海底地震节点系统的制作方法
海底地震节点系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及海洋地震探测领域。特别地，本发明涉及利用地震节点的海洋地震数据获取，以及一种节省功率而不牺牲预设勘测规范中的精度的方法。
【背景技术】
[0002]海洋地震探测方法使用发射地震信号的地震源，同时，接收设备测量在亚表面(sub surface)的间断点返回的(反射的/折射的)地震信号的振幅和到达时间。该间断点由在具有不同弹力特性的层间的分界面形成并且被称为地震反射层(reflector)。返回的地震信号在海底或接近海平面处被地震传感器记录。
[0003]在海洋地震探测中，两种主要的技术被用于记录返回的地震信号。一种是通过使用在船舶后拖曳的水听器电缆(hydrophone cable) ο由于切变波(S_waves)不通过水柱传播，这种技术仅记录压力波(P-waves)。另一种技术是部署地震节点，该地震节点包括在海底的地震检波器和水听器。通过这样方法，压力波与切变波均被记录并且因此更有用的数据将被记录并且随后被处理并用于绘制(map)亚地表。
[0004]近些年，通过收集海底的地震信号来代替使用更常用的船舶拖曳水听器进行信号记录，已做出更大的努力来改善海洋地震调查结果。
[0005]我们将在下文中描述现存的、已知的使用位于海底的地震传感器进行海洋地震数据获取的方法。基本上目前所使用的主要有两种使用地震传感器收集地震数据的方法。
[0006]第一种方法是部署集成了地震传感器的海底电缆和从该地震传感器至海平面的电和/或光架线，在该海平面处地震信号被记录。地震信号由被源船舶拖曳和部署的地震源生成。在数据记录期间，电缆一般被附着至记录船舶或者电缆部署船舶。在最近几年中，略有不同的方法已经被使用，凭借的是分离电缆部署船舶已经被记录浮标所替代，记录浮标也可为电缆提供来自柴油发电机或者位于该浮标内的电池所生成的功率。然后所记录的数据的全部或者部分经由无线电链路从该浮标传输至源船舶或者电缆部署船舶。
[0007]目前所使用的第二种方法是通过使用远程操作的载具或简单地通过将地震节点投入海中并且随后使他们慢慢下降至海底将自主地震数据记录节点部署至海底和从海底重新获得自主地震数据记录节点。在近来的实例中，船舶通过传送可触发地震节点中的每一者中的机构的信号来重新获得地震节点，触发该机构可激活其漂浮设备或从锚固重力中释放地震节点以使地震节点能够自己慢慢上浮到海平面。另一种已经被应用的使用这些节点的方法是将自主地震节点附着至弹性绳索上，投下绳索中的松弛的地震节点，然后使其下降至海底。在记录完成后，通过用绞盘拉起绳索来重新获得节点。
[0008]使用目前的方法，船舶需要部署地震节点，并且在地震数据被记录后取回节点以备进一步使用。海洋环境在变化并且由于不同的天气条件，这并不总是能被最佳安排。在典型的数据获取过程期间，地震节点被长期放置在水下，一次可以是几天、几个星期或者几个月。在放置期间，地震节点中的振荡器可能会漂移并且因此由于诸如温度变化或重力在变化的采样地震数据中产生时间误差。
[0009]此外，自主地震节点将必须在没有任何附加电池充电的情况下工作这么长时间。因此，要求地震节点非常节能。
[0010]在近海石油或天然气勘探中，地震节点及其中的部分的记录精度是至关重要的。由于在地震节点或者其任何部分的精度误差，许多可用的碳氢化合物和天然气可能不被以足够品质地绘制出。
[0011]影响记录精度的重要因素中的一者是漂移。漂移是在地震节点的振荡器涉及指定的频率的增加或减小频率的比率。虽然比率不同，但所有的振荡器都将会经历频率改变。振荡器中的漂移会引起地震节点的振荡器的频率变化，这将会导致定时误差。振荡器的频率准确度是与指定目标频率间的偏移。振荡器的频率稳定性是在一段时间内测量的振荡器频率相对于其工作频率的传播(spread)。
[0012]影响漂移和然后的记录精度的一个重要因素是温度系数，其可影响振荡器的频率响应于温度变化将漂移多少。当在源船舶的较暖和的甲板上时，地震节点的振荡器以一个频率产生信号，但是当潜入冷水中时振荡器可能以不同的的频率产生信号。振荡器的频率漂移将会对记录精度产生负面影响。
[0013]除了由温度引起的漂移，振荡器也可能被由振动、重力、供电变化和/或其它因素引起的环境变化所影响。晶体老化是影响输出频率的另一因素。在晶体振荡器中的老化是由多种电动机械机构引起的。长期稳定性通常由百万分之(ppm)中的部分来表示。15ppm表示Ims间隔中的振荡器周期可以改变15ns。短期稳定性是振荡器内噪声信号的函数并且代表振荡器输出的相位调制。短期稳定性在时间域中可以被指定为抖动，但是取决于测量间隔。
[0014]图10中示出了不同类型的振荡器之间的比较。
[0015]振荡器从开启到其输出频率达到必要的稳定性之前也需要一些时间。根据不同的准确度、稳定性和成本要求，开发出了不同类型的振荡器。基于不同温度控制方法的对温度依赖的补偿已经产生在振荡器中；温度补偿晶体振荡器“TCX0”，其使用温度补偿电路；恒温控制晶体振荡器“0CX0”，其使用恒温槽(OVEN)控制晶体温度。
[0016]在海底放置震荡节点是昂贵并且耗时的，并且气候可能限制适于数据获取的时间，并且这可能导致没有足够功率来运行包括振荡器在内的所有电子设备。此外，由于温度变化等，许多类型的振荡器将漂移，而其它的可能会使用很多功率以致其将会限制电子设备运行的天数。现有的振荡器的物理尺寸和需要的电池电源组也可能受限。如果具有电导体的海底电缆被使用，则需要在船舶上的电源，但是水可能会进入电气终端和接插件，而因此影响电缆的可用性。同样，电缆不能太长，因为太长会引起传送电压下降至不能接受的水平(电缆可有几千米长)。
[0017]US 4281403公开了一种分散式地震数据记录系统，其中位于中心站较远处的单独的记录单元被用于记录地震数据。该单元包括独立的时间计数器和用于安排以期望的间隔与由中心站发起的地震冲击同步的多个记录周期的装置。每个远程单元中的本地的时间计数器与中心站中的主时钟时间计数器中的当前值进行比较。从各个远程单元时间计数器中读取的本地累计时间计数和主时钟累计时间计数被分别记录在相应远程单元中每一者中的档案存储介质上的专门数据文件中。然后本地时钟和主时钟的累计时间的不同可以在针对远程单元中的每一者的全部记录数据文件间线性地按比例分配，从而使其与主时钟同步以及相互之间同步。
[0018]US 2005/0246137阐述了一种不需要线缆遥测或无线电遥测组件或无线电启动的用于获取地震数据的方法及系统。多个单独的无线地震数据获取单元被使用，其中单独的数据获取单元被起到数据传感器记录器和/或作为源事件记录器的作用。每一个数据获取单元以诸如排水量和时间的形式按时间记录地震数据的独立流。数据获取单元不需要与其它数据获取单元进行无线电连接，也不需要与其它接收机单元或者源开始时间的直接同步。
[0019]US 2009/0080290公开了节点式地震数据获取系统，该节点式地震数据获取系统将外部的、公用分布式时基用于系统操作的同步。该系统实施一种基于间歇接入公用远程时间基准来更正本地时钟的方法。该方法通过压控振荡器更正本地时钟以负责在环境方面引入的定时误差。该发明还提供了关于更正本地时钟中的漂移的更稳定的方法。
[0020]US 2010/0034053公开了用于获取地震数据的方法，该方法通过使用多个自主地震数据获取单元记录地震数据，其中每个获取单元包含数控温度补偿晶体振荡器。可获取与多个数控温度补偿晶体振荡器相关联的基于振荡器的定时信号，并且使用来自第一和第二自主地震数据获取单元的基于振荡器的定时信号来确定时间更正。
[0021]US 7254093公开了包括水密封外壳的地震数据收集单元或吊舱(pod)。外壳储藏其它组件，该其它组件可包括时钟、电源、控制机构及地震数据记录器。更具体地，海底地震“0BS”类型的海底地震记录器“SSR”单元包括一个或更多地震检波器和/或水听器传感器、电源、地震数据记录器、晶体振荡器时钟、控制电路，并且在万向地震检波器被使用并且切变数据被记录的实例中，进行围绕或平衡(gimbal)。
[0022]US 7558157阐明了为了从一系列独立的传感器/节点或传感器阵列中可靠地并准确地实现无误差数据，每个节点包括原子时钟。此外，中心数据接收机/处理器也包括原子时钟。每个节点传送时间标记的伪随机码。处理器将从节点传送的时间标记的伪随机码与其自身内部的时间标记的伪随机码进行比较。通过在处理器中嵌入原子时钟，与传统的不具有内部原子时钟的GPS接收机相比，可改善数据更正和/或校准。
[0023]US 8050140公开了以低截面套管(profile casing)为特点的独立的海底吊舱。吊舱可能包括确定海底位置的惯性导航系统和用于计时的铷时钟。受重力和温度影响的时钟能够引起振荡器频率中的频率偏移，从而导致地震数据中的误差。使用不易受温度和重力效应或在地海的单元的方向影响的铷时钟，将产生准确的地震数据记录。 该时钟与地震能量源的激发时间同步。
