CN103576202A

CN103576202A - 用于地震勘探的包括方向传感器倾角补偿的拖缆

Info

Publication number: CN103576202A
Application number: CN201310319827.4A
Authority: CN
Inventors: G·梅利耶; J·埃普; M·梅普尔斯; S·勒伯夫; I·塞林
Original assignee: Sercel SAS
Current assignee: Sercel SAS
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-07-26
Also published as: EP2690468A1; CA2821591C; CN103576202B; EP2690468B1; US9322942B2; MX2013008742A; BR102013019166A2; CA2821591A1; BR102013019166B1; US20140029377A1

Abstract

一种用于地震勘探的包括方向传感器倾角补偿的拖缆。一种用于地震勘探的拖缆，其包括沿着所述拖缆分布的方向传感器（20），比如检波器或加速计，其特征在于，所述拖缆包括位于远程位置和远离所述方向传感器（20）的位置至少两个倾角传感器（30、40），以及通过沿着所述拖缆对由两个倾角传感器（30、40）检测的倾角进行插值来确定每个方向传感器（20）的有效定向的装置。

Description

用于地震勘探的包括方向传感器倾角补偿的拖缆

技术领域

本发明涉及特别设计为用于油气勘测的海洋地震勘探领域。更确切而言，本发明涉及应用拖拽式拖缆的多元件地震勘探采集器。

背景技术

在地震勘测中，通过将声能从声源提供到地表并且检测从地下地层中的不同层之间的界面反射的声能而获得地球物理数据。当在界面任意一侧上的层之间在声阻抗上存在不同时，地震波场得以反射。

海洋地震勘探通常是由地震拖缆制成，将该地震拖缆拖拽在记录器船舶后面，以通常在大约六米到大约九米之间的水深穿过水中，但可以更浅或更深地拖曳该地震拖缆。拖缆支持传感器（比如水听器）用以检测对应于压力波的地震信号。也可以将地震源拖拽在记录器船舶后面。地震源可以为例如***阵列或水枪阵列，或地震勘探领域的技术人员已知的其它地震源。

可选地，地震拖缆在水体中保持基本上固定的位置，或者漂浮在选定的深度或者平放在水体的底部，在该情况下，可以将地震源拖拽在船舶后面以在不同的地点产生声能，或者可以将地震源保持在固定的位置。

多元件拖缆通常使用至少两个接近协同定位的传感器（或一组传感器），一个压力传感器（水听器），或一组压力传感器以及至少一个粒子运动传感器（地震检波器或加速度计）或一组粒子运动传感器。

该至少一个粒子运动传感器（或粒子运动传感器组）与压力传感器（或压力传感器组）接近地排列。

水听器是全方向的传感器，所以不需要进行定向，而粒子运动传感器在给定的方向上测量波的振幅（粒子的速度或加速度）。为此，传感器定向必须是已知的。

已知在水中拖缆的旋转是几乎不可能预测的，通常存在两种可能的解决方案以便知道所述给定的方向。第一解决方案在于应用例如重力来机械地确保粒子运动传感器在已知的定向上。执行该第一解决方案的一个方法是压载传感器和平衡环使得传感器装配在充满润滑缓冲液的外壳中。

第二解决方案是建立二维或三维的粒子运动传感器基部并且应用具有与该基部相比已知的定向的协同定位的倾角传感器。然后，应用倾角测量以补偿粒子运动波的垂直、正交，或内联的元件。可以通过例如能够同时测量倾角和加速度的MEMs装置来实现该第二解决方案。

因为通过平衡环的布置（惯性、摩擦等）使由电缆旋转引起的传感器的运动偏斜，所以第一解决方案具有影响粒子运动传感器响应的主要缺点。此外，由于涉及到额外的机械部件并且占用电缆中的太多的空间，因此该平衡环装配通常是复杂的。

