地震传感器装置的制作方法

专利名称：地震传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器装置。
背景技术：
通常在勘探期间使用检测器阵列采集地震数据。在海上勘探的情况下，水中检波 器测量在水中由于引入地震波而引起的压力波动。地震检波器测量诸如位移、速度或加速 度的矢量。在海上勘探的情况下，通常被间隔开大约100米的多根电缆或拖缆在船后面被 拖曳。每一个电缆具有沿电缆以一定距离间隔开的检测器。在陆上勘探的情况下，地震检波 器阵列以近似网格结构布置在具有地震检波器的地面上。检测器阵列检测从来自震源(例 如，用于海上勘测的气枪)的信号反射的地震信号。在洋底(0BC或0BS)采集中，检测器阵 列固定在海底上。在这种情况下，震源可以是安装在船上的气枪。不同类型的勘探之间的差主要考虑不同物理环境的不同传播特性。在不同的勘探 环境中存在不同的问题，并且使不同的影响减轻。例如，海上勘测涉及在海底处非常显著的 反射，其中在边界的任一侧的音速之间具有较大差异。陆上勘探遇到不期望的传播，包括剪 切波(又被公知为S波)和洛夫波，所述剪切波和洛夫波在海上勘探中不存在。因此，在不 同的勘探环境中使用不同的硬件和不同的数据处理技术。由陆地勘探传感器检测到的波类型主要有四种。这些波为S波、洛夫波、P波(又 名初至波，因为所述P波在地震之后首先被检测到)和瑞利波。瑞利波和洛夫波是水平传 播的面波，而S波和P波传播通过主体，并因此对地震勘探者最感兴趣。P波是压缩波，瑞利 波具有涉及压缩波波型的复杂运动，而S波和洛夫波没有压缩波分量。瑞利波和洛夫波一起被成为“地滚波”。这些波通常被认为是有噪点的，并且在一 定程度上掩盖从正在被勘探的地质的边界反射。因此，从陆上勘探数据除去地滚波的影响 是非常感兴趣的。已经发展了减小地滚波的振幅并因此提高反射的不同技术。通常使用的技术包括布置垂直分量地震检波器的密集现场阵列或单个传感器。在 进一步的数据处理中，使用倾角或速度过滤器对地滚波进行衰减。为了避免空间假频，这种 技术要求在沿测线方向上(即，在震源接收器方向上)每个最小波长至少两个地震检波器。 可以使用二维地震检波器阵列减小地震能的杂乱散射。理想地，这种阵列具有与震源在一 直线上并横向于所述震源的采样间隔。当可从三分量地震检波器获得数据时，可以应用偏振过滤。偏振过滤通过在所述 瑞利波部分的水平分量与垂直分量之间的90度相移识别地滚波的瑞利波部分，从而允许 通过数据处理除去所述瑞利波部分。Ktagh和Peardon在1995年在First Break, 13，9第 369_378 页，First Breakl3,9,369-378. ISSN(印刷)0263_5046 中在"Ground roll and polarization”中已经论述了偏振过滤，并且最近已经由Kappius和Crewe在2002年在 CSEG Geophysics 中在"Adaptive Vector Filters for Ground roll Reduction，，(可从 http://www. cseg. ca/conferences/2002/2002abstracts/Kappius_R_Adaptive_Vector_ filters_for_Ground_Roll_Reduction_.pdf.得到)中进行了 改进。如 Lawton，D. C.和
4M. B. Bertam 在 1991 年(可从 http //www. ctewes. org/Reports/1991/1991-01. pdf 获得) 所述，全方面检波器是一种具有水平和垂直地震检波器以及信号处理单元的装置，所述信 号处理单元在输出之前将偏振过滤器应用到数据。因为缓慢传播的地滚波局部衰减，因此所需的最小空间采样取决于快速地震反 射。因此，依此方式实施的勘探通常需要相对较少的检波站。然而，因为偏振过滤技术不考 虑水平分量数据上存在的散射的洛夫波，因此所述偏振过滤技术在具有复杂的近地表的区 域内不能很好地工作。

发明内容
根据本发明，提供了一种适于安装在陆地-空气界面处的传感器装置，所述传感 器装置包括填充有流体的壳体；和传感器排列单元，所述传感器排列单元支撑在壳体内，并且直接联接到流体以检 测所述流体的移动。根据本发明的传感器装置可以在传感器位置处的地滚波的影响，从而避免通过数 据处理来除去所述影响。传感器装置可以通过包括位于壳体的下部处的联接装置适于安装在陆地_空气 界面处。可选地或者另外，传感器装置可以通过包括与传感器排列单元的传感器相同定向 的水平仪而适于安装在陆地_空气界面处。传感器排列单元可以包括水中检波器，但是不包括地震检波器和加速仪。传感器排列单元可以包括三个水中检波器，所述三个水中检波器大致水平布置并 且彼此在不同的方位上。传感器排列单元可以包括水中检波器和一个或多个地震检波器或加速仪。可选 地，传感器排列单元可以不包括水中检波器，但是包括两个或更多个地震检波器或加速仪。 