CN112612054A - 基于分布式光纤传感的海底地震数据采集系统及采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于分布式光纤传感的海底地震数据采集系统及采集方法，气枪震源激发船配置有多个拖曳式的气枪震源；数据采集铠装光缆上等间距分布有多个盒子，每个盒子内设有环绕光纤环，每个盒子顶部设有光纤姿态传感器；分布式光纤声波传感调制解调仪器设在海面的浮标内，分布式光纤声波传感调制解调仪器连接在数据采集铠装光缆一端或两端，用于接沿数据采集铠装光缆分布的光纤地震的信号和光纤姿态传感器的信号。本发明大幅度的降低海底地震数据采集系统的生产制造成本，而且便于在海上生产中的使用和维护，可以比常规的有源海底地震数据采集电缆做得更长，每条缆上可以有数量更多的地震传感器，可以更高效率的采集高密度海底地震数据。

Description

基于分布式光纤传感的海底地震数据采集系统及采集方法
技术领域
本发明属于应用地球物理勘探方法，涉及海洋地震勘探技术，具体是一种基于分布式光纤传感的海底地震数据采集系统及采集方法。
背景技术
目前的海底地震数据采集方式主要有两种，一种是单分量、二分量、三分量或四分量海底地震数据采集缆(OBC)沉入海底采集地震数据，另一是独立的三分量或四分量海底地震数据采集站(OBS和OBN)沉底采集地震数据，两者都使用独立的海洋地震气枪激发源在水中拖移时激发。沉入海底的海底地震数据采集缆，其工作方式是海底地震电缆(OBC)由放缆船是先投放布设到海底，然后由气枪震源船拖曳着水下可控气枪震源在距海面以下一定的深度上前行并向海水中激发地震信号，由事先投放布设到海底的地震缆采集海底地震数据。数据采集结束后，放缆船回收海底地震缆，投放布设到新的测量工区，然后重复海底地震信号的数据采集作业。独立的海底地震数据采集缆和海底地震数据采集站如ION、Sercel、Fairfield和OYOGeospace等公司生产销售的各种OBC、OBS和OBN。
目前所有正在使用的和公布的沉底式海洋地震数据采集站都是采用配重水泥块将海洋地震数据采集站带到海底，数据采集结束以后，由安装在船底的超短基线(USBL)声学控制单元向海底的地震数据采集站发送控制信号，启动海底地震数据采集站的声学或机械释放装置，使海底地震数据采集站与配重水泥块分离，依靠海底地震数据采集站上部的玻璃浮球将采集站带到海面上后进行回收。这种沉底式采集站体积大、成本高、重量重，无法大量的在海底布设高密度的二维海底地震数据采集测线或三维测网。另外采集站投放时是自由下沉，没有定点投放精度控制，回收时是靠玻璃浮球将海底地震采集站带到海面上，施工效率低，还有因声学或机械释放装置失灵造成海底地震采集站与配重水泥块无法分离，导致海底地震采集站回收失败而丢失。
现有的常规海底地震数据采集缆(OBC)上按照等间距沿缆分布有多个四分量海底地震信号采集单元，使得常规海底地震数据采集缆的重量极大，只能用于作业水深不超过500米的海域。此外由于海底电缆的数据传输能力有限，无法将超长采集缆上采集的所有海底地震数据实时传输到海面的浮标里面或传输到气枪震源激发船上的地震数据采集计算机里面来。
发明内容
本发明目地在于提供一种基于分布式光纤声波传感(DAS)的海底地震数据采集系统，以进行深海海底地震数据采集工作。
本发明通过以下方式实现：
基于分布式光纤声波传感的海底地震数据采集系统，包括气枪震源激发船、布设到海底的数据采集铠装光缆、分布式光纤声波传感调制解调仪器；
所述的气枪震源激发船配置有多个拖曳式的气枪震源；
所述的数据采集铠装光缆上等间距分布有多个盒子，每个盒子内设有环绕光纤环，每个盒子顶部设有光纤姿态传感器；
所述的分布式光纤声波传感调制解调仪器设在海面的浮标内，分布式光纤声波传感调制解调仪器连接在数据采集铠装光缆一端或两端，用于接收沿数据采集铠装光缆分布的光纤地震的信号和光纤姿态传感器的信号。
其中，所述的环绕光纤环为数据采集铠装光缆里面的单模光纤统一按照顺时针方向或逆时针方向绕5圈到10圈，环绕光纤环的直径为0.1米到0.2米之间。
