CN107923991A

CN107923991A - 地震勘测方法

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Publication number: CN107923991A
Application number: CN201680030531.2A
Authority: CN
Inventors: J·G·布斯卡
Original assignee: BP Exploration Operating Co Ltd
Current assignee: BP Exploration Operating Co Ltd
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2036-03-23
Also published as: US10928532B2; US20180203142A1; WO2016151037A1; CN107923991B; RU2017134844A3; RU2729952C2; EP3274739A1; RU2017134844A

Abstract

一种方法包括：接收指示第一和第二地震传感器的输出的数据，所述输出包括对应于由第一和第二地震传感器检测的第一和第二地震信号的分量，其中第一地震信号的传播方向是从第一地震传感器朝向第二地震传感器，并且第二地震信号的传播方向是从第二地震传感器朝向第一地震传感器；相对于第一地震传感器中的第一时钟，识别与第一地震信号在第一地震传感器处的到达时间相关联的第一时间以及与第二地震信号在第一地震传感器处的到达时间相关联的第二时间；相对于第二地震传感器中的第二时钟，识别与第一地震信号在第二地震传感器处的到达时间相关联的第三时间以及与第二地震信号在第二地震传感器处的到达时间相关联的第四时间；以及使用第一、第二、第三和第四时间确定第一时钟相对于第二时钟的偏移。

Description

地震勘测方法

技术领域

本发明涉及用在地震勘测中的方法和装置，并且特别是用于校正地震传感器中的时钟漂移。

背景技术

地震勘测或反射地震学用于映射地球的次表层。受控的震源提供穿过地球次表层的低频地震波。地震波在不同岩层之间的界面处被部分地反射。反射波返回到表层(surface)，在那里它们被放置在震源周围的地面(ground)上或地面中的诸如地震检波器之类的地震传感器(或地震仪)检测到。分析由地震传感器记录的数据，以揭示次表层的结构和组成。

图1示出了地球的表层和次表层的示意性横截面。在地表6上示出了地震传感器2和震源4。次表层内存在具有相异组成的许多层。这些通过交错的黑带8和白带10来图示出。震源4发射的地震波12穿过次表层。这些地震波在层8和10之间的界面处被部分地反射并返回到表层以被地震传感器2检测到。

由震源4发射的地震波也作为直达波12沿着表层或沿着近表层行进。在离源极近的地方，在各个传感器检测到任何反射波之前，这些直达波被每个地震传感器2检测到。该首次到达被称为“初至”。

对于典型的地震勘测，大量地震传感器被放置在将被勘测的次表层体积上方和周围的地表区域之上。典型的勘测可能涉及到遍布在例如100km²上的成千上万的地震传感器。图2示出了其中多个地震传感器2被布置成网格图案的示例性布置。震源4也被图示为被地震传感器2环绕。自然，将存在比示出的20个地震传感器多很多的地震传感器2。

每个地震传感器具有能够检测地球运动的感测元件。感测元件产生反映地球运动的输出。以规律的间隔(例如每毫秒)对输出进行采样。该采样的数据将被称为地震数据。可以针对对于每个样本递增的样本数或索引来记录地震数据。这样，样本索引可以被视为指示时间

连续样本之间的间隔由地震传感器中的本地时钟进行控制。在典型的地震勘测中，参与勘测的不同传感器上的标称(即预期)采样率是相同的(即每秒的样本数相同)。情况不一定是这样，并且在标称采样率相异的情况下，由一个传感器记录的地震数据可以被重新采样，以使得能够在所记录的信号之间进行比较。

准确地知道相对于由震源发射地震信号的时间的由地震传感器记录这些样本中的每一个样本的时间很重要。这使得能够计算地震信号的传播时间。从传播时间可以确定反射地震信号的界面的深度和位置。

通常，通过为震源和地震传感器二者提供高准确度时钟来实现该准确度。这些时钟需要在可能持续数周的勘测操作持续时间内保持足够的准确度。

针对地震传感器的时钟确保足够准确度的已知方式是为传感器提供可以接收无线电定时信号(例如GPS定时信号)的时钟(GPS同步时钟)。然而，这些解决方案增加了每个地震传感器的成本、尺寸和重量。

不太准确的时钟通常经受漂移。漂移意味着时钟不以完全相同的速率递增。漂移可能是由制造差异以及由诸如地震传感器周围的环境温度之类的局部因素二者造成的。漂移的大小可以随着例如环境温度的变化而随时间变化。因此，这样的时钟可以相对于外部时间信号(即，可以是由如上文提到的诸如GPS定时系统之类的高准确度定时系统提供的“系统时间”)以及相对于彼此都漂移。

漂移的结果是，虽然不同传感器的预期/标称采样率是相同的，但实际的采样率可能会有少量不同。当地震数据被处理并用于产生地震图像时，这能够具有有害影响。

本发明的目的是提供使得能够在不需要地震传感器本身中的准确时钟的情况下为地震勘测确定准确定时的方法和系统。

发明内容

根据至少一个实施例，提供用于支持或实施用来执行地震勘测的功能的装置和系统。

本发明提供了一种方法，包括：

接收指示第一和第二地震传感器的输出的数据，所述输出包括对应于由第一和第二地震传感器检测的第一和第二地震信号的分量，其中第一地震信号的传播方向是从第一地震传感器朝向第二地震传感器，并且第二地震信号的传播方向是从第二地震传感器朝向第一地震传感器；

相对于第一地震传感器中的第一时钟，识别与第一地震信号在第一地震传感器处的到达时间相关联的第一时间以及与第二地震信号在第一地震传感器处的到达时间相关联的第二时间；

相对于第二地震传感器中的第二时钟，识别与第一地震信号在第二地震传感器处的到达时间相关联的第三时间以及与第二地震信号在第二地震传感器处的到达时间相关联的第四时间；以及

使用第一、第二、第三和第四时间确定第一时钟相对于第二时钟的偏移。

因此，可以处理所接收的数据以识别第一时钟的偏移。

当地震传感器中的时钟不够准确时，地震信号在震源与地震传感器之间的传播时间是未知的。发明人意识到，通过使用两个地震信号——从第一地震传感器朝向第二地震传感器传播的第一个地震信号和从第二地震传感器朝向第一地震传感器传播的第二个地震信号，确立地震传感器中的时钟之间的关系是可能的。

