無線海底地震傳感器和數(shù)據(jù)收集方法
【專利摘要】本發(fā)明提供能夠在陣列中獨立定位并操作的無線海底地震傳感器（1）和從這樣的傳感器的陣列收集數(shù)據(jù)的方法。
【專利說明】無線海底地震傳感器和數(shù)據(jù)收集方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及地震傳感器及其操作的方法，具體地，涉及用于在海床上陣列狀海底配置的海底地震傳感器及其使用無線通信的操作。

【背景技術】
[0002]執(zhí)行地震調(diào)查，以搜索并管理地下巖層中的油氣儲備。這樣的調(diào)查利用地質(zhì)層和巖石/ 土壤所導致的地震波的反射或折射，以便描繪可能含有碳氫化合物的地下地質(zhì)狀況和結構的特性。當將被調(diào)查的巖層在海底時，傳感器陣列可以例如通過被拖到調(diào)查船后面而典型地配置在海面上。然而，漂浮的傳感器陣列僅能夠檢測縱波或壓力波(P波)，因為從受控制的地震能量源產(chǎn)生出的橫波或切變波(s波)不通過水行進。在地震傳感器位于海床上時，能夠獲得更多的信息，并且，地震調(diào)查能夠更有效。通過將諸如地聽器(geophone)和水聽器(hydrophone)的地震傳感器以及地震能量源定位于堅硬的海床上，從而可以將壓力波和切變波兩者都直接地引入堅硬的海床中，并且，可以在地震傳感器處接收到s波和P波兩者。然后，能夠開始進行對地震記錄的更詳細的解釋，以揭示可能的含有碳氫化合物的巖層。
[0003]常規(guī)地，地震傳感器串接成陣列，傳感器以固定間隔接線。準確地將陣列中的多串地震傳感器放置在海床上很難且耗費時間。海床并不總是水平的，所以，在傳感器不能均勻地隔開時，不得不作出校正。運送電力和傳感器之間的通信的接纜造成大的資本成本。在海底環(huán)境下，電氣布線也退化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對提供這樣的改進的海底地震傳感器:可以便利地個別地配置于陣列中；可以個別地被供電；并且，各自包括通信模塊或收發(fā)器，以便對來自每個傳感器的地震數(shù)據(jù)和位置信號無線地進行通信。采取無線通信并使用用于每個傳感器或傳感器組的本地電池或電源，消除對線纜將固定陣列中的傳感器連接的需要。這通過消除傳感器之間的昂貴的布線來充分降低與地震傳感器通信的成本。而且，本發(fā)明允許地震傳感器的位置的靈活性，但仍提供對其位置的準確確定。
[0005]可以在配置之后使用三個或更多個傳感器之間的無線位置信號的三角測量來便利地且準確地確定個別的傳感器的相對位置。沒有必要像有線陣列那樣將傳感器以預定的相互關系固定?？梢愿杆俚厍冶憷貙€別的傳感器放置(以及放回)在海床上，而不擔心其精確的位置。無需精確的初始再定位就容易地放回個別的傳感器，諸如對于生產(chǎn)中的油氣層的4D或延時地震監(jiān)測，在陣列長期保留在原處的情形下也是有幫助的。傳感器還可以包括用于確定使用時傳感器在海床上所位于的低于海平面的深度的換能器。
[0006]地震傳感器可以包括3或4分量(3C或4C)傳感器，該3或4分量傳感器包括具有水聽器的3個正交地聽器，這3個正交地聽器每個傳感器或作為連接至本地電池的一組傳感器由電池或備選的海底電源供電。
[0007]在第一方面，本發(fā)明提供一種海底地震傳感器，該海底地震傳感器包括:至少一個換能器，響應于跟隨地震事件的物理變化；用于記錄來自該換能器或每個換能器的數(shù)據(jù)的部件；以及收發(fā)器，用于響應于從外部源接收的控制信號而將所記錄的數(shù)據(jù)從傳感器無線地傳輸至遠程數(shù)據(jù)收集裝置。
