在源之间使用更宽的横向间距以改进效率的地震勘探方法

摘要

本发明涉及在源之间使用更宽的横向间距以改进效率的地震勘探方法。一种用于在水体中拖曳海洋地震采集阵列的方法包括在勘探船的后面在水中拖曳多条横向隔开的传感器拖缆。由L表示相邻拖缆之间的横向间距。在勘探船的后面拖曳至少两个横向隔开的地震能源。由kL表示至少两个源之间的横向间距，其中k是常数并且其中k最多等于拖缆的数量。

说明书

相关申请的交叉引用

不适用。

有关联邦政府赞助的研发的声明

不适用。

技术领域

本发明总体上涉及海洋地球物理勘探（marine geophysical surveying）领域。更具体而言，本发明涉及用于控制拖曳在勘探船后面的地球物理传感器拖缆（streamer）的阵列的空间分布或者几何结构的方法。

背景技术

海洋地球物理勘探系统（诸如地震采集系统和电磁勘探系统）用于从处于水体底部，诸如，湖或海洋的底部以下的地层（formation）采集地球物理数据。海洋地震勘探系统例如通常包括具有船载导航、地震能源控制和地球物理数据记录设备的地震勘探船。地震勘探船通常被配置成拖曳一条、或更典型地为多条横向隔开的传感器拖缆从水中经过。在选定时间上，地震能源控制设备使一个或多个地震能源（其可以由地震船或者另一条船拖曳在水中）启动（actuate）。最终将所述一条或多条拖缆上的各个传感器响应于检测到的地震能量生成的信号传导至所述记录设备。在所述记录系统中相对于时间记录由每一传感器（或者这样的传感器的组）生成的信号。后面将对所记录的信号进行解释以推断水体底部以下的地层的结构和构成。可以在海洋电磁地球物理勘探系统中使用对应的部件来诱发电磁场并且响应于此类赋予的场来检测源自于地表以下的电磁现象。

从最一般的意义上来讲，一条或多条传感器拖缆是长线缆，其具有沿线缆的长度布置在隔开的位置上的地球物理传感器。典型的拖缆可以在地球物理勘探船后面延伸几千米。由于典型的拖缆具有很大的长度，因而除其他因素之外，由于拖缆与水和水流的相互作用拖缆在勘探船的后面并非在沿其长度的每一点上都以直线行进。

由被配置成拖曳多条拖缆的船拖曳的拖缆与如下设备相关联，其通常在拖缆被拖曳通过水中时使拖缆的前端相互保持选定的横向距离，以及使所述前端与勘探船的中心线保持选定的横向距离。这样的多拖缆系统用于称为三维和四维地球物理勘探当中。四维地震勘探是在选定的时间上重复的对相同地球地表以下的区域的三维勘探。这样的系统中的个别拖缆受到影响单条拖缆相同的力的影响。

从三维勘探生成的地球地表以下的地球物理图像的质量受到对拖缆上的个别传感器的位置的控制程度的影响。从检测到的信号生成的图像的质量还取决于贯穿地球物理勘探保持传感器的相对位置的程度。本领域已知各种用于对拖缆横向定位和/或将其定位于水面以下的选定深度的设备。例如，颁发给Owsley等人的美国专利号 5,443,027描述了一种用于使水下拖曳声缆位移的横向力设备，其提供水平方向和竖直方向的位移。然而，Owsley等人的专利中公开的设备没有提供对拖缆的方向或深度的主动控制。

颁发给Ambs等人的美国专利号6,011,752描述了一种地震拖缆位置控制模块，其具有如下主体，该主体具有第一端和第二端以及贯穿其内的从所述第一端到所述第二端的用于接收地震拖缆的腔膛（bore）。所述模块具有至少一个控制表面和至少一个凹部，最初将所述至少一个控制表面布置在所述至少一个凹部内。将所述至少一个控制表面可移动地连接至所述主体，用于从所述至少一个凹部内移出或者移到其内，以及用于在从所述主体延伸时用于姿态调整的移动。一般而言，在Ambs等人的专利中描述的设备具有即使在关闭时也比固定到其上的拖缆大的直径，并且在部署拖缆以及从水中打捞拖缆时这样的直径可能带来问题。