该方法可以包括计算第一时间和第二时间的平均值以及第三时间和第四时间的平均值，偏移的计算是基于计算出的平均值之间的差值。

第一和第二地震传感器的输出还可以包括对应于由第一和第二地震传感器检测的第三和第四地震信号的分量，第三地震信号的传播方向是从第一地震传感器朝向第二地震传感器，并且第四地震信号的传播方向是从第二地震传感器朝向第一地震传感器。该方法还可以包括：

相对于第一地震传感器中的第一时钟，识别与第三地震信号在第一地震传感器处的到达时间相关联的第五时间以及与第四地震信号在第一地震传感器处的到达时间相关联的第六时间；

相对于第二地震传感器中的第二时钟，识别与第三地震信号在第二地震传感器处的到达时间相关联的第七时间以及与第四地震信号在第二地震传感器处的到达时间相关联的第八时间；以及

使用第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八时间确定用于第一时钟的定标因数(scaling factor)。

第一和第二地震传感器中的至少一个的输出还可以包括对应于由所述至少一个地震传感器检测的重复地震信号的分量。在这种情况下，该方法还可以包括：

识别所述输出中的检测到的重复信号的周期；以及

使用识别出的周期来确定用于所述至少一个地震传感器的时钟的定标因数。在该示例中，确定定标因数可以包括将识别出的周期与所发射的重复信号的已知实际周期进行比较。因此，检测到的重复信号是由所发射的重复信号(例如由震源发射的信号)产生的。

可以看出，除了计算时钟的偏移之外，还可以为地震传感器的时钟确定定标因数。偏移和定标因数可以被应用到由所述传感器的时钟记录的时间值，以便将所述时间值映射到系统时间。

可以看出，可以使用所确定的偏移和定标因数来相对于参考时钟对地震传感器中的所述一个的时钟进行校准。例如，参考时钟可以是高度准确的时钟，诸如GPS一同步时钟。

所接收的数据还可以包括第三地震传感器的输出，第三地震传感器已被定位成与第一和第二地震传感器共线并且具有与第二时钟同步的第三时钟。该方法还可以包括：

相对于第三地震传感器中的第三时钟，识别与第一地震信号和第二地震信号在第三地震传感器处的到达时间相关联的另外两个时间；以及

使用第一、第二、第三、第四和另外两个时间来确定第一时钟相对于第二和第三时钟的偏移。

在该实施例中，该方法可以包括：计算第一时间和第二时间的平均值以及第三、第四、第五和第六时间的平均值，偏移是基于计算出的平均值的差值。

为了增加的准确度，可以使用多于一个地震传感器(在这种情况下，第二和第三地震传感器)来计算第一地震传感器的时钟的偏移。

该方法还可以包括将第一和第二地震传感器置于一区域中并促使发射第一和第二地震信号以便由地震传感器进行感测。每个地震传感器可以被提供有时钟，使得可以与地震信号的感测相关联地记录相对于该时钟的时间。

可选地，可以从与第一地震传感器并置(collocate)的震源发射第一地震信号。可选地，可以从与第二地震传感器并置的震源发射第二地震信号。

在实施例中，第二地震信号是从与第一和第二地震传感器共线、且使得第二地震传感器位于震源和第一地震传感器之间地布置的震源发射的。此外，第一地震信号可以是从与第一和第二地震传感器共线、且使得第二地震传感器位于震源和第一地震传感器之间地布置的震源发射的。

为了使地震信号能够从一个地震传感器传播到另一地震传感器，震源可以与地震传感器并置，或者可以与地震传感器共线地布置。在实施例中，震源和地震传感器可以例如通过作为单个设备的一部分来进行并置。然后，该单个设备可以用在多个远程地震传感器的同步中。

根据另一方面，提供了一种确定针对地震传感器中的时钟的定标因数的方法，该方法包括：

相对于地震传感器中的时钟，识别对应于由地震传感器感测的周期地震信号的时间值；

使用识别出的时间值来确定针对时钟的时间值的定标因数。

可以使用周期地震信号来确定针对地震传感器的时钟的定标因数。该定标因数计及给定时钟的递增率的变化，通常称为漂移。能够校正漂移确保了可以在较长的时间段内准确地确定由地震传感器接收的地震信号的定时。

识别出的时间值可以对应于针对周期地震信号的多个周期的周期地震信号的给定相位，并且基于时间值的差值来确定定标因数。

作为示例，可以识别对应于周期地震信号中的峰值或最大值的时间值。周期地震信号的周期将对应于相邻峰值之间的时间值中的差值，并且可以相应地确定定标因数。可以针对多个周期对时间值或时间值中的差值取平均，以提供更准确的地震信号。

该方法可以包括：

识别对应于识别出的时间值的地震信号值，所述地震信号值指示由地震传感器接收的周期地震信号；以及

计算地震信号值相对于具有已知周期的地震信号的至少一个内积，其中基于内积来计算定标因数。

确定针对时间值的定标因数的替代方法是计算接收到的地震信号与具有已知周期长度的地震信号的内积。当两个地震信号同相时，内积将产生最大值。然后可以使用已知地震信号的周期来确定定标因数。

周期地震信号可以是诸如正弦地震信号之类的连续单频信号，或者它可以包括以固定间隔发射的多个离散信号。固定间隔意味着发射时间是已知的，例如通过将准确的发射时间记录在存储器中。间隔可以是恒定的。

在该方法中，可以接收由至少一个地震传感器记录的地震数据集，并且可以使用针对所述地震传感器中的时钟的定标因数来校正由所述时钟测量的时间。地震数据集可以包括对应于周期地震信号的记录信号和对应于多个地震采集发射的记录信号。为了清楚起见，地震采集发射是用于询问次表层的那些发射。以这种方式，直到已采集地震数据之后才执行对地震数据集的定时的校正。不存在实时校正。这可以在勘测期间提供没有现场数据处理或传输的特定负担的情况下的简单而快速的过程。

可以确定几个定标因数，一个定标因数用于地震数据集中的选定部分。例如，可以为每对连续的时间值确定定标因数。替代地，可以为一系列的时间间隔中的每一个确定定标因数，所述时间间隔诸如为记录数据的每20、30或40分钟(时间间隔的长度将取决于时钟预计漂移的程度)。

