专利名称：海洋地震拖缆中的质点运动向量测量的制作方法
技术领域：
本发明关于海洋地震勘测，特别是关于海洋地震勘测中的质点向量测量。
背景技术：
在一种海洋地震勘测中，勘测船沿着预定的路线拖动地震线缆阵列，其通常被称为“拖缆”。当船拖动阵列时，例如气枪或者震动源的地震源将声波传送进入水中。声波传播经过水并且最终被不同的地质特征反射。通过水返回的该反射传播到拖缆。拖缆包含沿其长度分布的声学传感器，或者“水听器”。当反射在声学接收器上经过，接收器感知所经过的波前的幅度。声学接收器接着传输数据到勘测船以便收集，所述数据代表探测到的向地震线缆反向传播的波前的幅度。
反射越过声学接收器在水中继续传播，直至到达水面。在水面，该反射被再次反射。这些反射的反射有时被称为“多次”，即多次反射的简略，或者“虚反射”。多次反射反向传播向下经过水，并且也将经过声学接收器。声学传感器再次检测所经过的波前的幅度。声学接收器也将再次传输代表地震线缆上探测到的幅度的数据以便在勘测船上收集。
从而，勘测数据不仅包含从最初反射获得的数据，而且包含从多次反射收集的数据。来自多次反射的数据是不希望存在的，因为它不是所勘测地质构造的代表。来自多次反射的数据而是代表表面。从更加技术的角度来看，多次反射和反射发生“破坏性干涉”。简而言之，地震传感器检测任何经过的波前的幅度，而不考虑其传播方向。
传统的方法通过两种方式处理这个问题。一种方式是在勘测中尝试减轻多次反射的影响。第二种方式是在处理中尝试抵消多次反射。两种方法都有其缺点。
在勘测中减轻多次反射通常包括以特定的方式对勘测的组件进行定位。例如，如果地震线缆在接近4-5米的深度被拖动，虚反射经常可以很大程度上被抵偿。然而，对拖缆进行定位可能是非常困难的。拖缆可能有数千米长。这典型地产生相当大的惯性，这造成拖缆难于控制。拖缆也可能沿着其长度处于非常不同的环境条件下—例如风和水流。这意味着拖缆可能经常被不精确地定位，从而多次反射的不利影响没有被充分地减轻。
在处理过程中抵消多次反射典型地包含从多个要素预测实际的多次反射。本领域已知多种多次反射预测技术。然而伴随所有的预测技术，都进行了假设和概括。虽然这些概括和假设可能在统计上是可行的，它们应用到任何给定的勘测或者勘测的任何给定部分时具有程度不同的精确度。在一些勘测中，它们进而可能具有不利的影响或者另外产生误差。此外，这种方法延长了复杂的处理，从而抬高成本。因此希望在不必消耗时间、精力和资源的情况下减轻多次反射的影响，以便连续监测并且定位地震线缆。还希望能够通过实际的测量而不是预测来减轻多次反射的影响。因此，希望不仅测量经过声学传感器的任何给定波前的幅度，而且包括其向量或者说偏振。
本发明致力于解决或者至少减轻上面提到的一个或者所有问题。
发明内容
在其不同的方面以及实施方式中，本发明包含一种质点运动传感器，其包括检测单元，能够从其位置变化检测质点运动向量；以及封装材料，检测单元放置于其内，其中质点运动传感器关于其纵向轴对称并且具有与其体心一致的重心。本发明还包含一种质点运动传感器，其包括加速度计，能够从其位置变化检测质点运动向量；以及封装材料，检测单元放置于其内。
在第二个方面，本发明包含一种装置，其包括拖缆；沿着拖缆分布的多个声学传感器；以及沿着拖缆分布的多个质点运动传感器，至少一个质点运动传感器关于其纵向轴对称并且具有与其体心一致的重心。本发明还包含一种装置，其包括拖缆；沿着拖缆分布的多个声学传感器；以及沿着拖缆分布的多个质点运动传感器。这些质点运动传感器中的至少一个包含加速度计，该加速度计能够从其位置变化检测质点运动向量；以及检测单元放置于其内的封装材料。
通过参考后面的说明并结合随附的附图，可以理解本发明。其中类似的参考数字标识类似的单元，其中图1A和图1B描绘了根据本发明一个方面实施的海洋地震勘测；图2A、图2B描绘了用于图1A-图1B所示海洋地震勘测的两种可替换的传感器装置；图3A-图3B一般性地、概念性地例示了根据本发明质点运动传感器的一个特定的实施方式，图3A为沿图3B中3A-3A线的局部剖面图；图4描绘了可应用于一个特定实施方式中的三个单轴加速度计，在沿线、交叉线、以及垂直方向上相互正交定向，在图5中以x、y和z标明；图5为图4中单轴加速度计正交定向的沿线、交叉线、以及垂直方向；图6-图7描绘了图3A-图3B的可选择的质点运动传感器实施方式。
