compressed high intensity radarpulse ou pulso de radar de alta intensidade comprimido). Os sinais detecta-dos pelos receptores sísmicos são correlacionados de forma cruzada comum sinal a partir de um sensor disposto próximo da placa de base. O resul-tado desta correlação cruzada é um sinal sísmico que se aproxima do queteria sido detectado pelos receptores sísmicos se uma fonte de energia sís-mica do tipo de impulso tivesse sido usada. Uma vantagem provida pelo usode vibradores para impressão de energia sísmica para a subsuperfície é quea energia é distribuída ao longo do tempo, de modo que os efeitos sobre omeio ambiente sejam reduzidos, se comparados com os efeitos ambientaiscausados pelo uso de fontes de impulso.
Não são apenas os possíveis benefícios ambientais do uso devibradores que tornam desejável adaptar vibradores sísmicos ao uso empesquisa sísmica marítima. Ao ter uma fonte de energia sísmica que podegerar os tipos arbitrários de sinais, pode haver benefícios substanciais nouso de sinais de energia sísmica mais "inteligentes" do que as varredurasconvencionais. Essa fonte de energia sísmica seria capaz de gerar sinais, termais das características de ruído de fundo e, assim, ser mais imune a umainterferência do ruído e, ao mesmo tempo, reduzir seu impacto ambiental.Um limite prático para o uso de vibradores marítimos para esses esquemasde sinal sofisticados é a estrutura de vibradores marítimos conhecida na téc-nica. De modo a se gerarem sinais arbitrários na banda de freqüência sísmi-ca, é necessário ter uma fonte a qual tenha uma eficiência alta para se tor-nar a fonte controlável na banda de freqüência sísmica inteira de interesse.A combinação de vários vibradores marítimos que são individualmente con-troláveis, com esquemas de sinal mais sofisticados tornaria possível gerarsinais sísmicos a partir de várias fontes discretas ao mesmo tempo, que têmuma correlação cruzada muito baixa, desse modo tornando possível aumen-tar a eficiência na aquisição de dados sísmicos. Os vibradores marítimoshidráulicos conhecidos na técnica tipicamente têm uma freqüência de resso-nância que é mais alta do que o limite superior de freqüências sísmicas co-muns de interesse. Isto significa que a eficiência de energia de vibrador serámuito baixa, principalmente em freqüências baixas, mas, geralmente, portoda a banda de freqüência sísmica, e esses vibradores podem ser difíceisde controlar com respeito ao tipo de sinal e ao conteúdo de freqüência. Osvibradores sísmicos marítimos convencionais também estão sujeitos a umaforte distorção harmônica, o que limita o uso de sinais mais complexos. Es-sas características de vibrador podem ser entendidas pelo exame da impe-dância para um vibrador de freqüência baixa.
A impedância total que será experimentada por um vibrador ma-rítimo poderá ser expressa conforme se segue:
Zr =Rr+JXr (Eq. 1)
onde: Zr é a impedância total, Rr é a impedância de radiação e Xr é a im-pedância reativa.
Em uma análise da transferência de energia de um vibrador ma-rítimo, o sistema incluindo o vibrador e a água pode ser aproximado comoum pistão defletido. A impedância de radiação Rr de um pistão defletido po-de ser expressa como:
Rr = m2 p0cRx(x) ^ (Eq. 2)
e a impedância reativa pode ser expressa como:
Xr=Tm2P0CXl(X) (Eq. 3)
onde:
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em que p0 é o peso específico da água, ω é a freqüência angular, k é o nú-mero de onda, a é o raio do pistão, c é a velocidade acústica, λ é o compri-mento de onda e J1 é uma função de Bessel de primeira ordem.Aplicar a expansão de série de Taylor às equações acima provêas expressões:
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Para freqüências baixas, quando χ = 2ka é muito menor do que1, a parte real e a imaginária da expressão de impedância total podem seraproximadas com o primeiro termo da expansão da série de Taylor. As ex-pressões para freqüências baixas, quando o comprimento de onda é muitomaior do que o raio do pistão, tornam-se:
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Segue-se que, para freqüências baixas, a impedância de radia-ção R será pequena, se comparada com a impedância reativa X, o que su-gere uma geração de sinal de eficiência baixa. Assim sendo, há uma neces-sidade de vibradores marítimos eficientes, que podem gerar sinais comple-xos e há uma necessidade de melhoria da eficiência de tempo de operaçãode aquisição de dados sísmicos para a provisão de uma operação mais eco-nômica e para minimização do impacto ambiental de pesquisa sísmica marítima.
Sumário da Invenção
Um método para a geração de energia sísmica para pesquisa desubsuperfície de acordo com um aspecto da invenção inclui um primeiro vi-brador sísmico e operando em pelo menos um segundo vibrador sísmico deforma substancialmente contemporânea com a operação do primeiro vibradorsísmico. Um sinal de acionador aplicado a cada um dentre o primeiro e pelomenos um segundo vibrador sísmico é substancialmente não-correlacionadoa cada outro.
Um método para pesquisa sísmica marítima de acordo com umoutro aspecto da invenção inclui a operação de um primeiro vibrador sísmicoem um corpo de água e operando pelo menos um segundo vibrador sísmicono corpo de água de forma substancialmente contemporânea com a opera-ção do primeiro vibrador sísmico. Um sinal de acionador é aplicado a cadaum dentre o primeiro e pelo menos um segundo vibrador sísmico que sãosubstancialmente não-correlacionados um com cada outro. Os sinais sísmi-cos são detectados em cada um de uma pluralidade de receptores sísmicosdispostos em localizações espaçadas. As porções dos sinais sísmicos detec-tados resultantes da energia impressa em formações abaixo do fundo docorpo de água por cada um dentre o primeiro e pelo menos um segundo vi-brador sísmico são determinadas.