该方法还可以包括接收每个地震传感器中的时钟和系统时间之间的、对应于初始偏移OFF的偏移数据的步骤，所述初始偏移和定标因数用于校正由所述时钟测量的时间。

在周期信号是连续单频信号的情况下，定标因数可以用于通过校正一系列连续的时间间隔来校正由所述时钟测量的时间，所述时间间隔中的第一个始于时间τ₀，其中τ₀是由已知初始偏移的时钟测量的时间，并且通过根据以下等式来计算针对每个时间间隔的定标因数a：

其中l_t表示周期信号的已知周期长度，并且1_τ表示测量信号的周期长度。可以选择时间间隔使得漂移在该间隔期间不显著变化。以这种方式，可以累积地校正间隔。

在周期信号是多个离散信号的情况下，定标因数可以用于根据以下等式来校正由所述时钟测量的时间：

t_m＝t_pn+A_pn·(τ_m-τ_pn)

其中：

t_m是对应于由时钟测量的时间τ_m的系统时间

A_pn是针对第n个周期的定标因数，并且可以根据以下等式来计算

其中：lt是所述多个离散信号的周期；

τ_p(n+1)是由时钟测量的第(n+1)个离散信号到达传感器处的时间；以及

τ_pn是由时钟测量的第n个离散信号到达传感器处的时间；以及t_pn是对应于，τ_m之前的离散信号到达地震传感器处的系统时间，并且可以根据下式计算：

t_pn＝t_p1+[(n-1).l_t]

其中：t_p1是对应于在知道初始偏移的时间之后的第一个离散信号的到达的系统时间。

根据另一方面，该方法可以包括：

相对于第二地震传感器中的第二时钟，识别与第一地震信号在第二地震传感器处的到达时间相关联的第三时间以及与第二地震信号在第二地震传感器处的到达时间相关联的第四时间；

其中第一地震信号的传播方向是从第一地震传感器朝向第二地震传感器，并且第二地震信号的传播方向是从第二地震传感器朝向第一地震传感器；以及

使用第一、第二、第三和第四时间计算第一时钟相对于第二时钟的偏移。

本发明提供了允许在地震传感器中使用低准确度时钟的方法。本发明的方法使地震传感器中的内部时钟能够被校准到参考时间(“系统时间”)。在震源具有也被校准到系统时间的内部时钟的情况下，准确地确定地震波从源到各个传感器的传播时间是可能的。

通常，系统时间是根据诸如GPS同步时钟之类的准确时钟的时间。

可以可选地通过为震源提供准确的内部时钟来实现将震源的内部时钟校准到系统时间。

以这种方式，由于勘测中大多数或所有的地震接收器可以具有较便宜、较不准确的时钟，因此执行大型地震勘测所需的昂贵的GPS同步时钟的数量被最小化。

另外的特征和优点将从仅以示例的方式给出的对附图进行参考的优选实施例的以下描述中变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式将系统、装置和方法描述为实施例，在附图中：

图1示出了地球的表层和次表层的横截面示意图；

图2示出了地震勘测系统的示意图；

图3示出了根据实施例的地震勘测系统的示意图；

图4示出了图3的系统的时序图；

图5示出了根据另一实施例的地震勘测系统的示意图；

图6示出了图5的系统的时序图；

图7示出了根据另一实施例的地震勘测系统的示意图；

图8示出了本发明的实施例的示意图；

图9示出了根据实施例的一般方法；以及

图10示出了用在实施例中的计算机化装置的示意图。

本发明的若干零件和组件出现在不止一个图中；为了清楚起见，在所有图中将使用相同的参考标号来指代相同的零件和组件。

具体实施方式

在下面的描述中，“相对于第二时钟同步第一时钟”用于意指已使得第一时钟的时间值与第二时钟的时间值一致(即，与第二时钟的时间值相同)。术语“相对于第二时钟校准第一时钟”用于意指，已知如何将第一时钟的时间值映射到第二时钟的时间值上，例如通过将校正因数应用于第一时钟的时间值：第一时钟的实际时间值未被修改成使之与第二时钟一致。将领会到，可以通过应用校正因数并且修改第一时钟的时间值在校准之后实现第一时钟到第二时钟的同步。

如所讨论的，本发明的方法允许在地震采集传感器中使用便宜的时钟。第一方面涉及到将传感器中的时钟校准到系统时间。换句话说，确定每个时钟与系统时间的关系。系统时间通常是根据诸如GPS同步时钟之类的准确时钟的时间。虽然该校准过程涉及到在地震勘测之前和/或期间现场执行的某些物理步骤，但通常是在已经收集了传感器并且已经下载了地震数据之后离线地执行实际的校准。也就是说，如果将地震数据从传感器实时传输到处理设施，则可以在传感器仍然在现场收集数据的同时开始校准。

稍后将更加详细地描述用于将传感器中的时钟校准到系统时间的方法。

通过将每个传感器中的时钟校准到系统时间，由一个传感器记录的地震数据相对于由其它传感器记录的地震数据的时间关系是已知的，这对于整体地处理地震数据并产生地震图像是重要的。根据本发明的方法，优选地在地震采集过程的早期阶段内确立这种关系。然而，如果时钟以非恒定的速率漂移(这是可能的)，则关系会改变，并且因此继续使用该相同的关系将导致误差。

因此，期望通过周期性地重新校准时钟来计及这种持续漂移。该重新校准的频率可以取决于漂移的可能程度或预计程度：漂移越显著，越频繁地重复校准过程。

现在将详细地描述校准过程。校准过程涉及到：(a)至少一个震源和两个地震传感器的特定物理布置，(b)由地震传感器检测的两个相对的地震信号(下面将更详细地描述)的发射，以及(c)具体的数据处理步骤，以便相对于另一传感器中的时钟校准传感器中的一个中的时钟。

参考图3，将多个地震传感器2置于感兴趣的区域中。关于图4将提到地震传感器中的两个(2A和2B)。两个震源4A和4B与地震传感器2A和2B共线布置。在这里，共线应被视为意指当从上方看时，地震传感器和震源被置于沿着在实践中尽可能接近笔直的线。因为地表由于海拔改变和地球的弯曲度二者而不是平坦的，因此将领会到，地震传感器和震源可以不沿着单个线直接对齐，而是它们尽可能地被置于同一垂直平面中并且在地球的表层上或在地球的表层中。