在任一情况下，传感器排列单元可以包括两个地震检波器或加速仪，所述地震检波器或加 速仪大致水平布置并且彼此在不同的方位上。在这种装置中，传感器排列单元可以包括垂 直对齐的地震检波器或加速仪和水平对齐的地震检波器或加速仪。传感器排列单元可以包 括两个水平对齐的地震检波器或加速仪，所述两个水平对齐的地震检波器或加速仪彼此垂 直地排列。如前述任一项权利要求所述的传感器装置可以包括用于使传感器排列单元中的 一个或多个传感器与壳体机械分离的机械分离装置。机械分离装置包括弹簧和阻尼器装 置。在加速度消除水中检波器的情况下，不需要机械分离。与相对应的现有技术设备相比，根据本发明的使用传感器装置的设备可以利用明 显少量的传感器装置实现给定质量的数据。具体地，在给定尺寸中，设备可以需要一半数量 的传感器装置，从而对于一维阵列来说将传感器装置的数量减少50%，而对于二维阵列来 说将传感器装置的数量减少75%。本发明的第二方面提供了一种包括安装在陆地-空气界面处的传感器装置的地 震传感器设备，其中，传感器装置包括填充有流体的壳体；和
传感器排列单元，所述传感器排列单元支撑在壳体内，并且直接联接到流体以检 测到达流体的移动。传感器装置可以安装在陆地_空气界面处安装在地表的顶部上。可选地，传感器 装置可以在陆地_空气界面处部分地埋在地面中或设置在井眼中。所述设备可以包括位于壳体的下部处的联接装置。所述设备可以包括水平仪，所 述水平仪与传感器排列单元的传感器相同定向。所述设备可以包括安装在陆地_空气界面处的传感器装置的一维阵列。可选地， 所述设备可以包括安装在陆地_空气界面处的传感器装置的二维阵列。本发明的第三方面提供一种包括安装在陆地-空气界面处的多个传感器装置的 地震传感器设备，其中，地震传感器设备包括不具有水中检波器并且与障碍物相邻的多个 传感器装置，多个传感器装置包括填充有流体的壳体；和水中检波器和一个或多个地震检波器或加速仪，所述水中检波器和一个或多个地 震检波器或加速仪支撑在壳体内、并且直接联接到流体以检测流体的移动。与相对应的现有技术设备相比，根据本发明的设备也可以利用明显少量的传感器 装置实现给定质量的数据。具体地，在给定尺寸中，设备可以需要一半数量的传感器装置， 从而对于一维阵列来说将传感器装置的数量减少50%，而对于二维阵列来说将传感器装置 的数量减少75%。


以下参照附图仅以示例的方式说明本发明的实施例，其中图1和3-12分别是第一至第十一实施的传感器装置的示意图；图2a_2d是当图1传感器遇到不同类型的波时传感器输出的图表；图13-16是装入图1和3-12中的一个的传感器装置的实施的安装的示意图；图17a和18a是传感器装置的现有技术布置的示意图；和图17b_17d和图18b_18e是传感器装置的实施布置的示意图。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施例方式图1中示出了传感器装置的第一实施例。传感器装置100包括壳体101，所述壳体是小的闭合盒。壳体101填充有流体，例 如，填充有油。流体在附图中被标记为流体。壳体可以由例如金属或塑料构造而成。传感器装置100包括地震检波器排列102和水中检波器(hydrophone)排列103。地震检波器排列102包括第一地震检波器104、第二地震检波器105和第三地震检 波器106。第一地震检波器104和第二地震检波器105布置在水平平面中。第一地震检波 器104沿χ方向定向，χ方向垂直于y方向，第二地震检波器105沿y方向定向。第三地震 检波器沿ζ方向定向，所述第三地震检波器垂直于第一和第二地震检波器。第一地震检波 器104、第二地震检波器105和第三地震检波器106可以被分别称作为χ地震检波器、y地 震检波器和ζ地震检波器。
地震检波器104、105、106通过分离装置107与壳体101机械分离。分离装置107 的精确形式可以是不重要的。所述分离装置可以装入弹簧和阻尼器系统。分离装置107的 作用是对于在IHz与200Hz之间的地震带宽中的频率来说抑制壳体101的运动。通过力学 分离，只有流体的运动可通过地震检波器104-106被感测到。分离装置107还用于将地震 检波器排列102支撑在壳体101内的正确位置和方位处。地震检波器排列102优选地在流体中中立地浮动。这具体地导致地震检波器排列 102与壳体101的有效机械分离。水中检波器排列103包括单个水中检波器。水中检波器103通过分离装置108与 壳体101机械分离。可选地，使用加速度消除水中检波器103，在这种情况下，不提供机械分 离装置。在任一情况下，水中检波器排列103优选地在流体中中立地浮动。在加速计消除 水中检波器的情况下，水中检波器排列103通过分离装置108或单独装置连接到传感器壳 体，以保持所述水中检波器排列位于壳体101内的正确位置处。水中检波器103的方位在此实施例中是不重要的。地震检波器排列102和水中检波器排列103可以通过由Wilcoxon研究股份有限 公司制造的TV-001微型矢量传感器组件提供。这种传感器组件较小并且是中立浮动的。可 以替代地使用任意其它适当的装置。