CN104246537A - 无线海底地震传感器和数据收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够在阵列中独立定位并操作的无线海底地震传感器（1）和从这样的传感器的阵列收集数据的方法。

Description

无线海底地震传感器和数据收集方法

技术领域

本发明涉及地震传感器及其操作的方法，具体地，涉及用于在海床上阵列状海底配置的海底地震传感器及其使用无线通信的操作。

背景技术

执行地震调查，以搜索并管理地下岩层中的油气储备。这样的调查利用地质层和岩石/土壤所导致的地震波的反射或折射，以便描绘可能含有碳氢化合物的地下地质状况和结构的特性。当将被调查的岩层在海底时，传感器阵列可以例如通过被拖到调查船后面而典型地配置在海面上。然而，漂浮的传感器阵列仅能够检测纵波或压力波（p波），因为从受控制的地震能量源产生出的横波或切变波（s波）不通过水行进。在地震传感器位于海床上时，能够获得更多的信息，并且，地震调查能够更有效。通过将诸如地听器（geophone）和水听器（hydrophone）的地震传感器以及地震能量源定位于坚硬的海床上，从而可以将压力波和切变波两者都直接地引入坚硬的海床中，并且，可以在地震传感器处接收到s波和p波两者。然后，能够开始进行对地震记录的更详细的解释，以揭示可能的含有碳氢化合物的岩层。

常规地，地震传感器串接成阵列，传感器以固定间隔接线。准确地将阵列中的多串地震传感器放置在海床上很难且耗费时间。海床并不总是水平的，所以，在传感器不能均匀地隔开时，不得不作出校正。运送电力和传感器之间的通信的接缆造成大的资本成本。在海底环境下，电气布线也退化。

发明内容

本发明针对提供这样的改进的海底地震传感器：可以便利地个别地配置于阵列中；可以个别地被供电；并且，各自包括通信模块或收发器，以便对来自每个传感器的地震数据和位置信号无线地进行通信。采取无线通信并使用用于每个传感器或传感器组的本地电池或电源，消除对线缆将固定阵列中的传感器连接的需要。这通过消除传感器之间的昂贵的布线来充分降低与地震传感器通信的成本。而且，本发明允许地震传感器的位置的灵活性，但仍提供对其位置的准确确定。

可以在配置之后使用三个或更多个传感器之间的无线位置信号的三角测量来便利地且准确地确定个别的传感器的相对位置。没有必要像有线阵列那样将传感器以预定的相互关系固定。可以更迅速地且便利地将个别的传感器放置（以及放回）在海床上，而不担心其精确的位置。无需精确的初始再定位就容易地放回个别的传感器，诸如对于生产中的油气层的4D或延时地震监测，在阵列长期保留在原处的情形下也是有帮助的。传感器还可以包括用于确定使用时传感器在海床上所位于的低于海平面的深度的换能器。

地震传感器可以包括3或4分量（3C或4C）传感器，该3或4分量传感器包括具有水听器的3个正交地听器，这3个正交地听器每个传感器或作为连接至本地电池的一组传感器由电池或备选的海底电源供电。

在第一方面，本发明提供一种海底地震传感器，该海底地震传感器包括：至少一个换能器，响应于跟随地震事件的物理变化；用于记录来自该换能器或每个换能器的数据的部件；以及收发器，用于响应于从外部源接收的控制信号而将所记录的数据从传感器无线地传输至远程数据收集装置。

优选地，传感器适于选择性地且无线地与一个或更多个相邻的类似的传感器通信。便利地，传感器适于使用传感器之间的无线通信来确定其相对于一个或更多个相邻的类似的传感器的位置或另一个类似的传感器相对于其的位置。传感器还能够适于从具有其拥有的数据的一个或更多个其他类似的传感器接收并累积数据且将该累积的数据再传输至另一个类似的传感器或远程数据收集装置上。

