用於基於陸地的地震數據採集的方法和裝置的製作方法
2023-10-18 16:47:44
專利名稱：用於基於陸地的地震數據採集的方法和裝置的製作方法
相關申請的交叉引用本申請要求提交於2003年5月30日的美國專利申請第10/448,547號的優先權。
背景技術：
本發明涉及地震勘探的領域。特別地，本發明涉及一種用於地震勘探的方法和裝置，特別地涉及一種完備的基於陸地(land-based)或可在海中部署的地震檢波器系統。
地震勘探通常利用一個地震源來生成一個傳播進地球並被地下地震反射層(即在以不同彈性為特徵的地下巖性或流體層之間的界面)部分反射的聲信號。由位於地表或其附近的地震接收機探測並記錄該反射的信號(被稱為「地震反射」)，從而形成一個地下的地震勘測。因此能夠處理記錄的信號或地震能量數據以得出與巖性的地下地層有關的信息，並將這種特徵識別為例如巖性的地下地層邊界。
通常，地震接收機被排列成一個陣列，其中該陣列由均由接收機串組成的一行測量站組成，所述接收機是為了從接收機線之下的地震剖面中記錄數據而排列的。對於在較大區域中的數據以及對於地層的三維表示，可以並排地設置多個單行的陣列，以便形成接收機的網格。通常，遠距離地設置或分散測量站及其接收機。在例如陸地地震勘探中，可以以空間上多樣化的方式，例如其中每條線延續5000米、接收機間隔25米並且相鄰行間距500米的典型網格配置，來部署成百上千的被稱為地震檢波器的接收機。
通常，在單個雙絞線上，以串並聯組合連接幾個接收機，以形成用於一個測量站的單個接收機組或信道。在數據收集處理期間，數位化來自每個信道的輸出並為後續分析而記錄。依次的，通常將接收機組連接到電纜，其用於與所述接收機通信並向通常被稱為「儀器車」的位於中心位置的記錄儀傳輸收集到的數據。更具體地說，當在陸地上實施這種勘測時，使用電纜遙測(cable telemetry)在各個接收機、測量站以及儀器車之間傳輸數據。其它系統使用無線的方法來傳輸數據，以便各個接收機和測量站並不相互連接。還有其它系統在每個測量站臨時保存數據，直到該數據被提取。
如在本說明書的各處所使用的，「基於陸地地震系統」將包括用於海岸過渡帶例如淺灘或沼澤中的地震系統。關於大多數基於陸地地震系統的操作，現有技術通常需要一些外部生成的控制命令以便啟動和獲得用於每個爆破的數據，引起保存的地震數據被發送回儀器車並引起任何其它數據例如質量控制數據被發送回儀器車。這樣，地震接收機單元必須或者物理上連接到中央控制記錄站，或者是通過無線技術可連接的。如上所述，那些熟悉技術的人將理解某些環境可能向連接和控制地震的傳統方法提出極端的挑戰，例如擁塞的或海洋的環境，崎嶇的山地環境以及叢林或偏遠的沙漠位置。在互相連接的硬布線的接收機陣列必須定期地移動以覆蓋較大區域的情況下，還可能發生困難。
無論什麼情況，每種連接，不管經由物理電纜或通過無線技術，都有其自身的缺點。在電纜遙測系統中，大陣列可能導致大量昂貴的並且難以處理、部署或操作以及維修的導電電纜。在以極端或腐蝕條件為特徵的惡劣環境例如鹹水、炙熱、砂質荒漠或植被蔓生的潮溼叢林中，可能需要昂貴的電纜鎧裝。而且，傳統的布線還需要在電纜和傳感單元之間的物理連接。由於這對連接到電纜的硬布線接收機串來說，通常是不實際的，更傳統的技術是在接收機串和遙測電纜(telemetry cable)之間使用外部布線和連接器。在電纜和傳感器之間的所述連接點尤其容易被損壞，特別是在極端或腐蝕環境中。當然，對於在物理上用電纜連接在一起的系統，更容易向測量站/單元提供電源，以使數據採集與爆破時間同步，來進行質量控制檢查並且另外的控制所述單元。
應當注意無論是布線的或無線的系統，現有技術的地震記錄系統使接收機組件(即地震檢波器)與所述單元的無線電控制組件和/或記錄組件相分開，以至於所述單元可以提供任何機載的記錄。迄今為止，傳統上認為在現有技術中，以此方法可以最大化地震檢波器與地球耦合。在這些現有技術系統中，需要外部布線將一個單元的地震檢波器組件與該單元的記錄和/或無線電遙測組件相連接。因而，當使一個獨立單元的各種組件部分用電纜相互連接時，上述的由共同布線系統單元而產生的許多缺點同樣存在。
在使用無線技術或者單元及其傳感器的操作是通過預先編程的情況下，控制並監視該單元及傳感器變得更加困難。例如，由於如上所述各個傳感單元並未用導線連接，確保記錄與爆破時間同步是至關緊要的。因此，如上所述，需要精確的機載時鐘。關於這一點，在適當的時間觸發用於傳感和記錄的每個單元必須與爆破一致。一種普通的在這方面的現有技術是利用一個從控制臺發送來的命令信號接通系統，啟動傳輸從先前的爆破中保存的數據並啟動對當前的爆破收集數據，其被臨時寫入存儲器中直到在下一次爆破時被發送回控制臺。
確保單元有足夠的功率迄今為止同樣受到關注。許多現有技術專利專注於在數據採集/記錄期間接通傳感器並且在休眠間隔期間給傳感器斷電的技術和裝置。
在美國專利第6,070,129號中講述了一種表示現有技術的基於陸地系統，其是關於來自多個採集單元的地震數據的壓縮和分配，每個單元適合於採集、臨時保存和壓縮向中央控制和記錄站分散傳輸的數據。每個採集單元被硬布線到多個分散的地震檢波器/接收機，該採集單元從其中接收數據。每個採集單元還用於從中央控制和記錄站中接收操作指令。在本發明的一個實施例中，在從一個特定爆破採集數據的期間，向中央控制和記錄站發送來自先前爆破的部分數據以允許質量控制檢查並確保採集單元正確地工作。來自任何給定爆破的數據可能是分散的並且經由多個發送信道且在連續的發送窗口期間發送，以減少數據流中的變化。
