CN107690592A - 地震传感器缆线 - Google Patents

Abstract

根据本公开的方面的地震拖缆包括形成为纵向延伸的管状形状的外表皮，所述外表皮的内表面限定内部容积，沿着平行于纵向延伸的管状形状的方向的方向延伸穿过所述内部容积的强力构件，设置在内部容积中的填充材料以及位于内部容积中并且内部设置地震传感器的传感器壳体。

Description

地震传感器缆线

交叉参照有关申请

本申请要求2015年6月8日提交的美国临时专利申请号62/172,246和2015年6月10日提交的美国临时专利申请号62/173,368的35U.S.C.§119下的权益，其全部内容通过引用并入本文，如同在本文中完全阐述一样。

背景技术

该部分提供背景信息以便于更好地理解本公开的各个方面。应当理解到，要考虑到此来阅读该文献中的该部分的陈述，而不是对现有技术的承认。

地震勘测被用于确定地层的各种特征，例如各种矿物的存在或不存在。地震勘测可以用来确定地层是否存在碳氢化合物沉积。地震勘测可以通过使用地震源进行以产生冲入地层的脉冲，从而使产生地层的混响和/或反射。然后通过地震传感器和记录系统检测并记录混响和/或反射。由此得出的数据可以被分析并用于确定地层的特征。可以以可视的形式显示，或以数字数据形式保存。

一种类型的地震勘测发生在陆地上，并被称为陆地地震勘测。在陆地地震勘测中，脉冲被引入到地层中，并且地震传感器被放置成与地层接触(在地层上和/或地层中)。传感器可以是水听器，地震检波器或能够检测脉冲的混响和/或反射的其他一般类型的传感器。有可能使用大量散布互连的传感器，这些传感器又与记录装置连接。在土地勘测中遇到的一些问题包括雷击，动物损害(例如老鼠咀嚼缆线)以及其他因素造成的退化。散布中的传感器可以通过无线通信、缆线通信或其组合来连接。传感器也可以是所谓的“盲”配置，其中一传感器或一组传感器连接到独立于中央记录单元的记录装置，并且以各种方式在各种时间被清除。

另一种类型的勘测是海洋地震勘测，并且在其内进行拖曳海洋地震勘测。在拖曳海洋地震勘测中，一艘船拖着一系列地震拖缆。地震拖缆是将地震传感器集成在其上和/或其中的缆线。与陆地调查相同的精神，海洋地震勘测给地层带来了冲击。冲击可以由气枪或海洋振动器建立。冲击可以穿过水进入地层，在那里它们混响和/或反射。混响和/或反射通过水返回，并由拖缆上的地震传感器检测到，并可被记录。由此得出的数据可以被分析并用于确定地层的特征。可以以可视化的形式显示，或以数据形式保存。也可以使用位于海底的地震传感器。

尽管在所有地震勘测中可能是相关的，但获得多分量地震数据是有价值的，因为这样可以促进诸如去虚反射，噪声去除以及其他衰减和处理技术的许多数据处理方面。这就是说，设备的成本与其商业用途有关。多分量数据可被认为是多方向的定向质点运动数据、压力数据、旋转数据或其组合。

发明内容

根据本公开的方面，用于地震拖缆中的地震传感器单元包括设置在细长封闭壳体内部的加速度计和传感器电子装置。一种方法的示例包括在地震拖缆的外表皮的内部容积中布置内部承载地震传感器的纵向延伸的传感器壳体。

根据本公开的方面的地震拖缆包括：形成为纵向延伸的管状形状的外表皮，所述外表皮的内表面限定内部容积；强力构件，所述强力构件沿平行于纵向延伸的管状形状的方向的方向上延伸穿过所述内部容积，设置在内部容积中的填充材料以及位于内部容积中并且内部安置地震传感器的壳体。

提供本概述是为了介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些构思的选择。本概述不旨在确定所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在用作帮助限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

当与附图一起阅读时，从下面的详细描述中最好地理解本公开。需要强调的是，按照行业的标准做法，各种特征并不是按比例绘制的。事实上，为了清楚讨论，各种特征的尺寸可以任意增加或减小。

