CN111948715A - 一种浅剖地震数据采集辅助设备及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种浅剖地震数据采集辅助设备及其施工方法，所述辅助设备包括浮体和电缆搭载装置，浮体通过浮球缆绳与电缆搭载装置相连，浅地层剖面仪的电缆安装在电缆搭载装置上，通过调节浮球缆绳的释放长度实现电缆深度控制，利用浮体的浮力与电缆搭载装置的重力之间的平衡来实现对电缆深度的控制，并设计屏蔽罩衰减风浪噪音和虚反射，同时增强有效地层的反射；不仅实现对电缆深度的有效控制，而且采集效率和采集效果都得到极大的提升；无论顺流还是逆流，采集的浅剖地震数据面貌一致，极大降低了地震数据处理的成本，处理效率提高50％以上，且处理质量远远强于传统方法，该方案具有更高的实际应用和推广价值。

Description

一种浅剖地震数据采集辅助设备及其施工方法

技术领域

本发明涉及海洋高分辨率地震浅剖数据采集领域，具体涉及一种浅剖地震数据采集辅助设备及其施工方法。

背景技术

浅地层剖面仪(sub-bottom profiler)是利用声波探测浅地层剖面结构的仪器。浅地层剖面仪是在超宽频海底剖面仪基础上改进，对海洋、江河、湖泊底部地层进行剖面显示的设备，结合地质解释，可以探测到水底以下地质构造情况。

在海洋地质调查，地球物理勘探和海洋工程，海洋观测、海底资源勘探开发，航道港湾工程，海底管线铺设中广泛应用。当前可提供相关仪器设备的厂家较多，常见的仪器厂商例如英国AAE公司，荷兰GEO公司，法国SIG公司等。根据所选的仪器设备和海底地质条件的差异，探测深度一般在海底之下0-300m范围。

野外采集时，电缆在海水中受力情况如图3所示，常规电缆一般为等浮电缆，即电缆沉放在海水中产生的重力和浮力相等，电缆可处于悬浮状态。拉力是采集过程中船体拖拽电缆产生的，由于船体位置较高，而电缆处于海水中，相对位置较低，因此拉力一般与水平方向有一定角度，阻力是电缆克服拉力产生的，方向向后。理想情况下，即静水环境时(海水流速为零)，船拖拽电缆，垂直方向多了拉力的分量，导致电缆会向上移动，当电缆漂浮在海面上时，电缆受力平衡，采集可稳定进行。但实际在海水中采集时，船速一般为5节，而海水常见2节流速，当顺流采集时，相对速度为3节，而逆流采集时，相对速度增大到7节。逆流时的阻力远大于顺流时的阻力，造成逆流时的拉力远大于顺流时的拉力，因此逆流采集时，电缆几乎漂在海面上，但是当顺流采集时，电缆往往会沉到海面下，有时会沉到2米甚至更深的深度。由于海水流速影响，采集时相对船速在不断变化中，故拉力值不断变化，而电缆沉放深度也在不断变化中，导致采集剖面的面貌也会发生较大的变化，采集质量难以控制，也增大了后期数据处理的难度，处理的流程难以统一，且处理效果也很难满足解释的要求。

图4为不同海况下浅剖采集效果，可以看到不同海水流速的情况下，采集效果完全不同，而目前的野外采集，几乎很少关注检波器沉放深度，采集时一般是将检波器直接放入海中，有时会将检波器绑个浮球，但无论哪种方式，检波器的深度很难控制。

通过研究对比多年来的浅剖采集和处理项目，发明人发现以下问题：

1)所有的浅剖仪器在采集过程中，接收缆(电缆)容易受海浪影响而在海水中上下浮动，当接收缆漂浮到海面上时，接收缆受风浪的影响增大，从而降低剖面质量，从图1可以看出，受风浪影响，剖面上有种模糊感；同时，仪器对来自深层的地震反射能量感应降低，从而难以接收到来自深部能量的反射，造成有效探测深度降低，此外当接收缆漂浮在海面上，受海况影响更敏感，从而影响采集效率；