水中检波器排列103和地震检波器排列102通过接线连接到电子模块109。接线 被布置成最小化传感器装置102、103与壳体101之间的机械联接。电子模块109具有接口、 数据处理和通信功能。通信功能可以是有线或无线的，并且通过基站提供与数据采集设备 (未示出)的连接，这在以下进行论述。可选地或此外，电子模块109可以包括用于存储采 集到的数据的存储器，所述采集到的数据最后可以通信给数据采集设备。传感器装置100包括电源(未示出)，所述电源例如可以是电池或太阳能发电机和 储存装置。传感器装置100包括安装在壳体101的最上表面上的水平仪110。水平仪110与 第一地震检波器104和第二地震检波器105所位于的平面对齐。水平仪提供当传感器装置 100为水平(S卩，水平设置)时的指示。这允许操作者确保传感器装置被安装成使得地震检 波器在完全水平的平面内。将箭头111标记在壳体101的最上表面上。箭头与地震检波器 104、105、106中的一个对齐，在此情况下，箭头与地震检波器104对齐。在最小处，箭头相对 于地震检波器104-106具有已知方位。这允许操作者确保在期望的方位处传感器装置安装 有地震检波器104、105、106。此外，这有助于操作者确保安装的多个传感器装置彼此对齐。水平仪110是传感器装置的适于基于陆上应用的改进。箭头111也是传感器装置 的适于基于陆上应用的改进。传感器装置还包括联接装置112。在基本形式中，所述联接装置是牢牢地固定到壳 体101的下侧的圆锥形坚固部件。联接装置112允许传感器装置100安装在陆地中。当将 传感器装置100定位在地面上时，通过在传感器装置100上向下施加力而允许传感器装置 100部分地被掩埋来实现此。联接装置112是传感器装置的适于基于陆上应用的改进。当 通常相对与三分量地震检波器一起使用时，连接装置112可选地可以包括三个向下突出的 插脚。如以下所述，传感器装置100安装在陆地_空气界面处。
由于分离装置108 (或使用加速度消除水中检波器103)和分离装置107，地震检波 器排列102和水中检波器传感器排列单元103没有遇到到达壳体101的剪切波。相反，地 震检波器104、105、106和水中检波器103仅遇到传播通过填充壳体101的流体的声波。因 此，如以下参照图2a-2d所述，通过水中检波器103没有检测到剪切波或洛夫波。电子模块 从水中检波器103接收仅从压缩波(即，P-波)和瑞利波感测到的传感器数据。与由传统 的基于陆地的传感器装置产生的数据集相比，产生的数据集更加易于解释。除剪切波和洛 夫波之外的可用数据产生更高质量的P波反射数据。使用有限元数值模拟已经证明了此。以下参照图2a_2d说明用于引入垂直传播的P波和S波以及水平传播的洛夫波和 瑞利波的水中检波器103处的压力波场的说明。对于每一种波型来说，已经模拟了水中检 波器103处的压力波场。对于不同波类型来说，图2a-2d中分别示出了模拟结果。在这些图中，P表示来自水中检波器103的信号。在结果中没有使用地震检波器 104-106。Ux, Uy和Uz分别表示在传感器壳体101的基部处(即，流体外部)输入的x、y 和ζ位移分量。垂直轴表示在在水中检波器103的情况下的压力(帕斯卡)和在输入信号 的情况下的位移(纳米)。水平轴表示时间(毫秒)。附图允许不同波场的三维分量形象 化，并且显示所产生的水中检波器输出和所述水中检波器输出与输入波的关系。如图2a中所示，垂直入射P波具有强ζ分量，但没有χ分量和y分量。这些波提 供来自水中检波器103的具有相同形状并且与Uz分量相同的相当大的信号。这清楚地显示压力精确地表征入射P波。如图2b中所示，入射瑞利波具有相当大的Uz分量，不是很大的Ux分量和可以忽 略的Uy分量。Uz分量和Ux分量相关，但是彼此具有相位差。这是因为在固体中传播的瑞 利波具有椭圆形质点运动，所述椭圆形质点运动具有相位错开90度的沿测线方向的分量 和垂直分量。通过水中检波器103可清楚地检测到瑞利波。通过当壳体101的顶部和底部由于 入射的地震能量而偏转时引起的上行声波下行声波和当壳体101的侧部由于入射的地震 能量偏转时引起的水平传播声波，控制在流体中由于入射瑞利波而产生的沿测线方向质点 运动和垂直质点运动。虽然由于信号通过流体从壳体的底部传播到水中检波器103花费的 时间而具有微小相位差，但是水中检波器103的输出几乎与Ux相同。如图2c中所示，入射S波提供来自第一地震检波器104的相当大的信号或来自其 它传感器的可以忽略或不存在的信号。如图2d中所示，入射洛夫波提供来自y地震检波器 105的相当大的信号和来自其它传感器的可以忽略的或不存在的信号。在两种情况下，水中 检波器103没有探测到信号。如由图2a_2d的分析可以认识到，只有P波和瑞利波，即，具有压缩波分量的波被 水中检波器103测量到。如以下所述，与传统的基于陆地传感器装置相比，这构成了非常显 著的优点，并且可以使用显著优点。再次参照图1，将偏振过滤应用到由地震检波器排列102提供的数据，以分离P波 与地滚波。偏振过滤可以通过包括在电子模块109中的偏振过滤器实施，或所述偏振过滤可 以实时或最后在遥控偏振过滤器(未示出)处实施。如将要认识的，由地震检波器测量到 的沿测线方向和垂直流体运动分量相位错开90度(χ地震检波器104和y地震检波器105