每種引用的現有技術設備包含一個或多個現有技術的缺點。這些現有技術系統的缺點之一是需要觸發和停用所述用於記錄和操作的單元，包括數據和質量控制傳輸。對於基於陸地系統，這通常需要從儀器車經由電纜或無線電信號發送一個控制信號。然而，外部控制可能是不合需要的，因為它要求在系統中進行信號傳輸以及額外的元件。當然，任何類型的用於傳輸電信號的控制信號布線都是不合需要的，因為這增加了處理和控制單元的複雜度的級別，並且需要外部連接器或耦合。在極端環境，無論是過渡帶水的腐蝕環境還是戈壁的高溫腐蝕環境中，這種布線和連接器尤其容易滲漏和損壞。
在利用外部電氣布線與單元的分散元件互相連接的單元，例如如同在美國專利第5,189,642號中所講述的，以及其中地震檢波器組件與電子器件組件相分離的類似設備中，存在相似的問題。而且，就系統的電子器件分散的程度而言，系統故障的可能性將增加。
許多現有技術系統還使用無線電遙測術而不是記錄單元機載的數據，來收集數據。當然，這種系統受到無線電傳特性的限制，例如射頻頻譜許可證限制、範圍限制、視線障礙物、天線限制、數據速率限制、功率限制等。
這樣，提供一種並不要求從控制臺或者對在地震數據採集單元元件之間的單元本身的外部通信/電源布線的基於陸地地震數據採集系統將是合乎需要的。同樣地，該單元將進行記錄或者操作而無需任何類型的外部控制信號。換句話說，該單元將以「停止即忘(drop andforget)」為基礎來操作。同樣地，該設備應當容易維修而無需打開設備來執行例如數據提取、質量控制和能源補給的活動。該設備還應當被設計為耐腐蝕、極端環境，這在地震勘探中是經常遇到的。該設備還應當允許由無線電發送回質量控制數據，以確定系統的遠程單元是否正確地操作而無需控制信號或嘗試向一個爆破周期關聯質量控制數據。
發明內容
本發明提供了一種通過部署多個連續操作的自治的無線的完備的地震記錄單元或箱體來收集地震數據的基於陸地的系統。可以取回先前由所述箱體記錄的地震數據並且所述箱體可被充電、測試、重新同步，並且可以重新啟動操作而無需打開該箱體。
更具體地說，所述單元是完備的以至於所有電子器件被安放在外殼之內或之上，包括一個地震檢波器組件、一個地震數據記錄設備以及一個時鐘。一個電源或者被包含在外殼之內，或者也可以從外部連接到外殼。所述時鐘可以連接到一個有多個自由度的萬向平臺以最小化重力對時鐘的影響。
在本發明的一個實施例中，所述時鐘是一個銣(rubidium)鍾。銣鍾更不容易受到溫度或重力影響或單元的方向。
在另一實施例中，所述單元包括一個石英鐘，並且石英鐘可根據晶體老化的影響而被校正。
電源最好是安放在單元外殼之內的可在密封環境中工作的可再充電電池，例如鋰離子電池。作為替代地，電源可以結合一個連接到單元外殼的燃料電池或太陽能電池。
所述完備的地震單元可以在單元外殼之內包括一個傾斜儀。當本發明使用傾斜儀的數據用於幾個不同的發明功能，例如上述的石英鐘校正過程時，現有技術的地震單元均沒有在一個包括單個完備的組件的地震單元之內結合一個傾斜儀。相反地，這種現有技術單元有容納分離的元件的分離的附著組件。例如，一個現有技術單元可以有一個容納傾斜儀的組件，同時有一個分離的組件容納地震檢波器。
當然，一個傾斜儀還可用於確定單元的垂直方向以便可以相應地校正對應的地震數據。本發明的一個特徵是以時間連續的方式獲得並利用傾斜儀數據。現有技術單元通常使用在所述外殼之外的裝置來確定單元的垂直定向，並且在地震記錄開始時從中僅僅一次生成方向數據。就對使用這種現有技術單元採集的地震數據進行方向校正的程度而言，所述校正僅僅根據單元的初始方向。然而，已經注意到由於地震單元受到已知範圍從水流到被牛踢的外力，單元的方向在部署過程中可能改變。這樣，在本發明中，由傾斜儀測量垂直方向數據作為時間的函數以便地震數據可被相應地校正。
關於可能影響所收集地震數據的準確性的傾斜、定時或類似數據的校正，所有現有技術設備都在一個處理中心進行這種校正。當部署機載單元時，任何現有技術設備都不在機載單元中進行這種校正。這樣，本發明的一種方法是當部署機載單元時，在機載單元中進行這種校正。
本發明完備的地震單元還可以包括一個羅盤。相對於用於總體勘測的參照系，羅盤數據可用來提供用於每個獨立單元的方向參照係數據。如同傾斜儀，現有技術並未將羅盤結合到容納地震採集單元的所有元件的單個完備的組件中。就將羅盤結合進現有技術地震單元中的程度而言，羅盤已被容納在一個與其它元件例如地震檢波器分離的組件中。當然，許多現有技術單元並不完全確定單元的指向方向，因而並未結合羅盤。相反地，使用一個傾斜儀來僅僅採集垂直方向的數據。當本發明的完備的多方向傳感單元同時包括結合傾斜儀使用的羅盤時，可以確定單元的特殊三維定向。任何現有技術設備都未在單個完備的單元組件上同時結合羅盤和傾斜儀的組合，尤其是用於所述功能。
在本發明的另一特徵中，在向區域輸出之前觸發所述單元並且一旦收回則停用所述單元，以便它從部署時間之前到收回時間之後連續地採集數據。同樣地在一個實施例中，單元在部署之前開始記錄數據。因此，在需要信號檢測的時刻之前，穩定了被觸發並在部署之前開始記錄的系統。這最小化了在電子器件操作中的改變狀態將會干擾信號檢測和記錄或影響時鐘同步的可能性。
在本發明的另一特徵中，所述地震數據記錄設備包括環繞式存儲器並且進行連續的記錄，即使當不使用的時候。這避免了啟動或開始指令的必要，確保了在所需的記錄時間穩定所述單元，並用於從先前的記錄中備份數據直到先有數據被改寫。只要時鐘同步，這種記錄設備隨時適合於部署。而且，例行操作例如數據收集、質量控制測試以及蓄電池充電可以進行而無需中斷記錄。
