同时爆破节点采集地震勘测方法

同时爆破节点采集地震勘测方法
【专利说明】同时爆破节点采集地震勘测方法
[0001]对相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年3月14日提交的标题为“同时爆破节点采集地震勘测方法(Simultaneous Shooting Nodal Acquisit1n Seismic Survey Methods)” 的第13/829，210号美国专利申请的优先权益，且根据35 U.S.C.§ 119(e)要求2013年I月11日提交的标题为“同时爆破节点采集地震勘测方法(Simultaneous Shooting NodalAcquisit1n Seismic Survey Methods) ”的第61/751，766号美国临时专利申请的优先权权益，每一所述申请的全文是以引用方式并入本文中。
【背景技术】
[0003]地震勘探通常利用地震能源以产生声信号，所述声信号传播到大地中且部分由地下地震反射物(即，特征在于不同弹性性质的地下岩性层或流体层之间的界面)反射。所反射的信号(称作“地震反射”)是由位于地表处或附近的地震接收器检测并记录，从而产生地下的地震勘测。所记录的信号或地震能量数据然后可经处理以产生关于岩性地下地层的信息，从而将这些特征识别为例如岩性地下地层边界。
[0004]通常，地震接收器被布局为阵列，其中地震接收器的阵列是由沿线路分布的单串接收器组成，以记录来自接收器线路以下的地震剖面的数据。对于较大区域内的数据和地层的三维表示，可并排布置多串接收器，使得形成接收器网格。通常，阵列内的接收器相互远离定位或分散开。在例如陆地地震勘测中，称作地震检波器的成百上千的接收器可以空间分集方式(诸如典型的网格配置，其中每一串接收器延伸达1600米使得检测器相隔50米且连续串接收器分开500米)部署。在海洋勘测中，为接收器所附接的拖缆(称作水检器)可在拖船后面拖曳多达12，000米。
[0005]通常，几个接收器是以平行连续组合连接在单一双绞线对上以形成单一接收器组或通道。在数据收集程序期间，来自每一通道的输出加以数字化和记录以供后续分析之用。继而，所述组接收器通常连接到电缆，所述电缆用于与接收器通信并将所收集的数据传输到位于中心位置处的记录器。更具体地说，当在陆地上进行这些勘测时，数据传输的电缆遥测装置用于需要由电缆互连的检测器单元。其它系统使用数据传输的无线方法使得单个检测器单元并未彼此连接。又其它系统暂时地存储数据直到数据被提取为止。
[0006]虽然用于检测和记录地震反射的基本程序在陆地上和海洋环境中是相同的，但是海洋环境面临由于水体覆盖地球表面产生的独特问题，最显著的是深水活动的高压力和咸水活动的腐蚀环境。另外，即使简单的部署和取回也会变得复杂，因为操作必须要离开地震勘测船的甲板来进行，其中诸如波作用、气候和有限空间的外部因素可显著影响所述操作。
[0007]在一种常见海洋地震勘探方法中，地震操作是在水体表面处进行，海船拖曳其中嵌入水检器的拖缆以检测通过水柱反射回来的能量。拖缆通常是由水检器串、其它电导体和用于提供接近中性浮力的材料组成。使拖缆在水面附近漂浮。相同或其它类似的海船拖曳声能源(诸如气枪)以释放能量脉冲，所述能量脉冲向下行进到水下的地下地质层中。
