CN102483464A - 用于定位地震勘探排列系统的前端的方法 - Google Patents

Abstract

描述了用于在海洋勘测中确定浮力元件的位置的系统和方法，其中，无源反射材料设置在浮力元件上以使得船上的雷达能够检测浮力元件的位置。雷达可发射调频连续波或者调频或调相正弦波序列。

Description

用于定位地震勘探排列系统的前端的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年7月7日提交的美国临时专利申请No.61/223609的权益。

不适用关于联邦赞助研究或开发的声明。

技术领域

本发明涉及海洋地震数据采集，更特别是涉及用于定位拖缆阵列的前部的技术。

背景技术

地震勘探涉及针对烃矿床勘测地下地质构造。地震勘测通常涉及在预定位置处部署地震源和地震传感器。所述源产生地震波，地震波传播到地质构造中，从而沿着其路径形成压力变化和振动。地质构造的弹性属性变化使地震波散开，改变其传播方向和其他属性。所述源发射的部分能量到达地震传感器。一些地震传感器对压力变化敏感(水听器)，另一些对粒子运动敏感(例如地音探听器)，工业勘测可以只部署一种传感器或者两种传感器都部署。响应于检测到的地震事件，传感器生成电信号以产生地震数据。随后对地震数据的分析可表明烃矿床的可能位置的存在与否。

一些勘测被称为“海洋”勘测，因为它们是在海洋环境下进行的。然而，“海洋”勘测不仅可以在海水环境下进行，而且可以在淡水和淡海水环境下进行。在一种称为“拖曳阵列”勘测的海洋勘测中，地震传感器和源的阵列被拖曳在勘测船的后面。地震传感器容纳在被勘测船拖曳的拖缆内或上。

在多个拖缆被用于地震数据采集的情况下，偏转器装置(例如门和/或单翼等)常常用来保持拖缆分离。然后使用导入装置将船连接到偏转器。为了保持阵列前部的拖缆深度，使用浮子或扫雷器来获得前部的充分浮力，并因此避免前部下潜。为了确定拖缆的位置，常常在浮子或者特定的专用前端定位浮子上使用GPS单元。这些浮子很笨重，并且由于其就坐在拖缆的前面上而难以保持。此外，它们需要更多的准备时间，因此使得操作效率降低。

使得GPS位于浮子上的另一缺点在于其需要能量，且这种能量来自于导入装置或者拖缆，因为电池能量不足以为GPS及其相关的通信无线电设备供能。由于偏转器很大，用来连接扫雷器和翼的绳和链暴露于很大的力，很难保持电气接线不受拖缆和浮子的影响。此外，需要另外的设备来连接前端GPS。

授予Kongsberg Seatex AS的美国专利No.7315274公开了一种用于通过使用问答机和应答器来确定海洋船和物体的位置的方法。‘274专利描述了使用应答器来将身份标签包含到待反射到问答机的信号中。然而，这种方法仍然在上面定位应答器的海洋物体上需要能量。

发明内容

本发明涉及定位地震勘探排列系统的前部的领域。特别是，本发明描述了如何使用高分辨率雷达技术获得与地震勘探排列系统相关的浮力元件(例如浮子)的位置。无源反射材料设置到浮力元件上，使得其可通过雷达系统检测和追踪。根据本发明的一方面公开的系统和方法因此在浮子上面无源而在船上面有源。该系统在浮子上不需要能量，因此不需要到/来自浮子的电气接线。在其他实施方式中，GPS/雷达组合设置在其中一个浮力元件而不是船上，而剩余的浮子是无源的。

此外，在这里描述的系统中，不需要具有与拖缆设备相关的身份标签，因为其以特定方式拖曳并且定位前元件之间的关系是已知的。还有，无源标记可用来识别拖缆设备。例如，具有已知特征的反射器可设置在拖缆设备上，由此允许解码以识别特定的海洋设备(例如，浮标)。