[0024]卡尔顿大学(CarletonUniversity)，系统与计算机工程，Technical ReportSCE-08-12, November 2008:"Frequency Accuracy&StabiIity Dependencies of CrystalOscillators"， 作者:Hui Zhou，Charles Nichollsj Thomas Kunzj Howard SchwartzCardinal Components Inc.Applicat1ns Brief N0.A.N.1006:^Clock OscillatorStability'
[0025]此外，使用更好和更可靠的地震节点及由这些地震节点构成的网格或阵列，地震节点可以在水中停留更长持续时间并且需要更少的维修。这将为操作提供更多的灵活性并且也将减少开支。
[0026]对低电池电量消耗的需要和合适的频率漂移处理仍然是对于大部分地震节点系统操作的主要挑战。这些问题限制了地震节点在电缆勘测不是操作理由的选项的区域(例如平台附近或者深水中)中的应用，。
[0027]由于上述提及的操作难点，地震节点已经被证明很难操作。
[0028]上述的数据获取方法对于长期勘测可能不是可行的方案。这些系统的效率太低并且可能间或提供不准确的数据。
【发明内容】
[0029]本发明考虑补救或者至少减缓上文描述的现有技术的问题。
[0030]在第一方面，本发明提供一种地震节点设备，该地震节点设备包括初级振荡器及基准振荡器，处理器，该处理器基于所述基准振荡器提供的频率，使用频率校准值控制所述初级振荡器的频率校准，并且其中所述处理器重复计算所述频率校准值。
[0031]基准振荡器“RF”可以是原子时钟或者恒温控制晶体振荡器(OCXO)。在本发明中，所述RF可以生成与所述初级振荡器相同的输出频率，所述初级振荡器可以是温度补偿晶体振荡器“TCX0”，或者任意高质量的振荡器。输出频率可以被用于与模数转换器连接。一般而言，原子时钟或者OCXO比TCXO消耗更多功率，但是当受到环境温度变化和/或重力效应影响时，原子时钟通常更稳定。用在本发明中的RF可以仅使用约10mW或更少的功率。在本发明中被用作初级振荡器的所述TCXO可仅使用约8-12mW或更少功率，但是其将提供不准确的频率而导致对地震数据的不准确采样。通常，振荡器越准确，其所使用的功率越多。在本发明中，RF单元可以被选择与地震节点中的TXCO单元一起工作，以20-50mW或更少的平均功率消耗的最佳的功率效率提供来自海底的高精度数据。
[0032]在第二方面，本发明提供一种用于校准初级振荡器频率的方法，其中所述方法包括基于基准振荡器的频率计算针对振荡器的频率的频率校准值，并且其中所述频率校准值按预先确定的时间间隔被重复计算。
[0033]在第三方面，本发明提供一种用于初级振荡器的漂移校准方法。所述方法包括基于基准振荡器的频率计算针对初级振荡器的频率的频率校准值，使用所述频率校准值校准初级振荡器的频率，其中频率校准值按预先确定的时间间隔被重复计算，并且其中根据整体系统时间准确度的要求，开始和停止信号以预先确定的时间间隔的更长或更短的周期被发送至基准振荡器。
[0034]在本发明的实施方式中，地震数据获取系统包括多个自主地震节点，所述自主地震节点中的至少一者包括初级振荡器和生成基准频率的基准振荡器、用于探测环境温度的温度传感器、用于探测振荡器的移动的惯性传感器、存储用数字记录的由一个或多个水听器和/或一个或多个地震检波器生成的地震数据的存储器、以及为系统提供功率的电源，其中处理器基于来自所述温度传感器、所述惯性传感器的输入及所述基准频率的计算校准因子，并且其中所述处理器按预先确定的时间间隔使用所述校准因子重复计算和校准所述初级振荡器，以最佳的功率效率提供来自海底的高精度数据读取。
[0035]在本发明的另一实施方式中，计算机设备包括记录设备和校准模块。所述校准模块具有由计算机设备执行的指令。所述指令包括以下逻辑:接收来自环境传感器的环境数据并且决定预先确定的程序，比较初级振荡器的频率和基准振荡器的频率，基于对接收数据的比较计算校准因子，其中计算设备被配置以按预先确定的时间间隔使用所述校准因子重复校准初级振荡器的频率，并且这被用以实现具有最佳的功率效率的高精度数据读取。
[0036]在本发明的一方面，在地震节点部署期间及重新取回期间，基准振荡器持续运行。所述基准振荡器在海底的节点已变得平稳的并且所述温度传感器指示所述环境和/或所述内部温度已经稳定之后首先被停止。在被部署前所述基准振荡器将对照船上的船舶主时钟被校准并且同步，并且如果有必要在所述地震节点已被重新获得至船上后，所述基准振荡器将对照所述船舶主时钟被校准。所述基准振荡器可以是原子的或其它任意的高品质振荡器。
[0037]在本发明的实施方式中，消耗更少功率的初级振荡器被置于基准振荡器的之外。在预先确定的时间之后，所述基准振荡器被开启并且使用所述基准振荡器的频率执行对所述初级振荡器频率的调节/更正或者校准。随着时间流逝所述初级振荡器可能具有相对显著的频率漂移，但是只要其被经常更正或者校准，随着时间流逝所述初级振荡器频率将是稳定的并且提供准确的读取。所述基准振荡器可以使用电源开关接收来自电源的功率。所述电源可以是内部电池或者外部电源。由于所述基准振荡器的智能开启和停止，根据本发明的振荡器设备以高功率效率运行。
[0038]如果环境或内部传感器寄存了在两个预置校准点间的节点中的任意移动或者环境或内部温度变化，则所述处理器被程控以执行附加校准。基于由勘测参数确定的公式，所述系统可以同时运行基准振荡器和初级振荡器，这用于检查在常规检查点之间的频率变化。
[0039]如果所述系统寄存了所述基准振荡器和所述初级振荡器之间的近乎不可接受的频率差，并且在下一校准点寄存了相同或更大的变化，则两个振荡器将被并行运行直至记录准确度可接受。
[0040]当所述初级振荡器的校准检查指示不需要时常运行校准检查时，则可以通过预先确定的程序增加校准检查间隔。如果对立面发生并且时间或者频率漂移比可接受的更大，校准间隔可以被设定得更长。
[0041]在本发明的一方面，无线节点将执行频率控制以使所述初级振荡器的频率与所述基准振荡器的频率同步。所述无线节点包括用于测量所述初级振荡器和所述基准振荡器之间的频率误差的频率误差测量装置。与频率误差测量装置相关联的用于计算校准因子的计算装置是基于来自所述基准振荡器的输入并且生成被重复发送至初级振荡器的模拟控制信号。
[0042]在本发明的一方面，所述基准振荡器在部署期间持续震荡并且在所述海底节点已变平稳的并且所述温度传感器指示所述环境和/或所述内部温度已经稳定之后首先被停止。所述节点使用无线接入点接收指令并且可以与中央主时钟通信。
[0043]在本发明的一方面，所述基准振荡器可以在从海底重新获得节点的过程期间持续运行。在该活动期间，所述初级振荡器可能受节点移动和/或温度变化影响。
[0044]在本发明的另一方面，所述频率校准值的计算和校准在控制船舶的甲板上被程控，并且基于水深、水中的声速、海底条件以及取决于在获得地震中的预期可能延迟或或者其它任何操作条件被计算。
[0045]由于如所描述的，基准振荡器与初级振荡器一起使用使得能够更准确的绘制并且一旦其被部署则地震节点能更在水下停留更长，所以本发明将克服现有系统中固有的许多限制。新的水下地震传感器节点基于自适应校准方法提供准确的定时，其中先前数据将被用于计算。
[0046]所提出的新的装置将很好的适用于引导在任意水深的OBS勘测，并且与用于地震数据获取的现有系统相比这种装置的使用将显著降低成本。
【附图说明】
[0047]现在将参考以下附图描述本发明的示例实施方式，其中:
[0048]图1示出了根据本发明实施方式的地震节点装置的框图。
[0049]图2示出了根据本发明实施方式的包括多个地震节点的数据获取系统的框图。
[0050]图3示出了根据本发明实施方式的具有被部署在海底的多个地震节点的数据获取及拖曳地震源以生成地震信号的船舶。
[0051]图4、5和6示出了通过程控序列以使在一定时间使用基准振荡器的节点交替来节约功率的方法。
[0052]图7示出了数据获取方法，其中仅包含初级振荡器的一个或多个低功率地震节点位于具有初级振荡器和基准振荡器的地震节点之间。
[0053]图8a和b示出了更正如何被应用。
[0054]图9a和b不出了振汤器漂移。
[0055]图10示出了根据2008年11月卡尔顿大学的论文的振荡器之间的比较。
[0056]图11示出了根据本发明实施方式的地震节点装置的可替换框图。
【具体实施方式】
[0057]将参考附图描述示例性实施方式。在所有附图中以及贯穿说明书，相同的附图标记被用于相同的或相似的特征。
[0058]图1示出了地震节点装置的框图。图1的描述包括对自主地震节点100的一般描述，该自主地震节点100包括初级振荡器106及基准振荡器104及实施方式可以实施的计算环境。