2)当接收缆沉放深度太深，则接接收缆虚反射效应明显，从而降低了浅剖的分辨率，如图2所示，可以看出海底下有两套轴，第二套轴为虚反射；

以上两点关键性的结论实际上都指向同一个问题，即接收缆深度的控制是解决问题核心，即接收缆深度既不能太深也不能太浅，深度合适时采集效果为最佳。

而在现有的浅剖数据采集过程中，工程人员并没有意识到该问题及该问题的严重性，因而目前也没有较好的对应解决方案。

发明内容

本发明针对现有浅剖采集过程中电缆深度不同所带来的采集效率和采集精度问题，提出一种浅剖地震数据采集辅助设备及其施工方法，通过减少拉力变化对电缆的影响来达到控制电缆深度的目的，有效提高采集效率及精度。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种浅剖地震数据采集辅助设备，包括浮体和电缆搭载装置，浮体通过浮球缆绳与电缆搭载装置相连，且浮体与电缆搭载装置之间的浮球缆绳的长度可调，剖面仪的电缆安装在电缆搭载装置上，通过调节浮球缆绳的释放长度实现电缆沉放深度的控制。

进一步的，所述电缆搭载装置包括主框架以及设置在主框架前端的拖拽架，主体结构为钢制结构，拖拽架的下底面为倾斜面，沿拖拽架的下底面从上至下依次设置有多个拖拽连接孔，用以与拖拽船体通过拖拽缆绳相连。

进一步的，所述浮体上设置有浮球鼻，浮球缆绳的一端通过第一锁扣固定在浮球鼻上，浮球缆绳的另一端通过数个均匀间隔设置的第二锁扣将浮球缆绳本体沿其长度方向固定在电缆搭载装置上。

进一步的，所述电缆搭载装置上还设置有屏蔽罩，所述屏蔽罩覆盖在电缆正上方，用以屏蔽从海面上面来的风浪噪音及电缆虚反射，同时还可以增强有效反射能量。

进一步的，所述电缆搭载装置上设置有电缆固定限位环和拉力过载环，电缆固定限位环直径大于电缆直径，电缆固定限位环实现对电缆的固定，防止电缆上下浮动，所述拉力过载环为半圆形环，通过环形锁扣连接拉力过载环和电缆，当受意外情况时，即电缆拉力过大时，环形锁扣被拉断，电缆和电缆搭载装置分离，从而保护电缆。

进一步的，所述主框架的纵剖面整体上呈三角形，主要为了增加装置的稳定性，在遇到风浪时能够快速恢复到原来的位置，主框架的高度为50cm，长度为2m。

进一步的，所述浮球缆绳的最大长度设计为120cm，第二锁扣的间距为30cm，第二锁扣全部锁定时，浮体底端距离电缆搭载装置的顶端一定距离，以防止两者在采集过程中发生碰撞。

进一步的，所述浮体完全沉没于水中提供的浮力至少为整个辅助设备的重力的3倍。

本发明另外还提出一种浅剖地震数据采集辅助设备的施工方法，包括以下步骤：

步骤1、野外施工预案设计：根据项目关注点及探测地区类型设计对应的施工方案；

步骤2、施工前准备工作：

(3)将拖拽船体与辅助设备通过拖拽缆绳相连，拖拽缆绳首先连接中间位置的拖拽连接孔，根据施工设计预案调整辅助设备浮球缆绳的长度，将电缆固定搭载在电缆搭载装置上；

(4)通过船载A型架将辅助设备释放到海中，释放时，电缆绞车与辅助设备绞车同步释放，同时应确保电缆处于不受力状态，震源释放后仪器设备正常后即可进行野外施工工作；

步骤3、野外采集参数实验：

(1)浮球缆绳沉放深度实验：

根据项目目标的不同，沉放深度从深到浅或从浅到深依次实验，将浮球缆绳连接到不同位置的第二锁扣来调整浮球缆绳的收放长度，既而调整浅剖辅助设备的深度，通过不同深度采集的地震剖面的对比，选取最佳效果的剖面来确定深度参数；

(2)拖拽角度实验：确保在采集过程中浅剖辅助设备一直处于平衡状态。

进一步的，所述步骤3中，确定辅助设备是否平衡采用以下两种方法：

(1)乘坐小船到辅助设备附近观察浮体是否平衡；

(2)在辅助设备底部四角安装深度计，通过观察深度计值是否一致确定平衡状态，当辅助设备不平衡时，通过调整拖拽缆绳孔和拖拽架的角度来调整拖拽角度。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案通过浮球和电缆搭载装置实现对电缆深度的控制，并设计屏蔽罩衰减风浪噪音和虚反射，同时增强有效地层的反射；不仅实现对电缆深度的有效控制，而且采集效率和采集效果都得到极大的提升。