Outros aspectos e vantagens da invenção serão evidentes a par-tir da descrição e das reivindicações que se seguem.
Breve Descrição dos Desenhos
A figura 1 mostra uma pesquisa sísmica marítima de exemploque é conduzida usando-se uma pluralidade de fontes de energia sísmica.
A figura 1A mostra uma implementação de exemplo de um gera-dor de sinal de vibrador sísmico.
A figura 1B mostra um dispositivo de detecção de sinal de e-xemplo acoplado a um receptor sísmico.
A figura 2 mostra uma estrutura de exemplo para um vibradorsísmico hidráulico convencional.
A figura 3 mostra uma estrutura de exemplo para um vibradorsísmico elétrico.
A figura 4 mostra um outro vibrador de exemplo em seção trans-versal.
A figura 5 mostra um outro vibrador de exemplo em seção trans-versai.
A figura 6 mostra um espectro de amplitude simulado com duasressonâncias.A figura 7 é uma função de autocorrelação de exemplo para umtipo de sinal de espectro de espalhamento de seqüência direta.
A figura 8 é um exemplo de um código de espectro de espalha-mento de seqüência direta (DSSS).
A figura 9 é um gráfico de um conteúdo de freqüência de um acio-nador de fonte sísmica usando um sinal codificado de acordo com a figura 8.
A figura 10 é um código de espectro de espalhamento de exem-plo usando-se uma modulação de bifase.
A figura 11 é um gráfico do conteúdo de freqüência de um aciona-dor de fonte sísmica usando um sinal codificado de acordo com a figura 10.
As figuras 12A e 12B mostram, respectivamente, um sinal deDSSS e uma resposta de um vibrador de freqüência baixa ao sinal de acio-nadorde DSSS.
As figuras 13A e 13B mostram, respectivamente, um sinal deDSSS de um vibrador de freqüência mais alta do que aquela mostrada nafigura 12B para o sinal de acionadorde DSSS.
As figuras 14A e 14B mostram, respectivamente, sinais deDSSS combinados e extraídos dos dois vibradores, conforme mostrado nasfiguras 12A, 12B, 13Ae 13B.
A figuras 15 mostra uma autocorrelação da soma dos sinais nasfiguras 13A e 14A.
Descrição Detalhada
Um exemplo de pesquisa sísmica marítima usando uma plurali-dade de fontes de energia sísmica de vibrador marítimo é mostrado esque-maticamente na figura 1. Uma embarcação de gravação de pesquisa sísmi-ca RV é mostrada movendo-se ao longo da superfície de um corpo de águaW, tal como um lago ou o oceano. A embarcação de gravação de pesquisasísmica RV tipicamente inclui um equipamento, mostrado em RS e referidopor conveniência como um "sistema de gravação" que, em tempos selecio-nados, atua uma ou mais fontes de energia sísmica 10, determina uma posi-ção geodésica dos vários componentes do sistema de aquisição sísmico, egrava os sinais detectados por cada um da pluralidade de receptores sísmi-cos R.
Os receptores sísmicos R tipicamente são empregados em loca-lizações espaçadas ao longo de um ou mais cabos flutuantes sismográficosS rebocados em um padrão selecionado na água pela embarcação de gra-vação RV (e/ou por uma outra embarcação). O padrão é mantido por umcerto equipamento de rebocadura TE incluindo dispositivos denominados"paravanes" que provêem uma força lateral para espalhamento dos compo-nentes do equipamento de rebocadura TE para posições laterais seleciona-das com respeito à embarcação de gravação RV. A configuração do equi-pamento de rebocadura TE, dos paravanes P e dos cabos flutuantes sismo-gráficos S é provida para ilustração do princípio de aquisição de sinais sís-micos de acordo com alguns aspectos da invenção e não é pretendida, deforma alguma, para limitação dos tipos de dispositivos de gravação que po-dem ser usados, sua maneira de emprego na água ou quanto ao número eao tipo desses componentes.
A embarcação de gravação RV pode rebocar um vibrador sísmi-co 10. No exemplo da figura 1, vibradores sísmicos adicionais 10 podem serrebocados em posições relativas selecionadas com respeito à embarcaçãode gravação RV por embarcações de fonte SV. A finalidade de provisão devibradores 10 rebocados pelas embarcações de fonte SV é aumentar a co-bertura da subsuperfície provida pelos sinais detectados pelos receptoressísmicos R. Os números desses vibradores adicionais 10 e suas posiçõesrelativas conforme mostrado na figura 1 não são pretendidos para limitaremo escopo da invenção.
A figura 2 mostra um exemplo de um vibrador marítimo hidráulico convencional. Uma alimentação de óleo hidráulico é mostrada em 35 e oretorno de óleo é mostrado em 36. Um pistão (placa de base) 31 gera umaonda de pressão acústica e é disposto dentro de um alojamento de sino(massa reativa) 38. O ar 32 é disposto entre o pistão 31 e o alojamento desino 38. Um movimento do pistão 31 é regulado com uma servoválvula 34.Um acelerômetro 33 é usado para a provisão de um feedback ou de um sinalpiloto. Suportes de isolamento 37 são montados no alojamento de sino 38para redução das vibrações no sistema de manipulação (não-mostrado) u-sado para o emprego do vibrador. Devido ao projeto rígido do vibrador, aprimeira freqüência de ressonância desse vibrador tipicamente está acimado limite superior da banda de freqüência sísmica, e esse vibrador terá umaeficiência baixa em freqüências sísmicas típicas.
