DE69724445T2

DE69724445T2 - Seismisches datenerfassungssystem mit drahtloser telemetrie

Info

Publication number: DE69724445T2
Application number: DE69724445T
Authority: DE
Inventors: William Pentland Park; John Grant Flavell Smith; John Christopher Whelan; David James Hamilton; William Alexander Sandham
Original assignee: Vibration Technology Ltd
Current assignee: Sercel England Ltd Edinburgh Gb
Priority date: 1996-10-23
Filing date: 1997-10-23
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2017-10-24
Also published as: JP2001502429A; EP0934538B1; AU4716797A; CA2268939C; EP0934538A1; CN1234121A; RU2190241C2; DE69724445D1; ES2205187T3; CN1151383C; WO1998018022A1; US6219620B1; CA2268939A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf seismische Erfassung unter Verwendung von Geophonen.
Die Durchführung einer geophysikalischen Vermessung eines Gebiets durch die Verwendung einer Anordnung von Geophonen in Verbindung mit einer Reihe von Explosionen oder eine mittels einer Schwing-Vorrichtung auf die Erde angewandte kontinuierliche Schwingung ist wohlbekannt.
Obwohl die erhaltenen Ergebnisse nützlich sind, sind herkömmliche Techniken logistisch langsam, arbeitsintensiv und teuer. Es ist notwendig, eine große Anzahl von Geophonen auf einem Gitter, das schon vorher vermessen worden ist, einzusetzen. Jede Geophonkette ist einzeln mit einer Zentralsteuerungseinheit verdrahtet. Während die Vermessung fortschreitet, müssen die hinteren Geophone abgetrennt werden, vorne neu positioniert werden und wieder verbunden werden. Dieser Vorgang ist extrem mühsam und die Komplexität der Verbindungen verursacht eine hohe Fehlerwahrscheinlichkeit. Der Umfang des Problems wird verstanden werden, wenn erkannt wird, dass eine typische seismische 3D-Anordnung bis zu 750 km Verkabelung mit sich bringt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Mittels zum Vereinfachen dieser Vorgänge und so die Zeit und Kosten der Vermessung um einen bedeutenden Grad zu reduzieren.
US-A-4 815 044 offenbart ein seismisches Vermessungssystem, das drahtlose Telemetrie verwendet. In diesem Dokument werden Funkverbindungen an Stellen verwendet, an denen Verdrahtung schwierig wäre. Jede Funkverbindung verwendet eine Relaisfunkeinheit, die mit einer Anzahl von Datenerfassungsboxen kommuniziert, wobei jede Datenerfassungsbox mit einem Geophon oder mehreren Geophonen örtlich verdrahtet ist.
US-A-3 886 494 zeigt auch die Verwendung von Funk bei dem Kommunizieren von seismische Daten von einer Anordnung von Geophonen zu einem zentralen Punkt. In diesem Dokument wird ein System vorgeschlagen, bei dem jedes Geophon mit einer jeweiligen Geolink-Einheit verbunden ist, die einen Datenprozessor und Funktionen zum Übertragung und Empfangen von Funk beinhaltet. Die Daten werden von einer Geolink-Einheit zur anderen auf eine kettenförmige Weise gemäß einem vordefinierten Program weitergeleitet EP-A-0 646 809 beschreibt ein System, bei dem Geophonketten mit jeweiligen Datenspeicherungs- und Datenübertragungseinheiten verdrahtet sind, wobei die Einheiten die gespeicherten Daten mittels Funk an eine zentrale Stelle sequentiell übertragen. DE-A-19 519 164 zeigt eine Anordnung, die in etwa ähnlich ist.
Der vorangehende Stand der Technik verwendet Funkübertragung bei der Durchführung von seismischen Vermessungen, aber benötigt noch großflächige Feldverdrahtung oder verschwendet Zeit oder Funkwellenspektrum.
Die vorliegende Erfindung stellt ein in den nachstehenden Ansprüchen 1 und 12 definiertes seismisches Vermessungssystem und Verfahren bereit, das diesen bisherigen Stand der Technik verbessert.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine schematische Ansicht eines seismischen Vermessungssystems ist;
2 ein Blockdiagramm, das eine Form der Geophon-Einheit zum Verwenden in dem System darstellt, ist; und
3 eine schematische Ansicht eines Vermessungsgebiets ist, die die Funkfrequenzzuteilung darstellt; und
4 ein Blockdiagramm einer in dem System verwendeten Zentralsteuerung ist.