[0059]可用电脑、大型计算机或者包括具有服务器的工作站的结合来实践多种实施方式。程序模块包括用于执行任务、处理数据及记录和显示信息的例程、程序、对象、组件及数据结构。
[0060]实施方式可以用单独的或者与地震节点相结合的各种系统配置来实践，或者自主地震节点可以包括手持设备、多处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费电子设备、网络计算机、小型计算机、大型计算机等。实施方式可用在分布式计算环境中和在其上执行的任务来实践，分布式计算环境包括通过通信网络链接的远程处理设备。程控模块、处理器、分布式计算环境中的操作可以被置于多种存储位置(对于地震节点是本地的/内部的和远程的)。
[0061]地震节点100可以具有一个或多个诸如地震检波器、水听器或者与电子设备(诸如用于滤波、对记录的数据进行数字化和存储数据的硬件、处理器和电源)相关联的加速计。这里，其被标记为118的方框所涵盖。
[0062]地震节点100还包括在需要时用于打开或关闭基准振荡器的电源开关102。能量源为地震节点100提供功率。进一步地，地震节点100包括处理器112，该处理器112与将包括指令的内部系统存储器耦合。系统存储器可以被附着至系统总线，该系统总线可操作地将各种系统组件耦合至处理器112或者它们内部。系统总线可以是使用公知的各种总线架构的若干类型的总线结构中的任意总线结构。单独的专用模数转换器110也与用于频率校准的计算环境相关联。
[0063]虽然单个处理器112在图1中被示出，但是可以具有单个的中央处理单元(CPU)和/或数字信号处理器(DSP)或者二者或者多个处理单元。FPGA、ASIC或者相似的设备也可以被用作处理单元。自主地震节点100可以是单独的设备、分布式设备，或者可用作单独的计算/数据获取设备。
[0064]系统存储器可以是任意类型的物理存储器，可以包括具有基本输入/输出系统(B1S)的只读存储器，其包括有助于在在自主地震节点100内的元件之间传递信息的基本例程(例如在开启期间)。自主地震节点100的系统存储器还可以包括随机存取存储器(RAM)，其可以包括操作系统“OS”、应用程序和地震节点。
[0065]多种数据输入和输出设备可以通过内部/外部接口被连接至处理器112。
[0066]地震节点100还可以包括一个或多个用于监控组件和环境条件的传感器。一种类型可以是惯性传感器114，其能够感测在海底的地震节点100的以倾斜、旋转及滚动类型的相对运动的任何移动或者相对运动。进一步地，另一种环境传感器可以是温度传感器116，其以信号的形式将海洋环境的温度值发送至位于地震节点100内的处理器112。
[0067]然而用作初级振荡器106的单独的TCXO具有可变的时间漂流，初级振荡器106的每个时间漂流可能或可能不是相当地一致，这可能导致提交给地震数据文件的数据读取非常不准确。这种不一致用作使用基准振荡器104的基础，其按预先确定的间隔和/或自适应地确定用于校准初级振荡器106的频率的频率校准值。基准振荡器可以是原子类型或者其它尚品质的振荡器。
[0068]在一种实施方式中，一些单独的振荡器可以由两个相互作用的振荡器组成。
[0069]时间的基本单元秒被定义为“在铯(cesium)原子内9，192，631，770个转变周期的持续时间”。因此，时钟的定义可以是用于计算从开启时间起振荡器的循环或周期的数目的设备。因为我们计算振荡器周期的数目，如果初级振荡器频率随着时间改变/漂移，我们将引入时间误差。由于地震节点记录地震数据的采样，频率漂移可能引起地震数据的记录误差和随后的地震数据处理误差。
[0070]可用于地震节点的振荡器将具有由其结构和/或环境条件引起的漂移。
[0071]并且由于最准确的振荡器可能比较不准确的振荡器使用更多功率，本发明将同时解决功率消耗的问题和对数据准确度的要求。
[0072]基准振荡器104基于一组预先确定的参数120在固定的或者自适应计算的时间周期后重复生成信号并且使用系统总线将信号传送至频率控制器108。初级振荡器106也将其当前生成的频率传送至频率控制器108。来自基准振荡器104和处理器112的信号与从初级振荡器106接收的频率进行比较，并且用于更正/校准的数字信号被发送至专用数模转换器110。转换器110将模拟控制信号发送至初级振荡器106以校准初级振荡器106的频率。
[0073]每个校准点的频率误差和校准值可以被存储在存储器中以用于处理分析中可能的应用。
[0074]基准振荡器104可以是原子时钟；芯片级原子时钟“AT”。AT将具有和来自OCXO或者TCXO的相同的输出/频率。例如，AT单元可以用作具有在地震节点100中作为初级振荡器106的TCXO单元的基准振荡器，以用最佳的功率效率从海底提供高精度数据读取。
[0075]本发明用较少的功率工作，其将降低电池成本和关联外围设备(诸如用于电池再充电、存储和处理的设备)的的成本。地震节点100中的电池代表主要的消耗，并且在典型的获取网格中传感器节点的数目将增加。因此，较准确的基准振荡器和具有较小精度的功率效率TCXO的组合将使系统消耗更少的电池功率。
[0076]本系统可以提供来自环境效应的较小影响。
[0077]图2示出了数据获取系统200的示例性实施方式。数据获取系统200包括被指定为100a、100b、100c、10cU 100e、100f等的多个地震节点100以及中央主时钟202。每个地震节点100包括初级振荡器106、基准振荡器104和传感器，该传感器与图1示出的惯性传感器114和温度传感器116类似。每个地震节点100通过硬线、无线无线电传输、TCP网际协议或者其它任意形式的有线或无线数据传输将信号数据流传送至具有主时钟202的中央计算机。
[0078]地震节点100是自主的，它们全部是具有地震检波器、水听器、存储器单元、数字化硬件、初级振荡器及基准振荡器的完整的单元，该基准振荡器与随后将收集数据的源船舶或轮船上的中央主时钟202同步。
[0079]中央主时钟202可以具有中央数据接收机和中央处理器，其接收来自地震节点100的数据流并且根据它们各自相应地采样来组织数据流。通过使用在地震节点100之内的AT，与不具有AT的传统的地震节点相比，数据更正和/或校准被改善。
[0080]在本发明中，在地震节点100中，作为基准振荡器104的AT与初级振荡器106 —起被使用。在地震节点100中的每一者处使用AT允许在不同地震节点100以及中央主时钟202中的数据的简单相关。
[0081]图3示出了在水下地震节点如何部署以及地震信号是如何从船舶上生成地震信号并且由地震节点接收。在海洋石油探测应用中，地球物理学传感器或者地震节点100的网格被置于海底306以帮助确定碳氢化合物可能位于的位置。地震节点100可以通过船舶一侧投下或者由远程操作的载具放下。在本发明的一方面，地震节点100可以部署为在海底电缆(OBS)中的自主节或独立地部署。每一个地震节点100通常包括水听器、一个或多个地震检波器、记录单元和用于存储记录的数据的存储单元。
[0082]通过诸如传统的气枪阵列，标准的地震源船舶302能用于生成地震信号。源船舶302按照允许能量源从相对地震节点100的网格的多个不同位置引发的图样移动。一些地震能量被海床306反射回海平面304，剩余的地震能量穿透海床306，穿过地质层308传播，到达诸如潜在的储油岩石310。最后，地震能量反射回海底306的地震节点100，在该处地震能量被被检测到。在船舶302完成了其预先确定的勘测操作后，地震节点100被重新取回。由于地震波在不同的材料中以不同的速度传播，它通过各种岩石层反射回地震节点100所花费的时间取决于地震波传播所经的材料。当记录数据被处理后，它产生一个位于海底306之下的岩石沉积层中的层的地图，并可示出可能保有碳氢化合物沉淀的位置。对地震节点100的读取越精确，地图能越准确地预测碳氢化合物沉淀的存在。
[0083]地震节点100可形成停留在海底的专用阵列，并被用于数据获取。由于与建立勘测线路或放置地震节点100相关联的复杂性，根据水深、温度水平和其它环境和地质因素来使用不同的现场设备。
[0084]多种地震源(包括水枪，空气枪，电火花器和轰鸣器)可用于海洋应用。
[0085]在数据获取期间，环境噪声可能会被记录。由于本发明以自主模式记录地震数据，为了质量控制的目的，噪声会和到船舶中的一者的实时数据传递一起被单独的数据获取系统记录。一些针对环境噪声记录的选项是可行的。一种选项用由源船舶302拖曳的短地震流转化器(streamer)来记录数据。典型地，流转化器装备有感测环境噪声的水听器。数据通过流转化器传递到位于船舶302上的记录系统。然后在船舶302上，执行对数据的分析。数据可以通过 导入电缆传递至记录浮标，然后通过无线电传递至船舶中的一者以用于分析。可替换地，水听器可以被安装在导入电缆上，并且不考虑地震检波器。