该第二解决方案解决了上述问题，但该第二解决方案具有在传感器位置处需要额外的传感器及其相关的电力的缺点。这意味着在电缆中更多的电线，因此，在电缆的总重量和尺寸上存在一些影响。此外，当在应用MEMS加速度计实现该第二解决方案时，该解决方案不允许设计模拟传感器组，因此有必要实现良好的噪声性能而不影响必要的数据率，以便将数据取回船只。

可以在现有技术文献US2011/0310698、WO2011/162799、US2007/0036033、US5675556以及US5541894中发现用于地震拖缆的已知传感器的非限制性实例。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不同缺点。更准确而言，本发明的目的为：

·避免对于在粒子运动传感器的位置处的倾角传感器的需要，

·改进粒子运动响应，以及

·降低电缆的整体重量和尺寸。为此，本发明涉及一种用于地震勘探的拖缆，其包括沿着所述拖缆分布的方向传感器，比如检波器或加速度计，所述拖缆包括：

-至少两个倾角传感器，所述至少两个倾角传感器位于远程位置和远离所述方向传感器的位置；以及

-装置，所述装置用于通过沿着所述拖缆对由两个倾角传感器检测的倾角进行插值来确定每个方向传感器的有效定向，其特征在于，所述拖缆进一步包括辅助装置，所述辅助装置用于确定由方向传感器接收到的第一波场的定向，所述辅助装置从所述第一波场的定向确定每个方向传感器的所述有效定向，其中，当由对两个倾角传感器之间的相对定向进行插值而获得的理论值不同于通过所述第一波场的定向估算的值时，对沿着所述拖缆对由所述两个倾角传感器检测的倾角进行插值而得到的所述方向传感器的定向进行校正。

本发明还涉及一种实现拖缆的地震勘探处理，所述拖缆包括沿着所述拖缆分布的方向传感器，比如检波器或加速度计，所述地震勘探处理包括如下步骤：

-确定在位于远程位置和远离所述方向传感器的位置的至少两个倾角传感器上的倾角值；以及

-通过沿着所述拖缆对由所述两个倾角传感器检测的倾角进行插值来确定每个方向传感器的有效定向，其特征在于，所述处理进一步包括步骤，所述步骤确定在方向传感器上接收到的第一波场的定向，以便从所述第一波场的定向确定每个方向传感器的所述有效定向，并且在由对两个倾角传感器之间的相对定向进行插值而获得的理论值不同于通过所述第一波场的定向估算的值时，对沿着所述拖缆对由所述两个倾角传感器检测的倾角进行插值而得到的所述方向传感器的定向进行校正。

附图说明

当结合附图考虑时，通过随后进行的具体描述，将会使本发明的额外和其它目的、特征以及优点变得清楚，在这些附图中：

图1为根据本发明的拖缆的总体且示意性的视图；

图2示出了沿着拖缆分布的两个连续的倾角传感器之间的相对定向；

图3示出了相对于最接近的倾角传感器的粒子运动传感器的定向；

图4示出了一种在第一接收波场的检测的基础上估算方向传感器的有效定向的算法；

图5示出了与实现检测第一接收波场的数据的旋转过程有关的在2D维度中的不同的向量和角度。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的拖缆10的一部分。

拖缆10的总体结构是本领域技术人员众所周知的。因此，将不会在下面的描述中详细描述拖缆10的结构。

所述拖缆包括大量与水听器和粒子运动传感器结合的传感器，沿着拖缆10在连接到记录器船舶的头部端之间和通常由尾部浮标支撑的尾部端之间分布。

在图1上的附图标记20处示例地显示了一个这样的传感器。

水听器为可潜水的压力传感器，其将压力波转换为电信号或光信号。粒子运动传感器为在给定的方向上测量波的振幅（粒子的速度或加速度）的传感器。对由水听器和粒子运动传感器发出的信号进行记录用于信号处理并且随后进行评估以便估算地表的地下特征。

通常而言，传感器的输出连接到沿着拖缆分布的节点并且拖缆还包括沿着拖缆分布的控制器，以便集中从通过多个节点形成的相关的主动单元发出的数据，并且在适用于朝向记录器船舶发送信号的光纤上管理这些信号。