颁发给Bertheas等人的美国专利号6,144,342描述了一种用于使用可附加到拖缆的外部的“鸟（birds）”控制拖曳的地震拖缆的导航的方法。所述鸟配备有倾角（incidence）可变的翼，并且可旋转地固定到拖缆上。通过差动动作，所述翼允许所述鸟围绕拖缆的纵轴转动，使得获得任何给定方向上围绕拖缆纵轴定向的水动力。通过旋转变压器在所述拖缆和所述鸟之间传输功率和控制信号。通过以盖闭合的腔膛将所述鸟固定到所述拖缆上。在提升拖缆时所述鸟可以被自动卸除，使得可以使拖缆自由地缠绕在缆盘（drum）上。据称所公开的方法允许对拖缆形变、浸没和航向的完全控制。

上述设备可以对船拖曳的多条横向隔开的传感器拖缆的几何结构提供某些程度的控制。环境条件的变化，例如，船的运动的横断方向时的高速水流、侧风和高浪都可能要求响应地调整拖缆的几何结构。

需要一种在拖曳拖缆经过的水体内的各种环境条件下增加勘探效率的方法。

发明内容

一种用于在水体中拖曳海洋地震采集阵列的方法包括在勘探船的后面在水中拖曳多条横向隔开的传感器拖缆。由L表示相邻拖缆之间的横向间距。在所述勘探船的后面拖曳至少两个横向隔开的地震能源。由kL表示所述至少两个源之间的横向间距，其中k是常数，并且其中k最多等于拖缆的数量。

根据本发明的另一方面的用于在水体中拖曳海洋地震采集阵列的方法包括在勘探船的后面在水中拖曳多条横向隔开的传感器拖缆。由L表示相邻拖缆之间的横向间距。在水中拖曳至少两个横向隔开的地震能源。由kL表示所述至少两个源之间的横向间距，其中k是常数，并且其中k最多等于拖缆的数量。将所述传感器拖缆导向成勘探船后面的选定扩展角，并使用来自在所述源的横向位置之间横向采集的重叠共深度点线的地震数据减少加密（infill）采集。

根据下述描述和所附权利要求书，本发明的其他方面和优点将变得清楚。

附图说明

图1示出了地震拖缆的阵列，每条拖缆包括用于调整相应的拖缆的几何结构的横向力和深度控制设备。

图2示出了拖缆和震源的现有技术布置。

图3示出了根据本发明的一种可能的拖缆和震源布置。

图4示出了根据本发明的一种可能的拖缆和源布置。

图5示出了与船具有大距离的拖缆的偏转（feathering）。

具体实施方式

图1示出的并且参考其做出描述的地震勘探系统旨在说明与典型的三维地震勘探一起使用的各种部件，以提供对本发明的更好的理解。图1所示的各种设备并非旨在限制本发明的范围。

勘探系统包括沿诸如湖或海洋的水体11的表面移动的勘探船10。勘探船10可以包括位于其上的一般地以12示出的设备，并且为了方便起见统称为“记录系统”。所述记录系统12通常包括诸如数据记录单元的设备（未单独示出），用于相对于时间记录由采集系统中的各个地震传感器生成的信号。所述记录系统12通常还包括导航设备（未单独示出），从而在选定时间上确定并记录船10的大地测量学（geodetic）位置，以及使用将在下文解释的其他设备确定并记录布置在勘探船10拖曳的拖缆20上的隔开位置上的多个地震传感器22中每个的大地测量学位置。

在一个示例中，用于确定大地测量学位置的设备可以是在12A处示意性地示出的大地测量学位置信号接收器12A，诸如，全球定位卫星（GPS）接收器。本领域已知其他大地测量学位置确定设备。记录系统12的前述元件是本领域的技术人员所熟知的，除了大地测量学位置检测接收器12A以外，为了图示的清晰起见没有在这里的图中单独示出前述元件。