A figura 3 mostra um exemplo de um tipo diferente de vibradormarítimo que pode ser usado de acordo com a invenção. O vibrador maríti-mo 10 compreende uma fonte de vibrador 20 montada em um quadro 16.Um suporte 14 é conectado ao topo do quadro 16 e inclui aberturas 24, asquais podem ser usadas para emprego do vibrador 10 na água.
A figura 4 mostra um exemplo do vibrador em seção transversalparcial, o qual inclui um acionador 8, o qual pode ser um acionador magne-torrestritivo, e o qual em alguns exemplos pode ser formado a partir de umaliga feita de térbio, disprósio e ferro. Essa liga pode ter a fórmula Tb (0,3) Dy(0,7) Fe (1,9), essa formulação sendo conhecida comercialmente como Ter-fenol-D. Embora o vibrador de exemplo em particular descrito aqui mostreapenas um único acionador, uma implementação na qual uma pluralidade deacionadores é usada está no escopo da invenção. O presente exemplo ain-da inclui uma mola de acionador externa 3 conectada a cada extremidade 13do acionador 8. Em uma implementação em particular, a mola de acionador3 pode ter um formato elíptico. No presente exemplo no qual o acionador 8compreende Terfenol-D, o acionador 8 ainda compreende um circuito mag-nético (não-mostrado especificamente) que gerará um campo magnéticoquando uma corrente elétrica for aplicada a ele. O campo magnético farácom que o material de Terfenol-D se alongue. Pela variação da magnitudeda corrente elétrica e, consequentemente, da magnitude do campo magnéti-co, o comprimento do acionador 8 será variado. Tipicamente, ímãs perma-nentes são utilizados para aplicação de um campo magnético de orientaçãoao material de Terfenol-D, e uma variação no campo magnético será geradapela aplicação de uma corrente elétrica variável às bobinas elétricas (não-mostradas) que são formadas em torno do material de Terfenol-D. Variaçõesno comprimento do acionador 8 causam uma mudança correspondente nasdimensões da mola de acionador externa 3.
A figura 4 mostra os componentes de vibrador adicionais, inclu-indo uma mola interna 4, com massas 7 afixadas a ela. Conforme discutidoadicionalmente abaixo, a mola de acionador interna 4 com as massas 7 afi-xadas a ela pode ser incluída para a provisão de uma segunda freqüência deressonância do sistema na faixa de freqüência sísmica de interesse. Emboraum sistema de vibrador que incluísse apenas a mola externa 3 tipicamenteexibisse uma segunda freqüência de ressonância, para sistemas tendo umtamanho adequado para uso em exploração geofísica marítima, a segundafreqüência de ressonância nesse caso seria muito mais alta do que as freqüên-cias na faixa de freqüência sísmica de interesse (tipicamente de 0 a 300 Hz).
Os suportes de montagem 28 mostrados na figura 4 são conec-tados de forma fixa nas extremidades superiores e inferiores dos mesmos aplacas de extremidades superiores e inferiores 18 (mostradas na figura 3). Oacionador 8 é conectado de forma fixa em uma localização central longitudi-nalmente do mesmo aos suportes de montagem 28, para manutenção de umponto de referência estável para o acionador 8. O movimento das extremi-dades 13 da haste de acionador é irrestrito com respeito aos suportes demontagem 28.
O exemplo mostrado na figura 4 ainda inclui uma carcaça exter-na 2, à qual a mola externa 3 é conectada através de elementos de trans-missão 5. A forma da carcaça 2 geralmente é referida como de flextração.Em uma implementação em particular, a carcaça externa 2 compreende du-as porções laterais que podem ser imagens substancialmente espelhadas decada outra, e inclui dois perfis de extremidade 1, com as porções laterais dacarcaça 2 sendo conectadas de forma articulada aos perfis de extremidade 1por articulações 6.. A figura 4 mostra uma das porções laterais da carcaçaexterna 2, notada como a porção lateral de carcaça 2a. Quando plenamentemontada, a segunda porção lateral de carcaça (não-mostrada na figura 4),que compreende substancialmente uma imagem espelhada da porção lateralde carcaça 2a será conectada de forma articulada por articulações 6 aosperfis de extremidade 1, para se completar uma carcaça de flextração quecircunda o acionador montado 8, a mola externa 3 e a mola interna 4.
A figura 5 mostra uma seção transversal do conjunto da figura 4montado no vibrador marítimo 10.
Com referência à figura 3, o vibrador marítimo 10 ainda compre-ende placas de extremidade de topo e de fundo 18. A carcaça externa mon-tada 2 compreende as duas porções laterais de carcaça e os dois perfis deextremidade 1 são afixados de forma selante às placas de extremidade detopo e de fundo 18. Embora a carcaça externa 2 seja encaixada de formaselante com as placas de extremidade de topo e de fundo 18, quando o vi-brador marítimo 10 está em operação, a carcaça externa 2 permitirá um mo-vimento com respeito às placas de extremidade 18, de modo que a conexãoentre as placas de extremidade 18 e a carcaça externa 2 seja uma conexãoflexível, que poderia ser provida, por exemplo, por ume membrana flexível22 (não-mostrada em detalhes).
A figura 6 mostra os resultados de uma simulação com elemen-tos finitos de um exemplo do vibrador. Uma primeira freqüência de resso-nância 11 resulta substancialmente da interação da mola externa 3 e do a-cionador. Uma segunda freqüência de ressonância 12 resulta substancial-mente da interação da mola de acionador interna 4 com suas massas adi-cionadas 7 e o acionador 8.