作為被合併進地震單元的慣性導航系統的一個元素，連續操作也是合乎需要的，並且在從一個初始位置例如存儲位置向區域中的一個部署位置傳輸所述單元時，用於測量單元的x、y和z位置信息。一種慣性導航系統可以包括傳感器例如加速計以跟蹤x、y和z位置信息，以及一個羅盤和傾斜儀以確定方向。這種系統可用於確定在區域中單元的部署位置。
每個單元可以包括一個通信入口，從而通常在從部署中收回所述單元之後，允許單元經由該通信入口與一個主控制站相連接。通過所述入口，可以下載記錄在單元中的信息，可以向單元電池再次充電，可以實施對單元的質量控制檢查，可以重新啟動記錄並且可以恢復單元而無需打開或拆卸單元。
每個單元可以包括一個獨特的識別裝置，例如射頻標識符(RFID)標記或類似標識符標誌以允許在處理獨立單元時跟蹤它們。同樣地，每個單元可以包括一個全球定位系統(「GPS」)。由於獨立單元是完備的，與標識符標誌相關的位置信息允許隨機地處理並保存單元，但允許在一個爆破周期期間，取回來自多個單元的數據並依照單元的位置相繼地排序。因此，避免了以相繼順序保持單元的需要。無需按順序收回或彼此相鄰地保存在一條接收機行上可能相互臨近的單元。
圖1是本發明的地震記錄儀單元的切口俯視圖。
圖2是圖1的單元的正視圖。
圖3是圖1的單元的後視圖。
圖4是圖1的單元的俯視圖。
具體實施例方式
在本發明的詳細說明中，採用相同的標記來指定在各處相同的部分。為了簡化描述，可以忽略設備的各種物品例如扣件、配件等。然而，那些熟悉技術的人將意識到可以隨意地採用這種常規設備。
參照圖1，表示了本發明的一種地震數據採集系統或箱體10。箱體10由一個具有一個定義內部隔間16的隔板14的外殼12組成。最好密封外殼12以阻止水、灰塵或其它碎片進入隔間16。安放在隔間16之內的是至少一個地震檢波器18、一個時鐘20、一個電源22、一個控制裝置23以及一個地震數據記錄儀24。在本實施例中，箱體10是完備的，以至於電源22滿足箱體10的所有功率需求。同樣地，控制裝置23提供了用於箱體10的所有控制功能，排除了外部控制通信的必要。在一個替代實施例中，如下所述，電源22可以從外部附著到外殼12。
那些熟悉技術的人將意識到箱體10是一個完備的地震數據採集系統，其不需要外部通信或控制以便記錄地震信號。進一步地，應當指出地震檢波器18被安裝在箱體10之內，因此不需要外部布線或連接。已經確定利用一個緊湊的外殼和定位所述地震檢波器18在外殼壁附近，地震檢波器18可以有效地與地球耦合，以至於通過箱體10向地震檢波器18發送的地震數據並未被幹擾所破壞。除非特別表示，在本發明中使用的對地震檢波器的所有引用都包括傳統的地震檢波器以及其它已知用於探測地震波活動的設備或方向傳感器，包括但不限於加速計，並且對加速計的引用同樣地包括其它方向傳感器，包括但不限於地震檢波器。
在本發明的另一實施例中，已發現利用四個以四面體構型放置的地震檢波器18a、18b、18c、18d以便每個地震檢波器測量多個平面中的數據是有利的。在標準的三維空間配置中，相互間隔90°來放置三個地震檢波器，並且每個地震檢波器測量單個x、y或z平面中的信號。在一個使用四個地震檢波器的配置中，地震檢波器的方向垂直於四面體表面的平面，以便每個地震檢波器測量x、y、z坐標系中多平面的部分。例如，一個地震檢波器可以測量x平面和z平面中的地震數據。四個或多個地震檢波器的地震檢波器配置是合乎需要的，因為在特定平面中的地震檢波器故障的情況下，它們提供了地震單元中的冗餘。
本發明的另一實施例利用一個安放在箱體10之內的地震檢波器19作為驅動電源來測量箱體10與地球的耦合度。那些熟悉技術的人將理解在地震單元和地球之間的物理耦合已成為地震數據採集行業中主要考慮因素之一。本發明包括了一個驅動地震檢波器以測試該耦合。特別地，已經發現地震檢波器可被用作電源向箱體10引入能量即振動，而不是僅僅利用地震檢波器來探測能量。換句話說，可以驅動在箱體10之內的地震檢波器，從而引起箱體10振動。這種結合其它機載地震檢波器使用的驅動地震檢波器可用於確定在箱體10和地球之間的物理耦合度。如果箱體10與地球很好地耦合，由地震檢波器生成的振動能將通過箱體的耦合結構(例如尖劈52)傳輸，以及分散在地球之內。在此情況下，其它用於探測振動能的機載地震檢波器將以第一低水平探測能量。而另一方面，如果在箱體10和地球之間沒有好的耦合，生成的振動能將不會被傳輸進地表。在此情況下，其它用於探測振動能的機載地震檢波器將以比第一低水平高得多的第二級水平來探測能量。
任何現有技術地震單元都沒有教導一種測試在單元和地球之間的耦合度的機載系統。這是真實的，在某種程度上因為任何現有技術設備都未包括一個在此所描述的完備的地震記錄單元。相反地，現有技術單元將地震檢波器組件與單元其餘的電子器件相分隔。在此情況下，在分散的獨立地震檢波器組件中，包括一個電源並且由電子器件來控制該電源是不切實際的。上述系統是所希望的，因為它可被用於一種只有少至兩個地震檢波器的系統中，其中一個地震檢波器起能源的作用並且另一個地震檢波器起能量接收機的作用。進一步地，這種系統允許使用至少一個用於雙重目的的地震檢波器，即該地震檢波器可用於在耦合測試期間生成能量，但也可以用於以探測模式在地震勘探期間探測地震。當然，就地震檢波器僅僅專用作能源的情況而言，它無需與另一個地震探測地震檢波器一起被放置在單元中。因此，例如，一個用於測量x、y和z平面中的地震能量的有三個地震檢波器的組件可被放置在箱體10之內以最大化其探測地震能量的能力，例如箱體10的底部附近，而一個專用作能源的第四地震檢波器可被放置在箱體10之內以最大化振動能在箱體10之內的分布，例如接近箱體10的頂部。
