CN104919339A - 集成地震监控系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了集成地震系统和用于监控地下结构的地震参数的方法。所述集成地震系统包括多个移动卫星节点、地震线缆和基站。所述移动卫星节点中的每个具有与其可操作地连接用于从所述地下结构收集地震数据的传感器站。所述地震线缆可操作地连接所述多个移动卫星节点和所述传感器站。所述基站包括地震采集单元，所述地震采集单元用于经由所述地震线缆从所述多个移动卫星节点接收地震信号并且用所述地震信号产生地震参数。

Description

集成地震监控系统和方法
本申请要求2012年3月8日提交的美国临时专利申请No.61/608,345的优先权权益，其公开的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及用于研究地下结构的技术。更具体地，本公开涉及用于测量地下结构的地震参数的光学监控系统。
背景技术
油气勘探可涉及研究地下结构，诸如，地质建造和/或储层。可以将地震感测系统定位在用于感测地下结构性质的地面位置。这种性质可包括物理性质，诸如，压力、运动、能量等。这种性质可自然地出现，或者可通过使用地震能量源(地震振动卡车)向地面施加力来产生。在美国专利申请No.2009/0238038中提供了用于产生地震振动的地震振动卡车的示例。可以收集和分析被反射的由地震能量源产生的地震波以确定地下结构的特性。
已经开发出用于感测地震参数的技术。在美国专利/申请No.20080062815、No.20080060310和No.20080060311中提供了这种技术的示例。一些地震感测系统可以是例如包括多个地震卡车的光学系统，这些地震卡车分布于用于独立收集地震数据的位置。每台地震卡车可具有带有光学传感器的光纤线缆，这些光学传感器分布于地下结构的地面。地震卡车还可具有发射通过光纤线缆的激光的光源。光源将光分配给沿着光纤线缆定位的光学传感器并且收集来自这些光学传感器的光。地震卡车可具有用于检测光的变化的装置。可使用这种变化来确定关于地下结构的信息并且生成地下结构的图像。在美国专利No.7622706、No.7222534、No.7154082和No.6549488中提供了光学系统和传感器的示例。
尽管用于光学地震监控的先进技术有发展，但仍然有需要提供用于执行光学地震监控的先进技术。本发明的主题涉及实现本技术中的这些需要。
发明内容
本公开涉及一种集成地震监控系统，该集成地震监控系统可定位在地面位置周围以形成用于收集与地下结构相关的地震数据的集成网络。所述集成地震监控系统包括基站、多个移动卫星节点和地震线缆。所述多个移动卫星节点具有与其可操作地连接的、用于从所述地下结构收集地震数据的传感器站。所述地震线缆可操作地链接所述多个移动卫星节点和所述传感器站。所述基站包括地震采集单元，所述地震采集单元用于经由所述地震线缆从所述多个移动卫星节点接收地震信号并且根据所述地震信号产生地震参数。
所述地震线缆可以包括光纤线缆并且所述基站可以包括用于通过所述光纤线缆发送和接收光的光源。所述地震线缆可以将所述基站串联链接到所述移动卫星节点。所述卫星节点可以是地震卡车。所述光线线缆可以包括耦接在一起的光纤段。所述地震采集单元可以包括记录介质(例如，磁带驱动器和/或RAID驱动器)、源控制器、采集管理系统、传播和光电子器件、和/或通用采集系统。所述地震线缆可以按照环状、线性、星形和/或同心环构造将卫星节点链接到基站。所述传感器站可以通过阵列线缆连接到所述卫星节点。
本公开还涉及一种用于监控地下结构的地震参数的集成方法。所述方法涉及：提供包括基站和多个移动卫星节点的集成地震系统(所述卫星节点中的每个具有与其可操作连接的传感器站)，将所述移动卫星节点和所述传感器站与地震线缆链接，用所述传感器站从地下结构收集地震数据，经由所述地震线缆在基站接收来自所述移动卫星节点的地震信号并且根据所述地震信号产生地震参数。
所述方法还可以涉及在所述基站通过所述地震线缆从光源接收光以及将光发送到所述传感器站，将所述移动卫星节点和所述传感器站定位在所述地下位置周围，分析测得的所述地震参数，处理测得的所述地震参数，在地面位置产生地震扰动，将所述传感器站的位置(例如，GPS位置)与所述地震参数相关联。
附图说明