每个地震传感器具有时钟。地震传感器2A具有第一时钟，其时间值将由τ表示，并且地震传感器2B具有第二时钟，其时间值将由t表示。时钟中的一个(例如地震传感器2B中的时钟)具有与系统时间的已知关系。这可以例如通过为该时钟提供GPS接收器来实现，使得该时钟表示系统时间。替代地，可能先前已使用这里描述的方法将该时钟校准到了系统时间，并且可选地，该时钟然后被同步到系统时间。

震源4A发射第一地震信号，并且震源4B发射第二地震信号。两个地震信号由地震传感器2A和2B感测。地震传感器2A和2B记录相对于各地震传感器的时钟的时间值，该时间值指示地震信号在该地震传感器处的到达时间(ToA)。自然地，每个传感器将检测到初至以及至少一个反射波。在该实施例中，检测地震信号的ToA的讨论将涉及检测初至在传感器处的到达。此外，特别是在由震源发射的信号是扫描而不是短脉冲的情况下，随后的数据处理步骤可以包括将发射的信号与记录的信号进行互相关，以帮助折叠小波并识别信号在地震传感器处的ToA。

由于地震传感器2A和2B以及震源4A和4B的共线布置，由源4A发射并且由传感器2B检测的信号通常沿着与由源4B发射并且由传感器2A检测的信号相同的路径沿着/穿过地面传播，但两个地震信号的传播方向是相对的。这就是“相对的地震信号”的意思。因此，由源4A发射的波在传感器2A与传感器2B之间的行进时间与由源4B发射的波在传感器2B与传感器2A之间的行进时间是相同的，只要地球的格林函数不变。

图4示出了针对上文描述的系统的时序图。如上所述，地震传感器2A中的时钟的值通过τ来标识，并且地震传感器2B中的时钟的值通过t来标识。此外，地震传感器2B中的时钟具有与系统时间的已知关系。将使用附标来标识系统时间中的给定点处的时钟的值，即τ_n是指系统时间n处的根据传感器2A中的时钟的时间，并且t_n是指系统时间n处的根据传感器2B中的时钟的时间。

如图4所示，由传感器2A在时间τ_A1处检测到源4A发射的信号。该信号行进穿过地球并且在时间t_B1处在传感器2B处被检测到。类似地，由源4B发射的信号分别由传感器2B和2A在时间t_B2和τ_A2处检测到。Δ_AB是信号从传感器2A到传感器2B的传播时间。Δ_BA是信号从传感器2B到传感器2A的传播时间，并且与Δ_AB相同(如果在系统时间中测量的话)。

由源4A和4B发射的两个地震信号相对较快地相继发射，使得传感器2A中的时钟的任何漂移都可以被假定为恒定的。

传感器2A和2B中的两个时钟之间的关系可以被定义为：

t_n-t₀＝a(τ_n-τ₀) (1)

其中：

“a”表示计及递增率的设计差异和漂移二者的定标因数，其中的后者可以被假定为恒定的；

t_n是在GPS时间n处的根据传感器2B中的时钟的时间；

τ_n是在GPS时间n处的根据传感器2A中的时钟的时间；

t₀是在“零时间”处的根据传感器2B中的时钟的时间；

τ₀是在“零时间”处的根据传感器2A中的时钟的时间。

“零时间”是传感器2A和2B中的时钟的值均为已知时的系统时间(下面进一步解释)。

t₀可以被定义为t_B1和t_B2之间的中点，即：

由于假定传感器2A中的时钟的漂移是恒定的，并且假定地球的格林函数在从源4A和4B发射信号的时间段上不变化，因此τ₀可以被定义为τ_A1和τ_A2之间的中点，即：

t₀和τ₀之间的值中的差值是传感器2A和2B中的时钟之间在“零时间”处的偏移(“OFF”)。换句话说，这是需要添加到由传感器2A中的时钟测量的时间以便将该时钟映射到零时间处传感器2B中的时钟的值。将理解的是，该偏移可以是正值或负值。

由于t₀已经被校准或同步到系统时间，因此可以使用该偏移来将传感器2A的τ₀值映射到系统时间。

从这可以看出，通过检查由传感器2A和2B记录的地震数据并且识别由源4A和4B发射的信号的ToA(即，通过识别τ_A1、τ_A2、t_B1和t_B2)，在“零时间”处，将传感器2A中的时钟的时间值映射到传感器2B中的时钟的时间值上并因此映射到系统时间上是可能的。

如下确定如何在其它时间点处将传感器2A中的时钟的时间值映射到传感器2B中的时钟的时间值上(并且因此映射到系统时间上)是可能的。

将等式(2)和(3)代入等式(1)中并且重新整理，给出：

一旦定标因数“a”已知，则将根据传感器2A中的时钟的任何时间值τ_n映射到根据传感器2B中的时钟的时间t_n(并且因此映射到系统时间)是可能的。为了确定定标因数“a”，例如由震源4A和4B发射第二对相对的地震信号。由源4A发射的第二信号在时间值τ_A3处被传感器2A检测到，并且在t_B3时间值处被传感器2B检测到。由源4B发射的第二信号在时间值t_B4处被传感器2B检测到，在时间值τ_A4处被传感器2A检测到。

重新整理等式(1)给出：

以t₀和τ₀在上文中对于第一对相对的地震射击被定义为“零时间”的相同的方式，t₁和τ₁可以对于第二对相对的地震射击被定义为“零时间”：

将t₁视为t_n并且将τ₁视为τ_n，并且将等式(2)和(3)和(6)和(7)代入(5)中，给出：

假定漂移是恒定的，对于地震数据中的任何点，上述内容使得能够将传感器2A中的时钟与传感器2B中的时钟(因此并且与系统时间)进行校准。然而，已经发现时钟不以恒定的速率漂移。本发明提供了在稍后的时间点处发射又另一对相对的地震信号(即第三对信号)，例如来自于震源4A和4B中的每一个的一个发射。可以重复上述过程，以便确定与第二和第三对发射之间的时间段对应的定标因数。该重新校准过程可以以适合于传感器2A中的时钟中的漂移变化率的频率来执行。

