具有改进的地表耦合的地球物理传感器安装的制作方法

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具有改进的地表耦合的地球物理传感器安装的制造方法与工艺

本公开涉及地球物理测量仪器的领域。更具体地,本公开涉及需要与地面的良好声耦合的地球物理测量仪器,例如地震传感器。

地震传感器需要与地面的良好声耦合,其特征可在于在振动从地面被传递至感测元件时以微不足道的信号损失或者振动特性的变化来检测地面运动的感测元件。当把感测元件(例如,地震检波器或者其它质点运动响应传感器)设置在例如松散的表土中时,所检测到的检测信号的质量相比于如果把该感测元件设置在压实的土壤中的情况下所检测到的信号品质要来得低,这是由于增加的自由度所造成的能量质点分布。此外,计算能力的快速扩展提供以更高的精度记录地震活动的可能性。因此,在数月或数年的时间区间内记录地震信号内容(“地震特征”)的变化的能力已变得可行。然而,不时地对地震传感器进行检修的要求已导致难以将地震传感器重新安装入初始记录的精确位置和/或安装在相同的方位上。后者的限制会使定向敏感地震能量(例如剪切能)的时间推移记录变得困难。

参照图1和图2,国际专利申请公开第WO 92/19991号描述了被设置在螺旋形状壳体2中的自主地震感测与数据记录系统1。壳体2的形状是为了通过具有图2中的外螺纹21而改善地面与壳体2之间的声耦合,因而当使壳体2旋转并且通过螺纹21的作用而轴向地移动进入地面时地面被分开。可提供被设置在壳体2的上盖3上的工具插孔5(图1),从而能够将壳体2旋入和旋出以便传感器系统1的安装和移除。图1中示出了前述系统1的截面,图中示出了内部感测(垂直安装的地震检波器7、8和9及磁力仪10A、10B)及信号处理/记录装置11、12、14、14、15、16、17。图2中示出了带螺旋型螺纹21的壳体2的斜视图。这些螺纹具有所选择的螺距P、螺纹高度H和最大外直径Ds。在此实例中,壳体2与传感器部件(参见图1)是不可分离的单元。因此,传感器从地面中的移除需要将壳体2收回,因此必须尝试将需要精确的随后传感器位置的某些类型勘测中的初始传感器位置定位在它们的原来位置。虽然用标记(例如旗标)来标示传感器位置的能力是可能的,但这种标记易于发生位移或丢失。

间隔达数月或数年的准确时间推移或4D成像的一个方面已经是移除传感器装置以便用于在不同位置的后继使用直到在它们的初始位置用传感器来记录数据的惯例。在一些情况下,传感器系统的一个或多个部件会需要检修(例如给电池再充电),或者会需要将传感器系统从地面中移除以便对内部数据存储装置进行询问。因此,必须将传感器系统壳体从地面中移除。在一些情况下这种移除会是不合适的,因为随着时间推移在这种传感器壳体与地面之间的声耦合可确实地改善。另外,为了提供前后一致的图像,至关重要的是传感器占据在大地上的精确的相同位置以便实施每个成像过程。因此,期望具有一种传感器安装座,该传感器安装座提供与WO '991中所公开的为等效的与地面的声耦合同时能够将传感器系统的有源部件移除和更换并且使声耦合机构留在所选择的地面位置。



技术实现要素:

根据本公开的一些方面,已开发出了一种新型的夹持套管,无论土壤类型如何,该夹持套管同时地形成与大地的固定耦合,同时也提供用于传感器单元的壳体。利用所公开的耦合装置,可改进传感器与地面的可重现的耦合。更重要地,该夹持套管允许传感器单元的收回,同时使该夹持套管留在地面中。在一些示范性实施例中,可给夹持套管加盖以防止当传感器未被设置在夹持套管中时沉积物和碎片的堆积。