通过参照在附图中示出的主题的实施例，对本文中简要总结的主题进行更具体的描述。附图不一定成比例，为了清晰简明，成比例地示意性夸张地示出附图的某些特征和某些视图。
图1示出用于监控地下结构的地震参数的集成地震系统的示意图，该系统包括通过光纤线缆链接的基站单元、移动卫星节点和传感器站。
图2示出图1的系统的部分2的示意图，更详细地描绘了移动卫星节点和传感器站。
图3示出地震采集单元的示意图。
图4是示出监控地下结构的地震参数的方法的流程图。
具体实施方式
随后的描述包括实施主体的技术的示例性设备、方法、技术和指令序列。然而，要理解，可在没有这些具体细节的情况下实践所描述的实施例。
提供集成地震监控的系统和方法。集成系统包括基站单元、多个移动卫星节点和多个传感器站。光纤线缆将基站单元连接到多个移动卫星节点，这些移动卫星节点分布于地面位置周围用于在其间进行交互式操作。移动卫星节点中的每个具有用于收集与地下地层相关的地震数据的传感器站。可以使用基站单元处的单个光源向各地震卫星节点发送激光以及接收激光。可以在基站收集和操纵来自各地震卫星节点的信息。
图1示意性示出用于监控地下结构102的地震参数的系统100。系统100包括基站(或营地)104、多个移动卫星节点106和多个传感器站108。基站104可以处于用于控制系统100的整体操作的统一或集中位置。操作人员可以驻扎在基站104，执行系统100整体的手动和/或自动操作。移动卫星节点106可选地是无人的，位于基站104的操作人员控制各卫星节点106的操作。
卫星节点106可以是可部署到地下结构102周围的各种地面位置的地震卡车或其它移动装置或车辆。各卫星节点106可具有阵列(或地震阵列)线缆120，阵列线缆120链接到用于收集地震数据的多个传感器站108。地震线缆110从基站104延伸到各卫星节点106。地震线缆110可从基站104部署到卷筒上并且延伸到与之通信的各传感器站108。可通过借助地震线缆110将基站104链接到卫星节点106和传感器站108来形成通信网络。地震线缆110可以是单一线缆，或者结合在一起形成单根线缆的多根线缆。在美国专利No.6827597中描述了用于结合线缆的结合器。
可使用能够在基站104和传感器站108之间进行通信的任何线缆。地震线缆100可以是例如用在地震勘探中的传统光纤线缆。可使用传统的光纤线缆，诸如，在被凝胶填充的不锈钢管内部带有光纤的钢壳光纤线缆。在一些情况下，集成地震系统的一些部分可具有使用其间的有线或无线通信链路的额外的或其它的通信链路。
基站104可具有包括激光器的光源112，激光器用于发射通过地震线缆110的激光111。在美国专利No.7622706中描述了用于使激光经过光纤线缆的技术的示例。可以设置用于检测激光111的变化的地震检测器114。还可以设置用于分析变化并且据此测定地震参数的处理器116。可以在基站104设置地震采集单元118，地震采集单元118用于接收光111并且据此测定地震参数，如本文中将进一步描述的。根据需要，可以将卫星节点106设置成具有基站104相同的能力，以便独立于基站104而进行运行。
可以使用选定长度的光缆110运送来自光源的光，所述光分布于地震系统100中的各种传感器站108。传感器站108中的光经历与正被测量的物理性质相关的变化或相移。光纤的光学特性的变化造成可由多种不同光学测量技术之一检测的被施加光的性质变化。然后，收集来自传感器站108的光学信号并且将它返回到接收装置，以便进行分离和分析来自各传感器站108的信号。
在美国专利No.6,850,461中提供光纤线缆的示例。光纤线缆可以使用波分多路复用(WDM)和/或频分多路复用(FDM)技术，在这些技术中，用分立的模块进行从输入总线分到各个传感器的光源光的分光和来自各个传感器的信号的重组，使得光接合和分光或重组部件与线缆的其它部分在机械上隔离。线缆和/或传感器站的一些部分可以是可更换的，以应对系统中可出现的任何故障。
可以设置地震源119，地震源119用于产生冲击、振动、爆炸或其它地震事件，以通过地下结构102产生地震波。可以使用传统的地震源，诸如，地震振动卡车(参见例如美国专利申请No.2009/0238038)。在一些情况下，地震卫星节点106能够在地下结构102中产生地震波。集成地震系统100可以定位在地震源119和/或地下结构102周围，用于测量地震源119产生的地震参数。