使用无线通信和可独立地操作的传感器还促进从这样的传感器的阵列收集数据的备选的方法。

本发明还提供使用远程数据收集装置来从根据本发明的海底地震传感器的阵列收集数据的方法，该方法包括：将控制信号依次无线地发送至阵列中的所选择的多个传感器的每一个，以开始依次从该所选择的多个传感器的每一个无线传输数据；和在远程数据收集装置处依次从该所选择的多个传感器的每一个接收所传输的数据。另外，该方法可以便利地包括如下的步骤：将全部所接收的数据存储在远程数据收集装置中；和随后从远程数据收集装置传递所存储的数据，以供进一步处理。远程数据收集装置可以是安装在远程地操作的车辆（ROV）或自主水下车辆（AUV）中的移动单元，必要时能够部署该移动单元从阵列（或若干个阵列）检索数据，从而节省针对每个阵列而安装固定的数据收集装置的成本。

在海底地震传感器适于彼此通信的情况下，根据本发明的备选的数据收集方法包括如下的步骤：从远程数据收集装置无线地发送轮询信号；从阵列中的相邻的传感器接收一个或更多个响应；选择性地将响应的传感器之一指定为传感器的通信链中的第一传感器，该一个指定的响应的传感器然后发送轮询信号并从一个或更多个先前未指定的传感器接收响应，并且，选择性地将先前未指定的响应的传感器之一指定为通信链中的下一个传感器，并且，下一个传感器重复轮询和针对通信链中的随后的下一个传感器的选择性的指定，并且，重复该过程，直到通信链具有期望数量的传感器为止或直到无传感器依然未被指定为止；将数据收集信号从数据收集装置发送至第一指定的传感器，以开始数据收集；沿着通信链从链中的第一至最后指定的传感器传送数据收集信号；以及沿着传感器链后退从最后指定的传感器开始数据传输，链中的每个下一个最后指定的传感器相继地将其数据加到从链中的每个先前的传感器接收的数据，链中的第一指定的传感器最终将所累积的数据从本身和链中的全部先前的传感器传输至数据收集装置上。

根据本发明的方法还可以便利地包括如下的步骤：使用传感器之间的无线信号传输来通过三角测量而确定该至少一个传感器相对于阵列中的两个或更多个其他传感器的位置；和将所确定的位置数据传输至远程数据收集装置。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的地震传感器的框图；

图2说明适于与移动数据收集装置个别地通信的地震传感器的阵列；

图3说明适于与固定远程数据收集装置个别地通信的类似的地震传感器阵列，该固定远程数据收集装置包括单独的海床收发器单元，以便转交至移动数据收集装置；以及

图4说明另一个地震传感器阵列，该地震传感器阵列适于逐传感器地通信，以累积来自阵列的数据，以便经由海床收发器单元而最终转交所累积的数据。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例的地震传感器1的框图。传感器1包括包围传感器的电子模块的防水耐压壳体2。电源单元（PSU）3装备有可再充电电池，以将电力供给至模块。PSU可以经由连接器4而连接至外部电源，该外部电源还能够用于对内部电池再充电。该传感器包括响应于传感器的三维物理位移的3分量地听器5和响应于水压变化的水听器6。在操作中，来自地听器5和水听器6的信号传达至数据采集模块7。控制单元8对数据采集和存储器模块9中的数据的存储进行管理。控制单元8还对经由收发器模块10和天线11而从外部电源接收控制信号和数据并将控制信号和数据传输至外部电源进行管理。该传感器装备有其拥有的个别电子识别器（ID），以便能够选择性地将信号发送至每个传感器并从每个传感器发送信号。传感器1还装备有用于机械复原的把手12和自动检索机构13，自动检索机构13结合有适于使气球充气以将传感器提升至海面的可电操作的压缩空气筒。

图2示出配置于海床上的十六个传感器1的阵列并说明可以使用这些传感器来采用的数据收集的方法。四个传感器1（a）、（b）、（c）以及（d）示出为连接至辅助电源14。剩余的传感器全部由其内部PSU个别地提供电力。

在该示例中，由远程地操作的车辆（ROV）15个别地从传感器收集数据，其经由脐带线缆17受控制并且与表面通信。ROV 5经由其天线16而发送控制信号，以询问传感器。在该实施例中，个别地询问每个传感器1，并且，每个传感器1相继地将其数据传输至ROV 15。在备选的实施例中，可以将每个传感器调整为在稍有不同的频率上传输，以便能够同时地在不同的频率上收集来自不同的传感器的数据。