当在海上时，拖缆电缆受到不可预测的扭转。

如上所示，根据本发明的拖缆10包括位于远程位置和远离方向传感器20的位置的至少两个倾角传感器30、40。方向传感器20在两个倾角传感器30和40之间，到倾角传感器30的距离为d1并且到倾角传感器40的距离为d2。设置校正装置，以便通过对由两个倾角传感器30和40检测的倾角沿着拖缆进行插值来确定每个方向传感器20的有效定向。

该校正装置可以设置在拖缆上、在记录器船舶上或其他任何合适的地方。

在实现中，拖缆可以包括在头部端和尾部端之间沿着拖缆分布的多于两个倾角传感器30、40。

典型地，根据传感器组的间隔和电缆刚度，两个连续的倾角传感器30、40之间的距离可以为大于连续的两组水听器和粒子运动传感器20之间的距离的2倍和10倍之间。

例如，当连续的两组水听器和粒子运动传感器20之间的距离为大约12.5米时，两个连续的倾角传感器30、40之间的距离可以为大约25米。

典型地，拖缆的长度可以为大约10公里。然而，本发明适用于任何长度的拖缆。

倾角传感器30、40可以为例如三维加速度计、与陀螺仪相关联的加速度计或三个加速度计的结合。

在远离方向传感器20的位置设置倾角传感器30、40，例如，在现有的嵌入式电子位置或在***在拖缆的部段之间的模块中，与在现有技术中已经存在的电源、遥测技术和地震传感器相比，避免了需要用于为所述倾角传感器提供动力以及用于处理由所述倾角传感器发出的信号的额外的电线。

由于例如制造限制或在海上时不可预知的电缆扭转，因此从倾角传感器30、40发出的倾角测量值不能够准确地反映粒子运动传感器20的定向。

然而，对由两个倾角传感器30和40检测的倾角沿着拖缆进行插值，允许精确地确定在粒子运动传感器20的位置处的拖缆的倾角。

图2示出了在两个连续的倾角传感器30、40的基部B₁和B₂之间测量的倾角值β。

图3示出了在粒子运动传感器20的基部B_s和最接近的倾角传感器30的基部B₁之间的倾角值α。通过沿着拖缆在两个连续倾角传感器30、40的基部B₁和B₂之间测量的倾角值β的插值而获得倾角值α。

可以在制造拖缆时通过设计或利用校准处理的帮助而获得粒子传感器20的相对定向的第一近似值。在校准处理的情况下，可以通过在与电缆在海上经受（与任意支持台的拉力和低摩擦力，等等）的构造接近的已知的构造中放置拖缆电缆，通过在已知的位置对齐粒子运动传感器20，以及通过测量由倾角传感器30、40所看见的倾角来估算两个连续的倾角传感器30、40的相对定向β_c以及关于倾角传感器30、40的粒子运动传感器20的相对定向α_c。然后，可以储存获得的校准值β_c和α_c，以便在地震记录或通过处理装置处理期间使用，以校正倾角测量值并且更新粒子运动传感器20的位置的倾角。

然后，可以在如下所述的地震记录或处理期间使用β_c和α_c的该附加信息。

倾角传感器30和40用于确定在海上时的有效倾角值β。有效倾角值β和校准值β_c之间的比较提供了通过在海上的电缆在整个长度d₁+d₂上所见的扭转的估算。如果有效倾角值β等于校准值β_c，则可以使用粒子运动传感器20的校准值α_c。如果有效倾角值β不等于校准值β_c，则应用在两个倾角传感器30和40之间的有效倾角值β上的插值处理来确定粒子运动传感器20的有效值α。