附图说明

图1是根据本发明的一种实施方式的海洋地震数据采集系统的示意图；

图2是图1的地震勘探排列系统的俯视图，进一步说明了连接在前部浮子和后部浮标之间的多个拖缆；

图3是图2的一个拖缆的侧视图，进一步说明了偏转器装置；

图4是图1的地震勘探排列系统的俯视图，进一步说明了在根据本发明的定位地震勘探排列系统中使用的雷达系统；

图5是图1的地震勘探排列系统的俯视图，进一步说明了在根据本发明的定位地震勘探排列系统中使用的雷达系统的另一实施方式；

图6是用于执行根据本发明的处理技术的数据处理系统的示意图。

具体实施方式

图1描绘了根据本发明的一些实施方式的海洋地震数据采集系统的一种实施方式30。在系统30中，勘测船32在船32后面拖着一个或多个地震拖缆34(图1描绘了一个示例性拖缆34)。地震拖缆34可以长几千米，并可以包含可用来沿着拖缆34支持通信的各种支持缆线(未显示)以及接线和/或电路(未显示)。大体上，每个拖缆30包括主要缆线，记录地震信号的地震传感器36安装在此主要缆线内。需要认识到，在图1中为了强调而示意性地画出了传感器36，实际上，传感器36设置在拖缆缆线34内。

根据本发明的实施方式，地震传感器36可以只是压力传感器，或者可以是多分量地震传感器。对于多分量地震传感器的情况，每个传感器都能够检测压力波场和与靠近此多分量地震传感器的声学信号相关的粒子运动的至少一个分量。粒子运动的例子包括一个或多个粒子位移分量、一个或多个粒子速度分量(纵测线(x)、横测线(y)和垂直(z)分量(例如见坐标轴38))以及一个或多个粒子加速度分量。

根据本发明的特定实施方式，多分量地震传感器可包括一个以上水听器、地音探听器、粒子位移传感器、粒子速度传感器、加速度仪、压力梯度传感器或它们的组合。

例如，根据本发明的一些实施方式，特定的多分量地震传感器可包括用于测量压力的一个水听器和测量地震传感器附近的粒子速度和/或加速度的三个相应正交分量的三个正交排列的加速度仪。注意，根据本发明的特定实施方式，多分量地震传感器可以实施为单个装置，或者可以实施为多个装置。一个特定的多分量地震传感器还可以包括构成另一种粒子运动传感器的压力梯度传感器。每个压力梯度传感器测量特定点处压力波场相对于特定方向的变化。例如，其中一个压力梯度传感器可获得表示在特定点处压力波场相对于横测线方向的偏导数的地震数据，而另一压力梯度传感器可在特定点处获得表示相对于纵测线方向的压力数据的地震数据。

海洋地震数据采集系统10包括地震源40，其可以由例如连接到勘测船32的诸如气枪的一个或多个地震源元件形成。替代地，在本发明的其他实施方式，地震源40可独立于勘测船32操作，仅仅作为例子，地震源40可以联接到其他船或者浮标。

由于地震拖缆34被拖在勘测船32后面，常被称为“炮”的声学信号42(图1中描绘的示例性声学信号42)由地震源40产生并经过水柱44被向下引导到水底表面50下面的地层46和48中。声学信号42从诸如图1中描绘的示例性构造52的各种地下地质构造反射。

通过源40获得的入射声学信号42产生相应的反射声学信号或压力波54，该反射声学信号或压力波通过地震传感器36感测。注意，通过地震传感器36接收和感测的压力波包括不经反射而传播到传感器36的“上行”压力波以及通过压力波54从气-水界面56反射产生的“下行”压力波。

地震传感器36生成被称为“记录道”的信号(例如数字信号)，其表示压力波场和粒子运动(如果传感器是粒子运动传感器的话)的采集测量值。根据本发明的一些实施方式，这些记录道被记录并至少部分通过部署在勘测船32上的信号处理单元58进行处理。例如，特定的多分量地震传感器可通过其水听器提供相当于压力波场测量的记录道，且此传感器可提供通过其加速度仪测量的相当于粒子运动的一个或多个分量的一个或多个记录道。

地震采集的目标是出于鉴定地下地质构造(例如示例性的地质构造52)的目的建立勘测区域的图像。随后的图像分析可揭示地下地质构造中的烃矿床的可能位置。根据本发明的特定实施方式，部分图像分析可以在地震勘测船32上进行，例如通过信号处理单元58进行。