Unter Bezugnahme auf 1 wird eine seismische Vermessung über eine „Landschaft" oder ein Geländegebiet von Interesse durchgeführt, indem eine Anzahl von Geophon-Einheiten oder Fernerfassungseinheiten (RAU) 10 an bekannten Stellen, typischerweise in regulären Anordnungen, positioniert werden. Bei dem erfindungsgemäßen System kann jede RAU 10 unter Verwendung von drahtloser Telemetrie Signale von einer Zentralsteuerungseinheit (CCU) 12 empfangen und an diese übertragen.
Die Anordnung kann in Felder aufgeteilt sein, wie bei 14 gezeigt, wobei jedes Feld mit einem Sender/Empfänger oder Feld-Netzknotenpunkt (CAN) 16, als ein Relais zwischen den RAU 10 und der CCU 12 dient. Diese Aufteilung kann durch die Art des Geländes erforderlich sein, aber sie ist auf jeden Fall vorteilhaft, da sie die Verwendung von niedriger Leistung in den RAU 10 ermöglicht, wodurch Größe und Kosten reduziert werden.
2 stellt eine einzelne RAU 10 dar, die in dem System in 1 verwendet werden kann. Die RAU 10 in 2 verwendet ein einzelnes herkömmliches Geophon oder Geophonkette(n), um Geschwindigkeitsinformation bei 20 in analoger Form einem Analog-Digital-Wandler 22 über einen Vorverstärker und eine Filterstufe 21 bereitzustellen. Die digitalisierte Information ist bei 24 zum Weitersenden an den CAN 16 über einen Sender/Empfänger 26 gemäß den von dem CAN 16 empfangenen Steuersignalen gespeichert. Diese Steuersignale und das Weitersenden der digitalen Information erfolgt durch jedes geeignete herstellerspezifische Protokoll.
Die RAU 10 beinhaltet auch eine Stromversorgung 28 und einen Steuerungsschaltkreis 30. Die Stromversorgung 28 beinhaltet geeigneterweise wiederaufladbare oder wegwerfbare Batterien und vorzugsweise auch ein Solarpaneel.
Jede RAU 10 ist durch einen einzigartigen Code gekennzeichnet, der in einem zweckgebundenen, bei 24a angezeigten Gebiet des Speichers 24 gespeichert werden kann.
Der Steuerungsschaltkreis 30 steuert die Betätigung des Vorverstärkers 21 auf zwei Arten.
Erstens ist die Verstärkung des Vorverstärkers 21 als eine Funktion der Entfernung der besonderen RAU 10 von der Stelle der seismischen Signalquelle angepasst; dieses stellt mehr Empfindlichkeit bei einer weiteren Entfernung von der Quelle bereit. Diese Anpassung kann geeeigneterweise durchgeführt und geändert werden, während die Stelle der Quelle geändert wird, wobei die RAU ortsfest sind.
Zweitens kann die Verstärkung auch mit der Zeit variiert werden, während die Rückgabe von dem seismischen Signal abfällt, wobei mehr Vorverstärkung verwendet wird, um das Signal während seiner Abnahme zu verstärken. Eine RAU in der Nähe der seismischen Signalquelle könnte eingestellt werden, um eine anfängliche Verstärkung von 2° hervorzurufen, die für die erste Sekunde des Signals verwendet wird und dann für jede nachfolgende Sekunde auf 2¹, 2² und 2³ erhöht wird, wohingegen eine entfernte RAU mit einer anfänglichen Verstärkung von 2⁴ eingestellt werden kann, wobei diese auf 2⁵, 2⁶ und 2⁷ erhöht wird.
Diese zwei Faktoren sind auch aus der CCU 12 programmierbar.
Der Steuerungsschaltkreis 30 steuert ebenfalls die Betätigung der digitalen drahtlosen Telemetrie, so dass die Leistungsabgabe variabel ist, wodurch die Programmierung der Anzahl von an jeder gegebenen CAN 16 meldenden RAU 10 und der Entfernung jeder RAU 10 von einer gegebenen CAN 16 ermöglicht ist, wodurch die flexible Ausführung seismischer Vermessungen ermöglicht wird. Diese Faktoren sind auch aus der CCU 12 programmierbar.