[0086]图4、5和6示出了另一种方法，该方法可以是预程控以在按顺序用打开的基准滤波器运行的节点(图4中的节点10a和10f)间交替，同时其他节点受初级振荡器控制。采样显示一排上每个第5节点是开启的。
[0087]在下一个预编程的序列(图5)期间，由基准振荡器控制的节点移位到该排的下一个。仍然是每个第5振荡器开启，但现在是具有开启的基准振荡器的节点的另一种设置(标示为 10b 和 10g) ο
[0088]在图6示出了开启的基准节点(100c和10h)的另一种序列。通过这种方法可以进一步减小功率损耗，而准确度仍然保持在预先确定的范围内。由于在序列中具有最尚功率消耗的所有节点将被移位，但同时最准确的频率振荡器会开启，因此所有的节点随着时间将具有相同的低功率消耗。当基准振荡器打开时，在下一序列期间，用较低准确度振荡器的节点操作将针对任何漂移被更正。
[0089]图7示出了一种海底地震勘测的数据获取方法，其中，只包含初级振荡器的一个或多个低功率地震节点(i)位于海底(k)并处于包含初级振荡器和基准振荡器的地震节点U)之间。在后勘测数据处理过程中，可实现对地震节点α)记录的地震数据的改进定时，这可通过将在地震节点(j)处的直接的或反射的地震波到达(Tland T2)的不同到达时间用于调整中间节点(i)处记录的地震数据来实现。
[0090]图8a示出了初级振荡器的漂移相对于时间的函数，并且其中更正被应用到指定频率fo。
[0091]图Sb示出了更正，其中通过进行频率调整至指定频率之下来补偿漂移，这可实现减少与指定频率fo间的偏差。
[0092]图9a示出了初级振荡器频率被更正以在fo周围变化的情况。由于初级振荡器频率被对照基准振荡器校准，如图9b所示，当该频率在勘探结束时被对照船舶的主时钟进行检查时，可以确定基准振荡器频率也示出了等于fd = fs - fo的漂移。船舶上的数据系统被装备以按照计算的频率漂移曲线对所有记录的数据进行更正
[0093]图10示出了振荡器之间的比较。
[0094]图11示出了一个图1的框图的可替换实施方式。在图11中，具有内置的锁相回路的频率控制器130替换了图1中示出的频率控制器108和数模转换器110。图11中示出的其他组件可参考图1相关的解释说明。
[0095]在图11的实施方式中，基准振荡器104基于一组预先确定的参数120在固定的或自适应计算的时段后重复生成时钟信号，并且将该时钟信号传送至频率控制器130。初级振荡器106持续不断地将时钟信号传送至频率控制器130。来自基准振荡器104和初级振荡器106的时钟信号在频率控制器130中被比较，并且更正被计算出来并且被应用至锁相回路。然后来自锁相回路的输出被馈送至处理器112。
[0096]本发明公开的地震数据获取系统特别适合在任何水深进行OBS勘测，并且与现有技术相比，使用本发明可以显著降低数据获取成本。
[0097]本发明当然不以任何方式受限于上文描述的实施方式。相反，在不背离本发明的基本构思(诸如权利要求书所界定的)情况下，众多对进行修改的可能性对于本领域人员是显而易见的。进一步地，可预见的是，一些基础的新颖性原则可以是独立保护的主题(如分案申请)而不限于地震领域。例如，这涉及到校准振荡器以节约功率。所定义的振荡器的频率，不用于对申请领域进行任何限制，和/或用于漂移校准的基本校准方法的使用，其中为了系统时间的准确度，开启和停止信号以预先确定的时间间隔的更长周期被发送至基准振荡器的时钟。
【主权项】
1.一种地震节点(100)，该地震节点(100)包括: -至少一个与电子设备相关联的地震传感器， -用于对传感器信号进行定时的初级振荡器(106)， -存储器， -电源， 其中所述地震节点的特征在于: -基准振荡器(104)，所述基准振荡器(104)可以是原子类型或者其它高品质振荡器， -开关(102)，用于打开和关闭所述基准振荡器；以及 -处理器(112)，该处理器(112)用于接收传感器信号并将所述传感器信号存储在存储器中，基于所述基准振荡器(104)的频率校准所述初级振荡器(106)的频率，并且打开和关闭所述基准振荡器(104)。2.根据权利要求1所述的地震节点，其中，所述基准振荡器(104)被置于所述初级振荡器之外。3.根据权利要求1所述的地震节点，其中，所述处理器在一时间间隔后校准所述初级振荡器(106)的所述频率。4.根据权利要求1所述的地震节点，其中，所述初级振荡器(106)的所述频率误差及所述校准数据被存储在存储器中。5.根据权利要求1所述的地震节点，其中，所述处理器根据预先确定的用于优化与整个系统准确度要求有关的功率消耗的算法打开或关闭所述基准振荡器。6.根据权利要求1所述的地震节点，所述地震节点还包括用于监控环境条件的至少一个传感器。7.根据权利要求1所述的地震节点，所述地震节点还包括用于监控所述地震节点的移动的至少一个传感器。8.根据权利要求1所述的地震节点，所述地震节点还包括数模转换器(110)，该数模转换器(110)被配置成接收数字信号并且可操作的生成模拟信号以应用至所述初级振荡器(106)ο9.根据权利要求1所述的地震节点，其中，基于所述基准振荡器(104)的所述频率校准所述初级振荡器(106)的频率以及打开和关闭所述基准振荡器是由使用锁相回路的频率控制器(130)执行的。10.根据权利要求1所述的地震节点，所述地震节点还包括用于与所述处理器进行外部通信的无线接入点。11.一种用于校准地震节点(100)的初级振荡器(106)的振荡频率的方法，该方法的特征在于以下步骤: -打开基准振荡器，所述基准振荡器可以是原子类型或者其它的高品质振荡器， -基于所述基准振荡器的所述频率，稳定所述初级振荡器(106)的所述频率，计算用于校准所述初级振荡器(106)的所述频率的频率校准值， -基于所述频率校准值，调整所述初级振荡器的所述频率， -关闭所述基准振荡器，以及 -在一时间间隔后，重复以上步骤。12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述基准振荡器由外部信号打开或关闭。13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述外部信号从中央控制系统发送。14.根据权利要求11所述的方法，其中，至所述基准振荡器(104)的开启和关闭信号的所述时间间隔是由关于与整个系统时间准确度有关的最佳功率消耗的算法预先确定的。15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述时间间隔基于备用天气的预期等级被确定。16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述时间间隔基于与在所述地震节点的位置处的环境和/或地质有关的信息被确定。17.根据权利要求11所述的方法，其中，如果所述地震节点正被部署在海底，在部署期间所述基准振荡器被打开，并且在所述地震节点在海底停止移动并且由所述地震节点的传感器测量的内部和/或外部的温度已经稳定后，所述基准振荡器被关闭。18.根据权利要求11所述的方法，其中，如果所述地震节点正被从所述海底重新获得，在该操作期间所述基准振荡器(104)能够被打开。19.根据权利要求11所述的方法，其中，如果所述地震节点的传感器感测到所述地震节点的移动或者内部或外部温度改变，对所述初级振荡器的所述振荡频率的校准被执行。20.根据权利要求11所述的方法，其中，在对所述初级振荡器的校准之间的全部或部分所述时间间隔中，所述初级振荡器和所述基准振荡器同步运行，频率差被寄存，并且基于所述频率差，针对以下作出决策:是否继续同步运行所述初级振荡器和所述基准振荡器；是否保持、减少或增加校准之间的所述时间间隔；或者是否执行校准。21.根据权利要求11所述的方法，其中，所述地震节点是停留在所述海底的地震节点阵列的一部分并且被用于数据获取，在所述阵列中的每个地震节点是一组地震节点的一部分，至少有两组地震节点，其中针对每一组中的所述地震节点的所述基准振荡器在针对其他组中的所述地震节点的所述基准振荡器被关闭时继而被打开。
【专利摘要】本发明涉及一种地震节点(100)，该地震节点(100)包括至少一个与电子设备关联的地震传感器、用于对传感器信号进行定时的初级振荡器(106)、基准振荡器(104)、存储器、电源、用于打开和关闭基准振荡器的开关(102)、以及处理器(112)，该处理器(112)用于数字化传感器信号并将其存储在存储器中、基于所述基准振荡器(104)的频率校准所述初级振荡器(106)的频率、以及打开和关闭所述基准。
【IPC分类】G01V13/00, G01V1/16
【公开号】CN104903747
【申请号】CN201380043769
【发明人】J·B·噶特曼, N·P·噶特曼
【申请人】马格塞斯公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年7月30日
【公告号】CA2881821A1, EP2888607A1, US20150219790, WO2014027892A1