A mola de acionador externa 3 e a mola de acionador interna 4mostradas nas figuras poderiam ser tipos diferentes de molas em relaçãoàquelas mostradas. Por exemplo, as molas poderiam ser molas em espiralou outro tipo de molas que funcionassem substancialmente de forma similar.Essencialmente, as molas 3 e 4 são dispositivos de orientação que proveemuma força relacionada a uma quantidade de deslocamento do dispositivo deorientação. De modo similar, a mola externa 3 e a mola de acionador interna4 poderiam usar um diafragma, um pistão em um cilindro selado ou um cilin-dro hidráulico para a obtenção substancialmente do mesmo resultado.
Pela introdução de uma ressonância na extremidade inferior daespectro de freqüência sísmica, uma energia acústica de freqüência baixapode ser gerada mais eficientemente. Na ressonância, a parte imaginária(reativa) da impedância é substancialmente cancelada, e a fonte acústica écapaz de transmitir eficientemente a energia acústica para a água. Na cons-trução de qualquer implementação específica do vibrador marítimo, uma a -nálise de elementos finitos pode ser usada, conforme é conhecido por aque-les versados na técnica, para a determinação das primeira e segunda fre-qüências de ressonância. Em qualquer análise como essa, os princípios aseguir de operação são relevantes. Se a carcaça externa for aproximadacomo um pistão, então, para freqüências baixas, a carga de massa, ou amassa de fluido equivalente atuando sobre a carcaça poderá ser expressacomo:
<formula>formula see original document page 12</formula>
onde M é a carga de massa, p0 é o peso específico da água, e a é o raioequivalente para um pistão o qual corresponde ao tamanho da carcaça ex-terna.
A carcaça externa 2 tem um fator de transformação Tshell entre oeixo geométrico longo e o curto de sua elipse, de modo que a deflexão dasduas porções laterais de carcaça (a porção lateral 2a na figura 4 e sua ima-gem espelhada no outro lado da carcaça externa 2) tenham uma amplitudemaior do que a deflexão de perfis de extremidade 1 (o que interconecta asduas porções laterais da carcaça 2) causada pelo movimento do elementode transmissão 5. Ainda, a mola externa 3 cria uma carga de massa maiorno acionador 8, uma vez que a mola externa 3 também tem um fator detransformação entre o eixo geométrico longo e o eixo geométrico curto desua elipse, com o eixo geométrico longo sendo substancialmente o compri-mento do acionador 8 e o eixo geométrico curto sendo a largura da mola deformato elíptico. Referindo-se a este fator de transformação como Tspring, acarga de massa no acionador 8 será expressa como:
<formula>formula see original document page 12</formula>almente determinada pela relação de mola de massa a seguir:
<formula>formula see original document page 13</formula>
onde K = constante de mola e Mmaer = carga de massa sobre o acionador 8.
K representa a constante de mola para a mola externa 3 combi-nada com o acionador 8, onde a mola externa 3 é conectada à carcaça ex-terna 2 através dos elementos de transmissão 5, do perfil de extremidade 1e de articulações 6.
Para a provisão de uma transmissão de energia eficiente com afaixa de freqüência sísmica de interesse, é importante ter o vibrador configu-rado para ter uma segunda freqüência de ressonância na faixa de freqüênciasísmica de interesse. Na ausência da mola interna, a segunda freqüência deressonância ocorreria quando a mola de acionador externa 3, atuando emconjunto com o acionador 8, tivesse seu segundo automodo. Esta freqüênciade ressonância, contudo, normalmente é muito mais alta do que a primeirafreqüência de ressonância e, assim sendo, estaria fora da faixa de frequên-cia sísmica de interesse. Como é evidente a partir da equação precedente, afreqüência ressonante será reduzida se a carga de massa sobre a mola ex-terna 3 for aumentada. Esta carga de massa poderia ser aumentada pelaadição de massa ao acionador 8, embora, de modo a se adicionar massasuficiente para a obtenção de uma segunda freqüência de ressonância nafaixa de freqüência sísmica de interesse, a quantidade de massa que preci-saria ser adicionada ao acionador tornasse esse sistema impraticável parauso em operações sísmicas marítimas. Em um vibrador de exemplo prático,uma segunda mola, a mola de acionador interna 4, é incluída dentro da molade acionador externa 3 com as massas adicionadas 7 no lado da mola inter-na 3. O efeito dessa massa adicionada é equivalente à adição de massa naextremidade do acionador 8.
<formula>formula see original document page 13</formula>
A mola extra, isto é, a mola de acionador interna 4, terá um fatorde transformação Tinner também, e se adicionará à carga de massa no acio-nador 8. O uso da mola interna 4 com a massa adicionada permite que asegunda ressonância do sistema seja sintonizada, de modo que a segundaressonância esteja na faixa de freqüência sísmica de interesse, desse modomelhorando-se a eficiência do vibrador na banda de freqüência sísmica. Asegunda ressonância pode ser determinada pela expressão:
<formula>formula see original document page 14</formula>
em que Kinner = constante de mola de mola interna Kdriver = cons-tante de mola de conjunto de acionador externo.
Uma possível vantagem do uso de uma estrutura de acionadorconforme explicado aqui é que as múltiplas freqüências ressonantes podemprover uma resposta de largura de banda mais ampla do que é possível u-sando-se estruturas de vibrador de ressonância. Uma vantagem particulardo uso de um vibrador tendo um elemento de energização operado eletrica-mente (acionador) é que a resposta de vibrador a um sinal de controle deentrada será mais linear. Isso pode tornar possível o uso de tipos particula-res de sinais de acionador a serem explicados abaixo.