Bei der Betätigung überträgt die CCU 12 ein Signal zum indirekten Aktivieren der RAU 10 vor dem Auslösen der seismischen Signalquelle und danach speichert jede Einheit die Daten für einen gegebenen Zeitraum nach diesem Signal. Die CAN 16 fragen ihre jeweiligen RAU 10 ab, wodurch bewirkt wird, dass jede RAU ihre gespeicherte Information mit ihrem vorhergehenden Identitätscode überträgt. Durch das Verwenden unterschiedlicher Frequenzen in den verschiedenen Feldern 14 kann das Abfragen gleichzeitig in jedem Feld erfolgen, wobei die CAN 16 mit der CCU 12 über eine kleine Anzahl von drahtlosen Breitbandverbindungen, oder Datenkabel oder Glasfaserverbindungen kommunizieren.
In einer Modifikation können RAU verwendet werden, die jeweils zwei oder mehr Geophone, die mit einem einzelnen Speicher, Steuerungsschaltkreis und Sender/Empfänger funktionieren, beinhalten.
Die Form und Größe der Felder wird durch die Reichweite des drahtlosen Sende-/Empfangsgeräts, das Gelände, Hindernisse und, weniger oft, durch das Wetter bestimmt. Die RAU in einem gegebenen Feld funktionieren auf einer Gruppe von Funkfrequenzen. Angrenzende Felder funktionieren auf unterschiedlichen Frequenzen.
Das Telemetriesystem kann Frequenzen in nicht angrenzenden Feldern wiederverwenden. Dies wird in 3 mit Bezug auf eine Vermessungsfläche, die einen Grat (durch Höhenlinien 37 angezeigt) überquert, dargestellt. Da die Funk-Sende-/Empfangsgeräte eine beschränkte Reichweite aufweisen, kann eine gegebene Frequenz in einem anderen Feld wiederverwendet werden, sobald sie ausserhalb dieser Reichweite liegt. Die Funkfrequenzen können daher auf aufeinanderfolgende Weise wiederverwendet werden, um die Anzahl von Frequenzen, die von dem System benötigt werden, zu minimieren.
Das Funksystem kann insbesondere in dem 2,4-GHz-Band bei niedriger Leistung funktionieren. Hohe Frequenzen dieser Größenordnung nehmen bei zunehmender Entfernung schnell ab, wodurch die Verwendung einer beschränkten Anzahl von Frequenzen für eine unbeschränkte Anzahl von Feldern ermöglicht wird. Das 2,4-GHz-Band wird besonders bevorzugt, da dieses Band in vielen Territorien ohne Lizenz verwendet werden darf.
Wenn ein CAN Signale von einer Anzahl unterschiedlicher Felder empfängt, kann die Systemsoftware die Signale entdoppeln, indem die schwächeren Signale gelöscht werden.
Eine geeignete Auflösung wird erhalten, indem jedes Geophon 24-Bit-Information bei einer Wiederholungsgeschwindigkeit von 500 Hz (2 ms Abtastgeschwindigkeit) erzeugt. Die Bandbreite, die von dem Abfrage-System benötigt wird, kann unter Verwendung von bekannten Datenkompressionstechniken in den RAU 10 oder CAN 16 reduziert werden.
Für ein 24-Bit-Abtasten bei Intervallen von 2 ms würde die maximale Datengeschwindigkeit pro Geophon-Einheit zum Beispiel 12 kbits/s betragen und für einen Sektor mit achtzig Geophon-Einheiten würde die Sektor-Basisstation eine maximale Datengeschwindigkeit von 1 Megabits aufweisen. Billige Funktelemetrie-Module, die für diese Datengeschwindigkeit geeignet sind, sind erhältlich; der „Prism"-Funk-Chipsatz von Harris Semiconductor Limited kann beispielsweise bis zu 4 Megabit verarbeiten.
4 zeigt eine geeignete Form der CCU. Daten werden auf eine im Handel erhältliche Einheit 44 eines bekannten Typs zum Aufzeichnen von seismischer Erfassung erfasst. Durch diese werden bei 46 zeitlich bestimmte momentane Befehle ausgegeben. Jeder momentane Befehl bewirkt, dass ein Synchronimpuls-Erzeuger 48 einen Synchronimpuls 1 zum Aktivieren der Geophone und eine Reihe von zeitlich bestimmten Synchronimpulsen 2; zum Steuern des Abfragens erzeugt. Die Synchronimpulse werden über einen Übertragen-/Empfangenschalter 52, der eingehende Datensignale an einen Empfänger und Dekodieren 54 durchschaltet, um Daten für die Aufzeichnungseinheit 44 bereitzustellen, bei 50 kodiert und übertragen.