可以创建从基站104到卫星节点106的数据网络环，以在地震采集期间传达系统100的状态。集成地震系统100可以在地下结构的地面周围形成地震网络。可以将一个或多个卫星节点106链接到基站104，以形成网络。卫星节点106可以定位在地下结构102的地面周围的各种位置。地震线缆110可以串行地或者以离散间隔从基站104延伸到卫星节点106。
如图1中所示，卫星节点106形成从基站104串行延伸到各卫星节点并且返回基站104的连续环路。卫星节点106可以被放置成各种构造，诸如，环路(或环)构造、星形构造、线性构造和/或其它构造。可以使用连续和/或线性构造的各种组合来提供各式各样的构造。基站104处的光源112可以发射光111，光111经过各卫星节点106并且返回到基站104。在诸如环路、环形或星形的连续构造中，光111可以经过光纤线缆110并且继续前进到其中的地震采集单元118，如虚线箭头所指示的。在线性构造中，光源112可以发射通过其中的光111并且接收通过其返回的光。如双向实心箭头所指示的，数据可以经由地震线缆110双向通过系统100。
卫星节点106可以是具有例如大约72,000信道能力的处理单元。采集勘探需要可要求系统具有大约一百万或更多的频道。可以部署多个卫星节点106来提供必要的信道能力。可以使用通过系统100形成的集成网络来从单个位置操作多个卫星节点106所提供的信道。可以使用地震采集单元118接收和处理来自多个节点的数据并且执行必要的质量控制(QC)和操作控制。可以使用系统100提供的集成构造比较来自多个源的数据，消除冗余，提供对数据的综合分析。
图2示出图1的地震系统100的部分2的示意图。该图还更详细地示出卫星节点106(被示出为地震卡车)和传感器站108中的一个。如图所示，多个阵列线缆120从卫星节点106延伸，其中，每个阵列线缆120具有多个传感器站108。传感器站108可操作性地连接到与之进行交互的卫星节点106。传感器站108可由地震线缆110携带，或者在一些地面位置连接到地震线缆110。传感器站108可以是可定位在一些地面位置周围用于测量地下结构102的地震参数的传统光学传感器。光学传感器可以是例如水下地震检波器、加速计或地音探测器，用于感测物理性质，诸如地下动作、能量或压力变化。传感器站108可以具有射频标识(RFID)标签R，这些标签R包含各传感器站的信息(诸如，标识符)。
传感器站108可以连接到地震线缆110上的传感器垫。举例来说，可以沿着地震线缆110大约每25米设置传感器垫。传感器站108可以定位在各种位置并且用于响应于感测到的物理性质产生光学信号。该光学信号可以是例如响应于物理参数变化的波长变化、相位变化或干涉图案。在美国专利No.7154082和No.6549488中提供了光学传感器站的示例。使用光学遥测系统从信号返回光纤和基站104处的光源112多路复用多个传感器站108。
如图2中所示，地震线缆110从基站104进入卫星节点106并且被分成阵列线缆120。地震线缆110继续通过卫星节点并且到达接下来的一个或多个卫星节点并且回到基站104。可以用用于测定地震参数的传感器站108和/或卫星节点106提供与基站104的通信。激光111可以经过地震线缆110，通过卫星节点106并且到达基站104，如虚线箭头所指示的。激光111还被引导通过传感器线缆并且返回到卫星节点106。当激光111从基站104前进到卫星节点106时，卫星节点106收集、放大和重新分配光。
地震线缆110还可以用于使数据在卫星节点106之间传递并且使数据回到基站104，如双向箭头所指示的。数据可以被导向图1的地震采集单元118。卫星节点106可以容纳其自身的地震采集单元218，地震采集单元218用于收集和记录其传感器站108的地震数据。地震采集单元118和/或218可以接收前进到传感器站108并且从其返回的光111，并且可以确定地震参数，如本文中将进一步描述的。地震采集单元218可以具有图1的地震采集单元118的部分或全部功能。
图3是可以用作图1的基站104的地震采集单元118和/或图2的卫星节点106的地震采集单元218的系统架构的示意图。地震采集单元118/218具有多个电子部件，包括采集管理系统330、QC/处理系统332、记录介质334、335、传播和光电子器件336、源控制器338和采集记录器(或一般采集系统(有时被称为“gAS？”))340。可以在电子部件之间提供各种链路以进行电子部件之间的可操作连接。