在本發明的一個重要特徵中，時鐘20是一個銣鍾。迄今為止，銣鍾尚未被用於地震勘探，這部分是由於與傳統的石英驅動時鐘相比的費用。然而，因為本發明的箱體10是用於獨立於其方向有效地操作的，所以必須利用不易受到可能禁止傳統現有技術石英鐘的操作的方向影響的時鐘。而且，銣鍾更不易受到可能禁止現有技術時鐘的操作的溫度和重力影響。
通過使用一個旋轉以保持時鐘20處於對性能更有利的方向的機械化萬向平臺21，還可以最小化重力對時鐘20的影響。換向平臺21最好可以以至少三個自由度旋轉，儘管換向平臺21可以有較少的自由度，仍可被用於所需目的。這比根本未使用萬向鍾平臺的現有技術地震單元有所改進。
單元10還可以包括傾斜儀25。傾斜儀25及由其生成的數據可以用於幾個不同的目的，包括但不限於，時鐘數據的校正或垂直方向的確定。而且，以時間的函數來測量這種傾斜儀數據。因此，傾斜儀數據最好以時間連續方式與數據組相關，以便在特定時間生成的數據組與在相同時間生成的傾斜儀數據相關。儘管現有技術地震單元並未在單個完備的多方向傳感單元中合併傾斜儀，就已經對由現有技術單元生成的地震數據進行方向校正的程度而言，已經從在爆破周期開始時生成的方向數據中來校正在爆破周期期間生成的所有地震數據，以進行這種校正。爆破周期或部署期間內地震單元方向的改變會導致不精確。在一個實施例中，最好實時地在單元中進行所有這些傾斜儀的校正。
在所述相同的巖脈中，單元10可以包括一個羅盤27，迄今為止其尚未被用於單個完備的多方向傳感單元中。羅盤27及由其生成的數據可用於提供相對於總體勘測參照系的用於每個獨立單元的方向參照係數據。而且，當結合傾斜儀數據使用時，可以確定單元的具體三維方向以便可以進一步改善地震數據的準確性。
電源22最好是一個鋰離子電池。就現有技術地震檢波器系統使用了機載電池的程度而言，與由外部電纜來提供電源相反，現有技術電池是鉛酸、鹼性或非可再充電電池。任何現有技術系統都未使用鋰離子電池。而且，由於本發明箱體的密封、完備的特性，利用並不排煙的電池例如鋰離子型電池是合乎需要的。在一個替代實施例中，電源22可以包括一個向外附著到外殼12的燃料電池或太陽能電池。當然，儘管這種電源元件並未包含在外殼12之內，對本發明來說，箱體10在其作為獨立單元操作而無需從一個與該箱體分離的源中獲得通信、控制信號或電源的意義上，仍然是完備的。
在圖2、3和4中，表示了箱體10的外部。定義外殼12的隔板14可以包括一個第一平板26和一個第二平板28，由隔板14的一部分沿著它們的外圍將它們連接在一起。每個平板定義一個外表面50。儘管在示意的實施例中平板26和28是圓盤形的以便箱體10總體上有輪子的形狀，但箱體10可以是任何形狀只要其在功能上與此一致。外表面50可以有凸起51，例如背脊或凹槽，以增強在箱體10和地球之間的耦合。在圖4所示的實施例中，凸起51在表面50上形成V形花紋。可以提供更明顯的凸起例如尖劈52以在箱體10被部署之後阻止其移動並且改善耦合。
每個單元可以包括一個獨特的識別裝置，例如射頻標識符(RFID)標記40或類似的標識符標誌以允許在部署和收回期間，當處理獨立單元時跟蹤它們。同樣地，每個單元可以包括一個GPS傳感器42，其允許確定該單元的位置(就單元被部署在GPS有效的位置中而言)。
圖1還表示了一個無線電天線44，其與一個安放在外殼12之內的無線電單元45通信。
還可以在外殼12上安放一個用於準許與箱體10通信的連接器46。這種通信可以在箱體10被放置在中心指令單元的時候、甚至在操作者去往箱體的部署位置取回數據的情況下發生。為了與箱體10通信，連接器46可以是一個標準的插頭連接器或者可以是一個不需要硬布線的紅外或類似連接器。經由連接器46，可以維護箱體10而無需移去平板26、28之一或者打開外殼12。特別地，連接器46允許運行質量控制測試、提取記錄的地震數據、使時鐘20同步以及向電源22再次充電。還可以提供一個密封的連接器帽47以保護連接器46。對於在水中使用或其它溼的環境，連接器帽47最好是水密的。利用這種連接器帽47，連接器46可以是滿足箱體所需功能的任何標準連接器，並且無需是通常要求經受極端或腐蝕環境的外部連接器的類型。
本發明的地震數據記錄單元的一個功能是單元的連續操作。在本發明的這一特徵中，在將單元放置在地表之前，即在部署之前啟動數據採集。例如，可以在將單元運往區域之前在中心位置觸發單元。從而，使被觸發並且在部署之前開始採集數據的系統在時間同步和地震數據記錄之前被穩定是合乎需要的。這最小化了電子器件操作中改變的狀態將會影響數據完整性的可能。
在一個相似的實施例中，在沿著接收機行放置之前啟動數據記錄。這再次允許單元在時間同步和地震數據記錄之前穩定是合乎需要的。為此，系統穩定的一個元素是時鐘穩定。在系統的各種元件中，眾所周知時鐘通常需要很長時間來穩定。因此，在本發明的一個實施例中，無論單元連續地探測數據或連續地記錄數據，時鐘總是保持運行。
在先前兩種方法的任意一種中，可以在多個部署和收回周期中使用單元而無需中斷單元的連續操作。因此例如，在部署之前啟動記錄。在繼續記錄的同時，設備被部署、收回並重新部署。只要存儲器是足夠的，可以保存在多個部署和重新部署周期內的連續記錄。
關於這一點，就地震數據單元包括環繞式存儲器的程度而言，即使當未在地震探測中使用的時候，它也可以連續地記錄。因此，除了上文描述的優勢，啟動或開始指令變得不必要。進一步地，利用環繞式存儲器的連續記錄作為從先前記錄中採集的數據的備份，直到先前的數據被改寫的時候。一個額外的優勢是只要使時鐘同步，設備隨時可以部署。