[0008]放置在海底海床上的系统也已经使用许多年。这些装置通常称作“0BC” (海底电缆)或“OBS”(海底地震仪)系统。现有技术集中讨论了用于测量海床处的地震信号的三组主要的海底设备。第一种类型的设备是类似于拖缆的OBC系统，其是由含有地震检波器和/或水检器的电缆组成且铺设在海床上，其中检测器单元与电缆遥测装置互连。通常，地震船将会部署电缆使其离开船头或船尾且在船的相对端处取回电缆。诸如此的OBS系统可具有起因于电缆的物理配置的缺陷。例如，当采用三维地震检波器时，因为电缆和地震检波器没有牢牢地耦接到海床上的泥沙，所以除了由于泥沙引起的运动以外的水平运动(举例来说，诸如海底流)可引起错误信号。在此相同背景下，由于其细长结构，OBC系统趋向于在尝试记录剪切波数据时具有只沿电缆的主轴的满意耦接。另外，需要三艘船来进行这些操作，因为除了地震能源船以外，还需要经特殊装备的船来用于电缆部署且需要单独的船来用于记录。记录船通常固定地附接到电缆，而部署船通常沿部署和取回电缆的接收器线路进行恒定运动。因为记录船与电缆恒定物理接触，所以维持船的位置、波作用和海洋流需要的努力可在电缆内产生大的张力，从而增加电缆断裂或装备故障以及引入信号干扰到电缆中的可能性。最后，这些电缆系统具有高的资本投资且其操作通常是昂贵的。
[0009]第二类型的记录系统是OBS系统，其中传感器封装和电子器件封装锚固到海床。所述装置将信号数字化且通常使用导线电缆以将数据传输到附接于锚固电缆且漂浮在水面上的无线电单元。漂浮的传输器单元然后将数据传输到其中记录地震数据的水面上的船。地震勘测中通常部署多个单元。
[0010]第三类型的地震记录装置是称作海床地震记录器(SSR)的OBS系统。这些装置含有密封封装中的传感器和电子器件，且记录海床上的信号。数据是通过从海床取回装置而取回。这些装置通常是可再用的。本发明的集中点是在SSR类型的OBS系统上。
[0011]SSR类型的OBS系统通常包含一或多个地震检波器和/或水检器传感器、电源、地震数据记录器、晶体振荡器时钟、控制单元，且在使用万向架固定式地震检波器且记录剪切数据的实例中，所述系统包含指南针或万向架。除了经由电缆从外部电源供电以外，电源通常是电池封装。就现有技术OBS系统利用船载电池而言，与用于供电的外部电缆相比，现有技术电池是铅酸电池、碱性电池或不可再充电电池。现有技术的所有OBS系统通常要求打开单个单元来进行各种维护、质量控制和数据提取活动。例如，来自现有技术单元的数据提取要求所述单元被物理地打开或拆除以提取数据。同样地，所述单元必须被打开以更换废旧电池。
[0012]关于OBS系统的计时功能，为了使震源事件与反射事件匹配，传感器数据的计时与地震能源或爆破的激发之间的同步是至关重要的。在过去，OBS系统中针对此功能已经使用各种晶体振荡器时钟。时钟相对便宜且精确。然而，这些现有技术时钟的一个缺陷是，对接晶体(dock crystals)遭受重力和温度影响。这些重力和温度影响可造成振荡器频率的频移，从而使地震数据产生错误。另外，因为晶体遭受重力影响，所以OBS系统的定向可影响时钟的操作。因为时钟通常固定在OBS封装内以便在OBS系统正确地定向在海床上时进行正确定向，所以海床上的OBS系统的任何错误定向可造成时钟不精确。最后，这些时钟的特征通常在于由于温度变化和老化引起的漂移和时移，这又可造成记录的地震数据不精确。虽然可对数据进行数学修正以考虑温度老化和时移，但是不存在修正对晶体时钟的重力影响的现有技术装置。至多，现有技术只修正温度对晶体时钟的影响。