No uso do sistema mostrado na figura 1, pode ser vantajoso u-sar mais de um dos vibradores sísmicos 10 substancialmente de forma con-temporânea ou mesmo simultaneamente, de modo a se aumentar a eficiên-cia com a qual os sinais sísmicos relacionados a formações de subsuperfície(baixo do fundo da água) podem ser obtidos. Os sinais sísmicos detectadospor cada um dos receptores R nessas circunstâncias resultará em uma e-nergia sísmica ser detectada, que resulta de cada um dos vibradores 10 re-almente em operação no momento da gravação do sinal. A operação dosvibradores de forma contemporânea deve incluir o acionamento de cada vi-brador com um sinal que seja substancialmente não-correlacionado ao sinalusado para acionamento de cada um dos outros vibradores. Pelo uso des-ses sinais de acionador para operação de cada um dos vibradores, é possí-vel determinar que porção dos sinais sísmicos detectados que se originaramem cada um dos vibradores sísmicos.Um tipo de sinal de acionador para operação dos vibradores ma-rítimos em alguns exemplos é conhecido como um sinal de "espectro de es-palhamento de seqüência direta". Uma geração de espectro de espalhamen-to de seqüência direta ("DSSS") usa um sinal codificado modulado com umafreqüência de "chip" selecionada para a determinação do conteúdo de fre-qüência (largura de banda) do sinal transmitido. Um "chip" significa um bitconformado em pulso do sinal codificado de seqüência direta. Os sinais deespectro de espalhamento de seqüência direta também podem ser configu-rados por uma seleção apropriada da freqüência de chip e da forma de ondade um sinal de banda base de modo que o sinal de DSSS resultante tenhacaracterísticas espectrais similares ao ruído de fundo. O precedente podetornar os sinais de DSSS particularmente adequados para uso em áreasambientalmente sensíveis.
Uma implementação de exemplo de um gerador de sinal para acriação de tipos particulares de sinais de vibrador usados na invenção émostrada esquematicamente na figura 1A. Um oscilador local 30 gera umsinal de portadora de banda base. Em um exemplo, o sinal de portadora debanda base pode ser um pulso de duração selecionada de corrente contí-nua, ou uma corrente contínua persistente. Em outros exemplos, o sinal debanda base pode ser uma varredura ou um chip, conforme usado em pes-quisa sísmica de fonte de vibrador convencional, por exemplo, atravessandouma faixa de 10 a 150 Hz. Um gerador de número pseudorrandômico("PRN") ou um gerador de código 32 gera uma seqüência de números +1 e -1 de acordo com certos tipos de esquemas de codificação, conforme seráexplicado abaixo. A saída de gerador de PRN 32 e a saída do oscilador local30 são misturadas em um modulador 34. A saída do modulador 34 é condu-zida para um amplificador de potência 36, cuja saída, finalmente, opera umdos vibradores sísmicos 10. Uma configuração similar pode ser usada paraoperação de cada um da pluralidade de vibradores, tal como mostrado nafigura 1.
Os sinais gerados pelo dispositivo mostrado na figura 1A podemser detectados usando-se um dispositivo, tal como mostrado na figura 1B.Cada um dos receptores sísmicos R pode ser acoplado a um pré-amplificador 38, diretamente ou através de um multiplexador adequado (não-mostrado). A saída do pré-amplificador 38 pode ser digitalizada em um con-versor de analógico para digital ("ADC") 40. Um modulador 42 mistura o si-nal extraído do ADC 40 com o código idêntico produzido pelo gerador dePRN 32. Conforme será explicado abaixo, o dispositivo de geração de sinalmostrado na figura 1A e seu dispositivo de detecção de sinal correspondentemostrado na figura 1B geram e detectam um DSSS.
A explicação teórica de geração e detecção de sinal de DSSSpode ser entendida conforme se segue. O sinal de DSSS, representado porUi, pode ser gerado usando-se um "código de espalhamento" de espectro,representado por c, e gerado, por exemplo, pelo gerador de PRN (32 na figu-ra 1A), para modulação de uma portadora de banda base. Uma portadora debanda base pode ser gerada pelo oscilador local (30 na figura 1A). A porta-dora de banda base tem uma forma de onda representada por ψ(ί). O códigode espalhamento tem elementos individuais Cij (denominados "chips"), cadaum dos quais tendo o valor de +1 ou -1 quando 0< j<N e 0 para todos os ou-tros valores de j. Se um gerador de PRN adequadamente programado forusado, o código repetirá a si mesmo após um número selecionado de chips.N é o comprimento (o número de chips) do código, antes de a repetição o-correr. A portadora de banda base preferencialmente é centralizada no tem-po em t=0 e sua amplitude é normalizada de modo que no tempo zero a am-plitude de portadora de banda base seja igual à unidade, ou (y/(0)=1). Otempo de ocorrência de cada chip i no código de espalhamento pode serrepresentado por Tc. O sinal usado para acionamento de cada vibrador as-sim pode ser definido pela expressão:
<formula>formula see original document page 16</formula>
A forma de onda urft) é determinística, de modo que sua funçãode autocorrelação seja definida pela expressão:<formula>formula see original document page 17</formula>
onde ré o atraso de tempo entre sinais correlacionados. A função de auto-correlação periódica discreta para a = a;é definida por:
<formula>formula see original document page 17</formula>
Usando uma fórmula similar à Eq. 17, é possível determinar acorrelação cruzada entre dois sinais diferentes pela expressão:
<formula>formula see original document page 17</formula>
A função de correlação cruzada periódica para a = ay e b = bj édefinida pela expressão:
<formula>formula see original document page 17</formula>