[0008]優(yōu)選地，傳感器適于選擇性地且無線地與一個或更多個相鄰的類似的傳感器通信。便利地，傳感器適于使用傳感器之間的無線通信來確定其相對于一個或更多個相鄰的類似的傳感器的位置或另一個類似的傳感器相對于其的位置。傳感器還能夠適于從具有其擁有的數(shù)據(jù)的一個或更多個其他類似的傳感器接收并累積數(shù)據(jù)且將該累積的數(shù)據(jù)再傳輸至另一個類似的傳感器或遠程數(shù)據(jù)收集裝置上。
[0009]使用無線通信和可獨立地操作的傳感器還促進從這樣的傳感器的陣列收集數(shù)據(jù)的備選的方法。
[0010]本發(fā)明還提供使用遠程數(shù)據(jù)收集裝置來從根據(jù)本發(fā)明的海底地震傳感器的陣列收集數(shù)據(jù)的方法，該方法包括:將控制信號依次無線地發(fā)送至陣列中的所選擇的多個傳感器的每一個，以開始依次從該所選擇的多個傳感器的每一個無線傳輸數(shù)據(jù)；和在遠程數(shù)據(jù)收集裝置處依次從該所選擇的多個傳感器的每一個接收所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。另外，該方法可以便利地包括如下的步驟:將全部所接收的數(shù)據(jù)存儲在遠程數(shù)據(jù)收集裝置中；和隨后從遠程數(shù)據(jù)收集裝置傳遞所存儲的數(shù)據(jù)，以供進一步處理。遠程數(shù)據(jù)收集裝置可以是安裝在遠程地操作的車輛(ROV)或自主水下車輛(AUV)中的移動單元，必要時能夠部署該移動單元從陣列(或若干個陣列)檢索數(shù)據(jù)，從而節(jié)省針對每個陣列而安裝固定的數(shù)據(jù)收集裝置的成本。
[0011]在海底地震傳感器適于彼此通信的情況下，根據(jù)本發(fā)明的備選的數(shù)據(jù)收集方法包括如下的步驟:從遠程數(shù)據(jù)收集裝置無線地發(fā)送輪詢信號；從陣列中的相鄰的傳感器接收一個或更多個響應；選擇性地將響應的傳感器之一指定為傳感器的通信鏈中的第一傳感器，該一個指定的響應的傳感器然后發(fā)送輪詢信號并從一個或更多個先前未指定的傳感器接收響應，并且，選擇性地將先前未指定的響應的傳感器之一指定為通信鏈中的下一個傳感器，并且，下一個傳感器重復輪詢和針對通信鏈中的隨后的下一個傳感器的選擇性的指定，并且，重復該過程，直到通信鏈具有期望數(shù)量的傳感器為止或直到無傳感器依然未被指定為止；將數(shù)據(jù)收集信號從數(shù)據(jù)收集裝置發(fā)送至第一指定的傳感器，以開始數(shù)據(jù)收集;沿著通信鏈從鏈中的第一至最后指定的傳感器傳送數(shù)據(jù)收集信號；以及沿著傳感器鏈后退從最后指定的傳感器開始數(shù)據(jù)傳輸，鏈中的每個下一個最后指定的傳感器相繼地將其數(shù)據(jù)加到從鏈中的每個先前的傳感器接收的數(shù)據(jù)，鏈中的第一指定的傳感器最終將所累積的數(shù)據(jù)從本身和鏈中的全部先前的傳感器傳輸至數(shù)據(jù)收集裝置上。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的方法還可以便利地包括如下的步驟:使用傳感器之間的無線信號傳輸來通過三角測量而確定該至少一個傳感器相對于陣列中的兩個或更多個其他傳感器的位置；和將所確定的位置數(shù)據(jù)傳輸至遠程數(shù)據(jù)收集裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的地震傳感器的框圖；
圖2說明適于與移動數(shù)據(jù)收集裝置個別地通信的地震傳感器的陣列； 圖3說明適于與固定遠程數(shù)據(jù)收集裝置個別地通信的類似的地震傳感器陣列，該固定遠程數(shù)據(jù)收集裝置包括單獨的海床收發(fā)器單元，以便轉交至移動數(shù)據(jù)收集裝置；以及
圖4說明另一個地震傳感器陣列，該地震傳感器陣列適于逐傳感器地通信，以累積來自陣列的數(shù)據(jù)，以便經(jīng)由海床收發(fā)器單元而最終轉交所累積的數(shù)據(jù)。