[0013]更现代的OBS系统还可包含机械装置以修正倾角，即，万向架。万向架是允许一或多个方向上的自由角运动且用于确定海床上的OBS系统的定向的装置。由万向架产生的定向数据然后可用于调整由地震检波器记录的地震数据。就现有技术利用万向架而言，其最通常被合并为地震检波器自身的部分，称作“万向架固定式地震检波器”。现有技术的这些机械万向架的一个缺陷是由装置允许的角定向有限。例如，现有技术装置中的至少一个允许万向架360°滚动，但是万向架俯仰角被限于30°。对于此装置，为了使这些现有技术万向架正确地运作，OBS系统自身必须停留在海床上的基本上所需位置中。就OBS系统基本上至少没有水平定向(诸如停留在其侧上或倒置)而言，现有技术的机械万向架无法正确运作。机械本质的其它万向架固定式装置不受30°限制，然而，在这些机械万向架固定式装置中，装置中的机械阻尼可使记录信号的保真度变差。最后，地震检波器的万向架固定是昂贵的且需要的空间多于非万向架固定式地震检波器。对于利用多个地震检波器的OBS系统，由于大小和空间需求，对地震检波器进行万向架固定可能是不切实际的。
[0014]关于定向，海床上的OBS系统的位置对于正确地解译由系统记录的地震数据是必要的。经处理数据的精确度部分取决于用于处理数据的位置信息的精确度。因为诸如GPS的常规定位装置将不会在水的环境中操作，所以用于建立海床上的OBS系统的位置的传统的现有技术方法包含声纳。例如，运用声纳系统，OBS装置可“发送回显信息”以确定其位置。无论如何，经处理数据的精确度直接取决于确定OBS系统的位置的精度。因此，非常希望利用将产生可相依位置信息的方法和装置。
[0015]在此相同背景下，非常希望保证实现海床上的OHS装置的计划定位。
[0016]关于前文提及的OBS系统的操作，现有技术系统通常需要某个外部产生的控制命令以起始并采集每一次爆破的数据。因此，地震接收器单元必须物理地连接到中央控制记录站或可由无线技术“连接”。如上文提及，所属领域技术人员将了解，某些环境可面临连接和控制检测器的常规方法的极端挑战，诸如堵塞或深海区域、崎岖的山区和丛林。在其中接收器阵列定期地移动以覆盖更大区域的实例中也可出现诸多困难。
[0017]无论情况如何，每一类型的连接(无论是否经由物理电缆或通过无线技术)具有其自身的缺陷。在电缆遥测装置系统中，大型阵列或长拖缆导致昂贵的且难以搬运、部署或另外难以操控的大量导电电缆。在其中使用海底电缆的实例中，腐蚀环境和高压力通常需要包胶在深达500英尺的水深处的昂贵电缆。此外，常规电缆还需要电缆与传感器单元之间进行物理连接。因为电缆上的硬线传感器通常不切实际，所以更多常规技术是使用电缆与传感器之间的外部连接将电缆附接到传感器。电缆与传感器之间的此连接点尤其在腐蚀、高压力海洋环境中特别容易损坏。当然，运用电缆物理地连接在一起的系统，更容易给传感器供电以使传感器与爆破时间同步且彼此同步，且以其它方式控制传感器。
[0018]应注意，无论是否对于电缆或无线系统，当需要外部电缆来连接装备的传感器封装与单元的记录和/或无线电遥测装置封装时，存在许多前述提及的缺陷。具体地说，现有技术的OBS系统是由安装在托架上的单独感测和记录/无线电遥测装置单元或封装组成。单独单元具有用电缆连接在一起的外部连接器，面临与来自水面上的中央控制的电缆相同的许多问题。感测单元(即，地震检波器封装和电子器件的剩余部分)之间分离的主要原因是需要保证地震检波器有效地耦接到海床。
[0019]在其中利用无线技术或传感器通过预编程进行操作的情况中，传感器的控制变得更加困难。例如，保证记录与爆破时间同步是至关重要的，因为单个传感器并未如上所述般接线在一起。因此，需要如上文提及的精确船载时钟。就此而言，在适当时间激活用于感测和记录的每一单元必须与爆破一致。保证所述单元充分供电迄今为止还一直是一个问题。许多现有技术专利集中在用于在数据采集和记录期间给传感器通电且在休眠周期期间给传感器断电的技术和机制。