附图说明

图1为接收缆漂浮在海面上时采集的剖面特征示意图；

图2为接收缆沉放深度较深时采集的剖面特征示意图；

图3为野外采集时电缆受力示意图；

图4为不同海流情况下采集效果对比示意图；

图5为本发明实施例1所述浅剖辅助设备的结构示意图；

图6为本发明实施例1屏蔽罩压制电缆虚反射和风浪噪音以及增强有效信号的原理示意图；

图7为本发明实施例2方法与传统方法采集效果对比(左：传统方法；右：本发明方法)；

图8为浅剖辅助设备的双浮球设计形式结构示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

实施例1，如图5所示，本实施例提出一种浅剖地震数据采集辅助设备，包括浮体1和电缆搭载装置9，浮体1通过浮球缆绳4与电缆搭载装置9相连，浅地层剖面仪的电缆设置在电缆搭载装置9上，通过调节浮球缆绳4的释放长度实现电缆深度控制；浮体1采用浮球等浮力装置，利用浮球1的浮力与电缆搭载装置9的重力之间的平衡来实现对电缆深度的控制，浮球主要起到提供浮力的作用，本实施例中，浮球的长度为2m，半径为15cmx15cm，浮球完全沉没于水中提供的浮力远远大于整个装置的重力，比如浮力至少为重力的3倍；

浮球的两端设置有浮球鼻2，浮球缆绳4的一端通过第一锁扣3固定在浮球鼻2上，浮球缆绳4的另一端通过数个均匀间隔设置的第二锁扣5将浮球缆绳4本体沿其长度方向固定在电缆搭载装置9的顶部，第二锁扣5之间的间距约为30cm，通过释放第二锁扣5的数量，实现浮球缆绳4释放长度的调整，进而实现对电缆沉放深度的调整，即高强度缆绳4为浮球和电缆搭载装置9之间的纽带，电缆沉放深度的调整主要通过调整缆绳4释放的长度获得。

一般电缆沉放深度以1m为标准，考虑到浮球和电缆搭载装置9会占一部分深度，本实施例中，浮球缆绳4最大长度设计为120cm；当浮球缆绳4拉到最远处的第二锁扣5时，浮球底端与电缆搭载装置9的顶端距离约为5cm，即防止两者在采集过程中发生碰撞，此时电缆深度大约为70cm左右。当缆绳每向前移动一个第二锁扣5，电缆沉放深度增加30cm，电缆最大沉放深度为1.8m左右，通过第二锁扣5配合浮球缆绳4来控制电缆的沉放深度，可实现电缆沉放深度在0.7-1.8m之间，满足高精度及高效率采集需要。

继续参考图5，所述电缆搭载装置9包括主框架6和设置在主框架6前端的拖拽架7，主框架6的纵剖面整体上呈三角形，主要为了增加装置的稳定性，在遇到风浪时能够快速恢复到原来的位置，装置高50cm，长度2m，主体结构为钢制结构，拖拽架7的下底面为倾斜面，沿拖拽架7的下底面从上至下设置有多个用以固定船体拖拽缆绳11的拖拽连接孔10，拖拽架设计会产生额外的向下重力，这样可以与船体拖拽缆绳11向上的拉力相抵消，有利于在采集过程中电缆搭载装置9保持平衡；浮球缆绳4沉放深度不同以及拖拽缆绳11拖拽角度不同，会导致电缆搭载装置9前后深度不一致，可通过不同的拖拽孔实验达到电缆搭载装置在拖拽过程中前后深度一致的目的。

所述电缆搭载装置9上设置有电缆固定限位环13和拉力过载环14，电缆固定限位环13主要目的是防止电缆上下浮动，但并非完全固定电缆。电缆固定限位环13直径大于电缆直径，一般是1.5倍电缆直径，电缆固定限位环13在电缆搭载装置前后各设置一个，由于电缆规格并不相同，但是一般在2.5cm-5cm之间，因此电缆固定限位环13设计最大直径为7.5cm即可。拉力过载环14为半圆形环，通过环形锁扣连接拉力过载环14和电缆，意外情况时，即电缆拉力过大时，环形锁扣被拉断，电缆和电缆搭载装置分离，从而保护电缆。

施工时，将电缆通过环形锁固定在拉力过载环14上，随后固定好电缆固定限位环13，反复实验浮球缆绳4放长和拖拽缆绳连接孔10的选取，当采集质量效果达到设计要求时即可正常施工。

另外，电缆搭载装置上还设置有屏蔽罩12，为弧形装置，镶嵌在主框架6内，主要目的是屏蔽从海面上面来的风浪噪音及电缆虚反射，同时还可以增强有效反射能量，其原理如图6所示。有效地层反射波场为上行波场，遇到屏蔽罩反射后会二次加强接有效波的反射能量，而电缆虚反射和风浪噪音都是下行波场，虽然其入射角度并不一致，但是其传播方向都是从上向下传播，经屏蔽罩衰减能量大幅减弱。