图1是根据本公开的方面的并入多分量地震缆线和特征的海洋地震勘测系统的示意图；

图2示出了根据本公开的一个或多个方面的设置解耦)浮动地震传感器单元的地震拖缆的一部分；

图3示出了根据本公开的一个或多个方面的设置有传感器间隔件装置的地震传感器单元的非限制性示例；

图4是根据本公开的一个或多个方面的沿着设置有并耦合到传感器间隔件装置的地震传感器单元的纵向轴线的端视图；

图5是根据本公开内容的一个或多个方面的沿着地震缆线的纵向轴线的端视图，该地震缆线具有设置有并耦合到传感器间隔件装置的内部地震传感器单元和缆线强力构件；

图6是根据本公开的一个或多个方面的沿着地震缆线的纵向轴线的端视图，该地震缆线具有设置有传感器间隔件装置并从该传感器间隔件装置解耦的内部地震传感器单元以及缆线强力构件；以及

图7示出了根据本公开的一个或多个方面的并入地震传感器单元的地震拖缆的一部分，该地震传感器单元设置有传感器间隔件装置。

具体实施方式

要理解到，以下公开内容提供了用于实施各种实施例的不同特征的许多不同实施例或示例。以下描述组件和布置的具体示例以简化本公开。当然，这些仅仅是示例，并不意在限制。另外，本公开可以在各种示例中重复附图标记和/或字母。这样的重复是为了简单和清楚的目的，并且本身并不指定所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。

图1描绘了根据本公开的实施例的海洋地震勘测系统10。在所示出的地震勘测系统10中，勘测船12拖曳船12后面的一个或多个多分量地震缆线14(即，地震拖缆)。地震拖缆14可以有数千米长，并且可以包含各种支撑缆线以及用来沿着拖缆14支撑电力和通信的布线和/或电路。一般来说，每个拖缆14包括安装有地震传感器单元16的主缆线，地震传感器单元16记录地震信号。地震传感器可以包括水听器，地震检波器，加速度计，微机电系统(MEMS)传感器或者任何其他类型的传感器，其至少在竖直方向上和可能在一个或两个水平方向上测量所述表面的平移运动(例如位移，速度和/或加速度)。这样的传感器被称为平移勘测传感器，因为它们测量平移(或矢量)运动。每个地震传感器可以是单分量(1C)，双分量(2C)或三分量(3C)传感器。1C传感器具有用于沿单一方向感测波场的感测元件；2C传感器具有两个传感元件以沿着两个方向(其可以通常彼此正交，以在设计、制造和/或放置公差内)感测波场；以及3C传感器具有三个传感元件以沿着三个方向(它们可以大体上彼此正交)感测波场。对于多分量地震传感器的情况，传感器能够检测压力波场并且能够检测与靠近多分量地震传感器的声信号相关联的质点运动的至少一个分量。质点运动的示例包括质点位移的一个或多个分量，质点速度的一个或多个分量(纵测线(x)，横测线(y)和竖测线(z)分量(例如参见轴18))以及质点加速的一个或多个分量。

根据本公开的特定实施例，地震传感器可以包括水听器，地震检波器，质点位移传感器，质点速度传感器，加速度计，压力梯度传感器或其组合。例如，根据本公开的一些实施例，特定的多分量地震传感器布置可以包括用于测量压力的水听器和测量在地震传感器附近的三个对应的质点速度和/或加速度的正交分量的三个正交对准的加速度计。注意到，多分量地震传感器组件可以被实施为可以共同定位的多个设备。特定的地震传感器可以包括构成另一种类型的质点运动传感器的压力梯度传感器。每个压力梯度传感器测量相对于特定方向的特定点处的压力波场的变化。例如，压力梯度传感器中的一个可以获取指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，并且压力梯度传感器中的另一个可以采集在特定点处指示相对于纵测线方向的压力数据的地震数据。