如上所述，传感器2B中的时钟被校准或同步到例如GPS时间的系统时间。如果传感器2B中的时钟本身不是GPS同步时钟(即，如果它经受漂移)，则将要求重新校准(并且可选地重新同步)该时钟，以便使传感器2A中的时钟的重新校准是有意义的。

以上描述的方法可以用于进行地震勘测。在勘测期间放置和控制震源，以便发射成对的相对地震信号，所述信号然后由部署在现场的各种传感器进行记录。例如，提供和放置两个源(例如，可控震源车)，因此在一行传感器(“接收器行”)的任一端处有一个源。地震传感器与源中的第一个并置(通过提供包括源和传感器的单个单元或者通过将传感器邻近源定位)，并且地震传感器被提供有同步到GPS时间的时钟。两个源根据上文的描述各自发射信号。这两个信号的传播由与第一个源相关联的传感器以及由接收器行中的每个传感器进行检测。

如果仅期望确定在“零时间”处将接收器行中的每个传感器中的时钟的时间映射到与第一个源相关联的传感器中的时钟的时间(即，GPS时间)所需的偏移，则不需要另外的物理步骤。

如果期望理解接收器行中的传感器中的时钟和与第一个源相关联的传感器中的时钟之间的关系，则两个源各自发射另外的信号，该信号的传播由与第一个源相关联的传感器以及由行中的每个传感器进行检测。

如果接收器行中的时钟有可能以非恒定的速率漂移，那么将使用源来在一段时间后发射第三对相对的地震信号。这可能是在几个小时以后，或者可能是一天或更长时间以后，取决于漂移有可能改变得多快。该重新校准步骤可以在整个地震采集勘测中重复如所需要的多次。

震源不必在第一、第二和随后的信号对发射之间保持在原位。事实上，在这些时段期间可以将源移动到新位置来发射成对的相对地震信号，以用于校准其它附近的接收器行中的时钟。

为了使得能够在勘测中校准其它源，可以将源移动到例如邻近第一行的另一接收器行的相对端，并且可以重复该过程。替代地，源或一对不同的源可以被移动到与第一接收器行呈一角度(例如垂直)布置的第二接收器行的相对端，只要该第二接收器行中的接收器中的一个也是第一接收器行的一部分。在这种情况下，两个源都不必具有带有与之相关联的准确时钟的传感器。相反，作为第一接收器行的一部分的传感器起到具有已知时间的传感器的作用，这是因为在稍后的处理中可以确定该传感器的时钟的关系，并且该关系随后被用作用于第二接收器行的准确时钟。为第二接收器行发射一对、两对或更多对(根据需要)的相对地震信号。

根据本发明的方法，使用震源或另外的震源对并发射成对的相对地震信号，直到现场所有的传感器都已为接收器行的一部分。

在完成地震勘测之后，收集传感器并且下载来自每个传感器的地震数据。对于每个传感器，根据上述方法分析记录的数据，以使得能够理解其时钟的时间和GPS时间之间的关系。例如，第一接收器行中的第一传感器可以与跟第一源相关联的传感器结合地考虑。可以使用上面的等式(2)和(3)确定在“零时间”处将该第一传感器中的时钟的时间映射到与源相关联的传感器的GPS时间所需的偏移。

如果在采集过程中发射了第二对相对的地震信号，则可以使用等式(8)来计算定标因数a。

如果发射了第三对和后续对的相对地震信号，则可以重新校准所考虑的传感器中的时钟。这可以通过再次使用第二和第三或第三和第四(等)对的相对地震信号确定偏移和定标因数来完成，或者通过使用用于第一时段的第一定标因数和用于第二时段的第二定标因数(等)校正所考虑的时钟中的时间来完成。然而，该后一方法引入了一定程度的误差。

现在将描述本发明的替代方案。

作为如上所述的计算定标因数a的替代方案，通过从接收器行的一侧(例如从源4A)发射另外的地震信号来确定定标因数是可能的。换句话说，如上面结合图3所描述的，从接收器行的一侧(例如从源4A)发射第一地震信号。从接收器行的相对侧(例如从源4B)发射第二地震信号。从接收器行的第一侧(即源4A)发射第三地震信号。可以如上所述的那样使用第一和第二地震信号来确定在“零时间”处将传感器2A中的时钟的时间映射到传感器2B中的时钟所需的偏移。然后可以如下使用第三地震信号来计算定标因数。定标因数然后可以用在等式(4)中以使得能够在其它时间处将传感器2A中的时钟的时间映射到传感器2B中的时钟的时间上。

为了根据该技术确定定标因数，确定在接收第一地震信号和第三地震信号之间根据传感器2A中的时钟的时间。还确定在接收第一地震信号和第三地震信号之间根据传感器2B中的时钟的时间。这两个时间段之间的比即为定标因数a。

在参考图5和图6的另一示例中，示出了被置于感兴趣区域中的多个地震传感器。关于图6将提到地震传感器2A、2B和2C。两个震源4A和4B与地震传感器2A共线布置——即地震传感器2A位于两个震源之间。

在本实施例中，震源4A和4B还分别包括地震传感器2C和2B。组合的地震传感器和震源可以形成为单个设备，或简单地连接起来。一般来说，可以说震源与相应地震传感器是并置的。

地震传感器2A、2B和2C中的每一个都具有时钟。按照上面的描述，地震传感器2A将具有将由τ表示其时间值的第一时钟，然而地震传感器2B和2C将具有时钟——共同第二时钟，它们彼此同步并且因此具有由t表示的相同时间值。这些第二时钟可以与系统时间同步。按照上文，情况可能是已经确定了用于时钟2B和2C的校准数据，并且属于所述时钟中的一个或二者的时间值表示经由上述等式1的等效式映射的时间值。

震源4A发射第一地震信号，并且震源4B发射第二地震信号。由地震传感器2A、2B和2C感测两个地震信号。第一地震信号的发射时间与第一地震信号在地震传感器2C处的ToA相同，并且由t_C1表示。第一地震信号在地震传感器2A处的ToA于是是τ_A1，并且第一地震信号在地震传感器2B处的ToA是t_B1。类似地，第二地震信号的发射时间与第二地震信号在地震传感器2B处的ToA相同，并且由t_B2表示。第二地震信号在地震传感器2A处的ToA是τ_A2，并且在地震传感器2C处的ToA是t_C2。