图3示出设置为使用经由本地数据枢纽单元18而进行数据收集的备选的方法的类似的传感器1的阵列。在该情况下，枢纽单元18定位在中心，以从阵列中的全部传感器1收集数据。在所说明的实施例中，经由天线19（a）而从每个传感器1接收数据。然后，存储所累积的数据，直到部署自主水下车辆（AUV）20收集数据为止。AUV 20被预编程为越过阵列并与枢纽单元18无线地通信，枢纽单元18被指示为经由枢纽单元18上的天线19（b）而将所累积的数据传输至AUV 20上的天线21。由于AUV 20未直接地经由任何脐带连接来连接至表面，于是，在能够下载所累积的数据以便以通常的方式处理时，在返回至表面之前，AUV 20本身存储从枢纽单元18收集的数据（并且，对于多个阵列和相关联的其他枢纽单元，能够同样地进行）。

图4示出设置为使用经由海底基本单元22而进行数据收集的又一备选的方法的另一个类似的传感器1的阵列，在该示例中，海底基本单元22本身经由脐带线缆24而连接至表面并从表面控制。

在该实施例中，基本单元22被编程为轮询并经由天线23而与阵列中的一个或更多个传感器无线地通信。每个传感器1类似地适于轮询并与一个或更多个相邻的传感器通信，以便使用阵列中的全部有源传感器来设置“菊花链”通信信道（即，1（p）至1（a）及返回）。

为了设置合适的信道，基本单元22首先轮询附近的传感器，并且，在所采集的信号强度或其他适当的参数的基础上，选择并指定一个传感器（典型地，在所示出的示例中，为最近的-1（p））来启动链。然后，第一指定的传感器本身轮询相邻的传感器并指定下一个最近的1（o）。处理继续，每个相继地指定的传感器进一步指定下一个先前未指定的传感器，直到依次指定阵列中的全部有源传感器且完成链为止。在阵列包括多支线或多条分叉线的传感器的情况下，于是，一个或更多个传感器可以用作临时节点，往返于多条链的传感器而通信，以便完成往返于基本单元而到达全部有源传感器的通信信道。类似地，如果链中的传感器出故障，则能够将相邻的传感器编程为自动地重定链路线。在该实施例中，在基本单元22希望从阵列开始数据收集时，基本单元22发送适当的触发命令，将该触发命令沿着链向下中继至最远的传感器（即，至示例中的1（a））。然后，该传感器通过将其数据传输至链中的下一个传感器1（b）而响应，该传感器1（b）加上其数据，然后，将组合的数据传输至下一个传感器上，依此类推，直到链中的最后的传感器1（p）将阵列中的全部有源传感器的所累积的数据传输至基本单元22上为止。

阵列中的传感器的交互式智能菊花链接的使用能够克服水下的通信距离限制的问题，在水下，信号可能经受越过相对短的距离的快速衰减。例如，这还意味着传感器发送器无需对电池进行再充电就能够在较低的功率下操作较长的时期。

将显而易见，例如，在图2、3和4的示例中说明的数据收集的方法的各种方面可以在大型阵列中互换或组合。

在每个上文的选项中，无线通信能够凭借电磁射频、声学或光学手段，并且，可以由诸如水流涡轮、温差热电偶、核同位素发电机等的备选的本地电源为传感器和发送器提供电力。

能够战略性地将每个传感器相对于有效的阵列的其他传感器而放置。备选地，能够将第一传感器或基本单元准确地放置，并且，剩余的传感器以不那么准确的初始定位分布。于是，传感器（不共线）之间的信号的三角测量能够用于将传感器相对于彼此而定位。至任何特定的传感器的距离可以通过测量从该传感器至靠近该传感器的三个不同的传感器的信号中的相对延时来确定。使用根据本发明的可个别地选择的无线地震传感器，能够关于阵列中的许多传感器的哪个将要参与任何特定的调查并关于选择定义哪个地震数据源来产生特定的地震图像而作出决定。使用来自整个阵列的子集的数据能够有效地允许分析者从一个特定的透视图“观察”油气层。能够使用整个阵列的不同的子集来构建类似的视图，以从不同的角度得到地震分布图。然后，可以将这些单独的“视图”组合，以改进总体的油气层图像的分辨率。