参考图2，地震勘探排列系统30包括操作地连接到一个或多个前部浮子60和后部浮标62的一个或多个拖缆34，这些浮子和浮标向勘探排列系统施加浮力。前部浮子60通过导入缆线63操作地连接到勘测船32。在一些实施方式中，前部浮子60操作地连接到偏转器装置64(图3)，偏转器装置通过拖曳线66操作地连接到船32。偏转器装置64通常用来保持勘探排列系统30的拖缆34之间分离。需要认识到，偏转器装置64可以实施在多种实施方式上。例如，偏转器装置64可以是翼状体，其可产生向侧面的横向力，并因此相对于勘测船32的运动方向在横向方向上推动拖曳线66。在其他实施方式中，偏转器装置64可以是固定角度偏转器装置，例如被称为“门”的类型。

参考图4和图5，根据本发明的原理，诸如连续波雷达技术的高分辨率宽带雷达系统70可用来追踪地震勘探排列系统30的前部浮子60和/或后部浮标的位置，从而不需要在这些浮子和浮标上设置GPS(或其他GNSS技术)。雷达技术最近从简单的脉冲系统演变为连续波(CW)雷达。连续波雷达的一种实施形式是调频连续波雷达(FM-CW)。在FM-CW系统中，发射的信号不是连续的固定频率，而是在固定时间段上上下扫描。通过将接收到的信号的频率与正在发送的进行比较，频率差可被精确地测量，并因此用来确定距离(也称为范围)。关于FM-CW技术的另外的细节可从通过引用结合在此的以下参考文献中找到：“Precise Distance Measurement withCooperative FMCW Radar Units，”Stelzer，A.，Jahn，M.，Scheiblhofer，S.，Kepler University of Linz，Radio and Wireless Symposium，2008IEEE(January 2008)；“Theory of FMCW Radar Waveforms，”2003，www.its.bldrdoc.gov。

其他的雷达技术被认为落入本发明的范围内。例如，脉冲压缩雷达技术可用来实现与FM-CW技术类似的分辨率。脉冲压缩是一种信号处理技术，通常涉及对发射的脉冲进行调制并且然后使接收的信号与发射的脉冲进行相关处理。根据本发明可以使用的脉冲压缩雷达的一个例子是Kelvin Hughes提供的X-Band型SharpEyeTM脉冲压缩雷达。通过利用脉冲压缩技术，现有船用雷达可用来发射信号，因此不需要提供附加雷达来定位海洋地震设备(例如，前部浮子60和后部浮标62)。关于脉冲压缩技术的另外细节可从通过引用结合在此的下列参考中找到：

http://www.radartutorial.eu/08.transmitters/tx 17.en.html。

在一种实施方式中，本发明想到使用安装在船32(例如在船的船尾上)并指向拖曳在船后面的前部浮子60的高分辨率宽带雷达技术，诸如FM-CW或者脉冲压缩。在使用脉冲压缩雷达的情况中，可以利用现有的船用雷达。不是在前部浮子60上使用GPS单元，而是可将无源雷达反射材料可设置在前部浮子上，由此使得浮子对于雷达系统70可见并可通过雷达系统70追踪。各种类型的无源雷达反射材料被认为落入本发明的范围。例如，可以想到诸如金属条的金属材料或者类似的布置。

雷达系统70包括安装在船32上的一个或多个雷达72。在一些实施方式中，雷达72安装在船的船尾上。在其他实施方式中，雷达72安装在船的船桥上。在FM-CW实施方式中，根据本发明的雷达72不同于传统的船用安装雷达之处在于具有更好的角度精确性和更好的范围精确性以定位浮子。然而，如上所述，脉冲压缩技术可以与传统船用安装雷达一起使用。在只使用单个雷达72的实施方式中(图4)，返回雷达接收器的定位数据是束，该束的形成使得可以取得浮子的若干行程时间和角度测量。在其他实施方式中，两个或更多个雷达72可以用来确定地震勘探排列系统30中使用的不同前端浮子60的位置。例如，图5说明了从两个雷达72发射的两个束指向一个前部浮子60的方向的一个原理。利用当前的技术，可以根据雷达孔径选择多个束和束宽。可使用具有足够孔径的两个或更多个同步雷达或者超高分辨率雷达。在一种实施方式中，雷达72的位置使用具有高精度的实时动态(RTK)GPS来勘测。