地震传感器22可以是任何类型的本领域已知的地球物理传感器。这样的传感器的非限制性例子可以包括诸如地震检波器和加速度计的粒子运动响应地震传感器、压力响应地震传感器、压力时间梯度响应地震传感器以及上述内容的组合。例如，地震传感器22可以响应于由两个地震能源30、32向所述地表以下赋予的能量来测量从水11的底部以下的地表下之中的各种结构初级反射的或者由其折射的地震能量。所述记录系统12还可以包括用于对所述能源30、32进行选择性地操作的能源控制设备（未单独示出）。

在图1所示的勘探系统中，有四条由勘探船10拖曳的传感器拖缆20。然而，图1所示的传感器拖缆的数量只是为了对本发明加以解释而不是旨在对可以在根据本发明的任何特定地球物理勘探系统中使用的拖缆的数量做出限制。如本文背景技术部分解释的，在诸如图1所示的包括多条横向隔开的拖缆的海洋地球物理采集系统中，通常将拖缆20耦合到拖曳设备上，所述拖曳设备将每条拖缆20的前端固定在相对于相邻拖缆以及相对于地震勘探船10的选定横向位置上。如图1所示，所述拖曳设备可以包括两条扫雷拖索8，每条扫雷拖索的一端通过绞车19或者类似的实现改变每条扫雷拖索8的部署长度的卷绕设备耦合到船10上。每条扫雷拖索8的远端功能地耦合到扫雷器14。将每一扫雷器14的成形为在使扫雷器14通过水11移动时向在水11中部署的各种拖曳部件提供横向运动分量。在本上下文中“横向”意味着横断勘探船10在水11中的运动方向。每一扫雷器14的横向运动分量与另一扫雷器14的横向运动分量相反。所述扫雷器14的组合的横向运动分量使所述扫雷器14彼此隔开，直到它们使在所述扫雷器14之间端到端功能地耦合的一条或者多条散布器索或散布器缆24进入张紧为止。

可以使每条传感器拖缆20在其最接近船10的轴向端（“前端”）处耦合至相应的引入线缆终端20A。引入线缆终端20A可以耦合至散布器索或散布器缆24或者与其相关联，从而使拖缆20的横向位置相对于彼此以及相对于船10的中心线固定。可以使用内部引入缆18进行记录系统12中的适当部件与最终的系统的横向边缘以内的拖缆20那些中的地球物理传感器22（和/或其他电路）之间的电和/或光连接，每条内部引入缆均终止于相应的引入线缆终端20A。引入终端20A布置在每条拖缆20的前端处。可以使用最外侧的引入缆16通过相应的引入终端20A进行记录单元12的适当部件与横向最外侧的拖缆20中的传感器22之间的对应的电和/或光连接。可以通过相应的绞车19或者类似的设备部署内部引入缆18和最外侧引入缆16中的每个，使得可以改变每条缆16、18的部署长度。图1所示的耦合至每条拖缆的前端的拖曳设备的类型只是旨在说明可以在水中拖曳横向隔开的拖缆的阵列的设备的类型。在根据本发明的地球物理采集系统的其他例子中可以使用其他拖曳结构。

图1所示的采集系统还可以包括多个横向力和深度（“LFD”）控制设备26，该控制设备26在沿每条拖缆20的选定位置上与每条拖缆20协同啮合。每一LFD控制设备26可以包括一个或多个可旋转控制表面（未单独示出），在表面相对于这样的表面通过水11的运动方向而移向选定的旋转朝向时，所述表面将产生处于选定方向内的水动力升力，从而沿在水11中向上或者向下的任何选定方向或者相对于船10的运动方向沿水表面横向地推动拖缆20。因此，可以使用这样的LFD控制设备26使拖缆保持选定的几何布置。在Fossum等人提交的美国专利申请公开号2008/0008033中描述了可以在一些例子中使用的LFD设备的非限制性示例。然而， LFD设备26的特定配置不对本发明的范围构成限制。如前所述，就本发明的目的而言，用作LFD设备26的任何设备只需能够向相关联的拖缆20施加可选的横向力即可。可以诸如通过提供具有选定总具体重力的拖缆20或由单独的深度控制设备（未示出）被动地提供拖缆20的深度控制。因此，对如LFD设备26提供的“深度”控制的任何提及仅旨在涵盖当前的示例性实现，诸如使用了上文引用的Fossum等的‘033专利申请公开中所示的设备。任何对拖缆20的主动深度控制的提及都不对本发明的范围构成限制。因此，出于限定本发明的范围的目的，所述LFD设备26仅需要执行“横向力”控制设备的功能，并且包含深度控制作为在此解释的LFD设备26的功能的部分旨在确保本领域技术人员理解在此公开的示例LFD设备26的使用以及任何其他类似的例子均处于本发明的范围内。

