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专利名称：用于双传感器海洋地震拖缆的传感器分组及地震勘测方法
技术领域：
本发明总体上涉及海洋地震勘测系统领域。更具体地，本发明涉及海洋地震拖缆 中具有质点运动传感器和压力传感器的传感器组的结构。
背景技术：
本领域公知的海洋地震勘测系统包括传感器电缆，其被称为“拖缆(streamer) ”， 在水体中牵引所述拖缆以获得由水中一个或多个地震能量源以所选时间致动而产生的地 震信号。拖缆包括沿着该拖缆以间隔开的位置安排的多个地震传感器。典型地，以多个间 隔开的组或“阵列”来布置所述传感器，其中在每个这样的组或阵列中所选数目的传感器以 相对靠近的间隔(例如0.7米)安排，并且以某一方式组合来自组中所有传感器的信号以 生成单个传感器信号的等同物。传感器组可以被相对较长的间隔(例如12. 5米)彼此分 开以便提供来自沿着该拖缆以间隔开的位置安排的多个单独传感器的信号的等同物。上面 解释的传感器分组和信号组合被用来降低由地震传感器检测的信号中某些类型的噪声。本领域中公知的被称为“双传感器”拖缆的一种地震拖缆包括在基本上并置的组 中安排的质点运动响应传感器(例如地震检波器)和压力或压力时间梯度响应传感器(例 如水中地震检波器(hydrophone)) 二者。在授予Tenghamn等人且与本发明一起被共同拥 有的美国专利No. 7，239，577中公开了这种拖缆的一个示例。在前述专利中详细描述了这 种双传感器拖缆的特定使用。本领域中公知，在具有质点运动传感器的地震拖缆(包括双传感器拖缆)中，该质 点运动传感器容易受到由水中拖缆的移动而生成的噪声的影响。在授予Vaage等人且与本 发明一起被共同拥有的美国专利No. 7，359，283中描述了一种考虑这种噪声的用于处理传 感器地震拖缆信号的技术。在前述专利中所描述的方法包括使用来自压力响应传感器的信 号来合成低频(例如大约20Hz以下)质点运动信号；以及将所合成的低频分量添加到由该 质点运动传感器在所合成的信号频率界限以上进行的测量。实际上在这种方法中没有使用 由该质点运动传感器在合成频率界限以下测量的质点运动信号。结果，可能不能获得潜在 有价值的低频质点运动信息。一种降低由运动传感器检测的信号中的地震频带的较低部分中的噪声的方法是 使用单个传感器测量。为此，有必要具有优选地在组长度上等距的相对较密集隔开的传感 器。这样的传感器布置因为沿着拖缆的功耗限制以及处理大量传感器数据中的限制而不可 行。仍存在对包括质点运动传感器的地震拖缆的改进结构和信号处理技术的需要，其 可以衰减质点运动传感器信号中的运动感应噪声的影响。

发明内容
根据本发明的一方面的用于海洋地震勘测的方法包括在水体中牵引拖缆。所述拖 缆包括多个间隔开的传感器组，每个所述传感器组包括多个在纵向上间隔开的压力传感器和质点运动响应传感器。响应于地震能量源的致动在每个传感器处检测信号。组合在每个 组中所选频率以上的所采样的运动信号的分量以生成相应的组运动信号。所选频率以下的 运动响应信号的分量被速度滤波。将经过速度滤波的信号与组运动信号组合以生成对应于 每个传感器组的全带宽运动响应信号。根据下面的描述和所附权利要求，本发明的其它方面和优点将显而易见。


图1示出牵引根据本发明的示例拖缆的地震勘测船的示例。图2示出图1所示的拖缆的示例传感器组。图3示出使用具有如图2所示的传感器组的在图1中示出的拖缆的示例信号处理 方法的流程图。
具体实施例方式在图1中示意性示出示例地震采集系统。该系统包括沿着诸如湖或大海之类的水 体11的表面移动的地震勘测船10。该地震勘测船10可以包括在其上通常以12示出并且 为方便起见被称为“记录系统”的仪器，除了别的功能之外，所述仪器包括用于确定船10 的测地位置、用于控制一个或多个地震能量源14 (下面进一步解释)的致动、以及用于检测 并进行由沿着一个或多个地震传感器拖缆16以间隔开的位置安排的地震传感器检测的信 号的时间索引记录的设备(未单独示出)。该记录系统12可以包括通用可编程计算机(未 单独示出)，其用于根据下面将进一步解释的技术来处理信号。拖缆16可以由地震勘测船10或另一个船(未示出)牵引。