【技术领域】
[0001]本发明涉及海洋地震探测领域。特别地，本发明涉及利用地震节点的海洋地震数据获取，以及一种节省功率而不牺牲预设勘测规范中的精度的方法。
【背景技术】
[0002]海洋地震探测方法使用发射地震信号的地震源，同时，接收设备测量在亚表面(sub surface)的间断点返回的(反射的/折射的)地震信号的振幅和到达时间。该间断点由在具有不同弹力特性的层间的分界面形成并且被称为地震反射层(reflector)。返回的地震信号在海底或接近海平面处被地震传感器记录。
[0003]在海洋地震探测中，两种主要的技术被用于记录返回的地震信号。一种是通过使用在船舶后拖曳的水听器电缆(hydrophone cable) ο由于切变波(S_waves)不通过水柱传播，这种技术仅记录压力波(P-waves)。另一种技术是部署地震节点，该地震节点包括在海底的地震检波器和水听器。通过这样方法，压力波与切变波均被记录并且因此更有用的数据将被记录并且随后被处理并用于绘制(map)亚地表。
[0004]近些年，通过收集海底的地震信号来代替使用更常用的船舶拖曳水听器进行信号记录，已做出更大的努力来改善海洋地震调查结果。
[0005]我们将在下文中描述现存的、已知的使用位于海底的地震传感器进行海洋地震数据获取的方法。基本上目前所使用的主要有两种使用地震传感器收集地震数据的方法。
[0006]第一种方法是部署集成了地震传感器的海底电缆和从该地震传感器至海平面的电和/或光架线，在该海平面处地震信号被记录。地震信号由被源船舶拖曳和部署的地震源生成。在数据记录期间，电缆一般被附着至记录船舶或者电缆部署船舶。在最近几年中，略有不同的方法已经被使用，凭借的是分离电缆部署船舶已经被记录浮标所替代，记录浮标也可为电缆提供来自柴油发电机或者位于该浮标内的电池所生成的功率。然后所记录的数据的全部或者部分经由无线电链路从该浮标传输至源船舶或者电缆部署船舶。
[0007]目前所使用的第二种方法是通过使用远程操作的载具或简单地通过将地震节点投入海中并且随后使他们慢慢下降至海底将自主地震数据记录节点部署至海底和从海底重新获得自主地震数据记录节点。在近来的实例中，船舶通过传送可触发地震节点中的每一者中的机构的信号来重新获得地震节点，触发该机构可激活其漂浮设备或从锚固重力中释放地震节点以使地震节点能够自己慢慢上浮到海平面。另一种已经被应用的使用这些节点的方法是将自主地震节点附着至弹性绳索上，投下绳索中的松弛的地震节点，然后使其下降至海底。在记录完成后，通过用绞盘拉起绳索来重新获得节点。
[0008]使用目前的方法，船舶需要部署地震节点，并且在地震数据被记录后取回节点以备进一步使用。海洋环境在变化并且由于不同的天气条件，这并不总是能被最佳安排。在典型的数据获取过程期间，地震节点被长期放置在水下，一次可以是几天、几个星期或者几个月。在放置期间，地震节点中的振荡器可能会漂移并且因此由于诸如温度变化或重力在变化的采样地震数据中产生时间误差。
[0009]此外，自主地震节点将必须在没有任何附加电池充电的情况下工作这么长时间。因此，要求地震节点非常节能。
[0010]在近海石油或天然气勘探中，地震节点及其中的部分的记录精度是至关重要的。由于在地震节点或者其任何部分的精度误差，许多可用的碳氢化合物和天然气可能不被以足够品质地绘制出。
[0011]影响记录精度的重要因素中的一者是漂移。漂移是在地震节点的振荡器涉及指定的频率的增加或减小频率的比率。虽然比率不同，但所有的振荡器都将会经历频率改变。振荡器中的漂移会引起地震节点的振荡器的频率变化，这将会导致定时误差。振荡器的频率准确度是与指定目标频率间的偏移。振荡器的频率稳定性是在一段时间内测量的振荡器频率相对于其工作频率的传播(spread)。
[0012]影响漂移和然后的记录精度的一个重要因素是温度系数，其可影响振荡器的频率响应于温度变化将漂移多少。当在源船舶的较暖和的甲板上时，地震节点的振荡器以一个频率产生信号，但是当潜入冷水中时振荡器可能以不同的的频率产生信号。振荡器的频率漂移将会对记录精度产生负面影响。
[0013]除了由温度引起的漂移，振荡器也可能被由振动、重力、供电变化和/或其它因素引起的环境变化所影响。晶体老化是影响输出频率的另一因素。在晶体振荡器中的老化是由多种电动机械机构引起的。长期稳定性通常由百万分之(ppm)中的部分来表示。15ppm表示Ims间隔中的振荡器周期可以改变15ns。短期稳定性是振荡器内噪声信号的函数并且代表振荡器输出的相位调制。短期稳定性在时间域中可以被指定为抖动，但是取决于测量间隔。
[0014]图10中示出了不同类型的振荡器之间的比较。
[0015]振荡器从开启到其输出频率达到必要的稳定性之前也需要一些时间。根据不同的准确度、稳定性和成本要求，开发出了不同类型的振荡器。基于不同温度控制方法的对温度依赖的补偿已经产生在振荡器中；温度补偿晶体振荡器“TCX0”，其使用温度补偿电路；恒温控制晶体振荡器“0CX0”，其使用恒温槽(OVEN)控制晶体温度。
[0016]在海底放置震荡节点是昂贵并且耗时的，并且气候可能限制适于数据获取的时间，并且这可能导致没有足够功率来运行包括振荡器在内的所有电子设备。此外，由于温度变化等，许多类型的振荡器将漂移，而其它的可能会使用很多功率以致其将会限制电子设备运行的天数。现有的振荡器的物理尺寸和需要的电池电源组也可能受限。如果具有电导体的海底电缆被使用，则需要在船舶上的电源，但是水可能会进入电气终端和接插件，而因此影响电缆的可用性。同样，电缆不能太长，因为太长会引起传送电压下降至不能接受的水平(电缆可有几千米长)。
[0017]US 4281403公开了一种分散式地震数据记录系统，其中位于中心站较远处的单独的记录单元被用于记录地震数据。该单元包括独立的时间计数器和用于安排以期望的间隔与由中心站发起的地震冲击同步的多个记录周期的装置。每个远程单元中的本地的时间计数器与中心站中的主时钟时间计数器中的当前值进行比较。从各个远程单元时间计数器中读取的本地累计时间计数和主时钟累计时间计数被分别记录在相应远程单元中每一者中的档案存储介质上的专门数据文件中。然后本地时钟和主时钟的累计时间的不同可以在针对远程单元中的每一者的全部记录数据文件间线性地按比例分配，从而使其与主时钟同步以及相互之间同步。
[0018]US 2005/0246137阐述了一种不需要线缆遥测或无线电遥测组件或无线电启动的用于获取地震数据的方法及系统。多个单独的无线地震数据获取单元被使用，其中单独的数据获取单元被起到数据传感器记录器和/或作为源事件记录器的作用。每一个数据获取单元以诸如排水量和时间的形式按时间记录地震数据的独立流。数据获取单元不需要与其它数据获取单元进行无线电连接，也不需要与其它接收机单元或者源开始时间的直接同步。
[0019]US 2009/0080290公开了节点式地震数据获取系统，该节点式地震数据获取系统将外部的、公用分布式时基用于系统操作的同步。该系统实施一种基于间歇接入公用远程时间基准来更正本地时钟的方法。该方法通过压控振荡器更正本地时钟以负责在环境方面引入的定时误差。该发明还提供了关于更正本地时钟中的漂移的更稳定的方法。
[0020]US 2010/0034053公开了用于获取地震数据的方法，该方法通过使用多个自主地震数据获取单元记录地震数据，其中每个获取单元包含数控温度补偿晶体振荡器。可获取与多个数控温度补偿晶体振荡器相关联的基于振荡器的定时信号，并且使用来自第一和第二自主地震数据获取单元的基于振荡器的定时信号来确定时间更正。
[0021]US 7254093公开了包括水密封外壳的地震数据收集单元或吊舱(pod)。外壳储藏其它组件，该其它组件可包括时钟、电源、控制机构及地震数据记录器。更具体地，海底地震“0BS”类型的海底地震记录器“SSR”单元包括一个或更多地震检波器和/或水听器传感器、电源、地震数据记录器、晶体振荡器时钟、控制电路，并且在万向地震检波器被使用并且切变数据被记录的实例中，进行围绕或平衡(gimbal)。
[0022]US 7558157阐明了为了从一系列独立的传感器/节点或传感器阵列中可靠地并准确地实现无误差数据，每个节点包括原子时钟。此外，中心数据接收机/处理器也包括原子时钟。每个节点传送时间标记的伪随机码。处理器将从节点传送的时间标记的伪随机码与其自身内部的时间标记的伪随机码进行比较。通过在处理器中嵌入原子时钟，与传统的不具有内部原子时钟的GPS接收机相比，可改善数据更正和/或校准。
[0023]US 8050140公开了以低截面套管(profile casing)为特点的独立的海底吊舱。吊舱可能包括确定海底位置的惯性导航系统和用于计时的铷时钟。受重力和温度影响的时钟能够引起振荡器频率中的频率偏移，从而导致地震数据中的误差。使用不易受温度和重力效应或在地海的单元的方向影响的铷时钟，将产生准确的地震数据记录。 该时钟与地震能量源的激发时间同步。