源控制器338提供基站的操作人员和卫星节点106之间的通信。来自卫星节点106的数据被从源控制器338传递到采集管理系统330。采集管理系统330提供基站104处的操作人员和卫星节点106之间的通信。来自卫星节点106的数据被传递回到采集管理系统330。采集管理系统还可以与源控制器338通信，以提供将与数据一起被存储的振动器信息。采集管理系统330充当用于处理地震采集单元118/218的所有数据的中央处理单元(CPU)。采集管理系统330还与QC/处理系统332和传播和光电子器件336通信。QC/处理系统332可以是用于进行数据操纵(诸如，信号处理、数据可视化等)的网络计算机。来自QC/处理系统332的数据可以被传递到各个记录存储器334以进行记录。各个记录存储器334可以是记录介质，诸如，用于存储数据的磁带驱动器。
传播和光电子器件336从卫星节点106接收信号并且将信号转换成地震数据以进行记录。地震数据可以通过以太网连接从传播和光电子器件336传递到采集记录器340以进行格式化。采集记录器340将地震数据格式化以进行记录。格式化后的数据可以被传递到记录介质335(诸如，连续数据存储器)以进行记录。数据存储器335可以是记录介质，诸如，用于存储数据的冗余磁盘阵列(RAID)驱动器。
该系统架构使得能够在集中的基站104中发生地震采集和QC功能。卫星节点106还可以在地震采集单元218执行诸如初始质量控制(QC)功能的某些功能并且将状态报告回其中发生主控制的基站104的地震采集单元118。可以在多个级别提供信息，从而提供冗余、相互校验和解释。
地震采集单元118/218还可以用于从传感器站108的RFID标签R收集信息。系统中的计算机和/或另外的RFID单元可以被设置成与RFID标签通信和/或从RFID标签收集信息。在部署到域102期间或者在此之后可以通过RFID单元(未示出)扫描RFID标签R，以按照沿着地面位置102的位置识别RFID单元。RFID单元还可以具有用于从传感器站接收数据并且记录数据的RFID传感器。可以将这个信息与地震线缆110和/或传感器站108收集的数据一起使用，从而例如将地震数据与所识别的传感器站108特有的位置和/或传感器信息相关联。
地震采集单元118/218可以具有提供这种关联的处理器/计算机。例如，地震采集单元118/218可以具有全球定位卫星(GPS)跟踪器，GPS跟踪器从RFID标签收集可用于绘出传感器位置的信息。可以使用传统GPS技术确定有关各传感器位置的信息，并与来自各传感器站108的输出相链接。GPS数据可以提供三维轴的位置数据。Z轴数据可以提供海拔信息，使得传感器站可以被校正成近似的平坦数据。X轴和Y轴可以是使得可以提供数字滤波器来去除另外的误差的位置数据。可以将收集到的各传感器站的GPS数据与传感器站收集到的数据相关联，以进行进一步分析。分析后的信息可以用于确定给定位置的地下性质。
在操作时，在集成地震系统100中可以使用密集波分复用(DWDM)来光学地为传感器站108提供功率。举例来说，可以组装使用10个波长的、具有运行960个传感器或240个4C信道的能力的光电柜。经多路复用和调制的光111可以被发送到地震线缆110和阵列线缆120中，到达传感器站108。从传感器站108返回的光111可以被解复用和解调。经相位调制的激光111经过传感器站108中的干涉仪。当激光111经过干涉仪时，来自外部世界的应力造成光111的相移。使用地震采集系统118/218，从返回的光中提取相位信息，以输出与输入传感器站108的应力等价的信号。这样提供了没有电子器件的无源系统。
光源112产生用于传感器站108阵列的光功率，处理返回的光学信号以提取地震信息。从传感器阵列线缆120返回的光111可以被转发到一组选定的解调板以处理光学数据，输出与地震数据相等的“字”(例如，32位数字字)。可以由地震采集单元118(例如，网络接口卡)处理数据，将其放入数据包中并且发送到数据存储器334、335。
图4是示出监控地下结构102的地震参数的方法400的流程图。方法400涉及提供集成地震系统，诸如，图1的系统100(例如，包括基站104和多个卫星节点106和多个传感器站108)。该方法还涉及将卫星节点和传感器站定位(482)在地面位置周围，在所述地面位置产生(483)地震干扰，将移动卫星节点和传感器站与地震线缆链接(484)，使来自激光的光通过光学线缆传递(486)，通过检测光中的干扰用传感器站从地下结构收集(488)地震数据，经由地震线缆在基站接收(490)来自移动卫星节点的地震信号并且用地震信号产生地震参数。