在两个倾角传感器30和40之间的插值可以为线性的，但是其可以扩展到任何类型的插值，提供具有有规律地间隔的倾角传感器的拖缆电缆以提供参考的基部。为了使该插值有效，倾角传感器30、40需要沿着拖缆有规律地定位，当没有经受任何扭矩时，与倾角传感器30和40两者的公称相对位置相比，两个连续的倾角传感器30、40之间的距离使得由拖缆的正常操作产生的扭转在连续的倾角传感器30和40两者之间不引起大于360°的转动。

更准确而言，根据本发明，两个连续的倾角传感器30、40之间的距离d₁+d₂小于L/2，L为当没有经受任何扭矩时与公称相对位置相比的扭转大约为360°的拖缆的长度。

根据本发明，本发明的拖缆还包括适应于确定在方向传感器上接收到的第一波场的定向的附加装置，并且该附加装置从该第一波场的定向确定每个方向传感器的有效定向。

在图4中示出了用于确定第一抵达的相应的算法。

在第一步骤50中，校正装置检测在地震信号中第一抵达的出现。该检测或者可以在由水听器发出的信号上进行或者可以在由粒子运动传感器发出的信号上进行。

在第二步骤52中，校正装置从由粒子运动传感器发出的信号中提取在第一步骤50中检测到的第一抵达的时刻周围的信号窗口。

然后在第三步骤54中，校正装置分别测量在平面（在二维传感器的情况下）或空间（在三维传感器的情况下）的每个方向上，粒子运动传感器发出的信号的投影的均方根（RMS）。随后将对应图5来更详细地说明对应于数据的旋转过程的第三步骤54。

最后，在第四步骤56中，校正装置确定最大的计算RMS值的定向，并且认为最大的计算RMS值的定向表示第一抵达波的方向。

优选地，在采样频率下进行来自两个倾角传感器的倾角的检测和由两个倾角传感器检测到的倾角的沿着拖缆的插值，该采样频率对应于从传感器（比如水听器）的地震测量的采样频率，有利地为大约500赫兹，而在与地震源的激活相同的频率处进行基于从第一波场的检测发出的定向的校正，有利地为对应于大约0.1赫兹的频率的每10秒时间一次。

图5示出了根据从具有至少两个垂直感测轴（比如垂直输出和正交输出）的粒子运动传感器发出的加速度数据，在第三步骤54实现的数据旋转过程。在进行测量时，粒子运动传感器的实际定向是未知的。加速度数据的旋转过程的目的是获得实际的垂直和正交加速度。

（X₀，Y₀，Z₀）为右手坐标***，其具有：

在拖缆的尾部的方向上的X₀，

在重力（g）的方向上的Z₀。

（I，C，V）也为右手坐标***，其具有：

在与X₀同样的方向上的I。

C为粒子运动传感器的正交输出的感测轴。通常，在方向C上的机械脉冲导致正交输出的正电脉冲。

V为粒子运动传感器的垂直输出的感测轴。通常，在方向V上的机械脉冲导致垂直输出的正电脉冲。

A为由粒子运动传感器所见和由***记录的加速度表示。

在（Y₀，O，Z₀）中的A的坐标为（y'，z'），

在（C，0，V）中的A的坐标为（y，z），

在（C，0，V）中的A的极坐标为（|A|，θ），从而

y=A×cosθ

z=A×sinθ

在坐标***（Y₀，O，Z₀）中：

y'=|A|×cosθ'=|A|×cos(θ-β)

z'=|A|×sinθ'=|A|×sin(θ-β)

因此，在笛卡儿坐标***中：

y'=y×cosβ+z×sinβ

z'=-y×sinβ+z×cosβ

所以，通过改变在上述公式中的β的值来旋转测量的数据y和z直到获得最大z'值，并且考虑到初始测量的数据y和z的极性以便在从旋转过程得出的两个最大的z'之间进行区分，从而允许找到在粒子运动传感器的垂直轴和第一波场的入射方向之间的对应角度β。