附图说明

图1和图2分别示出了在本领域中为已知的自主地震数据采集装置的剖视图和斜视图。

图3示出了根据本公开的示范性地面接触壳体(套筒)。

图4示出了根据图3的被设置在地面接触套筒中的节点式采集单元的一个实例。

图5-图7示出了用于将传感器固定在地面接触套筒中的一个示范性锁定机构。

图8和图9示出了包括传感器和地面套筒定位装置的一个示范性实施例的剖视图和侧视图。

图10示出了具有内部突起的示范性地面接触套筒,该内部突起是用于改善套筒与传感器之间的耦合同时能够在随后时间将传感器加以更换。

图11示出了图10中所示的示范性实施例的俯视图。

图12示出了图10中所示的实施例的斜剖视图。

图13示出了图10中所示的实施例的斜视图。

图14示出了可被挤压进入或者被冲击驱动进入在表层土壤中的预形成孔的另一个示范性实施例。

图15示出了用于增强传感器与地面接触套筒之间的声耦合的内部突起的另一个实施例。

图16示出了类似于图14的另一个实施例。

图17示出了将如图15中所示的特征与在地面接触套筒上的螺旋形状外部表面加以组合的一个示范性实施例。

图18和图19分别示出了可适用于多部件地震传感器的一个实施例的侧视图和斜视图。

具体实施方式

根据本公开的具有改进的地面接触耦合的示范性地球物理传感器可被设计成使得可通过各自尤其适合于不同地表条件的一些方法将地面接触套筒安装入大地中(例如,在地面或水底上)。部分的这里所定义的地面接触套筒不是仅有的选择,并且本描述并非将本公开局限于任何特定类型或数量的设计。通常,根据本公开的地面接触套筒可具有在其外部表面上的至少一个特征,该特征使地面接触套筒的外部表面积增加到超过大体上为平滑的滚圆表面的表面积。

参照图3,图中示出了示范性的地面接触套筒100,该地面接触套筒100可构造成能够通过使用液压驱动的尖的冲压装置而被“冲压”或挤压进入大地(即,表层土壤)中,其中将地面接触套筒100置于冲压端上,因此当把地面接触套筒100驱动进入大地中并将冲压装置收回时,地面接触套筒100停留在地面中。地面接触套筒100可具有下面进一步描述的在其外部表面上的特征,以便无论在其中布置地面接触套筒100的位置的土壤类型(例如,砂、泥炭、沼泽、雪、冰、表土或粘土)如何均可提供高效的与大地的声耦合。图3示出了根据本公开的地面接触套筒的若干构思:用于容纳传感器单元的空腔、和用于增强地面接触套筒100被周围介质机械夹紧的外边缘。在一些实施例中,可将导向孔冲压、挤压或钻孔到表层土壤中。地面接触套筒100的示范性实施例可具有例如所选择几何形状的边缘、叶片、脊部、螺纹或螺齿(flight)的特征,从而可改善地面接触套筒100与地面之间的机械耦合。在一个示范性实施例中,这些特征可包括具有交替几何形状的脊部,这些脊部增大了地面接触套筒100与土壤接触部分的表面积。这种增大的表面积可通过将地面接触套筒100插入具有小于地面接触套筒100外直径的初始内直径的导向孔中而提高所提供的机械强度。可提供改进的声耦合的导向孔直径的可能范围可以是大约2英寸至2.75英寸,更优选范围为大约2.4英寸至2.6英寸。

孔冲压(或挤压)和地面接触套筒安装装置可将地面接触套筒100插入预形成的孔中,然后移动到被设置在紧邻预定传感器位置的预形成孔。在地面接触套筒100的安装之后,可在布置地面接触套筒100之后的任意时间将节点式传感器单元安装入地面接触套筒100中。地面接触套筒100可由为声能的高效导体的任何合适的、固体的、大体上为刚性的材料所制成。优选地,可使在表层土壤物质与制造地面接触套筒100的材料之间的密度差最小化,从而减小地面接触套筒100与周围地面物质(图4)之间的声阻抗差。被选择用于地面接触套筒100的材料也应当足够强到可经受地震传感器(例如,节点式传感器单元)的多次插入和收回。

图4示出了被安装在预先插入地面104中的植入的地面接触套筒100中的节点式传感器单元102(传感器节点)。该节点式传感器单元102可物理联接到地面接触套筒100,例如通过下面更详细说明的相应的外部和内部特征,其中传感器壳体105构成传感器节点102的一部分。传感器壳体105可与在传感器节点102内部的一个或多个地震传感器(未图示)声耦合。传感器壳体105被推到与在地面接触套筒100内部的内表面特征(在下文描述)物理接触,以改善传感器壳体105与地面接触套筒100之间的声耦合。传感器壳体105可以是常规的地震传感器地面安装尖状物,或者可具有特殊的形状,例如构造成紧密地嵌入在地面接触套筒100中的内部空间的锥形杆或圆柱体。在一些实施例中,然后可利用专用的锁定装置将节点式传感器单元102锁定入地面接触套筒100中,以防止未获授权人的不受欢迎的移除。在一个示范性实施例中,锁定装置可以是可用专用驱动工具(未图示)操作的螺旋型软管夹具。