就在單元被收回之後繼續記錄而言，可以進行例行操作例如數據取回、質量控制測試和蓄電池充電而無需中斷記錄。這種系統的一個好處是當實施質量控制測試時，設備可被用於記錄質量控制測試數據而不是地震數據。換句話說，數據輸入從地震數據變化到質量控制數據。一旦完成了質量控制，設備可以重新開始記錄地震數據或其它所需的數據，例如與位置和定時相關的數據。
儘管在一個實施例中時域地描述了「連續」的單元操作作為設置操作參數以在單元的部署之前啟動操作，對在此使用的「連續」的意義來說，單元操作的時間間隔可以僅僅在一個爆破之前被啟動並在一連串爆破或爆破周期內繼續，並且還可以在一連串爆破或爆破周期內包括單元的連續記錄。在另一實施例中，儘管連續地操作，參數可被設置以周期性地在預設的指定時間記錄。
本發明地震單元的上述連續操作尤其適合於結合本發明獨特的定位方法來使用。特別地，隨著單元從一個初始位置例如存儲位置轉移到區域中的一個部署位置，記錄單元的x、y和z位置信息。該位置信息可以使用一個測量在每個x、y和z維度中的運動以及繞著每個x、y和z軸的角度運動的慣性導航系統來確定。換句話說，隨著單元從初始位置移動到部署位置，系統測量它的六個自由度，並且利用這種測量信息來確定部署位置的地點。在首選實施例中，可以利用加速計來確定這種x、y和z空間信息。可以利用一個傾斜儀和一個羅盤或其它定向設備例如陀螺儀，來確定角度方位即傾斜和方向信息。在本發明的一個實施例中，使用三個加速計和三個陀螺儀來生成用於確定單元的部署位置的慣性導航數據。
在任何情況下，通過將作為時間函數的加速計和傾斜及方向定向信息與單元的初始位置和在初始部署時刻的速度相結合，可以確定單元的移動路徑以及單元的部署地點。時間採樣將以適當的間隔進行，以得到所需的準確性。在各個測量元件之間的時間採樣可以變化。例如，與來自加速計的數據相比，可以更緩慢地採樣來自羅盤的用於測量方向的數據和來自傾斜儀的用於測量傾斜的數據。迄今為止，任何地震單元都尚未以此方法使用一個或多個加速計來確定地點。關於這一點，本方法和系統替代了利用其它技術(例如通過GPS等)來確定地點的需求。
因為在單元移動並被部署在區域中的時候，單元已經記錄數據，x、y和z位置信息被順利地記錄在單元中，並且成為單元的完整數據記錄的一部分。
就時鐘20是石英鐘而言，本發明的一種方法是進行時鐘校正來補償時鐘石英的老化。特別地，已經確定地震數據會受到在所述單元的石英鐘之內的石英老化的影響。
通常，對於一個給定石英的老化曲線是關於時間的初始期間的對數、並且在時間的延長期間中逐漸過渡為更線性的曲線。因而，曲線在老化過程開始時有顯著的傾斜，並且隨著時間的流逝由於老化過程繼續而有更線性、平緩的傾斜。關於這一點，在部署期間開始時，地震單元將趨向於有程度較大的石英老化。在任何情況下，在部署之前，通過描繪在時間的延長期間天數(例如十五至二十天)內相對於時間的石英老化，可以確定時鐘石英的特徵曲線。在操作中，可以在部署時間以及部署結束時測量石英頻率。利用該信息，可以識別老化曲線的適用部分，並且可以相應地調節在該期間內收集的地震數據。
當然，一種最小化石英老化的影響的方法是在部署單元之前預先老化時鐘的石英。這多少相當於在部署之前啟動單元的操作，以便如上所述允許單元穩定。通過預先老化石英，可以避免特徵曲線的指數部分以便校正信息本質上僅僅是線性的。換句話說，預先老化使老化斜率穩定，並且簡化了對於石英老化的地震數據校正。
關於這一點，每次地震單元斷開電源並重新接通，必須重新特徵化所述時鐘的石英。然而，通過多個操作周期，更快地達到老化曲線的直線部分，即石英老化穩定的部分。儘管上文所述，無論石英是否被預先老化，任何現有技術設備或地震數據處理技術都尚未按照在此所描述的來校正石英老化。
儘管已經在此詳細描述了本發明的某些特徵和實施例，很容易理解本發明包括在下述權利要求的範圍和精髓之內的所有修改和改進。
權利要求
1.一種基於陸地的地震數據採集單元，其包括a、具有限定內部隔間的隔板的外殼；b、至少一個安放在所述外殼之內的地震檢波器；c、安放在所述外殼之內的時鐘；d、安放在所述外殼之內的電源；以及e、安放在所述外殼之內的地震數據記錄儀。
2.權利要求1的單元，其中所述單元是完備的並且在記錄期間不需要外部通信或控制。
3.權利要求1的單元，其中所述外殼是水密的。
4.權利要求1的單元，其中所述外殼包括有第一外圍的第一平板和有第二外圍的第二平板，其中所述平板通過所述隔板沿著它們的外圍相連接。
5.權利要求1的單元，其中所述外殼是由至少一個基本上平的隔板限定的。
6.權利要求5的單元，其中所述至少一個地震檢波器被安放在所述平的隔板附近。
7.權利要求1的單元，其中所述外殼是由至少一個平板限定的。
8.權利要求7的單元，其中所述至少一個地震檢波器被安放在所述平板附近。
9.一種基於陸地的地震數據採集單元，其包括a、具有限定內部隔間的隔板的外殼；b、至少一個安放在所述外殼之內的地震檢波器；c、安放在所述外殼之內的時鐘；d、電源；以及e、安放在所述外殼之內的地震數據記錄儀。
10.權利要求9的單元，其中所述單元是完備的並且在記錄期間不需要外部通信或控制。
11.權利要求9的單元，其中所述電源被安放在所述外殼之內。
12.權利要求9的單元，其中所述電源包括一個附接到所述外殼的燃料電池。
13.權利要求9的單元，其中所述電源包括一個附接到所述外殼的太陽能電池。
14.權利要求1的單元，其中所述隔板是非球狀的。
15.權利要求1的單元，其中所述隔板是非半球狀的。
16.權利要求1的單元，其中所述外殼限定了一個外表面，並且所述外表面具有背脊以增強所述單元與地球的耦合。