用于获得角度β的另一种方式是计算反正切y/z的值。

认为该第一抵达波是由于在海底反射引起的。

在本发明的第一实现中，考虑到海底是平面并且水平，认为该第一抵达波的方向是垂直的（垂直于水平面）。

在本发明的第二实现中，应用可用的海洋的海底海拔信息，可以更精确地确定该第一抵达波的方向为垂直当地的海底。

基于从如图4中所示的第一波场的定向来确定每个方向传感器的有效定向的方法可以用来估算，由基于两个倾角传感器30、40之间的相对定向的插值的第一解决方案施加的校正是否足够准确，并最终施加附加校正。

通过对利用两个倾角传感器30、40之间的相对定向的插值获得的理论值与由图4中所示的算法估算的值进行比较，粒子运动传感器20的基部的定向能够与垂直比较，并最终校正。

现场实验已表明，在固体电缆的情况下，电缆的扭转为随着时间而稳定的。该情况是部分地由于固体电缆的扭转刚度导致的。这意味着通过远程倾角传感器30或40所见的振动准确地表示通过粒子运动传感器2C或3C布置20所见的振动。

因此，任何由倾角传感器30或40检测的振动可以通过补偿所述振动，用来准确地补偿粒子运动传感器布置20的定向的固定偏差。

此外，图4所示的算法也可以用于为粒子运动传感器设置的2C或3C平衡环布置的情况，因为该算法可以提供信息，该布置根据该信息很好地进行定向。

虽然已经通过参考本发明的优选实施方案对本发明进行了说明和描述，但是应当理解，本发明并不局限于这些实施方案的特定形式并且可以对本发明做出许多修改和变化而不背离本发明的范围。

Claims

1.一种用于地震勘探的拖缆，其包括沿着所述拖缆分布的方向传感器（20），比如检波器或加速度计，所述拖缆包括：

-至少两个倾角传感器（30、40），所述至少两个倾角传感器（30、40）位于远程位置和远离所述方向传感器（20）的位置上；以及

-装置，所述装置用于通过沿着所述拖缆对由两个倾角传感器（30、40）检测的倾角进行插值来确定每个方向传感器（20）的有效定向，其特征在于，所述拖缆进一步包括辅助装置，所述辅助装置用于确定由方向传感器（20）接收到的第一波场的定向，所述辅助装置从所述第一波场的定向确定每个方向传感器（20）的所述有效定向，其中，当利用两个倾角传感器（30、40）之间的相对定向的插值而获得的理论值不同于通过所述第一波场的定向估算的值时，对沿着所述拖缆对由所述两个倾角传感器（30、40）检测的倾角进行插值而得到的所述方向传感器（20）的定向进行校正。

2.根据权利要求1所述的用于地震勘探的拖缆，其中通过沿着所述拖缆对由所述两个倾角传感器（30、40）检测的倾角的插值为一个线性值。

3.根据权利要求1或2的一项所述的用于地震勘探的拖缆，其中在两个连续的倾角传感器（30、40）之间的距离d1+d2小于L/2，L为当没有经受任何扭矩时，与公称相对位置相比的扭转为大约360°的所述拖缆的长度。

4.根据权利要求1至3的一项所述的用于地震勘探的拖缆，其中在两个连续的倾角传感器（30、40）之间的距离为大于连续两组方向传感器（20）之间的距离的2倍到10倍之间。

5.根据权利要求1至4的一项所述的用于地震勘探的拖缆，其中在两个连续的倾角传感器（30、40）之间的所述距离为大约25米。

6.根据权利要求1至5的一项所述的用于地震勘探的拖缆，进一步包括用于将在制造所述拖缆时在校准过程期间获得的所述两个倾角传感器（30、40）之间的校准倾角相对值β_c与在海上时在所述两个倾角传感器（30、40）的输出上测量的有效倾角值β进行比较的装置，以及用于在所述有效倾角值β等于校准值β_c时选定所述方向传感器（20）的校准值α_c，并且在所述有效倾角值β不等于所述校准值β_c时，通过所述两个倾角传感器（30、40）之间的有效倾角值β的插值处理来确定所述方向传感器（20）的有效值α的装置。

