具有地震传感器和发散传感器的传感器组件

摘要

一种具有改进特征的用于勘探地下结构的传感器组件包括用于定位在地表处或以下的发散传感器，该发散传感器包括容纳物质和浸没在此物质中的压力传感器的容器。另外，传感器组件包括位于发散传感器的容器外部的单分量地震传感器。

说明书

本申请是申请日为2010年10月4日、国际申请号为 PCT/US2010/051368、国家申请号为201080052944.3、名称为“具有 地震传感器和发散传感器的传感器组件”的进入中国国家阶段的国 际申请的分案申请。

背景技术

地震勘探用来验明例如油气储层、淡水含水层、注气区等的地 下元素。在地震勘探中，震源被放置在地表或海底上的不同位置， 启动震源来产生指向地下结构的地震波。

震源产生的地震波传播到地下结构中，一部分地震波被反射回 地面以便被地震接收器(例如地震检波器、加速度仪等)接收。这 些地震接收器产生表示检测到的地震波的信号。对来自地震接收器 的信号进行处理以生成关于地下结构的内容和特性的信息。

噪声会干扰从地下结构反射的地震波的精确测量。已经开发出 了多种技术来减小地震勘探操作中的噪声影响。很多这种技术要么 涉及地震接收器的复杂布置，要么涉及使用相对复杂的处理算法来 消除噪声的影响，这会增加进行地震勘探相关的成本。

发明内容

总的来说，根据一种实施方式，一种具有改进特征的用于勘探 地下结构的传感器组件包括用于定位在地表处或以下的发散传感 器，该发散传感器包括容纳物质和浸没在此物质中的压力传感器的 容器。另外，所述传感器组件包括在发散传感器的容器的外部的单 分量地震传感器。

其他或替代的特征通过下面的描述、附图和权利要求将变得更 加明白。

附图说明

图1表示根据一种实施方式的传感器组件的示意图；

图2和图3表示根据一些实施方式具有大体立方体形状的容器 的发散传感器；

图4-图5表示根据替代实施方式具有大体椭球形的容器的发散 传感器；

图6-图9表示根据另一些实施方式具有带不同硬度侧面的容器 的发散传感器；以及

图10是根据一种实施方式的执行地震勘探的过程的流程图。

具体实施方式

在下面的描述中，阐述了很多细节来提供对本发明的理解。然 而，本领域技术人员将理解，本发明可以在没有这些细节的情况下 实践，且对所描述的实施方式的很多变型或修改是可行的。

图1显示了一种用于执行地震勘探操作的示例性布置，其中包 括根据一种实施方式的传感器组件100。图1所示的传感器组件100 可布置成排或阵列的形式，以便执行关于地下结构116的地震勘探 操作。地下结构116可具有感兴趣的至少一种地下元素117，例如油 气储层、淡水含水层、注气区等。

传感器组件100通过电缆线104联接到控制器106，控制器包括 处理器108和用于存储从传感器组件100接收的数据的存储介质 110。在一种替代实施方式中，代替使用缆线104，可以在传感器组 件100与控制器106之间进行无线电通信或其他类型的无线通信。 尽管图1中没有显示，但可以将路由器或集线器设置在传感器组件 100和控制器106之间。

如图1所示，传感器组件100中的一些或全部均可以具有地震 传感器112和发散传感器114。地震传感器112可以是用于测量由地 下结构116中的地震波引起的竖直粒子速度的地震检波器，或者替 代地，地震传感器112可以是用于测量由经过地下结构116传播的 地震波引起的加速度的加速度仪。启动震源(例如振动器、气枪、 爆炸装置)以使地震波传播到地下结构116中。替代地，代替使用 上面所述的受控震源来提供受控源或有源勘探，一些实施方式也可 在无源勘探的环境下使用。无源勘探使用传感器组件100来执行下 面的一项或多项：(微)地震监控；水压裂监控，其中由于主动注 射到地下(例如油气储层)的流体造成的岩石失效而观察到微地震； 等等。

在一些实施方式中，地震传感器112是用于测量竖直方向(图1 中的轴线z表示的)上的地震波的竖直分量地震传感器。在替代实 施方式中，传感器组件100可另外或替代地包括用于检测基本水平 方向，例如与图1中的地面117基本平行的x或y方向上的地震波 的地震传感器。地震传感器112被认为是用于获取与地下结构116 的勘探相关的地震数据的主要勘探传感器。在一些实施形式中，地 震传感器112是只测量一个方向(例如x、y和z方向之一)上的地 震波场的分量的单分量地震传感器。例如，单分量地震传感器112 可测量地震波场的位移、速度或加速度的竖直分量。替代地，单分 量地震传感器可测量地震波场的位移、速度或加速度的水平分量， 或者替代地，基于来自地震传感器的数据导出的输出包括地震波场 的位移、速度或加速度的导出水平分量。