8中的任一个或两个都检测基于地震能量在壳体101上的入射方向的沿测线方向信号)。因 为壳体101的拐角产生声波(所述声波促进噪点生成)，因此流体由于入射瑞利波的全波场 而变得相对复杂。虽然与地震信号所关心的最小波长相比，传感器装置100较小，但是沿每 一个界面的瑞利振幅变化也会生成声波。使用传感器装置100，通过偏振过滤器衰减地滚波。地滚波的衰减意味着压力测量 值表示由压力波产生的压力，并且不包括由剪切波产生的任意有效分量。这具有两个有益效果。首先，与传统的基于地震检波器的传感器装置相比，因为通 过传感器装置100的物理布置，即，没有信号或数据处理，除去S波和洛夫波，因此偏振过滤 更加有效。其次，因为仅需要对P波场进行采样(不需要对地滚波进行采样)，因此相邻传 感器装置100之间的间距可以大于传统装置中的间距。另一方面，在地震勘探中提供良好 水平的数据质量所需的传感器装置100的空间采样取决于来自传感器装置100下面的反射 波的视速度。传感器装置100的结构的另一个益处在于通过水中检波器和垂直地震检波器记 录的组合，可以除去自由液面反射。自由液面反射作用的除去使得可分离上行波场和下行 波场。当将装置掩埋在1米以下的深度处时，这尤其有益，其中上行波场和下行波场的干扰 的情况可以在地震带宽中产生虚反射陷频消减(ghost notch)。相反，使用传感器装置100， 可以避免虚反射陷频消减或者可以至少减轻所述虚反射陷频消减的影响。图3中示出了传感器装置200的第二实施例。参照图3，传感器装置的水中检波器 排列103包括三个水中检波器201、202、203，所述水中检波器通过机械分离装置204支撑在 壳体101内，所述机械分离装置可以包括弹簧和阻尼器。如果使用加速度消除水中检波器 201-203，则可不提供机械分离装置。水中检波器201-203布置在水平平面中。水平仪110 允许用户确定何时水中检波器201-203正好水平。水中检波器201-203紧密间隔开，即，被 定位成彼此靠近。水中检波器201-203彼此定向在60°处。虽然不同形状也可以是适当 的。但是在此示例中水中检波器201-203被布置成等边三角形形状。箭头111表示水中检 波器101-103中的一个的方位，或者至少具有相对于水中检波器201-203的已知方位。此实施例使用流体的速度与所述流体的压力梯度成比例的事实。通过求导数，可 以通过以下公式计算在两个正交方向上的压力梯度
dP(±) _ J2Ui^)(細)其中Ui(X)是沿第i个方向的位置处测量的位移；ρ是传感器壳体内的流体的密度；T是时间；以及ρ是测量的压力。可以从单个水中检波器201-203或从所有三个水中检波器201-203的平均获取压
力测量值。由多通道采样原理已知当一个波长至少一次进行测量时，可以对函数和所述函 数的导数进行精确内插。压力p(t)及其在 =时均勻采样的空间导数P' (t)可
9以通过以下方程重构
「。。”1 P"、 V p(2kAJt. Ifar .,^f尸(/)=+ --—---— sine---2k
km^t, \ Ii J ν Ω y Ssc Iv Ω 2\. η J(方程2)此方程由 Butzer, PL, Schmeisser, G 禾口 R. L. Stens2001 年在 F. Marvastied.， F. Kluwer Academic/Plenum Publishers, NewYork 中的"An introduction to sampling analysis, in Nonuniform sampling theory and practice，，中。可以通过电子模块109实施信号处理，或者可以实时或随后远程实施所述信号处理。由于上述，可以清楚地看到图3的传感器排列单元允许对在一个波长距离的两个 仪器之间的任一点处所记录的压力场进行内插。与每个波长需要两个站点的传统的地震检 波器记录相比，这是一个相当大的进步。在二维阵列的情况下，可以使用传感器装置200实现沿横向测线方向的类似减 少。因此，使用传感器装置200的二维阵列可以需要比传统的地震检波器阵列少四倍的仪 器，同时保持相同的数据质量。这又使得进行现场布置所需的硬件量大大减少，并且相应地 减少功率消耗。也可使用传感器装置200减小给定尺寸的现场布置所需的数据通道的数 量，并且需要被存储的数据量相应地减少。简单的二维插值算法包括使用适当的一维算法 内插沿一个方向的数据，然后内插沿另一个方向的数据。可选地，可以使用其它算法。以上由方程2给出的一维多通道插值定理应用到无限数量的规则间隔开的接收 器。然而，在没有显著精度损失的情况下可以布置相对较小的传感器装置200。例如，在没有 任意显著精度损失的情况下，可以使用传感器装置200的一维阵列64。