海上地震勘测(即数据采集)系统10包括地震源20，其可以由例如连接到勘测船12的一个或多个地震源元件(例如气枪)形成。替代地，在本公开的其它实施例中，地震源20可以独立于勘测船12而操作在于地震源可以耦合到其他船舶或浮标，如仅仅几个示例。

当地震拖缆14被拖曳在勘测船12后面时，通常被称为“炮(shot)”的声信号22由地震源20产生，并且通过水柱24向下引导到水体底部表面30下方的地层26和28中。声信号22从各种地下地质地层例如图1中所示的地层32反射。

入射声信号22产生由地震传感器单元16感测到的对应反射声信号或压力波34。注意到，由地震传感器单元16接收和感测的压力波包括传播到传感器单元16而没有反射的“上行“的压力波，以及由压力波34从气-水边界36的反射产生的”下行“压力波。

地震传感器单元16产生被称为“示踪(trace)”的信号(例如数字信号)，其指示所采集的压力波场和质点运动(如果传感器是质点运动传感器)的测量值。根据本公开的一些实施例，示踪被记录并且可以被部署在勘测船12上的信号处理单元38至少部分地处理。

地震采集的目标是要为了识别地下地质地层32而建立勘测区域的图像。随后的表示分析可以揭示在地下地质地层中的烃沉积的可能位置。取决于本公开的特定实施例，可以在地震勘测船12上例如通过信号处理单元38来执行表示的分析的部分。

海洋地震缆线的构造可以包括长管形主体。该主体可以包括包围一个或多个应力构件的外表皮，地震传感器，支撑表皮的间隔件，填充材料和在各种部件(例如处理器和传感器)之间传输电力和信息的电布线。通常，填充材料通常具有使整个拖缆中性浮力的密度。

在海洋地震缆线中，缆线的内部工作以各种方式被支撑。应当理解到，由于传感器非常敏感并且噪声是重要的考虑和问题，所以拖缆内部的支撑结构有助于传感器的测量能力。一个结构可以充分地支撑传感器和相关的布线，但是却给读数带来了不可接受的噪声量。相反，支撑结构在噪声和其他信号检测方面可能是可接受的，但是不足以提供结构支持。此外，传感器可以被适当地支撑并且提供足够的噪声属性，但是硬件的成本可能太昂贵而不能在商业上可行。地震拖缆的支撑结构的精细点可以对拖缆中的传感器的性能以及产品的成本提供放大的影响。

图2示出了承载根据本公开的方面的传感器单元16的地震拖缆14的一部分，该传感器单元在拖缆中被解耦和“漂浮”。拖缆14包括限定外表面42和内表面44的外表皮40，外表皮形成为纵向延伸的管状形状。外表皮40的内表面44限定内部容积46。至少一个强力构件48(例如，KEVLAR，杜邦的注册商标)纵向延伸穿过内部容积46，例如在平行于纵向延伸管状形状的方向的方向上。在图2中，一对间隔开的强力构件48在内部容积46内纵向延伸。例如，强力构件48可以间隔开并且彼此成大约180度定位。根据本公开的多个方面的传感器单元16设置在内部容积46中。内部容积46填充有填充材料54以支撑传感器单元和外表皮以及诸如电线56的其他部件。填充物材料54可以是气体，液体，凝胶或泡沫，其可以提供感测性能属性以及支撑外表皮内的内部硬件。填充材料(例如，凝胶或泡沫)可用于减少加速度计与拖缆表皮和/或强力构件的耦合(分离)。在所描绘的示例中，间隔件58也设置在内部容积中以支撑外表皮。间隔件58的非限制性示例在例如美国专利公开号2009/0323468和2011/0273957中进行了描述，其教导通过引用并入。