也是传感器组件100的一部分的发散传感器114用于测量与地 震传感器112测量的经过地下结构116传播的地震波不同的输入。 这种输入的一个例子是噪声，例如沿着地面117水平传播的噪声(称 为“地滚波噪声”)。地滚波噪声可以是沿着地面117从震源传播到 传感器组件100的水平传播的地震波的结果。地滚波噪声的例子包 括瑞利波、洛夫波或其他类型的信号。

其它类型的噪声包括在例如水体或永久冻土体的冰冻表面上采 集的数据中存在的弯曲波、和由因诸如风、雨或像交通的人类活动、 空气冲击、耀斑噪声或其它工业过程的环境造成的空气噪声。

发散传感器114具有密封的封闭容器116。容器116容纳容器 116内的一定体积的液体118(或其它物质，例如胶体或像沙子或塑 料的固体，等等)。而且，容器116容纳浸没在液体118(或其它物 质)中的压力传感器120(例如水听器)。压力传感器120浸没在物 质118中的意思是压力传感器120被所述物质118包围或者以其他 方式附接到物质118或与物质118接触。在下面的讨论中，以浸没 在液体118中的水听器120为参考，注意在替代实施方式中，其他 类型的压力传感器120可以浸没在其它类型的物质118中。

中立且悬浮地浸没在液体118中的水听器120在机械上与容器 116的壁断开。因此，水听器120只对经容器116的壁感应到液体 118中的声波敏感。为了保持固定的位置，水听器120通过联接机构 122附接，该联接机构122抑制声波经其传播。这种联接机构122 的例子例如包括弹性带或者适当布置的弹簧和/或缓冲器。

液体118的例子包括：煤油、矿物油、植物油、硅油和水。在 其它实施方式中，可以采用其他类型的液体。又例如，代替液体， 水听器120可浸没在另一类型的物质中，例如胶体或者诸如塑料或 沙子的固体。在一个例子中，可以使用具有更高粘性的液体来改变 对不同类型的波的敏感度，包括P(压缩)波、S(剪切)波、瑞利 波和洛夫波。而且，设置在发散传感器114的容器116中的液体118 的量决定水听器120的敏感度。只部分填充液体的容器116记录较 弱的信号。

如图1进一步所示，传感器组件100还包括与地震传感器112 和发散传感器114都电联接的电子电路124。电子电路124可包括存 储元件、处理元件和用于在电缆线104上将由地震传感器112和发 散传感器114采集的数据连通到控制器106的通信元件。

如图1所示，地震传感器112定位在发散传感器114的容器116 的上方和外部。在其他实施形式中，地震传感器112可相对于发散 传感器114具有一些其他布置。发散传感器114的至少一部分在地 面117下，使得水听器120可以在地面117处或者在地面117下方， 而不是在地面117上方。当安置时，传感器组件100的发散传感器 114与地面117下的土地介质稳固地接触，这改善了通过发散传感器 114中的水听器120采集的信号的数据质量。

在采用缆线104的实施方式中，经缆线104从远程电源(例如 位于控制器106处的电源)向传感器组件100传输功率。在采用无 线连通而不使用缆线104的实施方式中，传感器组件100可设有提 供本地功率的电池。

图2示出了具有部分填充液体118的容器116的发散传感器 114A的例子(与图1相反，图1示出了容器116完全填充液体118)。 由于容器116部分填充液体118，在容器116内的液体118上方提供 扩张体积200，扩张体积200填充气体。扩张体积200允许液体118 随着液体118温度的升高膨胀。在一些实施形式中，目标是避免在 容器116内具有大于20％的气体或真空体积。提供大于20％的气体 或真空体积会导致水听器120获得的信号非常弱。替代地，在其他 实施形式中，目标是避免在容器116内具有大于一些其他百分比的 气体或真空体积。

图3显示了一种替代实施方式，其中发散传感器114B的容器116 完全填充液体118。但在图3中，扩张体积通过将起泡结构300附接 到发散传感器114B的容器116B的上部来提供。起泡结构300包括 内部体积302和与容器116B的内部流体连通的端口304。容器116B 内的液体118的膨胀(例如由温度升高引起)将导致液体118的一 部分经容器116B和腔室302之间的端口304进入起泡结构300的内 部腔室302。