对于较小数量的接 收器和不规则间隔开的数据的内插来说，可以代替地使用其它算法。适当的算法可以基于 由 While,Biegert 禾口 Jackson 在 EAGE 67th Conference Technical Exhibition-Madrid, Spain ^^"Gravity Sample Density Reduction Using Gradiometry”巾白勺 MIMAP 胃 法。以下参照图4说明传感器装置300的第三实施例。参照图4，与传感器装置100 — 样，传感器装置300包括通过机械分离装置108连接到壳体101的单个水中检波器103。不 包括水平仪或箭头。由于其结构，传感器装置300能够执行没有被剪切波污染的压缩波记录。产生的 数据相对易于解释。然而，每一个所关心的信号的波长都需要布置传感器装置300，以保证 地滚波的正确采样。以下参照图5说明传感器装置400的第四实施例。除了在传感器装置400中不存 在水中检波器之外，传感器装置400的物理布置与传感器装置100的物理布置完全相同。将偏振过滤应用到由地震检波器排列102提供的数据，以将P波与地滚波分离。偏 振过滤可以通过包括在电子模块109中的偏振过滤器来实施，或者可以通过实时或随后在 远程偏振过滤器(未示出)处实施。如将要认识的，由地震检波器测量的沿测线方向的和 垂直流体运动分量相位错开90度(χ地震检波器104和y地震检波器105中的任一个或两 个都根据地震能量在壳体101上的入射方向检测沿测线方向的信号)。因为壳体101的拐
10角生成声波(所述声波有助于产生噪点)，因此流体由于入射瑞利波的全波场而相对复杂。 虽然传感器装置400与地震信号的所关心的最小波场相比较小，但是沿每一个界面的瑞利 振幅变化也会产生声波。因为仅需要对P波场进行采样(不需要对地滚波进行采样)，因此相邻传感器装 置400之间的间距可以大于传统布置中的间距。另一方面，在地震勘探中提供良好数据质 量水平所需的传感器装置400的空间采样仅取决于来自传感器装置400下面的反射波的视 速度，而不是取决于地滚波的视速度。以下参照图6说明传感器装置500的第五实施。除了传感器装置500不包括ζ地 震检波器之外，传感器装置500的结构与传感器装置100的结构相同。除了没有ζ地震检 波器而使得传感器装置500不能如此直接地获得上行波场与下行波场的分离之外，此传感 器装置500具有上述关于传感器装置100的所有效果和优点。以下参照图7说明第六实施传感器装置600。除了传感器装置600包括三个另外 的外部地震检波器之外，传感器装置600与传感器装置100相同。第一 χ外部地震检波器 601、第二 y外部地震检波器602和第三ζ外部地震检波器603在外部连接到壳体101。外 部地震检波器601-603具有与其内部相对应的地震检波器104-106相同的方位，但是机械 联接到壳体，而不是与所述壳体机械分离。可选地，外部地震检波器601-603可以靠近壳体 101被支撑，但是直接联接到传感器装置600的除了壳体101之外的一些部件。外部地震检 波器601-603被连接成为电子模块109提供传感器信号。与外部地震检波器601-603具有与其内部相对应的地震检波器104-106相同的方 位不同，只要所述外部地震检波器的相对方位是已知的，则所述外部地震检波器可以被不 同定向。外部地震检波器601-603感测全地震波场，并由此在其输出中并入地滚波。这允 许P波和S波完全分离可以通过电子模块109或在后处理中被实施。分离包括在对传感器 敏感度和阻抗施加适当的校正之后区分内部地震检波器104-106的输出与外部地震检波 器601-603的输出。以下参照图8说明第七实施传感器装置700。除了传感器装置700省略了内部地 震检波器排列102之外，传感器装置700与传感器装置600相同。此传感器装置700允许P波和S波的有限分离。以下参照图9说明第八实施传感器装置750。除了传感器装置750省略了 y地震 检波器105之外，传感器装置750与传感器装置500相同。当传感器装置750可以保证χ 地震检波器104与在实施地震勘探中所使用的震源对齐时，此传感器装置750可以达到相 同的效果。如果传感器装置相对于在实施地震测量的定位不是已知的或可以变化，则传感 器装置500更加适当。此外，如果被勘探的区域具有大量侧向散射，传感器装置500是更加 适当的，从而使得使用二维阵列尤其有益。以下参照图10说明第九实施传感器装置760。除了省略了 χ分量检波器104之 外，传感器装置760与以上参照图1所述的传感器装置100相同。当传感器装置760可以 确保1地震检波器105与在实施地震勘探中所使用的震源对齐时，此传感器装置760可以 达到相同的效果。如果传感器装置相对于在实施地震测量中所使用的震源的定位不是已知 的或者可以是变化的，传感器装置500更加合适。