所描绘的传感器单元16包括传感器50，例如加速度计和传感器电子装置49，所述传感器电子装置49设置在纵向延伸的传感器壳体52中并由其承载。地震传感器50可以包括至少一个基于传感器加速度计的微机电系统(MEMS)，由于其尺寸小、功耗低和成本低。传感器壳体52包括纵向彼此分开的第一端部51和第二端部53。根据一实施例，传感器壳体52的长度大于约100mm。根据一实施例，传感器壳体大于约150mm。根据一实施例，传感器壳体在纵向方向上延伸大约200mm或更长。当以这样的方式配置时，传感器可以是梯度传感器。加速计可以是双轴或三轴加速计。纵向传感器壳体可以例如由金属或聚合物构成。传感器壳体52的横截面可以是圆形或非圆形的。纵向传感器壳体52可以具有外部平坦表面60，例如浮动元件或浮力元件61可以附接在该外部平坦表面60上。例如，在图2中，具有浮力元件61的传感器单元16可以在填充材料54中基本上是中性浮力的。通过使传感器单元16相对于填充材料为中性浮力(例如，传感器单元和填充材料具有相同密度)时，传感器50与填充物54耦合。例如当传感器与机械强力构件分离时，这可能是期望的。在一些实施例中，传感器单元16可以不包括浮力元件61。应该认识到，传感器50(即，传感器单元16)的安装配置可以与填充物54材料、外表皮40材料和强力构件48的材料的选择结合，因为这些部件影响噪声特性。

参考图3至7，示出了传感器单元16的实施例，包括纵向传感器壳体52，其将传感器设置成与间隔件装置62共同定位，使得传感器壳体52延伸穿过中心并从间隔件装置62的相反侧延伸。传感器壳体52可以布置成使得其从间隔件装置的相反侧延伸大致相等的距离(即对称)。传感器壳体52可以是间隔件装置62的整体部分，或者可以是分开的单独元件。传感器壳体52可以声耦合，例如参见图4和5，或者从传感器间隔件装置62和地震缆线解耦，例如参见图6。

传感器间隔件装置62具有圆形轮廓，使得当定位在外表皮40的内部容积内时，外表面64(即，外半径)基本类似于外表皮40的内表面44(即内半径)。在图示的示例中，传感器间隔件装置62的外半径64具有通常标记为65(图4)的部分，并且具体标记为65-1,65-2等，这些部分彼此径向分离以接触内部半径44(图5)以支撑表皮40内的传感器间隔件装置。相对部分65例如在大约120和180度之间径向彼此分开。例如，参照图4，外半径部分65-1彼此分开在大约120度和180度之间彼此分开，外半径部分65-2在大约120度和180度之间彼此分开。传感器间隔件装置62包括纵向延伸的通道66或凹槽，所述通道66或凹槽可以沿着外半径64开口到外表皮的内表面。通道66限定了纵向延伸的通路，强力构件48和诸如布线56的内部部件可以穿过该通路。传感器间隔件装置62可以集成到传感器壳体52，或者与传感器壳体52一起装配，所述传感器壳体52从传感器间隔件装置62的相反侧延伸并且将地震传感器50，例如MEMS加速度计，承载在其中。传感器壳体52可以例如与传感器间隔件装置62的中心纵向轴线68(图3)同轴延伸。传感器间隔件装置62不限于图3-7中所示的构造。

在一些实施例中，例如如图4-6所示，传感器壳体52通过沿着纵向轴线纵向延伸穿过传感器间隔件装置62的中心通路70定位。当传感器壳体和间隔件装置是分开的部件并且传感器壳体延伸穿过间隔件装置中的中心通路或开口时，传感器壳体可以是大致非圆形形状以匹配非圆形的中心通路70以便防止传感器壳体在中心通路70内旋转。在图4-6所示的实例中，传感器间隔件装置62形成为两个部分62-1和62-2，其在相应的闩锁端63-1和63-2处连接在一起。在一些实施例中，间隔件装置被构造为单个部件，并且在一些实施例中，间隔件装置可以由多于两个的部分构成。传感器间隔件装置不限于所示的构造。

应该理解到，取决于期望的测量，MEMS传感器可以是1C、2C或3C传感器。MEMS传感器可以具有彼此成直角或者其他配置的轴线。取向加速度计的一种方式是通过轴线面向垂直于传感器壳体的表面，通过轴线面向与拖缆成直线，以及通过另一轴线与和拖缆成直角的轴线成直角并且该轴线面向垂直于所述表面。