上面的等式(3)给出了τ₀的值：

另外，上面的等式2给出了t₀的两个值。在地震传感器2C处：

并且在地震传感器2B处：

等式(10)和(11)可以被取平均以为t₀给出更准确的值。将平均值代入等式1中并且重新整理，给出：

因此，两个地震传感器2B和2C可以用于为地震传感器2A中的时钟确定更准确的校准。在待校准的地震传感器(在本示例中是地震传感器2A)位于其它地震传感器2B和2C之间的情况下，这可能尤其有用，因为可以至少部分地计及地震信号的传播时间的任何变化。

上文描述了在利用一个或多个第二时钟校准第一时钟中使用的方法。将领会到，可以使用所描述的实施例的各种组合。例如，在图3和图4所示的第一实施例中，地震传感器2A和2B中的任一者或二者可以与震源并置。同样，在图5和图6所示的实施例中，地震传感器2B和2C中的一个或二者可以不分别与地震传感器4B和4A并置。在后一情况下，地震传感器和震源仍然可以被共线布置。

在一些实施例中，可以使用两个以上的地震信号并利用任何数量的其它地震传感器来校准给定的地震传感器。图7图示出这样的实施例可以如何操作。

在图7中，多对震源被布置成不同的构造，使得至少一个地震传感器与震源共线。震源4A和4B与地震传感器2D和具有参考标记2E的四个地震传感器共线。震源4C和4D与地震传感器2D和具有参考标记2F的三个地震传感器共线。震源4E和4F与地震传感器2D和具有参考标记2G的三个地震传感器共线。这种效果可以通过使用两个以上的震源实现，或者通过在地震信号的发射之间移动一对震源来实现。

使用震源4A和4B，所有的地震传感器2E可以相对于地震传感器2D进行校准。同样地，震源4C和4D可以用于校准地震传感器2F，并且震源4E和4F可以用于校准地震传感器2G。地震传感器2D可以被提供有用系统时间校准或与系统时间同步的准确时钟。

在大型地震传感器阵列上，可以为相对少量的地震传感器提供准确时钟，使得这些地震传感器能够用于校准相对大量的周围地震传感器。

在其它实施例中，地震传感器2D可以不被提供有准确时钟。相反，震源4A至4F中的每一个可以具有地震传感器(按照上面关于图5和图6描述的实施例)。这些随后可以用于多次利用例如所取的平均值来校准地震传感器2D中的时钟。使用多次校准确保了比仅使用一次校准的情况下更准确地校准地震传感器2D。因此，地震传感器2D可以用于校准周围的地震传感器。

现在将描述根据本发明的另外的方面。

在一个这样的另外方面中，可以在更连续的基础上校正传感器2A中的时钟随时间的漂移。在此方面，第一步是确立传感器2A中的时钟相对于系统时间的初始偏移。可选地，这可以根据上文结合图3至图6描述的方法来实现，即可以确立可以如何将传感器2A中的时钟的时间值τ₀映射到传感器2B中的时钟的时间值t₀，其中传感器2B中的时钟被校准或同步到系统时间。

该方面涉及到在地震勘测的整个地理区域内发射重复的地震信号。在每个地震传感器的地震数据中像时间戳那样记录该重复信号。然后可以在稍后的数据处理步骤中识别该时间戳，以使得能够在数据处理期间校正漂移。

根据实施例，位于采集区域中的震源(“定时源”)发射重复信号。重复信号可以是诸如脉冲或扫描之类的离散信号，其在勘测过程中以已知且通常恒定的速率重复。替代地，重复信号可以是诸如单频信号之类的连续信号，例如正弦信号，其在勘测过程中被连续发射。定时源可以被布置成从恰好在第一地震传感器被部署在现场之前开始发射其重复信号。这样，传感器一被部署并开启，它就记录重复信号。

虽然离散信号从定时源到任何给定的地震传感器的传播时间是未知的，但传播时间在勘测过程中是恒定的(只要地球的格林函数保持相同)。

类似地，对于连续的正弦信号，正弦信号上的特定重复点(例如波形的峰值)之间的时间在勘测过程中是恒定的。

当地震采集勘测完成时，从现场收集传感器并且下载数据。替代地，可以在地震采集勘测正在进行的同时将数据实时传送到数据收集单元。

通过检查由传感器记录的地震数据来识别重复信号，确定该传感器中的时钟是否漂移了并且校正该漂移是可能的。

在图8中示出了该方法的一个实施例，该图示出了对发射离散信号p的震源4S的描绘。源4S被提供有GPS同步时钟，使得发射时间被准确地控制为预设的周期l_t。例如，可以每30分钟发射假设具有10秒的持续时间的地震扫描。源4S从相同位置发射每个信号，以确保到每个传感器2的传播时间对于每次重复而言是恒定的。

可以通过将发射的地震扫描与记录的数据进行互相关来识别由传感器2A记录的传播的离散信号，以确定离散信号在传感器处的ToA(τ_p1、τ_p2、τ_p3等)。

如上所述，例如通过上述方法已经确立了传感器2A中的时钟与系统时间(例如GPS时间)之间的偏移。因此，可以使用周期l_t与连续的离散信号的ToA之间的时间差(即Δ_τ1、Δ_τ2等)之间的比来确定传感器2A中的时钟的时间与系统时间之间的关系。

离散信号的发射频率被选择成使得可能在两个连续的离散信号之间发生漂移的水平为低。传感器2A中的时钟在已经确定了偏移的点(即，针对确立偏移的以上方法的τ₀)与τ₀之后的第一个离散信号的ToA之间的漂移可以被视为零。在图8中，在τ₀之后记录的第一个离散信号是τ_p1。τ_p1可以根据以下等式映射到系统时间t上：

t_p1＝τ_p1-OFF (13)

其中：

t_p1是对应于τ_p1的系统时间；

τ_p1是在确定了偏移的点之后接收的第一个离散信号的ToA；以及OFF是传感器中的时钟与系统时间(即源中的时钟)之间的偏移。

在使用上述技术确立了偏移并且传感器2B中的时钟已经被同步到系统时间的情况下：

OFF＝τ₀-t₀ (14)