实践中，船上的雷达72通常朝着海、更具体地朝着前部浮子60发射脉冲连续波。发射的信号碰到无源反射材料并返回到雷达72的接收天线。不需要标记特定的设备，因为拖缆设备以特定的方式拖曳且定位它们之前元件之间的关系是已知的。然而，在一些例子中，采用无源标记。例如，具有已知特征(例如，能够与其他反射器区别的像材料属性的特征)的反射器可定位在拖缆设备上，由此允许解码以识别特定的海洋设备。

然后，返回的信号被处理以获得雷达图像。在一些实施方式中，信号的处理可在与雷达72相关的处理器上进行，而在其他实施方式中，处理可在与雷达72分离设置的处理器上进行。例如，接收的信号可被转换成视频信号并在单独的单元中独立地处理。处理可以被优化以避免海效应(波)、雨和其他干扰影响浮子60运动。可因此确定范围和定向，并且范围和定向的改变可用来追踪浮子60。实践中，范围和定向与通常从诸如GPS的船用全球导航卫星系统(GNSS)获得的地理坐标参考有关。

参考图6，根据本发明的一些实施方式，数据处理系统100可包括被构建成执行至少一个程序104(存储在存储器106中)的处理器102，目的是处理数据以实现这里公开的一个或多个技术(例如，处理从浮力元件反射的信号数据)。处理器102可以联接到通信接口108，用以在船32处接收数据。除了存储用于程序104的指令，存储器106可存储这里公开的技术中涉及的初步、中间和最终数据集(与技术110相关的数据)。在它的其他特征中，数据处理系统100可包括显示器接口112和显示器114，用以显示如这里描述所生成的各种数据。

一旦浮子60相对于雷达72的位置已知，例如传感器36的地震传感器的位置可以使用声学定位来确定。声学定位的一个例子由通过引用结合在此的授予Hatteland的美国专利No.5668775教导。GPS(或类似的GNSS技术)可接着用来将地震传感器36映射到其真实地理位置。以此方式，可将传感器36的位置与源40的击发相关。因此，根据本发明，雷达72的使用确定了无源的(即，在或者到浮子60不需要能量源)浮子60的范围，因此确定了浮子60的位置。通过知道浮子60、船32和与拖缆34相关的声学设备的相对位置，可以确定传感器36的位置。

除了定位拖缆34的前部外，本发明的原理还可适用于定位源40。在这种实施方式中，无源反射材料可作为涂层或者沿着某些点施加到源浮子。

尽管已经就有限数量的实施方式描述了本发明，但受益于本发明的本领域技术人员将认识到对其的多种修改和变型。例如，在一些实施方式中，GPS(或类似的GNSS技术)可放置在后部浮标62上以提供进一步的参考点。同样，将认识到可利用设置在拖缆上或拖缆中的声学设备以及设置在地震勘探排列系统的其他部件上的声学设备实现声学定位。更进一步，本发明的系统和方法可用来追踪与地震勘探排列系统30相关的任何浮力元件的位置，不仅包括前部浮子60和后部浮标62，还包括扫雷器、源浮子、单翼浮子、门浮子和中间拖缆定位浮子。因此，与地震勘探排列系统30相关的任何这些浮力元件上可设置无源雷达反射材料以便于根据本发明定位这些浮力元件。

在一些实施方式中，雷达72可与船32分开地定位，并定位在形成地震勘探排列系统30的部分的其他地震设备上。例如，本发明的方法中使用的GPS(或类似的GNSS技术)可与雷达72一起定位在源40上。替代地，GPS和雷达的组合可定位在其中一个前部浮子60上。更一般地说，GPS和雷达的组合可设置在与地震勘探排列系统30相关的任何浮力元件上并用来定位地震勘探排列系统的其他浮力元件。

所附的权利要求意欲覆盖所有这些修改和变型，其落入本发明的真正精神和范围。

Claims (27)