为了清楚地说明，在 图1中仅示出一个拖缆16，但是本领域技术人员将会认识到多个这样的拖缆通常将由勘测 船10或由另一个船使用某一牵引仪器(未示出)牵引以保持拖缆处于相对于彼此且相对 于牵引船(例如勘测船10)的中心线的所选横向位置。一个或多个地震能量源14可以由地震勘测船10或由另一个船(未示出)牵引。 一个或多个地震能量源14可以是空气枪(air gun)、水枪(water gun)、海洋振动器或这种 设备的阵列。一个或多个地震能量源14在所选时间被致动并且来自其的能量通常向下行 进通过水11 (如在20A和21A处示出的那样)直到它到达水底部22以及水底部22下面的 地层23、25中的一个或多个声阻抗边界24为止。所反射的地震能量通常向上行进(在20B 和21B处示出)并且由拖缆16中的地震传感器(下面参考图2解释)检测。在本示例中， 地震传感器可以被安排在多个纵向间隔开的传感器组18中。记录系统12可以记录通常相 对于一个或多个地震能量源14的致动时间而索引的所检测到的地震信号。图2示出地震传感器组18的示例。该地震传感器组18可以包括多个彼此以所选 间隔(例如0.5米)安排的个体压力响应或压力时间梯度响应传感器31以形成压力响应 或压力时间梯度响应传感器组30 ( “压力传感器组”)。压力传感器组30中的个体传感器 31 ( “压力传感器”)可以是例如响应于压力或压力时间梯度而生成电或光信号的水中地震 检波器。在一些示例中，来自压力传感器组30中的个体压力传感器31的信号可以通过电或 光连接个体压力传感器31的信号输出而被组合，以使得该压力传感器组30有效地生成可 以被传送到记录系统(图1中的12)的一个压力响应信号。来自压力传感器组30的压力响应信号可以以模拟形式传送或者可以使用模拟到数字转换器(未示出)在沿着拖缆(图 1中的16)的某一位置(未示出)处被数字化。在一些示例中，在每个压力传感器组30中 可能存在十六个压力传感器31，但是每个压力传感器组中的压力传感器的精确数目不是本 发明的范围的限制。传感器组18还可以包括多个间隔开的质点运动响应传感器33，它们共同形成质 点运动响应传感器组32( “运动传感器组”)。该质点运动响应传感器33( “运动传感器”) 可以是地震检波器、速度计、加速计或本领域中公知的任何其它质点运动敏感设备。运动传 感器可以是1、2或3轴传感器。运动传感器33可以被布置成使得该运动传感器组32的纵 向中心近似与压力传感器组30的纵向中心并置。在本示例中，在运动传感器组32中可以 存在三十个或更多运动传感器33。在本示例中，运动传感器33可以是三轴微机电系统(“MEMS”)加速计。可以在一 些示例中使用的MEMS加速计的一个非限制性示例是由恩斯赫德(ENSCHEDE)的7521 PR, Pantheon，6a的XSENS按型号表示MTi售出的。MEMS加速计的另一个非限制性示例是由马 萨诸塞州02062的诺伍德的第三技术大道的Analog Devices有限公司按型号表示ADXL50 售出的。这样的加速计具有响应于沿着三个通常正交的方向中的每一个的加速的检测元 件。该运动传感器33可以生成与沿着每个检测元件的敏感轴施加的加速量有关的电或光 信号。将诸如MEMS加速计之类的设备用作运动传感器33的可能益处是它们的小尺寸、重 量和电功耗使得有可能在运动传感器组31中使用相对大量的运动传感器33。在本示例中， 运动传感器33可以彼此基本上均勻地间隔开，包括在沿着拖缆(图1中的16)的相邻传感 器组18之间。使用每个运动传感器组31中相对大量的运动传感器33并且前述均勻间隔 有可能进行将在下文中进一步解释的某些类型的信号处理。运动传感器组32可以在接近运动传感器组32的便利位置处具有与其相关联的信 号处理单元36 (例如混合的信号数字信号处理器)。该信号处理单元36可以包括实现单独 检测并且处理来自每个运动传感器33中的每个检测元件(未单独示出)和模拟到数字转 换电路(未单独示出)的信号的内部多路复用器(未单独示出)。该信号处理单元36还可 以被编程为根据来自每个运动传感器33中的每个检测元件的信号来计算每个运动传感器 33的运动波场的垂直分量和每个运动传感器33的总运动波场中的任一项或二者。有可能 使用所述加速计来计算运动波场的垂直分量，因为存在两个或三个正交检测元件，从而有 可能确定每个检测元件检测到的由地球重力产生的加速度的分量。