O sinal detectado pelos receptores (R na figura 1) incluirá a e-nergia sísmica se originando de um dos vibradores para os quais uma infor-mação sísmica é para ser obtida, bem como vários tipos de interferência, talcomo ruído de fundo, representados por n(t), e a partir da energia se origi-nando de outros vibradores transmitindo ao mesmo tempo, mas com códigosde espectro de espalhamento de seqüência direta diferentes (representadospor ck(t) em que O sinal recebido em cada receptor, representado porxi(t), isto é, o sinal detectado por cada um dos receptores (R na figura 1) emum sistema com M vibradores sísmicos operando ao mesmo tempo pode serdescrito pela expressão:
<formula>formula see original document page 18</formula>
A energia a partir de cada vibrador penetrará nas formações ge-ológicas de subsuperfície abaixo do fundo da água, e os sinais refletidos apartir da subsuperfície serão detectados nos receptores após um tempo depercurso de "duas vias", dependendo das posições dos vibradores e dosreceptores e da distribuição de velocidade sísmica na água e na subsuperfí-cie abaixo do fundo de água. Se o sinal de vibrador transmitido a partir docódigo de espectro de espalhamento de seqüência direta /' ocorrer no tempot = to, então, o sinal recebido resultante dali ocorrerá no tempo t=Tk+lkTc +toapós a transmissão, onde Ik = qualquer número que seja um inteiro e Tk = odesalinhamento entre o sinal recebido e o tempo de chip Tc. O sinal recebidopode ser misturado com um código de espalhamento idêntico usado para aprodução de cada sinal de saída de vibrador, Uj(to), conforme mostrado nafigura 1B. Essa mistura proverá um sinal que pode ser correlacionado aosinal usado para acionamento de cada vibrador em particular. A saída demistura pode ser usada para a determinação da resposta sísmica dos sinaisoriginando-se a partir de cada respectivo vibrador. O precedente pode serexpresso conforme se segue para os sinais detectados:
<formula>formula see original document page 18</formula>
A mistura (figura 1B) do sinal detectado com o código de espa-lhamento resulta em uma correlação. O resultado da correlação é:<formula>formula see original document page 19</formula>
(Eq. 23)
Uma simplificação das expressões acima provê o resultado aseguir:
<formula>formula see original document page 19</formula>
(Eq. 24)
Se R(O) = Λ/ e y/(0) = 1, a expressão precedente é simplificadapara:
<formula>formula see original document page 19</formula>
(Eq. 25)
A Equação (25) mostra que é possível separar os sinais de se-qüência de espectro de espalhamento direta correspondentes a cada códigode espalhamento a partir de um sinal tendo componentes de uma pluralida-de de códigos de espalhamento. N em essência representa a autocorrelaçãodo sinal transmitido, e pelo uso de sinais de espectro de espalhamento subs-tancialmente ortogonais ou não-correlacionados para acionamento de cadavibrador marítimo, a correlação cruzada entre eles será muito pequena, secomparado com N. Uma outra vantagem possível é que qualquer ruído oqual apareça durante uma parte do intervalo de tempo quando os sinaissísmicos são gravados terá a média calculada para a extensão de gravaçãointeira e, desse modo, será atenuado, conforme pode ser inferido a partir daEq. 25.Em uma implementação prática, uma resposta sísmica da sub-superfície à energia sísmica impressa a partir de cada um dos vibradorespode ser determinada por uma correlação cruzada dos sinais sísmicos de-tectados com o sinal usado para acionamento de cada vibrador, onde a cor-relação cruzada inclui uma faixa de atrasos de tempo selecionados, tipica-mente de zero a um máximo esperado de tempo de percurso de energiasísmica de duas vias para formações de interesse na subsuperfície (usual-mente, em torno de 5 a 6 segundos). A saída da correlação cruzada podeser armazenada e/ou apresentada em um formato de traço de sísmica, coma amplitude de correlação cruzada como uma função de atraso de tempo.
A portadora de banda base tem duas propriedades que podemser otimizadas. A portadora de banda base deve ser selecionada para a pro-visão da saída de vibrador com um conteúdo de freqüência adequado e umaautocorrelação que tenha um pico de correlação bem definido. A equação(25) também mostra que a extensão da seqüência de espectro de espalha-mento direta afetará a relação de sinal para ruído do sinal de vibrador. Ospicos de correlação resultantes da correlação cruzada realizada, conformeexplicado acima, aumentarão linearmente com o comprimento (o número dechips) do código de espalhamento. Um N maior (seqüências mais longas)melhorará as propriedades de sinal para ruído do sinal de vibrador.
Usando seqüências de código de espalhamento apropriadamen-te selecionadas é possível gerar sinais sísmicos que se aproximam do ruídode fundo em estatísticas espectrais. Algumas seqüências úteis que podemser usadas para uma pluralidade de vibradores sísmicos são discutidas a-baixo.
Seqüências de "comprimento máximo" são um tipo de códigocíclico que são geradas usando-se um registrador de deslocamento linear, oqual tem m estágios conectados em série, com a saída de certos estágiosadicionada em módulo-2 e retroalimentadas para a entrada do registrador dedeslocamento. O nome seqüência de "comprimento máximo" deriva-se dofato de esta seqüência ser a seqüência mais longa que pode ser gerada u-sando -se um registrador de deslocamento. Matematicamente, a seqüênciapode ser expressa pelo polinômio h(x)
<formula>formula see original document page 21</formula>
Para 1 <j<m, então hj = 1, se houver um feedback no j-ésimoestágio, e hj = 0, se não houver um feedback no j-ésimo estágio. h0 = hm = 1.Qual o estágio hj que deve ser regulado para um ou zero não é randômico,mas deve ser selecionado de modo que h(x) se torne um polinômio primitivo."Primitivo significa que o polinômio h(x) não pode ser fatorado. O número dechips para uma seqüência de comprimento máximo é dado pela expressãoN = 2m -1, onde m representa o número de estágios no registrador de des-locamento. A seqüência de comprimento máximo tem um "1" a mais do que"0". Para uma seqüência de 511 chips, por exemplo, há 256 uns e 255 zeros.