In einer Modifikation der CCU wird zeitlich das Abtastintervall schrittweise reduziert. An Stelle eines Abtastens alle 2 ms für insgesamt 4 s würde zum Beispiel die Abtastgeschwindigkeit alle 2 ms für die erste Sekunde, alle 4 ms für die nächste Sekunde, alle 6 ms für die dritte Sekunde und alle 8 ms für die vierte Sekunde sein. Der Grund dafür ist, dass Hochfrequenzinformation im Vergleich zu Niederfrequenzinformation mit der Zeit abgeschwächt wird, und je weiter man zeitlich von dem Eingabe-Ereignis entfernt ist, desto geringer ist die Hochfrequenz, die gemessen werden soll, und die Abtastgeschwindigkeit kann reduziert werden.
Der CCU 12 müssen selbstverständlich Informationen vorliegen, die die Position jeder RAU 10 definieren. Dies kann erreicht werden, wie es zur Zeit mit verdrahteten Systeme durchgeführt wird, indem die RAU 10 bei Positionen, die vorher durch herkömmliche Vermessung markiert wurden, festgelegt werden. Jede RAU kann zweckmäßig mit einem externen maschinenlesbaren Kennsatz, wie etwa einem herkömmlichen Barcode mit dem einzigartigen Identitätscode dieser Einheit, bereitgestellt werden, um das Laden von Information, die definiert, welche RAU sich an welcher Stelle befindet, zu unterstützen. Das Personal, das die Einheiten installiert, kann dabei die Stellennummer und den entsprechenden Geophon-Code auf einfache Weise in eine tragbare Aufzeichnungsvorrichtung zum nachfolgenden Herunterladen in die Steuerungseinheit 12 eingeben.
Als Alternative dazu könnte jede RAU ein elektronisches Positionierungsmittelumfassen, das die Positionierung der RAU auf dem Gelände ohne eine vorausgehende Vermessung ermöglichen würde, wobei die Position jeder RAU danach durch das Abfragen von Stellendaten aus den RAU 10 mittels der CCU 12 bestimmt wird. Ein solches elektronisches Positionierungsmittel könnte durch ein GPS-System bereitgestellt werden. Positionierungsgenauigkeit kann durch die Verwendung von Differential-GPS (DGPS) verbessert werden. Anstatt die Ausgaben für DGPS in jeder RAU zu übernehmen, kann die Positionsinformation in die RAU bei ihrer Installation geladen werden, da sich die RAU an festgesetzten Stellen befinden; dies könnte zweckmäßig durch Infrarot, Funk oder jedes andere geeignete Mittel zum Verbinden von Datenübermittlung mit kurzer Reichweite aus einer tragbaren DGPS-Vorrichtung, die auch den Barcode-Leser umfasst, gemacht werden.
Alternativ könnte die Position des CAN für jedes Feld mittels eines GPS-Empfängers in den CAN festgesetzt werden, und die relative Position jeder RAU mit Bezug auf seinen CAN mittels eines relativ einfachen lokalen Systems bestimmt werden.
Es ist wahrscheinlich, dass die Verwendung eines zweckgebundenen drahtlosen Telemetriesystems nötig wäre, das eine Frequenz zum Tragen von Befehlen aus der CCU 12 indirekt an den verschiedenen RAU 10 und eine Anzahl separater Frequenzen zum Tragen der Daten in entgegengesetzter Richtung aufweist. An bestimmten Stellen könnte es jedoch möglich sein, Systeme, die Zellulartelefonen ähnlich sind, für sowohl Befehle als auch Daten zu verwenden.
Andere Modifikationen und Verbesserungen können am Vorangehenden im Bereich der vorliegenden Erfindung, wie in den nachfolgenden Ansprüchen festgelegt, vorgenommen werden.

Claims

Ein seismisches Erfassungssystem, das eine Mehrzahl von in einer Anordnung über ein Vermessungsgelände hinweg angeordneter Geophon-Einheiten (10) beinhaltet; wobei jede Geophon-Einheit (10) Mittel (20, 21, 22) zum Erlangen von für die seismische Bewegung der Erdoberfläche an der Geophonstelle maßgebliche Digitaldaten beinhaltet; wobei jede der Geophon-Einheiten (10) ferner Telemetriemittel (24, 26) beinhaltet, die angepasst sind, um von einer Zentralsteuerung (12) Befehlssignale zu empfangen und die Digitaldaten auf Anforderung zu übertragen; dadurch gekennzeichnet, dass das in jeweils einer Geophon-Einheit befindliche Telemetriemittel ein drahtloses Telemetriemittel ist; und dass das Vermessungsgelände in eine Anzahl von Feldern (14) aufgeteilt ist, wovon jedes eine Vielzahl von Geophon-Einheiten (10) und einen Feld-Netzknotenpunkt (16) enthält, wobei die Geophon-Einheiten (10) in jedem Feld (14) mit dem jeweiligen Feld-Netzknotenpunkt (16) durch drahtlose Telemetrie unter Verwendung einer Monofrequenz pro Feld kommunizieren, und wobei die Feld-Netzknotenpunkte (16) mit der Zentralsteuerung (12) kommunizieren.