在当前例子中，每一LFD设备26可以包括相关联的位置确定设备。在一个例子中，位置确定设备可以是声学测距感测设备（“ARD”）26A。这样的ARD通常包括声学收发器或发射器以及被配置成使收发器发射声能脉冲的电子电路。声能在布置在隔开的位置上（诸如沿相同拖缆和/或在不同拖缆上）发射器和的接收器之间的传播时间与所述发射器和所述接收器之间的距离以及水的声速有关。可以假设声速在勘探期间基本不变，或者可以通过诸如水速测试单元的设备测量声速。替代地或者此外，可以沿每一个未配置LFD设备26的拖缆在选定位置上布置声学测距感测设备（“ARD”）。在图1的23处示出了这样的附加ARD。每一ARD 26A、23可以与记录系统12信号通信，使得可以在任意时刻上确定任何拖缆20上的任何两个ARD 26A、23之间的距离。可以将一个或多个ARD布置在接近船10的尾端的选定位置上，使得还可以确定船10上的选定位置与拖缆上的任何ARD之间的相对距离。在颁发给Falkenberg等并转让给本发明的受让人的美国专利号7,376,045中描述了ARD和与这样的ARD一起使用的系统的非限制性例子。

此外或者替代地，拖缆20可以包括多个沿每条拖缆20布置在隔开的位置上的航向传感器29。所述航向传感器29可以是附着到拖缆20的外部的地磁方向传感器，诸如磁罗盘设备。在颁发给Burrage的并且通过引用并入本文的美国专利号 4,481,611中描述了一类罗盘设备。航向传感器29提供了指示沿相应拖缆的航向传感器29的轴向位置上的拖缆20的航向（相对于磁北的方向）的信号。可以使用对这样的处于沿每条拖缆的隔开位置上的航向的测量对每条拖缆的几何结构（空间分布）进行内插。

每条拖缆20可以包括处于其远端的尾浮标25。除其他感测设备之外，所述尾浮标25可以包括大地测量学位置信号接收器25A，诸如可以确定每一尾浮标25的大地测量学位置的GPS接收器。每一尾浮标25中的大地测量学位置接收器25A可以与记录系统12信号通信。

可以通过确定ARD 26A、23之间的距离，在船10上包括一个或多个ARD和/或通过根据航向传感器29测量对拖缆的空间分布进行内插来进行对每条拖缆20的几何结构的估计。可以将拖缆20的几何结构统称为“阵列几何结构”。出于限定本发明的范围的目的，可以单独或者按照任意组合使用上文所述的各种位置测量分量，包括来自航向传感器29、来自ARD 26A、23以及如果使用饿来自尾浮标25内的附加大地测量学位置接收器25A的那些分量。对于本发明的目的而言，仅需要能够合理地估计沿每条拖缆20的每一点关于勘探船10或者关于能源17的位置（将对此做进一步解释）的相对位置。通过适当地选择沿每条拖缆布置上文描述的各种相对位置测量设备的位置，有可能在不需要诸如通过使用大量的GPS接收器来测量、估计或者否则确定沿每条拖缆的大量位置上的绝对大地测量学位置的情况下确定阵列几何结构。为了方便地限定本发明，可以将ARD和航向传感器称为“相对位置确定”传感器。通过确定沿每条拖缆的每一点关于勘探船上的选定点或者能源的相对位置，有可能如果确定了船或能源的大地测量学位置，则确定每一这样的拖缆点的大地测量学位置。如上所述，记录系统12的导航部分可以包括GPS接收器或者任何其他大地测量定位接收器12A。在一些例子中，能源17也可以包括诸如GPS接收器的大地测量学位置定位接收器17A。在上文引用的Falkenberg等的专利中描述了用于使用声信号确定拖缆的相对位置的系统的特定例子。