以下参照图11说明第十实施传感器装置770。除了省略了 y分量地震检波器105 之外，传感器装置770与以上参照图1所述的传感器装置100相同。将要认识的是除了箭 头111分别相对于水平地震检波器104或105在不同的方位上之外，传感器装置760和770 是相同的。以下参照图12说明第十一实施传感器装置780。除了省略了 χ分量地震检波器 104之外，传感器装置780与传感器装置500相同。将要认识的是上述实施例不是穷举的，而是地震检波器和水中检波器的其它组合 属于本发明，在所附权利要求的保护范围内。以下说明实施传感器装置的安装。有多种用于将传感器装置安装在陆地-空气界 面处的可选方案。图13中示出了第一传感器装置的安装。这里，上述传感器装置中的任一个放置在 陆地800的地表的顶部上。联接装置112埋在陆地中。这提供陆地800与壳体101之间的 机械联接，所述壳体流体联接到包括在传感器装置中的传感器排列单元(一个或多个)。水 平仪110和箭头(在图中不可见)允许用户将传感器装置安装在适当的方位处。传感器装 置可以临时或永久安装。图14中示出了第二传感器装置的安装。这里，上述传感器装置中的任一个部分地 掩埋在陆地800的地表上。不存在联接装置。陆地对壳体101的局部包围提供陆地800与 壳体101之间充分的机械联接，所述壳体流体联接到包括在不需要联接装置的传感器装置 中的传感器排列单元(一个或多个)。水平仪110和箭头(在图中不可见)允许用户将传 感器装置安装在适当的方位处。传感器装置可以临时或永久安装。图15中示出了第三安装。这里，上述传感器装置中的任一个的壳体101在陆地 800的地表下面位于井眼900的底部处。不存在联接装置。通过井眼900的壁对壳体101 的包围提供陆地800与壳体101之间充分的机械联接，所述壳体流体联接到包括在不需要 联接装置的传感器装置中的传感器排列单元(一个或多个)。水平仪110和箭头(在图中 不可见)允许用户将传感器装置安装在适当的方位处。可选地，如果已知井眼900位于正 确的方位(通常垂直)，可以省略水平仪110。这里，这种安装需要井眼900与壳体101之 间的良好配合。井眼可以相对较浅，具有几米或更小深度(例如，大约1米深)。传感器装 置可以临时或永久安装。图16中示出了第四安装。这里，上述传感器装置中的任一个的壳体101在陆地 800的地表的下面位于深井眼1000的底部处。井眼可以是几米或几百米深。除了具体地用 于容纳传感器装置之外，已经对所述井眼进行钻进用于一些目的。联接装置112在陆地800 中埋在井眼1000的底部处。水平仪110和箭头(图中不可见)允许用户将传感器装置安 装到适当的方位处。如果通过用户进行安装是不可实行的(这通常是深窄井眼的情况)，可 以省略水平仪110和箭头。传感器装置可以临时或永久安装。这种安装更适合于永久传感 器装置安装。图17a示出了传感器装置的传统的现有技术布置。布置1100包括由ζ示出的多 个垂直分量地震检波器传感器装置。传感器装置ζ位于一维阵列中。每一个传感器装置ζ 与相邻传感器装置分开距离d。传感器装置通常连接到数据获取中心。以下分别参照图17b_17d说明传感器装置的第一至第三实施例布置。
除了传感器装置P是以上参照图4所述的传感器装置300之外，第一实施布置 1101与传统的布置1100相同。这些传感器装置P仅测量压力，即，所述传感器装置不测量 速度。如以上所述，与布置1100相比，使用这种布置执行的勘探在进行处理之后给出数据 质量，但是没有记录剪切波。除了传感器装置PX是以上参照图9所述的传感器装置300之外，第二实施布置 1102与传统的布置1100相同。传感器间距d与布置1100和1101相同。来自使用第二实 施布置1102实施的勘探的在处理之后的数据质量优于通过使用传统的布置1100实施的勘 探得到的数据质量。此外，所述数据质量还优于通过使用第一实施布置1101实施的勘探得 到的数据质量。除了在第三布置1103中传感器装置PX被间隔开的距离是第二实施布置1102的 传感器PX的间隔距离d的两倍2d之外，第三实施布置1103与第二实施布置1102相同。使 用第三实施布置1103实施的勘探提供具有类似于由传统的布置1100提供的质量的数据。图18a显示了包括二维阵列传感器装置的传统的布置1200。这里，垂直分量地震 检波器传感器装置ζ被示出为在两个维度中在相邻传感器装置ζ之间具有相等间距的网格 阵列中。图18b中示出了包括二维阵列传感器装置的第一实施布置1201。这里，多个传感 器装置PXY以网格阵列被示出。传感器装置PXY是以上参照图6所述的传感器装置500。 传感器装置PXY在两个维度中在相邻传感器装置PXY之间具有相等间距2d。间距2d是布 置1200的传感器装置ζ之间的间距的两倍。因此，虽然图中所示的示意性布置的小尺寸产 生较少的减少，但是传感器装置的数量减少大约4倍，且相应地减少基站、功率消耗等。图18c中示出了包括二维阵列传感器装置的第二实施布置1202。这里，多个传感 器装置PXY以六角形阵列被示出。被称作为六角形阵列是因为传感器装置的相邻线的偏移 使每一个传感器装置PXY与六个相邻的传感器装置PXY等间距。传感器装置PXY是以上参 照图6所述的传感器装置500。