【具體實施方式】
[0014]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的地震傳感器I的框圖。傳感器I包括包圍傳感器的電子模塊的防水耐壓殼體2。電源單元(PSU)3裝備有可再充電電池，以將電力供給至模塊。PSU可以經(jīng)由連接器4而連接至外部電源，該外部電源還能夠用于對內(nèi)部電池再充電。該傳感器包括響應于傳感器的三維物理位移的3分量地聽器5和響應于水壓變化的水聽器6。在操作中，來自地聽器5和水聽器6的信號傳達至數(shù)據(jù)采集模塊7?？刂茊卧?對數(shù)據(jù)采集和存儲器模塊9中的數(shù)據(jù)的存儲進行管理。控制單元8還對經(jīng)由收發(fā)器模塊10和天線11而從外部電源接收控制信號和數(shù)據(jù)并將控制信號和數(shù)據(jù)傳輸至外部電源進行管理。該傳感器裝備有其擁有的個別電子識別器(ID)，以便能夠選擇性地將信號發(fā)送至每個傳感器并從每個傳感器發(fā)送信號。傳感器I還裝備有用于機械復原的把手12和自動檢索機構13，自動檢索機構13結合有適于使氣球充氣以將傳感器提升至海面的可電操作的壓縮空氣筒。
[0015]圖2示出配置于海床上的十六個傳感器I的陣列并說明可以使用這些傳感器來采用的數(shù)據(jù)收集的方法。四個傳感器I (a)、(b)、(c)以及(d)示出為連接至輔助電源14。剩余的傳感器全部由其內(nèi)部PSU個別地提供電力。
[0016]在該示例中，由遠程地操作的車輛(ROV) 15個別地從傳感器收集數(shù)據(jù)，其經(jīng)由臍帶線纜17受控制并且與表面通信。ROV 5經(jīng)由其天線16而發(fā)送控制信號，以詢問傳感器。在該實施例中，個別地詢問每個傳感器1，并且，每個傳感器I相繼地將其數(shù)據(jù)傳輸至ROV
15。在備選的實施例中，可以將每個傳感器調(diào)整為在稍有不同的頻率上傳輸，以便能夠同時地在不同的頻率上收集來自不同的傳感器的數(shù)據(jù)。
[0017]圖3示出設置為使用經(jīng)由本地數(shù)據(jù)樞紐單元18而進行數(shù)據(jù)收集的備選的方法的類似的傳感器I的陣列。在該情況下，樞紐單元18定位在中心，以從陣列中的全部傳感器I收集數(shù)據(jù)。在所說明的實施例中，經(jīng)由天線19 (a)而從每個傳感器I接收數(shù)據(jù)。然后，存儲所累積的數(shù)據(jù)，直到部署自主水下車輛(AUV)20收集數(shù)據(jù)為止。AUV 20被預編程為越過陣列并與樞紐單元18無線地通信，樞紐單元18被指示為經(jīng)由樞紐單元18上的天線19(b)而將所累積的數(shù)據(jù)傳輸至AUV 20上的天線21。由于AUV 20未直接地經(jīng)由任何臍帶連接來連接至表面，于是，在能夠下載所累積的數(shù)據(jù)以便以通常的方式處理時，在返回至表面之前，AUV 20本身存儲從樞紐單元18收集的數(shù)據(jù)(并且，對于多個陣列和相關聯(lián)的其他樞紐單元，能夠同樣地進行)。
[0018]圖4示出設置為使用經(jīng)由海底基本單元22而進行數(shù)據(jù)收集的又一備選的方法的另一個類似的傳感器I的陣列，在該示例中，海底基本單元22本身經(jīng)由臍帶線纜24而連接至表面并從表面控制。
[0019]在該實施例中，基本單元22被編程為輪詢并經(jīng)由天線23而與陣列中的一個或更多個傳感器無線地通信。每個傳感器I類似地適于輪詢并與一個或更多個相鄰的傳感器通信，以便使用陣列中的全部有源傳感器來設置“菊花鏈”通信信道(即，I (P)至I (a)及返回)。