17.權利要求16的單元，其中所述外殼限定了一個外表面，並且所述外表面具有至少一個尖劈以增強所述單元與地球的耦合。
18.權利要求1的單元，其進一步包括a、三個安放在所述外殼之內的地震檢波器；以及b、一個羅盤。
19.權利要求1的單元，其進一步包括a、一個安放在所述外殼之內的傾斜儀。
20.權利要求1的單元，其進一步包括一個GPS位置傳感器。
21.權利要求1的單元，其進一步包括一個無線電單元。
22.權利要求1的單元，其中所述時鐘是一個石英鐘。
23.權利要求1的單元，其中所述時鐘是一個銣鍾。
24.權利要求1的單元，其進一步包括一個與所述地震檢波器、時鐘、電源和地震記錄儀中的至少一個電連接的外部連接器，所述連接器延伸穿過所述外殼的隔板並被安放在所述隔板之內以便從所述隔板的外表面內被設置。
25.權利要求24的單元，其進一步包括一個安放在所述外部連接器上的水密的承壓帽。
26.權利要求1的單元，其進一步包括一個射頻標識符。
27.權利要求1的單元，其中在部署期間，所述電源向所述單元提供所有電源。
28.權利要求1的單元，其中所述電源是一個鋰離子電池。
29.權利要求1的單元，其進一步包括一個內部控制裝置，用於在部署期間控制所述單元的所有功能。
30.一種地震數據採集單元，其包括a、一個外殼；以及b、一個安放在所述外殼之內的銣鍾。
31.權利要求30的地震數據採集單元，其中所述至少一個地震檢波器被安放在所述外殼之內。
32.一種地震數據採集單元，其包括a、一個外殼；b、一個安放在所述外殼之內的羅盤；c、一個安放在所述外殼之內的傾斜儀；以及d、至少一個安放在所述外殼之內的地震檢波器。
33.權利要求32的地震數據採集單元，其進一步包括一個安放在所述外殼之內的地震數據記錄儀。
34.一種用於採集地震數據的方法，其包括a、提供具有安放在一個外殼之內的至少一個地震檢波器、一個子鍾以及一個地震數據記錄儀的完備的地震數據採集單元；b、提供一個主鍾；c、在部署所述地震數據採集單元之前使所述子鍾與所述主鍾同步；d、在部署所述地震數據採集單元之前，啟動地震檢波器的操作以感測地震信號；e、部署所述地震數據採集單元；f、定位所述地震數據採集單元；g、利用一個地震源來生成一個聲信號以傳播進地球；h、從所述部署收回所述地震數據採集單元；以及i、在收回了所述地震數據採集單元之後，取回記錄在所述地震數據記錄儀中的數據。
35.權利要求34的方法，其進一步包括在同步步驟之前穩定所述單元的步驟。
36.權利要求34的方法，其進一步包括在利用一個地震源來生成聲信號之前，啟動由所述地震數據記錄儀進行的所述聲信號的數據記錄的步驟。
37.一種用於記錄地震數據的方法，其包括a、提供具有至少一個地震檢波器、一個子鍾以及一個地震數據記錄儀的完備的地震數據採集單元；b、提供一個主鍾；c、在部署所述地震數據採集單元之前使所述子鍾與所述主鍾同步；d、在部署所述地震數據採集單元之前，啟動由所述地震數據記錄儀進行的數據記錄；e、部署所述地震數據採集單元；f、在地球上定位所述地震數據採集單元；g、利用一個地震源來生成一個聲信號以傳播進地球；h、從所述部署收回所述地震數據採集單元；以及i、在收回了所述地震數據採集單元之後，取回記錄在所述地震數據記錄儀中的數據。
38.權利要求37的方法，其進一步包括在同步步驟之前穩定所述單元的步驟。
39.權利要求37的方法，其進一步包括在已經從所述部署收回所述地震數據採集單元之後，停止由所述地震數據記錄儀進行的數據記錄的步驟。
40.權利要求37的方法，其進一步包括如下步驟a、識別在部署所述地震數據採集單元之後開始以及在從部署中收回所述地震數據採集單元之前結束的時間間隔；b、其中從所述地震數據記錄儀中取回在所述識別的時間間隔內記錄的數據。
41.權利要求37的方法，其進一步包括如下步驟a、識別在部署所述地震數據採集單元之後開始以及在從部署中收回所述地震數據採集單元之前結束的時間間隔，其中在所述識別的時間間隔內記錄的所述數據包括關於該時間間隔的完整數據組；b、將所述完整數據組分割成數據子集；以及c、從所述地震數據記錄儀中取回所述完整數據組的至少一個數據子集。
42.權利要求41的方法，其中對每個完整數據組多次執行取回的步驟。
43.權利要求37的方法，其進一步包括使所述地震源與所述主鍾同步的步驟。
44.一種利用一個地震記錄單元的方法，所述方法包括如下步驟a、提供具有配備內部存儲介質的地震記錄設備的地震記錄單元；b、啟動由所述設備進行的記錄並且在所述存儲介質中保存記錄的數據；c、在所需位置部署所述單元以記錄地震數據；d、在部署所述單元的同時，繼續記錄數據並且在所述存儲介質中保存數據；e、從所述部署中收回所述單元；以及f、在收回之後繼續記錄數據。
45.權利要求44的方法，其進一步包括在收回之後重新部署所述單元的步驟，其中在收回和重新部署期間繼續進行記錄。
46.權利要求45的方法，其進一步包括多次執行收回和重新部署的步驟，其中在所述多次收回和重新部署步驟期間繼續進行記錄。
47.權利要求44的方法，其進一步包括在收回之後存儲所述單元和在存儲之後重新部署所述單元的步驟，其中在存儲和重新部署期間繼續進行記錄。
48.權利要求44的方法，其進一步包括維護所述單元的步驟，其中在維護步驟期間繼續進行記錄。
49.權利要求48的方法，其中所述維護的步驟包括向所述單元的電池再次充電。
50.權利要求48的方法，其中維護的步驟包括從所述單元中提取數據。
51.權利要求48的方法，其中所述維護的步驟包括使所述單元中的一個子鍾與一個主鍾同步。
52.權利要求48的方法，其中所述維護的步驟包括在所述單元中進行質量控制測試。