[0024]卡尔顿大学(CarletonUniversity)，系统与计算机工程，Technical ReportSCE-08-12, November 2008:"Frequency Accuracy&StabiIity Dependencies of CrystalOscillators"， 作者:Hui Zhou，Charles Nichollsj Thomas Kunzj Howard SchwartzCardinal Components Inc.Applicat1ns Brief N0.A.N.1006:^Clock OscillatorStability'
[0025]此外，使用更好和更可靠的地震节点及由这些地震节点构成的网格或阵列，地震节点可以在水中停留更长持续时间并且需要更少的维修。这将为操作提供更多的灵活性并且也将减少开支。
[0026]对低电池电量消耗的需要和合适的频率漂移处理仍然是对于大部分地震节点系统操作的主要挑战。这些问题限制了地震节点在电缆勘测不是操作理由的选项的区域(例如平台附近或者深水中)中的应用，。
[0027]由于上述提及的操作难点，地震节点已经被证明很难操作。
[0028]上述的数据获取方法对于长期勘测可能不是可行的方案。这些系统的效率太低并且可能间或提供不准确的数据。
【发明内容】
[0029]本发明考虑补救或者至少减缓上文描述的现有技术的问题。
[0030]在第一方面，本发明提供一种地震节点设备，该地震节点设备包括初级振荡器及基准振荡器，处理器，该处理器基于所述基准振荡器提供的频率，使用频率校准值控制所述初级振荡器的频率校准，并且其中所述处理器重复计算所述频率校准值。
[0031]基准振荡器“RF”可以是原子时钟或者恒温控制晶体振荡器(OCXO)。在本发明中，所述RF可以生成与所述初级振荡器相同的输出频率，所述初级振荡器可以是温度补偿晶体振荡器“TCX0”，或者任意高质量的振荡器。输出频率可以被用于与模数转换器连接。一般而言，原子时钟或者OCXO比TCXO消耗更多功率，但是当受到环境温度变化和/或重力效应影响时，原子时钟通常更稳定。用在本发明中的RF可以仅使用约10mW或更少的功率。在本发明中被用作初级振荡器的所述TCXO可仅使用约8-12mW或更少功率，但是其将提供不准确的频率而导致对地震数据的不准确采样。通常，振荡器越准确，其所使用的功率越多。在本发明中，RF单元可以被选择与地震节点中的TXCO单元一起工作，以20-50mW或更少的平均功率消耗的最佳的功率效率提供来自海底的高精度数据。
[0032]在第二方面，本发明提供一种用于校准初级振荡器频率的方法，其中所述方法包括基于基准振荡器的频率计算针对振荡器的频率的频率校准值，并且其中所述频率校准值按预先确定的时间间隔被重复计算。
[0033]在第三方面，本发明提供一种用于初级振荡器的漂移校准方法。所述方法包括基于基准振荡器的频率计算针对初级振荡器的频率的频率校准值，使用所述频率校准值校准初级振荡器的频率，其中频率校准值按预先确定的时间间隔被重复计算，并且其中根据整体系统时间准确度的要求，开始和停止信号以预先确定的时间间隔的更长或更短的周期被发送至基准振荡器。
[0034]在本发明的实施方式中，地震数据获取系统包括多个自主地震节点，所述自主地震节点中的至少一者包括初级振荡器和生成基准频率的基准振荡器、用于探测环境温度的温度传感器、用于探测振荡器的移动的惯性传感器、存储用数字记录的由一个或多个水听器和/或一个或多个地震检波器生成的地震数据的存储器、以及为系统提供功率的电源，其中处理器基于来自所述温度传感器、所述惯性传感器的输入及所述基准频率的计算校准因子，并且其中所述处理器按预先确定的时间间隔使用所述校准因子重复计算和校准所述初级振荡器，以最佳的功率效率提供来自海底的高精度数据读取。
[0035]在本发明的另一实施方式中，计算机设备包括记录设备和校准模块。所述校准模块具有由计算机设备执行的指令。所述指令包括以下逻辑:接收来自环境传感器的环境数据并且决定预先确定的程序，比较初级振荡器的频率和基准振荡器的频率，基于对接收数据的比较计算校准因子，其中计算设备被配置以按预先确定的时间间隔使用所述校准因子重复校准初级振荡器的频率，并且这被用以实现具有最佳的功率效率的高精度数据读取。
[0036]在本发明的一方面，在地震节点部署期间及重新取回期间，基准振荡器持续运行。所述基准振荡器在海底的节点已变得平稳的并且所述温度传感器指示所述环境和/或所述内部温度已经稳定之后首先被停止。在被部署前所述基准振荡器将对照船上的船舶主时钟被校准并且同步，并且如果有必要在所述地震节点已被重新获得至船上后，所述基准振荡器将对照所述船舶主时钟被校准。所述基准振荡器可以是原子的或其它任意的高品质振荡器。
[0037]在本发明的实施方式中，消耗更少功率的初级振荡器被置于基准振荡器的之外。在预先确定的时间之后，所述基准振荡器被开启并且使用所述基准振荡器的频率执行对所述初级振荡器频率的调节/更正或者校准。随着时间流逝所述初级振荡器可能具有相对显著的频率漂移，但是只要其被经常更正或者校准，随着时间流逝所述初级振荡器频率将是稳定的并且提供准确的读取。所述基准振荡器可以使用电源开关接收来自电源的功率。所述电源可以是内部电池或者外部电源。由于所述基准振荡器的智能开启和停止，根据本发明的振荡器设备以高功率效率运行。
[0038]如果环境或内部传感器寄存了在两个预置校准点间的节点中的任意移动或者环境或内部温度变化，则所述处理器被程控以执行附加校准。基于由勘测参数确定的公式，所述系统可以同时运行基准振荡器和初级振荡器，这用于检查在常规检查点之间的频率变化。
[0039]如果所述系统寄存了所述基准振荡器和所述初级振荡器之间的近乎不可接受的频率差，并且在下一校准点寄存了相同或更大的变化，则两个振荡器将被并行运行直至记录准确度可接受。
[0040]当所述初级振荡器的校准检查指示不需要时常运行校准检查时，则可以通过预先确定的程序增加校准检查间隔。如果对立面发生并且时间或者频率漂移比可接受的更大，校准间隔可以被设定得更长。
[0041]在本发明的一方面，无线节点将执行频率控制以使所述初级振荡器的频率与所述基准振荡器的频率同步。所述无线节点包括用于测量所述初级振荡器和所述基准振荡器之间的频率误差的频率误差测量装置。与频率误差测量装置相关联的用于计算校准因子的计算装置是基于来自所述基准振荡器的输入并且生成被重复发送至初级振荡器的模拟控制信号。
[0042]在本发明的一方面，所述基准振荡器在部署期间持续震荡并且在所述海底节点已变平稳的并且所述温度传感器指示所述环境和/或所述内部温度已经稳定之后首先被停止。所述节点使用无线接入点接收指令并且可以与中央主时钟通信。
[0043]在本发明的一方面，所述基准振荡器可以在从海底重新获得节点的过程期间持续运行。在该活动期间，所述初级振荡器可能受节点移动和/或温度变化影响。
[0044]在本发明的另一方面，所述频率校准值的计算和校准在控制船舶的甲板上被程控，并且基于水深、水中的声速、海底条件以及取决于在获得地震中的预期可能延迟或或者其它任何操作条件被计算。
[0045]由于如所描述的，基准振荡器与初级振荡器一起使用使得能够更准确的绘制并且一旦其被部署则地震节点能更在水下停留更长，所以本发明将克服现有系统中固有的许多限制。新的水下地震传感器节点基于自适应校准方法提供准确的定时，其中先前数据将被用于计算。
[0046]所提出的新的装置将很好的适用于引导在任意水深的OBS勘测，并且与用于地震数据获取的现有系统相比这种装置的使用将显著降低成本。
【附图说明】
[0047]现在将参考以下附图描述本发明的示例实施方式，其中:
[0048]图1示出了根据本发明实施方式的地震节点装置的框图。
[0049]图2示出了根据本发明实施方式的包括多个地震节点的数据获取系统的框图。
[0050]图3示出了根据本发明实施方式的具有被部署在海底的多个地震节点的数据获取及拖曳地震源以生成地震信号的船舶。
[0051]图4、5和6示出了通过程控序列以使在一定时间使用基准振荡器的节点交替来节约功率的方法。
[0052]图7示出了数据获取方法，其中仅包含初级振荡器的一个或多个低功率地震节点位于具有初级振荡器和基准振荡器的地震节点之间。
[0053]图8a和b示出了更正如何被应用。
[0054]图9a和b不出了振汤器漂移。
[0055]图10示出了根据2008年11月卡尔顿大学的论文的振荡器之间的比较。
[0056]图11示出了根据本发明实施方式的地震节点装置的可替换框图。
【具体实施方式】
[0057]将参考附图描述示例性实施方式。在所有附图中以及贯穿说明书，相同的附图标记被用于相同的或相似的特征。
[0058]图1示出了地震节点装置的框图。图1的描述包括对自主地震节点100的一般描述，该自主地震节点100包括初级振荡器106及基准振荡器104及实施方式可以实施的计算环境。
[0059]可用电脑、大型计算机或者包括具有服务器的工作站的结合来实践多种实施方式。程序模块包括用于执行任务、处理数据及记录和显示信息的例程、程序、对象、组件及数据结构。