[0020]為了設置合適的信道，基本單元22首先輪詢附近的傳感器，并且，在所采集的信號強度或其他適當?shù)膮?shù)的基礎上，選擇并指定一個傳感器(典型地，在所示出的示例中，為最近的-1 (P))來啟動鏈。然后，第一指定的傳感器本身輪詢相鄰的傳感器并指定下一個最近的1(0)。處理繼續(xù)，每個相繼地指定的傳感器進一步指定下一個先前未指定的傳感器，直到依次指定陣列中的全部有源傳感器且完成鏈為止。在陣列包括多支線或多條分叉線的傳感器的情況下，于是，一個或更多個傳感器可以用作臨時節(jié)點，往返于多條鏈的傳感器而通信，以便完成往返于基本單元而到達全部有源傳感器的通信信道。類似地，如果鏈中的傳感器出故障，則能夠將相鄰的傳感器編程為自動地重定鏈路線。在該實施例中，在基本單元22希望從陣列開始數(shù)據(jù)收集時，基本單元22發(fā)送適當?shù)挠|發(fā)命令，將該觸發(fā)命令沿著鏈向下中繼至最遠的傳感器(即，至示例中的I (a))。然后，該傳感器通過將其數(shù)據(jù)傳輸至鏈中的下一個傳感器I (b)而響應，該傳感器I (b)加上其數(shù)據(jù)，然后，將組合的數(shù)據(jù)傳輸至下一個傳感器上，依此類推，直到鏈中的最后的傳感器I (P)將陣列中的全部有源傳感器的所累積的數(shù)據(jù)傳輸至基本單元22上為止。
[0021]陣列中的傳感器的交互式智能菊花鏈接的使用能夠克服水下的通信距離限制的問題，在水下，信號可能經(jīng)受越過相對短的距離的快速衰減。例如，這還意味著傳感器發(fā)送器無需對電池進行再充電就能夠在較低的功率下操作較長的時期。
[0022]將顯而易見，例如，在圖2、3和4的示例中說明的數(shù)據(jù)收集的方法的各種方面可以在大型陣列中互換或組合。
[0023]在每個上文的選項中，無線通信能夠憑借電磁射頻、聲學或光學手段，并且，可以由諸如水流渦輪、溫差熱電偶、核同位素發(fā)電機等的備選的本地電源為傳感器和發(fā)送器提供電力。
[0024]能夠戰(zhàn)略性地將每個傳感器相對于有效的陣列的其他傳感器而放置。備選地，能夠將第一傳感器或基本單元準確地放置，并且，剩余的傳感器以不那么準確的初始定位分布。于是，傳感器(不共線)之間的信號的三角測量能夠用于將傳感器相對于彼此而定位。至任何特定的傳感器的距離可以通過測量從該傳感器至靠近該傳感器的三個不同的傳感器的信號中的相對延時來確定。使用根據(jù)本發(fā)明的可個別地選擇的無線地震傳感器，能夠關于陣列中的許多傳感器的哪個將要參與任何特定的調(diào)查并關于選擇定義哪個地震數(shù)據(jù)源來產(chǎn)生特定的地震圖像而作出決定。使用來自整個陣列的子集的數(shù)據(jù)能夠有效地允許分析者從一個特定的透視圖“觀察”油氣層。能夠使用整個陣列的不同的子集來構建類似的視圖，以從不同的角度得到地震分布圖。然后，可以將這些單獨的“視圖”組合，以改進總體的油氣層圖像的分辨率。
【權利要求】
1.一種海底地震傳感器，包括: 至少一個換能器，響應于跟隨地震事件的物理變化； 用于記錄來自所述換能器或每個換能器的數(shù)據(jù)的部件；以及 收發(fā)器，用于響應于從外部源接收的控制信號而將所述記錄的數(shù)據(jù)從所述傳感器無線地傳輸至遠程數(shù)據(jù)收集裝置。
2.如權利要求1所述的傳感器，適于選擇性地且無線地與一個或更多個相鄰的類似的傳感器通信。
3.如權利要求2所述的傳感器，適于使用所述傳感器之間的無線通信來確定其相對于一個或更多個相鄰的類似的傳感器的位置或另一個類似的傳感器相對于其的位置。
4.如權利要求2或3所述的傳感器，適于從具有其擁有的數(shù)據(jù)的一個或更多個其他類似的傳感器接收并累積數(shù)據(jù)且將所述累積的數(shù)據(jù)再傳輸至另一個類似的傳感器或遠程數(shù)據(jù)收集裝置上。
5.如任一項先前的權利要求所述的傳感器，適于根據(jù)需要而調(diào)整所述收發(fā)器傳輸?shù)牟僮黝l率。
6.如任一項先前的權利要求所述的傳感器，其中，所述至少一個換能器包括地聽器。