53.權利要求48的方法，其中所述保存在存儲介質中的記錄數據是質量控制數據。
54.權利要求44的方法，其中在所需位置部署所述單元的步驟進一步包括如下步驟a、將所述單元移動到一個水柱的頂部；b、將所述單元釋放進所述水柱；以及c、允許所述單元沉到所述水柱的底部。
55.權利要求54的方法，其中隨著所述單元沉入水柱中，保存在存儲介質中的記錄數據是加速度數據。
56.權利要求54的方法，其中隨著所述單元沉入水柱中，保存在存儲介質中的記錄數據是方向數據。
57.權利要求44的方法，其中在所需位置部署所述單元的步驟進一步包括如下步驟a、在一輛車輛上放置所述單元；b、利用所述車輛來運輸所述單元到一個所需的部署位置；以及c、從所述車輛上移動所述單元到地球上的一個所需位置。
58.一種用於確定從一個所選位置部署的地震記錄單元的位置的方法，所述方法包括如下步驟a、將所述單元從所選位置移動到一個部署位置；b、隨著將所述單元從中心位置移動到所述部署位置，測量所述單元的加速度；c、隨著將所述單元從中心位置移動到所述部署位置，測量所述單元的方向；d、利用所述加速度和方向來確定所述單元的部署位置。
59.權利要求58的方法，其進一步包括選擇用於所述單元的起點位置並且利用所述起點位置來確定所述單元的部署位置的步驟，其中移動步驟從所述起點位置開始。
60.權利要求58的方法，其進一步包括測量加速度和方向的時間的步驟。
61.權利要求58的方法，其進一步包括記錄從所選位置到部署位置的所述加速度的步驟。
62.權利要求58的方法，其進一步包括記錄從所選位置到部署位置的所述方向的步驟。
63.權利要求58的方法，其中所述加速度是在至少三維空間中測量的。
64.權利要求58的方法，其中所述方向是繞著至少三個角度的軸測量的。
65.權利要求58的方法，其中所述加速度是利用一個加速計測量的。
66.權利要求58的方法，其中所述方向是利用一個傾斜儀和一個羅盤測量的。
67.權利要求58的方法，其中所述方向是利用至少三個相互正交的陀螺儀測量的。
68.權利要求65的方法，其中所述加速度是利用至少三個相互正交的加速計測量的。
69.一種地震數據採集單元，其包括a、至少四個地震數據地震檢波器。
70.權利要求69的地震數據採集單元，其中所述至少四個地震檢波器是以四面體構型來排列的。
71.一種地震數據採集單元，其包括a、至少五個地震檢波器。
72.一種測量地震數據的方法，其包括如下步驟a、部署至少一個具有至少兩個地震檢波器的地震數據採集單元；b、利用一個地震源來生成聲信號以傳播進地球；以及c、利用所述地震數據採集單元的至少一個地震檢波器，在x、y、z坐標單元中的至少兩個平面中測量地震數據。
73.權利要求72的方法，其中所述地震數據採集單元有至少四個地震檢波器，並且至少三個地震檢波器各自被用於在x、y、z坐標單元中的至少兩個平面中測量地震數據。
74.一種利用地震記錄單元的方法，所述方法包括如下步驟a、提供具有一個地震記錄設備、一個時鐘以及一個傾斜儀的地震記錄單元；b、在所需位置部署所述單元以記錄地震數據；c、利用所述傾斜儀來測量所述單元的方向，並且從所述傾斜儀中生成方向數據；以及d、利用所述方向數據來校正重力對所述單元時鐘的影響。
75.權利要求74的方法，其中在部署單元的同時執行所述校正的步驟。
76.權利要求74的方法，其中實時地執行所述校正的步驟。
77.權利要求74的方法，其進一步包括確定重力對所述時鐘的影響的步驟。
78.權利要求74的方法，其進一步包括根據所述時鐘的特定方向，確定重力對所述時鐘的影響的步驟。
79.一種利用地震記錄單元的方法，所述方法包括如下步驟a、提供具有石英鐘的地震記錄單元；b、根據所述時鐘的石英老化特性，生成關於所述石英鐘的石英老化曲線；c、探測地震信號；d、使所述地震信號與基於所述石英鐘的時間相關；以及e、利用所述石英老化曲線來校正石英老化對與所述地震信號相關的時間的影響。
80.一種利用地震記錄單元的方法，所述方法包括如下步驟a、提供具有石英鐘的地震記錄單元；b、根據石英老化特性，提供關於所述石英鐘的石英老化曲線；c、探測地震信號；d、使所述地震信號與基於所述石英鐘的時間相關；以及e、利用所述石英老化曲線來校正石英老化對與所述地震信號相關的時間的影響。
81.一種利用地震記錄單元的方法，所述方法包括如下步驟a、提供具有一個地震記錄設備、一個地震檢波器以及一個傾斜儀的地震記錄單元；b、在所需位置部署所述單元以記錄地震數據；c、利用所述傾斜儀來測量所述單元的方向，並且從所述傾斜儀中生成方向數據；d、利用所述地震檢波器來測量地震數據；以及e、利用所述方向數據來校正地震數據。
82.權利要求81的方法，其進一步包括如下步驟a、給所述地震記錄單元配備一個羅盤；b、一旦部署了所述單元，利用所述羅盤來測量所述單元的轉動方向並且從所述羅盤中生成轉動方向數據；以及c、利用所述轉動方向數據來校正地震數據。
83.權利要求79的方法，其進一步包括在所需位置部署所述單元以記錄地震數據的步驟，其中在部署單元的同時執行所述校正的步驟。
84.權利要求79的方法，其中實時地執行所述校正的步驟。
85.權利要求81的方法，其中在部署所述單元的同時執行所述校正的步驟。
86.權利要求81的方法，其中實時地執行所述校正的步驟。
87.一種用於監控在地震數據記錄單元和地球之間的耦合的方法，其包括如下步驟a、提供一個具有至少兩個地震檢波器的地震數據記錄單元；b、利用所述地震檢波器之一來振動所述地震數據重編碼單元；以及c、使用不同於用來振動所述單元的地震檢波器的另一個地震檢波器來探測所述地震數據重編碼單元的振動。