图4示出了根据本公开的地面接触套筒100的原理:具有相对较大的表面积以便获得在周围土壤中的机械强度的地面接触套筒;联接到地面接触套筒的传感器单元,其中可提供地面接触套筒与传感器之间的接触点的优化几何布置从而使声信号传输最大化。在地面接触套筒100的外部上的至少一个特征(例如螺旋式螺齿(auger flight))在沿地面接触套筒的轴线和垂直于该轴线的两个方向上压缩地面物质以改进声耦合。

在下面进一步描述的一些实施例中,可提供用于将传感器固定到地面接触套筒的锁定机构,因而仅通过使用构造成释放锁定机构的工具便可以将传感器移除。

不同的示范性地面接触套筒设计可具有不同的形状(例如具有外螺纹、或者螺旋、螺齿(螺纹)),并且通过将螺旋式螺齿插入大地中(参见图9)的旋入操作将获得连续且高质量的与大地的声耦合。地面接触套筒100的旋入插入可用手持式钻具电机、或者手操作的驱动手柄而实施,该驱动手柄具有与地面接触套筒100的内部形状或者在地面接触套筒100外部上的工具表面相配合的相应的工具端部形状。非限制性例子可包括在这种工具外部的具有相应几何形状的表面、和地面接触套筒100的内表面或外部表面。

在一个实例中,在地面接触套筒外部表面上的脊部的几何图案可包括作为菱形、椭圆形、正方形和/或其它几何形状的这种特征,这些特征使地面接触套筒与表层土壤之间的接触表面积从100 mm2增加到1000 mm2,优选范围为500至750 mm2。就特定的土壤类型而言,可对任何示范性地面接触套筒的外部特征的构造和地面接触表面积进行优化。例如,就砂质土壤而言,增加表面积达750 mm2的正方形可提供地面接触套筒与表土之间的优化接触。

在另一个示范性实施例中,地面接触套筒的外部可包括在其上端的一个特征,该特征能够附加盖从而阻止地面接触套筒的内部被沉积物和碎片所污染。

在另一个示范性实施例中,地面接触套筒的内表面可包括下面进一步说明的各种构造的向内突起,该向内突起提供增大的与传感器壳体(图4中的105)的接触表面积,同时提供用于当把传感器(图4中的102)插入地面接触套筒中时碎片排出的空间。

留在地面中用以提供用于4D地震成像的相同传感器位置的地面接触套筒可使沉积物或碎片随时间的推移而堆积在内部,甚至当使用盖时。通过使用向内突起,这种实施例可使传感器被插入地面接触套筒成为可能,甚至当地面接触套筒的内部被液体和碎片部分或全部地填充时。

在另一个实施例中,在地面接触套筒100的内壁或上表面上的特征(例如花键)可采用间隔达至少2 mm和高达10 mm的纵向直线的形式。这些纵向直线应当提供与传感器的声耦合,并且允许当把传感器插入地面接触套筒中时碎片或沉积物的排出。可对这些花键的高度进行选择,从而提供花键与传感器壳体(图4中的105)之间的过盈配合,以便获得良好的声耦合。

如果地面接触套筒100具有在其外部上的螺旋式螺齿(或螺纹),那么前述部件将抓紧表土,从而当使其旋转时将地面接触套筒100拉动进入土壤物质中。地面接触套筒100和螺旋式螺齿将使土壤在向外和远离套筒的方向上移位,从而将被移位的土壤物质压紧到在接触套筒周围的土壤中。当接触套筒被拉动入大地中时这些螺齿推动大地物质,因此竖直地压紧大体物质并且最终有一定量的应力停留在螺齿与在其上方的大地物质之间,从而确保地面与地面接触套筒100之间的良好声耦合。螺旋形状可具有50度的锥角(图9中的T)。在一个示范性实施例中,螺距(图9中的P)为1.4”并且螺纹深度为0.75”。

地面接触套筒100的主体可被成形为包括螺旋式螺齿的任何已知构造,包括但不限于具有脊部和“多线(multi-start)”螺齿的地面接触套筒的圆锥形状。多线螺齿的范围可以是4至20螺纹/英寸,优选范围可以是8至16螺纹/英寸。该多线螺纹可具有2的下限但可高达8,优选范围为2至4。