如前所述，船10还可以拖曳诸如气枪阵列的两个源阵列30、32。记录系统12包括如上文所述的在选定时间上启动所述源阵列30、32的设备。出于限定本发明的目的，术语“源”可以与“源阵列”互换使用。源的类型不对本发明的范围构成限制。

解释了可以在各种例子中使用的采集系统，现在将参考图2到5说明本发明的原理。图2示出了现有技术中已知的三维（3D）海洋采集勘探系统几何结构，其中由勘探船10拖曳源30、32。船10拖曳以N表示的拖缆20的数量（为了清晰起见在图2到图5中省略了图1所示的与拖缆相关联的其他设备），拖缆20横向基本相等分布并且横向彼此隔开由L表示的距离。船10还拖曳两个源阵列30、32，如上文所述，两个源阵列30、32在船10后面对称部署并且隔开通常等于L/2的距离。源30、32可以交替启动，并根据共深度点（CDP）线照射地表以下，在31处示出了由第一源30得到的共深度点线，在33处示出了由第二源32得到的共深度点线。在船10沿水（图1中的11）移动时，其采集数量2N的CDP线（在这种情况下为二十），CDP线彼此隔开L/4的横向距离。对于具有N条拖缆并且相邻拖缆分开距离L的采集系统而言，“航线（sail line）”覆盖的地表以下的面积（船沿一个方向移动预定距离）与NL/2直接正比例。在本发明中，使用相同船10拖曳源30、32和拖缆20这两者。

前述参数NL/2对于3维海洋采集的效率而言很重要。所述参数的值越大，采集就越有效率，即每单位时间内地表以下的面积就越大。然而，其他因素也影响勘探效率，最值得注意的是 “线折返”（在船倒转方向时和其期间，系统不采集任何数据）以及任何所需的加密数据记录。由于在勘探操作期间拖缆20没有在船10的后面基本上直延伸并且可能占据从一条航线到下一条航线的偏离位置，因而可能需要加密数据记录。偏离效应通常在更长的偏移（船和沿拖缆20的长度的任何一点之间的更长距离）处就更严重，因为在更大的长度上存在对拖缆的横向位置的渐进地更小控制。将这样的效应称为“拖缆偏转”和“裤子效应”。

线缆偏转（和所产生对加密的需要）的主要源在于水流（潮汐等）。裤子效应一般是由于船10产生的湍流，其倾向于使拖缆散布（spread）在其横向的中央裂开，并将所述散布的两半从船10的中心线向外推（例如参考图5）。可以使用如上文参考图1所述的拖缆20上的可导向设备（例如图1中的LFD设备26）来使它们回到在船10后直延伸而将加密需要减少到某个程度。然而，即使使用这样的LFD设备，针对对拖缆阵列的几何结构的控制仍然存在限制。

所提出的根据本发明的一个方面的勘探设计包括将源30、32之间的横向间距设置为距离kL（其中，k≤N）。在一些情况下，可能例如使用LFD设备（图1中的26）有意保持拖缆20的自然散布（“裤子效应”）（即与船的中心线之间的横向间距随着与船的距离而增大），而不是试图使用LFD设备（图1中的26）减少它。

图3示出了具有布置在船10的后面的源30、32而k=4的效应，即，间距是相邻拖缆20之间的横向间距L的四倍。图3示出了使拖缆20在船10后面直延伸的第一种情况。就这样的系统几何结构而言，每条航线采集数量N+k的CDP数据线（在当前例子中为14条这样的CDP线），每条所述CDP线与相邻CDP线横向隔开L/2。由这样的航线覆盖的地表以下与(N+k)L/2直接成比例。与源间距为L/2（参见图2）的现有技术中已知的采集相比的生产率改进为k/N（在当前例子中大约为40%）。使用图3的布置的一种可能的缺点是交叉线采样（CDP线之间的横向间距）为L/2而不是L/4。更加粗略的交叉线采样对于大型勘测普查（其中生产率是主要因素）而言可能不是问题，但是对于高分辨率勘探而言就可能有问题。如果交叉线采样有问题，那么有可能使拖缆数量加倍，并使它们的横向间隔除以2（也就是说使相邻拖缆之间的横向间隔等于L/2）。结果将是L/4的交叉线CDP间隔（如图2中那样），而通过使源30、32横向隔开4L而保持生产率改进。在图4中示出了这样布置的示例：其中相邻拖缆之间的横向间隔为L/2而不是L。