进一步的，相邻的环绕光纤环之间的间隔相等，间距为6.25米、12.5米、25米或50米。
所述的光纤姿态传感器为光纤陀螺仪，用于测量对应盒子内的环绕光纤环的姿态，实时记录环绕光纤环的倾角、方位角和倾向，还用于对记录的海底地震数据进行必要的旋转处理。
所述的浮标内还包括柴油发电机，柴油发电机通过电缆给分布式光纤声波传感调制解调仪器持续供电；浮标顶部安装有无线信号发射和接收的天线，用于接收GPS信号和向气枪震源激发船无线实时发送采集的海底地震数据。
本发明还提供一种基于分布式光纤声波传感的海底地震数据采集方法，采用上述基于分布式光纤声波传感的海底地震数据采集系统，包括以下步骤：
(a)用铠装光缆布设回收气枪震源激发船将数条数据采集铠装光缆按照施工设计要求布设到海底地震数据采集区的海底；
(b)在数据采集铠装光缆的一端或两端连接浮标，启动浮标内的柴油发电机给分布式光纤声波传感调制解调仪器持续供电，启动分布式光纤声波传感调制解调仪器对数据采集铠装光缆的状态进行自检，在确保数据采集铠装光缆、环绕光纤环和光纤姿态传感器工作正常后，分布式光纤声波传感调制解调仪器进入待机状态准备开始采集海底地震数据；
(c)气枪震源激发船移动到预先设计好的震源线起始端，随后在海平面以下一定的深度上拖曳着气枪震源沿震源线上匀速移动并在每个震源点位置上进行气枪震源的激发，同步给天线发送气枪震源的激发启动信号，启动分布式光纤声波传感调制解调仪器按照预先设置好的采集要求采集海底地震数据；
(d)分布式光纤声波传感调制解调仪器自动将采集到的从数据采集铠装光缆沿线各点反射回来的瑞利散射光的相位信号解调成各测点的地震波信号，存放在数据硬盘上；
(e)利用天线实时向气枪震源激发船发送采集到的海底地震数据，用于质量监控或现场快速处理或现场快速叠加剖面成像；
(f)所有数据采集铠装光缆布设区块内预先设计好的震源点激发完后，数据采集铠装光缆的布设回收气枪震源激发船逐条将数据采集铠装光缆回收到气枪震源激发船上的绞车里；回收完所有布设在海底的数据采集铠装光缆后，数据采集铠装光缆的布设回收气枪震源激发船移动到下一块海底地震数据采集工区，按照施工设计方案向海底逐条布设数据采集铠装光缆；
(g)数据采集铠装光缆布设完后，气枪震源激发船移动到设计震源线的起始端，在海平面以下一定的深度上拖曳着气枪震源开始沿震源线逐点激发气枪震源，同时通过向天线发射激发同步信号，启动分布式光纤声波传感调制解调仪器采集气枪震源激发的海底地震数据。
本发明可以在很大程度上简化海底地震数据采集系统的设计和制造。由于光纤海底地震数据采集缆里面没有任何电子器件和通用的地震信号传感器，大幅度的降低海底地震数据采集系统的生产制造成本，而且便于在海上生产中的使用和维护。由于本发明提出的海底光纤地震数据采集缆是无源式地震数据采集系统，可以比常规的有源海底地震数据采集电缆做得更长，每条缆上可以有更密集和数量更多的地震传感器，可以更高效率的采集高密度海底地震数据。另外海底地震数据采集光缆能够数倍地提高一次施工的海底地震数据采集量，有效提高目标探测精度，实现应用海底地震勘探技术进行海洋矿产及油气资源和甲烷(天然气)水合物的勘探与评价。
附图说明
图1是带环绕光纤环的海底光纤地震数据采集缆在海底铺设的示意图。
图2是不带环绕光纤环的海底光纤地震数据采集缆在海底铺设的示意图。
图3是环绕光纤环和光纤姿态传感器连接示意图。
图4是连接铠装光缆一端的浮标结构示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1和图2所示，基于分布式光纤声波传感的海底地震数据采集系统，包括气枪震源激发船8、布设到海底的数据采集铠装光缆3、分布式光纤声波传感调制解调仪器10；
所述的气枪震源激发船8配置有多个拖曳式的气枪震源9；
所述的数据采集铠装光缆3上等间距分布有多个圆柱形的耐高压的盒子13，如图3所示，每个盒子13内设有环绕光纤环4，每个盒子13顶部设有光纤姿态传感器7；
如图4所示，所述的分布式光纤声波传感调制解调仪器10设在海面的浮标6内，分布式光纤声波传感调制解调仪器10连接在数据采集铠装光缆3一端或两端，用于接收沿数据采集铠装光缆3分布的光纤地震的信号和光纤姿态传感器7的信号。