本实施例中，所述电缆搭载装置9的重量远大于电缆的重量，与此匹配的浮球使得向上的电缆拉力的影响很容易被浮球浮力平衡掉。即当逆流时，阻力加大，拉力随之增大，向上拉力增大，浅剖深度控制装备向上移动，此时浮球缆绳受力减少，导致浮球沉入水中部分变少，浮力减少，浮力装备逐渐停止向上移动，并处于平衡状态；当顺流时，阻力减少，拉力随之减少，向上拉力减少，浅剖深度控制装备向下移动，此时浮球缆绳受力增大，导致浮球沉入水中部分增大，浮力增大，浅剖深度控制装备逐渐停止向下移动并处于平衡状态。

本发明的核心思想是通过大容量浮球和较重的浅剖辅助设备之间的平衡来实现对电缆深度的控制，在不脱离本发明设计思路的前提下，对该辅助设备进行改型或等同变化也可达到相同的目的，例如图8的设计基本原理也几乎相同，其不同点仅在于浮球的数量、框架的形状设计方案不同，通过双浮漂和框架式的固定设备之间的平衡也可以达到同样的目的，且效果与本发明专利基本相当；另外，对于屏蔽罩的设计，不同的遮挡板设计，例如水平遮挡板，或者三角形遮挡板，也都有一定的遮蔽下行波场的能力，其原理与本发明的原理一致，在不脱离本发明设计思想的前提下，任何改型均属于本发明保护范围。

实施例2、基于实施例1所述的浅剖地震数据采集辅助设备，本实施例另外还提出一种浅剖地震数据采集施工方法，包括以下步骤：

步骤1、野外施工预案设计：

根据项目关注点及探测地区类型设计对应的施工方案：

如果项目关注探测深度，则浮球缆绳放长从大到小依次进行；反之，如果项目关注浅层分辨率，则浮球缆绳放长从小到大依次进行；此外，对于砂质地区，浮球缆绳可适当的放长，对于泥质地区，浮球缆绳则适当放短，野外施工设计应充分考虑以上因素影响；

步骤2、施工前准备工作：

(1)将与船体连接的拖拽缆绳11穿过船载A型架上的滑轮与拖拽连接孔10相连，一般首先连接中间位置的拖拽连接孔，根据施工设计调整浅剖辅助设备浮球缆绳4的长度，将电缆穿过电缆固定限位环13，用环形锁扣连接浅剖电缆和浅剖辅助设备拉力过载环14，当在野外施工遇到意外导致电缆拉力过载时，保险绳会被拉断，采集电缆与浅剖辅助设备分离，从而保护好采集电缆；

(2)通过船载A型架将浅剖辅助设备释放到海中，释放时，电缆绞车与浅剖辅助设备绞车同步释放，同时应确保电缆处于不受力状态，即由浅剖辅助设备承受主要拉力，施工时，将设备释放到距离船尾40m处，以避开船尾流的影响，震源释放后仪器设备正常后即可进行野外施工工作；

步骤3、野外采集参数实验

为了最大化发挥浅剖辅助设备的效果，正式施工前应做实验确定采集参数；主要包括浮球缆绳沉放深度实验和拖拽角度实验，前者决定采集效果，后者决定采集时浅剖辅助设备是否平衡；

(1)浮球缆绳沉放深度实验：

根据项目目标的不同，沉放深度可以从深到浅或从浅到深依次实验，深度控制通过将浮球缆绳4连接到不同第二锁扣5来调整浮球缆绳的收放长度，既而调整浅剖辅助设备的深度，通过不同深度采集的地震剖面的对比，选取最佳效果的剖面来确定深度参数；

(2)拖拽角度实验：确保在采集过程中浅剖辅助设备一直处于平衡状态；

即实验过程中，需要保持设备前后在水中的深度一致，不能前高后低或前低后高，确定设备是否平衡可采用两种方法：一种是乘坐小船到浅剖辅助设备附近观察浮体是否平衡，二是在浅剖辅助设备底部四角安装深度计，通过观察深度计深度值是否一致，当设备不平衡时，通过调整拖拽缆绳孔10和船载A型架的角度来调整拖拽角度，使设备达到平衡，当设备前高后低时，需降低船载A型架的高度和将拖拽缆绳连接到更上方的拖拽缆绳孔10；当设备前低后高时，则要抬高船载A型架的高度和降拖拽缆绳连接到更下方的拖拽缆绳孔10。