[0020]已作出各种尝试来解决一些上文提及的缺陷。例如，第5，189，642号美国专利中描述海床地震记录器。此专利公开了由垂直支脚部件连接的分隔开的水平环板形成的细长直立底架。每一支脚部件是由嵌套管形成，所述嵌套管可相对于彼此滑动且由夹持机构固定到彼此。压载水环可释放地附接到下板。地震检波器封装也附接到下板。泡沫浮标附接到上板。控制封装从上板向下延伸。控制封装容纳电源、地震数据记录器、指南针和控制单元。外部硬线电连接控制封装与地震检波器封装。系统并未对表面监测站利用任何硬接线通信链路，但是利用声构件或预编程构件来控制所述单元。当释放到水中时，压载水环被认为提供足够质量以维持系统直立且在停留时将地震检波器耦接到海床。为了最小化通过波或水流运动作用于浮标和控制封装产生的地震检波器噪声的可能性，一旦系统耦接到海底，释放每一支脚上的夹持机构，从而允许控制封装和浮标在嵌套支脚上向上滑动，隔离地震检波器与系统的其它部分。一旦地震记录完成，压载水环然后从底架释放，且系统在压载物的正浮力下上升到水面。声换能器、无线电信标和闪光灯经提供以允许定位并取回系统。
[0021]第6，024，344号美国专利中讲授另一海洋地震数据记录系统。此专利讲授用于在深水中部署和定位地震数据记录器的方法。数据记录器从水面的船附接到部署到水中的半刚性导线。由于导线的刚性本质，其用于在记录器和导线沉到海床时定义记录器之间的固定间隔。导线还提供用于相邻记录器之间和记录器与船之间的电力或信号的电通信。一旦记录器在适当位置中，其便借助于预设时钟或通过利用传输通过水或通过导线的控制信号来激活。当完成数据搜集时，取回导线和记录器。部署是利用定位在水面上的船上的电缆引擎来完成。如’ 344专利的图1中示出，随着船沿远离导线和记录器的方向移动，船尾发生部署。此专利还讲授需要以循序方式存储记录器以促进部署和在数据收集期间跟踪OBS系统的海床位置。
[0022]GeoPro提供由430mm直径的玻璃球体组成的独立(即，无电缆)OBS系统，所述玻璃球体围封系统的所有电组件，包含电池、无线电信标、地震数据记录单元、声释放系统、深海水检器和安装有三个万向架的地震检波器。所述球体安装在加重滑轨上，所述加重滑轨抵消球体的浮力且将OBS系统锚固到海床。地震检波器定位在球体的底部中与滑轨相邻。为了在完成数据收集时回收OBS系统，声命令信号被传输到球体且由深海水检器检测。信号激活声释放系统，所述系统使球体与保留在海床上的加重滑轨分离。在球体的正浮力下，自由漂浮的系统上升到海洋表面，其中无线电信标传输信号以定位并取回球体。此特定设计的一个缺陷是，地震检波器没有直接耦接到海床。而是，由地震检波器记录的任何地震信号必须通过滑轨和球体的底部，且在这样做之后，遭受上文描述的噪声和其它失真。应注意，此封装设计表示现有技术中利用的许多气缸和球体形状，因为众所周知的是，这些形状更有效地承受有可能在海洋环境中出现的高压力。
[0023]K.U.M和SEND提供无电缆OBS系统，其包括在顶部处具有杆且在底部处形成三脚架的框架。泡沫浮选装置附接到杆。锚固器固定到三脚架的下部并将框架固定到海床。安装在框架的三脚架部分上的压力气缸含有地震记录器、电池和释放系统。水检器附接到框架以从海洋表面接收命令信号并激活释放系统。枢转安装的起重臂也附接到框架，所述起重臂可释放地附接地震检波器单元。在部署期间，起重臂最初维持在垂直位置中使得地震检波器单元附接到臂的自由端。当框架接触海床时，起重臂从框架向外枢转且将地震检波器单元释放到海床上与框架系统相距大约I米。硬线允许地震检波器单元与记录器之间的电通信。地震检波器自身是直径为大约250mm的非对称圆盘，其一侧平坦且相对侧上呈拱形。地震检波器单元的平坦侧被开