[0060]实施方式可以用单独的或者与地震节点相结合的各种系统配置来实践，或者自主地震节点可以包括手持设备、多处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费电子设备、网络计算机、小型计算机、大型计算机等。实施方式可用在分布式计算环境中和在其上执行的任务来实践，分布式计算环境包括通过通信网络链接的远程处理设备。程控模块、处理器、分布式计算环境中的操作可以被置于多种存储位置(对于地震节点是本地的/内部的和远程的)。
[0061]地震节点100可以具有一个或多个诸如地震检波器、水听器或者与电子设备(诸如用于滤波、对记录的数据进行数字化和存储数据的硬件、处理器和电源)相关联的加速计。这里，其被标记为118的方框所涵盖。
[0062]地震节点100还包括在需要时用于打开或关闭基准振荡器的电源开关102。能量源为地震节点100提供功率。进一步地，地震节点100包括处理器112，该处理器112与将包括指令的内部系统存储器耦合。系统存储器可以被附着至系统总线，该系统总线可操作地将各种系统组件耦合至处理器112或者它们内部。系统总线可以是使用公知的各种总线架构的若干类型的总线结构中的任意总线结构。单独的专用模数转换器110也与用于频率校准的计算环境相关联。
[0063]虽然单个处理器112在图1中被示出，但是可以具有单个的中央处理单元(CPU)和/或数字信号处理器(DSP)或者二者或者多个处理单元。FPGA、ASIC或者相似的设备也可以被用作处理单元。自主地震节点100可以是单独的设备、分布式设备，或者可用作单独的计算/数据获取设备。
[0064]系统存储器可以是任意类型的物理存储器，可以包括具有基本输入/输出系统(B1S)的只读存储器，其包括有助于在在自主地震节点100内的元件之间传递信息的基本例程(例如在开启期间)。自主地震节点100的系统存储器还可以包括随机存取存储器(RAM)，其可以包括操作系统“OS”、应用程序和地震节点。
[0065]多种数据输入和输出设备可以通过内部/外部接口被连接至处理器112。
[0066]地震节点100还可以包括一个或多个用于监控组件和环境条件的传感器。一种类型可以是惯性传感器114，其能够感测在海底的地震节点100的以倾斜、旋转及滚动类型的相对运动的任何移动或者相对运动。进一步地，另一种环境传感器可以是温度传感器116，其以信号的形式将海洋环境的温度值发送至位于地震节点100内的处理器112。
[0067]然而用作初级振荡器106的单独的TCXO具有可变的时间漂流，初级振荡器106的每个时间漂流可能或可能不是相当地一致，这可能导致提交给地震数据文件的数据读取非常不准确。这种不一致用作使用基准振荡器104的基础，其按预先确定的间隔和/或自适应地确定用于校准初级振荡器106的频率的频率校准值。基准振荡器可以是原子类型或者其它尚品质的振荡器。
[0068]在一种实施方式中，一些单独的振荡器可以由两个相互作用的振荡器组成。
[0069]时间的基本单元秒被定义为“在铯(cesium)原子内9，192，631，770个转变周期的持续时间”。因此，时钟的定义可以是用于计算从开启时间起振荡器的循环或周期的数目的设备。因为我们计算振荡器周期的数目，如果初级振荡器频率随着时间改变/漂移，我们将引入时间误差。由于地震节点记录地震数据的采样，频率漂移可能引起地震数据的记录误差和随后的地震数据处理误差。
[0070]可用于地震节点的振荡器将具有由其结构和/或环境条件引起的漂移。
[0071]并且由于最准确的振荡器可能比较不准确的振荡器使用更多功率，本发明将同时解决功率消耗的问题和对数据准确度的要求。
[0072]基准振荡器104基于一组预先确定的参数120在固定的或者自适应计算的时间周期后重复生成信号并且使用系统总线将信号传送至频率控制器108。初级振荡器106也将其当前生成的频率传送至频率控制器108。来自基准振荡器104和处理器112的信号与从初级振荡器106接收的频率进行比较，并且用于更正/校准的数字信号被发送至专用数模转换器110。转换器110将模拟控制信号发送至初级振荡器106以校准初级振荡器106的频率。
[0073]每个校准点的频率误差和校准值可以被存储在存储器中以用于处理分析中可能的应用。
[0074]基准振荡器104可以是原子时钟；芯片级原子时钟“AT”。AT将具有和来自OCXO或者TCXO的相同的输出/频率。例如，AT单元可以用作具有在地震节点100中作为初级振荡器106的TCXO单元的基准振荡器，以用最佳的功率效率从海底提供高精度数据读取。
[0075]本发明用较少的功率工作，其将降低电池成本和关联外围设备(诸如用于电池再充电、存储和处理的设备)的的成本。地震节点100中的电池代表主要的消耗，并且在典型的获取网格中传感器节点的数目将增加。因此，较准确的基准振荡器和具有较小精度的功率效率TCXO的组合将使系统消耗更少的电池功率。
[0076]本系统可以提供来自环境效应的较小影响。
[0077]图2示出了数据获取系统200的示例性实施方式。数据获取系统200包括被指定为100a、100b、100c、10cU 100e、100f等的多个地震节点100以及中央主时钟202。每个地震节点100包括初级振荡器106、基准振荡器104和传感器，该传感器与图1示出的惯性传感器114和温度传感器116类似。每个地震节点100通过硬线、无线无线电传输、TCP网际协议或者其它任意形式的有线或无线数据传输将信号数据流传送至具有主时钟202的中央计算机。
[0078]地震节点100是自主的，它们全部是具有地震检波器、水听器、存储器单元、数字化硬件、初级振荡器及基准振荡器的完整的单元，该基准振荡器与随后将收集数据的源船舶或轮船上的中央主时钟202同步。
[0079]中央主时钟202可以具有中央数据接收机和中央处理器，其接收来自地震节点100的数据流并且根据它们各自相应地采样来组织数据流。通过使用在地震节点100之内的AT，与不具有AT的传统的地震节点相比，数据更正和/或校准被改善。
[0080]在本发明中，在地震节点100中，作为基准振荡器104的AT与初级振荡器106 —起被使用。在地震节点100中的每一者处使用AT允许在不同地震节点100以及中央主时钟202中的数据的简单相关。
[0081]图3示出了在水下地震节点如何部署以及地震信号是如何从船舶上生成地震信号并且由地震节点接收。在海洋石油探测应用中，地球物理学传感器或者地震节点100的网格被置于海底306以帮助确定碳氢化合物可能位于的位置。地震节点100可以通过船舶一侧投下或者由远程操作的载具放下。在本发明的一方面，地震节点100可以部署为在海底电缆(OBS)中的自主节或独立地部署。每一个地震节点100通常包括水听器、一个或多个地震检波器、记录单元和用于存储记录的数据的存储单元。
[0082]通过诸如传统的气枪阵列，标准的地震源船舶302能用于生成地震信号。源船舶302按照允许能量源从相对地震节点100的网格的多个不同位置引发的图样移动。一些地震能量被海床306反射回海平面304，剩余的地震能量穿透海床306，穿过地质层308传播，到达诸如潜在的储油岩石310。最后，地震能量反射回海底306的地震节点100，在该处地震能量被被检测到。在船舶302完成了其预先确定的勘测操作后，地震节点100被重新取回。由于地震波在不同的材料中以不同的速度传播，它通过各种岩石层反射回地震节点100所花费的时间取决于地震波传播所经的材料。当记录数据被处理后，它产生一个位于海底306之下的岩石沉积层中的层的地图，并可示出可能保有碳氢化合物沉淀的位置。对地震节点100的读取越精确，地图能越准确地预测碳氢化合物沉淀的存在。
[0083]地震节点100可形成停留在海底的专用阵列，并被用于数据获取。由于与建立勘测线路或放置地震节点100相关联的复杂性，根据水深、温度水平和其它环境和地质因素来使用不同的现场设备。
[0084]多种地震源(包括水枪，空气枪，电火花器和轰鸣器)可用于海洋应用。
[0085]在数据获取期间，环境噪声可能会被记录。由于本发明以自主模式记录地震数据，为了质量控制的目的，噪声会和到船舶中的一者的实时数据传递一起被单独的数据获取系统记录。一些针对环境噪声记录的选项是可行的。一种选项用由源船舶302拖曳的短地震流转化器(streamer)来记录数据。典型地，流转化器装备有感测环境噪声的水听器。数据通过流转化器传递到位于船舶302上的记录系统。然后在船舶302上，执行对数据的分析。数据可以通过 导入电缆传递至记录浮标，然后通过无线电传递至船舶中的一者以用于分析。可替换地，水听器可以被安装在导入电缆上，并且不考虑地震检波器。
[0086]图4、5和6示出了另一种方法，该方法可以是预程控以在按顺序用打开的基准滤波器运行的节点(图4中的节点10a和10f)间交替，同时其他节点受初级振荡器控制。采样显示一排上每个第5节点是开启的。