Um outro tipo de seqüência que pode ser usada é a seqüênciade Gold. A estrutura das seqüências de Gold é descrita em R. Gold, Optimalbinary sequences for spread spectrum multiplexing, IEEE Trans. InformationTheory, vol. IT-13, pp. 619-621 (1967). As seqüências de Gold têm boas ca-racterísticas de correlação cruzada adequadas para uso quando mais de umvibrador forem usados ao mesmo tempo. As seqüências de Gold são geradasusando-se duas ou mais seqüências de comprimento máximo. É possível gerarN+2 seqüências de Gold a partir das seqüências de comprimento máximo,onde N é o comprimento de seqüência. As seqüências de Gold têm o perío-do N = 2m-1 e existem para todos os inteiros m que não sejam múltiplos de4. Um possível inconveniente das seqüências de Gold é que a autocorrela-ção não é tão boa quanto para as seqüências de comprimento máximo.
Conjuntos de seqüência de Kasami podem ser usados em al-guns exemplos, porque eles têm uma correlação cruzada muito baixa. Hádois conjuntos diferentes de seqüências de Kasami. Um procedimento simi-lar àquele usado para a geração das seqüências de Gold gerará o "conjuntopequeno" de seqüências de Kasami com M = 2n'2 seqüências binárias deperíodo N = 2" - 1, onde η é um número par. Esse procedimento começacom uma seqüência de comprimento máximo, designada a, e formando aseqüência a' pela decimação de a por 2nl2 + 1. Pode ser mostrado que a se-qüência resultante a' é uma seqüência máxima com período 2nl2 - 1. Porexemplo, se η = 10, o período de a será N = 1023 e o período de a' será 31.Portanto, pela observação de 1023 bits da seqüência a', serão observadas33 repetições da seqüência de 31 bits. Então, tomando-se N = 2" - 1 bits deseqüências a e a', é possível formar um novo conjunto de seqüências pelaadição, módulo-2, dos bits a partir de a e dos bits a partir de a' e todos os2nl/2 - 2 deslocamentos cíclicos dos bits a partir de a'. Pela inclusão de a noconjunto, um resultado é um conjunto de 2nl2 seqüências binárias de com-primento N = 2" - 1. As funções de autocorrelação e de correlação cruzadadestas seqüências assumem os valores do conjunto {-1, - (2"/2 + 1), 2nl2 -1}.O "conjunto grande" de seqüências de Kasami de novo consiste em seqüên-cias de período 2n - 1, para η sendo um inteiro par, e contém as seqüênciasde Gold e o conjunto pequeno de seqüências de Kasami como subconjun-tos. Vide, por exemplo, Spreading Codes for Direct Sequence CDMA andWideband CDMA Cellular Networks, IEEE Communications Magazine, se-tembro de 1998.
Na implementação de códigos de espalhamento para a geraçãode um sinal de acionador para os vibradores, pode ser preferível usar umamodulação de bifase para a geração dos chips no código. Com referência àfigura 8, um código de espalhamento de exemplo é mostrado, onde umamudança na polaridade de +1 para -1 representa o número -1, e a mudançade polaridade reversa representa o número +1. O espectro de sinal geradopelo código de espalhamento acima é mostrado na figura 9. O que é eviden-te a partir da figura 9 é que uma amplitude de sinal substancial existe em DC(freqüência zero). Esse espectro de sinal geralmente não é adequado parauma geração de sinal sísmico. Se a modulação usada fosse de bifase, con-tudo, a amplitude de sinal na freqüência zero será substancialmente zero. Omesmo código de espalhamento mostrado na figura 8 implementado usan-do-se uma modulação de bifase é mostrado na figura 10. A modulação debifase pode ser implementada ao se ter todo bit do sinal de entrada original(chips no código de espalhamento) representados como dois estados lógi-cos, os quais, em conjunto, formam um bit de saída. Todo "+1" lógico na en-trada pode ser representado, por exemplo, como dois bits diferentes (10 ou01) no bit de saída. Todo "-1" lógico de entrada pode ser representado, porexemplo, como dois bits iguais (00 ou 11) na saída. Assim, todo nível lógicono começo de uma célula de bit é uma inversão do nível do fim da célulaprévia. Em uma saída de modulação de bifase, os +1 e -1 lógicos são repre-sentados com a mesma amplitude de voltagem, mas com polaridades opos-tas. O espectro de sinal do código de espalhamento mostrado na figura 10 émostrado na figura 11. A amplitude de sinal em uma freqüência zero é muitopequena (abaixo de -50 dB), assim tornando esse código mais adequadopara geração de energia sísmica.
Em alguns exemplos, mais de um vibrador pode ser usado emuma localização em particular na água, por exemplo, conforme mostrado em10 na figura 1, onde cada vibrador tem uma resposta de freqüência diferen-te. Em alguns exemplos, um vibrador de resposta de freqüência baixa podeser usado para a geração de uma parte de freqüência baixa do sinal sísmico,por exemplo, (3-25 Hz) e um outro vibrador de freqüência mais alta pode serusado para a geração de energia sísmica de freqüência mais alta (por e-xemplo, 25-100 Hz). Em outros exemplos, a estrutura de vibrador de ressonân-cia múltipla discutida acima pode ser usada. Conforme explicado acima, essesvibradores podem ter duas ou mais freqüências de ressonância na banda defreqüência sísmica (por exemplo, de aproximadamente 0 a 300 Hz).