本发明所提出的方案，由于电缆沉放相对较深，受风浪影响小，抗风浪能力增强，与现有技术相比延长了野外采集的时间，采集效率提高15％以上，此外由于野外采集的数据质量高，且即无论顺流还是逆流，采集的浅剖地震数据面貌都差不多一致，极大降低了地震数据处理的成本，处理效率提高50％以上，且处理质量远远强于未采用本技术的传统方法；如图7所示，为同一测线采用本发明方法与传统方法的采集效果对比示意图，可以看到采用本发明专利采集的地震剖面晚更新世陆相沉积在剖面中表现得非常清楚，但是传统方法效果则不明显，此外，本发明方法获得的地震剖面分辨率明显高于传统方法，两者的差距明显。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种浅剖地震数据采集辅助设备，其特征在于，包括浮体(1)和电缆搭载装置(9)，浮体(1)通过浮球缆绳(4)与电缆搭载装置(9)相连，且浮体(1)与电缆搭载装置(9)之间的浮球缆绳(4)的长度可调，剖面仪的电缆安装在电缆搭载装置(9)上，通过调节浮球缆绳(4)的释放长度实现电缆沉放深度的控制。

2.根据权利要求1所述的浅剖地震数据采集辅助设备，其特征在于：所述电缆搭载装置(9)包括主框架(6)以及设置在主框架(6)前端的拖拽架(7)，拖拽架(7)的下底面为倾斜面，沿拖拽架(7)的下底面从上至下依次设置有多个拖拽连接孔(10)，用以与拖拽船体通过拖拽缆绳(11)相连。

3.根据权利要求1所述的浅剖地震数据采集辅助设备，其特征在于：所述浮体(1)上设置有浮球鼻(2)，浮球缆绳(4)的一端通过第一锁扣(3)固定在浮球鼻(2)上，浮球缆绳(4)的另一端通过数个均匀间隔设置的第二锁扣(5)将浮球缆绳(4)本体沿其长度方向固定在电缆搭载装置(9)上。

4.根据权利要求2或3所述的浅剖地震数据采集辅助设备，其特征在于：所述电缆搭载装置(9)上还设置有屏蔽罩(12)，所述屏蔽罩(12)覆盖在电缆正上方。

5.根据权利要求1所述的浅剖地震数据采集辅助设备，其特征在于：所述电缆搭载装置(9)上设置有电缆固定限位环(13)和拉力过载环(14)，电缆固定限位环(13)直径大于电缆直径，所述拉力过载环(14)通过环形锁扣连接电缆。

6.根据权利要求2所述的浅剖地震数据采集辅助设备，其特征在于：所述主框架(6)的纵剖面整体上呈三角形。

7.根据权利要求3所述的浅剖地震数据采集辅助设备，其特征在于：所述浮球缆绳(4)的最大长度设计为120cm，第二锁扣(5)的间距为30cm，第二锁扣(5)全部锁定时，浮体(1)底端距离电缆搭载装置(9)的顶端一定距离。

8.根据权利要求1所述的浅剖地震数据采集辅助设备，其特征在于：所述浮体(1)完全沉没于水中提供的浮力至少为整个辅助设备的重力的3倍。

9.一种根据权利要求2-8所述的浅剖地震数据采集辅助设备的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、野外施工预案设计：根据项目关注点及探测地区类型设计对应的施工方案；

步骤2、施工前准备工作：

(1)将拖拽船体与辅助设备通过拖拽缆绳(11)相连，拖拽缆绳(11)首先连接中间位置的拖拽连接孔(10)，根据施工设计预案调整辅助设备浮球缆绳(4)的长度，将电缆固定在电缆搭载装置(9)上；

(2)通过船载A型架将辅助设备释放到海中，释放时，电缆绞车与辅助设备绞车同步释放，同时应确保电缆处于不受力状态，震源释放后仪器设备正常后即可进行野外施工工作；

步骤3、野外采集参数实验：

(1)浮球缆绳沉放深度实验：

根据项目目标的不同，沉放深度从深到浅或从浅到深依次实验，将浮球缆绳(4)连接到不同位置的第二锁扣(5)来调整浮球缆绳(4)的收放长度，既而调整浅剖辅助设备的深度，通过不同深度采集的地震剖面的对比，选取最佳效果的剖面来确定深度参数；

(2)拖拽角度实验：确保在采集过程中浅剖辅助设备一直处于平衡状态。

10.根据权利要求9所述的浅剖地震数据采集辅助设备的施工方法，其特征在于：所述步骤3中，确定辅助设备是否平衡采用以下两种方法：

(1)乘坐小船到辅助设备附近观察浮体是否平衡；

(2)在辅助设备底部四角安装深度计，通过观察深度计深度值是否一致确定平衡状态，当辅助设备不平衡时，通过调整拖拽缆绳孔(10)和船载A型架的角度来调整拖拽角度。

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