分布式光纤声波传感调制解调仪器10可以和数据采集铠装光缆3的一端相连接，也可以和数据采集铠装光缆3的两端相连接。当铠装光缆3的两端都有分布式光纤声波传感调制解调仪器10相连接时，可以使数据采集铠装光缆3的长度增加一倍，提高数据采集的效率。
所述的环绕光纤环4为数据采集铠装光缆3里面的单模光纤统一按照顺时针方向或逆时针方向绕5圈到10圈，环绕光纤环4的直径为0.1米到0.2米之间。
相邻的环绕光纤环4之间的间隔相等，间距为6.25米、12.5米、25米或50米。
所述的光纤姿态传感器7为光纤陀螺仪，用于测量对应盒子13内的环绕光纤环4的姿态，实时记录环绕光纤环4的倾角、方位角和倾向，还用于对记录的海底地震数据进行必要的旋转处理。
所述的浮标6内还包括柴油发电机11，柴油发电机11通过电缆给分布式光纤声波传感调制解调仪器10持续供电；浮标6顶部安装有无线信号发射和接收的天线12，用于接收GPS信号和向气枪震源激发船8无线实时发送采集的海底地震数据。
基于分布式光纤声波传感的海底地震数据采集方法，包括以下步骤：
(a)用铠装光缆布设回收气枪震源激发船将数条数据采集铠装光缆3按照施工设计要求布设到海底地震数据采集区的海底；
(b)在数据采集铠装光缆3的一端或两端连接浮标6，启动浮标6内的柴油发电机11给分布式光纤声波传感调制解调仪器10持续供电，启动分布式光纤声波传感调制解调仪器10对数据采集铠装光缆3的状态进行自检，在确保数据采集铠装光缆3、环绕光纤环4和光纤姿态传感器7工作正常后，分布式光纤声波传感调制解调仪器10进入待机状态准备开始采集海底地震数据；
(c)气枪震源激发船8移动到预先设计好的震源线起始端，随后在海平面以下一定的深度上拖曳着气枪震源9沿震源线上匀速移动并在每个震源点位置上进行气枪震源9的激发，同步给天线12发送气枪震源9的激发启动信号，启动分布式光纤声波传感调制解调仪器10按照预先设置好的采集要求采集海底地震数据；
(d)分布式光纤声波传感调制解调仪器10自动将采集到的从数据采集铠装光缆3沿线各点反射回来的瑞利散射光的相位信号解调成各测点的地震波信号，存放在数据硬盘上；
(e)利用天线12实时向气枪震源激发船8发送采集到的海底地震数据，用于质量监控或现场快速处理或现场快速叠加剖面成像；
(f)所有数据采集铠装光缆3布设区块内预先设计好的震源点激发完后，数据采集铠装光缆3的布设回收气枪震源激发船逐条将数据采集铠装光缆3回收到气枪震源激发船上的绞车里；回收完所有布设在海底的数据采集铠装光缆3后，数据采集铠装光缆3的布设回收气枪震源激发船移动到下一块海底地震数据采集工区，按照施工设计方案向海底逐条布设数据采集铠装光缆3；
(g)数据采集铠装光缆3布设完后，气枪震源激发船8移动到设计震源线的起始端，在海平面以下一定的深度上拖曳着气枪震源9开始沿震源线逐点激发气枪震源9，同时通过向天线12发射激发同步信号，启动分布式光纤声波传感调制解调仪器10采集气枪震源9激发的海底地震数据。
本发明可以在很大程度上简化海底地震数据采集系统的设计和制造。由于光纤海底地震数据采集缆里面没有任何电子器件和通用的地震信号传感器，大幅度的降低海底地震数据采集系统的生产制造成本，而且便于在海上生产中的使用和维护。由于本发明提出的海底光纤地震数据采集缆是无源式地震数据采集系统，可以比常规的有源海底地震数据采集电缆做得更长，每条缆上可以有更密集和数量更多的地震传感器，可以更高效率的采集高密度海底地震数据。另外海底地震数据采集光缆能够数倍地提高一次施工的海底地震数据采集量，有效提高目标探测精度，实现应用海底地震勘探技术进行海洋矿产及油气资源和甲烷(天然气)水合物的勘探与评价。

Claims (6)

1.基于分布式光纤声波传感的海底地震数据采集系统，其特征在于，包括气枪震源激发船(8)、布设到海底的数据采集铠装光缆(3)、分布式光纤声波传感调制解调仪器(10)；
所述的气枪震源激发船(8)配置有多个拖曳式的气枪震源(9)；
所述的数据采集铠装光缆(3)上等间距分布有多个盒子(13)，每个盒子(13)内设有环绕光纤环(4)，每个盒子(13)顶部设有光纤姿态传感器(7)；