本发明容许各种各样的修改和替换形式，附图在这里通过例子的详细描述来说明特定的实施方式。然而应当理解，这里关于特定实施方式的描述不是为了将发明限制到所公开的特定形式上，与此相反，目的是覆盖落入由所附的权利要求确定的本发明主旨和范围的所有修改、等效、以及替换形式。
具体实施例方式
下面描述了本发明的示例性实施方式。为了清楚，在这个说明中没有描述实际实现的所有特征。当然应当理解的是，在任何这样的实际实施方式的开发中，必须确定许多特定的实现参数以获得开发者特定的目标，例如服从随一个实现到另一个实现而改变的与系统相关的以及与商业相关的限制。
图1A-图1B例示了海洋勘测101中的勘测系统100，两者都是本发明相应方面的示例性实施方式。在这个特定的实施方式中，勘测系统100通常包含由勘测船106拖动的阵列103，在勘测船上有计算装置109。被拖动的阵列103包括八个海洋地震线缆或者拖缆112(只示出一个)，例如其每一个可能有6km长。注意到被拖动的阵列103中的拖缆112的数量对于本发明的实施是不重要的。因此，可选择的实施方式可以使用不同数量的拖缆112。
还显示了由地震勘测船106拖动的地震源115，典型地为气枪或者气枪阵列。注意到在可选择的实施方式中，地震源115可能不是由勘测船106拖动的。代替的是，地震源115可能由第二艘船(未示出)拖动，悬挂在浮筒(也未示出)上或者以本领域公知的一些其它方式使用。公知的地震源包含脉冲源，例如爆炸物和气枪，以及以更加可控的幅度和频谱发射波的振动源。
在每个拖缆112的前部都是导向装置118(只示出一个)，在每个拖缆112的后部都是尾部浮筒120(只示出一个)。导向装置118对拖缆112最靠近地震勘测船106的前端113进行水平定位。尾部浮筒120在拖缆112最远离震勘测船106的后端114产生牵引。由导向装置118和尾部浮筒120在拖缆112产生的张力导致拖缆112大致线性的形状，如图1B所示。
位于导向装置118和尾部浮筒120之间的是多个地震线缆定位器件，公知为“吊舱(birds)”122。吊舱122可以沿地震线缆以规则的间隔放置，例如每200到400米。在这个特定的实施方式中，吊舱122用于控制拖缆112被拖动的深度，典型地为数米。在一个特定的实施方式中，可操纵的吊舱118使用Q-finTM可操纵吊舱来实现，如本发明受让人Western Geco(维斯特恩·格科)在其地震勘测中所使用的。
设计、操作、以及使用这种可操纵吊舱的准则可以在名称为“ControlSystem for Positioning of Marine Seismic Streamers”(海洋地震拖缆定位控制系统)的PCT国际申请WO00/20895，在2005年7月28日，公开号2005/0160814A1，以Vladimir Vaganov和Nikolai Belov为发明人；美国专利申请No.11/000652，名称为“Micro-Machined ElectromechanicalSystem(MEMS)Accelerometer Device Having Arcuately Shaped Flexures”(具有弓形弯曲的微电机系统加速度计器件)，申请日2004年11月30日，
公开日2005年9月15日，公开号2005/0202585A1，以MarkH.Eskridge为发明人；以及国际专利申请号PCT/GB2004/001036，名称为“MEMSAccelerometers”(MEMS加速度计)，申请日2004年3月11日，
公开日2004年9月25日，公开号WO2004/081583，以Diana Hodgins和Joseph Mark Hatt为发明人。
尤其是`790专利讲授的三轴加速度计为单晶半导体器件并且在三个正交方向中的每个方向上的悬臂梁的自由端上使用惯性质量。然而，可以使用任何合适的MEMS加速度计。
回到图3A-图3B，传播的波前会在拖缆112上施加轻微的力。由于检测元件300和拖缆112是分离的，所述力并不等量地作用于检测元件300。从而，检测元件300相对于拖缆112的位置将发生变化。例如响应于向上的传播波前，检测元件300将移动到靠近圆柱形孔径309的第二位置。响应于向下传播的波前，检测元件300将移动到远离圆柱形孔径309的第二位置。运动检测元件300将探测这种位置变化。更具体地来说，检测元件300将探测一些和位置变化相关联的向量大小。例如，加速度计将测量加速度并且速度计将测量速度。注意到加速度和速度都是向量大小，不仅由幅度而且由方向来确定。