将地面接触套筒插入大地中的操作(无论冲压、挤压或者旋入)均导致在地面接触套筒周围的材料被向外推动并且挤压大地物质并形成从在套筒外部表面的最密实的到远离套筒的现有地面物质密度的连续密度变化区域。这种在套筒周围的变化密度形成大体上为整体的大地/套筒耦合组件。因此,地面接触套筒100可以是大体上为透声的,因此减少或消除在地面接触套筒100周围的任何突然的声波路径变化。

可利用一个或多个装置(例如磁体)、或者荧光或磷光染料来增强对预先放置的地面接触套筒的检测和引导。可使用具有100至5000高斯的磁场强度的一个或多个永磁体,在一些实施例中1000至3000高斯的优选范围可用于这种磁体。例如,这种磁体允许容易地用金属检测器或磁力仪进行检测。就具有从土壤到在地面接触套筒上表面的一些突起的实施例而言,地面接触套筒可由含有混合于其中的荧光染料或磷光染料的塑料所制成。荧光染料可用400至700 nm(纳米)波长的光进行激发,这防止染料在普通手电筒的光照射下发出荧光。也可使用对可见光为敏感的磷光颜料,并且在不要求将传感器或接触套筒保持隐藏状态的情况下会是优选的。在一些情况下,防止节点或地面接触套筒容易地被检测到会是可取的,以降低传感器节点被盗的可能性。

如上所述的地面接触套筒材料可以是任何合适的材料,包括但不限于模制刚性硬塑料,该硬塑料具有50至120的硬度并且其特征是热塑性或热固性材料。这种材料应当具有0.75至1.4的比重和低摩擦系数,例如在0.01至0.5的范围内更优选地在0.1至0.3的范围内。也可使用砂型铸造金属(例如铝)、及机械加工的金属和塑料。适合使用于一些实施例中的示范性塑料可以是超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯或者丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)、尼龙人造丝、dalrin、缩醛、热塑性聚氨酯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚、丙烯酸类、或者本领域技术人员已知的类似聚合物。

在另一个实施例中,可用固化成声传输泡沫的聚合物系统使地面接触套筒附着到大地。这种泡沫以化学方式结合到地面接触套筒,同时也使松散的沉积物或土壤组分结合。前述的例子可包括聚氨酯、交联多糖、硅基聚合物、或者丙烯酸类聚合物。

传感器壳体可被制造成但不限于一个包括全部的部件,或者具有两个部件,其中第二部件是外套筒主体,该主体是内部空心的以便在将第一部件安装入地面接触套筒中之后牢固地接受传感器节点主体的插入。

传感器单元安装过程可利用一些方法而实施,包括但不限于:使用一种类型的滑动锤装置而手动地冲压出导向孔或开孔,或者利用螺旋式单元(直径小于地面接触套筒主体)和手动操作的旋转驱动机构(例如“T形”手柄)、或者以电池或汽油为动力的钻孔单元;利用液压驱动的冲孔机而部分地自动化,从而形成竖直控制的开孔或者冲压并插入套筒;和使用穿孔机然后使用承载传感器节点单元的自动化机器的完全自动化,该自动化机器将地面接触套筒冲压并安装入地面中然后将传感器节点单元插入,或者将开孔冲压入地面中然后将螺旋式地面接触套筒单元旋入预冲压的孔中。该机器也可包括用于记录大地测量位置并且对所使用的节点式传感器单元及其相关的电子器件进行测试和评估的电子器件。

图5-图7示出了用于将传感器或节点式记录仪固定在地面接触套筒中的一个示范性锁定机构。地面接触套筒100可具有如上所述并且将在下面进一步说明的特征,从而便于通过挤压、旋转或者通过冲击而将地面接触套筒100安装入表层土壤中。可将传感器102(例如,节点式记录仪地震传感器)设置在地面接触套筒100的内部。地面接触套筒100可包括周向地设置在地面接触套筒100的壁附近的可压缩肋部110,从而能够将肋部110压缩抵靠传感器102的外部。夹具108(例如螺纹夹具)可被紧固从而压缩肋部110并且将传感器102锁定在地面接触套筒100中。夹具108可构造成可仅用特定的工具而操作,以降低夹具108的未授权的松动和传感器102的随后未经授权的从地面接触套筒100中的移除的可能性。图示的示范性实施例可包括工具表面112,该工具表面112是用于向地面接触套筒100施加压力或冲击以便插入地面或土壤表面中。在一些实施例中,具有略微小于地面接触套筒100外直径的内直径的预形成孔可用于地面接触套筒100的放置。工具表面112能够用已被放置在套筒100中的传感器102将地面接触套筒100插入地表中。图6中可看到图5中所示的实施例的斜视图。