[0087]在下一个预编程的序列(图5)期间，由基准振荡器控制的节点移位到该排的下一个。仍然是每个第5振荡器开启，但现在是具有开启的基准振荡器的节点的另一种设置(标示为 10b 和 10g) ο
[0088]在图6示出了开启的基准节点(100c和10h)的另一种序列。通过这种方法可以进一步减小功率损耗，而准确度仍然保持在预先确定的范围内。由于在序列中具有最尚功率消耗的所有节点将被移位，但同时最准确的频率振荡器会开启，因此所有的节点随着时间将具有相同的低功率消耗。当基准振荡器打开时，在下一序列期间，用较低准确度振荡器的节点操作将针对任何漂移被更正。
[0089]图7示出了一种海底地震勘测的数据获取方法，其中，只包含初级振荡器的一个或多个低功率地震节点(i)位于海底(k)并处于包含初级振荡器和基准振荡器的地震节点U)之间。在后勘测数据处理过程中，可实现对地震节点α)记录的地震数据的改进定时，这可通过将在地震节点(j)处的直接的或反射的地震波到达(Tland T2)的不同到达时间用于调整中间节点(i)处记录的地震数据来实现。
[0090]图8a示出了初级振荡器的漂移相对于时间的函数，并且其中更正被应用到指定频率fo。
[0091]图Sb示出了更正，其中通过进行频率调整至指定频率之下来补偿漂移，这可实现减少与指定频率fo间的偏差。
[0092]图9a示出了初级振荡器频率被更正以在fo周围变化的情况。由于初级振荡器频率被对照基准振荡器校准，如图9b所示，当该频率在勘探结束时被对照船舶的主时钟进行检查时，可以确定基准振荡器频率也示出了等于fd = fs - fo的漂移。船舶上的数据系统被装备以按照计算的频率漂移曲线对所有记录的数据进行更正
[0093]图10示出了振荡器之间的比较。
[0094]图11示出了一个图1的框图的可替换实施方式。在图11中，具有内置的锁相回路的频率控制器130替换了图1中示出的频率控制器108和数模转换器110。图11中示出的其他组件可参考图1相关的解释说明。
[0095]在图11的实施方式中，基准振荡器104基于一组预先确定的参数120在固定的或自适应计算的时段后重复生成时钟信号，并且将该时钟信号传送至频率控制器130。初级振荡器106持续不断地将时钟信号传送至频率控制器130。来自基准振荡器104和初级振荡器106的时钟信号在频率控制器130中被比较，并且更正被计算出来并且被应用至锁相回路。然后来自锁相回路的输出被馈送至处理器112。
[0096]本发明公开的地震数据获取系统特别适合在任何水深进行OBS勘测，并且与现有技术相比，使用本发明可以显著降低数据获取成本。
[0097]本发明当然不以任何方式受限于上文描述的实施方式。相反，在不背离本发明的基本构思(诸如权利要求书所界定的)情况下，众多对进行修改的可能性对于本领域人员是显而易见的。进一步地，可预见的是，一些基础的新颖性原则可以是独立保护的主题(如分案申请)而不限于地震领域。例如，这涉及到校准振荡器以节约功率。所定义的振荡器的频率，不用于对申请领域进行任何限制，和/或用于漂移校准的基本校准方法的使用，其中为了系统时间的准确度，开启和停止信号以预先确定的时间间隔的更长周期被发送至基准振荡器的时钟。
【主权项】
1.一种地震节点(100)，该地震节点(100)包括: -至少一个与电子设备相关联的地震传感器， -用于对传感器信号进行定时的初级振荡器(106)， -存储器， -电源， 其中所述地震节点的特征在于: -基准振荡器(104)，所述基准振荡器(104)可以是原子类型或者其它高品质振荡器， -开关(102)，用于打开和关闭所述基准振荡器；以及 -处理器(112)，该处理器(112)用于接收传感器信号并将所述传感器信号存储在存储器中，基于所述基准振荡器(104)的频率校准所述初级振荡器(106)的频率，并且打开和关闭所述基准振荡器(104)。2.根据权利要求1所述的地震节点，其中，所述基准振荡器(104)被置于所述初级振荡器之外。3.根据权利要求1所述的地震节点，其中，所述处理器在一时间间隔后校准所述初级振荡器(106)的所述频率。4.根据权利要求1所述的地震节点，其中，所述初级振荡器(106)的所述频率误差及所述校准数据被存储在存储器中。5.根据权利要求1所述的地震节点，其中，所述处理器根据预先确定的用于优化与整个系统准确度要求有关的功率消耗的算法打开或关闭所述基准振荡器。6.根据权利要求1所述的地震节点，所述地震节点还包括用于监控环境条件的至少一个传感器。7.根据权利要求1所述的地震节点，所述地震节点还包括用于监控所述地震节点的移动的至少一个传感器。8.根据权利要求1所述的地震节点，所述地震节点还包括数模转换器(110)，该数模转换器(110)被配置成接收数字信号并且可操作的生成模拟信号以应用至所述初级振荡器(106)ο9.根据权利要求1所述的地震节点，其中，基于所述基准振荡器(104)的所述频率校准所述初级振荡器(106)的频率以及打开和关闭所述基准振荡器是由使用锁相回路的频率控制器(130)执行的。10.根据权利要求1所述的地震节点，所述地震节点还包括用于与所述处理器进行外部通信的无线接入点。11.一种用于校准地震节点(100)的初级振荡器(106)的振荡频率的方法，该方法的特征在于以下步骤: -打开基准振荡器，所述基准振荡器可以是原子类型或者其它的高品质振荡器， -基于所述基准振荡器的所述频率，稳定所述初级振荡器(106)的所述频率，计算用于校准所述初级振荡器(106)的所述频率的频率校准值， -基于所述频率校准值，调整所述初级振荡器的所述频率， -关闭所述基准振荡器，以及 -在一时间间隔后，重复以上步骤。12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述基准振荡器由外部信号打开或关闭。13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述外部信号从中央控制系统发送。14.根据权利要求11所述的方法，其中，至所述基准振荡器(104)的开启和关闭信号的所述时间间隔是由关于与整个系统时间准确度有关的最佳功率消耗的算法预先确定的。15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述时间间隔基于备用天气的预期等级被确定。16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述时间间隔基于与在所述地震节点的位置处的环境和/或地质有关的信息被确定。17.根据权利要求11所述的方法，其中，如果所述地震节点正被部署在海底，在部署期间所述基准振荡器被打开，并且在所述地震节点在海底停止移动并且由所述地震节点的传感器测量的内部和/或外部的温度已经稳定后，所述基准振荡器被关闭。18.根据权利要求11所述的方法，其中，如果所述地震节点正被从所述海底重新获得，在该操作期间所述基准振荡器(104)能够被打开。19.根据权利要求11所述的方法，其中，如果所述地震节点的传感器感测到所述地震节点的移动或者内部或外部温度改变，对所述初级振荡器的所述振荡频率的校准被执行。20.根据权利要求11所述的方法，其中，在对所述初级振荡器的校准之间的全部或部分所述时间间隔中，所述初级振荡器和所述基准振荡器同步运行，频率差被寄存，并且基于所述频率差，针对以下作出决策:是否继续同步运行所述初级振荡器和所述基准振荡器；是否保持、减少或增加校准之间的所述时间间隔；或者是否执行校准。21.根据权利要求11所述的方法，其中，所述地震节点是停留在所述海底的地震节点阵列的一部分并且被用于数据获取，在所述阵列中的每个地震节点是一组地震节点的一部分，至少有两组地震节点，其中针对每一组中的所述地震节点的所述基准振荡器在针对其他组中的所述地震节点的所述基准振荡器被关闭时继而被打开。
【专利摘要】本发明涉及一种地震节点(100)，该地震节点(100)包括至少一个与电子设备关联的地震传感器、用于对传感器信号进行定时的初级振荡器(106)、基准振荡器(104)、存储器、电源、用于打开和关闭基准振荡器的开关(102)、以及处理器(112)，该处理器(112)用于数字化传感器信号并将其存储在存储器中、基于所述基准振荡器(104)的频率校准所述初级振荡器(106)的频率、以及打开和关闭所述基准。
【IPC分类】G01V13/00, G01V1/16
【公开号】CN104903747
【申请号】CN201380043769
【发明人】J·B·噶特曼, N·P·噶特曼
【申请人】马格塞斯公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年7月30日
【公告号】CA2881821A1, EP2888607A1, US20150219790, WO2014027892A1
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