图6例示了一个实施方式，其中在中心312’周围对称地排列有三个单轴加速度计303’(只示出一个)。在这个特定实施方式中，相关联的电子构件与加速度计303’一起封装，因此没有分别显示。图7例示了类似的实施方式，但其中加速度计303’(只示出一个)与相关联的电子构件315’分离封装。
注意到在图3A-图3B、图6和图7的实施方式中使用MEMS加速度计。这些器件典型地使用半导体材料和微电子制造工艺来实施。因此它们在尺寸、成本、以及可靠性方面相对于传统加速度计表现出巨大的优点。尤其是，MEMS加速度计的小尺寸允许它们集成在海洋地震线缆中。
回到图2A，声学传感器200和质点运动传感器203以“共同的”位置容纳在传感器探测器124中。共同的位置是所希望的，因为希望噪声测量尽可能合理地接近地震数据获取的位置点。噪声数据获取和地震数据获取位置间的较大距离将意味着在地震数据获取位置点上噪声测量的较小的精确度。然而，质点运动传感器不需要放置在传感器探测器124内。例如图2B中所示的，质点运动传感器203’可以放置在拖缆112中的填充流体的壳体205内。质点运动传感器203和声学传感器200位置是“共同的”，充分靠近从而使获取的噪声数据合理地代表所获取地震数据的噪声成分。
图2B中的质点运动传感器203’可以使浸入例如煤油的流体207的加速度计。如果主要关注声学传感器200上的噪声等级，可以使用加速度计数据来校正水听器数据。这在固体线缆中将尤其适用于煤油壳体(kerosene pocket)。流体填充的壳体205内的压力分布和壳体205的振动相关。通过对沿线加速度的噪声成分(振动)的良好估计，可以使用这种信息校正压力测量。可以使用机械滤波效应、通过实验预测、解析分析、数值模拟或者这些的组合来隔离沿线加速度的噪声成分。沿线振动和壳体内的压力分布之间的关系可以用实验、解析分析、数值模拟或者这些的组合来发现。
参考图2A和图2B，所示的拖缆112包含电源线206、命令和控制线209、以及数据线212。如本领域技术人员希望的，在地震勘测中不同的信号沿拖缆112向上和向下传输。例如，传输电能到电子组件(例如声学传感器200和质点运动传感器203)，控制信号发送到定位单元(没有示出)，并且反向传输数据到船110。为此目的，拖缆112提供这些信号可以在其上传输的多条线路。本领域技术人员可进一步理解，有多种技术可以用于改变为此目的所用线路的数量。所例示的实施方式使用了用作三种功能的三条导线以便于示例的简单化而不致于使本发明难于理解。进一步，拖缆112典型地还包含其它的结构，例如加固组件(没有示出)，为了清楚起见而将其省略。
回到图1A和图1B，计算装置109和勘测船106的导航系统(没有示出)连接。计算装置109从导航系统获取系统广泛的参数估计，例如拖动方向、拖动速度、以及水流方向和测量的水流速度。在例示的实施方式中，计算装置109监测每一个吊舱122的实际位置并且用拖缆112之间的期望位置或者期望最小间隔进行编程。吊舱122的水平位置可以用本领域公知的多种技术得到。吊舱122的垂直位置、或者深度典型地使用固定到吊舱122的压力传感器(没有示出)来监测。
地质构造130表现地震反射体145。在本公开的帮助下，本领域技术人员将意识到勘测的地质构造可以是非常复杂的。例如，可能出现代表多次向下倾斜事件的多次反射体。为了清楚从而不致于使本发明难于理解，图1A和图1B省略这些附加的复杂层次。
仍然参考图1A-图1B，当勘测船106拖动拖缆107越过预定图形的被测区域时，地震源115根据常规实践产生大量地震勘测信号125。地震勘测信号125传播并被地下地质构造130反射。本发明在如此复杂情况存在时仍然能够实行。接收器106以常规方式探测来自地质构造130的反射信号135然后探测器124中的设备产生代表反射135的数据，并且将地震数据嵌入到电磁信号。
接收器106产生的信号通讯到计算装置109。计算装置109收集地震数据用于处理。计算装置109作为中心位于勘测船110上。然而，本领域技术人员将意识到，在可选择的实施方式中，计算装置109的各种位置可以以整体或者部分例如跨越地震记录阵列105而分布。