图7示出了图5的实施例,其中夹具108被紧固从而压缩肋部110,由此将传感器102锁定在地面接触套筒100中。

图8和图9示出了包括传感器和地面接触套筒定位装置的一个示范性实施例的剖视图和侧视图。首先参照图8,可将定位突出部114设置在地面接触套筒100的内表面积上,因而每当把传感器(图4中的102)插入地面接触套筒100的内部120时,传感器(图4中的102)将被取向在相同方向上。可提供外部定位特征116,以便使用户能够确定地面接触套筒100的大地测量的方位。该示范性地面接触套筒100可使用螺旋式螺齿100,使得可通过旋转而将地面接触套筒100插入表层土壤中。可提供工具表面112从而便于地面接触套筒100的旋转,以便通过使用配合工具(未图示)而插入。本示范性实施例具有六边形形状的工具表面112,然而在任何其它实施例中该形状可以是不同的。可使用于其它实施例的其它已知形状包括但不限于:正方形、三角形和12点接触螺栓头形状。

图9示出了图8的实施例的侧视图,其中螺旋式螺齿101可清楚地看见。图9中所示的实施例具有已被放置在套筒100中以便共同地插入表层土壤中的传感器102。

可使用于一些实施例的地面接触套筒100的其它方面在图9中被图示为由螺旋式螺齿101所包含的锥角T。该锥角T的范围可以是在20至80度的范围内。在一些实施例中,锥角T可以是50度。螺旋式螺齿的螺距P可以是在4至20螺纹/英寸的范围内。在一些实施例中,螺距P可以是8至16螺纹/英寸。在一些实施例中,螺纹深度可以是0.75英寸。

图10示出了具有内部突起122的一个示范性地面接触套筒100;内部突起122从地面接触套筒100的内壁表面向内延伸,以改善地面接触套筒100与传感器(例如,图4中的102)之间的耦合同时使在随后时间传感器的移除和/或更换成为可能。在图10中所示的实施例中,突起122可以是大体上为线性的,并且可限定略微小于传感器(图4中的102)的相应部分的外直径的内直径以便传感器形成与突起122的过盈配合。可对突起122的高度进行选择,从而在把传感器(图4中的102)插入其中时能够容易地将灰尘、碎片和液体从地面接触套筒100的内部排出。图10中所示的实例可具有用于与土壤接触的螺旋式螺齿101,然而图10中所示实施例的外部构造并不受如此限制。

图11示出了图10中所示示范性实施例的俯视图,其中突起122和工具表面112可清楚地看到。

图12示出了图10中所示实施例的斜剖视图。

图13示出了图10中所示实施例的斜视图。这些突起(可被称为在地面接触套筒100内壁或上表面上的“花键”)可以是纵向的肋部。在一些实施例中,可存在至少3和多达20个的这种肋部122,优选范围为6-12肋部122。肋部的厚度可以是大约0.02英寸至0.25英寸,优选厚度范围是在大约0.06和0.2英寸之间。用于与传感器的耦合有效表面可以是大约350 mm2至27850 mm2,优选范围为2105 mm2至13,760 mm2

图14示出了可被挤压进入或者被冲击驱动进入在表层土壤中的预形成孔中的地面接触套筒100的另一个示范性实施例。地面接触套筒100可包括用于将地面接触套筒100挤压或者冲击驱动进入土壤中的工具表面112。地面接触套筒100的外部表面可包括多个凹进部,用以增大地面接触套筒100与土壤接触的表面积并且增加将地面接触套筒100从土壤中移除的阻力,这是因为土壤随时间推移而变压实。

图15示出了地面接触套筒的另一个实施例,该地面接触套筒具有内部突起126,用以增强传感器与地面接触套筒100之间的声耦合。在本实施例中,内部突起126可采用“按钮”或者类似形状的元件的形式。本实施例提供地面接触套筒100与传感器节点之间的增大的表面积接触,同时提供用于当把传感器节点插入地面接触套筒中时碎片排出的充分空间。可允许地面接触套筒停留在地面中从而便于将传感器放置在相同的大地测量位置以便进行4D(时间推移3D)成像。当停留在地面中时,地面接触套筒可使沉积物或碎片随时间推移而堆积在内部,甚至是在使用盖的情况下。凹进部或内部定向突起(如在上述实施例中所描述)的布置可使表面积从100 mm2增加到1000 mm2,优选范围为500 mm2至750 mm2;同时提供当把传感器插入地面接触套筒中时容易地排出这种碎片的自由空间。