图4和5是传感器单元16的示例的纵向端视图，其中传感器壳体52和承载的传感器耦合到传感器间隔件装置62。在图5中，传感器壳体52和承载的传感器经由间隔件装置62被锚定到拖缆14的机械骨架，即强力构件48。传感器壳体52与传感器支撑装置62的相对部分或侧面物理接触，并由此刚性连接传感器壳体52和加速度计与传感器支持装置。在图5中，两个强力构件48延伸穿过拖缆14的内部并穿过由传感器间隔件装置62限定的通道66(图4)。传感器间隔件装置62与强力构件48之间的连接是紧密连接，由此锚定传感器间隔件装置连接到强力构件并且将图5实施例中的传感器50刚性连接到强力构件的运动或振动。该配置还将拖缆表皮40的运动连接(耦合)到传感器50。在拖缆14内，诸如凝胶的填充材料54可以包围该装置，从而对该设计的支撑方面以及传感性能作出积极贡献。尽管可以使用凝胶，但应当理解到也可以使用其他材料。

图6是拖缆14的纵向端视图，其示出了感测单元16，其中传感器壳体52和传感器50与间隔件装置62被共同定位，并且例如通过例如解耦泡沫54的减震材料的方式与间隔件装置和地震缆线14解耦。不同类型的填充材料54可以用在拖缆的不同部分中。传感器壳体52延伸穿过间隔件装置62的中心通路70，但不直接与间隔件装置物理接触，而是定位在设置在中心通路70中的泡沫54内。在所示的示例中，浮力元件61附接到传感器壳体52以向传感器壳体52提供中性浮力。使用浮力元件61和/或选择填充材料使得传感器单元中性浮力地将传感器50耦合到周围的填充材料。

在图5和6中，传感器50基本上以拖缆14的纵向轴线为中心；然而，传感器50可以偏离中心地定位。偏离中心的传感器50将更易于接收某种形式的噪声，并且通过有意识地和更清楚地记录该噪声(例如噪声整形)可以更容易地对其进行滤波。

图7示出了根据本公开实施例的包含传感器单元16的地震缆线14的一部分。另外参考图3-6，传感器间隔件装置62设置在表皮40的内部容积46中，外半径64接近或接触表皮的内半径44。承载传感器50的纵向传感器壳体52延伸穿过传感器支撑装置62的中心通路70。至少一个和在图7中的两个间隔开的强力构件48延伸穿过外表皮40的纵向内部容积46并穿过传感器间隔件装置62的通道66。传感器壳体52和传感器50可以与传感器支撑装置62和强力构件48耦合或解耦。内部容积可以包括填充材料54，例如气体，液体，凝胶或泡沫。

应当理解的是，不同的传感器单元配置(例如，解耦和浮动、与间隔件装置解耦和共同定位，并且耦合到共同定位的间隔件装置)可以在相同的拖缆缆线内使用，或者甚至相同的拖缆部分，取决于操作需要。尽管各种附图示出了拖缆中的各个传感器单元，但是每个拖缆部分可以包括两个或更多个传感器单元，这些传感器单元可以沿着缆线均匀或不均匀地间隔开。

应该认识到，在任何地震勘测中，噪声都是一个问题。可以通过各种技术在处理数据时去除噪声，但是也可以通过选择特定的传感器安装设计来控制(例如成形)噪声。这可以通过解释实际上单个拖缆部分可以具有许多(有时是数百个)单独的传感器来说明。大量的传感器有助于提供更易于处理的数据，以消除噪音。过滤噪音所需的大量传感器对拖缆的成本造成负面影响。由于传感器及其封装的成本、功率和通信开销(即向传感器供电并记录其数据所需的其他部件)的成本以及处理来自于该额外传感器的数据的成本。如果传感器屏蔽了噪声，则可以以可接受的结果使用更少的传感器。这里描述的设计有助于降低噪声的水平(例如，解耦)并且使感测或接收的噪声成形，使得噪声特性在后来的处理阶段更容易被滤波。