传感器装置PXY在六个相邻的传感器装置PXY中的每一个 之间具有相等间距2d。因此，虽然图中所示的示意性布置的小尺寸产生较少的减少，但是与 图18a的布置相比，传感器装置的数量减少大约4倍，且相应地减少基站、功率消耗等。布置1201和1202在其中障碍物可能防止接收器装置的放置的区域内尤其有用。 因为接收器之间的距离是传统勘探的接收器之间的距离的两倍，使得在不干扰传感器装置 放置的几何结构的情况下可以容纳更大的障碍物，因此可产生益处。这可应用于有规律的 几何结构和在存在障碍物的情况下可能需要不规则接收器几何结构。如以下参照图18d所述，如上所述的传感器装置可以与传统的传感器装置结合使 用。参照图18d，第三实施布置1203紧密地基于传统的布置1200，并且并入多个传统 的(即，不涉及填充有流体的壳体)ζ分量地震检波器传感器装置Z。布置1203的不同在于 在布置中心处的障碍物防止沿图中的水平方向放置三个连续的传感器装置。与障碍物相邻 的传感器装置不是ζ分量地震检波器传感器Z，但是代替地可以是以上所述的传感器装置。 具体地，与障碍物相邻并且在所述障碍物正上方和正下方的三个传感器装置是以上参照图 11所述的在图中由ZPY示出的压力、ζ和y分量传感器装置780。此外，使障碍物与侧部紧 邻的传感器装置(如图所示)是在图中由ZPX表示的压力、分量传感器装置。这些
13传感器装置ZPX与以上参照图10所述的传感器装置760相同。如以下参照图18e所述，不同类型的实施传感器装置可以在布置中一起使用。参照图18e，第四实施布置1203在一些方面类似于第三实施布置1203。然而，代 替ζ分量地震检波器传感器装置Z，使用如以上参照图4所述的传感器装置300并且由P表 示所述传感器装置。传感器装置P的间距在布置1203中与传感器装置Z的间距相同。布 置的中心不允许沿图中的水平方向放置三个连续传感器装置。相反，与障碍物相邻并且在 所述障碍物正上方和正下方的三个传感器装置是以上参照图12所述的在图中由PY所示的 压力和y分量传感器装置780。此外，如图中所示，使障碍物与侧部紧邻的传感器装置是在 图中由PX表示的压力和χ分量传感器装置。这些传感器装置PX是以上参照图9所述的传 感器装置750。在布置1203、1204中，使用与障碍物相邻的具体传感器装置减小了由于将放置在 障碍物的位置处的传感器装置引起的数据损失。具体地，在数据处理中使用第三实施布置 1203中的传感器装置ZPY和ZPX中的水中检波器和沿侧向方向传感器，以在障碍物附近对 波场进行内插。在数据处理中使用在第四实施布置1204中的传感器装置PY和PX中的沿 侧向方向的传感器，以对障碍物附近的波场进行内插。在两种情况下，由勘探产生的数据质 量比没有使用不同传感器所产生的数据质量好。这里，术语沿侧向方向表示传感器装置相 对于在勘探中使用的震源的方位-沿侧向方向地震检波器感测在朝向震源的方向而不是 与所述震源的方向交叉的方向上的速度。在上述传感器装置中，将要认识的是加速仪可以代替地震检波器使用。在使用加 速仪的情况下，在软件中对传感器输出进行积分通常是必需的，以便获得由地震检波器提 供的速度数据。MEMS加速仪适于与上述实施例一起使用。如果加速仪信息来自地震检波 器，则这可以通过在软件中对地震检波器输出进行微分而得到。
1权利要求
一种适于安装在陆地 空气界面处的传感器装置，所述传感器装置包括填充有流体的壳体；和传感器排列单元，所述传感器排列单元支撑在所述壳体内，并且直接联接到所述流体以检测所述流体的移动。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述传感器装置通过包括位于所述壳体 的下部处的联接装置而适于安装在陆地_空气界面处。
3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述传感器装置通过包括与所述传感 器排列单元的传感器相同定向的水平仪而适于安装在陆地_空气界面处。
4.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述传感器排列单元包括水中检波 器，但是不包括地震检波器和加速仪。
5.根据前述任一项权利要求所述的传感器装置，其中，所述传感器排列单元包括三个 水中检波器，所述三个水中检波器大致水平布置并且彼此在不同的方位上。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器装置，其中，所述传感器排列单元包括水 中检波器和一个或多个地震检波器或加速仪。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的传感器装置，其中，所述传感器排列单元不包括 水中检波器，但是包括两个或更多个地震检波器或加速仪。
8.根据权利要求6或7所述的传感器装置，其中，所述传感器排列单元包括两个地震检 波器或加速仪，所述地震检波器或加速仪大致水平布置并且彼此在不同的方位上。