88.權利要求87的方法，其進一步包括部署所述單元與地球相接觸以形成其間的耦合的步驟。
89.權利要求87的方法，其進一步包括將所述單元附著到地球以形成其間的耦合的步驟。
90.權利要求87的方法，其中利用所述地震檢波器來振動所述單元的步驟包括，通過向所述地震檢波器提供一個電流作為輸入，驅動所述地震檢波器以產生振動能作為其輸出的步驟。
91.一種地震數據採集單元，其包括a、至少四個地震數據地震檢波器，其中將所述地震檢波器的至少三個相互接近地安放，並且將至少一個地震檢波器安放在與所述其它地震檢波器相分離的位置上。
92.權利要求91的地震數據採集單元，其進一步包括一個其中安放至少四個地震數據地震檢波器的外殼，其中所述至少三個地震檢波器被安放在所述外殼中以最大化地震能量的探測，並且所述至少一個地震檢波器被安放在所述外殼中以通過所述分離的地震檢波器來最大化所述外殼的振動。
93.一種地震數據採集單元，其包括a、具有限定內部隔間的隔板的外殼；b、安裝在所述外殼之內的萬向平臺；以及c、安裝在所述萬向平臺上的時鐘。
94.權利要求93的單元，其中所述萬向平臺有至少兩個自由度。
95.權利要求93的單元，其中所述萬向平臺有三個自由度。
96.一種用於採集地震數據的方法，其包括a、提供一個完備的地震數據採集單元，其具有安放在外殼之內的至少一個地震檢波器、一個子鍾以及一個地震數據記錄儀；b、提供一個主鍾以及至少一個地震檢波器；c、在部署所述地震數據採集單元之前，使所述子鍾與所述主鍾同步；d、在部署所述地震數據採集單元之前，在所述地震數據採集單元之內設置地震數據採集單元操作參數；e、部署所述地震數據採集單元；f、定位所述地震數據採集單元；g、依照所述操作參數，根據由所述地震檢波器探測的一個地震事件來生成地震數據；h、從所述部署中收回所述地震數據採集單元；以及i、在收回所述地震數據採集單元之後，從所述地震數據採集單元中取回所述地震數據。
97.權利要求95的方法，其中設置所述地震數據採集單元的操作參數以便所述單元連續地記錄。
98.權利要求97的方法，其中在部署地震數據採集單元的步驟之前啟動連續記錄的步驟。
99.權利要求95的方法，其中設置所述地震數據採集單元的操作參數以便所述單元在指定的時間間隔內間歇性地記錄。
100.權利要求95的方法，其進一步包括利用一個地震源來生成聲信號以傳播進地球的步驟。
101.權利要求95的方法，其進一步包括在部署地震數據採集單元的步驟之前，啟動地震數據採集單元的操作的步驟。
102.一種用於採集地震數據的方法，其包括a、提供一個完備的地震數據採集單元，其具有安放在外殼之內的至少一個地震檢波器、一個子鍾以及一個地震數據記錄儀；b、提供一個主鍾以及至少一個地震檢波器；c、在部署所述地震數據採集單元之前，使所述子鍾與所述主鍾同步；d、啟動所述地震數據採集單元的操作；e、在啟動的步驟之後，部署所述地震數據採集單元；f、定位所述地震數據採集單元；g、由所述地震檢波器探測一個地震事件；h、根據探測的地震事件生成地震數據；以及i、從部署中收回所述地震數據採集單元。
103.權利要求102的方法，其進一步包括在收回地震數據採集單元之後，從地震數據採集單元中取回地震數據的步驟。
104.權利要求102的方法，其進一步包括在收回地震數據採集單元之後，終止地震數據採集單元操作的步驟。
105.權利要求102的方法，其中啟動地震數據採集單元操作的步驟包括啟動由地震數據採集單元進行的記錄。
106.一種利用地震傳感單元的方法，所述方法包括如下步驟a、提供具有一個地震檢波器以及一個傾斜儀的地震傳感單元；b、在一個所需位置部署所述單元以探測一個地震事件；c、利用所述傾斜儀測量所述單元的方向，並且從所述傾斜儀中生成方向數據；d、根據由所述地震檢波器探測的地震事件來生成地震數據；以及e、利用所述方向數據來校正所述地震數據。
107.權利要求106的方法，其進一步包括如下步驟a、給所述地震傳感單元配備一個羅盤；b、一旦部署了所述單元，利用所述羅盤來測量所述單元的轉動方向並且從所述羅盤中生成轉動方向數據；以及c、利用所述轉動方向數據來校正所述地震數據。
108.一種地震數據採集單元，其包括a、外殼；以及b、安放在所述外殼之內的至少一個地震數據地震檢波器和至少一個額外的地震檢波器，所述至少一個地震檢波器被安放在與所述地震數據地震檢波器分離的位置上，以便所述地震數據地震檢波器被安放在所述外殼中以最大化地震能量的探測，並且所述至少一個地震檢波器被安放在所述外殼中以最大化由所述分離的地震檢波器產生的所述外殼的振動。
全文摘要
一種地震勘探方法和由連續記錄的完備的無線地震檢波器單元或箱體組成的單元。所述完備的單元可以包括一個傾斜儀、一個羅盤以及一個機械萬向的時鐘平臺。在收回時，由所述單元記錄的地震數據可被提取並且所述單元可被充電、測試、使重新同步，並且操作可被重新啟動而無需打開單元的外殼。所述單元可以包括一個額外的地震檢波器以機械地振動單元來測量在單元和地球之間的耦合度。所述單元可以針對在時鐘內出現的石英老化的影響來校正地震數據。通過從初始位置跟蹤線性和角加速度，可以確定所述單元的部署位置。所述單元可以利用多個有角度地相互定向的地震檢波器，以便冗餘地測量在一個特定平面中的地震活動。
文檔編號G01V1/24GK1947031SQ200480042443
公開日2007年4月11日 申請日期2004年9月21日 優先權日2004年1月28日
發明者克利福德·H·雷, 格倫·D·菲塞勒, 哈爾·B·海古德 申請人:費爾菲爾德工業公司