图16示出了类似于图14的另一个实施例,该实施例具有在外部表面上的凹进部124,用以增大土壤与地面接触套筒100外部之间的接触表面积。

图17示出了将内部突起特征126(例如图15中所示)与螺旋状外部表面(被图示为在地面接触套筒100的外部上的螺齿101)加以组合的一个示范性实施例。正如在其它实施例中,可提供工具表面112,该工具表面112是用于地面接触套筒100的挤压、冲击或旋转从而将地面接触套筒100安装在地面或土壤表面中。

图18和图19分别示出了可适用于与多部件地震传感器一起使用的实施例的侧视图和斜视图。图18和图19中所示的实施例可包括大体上呈弹道形状或尖的下端130,从而便于通过在工具表面112上的冲击或挤压而安装地面接触套筒100。地面接触套筒100的外圆周可包括周向间隔的叶片132。本示范性实施例具有大体上沿地面接触套筒100的纵向轴线所布置的四个等角间隔的叶片,然而在其它实施例中叶片132的数量及相邻叶片之间的角间距可以是不同的。地面接触套筒100可包括紧邻下端130的、在大体上为环状的覆盖套筒的圆周的一个或多个接触肋部128。在本实施例中,接触肋部128可大体上垂直于地面接触套筒100的纵向轴线,以增强地面的竖直运动与地面接触套筒100的耦合。叶片132可增强地面沿任意方向的水平运动与地面接触套筒的耦合。因此,图18和图19中所示的实施例可提供用于检测除竖直方向以外的地面运动以及检测不同模式的地面运动(例如压缩运动和剪切运动)的增强的地面接触特性。

如上所述,地面接触套筒的一些实施例可构造成能够通过使用例如液压驱动的尖的冲压或挤压装置而被“冲压”或挤压进入土壤中,其中将地面接触套筒置于冲压端上,因此当把地面接触套筒驱动进入地面中并且将冲压装置收回时,套筒停留在地面中。在一些实施例中,可在地面接触套筒的插入之前,将导向孔冲压、钻孔或挤压在大地中。

由外部特征(如上面所说明)所提供的增大的表面积可通过将地面接触套筒插入具有小于地面接触套筒的直径的直径的导向孔中而提高所提供的机械强度。就这种用途而言,导向孔直径的示范性范围为1.75英寸至2.75英寸,优选范围为1.9英寸至2.4英寸。

如上所述,地面接触套筒可由为声能的良好导体的任何固体材料制成。优选地,使地面物质与制造套筒的材料之间的密度差最小化,从而降低地面接触套筒与周围的地面物质之间的声阻抗差(参见图4)。所选择的材料也可以是足够强到可经受传感器相对于地面接触套筒的多次插入和收回。本领域技术人员将理解的是,所选择的材料可具有最适合于具有确定的局部土壤组成的声耦合的声学性能。在其它实施例中,在将地面接触套筒安装进入表土期间可使用土壤粘结材料。这种土壤粘结组合物可包含天然存在的生物高分子(例如瓜尔胶)和含有硼酸盐(例如钠硼解石)的矿物质。

如果地面接触套筒在其外部表面上具有螺旋形状,那么螺齿(或螺纹)将抓牢大地从而当使地面接触套筒旋转时将地面接触套筒100拉动进入大地物质中。这些螺纹将使土壤物质向外和在远离套筒的方向上移位,从而将移位的大地物质压紧入在套筒周围的大地物质中。当地面接触套筒被拉动进入大地时,螺齿向上推动大地物质,从而竖直地压紧大地物质并且最终有一定量的应力留在这些螺齿与在其上方的大地物质之间,从而确保地面与地面接触套筒之间的良好声耦合。示范性的螺旋形状可具有在20至80度范围内的螺纹锥角,优选角度为50度。在一个示范性实施例中,螺距为1.4英寸并且深度为0.75英寸。

地面接触套筒的主体可被成形为包括螺旋式螺齿的任何已知构造,包括但不限于具有脊部和“多线”螺齿的主体的圆锥形形状。多线螺纹的范围将会是4至20螺纹/英寸,优选范围将会是8至16螺纹/英寸。多线螺纹可具有2的下限但可高达8,优选范围为2至4。