由此可以确定每个运动 传感器33的重力取向，从而实现运动波场的垂直分量的分解。从信号处理单元36输出的 信号可以被传导到记录系统(图1中的12)以用于将进一步解释的处理。典型地，诸如在图1中的16处所示的拖缆在牵引船之后延伸几千米，并且可以包 括诸如上面解释的几百个或更多传感器组(图2中的18)。因为在典型的拖缆中存在结果 产生的非常大数目的个体地震传感器，所以在根据本发明的示例信号处理技术中，可以处 理来自个体运动传感器(图2中的33)的信号以降低被传送到记录系统(图1中的12)的 信号数据的量，并且同时处理来自个体运动传感器(图2中的33)的信号以使得可以衰减 来自其的运动感应噪声。所述运动感应噪声的衰减可以实现根据运动传感器信号来确定低 频地震信号分量。在本描述中使用的术语“低频”和“高频”分别意指低于和高于所选频率 阈值的频率，在来自运动传感器(图2中的33)信号中存在低于所选频率阈值的可观的运动感应噪声。在本文的背景技术部分参考的Vaage等人的‘283专利中解释这样的频率阈 值，并且其通常在20Hz到30Hz的范围内。图3示出根据本发明的示例信号检测和处理技术的流程图。在40处，信号处理单 元(图2中的36)可以数字化且以与所感兴趣的地震频率范围中的最高频率有关的采样率 采样在每个运动传感器(图2中的33)中的每个感测元件的信号输出。例如，对于IOOHz 到200Hz的地震频率上限，这样的采样率可以是200到400Hz。在42处，可以使用上文所解 释的所选频率阈值来将数字采样的运动传感器信号分成低频分量信号和高频分量信号。来 自每个运动传感器组(图2中的32)中的所有运动传感器(图2中的33)的高频分量信号 可以被组合、相加或求和以生成单个组运动传感器信号。组运动传感器信号可以是运动波 场的垂直分量、求和的垂直和横测线(crossline)分量，或者可以是如上文所解释的总运 动波场。可以在信号处理单元(图2的36)中执行前述任一运动波场的计算。由此可以以 所选的数字采样率来将如此确定的组运动信号传送给记录系统(图1中的12)。在44处，来自每个个体运动传感器(图2中的33)的低频分量信号可以被传送到 记录系统(图1中的12)。在一个示例中，这样的传送可以处于与阈值频率有关的较低采样 率。例如，如果阈值频率是20Hz，则可以以40Hz的采样率将个体运动传感器信号的低频分 量传送到记录系统(图1中的12)。这样的较低频率传送可以保存用于其它信号(例如高 频分量信号)的拖缆遥测能力。可以将在记录单元(图1中的12)中完成的信号记录用作信号输入来如下文所解 释的那样在记录系统(图1中的12)中的计算机上、或在另一个可编程计算机(其可以位 于任何地方)上进一步处理被传送到记录系统(图1中的12)的前述信号。在46处，个体运动传感器信号的低频分量可以被速度滤波。这样的速度滤波可以 是例如频率-波数(f_k)滤波，或倾斜叠加(tau-p)滤波。速度滤波的速度阈值可以被选 择以从信号排除具有比水中的声速(大约每秒1500米)更低速度的任何分量。预期运动 感应噪声具有比水中的声速更低的速度。通过使用相对大量的运动传感器(图2中的33) 以及它们之间基本上均勻的间隔来使得速度滤波切实可行。在48处，然后求和来自每个运动传感器组(图1中的32)的经过速度滤波的低频 分量信号。然后将经过求和的来自每个组的低频分量信号与来自相同运动传感器组的高频 分量信号求和以产生每个运动传感器组的全带宽运动传感器信号。相对来说，该全带宽运 动传感器信号可以无运动感应噪声。在50处，可以以本领域中公知的任何方式将来自每个运动传感器组的全带宽运 动信号与来自每个对应压力传感器组的压力传感器组信号组合以用于组合运动和压力信 号处理。例如，参见授予Paffenholz等人的美国专利No. 6，021，092或授予Barr等人的美 国专利No. 5，163，028。这样的组合可以产生例如其中来自水表面的地震能量反射的影响已 被衰减的地震信号。这样的地震信号可以被称为“消除虚反射的(deghosted)”地震信号。在另一个示例中，其中不限制拖缆(图1中的16)的遥测能力，有可能将来自每个 个体运动传感器(图2中的33)和每个个体压力传感器(图2中31)的全带宽信号发送到 记录单元(图1中的12)以用于记录。