以上概述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本公开的各方面。本领域的技术人员应该理解到，他们可以容易地使用本公开作为用于设计或修改用于执行相同目的和/或实现这里介绍的实施例的相同优点的其他处理和结构的基础。本领域的技术人员也应该认识到，这样的等同结构不脱离本公开的精神和范围，并且可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种改变、替换和变更。本发明的范围应仅由所附权利要求的语言确定。权利要求中的术语“包括”旨在表示“至少包括”，使得权利要求中列举的元件是开放组。除非明确排除，否则术语“a”，“an”和其他单数术语旨在包括其复数形式。

Claims (20)

1.一种地震拖缆，包括：

外表皮，该外表皮形成为纵向延伸的管状形状，该外表皮的内表面限定一内部容积；

强力构件，该强力构件在与纵向延伸的管状形状的方向平行的方向上延伸穿过内部容积；

设置在内部容积中的填充材料；以及

传感器壳体，该传感器壳体内部设置地震传感器，该传感器壳体位于内部容积内。

2.根据权利要求1所述的地震拖缆，其中所述填充材料包括气体、液体、凝胶或泡沫中的一个或多个。

3.根据权利要求1所述的地震拖缆，其中所述传感器壳体通过所述填充材料被支撑在所述内部容积中。

4.根据权利要求1所述的地震拖缆，其中所述传感器壳体包括附接到其上的浮力元件，由此所述传感器壳体在所述填充材料中基本上是中性浮力的。

5.根据权利要求1所述的地震拖缆，其中所述传感器壳体设置在支撑所述外表皮的一对间隔件装置之间。

6.根据权利要求1所述的地震拖缆，其中所述传感器壳体设置在支撑所述外表皮的一对间隔件装置之间；以及

在一对间隔件装置之间的填充材料包括泡沫。

7.根据权利要求1所述的地震拖缆，还包括位于所述内部容积内的传感器间隔件装置，所述传感器间隔件装置具有与所述外表皮的所述内表面的内半径大致相似的外半径，其中所述传感器壳体与所述传感器间隔件装置共同定位。

8.根据权利要求7所述的地震拖缆，其中所述传感器壳体从所述传感器间隔件装置的相反侧延伸。

9.根据权利要求7所述的地震拖缆，其中所述地震传感器是与所述强力构件耦合或解耦中的一个。

10.根据权利要求9所述的地震拖缆，其中所述传感器间隔件装置连接到所述强力构件。

11.根据权利要求7所述的地震拖缆，其中所述传感器壳体设置在所述传感器间隔件装置的通路中，并且所述传感器壳体物理接合所述传感器壳体。

12.根据权利要求7所述的地震拖缆，其中，所述传感器间隔件装置设置在穿过所述传感器间隔件装置的通路中，并且所述传感器壳体与所述传感器间隔件装置物理分离。

13.根据权利要求12所述的地震拖缆，其中所述传感器壳体包括附接到其上的浮力元件。

14.一种方法，包括在地震拖缆的外表皮的内部容积中设置在内部承载地震传感器的纵向延伸的传感器壳体。

15.根据权利要求14所述的方法，包括将所述传感器壳体支撑在填充材料中。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述传感器壳体位于支撑所述外表皮的一对间隔开的间隔件装置之间。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述传感器壳体与传感器间隔件装置共同定位，所述传感器间隔件装置的外半径与所述外表皮的内表面的内半径基本相似。

18.根据权利要求14所述的方法，其中所述传感器壳体设置在所述传感器间隔件装置的通路中，并且所述传感器壳体物理接合所述传感器壳体。

19.根据权利要求14所述的方法，其中所述传感器间隔件装置设置在穿过所述传感器间隔件装置的通路中，并且所述传感器壳体与所述传感器间隔件装置物理分离。

20.一种用于地震拖缆中的地震传感器单元，包括：

细长的封闭壳体；

设置在细长的壳体内部的加速度计；以及

传感器电子装置，该传感器电子装置连接到加速度计并设置在细长的壳体内部。