Verbesserte Luftpulser-Arrays

Hohe Energieabstrahlung ist immer noch eine der wichtigsten Forderungen für eine Energiequelle in der Seeseismik. Außerdem sind ein gut gesteuerter Frequenzinhalt und absolute Reproduzierbarkeit der Signalform Voraussetzungen für ein modernes Processing der Meßdaten.

Luftpulser-Arrays haben in vieler Hinsicht günstige Eigenschaften. Sie erzeugen starke und gut definierte Druckimpulse bei schneller Schußfolge. Die an Bord gespeicherte Energieform ist lediglich komprimierte Luft, die heutzutage kaum ein Sicherheitsrisiko für die Besatzung bedeutet.

Bei den Kontraktoren gibt es jedoch beträchtliche Unterschiede in der Nutzbarmachung dieser Energiequelle. Der seismische Wirkungsgrad ist einer der Parameter, welcher in bar-Meter pro Liter komprimierter Luft, die pro Schuß abgegeben wird, angegeben werden kann. Werte von 0.75 bis 1 bar-Meter pro Liter werden als gut betrachtet. Werte bis zu 1.5 bar-Meter pro Liter können theoretisch erreicht werden. Diese Druckwerte werden in einer Entfernung gemessen, die groß ist, wenn man sie mit den Dimensionen der Luftpulser-Arrays vergleicht. In der Praxis genügt eine Entfernung von etwa 100 Metern. Die Zunahme des Druckes im Wasser, ΔP, die von der Energiequelle verursacht ist, kann nach der Bernouill'schen Gleichung für den hydraulischen Fluß im Fernfeld berechnet werden:

Das Produkt aus dem Druckimpuls ΔP und der Entfernung r kann für 'eine bestimmte Energiequelle als konstant angenommen werden.

Die Signalformen der einzelnen Luftpulser sind nicht frei von Sekundäreffekten, die auf die Wechselwirkung zwischen dem freigesetzten Luftvolumen und der Wassermasse über dem getauchten Luftpulser zurückzuführen sind. Die Oszillation der freigesetzten Luft verursacht Bubble-Impulse, deren Frequenz, außer von anderen Parametern, von dem Kammervolumen des Luftpulsers abhängt. Die Periode der Bubble-Impulse ist:

Die in der Gleichung (2) vorkommenden Größen haben folgende Bedeutung: Pc = Kammerdruck in bar, Vc Kammervolumen in Litern, Po = hydrostatischer Druck in bar.

Figur 1 zeigt Signalformen von Luftpulsern, die ein Volumen von 0.16 bis 2.5 Litern haben.

Eine wohlbekannte Technik der Bubble-Unterdrückung ist die Addition der Signalformen von Luftpulsern, die verschiedene Bubble-Perioden haben. Die oberste Signalform in der Figur 1 ist, aus technischen Gründen in reduziertem Maßstab, das Ergebnis der Addition aller Signalformen, die darunter gezeigt sind.

Die beste Bubble-Unterdrückung kann erreicht werden, wenn die einzelnen Bubble-Signalformen optimal abgestuft sind in Bezug auf Periode und Druckamplitude. Dies kann mittels verschiedener Techniken erreicht werden, z. B. durch gesteuerte Wechselwirkung von Luftpulsern oder durch das verzögerte Freisetzen von einer zusätzlichen Luftmenge in das expandierende Bubble-Volumen.

High energy is still one of the most important requirements for a marine seismic source. Besides this, weil controlled frequency content and excellent conformity of the pressure signature are prerequisites to meet the demands of modern hydrocarbon indicator processing. Airgun arrays have favorable properties in many respects. They produce strong and weil defined pressure pulses with high repetition rate. Energy stored onboard is just compressed air, which has today no serious safety bearing on the operating staff.

But there are appreciable differences how contractors derive the highest benefit from this energy source. Seismic efficiency is one of these benefits, which may be expressed in bar meter per liter compressed air released per shot. Values of 0.75 to 1 bar meter per liter are regarded as satisfactory. Values of up to 1.5 bar meter per liter can be achieved theoretically. These pressure values are measured at a distance which is large compared to the dimensions of the source pattern. In practice a distance of about 100 m is sufficient. The increase of ~ressure in water, ΔP, caused by the energy source, can be calculated due to Bernoulli's equation for hydraulic flow in the far field:

The amplitude of the pressure pulse ΔP multiplied by the distance r can be assumed to be constant for a certain source.

Signatures of individual air guns are not free from secondary effects, resulting from the interaction of the released air volume and the water mass above the submerged gun. The oscillation of the released air produces bubble pulses whose frequency depends, among other parameters, upon the chamber volume of the gun. The period of the bubble pulses is:

Fig. 1 shows signatures of guns whose volumes range from 0.16 liter to 2.5 liter.