可以在记录单元中的计算机或另一个计算机上执行 如参考图3所解释的信号处理。然而，在本示例中，如先前所解释的那样，可以通过在与可 观的运动感应噪声的频率界限有关的所选频率处将全带宽运动传感器信号分成高频分量和低频分量来生成运动传感器组信号。来自每个组(图2中的32)中的运动传感器的高频 分量信号可以在计算机中而不是如参考图2所解释的那样通过信号处理单元(图2中的 36)被组合或相加。低频分量可以如上文所解释的那样被速度滤波，并且处理的剩余部分可 以如上文参考图3所解释的那样执行。类似地，来自个体压力传感器的压力信号可以被组 合以在计算机中生成每个压力传感器组(图2中的30)的压力传感器组信号。根据本发明的方法和系统可以提供改进的地震数据，因为基本上降低了噪声对质 点运动传感器信号的低频部分的影响。尽管已经参考有限数目个实施例描述了本发明，得益于本公开，本领域技术人员 将会认识到可以设计不偏离如本文所公开的本发明的范围的其它实施例。相应地，本发明 的范围应该仅由所附权利要求限制。
权利要求
1.一种用于海洋地震勘测的方法，包括牵引水体中的至少一个地震拖缆，所述拖缆包括多个间隔开的传感器组，每个传感器 组包括多个在纵向上间隔开的质点运动响应传感器；响应于地震能量源的致动在每个质点运动响应传感器处检测信号；求和每个组中所选频率以上的质点运动响应信号的分量以生成相应的组运动信号；速度滤波所选频率以下的运动响应信号的分量；以及将经过速度滤波的信号与组运动信号组合以生成对应于每个传感器组的全带宽运动 响应信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述速度滤波包括排除低于水中声速的信号分量。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述速度滤波包括频率-波数滤波。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述速度滤波包括倾斜叠加滤波。
5.根据权利要求1所述的方法，其中以与所选频率有关的采样率将低于所述所选频率 的运动信号的分量传送到记录系统，所述采样率低于与所感兴趣的地震频率范围的上限有 关的数字采样率。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述所选频率与运动响应传感器信号中的牵引运 动感应噪声的频率有关。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述所选频率是大约20Hz。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个拖缆包括多个压力响应传感器组， 每个基本上与每个质点运动响应传感器组并置，并且其中所述方法还包括响应于所述地震能量源的致动来检测压力响应信号；以及将所述压力响应信号与全带宽运动响应信号组合以生成消除虚反射的地震信号。
9.根据权利要求1所述的方法，其中以对应于所感兴趣的最大地震频率的速率来在所 述拖缆中数字地采样检测到的运动响应信号，并且其中以与所述所选频率有关并低于数字 采样率的采样率来将低于所述所选频率的运动响应信号传送到记录系统。
10.根据权利要求1所述的方法，其中将高于所述所选频率的运动响应信号分量在所 述拖缆中组合以生成相应的组运动响应信号，并且将所述相应的组运动响应信号从所述拖 缆传送到记录系统。
全文摘要
本发明涉及用于双传感器海洋地震拖缆的传感器分组及地震勘测方法。一种用于海洋地震勘测的方法包括牵引水体中拖缆。所述拖缆包括多个间隔开的传感器组，每个所述传感器组包括多个在纵向上间隔开的压力传感器和质点运动响应传感器。响应于地震能量源的致动检测在每个传感器处的信号。组合在每个组中所选频率以上的所采样的运动信号的分量以生成相应的组运动信号。所选频率以下的运动响应信号的分量被速度滤波。将经过速度滤波的信号与组运动信号组合以生成对应于每个传感器组的全带宽运动响应信号。
文档编号G01V1/38GK102004265SQ201010267429
公开日2011年4月6日 申请日期2010年8月27日 优先权日2009年8月27日
发明者S·R·L·滕汉恩 申请人:Pgs地球物理公司