计算装置109可以本身处理地震数据、存储地震数据用于以后处理、传输地震数据到远程位置用于处理、或者这些的某些组合。典型地，处理发生在勘测船106上，或者因为希望维持产出而在以后的时间而非在勘测船106上。因此根据本发明，数据可能被存储在可移动磁存储介质(没有示出)中或者从勘测船106无线传输到处理中心140用于处理。典型地，在海洋勘测中，这将通过卫星链路142和卫星143。注意到，一些可选择实施方式可能使用多种数据收集系统120。
至此结束了详细描述。上面公开的特定实施方式只是示例性的，在这里教导的帮助下，本领域技术人员可以以显而易见的不同但是等效的方式来修改和实行本发明。而且，除了下面权利要求的描述之外，并没有意图限制本发明到这里所示的结构细节或者设计。因此，上面公开的特定实施方式显然可以被替换或者修改，所有这样的变化被认为在本发明的范围和主旨之内。从而，这里所试图的保护如下面在权利要求中所阐述的那样。
权利要求
1.一种质点运动传感器，包括检测元件，能够从其位置变化检测质点运动向量；以及封装材料，检测单元放置于其内；其中质点运动传感器关于其纵向轴对称，并且具有与其体心一致的重心。
2.如权利要求1所述的装置，其中检测元件包括速度计或者加速度计。
3.如权利要求2所述的装置，其中加速度计包括三轴微电机系统加速度计。
4.如权利要求2所述的装置，其中检测元件包括三个单轴正交定向的微电机系统加速度计。
5.如权利要求1所述的装置，其中封装材料包括流体；可变形、展开的泡沫体；添加有微球物的聚合物；或者低密度塑料。
6.一种装置，包括拖缆；沿着拖缆分布的多个声学传感器；以及沿着拖缆分布的多个质点运动传感器，至少一个质点运动传感器关于其纵向轴对称并且具有与其体心一致的重心。
7.如权利要求6所述的装置，其中质点运动传感器包含检测元件，其与拖缆进行电通信但与之分离，并能够从其位置变化检测质点运动向量；以及封装材料，检测元件放置于其内。
8.如权利要求6所述的装置，其中质点运动传感器与其中一个声学传感器处于共同位置。
9.如权利要求6所述的装置，其中声学传感器包括多个水听器。
10.如权利要求7所述的装置，其中检测元件包括速度计或者加速度计。
11.如权利要求10所述的装置，其中加速度计包括三轴微电机系统加速度计。
12.如权利要求10所述的装置，其中检测元件包括三个单轴正交定向的微电机系统加速度计。
13.如权利要求7所述的装置，其中封装材料包括流体；可变形的、展开的泡沫体；添加有微球物的聚合物；或者低密度塑料。
14.如权利要求6所述的装置，进一步包括声源。
15.一种质点运动传感器，包括加速度计，能够从其位置变化检测质点运动向量；以及封装材料，检测元件放置于其内。
16.如权利要求15所述的质点运动传感器，其中质点运动传感器关于其纵向轴对称并且具有与其体心一致的重心。
17.如权利要求15所述的装置，其中加速度计包括三轴微电机系统加速度计。
18.如权利要求15所述的装置，其中加速度计包括三个单轴正交定向的微电机系统加速度计中的一个。
19.如权利要求15所述的装置，其中封装材料包括流体；可变形的、展开的泡沫体；添加有微球物的聚合物；或者低密度塑料。
20.一种装置，包括拖缆；沿着拖缆分布的多个声学传感器；以及沿着拖缆分布的多个质点运动传感器，至少一个质点运动传感器包含加速度计，能够从其位置变化检测质点运动向量；以及封装材料，检测元件放置于其内。
21.如权利要求20所述的装置，其中质点运动传感器关于其纵向轴对称并且具有与其体心一致的重心。
22.如权利要求20所述的装置，其中质点运动传感器与其中一个声学传感器处于共同位置。
23.如权利要求20所述的装置，其中声学传感器包括多个水听器。
24.如权利要求20所述的装置，其中加速度计包括三轴微电机系统加速度计。
25.如权利要求20所述的装置，其中加速度计包括三个单轴正交定向的微电机系统加速度计中的一个。
26.如权利要求21所述的装置，其中封装材料包括流体；可变形的、展开的泡沫体；添加有微球物的聚合物；或者低密度塑料。
27.如权利要求20所述的装置，进一步包括声源。
28.一种质点运动传感器，包括加速度计，能够从其位置变化检测质点运动向量；以及封装材料，加速度计放置于其内；其中质点运动传感器关于其纵向轴对称并且具有与其体心一致的重心。