A well-known technique for bubble suppression is to add pressure signatures of guns with different bubble periods. The signature at the top of fig. 1 is, in a reduced scale, the result of the summation of the individual signatures shown.

The best bubble suppression can be achieved if the individual bubble signatures are optimally graded with respect to bubble period and bubble pressure amplitude. This can be achieved by different techniques, for instance by controlled interaction of guns or by releasing a delayed surge of air into the expanding bubble volume.

Fig.2 Teil einer Luftpulserkette
Part of an airgun-chain

Fig. 3 Schematische Skizze des Luftpulser-Arrays
Schematic sketsch of the airgun array

Wie auch immer die Bubble-Effekte beeinflußt werden eine Beeinträchtigung des primären Druckimpulses muß vermieden werden. Im Gegenteil muß versucht werden, die Druckimpuls-Amplitude zu erhöhen. Um dies zu erreichen, scheint die Vergrößerung des Gesamtvolumens des Luftpulser-Arrays der einfachste Weg zu sein. Es ist aber auch bekannt, daß der Spitzendruck einer Sprengstoffladung nicht proportional mit dem Gewicht der Ladung wächst.

Eine ähnliche Beziehung gilt für die Luftpulser:
(Vc und ΔP aus den Gleichungen (1) und (2))

Für einen bestimmten Luftpulsertyp ist α etwa ½. Um die Einschränkungen durch das Ouadratwurzelgesetz zu überwinden, werden gewöhnlich kleinere Volumina über eine größere Fläche verteilt. Damit kann erreicht werden, daß die Druckzunahme ΔP proportional ist dem Kammervolumen des Luftpulsers:

Um den Vorteil eines Luftpulser-Arrays mit vergrößertem Volumen voll ausnützen zu können, müssen deshalb die einzelnen Luftpulser über eine größere Fläche verteilt werden. Durch die Größe des Meßschiffes werden für die Handhabung und das Schleppen von weit ausgelegten Luftpulsern enge Grenzen gesetzt. Der Spitzendruck, der mit einem bestimmten Luftvolumen erreicht wird, ist umso größer, je besser die Beziehung (4) angenähert werden kann.

In Figur 2 ist ein Teilstück der Kette zu sehen, an der die Luftpulser hintereinander aufgereiht sind. Ein Array mit etwa 30 Litern Volumen pro Schuß - über eine Fläche von etwa 400 m² verteilt - wurde für unsere Meßschiffe PROSPEKTA und EXPLORA angefertigt. Dieses Array besteht aus zwei Ketten, die jeweils an steuerbord und backbord geschleppt werden. Durch Schwimmkörper werden die Luftpulser in einer vorbestimmten Tiefe gehalten. Die Maximallänge einer Kette beträgt etwa 30 Meter. Eine Prinzipskizze ist in Figur 3 gezeigt.

Das neu entwickelte Ketten-Array wurde in tiefem Wasser getestet. Figur 4 zeigt eine Breitbandaufnahme des erzeugten Signals.

Bereits seit geraumer Zeit wird das neue Array bei seeseismischen Vermessungen eingesetzt. Die hohen Ansprüche des Bedienungspersonals auf den Schiffen und die der Explorations-Geophysiker konnten hierbei voll befriedigt werden.

Howsoever the bubble effects are controlied, the initial pressure pulse amplitude of the array must not be reduced. On the contrary, provisions must be made to increase the pressure pulse amplitude. It seems to be obvious that an increase of the total volume of the array might be a simple way to achieve this. It is a weli-known fact, that the peak pressure of a dynamite charge does not increase proportional to the charge weight.

A similar relation holds for airguns:
(Vc and ΔP, from equations (1) and (2))

α is about ½ for a certain type of guns.

To overcome the limitations imposed by the square root law, volumes are usually subdivided and distributed over a larger area.

By this, a relation

can be achieved. To harvest the full potential of an airgun array with increased volume, the individual guns must be therefore distributed over a larger area. The size of the survey boat imposes stringent limits to the handling and towing of far spread out airguns. The peak pressure achieved with a certain air volume can be the larger the better the relation (4) is approximated. In practice, the airguns are stringed up on. chaines as shown in fig. 2. An array with about 30 liters volume per shot, spread over an area of about 400 m² was built up for RN PROSPECTA and RN EXPLORA.

This array consists of two chaines towed on starboard and on port respectively. The guns are held at a predetermined depth with the aid of surface floats. Maximum length of one chain is about thirty meters (Fig. 3). The chain array was tested in deep water. Fig. 4 shows the broad-band recording of the outgoing signal. The array has been put into operation for production work and has proved to meet the rigorous demands of the operating crews and of the exploration geophysicists.