可使用例如磁体或者荧光或磷光染料来增强对所放置的地面接触套筒的检测和引导。合适的荧光体包括含有铜的硫化锌。合适的氟荧光体包括荧光素和尼罗蓝,这些荧光体可以由手电筒激发用正确的激发波长来激发。可使用具有100至5000高斯、优选范围为1000至3000高斯的磁场强度的磁体。例如,这种磁体允许使用金属检测器或磁力仪而容易地进行检测。就从大地的地面接触套筒的上部的突起而言,盖可用荧光或磷光染料模压制成。荧光染料可用400至700 nm波长的光而激发,这防止染料被由普通可见光手电筒所发出的光而检测。也可使用磷光颜料,并且当不要求保持地面接触套筒不被检测时会是优选的。在一些情况下,阻止传感器和地面接触套筒被容易地检测是可取的,以降低传感器被盗的危险。在一些实施例中,并且再次参照图9,可通过使用RFID询问装置使安装的地面接触套筒定位,以便激活被形成进入或者被加到地面接触套筒100的嵌入的RFID应答器111。RFID应答器111可包括关于特定地面接触套筒100的大地测量位置和方位的数据,使得在时间推移地震勘探中由设置在任何特定套筒100中的传感器所记录的数据可与被编码于特定RFID应答器111中的大地测量信息相关联。

如上所述的地面接触套筒材料可以是任何合适的材料,包括但不限于:模制刚性硬塑料,该硬塑料具有50至120的硬度并且特征是热塑性或热固性材料。这种材料应当具有大约0.75至1.4的比重、以及在0.01至0.5范围内更优选地在0.1至0.3范围内的低摩擦系数。

在另一个实施例中,可用固化成声传输泡沫的聚合物系统使地面接触套筒附着到大地。这种泡沫以化学方式结合到地面接触套筒同时也使松散的沉积物结合。聚合物的例子包括聚氨酯、交联多糖、硅基聚合物、或者丙烯酸类聚合物。在一个优选实施例中,可用矿物质(例如钠硼解石)使多糖类成为胶体以便结合到周围的土壤。

传感器(例如,图4中的102)可被制造成但不限于:一个包括所有的部件,或者两个部件,其中第二部件是外套筒主体,该外套筒主体是内部空心的以便在将第一部件安装入地面之后牢固地接受传感器节点主体的插入。

传感器节点安装过程可利用一些方法而实施,包括但不限于:利用一种类型的滑动锤手动地冲压出一个导向孔或开孔或者利用螺旋式套筒(孔直径小于地面接触套筒直径)和手动操作的旋转驱动机构(例如“T形”手柄),或者以电池或汽油为动力的钻孔单元;使用液压驱动冲孔机的部分自动化以便形成竖直控制的开孔,或者冲压和插入套筒中;和使用孔冲压机然后使用承载传感器节点单元的自动化机器的完全自动化,该自动化机器将地面接触套筒冲压并安装入地面然后将传感器节点单元插入,或者将开孔冲压入地面中然后将螺旋式地面接触套筒单元旋入预先冲压的孔中。该机器也可包括对大地测量位置进行记录并且对所使用的节点式传感器单元及其相关的电子器件进行测试和评估的电子器件。

假设必须或期望移除传感器节点102,在螺纹联接到地面接触套筒100的情况下,可通过仅仅将传感器节点102从地面接触套筒100中旋出而实施该操作。就过盈配合传感器而言,只需将传感器从地面接触套筒中拉出。在存储数据的维护和/或询问之后,可将更换传感器节点102插入现有的地面接触套筒中,或者可更换相同的传感器节点102。

可与本发明的示范性地面接触套筒一起使用的一个示范性传感器节点可以以商标NUSEIS销售,该商标是德克萨斯州77401贝莱尔市的Geophysical Technology(地球物理技术)有限公司的商标。

根据本公开各种方面的一个独立的地面接触套筒和传感器节点的一个可能优点可以是:可将传感器节点从地面接触中移除并且加以维修或更换同时维持在重新安装之后在传感器节点中的各传感器之间的声耦合的质量。此外,用于维修或更换的传感器节点的移除将不导致其后传感器的大地测量位置中的任何变化。

在使用根据本公开的地球物理传感器系统的一个方法中,可将根据任何前述实施例的地面接触套筒设置在所选择的几何图案中。可将传感器或者传感器记录节点插入每个地面接触套筒中,大体上如参照图4所说明。可对地球物理信号(例如,地震信号)进行检测达所选择的时间段。如果将节点式记录仪用于这些传感器,那么可在各节点式记录仪中对所检测的信号进行记录。在对信号进行检测达所选择的时间段之后,可将传感器或节点式记录仪移除,并且留下地面接触套筒。之后,可将一个或多个传感器或节点式记录仪放置在任意一个或全部的所放置的地面接触套筒中并且可重复进行信号检测和/或记录。以这种方式,可对四维(4D)或者时间推移地震勘探进行记录。