9.根据权利要求8所述的传感器装置，其中，所述传感器排列单元包括垂直对齐的地 震检波器或加速仪和水平对齐的地震检波器或加速仪。
10.根据权利要求8或9所述的传感器装置，其中，所述传感器排列单元包括两个水平 对齐的地震检波器或加速仪，所述两个水平对齐的地震检波器或加速仪彼此垂直地排列。
11.根据前述任一项权利要求所述的传感器装置，包括用于使所述传感器排列单元中 的一个或多个传感器与所述壳体机械分离的机械分离装置。
12.根据权利要求11所述的传感器装置，其中，所述机械分离装置包括弹簧和阻尼器直ο
13.—种包括安装在陆地-空气界面处的传感器装置的地震传感器设备，其中，所述传 感器装置包括填充有流体的壳体；和传感器排列单元，所述传感器排列单元支撑在所述壳体内，并且直接联接到所述流体 以检测所述流体的移动。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述传感器装置在所述陆地_空气界面处安装 在地表的顶部上。
15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述传感器装置在所述陆地_空气界面处部分 地埋在地面中。
16.根据权利要求13所述的设备，其中，所述传感器装置设置在井眼中。
17.根据权利要求13-16中任一项所述的设备，包括位于所述壳体的下部处的联接装置。
18.根据权利要求13-17中任一项所述的设备，包括水平仪，所述水平仪与所述传感器排列单元的传感器相同定向。
19.根据权利要求13-17中任一项所述的设备，其中，所述传感器排列单元包括水中检 波器，但是不包括地震检波器和加速仪。
20.根据权利要求13-19中任一项所述的设备，其中，所述传感器排列单元包括三个水 中检波器，所述三个水中检波器大致水平布置并且彼此在不同的方位上。
21.根据权利要求13-18中任一项所述的设备，其中，所述传感器排列单元包括水中检 波器和一个或多个地震检波器或加速仪。
22.根据权利要求13-20中任一项所述的设备，其中，所述传感器排列单元不包括水中 检波器，但是包括两个或更多个地震检波器或加速仪。
23.根据权利要求21或22所述的设备，其中，所述传感器排列单元包括两个地震检波 器或加速仪，所述两个地震检波器或加速仪大致水平布置并且彼此在不同的方位上。
24.根据权利要求23所述的设备，其中，所述传感器排列单元包括垂直对齐的地震检 波器或加速仪、和水平对齐的地震检波器或加速仪。
25.根据权利要求23或24所述的设备，其中，所述传感器排列单元包括两个水平对齐 的地震检波器或加速仪，所述两个水平对齐的地震检波器或加速仪彼此垂直地排列。
26.根据权利要求13-25中任一项所述的设备，包括用于将所述传感器排列单元的一 个或多个传感器与所述壳体机械分离的机械分离装置。
27.根据权利要求27所述的安装，其中，所述机械分离装置包括弹簧和阻尼器装置。
28.根据权利要求13-27中任一项所述的设备，包括安装在所述陆地-空气界面处的一 维阵列的传感器装置。
29.根据权利要求13-27中任一项所述的设备，包括安装在所述陆地-空气界面处的二 维阵列的传感器装置。
30.一种包括安装在陆地-空气界面处的多个传感器装置的地震传感器设备，其中，所 述地震传感器设备包括不具有水中检波器并且与障碍物相邻的多个传感器装置，所述多个 传感器装置包括填充有流体的壳体；和水中检波器和一个或多个地震检波器或加速仪，所述水中检波器和一个或多个地震检 波器或加速仪支撑在所述壳体内、并且直接联接到所述流体以检测所述流体的移动。
31.一种用于感测陆地_空气界面处的压缩波的方法，包括以下步骤将靠近所述陆地_空气界面定位基于流体的传感器系统，其中，所述基于流体的传感 器系统包括壳体、设置在所述壳体内的流体、和直接联接到所述流体的一个或多个传感器； 以及使用所述一个或多个传感器检测所述流体的移动。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述一个或多个传感器与所述壳体机械分离。
33.根据权利要求31所述的方法，其中，所述压缩波是瑞利波和P波中的至少一个。
全文摘要
本发明公开了一种适于安装在陆地-空气界面处的传感器装置(100)。传感器装置(100)包括填充有流体的壳体(101)和传感器排列单元(102，103)，所述传感器排列单元支撑在壳体(101)内，并且直接联接到流体以检测所述流体的移动。本发明还公开了一种地震传感器设备，所述地震传感器设备包括安装在陆地-空气界面处的传感器装置(100)，其中传感器装置包括填充有流体的壳体(101)和传感器排列单元(102，103)，所述传感器排列单元支撑在壳体(101)内，并且直接联接到流体以检测所述流体的移动。
文档编号G01V1/18GK101910870SQ200980101969
公开日2010年12月8日 申请日期2009年1月8日 优先权日2008年1月10日
发明者埃弗哈德·约翰·姆泽尔特, 詹姆斯·爱德华·马丁 申请人:格库技术有限公司