该方法还可以涉及分析测得的地震参数。还可以执行其它步骤，诸如，执行质量控制校验、和/或从感测到的RFID标签获得信息和/或将该信息与传感器站收集到的地下数据相关联。可以根据需要以任何次序并且重复地自动或手动执行这些步骤。
虽然本公开描述了一些构造，但在研究了本公开之后，对于本领域的技术人员而言，众多修改形式和变形形式将变得清楚，包括使用本文中描述的元件的等效功能和/或结构替代物。例如，主题的一些方面可以包括通过一根或多根地震线缆连接的两个或更多个地震卡车(或节点)，并且具有一个或多个传感器站。
可以针对本文中描述的组件、操作或结构将多个实例描述为单个实例。通常，在示例性构造中被表现为单独组件的结构和功能可以被实现为组合的结构或组件。类似地，被表现为单个组件的结构和功能可以被实现为单独的组件。

Claims (19)

1.一种用于监控地下结构的地震参数的集成地震系统，所述集成地震系统包括：
多个移动卫星节点，所述多个移动卫星节点中的每一个具有与其可操作地连接以用于收集来自所述地下结构的地震数据的传感器站；
地震线缆，可操作地链接所述多个移动卫星节点和所述传感器站；以及
基站，包括地震采集单元，所述地震采集单元用于经由所述地震线缆接收来自所述多个移动卫星节点的地震信号以及根据所述地震信号产生地震参数。
2.根据权利要求1所述的集成地震系统，其中所述地震线缆包括光纤线缆，并且其中所述基站包括用于通过所述光纤线缆发送和接收光的光源。
3.根据权利要求2所述的集成地震系统，其中所述光纤线缆包括耦接在一起成为连续光纤线缆的多个光纤段。
4.根据权利要求1所述的集成地震系统，其中所述地震线缆将所述基站串行链接到所述多个移动卫星节点。
5.根据权利要求1所述的集成地震系统，其中所述多个移动卫星节点包括多个地震卡车。
6.根据权利要求1所述的集成地震系统，其中所述地震采集单元包括用于收集测得的地震参数的记录介质。
7.根据权利要求1所述的集成地震系统，其中所述地震采集单元包括源控制器。
8.根据权利要求1所述的集成地震系统，其中所述地震采集单元包括采集管理系统。
9.根据权利要求1所述的集成地震系统，其中所述地震采集单元包括传播和光电子器件。
10.根据权利要求1所述的集成地震系统，其中所述地震采集单元包括采集记录器。
11.根据权利要求1所述的集成地震系统，其中所述地震线缆以环状构造、线性构造、星形构造、同心环构造和它们的组合中的一个将所述多个移动卫星节点链接到所述基站。
12.根据权利要求1所述的集成地震系统，其中所述传感器站中的每一个通过阵列线缆连接到所述多个移动卫星节点。
13.根据权利要求1所述的集成地震系统，其中所述传感器站中的每一个包括射频识别标签。
14.一种用于监控地下结构的地震参数的集成方法，包括：
提供包括基站和多个移动卫星节点的集成地震系统，所述多个移动卫星节点中的每一个具有与其可操作连接的传感器站；
将所述多个移动卫星节点和所述传感器站与地震线缆链接；
用所述传感器站收集来自所述地下结构的地震数据；以及
经由所述地震线缆在基站处接收来自所述多个移动卫星节点的地震信号并且根据所述地震信号产生地震参数。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括通过所述地震线缆从所述基站处的光源发送和接收光，以及将光发送到所述传感器站。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括分析测得的地震参数。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括处理测得的地震参数。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述地面结构处产生地震干扰。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括将所述传感器站的位置与所述地震数据相关联。
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