7.如任一項先前的權利要求所述的傳感器，其中，所述至少一個或另一個換能器包括水聽器。
8.如任一項先前的權利要求所述的傳感器，包括自持電源。
9.如權利要求8所述的傳感器，其中，所述自持電源結合有可再充電電池和用于在原地對所述電池再充電的部件。
10.如任一項先前的權利要求所述的傳感器，其中，所述收發(fā)器使用射頻、光頻和聲學信號的至少一個來無線地通信。
11.一種使用遠程數(shù)據(jù)收集裝置來從權利要求1至10的任一項所述的海底地震傳感器的陣列收集數(shù)據(jù)的方法，所述方法包括: 將控制信號依次無線地發(fā)送至所述陣列中的所選擇的多個所述傳感器的每一個，以開始依次從所述所選擇的多個傳感器的每一個無線傳輸所述數(shù)據(jù)；和 在所述遠程數(shù)據(jù)收集裝置處依次從所述所選擇的多個傳感器的每一個接收所述傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
12.如權利要求11所述的方法，還包括如下的步驟: 將全部所述接收的數(shù)據(jù)存儲在所述遠程數(shù)據(jù)收集裝置中；和 隨后從所述遠程數(shù)據(jù)收集裝置傳遞所述存儲的數(shù)據(jù)，以供進一步處理。
13.如權利要求11或12所述的方法，其中，所述遠程數(shù)據(jù)收集裝置在ROV或AUV中被調(diào)動。
14.一種使用遠程數(shù)據(jù)收集裝置來從權利要求3至10的任一項所述的海底地震傳感器的陣列收集數(shù)據(jù)的方法，所述方法包括: 從所述遠程數(shù)據(jù)收集裝置無線地發(fā)送輪詢信號； 從所述陣列中的相鄰的傳感器接收一個或更多個響應；以及 選擇性地將所述響應的傳感器之一指定為傳感器的通信鏈中的第一傳感器，所述一個響應的傳感器然后發(fā)送輪詢信號并從一個或更多個先前未指定的傳感器接收響應，并且選擇性地將所述先前未指定的響應的傳感器之一指定為所述通信鏈中的下一個傳感器，并且所述下一個傳感器重復所述輪詢和對所述通信鏈中的隨后的下一個傳感器的選擇性的指定，并且重復該過程，直到所述通信鏈具有期望數(shù)量的傳感器為止或直到無傳感器依然未被指定為止； 將數(shù)據(jù)收集信號從所述數(shù)據(jù)收集裝置發(fā)送至所述第一指定的傳感器，以開始數(shù)據(jù)收集; 沿著所述通信鏈從所述鏈中的所述第一至最后指定的傳感器傳送所述數(shù)據(jù)收集信號；以及 沿著所述傳感器鏈后退從所述最后指定的傳感器開始數(shù)據(jù)傳輸，所述鏈中的每個下一個最后指定的傳感器相繼地將其數(shù)據(jù)加到從所述鏈中的每個先前的傳感器接收的數(shù)據(jù)，所述鏈中的所述第一指定的傳感器最終將累積的數(shù)據(jù)從所述鏈中的全部所述傳感器傳輸至所述數(shù)據(jù)收集裝置上。
15.如權利要求11至14的任一項所述的方法，與以權利要求3至10的任一項所述的傳感器的陣列一起使用，對于所述陣列中的至少一個傳感器，包括如下的步驟: 使用所述傳感器之間的無線信號傳輸來通過三角測量而確定所述至少一個傳感器相對于所述陣列中的兩個或更多個其他傳感器的位置；和將所述確定的位置數(shù)據(jù)傳輸至所述遠程數(shù)據(jù)收集裝置。
16.如權利要求11至15的任一項所述的方法，包括從所述陣列中的傳感器的總數(shù)的子集選擇性地收集與具體的地震事件有關的數(shù)據(jù)的步驟。
【文檔編號】G01V1/38GK104246537SQ201380021761
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年4月26日 優(yōu)先權日:2012年4月26日
【發(fā)明者】范加斯 A., 菲利普斯 R., 阿尼森 D. 申請人:韋特柯格雷控制系統(tǒng)有限公司