Um exemplo de um código de DSSS de freqüência baixa usadopara acionamento de um vibrador configurado adequadamente é mostradona figura 12A. O código de DSSS pode ser configurado para a provisão deuma freqüência selecionada extraída por uma seleção adequada da taxa dechip. Um espectro de saída de energia de um vibrador configurado adequa-damente usando-se o código da figura 12A é mostrado na figura 12B corres-pondente. A figura 13A mostra um código de DSSS usado para acionamentode um vibrador configurado de freqüência mais alta. As respostas do vibra-dor (espectro de saída de sinal) desse vibrador ao código de DSSS da figura13A são mostradas na figura 13B. Ambos os sinais sísmicos são efetivamen-te somados. Após a detecção dos sinais a partir de cada um desses vibrado-res nos sinais sísmicos recebidos, conforme explicado acima, os sinais de-tectados podem ser somados. Os sinais de DSSS combinados são mostra-dos na figura 14A, e o espectro de saída de vibrador combinado é mostradona figura 14B. Uma autocorrelação de sinais somados é mostrada na figura15, indicando dois picos de correlação distintos, um para cada código deDSSS. Os vários vibradores podem ser operados, cada um, em uma profun-didade selecionada na água correspondente à faixa de freqüência de cadavibrador.
Os vibradores sísmicos e os métodos para operação desses vi-bradores de acordo com os vários aspectos da invenção podem prover umadetecção de sinal sísmico mais robusta, podem reduzir o impacto ambientalde pesquisa sísmica pelo espalhamento da energia sísmica por uma faixa defreqüência relativamente ampla, e podem aumentar a eficiência de pesquisasísmica ao permitirem uma operação simultânea de uma pluralidade de fon-tes sísmicas, enquanto se permite a detecção de energia sísmica a partir defontes individuais das fontes sísmicas.
Embora a invenção tenha sido descrita com respeito a um núme-ro limitado de modalidades, aqueles versados na técnica, tendo o benefíciodesta exposição, apreciarão que outras modalidades podem ser divisadas,as quais não se desviam do escopo da invenção, conforme mostrado aqui.Assim sendo, o escopo da invenção deve ser limitado apenas pelas reivindi-cações em anexo.
Claims (12)
1. Método para a geração de energia sísmica para pesquisa desubsuperfície, que compreende:a operação de um primeiro vibrador sísmico; ea operação de pelo menos um segundo vibrador sísmico de for-ma substancialmente contemporânea com a operação do primeiro vibradorsísmico, a operação do primeiro e de pelo menos um segundo vibrador sís-mico incluindo a aplicação de um sinal de acionador a cada um dentre o pri-meiro e pelo menos um segundo vibrador sísmico que são substancialmentenão-correlacionados um com o outro.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que o sinal deacionador aplicado a cada um dentre o primeiro e pelo menos um segundovibrador sísmico compreende um código de espectro de espalhamento deseqüência direta.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que cada umdentre o primeiro e pelo menos um segundo vibrador sísmico têm pelo me-nos duas freqüências de ressonância em uma banda de freqüência selecio-nada.
4. Método, de acordo com a reivindicação 2, em que o códigocompreende pelo menos uma dentre a seqüência de comprimento máximo,uma seqüência de Gold e uma seqüência de Kasami.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, que ainda compre-ende a detecção de sinais sísmicos em uma pluralidade de localizações es-paçadas e a determinação de porções dos sinais sísmicos detectados seoriginando a partir de cada um dentre o primeiro e pelo menos um segundovibrador sísmico.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que pelo menosum dentre o primeiro e pelo menos um segundo vibrador sísmico compreen-de uma pluralidade de vibrador tendo uma resposta de freqüência diferente,e em que o sinal de acionador usado para operação da pluralidade de vibra-dores compreende os componentes correspondentes à resposta de freqüên-cia de cada um da pluralidade de vibradores.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que cada umdos vibradores compreende pelo menos duas freqüências de ressonânciaem uma faixa de freqüência selecionada.
8. Método para pesquisa sísmica marítima, que compreende:a operação de um primeiro vibrador sísmico em um corpo deágua;a operação de pelo menos um segundo vibrador sísmico no cor-po de água de forma substancialmente contemporânea com a operação doprimeiro vibrador sísmico, a operação do primeiro e de pelo menos um se-gundo vibrador sísmico incluindo a aplicação de um sinal de acionador a ca-da um dentre o primeiro e pelo menos um segundo vibrador sísmico que sãosubstancialmente não-correlacionados um com o outro;a detecção de sinais sísmicos em cada um de uma pluralidadede receptores sísmicos dispostos em localizações espaçadas; ea determinação de porções dos sinais sísmicos detectados re-sultantes da energia impressa nas formações abaixo do fundo do corpo deágua por cada um dentre o primeiro e pelo menos um segundo vibrador sís-mico.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8, em que o sinal deacionador aplicado a cada um dentre o primeiro e pelo menos um segundovibrador sísmico compreende um código de espectro de espalhamento deseqüência direta.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, em que o códigocompreende pelo menos uma dentre uma seqüência de comprimento máxi-ma, uma seqüência de Gold e uma seqüência de Kasami.
11. Método, de acordo com a reivindicação 8, em que pelo me-nos um dentre o primeiro e pelo menos um segundo vibrador compreendeuma pluralidade de vibradores tendo uma resposta de freqüência diferente, eonde o sinal de acionador usado par ambiente de operação da pluralidadede vibradores compreende componentes correspondentes à resposta defreqüência de cada urn da pluralidade de vibradores.
12. Método, de acordo com a reivindicação 8, em que cada umdentre o primeiro e pelo menos um segundo vibrador sísmico têm pelo me-nos duas freqüências de ressonância em uma banda de freqüência selecio-nada.
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