虽然已通过有限数量的实施例描述了本发明,但得益于本公开的本领域技术人员应理解的是可以设想出不背离本文中所公开本发明的范围的其它实施例。因此,本发明的范围应当只受所附权利要求的限制。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种节点式地球物理感测系统,包括:

地面接触套筒,所述地面接触套筒限定内部空间并且具有在其外部上的至少一个特征,所述至少一个特征用于接触并压缩与所述外部相邻的地面物质,所述至少一个特征使外部表面的表面积增大到超过大体上为平滑的圆形表面的表面积;

被装入独立的壳体中的节点式地球物理传感器,所述独立的壳体与在所述内部空间上的至少一个特征接合从而使所述地面接触套筒与所述独立的壳体之间的声能传输成为可能。

2.如权利要求1所述的系统,其中,在所述地面接触套筒的外部上的所述至少一个特征在沿所述地面接触套筒的轴线和垂直于所述轴线的两个方向上压缩所述地面物质。

3.如权利要求2所述的系统,其中,在所述地面接触套筒上的所述至少一个特征包括具有20至80度锥角的螺旋式螺纹。

4.如权利要求2所述的系统,其中,在所述地面接触套筒上的所述至少一个特征包括具有4至20螺纹每英寸的螺距的螺旋式螺纹。

5.如权利要求1所述的系统,其中,所述地面接触套筒的外部或者其内部空间包括至少一个旋转特征,以便通过使工具配合到所述至少一个旋转特征而使所述地面接触套筒的旋转成为可能。

6.如权利要求5所述的系统,其中,所述至少一个旋转特征包括花键、进入所述内部空间的向内突起和在所述地面接触套筒的上端上的成形工具表面中的至少一种。

7.如权利要求1所述的系统,其中,在所述地面套筒的外部表面上的所述至少一个特征的包括圆锥形形状。

8.如权利要求1所述的系统,其中,在所述内部空间中的所述至少一个特征包括花键。

9.如权利要求8所述的系统,其中,所述花键限定小于所述地球物理传感器的壳体的外直径的内直径。

10.如权利要求1所述的系统,其中,所述传感器壳体包括与所述地面接触套筒中的内部空间的形状相对应的形状。

11.如权利要求1所述的系统,其中,所述地面接触套筒是由被选择使地面物质与所述地面接触套筒之间的声阻抗差最小化的材料而制成。

12.如权利要求11所述的系统,其中,所述材料包括模制刚性硬塑料、压铸塑料、砂型铸造金属、机械加工金属和机械加工塑料中的至少一种。

13.如权利要求11所述的系统,其中,所述模制塑料、所述压铸塑料或所述机械加工塑料包括超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物和尼龙6中的至少一种。

14.如权利要求11所述的系统,其中,所述材料包括磷光材料和荧光材料中的至少一种。

15.如权利要求1所述的系统,其中,在所述内部空间上的所述至少一个特征包括定位特征,使得能够仅在一个方向上将所述传感器壳体插入所述地面接触套筒中。

16.如权利要求1所述的系统,其中,所述地面接触套筒包括射频识别应答器,所述射频识别应答器具有被编码在其中的与所述地面接触套筒的大地测量位置相关的信息。

17.如权利要求1所述的系统,其中,在所述内部空间上的所述至少一个特征包括向内延伸的突起,所述突起具有如下的形状和尺寸,所述形状和尺寸被选择以形成与所述传感器的过盈配合并且提供空间用于由所述传感器移位的体积所造成的碎片和流体的排出。

18.如权利要求1所述的系统,其中,在所述外部表面上的所述至少一个特征包括从所述地面接触套筒的纵向轴线并且与之平行地大体上径向地向外延伸的多个叶片。

19.如权利要求18所述的系统,还包括大体上垂直于所述地面接触套筒的纵向轴线的至少一个肋部。

20.一种用于地球物理勘探的方法,包括:

将至少一个地球物理的地面接触套筒插入地表中;

将设置在独立的传感器壳体中的地球物理传感器插入所述地面接触套筒中;

检测地球物理信号达所选择长度的时间;

将独立的壳体中的所述地球物理传感器从所述地面接触套筒中移除;和

在所选择的时间段之后,重复所述传感器的插入和地球物理信号的检测。

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