一旦确立了对应于τ_p1的系统时间，就可以校正地震数据中的其余部分中发生的漂移。已知连续的定时信号之间的差是预定义的周期l_t。因此，对应于传感器接收到的第n个离散信号的ToA的系统时间t_pm为：

t_pn＝t_p1+[(n-1).l_t] (15)

为了理解针对第n个和第(n+1)个离散信号之间的时间的传感器中的时钟与系统时间之间的关系，可以如下确定针对第n个周期的定标因数A_pn：

因此，对应于由传感器的时钟测量的任何时间τ_m的系统时间t_m可以被定义为：

t_m＝t_pn十A_pn·(τ_m-τ_pn) (17)

其中“pn”对应于在τ_m之前记录的最后的离散信号。

在该方法的替代方案中，并非假定在τ₀和τ_p1之间没有漂移，而是可以通过计算针对τ_p1和τ_p(-1)之间的时间段的定标因数A来获得针对t_p1的潜在地更准确的值，其中τ_p(-1)是在τ₀之前由传感器记录的最后的离散信号的ToA。将理解到，由于离散信号的发射开始于传感器被部署/开启之前，因此在τ₀之前记录离散信号。

在另一替代方案中，定时源不需要贯穿整个勘测保留在勘测区域中的相同位置中。而是，随着采集过程的进行，定时源可以沿着勘测区域行进。在这种情况下，参与地震采集勘测的震源可以用于执行发射离散信号的第二功能。例如，源可以在传感器正被部署在现场的同时从同一位置发射离散信号。一旦部署了传感器，源就可以开始一边围绕采集区域移动一边发射信号，以实现采集过程的目的。

当发射下一个离散信号的时间到来时，源可以向回移动到它已经在其处射击了的射击点中的一个。射击点指的是源发射“射击”(即用于地震采集目的的地震信号)的位置。这将与发射先前的离散信号的位置不同。因为源已经在为了地震采集的目的而被准确记录的时间处从该射击点发射了信号，所以可以以与上述方法类似的方式使用从该相同位置发射的第二射击，以使得能够将传感器上的不准确时钟的时间映射到系统时间上。

在该示例中并且实际上在以上描述的示例中，连续的离散信号之间的时间不需要是恒定的，只要从任何给定的位置发射至少两个信号并且那些发射的确切时间是已知的。

另外，在非常大的地理区域中，可以使用多于一个定时源来确保该区域中的所有传感器都检测到离散信号。由不同定时源发射的离散信号可以是不同的(例如不同的扫描)，以使得能够在处理期间分离相关的离散信号。

在使用连续的单频信号(例如正弦信号)的实施例中，从静止的源发射信号。信号的周期长度是已知常数，并且因此可以通过比较由传感器测量的信号的周期长度与已知的周期长度来确定定标因数。

可选地，在实施例中，可以应用陷波滤波器来分离由传感器记录的单频信号。可以选择陷波滤波器的宽度，以便捕获记录信号中由时钟中的漂移而引起的预计失真。如果用于确定所记录的定时信号的频率的技术(下面描述)足够，则陷波滤波器可以是不必要的。然而，如果定时信号弱或者背景噪声(例如来自其它地震活动)相当大，则陷波滤波器可能是有益的。

为了确定如由传感器测量的波形的周期长度，技术人员已知许多技术用来确定信号的频率。然后，可以将该确定的频率与所发射的定时信号的已知频率进行比较。

例如，可以计算选定时间处的测量波形与具有已知周期长度的样本波形的内积。提供最大内积的样本具有与传感器测量的波形的周期长度最密切匹配的周期长度，并且使得周期长度被认为是用于确定定标因数a的测量周期长度。

替代地，可以使用诸如用在动态翘曲或光学图像翘曲中的翘曲函数来比较发射的信号和记录的信号，以确定发射的信号由于时钟漂移而如何被改变。可以使用该改变来确定记录的信号的周期长度。

作为另一替代方案，可以使用傅立叶变换来确定记录数据中存在的频率分量，以便确定频率已经改变了多少。相应地，然后可以确定记录数据的周期长度。

作为另一选项，可以使用希尔伯特变换(一种公知的线性算子)来分析传感器在给定时间处测量的信号，以确定测量信号的瞬时频率。这样确定的该频率可以与发射信号的已知频率进行比较。

然后可以通过下式确定定标因数a：

其中l_t表示周期信号的已知周期长度；以及

l_τ，max表示对应于最大内积的信号的周期长度。

可以通过从已经确定了偏移的点开始并将定标因数应用于传感器中的时钟记录的时间来确定对应于根据传感器2中的时钟的任何时间的系统时间。如果漂移可能随时间变化，则记录的数据可以被分成离散的部分，并且可以针对每个离散的部分计算定标因数，使得可以累积地校正时间。

通过单独或组合地使用上述方法，在不需要第一时钟是诸如GPS同步时钟之类的高准确度时钟的情况下利用第二时钟校准地震传感器中的第一时钟是可能的。

将参考图9描述校准地震传感器中的时钟的一般方法。在第一步骤21中，接收由地震传感器记录的数据。在第二步骤22中，针对第一和第二信号识别相对于第一时钟的时间。这些可以是上文描述的针对第一和第二信号的ToA时间。在步骤23中，针对第一和第二信号识别相对于一个或多个第二时钟的时间。可以如图4中那样只有单个第二时钟，或者如图6中那样有多个第二时钟。在步骤24中，基于识别出的时间来确定第一时钟的偏移。这可以通过取相对于第一时钟的时间的平均值和相对于所述一个或多个第二时钟的时间的平均值并且对平均值求差来完成。