所述的分布式光纤声波传感调制解调仪器(10)设在海面的浮标(6)内，分布式光纤声波传感调制解调仪器(10)连接在数据采集铠装光缆(3)一端或两端，用于接收沿数据采集铠装光缆(3)分布的光纤地震的信号和光纤姿态传感器(7)的信号。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤声波传感的海底地震数据采集系统，其特征在于，所述的环绕光纤环(4)为数据采集铠装光缆(3)里面的单模光纤统一按照顺时针方向或逆时针方向绕5圈到10圈，环绕光纤环(4)的直径为0.1米到0.2米之间。
3.根据权利要求1或2所述的基于分布式光纤声波传感的海底地震数据采集系统，其特征在于，相邻的环绕光纤环(4)之间的间隔相等，间距为6.25米、12.5米、25米或50米。
4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤声波传感的海底地震数据采集系统，其特征在于，所述的光纤姿态传感器(7)为光纤陀螺仪，用于测量对应盒子(13)内的环绕光纤环(4)的姿态，实时记录环绕光纤环(4)的倾角、方位角和倾向，还用于对记录的海底地震数据进行必要的旋转处理。
5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤声波传感的海底地震数据采集系统，其特征在于，所述的浮标(6)内还包括柴油发电机(11)，柴油发电机(11)通过电缆给分布式光纤声波传感调制解调仪器(10)持续供电；浮标(6)顶部安装有无线信号发射和接收的天线(12)，用于接收GPS信号和向气枪震源激发船(8)无线实时发送采集的海底地震数据。
6.基于分布式光纤声波传感的海底地震数据采集方法，其特征在于，采用权利要求1到5任一项所述基于分布式光纤声波传感的海底地震数据采集系统，包括以下步骤：
(a)用铠装光缆布设回收气枪震源激发船将数条数据采集铠装光缆(3)按照施工设计要求布设到海底地震数据采集区的海底；
(b)在数据采集铠装光缆(3)的一端或两端连接浮标(6)，启动浮标(6)内的柴油发电机(11)给分布式光纤声波传感调制解调仪器(10)持续供电，启动分布式光纤声波传感调制解调仪器(10)对数据采集铠装光缆(3)的状态进行自检，在确保数据采集铠装光缆(3)、环绕光纤环(4)和光纤姿态传感器(7)工作正常后，分布式光纤声波传感调制解调仪器(10)进入待机状态准备开始采集海底地震数据；
(c)气枪震源激发船(8)移动到预先设计好的震源线起始端，随后在海平面以下一定的深度上拖曳着气枪震源(9)沿震源线上匀速移动并在每个震源点位置上进行气枪震源(9)的激发，同步给天线(12)发送气枪震源(9)的激发启动信号，启动分布式光纤声波传感调制解调仪器(10)按照预先设置好的采集参数采集海底地震数据；
(d)分布式光纤声波传感调制解调仪器(10)自动将采集到的从数据采集铠装光缆(3)沿线各点反射回来的瑞利散射光的相位信号解调成各测点的地震波信号，存放在数据硬盘上；
(e)利用天线(12)实时向气枪震源激发船(8)发送采集到的海底地震数据，用于质量监控或现场快速处理或现场快速叠加剖面成像；
(f)所有数据采集铠装光缆(3)布设区块内预先设计好的震源点激发完后，数据采集铠装光缆(3)的布设回收气枪震源激发船逐条将数据采集铠装光缆(3)回收到气枪震源激发船上的绞车里；回收完所有布设在海底的数据采集铠装光缆(3)后，数据采集铠装光缆(3)的布设回收气枪震源激发船移动到下一块海底地震数据采集工区，按照施工设计方案向海底逐条布设数据采集铠装光缆(3)；
(g)数据采集铠装光缆(3)布设完后，气枪震源激发船(8)移动到设计震源线的起始端，在海平面以下一定的深度上拖曳着气枪震源(9)开始沿震源线逐点激发气枪震源(9)，同时通过向天线(12)发射激发同步信号，启动分布式光纤声波传感调制解调仪器(10)采集气枪震源(9)激发的海底地震数据。
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