7.根据权利要求1至6的一项所述的用于地震勘探的拖缆，其中辅助装置包括：

-用于在由水听器或粒子运动传感器发出的地震信号中检测第一抵达的发生的装置；

-用于从由方向传感器比如粒子运动传感器（20）发出的信号中提取在检测到的所述第一抵达的时刻周围的信号窗口的装置；

-用于在平面或空间的每个方向上测量由所述方向传感器发出的信号的投影的均方根的装置；

-用于确定最大的计算到的均方根值的定向并且认为所述定向为第一抵达波的方向的装置。

8.根据权利要求7所述的用于地震勘探的拖缆，其中用于在平面或空间的每个方向上测量由所述方向传感器发出的信号的投影的均方根的装置和用于确定最大的计算到的均方根值的定向并且认为所述定向为第一抵达波的方向的装置，根据从对应于两个垂直感测轴的方向传感器发出的测量数据，实现了旋转过程。

9.根据权利要求1至8的一项所述的用于地震勘探的拖缆，其中所述海底是平面并且水平，认为所述第一抵达波的方向是垂直的，垂直于水平面。

10.根据权利要求1至8的一项所述的用于地震勘探的拖缆，其中所述第一抵达波的方向确定为垂直于当地海洋的海底海拔信息。

11.根据权利要求1至10的一项所述的用于地震勘探的拖缆，其中所述倾角传感器（30、40）从组中选择，所述组包括三维加速度计、与陀螺仪相关联的加速度计或三个加速度计的结合。

12.根据权利要求1至11的一项所述的用于地震勘探的拖缆，其中所述倾角传感器（30、40）与电子位置配合或在***在拖缆部段之间的模块中，以便避免需要用于为所述倾角传感器提供动力以及用于为处理由所述倾角传感器发出的信号的额外的电线。

13.一种实现拖缆的地震勘探处理，所述拖缆包括沿着所述拖缆分布的方向传感器（20），比如为检波器或加速计，所述处理包括如下步骤：

-确定在位于远程位置和远离所述方向传感器（20）的位置上的至少两个倾角传感器（30、40）上的倾角值；以及

-通过沿着所述拖缆对由所述两个倾角传感器（30、40）检测的倾角进行插值来确定每个方向传感器（20）的有效定向，其特征在于，所述处理进一步包括的步骤为确定由方向传感器（20）接收到的第一波场的定向，以便从所述第一波场的定向确定每个方向传感器（20）的所述有效定向，并且在由对两个倾角传感器（30、40）之间的相对定向进行插值而获得的理论值不同于通过所述第一波场的定向估算的值时，对从沿着所述拖缆对由所述两个倾角传感器（30、40）检测的倾角进行插值而得到的所述方向传感器（20）的定向进行校正。

14.根据权利要求13所述的实现拖缆的地震勘探处理，其中确定由方向传感器（20）接收到的第一波场的定向的所述步骤包括：

-检测在由水听器或粒子运动传感器发出的地震信号中的第一抵达的发生；

-从由方向传感器比如粒子运动传感器（20）发出的信号中提取在检测到的所述第一抵达的时刻周围的信号窗口；

-根据在两个垂直感测轴上的所述方向传感器发出的测量数据，通过实现旋转过程，在平面或空间的每个方向上测量由所述方向传感器发出的信号的投影的均方根；

-确定最大的计算到的均方根值的定向并且认为所述定向为第一抵达波的方向。

15.根据权利要求13或14的一项所述的实现拖缆的地震勘探处理，其中，在采样频率下进行从所述两个倾角传感器的倾角的检测和由所述两个倾角传感器检测到的倾角的沿着拖缆的插值，所述采样频率对应于从传感器比如水听器的地震测量的采样频率，有利地为大约500赫兹，而在与地震源的激活相同的频率处进行基于从所述第一波场的检测中发出的定向的校正，有利地为大约0.1赫兹。