尽管图2和图3显示了提供扩张体积来适应液体118的膨胀的 两种方式，但注意其他实施形式可采用用于提供与液体118流体连 通的扩张体积的其他机构。

图1-3显示了其中容器116、116B大体为立方体形状的实施形 式。立方体通常具有矩形侧面。在一种特定实施形式中，立方体具 有正方形侧面。在其他实施形式中，发散传感器的容器可具有其他 形状，包括平行六面体形状、金字塔形状、四边截锥体形状、双棱 锥体形状或其他更加复杂的形状。

图4和图5分别显示了包括大体为椭球形的容器400的发散传 感器114C和114D。替代地，容器400可具有球形形状。图4中的 椭球容器400容纳完全填充椭球容器400的内部腔室的液体118。另 一方面，在图5中，椭球容器400部分填充有液体118，使得扩张体 积402提供在椭球容器400的内部腔室的上部处。

图6显示了另一种实施方式的发散传感器114E，其中发散传感 器114E的容器608的多个侧面600、602、604和606被形成为具有 不同的硬度。例如，侧面600和604具有与底侧606不同的硬度。 而且，顶侧602也可具有与侧面600、604或底侧606不同的硬度。 在不同侧面上提供不同的硬度可以通过使用不同材料来实现。例如， 软橡胶或胶乳材料可具有低的硬度，而硬橡胶或塑料可具有中等硬 度。另一方面，玻璃或金属具有更大的硬度。

此外，如图7所示，不同硬度可通过提供相同材料的不同厚度 来实现。在图7中，发散传感器114F的侧面700和704的厚度比顶 侧702和底侧706小。小厚度得到小硬度，而大厚度得到大硬度。

提供不同的硬度将使发散传感器的方向敏感度变化。这可用来 使传感器组件100接收的波场的特定部分衰减。使特定侧面更具硬 度意味着发散传感器对在基本垂直于特定侧面的方向上传播的波场 会更加敏感。

替代地，如图8所示，发散传感器114G的容器也由硬性材料 (802)制成，在发散传感器114G的底部处设置较小硬度区域804。 该发散传感器可放置在地面处，使较小硬度区域804直接接触地面。 图9显示了这种实施形式的一种变型，其描述了发散传感器114H具 有硬性材料(802)的容器，在底部处具有较小硬度区域804。另外， 软销902附接到发散传感器114H的底部，该软销用于植入到地面中。 软销902可例如填充有液体，或者替代地，软销902可以由更软的 材料(比材料802软)形成。在这种布置中，压力从地面经软的液 体填充销传输。

如图1所示，地震传感器112和发散传感器114是整体外壳或 壳体101的部分，使得传感器组件100可以被认为是单个传感器装 置。在替代实施方式中，地震传感器112和发散传感器114可设置 在不同的外壳或壳体中，且每个地震传感器112和发散传感器114 可与其自身的相应电子电路相关联，使得传感器组件100可以被认 为是由两个单独的传感器装置形成的。在这种实施形式中，两个单 独的传感器装置可以定位成相对靠近在一起(例如小于一米或一些 其他距离隔开)。

图10示出了根据一种实施方式执行地震勘探操作的过程。首先， 在勘探场中部署传感器组件100(1002)。传感器组件100被植入到 地面中使得传感器组件100的水听器120在地面117处或以下(图 1)，而不是在地面117以上。每个传感器组件100可通过称为堆沙 袋的技术埋置。传感器组件100放置在地面顶部上或者在小孔中， 并且袋(或者不必在袋中的沙子或胶体)放置在传感器组件100的 顶部上以保持传感器组件100的位置。袋可填充有任何合适的物质， 包括沙子、石头和水。

接着将传感器组件连接到控制器106(1004)。该连接可通过使 用电缆线104或者通过使用无线通信实现。

接着，开始地震操作(1006)，其中启动诸如振动器或爆炸装 置的震源以将地震波感应到地下结构116(图1)。通过传感器组件 100测量从地下结构116反射的地震波(1008)。获取的数据从传感 器组件100连通到控制器106(1010)。连通到控制器106的数据包 括通过地震传感器112获取的数据以及通过发散传感器114获取的 数据。

接着控制器106中的处理器108基于接收的数据进行处理。例 如，处理器108可通过使用来自发散传感器114的数据去除噪声影 响，使得噪声分量从地震传感器112获取的信号去除。

尽管已经关于有限数量的实施方式公开了本发明，但受益于此 披露的本领域技术人员将认识到对其的多种修改和变型。所附的权 利要求意在覆盖落入本发明的真正精神和范围内的这种修改和变 型。