Seismisches Erfassungssystem gemäß Anspruch 1, wobei in angrenzenden Feldern (14) unterschiedliche Frequenzen verwendet werden.
Seismisches Erfassungssystem gemäß Anspruch 2, wobei die Kommunikation innerhalb jedes Felds (14) eine Hochfrequenz (2,4-GHz-Bereich) mit niedriger Leistung ist.
Seismisches Erfassungssystem gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei über das Gelände hinweg in einer Anzahl nicht angrenzender Felder (14) eine gegebene Frequenz verwendet wird.
Seismisches Erfassungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feld-Netzknotenpunkte (16) durch Funk, Kabel oder Glasfaserverbindung mit der Zentralsteuerung (12) kommunizieren.
Seismisches Erfassungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Erlangen von Digitaldaten ein analoges, die Geschwindigkeit messendes Geophon (20) beinhaltet, das mit einem Analog-Digital-Wandler (22) gekoppelt ist.
Seismisches Erfassungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Geophon-Einheit (10) mit einem Speicher (24) zur kurzfristigen Speicherung der Daten und zur langfristigen Speicherung eines einzigartigen Identifikationscodes versehen ist.
Seismisches Erfassungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Geophon-Einheiten (10) einen Vorverstärker (21) und ein Vorverstärker-Steuermittel (30) aufweist.
Seismisches Erfassungssystem gemäß Anspruch 8, wobei das Vorverstärker-Steuermittel (30) betätigt werden kann, um die Verstärkung und/oder ein Betriebszeit-Fenster des Vorverstärkers (21) als eine Funktion der Entfernung der Geophon-Einheit von der Stelle der überwachten seismischen Signalquelle und/oder als eine Funktion der Zeit zu steuern.
Seismisches Erfassungssystem gemäß Anspruch 7, wobei jede der Geophon-Einheiten (10) ihren eigenen einzigartigen Code, der entweder intern (24a) oder extern physisch enthalten ist oder auf einem Teil der Geophon-Einheit bildenden Mikroprozessor elektronisch markiert ist, oder der als externe Anzeige, wie etwa ein Barcode, besteht, aufweist.
Seismisches Erfassungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das drahtlose Telemetriemittel (24, 26) digital ist.
Ein Verfahren zur Durchführung einer seismischen Vermessung, wobei eine Mehrzahl von Geophon-Einheiten (10) in einer Anordnung über ein Gelände von Interesse hinweg positioniert ist; eine Reihe seismischer Ereignisse erzeugt werden, um von den Geophon-Einheiten (10) gesammelte seismische Signale zu produzieren; die Daten für jede der Geophon-Einheiten (10) in Digitalform an der Geophon-Einheit (10) gespeichert werden; und die Daten zu einem späteren Zeitpunkt durch Funk, Kabel oder Glasfaserverbindung an eine zentrale Stelle übermittelt werden; dadurch gekennzeichnet, dass das Gelände in Felder (14) aufgeteilt ist, wovon jedes eine Vielzahl von Geophon-Einheiten (10) und einen Feld-Netzknotenpunkt (16) enthält; und dass jede Geophon-Einheit (10) die Daten in Digitalform durch drahtlose Telemetrie bei einer Frequenz, die allen Geophon-Einheiten in jenem Feld (14) gemein ist, an ihren jeweiligen Feld-Netzknotenpunkt (16) überträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei die Geophon-Einheiten (10) innerhalb eines gegebenen Felds mit dem jeweiligen Feld-Netzknotenpunkt (16) unter Verwendung drahtloser Telemetrie bei einer gegebenen Frequenz kommunizieren, wobei in angrenzenden Feldern (14) unterschiedliche Frequenzen verwendet werden und wobei über das Gelände hinweg jede Frequenz in einer Anzahl von nicht angrenzenden Feldern (14) verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei jede Geophon-Einheit (10) einen Vorverstärker (21) umfasst und mindestens ein Parameter des Vorverstärkers (21), der aus einem Verstärker und einem Betriebszeit-Fenster ausgewählt ist, als Funktion der Entfernung zwischen der Geophon-Einheit (10) und der überwachten seismischen Quelle und/oder Zeit gesteuert wird.