接着步骤24中的偏移确定，可以通过步骤25和26或者步骤27和28(或两者的组合)来确定定标因数。

在步骤25中，针对第三和第四信号重复上面的步骤22至24。这些可以用于在稍后的时间处确定第一时钟的偏移。基于两个偏移值，可以使用例如上面的等式8来确定定标因数。

替代地或附加地，在步骤27中，在接收的数据中识别定时信号。该周期信号可以在步骤28中用于确定定标因数。

以上方法可以由合适的计算机系统来进行。现在将参考图10描述示出这样的计算机系统50的示意性框图。计算机系统50包括具有处理器或CPU 54的处理系统52，所述处理器或CPU 54连接到易失性存储器(即RAM)56和非易失性存储器(诸如硬盘驱动器或者诸如磁盘或闪存驱动器之类的可移除存储器)58。载有用于实现本发明的实施例的指令的软件组件60可以被存储在非易失性存储器58和/或易失性存储器56中。另外，CPU 54可以连接到用户接口62和网络接口64。网络接口64可以是有线或无线接口，并且连接到由云66表示的网络。因此，处理系统52可以通过网络66与地震传感器、数据库和其它震源以及数据接收器连接。

在使用中，处理器54例如从非易失性存储器58检索并执行所存储的软件组件60。在软件组件60的执行期间(即，当计算机系统正执行上述动作时)，处理器可以将数据临时地存储在易失性存储器56中。处理器54还可以按照实现本发明的实施例所需要的那样通过用户接口62和网络接口64接收数据。在一些实施例中，可以提供用于从地震传感器检索数据的检索系统，并且所述检索系统经由接口64而连接到计算机系统50。

计算机系统50还可以用于解译通过如本领域中已知的任何地震勘测方法采集的任何地震勘测数据。替代地，计算机系统可以经由用户接口62或网络接口64中的任一者来提供可以由其它系统用于执行勘测方法的输出。

示例性实施例的另外的细节

在以上实施例中，定标因数a被认为是恒定的。在更一般的实施例中，可以假定定标因数随时间而改变。如果是这种情况，则等式1的更通用版本由下式给出：

其中a(t)是表示为时间函数的值a。

可以采用a的常规样本来确定该函数，其中例如a(t)被插入在样本之间。

要理解到，关于任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与所描述的其它特征结合地使用，并且还可以与任何其它实施例或者任何其它实施例的任何组合的一个或多个特征结合地使用。此外，也可以采用上面未描述的等价物和修改而不脱离在所附权利要求中限定的本发明的范围。例如，上面结合陆地上的地震活动进行了描述。然而，该方法直接适用于海洋地震勘测，其中地震传感器位于海床上或海床中，并且其中震源位于海床上或者处于或靠近海面。权利要求的特征可以被组合在除权利要求中指定的那些组合之外的组合中。

Claims

1.一种方法，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，包括计算第一时间和第二时间的平均值以及第三时间和第四时间的平均值，偏移的计算是基于计算出的平均值之间的差值。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，第一和第二地震传感器的输出还包括对应于由第一和第二地震传感器检测的第三和第四地震信号的分量，第三地震信号的传播方向是从第一地震传感器朝向第二地震传感器，并且第四地震信号的传播方向是从第二地震传感器朝向第一地震传感器，该方法还包括：

使用第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八时间确定用于第一时钟的定标因数。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，第一和第二地震传感器中的至少一个的输出还包括对应于由所述至少一个地震传感器检测的重复地震信号的分量，该方法还包括：

识别所述输出中的检测到的重复信号的周期；以及

使用识别出的周期来确定用于所述至少一个地震传感器的时钟的定标因数。

5.根据权利要求3或权利要求4所述的方法，包括使用所确定的偏移和定标因数相对于参考时钟来校准地震传感器中的所述一个的时钟。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所接收的数据还包括第三地震传感器的输出，第三地震传感器已被定位成与第一和第二地震传感器共线并且具有与第二时钟同步的第三时钟，该方法还包括：

7.根据权利要求6所述的方法，包括：

计算第一时间和第二时间的平均值以及第三、第四、第五和第六时间的平均值，偏移是基于计算出的平均值的差值。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括将第一和第二地震传感器置于一区域中并促使发射第一和第二地震信号以便由地震传感器进行感测。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括从与第一地震传感器并置的震源发射第一地震信号。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，还包括从与第二地震传感器并置的震源发射第二地震信号。

11.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其中，第二地震信号是从与第一和第二地震传感器共线、且使得第二地震传感器位于震源和第一地震传感器之间地布置的震源发射的。

12.根据权利要求8或权利要求10所述的方法，其中，第一地震信号是从与第一和第二地震传感器共线、且使得第二地震传感器位于震源和第一地震传感器之间地布置的震源发射的。

13.一种确定针对地震传感器中的时钟的定标因数的方法，该方法包括：

使用识别出的时间值来确定针对时钟的时间值的定标因数。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，识别出的时间值对应于针对周期地震信号的多个周期的周期地震信号的给定相位，并且基于时间值的差值来确定定标因数。

15.根据权利要求13所述的方法，包括：

16.根据权利要求13至15中的任一项所述的方法，其中，周期地震信号是连续单频地震信号。

17.根据权利要求13至15中的任一项所述的方法，其中，周期地震信号包括以固定间隔发射的多个离散信号。

18.根据权利要求13至17中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：接收由至少一个地震传感器记录的地震数据集，以及接收对应于每个地震传感器中的时钟和系统时间之间的初始偏移OFF的偏移数据，所述初始偏移和针对所述地震传感器中的时钟的定标因数用于校正由所述时钟测量的时间。

19.根据当从属于权利要求16时的权利要求18所述的方法，其中，定标因数用于通过校正一系列连续的时间间隔来校正由所述时钟测量的时间，所述时间间隔中的第一个始于时间τ₀，其中τ₀是由已知初始偏移的时钟测量的时间，并且通过根据以下等式来计算针对每个时间间隔的定标因数a：

其中l_t表示周期信号的已知周期长度，并且l_τ表示测量信号的周期长度。

20.根据当从属于权利要求17时的权利要求18所述的方法，其中，定标因数能够用于根据以下等式来校正由所述时钟测量的时间：

t_m＝t_pn+A_pn.(τ_m-τ_pn)

其中：

t_m是对应于由时钟测量的时间τ_m的系统时间

A_pn是针对第n个周期的定标因数，并且能够根据以下等式来计算

其中：lt是所述多个离散信号的周期；

τ_pn是由时钟测量的第n个离散信号到达传感器处的时间；以及

t_pn是对应于τ_m之前的离散信号到达地震传感器处的系统时间，并且能够根据下式计算：

t_pn＝t_p1+[(n-1).l_t]

21.一种方法，包括：