在查看图3时还应当注意的是某些CDP线重叠，即由于源30、32之间的间隔，对于某些相对于船10的中心线的横向位移而言将生成不止一条CDP线。指示这样的重叠CDP线，例如其中参考标号31和参考标号33两者指示相同的CDP线。对于图3所示的几何结构而言，其中拖缆20在船10后面直延伸，可以从地震数据中省略对应于与船中心线的特定横向偏移的一条或另一条CDP线。一般而言，将保留具有最小偏移的线。照此，与常规采集相比可以降低“最大的最小偏移”。在图3的配置中，重叠CDP线的“最小偏移”将对应于源（30或者32）与生成重叠CDP线的两条拖缆中的任一条中的第一传感器之间的最短距离。浅反射器的照射直接受到所记录的最小偏移的影响，并且出于该原因，希望更短的最小偏移，并且通常将保留具有最小的偏移的线。

在一个例子中并且参考图5，有可能允许使用LFD设备（图1中的26）更多地将拖缆20保持直线而不是尝试将拖缆直延伸在船后面（例如，如图3所示）来使拖缆20基本呈现它们由于“裤子效应”原始具有的形状。具体而言，可以使用LFD设备（图1中的26）对拖缆导向，从而使在船后延伸的第一部分拖缆和在船后延伸的第二部分拖缆之间具有选定扩展角。通常，所述第一部分拖缆将是在船的航线的一侧上的那些拖缆，并且第二部分将是在船的航线的另一侧上的那些拖缆。如上文参考图3所说明的，在源30、32的横向位置之间将复制多个CDP线31、33。在图5的例子中，可以使用这样的复制的或者额外的CDP线31、33提供“裤子效应”拖缆阵列的中央区域内的地表以下覆盖，因此减少或消除加密覆盖的需要。

假设在如果不存在“裤子效应”则拖缆将具有的位置与拖缆的实际位置之间的3度的拖缆扩展（裤子效应）半角β（等于六度的总扩展角），交叉线散布在6km的偏移处增加628m并且在8 km偏移处增加837m，其中“偏移”距离是从拖缆的前端到沿拖缆距拖缆前端的指定距离处的距离。考虑其中L=150m、N=10的情况，那么对于其中拖缆在船后是直的采集而言交叉线散布为1350m。在具有3度半角裤子效应的情况下，在6km的偏移处交叉线散布为1978m（47%的增加），并且在8km的偏移处为2187m（62%的增加）。由于如图所示通过使源30、32间隔提供的备用的（附加的）覆盖，这样的大的远偏移散布实际在交叉线方向很好地采样并且将需要最小的加密覆盖。

根据本发明在进行勘探设计时存在两个相反的考虑：生产率增益与k成比例（其确定源之间的间隔），而备用覆盖的量则与N-k成比例。如果在k=N的情况下接近极限（源之间的间隔等于拖缆散布），那么生产率将加倍，但是将不存在备用覆盖（并且因此不存在减少加密的改进）。然而，前述内容将转化为净生产率增益，因为覆盖范围加倍，而加密一般仅标识原始覆盖（prime coverage）的20%到40%。

也可能从不同的船（未示出）而不是拖曳拖缆20的相同的勘探船拖曳地震能源30、32，以促进保持所述源30、32之间的选定横向间距。

相对于现有方法而言，根据本发明的各个方面的采集地震数据的方法可以提供增加的效率。

尽管已经相对于有限数量的实施例描述了本发明，但是在得益于本公开的本领域技术人员将认识到可以设计出不偏离本文公开的本发明的范围的其他实施例。相应地，本发明的范围应当仅由所附权利要求书限定。