Claims (16)

1. 一种海底地震传感器，包括：

至少一个换能器，响应于跟随地震事件的物理变化；

用于记录来自所述换能器或每个换能器的数据的部件；以及

收发器，用于响应于从外部源接收的控制信号而将所述记录的数据从所述传感器无线地传输至远程数据收集装置。

2. 如权利要求1所述的传感器，适于选择性地且无线地与一个或更多个相邻的类似的传感器通信。

3. 如权利要求2所述的传感器，适于使用所述传感器之间的无线通信来确定其相对于一个或更多个相邻的类似的传感器的位置或另一个类似的传感器相对于其的位置。

4. 如权利要求2或3所述的传感器，适于从具有其拥有的数据的一个或更多个其他类似的传感器接收并累积数据且将所述累积的数据再传输至另一个类似的传感器或远程数据收集装置上。

5. 如任一项先前的权利要求所述的传感器，适于根据需要而调整所述收发器传输的操作频率。

6. 如任一项先前的权利要求所述的传感器，其中，所述至少一个换能器包括地听器。

7. 如任一项先前的权利要求所述的传感器，其中，所述至少一个或另一个换能器包括水听器。

8. 如任一项先前的权利要求所述的传感器，包括自持电源。

9. 如权利要求8所述的传感器，其中，所述自持电源结合有可再充电电池和用于在原地对所述电池再充电的部件。

10. 如任一项先前的权利要求所述的传感器，其中，所述收发器使用射频、光频和声学信号的至少一个来无线地通信。

11. 一种使用远程数据收集装置来从权利要求1至10的任一项所述的海底地震传感器的阵列收集数据的方法，所述方法包括：

将控制信号依次无线地发送至所述阵列中的所选择的多个所述传感器的每一个，以开始依次从所述所选择的多个传感器的每一个无线传输所述数据；和

在所述远程数据收集装置处依次从所述所选择的多个传感器的每一个接收所述传输的数据。

12. 如权利要求11所述的方法，还包括如下的步骤：

将全部所述接收的数据存储在所述远程数据收集装置中；和

随后从所述远程数据收集装置传递所述存储的数据，以供进一步处理。

13. 如权利要求11或12所述的方法，其中，所述远程数据收集装置在ROV或AUV中被调动。

14. 一种使用远程数据收集装置来从权利要求3至10的任一项所述的海底地震传感器的阵列收集数据的方法，所述方法包括：

从所述远程数据收集装置无线地发送轮询信号；

从所述阵列中的相邻的传感器接收一个或更多个响应；以及

选择性地将所述响应的传感器之一指定为传感器的通信链中的第一传感器，所述一个响应的传感器然后发送轮询信号并从一个或更多个先前未指定的传感器接收响应，并且选择性地将所述先前未指定的响应的传感器之一指定为所述通信链中的下一个传感器，并且所述下一个传感器重复所述轮询和对所述通信链中的随后的下一个传感器的选择性的指定，并且重复该过程，直到所述通信链具有期望数量的传感器为止或直到无传感器依然未被指定为止；

将数据收集信号从所述数据收集装置发送至所述第一指定的传感器，以开始数据收集；

沿着所述通信链从所述链中的所述第一至最后指定的传感器传送所述数据收集信号；以及

沿着所述传感器链后退从所述最后指定的传感器开始数据传输，所述链中的每个下一个最后指定的传感器相继地将其数据加到从所述链中的每个先前的传感器接收的数据，所述链中的所述第一指定的传感器最终将累积的数据从所述链中的全部所述传感器传输至所述数据收集装置上。

15. 如权利要求11至14的任一项所述的方法，与以权利要求3至10的任一项所述的传感器的阵列一起使用，对于所述阵列中的至少一个传感器，包括如下的步骤：

使用所述传感器之间的无线信号传输来通过三角测量而确定所述至少一个传感器相对于所述阵列中的两个或更多个其他传感器的位置；和

将所述确定的位置数据传输至所述远程数据收集装置。

16. 如权利要求11至15的任一项所述的方法，包括从所述阵列中的传感器的总数的子集选择性地收集与具体的地震事件有关的数据的步骤。