29.一种拖缆，包括线缆；沿着地震线缆分布的多个声学传感器；以及微电机系统加速度计。
30.如权利要求29所述的拖缆，其中微电机系统加速度计与其中一个声学传感器处于共同位置。
31.如权利要求29所述的拖缆，其中微电机系统加速度计与单个探测器中的声学传感器处于共同位置。
32.如权利要求29所述的拖缆，其中微电机系统加速度计是三轴微电机系统加速度计。
33.如权利要求29所述的拖缆，其中微电机系统加速度计是三个正交定向的单轴微电机系统加速度计中的一个。
34.如权利要求29所述的拖缆，其中微电机系统加速度计放置于封装材料内。
35.如权利要求34所述的拖缆，其中封装材料包括流体；可变形的、展开的泡沫体；添加有微球物的聚合物；或者低密度塑料。
36.如权利要求29所述的拖缆，其中线缆包括电源线；命令和控制线；以及数据线。
37.如权利要求29所述的拖缆，其中拖缆是流体填充拖缆。
38.如权利要求29所述的拖缆，其中拖缆是固体拖缆。
39.如权利要求29所述的拖缆，其中拖缆确定了壳体并且进一步包括填充壳体的流体，微电机系统加速度计放置于壳体中。
40.一种用在拖缆中的质点运动传感器，所述质点运动传感器包括微电机系统加速度计。
41.如权利要求40所述的质点运动传感器，其中质点运动传感器关于其纵向轴对称并且具有与其体心一致的重心。
42.如权利要求40所述的质点运动传感器，其中加速度计包括三轴微电机系统加速度计。
43.如权利要求40所述的质点运动传感器，其中加速度计包括三个单轴正交定向的微电机系统加速度计中的一个。
44.如权利要求40所述的质点运动传感器，进一步包括封装材料，微电机系统加速度计放置于封装材料内。
45.如权利要求44所述的质点运动传感器，其中封装材料包括流体；可变形的、展开的泡沫体；添加有微球物的聚合物；或者低密度塑料。
46.如权利要求40所述的质点运动传感器，其中微电机系统加速度计包括单晶半导体器件。
47.如权利要求40所述的质点运动传感器，其中微电机系统加速度计包括位于悬臂梁的自由端上的惯性质量。
48.一种用于在水中测量地震波场的质点运动传感器，包括检测单元，能够从其位置变化检测质点运动向量；以及封装材料，检测元件放置于其内；其中检测元件是速度计或者加速度计，包括微电机系统。
49.如权利要求48所述的装置，其中质点运动传感器关于其纵向轴对称并且具有与其体心相一致的重心。
50.如权利要求48所述的装置，其中加速度计包括三轴微电机系统加速度计。
51.如权利要求48所述的装置，其中检测单元包括三个单轴正交定向的微电机系统加速度计。
52.如权利要求48所述的装置，其中封装材料包括流体；可变形的、展开的泡沫体；添加有微球物的聚合物；或者低密度塑料。
53.一种质点运动传感器，包括封装材料；多个组件，包含至少一个检测元件，所述组件放置于封装材料内，其放置方式限定线缆可以伸展穿过的孔径。
54.如权利要求53所述的装置，其中质点运动传感器关于其纵向轴对称并且具有与其体心相一致的重心。
55.如权利要求53所述的装置，其中检测单元包括速度计或者加速度计。
56.如权利要求55所述的装置，其中加速度计包括三轴微电机系统加速度计。
57.如权利要求55所述的装置，其中检测单元包括三个单轴正交定向的微电机系统加速度计。
58.如权利要求53所述的装置，其中封装材料包括流体；可变形的、展开的泡沫体；添加有微球物的聚合物；或者低密度塑料。
59.如权利要求53所述的拖缆，其中线缆包括电源线；命令和控制线；以及数据线。
全文摘要
一种质点运动传感器，包含检测元件，其能够从其位置变化中检测质点运动向量；以及封装材料，检测元件放置于其内，其中质点运动传感器关于其纵向轴对称并且具有与其体心一致的重心。一种装置，包含拖缆；沿着拖缆分布的多个声学传感器；以及沿着拖缆分布的多个质点运动传感器，至少一个质点运动传感器关于其纵向轴对称并且具有与其体心一致的重心。
文档编号G01V1/38GK101051088SQ20071010538
公开日2007年10月10日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年2月22日
发明者拉尔斯·博尔根, 厄于温·太根, 尼尔斯·H·赫尔恩, 维达·A·哈斯姆 申请人:维斯特恩格科地震控股有限公司