1.一种地震勘探排列系统，包括：

船，所述船上安装有雷达；

拖缆，所述拖缆操作地连接到所述船；

浮力元件，所述浮力元件操作地连接到所述拖缆并且上面设置有无源雷达反射材料。

2.根据权利要求1所述的地震勘探排列系统，其中，所述雷达能够发射调频连续波。

3.根据权利要求1所述的地震勘探排列系统，其中，所述雷达能够发射调频或调相的正弦波序列。

4.根据权利要求2所述的地震勘探排列系统，其中，所述雷达是多个雷达。

5.根据权利要求3所述的地震勘探排列系统，其中，所述雷达是多个雷达。

6.根据权利要求4所述的地震勘探排列系统，其中，所述多个雷达中的至少两个是同步的。

7.根据权利要求1所述的地震勘探排列系统，其中，所述浮力元件是前部浮子、后部浮标、源浮子、扫雷器、单翼浮子、门浮子或者中间拖缆定位浮子。

8.根据权利要求1所述的地震勘探排列系统，其中，所述无源雷达反射材料是金属性的。

9.根据权利要求1所述的地震勘探排列系统，其中，不向所述浮力元件提供能量供应。

10.一种用于定位地震勘探排列系统的浮力元件的系统，包括：

雷达，其用于发射调频连续波，所述雷达安装在与所述地震勘探排列系统相关的船上；和

无源雷达反射材料，其设置在所述浮力元件上；

其中，所述雷达检测所述无源雷达反射材料以便于定位所述浮力元件。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述雷达是多个雷达。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述浮力元件是为所述拖缆赋予浮力的前部浮子。

13.一种用于定位地震勘探排列系统的至少一部分的方法，包括：

使用船来拖曳一个或多个拖缆，所述船具有GNSS装置，所述拖缆操作地连接到至少一个浮力元件，其中所述至少一个浮力元件上设置有无源雷达反射材料；

从所述船上的雷达发射信号，所述信号通过所述无源雷达反射材料从所述至少一个浮力元件反射；

在所述船处接收反射的信号；以及

使所述信号与所述GNSS装置提供的地理坐标参考相关联以确定所述至少一个浮力元件的参考位置。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述至少一个浮力元件包括多个浮力元件，并且所述方法还包括在所述多个浮力元件的至少一些上设置无源雷达反射材料。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，从所述船上的雷达发射信号包括发射调频连续波。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，从所述船上的雷达发射信号包括发射调频或调相的正弦波序列。

17.根据权利要求13所述的方法，还包括使用所述至少一个浮力元件的参考位置确定设置在所述拖缆中的至少一个地震传感器的参考位置。

18.一种用于定位地震勘探排列系统的至少一部分的方法，包括：

在操作地连接到拖缆的浮力元件上设置无源雷达反射材料；

在与所述浮力元件相关联的船上安装一个或多个雷达；以及

使用所述雷达来确定所述浮力元件的位置。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，安装一个或多个雷达包括安装发射调频连续波的一个或多个雷达。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，安装一个或多个雷达包括安装发射调频或调相正弦波序列的一个或多个雷达。

21.根据权利要求18所述的方法，其中，设置无源雷达反射材料包括将金属材料施加到所述浮力元件。

22.根据权利要求18所述的方法，其中，使用所述雷达包括在所述浮力元件的方向上从所述雷达发射束以因此检测所述无源雷达反射材料。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，使用所述雷达进一步包括检测来自所述浮力元件的反射信号。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，使用所述雷达进一步包括处理所述信号以获得所述浮力元件的范围和定向。

25.根据权利要求18所述的方法，其中，所述拖缆包含一个或多个传感器，所述方法还包括使用所述浮力元件的位置来确定所述一个或多个传感器的位置。

26.根据权利要求18所述的方法，其中，所述无源雷达反射材料具有至少一个已知特征，所述方法还包括通过所述已知特征识别所述浮力元件。

27.一种用于定位地震勘探排列系统的至少一部分的方法，包括：

在与所述地震勘探排列系统相关联的浮力元件上安装雷达和GNSS装置；

在与所述地震勘探排列系统相关联的至少一个其他浮力元件上设置无源雷达反射材料；以及

使用所述雷达和GNSS装置来确定所述至少一个其他浮力元件的位置。

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